新研究：极早期宇宙中的奇异物质与水相似

2021年6月7日星期一

新研究：极早期宇宙中的奇异物质与水相似

作者：萧路

水是生命的重要组成部分。纵观历史，世界各地的人们都认为水是必不可少的。特别是在某些宗教中，人们认为水在世界开始的很早时期就已经存在。例如，圣经中创世纪部分多次提到“水”这个词，它自天地创世以来就存在。

在一项新研究中，科学家们得出了一个非常有趣的结论，即存在于宇宙早期的一种奇异形式的物质就像水一样流动。

这种被称为夸克-胶子等离子体的奇异物质，被认为是大爆炸后几微秒内形成的基本粒子场。目前理论相信它在宇宙刚开始时无处不在。

现代物理学表明，流体的粘度（即流动性）与流体密度之间的比率决定了它的流动方式。作为一种奇特的物质形式，夸克-胶子等离子体的粘度和密度与我们日常生活中的任何东西都不一样。然而，研究人员发现这两个数量之间的比例与我们的自来水相似，因为它们都比水大16个数量级。

论文作者，伦敦玛丽皇后大学的科斯佳‧特拉琴科（Kostya Trachenko）教授在一份声明中说：“我们还没有完全理解这种惊人相似性的起源，但我们认为它可能与基本物理常数有关，为普通液体和夸克-胶子等离子体设置通用的粘度下限。”

我们日常生活中的几乎所有东西都是由原子构成的。这些微小粒子由一个由一些电子环绕的原子核组成。原子核由质子和中子组成，而它们由更基本的粒子组成，称为夸克和胶子。

在大多数情况下，夸克和胶子以质子和中子的形式粘在一起。但是如果温度非常高，大约比太阳中心热一百万倍，夸克和胶子就会脱离并形成一种称为夸克-胶子等离子体的奇异等离子体。

天文学理论认为，非常早期的宇宙充满了极高温的夸克-胶子等离子体。在短短几微秒内，等离子体迅速冷却形成质子和中子，它们是物质的组成部分。

自21世纪以来，科学家们已经能够使用大型粒子对撞机在实验室环境中重建夸克胶子等离子体，这为了解这种奇异物质提供了新的见解。

尽管许多物理性质存在巨大差异，但研究团队发现，夸克-胶子等离子体和普通液体之间的粘度和密度之比，即运动粘度，是相似的。根据流体动力学，流体流动受纳维-斯托克斯方程控制，该方程对上述比率很敏感。只要这个比率相同，即使它们的粘度和密度非常不同，两种流体也会以相同的方式流动。

马德里自治大学的马泰奥‧巴乔利（Matteo Baggioli）教授补充说道：“这项研究提供了一个相当罕见且奇妙的例子，说明我们可以在非常不同的系统之间进行定量比较。”“流体是用流体动力学来描述的，这给我们留下了许多目前处于物理学研究前沿的开放性问题。我们的结果显示了物理学将一般原理转化为关于复杂特性的具体预测的力量，例如夸克-胶子等离子体等奇异类型物质中的液体流动。”

非常有趣的是，并非任何液体的运动粘度都可以与夸克-胶子等离子体的运动粘度一致，而是有一个非常特殊的点，液体粘度具有几乎普遍的下限。之前的一些研究表明，在此极限下，运动粘度受基本物理常数（如普朗克常数）的控制。这些常数最终决定了我们宇宙的特性，例如质子是否是稳定的粒子以及生命所需的基本生化元素的产生。新研究发现，水等普通流体的普遍下限与夸克-胶子等离子体的下限接近。

“可以想像，目前的结果可以让我们更好地了解夸克-胶子等离子体，”俄罗斯科学院的瓦迪姆‧布拉日金（Vadim Brazhkin）教授补充道，“原因是液体的最低粘度对应于我们最近才了解的一种非常特殊的液体动力学状态。与夸克-胶子等离子体的相似性表明，这个奇异系统中的粒子以与自来水中相同的方式移动。”

这项新研究发表在2021年5月27日的SciPost Physics杂志上。