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多高温度能把质子烫坏?

Pixabay / CC0

多高温度能把质子烫坏掉?

子乾,兴趣使然的科普

这个问题对于质子和中子都是一样的:大约为 2 万亿度!


这是一个很好的问题,其中涉及到了强相互作用在低能下的重要性质:夸克禁闭

这个问题对于质子和中子都是一样的:也就是说能烫坏质子的温度也能烫坏中子。

不过此处还是严谨一点:在什么样的温度下,质子 / 中子无法稳定存在?

换成通俗易懂的话:在什么温度下,质子 / 中子会熔化?

1、首先来看一下基本的物质结构。

一滴水里包含了大量的水分子,水分子是由两个氢原子和一个氧原子构成的。氧原子是由原子核和核外电子构成的;原子核一般是由质子和中子构成的;质子和中子都是由夸克构成的,夸克与夸克之间通过胶子传递相互作用。夸克胶子之间的相互作用是强相互作用。

电磁力是随着距离的增大而减小的,换句话说,当两个电荷的距离无穷远时,它们之间就没有相互作用了。而与电磁力不同,两个夸克之间的强相互作用并不会随着距离的增加而减小。考虑两个非常重的夸克,那么这两个重夸克的势能随着距离的变化如下图所示[1]

两个重夸克之间的等效作用势能。其中 r0=0.5fm.

上面夸克之间的势能关系叫做「康奈尔势」。通过上图可以看出,随着夸克之间的距离增加,夸克之间的势能接近线性增大,简单的理解,在把夸克相互分离的过程中,提供的能量就会不断增加,最终当提供的能量大于激发两个新夸克的能量时,一个强子[2]就变成了两个强子。我们还是看不到夸克!如下图所示:

在实际中,我们只能观测到由夸克构成的强子(包括质子和中子),而无法得到单独的夸克。这样的现象就叫做夸克禁闭

2、那么夸克会永远被禁锢在强子中吗?

这么说也不完全正确,当在某种极端的条件下,夸克就有可能从禁闭相转变到退禁闭相,也就是发生了相变。其中一个重要的条件就是高温。

这一点可以这样理解:在低温下,只会存在由夸克构成的强子,夸克只能在强子内部运动而无法跑出强子;逐渐升高温度,就会从真空中激发出越来越多的强子。当温度上升到一个临界值时,大量的强子开始出现重叠,这样夸克就能在不同的强子之间穿梭,变成近似自由的夸克。物质也就由强子相转变成夸克胶子等离子体[3]相,如下图所示

当处于夸克胶子等离子体相时,质子 / 中子就无法稳定存在。从外界把一个质子 / 中子扔到这里面,就可以认为质子 / 中子被烫坏了。而系统由强子转变为夸克胶子等离子体的相变温度[4],大约为 换成摄氏度为: 也就是 2 万亿度!

(注:由于条件的不同,比如说考虑夸克的味道数是 2,即只考虑 u 和 d 两味夸克,或者味道数为 3,即考虑 u、d、s 三味夸克,这个温度是不同的;另外,这个「相变温度」在此处也不是非常明确的概念,如何定义也有一定的自由,在不同的定义下结果也不相同。但是不管如何,这个温度的数量级都是万亿度)

这个温度有多高呢?与之对比,我们先来看几个典型的温度:

对于室温的情况,;太阳表面温度 ;太阳内部温度 ;核弹爆炸能达到 

所以能把质子 / 中子烫坏的温度是非常之高的,即使像核爆这样的能量也完全无法熔化掉质子 / 中子。

3、如何产生如此高温?

自然界中曾经存在过这样的高温,那就是宇宙大爆炸初期。

据估计,在极早期宇宙,宇宙的温度大于 ,而这个相变温度大约发生在宇宙的  左右。

宇宙温度随着时间的变化

当然,宇宙中这样的温度只存在极早期的宇宙中,而现在已经没有了。

除了早期宇宙,我们还可以在对撞机中产生这样的高温,通过两束重离子(比如金原子核)对撞。通过重离子对撞,产生出局部的高温物质进行研究。这样的中间状态,大家相信与宇宙大爆炸初期宇宙的状态非常相似:

另外,对于这样的温度很多人都会问,什么样的容器能够装的下这团夸克胶子等离子体?实际上没有任何的容器能做到,但是这样的过程在对撞机内瞬间就结束了,从发生对撞到被探测器探测到这段时间,重离子熔化、碰撞、冷却、强子化全部完成,整个过程是飞秒()这样的量级,所以不需要任何容器去装这团物质。

在美国的布鲁克海文国家实验室(BNL)的相对论性重离子对撞机(RHIC)和欧洲核子研究中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)上都可以进行这样的重离子对撞。

美国布鲁克海文国家实验室(BNL)的相对论性重离子对撞机(RHIC)

4、其它

除了高温破坏掉质子 / 中子外,还可以通过高压 / 高密破坏。原理也是类似的:强子的密度增加到一定程度后,它们之间就开始出现重叠,夸克就能在不同的强子之间穿梭。

而这样的高密环境也可以在对撞机中产生。通过调节对粒子的对撞能量,就可以条件产生物质的温度和密度。

除此之外,在中子星内部也存在着这样的高密环境。但是在这样高密之下,由大量夸克构成的物质的性质,到目前为止还是一个谜。

(来源[5]

上面提到的夸克禁闭」是强相互作用在低能下的一个重要性质,除此之外,还有另一个重要性质,即手征对称性自发破缺」,后者与 QCD 相变也有着非常重要的关系,但是这一点理解起来比较困难,所以本文就没有说明。对相关内容有兴趣的可以参考本人相关回答:

足够高的高温可以「融化」原子核吗?

夸克能单独存在吗?

质子内部到底是什么样的?