一个可能反映宇宙大爆炸后不久物质状态的亚原子汤,将温度计推到了 4 万亿摄氏度,创下了新的世界纪录:这是迄今为止在实验室中创造的最热物质。2006 年在桑迪亚国家实验室记录的前一项纪录,仅为 20 亿摄氏度,当时感觉凉爽宜人。太阳的核心温度仅为 1500 万摄氏度。
这种超高温的“混合物”是在长岛的布鲁克海文国家实验室创造的。该实验室的相对论重离子对撞机(RHIC)将金粒子加速到接近光速,然后将它们猛烈碰撞,以探究它们的构成。当碰撞的金粒子能量转化为热量时,温度会飙升。负责测量温度的“先驱高能核相互作用实验”(PHENIX)的科学家宣布的温度值为 4 万亿摄氏度,但这仅仅是该物质生命周期内的平均值。在其最热的阶段,这种“注入”的温度可能达到 7 万亿摄氏度。
“在这个温度下,我们已知的物质不应该存在,”PHENIX 发言人Barbara Jacak说。“根据我们的观察,它确实不存在。”构成金原子核的质子和中子似乎在极高的温度下融化了,留下了由夸克和胶子组成的亚原子粒子“粥”。Jacak 将由此产生的物质描述为“一种液态等离子体”。
但这些词语无法真正描述这种“汤状混合物”的性质。目前还没有什么能够完全描述。粒子物理学家、宇宙学家甚至弦论家都在努力理解为什么构成质子和中子(进而构成原子)的构成单元——夸克和胶子,在这种高温下会表现得如此不同。为什么这种混合物不像水在 100 摄氏度变成蒸汽那样变成气体?它需要多热才能汽化?如果宇宙在大爆炸后不久充满了这种液态“黏液”,它又是如何最终变成恒星、行星和人类的?
“我们会进行大量的讨论,甚至是一些激烈的争论,”Jacak 说。“我们面临的重大问题是,[这种物质]内部发生了什么,以及它是如何运作的。在实验方面,我们正试图测量它的性质,而你可以测量的最先性质之一就是它的温度。”
听起来很简单,但 PHENIX 的科学家们自十年前实验建造以来一直在致力于这项任务。要测量一个存在于金粒子碰撞残骸中的亚原子等离子体的温度,事实证明极其困难(这就是为什么 Jacak 说,其他实验可能创造了更热的物质,但可能没有方法来测量它们)。
陶艺师知道,在窑炉的腹部,一块粘土在加热时会变色:先是暖红色,然后是明亮的黄色,最后是耀眼的白色。正是从粘土发出的光子揭示了温度,而 PHENIX 的科学家们也依赖同样的原理来测量等离子体的温度。问题是,那些(对人眼来说能量过高而无法看到)的光子,被金粒子碰撞产生的海量光子所淹没。这项任务与其说是从干草堆里拔针,不如说是从整个谷仓里寻找一根不起眼的干草。PHENIX 的突破性分析不仅代表了新的世界纪录,也为理解宇宙带来了新的可能性。
长岛的居民可能会好奇,为什么 PHENIX 的火焰“混合物”不会烧穿地球,或者这个小组是否能利用这些热量来驱动发电机。但这种物质只存在于万亿分之一万亿分之一秒,而且比单个原子还小。尽管如此,试图想象这种微小的粒子“炖菜”有多热,就足以让人头晕。














