Критическое состояние вещества
15.1. Состояние вопроса
Известные физические явления сверхпроводимость и сверхтекучесть связывают с т. н. критическим состоянием вещества. Достаточно большое количество подобные явлений в своих проявлениях имеет единую физическую природу и связано с термином «критический»: критические явления, критическая температура, критическая точка, критический ток, критическое давление, критическое магнитное поле, критические индексы… (8, с. 330-333). В дальнейшем к критическому состоянию материи-энергии мы отнесли плазму, все полевые формы существования энергии и «пустоту», в которой какие-либо частицы-кванты — переносчики энергии уже не регистрируются приборами, но которая, странным образом, может рождать известные элементарные частицы.
Критические явления в физике обусловлены т. н. кооперативными свойствами всей совокупности множества в общем случае разнородных (разномасштабных) частиц и наблюдаются вблизи т. н. критических точек фазовых состояний I (первого) рода и точек фазовых переходов II (второго) рода. Проблема кооперативных явлений в науке ещё не решена, поэтому нет и исчерпывающей теории критических явлений.
Фазовое состояние I в термодинамике рассматривается в достаточно грубом масштабе, как точка перехода вещества из одного термодинамически равновесного состояния в другое. Это происходит при изменении внешних условий: плавление — переход из твёрдого состояния в жидкое или сразу в пар (возгонка или сублимация); испарение — переход из жидкого состояния в пар. В точке I термодинамические параметры меняются скачкообразно, что в новой энергетической концепции свидетельствует лишь о загрублённости геометрических масштабов оценки явления.
При фазовом переходе II некоторая физическая величина, например, тепло — и электропроводность, равная нулю с одной стороны точки II, постепенно растёт (от нуля) при удалении от точки в другую сторону. Переход вещества из газовой фазы в плазменную фазу, растянутый во времени, не принято считать фазовым переходом I рода. В окрестностях точки II плотность вещества изменяется непрерывно, а теплота не выделяется и не поглощается. Вблизи точки II термодинамические состояния отличаются друг от друга мало. В этой области возможно образование «зародышей» большого размера одной из фаз, и они («флуктуации-зародыши») плохо «рассасываются». В окрестностях точки II наблюдаются явления, названные критическими, такие, как бесконечный рост теплоёмкости, аномальное рассеяние электромагнитных волн и рентгеновских излучений в твёрдых телах и нейтронов в ферромагнетиках. Это свидетельствует о том, что в критическом состоянии т. н. сечение взаимодействия элементарных структур вещества увеличивается на многие порядки независимо от природы вещества. Вещество становится «способным» к резонансному взаимодействию с широким частотным диапазоном внешнего действия разной физической природы, к резонансному взаимодействию разномасштабных частиц, что совершенно «противоестественно» с точки зрения
классической механики. Накоплено достаточно много эмпирических фактов, которые необходимо рассматривать именно с аналогичной точки зрения, несмотря на большое разнообразие в проявлениях критических состояний веществ.
Параметры вещества, находящегося в критическом состоянии, также названы критическими. Физико-химические параметры, первоначально разные по физикохимической природе, становящиеся критическими, утрачивают эти различия у всех веществ, находящихся в критическом состоянии. При критических параметрах исчезают различия в термодинамических фазах, в свойствах между паром, жидкостью и твёрдым телом. Критические состояния вещества достаточно долго могут находиться в термодинамическом равновесии. В жидкости исчезает граница, теплота парообразования обращается в нуль, плотности жидкости и пара выравниваются. В жидких смесях с ограниченными растворимостями при критической температуре наступает неограниченная взаимная растворимость. Далеко не всегда для приведения вещества в критическое состояние необходимы аномальные температуры, давления и объёмы. В полной мере они проявились и в нормальных условиях в виде т. н. размерных эффектов наноструктурных материалов.