快樂學英語(電子書)

宇宙創生的最初狀態，現在已經可以經由實驗製造出來了，而且結果令物理學家大為震驚。


撰文╱黎奧丹（Michael Riordan）、載克（William A. Zajc）

翻譯／林世昀


過去五年來，數以百計的科學家正在美國長島的布魯克海文國家實驗室（Brookhaven National Laboratory）中，以威力強大的原子粉碎器來模仿宇宙初生時所處的狀態。這部名為「相對論性重離子對撞機」（Relativistic Heavy Ion Collider, RHIC，發音如「瑞克」）的儀器，能將兩束加速到接近光速的金原子核，以相反的方向對射，如此引致的原子核碰撞，會產生極度熾熱、緻密的質量與能量爆發，可以用來模擬宇宙大霹靂最初幾微秒中所發生的事情。觀察這些短暫的「迷你霹靂」，讓物理學家彷彿置身於前排的貴賓席中，欣賞世界創生的第一瞬間。


在最初的那一瞬間，物質就像是一團極熱、超濃的粒子湯，構成湯汁的夸克與膠子在其中四處亂竄、互相推擠，而散佈其間的電子、光子以及其他的輕基本粒子，則像是湯的調味料。這團物質的溫度高達數兆℃，比起太陽的核心還要熱上10萬倍。


可是隨著宇宙膨脹，溫度會迅速下降，正如一般氣體會因快速膨脹而冷卻的現象一樣。夸克與膠子的速度越來越慢，於是有些粒子開始能短暫地黏聚在一起。在經過將近10微秒後，夸克和膠子便由其間的強作用力所束縛，而永久被封鎖在質子、中子，以及其他物理學家稱做「強子」（hadron）的強交互作用粒子之中了。這種物質性質的巨幅變化叫做相變（就像水結成冰）。這類由原始的夸克膠子混合物轉變成一般所見的質子、中子的宇宙相變，引起科學家強烈的興趣，他們想藉此思索宇宙為何演化成目前這種高度結構性的狀態，並且更深入了解其間牽涉的基本作用力。


今日構成原子核的質子和中子，正是太初海洋殘存的小水滴，夸克在這微小的次原子牢籠裡來回踱步，永遠禁錮。就算是在猛烈的碰撞中，每當夸克似乎到達破繭而出的邊緣時，新的「圍牆」就會出現，維持著它們的禁閉狀態。雖然許多物理學家做過許多嘗試，還是不曾有人見到單獨的夸克在粒子偵測器中呼嘯而過。


RHIC提供了研究人員一個大好機會，來觀測從質子和中子中解放出來的夸克與膠子。它們所處的一種集體的、準自由的狀態，讓人可以回溯到宇宙存在的最初幾微秒。理論物理學家原本為此混合物起了個「夸克膠子電漿」（quark-gluon plasma）的封號，因為他們預期它的行為會如同一團極熱的帶電粒子氣體（電漿），就像是閃電內部的狀態一樣。研究人員以重原子核撞出迷你霹靂，讓夸克和膠子在其中獲得短暫的解放，此時，RHIC就可以像是一部時間軸上的望遠鏡，提供一瞥早期宇宙的機會──當時的宇宙就是由極熱、超密的夸克膠子電漿所主宰的。但到現在為止，RHIC帶來最大的驚奇，卻是這種奇特物質的行為不像氣體，而比較像是液體──儘管是具有非常特殊性質的液體。