利用不确定性关系计算夸克—胶子等离子体的寿命
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摘要： 利用不确定性关系可以计算出夸克-胶子等离子体的寿命，这种方法既避免了复杂的理论推导，又明确了物理过程和物理意义。
Abstract： In this paper， the Uncertainty Relation is used to calculate the lifetime of quark-gluon plasma， this method avoids the complicated theoretical derivation， and the physical meaning and physical process is very clear.
关键词： 夸克-胶子等离子体；寿命；不确定性关系
Key words： quark-gluon plasma；lifetime；Uncertainty Relation
中图分类号：O572.2 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）24-0324-01
0 引言
目前所探测到的物质的最小单元是夸克和轻子。强子由夸克组成，比如质子、中子和介子。为了满足三夸克和双夸克束缚态的泡利原理，必须给夸克引入色自由度。夸克之间的相互作用就是通过胶子传递色荷来实现的，每一个味道的夸克都可以有三种颜色，由于色禁闭的要求，强子必须是色单态的，比如重子的夸克组成是全反对称组合。
夸克-胶子等离子体是一种新的物质形态，夸克不再是以强子型的双夸克或三夸克束缚态形式存在，夸克之间是完全渐近自由的。可以存在夸克与夸克之间，夸克与多夸克之间的色相互作用，这是一种多体夸克凝聚而成的新物质形态。这种物质形态被认为曾存在于宇宙大爆炸初期，从夸克物质演化的意义来讲，研究夸克-胶子等离子体不仅对基本粒子物理研究意义重大，而且对于宇宙演化来讲也具有重要意义。物理学家们正在尝试着通过实验装置（高能重离子碰撞），把物质的温度和密度在一个很小的时空区域内提升到宇宙大爆炸的初始阶段。
1 利用不确定性关系计算夸克-胶子等离子体的寿命
高能重离子碰撞能够将重离子撞击的巨大能量瞬间聚集在一个很小的时空区域内，形成一个高能量密度体，其密度可达几个GeV/fm3的量级。美国布鲁海文国家实验室（BNL）的相对论重离子对撞机（RHIC）能够将金原子核加速到每核子100GeV，质心系能量可达2×19.7TeV。为了能在实验室获得更高的能量，欧洲核子研究中心（CERN）目前已经建成了大型强子对撞机（LHC），其可以产生3TeV每核子的质心系能量，对于铅原子核Pb208，可达到3×208TeV的质心系能量。核粒子束迎头相撞时，每秒钟将会出现上千次的碰撞，每一次碰撞都能在相撞点上产生很高的温度，大约能产生超过1012K的温度，这相当于太阳温度的1万倍。夸克-胶子等离子体一旦产生就会迅速冷却膨胀，所以其寿命极其短暂。通过量子力学的不确定性关系，可以推算出夸克-胶子等离子体的寿命。由自然单位制下的不确定性关系可知，系统的能量不确定度和时间不确定度之间有如下关系ΔEΔt？叟■ （1）
从相对论条件下夸克的动力学方程■？追=0，可以得到到核子内部三个夸克的总能量为E=■ （2）
下面我们将从产生夸克-胶子等离子体的临界能量出发，来计算其寿命。利用不确定性关系计算物质的寿命在逻辑上是可行的，假设系统处于自由夸克态时，零质量夸克携带的总能量为E，当自由夸克物质开始冷却并最终碎裂为强子物质后，自由夸克便不存在了，那么在这段时间间隔Δt内的能量不确定性就是ΔE=E-0。
取核子半径R=0.8fm，由（1）式可知，出现夸克-胶子等离子体时每个初始核子的总能量为E=3π/R；2.3GeV。按照不确定性关系的最小值ΔEΔt=1/2，就可以计算出夸克-胶子等离子体的寿命为t0：10-10fm。由于取自然单位制，时间、能量、长度之间的量纲关系为[时间]=[长度]、[长度][能量]=1，再将费米长度换算为国际制单位就有夸克-胶子等离子体的寿命为t0：10-25s，这个计算值符合目前的理论值。
2 小结
利用测不准关系计算微观物质系统的寿命在逻辑上是行之有效的，利用量子力学中的不确定性关系可以直观、快速地计算出夸克-胶子等离子体的寿命。在物理教学的现代物理部分讲解粒子物理的前沿进展，并利用简单的量子力学原理获得诸如系统寿命的一些物理量，不仅可以提升学生的学习兴趣，还能拓宽学生的学习视野。
参考文献：
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