天文太空

再造大霹靂那瞬間

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

天文太空

再造大霹靂那瞬間

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。

釋放夸克

1977年,當溫伯格(Steven Weinberg)出版他那本經典名著《最初三分鐘》(中文版由天下文化出版)時,對於最初的1/100秒,他還不想做出任何確定的結論。他嘆道:「沒辦法,我們對基本粒子的物理就是知道得不夠多,因此不能對這團大雜燴的性質做出任何可以信賴的計算。對微觀物理的無知形同一層面紗,模糊了我們對太初的認識。」

不過,在1970年代理論與實驗上的突破,很快掀起了那層面紗的一角。不只是質子,連中子和其他強子,都被發現是由夸克所組成;此外,一個描述夸克間強作用力的理論「量子色動力學」(QCD),在1970年代中期浮上檯面。這個理論假定有一個由八種名為膠子的中性粒子所組成的地下幫派,在夸克之間穿梭,其力量不曾稍減地把夸克局限在強子裡。

關於QCD最有意思的事情是,當夸克彼此越靠近,耦合強度就會越弱,這和一般人所熟悉的重力與電磁力的行為相反。物理學家將這種奇怪而違反直覺的行為,稱做「漸近自由」(asymptotic freedom)。這表示,當兩個夸克的間距遠小於質子的直徑(約10-13公分)時,它們感受到的力就會減小,這時候物理學家便能運用標準的技巧,進行相當精確的計算。只有在夸克企圖從它夥伴身邊溜走時,作用力才會變得十分強勁,將粒子猛拉回來,就像狗兒被皮帶拴住似的。

在量子物理中,越短的粒子間距離,對應的是越高能量的碰撞。因此,漸近自由在高溫時就變得重要,這時粒子緊密地塞在一起,彼此不斷進行高能碰撞。