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科学探索

夸克有物质状态吗

科学探索万象经验2023-05-08

我们常见的物质状态有三种:固态、液态和气态,它们是相同元素或分子根据其化学键的强度占据的不同状态。固体中的强键使材料保持刚性,但加热后这些键会断裂并留下较弱的键,使粒子之间可以彼此流动,这就是液体。进一步加热它,弱键断裂,粒子在空间自由飞行。瞧,这是一种气体。

你们中的一些人可能还知道,如果我们继续升温,电子从原子中分离出来,在此过程中破坏所有分子键并产生等离子体。于是,我们似乎得出结论,物质状态只是原子可以处于的不同状态。但是等等,质子和中子内部的夸克是“物质”,那它们是什么状态?它是否取决于它们所属的原子的物质状态?

要回答这些问题,我们最好弄清楚物质的状态是什么。如果要根据在学校学到的物质状态(固态、液态、气态和等离子)来进行推理,那么一个简单的模式是显而易见的。温度的变化会导致状态或相的变化,相变发生在材料特定的温度和压力下。考虑物质相与温度和压力的二维关系,并把它制成图,我们称之为相图。

相图向我们表明,物态远比固体、液体、气体要复杂得多。一方面,物质存在秘密的隐藏状态。例如,在高于临界点的温度和压力下,气体和液体之间的界限变得模糊,我们拥有一种具有两者特性的超临界流体。

如果我们继续提高等离子体的温度会发生什么?等离子体仍然由复合粒子组成:电子和原子核。就像我们在制造等离子体时撕裂原子一样,如果我们将温度提高到足够高,我们就可以撕裂核子。我们将需要大约7万亿开尔文的高温,这就是所谓的哈格多恩温度,因为核子的结合能极高。

当我们达到该温度时,夸克从核子中剥离出来,产生夸克-胶子等离子体,这是我们能得到的下一个状态。胶子和夸克之间的相互作用仍然很重要,因此夸克-胶子等离子体的行为更像是一种液体。我们经常在粒子加速器中制造这种东西,但数量非常少。然而,在非常早期的宇宙中,一切都是夸克-胶子等离子体,在大质量中子星的核心中也可能如此。