Rozgrzane złoto wytrzymuje 'katastrofę entropii': Nowa metoda kwestionuje ustaloną fizykę

23 lipca 2025

autorstwa Erina Woodwarda, Laboratorium Akceleratora Narodowego SLAC

redagowane przez Gabi Clark, zrecenzowane przez Andrew Zinina

redaktor naukowy

redaktor główny

Ten artykuł został zrecenzowany zgodnie z procesem redakcyjnym i zasadami Science X. Redaktorzy podkreślili następujące cechy, zapewniając wiarygodność treści:

sprawdzono fakty

publikacja z recenzją naukową

zaufane źródło

sprawdzono korektę

Badacze będący pierwszymi, którzy dokonali bezpośredniego pomiaru temperatury atomów w ekstremalnie gorących materiałach, niechcący obalili dziesięcioletnią teorię i zdezorganizowali nasze rozumienie nadgrzewania.

Trudno jest zmierzyć temperaturę naprawdę gorących obiektów. Czy to rozgrzany plasma w naszym słońcu, ekstremalne warunki w jądrze planet, czy miażdżące siły działające wewnątrz reaktora termojądrowego, to, co naukowcy nazywają 'ciepłym gęstym materiałem', może osiągnąć setki tysięcy kelwinów.

Dokładne określenie temperatury tych materiałów jest kluczowe dla badaczy, aby w pełni zrozumieć takie złożone systemy, ale wykonanie tych pomiarów było do tej pory praktycznie niemożliwe.

„Mamy dobre techniki pomiaru gęstości i ciśnienia tych systemów, ale nie temperatury” - powiedział Bob Nagler, naukowiec Departamentu Energii Laboratorium Akceleratora Narodowego SLAC. „W tych badaniach temperatury zawsze są tylko szacunkowe z dużymi błędami, które naprawdę zatrzymują nasze modele teoretyczne. To jest problem trwający od dziesięcioleci”.

Teraz, po raz pierwszy, zespół badaczy donosi w czasopiśmie Nature, że bezpośrednio zmierzyli temperaturę atomów w ciepłym gęstym materiale.

Podczas gdy inne metody polegają na skomplikowanych i trudnych do zweryfikowania modelach, ta nowa metoda bezpośrednio mierzy prędkość atomów, a tym samym temperaturę systemu. Już ich innowacyjna metoda zmienia nasze zrozumienie świata: podczas eksperymentalnego debiutu zespół nadmuchał stałe złoto daleko poza teoretyczny limit, nieoczekiwanie obalając czterdzieści lat ustanowionej teorii.

Nagler i badacze z instrumentu Matter in Extreme Conditions (MEC) w SLAC współprowadzili to badanie z Tomem White'em, profesorem fizyki na Uniwersytecie Nevada w Reno. Grupa składa się z naukowców z Uniwersytetu Queen's w Belfaście, Europejskiego XFEL (swobodnego lasera elektronów) w Kilonii, Uniwersytetu Columbia, Uniwersytetu Princeton, Uniwersytetu w Oksfordzie, Uniwersytetu Kalifornijskiego w Merced oraz Uniwersytetu Warwick w Coventry.

Przez niemal dekadę ten zespół pracował nad opracowaniem metody, która omija typowe wyzwania pomiaru ekstremalnych temperatur - w szczególności krótkotrwałość warunków, które generują te temperatury w laboratorium oraz trudności z kalibracją wpływu tych złożonych systemów na inne materiały.

„Wreszcie, bezpośrednio i jednoznacznie dokonaliśmy pomiaru, demonstrując metodę, która może być stosowana w całej dziedzinie” - powiedział White.

W ekstremalnych warunkach - takich jak te w jądrach planet lub w wybuchających gwiazdach - materiały mogą przejść w inne egzotyczne fazy o unikalnych cechach. W SLAC badacze badają niektóre z najbardziej ekstremalnych i egzotycznych form materii kiedykolwiek stworzonych, w sposób nigdy dotąd niemożliwy.

Na instrumencie MEC w SLAC zespół użył lasera do nadmuchiwania próbki złota. Kiedy ciepło przenikało przez nanometrową próbkę, jej atomy zaczęły drgać z prędkością bezpośrednio związaną z ich rosnącą temperaturą. Następnie zesłał impuls ultrajasnych promieni rentgenowskich z liniowego synchronicznej źródła promieniowania światła (LCLS) przez nadmuchiwaną próbkę. Gdy rozpraszały się od drgających atomów, częstotliwość promieni rentgenowskich nieznacznie się zmieniała, ujawniając prędkość atomów, a zatem ich temperaturę.

„Nowatorska technika pomiaru temperatury opracowana w tej pracy pokazuje, że LCLS jest na granicy badań nad materią ogrzewaną laserem” - powiedział Siegfried Glenzer, dyrektor działu Nauk o Wysokiej Gęstości Energii w SLAC i współautor artykułu. „LCLS, w połączeniu z tymi innowacyjnymi technikami, odgrywają ważną rolę w rozwoju nauk o wysokiej gęstości energii i transformujących zastosowań takich jak inercyjna fuzja”.

Zespół był zachwycony udanym wykazaniem tej techniki - i gdy zagłębili się w dane, odkryli coś jeszcze bardziej ekscytującego.

„Zdziwiliśmy się znalezieniem o wiele wyższej temperatury w tych nadgrzewanych ciałach stałych, niż początkowo się spodziewaliśmy, co obala długoletnią teorię z lat 80.” - powiedział White. „To nie było naszym pierwotnym celem, ale właśnie o to chodzi w nauce - odkrywanie nowych rzeczy, których nie zdawaliśmy sobie sprawy, że istnieją”.

Odkryj najnowsze trendy w nauce, technologii i kosmosie z ponad 100 000 subskrybentów, którzy polegają na Phys.org dla codziennych spostrzeżeń. Zapisz się na nasz darmowy biuletyn i otrzymuj aktualizacje dotyczące przełomów, innowacji i badań, które mają znaczenie - codziennie lub co tydzień. Każdy materiał ma określone punkty topnienia i wrzenia, oznaczające przejście od stanu stałego do ciekłego i od ciekłego do gazowego, odpowiednio. Istnieją jednak wyjątki. Na przykład, gdy woda jest szybko podgrzewana w bardzo gładkich pojemnikach - takich jak szklanka wody w kuchence mikrofalowej - może stać się 'nadgrzana', osiągając temperatury powyżej 212 stopni Fahrenheita (100 stopni Celsjusza) bez rzeczywistego wrzenia. Ma to miejsce, ponieważ nie ma chropowatych powierzchni ani zanieczyszczeń, które mogłyby wywołać proces tworzenia bąbli. Ale ta sztuczka natury niesie ze sobą zwiększone ryzyko: Im bardziej system oddala się od normalnych punktów topnienia i wrzenia, tym bardziej jest podatny na to, co naukowcy nazywają katastrofą - nagłe topnienie lub wrzenie wywołane niewielką zmianą środowiska. Na przykład woda, którą nadgrzano w kuchence mikrofalowej, będzie wrzeć wybuchowo po zaburzeniu, co może spowodować poważne oparzenia. Chociaż niektóre eksperymenty pokazały, że możliwe jest ominięcie tych pośrednich ograniczeń poprzez szybkie ogrzewanie materiałów, „katastrofa entropii nadal była postrzegana jako ostateczna granica” - wyjaśnia White. W swoim ostatnim badaniu zespół odkrył, że złoto było nadgrzane do zadziwiających 19 000 kelwinów (33 740 stopni Fahrenheita) - ponad 14 razy więcej niż jego temperatura topnienia i daleko poza proponowanym limitem katastrofy entropii - zachowując jednocześnie swoją krystaliczną strukturę stałą. „Ważne jest wyjaśnienie, że nie naruszyliśmy drugiej zasady termodynamiki" - powiedział White z uśmiechem. „To, co udowodniliśmy, to to, że te katastrofy można uniknąć, jeśli materiały są bardzo szybko podgrzewane - w naszym przypadku w tryliardach sekundy." Badacze wierzą, że szybkie ogrzewanie zapobiegło rozszerzeniu złota, umożliwiając mu zachowanie stanu stałego. Wyniki wskazują, że nie ma górnego limitu dla nadgrzanych materiałów, jeśli są one wystarczająco szybko podgrzewane. SLAC umożliwia badania materiałów do elektrowni z fusion i celów paliwa termojądrowego, a także obserwacje reakcji fuzji na poziomie atomowym. Nagler zauważył, że badacze zajmujący się gorącą materią gęstą prawdopodobnie od lat przekraczają limit katastrofy entropii, nie zdając sobie z tego sprawy, ze względu na brak niezawodnej metody bezpośredniego mierzenia temperatury. „Jeśli nasze pierwsze doświadczenie z użyciem tej techniki doprowadziło do poważnego wyzwania dla ustalonej nauki, nie mogę się doczekać, co jeszcze odkryje” - powiedział Nagler. Jako przykład, zespoły White i Naglera ponownie użyły tej metody latem, aby zbadać temperaturę materiałów, które zostały uderzone i skompresowane wstrząsem, aby odtworzyć warunki głęboko wewnątrz planet. Nagler chce także zastosować nową technikę - która może określić temperatury atomowe od 1 000 do 500 000 kelwinów - do trwających badań nad energetyką fuzji inercyjnej w SLAC. „Kiedy cele paliwa fuzji kurczą się w reaktorze termojądrowym, cele znajdują się w stanie gęstym i gorącym, wyjaśnił Nagler. Aby zaprojektować przydatne cele, musimy wiedzieć, w jakich temperaturach zachodzą ważne zmiany stanu. Teraz wreszcie mamy sposób, aby dokonać tych pomiarów. Więcej informacji: Thomas G. White et al, Nadgrzanie złota powyżej przewidywanej granicy katastrofy entropii, Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09253-y Informacje o czasopiśmie: Natura Dostarczone przez SLAC National Accelerator Laboratory