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▌再造大霹靂那瞬間
▌文／黎奧丹（Michael Riordan）、載克（William A. Zajc）
▌翻譯／林世昀
▌提供／科學人雜誌
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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。
RHIC實驗
RHIC由美國能源部出資，在布魯克海文國家實驗室運轉，它是製造與研究重離子碰撞的最新設備。早期的原子核加速器，是用重原子核束轟擊靜止的金屬靶，但RHIC並不一樣，它是讓兩束重原子核互撞的粒子對撞機。同樣的粒子速度，迎面對撞所產生的能量要大得多，因為所有可用的能量都用來製造這團火球了。這就像兩輛汽車高速迎頭對撞時，其動能都被轉化成隨機向四面八方飛濺的零件與碎塊的熱能一樣。
在RHIC所造成的高度相對論性能量之下，原子核的行進速度達光速的99.99%，其中每個質子與中子皆可達到如100GeV這樣高的能量（1GeV約等於一個質子的靜止質量）。兩條由870個超導磁鐵所組成的長串，用數以公噸計的液態氦加以冷卻，引導原子核束在兩條長3.8公里、互相交錯的環中繞行。粒子束的碰撞發生在這兩個環交錯的四個點。在這些碰撞點上，有四部分別叫做BRAHMS、PHENIX、PHOBOS與STAR的精密粒子偵測器，記錄從猛烈的碰撞中噴濺出來的次原子碎片。
當兩個金原子核以RHIC所能達到的最高能量迎面對撞時，它們會把兩萬GeV以上的能量，一股腦傾入一個直徑只有一兆分之一公分的微小火球中。在此原子核與其組成的質子與中子真的就「融化」了，而從所有可用的能量之中，創生出更多的夸克、反夸克（夸克的反物質）與膠子。每次的對撞事件中，都會有超過5000個基本粒子暫時得到釋放。此外，在碰撞的瞬間產生的壓力十分驚人，高達1030大氣壓左右，而火球內部的溫度，也會飆高到好幾兆℃。
但在兆兆分之50（5×10^23）秒後，所有的正反夸克與膠子就又重新結合為強子而向外爆發，進入周圍的偵測器中。藉由強大電腦的幫助，這些實驗盡可能將這幾千顆到達偵測器粒子的資訊，完整地記錄下來。其中的兩個實驗，BRAHMS與PHOBOS，規模相對較小，它們集中在觀測碎塊的某些特定表徵。另兩個實驗，PHENIX與STAR，則是巨大且用途廣泛的儀器，幾千公噸的磁鐵、偵測器、吸收器以及保護罩，塞滿了三層樓的實驗大樓。
這四個RHIC實驗分別由不同的國際團隊設計、建造與操作，每個團隊的科學家從60~500人以上不等。不同的團隊運用不同的策略，來對付出現在RHIC碰撞中，各種複雜又嚇人的挑戰。BRAHMS團隊選擇集中觀察沿著金原子核碰撞方向上疾行的殘餘原始質子與中子。相對的，PHOBOS則盡可能在最廣的角度範圍內觀測粒子，並研究粒子間分佈角度的關係。STAR建造在一個巨大的氣體圓柱、也是世界最大的「數位相機」周圍，這架相機可提供從環繞射束主軸的大型光圈中入射的所有帶電粒子的三維相片。而PHENIX則是尋找在碰撞極早期產生的特定粒子，它們能毫髮無傷地從一大鍋沸騰的夸克與膠子中脫逃而出，因此PHENIX提供的是像火球內部深處的X光照片。
（本文原載於科學人2006年6月號）
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▌哈薩克第一顆衛星順利發射
▌文／科科報編輯小組
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中亞國家哈薩克在當地時間18日凌晨發射了該國首顆人造衛星，讓該國邁入太空時代。
這顆名為「KazSat 1」的衛星造價高達一億美金，主要為通訊用途，將為哈薩克、烏茲別克、吉爾吉斯、土庫曼等中亞國家提供衛星電視轉播及通訊。衛星在升空九分鐘後與火箭自動脫離，在發射七小時後到達永久軌道位置。
有趣的是，雖然發射火箭的太空基地是在哈薩克境內，但這個基地在蘇聯解體後就租用給俄羅斯使用，這是基地首次發射本國衛星，哈薩克政府也希望能發展該國的太空工業，並計畫組成太空人團隊。
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