宇宙诞生时刻显现奇异的“物质简史”

在宇宙诞生的极早期，亚原子粒子搅拌成了炙热的“粒子羹汤”，原初宇宙或“元宇宙”最终转换为人们看到的今日宇宙，宇宙的诞生是最重要的宇宙学问题，同样，物质的诞生是最重要的物理学问题，宇宙和物质的起源一直困扰了从事理论思维和实验探索的科学家。怎样寻找问题的答案？核物理学不能在真实的场景中重现138亿年前宇宙诞生的场景，宇宙诞生是过去发生的宏大事件，人们不能以隔岸观火的方式观察在过去发生的真实物理事件，在物质世界的形成过程中，确实发生了很多重大的事件，但科学家也不是无所适从，有些核物理学家希望重新创造几乎接近了宇宙诞生的物理条件。

极早期的宇宙处于极致温度和密度的环境，模仿宇宙的诞生极其困难，借助相对论重离子对撞机（RHC）的帮助，物理家通过原子核的碰撞创造了几乎接近宇宙诞生时刻的极致物理条件，他们在布鲁克黑文国家实验室进行了原子加速器的实验，原子核在加速器内发生了每秒成千上万次的相互碰撞，从而制造了宇宙诞生初期的粒子羹汤物质态。实验物理学家借助了不同寻常的全能型加速器，在复杂而精致的探测器的帮助下，他们模拟了奇特粒子产生的条件。极早期的宇宙物质发生了奇异的变化，在原子核相互碰撞的区域，元宇宙的温度达到了万亿度，经过融化和凝结的粒子转变为人们现在熟知的物质态，通过对实验过程细节性的研究，他们希望发现融解的粒子汤转化为物质的机制，物质从粒子态到物质态的过度期发生了奇异的转化。

华人科学家许章布是RHC科学团队（STAR）的发言人之一，从事实验研究的物理学家许章布认为，RHC创造了对炙热粒子转化为物质进行探测的条件，在实验室的环境实现了不同能级的原子核发生相互碰撞的条件，《物理学评论通讯》杂志发表了科学团队的实验成果。“过度期”物质态的性质取决于所有碰撞粒子的能量水平。通过相位图的形式，他们描述了过渡期物质态的变化过程，研究和分析了核物理基础的强力。人们从字面意义理解了十分强力的概念。

强力是最强的一种自然基本力，它将原子核内的质子和中子结合起来，强力将质子和中子内的夸克和胶子结合起来。在普通的物质温度和物质密度环境中，强力将质子和中子内的夸克“幽闭”在复合体的原子核或在强子之内，质子和中子属于强子的范畴，但在极端温度和物质密度的环境中，强子被融化为夸克，强力的作用被消解，质子和中子内部的夸克有了自由释放的机会，它们摆脱了禁闭和约束的环境，自由的夸克开始发生相互的作用，从中组成了奇异的粒子。科学家建造原子加速器（RHC）的目的是研究强力的消解、粒子的变化和物质的生成。

核物质粒子的融化和凝结过程好似水物质形态的变化，水有三种形态，它们分别是固态、液态和气态，科学家在分析原子核粒子的变化时使用了类似于分析水物质形态变化过程的方法。人们在水的“三相图”可以看到一条反映温度和压力关系的曲线，图表表示了水的三种形态变化，曲线上的每一个点对应了温度和压力相互变化的关系，每一段曲线代表了水的不同形态。同样，在原子核粒子的相位变化图中出现了类似水的融化和凝固、蒸发和凝结的情形，物理学家在实验基础上描绘了原子核粒子变化的图形。

在原子粒子相位图的帮助下，物理学家找到了过度阶段的实际边界点，在不同边界范围寻找了原子核粒子形态的变化。在非常不同的温度和密度环境中，不同的原子核粒子有不同的相位。科学家在RHC实验室创造了极高温度和密度物理条件，他们使用了触发碰撞的两条光束，每条光束由金元素的原子核构成，金原子含有197个质子和中子。加速器内的每一组金原子的能量从200电子伏特（Gev）到77亿电子伏特（Gev），不同能级的射束粒子进行碰撞。STAR科学团队表示，原子核物质态的变化与宇宙大爆炸理论的预言有惊人的一致性，原子核粒子发生了相变，它们在不同能级上表现了非常不同的属性。

（编译：2021-4-14）