从大爆炸到地球诞生：宇宙演化史中的关键相变

138亿年前，一个炽热致密的奇点开启了宇宙的史诗篇章。在这场持续至今的膨胀之旅中，物质与能量经历了多次惊人的物理转变过程。其中，最关键的转折点之一，便是从夸克到强子的相变。这场发生在宇宙诞生后百万分之一秒的微观革命，不仅重塑了物质的基本结构，更深远地影响了恒星、星系乃至地球的最终形成。

而故事的开端，便要从宇宙最原初的“食材”开始讲起——那些比原子还要微小的基本粒子，如何在时间的长河中，一步步形成了我们脚下的地球。

宇宙演化示意图 图源| 2013 J. Phys.: Conf. Ser. 454 012051

夸克的囚禁：强子时代的黎明

如果把宇宙诞生比作婴儿的第一次呼吸，那么前百万分之一秒发生的故事，就决定了这个婴儿未来的所有可能。

根据标准宇宙学模型，宇宙诞生后的前10-43秒被称为普朗克时期，此时的温度高达千万亿度，四大基本力（引力、强核力、弱核力、电磁力）尚未分化。这个时期的物理规律由未知的量子引力理论支配，连“时间”和“空间”的概念都处于模糊状态。在这个瞬间，宇宙中的所有物质都处于沸腾的“粒子汤”状态。在这锅原始热汤里，最基础的成分叫做夸克，它们像一群活泼的孩童，在高温中自由穿梭、碰撞。

当宇宙年龄达到10-36秒时，强核力与电弱力开始分离，宇宙经历指数级膨胀——暴胀阶段。在10-32秒内，宇宙体积暴增了1050倍，如同一个质子瞬间膨胀到上亿光年尺度。

随着宇宙以惊人的速度膨胀降温，在宇宙诞生后约0.1毫秒时，温度降至约2万亿度时（相当于太阳核心温度的10万倍），神奇的变化发生了——原本自由自在的夸克突然开始“手拉手”，三个一组，形成了宇宙中第一批稳定的物质单元——质子和中子。这种物质形态发生的根本性转变被称为是夸克—强子相变。

夸克-强子转化示意图 图源| Argonne Leadership Computing Facility

这个过程如同水蒸气突然凝结成冰晶：当温度降至临界点时，原本自由流动的夸克被强力“胶水”牢牢固定，束缚起来。夸克到强子相变的发生，标志着宇宙开始从混沌走向有序。

从核子到原子：构建物质世界的积木

夸克到强子相变后，宇宙进入核子时代。约在宇宙诞生后1秒时，中微子与其他粒子间的相互作用变得极其微弱，逐渐脱离热平衡，成为宇宙中第一批“脱耦（不再相互拉扯）”的自由粒子。此时，质子与中子的比例已基本确定，为后续的核合成奠定了基础。

当宇宙年龄来到3分钟时，温度降到10亿度左右，此时的宇宙就像一个巨大的核反应炉。先前形成的质子和中子，终于可以稳定地结合成原子核了。

最初形成的元素非常简单：氢原子核（单个质子）约占76%，氦原子核（两个质子加两个中子）约占24%，还有极微量的锂。这个过程被称为原初核合成，它决定了当前宇宙中90%的氢和氦。

接下来的数亿年，宇宙进入了漫长的“黑暗时代”。直到第一批恒星点燃核聚变的火焰，才拉开了宇宙演化最璀璨的篇章。当核心温度达到1000万度时，氢和氦开始融合成更重的原子核，释放出照亮宇宙的第一缕星光。这些初代恒星与现代恒星截然不同，它们体型巨大（质量可达太阳的数百倍）、寿命短暂（仅数百万年）。但正是它们的诞生，验证了夸克相变留下的遗产——氢和氦在引力作用下聚集成云。

在这个过程中，恒星内部就像个精密的元素工厂：较轻的原子核不断碰撞融合，产生更重的元素。但受限于初始物质构成，初代恒星最多只能制造到铁族元素。直到它们以超新星爆发（能形成更重的元素，比如铜、银、金、铀等）的形式结束生命，才将新元素播撒到星际空间。

随后的星系并合形成了旋涡、椭圆等不同形态。在银河系某条旋臂上，一片富含金属元素的分子云在引力坍缩中开始旋转，中心温度达到千万度——我们的太阳就此诞生，残余物质形成行星系统。约46亿年前，地球在岩石碎片的碰撞吸积中成型，液态水和适宜温度最终孕育出生命，形成了我们所身处的当今世界。

元素周期表与元素起源 图源| Jennifer Johnson/SDSS

夸克到强子相变发生的具体条件（包括能量密度、温度等参数）深刻影响着宇宙的演化轨迹。如果在宇宙的原初时刻，夸克没有及时完成“组队”，质子和中子的数量比例就会失衡，从而影响后续原初核合成的效率与结果。正是夸克到强子相变时的微妙平衡，使得中子比例刚好能支撑后续的元素形成。夸克到强子相变的发生，不仅决定着早期宇宙中核聚变的发生方式，还调控着轻元素的最初形成过程；既深刻影响恒星的生命周期和超新星爆发机制，又最终决定了重元素在宇宙中的分布格局。

可以说，从最初质子与中子比例的细微差异，到后来的恒星演化与元素周期的延展，直至地球人类文明所依赖的物质基础，均可追溯至这场宇宙黎明时刻的相变过程。

实验室里的“迷你宇宙”

要理解这个将无形物质转化为可见世界的关键转变，我们需要在实验室中重现宇宙大爆炸后的极端环境。通过现代大型粒子加速器（如美国相对论重离子对撞机RHIC、欧洲大型强子对撞机LHC），科学家们将重原子核加速到接近光速，让它们迎面相撞，瞬间产生数万亿摄氏度的炽热火球。这种高能碰撞在微观尺度上足以让原子核内的物质重现到宇宙大爆炸后百万分之一秒时的状态——“夸克胶子等离子体”（QGP），证实了理论的预测。

原子核内的物质在极高温中“融化”，短时间发生强子-夸克相变，形成QGP。随后QGP在温度冷却后又组合成强子，夸克到强子相变就如同这种重新“凝固”的过程。通过复现宇宙诞生早期的物质状态，使我们得以有机会理解夸克如何组合成强子、物质如何从混沌无序的状态演变为有序结构的过程。

核-核碰撞产生QGP示意图 图源| Brookhaven National Laboratory

尽管科学家已在实验室中成功制造出QGP，但要精确描绘其形成过程仍面临巨大挑战。通过分析碰撞后粒子的分布、涨落和关联，科学家正在寻找QCD相变的证据。例如，RHIC-STAR实验观测到净质子数的高阶涨落随碰撞能量呈现非单调变化，暗示系统可能穿过了相变区域。目前，实验仍需克服统计误差大、非临界效应干扰等问题。

近期，中国科学家提出了一种探测“夸克-强子相变”的新方法[1]，即通过对比重原子核（如金）与轻原子核（如钙）碰撞后同类粒子的产额比例，来判断相变是否发生。研究发现，如果相变发生并形成了夸克胶子等离子体，其内部自由流动的夸克和胶子会抑制粒子间的散射，导致重核碰撞中的粒子产额比例相较于轻核碰撞出现异常降低。这种新探针能有效降低系统误差和模型不确定性，为精确绘制完整的QCD相图提供了更灵敏、更可靠的新视角。

强流重离子加速器（HIAF）图源| 近代物理所

未来，科学家还将基于我国强流重离子加速器（HIAF）、德国反质子与离子研究装置（FAIR）、俄罗斯重离子超导同步加速器（NICA）等装置进一步探索高密度核物质的相变机制。有关其背后的物理奥秘，将有望被逐一揭示。

我们在星尘中追寻起源

从量子涨落到星辰大海，宇宙演化的每个阶段都镌刻着深刻的物理规律。

夸克到强子相变如同时空长河中的一道闸门，将自由奔涌的原始能量转化为构筑物质的砖石。当我们凝视夜空中闪烁的星光，实际上在回望一场始于百亿年前的微观革命——每个原子核中的质子和中子，都是那场远古相变留下的永恒印记。理解这些基本过程，不仅让我们知晓自身从何而来，更指引着人类探索未知的壮丽征程。

参考文献：

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

来源：中国科学院近代物理研究所

编辑：余荫铠

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