Физики нашли границу, где две формы воды перестают различаться
Международная группа физиков впервые экспериментально подтвердила существование особой точки, в которой две разные жидкие формы воды начинают вести себя как единое состояние. Речь идёт о сверхохлаждённой воде, находящейся при температуре от минус 58 до минус 63 градусов Цельсия и под давлением около 800–1000 атмосфер. Это открытие важно не только для фундаментальной науки: оно помогает объяснить, почему вода ведёт себя не так, как большинство других веществ.
Долгое время в физике преобладало представление, что жидкая вода существует лишь в одной форме. Однако в последние годы появились данные, указывающие на более сложную картину. Выяснилось, что при определённых условиях вода способна существовать сразу в двух жидких состояниях — с высокой и низкой плотностью. Эти формы отличаются по теплоёмкости, плотности и ряду других характеристик.
Главная проблема заключалась в том, что разделить и отследить эти состояния в реальном эксперименте было крайне трудно. Именно поэтому вопрос о том, существует ли у них собственная критическая точка, долго оставался открытым. Теперь физики получили практическое подтверждение того, что такая граница действительно есть.
Как проходил эксперимент
Для исследования учёные использовали сверхмощные рентгеновские лазеры и два типа аморфного льда — высокой и низкой плотности. В отличие от обычного льда, где молекулы выстроены в кристаллическую решётку, в аморфной форме они расположены хаотично. Именно это делает такой материал особенно важным для изучения необычных состояний воды.
Во время эксперимента оба типа аморфного льда подвергались сверхбыстрому нагреву короткими рентгеновскими импульсами. В результате возникало состояние, в котором различия между двумя жидкими фазами практически исчезали. Но стоило температуре или давлению хотя бы немного отклониться от заданных значений, как вода снова разделялась на две формы и переходила к нестабильному смешению.
Почему вода остаётся исключением
Интерес к аномалиям воды сохраняется уже более ста лет. Учёные давно пытались понять, почему при охлаждении она ведёт себя вопреки обычной логике. Например, вода меняет плотность необычным образом в диапазоне от 0 до 4 градусов Цельсия, а лёд оказывается легче жидкой воды. Для большинства веществ такая картина нехарактерна.
Новое подтверждение критической точки даёт физикам более прочную основу для объяснения этих парадоксов. Фактически речь идёт о механизме, который может объединить многочисленные наблюдения, ранее существовавшие как разрозненные факты и теоретические догадки.
Что это меняет для науки
Полученные данные совпали с рядом прежних теоретических моделей и косвенных измерений. Это усиливает позиции гипотезы о двух жидких фазах воды и делает дальнейшие исследования более предметными. Теперь внимание учёных, вероятно, сместится к вопросу о том, как такие свойства воды влияют на процессы в химии, биологии, геологии и физике материалов.
Особый интерес вызывает то, что вода участвует практически во всех природных и биологических системах. Поэтому уточнение её фазового поведения может оказаться значимым не только для лабораторной науки, но и для понимания процессов, происходящих в живых организмах, земной коре и даже в космической среде.
Открытие не отменяет прежние представления о воде, но заметно их уточняет. Одна из самых привычных жидкостей на планете вновь показала, что в её устройстве остаётся больше загадок, чем казалось ещё совсем недавно.
