作者| 雍高產(chǎn) (中國科學院近代物理研究所 研究員)

138億年前，一個熾熱致密的奇點開啟了宇宙的史詩篇章。在這場持續(xù)至今的膨脹之旅中，物質與能量經(jīng)歷了多次驚人的物理轉變過程。其中，最關鍵的轉折點之一，便是從夸克到強子的相變。這場發(fā)生在宇宙誕生后百萬分之一秒的微觀革命，不僅重塑了物質的基本結構，更深遠地影響了恒星、星系乃至地球的最終形成。

而故事的開端，便要從宇宙最原初的“食材”開始講起——那些比原子還要微小的基本粒子，如何在時間的長河中，一步步形成了我們腳下的地球。

圖 宇宙演化示意圖 圖源| 2013 J. Phys.: Conf. Ser. 454 012051

夸克的囚禁：強子時代的黎明

如果把宇宙誕生比作嬰兒的第一次呼吸，那么前百萬分之一秒發(fā)生的故事，就決定了這個嬰兒未來的所有可能。

根據(jù)標準宇宙學模型，宇宙誕生后的前10-43秒被稱為普朗克時期，此時的溫度高達千萬億度，四大基本力（引力、強核力、弱核力、電磁力）尚未分化。這個時期的物理規(guī)律由未知的量子引力理論支配，連“時間”和“空間”的概念都處于模糊狀態(tài)。在這個瞬間，宇宙中的所有物質都處于沸騰的“粒子湯”狀態(tài)。在這鍋原始熱湯里，最基礎的成分叫做夸克，它們像一群活潑的孩童，在高溫中自由穿梭、碰撞。

當宇宙年齡達到10-36秒時，強核力與電弱力開始分離，宇宙經(jīng)歷指數(shù)級膨脹——暴脹階段。在10-32秒內，宇宙體積暴增了1050倍，如同一個質子瞬間膨脹到上億光年尺度。

隨著宇宙以驚人的速度膨脹降溫，在宇宙誕生后約0.1毫秒時，溫度降至約2萬億度時（相當于太陽核心溫度的10萬倍），神奇的變化發(fā)生了——原本自由自在的夸克突然開始“手拉手”，三個一組，形成了宇宙中第一批穩(wěn)定的物質單元——質子和中子。這種物質形態(tài)發(fā)生的根本性轉變被稱為是夸克—強子相變。

圖 夸克-強子轉化示意圖 圖源| Argonne Leadership Computing Facility

這個過程如同水蒸氣突然凝結成冰晶：當溫度降至臨界點時，原本自由流動的夸克被強力“膠水”牢牢固定，束縛起來。夸克到強子相變的發(fā)生，標志著宇宙開始從混沌走向有序。

從核子到原子：構建物質世界的積木

夸克到強子相變后，宇宙進入核子時代。約在宇宙誕生后1秒時，中微子與其他粒子間的相互作用變得極其微弱，逐漸脫離熱平衡，成為宇宙中第一批“脫耦（不再相互拉扯）”的自由粒子。此時，質子與中子的比例已基本確定，為后續(xù)的核合成奠定了基礎。

當宇宙年齡來到3分鐘時，溫度降到10億度左右，此時的宇宙就像一個巨大的核反應爐。先前形成的質子和中子，終于可以穩(wěn)定地結合成原子核了。

最初形成的元素非常簡單：氫原子核（單個質子）約占76%，氦原子核（兩個質子加兩個中子）約占24%，還有極微量的鋰。這個過程被稱為原初核合成，它決定了當前宇宙中90%的氫和氦。

接下來的數(shù)億年，宇宙進入了漫長的“黑暗時代”。直到第一批恒星點燃核聚變的火焰，才拉開了宇宙演化最璀璨的篇章。當核心溫度達到1000萬度時，氫和氦開始融合成更重的原子核，釋放出照亮宇宙的第一縷星光。這些初代恒星與現(xiàn)代恒星截然不同，它們體型巨大（質量可達太陽的數(shù)百倍）、壽命短暫（僅數(shù)百萬年）。但正是它們的誕生，驗證了夸克相變留下的遺產(chǎn)——氫和氦在引力作用下聚集成云。

在這個過程中，恒星內部就像個精密的元素工廠：較輕的原子核不斷碰撞融合，產(chǎn)生更重的元素。但受限于初始物質構成，初代恒星最多只能制造到鐵族元素。直到它們以超新星爆發(fā)（能形成更重的元素，比如銅、銀、金、鈾等）的形式結束生命，才將新元素播撒到星際空間。

隨后的星系并合形成了旋渦、橢圓等不同形態(tài)。在銀河系某條旋臂上，一片富含金屬元素的分子云在引力坍縮中開始旋轉，中心溫度達到千萬度——我們的太陽就此誕生，殘余物質形成行星系統(tǒng)。約46億年前，地球在巖石碎片的碰撞吸積中成型，液態(tài)水和適宜溫度最終孕育出生命，形成了我們所身處的當今世界。

圖 元素周期表與元素起源 圖源| Jennifer Johnson/SDSS

夸克到強子相變發(fā)生的具體條件（包括能量密度、溫度等參數(shù)）深刻影響著宇宙的演化軌跡。如果在宇宙的原初時刻，夸克沒有及時完成“組隊”，質子和中子的數(shù)量比例就會失衡，從而影響后續(xù)原初核合成的效率與結果。正是夸克到強子相變時的微妙平衡，使得中子比例剛好能支撐后續(xù)的元素形成?？淇说綇娮酉嘧兊陌l(fā)生，不僅決定著早期宇宙中核聚變的發(fā)生方式，還調控著輕元素的最初形成過程；既深刻影響恒星的生命周期和超新星爆發(fā)機制，又最終決定了重元素在宇宙中的分布格局。

可以說，從最初質子與中子比例的細微差異，到后來的恒星演化與元素周期的延展，直至地球人類文明所依賴的物質基礎，均可追溯至這場宇宙黎明時刻的相變過程。

實驗室里的“迷你宇宙”

要理解這個將無形物質轉化為可見世界的關鍵轉變，我們需要在實驗室中重現(xiàn)宇宙大爆炸后的極端環(huán)境。通過現(xiàn)代大型粒子加速器（如美國相對論重離子對撞機RHIC、歐洲大型強子對撞機LHC），科學家們將重原子核加速到接近光速，讓它們迎面相撞，瞬間產(chǎn)生數(shù)萬億攝氏度的熾熱火球。這種高能碰撞在微觀尺度上足以讓原子核內的物質重現(xiàn)到宇宙大爆炸后百萬分之一秒時的狀態(tài)——“夸克膠子等離子體”（QGP），證實了理論的預測。

原子核內的物質在極高溫中“融化”，短時間發(fā)生強子-夸克相變，形成QGP。隨后QGP在溫度冷卻后又組合成強子，夸克到強子相變就如同這種重新“凝固”的過程。通過復現(xiàn)宇宙誕生早期的物質狀態(tài)，使我們得以有機會理解夸克如何組合成強子、物質如何從混沌無序的狀態(tài)演變?yōu)橛行蚪Y構的過程。

圖 核-核碰撞產(chǎn)生QGP示意圖 圖源| Brookhaven National Laboratory

盡管科學家已在實驗室中成功制造出QGP，但要精確描繪其形成過程仍面臨巨大挑戰(zhàn)。通過分析碰撞后粒子的分布、漲落和關聯(lián)，科學家正在尋找QCD相變的證據(jù)。例如，RHIC-STAR實驗觀測到凈質子數(shù)的高階漲落隨碰撞能量呈現(xiàn)非單調變化，暗示系統(tǒng)可能穿過了相變區(qū)域。目前，實驗仍需克服統(tǒng)計誤差大、非臨界效應干擾等問題。

在近期發(fā)表在（Physics Letters B）上的一項理論研究中，中國科學院近代物理研究所科研人員提出，通過對比不同重量原子核的碰撞結果，可以判斷實驗中是否發(fā)生了相變過程。

如同指紋能識別身份，不同粒子在碰撞中的產(chǎn)出比例蘊含著重要信息?？蒲腥藛T發(fā)現(xiàn)，重輕反應系統(tǒng)同類粒子發(fā)射就像碰撞后產(chǎn)生的粒子“指紋”，可作為揭示QGP出現(xiàn)的關鍵指標。他們使用改進的多相模型模擬了鈣-40、鈣-48和金-197等不同重離子的劇烈對撞過程，當碰撞系統(tǒng)從較輕的鈣-40升級到較重的金-197時，某些特定粒子的產(chǎn)額比例出現(xiàn)了異常變化，這暗示著某種新的物理機制在起作用。

進一步的研究發(fā)現(xiàn)，當QGP形成時，夸克和膠子的自由流動抑制了強子間的多重散射，導致粒子產(chǎn)額明顯低于純強子模型的預期；反之，若沒有出現(xiàn)QGP，強子間的持續(xù)碰撞會顯著增加粒子產(chǎn)額。這項研究提出的新型探針能有效降低系統(tǒng)誤差及各種模型不確定性，提高探測靈敏度與可靠性，為繪制完整的QCD相圖提供了新視角。

圖 強流重離子加速器（HIAF）圖源| 近代物理所

未來，科學家還將基于我國強流重離子加速器（HIAF）、德國反質子與離子研究裝置（FAIR）、俄羅斯重離子超導同步加速器（NICA）等裝置進一步探索高密度核物質的相變機制。有關其背后的物理奧秘，將有望被逐一揭示。

我們在星塵中追尋起源

從量子漲落到星辰大海，宇宙演化的每個階段都鐫刻著深刻的物理規(guī)律。

夸克到強子相變如同時空長河中的一道閘門，將自由奔涌的原始能量轉化為構筑物質的磚石。當我們凝視夜空中閃爍的星光，實際上在回望一場始于百億年前的微觀革命——每個原子核中的質子和中子，都是那場遠古相變留下的永恒印記。理解這些基本過程，不僅讓我們知曉自身從何而來，更指引著人類探索未知的壯麗征程。

作者|雍高產(chǎn)

編輯| 劉芳

審核| 徐新星

參考文獻：

1. Xun Zhu, Gao-Chan Yong, Exploring hadron-quark phase transition in heavy-ion collisions using particle emission ratios in heavy and light reaction systems, Phys. Lett. B 865 (2025) 139454. https://doi.org/10.1016/j.physletb.2025.139454

2. LUO Xiao-Feng, LIU Feng, XU Nu. Quark soup cooking at trillions of degrees: experimental study on the phase structure of nuclear matter and the quantum chromodynamics critical point [J]. PHYSICS, 2021, 50(2): 98-107. DOI: 10.7693/wl20210205

本文轉載自《中國科學院近代物理研究所》微信公眾號

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