超臨界標度理論破解相變不對稱性的物理密碼

水燒開變成蒸汽，磁鐵加熱失去磁性，這些臨界點附近的物理現象看似截然不同，卻遵循相同的普適標度率。當體系的哈密頓量具有對稱性和不具備對稱性時，它們的臨界行為存在怎樣的本質區別？

此前，臨界點附近非對稱性研究聚焦于直線直徑定律。該定律提出，氣液共存曲線的平均密度隨溫度的變化呈線性關系，在對稱體系中這一線性關系嚴格成立。而有理論預測，非對稱性導致線性關系不成立，線性項被冪律項替代。但這些探索局限在臨界溫度以下，且標度范圍極窄，實驗較難驗證，相關結論未形成共識。

近日，中國科學院理論物理研究所等提出超臨界—亞臨界對應關系——將新近定義的超臨界相轉變線（L⁺和L^-線）視為亞臨界共存曲線的鏡像，并揭示了具有普適性的結論——不對稱性體現在標度律的修正項中，且這些修正項具有反對稱系數。

理論預言，不對稱性源于物理場的線性混合，會在L⁺和L^-線上產生普適的標度修正。這些修正項的系數滿足完美的對稱及反對稱特征——在兩條線上符號相反（對稱）或相同（反對稱）。當取兩條線的平均即超臨界直徑時，反對稱修正項被保留下來，其形式與亞臨界奇異直徑一致。

團隊利用多種超臨界流體的數據驗證，理論與實驗在關注范圍內吻合。在相同溫度區間內，亞臨界共存線直徑仍近乎完美地遵守直線定律——反對稱冪律修正幾乎不可見。這表明，超臨界區域為觀測反對稱冪律修正提供了天然“放大鏡”。不同物質的非對稱效應幾乎完全相同，揭示了基于非對稱性的普適性。

這一框架適用于氣—液相變和液—液相變體系，在黑洞熱力學等系統中也具有類比推廣的潛力。

相關研究成果發表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。研究工作得到國家重點研發計劃和國家自然科學基金等的支持。

超臨界—亞臨界對應關系相圖