Впервые в своей практике исследователям удалось непосредственно измерить температуру атомов в условиях экстремального нагрева, что не только решило давнюю научную задачу, но и опровергло устоявшуюся теорию, существовавшую с 1980-х годов.
Это достижение стало результатом совместной работы международной команды физиков под руководством экспертов Национальной ускорительной лаборатории SLAC и Университета Невады. Их открытие кардинально меняет представление о так называемой «катастрофе энтропии» — пределе, за которым вещество якобы не может оставаться в твердом состоянии при супернагреве.
До сих пор определить температуру в так называемой «теплой плотной материи» — веществе, существующем в экстремальных условиях давления и температуры (подобные условия наблюдаются в ядрах планет, на Солнце и внутри термоядерных реакторов) — было практически невозможно. Исследователи могли с относительной точностью установить плотность и давление такой материи, однако её температура оставалась лишь темой догадок и приблизительных расчетов с большими погрешностями. Эта проблема значительно затрудняла развитие теоретических и практических исследований в области термоядерной энергетики.
Ученые разработали принципиально новый метод, основанный на прямом определении скорости движения атомов, что напрямую связано с температурой. Эксперимент проводился с использованием инструмента MEC (Matter in Extreme Conditions) на базе лазерной установки LCLS (Linac Coherent Light Source) в SLAC. Физики направили мощный лазер на тончайшую золотую пластину, создавая в ней экстремально высокую температуру за триллионные доли секунды. В это же время через образец пропускали сверхъяркий импульс рентгеновского излучения. Его рассеяние на вибрирующих атомах дало возможность с беспрецедентной точностью определить частотный сдвиг и, соответственно, температуру вещества.
Результаты превзошли ожидания. Ученые зарегистрировали температуру в 19 000 Кельвинов — в 14 раз превышающую точку плавления золота — при этом материал оставался в твердом состоянии. Это полностью противоречит теории энтропийной катастрофы, согласно которой вещество должно было расплавиться или взорваться при столь сильном отклонении от термодинамического равновесия. Как поясняют авторы работы, столь быстрое нагревание не дало золоту времени на термическое расширение и переход в другое агрегатное состояние. Это побуждает исследователей задуматься о том, какие на самом деле существуют пределы в природе, и может означать, что, если материал нагревается достаточно быстро, таких «пределов» может вообще не быть.
Открытие не только решает ключевую проблему физики, но и обладает практической значимостью. Прямое измерение температуры в условиях теплой плотной материи позволяет более точно моделировать процессы, происходящие в термоядерных реакторах, а также в недрах планет и звезд. Физики уже начали применять новый метод для исследования поведения веществ, подвергнутых ударному сжатию — например, чтобы воссоздать условия в глубине земного ядра. Особенно перспективным направлением станет использование технологии в разработке инерциального термоядерного синтеза, где знание температуры топлива критически важно для управления процессом реакции.
Фото: hi-tech.mail.ru