當(dāng)我們仰望星空時，看到的每顆星星都在講述一個跨越138億年的故事。這個故事的開端，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。

宇宙演化示意圖

（圖片來源：參考文獻[1]）

宇宙誕生之初：輕元素形成

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。在這個瞬間，整個宇宙的溫度高達千萬億度，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。

但隨著宇宙以驚人的速度膨脹降溫，當(dāng)溫度降到約2萬億度時（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”，三個一組，組成了宇宙中第一批穩(wěn)定的物質(zhì)單元：質(zhì)子和中子。這個過程被稱作夸克-強子相變，就像水蒸氣凝結(jié)成水滴，它標(biāo)志著宇宙開始從混沌走向有序。如果當(dāng)初夸克沒有成功組成質(zhì)子和中子，整個宇宙至今都只會是一鍋飄著自由夸克的“粒子清湯”。

夸克-強子轉(zhuǎn)化示意圖

（圖片來源：美國阿貢國家實驗室）

當(dāng)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(yīng)爐。那些在夸克相變中形成的質(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（單個質(zhì)子）占76%，氦原子核（兩個質(zhì)子加兩個中子）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(dāng)前宇宙中90%的氫和氦。

如果當(dāng)年夸克們沒有及時完成組隊，質(zhì)子和中子的數(shù)量比例就會失衡。正是夸克相變時的微妙平衡，使得中子比例剛好能支撐后續(xù)的元素形成。宇宙就像掌握著精確的配方比例，多一點或者少一點都會讓其失去制造復(fù)雜元素的可能。

重元素形成：兩代恒星的出現(xiàn)

接下來的數(shù)億年，宇宙經(jīng)歷著漫長的黑暗時代。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。這些初代恒星與現(xiàn)代恒星截然不同，它們質(zhì)量極大（可達太陽的數(shù)百倍）、壽命短暫（僅數(shù)百萬年）。它們的誕生，正是夸克相變帶來的結(jié)果——由質(zhì)子和中子構(gòu)成的氫和氦在引力作用下聚集成云，當(dāng)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。

在這個過程中，恒星內(nèi)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(zhì)構(gòu)成，初代恒星最多只能制造到鐵元素。直到它們以超新星爆發(fā)（指某些恒星在演化接近末期時經(jīng)歷的一種劇烈爆炸）的形式結(jié)束生命，才將新元素播撒到星際空間。

超新星爆炸

（圖片來源：Veer圖庫）

第二代恒星的故事更加精彩。它們誕生于初代恒星的余燼之中，攜帶著碳、氧、硅等重元素。太陽就是這樣的“星二代”，它體內(nèi)含有1.4%的重元素，看似占比微小的重元素卻為行星系統(tǒng)的形成創(chuàng)造了關(guān)鍵條件。

重元素的出現(xiàn)徹底改變了宇宙演化的進程：硅、鐵等元素能形成固態(tài)塵埃顆粒；碳、氧等元素構(gòu)成復(fù)雜的分子云。當(dāng)這些“建筑材料”在引力作用下聚集時，逐漸形成的不再是單純的巨大氣態(tài)球體，而是巖石質(zhì)行星的雛形。值得注意的是，金、鈾等超重元素的形成需要更極端的條件，它們誕生于中子星碰撞這樣的宇宙級事件中，通過“快中子捕獲”過程生成。

“快中子捕獲”就像宇宙版的“吃豆子大賽”——當(dāng)中子星碰撞或超新星爆炸時，高溫高壓的環(huán)境會逼著原子核瘋狂吞中子，速度快到連“消化”（衰變）都來不及，就像邊狂奔邊往嘴里猛塞糖豆！最后這些被硬塞進去的中子太多，原子核“撐到變形”，逐漸變成金、銀、鉑這些重金屬元素。所以你戴的金項鏈或戒指，很可能就是幾十億年前某顆星星爆炸時，用這種“暴風(fēng)吸入”的方式制造出來的！

2017年，人類首次捕捉到中子星碰撞時發(fā)出的引力波信號，見證了這種“宇宙煉金術(shù)”的現(xiàn)場。

元素周期表與元素起源

（圖片來源：abc網(wǎng)）

“配方獨特”的地球：如何揭秘宇宙的精妙發(fā)展？

太陽系誕生于46億年前的一片分子云中，這片云已經(jīng)積累了前幾代恒星創(chuàng)造的各種元素。但地球的“形成配方”尤為特殊：鐵鎳核心占32%，硅酸鹽地幔占67%，剩下1%包含從碳到鈾的各類元素。

這種元素配比的形成可以追溯到太陽系誕生時的溫度梯度：靠近太陽的區(qū)域溫度太高，揮發(fā)性元素被吹向外圍，留下的主要是耐高溫的金屬和硅酸鹽。更關(guān)鍵的是，夸克相變時期奠定下物質(zhì)基礎(chǔ)，使得宇宙中存在足夠多的重元素來構(gòu)成巖石行星。地球的特別之處還在于它保留了液態(tài)水，為生命的孕育提供了非常重要的條件。

從夸克相變到地球誕生，每個環(huán)節(jié)都像是精心設(shè)計的連鎖反應(yīng)。如果當(dāng)初夸克們沒有及時組成質(zhì)子中子，如果初代恒星未能合成足夠多的碳氧元素，如果太陽系形成時重元素比例稍有不同......只要有一個環(huán)節(jié)改變，今天的地球都可能不復(fù)存在。

地球

（圖片來源：Veer圖庫）

當(dāng)我們看到黃金在陽光下閃耀，觸摸花崗巖的粗糙表面，甚至感受血液中鐵元素的流動，其實都是在接觸跨越億萬年時空的宇宙遺產(chǎn)。那些曾經(jīng)在恒星核心舞蹈的粒子，最終組成了山川湖海，也組成了我們每個人。

總之，對宇宙物質(zhì)演化過程的探索，要求我們對一個關(guān)鍵的物理轉(zhuǎn)變過程展開深入研究——夸克與強子之間的轉(zhuǎn)變。這個轉(zhuǎn)變發(fā)生的具體條件（包括能量密度和溫度等參數(shù)）深刻影響著宇宙的演化軌跡：它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)機制，又最終決定了重元素在宇宙中的分布格局，直至間接影響著地球人類文明的物質(zhì)基礎(chǔ)。

科學(xué)家們正在實驗室模擬一場場“微型宇宙大爆炸”

要理解這個將無形物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可見世界的關(guān)鍵轉(zhuǎn)變，我們需要在實驗室中重現(xiàn)宇宙大爆炸后的極端環(huán)境。通過大型重離子對撞裝置，科學(xué)家讓原子核以接近光速相互碰撞。這種高能碰撞能夠在微觀尺度上復(fù)現(xiàn)宇宙誕生早期的物質(zhì)狀態(tài)，使我們理解夸克如何組合成強子、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。這種實驗就像一臺“宇宙顯微鏡”，幫助我們破解138億年來物質(zhì)演化的核心密碼。

核-核碰撞產(chǎn)生“夸克膠子湯”（QGP）示意圖

（圖片來源：Brookhaven National Laboratory）

想象一下，用兩臺超高速攝像機拍攝兩輛迎面對撞的玩具車：一臺只能拍到零件四濺的畫面（純強子過程），另一臺卻能拍到零件先融化成液態(tài)金屬再重新凝固的過程（夸克-強子相變）。科學(xué)家們用粒子加速器將金原子核加速到接近光速，讓它們迎面相撞。這場微觀世界的“車禍”瞬間釋放的能量，足以讓原子核內(nèi)的物質(zhì)回歸到宇宙大爆炸前百萬分之一秒時的狀態(tài)——“夸克膠子湯”（QGP）。通過對比不同重量原子核的碰撞結(jié)果，科學(xué)家就能判斷實驗中是否出現(xiàn)了“融化-凝固”過程。

目前，全球有多個大型實驗裝置（如美國RHIC-STAR對撞機、中國HIAF-CEE外靶實驗等）可將重離子加速至接近光速并碰撞，瞬間產(chǎn)生QGP。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實驗觀測到凈質(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，實驗仍需克服統(tǒng)計誤差大、非臨界效應(yīng)干擾等挑戰(zhàn)。國際合作項目（如德國FAIR、俄羅斯NICA等）也將進一步探索高密度核物質(zhì)的相變機制。

通過分析粒子“指紋”，助力破解宇宙演化之謎

近期，我們團隊（中國科學(xué)院近代物理研究所雍高產(chǎn)研究員團隊）在《物理快報B》（Physics Letters B）上發(fā)表了一項研究，通過分析重離子碰撞后產(chǎn)生的粒子“指紋”，提出了一種可能揭示QGP出現(xiàn)的關(guān)鍵指標(biāo)，為探索宇宙誕生之初的物質(zhì)形態(tài)演變提供了新視角。

通過對不同質(zhì)量原子核的碰撞模擬進行分析，研究人員發(fā)現(xiàn)重輕反應(yīng)系統(tǒng)同類粒子發(fā)射比可作為揭示QGP出現(xiàn)的關(guān)鍵指標(biāo)。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。我們團隊使用改進的多相模型（一種同時包含夸克和強子物質(zhì)的輸運模型），利用計算機模擬了鈣-40、鈣-48和金-197等不同重離子的劇烈對撞過程，重點關(guān)注Λ超子、K+介子、π介子和質(zhì)子等四種粒子的產(chǎn)生規(guī)律。當(dāng)碰撞系統(tǒng)從較輕的鈣-40升級到較重的金-197時，我們發(fā)現(xiàn)某些特定粒子的產(chǎn)額比例出現(xiàn)了異常變化

進一步研究發(fā)現(xiàn)，在包含夸克自由度的碰撞模式中，粒子產(chǎn)額與參與碰撞的核子數(shù)基本成正比；而在僅考慮強子作用的碰撞模式中，重系統(tǒng)產(chǎn)生的粒子數(shù)量顯著超出預(yù)期。這暗示著某種新的物理機制在起作用。研究表明，當(dāng)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(dǎo)致粒子產(chǎn)額明顯低于純強子模型的預(yù)期；反之，若未出現(xiàn)QGP，強子間的持續(xù)碰撞會顯著增加粒子產(chǎn)額。

為了驗證這一假設(shè)，我們引入了PACIAE模型（一種主要包含夸克物質(zhì)的輸運模型）進行交叉驗證，進一步證實了粒子產(chǎn)額異常與夸克物質(zhì)形成的關(guān)聯(lián)性。模擬結(jié)果顯示，夸克再散射對粒子產(chǎn)額的影響微乎其微，而強子再散射則顯著增加粒子產(chǎn)額。

我們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，顯著提高探測靈敏度與可靠性，為繪制完整的QCD相圖提供了重要線索。

QCD相圖就像一張宇宙的“物質(zhì)狀態(tài)地圖”——它用溫度和密度當(dāng)坐標(biāo)軸，標(biāo)記出構(gòu)成物質(zhì)的夸克在不同環(huán)境下會如何“變身”。比如常溫下，夸克被“膠子”死死粘在質(zhì)子和中子里（就像冰塊里的水分子）；但如果你把溫度飆升到太陽核心的10萬倍，或者壓成中子星內(nèi)部的高密度，夸克就會掙脫束縛，變成一鍋沸騰的“夸克膠子湯”?？茖W(xué)家研究這張圖，就是為了搞懂宇宙大爆炸最初的瞬間，或者中子星內(nèi)部的極端世界到底藏著什么秘密！

這一工作不僅深化了對高密核物質(zhì)狀態(tài)的理解，也為揭示宇宙早期演化之謎提供了新的實驗思路。

參考文獻：

[1]Denis Perret-Gallix 2013 J. Phys.: Conf. Ser. 454 012051

[2]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.

[3]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

出品：科普中國

作者：雍高產(chǎn)（中國科學(xué)院近代物理研究所

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