高压物理学（highpressurephysics）是研究物质在高压作用下物理行为的学科。高压是一种极端条件，泛指一切高于常压的压力条件。但有两点需作说明：一是高压物理研究往往伴随着温度的变化（高温或低温）；二是在进行这一研究时有时也可能得到受压物质在负压下物理行为的信息。高压物理的研究对象多数是凝聚态物质，所以高压物理学实际上主要是指在高压这种极端条件下的凝聚态物理学。高压物理被划为一门学科还因为高压力的产生和高压下各种物理行为的检测，都需要发展特殊精巧的专门的实验技术和方法。高压下物质被压缩，物理、化学性质会发生改变，还可能产生﹑形成或相变为尚未认识的结构。对物质高压状态的实验室研究同时伴随接近绝对零度到远高于任何元素的熔点的温度变化（在从液氦到10,000K的高温）。作为“极端条件”的高压，其实在天体中是普遍存在的，从这种意义上讲，它并不极端。自然界中绝大部分实体物质处于高压状态（如地球的中心压力为350吉帕，太阳中心压力为106吉帕，中子星的中心压力为1026吉帕）。高压科学将是人类认识自然及开启宇宙之门的钥匙。高压科学在拓宽的研究领域中的作用不亚于与温度有关的学科，或不亚于与成分有关的学科。
中文名高压物理学
外文名high pressure physics
实 质研究物质在高压作用下的物理行为
时 间1762年
最早的高压物理实验可追溯到1762年J. 坎顿对水的压缩实验。直至19世纪末， 阿马伽创建了活塞式压力计并打下了压力 计量基础以前， 高压试验基本上仅限于对 液体压缩性的 观察。接着，G.塔曼利用 体积随 压力变化时所出现的不连续 现象以测定 固体的 熔点与 相变点，开创了高压相变的 研究。T.理查兹于1903年改进压缩率的 测量方法，证实 原子的可压缩性。在以上的近150年间，高压物理一直是在0.5吉帕以内的 范围中进行的，这是高压物理的草创时期。1906年以后，P.布里奇曼大大推动了 高压试验技术的 发展，并对 固体的 压缩性、 熔化现象、 力学性质、 相变、 电阻变化 规律、 液体的 黏度等 宏观物理行为的压力效应进行极为广泛地 系统研究。他的 工作奠定了 现代高压物理的 技术基础，开创了 现代高压物理研究的先河，他因为对高压现象的前驱性 研究获得了1946年的诺贝尔物理学奖。R.雅格布（1938）、A.劳孙发展了 高压下物质 X射线结构 分析技术；劳孙与N.纳赫特里布（1952）研究 固体中 原子扩散的高压 效应。这样就初步形成了以 原子行为为 基础的高压物理的研究 内容。
20世纪50年代，为 合成地质上与 工业上有意义的 人工晶体，如石榴石、蓝晶石、 金刚石等，又发展了新的高压实验技术。高压下的 固体物理研究则开始从侧重固体的宏观 热力学性质深入到研究 固体中的 相互作用与 电子运动规律等的 压力效应。H.德里卡莫研究了 高压固体光学性质，开辟了高压下固体的电子谱、碱金属卤化物的 色心和杂质 光谱、络合物与螯合物中 过渡金属的离子光谱、 稀土盐类光谱、有机化合物的R电子谱以及 荧光衰减等的 电子过程和相变动力学的高压 研究。高压中子衍射、高压 核磁共振、高压 穆斯堡尔谱等 研究也相应开展起来。与此同时，由于利用 冲击波技术而发展起来的动态高压技术，则从一般的接触 爆炸技术发展到飞片 技术，又 研制成功了新的轻气炮技术等，使压力达到数百万大气压以上。这是 高压物理较迅速发展的 时期。
到20世纪70年代， 激光技术、 同步辐射以及 金刚石压砧型 高压技术的出现和 提升，推动了高压下固体拉曼散射、布里渊散射、快速 X射线结构 测定等 技术的发展，用于揭示 固体中的 相互作用、运动 模式、 相变机制等 研究。 静态高压技术突破了百万大气压（100吉帕）； 动态高压技术又通过地下核爆、电炮、 磁通压缩、轨道炮、 脉冲强激光等 新技术的发展，把压力进一步提高到数千万 大气压（太帕量级），并且取得一批固体 材料的 压缩性数据。
高压 科学现已取得了相当大的 进展。毛河光等将以 金刚石压砧为代表的超高压技术成功地与 激光技术、第三代同步辐射技术和 中子技术的结合，在 整体观念指导下，通过多种 原位微区 精密测试 手段的并用，压力 范畴被连连刷新（徐济安、毛河光将 静态压力提高到550吉帕），压力作为与 温度、 组分并列的 第三度空间的潜力正在得到实质性的发挥。随着高压测试手段的大幅度 突破，许多认为不可能安排的 实验，现已能够进行。随着 整体技术的突破，广阔的 新空间，对 物质科学将产生强烈的 冲击。
主要由凝聚体的 状态方程描述。由大量 原子或 分子组成的凝聚体，在高压的作用下， 体积要缩小，原子或分子的 间距要 缩短。表示一定温度下物质 体积与 压力之间的关系式称为该物质的等温 状态方程。它既 表征物质的重要的 热力学性质，又反映组成的原子或分子在相互接近时相互作用特征的变化 信息，是 高压物理所关心的基本问题之一。研究物质的等温状态方程的 理论途径是从一定温度和压力 范围内物质可能具有的某种 结构状态和作用的模型出发，导出其 – 关系。物质的状态方程在不同温度压力范围内有不同的 数学表示。 实验测定物质等温状态方程主要利用 静态高压技术有几种途径：在10万—20万大气压（10—20吉帕）内，借助于 超声声速的测定能得到精准的 – 关系； 直接测量不同 压力下 物质的 体积变化可获得5万大气压以下的 – 数据；300万—500万大气压（300—500吉帕）以下， 静态物质的 – 关系可通过 点阵常数的 测定取得；500万大气压（500吉帕）以上的 – 数据仅能借助于 动态高压技术测定，但它直接测到的不是等温 压缩特性数据，而是 冲击压缩数据（许贡纽曲线），在少数情况下是 等熵压缩 数据。上述三种压缩 特性数据可通过理论 方法互相 换算。
在压力作用下，被压缩物质 内部的原子（或分子）相互靠拢，并引起原子间相互作用能及其压缩特性发生相应的 变化。在较低压力下， 元素的原子 体积 随 原子序数 呈明显的周期性变化。这种周期性变化的 规律说明，碱金属的压缩系数（ =－1/ ）最大， 短周期的Ⅲ、ⅥA族元素和 长周期的Ⅶ族 过渡金属的 压缩系数最小。这种 周期性特征甚至在100吉帕压力下还能见到。100吉帕量级的压力产生的 能量作用在0.1电子伏， 压缩性主要取决于决定 元素化学性质的外层 电子，即价电子。随着 压力增高，元素的内层电子逐渐参与 原子的 相互作用，因而决定元素 化学性质的价电子作用也相应地减弱。到1太帕左右，压力的 作用可以达到100电子伏，这时将对 内壳层电子产生实质性 作用。
在上述压力 范围内的 低压部分， 物质的物态方程可用有限应变理论物态方程 描述； 高压部分则可用格林艾森物态方程描述。更高 压力下，物质可被 压缩到其 点阵结构与 原子的 壳层结构不复存在。这时可近似地认为 电子是连续 分布的部分简并性费米–狄拉克气体。 原子核被高密度电子 屏蔽，其间的长程库仑 相互作用可忽略，这样原子核的 运动可用 经典方法处理，如可视为 理想气体。这种被高度压缩 物质的近似 结构模型称为托马斯–费米模型或统计近似模型。 描述这种 物质状态方程是托马斯–费米状态方程和托马斯–费米–狄拉克状态方程。仅当 电子密度足够高时，托马斯–费米模型才能适用。对于 重元素，如 原子序数大于90时，需要 压强达到100万大气压以上；对于轻元素诸如 氢，理论预测需要压强达到一亿 大气压以上。以上假定电子气体是非相对论性的，当 压力达到10 大气压（10 吉帕）后，相当一部分电子的 动能可与 相比拟（ 为电子质量， 为 光速），这样需要涉及 相对论性效应（见狭义相对论）。
物质进一步被 压缩， 电子可被 原子核俘获，使核电荷减少，同时放出中微子。结果 电子总数减少，而其 密度不变，使得 压力也大致不变。此过程一直持续到全部 原子核均各俘获一个 电子， 原子序数从 变到 1为止。
物质如再进一步压缩，核电荷将更加减少，结果原子核中含有的 中子过多，变得不稳定而 蜕变。当 压力达到10 大气压（10 吉帕）， 密度达到3×10 克/厘米 时， 中子数开始超过电子数。当密度超过10 克/厘米 后，中子对压力的 贡献也超过了电子的贡献。这时物质可视为主要由中子的 简并性费米–狄拉克气体构成， 电子与各种 原子核则是少量 杂质。
最后，当密度甚大于6×10 克/厘米 后，中子 气体成为 极端相对论性的。这时物质中除去中子外，还可能出现其他种 粒子。
考察高压力 作用下凝聚体 物理性质的变化 特征是 高压物理中另一类宽广的 研究领域。对 高压下凝聚态物质性质的研究，发现了许多新 现象，已在数千种物质中发现了 相变，如分子晶体转变为 金属、非超导物质在 高压下变成超导体，加深了 磁性、 超导等 现象物理 机制的认识，指导了 新材料的 研究。高压 科学研究正在 发现许多 常压下不曾有过的新现象、 新物质、新规律，形成 新理论。决定凝聚态物理性质的，除组成 原子的 类别和 晶体结构形式外， 结构缺陷、物质中原子的 运动、电子的运动以及彼此之间的 相互作用均是导致物质具有特殊 物理性质的重 要 因素。凝聚体的物理性质是在有大量原子、大量电子参与下所表现出来的集体行为，它深受外加压力的 影响。研究 高压物性，一方面为掌握 物相变化 规律所必须；另一方面又是认识凝聚体中各种集体现象的 途径。如不同 半导体对称性相似的导带能谷具有相似的 压力系数，而同一半导体 对称性不同导带能谷具有不同的压力系数的 经验规则，曾在固体能带理论发展及有关 物性研究中起过重要 作用。高压原位研究对 检验和 发展现有 模型与理论的作用是任何其他手段无法代替的。高压可改变物质中电子的 关联作用及电子与 晶格的相互作用，使许多非超导体成为超导体。高压可导致固体中的电子的非局域化，使绝缘体、半导体和 分子晶体变为 金属。高压 研究很可能在电子 关联、 电子–声子相互作用，以及各种 元激发过程等 物质科学最基本问题的 认识上取得新的突破。高压在 凝聚态物理的 研究中扮演越来越重要的角色。如在高温超导体的研究中，高压 原位（30吉帕）测试在HgBa Ca O + 超导体中得到了160K超导转变。元素 超导中有近一半是在 加压条件下实现超导的， 温度最高的 元素超导体Li也是在高压下实现的（在十几万压力下 可达到20K）。由于Li是类似于H的碱金属族元素在 高压超导，所以为探索金属氢的超导电性点燃了新希望。
在 压力作用下物质的 体积收缩，自由能改变，这时受压物质也会发生 结构形态的改变： 液态的物质会凝固 结晶；非晶态的物质的 晶化规律可能改变； 晶态的 固体可能发生 晶体结构上的或 电子结构上的变化；高压下 半导体、 绝缘体乃至分子固体 氢可能成为金属态（见 金属氢、 金属化现象）等。这些 现象统称为 高压相变，它的变化 机制与过程是高压 物理科学的一个极为丰富的探索 领域。高压下的X射线衍射、 中子衍射、 核磁共振、 穆斯堡尔谱、 拉曼散射、 布里渊散射、 光学测温、 超声测量、核共振 非弹性散射（NRIXS），以及非弹性X射线散射等是提供 高压相变信息的有效方法。物质在高压相变时常伴随着 物性的改变，因此高压下各种物性的 测量也常被用于高压相变的 研究（见高压相变）。
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