流体力学描述“万物生长”的宇宙起源

微小“液滴”是最早期宇宙的理想液体，布鲁克海文实验室使用相对论重离子对撞器 （RHIC)探测原子物理的奥秘，高能加速器能同时粉碎以接近光速运动的对撞原子核，从而再造存在于宇宙极早期由基本粒子组成的“原始羹汤”。RHIC的实验项目吸引了1000多位世界各国的科学家，实验结果产生了原始羹汤或科学家称之为夸克—胶子等离子体（QGP） 的物质态，QGP是一种“理想液体”，它在流动中几乎不受任何摩擦力的阻碍。

《物理学评论通讯》杂志发表了RHIC的实验成果，早些时候的一个推测得到证实：微小粒子的碰撞可能产生自由流动的“原始羹汤”滴沥，较小粒子与较大原子核通过碰撞产生了同样的结果。布鲁克海文国家实验室原子核和粒子物理学领域的助理实验室主任本伯恩特·米勒解释说，物理学家最初认为，仅有大的原子——诸如金才有足够的质量和能量，在碰撞中释放出夸克和胶子，它们是组成质子和中子的基本粒子，但在氦—3原子核和金离子发生的碰撞过程中，更小粒子同样产生了微小的理想液态QGP样本。

早些时候进行了粒子和离子的碰撞实验，科学家在此基础上使用了氘核和金离子。同样的结果也出现在欧洲大型强子对撞机（(LHC）的质子—铅和质子—质子的碰撞实验情形中。RHIC的PHENIX合作项目共同发言人、科罗拉多大学物理学家杰米·内格尔解释说，小粒子和大原子核在碰撞中产生了微小液滴，理论构想指导了一系列的碰撞实验，检验和对检验结果的解释激发了科学家对发现意义的热烈讨论和精彩论辩，一系列实验揭示了夸克—胶子等离子体产生的关键条件，为粒子碰撞时的初始状态特性提供了真知灼见的认识。

几何流动的样式。2005年，在RHIC发现了“理想液体”，在观测基础上明白无误地显示了实验的结果。在当时RHIC最高能级的金—金碰撞实验中产生了粒子流的椭圆样式，碰撞实验清楚地显示出粒子的群体表现行为，这与科学家已知的气体膨胀均匀性形成了鲜明对比，后续实验证实了理想液体确实由可见物质最基本的材料——夸克和胶子构成，它们没有被束缚在单个质子和中子的内部，液体在流动中遇到了最小阻力，几乎是一种完美的QGP液体。

使用更小的粒子和重离子进行碰撞实验，作为一种控制性的实验设计，科学家开始没有想到在碰撞中会产生QGP，但在LHC非常高能的质子和质子以及之后的质子和铅核的碰撞实验揭示了一个线索，微小离子束的碰撞产生了群体行为和流动性，很像理想液体产生的信号，最初在RHIC的金—金碰撞中出现，以后在LHC的铅—铅碰撞中再次检测到了这种信号。RHIC的物理学家检测了2008年RHIC运行的数据，他们从氘核（由一个质子和一个中子构成）被粉碎成金离子的实验中看到了相似的样式。氘核由两个粒子构成，产生了两个独立的核子碰撞，两种热点似乎通过合并形成了拉长的QGP液滴。

明确的检验。观测结果引发了在一种更紧凑、可控制装置中检测流动样式的设想，仅在RHIC实现了实验的可能，物理学家进行了各种各样的离子碰撞并控制了“液滴”的物态形状。已经获得了额外的氘核—金碰撞的实验数据，RHIC的科学家进行了其它粒子类型的碰撞，诸如：氦3（由两个质子和一个中子构成）—金，质子—金。范德比尔特大学的一位PHENIX合作研究员黄胜利负责数据的分析研究，他解释说PHENIX探测器能捕获出现在离碰撞点非常远的前方和后方的粒子，大角度的覆盖范围使得科学家测量了粒子碰撞时的流动状态。PHENIX安装了一个触发探测器，可记录最剧烈碰撞后的信息，从最猛烈的碰撞中获得了最明显的流动样式。

氦—金的碰撞类型展示了三角形的流动样式，科学家认为三角样式与在实验中产生的三个微小QGP“液滴”相一致，实验数据表明了小粒子碰撞能产生极端的温度，这是产生能自由移动夸克和胶子的条件，而碰撞实验使用的粒子更小、碰撞规模更小。科学家在以往的碰撞实验中使用了两种重离子，在碰撞中产生了相对大尺度的QGP。内格尔解释说，这是一次极有确定性的测量，他们发现了椭圆形和三角形的流体样式，QGP特性很好地符合了流体力学的计算方法，他们在实验中真正发现了不同形状的QGP，研究它们的行为和控制方法。QGP的形成伴随了其它关键信号，比如：在微小“液滴”中探测到了高能粒子喷射时的停止现象，一些理论解释表明，从小的粒子核相互碰撞中形成了“液滴”样式，它们从碰撞粒子内部的胶子相互作用中产生，而不是产生于QGP的形成过程。

布鲁克海文实验室的原子能物理学家比约恩·申克解释说，目前能够重新构造和解释在氘核—金和氦3—金碰撞实验中观测到的液滴样式理论似乎只有流体动力学，是否存在其它可以描述这些样式的理论模型？如果其它选择的理论模型能够符合氦3—金的碰撞数据，那么物理学家将会探索模型预测的结果与流体动力学模型有怎样的不同，碰撞类型的不同是否造成了模型的不同。RHIC难以比拟的强大功能为科学家的理论探索提供了实验检测的舞台，他们可以探索任何碰撞的类型，以找到不同理论模型形成的内在原因。

（编译：2015-9-10）