相对论性重离子对撞机（The Relativistic Heavy Ion Collider, RHIC）是位于长岛，离纽约市不太远的一个粒子加速器。它的基本设计与万亿电子伏特加速器和大型强子对撞机类似。但相对来说它有点弱小：它只能把亚原子粒子加速到它们静质量的大约100倍。万亿电子伏特加速器可以达到1 000倍，而大型强子对撞机对质子最高可以达到7 000倍。相对论性重离子对撞机和万亿电子伏特加速器的不同在于它可以加速很重的粒子，比如金的原子核。在金核中有大约200个核子。（记住，一个核子就是一个质子或一个中子。）之所以选择金是因为它有一个大的原子核，此外还和如何开始加速粒子的一些技术原因有关。当大型强子对撞机撞击重离子的时候，计划中的对象是铅，它甚至有一个更大点的原子核。从重离子对撞的角度，选择金其实也没有什么特殊的。我将继续以金为例进行讨论，因为我们在相对论性重离子对撞机中选择的物质就是它。
粒子物理学家长期以来的希望就是通过把任何东西与任何东西对撞来了解学习它们。但这种希望到电子和正电子对撞的时候就变得稀薄了。我们有很好的理由解释这件事：电子和正电子与原子核相比都太小太简单了。没有任何证据表明一个电子有结构，它只能被设想为一个点粒子。正电子就和电子一样，只是具有正电荷。而质子已经比电子复杂多了。它们包含至少三个夸克，可能还有一些胶子。整体而言，这些质子（或，也可以说中子）的成分就称为部分子：每一个都是质子的“部分”。但一个质子并不仅仅是它的部分子的集合。质子内部夸克和胶子之间的强相互作用就好像在前面讨论过的与重整化有关的虚粒子的级联过程。让我们回顾一下这一切是如何发生的。一个夸克可以发出一个胶子。这就好像电子可以发出光子一样。一个胶子就好像一个光子，但并不完全。一个大的区别是胶子可以分裂为别的胶子。所有这些发射、分裂和汇聚就像瀑布倾泻一样发生。我们说粒子是“虚的”，是因为所有这些都发生在质子的内部。实际上我们无法看到一个单独的夸克或一个单独的胶子能够自己存在：它们总是作为一个质子或一个中子，或一些其他亚原子粒子的部分存在的。物理学家说夸克和胶子是被禁闭的。虚粒子以级联的方式产生又湮灭，但这些总被限制在质子的内部。
当质子发生碰撞的时候，对级联衰变过程中的夸克和胶子，一种情况是设想每一个粒子都能遭遇另外一个粒子。一对夸克可以非常猛烈地撞击。这类事件就是大型强子对撞机的希望所在：一个硬过程。尽管如此，很多过程中夸克和胶子之间的相互作用是更软的。“软”在这里是表示相对程度的。发生碰撞的质子最终会被碰撞摧毁。碰撞产生50个甚至更多的粒子，其中大部分是不稳定的。
为了理解这些碰撞，让我们设想两个汽车头对头相撞的车祸。为了避免联想到悲伤和可怕的事情，让我们假设车上没有任何乘客，只有做撞击试验的假人。我把汽车类比为发生碰撞的质子，假人类比为质子里面的夸克。在有利的情况下，假人将只受到微小的损害而汽车已经被彻底摧毁了。这就相当于说一个质子中的夸克仅轻柔地与另一个质子里的部分子相互作用。在不利的情形下，假人有可能被汽车冲过来的一部分严重地压碎。这就像是一个硬对撞。质子——质子对撞一般是混合的，有一些是相对硬的过程，除此之外还要在附近加上很多软的垃圾事件。
有一点我要赶紧声明，偶尔的高能亚原子粒子对撞一点也不危险。实际上，当高能粒子射向地球并撞击到空气中的某些原子核时，高能对撞就经常在地球的大气中发生。在万亿电子伏特加速器发生的和即将在大型强子对撞机中发生的，仅仅是某些自宇宙诞生时起就一直发生事情的一个可控版本。因为有那么多对撞发生在粒子加速器的相同地方，因为对撞的环境被封闭在地下。在地下确实会有大量的辐射对人产生危险。但与核反应堆或原子武器相比，这种危险是相对温和的。
金原子核的对撞乍看起来和质子——质子对撞很像。每一个原子核都由一大团核子组成，每一个核子的里面都在经历着部分子的级联衰变。在碰撞的过程中，一些部分子可能会相当硬地相互碰撞，而大多数部分子会更加轻柔地相互碰撞。和质子——质子对撞一样，金原子核会被彻底摧毁。一次金原子核对撞事实上会产生几千个粒子出来。
定性地说，金原子核的对撞在某些方面要比质子间的对撞更有破坏性。为了描述这一点，让我们先退回到撞车的类比。一辆或全部两辆车的油箱被点燃并且爆炸是撞车时最糟糕的事情。汽车制造商为了避免这种情况的发生做了很多预防工作，比如把汽车的油箱放到最不可能被撞击到的地方。金原子核和金原子核的对撞有点像在一次撞车后不久发生的油箱爆炸。实际上会有一个核火的热球形成然后它会爆炸并分开。这个球要比你想象中的任何东西都要热得多。一次油箱爆炸的温度可能会达到2 000开尔文。太阳中心的温度是大约1 600万开尔文。引爆一次热核炸弹（氢弹）会达到差不多相似的温度。非常热，对不对？好吧，现在来看看这个：在相对论性重离子对撞机中获得的温度比太阳中心的温度还要高20多万倍。这个问题真的值得思考一下。它比白热还要热得多：白热仅仅是几千或几万开尔文。这是非常非常热的状态。质子和中子会融在这个热里面，把它们里面的夸克和胶子放出来。它们形成夸克——胶子等离子体，这我已经在本章的前面提过了。
在质子——质子对撞中，大型强子对撞机物理学家将从硬过程中筛选希格斯玻色子和超对称存在的迹象，但与此同时，这些迹象也被同一个碰撞产生的所有软垃圾遮蔽。仅剩下一点而已。当两个夸克真的猛烈地撞击在一起，它们会沿着全新的方向反弹出去，而且它们基本不受其他质子的阻挡就飞向周围的粒子探测器。在重离子对撞中则正好相反：硬过程发生了，但大多数时候产生的粒子会被“困”在夸克——胶子等离子体中。这种被困的程度就是夸克——胶子等离子体的一个关键特征。射入水中的子弹提供了一个合理的类比。在电影里你可能见过007（詹姆斯·邦德）或一些类似角色，他们会潜入水底以躲避子弹。在电影里子弹嗖嗖地在男演员的身边飞，你能看到这些长长的、充满泡沫的弹迹被奇异地照亮了。嗯，事实是子弹在水里只能穿透几英尺。用物理学家的语言说就是子弹在水里的停止距离只有几英尺。夸克——胶子等离子体的一个突出性质就是，对那些在硬过程中产生的粒子它的停止距离非常短：只有质子尺寸的几倍大。
图8.1 金原子核的一次超高速对撞产生了一个夸克——胶子等离子体，它将衰变为几千个高能粒子。
夸克——胶子等离子体的第二个突出性质是它的黏滞性。考虑到QGP的超高密度，它的黏滞性却出人意料地小。这里需要稍微解释一下才能明白是什么意思。一方面，我觉得黏滞性是所有曾经下过厨房的人都熟悉的一种现象：蜂蜜和糖浆是黏的，水和菜籽油就说不上黏。但这里我们要比较的是一对重离子物理学里的现象，几乎自由流动着的粒子，它注定会有高的黏滞性，而存在强相互作用的等离子体，其黏滞性却反而不大。这怎么看都是搞颠倒了。没有什么东西可以比自由流动的粒子有更少的黏滞性了，对不对？如果没有粒子间的相互碰撞的话，那就没有黏滞性了，对不对？不幸的是，这是完全错误的。黏滞性很低的东西能够形成流层，它们可以相互滑动。就好像是水流流过石头：非常靠近石头的一层水流运动得很慢，但上面的流层会快速地流过石头，底下的流层在某种意义下充当了润滑的角色。假如我们把水换成蒸汽并把石头还放在那里会怎样？让我们假设蒸汽也被束缚在河床里流动：比如我们在蒸汽的上方盖一个盖子以束缚住蒸汽。现在，蒸汽就是一束各自独立的水分子，它们很少相互撞上。但它们确实会撞上石头。和水不一样，蒸汽不形成可以轻易相互滑动的层。都是通过粗糙的水槽，实际上蒸汽流输运相同质量的水比水流输运相同质量的水要难，因为水是自我润滑的。这意味着水比蒸汽具有更低的黏滞性。
重离子碰撞造就的情况有一点像布满岩石的河床，当然这里没有岩石也没有水流。（类比总会碰到它们的限制！）我的意思是你可以在重离子碰撞中区别像水一样的低黏滞性的物质——意味着可以在光滑的层上自由地滑动——和像蒸汽一样的高黏滞性的物质，它们基本上就是一束很少发生相互碰撞的粒子。令人惊讶的是，对数据最好的解释来自于非常低黏滞性行为的假设。但基于量子色动力学尝试性的理论估算没法解释这种情况，计算表明夸克和胶子的行为不像水而更像水蒸气，但实际上正好相反。
当人们发现黑洞视界具有为了解释重离子碰撞数据所需要的小的黏滞性的时候，重离子物理学的世界被动摇了。这项发现是在规范/弦对偶框架下做出的，关于此我曾在第6章中介绍过。后续的发展表明重离子对撞的很多方面可以与引力系统相比拟。研究引力系统总会与一个额外的维度有关。它和体现为万有理论的弦论中的额外维度不一样。这里的额外维度——在本章的标题中我把它表述为第五维度——并未卷曲起来。它与我们通常的维度成直角，而且我们无法以通常的方式进入它。它描述的是能量的量级——即发生一个物理过程的特征能量。把第五维度与我们知道而且喜欢的维度汇总在一起，你就将得到一个弯曲的五维时空。这个时空将温度、能量损失和黏滞性编码为几何学的方式。在过去几年中，很多努力都投入破译五维几何学和夸克——胶子等离子体物理学间的对应关系中去了。
小结一下：大型强子对撞机物理学家希望不要存在于质子——质子对撞中的软相互作用在重离子对撞中被放大了很多倍。它们导致了夸克——胶子等离子体的产生。夸克——胶子等离子体不能很好地被单个粒子的语言描述。它的性质在某些方面可能会更好地被用规范/弦对偶语言所描述的五维空间中的黑洞理解。
