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宇宙诞生的最初的几微秒究竟发生了什么?


几年前,数百位科学家齐聚美国长岛的布鲁克海文国家实验室中,利用一台威力强大的新粒子加速器,来模拟宇宙创生时刻的环境。这台加速器被称为“相对论性重离子对撞机”

宇宙诞生的最初的几微秒究竟发生了什么?

(缩写为RHIC,读作“瑞克”),它让两束接近光速运行,但方向相反的金原子核迎头相撞。这些原子核之间的成对碰撞,产生拟了大爆炸(the big bang)最初几微秒内发生的情况。这些短暂的微型大爆炸(mini bang)给物理学家提供了近距离观察创世之初的绝佳机会。

宇宙诞生的最初的几微秒究竟发生了什么?

在大爆炸的最初10微秒内,宇宙由一片沸腾的基本粒子海洋构成,它们被称作夸克和胶子。从那一刻到现在,夸克和胶子都一直被囚禁在构成原子核的质子和中子的内部。

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几年前,通过将金原子核接近光速地对撞在一起,相对论性重离子对撞机(RHIC)所做的实验已经在一个微观尺度上,重新创造出所谓的夸克-胶子等离子体。令物理学家大跌眼镜的是,这些微型大爆炸中产生的介质,行为方式并不像气体,更像是一种几近理想的液体。

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这些结果意味着,极早期宇宙模型也许不得不进行修正。在从事与夸克和胶子有关的计算时,物理学家所做的一些简化假设也需要重新检验。

数以千计的粒子从两个金原子核之间的一场超高能对撞中倾泻而出,被RHIC的STAR探测器拍到。碰撞时的环境模拟了大爆炸最初几微秒的情况。

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在宇宙诞生之初,物质是一种超炽热、极致密的东西,由一些被称为夸克(quark)和胶子(gluon)的粒子组成,它们到处乱跑,横冲直撞。少量的电子、光子和其他较轻的基本粒子给这锅“浓汤”配上了调料。这种混合物的温度高达上万亿摄氏度,比太阳核心还要炽热10万倍以上。

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但是,温度会随着宇宙的膨胀而直线下降,就像今天一团普通气体在迅速膨胀时会冷却一样。夸克和胶子的速度大为减慢,以致其中一部分开始能暂时地粘连在一起。将近10微秒时间流逝之后,夸克和胶子被它们之间的强作用力(strong force)捆绑在一起,永久地囚禁在质子(proton)、中子(neutron)和其他强相互作用粒子之中,物理学家将它们统称为“强子”(hadron)。物质属性的这种突然改变被称作相变(phase transition,比如液态水冻成冰就是相变)。从最初的夸克-胶子混合物转变成平凡的质子和中子,宇宙的这场相变引起了科学家浓厚的兴趣,其中一些人想寻求线索来理解宇宙演化成目前高度有序状态的过程,另一些人则希望更好地了解夸克和胶子所涉及的基本作用力。

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质子和中子构成了今天的每一个原子核,它们都是那片原初粒子海洋遗留下来的水滴,是微小的亚原子囚室——夸克左冲右突,却被永远地囚禁其中。即使在剧烈碰撞中,夸克看似就要脱缰而出,新的“墙壁”又会形成,将它们继续禁锢在一起。尽管许多物理学家都曾尝试释放它们,但还没人亲眼目睹过一个孤单的夸克独自从粒子探测器中滑过。

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RHIC为研究人员提供了一个绝好的机会,来观察从质子和原子中释放出来的夸克和胶子,它们处于一种集体的准自由态(quasi-free state),就像宇宙最初几微秒内的物质一样。理论学家最初将这种混合物称为夸克-胶子等离子体(quark-gluon plasma),因为他们预计混合物的行为会像一团超炽热的带电粒子气体(即等离子体),就像闪电内部的气体一样。通过把重原子核对撞在一起,创造出短暂释放夸克和胶子的微型大爆炸,RHIC起到了时间望远镜的作用,使我们得以窥探刚出生的宇宙。那时超高热、极致密的夸克-胶子等离子体还占据着绝对优势。目前RHIC最令人吃惊的发现是,这种奇异物质的行为似乎更像一种液体,而不是气体——尽管这种“液体”的性质非常独特。

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