超临界，很简单？

我们对物质在相当低的温度和压强下的行为已经有了相当深入的理解，但物质在高温高压下的情况却很模糊。

二氧化碳的压强 - 温度相图。（图 ⁄Ben Finney, Mark Jacobs, Wikimedia Commons）

如上图所示的那样，当处于高温高压状态下的物质超越了临界点时，液态和气态之间的差异似乎消失了。这种超临界物质被认为是炽热而稠密，且是均质的。科学家相信，关于这种处于超临界态的物质，还有许多新物理有待揭开。

近日，一项新研究对超临界物质有了两项关键的新发现。研究通过应用两个参数发现，超临界物质表现出了某些普遍性，它们或许惊人地简单。这项于近期发表在《科学进展》上的新发现有望帮助我们获得新的理解。

超临界物质的普遍性

理解超临界物质的主要问题是，气态、液态和固态的理论并不适用。目前还不清楚，当传统的固液气的分界线变得模糊时，究竟哪些物理参数能够揭示出超临界态的最突出的特性。

凭借早期对较低温和较低压下液体的理解，研究人员选择了两个参数来描述超临界物质。

第一个参数是一种相对常用的性质，也就是衡量系统吸热效率的热容，其中包含了关于系统自由度的基本信息。

第二个参数则相对没那么常见，它是波在系统中可以传播的长度。这个长度主导着声子可用的相空间。当这个长度达到其可能最小值，并等于原子间间隔时，真正有趣的事情便会发生。

科学家发现，就这两个参数而言，处于高压高温的极端条件下的物质变得非常普遍。

这种普遍性包括两个方面。首先，在不同系统的热容与波传播长度的关系图中，都存在一个引人注目的固定反演点。

这个反演点对应于两个物理上不同的超临界态（类液态和类气态）之间的过渡。跨越这一点时，超临界物质就会改变关键的物理性质，从类液态变成类气态。重要的是，反演点就是区分这两种态的明确方式。

二氧化碳的热容 - 动态长度图。（图 ⁄Cockrell, C. & Trachenko, K., 2022）

其次，在研究的所有类型的系统中，这个反演点的位置都非常接近。

不同系统的热容 - 动态长度图。它们的反演点都很相近。（图 ⁄Cockrell, C. & Trachenko, K., 2022）

这与其他所有已知的过渡点都有明显不同。例如，这些过渡点中的两个，所有物质态（液气固）并存的三相点，和气液沸腾线末端的临界点，在不同的系统中的差异都很大。

另一方面，这种普遍性或许也告诉我们，超临界物质可能相当简单。

基本理解和实际应用

研究人员认为，除了对物质态和相图的基本认识外，对超临界物质的理解还带来了许多实际应用。

比如，氢和氦在木星和土星等气态巨行星中就处于超临界态，因此支配着它们的物理特性。在绿色环保应用中，超临界流体也被证明在销毁危险废物方面非常有效，但工程师越来越希望得到理论的指导，提高超临界过程的效率。

木星这样的气态巨行星上，气体就处于超临界态。（图 ⁄NASA, ESA, and J. Nichols, University of Leicester）

研究通讯作者、伦敦大学玛丽皇后学院物理学教授科斯特亚 · 特拉琴科（Kostya Trachenko）表示：" 这种超临界物质的普遍性为极端条件下物质的新物理开辟了一条道路。无论是从基础物理学，还是从理解和预测绿色环境应用、天文学和其他领域的超临界特性的角度来看，这都是一个令人兴奋的前景。"

同时，这也让科学家看到了一些未来令人兴奋的发展的可能性。例如，这项研究也引出了一个问题：固定反演点是否和传统的高阶相变有关？它是否可以通过使用相变理论中所涉及的现有想法来描述，还是需要引入一些截然不同的新事物？

当我们突破已知的界限时，可以逐渐确认这些新的令人兴奋的问题，并开始寻找更多答案。