今天我们所看到的世界，并非一直如此。正如我们所知，宇宙起源于一场热大爆炸，在爆炸中原子不可能存活。到了大约140亿年后的今天，整个宇宙都已经变得非常冷，原子就可以存活下来了。存在一些局部的热斑，比如像太阳这样的恒星，那里的物质也不同于我们在相对寒冷的地球上发现的物质。我们甚至可以在粒子加速器的实验中模拟大爆炸后瞬间的极端条件，并观察物质的基本本源最初是如何产生的。然而，尽管物质的形式随着时间和空间的变化而变化，但基本的部分是共同的。物质是如何在寒冷（现在）、炽热（如太阳和恒星）以及极热（如最初的大爆炸的后果）中出现的，是本节（文）的主题。
在宏观物理中，我们用焦耳（J）计量能量，在大型工业中， 用兆焦耳或太焦耳计量能量。在原子物理、原子核物理和粒子物理中，所涉及的能量与前者相比微不足道。如果一个带电荷的电子被1V 的电池的电场加速，它将获得1.6×10−19J的能量。即使在接近光速的情况下，就像日内瓦欧洲核子研究中心（CERN） 的加速器那样，能量仍然只能达到10−8J，即一亿分之一焦的数量级。这样小的数字会产生混乱，所以通常使用不同的度量单位， 称为“电子伏特”（eV）。我们上面说过，当1个电子被1V 的电池的电场加速时，它将获得的能量为1.6×10−19J，我们就把它定义为1eV。
现在，涉及亚原子物理学的能量变得易于处理。我们称103eV为1千电子伏特或1keV；106eV为100 万电子伏特或1MeV；109eV为10 亿（千兆）电子伏特或1GeV；最新的实验是进入太（tera） 电子伏特或1012eV，即1TeV 的领域。
爱因斯坦的著名方程E=mc²告诉我们，能量与质量之间可以相互转化，“汇率”为c²，即光速的平方。电子的质量是9×10−31kg。这些数字再一次显得很混乱，所以我们用E = mc²来量化质量和能量，它给出单个电子静止时的能量是0.5MeV，我们习惯上称其质量为0.5MeV。在这些单位中质子的质量是938MeV，将近1GeV/c²。
▲ 温度和以电子伏特为单位的能量之间的对应关系
能量与温度也有着密切的联系。如果有大量的粒子相互碰撞， 不断将能量从一个粒子转移到另一个粒子，结果整群粒子就有了某个确定的温度。单个粒子的平均能量可以用eV（或keV等）表示。室温相当于约1/40eV，或0.025eV。也许使用1eV=104K会更容易用于度量温度，其中K指的是开尔文，温度的绝对测量值；绝对零度0K 约为−273℃（室温约为300K）。
用足够的能量向上发射火箭，火箭就能摆脱地球的引力。给原子中的一个电子足够的能量，它就能逃脱原子核的静电引力。在许多分子中，用几分之一电子伏特的能量就可以把电子释放出来。所以要做到这一点，室温就足够了，它是化学、生物学和生命的来源。氢原子将在能量低于1eV的条件下存在，换算成温度约为104K，这样的温度通常在地球上不会出现（除了一些特例，如工业的电炉、碳弧灯和一些科学仪器等），因此在这里原子是常态。然而，在太阳中心，温度约为107K，或能量为1keV，原子不能在这种条件下存在。
在1010K以上的温度，有足够的能量可以产生粒子，如电子。单个电子的质量为0.5MeV，因此它需要0.5MeV的能量才能“凝结”成电子。正如我们将在后面看到的，这不能自发地发生，一个电子和它的反物质对应物（正电子）必须成对产生。所以，要发生“正负电子对产生”需要1MeV的能量。类似地，要产生一个质子和它的反质子，需要2GeV能量。在今天的核实验室和粒子加速器中，这样的能量很容易产生，它们是早期宇宙的常态，也正是在那最初时刻，物质（和反物质）中的基本粒子形成了。
▲ 原子的内部。原子由一些电子远远围着中心的重原子核绕转而构成。原子核由质子和中子组成。质子带正电荷，中子不带电荷。反过来，质子和中子则由更小的称为夸克的粒子组成。根据我们最新的实验，电子和夸克似乎都是基本粒子，它们没有更深层次的组分。核物质的基本部件——夸克，与电子一起从大爆炸形成。宇宙迅速冷却，使夸克聚集在一起形成质子，于是下列过程发生：
e (电子) + p（质子）n（中子）+ ν（中微子）
人们观测到这些星系彼此在急速飞离，以致宇宙正在膨胀。根据膨胀的速度，我们可以回溯这个场景，推断出大约140亿年前， 宇宙曾被自身压缩。正是从这种极高密度状态发生的大爆发，被我们称为大爆炸（big bang）。在原始状态下，宇宙比现在热得多，今天的宇宙存在于温度约为3K的微波背景辐射中。将这一点与大爆炸后的膨胀图像相结合，这就给出了测量的宇宙温度随时间演化的函数。
在最初的大爆炸的十亿分之一秒内，宇宙的温度会超过1016K， 或者换算成能量为1TeV。在这样的能量下，物质和反物质被产生出来，包括今天不常见的奇特形式。其中大部分几乎立即就消失了，产生了辐射和大多数的基本粒子，比如电子和幸存下来的用于组成物质的夸克。
随着宇宙年龄的增长，它开始迅速冷却。在百万分之一秒内， 夸克以三个一组的形式聚集在一起，从那以后至今，它们一直保持这种状态。质子和中子就这样诞生了。大约3min后，温度下降到1010K左右，即能量为1MeV，这样的“冷却”足以让质子和中子黏合在一起，形成（尚未完成的）元素的种子核，形成了一些轻核，如氦以及少量的铍和硼。最简单和最稳定的质子是最常见的，它们在引力作用下聚集成球状天体，我们称之为恒星。在这里重元素的原子核会在接下来的数十亿年里被制造出来。在（《简说粒子物理》）第9章中，我们将描述这些恒星中的质子如何相互碰撞，聚集在一起， 并通过一系列过程产生出较重元素的种子核：首先是氦，最后是较重的一些元素，如氧、碳和铁。当这些恒星爆炸和死亡时，它们会向宇宙中喷射出各种种子核，这些就是你皮肤中的碳和我们空气中的氧的来源。
现在太阳正在经历这个故事的第一部分。50亿年以来，它一直在将质子转化为氦核，到目前为止，已经消耗了大约一半的核燃料。它的核心的温度与宇宙刚诞生几分钟时间的温度相近，所以今天的太阳保持着宇宙很久以前的样子。
原子不能在太阳的深处存在，也不能在早期宇宙中存在。直到大约30万年过去了，宇宙才冷却到足以让这些原子核俘获周围的电子而形成原子。这就是今天地球上的情况。
本文摘编自《简说粒子物理》[ (英) 弗兰克·克洛斯(Frank Close) 著 ; 刘翔等译. 北京 : 科学出版社, 2022.9]一书“第2章 ‘大’有多大？‘小’有多小？”，有删减修改，标题为编者所加。
ISBN 978-7-03-073074-9
《简说粒子物理》是牛津大学教授弗兰克·克洛斯（Frank Close）的一部介绍粒子物理的科普作品。弗兰克·克洛斯曾担任卢瑟福·阿普尔顿实验室的理论物理学部门负责 人，曾荣获不列颠帝国官佐勋章（OBE）和英国物理学会开尔文奖。由于在物理学科普方面的突出贡献，他获得了英国媒体评出的2007年最佳科普写作奖（Sygenta Prize）。本书用简洁生动的语言描绘了我们肉眼不能企及的粒子物理的微观世界。读者能够从中了解粒子物理的研究对象、独特的研究方式和手段，以及目前我们所知道的对物质世界的基本认识。此外，本书也对粒子物理所要面对的问题和挑战进行了展望。无论你是对粒子物理感兴趣，亦或是物理学工作者，阅读本书都会让你有所收获。
（本文编辑：刘四旦）
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