宇宙诞生于火球的理论可能很快在实验室中用实验来检验，这些实验在进行一系列“小爆炸”中，再现了大爆炸的条件。

假如宇宙是由炽热的火球能量产生的——如广泛接受的大爆炸理论告诉我们的那样，那么火球的能量是怎样转变成今天我们看见的在我们周围的物质的呢？物质的标准理论认为通常的强子——诸如组成原子核的质子和中子那样的粒子——是由叫做夸克的基本实体组成的。这些夸克是为一种想象地命名的胶子所携带着的强力紧固在一起的。胶子的交换产生的力如此之强以致从没有单个的夸克能从一个强子中逃逸出来。但是在150亿年前，宇宙最初一瞬间的极高温和极高压的条件下，单个的强子不可能已经存在。相反，按照标准理论，宇宙是由夸克胶子雾即“夸克-胶子等离子体”所组成的。

夸克-胶子“时代”大约结束于大爆炸后十万分之一秒。在这个临界时刻，相当于蒸汽变成液态水那样一种情形的相变发生了，结果便形成了强子。现在，大西洋两岸的物理学家已经着手实验来探索这种夸克-强子相变，以提供检验我们对早期宇宙的了解所根据的诸理论的方法。

为了对所涉及的条件究竟是怎样的极端有一个感觉或认识，我们需要用相当不同于日常生活的那些术语来考察温度和密度。有点混乱，物理学家量度这两个量看来用的是同一单位——电子伏特（ev）。严格说来，这是能量的一种量度，1电子伏特等价于1.6×10-19焦耳，因此，它是温度的一种很好的量度。以几个电子伏特的动能互相碰撞的粒子具有的温度相当于几万度的开尔文温标（译注：按照气体分子动力理论，一个分子或粒子动能1/2 mv2=3/2 kT，其中k=1.38×10-23焦耳/开尔文，为玻尔兹曼常数，因此，1电子伏特的动能就相当于温度T≈106开尔文）。通常化学反应所联系着的就是这样的能量和温度。

根据爱因斯坦著名方程E=mc2，用光速平方c2相除，能量能够转换成等价的质量；因而当电子伏特用作质量单位或者用以表示密度时，就寓意要除以c2。在这样的用法下，1个电子的质量是500千电子伏（=5×105ev），1个质子的质量是1Gev（=1×105ev）。中子和质子几乎有同样的质量（实际上要稍大一些）。在原子核中包裹在一块的质子和中子，提供了今天宇宙中能够存在的物质最大密度（除了一种微弱的可能性外，即在某些中子星中心处强子可能被挤压得如此强烈以致它们被压碎成夸克-胶子雾）。一个质子半径大约是8×10-16米，对我们现在的需要来说，它是足够接近1费米（fm）的（1 fm=10-16m）。因此，一个质子的密度——日常物质的最大密度——粗略地说，是1 Gev/fm2

用强有力的计算机，使用一种叫做点阵度规理论的比较新的技术，理论工作者已经计算过在夸克-强子相变时物质所呈现的行为。按照这些计算，临界温度是在150到200百万电子伏特（150~200 Mev）的范围之内（相应于水沸腾的临界温度）。这相应于能密度为2~3 Gev/fm2——按照爱因斯坦方程，这是为了创造3个质子在1个质子体积中要有的足够纯的能量。物理学家怎样能够创造这样极端的条件呢？

现在，在日内瓦的欧洲粒子物理实验室CERN和在美国的布鲁克海文国家实验室正在采用的进攻路线是迫使重离子束碰撞。粒子加速器常规进行的实验是使质子或电子（或它们的反物质伙伴）束注粉碎入含有较重元素的核的靶中，或者进入沿相反方向运动的基本粒子束注中。但是，现在研究人员正在研制把含有很重元素的核的束注引入粒子加速器所需要的技术，这样，这些重核将被加速，并被粉碎，或者打入含有同种类重核的固定的靶中，或者打入在相反方向运动的含有同种类重核的束注中。为了得到两个这样的核迎头相碰时所引起的这类碰撞的物理图像，我们来考虑被加速到光速的0.999957倍的一个金核所发生的例子（到目前为止，这还是假设的）。

一个金核含有118个中子和79个质子；因此它有79个单位正电荷。电荷提供了用磁场可以把核加速到如此高的速度的方法。在这种速度下，相对论效应将使核的质量增加；同时使得它在运动方向缩短，变成扁平的，像一个薄饼。这两个效应涉及到同一相对论因子，因此质量增加到它的静止质量的108倍，而沿飞行方向的厚度则缩短到小于静止的金核厚度的百分之一。粗略地说，它是重了100倍（每个核子质量大于100 Gev），但是这个薄饼的厚度现在仅仅是横跨飞行方向测量的直径的百分之一。

假如这样一个相对论性的核和一个在相反方向上飞行的完全一样的核相遇，结果将是奇观的。由于每个核的体积只有原来的百分之一而质量则为（刚好超过）原来的100倍，因此在交叠瞬间碰撞核的物质密度将大于通常的金核密度的2万倍。同样量级的密度可以在所涉及的其它重元素（诸如铅和铀）的核的碰撞中实现。而且由于两个核薄饼试图互相通过，在迎头相遇的质子和中子之间，以及核子和刚好在它们前面已发生的碰撞所产生的残骸之间将有重复的碰撞。那时描述所发生的一切的最好图像将来自于物理学家提出的核子是由夸克组成的标准模型。

每一个核子（质子和中子）包含3个夸克。但是，夸克不能孤立存在。它们不是成三就是成对地出现；了解这种情形的最好途径是把它们看作被一条使两个夸克维系在一起的橡皮带紧固在一块的（实际上是胶子的交换）。假如你试图把这两个夸克分开，那么这条橡皮带将被拉伸，分离这两个夸克所用的能量将以类似于能量贮藏在拉伸的弹簧中那样的方式被贮藏起来。

这就意味着以这种方式连接起来的两个夸克，分离得愈远，就愈紧密地维系在一起——这种情况是和我们熟悉的力像引力和磁力的作用情形相反的。然而最后，拉伸的“橡皮带”将断裂——但是只有当足够的能量投入这个系统以创造两个“新的”夸克分别位于断裂的两边的时候才有可能。

这个过程使我们想起，把一条磁铁锯成两半以使北磁极从南磁极分离开来的情形。每一次把两个磁极锯开，都会发现又得到了两条新的磁铁，每一条都有北极和南极，而不是两个独立的磁极。

因此，两个以接近光速运动的重离子之间碰撞的图像是这样一种图像，其中，夸克从单个的核子中撕裂出来，拉伸了连接它们和其它夸克的橡皮带直至断裂为止，造成一对或3个夸克的新的结合，具有一种断裂和再连接的橡皮带的重叠的缠结，就像高能量的绝缘套管那样。缠结的橡皮带可能终止连接两个在相反方向以接近光速运动的夸克，此时它吸收碰撞中大量的动能，并突然断裂在余下的原核运动开以后于碰撞的地方产生一大批新的粒子。这就是物理学家急切要研究的夸克-胶子等离子体——“小爆炸”，它们重新产生了自大爆炸本身以来可能不再存在过的那些条件。

因为这里粒子正在由能量（碰撞核的高动能）制造出来，所以从这个微型火球产生质量比两个原来的核的质量更大的粒子是容易的。这样的粒子碰撞并不仅仅是把飞来的核打碎使之释放出它们的组成的问题，而且也是创造新粒子由之形成的高能量密度的一种手段。制造新粒子的能量是来自用于使原来的核加速的电磁场。

实验工作者实现夸克-胶子等离子体的进展和前景如何？而且假如他们的确成功创造了这样的等离子体，他们将如何分析这些小爆炸？

现有的粒子加速器并不是建造来进行这类实验的，除了达不到所需要的能量外，还有其它的制约，它们限制了能被使用的核的种类。例如，在CERN，超质子同步加速器（SPS）仅能使用有相同数目的质子和中子的核；而很重的核，中子总是比质子多得多。用具有16个质子和16个中子的硫32的核来操作，SPS能达到的能量为核子。平均讲来，这就导致能量密度低于或勉强达到形成夸克-胶子等离子体所需的能量范围。在布鲁克海文的交变梯度同步加速器（AGS），用硅28，能达到的能量为5 Gev/核子；其平均（能量）密度远低于临界值。用新的助速系统（有时叫做预加速器），上述两个实验室很快将能够处理所有的重核，不过每核子的能量值仍然和以前一样。这就意味着，CERN将有一个好机会，可以最先尝试制造夸克-胶子等离子体。实验专家将能够挑选出那些导致比平均能密度更高能量的特殊的猛烈碰撞。

但是到1997或1998年，布鲁克海文的相对论性重离子对撞机（RHIC）和CERN的新加速器即大型强子对撞机（LHC），二者都将进入运转。虽然LHC在原则上正在设计来加速质子，然而最终它将用来把重离子加速到高能量。RHIC运转能量将大约在200 Gev/核子，而LHC可能达到6300 Gev/核子。对RHIC来说，这将等价于在温度为200 Mev时能量密度为3 Gev/fm3；对LHC来说，将等价于温度为220 Mev时能量密度为5 Gev/ fm3。理论告诉我们，两者都很好地在夸克-胶子等离子体能够形成的范围之内。

检验夸克-胶子等离子体是否已经形成的方法是寻找任何其它方法不可能产生的“特征信号”。一般说来，从小爆炸中出现的被探测到的粒子将是通常的强子，因为不论任何东西到达探测器的时候，原初的火球早已变成普通的物质了。实验工作者是有趣于这些反应的一切产物的，在他们探索未知事物的时候期望有某些惊奇的东西出现。强子可能保留有“诞生”它们的条件的某种印记。这将给出新的信息，说明造成我们的物质种类在大爆炸本身中是以怎样的方式形成的。

然而，特别有趣的是火球冷却到足以经受夸克-强子相变以前所发射的粒子。这些粒子可能在它们身上携带着小爆炸炽热早期的信息。一种这样的特征信号是非常类似于天体物理学家用来测量遥远星体的温度和成分的信号。从恒星到达我们的光是从造成恒星物质的原子发射出来的，而且这样的原子发射和吸收的光具有非常确定的频率。恒星愈热，它发射的光中，高频的就愈多，低频的就愈少。两个核的高能碰撞中产生的火球可比拟于这样的一颗星：它也发射“光”，这种“光”能够以正负电子对或正负μ子对（即粒子反粒子对）的形式被观测到。这种光依然包含谱线，分析这样的谱能够告诉我们原初的火球有多热。事实上，CERN的研究人员在他们的实验中已经看见了光谱随温度升高而变化的最初证据。

另一个引起兴趣的可能是小爆炸的微型火球可能产生一种不同种类的稳定物质。虽然质子和中子每个都含有3个夸克，然而仅仅两种类型的夸克出现在通常的物质中——即上夸克和下夸克（以及它们的反粒子）。一个质子由两个上夸克（每个带有+2/3的电荷）和一个下夸克（带有-1/3的电荷）组成，并被胶子橡皮带束缚在一起；而一个中子则含有两个下夸克和一个上夸克。

然而，有其它类型的夸克，它们参与高能量的相互作用并结合形成一些比较奇特的、通常是寿命很短的粒子。按照理论，这些另外的夸克之一，即所谓的“奇异”夸克应该能够和上夸克及下夸克结合形成“奇异物质”（或“夸克块”）的小滴，它们含有大约相同数目的上夸克、下夸克和奇异夸克。已经有人宣称，这样的奇异物质已在宇宙射线中探测到了，不过至今还没有发现这样的小滴存在的明确证据。但是夸克-胶子等离子体能够产生像通常的强子那样的奇异小滴。它们可能有大致为零的电荷（奇异夸克带有-1/3的电荷），但是它们的质量可与大原子核的质量相比拟，因而将是很容易探测的，这就给夸克-胶子火球提供一个显著的信号。

某些研究人员已建议，使用最初发展来测量遥远星体大小的那种技术，甚至可能测量微型火球本身的大小和形状。这技术是以研制它的两个天文学家汉伯里-布朗（R. Hanbury-Brown）和特威斯（R. Q. Twiss）的名字命名的。像天文学家使用的那样，这种技术涉及到使用相距200米远的两个望远镜对同一颗星作同时观测，并且把从两个望远镜来的光信号结合起来产生一种干涉花样。于是，这种干涉花样便提供了发射光信号的恒星的大小的信息。

使用π介子代替光作探针，汉伯里-布朗-特威斯的方法可能适合于测量重离子碰撞产生的微型火球的性质。夸克-胶子等离体将产生大量的π介子，研究这些粒子相互干涉的情形（记住：在量子世界中每个粒子也是一种波），就可能推断产生这些介子的火球的几何性质。

值得清楚说明的是，这涉及到尺度上究竟有多么吃惊的改变。汉伯里-布朗和特威斯研制这种技术是为了测量距离几光年远的恒星的大小（一般有109m的线度）。现在，这种技术要用来测量距离1米左右处的线度一般是小于10费米（即小于10-14m）的微型火球的大小。这就涉及到数量级为23的一个缩尺因子（即相差23倍）。还有一种同样的情形，恒星物质的光谱分析是被发展来硏究距我们很多光年远的物质的性质，不过这些物质在很长的时间内以同样的形式存在着。现在我们要用这一技术来测量微型火球的温度，但是这种火球最多只能存在大约10-23秒。

这样一种技巧是不容易的，但是假如成功了，它将巧妙地使这种研究得以实现。创造夸克-胶子等离体的兴趣来自它在宇宙学上（大爆炸）以及可能在天文学上（中子星内部）的重要性；假如天文学家研制出来的技术能适用于提供对夸克-胶子等离子体汽泡的性质的深入了解，这种兴趣将是适当的，实验工作者确信地预期在这10年结束以前将制造出这种夸克-胶子等离子体。

[New Scientist，1991年8月17日]