宇宙大爆炸第一微秒发生了什么？

大爆炸

近日，丹麦哥本哈根大学的研究人员在《物理快报B》杂志发表了一篇论文。论文中，他们阐述了有关宇宙大爆炸后一微秒内出现的一种特殊等离子体的研究结果。这种等离子体是宇宙诞生以来出现的第一种物质。相关发现为解开宇宙演化之谜提供了一块必不可少的拼图。

大约140亿年前，宇宙开始急剧膨胀，科学家们将这一过程命名为大爆炸（Big Bang)。这种快速膨胀效应创造了万物，包括我们今天所知的粒子、原子、恒星、星系和生命，但其中的许多细节一直未被揭晓。现在，这项新研究成果终于揭示了宇宙中的一切是如何开始的。

哥本哈根大学尼尔斯·玻尔研究所（Niels Bohr Institute）的副教授You Zhou介绍道：“我们研究的是一种被称为‘夸克-胶子等离子体’（quark-gluon plasma，简称QGP）的物质，它是宇宙大爆炸后第一微秒内唯一存在的物质。研究成果为我们呈现了一个关于等离子体如何在宇宙早期阶段演化的独特故事。首先，由夸克和胶子组成的等离子体被宇宙的热膨胀效应分离。然后，夸克的碎片合并成所谓的‘强子’（hadron）。一个强子加上三个夸克形成一个质子——质子是原子核的一部分。这些核心物质是构成地球、生命以及所有宇宙物质的基石。”

QGP出现在宇宙大爆炸后的0.000001秒，之后便由于膨胀效应而消失了。现在，借助欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（Large Hadron Collider），该组研究人员得以重现宇宙史上的第一种物质，并追溯其经历的过程。Zhou介绍道：“对撞机以接近光速的速度将等离子体中的离子碰撞在一起，这样我们便能看到QGP如何演化为原子核心物质和生命基石。除了使用大型强子对撞机，研究人员还开发了一种分析集体膨胀效应的算法，它能够同时分析的生成粒子数量比以往的任何实验都多。”

数据模拟实验结果表明，QGP曾表现为一种流动的液体形态，它区别于其他物质的最大特点是——能够随着时间变化不断地改变形态。Zhou副教授解释：“很长一段时间以来，我们都认为等离子体是一种气体，分析结果证实了里程碑式的最新测量值：强子对撞机显示QGP呈流体状，具有像水一样光滑柔软的质地。最新细节还表明，等离子体随着时间的推移改变了自己的形态。这相当令人惊讶，因为它不同于我们已知的任何其他物质，与我们期望的结果也相差甚远。”

他强调，尽管这似乎只是一个微小的细节，却能让物理学家朝着解决宇宙大爆炸之谜迈进了一大步。Zhou副教授表示：“每一个发现都是让我们更接近宇宙大爆炸真相的一块垫脚石。我们花了大约20年的时间才发现夸克-胶子等离子体在变成强子和生命基石之前是流体。因此，认识到等离子体具有不断变化的行为表现，对我们来说是一个重大突破。”

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编译：朱明逸  审稿：西莫  责编：陈之涵 

期刊来源：《物理快报B》

期刊编号：0370-2693

原文链接：https://phys.org/news/2021-05-reveals-microsecond-big.html 

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