19000℃不化的黄金，挑战物理学的认知

周立新2025年12月15日约 7 分钟

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^[1]。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 10¹⁵K/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

[1] White, T.G., Griffin, T.D., Haden, D. et al. Superheating gold beyond the predicted entropy catastrophe threshold. Nature 643, 950–954 (2025).

[2] Solid gold superheated to 14 times its melting temperature

[3] Fecht, H. J., and W. L. Johnson. "Entropy and enthalpy catastrophe as a stability limit for crystalline material." Nature 334.6177 (1988): 50-51.

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