巨大なレーザーを装備した科学者たちは、SLAC国立加速器研究所で金を爆破し、融点の14倍まで加熱した。一瞬、物理学の常識を覆したかに思われたが、幸いにもそうはならなかった。しかし、彼らは別の何かを破った。物質の基本的な性質に関する、物理化学における数十年にわたるモデルだ。
本日Nature誌に発表された実験において、研究者らは史上初めて、極限状態、つまり極めて高い温度、圧力、密度を伴う条件における物質の温度を直接測定する方法を実証しました。この新技術を用いて、科学者らは金をその融点をはるかに超える温度（過熱と呼ばれる）で捕らえることに成功しました。この温度では、ありふれた金属である金は固体と液体の間の奇妙な結晶状態の境界に存在します。この結果は、適切な条件下では金に過熱限界がない可能性を示唆しています。もしこれが事実であれば、宇宙飛行、天体物理学、あるいは原子核化学など、幅広い分野で応用できる可能性があると研究者らは述べています。
この研究は2つの側面から構成される実験に基づいています。まず、レーザーを用いて金のサンプルを過熱し、加熱時に金属が膨張する性質を抑制しました。次に、超高輝度X線を用いて金のサンプルを照射し、金の表面で散乱したX線を照射しました。金粒子との衝突後のX線の周波数の歪みを計算することで、研究チームは原子の速度と温度を特定しました。
この実験結果は、物理学における確立された理論を否定しているように思われる。その理論では、金のような構造物は融点の3倍である華氏1,948度（摂氏1,064度）以上に加熱することはできないとされている。この温度を超えると、過熱した金はいわゆる「エントロピー・カタストロフィー」に達するとされている。より口語的に言えば、加熱された金は爆発するはずだった。
研究者自身もその限界を超えるとは予想していませんでした。今回の新たな結果は従来の理論を覆すものであり、理論予測をはるかに上回るという点で大きな反証となりました。金を驚異的な33,740度F（18,726度C）まで加熱することが可能であることを示したのです。
「データを見たとき、誰かがこう言ったんです。『ちょっと待って。この軸は正しいのか？これは…すごく熱いじゃないか』」と、この研究の筆頭著者でネバダ大学リノ校の物理学者であるトーマス・ホワイト氏は、ビデオ通話中にギズモードの取材に答えた。
公平を期すために言うと、この超高温状態はわずか数兆分の1秒しか続かなかった。しかも爆発もした。しかし、それでも「興味深いほどには長い」とホワイト氏は述べ、「もし膨張を防げれば、（理論的には）永遠に加熱し続けることも可能だ」と付け加えた。さらに彼はこう付け加えた。 「発見のために巨大なレーザーで物体を爆破できることに、とても感謝しています。それが私の仕事なんですから」
この仮説は、金と他の物質の両方を用いた追加実験に耐えなければならないとホワイト氏は指摘した。しかし実用的な観点から言えば、過熱された金は十分な時間にわたって凝集状態を保ったため、研究チームは新技術を用いてその温度を直接測定することができたと、SLACの主任研究者でスタッフサイエンティストのボブ・ナグラー氏がビデオ通話でギズモードに説明した。
「実は、不思議なことに、温度は人類が最も古くから知っている物理量の一つですが、温度そのものを測っているわけではありません」とナグラー氏は述べた。「私たちは温度が影響を与えるものを測っているのです。例えば、水銀温度計は、温度が水銀の塊の体積にどう変化をもたらすかを測定しているのです。」
これは、星の中心、宇宙船のノーズコーン、核融合炉の内部など、極限状態にある高温高密度物質の実例を研究する際に問題となる可能性があります。このような状況における物質の温度（基本的な物理的特性）を知ることは、物質の調査方法、あるいは後者2つに関しては、物質を我々の利益のために操作する方法に大きな情報をもたらす可能性があります。
しかし、これらのシステムは多くの場合、温度に依存する変数に基づいて動作し、その温度を測定するのは困難だとナグラー氏は述べた。技術的には実験室で再現することは可能だが、「すぐに爆発してしまう」と彼は指摘する。実験の妥当性を保証するためには、再現対象のシステムの実際の温度を知る必要があるにもかかわらずだ。
「つまり、鶏が先か卵が先かという問題です」と彼は言った。だからこそ、科学者たちは、この新しい技術がこの点にどのように役立つのかを検証することに熱心に取り組んでいるのだ。
「それがこの研究の一番エキサイティングな点です。これまで行ってきたクレイジーな実験すべてに使える温度計が手に入ったのです」とホワイト氏は語った。例えば、ローレンス・リバモア国立研究所の国立点火施設では、核融合実験に金の円筒を使用している。この円筒にレーザーを照射するとX線が放出され、それが核融合炉を駆動させるとホワイト氏は説明した。
「しかし、私たちは現在、核融合に直接関連する実験を行うことも考えています」と彼は言った。「核融合の条件や核融合炉を構成する材料を再現し、その温度を測定することです。これは実は、物理学において長年の疑問でした。」
研究チームは既にこの技術を銀や鉄といった他の物質にも適用しており、有望なデータが得られていると喜んで報告しています。今後数ヶ月間は、これらの金属が私たちに何を伝えているのかを分析することに忙しくなると研究者らは述べています。このプロジェクトはまさに本格始動しています。
訂正：この記事の以前のバージョンでは、国立点火施設（National Ignition Facility）の核融合実験では、金の円筒（空洞）に直接X線を照射すると誤って記載していました。正しくは、円筒にレーザーを照射し、そこからX線が放出され、核融合炉を駆動する仕組みです。また、金の融点（華氏1,948度）を沸点と誤って記載していました。関連する訂正を行いました。
