Американські вчені з Університету Невади в Ріно провели унікальний експеримент, під час якого золото було нагріте лазерами до рекордної температури — 18 726 °C. Незважаючи на такі екстремальні умови, метал залишався у твердому стані протягом трильйонних часток секунди, що суперечить традиційним уявленням про закони термодинаміки.
Про це розповідає ProIT
Суть експерименту й наукові відкриття
Згідно із законами термодинаміки, існує межа кількості тепла, яку може поглинути тверде тіло без переходу у рідкий стан. Перевищення цієї межі зазвичай призводить до так званої «ентропійної катастрофи» — моменту, коли хаотичність атомів у твердому тілі стає більшою, ніж у рідині, порушуючи другий закон термодинаміки. Цей поріг, як правило, дорівнює приблизно потрійному значенню температури плавлення матеріалу, і раніше вважалося, що перевищити його неможливо.
Однак команда науковців під керівництвом Тома Уайта використала надточний лазер для нагрівання золотої плівки завтовшки 50 нанометрів. Вже через 45 фемтосекунд — час, за який світло не встигає пройти навіть крізь товщину людського волосся — атоми золота почали інтенсивно вібрувати. Для дослідження процесу фізики застосували лінійний прискорювач когерентного світла у SLAC National Accelerator Laboratory в Каліфорнії. Перегріте золото опромінювали імпульсами надяскравого рентгенівського випромінювання, що дозволило безпосередньо виміряти температуру іонів шляхом аналізу розсіяння фотонів.
«Ми були здивовані, виявивши в цих перегрітих твердих тілах набагато вищу температуру, ніж спочатку очікували. Це не було нашою початковою метою, але в цьому й полягає суть науки – відкривати нові явища, про існування яких ви й не підозрювали», — зазначає керівник експерименту Том Уайт.
Значення результатів та нові перспективи
У 1988 році фізики Ганс Фехт і Вільям Джонсон ввели поняття «ентропійної катастрофи», стверджуючи, що жодне тверде тіло не може мати більшу ентропію за свій рідинний аналог. Проте ці обмеження діють лише в умовах повільного нагрівання, коли встигає зберігатися теплова рівновага. У новому експерименті група Тома Уайта нагрівала золото настільки швидко, що атоми не встигали перебудовуватися, завдяки чому вдалося обійти традиційні обмеження термодинаміки.
Вимірювання температури проводили методом непружного розсіювання рентгенівських променів, схожим на роботу атомного радара. Коли рентгенівські промені стикаються з вібруючими атомами, частота їх змінюється через ефект Доплера: чим ширший розкид частот — тим вища температура атомів. Завдяки цьому методу вдалося отримати точні дані без використання теоретичних моделей.
Дослідники підкреслюють, що другий закон термодинаміки не був порушений, а надшвидке нагрівання дозволило уникнути «ентропійної катастрофи». Відсутність часу на розширення кристалічної гратки золота не дала матеріалу перейти у рідкий стан. Цей підхід дозволяє безпосередньо досліджувати екстремальні стани речовини, що має велике значення для розробки термоядерних реакторів, вивчення надр планет та створення матеріалів із новими властивостями.
Отримані результати дають змогу по-новому калібрувати моделі для дослідження «щільної теплої матерії» — екзотичного стану, який виникає у надрах газових гігантів чи під час перших митей термоядерних реакцій. Новий підхід також може бути корисним для досліджень у сфері інерційного термоядерного синтезу, де важливо знати, наскільки сильно нагріваються мішені з палива під час схлопування.
Дослідники також припускають, що інші метали, зокрема срібло, можуть перевищити власну ентропійну межу в аналогічних умовах. У майбутньому науковці планують з’ясувати, наскільки поширене це явище серед різних матеріалів та чи можна його використовувати для створення нових функціональних речовин.
