从爱因斯坦出发，探索宇宙最早的流体

在宇宙诞生之初，物质曾以一种与今天截然不同的形态存在。在大爆炸之后最初的极短时间里，宇宙充满了由夸克和胶子构成的温度高达数万亿度的“热汤”。这些基本粒子以接近光速的速度运动，形成了“夸克-胶子等离子体”（QGP），但仅持续了几微秒（1微秒 = 1×10⁻⁶秒）。随后，QGP迅速冷却，其中的夸克与胶子开始结合成了质子、中子等粒子。

令人惊讶的是，尽管由夸克和胶子组成，QGP却表现出类似液体的集体流动行为，甚至被认为是一种近乎“完美”的流体。今年的一项发表于《物理快报B》的研究表明，当夸克在QGP中高速穿行时，会在其中留下类似船只划过水面时产生的尾流，揭示了这种极端物质的流体特性。

为了研究这种原初流体，物理学家利用大型粒子加速器，让重离子以接近光速的速度相互碰撞，在极短的时间内产生微小的QGP液滴。这些液滴的大小与原子核相当，寿命只有约10⁻²³秒。那么，物理学家该如何探测这些转瞬即逝的物质内部究竟发生了什么？

一种重要方法，是利用重夸克作为探针。重夸克在穿过QGP时，会与周围的夸克和胶子发生相互作用，其运动状态也会随之改变。通过追踪这些变化，研究人员便有机会揭示QGP内部的微观状态。

如今，一项新发表于《物理评论快报》的理论研究发现，重夸克在运动过程中可能发生一些罕见而剧烈的动量变化，其发生概率不仅比传统理论预测的更高，还表现出明显的方向不对称性。

从花粉开始的探索

1827年，植物学家罗伯特·布朗（Robert Brown）观察到一种奇特的现象：悬浮在看似静止的水中的花粉颗粒，竟然在不停地随机抖动和旋转。这种现象后来后来被称为布朗运动。1905年，爱因斯坦（Albert Einstein）从理论上解释了这一现象，揭示了粒子的运动与流体微观结构之间的联系。

爱因斯坦指出，布朗运动源于流体内部看不见的微观作用力。这些悬浮颗粒的运动取决于两种作用之间的平衡：一方面，流体对颗粒施加阻力，使其减速；另一方面，流体中的原子和分子不断与颗粒发生随机碰撞，使其运动。这些微观粒子的能量能够通过碰撞传递给较大的颗粒，使颗粒不断受到撞击和扰动。

在传统布朗运动模型中，颗粒受到的随机作用通常可以用一种对称的钟形概率分布来描述：较小幅度的随机作用更为常见，对应于钟形曲线的中间部分；而两个相反方向上的大幅度随机作用则十分罕见，对应于曲线两端的尾部，且同等幅度的随机作用在两个方向上出现的概率相同。

长期以来，物理学家也尝试利用类似的模型描述重夸克在QGP中的运动。然而，当重夸克以接近光速的速度运动时，传统模型所要求的阻力与随机动量扩散之间的平衡关系，在更精确的理论计算中便不再成立。这意味着，要准确描述重夸克与等离子体之间的相互作用，还需要超越传统的布朗运动模型。

不对称的动量变化

在这项新研究中，研究人员计算了重夸克以接近光速的相对论性速度穿过流体时，可能受到的各种作用力。为此，他们对强相互作用进行了计算。强相互作用是自然界中已知的四种基本相互作用之一，负责将夸克和胶子紧紧地束缚在一起。

研究团队首先考虑了一种相对简单的情形：一个以相对论性速度运动的重夸克，穿过由相互作用较弱的夸克和胶子组成的气体。由于这些粒子之间的相互作用较弱，研究人员得以从这一相对容易处理的情形入手进行计算。

在这一初始情形下，研究人员计算了重夸克在穿过夸克和胶子气体时受到的强相互作用，以及其动量可能发生多大变化。他们的计算得到了一条描述重夸克动量变化的概率分布曲线。这条曲线可以反映重夸克受到不同强度的随机碰撞的概率：碰撞越强烈，重夸克的动量变化就越大。

研究人员发现，对于以相对论性速度运动的重夸克，计算得到的动量变化概率分布，只有在变化幅度较小时，才与传统布朗运动模型中的钟形曲线相近。而在变化幅度较大时，大幅度的动量变化比传统模型预测的更为常见，而且概率分布两端的尾部并不对称，意味着两个相反方向上出现同等幅度动量变化的概率并不相同。具体来说，与仅考虑阻力时的预期相比，使重夸克进一步减速的大幅度动量变化，比使其速度高于预期的同等幅度变化更有可能发生。

研究团队还对不同粒子组成的等离子体进行了理论计算，发现它们都表现出类似的不对称概率分布。更令人意外的是，此前针对强耦合等离子体的一项研究中，也曾出现相同的分布结构，尽管两种体系背后的微观物理机制存在明显差异。这表明，这种非高斯特征可能具有一定的普遍性，并不局限于某一种等离子体或特定的相互作用强度。

探索原初流体

这一发现为研究QGP提供了新的理论工具。未来，通过将重夸克运动的理论预测与实验观测进行比较，研究人员有望更深入地揭示这种极端物质的微观性质。

研究人员认为，宇宙诞生之初的QGP，其内部相互作用可能比传统布朗运动模型所描述的更为复杂。这种原初流体的行为，或许更接近液体，而非气体。

#参考来源：

https://news.mit.edu/2026/pinning-down-quark-gluon-plasma-structure-1105

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/7fd5-1kq5

#图片来源：

封面及首图素材来源：Brookhaven National Laboratory