临界现象200周年，是谁最早发现了这个物理现象？

原创 刘一涵、张一等人 返朴
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纪念法国物理学家查尔斯·卡格尼亚德·德拉图发现临界现象两百周年。
撰文 | 刘一涵、张一、苏桂锋（上海师范大学数理学院物理系）
“几年前，卡格尼亚德·德拉图做了一个实验，使我有机会欲赋新词……我该如何根据连续性定律为液体和蒸汽在此合二为一的这一点命名呢？卡格尼亚德·德拉图没有给它起名字；我该怎么称呼它呢？”
——法拉第致胡威立 [1]
一
什么是临界现象？
何谓临界现象（critical phenomena）？其实相变与临界现象是一回事，分开称谓，不过是一个物理学史上的“误会”，以为二者是不同的物理现象。为了具象地表述相变和临界现象，我们以生活中习以为常的水为例，作一个简要直观的说明。
所谓相变，援引大部分教科书的说法，就是物质——例如水——从一种（聚集）形式到另一种（聚集）形式的变化[注1]。人类知道水存在气、液、固三相可以追溯到约4000年前中国和古埃及的历史记录，但要说对相变真正有所认识，却还是最近半个多世纪的事。已故著名统计物理学家卡丹诺夫[注2]（Leo Kadanoff，1937-2015）曾以漂浮在大海中的冰山为例形象地说明水的不同相共存：“大海是液态的水，它包围着冰——即固相的水。微风吹拂着云彩，空气中的水汽同时与固相和液相的水接触。”（当然，严格来说，海水并非只有水这一种化学组分。这段话的原文参见图1的文字说明。）[2]
要研究某种物质的相变，一个基本任务是测定其“相图”，即找出在给定的热力学参量——对于“简单”热力学系统通常是温度T、压强P和体积V下——该物质处于什么相，并确定不同相之间的边界。例如，图2显示了压强-温度（P-T）平面内水的相图，其中明确了水在不同温度和压强条件下的固（浅蓝色区域）、液（蓝色区域）、以及气（赭色区域）三相，以及任意两相之间的边界。接近图2中间的黄点称为三相点（Triple point），顾名思义,是上述三相的交汇点。从三相点出发，沿着气液分界线“上行”，它并不是无限延伸的，而是停止在图2中的红点位置，此即临界点（Critical point）。对于水而言，临界点处对应的热力学参量的数值是：临界压强Pc = 22.09 MPa；临界温度Tc = 374.14 °C (647.3 K)；
临界（比）体积vc = 0.003155 m⊃3;/kg。所谓“临界点”，是指超过该点之后，水的气态和液态的差别不复存在，询问水此时是气态还是液态不再有意义。因此，以临界点为界，其上方的区域（参见图2右上角）内为超临界流体（Supercritical fluid），在那个区域，水还会表现出更多新的特点。