相變與臨界現象
臨界點
把水裝進密封的堅固容器裡加熱,奇怪的事發生了。平時那麼分明的液體與蒸汽之間的界線,開始變得模糊,液體膨脹、氣體變濃,直到在某一個確切的溫度和壓強上,兩者變得無從分辨——你再也說不清水在哪裡終止、蒸汽又從哪裡開始。這個恰在刀刃上的臨界條件,就是臨界點。
臨界點是連續相變發生時那組特殊的條件,是兩個相之間的差別縮小到無的地方。在那一點上,序參量剛好抵達零,材料對微小推動的響應變得巨大,各種長度尺度的漲落同時湧現。坐在臨界點上,無論你湊近看還是遠遠看,系統都是同一副模樣——一種自相似的微光,物理學家稱之為標度不變性。
臨界點之所以重要,是因為它正是相變最深刻、最普適的規律顯露自身之處,同一套數學統轄著磁鐵、流體與合金。一個常見的誤解,是把臨界點當成「不過是特殊一點的沸點」。它遠比這深邃:它是那個獨一無二的位置,在那裡兩個相之間的區分本身溶解了,物質在有序與無序之間搖搖欲墜。
在二氧化碳的臨界點附近——高壓下約 31°C——原本清澈的流體會變得乳白而泛光,這種現象叫臨界乳光。之所以如此,是因為密度漲落長大到了與光波長相當的尺度,於是流體把光朝四面八方一齊散射,彷彿是這種物質用自己同自己爭辯而結成的霧。
臨界乳光:清澈的流體在臨界點處變得渾濁,因為漲落長到了光的尺度。
這裡的「臨界」意為「關鍵」或「處在轉折點上」,並不是「危險」。臨界點是連續相變所棲身的那個唯一條件;圍繞它出現的那一大簇奇異行為,則總稱為臨界現象。
又稱
另見