美国科学家制造出实验室中最高温度，探索物质起源之谜

　近日，美国科学家制造出了有史以来实验室中出现过的最高温度———4万亿摄氏度。这个温度在全宇宙也非常少见。科学家做这个实验不只是为了创纪录，更重要的是，它可以用来研究大爆炸后几秒钟宇宙中发生了什么事情。

　1 惊人实验 金离子爆出超级高温

　创造出这个奇迹的是位于纽约的美国能源部布鲁克海文国家实验室（Brookhaven National Laboratory）的科学家。他们用巨型粒子对撞机对撞金元素离子，制造出了“超级大爆炸”。这场大爆炸只持续了几毫秒。但正是这几毫秒的爆炸，让他们制造出了有史以来实验室中的最高温度———4万亿摄氏度。该实验室的物理学家斯蒂文·维多（Steven Vigdor）说，“这么高的温度足够熔化质子和中子”，而把物体变成一种叫“夸克汤”（也叫“等离子汤”）的物质。这种物质非常接近于宇宙大爆炸之后的几微秒时宇宙的状态。虽然整个过程时间不长，但已经可以给物理学家不少猛料，让他们可以在未来的几年时间里好好研究宇宙为什么会形成，以及是怎么形成的之类的问题。

　中科院理论物理研究所研究员李淼解释说，质子和中子是组成原子的粒子，但它们本身也是由更小的粒子组成的。现在科学家们认为，这些更小的粒子包括夸克和胶子。粒子物理学的“标准模型”认为，在超过1万亿摄氏度的温度下，质子和中子也会“熔化”，变成夸克和胶子组成的等离子体，这种夸克-胶子等离子体就是“夸克汤”。李淼说，在这种状态的物质里漂浮的都是自由活动的夸克和胶子，但它们之间的相互作用比气体要强得多，整个物质的力学特性又有点像液体，所以科学家把它们叫“汤”。

　2 制造过程 “相对论速度”下的大动作

　在物理模型预测“夸克汤”的存在之后，科学家们就开始想要在实验室中制造这种物质。不过，要达到超过1万亿摄氏度的高温可不容易，方法之一就是把重原子核加速到非常高的速度，让它们相撞。拥有重原子核的物质都是重金属，包括铅、金等等。美国科学家则使用金。

　上世纪八九十年代，欧洲粒子物理研究所尝试用超级质子同步加速器制造“夸克汤”。2000年，这个研究所宣布，已经有间接证据证明他们制造出了“夸克汤”。而近日，美国的科学家则宣布他们已经制造出了“夸克汤”。美国科学家的利器是相对论重离子碰撞机（RHIC），RHIC的加速器全长3.8千米，深埋在纽约市安普顿区3.6米的地下。它设计的目的就是通过金离子之间数十亿次的碰撞，造成很高的温度。RHIC可以把重离子加速到“相对论速度”。所谓“相对论速度”就是产生明显相对论效应的速度，一般认为这要求超过光速的1/10。在欧洲的大型强子对撞机投入运行之前，RHIC是世界上最强大的对撞机。

　今年，RHIC终于制造出了4万亿高的高温。这个温度究竟有多高呢？维多说，作为比较，质子和中子“熔化”的温度是2万亿度，而一颗典型的2型超新星的核心的温度也是2万亿度。相比之下，太阳中心的温度低多了，只有2000万度；而让钢熔化仅需要1800℃。我们所处的宇宙，其平均温度只比绝对零度高0.7℃。

　3 后续研究 “不平衡”造就万物

　物理学家当然不满足于仅仅制造出“夸克汤”，研究它的性质才是关键。

　物理学家想要寻找的是微小的不规则现象，这样可以解释物质是如何在“夸克汤”中积聚，最终形成现在的宇宙的。

　维多说：“设计RHIC的目的就是制造出宇宙刚诞生时的温度。”他表示，经过计算，科学家认为4万亿摄氏度已经很接近这个温度了。维多的小组相信他们正在再造宇宙大爆炸开始时的情形———夸克和胶子都泡在“一锅汤”里，并逐渐凝固成“强子”。强子是夸克、胶子等粒子聚集的产物，包括重子和介子。它是建造我们宇宙的大部分物质的材料。

　在这几毫秒的时间里，发生了一件重要，同时也难以理解的事情———物质和反物质之间出现了某种不平衡，物质占据了优势。如果没有这种不平衡，物质和反物质会相互反应，双双湮灭———这么一来，我们的宇宙变成一个没有物质，只有能量的空旷地带。

　今年晚些时候，物理学家将试图通过欧洲的大型强子对撞机碰撞和融合离子，以造成更高的温度。大型强子对撞机比RHIC还要强大，所以它可能“复制”出的宇宙时刻甚至比纽约人“复制”出的还要更早。

　4 未来应用 新鲜粒子做电脑

　除了理论研究，这项研究的成果还可能被用在更加实用的技术领域，比如制造更小巧、更快速和更高效的计算机。维多的研究小组中另一位理论物理学家迪米特里·卡扎泽夫（Dmitri Kharzeev）表示：“我们的目标是让电脑不但能够操作电流，还可以操作夸克旋向。”不同的夸克有不同的旋向，如果能够理解这种机理，可能会让科技人员利用它造成更加小巧和强大的信息处理系统。

　现在有一种叫“石墨烯”的纳米材料能够造成夸克的对称旋转，科学家们设想可以用石墨烯造就超级小巧，超级强大的计算机。卡扎泽夫表示，他们还在考虑应用其他的粒子完成类似的任务。

　【关键词快读】

　●大爆炸　

　宇宙大爆炸理论（Big Bang）是天体物理学关于宇宙起源的理论。根据大爆炸理论，宇宙是在大约140亿年前由一个密度极大且温度极高的状态演变而来的。大爆炸之前宇宙是什么？按照广义相对论，大爆炸前存在一个“引力奇点”。

　现在一般认为，在“零点”之后大约10-35秒，宇宙“暴胀”。之后暴胀停止，此时宇宙的物质形式是“夸克汤”。宇宙继续在空间上膨胀，温度继续下降。在某一温度下，夸克和胶子组成“重子”。这就是我们在中学化学课本上读到过的“质子”和“中子”。同时，在物质和反物质之间产生了不对称性。随着温度进一步降低，更多不对称的相变发生，形成了现在的基本粒子和基本相互作用。之后，一些质子和中子结合，组成氘和氦的原子核，这个过程叫做太初核合成。随着宇宙的冷却，静止质量的能量密度以引力形式存在，并超过辐射形式的能量密度。在大约30万年之后，电子和原子核结合成为原子（主要是氢原子），而物质通过脱耦发出辐射并在宇宙空间中相对自由地传播，这就是今天的“宇宙微波背景辐射”。

　●等离子体　

　我们知道，固体被加热后会变成液体，液体被加热后会变成气体，那气体被加热后呢？答案是变成等离子体。随着温度的升高，原子也会解体。原子内的电子飞离原子核，失去电子的原子这时成为带正电荷的“离子”。这种电子和离子自由飞来飞去的状态叫做“等离子体”。

　根据我们的日常经验，似乎等离子体很少见，但其实荧光灯管内就充满等离子体，火焰中也有一部分是等离子体，天空的闪电是等离子体发出的亮光。事实上，宇宙中99%以上的物质都是等离子体。

　如果等离子体再升温，连组成原子的质子和中子都会“熔化”，变成更基本的粒子夸克和胶子，这种状态叫做“夸克汤”、“等离子汤”或者“夸克-胶子等离子体”。它虽然也叫“等离子”，但和荧光灯里的等离子体的性质已经有了很大不同。

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