科学家首创“幽灵探测”，追踪比太阳温度更高电能，以解码核聚变

十大品牌 2025年12月22日 00:27 1 admin

在宇宙最极端的角落——从木星那足以粉碎飞船的气态深渊，到正在尝试点火的核聚变反应堆中心，物质存在于一种令人困惑的“炼狱”状态。这种被称为“温稠密物质”（Warm Dense Matter, WDM）的形态，温度高达数百万度，密度大到足以让金属表现得像液体。对于物理学家而言，这是一个充满诱惑却又难以触及的禁区：任何试图接触并测量它的物理探针，都会在瞬间汽化。长期以来，我们对这些极端环境的认知，就像是在暴风雪中试图通过模糊的窗户看清屋内的陈设。

然而，来自美国能源部SLAC国家加速器实验室和斯坦福大学的物理学家团队，刚刚擦亮了这扇窗户。在《自然-通讯》（Nature Communications）发表的一项突破性研究中，他们展示了一种无需物理接触即可精准测量温稠密物质导电性的全新方法。这不仅是一次技术上的胜利，更像是为人类提供了一副能透视恒星内部运作机制的“X光眼镜”。

当物质法则在极端炼狱中重写

要理解这项突破的意义，首先得明白物理学家面临的尴尬处境。温稠密物质不仅存在于遥远的宇宙，也是地球上实现“人造太阳”——惯性约束核聚变的关键中间态。在国家点火装置（NIF）这样的巨型实验设施中，激光瞬间轰击燃料靶丸，使其在极短时间内进入这种既非标准固体、也非完全等离子体的奇异状态。

在这个领域，传统的物理直觉往往会失效。在常温下，我们很清楚铜导线为何导电：有序排列的原子晶格构成了骨架，电子像流体一样在其中自由穿梭。但在温稠密物质中，温度高到足以破坏原子结构，却又没有高到能让原子完全剥离电子形成纯粹的等离子体“汤”。这种介于量子力学主导的凝聚态物理和经典等离子体物理之间的灰色地带，是理论模型最容易崩溃的地方。

几十年来，科学家只能依赖计算机模拟来推测这里的导电率。导电率至关重要，它决定了电流如何流过物质，进而决定了磁场如何形成。如果你不能准确知道核聚变燃料在压缩过程中的导电变化，你就无法预测可能破坏聚变点火的流体力学不稳定性。此前，任何试图插入电极测量电阻的尝试都是徒劳的——在那种温度下，电极比样品消失得还快。因此，现有的许多模型都是建立在未经实验严格验证的假设之上的。SLAC团队的这项新研究，通过完全抛弃实体电极，利用光波作为“幽灵探针”，彻底改变了这一游戏规则。

太赫兹波与电子摄像机的双重奏

温暖致密物质的概念图。 Tugay Koca/Pexels

这项实验的核心在于一种精妙的“非接触式”舞蹈，它发生在比眨眼快上亿倍的时间尺度内。研究团队首先利用高能激光轰击一层极薄的铝膜，在瞬间将其加热到约10,000开尔文。这几乎是太阳表面温度的两倍，铝片瞬间从日常金属状态跃迁至狂暴的温稠密状态。

紧接着，真正的魔法发生了。团队并没有使用电压表，而是向这团炽热的铝云发射了太赫兹辐射（Terahertz radiation）。太赫兹波位于微波和红外光之间，是一种能够穿透许多材料却又对电子运动极其敏感的电磁波。当太赫兹波穿过被加热的铝时，它在材料内部感应出了微小的电流。这就像是在不接触湖水的情况下，通过观察风吹过水面引起的波纹来判断水的粘稠度。通过精确分析太赫兹波穿过样品后的波形变化，研究人员可以直接反推出材料的导电率。

但这只是故事的一半。如果仅仅测量到导电率的变化，科学家们可能仍会感到困惑。实验数据显示了一个令人惊讶的现象：随着温度升高，铝的导电能力并非线性下降，而是经历了两次剧烈的“跳水”。第一次下降在预料之中，标志着铝从固态金属转变为温稠密流体。但随后出现的第二次急剧下降，是现有的许多教科书级理论未曾明确预言的。

为了解开这个谜题，研究团队动用了SLAC的另一项杀手锏——超快电子衍射（MeV-UED）技术。这相当于一台原子级别的超高速摄像机。在太赫兹波探测导电性的同一瞬间，一束高能电子穿透样品，捕捉到了铝原子排列的瞬时快照。

这组“多信使”数据（即结合了光波探测和电子成像的数据）揭示了第二次导电率暴跌的真凶：原子秩序的彻底崩溃。当铝被加热到特定阈值时，原本还保留着某种类似液体短程有序结构的原子排列突然变得完全混乱。这种微观结构上的混乱，像是在高速公路上突然堆满了乱石，极大地阻碍了电子的流动，导致导电率断崖式下跌。这一发现证实了微观原子结构的变化直接控制着宏观的电流传输，即使是在如此极端的温度下也不例外。

重塑我们对宇宙和能源的认知

这项研究的影响力远远超出了实验室的真空腔体。它为长期困扰天体物理学和聚变科学的一个核心问题提供了坚实的实验数据支点。

首先，对于行星科学而言，这一发现至关重要。像海王星、天王星这样的冰巨星，其内部深处充满了处于温稠密状态的水、氨和甲烷混合物。地球的地核也是在类似的极端高压高温下运作的。行星磁场的产生源于其内部导电流体的运动（即发电机效应）。如果我们对这些物质在高温下的导电率估算错误，我们关于行星磁场如何形成、由于何种原因翻转以及如何保护大气层的模型可能全都是错的。SLAC团队的新方法提供了一把标尺，可以用来校准那些描述行星心脏跳动的数学模型。

其次，对于追求清洁能源的核聚变领域，这是一剂强心针。惯性约束聚变实验的成功依赖于对燃料靶丸压缩过程的完美控制。如果在压缩过程中，材料的导电性发生突变（如实验中观察到的第二次下降），它会改变能量沉积的方式，甚至导致压缩不对称，最终不仅无法点火，还会损坏昂贵的设备。现在，科学家们有了工具来预见这些变化，从而优化靶丸设计，避开那些会导致能量耗散的陷阱。

该研究的第一作者本杰明·奥福里-奥凯（Benjamin Ofori-Okai）博士指出，目前的实验虽然只在铝上进行了验证，但这仅仅是个开始。铝是一种相对简单的金属，是一个完美的“沙盒”。接下来，团队计划将这种非接触式探测技术应用于更复杂的材料，比如铁（地核的主要成分）以及各种混合物。

我们正站在一个新时代的门槛上。过去，温稠密物质是理论学家的游乐场，充满了未经检验的假设。现在，随着太赫兹光谱学和超快电子衍射技术的结合，它变成了一个可以被精确测量的实体科学领域。这项技术赋予了我们一种能力，让我们能够在地球的实验室里，安全地触摸那些原本只属于恒星核心的狂暴力量。随着未来更多数据的涌现，关于宇宙如何构建其物质基础的剧本，或许将被重新改写。