Золото пережило ад — и сломало теорию, которая держалась 40 лет

Учёные из лаборатории SLAC совершили прорыв в физике высоких температур, впервые напрямую измерив температуру атомов в условиях так называемой «тёплой плотной материи». Это позволило не только точнее понять, что происходит внутри планет, звёзд и ядерных реакторов, но и случайно опровергло теорию, державшуюся больше сорока лет.

До сих пор исследователи могли с высокой точностью определять давление и плотность в подобных экстремальных средах, но температура оставалась загадкой. Методы были слишком косвенными, модели — сложными, а погрешности — огромными. Всё изменилось после того, как команда физиков разработала способ измерения скорости колебаний атомов при помощи сверхярких рентгеновских импульсов. А значит, и температуру теперь можно узнать напрямую, без догадок.

Эксперимент проводился на установке MEC в лаборатории SLAC. Учёные с помощью мощного лазера разогрели тончайший слой золота до экстремальных температур. В этот момент они пропустили сквозь образец рентгеновский луч с Линейного когерентного источника света (LCLS). Изменения в рассеянии рентгена на колеблющихся атомах позволили определить их точную температуру.

И вот тут началась настоящая научная драма. Оказалось, что золото выдержало нагрев до 19 000 кельвинов — это в 14 раз выше точки его плавления и далеко за пределами так называемой «энтропийной катастрофы». Последняя считалась непроходимым рубежом: теория предполагала, что при столь высоком перегреве вещество неизбежно и неконтролируемо распадётся. Однако золото не просто не испарилось, а сохранило кристаллическую структуру.

Исследователи объясняют это тем, что материал был нагрет настолько быстро — за триллионные доли секунды — что не успел расшириться и остался в твёрдом состоянии. Это открывает новые горизонты: если разогревать достаточно быстро, возможно, не существует верхнего предела перегрева.

Авторы подчёркивают, что законы термодинамики нарушены не были. Речь идёт о том, что так называемая катастрофа может быть отложена или даже полностью избегнута, если действовать достаточно стремительно.

Разработанный метод уже используется для новых экспериментов. Учёные исследуют поведение материалов, сжимаемых ударными волнами для имитации условий в глубинах планет, а также разрабатывают термоядерное топливо для будущих установок управляемого синтеза. Возможность точно измерять температуру от тысячи до полумиллиона кельвинов открывает дверь к более надёжному моделированию процессов, ранее недоступных точному анализу.

Как отметил один из авторов, если первое применение метода уже привело к опровержению устоявшейся теории, то дальше нас ждёт ещё больше открытий.