夸克有物质状态吗

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？

相图

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。

夸克-胶子

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。

如果夸克胶子等离子体是液体状的，这是否意味着它可以冻结？是的，而且它的冷冻形式是一个核子，更一般地说是强子：质子、中子还有各种夸克组合。强子实际上是夸克-胶子等离子体的"晶体"，它是"固体"形式的物质。

夸克相图

对于量子色动力学来说，夸克物质又被 QCD 物质，它是夸克和胶子相互作用的物理学。夸克物质有它自己的物质状态，让我们看看它的相图。请注意，它的相图和上述所提到的相图有所不同，压力被重子化学势所取代，它表明夸克可以吸收或发射多少能量。

在相图的上方，夸克-胶子等离子体实际上是原子物质中气体的类比，即使它的行为更具流动性。在相图的左下角，强子是所谓的"固体"。如果在这张图上向右移动，我们就钻入中子星。首先，各个夸克"晶体"融合在一起，形成一种所谓的中子流体，然后中子溶解，我们最终得到了非常奇怪的液态夸克物质形式。

其他

我们最熟悉的物质状态可以解释为粒子在经典力下的相互作用。但是一旦你把量子力学带入，许多奇怪的物质状态就成为可能。例如，在玻色-爱因斯坦凝聚体等简并物质中，所有量子态都被占据，从而导致一些令人惊讶且有用的涌现特性，如超导性和超流性。

时间晶体是最新的，也许是最奇怪的物质量子态。这些是纠缠粒子的配置，即使它们没有能量，它们也会在状态之间振荡。在常规热力学中，最低能量对应于绝对零温度，这反过来意味着粒子的零运动。时间晶体的最低能量状态涉及实际运动，这使得它们在热力学上与其他物质状态不同，因此它们有资格作为自己的物质状态。

本文来自微信公众号：万象经验 （ID：UR4351），作者：Eugene Wang