科學家實驗室模擬極端宇宙環境：試圖解開宇宙之謎

驚奇 09-07

科學家希望通過在實驗室中模擬基礎物理情境來更好地理解宇宙中一些暴力的現象。

科學家實驗室模擬極端宇宙環境：試圖解開宇宙之謎

在科學家建立的第三個極端宇宙模型中，他們模擬出的強大的宇宙粒子「加速器」(如超大質量黑洞)，能夠將等離子體推送到數十萬光年之外。科學家希望能弄清這些能量「助推器」運作的原理，從而進一步增強對宇宙的了解。

北京時間5月6日消息，宇宙是一個非常暴戾的地方。隕石在行星表面留下累累疤痕，黑洞將附近的一切都吞入腹中，劇烈的爆炸向四面八方投射碎石……但這些過程究竟是如何形成的呢？

為了解開這個謎團，研究人員在SLAC國家加速器實驗室中重新建立了一個「極端宇宙」。SLAC國家加速器實驗室位於美國加利福尼亞，成立於1962年。該實驗室的目標是，通過將電子加速到接近光速，來促進對亞原子粒子的研究。

「我們用高能激光束來創造出物質的極端狀態，並在原子級別上，用最先進的X激光源對這些物質的狀態進行分析。」 SLAC實驗室的一名科學家西格弗里德?格朗則(Siegfried Glenzer)說道。

在近期開展的三項研究中，科學家通過實驗室實驗，了解到了更多與隕石撞擊、巨行星內核、以及宇宙粒子相關的細節。

第一項研究的研究目標是，如果隕石撞擊在石墨構成的天體表面上，是否能將其轉化為鑽石。科學家此前預言稱，這樣的撞擊也許可以將石墨轉化為一種名叫藍絲黛爾石的鑽石，比常規的鑽石硬度還要高。

「藍絲黛爾石的存在一直備受爭議，但我們如今找到了令人信服的證據。」格朗則說道。

該研究團隊使用了高能激光脈衝來加熱石墨表面。該激光脈衝能夠向樣品內部發射衝擊波，並迅速將其壓縮。憑藉從樣品內部穿過的超快X光，研究人員成功觀察到了衝擊波改變石墨原子結構的過程。

科學家實驗室模擬極端宇宙環境：試圖解開宇宙之謎

第一項研究的研究目標是，如果隕石撞擊在石墨構成的天體表面上，是否能將其轉化為鑽石。該研究團隊使用了高能激光脈衝來加熱石墨表面。該激光脈衝能夠向樣品內部發射衝擊波，並迅速將其壓縮。憑藉從樣品內部穿過的超快X光，研究人員成功觀察到了衝擊波改變石墨原子結構的過程。

科學家實驗室模擬極端宇宙環境：試圖解開宇宙之謎

第二項研究關注的是一種可能發生在木星等巨型氣體行星內部的轉化過程。科學家認為，在高壓和高溫下，液態氫氣會從「平常」的電絕緣狀態轉化為金屬般的、可導電的狀態。如果能理解這一過程，我們將了解到更多與行星形成過程和太陽系演化過程有關的細節。

第二項研究關注的是一種可能發生在木星等巨型氣體行星內部的轉化過程。科學家認為，在高壓和高溫下，液態氫氣會從「平常」的電絕緣狀態轉化為金屬般的、可導電的狀態。

「如果能理解這一過程，我們將了解到更多與行星形成過程和太陽系演化過程有關的細節。」格朗則說道，他也參與了這一項研究，「雖然早在上世紀30年代，就有人提出了這一轉化過程，但我們一直沒有直接研究原子變化過程的機會。」

直到格朗則和同事們在勞倫斯?利弗莫爾國家實驗室(LLNL)開展了實驗，他們才獲得了這樣的機會。他們使用該實驗室的大功率Janus激光器，快速壓縮並加熱了一份液態氘樣品(即重氫)。然後他們同樣利用X光，對樣品結構的變化進行了觀察。

該團隊發現，當壓力達到25萬個大氣壓、溫度達到7000華氏度(約合3871攝氏度)時，重氫確實從中性、具有絕緣性的液體變成了離子化的、具有金屬性質的液體。

「電腦模擬結果顯示，當轉變發生時，重氫分子中兩個原本結合在一起的原子分開了，」加州大學伯克利分校的一名研究生、該研究的主要作者保羅?戴維斯(Paul Davis)說道，「衝擊波產生的高壓和高溫似乎將重氫分子扯成了兩半，導致它們的電子變成了游離態，因此具有了導電性。」

在科學家建立的第三個極端宇宙模型中，他們模擬出的強大的宇宙粒子「加速器」(如超大質量黑洞)，能夠將等離子體推送到數十萬光年之外。這些「加速器」和它們的電磁場中儲存的能量能夠轉化為少量能量極高的粒子，產生短暫但強度極大的伽馬射線。

科學家希望能弄清這些能量「助推器」運作的原理，從而進一步增強對宇宙的了解。該實驗還能為設計更好的加速器提供新的靈感。而加速器是許多基礎物理實驗和醫療設備的核心所在。

研究人員認為，磁重聯現象可能是宇宙「加速器」的主要動力來源之一。磁重聯現象是指磁場線在等離子體中斷開、然後以另一種方式重新聯結在一起、並釋放出磁能的過程。

研究人員進行了大量計算機模擬，判斷等離子體在這樣的實驗中將有著怎樣的表現。

「如果未來有人想通過實驗研究粒子是如何從磁重聯中獲得能量的，我們的研究結果便為他們提供了一個竅門。」該研究的主要作者塞穆爾?托多利卡(Samuel Totorica)說道。

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