熔化密码破解:100多年前的物理问题得到解决

诸平

Research reveals a simple parabolic equation governing melting points, demonstrating a fundamental unity across various materials and advancing phase transition understanding. Credit: SciTechDaily.com

据英国伦敦玛丽女王大学（Queen Mary University of London, Mile End Road, London E1 4NS, United Kingdom）2024年3月19日提供的消息，一位教授提出了一项突破性的理论，为预测熔点提供了一种通用的方法，解决了物理学中一个世纪的挑战，并为材料科学带来了重大好处 (The Melting Code Cracked: Over 100-Year-Old Physics Problem Solved)。

伦敦玛丽女王大学物理与化学科学学院（Queen Mary University of London’s School of Physical and Chemical Sciences）的克斯特亚·特拉琴科教授（Professor Kostya Trachenko）终于破解了物理学中一个长期存在的难题。他的研究结果于2024年3月18日已经在《物理评论E》（Physical Review E）杂志网站发表——Kostya Trachenko. Theory of melting lines. Physical Review E, 2024, 109: 034122. DOI: 10.1103/PhysRevE.109.034122. Published 18 March 2024. 

此文揭示了预测熔点的一般理论，这是一个困扰科学家一个多世纪的基本特性。

了解物质的状态（Understanding States of Matter）

几十年来，我们对物质固体、液体和气体三种基本状态的理解依赖于温度-压力相图。这些图表描绘了每种状态存在的条件，用明显的线条将它们分开。然而，一条至关重要的线，即标志着固体和液体之间转变的熔化线，缺乏一种通用的描述。

熔点的新框架（A New Framework for Melting Points）

克斯特亚·特拉琴科教授的理论弥补了这一差距。通过发展一个结合了液体理论最新进展的新框架，他证明了熔化线可以用一个简单的抛物线方程（parabolic equation）来描述。这不仅为预测熔点提供了一个实用的工具，而且还揭示了不同材料类型的惊人普遍性。这种普遍性来自于观察抛物线方程中的参数是由普朗克常数、电子质量和电荷等基本物理常数控制的。

克斯特亚·特拉琴科教授解释说：“这个结果的简单性和普适性特别令人兴奋。这表明，尽管熔融过程很复杂，但在从稀有气体到金属的各种系统中，它表现出了一种基本的统一性。”

对材料科学的影响（Impact on Material Science）

这一发现具有超越理论物理学的重大意义。熔点的准确预测在材料科学中是至关重要的，其应用范围从药物开发到设计先进材料以及预测相图很重要的其他领域。克斯特亚·特拉琴科教授的工作为更深入地理解相变和创造具有定制特性的新材料铺平了道路。

本研究得到了英国工程与自然科学研究理事会（Engineering and Physical Sciences Research Council简称EPSRC）的支持。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

Our understanding of the three basic states of matter (solids, liquids, and gases) is based on temperature and pressure phase diagrams with three phase transition lines: solid-gas, liquid-gas, and solid-liquid lines. There are analytical expressions P(T) for the first two lines derived on a purely general-theoretical thermodynamic basis. In contrast, there exists no similar function for the third, melting, line (ML). Here, we develop a general two-phase theory of MLs and their analytical form. This theory predicts the parabolic form of the MLs for normal melting, relates the MLs to thermal and elastic properties of liquid and solid phases, and quantitatively agrees with experimental MLs in different system types. We show that the parameters of the ML parabola are governed by fundamental physical constants. In this sense, parabolic MLs possess universality across different systems.