诞生于宇宙大爆炸后第1微秒的奇异物质

横跨16个数量级,却和水有着相似的流动性质

本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687),编译:辛之助,原文标题:《这种奇异物质,会像水一样流动!》,头图来自:电影《普罗米修斯》

我们的宇宙始于138亿年的大爆炸,自那时起,宇宙便开始不断地膨胀、冷却。这种快速的膨胀创造了我们今天所知的粒子、原子、恒星、星系和生命。

我们已经知道,一切物质都是由原子组成的,原子是由原子核和绕其轨道运行的电子组成,原子核又由被统称为核子的质子和中子组成,而核子是由通过胶子相互作用的夸克组成的。在极高的温度下,夸克和胶子能挣脱核子的束缚,形成一种高温、致密的粒子汤,它们被称为夸克-胶子等离子体。

质子和中子都是由三个夸克构成,负责传递强力的胶子会将夸克牢牢地黏在一起。在高温下,夸克和胶子会挣脱束缚,形成致密、高温的夸克-胶子等离子体。

夸克-胶子等离子体是一种非常奇异的物质状态,天文学家认为,在大爆炸发生后的第1微秒(0.000001秒)内,温度高到令人难以置信的地步,而那时,这种物质便充满了我们的宇宙。了解夸克-胶子等离子体及其流动是目前高能物理学的前沿。夸克和胶子之间的强相互作用可以用量子色动力学(QCD)来描述,虽然量子色动力学为强力提供了一个理论,它却很难单独被用来解决和理解夸克-胶子等离子体的性质。

为了更好地研究这种奇异的物质状态,物理学家会通过大型粒子对撞机来创造出夸克-胶子等离子体,这些实验为理解这种存在于宇宙最早时期的物质状态带来了新的见解。

一直以来,科学家都认为,夸克-胶子等离子体与我们熟知的普通物质有着非常不同的特性。比如虽然夸克-胶子等离子体和液态水都是流体,但液态水这类流体的性质是由原子和分子的行为主导的,原子和分子比夸克-胶子等离子体中的粒子要大得多,且相比之下,将这些原子、分子束缚在一起的力也要弱得多。

现在,一项新的表明,夸克-胶子等离子体与水有着惊人的相似之处。他们发现,虽然夸克-胶子等离子体的黏度和密度均比水大16个数量级,但它们有着相同的黏度和密度之比。

对流体来说,黏度与密度的比值(即运动黏度)决定了它的流动方式。这是一个非常重要的比值,因为流体的流动并不仅仅依赖于它的黏度,而是会受到包含了密度和黏度这两个参数的纳维叶-斯托克斯方程(NS方程)的支配。

因此,即使普通物质与夸克-胶子等离子体有着非常不同的黏度和密度,但只要这一比值对于这两种不同的流体是相同的,那么这两种完全不同的流体就会以相同的方式流动。

液体的运动黏度可以根据温度的改变而变化,且变化幅度可横跨许多数量级。然而,有一个非常有趣的特殊点是,几乎所有的液体的运动黏度都有一个普遍的下限。

根据之前对这一下限的研究,我们知道流体的运动黏度受一些基本物理常数的制约,比如普朗克常数、电子质量和分子质量(由核子质量决定)。这些自然常数最终决定了质子是否是一种稳定的粒子,它们不仅控制着恒星的核合成,也控制着生命所需的必要生化元素的创造过程。在新研究中,研究人员发现这种普通流体(如水)的运动黏度的下限,与夸克-胶子等离子体的黏度相近。

新的结果让我们对夸克-胶子等离子体有了更好的理解,它表明在夸克-胶子等离子体这个奇异系统中,粒子运动方式与从我们的水龙头中流出的水是一样的。此外,这项研究提供了一个非常罕见且令人欣喜的示例,即物理学家可以在有着巨大差异的系统之间进行定量比较。

虽然研究人员表示他们还不能完全理解这种惊人的相似性的根本原因,但他们认为这可能与基本物理常数有关,是这些基本常数设定了普通流体和夸克-胶子等离子体的普遍黏度下限。

参考来源:

https://www.qmul.ac.uk/media/news/2021/se/quark-gluon-plasma-flows-like-water-according-to-new-study.html

https://www.science.ku.dk/english/press/news/2021/study-reveals-new-details-on-what-happened-in-the-first-microsecond-of-big-bang/

本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687),编译:辛之助

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