19000℃不化的黄金，挑战物理学的认知
19000℃下的黄金没有熔化，这听起来像科幻，却真实登上了《自然》期刊。超快激光在飞秒尺度内将金加热到远超理论极限，它“来不及”熔化，保持固态。这一结果挑战了现有物理学理论，但仍受到质疑。
撰文 | 周立新
2025年7月，《自然》（Nature）期刊发布的论文里公布了一个新的实验结果，科学家们将黄金加热至19000℃，黄金仍保持固态，并未熔化。结果发布，犹如扔出一颗炸弹，以“‘熵灾难’被打破”、“物理学大厦崩塌了”“物理学规律不存在了”等为标题的新闻纷纷发出。
我第一时间将这个消息带给家里的理工男，没想到引发了一场由信息分享上升到有关科学严肃性问题的“辩论”。他秉持着一贯的科学严谨性和对新发现的怀疑精神，对事件的真实性提出充分质疑。不用半点怀疑，我一定是输掉辩论的那头。那一刻，我好像一个谣言散布者，又好似一个委屈的小孩。物理学的大厦是否真的会崩塌不知道，我已经接近3倍熔点，离“爆炸”不远了。
明明是已经正式发表的论文结果，为什么有人就是那么多疑问呢？为了回应他的质疑，我认真的研究了一下相关物理名词。
熔点（Melting Point，缩写M.p）是指晶体物质在标准大气压下（101.325kPa），由固态完全转变为液态时的温度。固态下，组成物质的粒子在分子间作用力、化学键等相互作用下处于在固定位置振动，物质在宏观上保持相对稳定状态。随着温度的升高，粒子热动能增加，对抗分子间作用力。当粒子热运动刚好可以打破固态的有序结构时，粒子从相对稳定的振动状态变为自由移动状态，物质从固态转变为到液态。纯金在标准大气压（101.325kPa）下的熔点为1064℃。这里温度指的是物质处于平衡态下的温度。
“熵”（Entropy，缩写 S），热力学中描述“体系混乱度” 的物理量。从“有序”到“无序”的过程是熵增的过程，形象点理解可以想象一下，整齐的书架在使用后图书被胡乱放回，这是个熵增过程。一般来说，物质从固态变为液态的过程，分子间混乱程度增加，是熵增过程。在这篇Nature研究中，1万多度下，固态金处于有序状态，熵值低于液态金。
这项研究涉及一个概念——“熵灾难”（Entropy Catastrophe），该理论是1988年由H. J. Fecht和W. L. Johnson提出的一个理论预言。当物质温度达到熔点约3倍时，固体内的无序度（熵）会逼近或超过液态，导致固体不可避免地、“灾难性” 地熔化。完成“熵灾难”过程需要满足加热速度快，但是过往理论并没有对“快”给出具体限定。“熵灾难”理论即是从“熵”的角度理解固液转变的物理条件，如果一定给出一个具体值，大概是3倍。根据估算，理想状态下，3倍温度下固态熵值可以追平液态熵值。
按照这个理论，黄金的过热极限约为3000℃，刚好约是熔点的3倍。现实情况是，传统加热条件下，材料的纯度、缺陷会让晶格熔点降低，通常不用加热到3倍温度物质即发生熔化，这一推论缺少实验验证。
这里提到“过热”，指的是液体被加热到高于其沸点的温度，但仍未发生沸腾的状态。例如，一杯蒸馏水，可以在微波炉中被加热很长时间，超过沸点的温度，但却不发生沸腾。类似的，对晶体加热至熔点以上的温度，如本文讨论的金在19000℃仍然处于固态，也是过热状态。过热状态不稳定,稍有扰动即可能被破坏，但不稳定并不意味着不存在。
如Nature报道，固态的金温度上限可达熔点的14倍值或更高，与其说推翻了熵灾难理论，不如说掀起了关于熵灾难适用条件的讨论，或者说引发了极端条件下物质特性的讨论。
实验中采用50飞秒长的强激光激光器加热，加热速率超过 10^15 K/s ，仅45 飞秒（4.5×10^（⁻¹⁴）秒）即让金从室温加热到19000℃，与传统加热方式相比，极大地缩短了升温速率。这里，实验样品金为仅50纳米厚的金膜。测温方法也非传统方式，研究者通过非弹性 X 射线散射（Inelastic X-ray Scattering）技术，通过接收样品在X光下散射回来的粒子反推温度。这里，金离子的随机热运动会改变散射光的波长，从而改变散射光子的能量，热运动不同对应的散射不同，直接测量离子速度分布，通过多普勒展宽反推，是一种更直接获得温度的方法。
关于这个实验结果，实验的发起者、通讯作者Thomas G.White给出的解释是，金原子虽然变热，但还来不及发生热膨胀，这段“来不及”变化的“2皮秒”，就是他们认为金以固态存在的时间段。19000℃显然突破金的3倍熔点，可以说突破了原有熵灾难发生的温度值。如此，新闻标题说物理学大厦崩塌了，物理学规律不存在了，比较夸张，但确实超越了以往认知。
但对于上述解释，科学家的反应是不能完全认同。
通常意义下，温度是热平衡态下的定义，有人认为激光加热下的系统是一个非热平衡态，如果后者为真，则论文中有混淆名词使用场景的嫌疑。
有人质疑熔化需要时间，但另有人给出对于实验中50纳米厚的金箔样品，2皮秒远超样品熔化所需时间，即可以认定金以固态存在。
此外，强激光加热下随高压，金在加热过程中伴随高温高压，研究者回避了高压对实验过程的影响。
Thomas G. White教授，就职于内华达大学雷诺分校（University of Nevada, Reno）物理系，是极端条件材料物理与高压物理领域的国际知名教授，主要研究方向是超快激光驱动的极端环境下物质行为，且与美国国家点火装置（NIF）、SLAC 国家加速器实验室等机构有密切合作。结合上述背景，他不应该想不到上述质疑，却又为什么别不提呢？
顺便补充一点，金是惯性约束聚变系统中靶丸的重要制备材料，点火过程即是引爆以金为原料的靶丸内的物质发生反应。宇宙大爆炸最初的一秒内发生的关键事件数量与复杂度远超之后138亿年的总和，2皮秒对于研究核聚变的重要性自然不言而喻。
回到研究本身，实验中使用的极端条件下直接获得温度方法，也是一项巨大的进步，虽然人们依然质疑测量结果的准确性，但这无疑是一种新的诊断方法。当然，这同样得益于技术进步。如果38年前就有这种加热方法和测温手段，“熵灾难”的提出者也许会对理论的使用条件做出限定，又或者不会提出这个理论。
总得来说，尽管存在质疑，科学界对实验的创新性还是给予了充分肯定，实验设计巧妙，突破了以往的设计理念，为人类探索极端条件下的物质性能提供了新的思路和方法。悄咪咪地说，有人认为这是一种秀肌肉“凑”成果行为，毕竟NIF研究花费巨大，需要制造一些轰动性成果“交差”，借机彰显一下美国研究实力也是好的。
参考文献
White, T.G., Griffin, T.D., Haden, D. et al. Superheating gold beyond the predicted entropy catastrophe threshold. Nature 643, 950–954 (2025).
Solid gold superheated to 14 times its melting temperature
Fecht, H. J., and W. L. Johnson. "Entropy and enthalpy catastrophe as a stability limit for crystalline material." Nature 334.6177 (1988): 50-51.
黄金：我熔化了，但激光没给我机会 温度高，热量不够也白搭的。 感谢分享。 谢谢楼主分享！ 感谢分享！[喜欢] 谢谢楼主分享！
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