138億年前，一個(gè)熾熱致密的奇點(diǎn)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(zhì)與能量經(jīng)歷了多次驚人的物理轉(zhuǎn)變過程。其中，最關(guān)鍵的轉(zhuǎn)折點(diǎn)之一，便是從夸克到強(qiáng)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(zhì)的基本結(jié)構(gòu)，更深遠(yuǎn)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(shí)間的長河中，一步步形成了我們腳下的地球。

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

夸克的囚禁：強(qiáng)子時(shí)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(gè)嬰兒未來的所有可能。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型，宇宙誕生后的前10-43秒被稱為普朗克時(shí)期，此時(shí)的溫度高達(dá)千萬億度，四大基本力（引力、強(qiáng)核力、弱核力、電磁力）尚未分化。這個(gè)時(shí)期的物理規(guī)律由未知的量子引力理論支配，連“時(shí)間”和“空間”的概念都處于模糊狀態(tài)。在這個(gè)瞬間，宇宙中的所有物質(zhì)都處于沸騰的“粒子湯”狀態(tài)。在這鍋原始熱湯里，最基礎(chǔ)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(dāng)宇宙年齡達(dá)到10-36秒時(shí)，強(qiáng)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(nèi)，宇宙體積暴增了1050倍，如同一個(gè)質(zhì)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(shí)，溫度降至約2萬億度時(shí)（相當(dāng)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(gè)一組，形成了宇宙中第一批穩(wěn)定的物質(zhì)單元——質(zhì)子和中子。這種物質(zhì)形態(tài)發(fā)生的根本性轉(zhuǎn)變被稱為是夸克—強(qiáng)子相變。

夸克-強(qiáng)子轉(zhuǎn)化示意圖 圖源| Argonne Leadership Computing Facility

這個(gè)過程如同水蒸氣突然凝結(jié)成冰晶：當(dāng)溫度降至臨界點(diǎn)時(shí)，原本自由流動的夸克被強(qiáng)力“膠水”牢牢固定，束縛起來?？淇说綇?qiáng)子相變的發(fā)生，標(biāo)志著宇宙開始從混沌走向有序。

從核子到原子：構(gòu)建物質(zhì)世界的積木

夸克到強(qiáng)子相變后，宇宙進(jìn)入核子時(shí)代。約在宇宙誕生后1秒時(shí)，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(shí)，質(zhì)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(chǔ)。

當(dāng)宇宙年齡來到3分鐘時(shí)，溫度降到10億度左右，此時(shí)的宇宙就像一個(gè)巨大的核反應(yīng)爐。先前形成的質(zhì)子和中子，終于可以穩(wěn)定地結(jié)合成原子核了。

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

接下來的數(shù)億年，宇宙進(jìn)入了漫長的“黑暗時(shí)代”。直到第一批恒星點(diǎn)燃核聚變的火焰，才拉開了宇宙演化最璀璨的篇章。當(dāng)核心溫度達(dá)到1000萬度時(shí)，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(zhì)量可達(dá)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(yàn)證了夸克相變留下的遺產(chǎn)——?dú)浜秃ぴ谝ψ饔孟戮奂稍啤?/p>

在這個(gè)過程中，恒星內(nèi)部就像個(gè)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(zhì)構(gòu)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(jié)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(zhuǎn)，中心溫度達(dá)到千萬度——我們的太陽就此誕生，殘余物質(zhì)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(dāng)今世界。

元素周期表與元素起源 圖源| Jennifer Johnson/SDSS

夸克到強(qiáng)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(shí)刻，夸克沒有及時(shí)完成“組隊(duì)”，質(zhì)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(jié)果。正是夸克到強(qiáng)子相變時(shí)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?qiáng)子相變的發(fā)生，不僅決定著早期宇宙中核聚變的發(fā)生方式，還調(diào)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(jī)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(zhì)子與中子比例的細(xì)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(zhì)基礎(chǔ)，均可追溯至這場宇宙黎明時(shí)刻的相變過程。

實(shí)驗(yàn)室里的“迷你宇宙”

要理解這個(gè)將無形物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可見世界的關(guān)鍵轉(zhuǎn)變，我們需要在實(shí)驗(yàn)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(jī)RHIC、歐洲大型強(qiáng)子對撞機(jī)LHC），科學(xué)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(nèi)的物質(zhì)重現(xiàn)到宇宙大爆炸后百萬分之一秒時(shí)的狀態(tài)——“夸克膠子等離子體”（QGP），證實(shí)了理論的預(yù)測。

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

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

盡管科學(xué)家已在實(shí)驗(yàn)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(guān)聯(lián)，科學(xué)家正在尋找QCD相變的證據(jù)。例如，RHIC-STAR實(shí)驗(yàn)觀測到凈質(zhì)子數(shù)的高階漲落隨碰撞能量呈現(xiàn)非單調(diào)變化，暗示系統(tǒng)可能穿過了相變區(qū)域。目前，實(shí)驗(yàn)仍需克服統(tǒng)計(jì)誤差大、非臨界效應(yīng)干擾等問題。

近期，中國科學(xué)家提出了一種探測“夸克-強(qiáng)子相變”的新方法[1]，即通過對比重原子核（如金）與輕原子核（如鈣）碰撞后同類粒子的產(chǎn)額比例，來判斷相變是否發(fā)生。研究發(fā)現(xiàn)，如果相變發(fā)生并形成了夸克膠子等離子體，其內(nèi)部自由流動的夸克和膠子會抑制粒子間的散射，導(dǎo)致重核碰撞中的粒子產(chǎn)額比例相較于輕核碰撞出現(xiàn)異常降低。這種新探針能有效降低系統(tǒng)誤差和模型不確定性，為精確繪制完整的QCD相圖提供了更靈敏、更可靠的新視角。

強(qiáng)流重離子加速器（HIAF）圖源| 近代物理所

未來，科學(xué)家還將基于我國強(qiáng)流重離子加速器（HIAF）、德國反質(zhì)子與離子研究裝置（FAIR）、俄羅斯重離子超導(dǎo)同步加速器（NICA）等裝置進(jìn)一步探索高密度核物質(zhì)的相變機(jī)制。有關(guān)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(gè)階段都鐫刻著深刻的物理規(guī)律。

夸克到強(qiáng)子相變?nèi)缤瑫r(shí)空長河中的一道閘門，將自由奔涌的原始能量轉(zhuǎn)化為構(gòu)筑物質(zhì)的磚石。當(dāng)我們凝視夜空中閃爍的星光，實(shí)際上在回望一場始于百億年前的微觀革命——每個(gè)原子核中的質(zhì)子和中子，都是那場遠(yuǎn)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。

參考文獻(xiàn)：

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

來源：中國科學(xué)院近代物理研究所

編輯：余蔭鎧

轉(zhuǎn)載內(nèi)容僅代表作者觀點(diǎn)

不代表中科院物理所立場

如需轉(zhuǎn)載請聯(lián)系原公眾號