Процессы, изучаемые молекулярной физикой, являются результатом совокупного действия огромного числа молекул.

Поведение громадного числа молекул анализируется с помощью статистического метода, который основан на том,что свойства макроскопической системы в конечном результате определяются свойствами частиц систем, особенностями их движения и усредненными значениями кинетических и динамических характеристик этих частиц (скорости, энергии,давления и т. д.).

Например, температура тела определяется скоростью беспорядочного движения его молекул, но так как в любой момент времени разные молекулы имеют различные скорости, то она может быть выражена только через среднее значение скорости движения молекул. Нельзя говорить о температуре одной молекулы. Макроскопические характеристики тел имеют физический смысл лишь в случае большого числа молекул.

После создания молекулярной физики термодинамика не ут­ратила своего значения. Она помогает понять многие явления и с успехом применяется при расчетах многих важных механиче­ских устройств. Общие законы термодинамики справедливы для всех веществ, независимо от их внутреннего строения.

Однако при расчете различных процессов с помощью термодинамики многие физические параметры, например теплоемко­сти тел, необходимо определять экспериментально. Статистиче­ские же методы позволяют на основе данных о строении веще­ства определить эти параметры. Но количественная теория твер­дого и особенно жидкого состояния вещества очень сложна. По­этому в ряде случаев простые расчеты, основанные на законах термодинамики, оказываются незаменимы.

В настоящее время в науке и технике широко используются как термодинамические, так и статистические методы описания свойств микросистемы.

Статистические и динамические закономерности

Две осн. формы закономерной связи явлений, которые отличаются по характеру вытекающих из них предсказаний. В законах динамического типа предсказания имеют точно определённый, однозначный характер. Так, в механике, если известен закон движения тела и заданы его координаты и скорость, то по ним можно точно определить положение и скорость движения тела в любой др. момент времени. Динамические законы характеризуют поведение относительно изолированных систем, состоящих из небольшого числа элементов и в которых можно абстрагироваться от целого ряда случайных факторов.

В статистических законах предсказания носят не достоверный, а лишь вероятностный характер. Подобный характер предсказаний обусловлен действием множества случайных факторов, которые имеют место в статистических коллективах или массовых событиях (напр., большого числа молекул в газе, особей в биологич. популяциях, людей в социальных коллективах). Статистическая закономерность возникает как результат взаимодействия большого числа элементов, составляющих коллектив, и поэтому характеризует не столько поведение отд. элемента, сколько коллектива в целом. Необходимость, проявляющаяся в статистических законах, возникает вследствие взаимной компенсации и уравновешивания множества случайных факторов.

Абсолютизация динамических законов тесно связана с концепцией механического детерминизма, сторонники которой (П. Лаплас и др.) рассматривали Вселенную как огромную механическую систему и экстраполировали законы динамики Ньютона на все процессы и явления мира. Лаплас утверждал, что если бы были известны такие законы для всех явлений, то можно было бы обнять в одной формуле движения как величайших тел, так и легчайших атомов.

Статистич. законы хотя и не дают однозначных и достоверных предсказаний, тем не менее являются единственно возможными при исследовании массовых явлений случайного характера. Критикуя механич. детерминизм, Ф. Энгельс указывал, что случайное не может быть безразличным для науки. Вместе с тем он подчёркивал, что случайное требует иного подхода, ибо изучить всю сеть каузальных отношений, даже с горошинами в стручке, наука совершенно не в состоянии: «... такая наука, которая взялась бы проследить случай с этим отдельным стручком в его каузальном сцеплении со все более отдаленными причинами, была бы уже не наукой, а простой игрой» (Маркс К. и Энгельс Ф., Соч., т. 20, с. 534).

За совокупным действием различных факторов случайного характера, которые практически невозможно охватить, статистич. законы вскрывают нечто устойчивое, необходимое, повторяющееся. Статистические законы служат подтверждением диалектики превращения случайного в необходимое. Динамич. законы оказываются предельным случаем статистических, когда вероятность становится практич. достоверностью.

С помощью динамич. законов обычно формулируются каузальные (причинные) связи явлений. Рассматривая одно явление как причину другого, мы вырываем их из всеобщей связи, изолируем друг от друга и тем самым значительно упрощаем и идеализируем действительность. Подобную идеализацию легче осуществить в механике, астрономии, классич. физике, которые имеют дело с точно известными силами и законами движения тел под их воздействием. В более сложных ситуациях приходится учитывать воздействие множества случайных факторов и обращаться к статистич. законам.

Статистические закономерности и закономерности жесткой детерминации – два осн. класса закономерностей, получившие в совр. науке наиболее развитые формы своего теоретич. выражения, а вместе с тем и матем. воплощения. Для исследования и выражения закономерностей жесткой детерминации используются обычно методы классич. матем. анализа, особенно методы теории дифференц. уравнений; эти методы используются также в познании и выражении статистич. закономерностей (СЗ), однако решающую роль играют здесь методы теории вероятностей. Осн. различие между этими классами закономерностей связано с различиями во внутр. структуре соответствующих науч. теорий, в частности с различием тех общих подходов к природе бытия и познания, к-рые необходимым образом сопровождают развитие этих теорий.

Представления о классе закономерностей жесткой детерминации сформировались в ходе развития классич. физики, прежде всего классич. механики. Фактически под этими закономерностями и понимают закономерности, в логич. отношении подобные механическим; именно благодаря решающей роли динамич. законов механики Ньютона в формировании общих представлений о данном классе закономерностей исторически они получили название динамич. закономерностей (ДЗ).

Классич. механика явилась первой естественнонаучной теорией, основывающейся в формулировке своих законов на строгом языке математики. Осн. задачей классич. механики является определение траектории движения отд. макротела. Весьма существенно, что эта траектория определяется в механике единств. образом. Если же траектория движения макротела не определена однозначно или значения некоторых его характеристик строго не определены, то с т. зрения механики Галилея – Ньютона задача считается некорректно поставленной. Развитие всей классич. физики, начиная от механики твердого тела и сплошных сред и кончая классич. электродинамикой, происходило под определяющим воздействием классич. механики. Само логическое строение последующих теорий классич. физики в принципе аналогично схеме классической механики.

В качестве определяющей черты класса ДЗ обычно рассматривается строго однозначный характер всех без исключения связей и зависимостей, отображаемых в рамках соответствующих представлений и теорий на основе этих законов. В негативной формулировке это означает: там, где нет строгой однозначности в связях, нельзя говорить и о соответствующих закономерностях. Более того, с т. зр. ДЗ, когда имеет место к.-л. неоднозначность или неопределенность в связях, нельзя вообще говорить об истинной закономерности: в этих случаях налицо лишь неполное выражение наших знаний об исследуемых объектах, лишь подход к истине, но еще не сама истина.

Из однозначного характера связей вытекает их равноценность: любая рассматриваемая связь, независимо от природы соответствующих свойств или параметров, в равной мере признается необходимой.

На основе развития классич. физики и ее успехов схема жесткой детерминации была в известной мере абсолютизирована. Филос. концепция, выразившая это, получила название лапласовского, или классического, детерминизма и длит. время выступала как обоснование механики и ее экспансии в новые области исследований.

Схема жесткой детерминации оказалась, однако, несостоятельной при соприкосновении науки с более сложными и развитыми явлениями, чем объекты исследования классической физики, прежде всего – при анализе биологических и социальных явлений. Эта схема вела к отрицанию к.-л. автономности в поведении элементов в рамках систем. Критика концепции жесткой детерминации в естествознании усиливалась по мере проникновения в него идей диалектики и приобрела конструктивный характер на базе развития вероятностных методов исследования; именно через их посредство естествознание овладело новым классом закономерностей – статистич. закономерностями. В "точное" естествознание вероятностные методы впервые проникли во 2-й пол. 19 в. в ходе разработки в трудах Дж. Максвелла, Дж. Гиббса и Л. Больцмана молекулярно-кинетической теории – классической статистической физики.

Но хотя в наст. время ясно вскрыта ограниченность схемы жесткой детерминации, это отнюдь не означает, что данная схема "не работает" в совр. науке. Схема жесткой детерминации может повторять себя в развитии ряда новых областей и методов знания, поскольку это развитие воспроизводит осн. пути движения познания. В частности, на представлениях о жесткой детерминации в значит. мере базируется весь прогресс научно-технич. мысли, действие почти всех создаваемых человеком механизмов, машин и автоматов.

Однако по мере возрастания сложности технич. систем и повышения требований к точности управления протекающими в них процессами происходит резкое снижение их надежности. В наст. время достаточно ясно осознано, что принятые пути повышения надежности работы электронных устройств, основанные на схемах жесткой детерминации, не дают радикального решения проблемы и принципиально ограничены. В этой связи начиная со 2-й пол. 20 в. постоянно растет интерес к анализу принципов организации и функционирования живых (биологических) систем и использованию этих принципов в разработке совр. технич. систем, что, в частности, находит выражение в огромном росте исследований по самоорганизующимся системам. Эти направления поисков ясно выражают отказ от принципа жесткой, однозначной детерминации элементов в кибернетич. системах.

Идея вероятности приобрела огромное значение в совр. физике, прежде всего в физике микропроцессов, физике атома и элементарных частиц. Закономерности микропроцессов наиболее полно выражены в квантовой теории, к-рая является принципиально статистической, т.е. существ. образом включает в себя идею вероятности. Если в классич. физике вероятность иногда еще трактовалась как второстепенный, инородный элемент структуры физич. теории, нарушающий ее внутр. красоту и совершенство, то в совр. физике вероятность с самого начала рассматривается как одно из важнейших оснований этой структуры.

Однако несмотря на величайшую силу и глубину воздействия вероятностно-статистич. образа мышления на развитие совр. науки, он все еще должным образом не ассимилирован совр. мировоззрением. Во многом это обусловлено тем, что на трактовку вероятности и СЗ нередко чрезмерное влияние оказывают соображения, навеянные концепцией жесткой детерминации, в частности классич. механикой. Для преодоления этого, отчасти психологического, барьера природа вероятности и СЗ должна быть проанализирована в свете совр. представлений о принципах структурной организации материи и познания, в частности в связи с разработкой общих представлений о сложных системах (идея о качественно различных и относительно автономных уровнях структурной организации этих систем, об уровнях управления, регуляции и детерминации в сложных системах).

Теория вероятностей, являющаяся методологич. базой раскрытия СЗ, изучает, как известно, закономерности массовых случайных явлений. Массовость здесь выступает как некоторый аспект системности. Случайность характеризует специфику этого массового явления и означает, что при переходе от одного явления к другому характеристики отд. явлений изменяют свои значения независимым образом, т.е. значения характеристики одного явления существенно не зависят и не определяются значениями этой же характеристики у др. явлений. Типичный пример класса случайных массовых явлений дает в физике обычная теория газов: механическое состояние каждой молекулы газа в своей основе не зависит и не определяется состоянием др. молекул. Центр. понятием теории вероятностей является понятие вероятностного распределения, или просто распределения. Вокруг этого понятия объединяются др. понятия, имеющие принципиальное значение для понимания всей теории. Распределение означает, что, несмотря на изменение значений некоторых характеристик от явления к явлению, относит. число элементов с определ. значением этих характеристик довольно устойчиво. Эта устойчивость и есть выражение вероятности. Распределения выражают внутр. упорядоченность в соответствующем массовом явлении. Наиболее глубокий смысл и значение вероятностных распределений обнаруживались по мере того, как распределения становились предметом самостоят. исследования и в связи с этим были выдвинуты представления о видах (типах) распределений и поставлен вопрос об основаниях этой типологии. Многие из видов распределений образуют обширный предмет спец. исследований. Таковы, напр., нормальное распределение (распределение Гаусса), распределение Пуассона и др. В большинстве случаев виды распределений характеризуются чисто описательно, но в наиболее развитых случаях для их характеристики применяются и аналитические средства. В частности, в физике таковы квантовые теории, в которых вероятностный язык используется весьма своеобразно. Формулировка квантовых задач дается не непосредственно на языке вероятностных распределений, а прежде всего с помощью т.н. волновых функций. Однако последние являются очень абстрактными характеристиками тех же распределений: квадрат модуля волновой функции в некотором представлении определяет собой вероятность соответствующей физической величины, и эта связь волновых функций с вероятностью вообще является оправданием их употребления в квантовой теории. В связи с характеристикой микрочастиц посредством волновых функций в квантовую теорию вошло представление о виде (характере, типе) волновых функций: волновая функция может быть скаляром, вектором, спинором, псевдоскаляром, псевдовектором и т.д. Вид волновых функций определяется т.н. квантовыми свойствами элементарных частиц – спином и четностью, к-рые с самого начала вводятся в теорию как характеристики волновых функций в целом. Др. словами, используемые в квантовой теории величины (за исключением ряда постоянных величин, не имеющих объяснения в теории и взятых непосредственно из опыта) делятся на два класса: т.н. наблюдаемые величины (напр., координаты и импульс), на базе к-рых и возникают представления о вероятностных распределениях, и квантовые числа как характеристики волновых функций (вероятностных распределений) в целом. Сами же распределения представляют собой форму связи этих двух классов.

В развитии представлений о сложных системах, помимо проблемы уровней внутренней организации и детерминации этих систем, важнейшее значение имеет также проблема синтеза элементов в целое при учете их автономности и вытекающая отсюда проблема методов познания объектов в составе таких систем. СЗ могут рассматриваться как определенная форма математического решения этих проблем; в свою очередь анализ этих проблем в рамках учения о сложных системах позволяет глубже раскрыть природу самих СЗ. В частности, реализация системного подхода дает возможность рассматривать элементы (отд. объекты) на основе структурных характеристик соответствующих систем. Именно с этим связана, напр., важнейшая роль вероятностного языка в квантовой теории для познания и выражения свойств отд. микрообъектов.

Т.о., методологическая роль СЗ в совр. науке определяется тем, что они дают строгие теоретические средства анализа объектов исследования с двумя относительно выделенными и автономными уровнями внутр. строения и организации. Этим же объясняется колоссальное значение статистич. представлений для развития совр. диалектики бытия и познания, в частности, для решения таких проблем, как взаимопроникновение жесткого и аморфно-пластичного начал структуры материальных систем, начал соподчинения и координации, широкой автономности элементов и гармонии целого, сохранения и истинного обновления, и многих аналогичных.

Утверждение статистич. подхода к науке сопровождалось острыми филос. дискуссиями. В физике формулирование СЗ осуществлялось на путях атомизма и означало его дальнейшее развитие. Борьба Л. Больцмана в период становления статистич. физики за атомизм была борьбой за разработку наиболее широкого обоснования СЗ в физике. На первых порах сравнение СЗ с закономерностями жесткой детерминации было не в пользу первых: им не хватало "изящества" однозначных предсказаний любых рассматриваемых связей. Так возникли представления о неполноте СЗ, об их врем. характере. Выявить собств. основания СЗ оказалось возможным лишь на основе диалектической методологии. Важнейшую роль здесь сыграл анализ этих закономерностей с т. зр. категорий необходимости и случайности, а в дальнейшем, с развитием квантовой теории, также категорий потенциально возможного и действительного. Это способствовало выявлению более широких основ вероятности и СЗ и вело к выходу за узкие рамки представлений, навеянных схемой жесткой детерминации, в частности классич. механикой. Однако глубокое обоснование принципиально новых идей и методов естествознания возможно на основе не отд. категорий, а лишь их системы, к-рая сама должна подвергаться усовершенствованиям, уточнениям. Это в свою очередь предполагает соотнесение новых идей и методов естествознания с общими представлениями о структурной организации материи (атомизм) и с теорией познания, с формированием совр. картины мира (см., напр., Н. Винер, Я – математик, М., 1964, с. 314).

Совр. обоснование СЗ неотделимо от дальнейшего развития системно-структурных исследований. Вероятностно-статистич. идеи и методы соответствуют достаточно простой абстрактно-теоретич. модели сложных систем: они основываются на выделении двух автономных уровней внутр. организации. В реальной жизни большинство сложных систем характеризуется гораздо Пбольшим числом структурных уровней и разнообразием конкретных форм субординации и взаимодействий между ними. Таковы, напр., все биологические системы. Поэтому развитие представлений о сложных системах приведет, несомненно, к разработке представлений о новых, более обобщенных классах закономерностей. Именно в этом направлении в наст. время разрабатываются представления о законах симметрии, законах управления и о закономерностях, для выражения которых начинает использоваться топология.

Переход от давления при статическом нагружении к давлению при взрыве и ударе.

Давление высокое, в широком смысле — давление, превышающее атмосферное; в конкретных технических и научных задачах — давление, превышающее характерное для каждой задачи значение. Столь же условно встречающееся в литературе подразделение Д. в. на высокие и сверхвысокие. Длительно действующее Д. в. называют статическим, кратковременно действующее — мгновенным или динамическим.

В покоящихся газах и жидкостях Д. в. является гидростатическим: на любую свободную поверхность, граничащую со сжатой средой, действуют только нормальные напряжения, величина которых не зависит от ориентировки поверхности и (с точностью до давления, обусловленного собственным весом сжатой среды) одинакова во всём объёме. Твёрдые тела обладают конечным сопротивлением сдвигу (в жидкостях при достаточно медленном нагружении оно равно нулю), поэтому напряжённое состояние твёрдого тела определяется как нормальными, так и касательными напряжениями (напряжениями сдвига). При сжатии твёрдой среды в ней возникает сложная система механических напряжений, которые в общем случае изменяются от одной точки тела к другой. Средним давлением (средним нормальным напряжением) в данной точке тела называется среднее арифметическое значение нормальных напряжений в трёх взаимно перпендикулярных направлениях.

Перепад среднего давления в сжимаемом теле и напряжения сдвига вносят известную неопределённость в экспериментально определяемые значения Д. в. в твёрдом веществе; Д. в. в этом случае называют квазигидростатическим. Чем меньше величина напряжений сдвига по сравнению со средним нормальным напряжением, тем ближе квазигидростатическое Д. в. к гидростатическому. Термин «Д. в.» употребляется для обозначения как гидростатического, так и квазигидростатического давления.

В физике в качестве единицы Д. в. применяют обычно килобар (1 кбар == 108 н/м² 1019,7 кгс/см²).

В природе статические Д. в. существуют в первую очередь благодаря действию тяготения (гравитации). Гравитационное поле Земли создаёт в горных породах статическое давление, изменяющее от атмосферного в поверхностных слоях до ~ 3,510³ кбар в центре планеты. Большая часть Земли находится под действием статического Д. в. и высоких температур, достаточных для изменения физических и химических свойств минералов и минерального состава горных пород (рис. 1). Статическое Д. в. в центре Солнца составляет ~ 107 кбар, а в центре звёзд белых карликов оно предполагается равным 10¹⁰—10¹² кбар.

Рис. 1. Границы областей существования некоторых минералов. Над чертой даны названия фаз высокого давления, под чертой — фаз низкого давления. М — поверхность Мохоровичича под континентами.

Динамическое Д. в. в природных условиях возникает при взрывах, падении метеоритов, вулканической деятельности и тектонических движениях.

В технике Д. в. до 3 кбар были получены при сгорании пороха в огнестрельном оружии ещё в 13—14 вв. Статические Д. в. такого же порядка были достигнуты с помощью насосов и прессов только во 2-й половине 19 в.

Значительно усовершенствовались методы получения Д. в. в 20 в., в частности в результате работ П. У. Бриджмена. Особенно широко исследования при Д. в. развернулись после 2-й мировой войны. В СССР центром исследований при статическом Д. в. является Институт физики высоких давлений АН СССР (см. Физики высоких давлений институт).

Благодаря развитию техники Д. в., опирающейся на успехи машиностроения и металлургии, а также на достижения в создании и применении взрывчатых веществ, к концу 1960-х гг. получены статические Д. в. до ~ 2•10³ кбар и динамические до 10⁴ кбар (рис. 2), а при подземных взрывах до ~310⁴ кбар.

Рис. 2. Экспериментально освоенный диапазон давлений и температур: I — прессование в промышленности; II — гидротермальные процессы; III — гидростатические давления (в газах и жидкостях); IV — диапазон давлений, освоенный к 1950—м гг. (Бриджмен); V — статические давления (до 200 кбар) при высоких температурах (к 1970—м годам); VI — статические давления (до 300 кбар) при сверхнизких температурах; VII — давления, создаваемые ударными волнами (до ~ 10⁴ кбар при температурах свыше 3000° С); VIII — cтатические давления (до ~ 500 кбар) при комнатной температуре.

Область применений Д. в. очень широка. В сочетании с высокой температурой Д. в. используются в металлургии (прокатка, ковка, штамповка, горячее прессование), в керамическом производстве, при синтезе и обработке полимеров и в др. отраслях промышленности. При Д. в. синтезируют вещества и осуществляют химические реакции, которые в иных условиях затруднены или невозможны, например синтез аммиака (до 1 кбар, 400°C), синтез метилового спирта (до 0,5 кбар, 375°C), гидрогенизация углей (до 0,7 кбар, 500°C) и др. Большое промышленное значение имеет гидротермальный синтез крупных и совершенных кристаллов кварца (~1 кбар, несколько сотен град.), применяемых как сырьё для оптических изделий и пьезоэлектрических датчиков.

Интерес к физике и химии Д. в. стимулируется потребностями современной техники в материалах со специальными свойствами (в частности, абразивных, полупроводниковых и др.), а также потребностями в создании прогрессивных методов обработки металлов (см., например, Прессование). Многие направления исследований при Д. в. определяются интересами теории твёрдого тела и геофизики, развитие которых связано с получением новых экспериментальных данных о свойствах веществ при сжатии их до состояний с высокой плотностью.

К наиболее известным достижениям физики и химии Д. в. 2-й половине 20 в. в области статических давлений относится имеющее большое научное и практическое значение искусственное получение алмаза (выше 50 кбар и 1400°C), синтез боразона (выше 40 кбар и 1400°C) — соединения, по твёрдости близкого к алмазу, а также получение плотных кристаллических модификаций кремнезёма (5102) — коусита (от 35 кбар и 750°C и выше) и стишовита (от 90 кбар, 600°C и выше), представляющих большой интерес для наук о Земле. В области динамического Д. в. — мирное и военное использование взрыва, исследование изменения плотности и фазовых переходов в ряде веществ при Д. в. и температурах, недоступных статическим Д. в.

Поведение веществ в условиях Д. в. Непосредственным результатом действия Д. в. является сжатие вещества (увеличение его плотности). Под Д. в. энергетически выгодным становится то направление физических и химических процессов, которое ведёт к уменьшению объёма всех взаимодействующих веществ (при условии сохранения их массы, см. Ле Шателье — Брауна принцип).

Д. в. влияет и на скорость (кинетику) физических и химических процессов, причём Д. в. может их как ускорять, так и замедлять. Ускорение некоторых химических реакций наблюдается, например, в газах (благодаря увеличению частоты столкновений между молекулами в результате увеличения плотности), а замедление, например, некоторых фазовых превращений — в сплавах (из-за уменьшения скорости диффузии, уменьшения равновесной концентрации вакансии и т. д.). Поэтому многие практические важные процессы при Д. в. проводятся при высокой температуре, которая увеличивает подвижность частиц и тем самым ускоряет достижение равновесного состояния.

При сжатии вещества действующие на него извне силы давления совершают механическую работу и увеличивают тем самым энергию тела — внутреннюю, если не происходит теплообмена с окружающей средой (изоэнтропийный процесс, сопровождающийся нагреванием тела), или свободную, если температура сжимаемого тела не меняется (изотермический процесс). На практике к изотермическим часто относят процессы статического сжатия, при которых температуру тела можно считать постоянной. Если в результате сжатия температура тела повышается, то в нём развивается большее давление, чем при изотермическом сжатии (при одинаковых начальных условиях и одинаковой степени сжатия, т. е. относительной плотности).

Рис. 3. Зависимость относительной плотности (d = r/r0) газообразного азота от давления р, где r0 — плотность при 1 am и 0°С.

Давление в газах имеет тепловое происхождение: оно связано с передачей импульса находящимися в тепловом движении молекулами (при их столкновениях). В конденсированных фазах (жидкостях, твёрдых телах) различают упругую и тепловую составляющие Д. в. Первая, называемая «холодным» давлением (px), связана с упругим взаимодействием частиц при уменьшении объёма тела, а вторая — с их тепловым движением, обусловленным повышением температуры при сжатии. При статическом сжатии тепловая составляющая много меньше упругой, при сжатии в сильной ударной волне обе составляющие сравнимы по величине, их сумму называют «горячим» давлением (pr).

Рис. 4. Зависимость относительного объёма жидкости от давления.

Уменьшение межатомных (межмолекулярных) расстояний при сжатии приводит в конечном счёте к деформации молекул и внешних электронных оболочек атомов, к изменению характера межатомных взаимодействий, что неизбежно сказывается на физических и химических свойствах вещества. Например, при статическом сжатии в пределах нескольких кбар или первых десятков кбар изменяются условия взаимной растворимости газов (см. Растворы); плотность газов сравнивается с плотностью жидкостей, жидкости затвердевают (при комнатной температуре и давлении до 30—50 кбар); многие кристаллические вещества испытывают превращения с образованием новых кристаллических форм (полиморфные превращения); наблюдаются переходы твёрдых диэлектриков и полупроводников в металлическое состояние и т. д.

К огда плотность вещества становится в 10 и более раз выше плотности твёрдых тел при нормальных условиях, что соответствует давлению ~ 10¹² кбар, зависимость плотности r от «холодного» давления приближается к предельной и для всех веществ оказывается одинаковой: r5/3~px. В принципе, при столь высоких давлениях ядра полностью ионизованных атомов могут сближаться и, преодолев потенциальный барьер, вступать в ядерные реакции.

Рис. 5. Зависимость относительного объёма твёрдых тел от давления.

При достаточно высоких давлениях, но температурах ниже температуры вырождения вещество переходит в вырожденное состояние, при котором энергия и давление не зависят от температуры (см. Вырожденный газ, Вырождения температура).

Ниже описываются некоторые свойства газов, жидкостей и твёрдых тел в экспериментально доступном диапазоне Д. в. При Д. в. до 30-50 кбар исследуются вещества во всех агрегатных состояниях. При больших Д. в. главным объектом физических исследований является твёрдое тело.

Физические свойства индивидуального вещества в твёрдом состоянии могут быть разделены на три основные группы.

К 1-й группе относят свойства, связанные с т.н. явлениями на молекулярном уровне:

движением атомов (молекул), точечных дефектов в кристаллах, дислокаций и т. д. Этими явлениями определяются, например, диффузия, фазовые переходы, разрушение под действием механических нагрузок и ряд др. физических свойств твёрдого тела.

Ко 2-й группе относят свойства, определяемые характером основного (невозбуждённого - см. Твёрдое тело) состояния кристалла, т. е. взаимным расположением атомов, средним расстоянием между ними и колебаниями кристаллической решётки при абсолютном нуле температуры:

упругость, сжимаемость, электропроводность металлов, ферромагнетизм.

К 3-й группе - свойства, связанные в первую очередь с видом возникающих в твёрдом теле элементарных возбуждений — квазичастиц (фононов, экситонов и др.) и их взаимодействием (например, зависимость сжимаемости, электропроводности, магнитных эффектов от температуры, магнитного поля, электромагнитного излучения и др. внешних параметров). Теоретическое описание последней группы свойств возможно лишь для тел, имеющих температуру, близкую к абсолютному нулю, поэтому большое значение имеют опыты при Д. в. и сверхнизких температурах. Микроскопическая теория влияния Д. в. на первые две группы свойств развита недостаточно, но имеется довольно обширный экспериментальный материал.

Рис. 6. Изменение плотности некоторых металлов при ударном сжатии.

На рис. 3-6 приведены зависимости от давления объёма (плотности) веществ в газообразном, жидком и твёрдом состояниях. После снятия Д. в. первоначальный объём газов, жидкостей и твёрдых тел (не содержащих пор и посторонних включений) восстанавливается. Свойство тел обратимо изменять свой объём под давлением называется сжимаемостью или объёмной упругостью. Сжимаемость обусловлена действием межатомных сил и поэтому является важнейшей характеристикой вещества. Наибольшей сжимаемостью обладают газы. Плотность газов под Д. в. в 10 кбар увеличивается в сотни раз (при комнатной температуре), жидкостей в среднем на 20—30%, твёрдых тел - на 0,5—2%. С ростом давления сжимаемость уменьшается - кривые на графиках становятся более пологими. При 30-50 кбар сжимаемость большинства исследованных жидкостей различается не более чем на 10% и приближается (при не очень высоких температурах) к сжимаемости твёрдой фазы. Наименее сжимаемы вещества с наиболее сильной межатомной связью (например, алмаз, а из металлов — тугоплавкие иридий и рений) (рис. 5, 6).

При наибольшем достигнутом динамическом Д. в. (~310⁴ кбар) плотность железа и свинца увеличивается соответственно в 2,5 и 3,3 раза. Простые вещества (химические элементы), имеющие больший атомный объём, имеют и большую сжимаемость. Атомный объём является периодической функцией атомного номера Z элемента (см. Атом). Поэтому с ростом давления периодичность зависимости атомного объёма (и сжимаемости) от Z сглаживается (рис. 7), что отражает изменение строения внешних электронных оболочек атомов и свидетельствует об изменении физических и химических свойств элементов под Д. в.

Рис. 7. Зависимость атомных объёмов V элементов (в см³/г-атом) от порядкового номера Z: а - при нормальных условиях; б - при давлении 1 Мбар; в - вычисленные данные для 10 Мбар.

Увеличение плотности и уменьшение сжимаемости вещества под Д. в. приводит к росту скорости упругих волн (скорости звука): у металлов, ионных кристаллов при 10 кбар - на несколько процентов, у газов - в несколько раз. При динамическом Д. в. в несколько тыс. кбар скорость упругих волн в металлах возрастает примерно в 2 раза. С увеличением плотности газов и жидкостей растет их вязкость. В отличие от большинства др. свойств, зависимость вязкости от давления имеет положительную производную: при последовательном росте Д. в. на определённую величину увеличение вязкости возрастает (рис. 8).

Рис. 8. Зависимость вязкости жидкостей от давления при комнатной температуре.

У кристаллических тел Д. в. увеличивает пластичность: при одноосном растяжении (сжатии) разрушение наступает, как правило, после большей деформации, чем при атмосферном давлении. Характер излома малопластичных металлов под Д. в. меняется от хрупкого к вязкому (рис. 9), несколько увеличивается и прочность.

Это объясняется тем, что Д. в. способствует залечиванию дефектов строения (микротрещин и др.) в процессе пластического деформирования кристаллических тел.

При сдвиге под Д. в. у металлов и ионных кристаллов с ростом давления наблюдается рост сопротивления сдвигу (например, y NaCI в интервале 10-50 кбар примерно в 3,3 раза), а у горных пород и стекол наблюдаются разупрочнение, потеря сплошности и др. явления.

Площадь поверхности разрыва, уменьшающаяся от а до в, указывает на увеличение пластичности стали с ростом давления.

Резкое изменение физических свойств, например плотности (рис. 10) или электрического сопротивления (рис. 11), наблюдается у твёрдых тел при фазовых переходах под Д. в. (полиморфных превращениях, плавлении).

Рис. 9. Фотографии образцов стали, разорванных при осевом растяжении в условиях различных гидростатических давлений в жидкости, окружающей образец (а - атмосферное давление; б - 8,5 кбар; в - 16,5 кбар).

Рис. 10. Изменение объёма (плотности) некоторых простых веществ при полиморфных переходах. Величина вертикальной ступеньки на каждой кривой соответствует изменению объёма при переходе.

Из двух кристаллических модификаций одного и того же вещества большей плотностью обладает модификация, устойчивая при более высоком давлении. Разница в плотности двух модификаций может достигать 30—40%, но в большинстве случаев она меньше. В отличие от плотности, электрическое сопротивление металлов при полиморфных переходах может как уменьшаться, так и возрастать. Скачки электрического сопротивления некоторых металлов (например, Bi и Ba, см. рис. 11) при полиморфных переходах используются для градуировки аппаратуры Д. в. (см. ниже). Обычно при снижении Д. в. происходит обратное превращение, а вещество возвращается в менее плотную модификацию. Методом рентгеновского структурного анализа установлено, что, как правило, под Д. в. образуются структуры, известные для др. элементов и соединений при нормальных условиях. Многие полиморфные превращения осуществляются при совместном воздействии Д. в. и высоких температур. В этих случаях более плотную модификацию часто удаётся сохранить в нормальных условиях, применив закалку под Д. в. Для этого сначала резко снижают температуру, а затем давление (до атмосферного). Закалкой пользуются, в частности, при синтезе алмаза, боразона, многих минералов.

Рис. 11. Изменение относительного электрического сопротивления металлов, испытывающих полиморфные переходы при высоких давлениях. Шкала 0—2,0 - для Bi, Pb; шкала 0-5 - для Ba, Fe; шкала 0-100 - для Rb, Ca, Cs.

Рис. 12. Фазовая диаграмма железа. Показаны области существования кристаллических модификаций железа (a,d,g и e) и строение соответствующих элементарных ячеек.

По экспериментальным данным о давлении фазовых переходов при различных температурах строят т. н. фазовые диаграммы, изображающие области стабильности кристаллических модификаций и расплава индивидуальных веществ (рис. 12). температура плавления (Тпл) большинства веществ возрастает с давлением (рис. 13). У NaCI и KCl, которые при атмосферном давлении плавятся при температуре около 800°C, при динамическом сжатии плавление наблюдалось при 3200°C (540 кбар) и 3500°C (330 кбар) соответственно. Весьма значительно повышение температуры плавления с давлением у органических веществ; у бензола, например, при атмосферном давлении Тпл = 5°С, а при 11 кбар Тпл = 200°C. Известны т. н. аномальные вещества (H₂O, Bi, Ga, Ge, Si и др.), у которых Тпл в определённом интервале Д. в. понижается с ростом давления, т. к. жидкая фаза у этих веществ плотнее соответствующей ей кристаллической модификации. После полиморфного перехода с образованием более плотной кристаллической модификации ход кривой плавления этих веществ становится нормальным (у воды, например, выше 2 кбар, у Bi ~ 18 кбар).

Рис. 13. Зависимость температуры плавления металлов от давления.

Электрическое сопротивление ряда металлов под Д. в. уменьшается (у Со, Ag, A1 и др. на 15—20% при 100 кбар, см. рис. 14). Качественно это объясняется уменьшением амплитуды колебаний атомов в кристаллической решётке и соответствующим уменьшением рассеяния решёткой электронов проводимости. У щелочных, щёлочноземельных, редкоземельных металлов зависимость электрического сопротивления от Д. в. сложнее (см. рис. 11), что обусловлено изменением под действием давления формы Ферми поверхности и перекрытием энергетических зон твёрдого тела. У полупроводников и диэлектриков при Д. в. появляется характерная для металлов высокая электропроводность (электроны благодаря перекрытию энергетических зон переходят из т. н. валентной зоны в зону проводимости). Изменение типа проводимости может носить как постепенный (под при 160—240 кбар), так и резкий характер (селен около 130 кбар).

Тенденция к переходу в металлическое состояние является, по-видимому, общей для всех веществ при достаточно высоких давлениях. Например, у серы переход в металлическое состояние наблюдается при 200 кбар, для водорода вычисленное значение Д. в. появления металлической проводимости составляет ~(1-2)·10³ кбар, для гидрида лития ~(25-30)·10⁴ кбар, гелия ~9·10⁴кбар. Иногда смещение энергетических зон в определённом интервале давлений вызывает обратный эффект, например металлический иттербий в интервале 20-40 кбар ведёт себя как полупроводник, а при дальнейшем повышении Д. в. испытывает полиморфный переход с образованием новой металлической модификации.

Рис. 14. Зависимость относительного электрического сопротивления R/R₀ металлов от давления. Значения R/R₀ отложены по вертикальной оси (R₀ — электрическое сопротивление при нормальном давлении, R — при высоком давлении).

Электронная структура твёрдых тел под Д. в. исследуется также оптическими метолами и методами, использующими ряд тонких физических эффектов (см. Холла эффект, Циклотронный резонанс, Мёссбауэра эффект). Сведения об электронном строении металлов и взаимодействии электронов с фонолами под Д. в. дают также исследования сверхпроводимости. температура перехода металлов и сплавов в сверхпроводящее состояние под действием Д. в. изменяется: понижается у всех непереходных металлов (например, у Sn, In, AI, Cd, Zn) и повышается у ряда переходных металлов (Nb, V, Ta, La, U и др.) и некоторых сплавов. Некоторые простые вещества (Si, Ge, Te, Se, Р), не относящиеся к сверхпроводникам при атмосферном давлении, имеют при Д. в. сверхпроводящие модификации. Образование таких модификаций у Si, Ge, Te (полупроводников в нормальных условиях) происходит, соответственно, при 120, 115 и 45 кбар. К наиболее известным магнитным эффектам Д. в. относится сдвиг температуры превращения ферромагнетика в парамагнетик (Кюри точки, рис. 15).

Рис. 15. Изменение температуры Кюри под давлением у различных магнитных материалов: 1 — (MnZn)Fe2O4, 2 — La0, 75 Sr0, 25MnO3, 3 — Ni, 4 — сплав Ni—Cu (67%Ni), 5 — алюмель (94%Ni), 6 — Cd, 7 — сплав Fe — Ni(64ю), 8 — сплав Fe — Ni(70ю).

Способы создания Д. в. Динамические Д. в. получают с помощью взрыва, искрового разряда, импульсного изменения магнитного поля и, главным образом, инерционных методов - торможения сжимаемым телом др. тела, летящего с большой скоростью.

При резком и значительном смещении поверхности тела, вызванном одним из этих способов, возникает ударная волна. Ударное сжатие сопровождается значительным разогревом вещества: температура поваренной соли и свинца, сжатых до 1000 кбар, составляет -~9·103°C, а меди и вольфрама, соответственно, 1500 и 750°C. При неограниченном возрастании давления степень сжатия за фронтом ударной волны не превосходит некоторого предельного значения (для металлов 5-7 в зависимости от температуры). Это обусловлено ростом давления в основном за счёт его «тепловой» составляющей. В изотермическом и изоэнтропийном процессах этого ограничения нет.

Путём динамического сжатия можно достигать Д. в. в несколько десятков раз большего, чем статическими методами. Однако, время действия динамических давлений ограничивается тысячными долями сек., тогда как в случае статического Д. в. его можно удерживать в течение часов и даже дней при заданном температурном режиме.

Статические Д. в. получают механическими или тепловыми методами. В первых используют: а) насосы и компрессоры, которыми сжимаемое вещество (жидкость или газ) нагнетается в замкнутый объём или проточную систему; известны конструкции гидравлических компрессоров на давления до 16 кбар; б) аппараты, в которых масса сжимаемого вещества остаётся постоянной (или почти постоянной), а объём, занимаемый этой массой, уменьшается под действием внешних сил; аппараты этого типа позволяют получать максимальные (до ~ 2·10³ кбар) статические давления, принцип их действия весьма прост: большая сила, создаваемая обычно гидравлическим прессом, сосредоточивается на малой площади, на которой и развивается Д. в. (см. рис. 16).

В установках по схеме рис. 16, а (типа «цилиндр — поршень») Д. в. создаётся в цилиндре, в который под действием внешней силы вдвигается поршень. В таких аппаратах для передачи Д. в. можно применять твёрдые тела, жидкости и газы. Предел применимости аппаратов типа, изображенного на рис. 16, а, ограничивается прочностью материала поршней из твёрдых сплавов и составляет ~50 кбар.

Рис. 16. Схемы аппаратов высокого давления: а — аппарат «цилиндр — поршень»; б — «наковальни» Бриджмена; в — установка с коническими пуансонами; г — «наковальни», погруженные в пластичную среду, сжатую до меньшего давления; д и е — «тетраэдрическая» и «кубическая» установки (пуансон, обращенный к зрителю, не изображен); отдельно показана форма сжимаемого тела; 1 — пуансон (поршень); 2 — сосуд высокого давления; 3 — сжимаемый образец; 4 — среда, передающая давление. Стрелками показаны направления действия сил.

Д. в., превосходящее предел прочности конструкционных материалов, достигается применением ряда способов усиления конструкций: 1) поддержкой всей установки или наиболее нагруженных её элементов сжатым пластичным веществом или жидкостью; 2) созданием системы напряжений сжатия в поршнях за счёт упругой деформации сосуда, который в свою очередь скрепляется набором напрессованных снаружи колец; 3) уменьшением напряжений в стенках сосуда делением их на секторы (многопуансонные установки, в которых подвижные пуансоны являются одновременно стенками камеры, рис. 16, б — е). Комбинация способов 1) и 2) позволяет повысить Д. в. в аппаратах с цилиндрическими поршнями до 70— 100 кбар.

В аппаратах с коническими или пирамидальными пуансонами реализуются все три способа. Д. в. создаётся в них сближением 2,3,4,6 и более пуансонов, которые смыкаются под углом к направлению действия силы. В этих аппаратах для передачи давления используют известняк, тальк, бор и др. твёрдые вещества. На установках такого типа проводились измерения оптического поглощения (через алмазные пуансоны) до 160—170 кбар, эффекта Мёссбауэра до ~ 250кбар, сжимаемости (рентгеноструктурным методом) и электропроводности до 500 кбар. В двухступенчатых много пуансонных аппаратах было получено статическое давление около 2•10³ кбар, при котором исследовались необратимые изменения плотности стекол.

В камерах с твёрдой сжимаемой средой Д. в. определяется либо расчётным путём (в камерах по схеме 16, а), либо с помощью градуировки (в более сложных камерах). Градуировка заключается в установлении зависимости давления в сжатой среде от усилия, приложенного к пуансонам. Градуировка может, например, производиться по скачкам электрического сопротивления, сопровождающим полиморфные переходы в некоторых металлах. Задача градуировки камер пока полностью не решена.

В твёрдой среде температуры до +1500-3000°C в стационарном режиме и более высокие — в импульсном режиме создаются с помощью внутренних электрических нагревателей (сопротивления). Для получения температур от — 196 до 400 °С применяются наружные нагреватели и холодильники, а в случае более низких температур - криогенная техника.

Оптические исследования осуществляют через окна, изготовленные из материалов, прозрачных в определённой части спектра: алмаза, сапфира, хлористого натрия - в оптическом диапазоне; алмаза, бериллия — в рентгеновской области. Рентгеновское и гамма-излучение может быть пропущено (в камерах по схеме 16, б) также через зазоры между пуансонами.

В аппаратах, основанных на тепловых методах, Высокое давление создаётся либо повышением давления в газах или жидкостях при их нагревании в замкнутом сосуде (в отдельных установках достигнуты Д. в. в газах до 30-40 кбар), либо в результате расширения «аномальных» (см. выше) жидкостей при затвердевании. Сжимаемое тело окружают жидкостью, охладив которую до затвердевания в замкнутом объёме, получают фиксированное Д. в. (в случае воды, например, около 2 кбар).

Лит.: Бриджмен П. В., Физика высоких давлений, пер. с англ., М. — Л., 1935; его же.

Новейшие работы в области высоких давлений, пер. с англ., М., 1948; его же,

Исследования больших пластических деформаций и разрыва, пер. с англ., М., 1955; Верещагин Л. Ф., Физика высоких давлений и искусственные алмазы, в сборнике: Октябрь и научный прогресс, кн. 1, М., 1967, с. 509;

Верещагин Л. Ф., Ицкевич Е. С. и Яковлев Е. Н., Физика высоких давлений, в сборнике: Развитие физики в СССР, кн. 1, М., 1967, с. 430:

Дремин А. Н., Бреусов О. Н., Процессы, протекающие в твёрдых телах под действием сильных ударных волн, «Успехи химии», 1968, т. 37, в. 5;

Альтшулер Л. В., Баканова А. А., Электронная структура и сжимаемость металлов при высоких давлениях. там же, 1968, т. 96, в. 2;

Циклис Д.С., Техника физико-химических исследований при высоких давлениях, 2 изд., М., 1958;

Рябинин Ю. Н., Газы при больших плотностях и высоких температурах, М., 1959;

Гоникберг М. Г., Высокие и сверхвысокие давления в химии, 2 изд., М., 1968; Современная техника сверхвысоких давлений, пер. с англ., М., 1964; Пол В., Варшауэр Д. [ред.]. Твердые тела под высоким давлением, пер. с англ., М., 1966;

Бранд Н. Б., Гинзбург Н. И., Сверхпроводимость при высоких давлениях, «Успехи физических наук», 1969, т. 98, в. 1;

Жарков В. Н., Калинин В. А., Уравнения состояния твёрдых тел при высоких давлениях и температурах, М., 1968;

Кормер С. Б., Оптические исследования свойств ударносжатых конденсированных диэлектриков, «Успехи физических наук», 1968, т. 94, в. 4.

30