新研究:極早期宇宙中的奇異物質與水相似

文/蕭路

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【大紀元2021年06月06日訊】是生命的重要組成部分。縱觀歷史,世界各地的人們都認為水是必不可少的。特別是在某些宗教中,人們認為水在世界開始的很早時期就已經存在。例如,聖經中創世紀部分多次提到「水」這個詞,它自天地創世以來就存在。

在一項新研究中,科學家們得出了一個非常有趣的結論,即存在於宇宙早期的一種奇異形式的物質就像一樣流動。

這種被稱為夸克-膠子等離子體的奇異物質,被認為是大爆炸後幾微秒內形成的基本粒子場。目前理論相信它在宇宙剛開始時無處不在。

現代物理學表明,流體的粘度(即流動性)與流體密度之間的比率決定了它的流動方式。作為一種奇特的物質形式,夸克-膠子等離子體的粘度和密度與我們日常生活中的任何東西都不一樣。然而,研究人員發現這兩個數量之間的比例與我們的自來水相似,因為它們都比水大16個數量級。

論文作者,倫敦瑪麗皇后大學的科斯佳‧特拉琴科(Kostya Trachenko)教授在一份聲明中說:「我們還沒有完全理解這種驚人相似性的起源,但我們認為它可能與基本物理常數有關,為普通液體和夸克-膠子等離子體設置通用的粘度下限。」

我們日常生活中的幾乎所有東西都是由原子構成的。這些微小粒子由一個由一些電子環繞的原子核組成。原子核由質子和中子組成,而它們由更基本的粒子組成,稱為夸克和膠子。

在大多數情況下,夸克和膠子以質子和中子的形式粘在一起。但是如果溫度非常高,大約比太陽中心熱一百萬倍,夸克和膠子就會脫離並形成一種稱為夸克-膠子等離子體的奇異等離子體。

天文學理論認為,非常早期的宇宙充滿了極高溫的夸克-膠子等離子體。在短短幾微秒內,等離子體迅速冷卻形成質子和中子,它們是物質的組成部分。

自21世紀以來,科學家們已經能夠使用大型粒子對撞機在實驗室環境中重建夸克膠子等離子體,這為了解這種奇異物質提供了新的見解。

儘管許多物理性質存在巨大差異,但研究團隊發現,夸克-膠子等離子體和普通液體之間的粘度和密度之比,即運動粘度,是相似的。根據流體動力學,流體流動受納維-斯托尅斯方程控制,該方程對上述比率很敏感。只要這個比率相同,即使它們的粘度和密度非常不同,兩種流體也會以相同的方式流動。

馬德里自治大學的馬泰奧‧巴喬利(Matteo Baggioli)教授補充說道:「這項研究提供了一個相當罕見且奇妙的例子,說明我們可以在非常不同的系統之間進行定量比較。」「流體是用流體動力學來描述的,這給我們留下了許多目前處於物理學研究前沿的開放性問題。我們的結果顯示了物理學將一般原理轉化為關於復雜特性的具體預測的力量,例如夸克-膠子等離子體等奇異類型物質中的液體流動。」

非常有趣的是,並非任何液體的運動粘度都可以與夸克-膠子等離子體的運動粘度一致,而是有一個非常特殊的點,液體粘度具有幾乎普遍的下限。之前的一些研究表明,在此極限下,運動粘度受基本物理常數(如普朗克常數)的控制。這些常數最終決定了我們宇宙的特性,例如質子是否是穩定的粒子以及生命所需的基本生化元素的產生。新研究發現,水等普通流體的普遍下限與夸克-膠子等離子體的下限接近。

「可以想像,目前的結果可以讓我們更好地了解夸克-膠子等離子體,」俄羅斯科學院的瓦迪姆‧布拉日金(Vadim Brazhkin)教授補充道,「原因是液體的最低粘度對應於我們最近才了解的一種非常特殊的液體動力學狀態。與夸克-膠子等離子體的相似性表明,這個奇異系統中的粒子以與自來水中相同的方式移動。」

這項新研究發表在 2021年5月27日的SciPost Physics 雜誌上。

責任編輯:林妍 #

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