Extrémní experiment se zlatem. Kredit: Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory.

Každý materiál by měl mít svůj bod tání a bod varu, čili teploty, v nichž přechází z pevné na kapalnou a z kapalné na plynnou fázi. Neplatí to ale vždy. Za určitých okolností lze materiál zahřát na vyšší teplotu, než odpovídá příslušnému bodu a ke změně skupenství nedojde. Například vodu v dostatečně hladké a čisté sklenici v mikrovlnce, kterou lze přehřát na více než 100 stupňů, aniž by se skutečně vařila.

Thomas White: Kredit: University of Nevada, Reno.

Podle dosavadní fyziky ale existuje pojistka, která udělá přehřívání přítrž. Čím více se takový systém vzdálí od svého bodu tání či varu, tím by měl být náchylnější k takzvané entropické katastrofě (entropic catastrophe). Při určitém impulzu dojde k prudkému přechodu do skupenství, které odpovídá dané teplotě. Může to být explozivní, jako se zmíněnou vodou v mikrovlnce.

Některé experimenty sice naznačovaly, že se lze v „přehřívání“ dostat dál, když se zahřívá dost rychle, ale obecně panoval názor, že entropická katastrofa je nejzazší hranice, a že se nenachází příliš daleko za body tání a varu.

Se zásadním zvratem přichází početný tým fyziků, který vedl Thomas White z University of Nevada v Renu. Roztomilou vědeckou ironií ovšem je, že to původně nebylo jejich cílem. Už téměř desetiletí pracují na metodě, s jejíž pomocí by bylo možné přímo měřit extrémní teploty. To bylo až doposud nesmírně obtížně a výsledné teploty bývaly spíše jen přibližnými odhady.

Experiment s přehřátým zlatem. Kredit: White et al. (2025), Nature.

White a spol. pracovali v laboratořích SLAC. Vzali vzorek zlata o nanometrové tloušťce a žhavili ho laserovým paprskem. Do přehřátého zlata na zařízení Linac Coherent Light Source (LCLS) poté napálili extrémní rentgenové paprsky. Jejich analýzou určili rychlost pohybů atomů zlata a tím pádem i teploty, jaké dosáhlo přehřáté zlato. Převratná metoda měření extrémních teplot funguje.

Ukázalo se, že jejich experiment přehřál zlato na neuvěřitelných 18 726 °C (19 000 K). To je více než 14násobek oficiálního bodu tání (pro hodnoty v kelvinech, bod tání je 1 337 K) a velmi daleko za předpokládanou entropickou katastrofou – aniž by zlato přišlo o svou krystalickou strukturu.

White k tomu se smíchem dodává, že rozhodně neporušili druhý termodynamický zákon. Každopádně ale prokázali, že entropickou katastrofu lze obejít i ve velmi radikálním rozsahu, pokud se dotyčný materiál ohřeje velice rychle. V tomto případě zahřáli zlato během biliontin sekundy. Vědci spekulují, že nesmírně prudké zahřátí zabrání zlatu, aby se zvětšilo, a díky tomu si udrží pevné skupenství. Prý je možné, že pro přehřívání materiálů není žádná jednoznačná horní hranice teploty.

Video: Time Warp: Exploding Water

Literatura

SLAC National Accelerator Laboratory 23. 7. 2025.

Nature 643: 950–954.