一台27公里长的机器,复刻了宇宙诞生之初,百万分之一秒的状态
更新于:2025-04-19 00:03:31

ALICE,不是人名,是一台机器,一台专为重离子碰撞设计的超高能粒子探测装置,全称“A Large Ion Collider Experiment”。地点在瑞士日内瓦,地下一层,50米深,建在世界最大的粒子加速器LHC的环形隧道上。目的明确:复刻宇宙刚出生那一百万分之一秒的状态。

科学家拿铅离子,往对撞机里送,加速到光速的99.9999991%,一秒绕隧道11000圈,撞上去,炸出局部高温两万亿度,远超太阳核心温度的十万倍,制造一种138亿年来从未自然出现过的物质状态——夸克—胶子等离子体

这是用现实世界的能量,硬造一个“婴儿宇宙”的碎片,然后靠数据还原它的物性。

难点不在“撞”,而在“看”。撞出来的是瞬间出现、瞬间湮灭的粒子风暴。你不能直接看到夸克和胶子,只能通过喷涌出的粒子轨迹、动量、能量残留,从边缘反推中心。这不是一次“发现”,而是数十亿次碰撞的数据积累、模型拟合、反复对比得出的结论。

2009年,ALICE正式上线。2010年,第一次重离子实验,成功制造出人类历史上最高温的物质状态。探测器测到喷涌出的粒子行为异常——太整齐、太有序,不像预期的“高温气体”,反而像液体,几乎没有粘滞。完全不符合传统物理直觉。

这是第一次确认,宇宙初期并非混乱气态,而是接近“完美液体”的状态。这一发现,彻底推翻了之前对宇宙早期状态的认知。

粘滞系数接近理论下限,称之为“近乎完美的液体”。这不常见。水、油、空气,粘滞都不小。这种液体状态意味着夸克和胶子之间仍保持强相互作用,足以形成集体行为,而不是像气体那样自由漂浮。这直接挑战了关于高温下强相互作用衰减的传统判断。

更关键的,是如何从这个状态过渡到今天的原子核。答案是冷却——宇宙膨胀、降温,强相互作用重新将自由的夸克和胶子束缚成质子和中子,再俘获电子变成原子。ALICE做的,就是填补从夸克汤到原子的这一物质演化缺口。

这不是靠望远镜看出来的。光子只能带我们看到宇宙诞生38万年之后的样子,再往前,宇宙就像不透明的砖墙,光子逃不出来。因为那时候自由电子太多,光子全被散射走了。ALICE做的,是反过来——既然你看不见那时的光子,就造出那个时代的状态,用碰撞数据“看”粒子走过的轨迹,留下的“痕”。

实验一秒钟产生1TB数据,一天86TB,一年30多PB。海量粒子数据,需要和模拟、理论交叉比对,靠AI、机器学习、分布式计算处理。数据量超过NASA探测火星的数据总和。分析周期以年计。科学家不是看几个图,而是看几万亿个碰撞事件的统计趋势。

CERN能这么干,靠的是设备规模。LHC周长27公里,世界之最。重离子撞击,用的不是氢质子,而是200多个核子的大离子,能量更高,效果更猛。ALICE专为这种极端条件设计,层层探测器能精确记录喷射粒子的类型、路径、能量。

很多人以为物理学家只会在黑板上写方程,实际上他们是世界上最疯狂的工程师。ALICE从设计、建造到运行,每一步都要挑战物理极限、工程极限、数据极限。

LHC每年只运行一个月的重离子碰撞,其他时间留给质子撞击研究希格斯、暗物质等。可这一个月足够产生几十亿次宇宙早期复制。每一次撞击都是一场“小宇宙”诞生与湮灭的演示。

有意思的是,没有人预言夸克—胶子等离子体是液态。所有模型都认为会是高温自由气体。现实给了所有人一个惊讶。

而ALICE的这种“婴儿宇宙复刻”策略,也被证明比望远镜更适合研究宇宙最初的几十微秒。

更别说,ALICE还发现,这种近乎完美液体中存在集体涨落、各向异性流动,甚至可能存在涡旋结构。这意味着哪怕在最初那一瞬间,宇宙就已经不是完全均匀的了,这对后来结构(星系、团块)形成提供了线索。

ALICE不是在研究粒子,而是在研究时间本身。不是研究今天是什么,而是昨天是怎么变成今天的。

CERN靠一台27公里的机器,揭开了138亿年前、前一微秒的帷幕。