Это достижение стало результатом работы международной команды физиков под руководством специалистов Национальной ускорительной лаборатории SLAC и Университета Невады. Их открытие переворачивает представление о так называемой «катастрофе энтропии» — пределе, за которым вещество якобы не может существовать в твердом состоянии при супернагреве.
До сих пор измерить температуру в так называемой «теплой плотной материи» — веществе, которое находится в экстремальных условиях давления и тепла (именно такие условия в ядрах планет, на Солнце или внутри термоядерных реакторов) — было практически невозможно. Ученые могли с относительной точностью определить плотность и давление такой материи, но ее температура оставалась лишь предметом догадок и приблизительных расчетов с огромными погрешностями. Это обстоятельство было серьезным препятствием для развития теоретических и практических разработок в сфере термоядерной энергетики.
Ученые разработали принципиально новый метод, основанный на прямом измерении скорости движения атомов, которая напрямую связана с температурой. Эксперимент проводился с использованием инструмента MEC (Matter in Extreme Conditions) на базе лазерной установки LCLS (Linac Coherent Light Source) в SLAC. Физики сфокусировали мощный лазер на тончайшей золотой пластинке, 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 позволило с беспрецедентной точностью определить частотный сдвиг и, соответственно, температуру вещества.
Результаты превзошли ожидания. Ученые зафиксировали температуру в 19 000 Кельвинов — в 14 раз выше точки 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 объясняют авторы работы, столь быстрое нагревание не дало золоту времени на термическое расширение и переход в другое агрегатное состояние. Это заставляет ученых задуматься о том, какие пределы на самом деле существуют в природе, и может означать, что, если материал нагревается достаточно быстро, таких «пределов» может вообще не быть.
Открытие не только решает фундаментальный вопрос физики, но и имеет практическое значение. Прямое измерение температуры в условиях теплой плотной материи позволяет точнее моделировать процессы, которые происходят в термоядерных реакторах, в недрах планет и звезд. Физики уже начали применять новый метод для изучения 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.
Ранее ученые воссоздали забытый эксперимент 1938 года, который может переписать историю термоядерного синтеза.
