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數已千計的粒子，從兩個金原子核碰撞產生的極高能量中傾洩而出。而由RHIC的STAR偵測器成像。碰撞中的狀況可以模擬大霹靂開始後幾微秒內的情形。
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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。
也正是QCD的漸近自由，讓物理學家能夠揭開溫伯格所說的面紗，並估算宇宙最初幾微秒所發生的事。只要溫度超過10兆℃，夸克和膠子就會有實質上獨立的行為。就算是溫度降到兩兆℃，夸克還是可以獨自徘徊──雖然到那時候，它們已經開始能感受到，QCD局限的力正奮力拉扯著它們的後腿。
為了在地球上模擬這樣極端的狀況，物理學家必須重建在最初幾微秒中極高的溫度、壓力與密度。溫度其實就是一大群粒子的平均動能，壓力則會隨著這群粒子的能量密度增加而上升。因此，我們必須盡可能將最高的能量，擠到最小的體積中，才有最佳的機會模擬大霹靂的狀況。
幸運的是，大自然提供了原子核這種現成的極緊密物質團。如果你有辦法把一小撮這種核物質集中在指尖，它將會重達三億公噸。經由累積了30年的經驗顯示，鉛和金這類重原子核在高能碰撞後所達到的密度，遠勝於一般的核物質，產生的溫度可能也超過五兆℃。
將兩個各含大約200個質子與中子的重原子核對撞，會產生比單獨質子的碰撞（如其他高能物理實驗所採用者）猛烈得多的人間煉獄。這種重離子碰撞所創造出來的東西，不是幾十個粒子的火星飛濺而已，而是一個由數千顆粒子所組成的沸騰火球。涉入的粒子數量多到足以讓火球的集體性質──它的溫度、密度、壓力和黏滯性（亦即濃稠度或是流動的阻力），變成有用、有意義的參數。這項區別非常重要，就像幾個單獨的水分子與一整顆水滴之間的差異一樣。……
【本文轉載自《科學人雜誌》2006年6月號】
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