Zjawisko to można było zaobserwować tylko przez kilka trylionowych części sekundy. Jednak wystarczyło to, aby obalić teorię „katastrofy entropicznej”.
Międzynarodowy zespół naukowców zdołał podgrzać złoto do temperatury przekraczającej 18 700 stopni Celsjusza, obalając tym samym teorię fizyczną przyjętą od dziesięcioleci. Eksperyment, prowadzony przez naukowców z Wielkiej Brytanii w laboratorium SLAC w Kalifornii, doprowadził złoto do stanu granicznego między ciałem stałym a ciałem płynnym, znanego jako przegrzanie.
Zjawisko to, obserwowane tylko przez kilka trylionowych części sekundy, wykazało, że w pewnych warunkach złoto może wytrzymać temperatury znacznie wyższe od swojej temperatury wrzenia, ustalonej na 1064 stopnie. Wbrew wszelkim przewidywaniom materiał nie uległ natychmiastowej dezintegracji, jak głosi teoria katastrofy entropicznej (naturalna tendencja systemów do ewolucji w kierunku stanu większego chaosu i nieporządku) zawarta w drugiej zasadzie termodynamiki, co sugeruje, że ta domniemana granica termiczna może nie być tak uniwersalna, jak sądzono.
Pionierska metoda pomiaru ekstremalnych temperatur
Osiągnięcie to nie polega wyłącznie na osiągnięciu rekordowych wartości temperatury, ale na precyzyjnym pomiarze tego ekstremalnego stanu materii. W tym celu naukowcy wystrzelili promienie rentgenowskie w złoto po uderzeniu lasera. Analizując rozproszenie promieniowania, byli w stanie obliczyć zarówno temperaturę, jak i prędkość atomów z niespotykaną dotąd dokładnością.
„Temperatura jest wielkością znaną nam od wieków, ale w rzeczywistości nigdy nie mierzyliśmy jej bezpośrednio” – wyjaśnił Bob Nagler, badacz z SLAC i jeden z odpowiedzialnych za badanie, w komunikacie prasowym. To nowe podejście pozwoli badać środowiska takie jak centrum gwiazdy, wnętrze reaktora termojądrowego lub osłona termiczna statku kosmicznego, gdzie dokładne odtworzenie rzeczywistych warunków ma fundamentalne znaczenie.
Model przewyższony przez rzeczywistość eksperymentalną
Oprócz postępu teoretycznego opisanego w artykule opublikowanym w Nature, technika ta ma duży potencjał praktyczny. Złoto jest już wykorzystywane w eksperymentach z syntezą jądrową jako część urządzeń generujących promieniowanie rentgenowskie. Dokładna znajomość temperatury, w której działają te elementy, ma kluczowe znaczenie dla optymalizacji ich działania i postępów w rozwoju bardziej wydajnych źródeł energii.
Thomas White, fizyk z Uniwersytetu Nevady i główny autor badania, potwierdził, że zespół pracuje obecnie nad innymi metalami, takimi jak srebro i żelazo, a wstępne wyniki są równie obiecujące. „Zastanawiamy się nad przeprowadzeniem eksperymentów bezpośrednio związanych z syntezą jądrową”, powiedział White, co mogłoby otworzyć nowe kierunki badań w zakresie projektowania materiałów odpornych na ekstremalne warunki.
Do tej pory uważano, że materiał nie może przekroczyć trzykrotności swojej temperatury wrzenia bez utraty swojej struktury. Jednak eksperyment znacznie przekroczył tę barierę, osiągając temperaturę 18 700 stopni Celsjusza bez natychmiastowego zniszczenia złota. Wynik ten zmusza do ponownego przemyślenia teoretycznych podstaw naszego rozumienia przemiany fazowej i stabilności ciał stałych w ekstremalnych temperaturach.
„Jestem bardzo wdzięczny, że moja praca polega na wysadzaniu rzeczy laserami w celu odkrywania nowych praw fizyki” – powiedział White w swobodnym tonie. To zdanie podsumowuje wielkość odkrycia: przełamanie granicy, która wydawała się nie do pokonania, i otwarcie drzwi do nowego paradygmatu w badaniach materiałów poddawanych działaniu ekstremalnych temperatur.