Az arany, amely látszólag felülírta a fizika törvényeit, még 19 ezer fokon sem hajlandó megolvadni!

A kutatók radikálisan átformálták a szilárd anyagok hőállóságával kapcsolatos régi nézeteinket: közvetlen méréseket végeztek az atomok hőmérsékletéről egy úgynevezett "forró, sűrű anyagban".

Kiemelkedően gyors lézerek és nagy energiájú röntgensugarak alkalmazásával a tudósok felfedezték, hogy az arany képes megőrizni szilárd állapotát akár 19 000 kelvinen (18 726,85 Celsius-fok) is. Ez a hőmérséklet több mint tizennégyszerese az arany jól ismert olvadáspontjának, ami 1337 K.

Hogyan is zajlott le ez a lenyűgöző felfedezés? Megbolondult volna a fizika, ahogy eddig ismertük? Az egyetlen biztos pont, hogy a SLAC Nemzeti Gyorsító Laboratórium és a Nevadai Egyetem (Reno) kutatói által irányított kísérlet új távlatokat nyit a magas hőmérsékletű fizika világában. Ez a kutatás nem csupán évtizedek óta elfogadott elméleteket kérdőjelez meg, hanem egy új, hatékony módszert is kínál a hőmérséklet szélsőséges körülmények között történő mérésére – gondoljunk csak a bolygók belső magjára vagy, ami talán még fontosabb, a fúziós reaktorok bonyolult világára. A hőmérséklet mérése ugyanis hagyományosan az egyik legnagyobb kihívást jelentette ezeken a területeken, és most úgy tűnik, a tudomány új utakat talált a megértéshez.

"A sűrűség és a nyomás mérésére már voltak megbízható módszereink, de a hőmérséklet meghatározása mindig is nagy bizonytalanságokkal járt" - mondta Bob Nagler, a SLAC munkatársa.

A kihívás leküzdésére a kutatócsoport a SLAC "Matter in Extreme Conditions" (MEC) nevű innovatív műszerét vette igénybe. A kísérlet során egy rendkívül vékony aranyréteget ultragyors lézerimpulzussal hevítettek fel, majd szinte egy időben erős röntgensugár-impulzusokat irányítottak rá. Az atomok rezgéseinek megváltozása hatással volt a röntgensugarak szóródási frekvenciájára, ami lehetővé tette, hogy közvetlen és pontos információt nyerjenek az anyagban uralkodó hőmérsékletről. Az eredmények még a kutatócsoport tagjait is meglepték, új perspektívákat nyitva a kutatás terén.

"Álmunkban sem képzeltük volna, hogy ilyen extrém hőmérsékleten is felfedezhetünk olyan anyagot, amely megőrzi szilárd állapotát" - nyilatkozta Tom White, a Nevadai Egyetem fizikusa. "Ez teljes mértékben szemben áll az 1980-as években kialakított elméletekkel, amelyek azt állították, hogy a szilárd anyagok egy bizonyos hőmérséklet felett elkerülhetetlenül bomlásnak indulnak."

A mágia látszólagos, hiszen a titok a rendkívül gyors hevítésben rejlik: a minta csupán egy billiomod másodperc (femtoszekundum) alatt érte el a lélegzetelállító hőmérsékletet. Ilyen szűk időkeretben az anyag egyszerűen nem rendelkezett elegendő idővel ahhoz, hogy megolvadjon – az átalakulásra nem maradt lehetősége. Ezzel a forradalmi megközelítéssel a kutatók sikeresen kijátszották az úgynevezett "entrópiakatasztrófát", amely elméleti szempontból a szilárd anyagok hőtűrésének határvonalát jelenti.

White hangsúlyozta, hogy mindez a külső megjelenés ellenére nem ütközik a fizika alapvető törvényeivel:

"Nem léptük át a második főtétel határait – csupán annyira felgyorsultak az események, hogy az entrópia már nem tudta lépést tartani velük."

Nagler végül a következőképpen összegezte az elért eredményeket:

"Ha az első kísérletünk már képes volt túllépni a megszokott kereteken, gondoljunk csak bele, milyen új lehetőségeket tárhatunk fel a jövőbeli próbálkozásainkkal."