□作者: 迈克尔·赖尔登　威廉·Ａ·扎伊奇

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　　当两个金原子核以RHIC所能达到的最高能量迎头相撞，它们会将总量超过两万GeV的能量，倾注到一个直径只有万亿分之一厘米的微观火球之中。这些核子以及构成它们的质子和中子会真正熔化，从所有可用的能量中，创造出更多的夸克、反夸克(antiquark，夸克的反物质)和胶子。一场典型的对撞会短暂地释放出超过5,000个基本粒子。碰撞瞬间产生的压强极其巨大，是大气压强的整整1030倍，火球内部的温度也会激增到上万亿摄氏度。
　　但在大约5×10-23秒之后，所有的夸克、反夸克和胶子都会重新结合成强子，向外飞散，溅到周围的探测器上。在强大计算机的帮助下，这些实验设备试图尽可能多地记录下抵达探测器的上千个粒子的信息。其中两套实验装置——BRAHMS和PHOBOS相对较小，专门观测这些碎片的特殊性质。另外两套——PHENIX和STAR，则围绕着巨大的通用设备而建，这些设备用上千吨磁铁、探测器、吸收器和防护设备塞满了3层楼高的实验大厅。
　　4套RHIC实验装置是由不同国际小组设计、建造和运行的，它们拥有60到500多位数量不等的科学家。每个小组都采用了不同方法，来处理异常复杂的RHIC事件所设下的艰巨挑战。BRAHMS合作小组选择专注于残留下来的原始质子和中子，它们高速前进的方向与碰撞前的金原子核相近。PHOBOS刚好相反，它在尽可能广阔的角度范围内观测粒子，研究它们之间的关联。STAR围绕着世界上最大的“数码相机”而建，是一个巨型气柱，可以为射入粒子束轴(beam axis)周围很大半径范围内的所有带电粒子，提供三维图像［译注：这里的三维图像实际上是带电粒子的飞行轨迹］。而PHENIX则搜寻着碰撞极早期产生的特殊粒子，它们能够从夸克和胶子的沸腾熔炉中安然无恙地脱逃。因此，这些特殊粒子为火球的内部深处提供了某种类似于X射线的透视图像。
　　
　　
　　意外的收获
　　
　　4个实验装置显现出的物理图像是一致的，也令人感到意外。夸克和胶子确实摆脱了束缚，表现出集体行为，尽管这种集体行为转瞬即逝。但这种炽热混合物的行为更像是一种液体，而不是理论学家先前预期的理想气体。
　　两个金原子核之间迎头相撞所产生的能量密度惊人，大约是原子核本身的100倍——这主要是由相对论引起的。从实验室中观察，就在两个核子相遇之前，因为相对论效应，它们都被压扁成质子和中子的超薄圆盘。因此在撞击的瞬间，它们所有的能量都被硬塞进一个极小的空间之中。物理学家估计，碰撞产生的能量密度至少是释放夸克和胶子所需能量密度的15倍。这些粒子立刻开始向四面八方飞溅，彼此反复冲撞，从而将能量重新分配成一种更符合热力学分布的形式。
　　这种炽热、致密的介质迅速形成的证据，来自于一种被称作喷注淬灭(jet quenching)的现象。当两个质子在高能情况下相撞时，其中一些夸克和胶子几乎会迎头相撞，并且反弹回去，形成背对背出现的狭长强子“飞沫”(被称为喷注)，它们会朝着相反的方向喷溅而出。但在金原子核对撞中，PHENIX和STAR探测器只看到了喷注对的半边。“孤独”的喷注表明，个别的夸克和胶子确实发生了高能碰撞。可另一个喷注在哪里？反弹回去的夸克和胶子一定是穿过了刚刚形成的炽热、致密的介质；通过多次与低能夸克和胶子亲密接触，它的高能量会被消耗。这就好像将一颗子弹射入一个水箱，几乎子弹所有的能量都被缓慢移动的水分子吸收，它就无法贯穿水箱，从另一侧出来。
　　夸克—胶子介质的行为方式类似于液体，这种迹象很早就出现在RHIC实验之中，表现为一种称为椭圆流(elliptic flow)的现象。原子核的对撞常常会稍稍偏离中心，这种情况下，出现在探测器中的强子，会呈现一种椭圆形的分布。更多的高能强子会在相互作用平面内喷溅而出，而不是垂直于平面喷射出来。椭圆图案表明，巨大的压强梯度一定在夸克—胶子介质中发挥着作用。它还表明，形成那些强子的夸克和胶子，在重新变回强子之前，表现出了集体行为。它们的行为方式就像一种液体——也就是说，并非一种气体。如果是气体，强子应该会均匀地出现在各个方向上。
　　夸克—胶子介质的这种液体行为方式一定意味着，在它们形成之后疯狂自由的时刻，这些粒子彼此间发生着相当强烈的相互作用。碰撞后，由于QCD的渐近自由，它们之间作用力减弱了，但这些初获自由的粒子数目激增，显然使这种作用力的变化被淹没在粒子的洪流之中。就好像我们可怜的囚徒终于冲破了牢笼，却不幸地发现自己赶上了一场监狱大堵塞，与其他所有越狱者都堆挤在一起了。由此产生的紧密关联的步调正是液体才会出现的情况。这与朴素的理论图景背道而驰——后者最初将这种介质描绘成一种几近理想的、相互作用微弱的气体。椭圆不对称性的细节特征还暗示，这种惊人的液体流动起来几乎没有黏度，可能是迄今观测到的最理想的液体。
　　
　　理论图景浮现
　　
　　
　　夸克和胶子液体被挤压到几乎难以想象的密度，并且接近光速向外爆炸，计算其中发生的强相互作用是一项非常艰巨的挑战。一种方法是，利用专为此设计的大型微处理器集群，对QCD方程进行数值计算。在这种所谓的格点QCD(lattice-QCD)方法中，空间用一种离散的格点来近似(就像Tinkertoy的结构，这是一种用点线组合来构建中空的模型)。QCD方程就可以在格点上通过逐次近似而求解。
　　使用这种技术，理论学家已经将压强和能量密度之类的属性，计算成了温度的函数；当强子转变成夸克—胶子介质时，每个属性的数值都会显著增长。但是，这种方法最适合处理的是静态问题，其中的介质处于热力学平衡之中，不像RHIC的微型大爆炸这样会迅速改变状况。即便是最成熟的格点QCD计算，也无法处理喷注淬灭和黏度这样的动态特征。尽管我们预期一个强相互作用粒子系统的黏度很小，不过根据量子力学，它不可能完全为零。但是“它能够低到什么程度”，现在已经证明，要解答这个问题非常困难。
　　值得注意的是，一个意想不到的领域——量子引力的弦论，已经为此伸出了援手。美国新泽西州普林斯顿高等学术研究院的理论学家胡安·马尔达西那(Juan Maldacena)有一个非凡的猜想，已经将一个卷曲的五维空间中的一种弦论，与存在于这个空间的四维边界上一种类似QCD的粒子理论，令人吃惊地联系起来[参见《科学美国人》2005年11月号胡安·马尔达西那所著《重力幻觉》一文]。尽管两种理论似乎描述着物理学中完全不同的领域，但它们在数学上是等价的。当类似QCD的作用力变强时，与之对应的弦论就会变弱，因而更便于计算。一些在QCD理论中难以计算的物理量，例如黏度，在弦论中拥有更容易处理的对应物(在这个例子中，对应物就是一个黑洞对引力波的吸收)。针对所谓的比黏度(specific viscosity，代表了溶质对溶液黏度的影响)，这种方法得出了一个非常小、但不为零的下限——大约只有超流态液氦(superfluid helium)的1/10(超流态液氮是目前实验室中制造出的最理想的液体，这一数据正是暗示夸克-胶子介质有可能取代它的地位)。弦论很有可能会帮助我们理解夸克和胶子在大爆炸最初几微秒内的行为方式。
　　
　　未来的挑战
　　
　　
　　令人吃惊的是，迄今遇到的最炽热、最致密的物质，远比其他所有已知的液体更臻于完美。这种现象发生的过程和原因，是RHIC的物理学家现在面临的巨大实验挑战。这些实验取得的大量数据，已经迫使理论学家开始重新考虑一些有关宇宙早期物质的珍贵想法。在过去，大多数计算都将自由夸克和胶子当作理想气体，而不是液体来处理。QCD理论和渐近自由本身并没有受到威胁——没有任何证据让人怀疑这些基本方程的正确性。引起争议的，只是理论学家从方程中提取结论的那些技巧和简化假设。

文章作者:迈克尔·赖尔登　威廉·Ａ·扎伊奇
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