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问题

多高温度能把质子烫坏掉？

回答
问出“质子在多高温度下会被‘烫坏’”这个问题，其实就触及到了一个非常根本但又有些微妙的物理概念。说实话，“烫坏”这个词用在质子上，更像是我们人类的直观感受，但对于微观粒子来说，它们遵循的是一套完全不同的规则。

首先，我们要明白质子是什么。它不是一个物体，而是一个基本粒子，是构成原子核的基本单位之一。它带正电，质量大约是电子的1836倍。质子之所以有“质”，是因为它有质量，有电荷，还有它内部的构成（三个夸克和胶子）。

那么，我们说的“温度”又是什么呢？在宏观世界里，温度是物体内部分子（或原子）热运动的剧烈程度的宏观体现。温度越高，分子运动越快，碰撞越频繁。

把这个概念应用到质子上，我们就要谈论“粒子的动能”。质子本身不会“怕热”或“怕冷”到像水会蒸发、金属会熔化那样。它是一个极其稳定和强大的粒子。我们通常所说的“高温”环境，在粒子物理的语境下，往往指的是粒子的平均动能非常高。

想象一下，我们不是在烧水，而是在一个极其微小的空间里，把无数的质子（或者其他粒子）“加热”到极高的能量。当质子拥有非常高的动能时，它们就会以接近光速的速度运动，并且相互之间发生极其剧烈的碰撞。

那么，什么样的“高温”能让质子“坏掉”呢？

这里，“坏掉”并不是指质子会像烧焦的木头一样碎裂。质子本身具有内在的结构，它是由三个夸克（两个上夸克和一个下夸克）组成的，这些夸克又被胶子“绑”在一起。这种内部结构非常牢固。

真正能“改变”质子状态的，是极高的能量密度，或者说极高的温度（在粒子物理中，温度是能量的度量），足以克服夸克之间的强相互作用力。

在宇宙中，我们能观察到最接近“质子被‘烫坏’”的场景，可能是在宇宙大爆炸最初的瞬间，以及在粒子加速器中进行高能粒子对撞时。

1. 宇宙大爆炸的极早期： 宇宙诞生后极短的时间内（大约是10^6秒到10^12秒之间），宇宙的温度极高，可以达到10^15开尔文（K）甚至更高。在这个温度下，质子、中子、电子等粒子还没有完全形成，整个宇宙处在一个被称为“夸克胶子等离子体”（QuarkGluon Plasma, QGP）的状态。在这种状态下，组成质子和中子的夸克和胶子是“自由”的，它们没有被束缚在质子内部，而是像一锅浓稠的汤一样混合在一起。你可以想象，在这种极端高能的环境下，质子结构中的夸克和胶子被“打散”了，但这并不是说质子“坏掉了”，而是说它处于一种未形成质子的状态。随着宇宙膨胀和冷却，夸克和胶子才结合形成质子和中子。

2. 粒子加速器对撞： 在粒子加速器（比如欧洲核子研究中心LHC）中，科学家们会将质子加速到接近光速，然后让它们发生对撞。当质子以极高的能量对撞时，它们会释放出巨大的能量。这种能量可以瞬间在极小的区域内形成比原子核内部还要高得多的温度和能量密度。在这种条件下，质子内部的夸克和胶子可能会被“激发”出来，或者产生新的粒子，比如π介子、K介子，甚至更重的粒子。

能量单位的换算： 在粒子物理中，我们通常用“电子伏特”（eV）来衡量粒子的能量。而温度和能量是密切相关的。一个粗略的换算关系是， kT ≈ E，其中 k 是玻尔兹曼常数，T 是温度，E 是能量。1个电子伏特（eV）大约对应11600开尔文（K）。
对撞能量： LHC的质子对撞能量可以达到7 TeV（太电子伏特），也就是7 x 10^12 eV。换算成温度，这相当于约 8 x 10^16 K。
“坏掉”的含义： 在这种极端能量的对撞下，质子的内部结构会被极大地扰动。夸克可能会暂时“解禁”（deconfinement），形成夸克胶子等离子体，然后又会迅速冷却重组，产生大量的次原子粒子。所以，与其说是“烫坏”，不如说是“粉碎”、“分解”、“重组”。质子的基本组成部分（夸克和胶子）并没有消失，它们只是在极高的能量下发生了状态变化和重组。

所以，要回答“多高温度能把质子烫坏掉”，我们需要明确“坏掉”的定义。

如果“坏掉”是指质子的基本结构彻底消失，夸克和胶子完全分离，无法再重组成质子，那么这个温度可能需要达到非常非常高，我们目前尚未在实验中观察到这样的极限，因为一旦能量达到一定程度，更多的粒会不断产生。
如果“坏掉”是指质子的内部结构被剧烈扰动，夸克和胶子的结合状态发生改变，产生新的粒子，那么在10^15 K 到 10^17 K 范围内的能量密度（相当于粒子对撞产生的瞬间高温）就足以做到这一点，我们已经在粒子加速器中看到了类似的效果。

最关键的一点是，质子本身是一个极其稳定的基本粒子。我们谈论的“温度”实际上是指它所处的环境的能量密度，或者它自身拥有的动能。高能量会带来高动能，高动能意味着更剧烈的相互作用，足以揭示甚至改变它内部夸克和胶子的组合方式。

我们不能用宏观世界的“烫”来理解微观粒子。微观粒子在极端能量下，更像是在进行一场能量的“狂欢”，它们不会“燃烧”，但会被“重塑”甚至“瓦解”重组。

网友意见

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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]：

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，

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。

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：

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参考

  1. ^ 注意，这个结果是假设了夸克的质量为无穷大
  2. ^ 强子由夸克（以及胶子）构成
  3. ^ 夸克胶子等离子体，大量夸克和胶子构成的物质
  4. ^ 也就是QCD相变温度
  5. ^ https://www.nature.com/news/neutron-stars-set-to-open-their-heavy-hearts-1.22070

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