Золото всегда считалось одним из самых стабильных и знакомых металлов на Земле. Его температура плавления составляет около 1300 кельвинов, что значительно выше температуры лавы из вулкана, однако недавно ученые из Университета Невады в Рено совершили открытие, перевернувшее устоявшиеся около 40 лет назад представления о термодинамических свойствах твердых тел. Они смогли нагреть золото до невероятных 19 000 кельвинов — почти 14 раз выше его температуры плавления — при этом оно оставалось в твердом состоянии. Это открытие стало настоящим вызовом теории «катастрофы энтропии», согласно которой при достижении определенного критического уровня температуры и беспорядка, называемого энтропией, твердое вещество должно непременно перейти в жидкое или иное состояние с более высокой энтропией. Долгое время принято считать, что при нагревании материалов до экстремально высоких температур происходит обязательное разрушение их твердой структуры, обусловленное ростом внутренней энергии и хаотичности атомов.
Принцип термодинамики гласит, что энтропия, то есть меря беспорядка, в жидкости всегда выше, чем в твердом теле. Тем самым, при превышении температуры плавления, твердое вещество должно переходить в жидкое состояние — иначе бы нарушались основные законы физики. Новые эксперименты, однако, показали, что при очень быстром нагреве такой переход необязателен. Причина этого феномена кроется в применении экстремально быстрого лазерного импульса, продолжительностью всего 45 фемтосекунд — это 45 квадриллионных долей секунды. За это мимолетное время образец золота толщиной всего в несколько нанометров мгновенно достиг своей рекордной температуры, не успев при этом расшириться и изменить свою структуру.
Такой «флэш-нагрев» позволил материалу временно избежать обычных законов термодинамики, сохранив его в сверхнагретаом, но все еще твердом состоянии. Моментальное измерение температуры и поведения атомов было осуществлено с помощью мощнейшего рентгеновского лазера Linac Coherent Light Source, расположенного в Национальной ускорительной лаборатории SLAC в Калифорнии. Этот проект был не только уникальным с точки зрения эксперимента, но и открыл новые возможности для измерения температур в экстремальных состояниях вещества, которые обычно существуют очень кратковременно. Измерение металлов и других материалов в условиях, напоминающих внутренние слои звезд, планет или в окружении термоядерного синтеза, всегда было непростой задачей с точки зрения получения точных данных. Новый метод и полученные данные могут кардинально улучшить понимание процессов, происходящих в ядрах планет и звезд, а также помочь в разработке материалов и технологий для термоядерной энергии.
Результаты исследования получили широкое признание в научных кругах, однако вызвали и определённые сомнения и дискуссии. Некоторые эксперты отмечают, что наблюдавшееся сверхнагревание могло сопровождаться сильной ионизацией золота и повышением внутреннего давления, что также могло повлиять на его состояние, делая данные сложными для прямого применения к обычным твердым телам при нормальном давлении. Тем не менее авторы опровергают эти гипотезы, утверждая, что эффекты ионизации и давления не могут полностью объяснить необычайно высокую температуру и сохранение твердого состояния. Этот эксперимент показал, что наше понимание физических процессов при экстремальных температурах и давлениях требует пересмотра и расширения. Помимо теоретической значимости, практическая ценность результатов огромна.
Например, в области моделирования условий в земном ядре и других планетах появилась возможность более точно определять температуру плавления, что влияет на геофизические и геодинамические исследования. Касательно термоядерного синтеза — понимание поведения материалов при резком нагреве и давлении позволяет совершенствовать подходы к созданию устойчивых конструкций, а также к более эффективному управлению процессами синтеза, такими как те, которые реализуются в Национальном Институте Инициирования в Лоренс Ливерморе. Достижение сверхнагрева золота является лишь началом новой эры в изучении «теплого плотного вещества» — состояния материи, где традиционная физика твердых и жидких тел перестает работать в привычном виде. Эти открытия уже вдохновляют ученых продолжать исследования и расширять экспериментальные методы для изучения других металлов и материалов в подобных экстремальных условиях. Разработка новых лазерных технологий и точных инструментов измерения позволит взглянуть на физику вещества с совершенно новой стороны, что способно изменить наши представления о фундаментальных понятиях температуры, состояния материи и термодинамики.
