在宇宙的隱秘角落,一種名為溫稠密物質的特殊存在,長久以來挑戰著科學家的認知邊界。這種物質廣泛分布于木星的氣態深層以及核聚變反應堆的核心區域,其溫度可達數百萬攝氏度,密度之高甚至能讓金屬呈現液態。由于極端的環境條件,任何傳統探測手段在接觸瞬間就會被汽化,使得溫稠密物質成為物理學研究中的“禁區”。
近期,美國SLAC國家加速器實驗室與斯坦福大學的研究團隊在《自然-通訊》期刊上發表了一項突破性成果。他們通過非接觸式測量技術,首次精確測定了溫稠密物質的導電性能,為探索極端環境下的物質行為開辟了新路徑。這一進展被比喻為賦予人類“透視”宇宙極端環境的“火眼金睛”。
溫稠密物質的獨特之處在于其處于凝聚態物理與等離子體物理的交界地帶。它的溫度足以破壞原子結構,卻未達到使電子完全剝離形成等離子體的程度。這種模糊的狀態導致傳統物理模型難以適用,科學家此前只能依賴計算機模擬推測其導電率。而導電率作為決定電流與磁場形成的關鍵參數,對核聚變等前沿研究至關重要。過去嘗試用電極直接測量的方法均因設備在高溫下迅速損壞而失敗。
SLAC團隊的創新在于摒棄了實體探針,轉而采用“光波+電子成像”的組合技術。實驗中,他們先用高能激光將極薄的鋁膜瞬間加熱至10000開爾文(約太陽表面溫度的兩倍),使其進入溫稠密狀態。隨后,向熾熱的鋁云發射太赫茲波——一種介于微波與紅外光之間的電磁波。由于太赫茲波對電子運動高度敏感且能穿透多種材料,通過分析其穿過樣品后的波形變化,團隊成功反推出了導電率數據。
更令人驚喜的是,團隊結合超快電子衍射技術(相當于原子級高速攝像機),捕捉到了鋁原子排列的瞬時狀態。這種“多信使”數據組合揭示了一個意外現象:鋁的導電率隨溫度升高會經歷兩次急劇下降,其中第二次下降此前未被理論預測。研究指出,這是由于原子秩序徹底崩潰,微觀結構的混亂阻礙了電子流動。
這項技術的意義遠超實驗室范疇。在行星科學領域,它為理解冰巨星(如海王星、天王星)的內部結構提供了關鍵數據。這些行星內部充滿溫稠密狀態的水、氨和甲烷混合物,其磁場形成與大氣層保護機制均依賴于內部導電流體的運動。過去,科學家只能通過假設估算這些物質的導電率,模型準確性存疑。如今,精準的測量方法將幫助校準行星內部運作的數學模型,深化對宇宙天體形成與演化的認知。
在能源領域,這一突破為核聚變清潔能源的研發注入了新動力。慣性約束核聚變的成功依賴于對燃料靶丸壓縮過程的精準控制。若壓縮過程中材料導電率突變,會改變能量沉積方式,導致壓縮不對稱,不僅無法實現點火,還可能損壞設備。新技術使科學家能夠提前預判導電率變化,優化靶丸設計,避開能量耗散的陷阱,從而加速核聚變商業化的進程。作為終極清潔能源,核聚變一旦實現規模化應用,有望徹底解決全球能源短缺問題,而這項探測技術無疑是其中的重要助推器。
目前,實驗雖僅在鋁材料上驗證,但團隊計劃將其擴展至鐵(地核主要成分)等更復雜的材料和混合物。這意味著,未來人類將能解鎖更多極端物質的奧秘,將溫稠密物質研究從“理論推測”推向“實證科學”的新階段。這一進展不僅讓我們能在實驗室中安全“觸摸”恒星核心級別的極端力量,更可能改寫關于宇宙物質構建的基本認知。隨著更多數據的積累,無論是探索宇宙天體的奧秘,還是實現清潔能源的突破,都將迎來全新的可能性。











