我們對(duì)物質(zhì)在相當(dāng)?shù)偷臏囟群蛪簭?qiáng)下的行為已經(jīng)有了相當(dāng)深入的理解，但物質(zhì)在高溫高壓下的情況卻很模糊。

二氧化碳的壓強(qiáng)-溫度相圖。（圖 Ben Finney, Mark Jacobs, Wikimedia Commons）

如上圖所示的那樣，當(dāng)處于高溫高壓狀態(tài)下的物質(zhì)超越了臨界點(diǎn)時(shí)，液態(tài)和氣態(tài)之間的差異似乎消失了。這種超臨界物質(zhì)被認(rèn)為是熾熱而稠密，且是均質(zhì)的?？茖W(xué)家相信，關(guān)于這種處于超臨界態(tài)的物質(zhì)，還有許多新物理有待揭開。

近日，一項(xiàng)新研究對(duì)超臨界物質(zhì)有了兩項(xiàng)關(guān)鍵的新發(fā)現(xiàn)。研究通過應(yīng)用兩個(gè)參數(shù)發(fā)現(xiàn)，超臨界物質(zhì)表現(xiàn)出了某些普遍性，它們或許驚人地簡(jiǎn)單。這項(xiàng)于近期發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上的新發(fā)現(xiàn)有望幫助我們獲得新的理解。

超臨界物質(zhì)的普遍性

理解超臨界物質(zhì)的主要問題是，氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)的理論并不適用。目前還不清楚，當(dāng)傳統(tǒng)的固液氣的分界線變得模糊時(shí)，究竟哪些物理參數(shù)能夠揭示出超臨界態(tài)的最突出的特性。

憑借早期對(duì)較低溫和較低壓下液體的理解，研究人員選擇了兩個(gè)參數(shù)來描述超臨界物質(zhì)。

第一個(gè)參數(shù)是一種相對(duì)常用的性質(zhì)，也就是衡量系統(tǒng)吸熱效率的熱容，其中包含了關(guān)于系統(tǒng)自由度的基本信息。

第二個(gè)參數(shù)則相對(duì)沒那么常見，它是波在系統(tǒng)中可以傳播的長(zhǎng)度。這個(gè)長(zhǎng)度主導(dǎo)著聲子可用的相空間。當(dāng)這個(gè)長(zhǎng)度達(dá)到其可能最小值，并等于原子間間隔時(shí)，真正有趣的事情便會(huì)發(fā)生。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，就這兩個(gè)參數(shù)而言，處于高壓高溫的極端條件下的物質(zhì)變得非常普遍。

這種普遍性包括兩個(gè)方面。首先，在不同系統(tǒng)的熱容與波傳播長(zhǎng)度的關(guān)系圖中，都存在一個(gè)引人注目的固定反演點(diǎn)。

這個(gè)反演點(diǎn)對(duì)應(yīng)于兩個(gè)物理上不同的超臨界態(tài)（類液態(tài)和類氣態(tài)）之間的過渡?？缭竭@一點(diǎn)時(shí)，超臨界物質(zhì)就會(huì)改變關(guān)鍵的物理性質(zhì)，從類液態(tài)變成類氣態(tài)。重要的是，反演點(diǎn)就是區(qū)分這兩種態(tài)的明確方式。

二氧化碳的熱容-動(dòng)態(tài)長(zhǎng)度圖。（圖 Cockrell, C. & Trachenko, K., 2022）

其次，在研究的所有類型的系統(tǒng)中，這個(gè)反演點(diǎn)的位置都非常接近。

不同系統(tǒng)的熱容-動(dòng)態(tài)長(zhǎng)度圖。它們的反演點(diǎn)都很相近。（圖 Cockrell, C. & Trachenko, K., 2022）

這與其他所有已知的過渡點(diǎn)都有明顯不同。例如，這些過渡點(diǎn)中的兩個(gè)，所有物質(zhì)態(tài)（液氣固）并存的三相點(diǎn)，和氣液沸騰線末端的臨界點(diǎn)，在不同的系統(tǒng)中的差異都很大。

另一方面，這種普遍性或許也告訴我們，超臨界物質(zhì)可能相當(dāng)簡(jiǎn)單。

基本理解和實(shí)際應(yīng)用

研究人員認(rèn)為，除了對(duì)物質(zhì)態(tài)和相圖的基本認(rèn)識(shí)外，對(duì)超臨界物質(zhì)的理解還帶來了許多實(shí)際應(yīng)用。

比如，氫和氦在木星和土星等氣態(tài)巨行星中就處于超臨界態(tài)，因此支配著它們的物理特性。在綠色環(huán)保應(yīng)用中，超臨界流體也被證明在銷毀危險(xiǎn)廢物方面非常有效，但工程師越來越希望得到理論的指導(dǎo)，提高超臨界過程的效率。

木星這樣的氣態(tài)巨行星上，氣體就處于超臨界態(tài)。（圖 NASA, ESA, and J. Nichols, University of Leicester）

研究通訊作者、倫敦大學(xué)瑪麗皇后學(xué)院物理學(xué)教授科斯特亞·特拉琴科（Kostya Trachenko）表示：“這種超臨界物質(zhì)的普遍性為極端條件下物質(zhì)的新物理開辟了一條道路。無論是從基礎(chǔ)物理學(xué)，還是從理解和預(yù)測(cè)綠色環(huán)境應(yīng)用、天文學(xué)和其他領(lǐng)域的超臨界特性的角度來看，這都是一個(gè)令人興奮的前景?！?/p>

同時(shí)，這也讓科學(xué)家看到了一些未來令人興奮的發(fā)展的可能性。例如，這項(xiàng)研究也引出了一個(gè)問題：固定反演點(diǎn)是否和傳統(tǒng)的高階相變有關(guān)？它是否可以通過使用相變理論中所涉及的現(xiàn)有想法來描述，還是需要引入一些截然不同的新事物？

當(dāng)我們突破已知的界限時(shí)，可以逐漸確認(rèn)這些新的令人興奮的問題，并開始尋找更多答案。

參考來源：

https://www.eurekalert.org/news-releases/961447

https://www.livescience.com/supercritical-matter-simplicity.html

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq5183

封面圖/首圖來源：NASA, ESA, and J. Nichols, University of Leicester