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。

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。

意外的收获

4个实验装置显现出的物理图像是一致的，也令人感到意外。夸克和胶子确实摆脱了束缚，表现出集体行为，尽管这种集体行为转瞬即逝。但这种炽热混合物的行为更像是一种液体，而不是理论学家先前预期的理想气体。

两个金原子核之间迎头相撞所产生的能量密度惊人，大约是原子核本身的100倍——这主要是由相对论引起的。从实验室中观察，就在两个核子相遇之前，因为相对论效应，它们都被压扁成质子和中子的超薄圆盘。因此在撞击的瞬间，它们所有的能量都被硬塞进一个极小的空间之中。物理学家估计，碰撞产生的能量密度至少是释放夸克和胶子所需能量密度的15倍。这些粒子立刻开始向四面八方飞溅，彼此反复冲撞，从而将能量重新分配成一种更符合热力学分布的形式。

这种炽热、致密的介质迅速形成的证据，来自于一种被称作喷注淬灭(jet quenching)的现象。当两个质子在高能情况下相撞时，其中一些夸克和胶子几乎会迎头相撞，并且反弹回去，形成背对背出现的狭长强子“飞沫”(被称为喷注)，它们会朝着相反的方向喷溅而出。但在金原子核对撞中，PHENIX和STAR探测器只看到了喷注对的半边。“孤独”的喷注表明，个别的夸克和胶子确实发生了高能碰撞。可另一个喷注在哪里？反弹回去的夸克和胶子一定是穿过了刚刚形成的炽热、致密的介质；通过多次与低能夸克和胶子亲密接触，它的高能量会被消耗。这就好像将一颗子弹射入一个水箱，几乎子弹所有的能量都被缓慢移动的水分子吸收，它就无法贯穿水箱，从另一侧出来。

夸克—胶子介质的行为方式类似于液体，这种迹象很早就出现在RHIC实验之中，表现为一种称为椭圆流(elliptic flow)的现象。原子核的对撞常常会稍稍偏离中心，这种情况下，出现在探测器中的强子，会呈现一种椭圆形的分布。更多的高能强子会在相互作用平面内喷溅而出，而不是垂直于平面喷射出来。椭圆图案表明，巨大的压强梯度一定在夸克—胶子介质中发挥着作用。它还表明，形成那些强子的夸克和胶子，在重新变回强子之前，表现出了集体行为。它们的行为方式就像一种液体——也就是说，并非一种气体。如果是气体，强子应该会均匀地出现在各个方向上。

夸克—胶子介质的这种液体行为方式一定意味着，在它们形成之后疯狂自由的时刻，这些粒子彼此间发生着相当强烈的相互作用。碰撞后，由于QCD的渐近自由，它们之间作用力减弱了，但这些初获自由的粒子数目激增，显然使这种作用力的变化被淹没在粒子的洪流之中。就好像我们可怜的囚徒终于冲破了牢笼，却不幸地发现自己赶上了一场监狱大堵塞，与其他所有越狱者都堆挤在一起了。由此产生的紧密关联的步调正是液体才会出现的情况。这与朴素的理论图景背道而驰——后者最初将这种介质描绘成一种几近理想的、相互作用微弱的气体。椭圆不对称性的细节特征还暗示，这种惊人的液体流动起来几乎没有黏度，可能是迄今观测到的最理想的液体。

理论图景浮现

夸克和胶子液体被挤压到几乎难以想象的密度，并且接近光速向外爆炸，计算其中发生的强相互作用是一项非常艰巨的挑战。一种方法是，利用专为此设计的大型微处理器集群，对QCD方程进行数值计算。在这种所谓的格点QCD(lattice-QCD)方法中，空间用一种离散的格点来近似(就像Tinkertoy的结构，这是一种用点线组合来构建中空的模型)。QCD方程就可以在格点上通过逐次近似而求解。

使用这种技术，理论学家已经将压强和能量密度之类的属性，计算成了温度的函数；当强子转变成夸克—胶子介质时，每个属性的数值都会显著增长。但是，这种方法最适合处理的是静态问题，其中的介质处于热力学平衡之中，不像RHIC的微型大爆炸这样会迅速改变状况。即便是最成熟的格点QCD计算，也无法处理喷注淬灭和黏度这样的动态特征。尽管我们预期一个强相互作用粒子系统的黏度很小，不过根据量子力学，它不可能完全为零。但是“它能够低到什么程度”，现在已经证明，要解答这个问题非常困难。

值得注意的是，一个意想不到的领域——量子引力的弦论，已经为此伸出了援手。美国新泽西州普林斯顿高等学术研究院的理论学家胡安·马尔达西那(Juan Maldacena)有一个非凡的猜想，已经将一个卷曲的五维空间中的一种弦论，与存在于这个空间的四维边界上一种类似QCD的粒子理论，令人吃惊地联系起来[参见《科学美国人》2005年11月号胡安·马尔达西那所著《重力幻觉》一文]。尽管两种理论似乎描述着物理学中完全不同的领域，但它们在数学上是等价的。当类似QCD的作用力变强时，与之对应的弦论就会变弱，因而更便于计算。一些在QCD理论中难以计算的物理量，例如黏度，在弦论中拥有更容易处理的对应物(在这个例子中，对应物就是一个黑洞对引力波的吸收)。针对所谓的比黏度(specific viscosity，代表了溶质对溶液黏度的影响)，这种方法得出了一个非常小、但不为零的下限——大约只有超流态液氦(superfluid helium)的1/10(超流态液氮是目前实验室中制造出的最理想的液体，这一数据正是暗示夸克-胶子介质有可能取代它的地位)。弦论很有可能会帮助我们理解夸克和胶子在大爆炸最初几微秒内的行为方式。

未来的挑战

令人吃惊的是，迄今遇到的最炽热、最致密的物质，远比其他所有已知的液体更臻于完美。这种现象发生的过程和原因，是RHIC的物理学家现在面临的巨大实验挑战。这些实验取得的大量数据，已经迫使理论学家开始重新考虑一些有关宇宙早期物质的珍贵想法。在过去，大多数计算都将自由夸克和胶子当作理想气体，而不是液体来处理。QCD理论和渐近自由本身并没有受到威胁——没有任何证据让人怀疑这些基本方程的正确性。引起争议的，只是理论学家从方程中提取结论的那些技巧和简化假设。

为了解决这些问题，实验者正在研究微型大爆炸中出现的不同种类的夸克，特别是那些较重的品种。1964年，科学家预言夸克存在时，认为它们可以分成三类：上夸克(up)、下夸克(down)和奇异夸克(strange)。它们的质量都低于0.15 GeV，因此这3种夸克和它们的反夸克会在RHIC对撞中大量出现，而且数量大致相同。另两种夸克—粲夸克(charm)和底夸克(bottom)，发现于20世纪70年代，质量要大得多，分别约为1.6 GeV和5 GeV。依据E = mc2，产生这些重夸克所需的能量要大得多，所以它们出现在微型大爆炸的较早时期(当时的能量密度较高)，产生几率也低得多。如此罕见使它们成为颇具价值的示踪剂，可以追踪微型大爆炸演化初期显示出的流动模式和其他性质。

PHENIX和STAR实验装置很适合这类细致的研究，因为它们能够探测高能电子和其他一些被称为μ子(muon)的粒子，它们通常在重夸克的衰变中出现。物理学家追溯它们和其他一些衰变粒子，找出发源地，就能提取出产生这些粒子的重夸克的重要信息。重夸克质量更大，流动模式和行为方式可能与数量大大超过它们的表亲不同。测量这些差异，将有助于确定预期很小的残留黏度(residual viscosity)的精确数值。

粲夸克拥有另一种可以帮助探测夸克—胶子介质的特性。通常大约1%的粲夸克一经产生，就会与一个反粲夸克紧紧拥抱在一起(译注：粲夸克和反粲夸克被成对地束缚在一起)，形成一种被称为J/psi的中性粒子。两个同伴的间隔大约只有质子半径的1/3，因此J/psi的产量应该对夸克间短距离上的作用力相当敏感。理论学家预期这种作用力会减小，因为周围的一大群轻夸克和胶子倾向于将正反粲夸克隔离开来，这使得J/psi的产量更低。最近PHENIX的实验结果表明，J/psi粒子确实会溶解到这种液体中，就像先前在瑞士日内瓦城附近的欧洲核子中心(CERN)中观测到的现象一样 [参见《科学美国人》2000年4月号格雷厄姆·P·柯林斯所著《自由夸克的火球》一文]。科学家曾经预期，在RHIC中会出现更严重的J/psi抑制，因为它涉及的能量密度更高，但初步结果暗示，一些与之竞争的机制(例如J/psi粒子重新形成)，也许会在这样的高密状态下发生。通过寻找其他的重夸克对，并且观测产量是否被抑制和如何被抑制，进一步测量将继续关注这个谜题。

另一种备受推崇的方法是，尝试利用它们自身的光亮来观察夸克—胶子液体。这团炽热的粒子汤会短暂发光，就像闪电中的闪光一样，因为它会发出能安然逃出介质的高能光子。正如天文学家可以从一颗遥远恒星的光谱中测出它的温度一样，物理学家也试图利用这些高能光子来测定夸克—胶子液体的温度。但现在已经证明，测量这种光谱非常有挑战性，因为一种被称为中性π介子的强子衰变时，也会产生大量光子。尽管这些光子是在夸克—胶子液体都变回强子很久之后才产生的，但当它们和夸克—胶子液体发出的光子抵达探测器时，看起来都一样。

许多物理学家正在为下一个能量前沿准备，它将出现在CERN的大型强子对撞机(Large Hadron Collider，缩写为LHC)中。从2008年开始，那里的实验设备将会观测铅原子核的碰撞，总能量将超过100万GeV。超过1,000位物理学家组成的一个国际合作小组正在建造庞大的ALICE探测器，它将把PHENIX和STAR探测器的能力结合到一个实验装置之中。LHC产生的微型大爆炸，它瞬时的能量密度将是现在RHIC对撞的好几倍，会轻而易举地突破10万亿摄氏度。到那时，物理学家将有能力模拟和研究大爆炸之后最初一微秒内发生的情况。

最重要的问题是，RHIC见证的这种类似液体的行为方式，会不会在温度更高、密度更大的LHC对撞中继续存在。一些理论学家预言，一旦夸克的平均能量超过1 GeV(LHC将达到这一标准)，它们之间的作用力就将变弱，夸克—胶子等离子体终于可以表现为正常的行为方式——如同最初预期的那样，好像一种气体。另一些人则不这么乐观。他们主张，QCD作用力无法在这种较高的能量状态下足够迅速地减弱，因此夸克和胶子将继续紧密地结合在它们的液体状态之中。关于这个问题，我们必须等待实验的裁决，它很可能会带来其他惊喜。

(译/Steed 校/崔月婷)