撰文
邁克爾.賴爾登(Michael Riordan)
威廉.A.扎伊奇(Willian A.Zajc)

過去五年來，數百位科學家齊聚美國長島的布魯克海文國家實驗室中，利用一台威力強大的新粒子加速器，來模擬宇宙創生時刻的環境。這台加速器被稱為“相對論性重離子對撞機”(縮寫為RHIC，讀作“瑞克”)，它讓兩束接近光速運行，但方向相反的金原子核迎頭相撞。這些原子核之間的成對碰撞，產生出極其熾熱和緻密的物質能量爆發，模擬了大爆炸(the big bang)最初幾微秒內發生的情況。這些短暫的微型大爆炸(mini bang)給物理學家提供了近距離觀察創世之初的絕佳機會。

在宇宙誕生之初，物質是一種超熾熱、極緻密的東西，由一些被稱為夸克(quark)和膠子(gluon)的粒子組成，它們到處亂跑，橫衝直撞。少量的電子、光子和其他較輕的基本粒子給這鍋“濃湯”配上了調料。這種混合物的溫度高達上萬億℃，比太陽核心還要熾熱10萬倍以上。

但是，溫度會隨着宇宙的膨脹而直線下降，就像今天一團普通氣體在迅速膨脹時會冷卻一樣。夸克和膠子的速度大為減慢，以致其中一部分開始能暫時地粘連在一起。將近10微秒時間流逝之後，夸克和膠子被它們之間的強作用力(strong force)捆綁在一起，永久地囚禁在質子(proton)、中子(neutron)和其他強相互作用粒子之中，物理學家將它們統稱為“強子”(hadron)。物質屬性的這種突然改變被稱作相變(phase transition，比如液體水凍成冰就是相變)。從最初的夸克—膠子混合物轉變成平凡的質子和中子，宇宙的這場相變引起了科學家濃厚的興趣，其中一些人想尋求線索來理解宇宙演化成目前高度有序狀態的過程，另一些人則希望更好地了解夸克和膠子所涉及的基本作用力。

質子和中子構成了今天的每一個原子核，它們都是那片原初粒子海洋遺留下來的水滴，是微小的亞原子囚室——夸克左衝右突，卻被永遠地囚禁其中。即使在劇烈碰撞中，夸克看似就要脫韁而出，新的“牆壁”又會形成，將它們繼續禁錮在一起。儘管許多物理學家都曾嘗試釋放它們，但還沒人親眼目睹過一個孤單的夸克獨自從粒子探測器中滑過。

RHIC為研究人員提供了一個絕好的機會，來觀察從質子和原子中釋放出來的夸克和膠子，它們處於一種集體的准自由態(quasi-free state)，就像宇宙最初幾微秒內的物質一樣。理論學家最初將這種混合物稱為夸克—膠子等離子體(quark-gluon plasma)，因為他們預計混合物的行為會像一團超熾熱的帶電粒子氣體(即等離子體)，就像閃電內部的氣體一樣。通過把重原子核對撞在一起，創造出短暫釋放夸克和膠子的微型大爆炸，RHIC起到了時間望遠鏡的作用，使我們得以窺探剛出生的宇宙。那時超高熱、極緻密的夸克-膠子等離子體還占據着絕對優勢。目前RHIC最令人吃驚的發現是，這種奇異物質的行為似乎更像一種液體，而不是氣體——儘管這種“液體”的性質非常獨特。

釋放夸克

1977年，理論學家史蒂文·溫伯格(Steven Weinberg)出版了他的經典著作——講述早期宇宙物理學的《最初三分鐘》(The First Three Minutes)。當時，他拒絕給宇宙最初的1/100秒作任何決定性的結論。“我們只是對基本粒子物理了解得還不夠，沒有任何把握能計算出這種混和物的性質，”他遺憾地說，“因此我們對微觀物理的無知就像一層面紗，阻斷了我們遙望宇宙開端的目光。”

但是，就在20世紀70年代，理論和實驗的突破很快開始揭開這層面紗。不僅質子、中子和其他所有強子，都被發現包含着夸克；而且，一種有關夸克之間強作用力的理論——所謂的量子色動力學(即QCD)也在70年代中期浮出水面。這種理論假定被稱為膠子的8種假想的中性粒子，在夸克之間飛來飛去，傳遞着無情的作用力，將夸克禁閉在強子內部。

QCD理論格外迷人的地方就在於，與常見作用力(比如引力和電磁力)的行為相反，這種結合力會隨着夸克彼此靠近而變弱——物理學家把這種古怪的反常行為稱作漸近自由(asymptotic freedom)。這意味着，當兩個夸克之間的距離遠遠小於一個質子直徑(約10-13厘米)時，它們受到的作用力會減小，物理學家就可以依靠標準的技術將作用力計算得非常精確。只有當夸克開始遠離它的同伴時，這種力量才會真正變強，將這個粒子猛拉回來，就像一隻脖子被拴住的狗一樣。

在量子物理中，粒子之間的短距離是與高能碰撞聯繫在一起的。因此，在高溫下，當粒子被緊緊地擠壓在一起，彼此之間不斷地發生高能碰撞時，漸近自由就變得很重要了。

QCD的漸近自由比其他所有因素都更為重要，正是它讓物理學家揭開了“溫伯格的面紗”，推算出宇宙誕生後最初幾微秒內的情景。只要溫度超過大約10萬億攝氏度，夸克和膠子的行為實際上就完全獨立了；甚至在更低的溫度下，比如2萬億攝氏度時，夸克應該也可以單獨遊蕩——儘管那時，夸克應該開始感受到QCD約束力在扯它們的後腿了。

為了在地球上模擬出這種極端環境，物理學家必須再現宇宙誕生最初幾微秒內超高的溫度、壓強和密度。對一群相同的粒子來說，溫度實際上就是單個粒子的平均動能，而壓強則隨着這群粒子的能量密度增大而增長。因此，通過將儘可能多的能量擠壓到儘可能小的體積中，我們就擁有了模擬大爆炸條件的最佳機會。

幸運的是，大自然提供了唾手可得的、極其緻密的物質團塊——原子核。如果你能設法聚集起大拇指尖那麼多的核子物質，它將重達3億噸！30年來，利用諸如鉛、金之類的重原子核進行的高能對撞實驗，已經證明碰撞發生時的密度，遠遠超過普通的核子物質，所引起的溫度可能也超過了5萬億攝氏度。

每個重原子核包含的質子和中子總數大約為200個，它們碰撞所產生的“煉獄”，要比單個質子的碰撞(常用於其他的高能物理實驗)巨大得多。這種重離子碰撞產生的，不是只有幾十個粒子飛散出來的小型爆炸，而是一團包含着上千個粒子的沸騰火球。足量的粒子糾纏在一起，使得這團火球的集體性質——溫度、密度、壓強和黏度(它的黏稠度或抵抗流動的能力)，變成了能夠利用的重要參數。這種區別很重要——就像少量孤立的水分子和一整滴水之間的性質差異一樣。

RHIC實驗裝置

由美國能源部出資、布魯克海文國家實驗室運轉的RHIC，是產生和研究重離子碰撞的最新設備。較早的核子加速器將重原子核束射向固定的金屬標靶。RHIC則大不相同，它是一台可以讓兩束重原子核對撞的粒子對撞機。對於速度相同的粒子來說，迎頭相撞產生的能量要大得多，因為所有可用的能量都投入到製造破壞上了。這很像是兩輛超速行駛的汽車迎頭相撞的情景——它們的動能被轉化成四處飛濺的零件和殘骸的隨機熱能。

當核子處於RHIC產生的相對論性高能狀態時，以超過99.99%的光速運行，其中每個質子或中子的能量，都高達100吉電子伏特(GeV，1GeV大約相當於一個靜止質子的質量)。兩排共870塊超導磁鐵，在數噸液氦的冷卻下，駕馭着粒子束圍繞兩個相互交錯的全長3.8千米的圓環旋轉。這些粒子束會在圓環交錯的其中4個位置上發生碰撞。4台先進的粒子探測器——BRAHMS、PHENIX、PHOBOS和STAR，在這些撞擊點上記錄着從劇烈碰撞中飛濺出來的亞原子碎片。

當兩個金原子核以RHIC所能達到的最高能量迎頭相撞，它們會將總量超過兩萬GeV的能量，傾注到一個直徑只有萬億分之一厘米的微觀火球之中。這些核子以及構成它們的質子和中子會真正熔化，從所有可用的能量中，創造出更多的夸克、反夸克(antiquark，夸克的反物質)和膠子。一場典型的對撞會短暫地釋放出超過5,000個基本粒子。碰撞瞬間產生的壓強極其巨大，是大氣壓強的整整1030倍，火球內部的溫度也會激增到上萬億攝氏度。

但在大約5×10-23秒之後，所有的夸克、反夸克和膠子都會重新結合成強子，向外飛散，濺到周圍的探測器上。在強大計算機的幫助下，這些實驗設備試圖儘可能多地記錄下抵達探測器的上千個粒子的信息。其中兩套實驗裝置——BRAHMS和PHOBOS相對較小，專門觀測這些碎片的特殊性質。另外兩套——PHENIX和STAR，則圍繞着巨大的通用設備而建，這些設備用上千噸磁鐵、探測器、吸收器和防護設備塞滿了3層樓高的實驗大廳。

4套RHIC實驗裝置是由不同國際小組設計、建造和運行的，它們擁有60到500多位數量不等的科學家。每個小組都採用了不同方法，來處理異常複雜的RHIC事件所設下的艱巨挑戰。BRAHMS合作小組選擇專注於殘留下來的原始質子和中子，它們高速前進的方向與碰撞前的金原子核相近。PHOBOS剛好相反，它在儘可能廣闊的角度範圍內觀測粒子，研究它們之間的關聯。STAR圍繞着世界上最大的“數碼相機”而建，是一個巨型氣柱，可以為射入粒子束軸(beam axis)周圍很大半徑範圍內的所有帶電粒子，提供三維圖像［譯註：這裡的三維圖像實際上是帶電粒子的飛行軌跡］。而PHENIX則搜尋着碰撞極早期產生的特殊粒子，它們能夠從夸克和膠子的沸騰熔爐中安然無恙地脫逃。因此，這些特殊粒子為火球的內部深處提供了某種類似於X射線的透視圖像。