Суперсверхкритическое давление

Суперсверхкритическое давление — это гипотетическое состояние вещества, при котором давление значительно превышает критическое давление, а температура также находится выше критической, но при этом вещество не переходит в фазу с принципиально иной структурой (например, в состояние плазмы или вырожденного газа). Термин не является строгим научным понятием и чаще используется в научно-фантастической литературе, а также в некоторых спекулятивных теоретических работах для описания экстремальных условий, при которых классические уравнения состояния перестают работать.

В физике конденсированного состояния и термодинамике принято выделять сверхкритическое состояние (флюид), которое достигается при превышении критической температуры и критического давления. В этом состоянии вещество не разделяется на жидкую и газообразную фазы, обладая одновременно высокой плотностью (как у жидкости) и высокой текучестью (как у газа). При дальнейшем увеличении давления (на порядки и более) вещество может переходить в новые фазы, такие как металлический водород, или в состояние вырожденного газа (в недрах звёзд). Однако чёткой границы, отделяющей «сверхкритическое» от «суперсверхкритического» давления, не существует.

История термина

Термин «суперсверхкритическое давление» (англ. super-supercritical pressure) впервые появился в научно-фантастической литературе середины XX века, в частности в произведениях, описывающих путешествия к ядрам планет-гигантов (Юпитер, Сатурн) или в недра звёзд. Авторы пытались придумать название для состояния, при котором обычные законы гидродинамики и термодинамики нарушаются из-за колоссальных давлений. В реальной научной литературе этот термин практически не используется; вместо него применяются более точные описания: «экстремально высокое давление», «металлизация», «вырождение».

В конце XX — начале XXI века, с развитием физики высоких давлений (алмазные наковальни, ударные волны), учёные начали экспериментально достигать давлений в несколько миллионов атмосфер (терапаскали). В этом диапазоне было обнаружено множество новых фазовых переходов, в том числе образование металлического водорода (в 2017 году группа учёных из Гарварда заявила о его получении при давлении около 495 ГПа, что в 4,5 миллиона раз превышает атмосферное). Однако такие состояния не называют «суперсверхкритическими» — это просто сверхкритические флюиды, перешедшие в новую фазу.

Физические основы

Критическая точка и сверхкритическое состояние

Для любого чистого вещества существует критическая точка (T_кр, P_кр), выше которой исчезает различие между жидкой и газообразной фазами. При давлении выше критического и температуре выше критической вещество находится в сверхкритическом состоянии (флюид). Примеры: сверхкритический CO₂ (используется в экстракции), сверхкритическая вода (в химических реакциях).

Экстремально высокие давления

При давлениях, на несколько порядков превышающих критическое (например, для воды P_кр ≈ 22,1 МПа, а «суперсверхкритическое» давление могло бы быть > 10⁴ МПа), вещество претерпевает качественные изменения:

• Металлизация: при давлениях порядка 100–500 ГПа (1–5 млн атм) многие неметаллы (водород, гелий, азот) переходят в металлическое состояние. Электроны становятся делокализованными, вещество приобретает электропроводность.
• Вырождение: при давлениях в миллиарды атмосфер (10¹¹–10¹² Па) электроны в атомах сжимаются до такой степени, что начинают подчиняться принципу Паули, образуя вырожденный электронный газ. Это состояние характерно для недр белых карликов.
• Нейтронизация: при ещё более высоких давлениях (10¹⁴–10¹⁵ Па) электроны вдавливаются в ядра, превращая протоны в нейтроны, и вещество переходит в нейтронное состояние (нейтронные звёзды).

Таким образом, понятие «суперсверхкритическое давление» не имеет чёткого физического определения, так как при экстремально высоких давлениях вещество перестаёт быть флюидом в обычном смысле и переходит в принципиально иные формы материи.

Применение в науке и технике

В реальной технике термин «суперсверхкритическое давление» не используется. Однако существуют области, где давление на много порядков превышает критическое:

• Сверхкритические флюиды в промышленности: CO₂, вода, аммиак используются при давлениях до 100–200 МПа (что в 5–10 раз выше критического). Это не «суперсверхкритическое», а просто высокое сверхкритическое давление.
• Физика высоких давлений: в алмазных наковальнях достигаются давления до 600 ГПа (6 млн атм). Изучаются фазовые переходы, металлизация, сверхпроводимость при высоких давлениях.
• Геофизика и планетология: в недрах Земли давление достигает 360 ГПа (ядро), а в ядрах планет-гигантов (Юпитер, Сатурн) — до 40–70 ТПа (400–700 млн атм). Там вещество находится в состоянии металлического водорода или вырожденного газа.

Критика и альтернативные концепции

Термин «суперсверхкритическое давление» критикуется за отсутствие чёткого определения и за то, что он вводит в заблуждение, предполагая существование особой фазы, отличной от сверхкритической. В реальности при экстремально высоких давлениях вещество либо остаётся сверхкритическим флюидом (если не происходит фазового перехода), либо переходит в новую фазу (металл, вырожденный газ, плазма). Поэтому в научной литературе предпочитают говорить о «сверхкритическом флюиде при сверхвысоких давлениях» или «фазовых переходах при высоких давлениях».

В научно-фантастическом контексте термин используется для обозначения состояния, при котором обычные законы физики (например, уравнение состояния идеального газа) перестают работать, и вещество ведёт себя необычным образом: становится сверхтекучим, сверхпроводящим или приобретает аномальную вязкость. Однако такие эффекты возможны и при обычных сверхкритических условиях, если вещество находится вблизи критической точки.

Интересные факты

• В 2017 году группа учёных из Гарварда (Ранга Диас и Исаак Сильвера) заявила о получении металлического водорода при давлении около 495 ГПа. Это давление в 4,5 миллиона раз превышает атмосферное, но всё же не является «суперсверхкритическим» в фантастическом смысле.
• В недрах Юпитера давление достигает 40–70 ТПа (400–700 млн атм). При таких условиях водород находится в металлическом состоянии, а температура — около 20 000 К. Это состояние можно назвать «суперсверхкритическим» лишь условно.
• В 2020 году российские учёные из Института физики высоких давлений РАН (г. Троицк) сообщили о синтезе новой фазы азота — полимерного азота, который образуется при давлении свыше 100 ГПа и температуре выше 2000 К. Это вещество является сверхкритическим флюидом, но при таких параметрах оно уже близко к состоянию плазмы.

Источники

• Физическая энциклопедия. Том 4. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1994. — Статья «Сверхкритическое состояние».
• Бриджмен П. В. Физика высоких давлений. — М.: Наука, 1965.
• Диас Р., Сильвера И. Металлический водород: синтез и свойства. — Science, 2017.
• Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Статистическая физика. Часть 1. — М.: Физматлит, 2001.
• Российская академия наук. Исследования фазовых переходов при высоких давлениях. — Препринт ИФВД РАН, 2020.