Новый прорыв в физике: прямое измерение температуры атомов в экстремальных условиях
На протяжении долгого времени ученые сталкивались с фундаментальной проблемой: как точно измерить температуру веществ, нагретых до десятков и сотен тысяч градусов? Такие экстремальные условия встречаются в ядрах звезд, термоядерных реакторах и даже в лабораторных экспериментах с лазерным нагревом. Однако традиционные методы измерений оказывались слишком неточными, а теоретические модели — несовершенными.
И вот теперь группа исследователей из Национальной ускорительной лаборатории SLAC (США) и их коллеги из ведущих университетов мира совершили прорыв. Впервые в истории им удалось напрямую измерить температуру атомов в так называемой «теплой плотной материи» (WDM) — состоянии, промежуточном между твердым телом и плазмой. Результаты, опубликованные в журнале Nature, не только открыли новые возможности для науки, но и опровергли устоявшуюся теорию, которой придерживались последние 40 лет.
Как измерить температуру атомов в экстремальных условиях?
Главная сложность в изучении теплой плотной материи заключалась в том, что традиционные методы измерения температуры в таких условиях были косвенными и опирались на сложные модели с высокой погрешностью. Однако команда ученых под руководством Боба Наглера (SLAC) и Тома Уайта (Невадский университет в Рино) разработала принципиально новый подход.
В эксперименте использовался мощный лазер, который нагревал тончайший слой золота до колоссальных температур. Затем через образец пропускали сверхъяркий рентгеновский импульс с источника LCLS (Linac Coherent Light Source). Рассеиваясь на атомах золота, рентгеновские лучи меняли свою частоту — этот эффект, известный как комптоновское рассеяние, позволил напрямую измерить скорость колебаний атомов, а значит, и их температуру.
Неожиданное открытие: золото не плавится даже при 19 000 Кельвинов
Самым удивительным результатом эксперимента стало то, что золото, нагретое до 19 000 К, оставалось в твердом состоянии, хотя его температура более чем в 14 раз превышала точку плавления. Это полностью противоречит теории «энтропийной катастрофы», предложенной в 1980-х годах.
Согласно классическим представлениям, при перегреве вещества выше определенного предела оно неизбежно должно плавиться или испаряться из-за резкого роста энтропии. Однако в данном случае сверхбыстрый нагрев (за пикосекунды) предотвратил разрушение кристаллической решетки. Это открытие означает, что при достаточно высокой скорости нагрева верхнего предела для перегретых твердых тел может и не существовать.
Последствия для науки и технологий
Это исследование имеет далеко идущие последствия. Во-первых, оно меняет наше понимание поведения материалов в экстремальных условиях, что важно для астрофизики (например, при моделировании недр планет и звезд). Во-вторых, новый метод прямого измерения температуры открывает путь к более точным экспериментам в области термоядерного синтеза.
Как отметил Наглер, многие предыдущие исследования теплой плотной материи, вероятно, уже сталкивались с превышением теоретического предела, но из-за отсутствия точных измерений этого не замечали. Теперь же ученые смогут более эффективно изучать процессы, происходящие в мишенях для инерциального термоядерного синтеза, что приближает нас к созданию чистой и практически неиссякаемой энергии.
Уже этим летом команда применила новый метод для изучения ударного сжатия материалов, имитирующего условия в глубинах планет. Впереди — новые эксперименты, которые могут перевернуть еще не одну устоявшуюся теорию.
Как сказал Том Уайт: «Мы не нарушили законы термодинамики, но показали, что при сверхбыстром нагреве материя ведет себя иначе, чем мы думали. И это только начало». Таким образом, данное исследование не только решило давнюю проблему физики высоких энергий, но и открыло новые горизонты для науки и технологий будущего.