剛剛，物理學(xué)家們捕獲到了高達(dá)3.25萬億開爾文（3.25×10^12K）的極端高溫！

這是人類迄今為止對宇宙大爆炸后百萬分之一秒內(nèi)“原始湯”溫度最精確的測量之一。這項(xiàng)里程碑式的研究由美國萊斯大學(xué)物理學(xué)家弗蘭克·格爾茨（Frank Geurts）領(lǐng)導(dǎo)的STAR合作組完成，成果2025年10月14日剛剛發(fā)表在國際知名期刊《自然·通訊》上，為我們繪制物質(zhì)在極端條件下的“終極地圖”提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

宇宙的開端是什么？不是光，不是物質(zhì)，而是一片混沌。在那個(gè)起點(diǎn)之后的幾微秒內(nèi)，宇宙是一鍋滾燙的、由物質(zhì)最基本的磚塊——夸克和膠子——組成的“原始湯”。這就是“夸克膠子等離子體”（QGP）。在QGP中，我們熟知的質(zhì)子和中子根本無法存在，它們都被“融化”了。

我們就是想知道，這鍋“湯”到底有多燙。

問題是，你怎么測量一個(gè)早已消失、且溫度高達(dá)萬億度的東西？

科學(xué)家們在地球上模擬了它：他們使用紐約布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室的“相對論重離子對撞機(jī)”（RHIC），讓金原子核（Au+Au）以接近光速猛烈相撞，短暫“復(fù)活”了這鍋宇宙湯。

▲使用 STAR 探測器重建的 Au+Au 碰撞示意圖

但測量這鍋“湯”的溫度，幾十年來一直讓物理學(xué)家頭禿。

以前，大家試圖用碰撞產(chǎn)生的“光子”（photons）當(dāng)溫度計(jì)。但他們很快發(fā)現(xiàn)，這個(gè)溫度計(jì)“騙人”！

因?yàn)镼GP在以接近光速的速度瘋狂膨脹，這種膨脹會產(chǎn)生強(qiáng)烈的“藍(lán)移效應(yīng)”（類似救護(hù)車靠近你時(shí)聲音變尖）。這導(dǎo)致測量的溫度嚴(yán)重失真，你根本不知道測的是真實(shí)的溫度，還是它快速運(yùn)動帶來的“表觀溫度”。

科學(xué)家們需要一個(gè)不會膨脹的溫度計(jì)。

他們找到了！這就是子對（電子-正電子對) 。

為什么是它？因?yàn)殡娮雍驼娮邮恰拜p子”，它們是強(qiáng)子世界的“局外人”，不參與夸克和膠子之間的“強(qiáng)核力”游戲。它們一旦在QGP中產(chǎn)生，就能像幽靈一樣直接穿透這片火海，把最原始、未被扭曲的溫度信息攜帶出來。

▲e + e ?對產(chǎn)生和 QCD 相圖的示意圖

最關(guān)鍵的是，科學(xué)家測量的是它們倆的“不變質(zhì)量譜”（invariant-mass spectra）。這是一個(gè)在物理學(xué)上近乎耍賴的屬性，它完全不受藍(lán)移效應(yīng)的影響

無論這鍋湯怎么膨脹，這個(gè)“溫度計(jì)”的讀數(shù)都不會撒謊。

這次，STAR團(tuán)隊(duì)以前所未有的精度，終于讀懂了這個(gè)“誠實(shí)溫度計(jì)”的刻度。

他們發(fā)現(xiàn)，QGP的溫度不是單一的，而是分階段的！

在“中間質(zhì)量區(qū)域”（IMR）——這代表了QGP剛形成時(shí)最熾熱的早期階段——平均溫度高達(dá)3.25萬億開爾文。這就是宇宙最初的“爐火”。

而在“低質(zhì)量區(qū)域”（LMR）——這代表了QGP演化后期，即將冷卻并“凍結(jié)”成我們熟悉的普通物質(zhì)（如質(zhì)子和中子）的“相變”階段——平均溫度也達(dá)到了2.01萬億開爾文

▲溫度與重子化學(xué)勢的關(guān)系

3.25萬億度，那是宇宙的“出廠設(shè)置”；2.01萬億度，那是它準(zhǔn)備“打包發(fā)貨”的溫度。

這兩個(gè)精確的數(shù)字，是人類第一次在QGP演化的不同時(shí)間點(diǎn)上清楚地標(biāo)定了溫度。這不僅僅是一個(gè)測量數(shù)字，它是在為我們繪制宇宙最根本的“QCD相圖”。這張圖將告訴我們物質(zhì)在宇宙大爆炸和中子星內(nèi)部這種極端條件下的終極規(guī)律。

正如格爾茨教授所說，這標(biāo)志著我們探索物質(zhì)最極端前沿的新時(shí)代的到來。

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參考文獻(xiàn)：

STAR Collaboration. (2025). Temperature measurement of Quark-Gluon plasma at different stages. Nature Communications, 16(1). DOI: 10.1038/s41467-025-63216-5