在過去的五年裡，數百名科學家一直在長島布魯克海文國家實驗室使用強大的新型原子對撞機來模擬宇宙誕生時存在的條件。它被稱為相對論重離子對撞機（RHIC，發音為“裡克”），它使兩束以接近光速運動的金核束髮生碰撞。這些原子核對之間的碰撞產生了極熱、稠密的物質和能量爆發，以模擬大爆炸最初幾微秒內發生的事情。這些短暫的“迷你爆炸”讓物理學家們得以近距離觀察宇宙創生的最早時刻。
在那些早期時刻，物質是一種超熱、超稠密的粒子混合物，稱為夸克和膠子，它們四處奔湧，隨意碰撞。少量的電子、光子和其他輕基本粒子為這種“湯”增添了味道。這種混合物的溫度高達數萬億度，比太陽核心溫度高出10萬多倍。
但是，隨著宇宙膨脹，溫度驟降，就像今天的普通氣體在快速膨脹時會冷卻一樣。夸克和膠子的速度減慢了很多，以至於它們中的一些可以開始短暫地粘在一起。在將近10微秒過去之後，夸克和膠子被它們之間的強力束縛在一起，永久地鎖在質子、中子和其他強相互作用的粒子中，物理學家們統稱這些粒子為“強子”。材料性質的這種突變被稱為相變（就像液態水結冰一樣）。從最初的夸克和膠子混合物到普通的質子和中子的宇宙相變引起了科學家的強烈興趣，他們既尋求關於宇宙如何演化到目前高度結構化狀態的線索，也希望更好地理解所涉及的基本力。
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今天構成每個原子核的質子和中子是原始海洋的遺蹟液滴，是微小的亞原子監獄牢房，夸克在其中來回衝撞，永遠被囚禁。即使在劇烈的碰撞中，當夸克似乎即將掙脫時，也會形成新的“牆壁”來限制它們。儘管許多物理學家嘗試過，但沒有人親眼目睹過一個孤立的夸克獨自漂浮在粒子探測器中。
RHIC為研究人員提供了一個黃金機會，讓他們觀察到夸克和膠子從質子和中子中解放出來，處於一種集體的、準自由的狀態，讓人聯想到宇宙存在的最初幾微秒。理論家最初將這種混合物稱為夸克-膠子等離子體，因為他們預計它的行為會像一種超熱的帶電粒子氣體（等離子體），類似於閃電的內部。透過將重核碰撞在一起，產生短暫釋放夸克和膠子的迷你爆炸，RHIC充當了一種時間望遠鏡，提供了早期宇宙的景象，那時超熱、超稠密的夸克-膠子等離子體佔據著主導地位。到目前為止，RHIC最令人驚訝的發現是，這種奇異物質的行為似乎更像是一種液體——儘管是一種具有非常特殊性質的液體——而不是氣體。
釋放夸克
1977年，當理論家史蒂文·溫伯格出版了他的經典著作《最初三分鐘》，講述早期宇宙的物理學時，他避免對最初的百分之一秒做出任何明確的結論。“我們對基本粒子的物理學知之甚少，無法自信地計算出這種混合物的性質，”他感嘆道。“因此，我們對微觀物理學的無知就像一層面紗，遮蔽了我們對最初開端的看法。”
但那個十年的理論和實驗突破很快開始揭開這層面紗。不僅發現質子、中子和所有其他強子都包含夸克；此外，一種關於夸克之間強力的理論——稱為量子色動力學，或QCD——在20世紀70年代中期出現。該理論假設，一群由八個中性粒子組成的神秘集團，稱為膠子，在夸克之間穿梭，攜帶將它們限制在強子中的無情力。[中斷]
關於QCD特別有趣的是——與引力和電磁力等熟悉的力發生的情況相反——隨著夸克彼此靠近，耦合強度變得更弱。物理學家將這種奇特的、違反直覺的行為稱為漸近自由。這意味著，當兩個夸克之間的距離遠小於質子直徑（約10-13釐米）時，它們感受到的力會減小，物理學家可以使用標準技術非常精確地計算出這種力。只有當一個夸克開始偏離其夥伴時，力才會變得真正強大，像狗鏈一樣將粒子拉回來。
在量子物理學中，粒子之間的短距離與高能碰撞有關。因此，當粒子緊密堆積並不斷髮生高能碰撞時，漸近自由在高溫度下變得重要。
QCD的漸近自由比任何其他單一因素都更能讓物理學家揭開溫伯格的面紗，並評估最初幾微秒內發生的事情。只要溫度超過約10萬億攝氏度，夸克和膠子的行為基本上是獨立的。即使在較低的溫度下，低至2萬億度，夸克也會單獨遊蕩——儘管到那時它們已經開始感覺到限制性的QCD力在拉扯它們的後腳跟。
為了在地球上模擬如此極端的條件，物理學家必須重現最初幾微秒的巨大溫度、壓力和密度。溫度本質上是粒子群中粒子的平均動能，而壓力則隨著粒子群的能量密度而增加。因此，透過將盡可能高的能量擠壓到儘可能小的體積中，我們最有機會模擬大爆炸中發生的條件。
幸運的是，大自然以原子核的形式提供了現成的、極其稠密的物質塊。如果你能以某種方式收集一小撮這種核物質，它的重量將達到3億噸。三十年來，在高能量下碰撞鉛和金等重核的經驗表明，這些碰撞期間發生的密度遠遠超過正常核物質的密度。產生的溫度可能已超過5萬億度。
碰撞每個都包含約200個質子和中子的重核，產生的火球比單個質子碰撞（如其他高能物理實驗中常用的那樣）產生的火球大得多。重離子碰撞不是產生數十個粒子飛出的微小爆炸，而是產生由數千個粒子組成的沸騰火球。參與其中的粒子足夠多，以至於火球的集體性質——其溫度、密度、壓力和粘度（其厚度或流動阻力）——成為有用、重要的引數。這種區別很重要——就像少量孤立的水分子與整個液滴的行為之間的區別。
RHIC實驗
RHIC由美國能源部資助並由布魯克海文運營，是用於產生和研究重離子碰撞的最新設施。早期的核加速器將重核束髮射到靜止的金屬靶上。相比之下，RHIC是一種粒子對撞機，它將兩束重核束碰撞在一起。由於所有可用的能量都用於產生混亂，因此對於相同的粒子速度，由此產生的正面碰撞會產生更大的能量。這很像兩輛超速行駛的汽車正面相撞時發生的情況。它們的運動能量轉化為幾乎向各個方向飛散的零件和碎片的隨機熱能。
在RHIC產生的極高相對論能量下，核的速度超過光速的99.99%，對於內部的每個質子或中子，能量高達100吉電子伏特（GeV）。（1 GeV大約相當於一個靜止質子的質量。）由液氦冷卻的數噸液氦冷卻的870個超導磁鐵串引導光束圍繞兩個相互交織的3.8公里環形軌道執行。光束在這些環形軌道交叉的四個點發生碰撞。四個精密的粒子探測器，稱為BRAHMS、PHENIX、PHOBOS和STAR，記錄從這些碰撞點的劇烈碰撞中噴射出的亞原子碎片。[中斷]
當兩個金核以RHIC的最高可達能量正面碰撞時，它們將總共超過20,000 GeV的能量傾瀉到一個微小的火球中，該火球的直徑僅為萬億分之一釐米。原子核及其組成質子和中子實際上融化了，並且從所有可用的能量中產生了更多的夸克、反夸克（夸克的反物質對應物）和膠子。在典型的碰撞中，短暫釋放出超過5,000個基本粒子。碰撞瞬間產生的壓力是巨大的，是大氣壓的1030倍，火球內部的溫度飆升至數萬億度。
但是大約在萬億分之一萬億分之一秒（5 × 10-23秒）之後，所有的夸克、反夸克和膠子重新組合成強子，向外爆炸到周圍的探測器中。在強大的計算機的幫助下，這些實驗試圖儘可能多地記錄到達探測器的數千個粒子的資訊。其中兩個實驗BRAHMS和PHOBOS相對較小，專注於觀察碎片的特定特徵。另外兩個實驗PHENIX和STAR是圍繞巨大的通用裝置建造的，這些裝置用數千噸的磁鐵、探測器、吸收器和遮蔽材料填充了三層樓高的實驗大廳。
RHIC的四個實驗由60到500多名科學家的獨立國際團隊設計、建造和執行。每個小組都採用了不同的策略來應對RHIC事件巨大複雜性帶來的艱鉅挑戰。BRAHMS合作組選擇專注於原始質子和中子的殘餘物，這些殘餘物沿著接近碰撞金核方向的速度快速前進。相比之下，PHOBOS觀察儘可能寬的角度範圍內的粒子，並研究它們之間的相關性。STAR圍繞世界上最大的“數碼相機”建造，這是一個巨大的氣體圓柱體，可提供光束軸周圍大孔徑中發射的所有帶電粒子的三維影像。PHENIX搜尋在碰撞早期產生的特定粒子，這些粒子可以毫髮無損地從沸騰的夸克和膠子大鍋中浮現出來。因此，它提供了火球內部深度的X射線肖像。
完美的驚喜
從四個實驗中浮現出來的物理圖景是一致且令人驚訝的。夸克和膠子確實突破了束縛並集體行為，即使只是短暫的。但是這種熱混合物的行為像液體，而不是理論家預期的理想氣體。
兩個金核之間的正面碰撞中實現的能量密度是驚人的，大約是核自身能量密度的100倍——這主要是由於相對論。從實驗室的角度來看，兩個原子核在相遇之前都被相對論性地壓平成超薄的質子和中子盤。因此，它們的所有能量都在撞擊瞬間被塞進一個非常小的體積中。物理學家估計，由此產生的能量密度至少是釋放夸克和膠子所需的能量密度的15倍。這些粒子立即開始向各個方向飛射，反覆相互碰撞，從而將其能量重新分配為更熱的分佈。
這種熱稠密介質快速形成的證據來自一種稱為射流猝滅的現象。當兩個質子在高能量下碰撞時，它們的一些夸克和膠子可能會幾乎正面相遇並反彈，從而導致狹窄的、背靠背的強子噴霧（稱為射流）向相反方向噴射出來。但是，PHENIX和STAR探測器在金核之間的碰撞中只目睹了這種對的一半。孤立的射流表明，單個夸克和膠子確實在高能量下碰撞。但是另一半射流在哪裡呢？反彈的夸克或膠子一定已經衝入剛剛形成的熱稠密介質；然後，它的高能量將被與低能量夸克和膠子的多次近距離接觸所耗散。這就像向水中射擊子彈；幾乎所有的子彈能量都被慢速移動的水分子吸收，並且它無法穿透到另一側。[中斷]
夸克-膠子介質的液態行為的跡象在RHIC實驗的早期就出現了，以橢圓流現象的形式出現。在稍微偏離中心的碰撞中——這通常是這種情況——出現的強子以橢圓分佈到達探測器。在相互作用平面內噴射出的高能強子比垂直於相互作用平面的高能強子更多。橢圓圖案表明，夸克-膠子介質中一定存在巨大的壓力梯度，並且形成這些強子的夸克和膠子在變回強子之前是集體行為的。它們的行為像液體——也就是說，不是氣體。如果是氣體，強子將均勻地向所有方向噴射出來。
夸克-膠子介質的這種液體行為必然意味著這些粒子在形成後立即進行的短暫解放時刻彼此之間發生相當強烈的相互作用。它們相互作用強度的降低（由QCD的漸近自由引起）顯然被新解放粒子數量的急劇增加所淹沒。這就像我們可憐的囚犯已經越獄，卻發現自己不幸地陷入了監獄院子的擁擠之中，與所有其他逃脫者擠在一起。由此產生的緊密耦合的舞蹈正是液體中發生的事情。這種情況與最初描繪的這種介質作為幾乎理想的、弱相互作用氣體的天真理論圖景相沖突。橢圓不對稱性的詳細特徵表明，這種令人驚訝的液體流動時幾乎沒有粘度。它可能是迄今為止觀察到的最完美的液體。
新興的理論圖景
計算在幾乎難以想象的密度下被擠壓並以接近光速向外爆炸的夸克和膠子液體中發生的強相互作用是一項巨大的挑戰。一種方法是使用專門為此問題設計的大型微處理器陣列對QCD進行蠻力求解。在這種所謂的格子QCD方法中，空間被離散的點陣格近似（想象一下Tinkertoy結構）。QCD方程透過在格子上的逐次逼近來求解。
使用這種技術，理論家們計算了壓力和能量密度等性質作為溫度的函式；當強子轉化為夸克-膠子介質時，這些性質都會急劇增加。但是，這種方法最適合介質處於熱力學平衡的靜態問題，這與RHIC迷你爆炸中快速變化的條件不同。即使是最複雜的格子QCD計算也無法確定射流猝滅和粘度等動態特徵。儘管預計強相互作用粒子系統的粘度會很小，但由於量子力學，它不可能完全為零。但是，回答“它可以低到什麼程度？”這個問題已被證明是出了名的困難。
值得注意的是，幫助來自一個意想不到的領域：量子引力的弦理論。普林斯頓高等研究院的理論家胡安·馬爾達西那提出的一個非凡的猜想，在彎曲的五維空間中的弦理論和存在於該空間四維邊界上的類QCD粒子理論之間建立了令人驚訝的聯絡[參見胡安·馬爾達西那的《引力的錯覺》；《大眾科學》，2005年11月]。這兩種理論在數學上是等價的，儘管它們似乎描述的是截然不同的物理學領域。當類QCD力變得強大時，相應的弦理論變得微弱，因此更容易評估。粘度等在QCD中難以計算的量在弦理論中具有對應物（在這種情況下，是黑洞對引力波的吸收），這些對應物更容易處理。從這種方法中，湧現出一個非常小但非零的特定粘度下限——僅約為超流體氦的十分之一。很有可能，弦理論可能有助於我們理解夸克和膠子在大爆炸最初的幾微秒內的行為。[中斷]
未來的挑戰
令人驚訝的是，有史以來遇到的最熱、最稠密的物質遠遠超過所有其他已知流體，接近完美狀態。這種情況是如何以及為什麼發生的，是RHIC物理學家現在面臨的巨大實驗挑戰。來自這些實驗的大量資料已經迫使理論家重新考慮關於早期宇宙物質的一些珍視的想法。過去，大多數計算都將自由夸克和膠子視為理想氣體而不是液體。QCD理論和漸近自由沒有任何危險——沒有證據反駁基本方程。爭論的焦點是理論家用來從方程中得出結論的技術和簡化假設。
為了解決這些問題，實驗人員正在研究從迷你爆炸中湧現出來的不同種類的夸克，特別是較重的種類。當夸克最初在1964年被預測時，人們認為它們有三種類型：上夸克、下夸克和奇異夸克。質量低於0.15 GeV，這三種夸克及其反夸克在RHIC碰撞中大量產生，並且數量大致相等。另外兩個夸克，被稱為粲夸克和底夸克，在20世紀70年代出現，質量分別大得多，約為1.6 GeV和5 GeV。由於需要更多的能量才能產生這些重夸克（根據E = mc2），它們在迷你爆炸的早期（當能量密度較高時）出現，並且頻率低得多。這種稀有性使它們成為追蹤迷你爆炸早期演化中形成的流動模式和其他性質的寶貴示蹤劑。
PHENIX和STAR實驗非常適合進行此類詳細研究，因為它們可以探測高能電子和其他稱為μ子的粒子，這些粒子通常來自這些重夸克的衰變。然後，物理學家將這些和其他衰變粒子追溯到它們的起源點，從而提供關於產生它們的重夸克的關鍵資訊。憑藉其更大的質量，重夸克可能具有不同於其數量多得多的同類的流動模式和行為。測量這些差異應有助於梳理出預期的小殘留粘度的精確值。
粲夸克還有另一個有用的特性，可用於探測夸克-膠子介質。通常，大約1%的粲夸克與粲反夸克緊密結合產生，形成稱為J/ψ的中性粒子。兩個夥伴之間的距離僅約為質子半徑的三分之一，因此J/ψ的產生率應該對短距離夸克之間的力敏感。理論家預計，由於周圍的光夸克和膠子群會傾向於遮蔽粲夸克和反夸克彼此，從而導致J/ψ的產生減少，因此這種力會下降。最近的PHENIX結果表明，J/ψ粒子確實溶解在流體中，類似於早期在歐洲核子研究中心（CERN，日內瓦附近的歐洲粒子物理實驗室）觀察到的情況[參見格雷厄姆·P·柯林斯的《自由夸克的火球》，新聞與分析；《大眾科學》，2000年4月]。由於涉及更高的密度，預計在RHIC中會發生更大的J/ψ抑制，但早期結果表明，某些競爭機制，例如J/ψ粒子的重組，可能會在這些密度下發生。進一步的測量將透過尋找其他對重夸克並觀察它們的產生是否以及如何受到抑制來關注這個謎團。
正在追求的另一種方法是嘗試透過夸克-膠子流體自身的光來觀察它。這些粒子的熱湯應該像閃電一樣短暫地發光，因為它會發射出毫髮無損地逃離介質的高能光子。正如天文學家透過遙遠恆星的光譜測量其溫度一樣，物理學家正在嘗試使用這些高能光子來確定夸克-膠子流體的溫度。但是，到目前為止，測量這個光譜已被證明是極具挑戰性的，因為許多其他光子是由稱為中性π介子的強子的衰變產生的。儘管這些光子是在夸克-膠子流體恢復為強子之後很久才產生的，但當它們到達探測器時，它們看起來都一樣。[中斷]
許多物理學家現在正在為歐洲核子研究中心（CERN）的大型強子對撞機（LHC）的下一個能量前沿做準備。從2008年開始，那裡的實驗將觀察鉛核在總能量超過100萬GeV的情況下發生的碰撞。一個由1000多名物理學家組成的國際團隊正在建造巨大的ALICE探測器，該探測器將PHENIX和STAR探測器的功能整合到一個實驗中。LHC產生的迷你爆炸將短暫達到RHIC碰撞中發生的能量密度的幾倍，並且其中達到的溫度應輕鬆超過10萬億度。然後，物理學家將能夠模擬和研究大爆炸最初微秒內發生的條件。
首要問題是RHIC觀察到的液態行為是否會在LHC遇到的更高溫度和密度下持續存在。一些理論家預測，一旦夸克的平均能量超過1 GeV（這將在LHC中發生），夸克之間的力就會變弱，並且夸克-膠子等離子體最終將開始表現得像預期的那樣——像氣體一樣。其他人則不那麼樂觀。他們認為，QCD力在這些更高的能量下不會下降得足夠快，因此夸克和膠子應該保持緊密耦合的液體狀態。關於這個問題，我們必須等待實驗的結論，這很可能會帶來其他驚喜。