我們對物質在相當低的溫度和壓強下的行為已經有了相當深入的理解，但物質在高溫高壓下的情況卻很模糊。

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

如上圖所示的那樣，當處于高溫高壓狀態下的物質超越了臨界點時，液態和氣態之間的差異似乎消失了。這種超臨界物質被認為是熾熱而稠密，且是均質的。科學家相信，關于這種處于超臨界態的物質，還有許多新物理有待揭開。

近日，一項新研究對超臨界物質有了兩項關鍵的新發現。研究通過應用兩個參數發現，超臨界物質表現出了某些普遍性，它們或許驚人地簡單。這項于近期發表在《科學進展》上的新發現有望幫助我們獲得新的理解。

超臨界物質的普遍性

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

憑借早期對較低溫和較低壓下液體的理解，研究人員選擇了兩個參數來描述超臨界物質。

第一個參數是一種相對常用的性質，也就是衡量系統吸熱效率的熱容，其中包含了關于系統自由度的基本信息。

第二個參數則相對沒那么常見，它是波在系統中可以傳播的長度。這個長度主導著聲子可用的相空間。當這個長度達到其可能最小值，并等于原子間間隔時，真正有趣的事情便會發生。

科學家發現，就這兩個參數而言，處于高壓高溫的極端條件下的物質變得非常普遍。

這種普遍性包括兩個方面。首先，在不同系統的熱容與波傳播長度的關系圖中，都存在一個引人注目的固定反演點。

這個反演點對應于兩個物理上不同的超臨界態（類液態和類氣態）之間的過渡。跨越這一點時，超臨界物質就會改變關鍵的物理性質，從類液態變成類氣態。重要的是，反演點就是區分這兩種態的明確方式。

二氧化碳的熱容 - 動態長度圖。（圖 ⁄Cockrell, C. & Trachenko, K., 2022）

其次，在研究的所有類型的系統中，這個反演點的位置都非常接近。

不同系統的熱容 - 動態長度圖。它們的反演點都很相近。（圖 ⁄Cockrell, C. & Trachenko, K., 2022）

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

另一方面，這種普遍性或許也告訴我們，超臨界物質可能相當簡單。

基本理解和實際應用

研究人員認為，除了對物質態和相圖的基本認識外，對超臨界物質的理解還帶來了許多實際應用。

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

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

研究通訊作者、倫敦大學瑪麗皇后學院物理學教授科斯特亞 · 特拉琴科（Kostya Trachenko）表示：" 這種超臨界物質的普遍性為極端條件下物質的新物理開辟了一條道路。無論是從基礎物理學，還是從理解和預測綠色環境應用、天文學和其他領域的超臨界特性的角度來看，這都是一個令人興奮的前景。"

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

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