在大爆炸後的最初一瞬間，物質以萬億度的夸克和膠子等離子體形式存在——這些亞原子粒子以接近光速的速度四處飛馳。這團翻滾的"湯"僅存在了幾微秒，之後這些粒子便凝聚成更穩定的質子和中子。
為了研究這種原始流體，科學家們在大型粒子加速器中重現夸克-膠子等離子體
，在那裡離子以接近光速的速度相互碰撞。這些碰撞產生的等離子體液滴大小大致相當於一個原子核，存在時間僅為數十億億分之一秒。
科學家研究這種等離子體的一種方法是追蹤其他粒子，例如重夸克，它們並非等離子體的組成部分，但恰好會穿過等離子體運動。重粒子穿過流體的運動方式，應該能揭示流體本身的微觀結構。這一普遍關係最早由物理學家阿爾伯特·愛因斯坦於1905年提出。
但在粒子以接近光速運動的極端條件下，愛因斯坦理論中的某些部分開始失效；等離子體內部存在一些該理論無法完全捕捉的相互作用。
現在，麻省理工學院和加州大學聖塔芭芭拉分校（UCSB）的物理學家們接續了愛因斯坦理論止步之處的研究。他們提出了一套理論，用以預測一個以接近光速運動的相對論性粒子，在穿過流體飛行時會如何受到推拉作用。
研究人員設想，這套新理論可以用來預測重夸克在夸克-膠子等離子體中的運動方式。隨後可將這些預測與實驗結果進行比較，從而刻畫夸克-膠子等離子體的微觀結構，以及宇宙誕生之初究竟存在著何種流體。
"我們的研究結果揭示了重夸克所攜帶資訊的一個新來源，即它們運動中罕見的、異常大幅度的變化，"麻省理工學院理論物理中心（Leinweber研究所）的研究生讓·杜·普萊西斯（Jean Du Plessis）說。"這些大幅度變化發生的頻率取決於等離子體的微觀性質，這意味著它們有可能為我們了解夸克-膠子等離子體內部的真實狀態提供一種新途徑。"
杜·普萊西斯與加州大學聖塔芭芭拉分校卡夫利理論物理研究所的布魯諾·謝因-希奇菲爾德（Bruno Scheihing-Hitschfeld）今天在《物理評論快報》上報告了他們的研究成果。
從花粉說起的研究路徑
1905年，愛因斯坦提出了一套理論，用以描述粒子穿過流體的運動方式，以及這種運動如何揭示流體的微觀結構。他的理論靈感來自植物學家勞勃·布朗（Robert Brown）。1827年，布朗觀察到一個令人驚訝的現象：懸浮在看似靜止的水中的花粉顆粒會隨機抖動和旋轉。這種粒子在流體中奇特的抖動現象後來被稱為"布朗運動"。
愛因斯坦1905年的理論表明，布朗運動是流體內部不可見的微觀力的產物。粒子的運動是流體對粒子施加的減速阻力，與流體內部使粒子持續運動的隨機衝擊之間的一種平衡。愛因斯坦指出，這些隨機衝擊必定來自流體內部的微觀力，正是由構成流體的原子和分子所施加的。這些微觀粒子的能量累積起來，便能衝擊和擾動更大的粒子。
自愛因斯坦首次發表該理論以來，科學家們已將其對布朗運動的解釋應用於刻畫多種流體，包括夸克-膠子等離子體。與大多數其他流體一樣，人們曾假設在夸克-膠子等離子體中運動的粒子，應該經歷與穿過水的花粉顆粒類似的微觀衝擊平衡。
這種平衡由一個鐘形概率分布來表示，其中粒子在穿過並最終沉降於流體的過程中，最有可能經歷中等強度的衝擊（鐘形曲線的最高點），而經歷最極端衝擊（鐘形曲線的兩端尾部）的概率同樣較低。
"愛因斯坦指出，阻力和隨機衝擊必須以恰當的方式達到平衡，粒子才能最終與周圍環境達到相同的溫度，"杜·普萊西斯解釋道。"對於他當時所考慮的那類流體，他的理論是正確的。但對於以相對論速度運動的粒子，這種關係就失效了。我們已經知道這其中缺失了某些東西長達20年之久。因此，我們必須超越愛因斯坦當年的研究。"
衝擊速度
在這項新研究中，杜·普萊西斯和謝因-希奇菲爾德計算了一個重夸克以接近光速的相對論速度穿過流體時，可能受到的作用力。他們通過計算強核力（即將夸克和膠子結合在一起的基本力）來實現這一目標。
研究團隊從一個相對論性重夸克穿過弱相互作用的夸克和膠子氣體的場景開始。這種弱相互作用使其成為計算的一個易於處理的起點。
針對這一起始場景，他們計算了重夸克所受的強核力，以及它在穿過夸克和膠子氣體時動量可能發生的變化幅度。這一計算得出了一條曲線，即夸克動量變化的概率分布。同一條曲線也能表示夸克受到各種力度衝擊的概率；更強的衝擊會導致夸克動量發生更大的變化。
研究人員計算出的曲線呈鐘形，與愛因斯坦在其他流體中發現的情況類似，但僅在小衝擊範圍內如此。與愛因斯坦的鐘形曲線不同的是，研究團隊發現，對於以相對論速度運動的重夸克，這條曲線呈現出一種傾斜。曲線兩端的尾部並不對稱，揭示出重夸克所受衝擊種類之間存在出人意料的不平衡。
"通常的布朗運動圖景假設，大幅度的衝擊會變得極其罕見，"杜·普萊西斯說。"然而對於重夸克而言，這些罕見的衝擊比鐘形曲線所預測的更為常見，而且在相反方向上發生的概率也不相等：使夸克減速幅度超出阻力預期的大幅衝擊，比使其加速幅度同樣超出預期的大幅衝擊更容易發生。"
研究團隊在由不同粒子組成的等離子體中進行了相同的計算。他們發現，無論等離子體的構成如何，同樣的傾斜曲線都適用。此外，他們還發現，儘管微觀物理機制存在差異，但這種相同的結構早已隱藏在此前一項針對強耦合等離子體的計算之中。
"這是首次真正發現並系統化這種看似普遍存在的結構，"杜·普萊西斯說。"這為利用重夸克更好地理解夸克-膠子等離子體，提供了一條具體可行的路徑。"
至於這對宇宙最初的流體意味著什麼，杜·普萊西斯表示，原始的夸克-膠子等離子體可能"比布朗運動模型所暗示的相互作用更強。它更像是液體，而不太像氣體。"
這項研究部分得到了美國能源部科學辦公室核物理處、美國國家科學基金會以及西蒙斯基金會的支持。
