宇宙最初几微秒
在最近的原子核对撞实验中，物理学家复制出宇宙诞生最初几微秒内的环境。他们惊奇地发现，当时充斥宇宙的，并不是理论学家先前推测的理想气体，而是一种近乎完美的理想液体。
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。
撰文 迈克尔.赖尔登(Michael Riordan)
威廉.A.扎伊奇(Willian A.Zajc)
过去五年来，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”(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，产生出 极其炽热和致密的物质能量爆发，模拟了大爆炸(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。
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℃，比太阳核心还要炽热10万倍以上。
过去五年来，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”(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，产生出 极其炽热和致密的物质能量爆发，模拟了大爆炸(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。
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℃，比太阳核心还要炽热10万倍以上。
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，比如液体水冻成冰就是相变)。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。
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。
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。
释放夸克
1977年，理论学家史蒂文?温伯格(Steven Weinberg)出版了他的经典著作――讲述早期宇宙物理学的《最初三分钟》(The First Three Minutes)。当时，他拒绝给宇宙最初的1/100秒作任何决定性的结论。“我们只是对基本粒子物理了解得还不够，没有任何把握能计算出这种混和物的性质，”他遗憾地说，“因此我们对微观物理的无知就像一层面纱，阻断了我们遥望宇宙开端的目光。”
但是，就在20世纪70年代，理论和实验的突破很快开始揭开这层面纱。不仅质子、中子和其他所有强子，都被发现包含着夸克；而且，一种有关夸克 之间强作用力的理论――所谓的量子色动力学(即QCD)也在70年代中期浮出水面。这种理论假定被称为胶子的8种假想的中性粒子，在夸克之间飞来飞去，传 递着无情的作用力，将夸克禁闭在强子内部。
QCD理论格外迷人的地方就在于，与常见作用力(比如引力和电磁力)的行为相反，这种结合力会随着夸克彼此靠近而变弱――物理学家把这种古怪的 反常行为称作渐近自由(asymptotic freedom)。这意味着，当两个夸克之间的距离远远小于一个质子直径(约10-13厘米)时，它们受到的作用力会减小，物理学家就可以依靠标准的技术 将作用力计算得非常精确。只有当夸克开始远离它的同伴时，这种力量才会真正变强，将这个粒子猛拉回来，就像一只脖子被拴住的狗一样。
在量子物理中，粒子之间的短距离是与高能碰撞联系在一起的。因此，在高温下，当粒子被紧紧地挤压在一起，彼此之间不断地发生高能碰撞时，渐近自由就变得很重要了。
QCD的渐近自由比其他所有因素都更为重要，正是它让物理学家揭开了“温伯格的面纱”，推算出宇宙诞生后最初几微秒内的情景。只要温度超过大约 10万亿摄氏度，夸克和胶子的行为实际上就完全独立了；甚至在更低的温度下，比如2万亿摄氏度时，夸克应该也可以单独游荡――尽管那时，夸克应该开始感受 到QCD约束力在扯它们的后腿了。
为了在地球上模拟出这种极端环境，物理学家必须再现宇宙诞生最初几微秒内超高的温度、压强和密度。对一群相同的粒子来说，温度实际上就是单个粒 子的平均动能，而压强则随着这群粒子的能量密度增大而增长。因此，通过将尽可能多的能量挤压到尽可能小的体积中，我们就拥有了模拟大爆炸条件的最佳机会。
幸 运的是，大自然提供了唾手可得的、极其致密的物质团块――原子核。如果你能设法聚集起大拇指尖那么多的核子物质，它将重达3亿吨！30年来，利用诸如铅、 金之类的重原子核进行的高能对撞实验，已经证明碰撞发生时的密度，远远超过普通的核子物质，所引起的温度可能也超过了5万亿摄氏度。
每个重原子核包含的质子和中子总数大约为200个，它们碰撞所产生的“炼狱”，要比单个质子的碰撞(常用于其他的高能物理实验)巨大得多。这种 重离子碰撞产生的，不是只有几十个粒子飞散出来的小型爆炸，而是一团包含着上千个粒子的沸腾火球。足量的粒子纠缠在一起，使得这团火球的集体性质――温 度、密度、压强和黏度(它的黏稠度或抵抗流动的能力)，变成了能够利用的重要参数。这种区别很重要――就像少量孤立的水分子和一整滴水之间的性质差异一 样。
RHIC实验装置
由美国能源部出资、布鲁克海文国家实验室运转的RHIC，是产生和研究重离子碰撞的最新设备。较早的核子加速器将重原子核束射向固定的金属标 靶。RHIC则大不相同，它是一台可以让两束重原子核对撞的粒子对撞机。对于速度相同的粒子来说，迎头相撞产生的能量要大得多，因为所有可用的能量都投入 到制造破坏上了。这很像是两辆超速行驶的汽车迎头相撞的情景――它们的动能被转化成四处飞溅的零件和残骸的随机热能。
当核子处于RHIC产生的相对论性高能状态时，以超过99.99%的光速运行，其中每个质子或中子的能量，都高达100吉电子伏特 (GeV，1GeV大约相当于一个静止质子的质量)。两排共870块超导磁铁，在数吨液氦的冷却下，驾驭着粒子束围绕两个相互交错的全长3.8千米的圆环 旋转。这些粒子束会在圆环交错的其中4个位置上发生碰撞。4台先进的粒子探测器――BRAHMS、PHENIX、PHOBOS和STAR，在这些撞击点上 记录着从剧烈碰撞中飞溅出来的亚原子碎片。
当两个金原子核以RHIC所能达到的最高能量迎头相撞，它们会将总量超过两万GeV的能量，倾注到一个直径只有万亿分之一厘米的微观火球之中。 这些核子以及构成它们的质子和中子会真正熔化，从所有可用的能量中，创造出更多的夸克、反夸克(antiquark，夸克的反物质)和胶子。一场典型的对 撞会短暂地释放出超过5,000个基本粒子。碰撞瞬间产生的压强极其巨大，是大气压强的整整1030倍，火球内部的温度也会激增到上万亿摄氏度。
但在大约5×10-23秒之后，所有的夸克、反夸克和胶子都会重新结合成强子，向外飞散，溅到周围的探测器上。在强大计算机的帮助下，这些实验 设备试图尽可能多地记录下抵达探测器的上千个粒子的信息。其中两套实验装置――BRAHMS和PHOBOS相对较小，专门观测这些碎片的特殊性质。另外两 套――PHENIX和STAR，则围绕着巨大的通用设备而建，这些设备用上千吨磁铁、探测器、吸收器和防护设备塞满了3层楼高的实验大厅。
4套RHIC实验装置是由不同国际小组设计、建造和运行的，它们拥有60到500多位数量不等的科学家。每个小组都采用了不同方法，来处理异常 复杂的RHIC事件所设下的艰巨挑战。BRAHMS合作小组选择专注于残留下来的原始质子和中子，它们高速前进的方向与碰撞前的金原子核相近。 PHOBOS刚好相反，它在尽可能广阔的角度范围内观测粒子，研究它们之间的关联。STAR围绕着世界上最大的“数码相机”而建，是一个巨型气柱，可以为 射入粒子束轴(beam axis)周围很大半径范围内的所有带电粒子，提供三维图像［译注：这里的三维图像实际上是带电粒子的飞行轨迹］。而PHENIX则搜寻着碰撞极早期产生 的特殊粒子，它们能够从夸克和胶子的沸腾熔炉中安然无恙地脱逃。因此，这些特殊粒子为火球的内部深处提供了某种类似于X射线的透视图像。