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4万亿度,史上最高温如何诞生?  

2010-03-03 09:26:00|  分类: 封面故事 |  标签: |举报 |字号 订阅

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高温4万亿度,做碗“夸克浓汤”
美国科学家制造出实验室中最高温度,探索物质起源之谜 
 
 
4万亿度,史上最高温如何诞生? - 新知周刊 - 《新京报·新知周刊》  
位于纽约的美国能源部布鲁克海文国家实验室。图片上方的圆环,其地下就埋藏着RHIC的圆形加速器。 
 
新京报《新知周刊》

 
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℃。

 

4万亿度,史上最高温如何诞生? - 新知周刊 - 《新京报·新知周刊》 
RHIC的内部,金离子就在这些轨道里碰撞,发生爆炸。

 

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。
 
本报记者/刘铮

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