混乱中的守恒：物理学家发现量子世界的“信息不灭”定律

在瑞士和法国边境的地下深处，大型强子对撞机（LHC）正在进行着人类历史上最暴力的微观实验。

当两束以接近光速运行的质子束迎头相撞时，它们不仅仅是简单的粉碎，而是瞬间创造出一片极端高温、高密度的“亚原子汤”。

这片翻腾的海洋由夸克和胶子组成，其混乱程度似乎无法用语言形容，物理学家们长期以来一直试图理解这瞬间爆发背后的深层逻辑。

2026年1月5日，来自波兰科学院核物理研究所（IFJ PAN）的一项重磅研究，为我们揭开了这层混乱面纱下隐藏的惊人秩序。

研究人员发现，尽管碰撞过程看起来极其剧烈且无序，但作为一个封闭的量子系统，其核心指标——“熵”，在整个过程中竟然保持不变。

这一发现不仅挑战了我们对混沌系统的直觉认知，更是量子力学最基本原理在极端环境下的完美体现。

从沸腾的夸克汤到稳定的粒子流

想象一下，当你把两个结构复杂的瑞士手表以极高的速度对撞，零件四散飞溅，你很难想象碎片中还保留着完整的“组装信息”。

质子碰撞的过程与之类似，但更为极端。

质子并非不可分割的基本粒子，它们内部充满了夸克以及将夸克“粘”在一起的胶子。

在碰撞的刹那，这些内部成分被瞬间释放，形成一种被称为“部分子”的高能态物质，其中包括了大量瞬息即逝的虚粒子。

随着系统迅速膨胀并冷却，这些夸克和胶子重新“冻结”，组合成我们能够探测到的普通粒子，即强子。

按照经典热力学的直觉，这样一个从极度高能到冷却，从极度密集到飞散的过程，系统的无序程度（即熵）理应发生巨大的变化。

当来自大型强子对撞机（LHC）反向循环束流的两束高能质子发生碰撞时，相互作用的夸克和胶子的熵与随后从碰撞点流出的强子的熵几乎完全相同。图片来源：IFJ PAN

然而，波兰科学院的克日什托夫·库塔克教授（Krzysztof Kutak）和桑多尔·洛科斯博士（Sandor Lökös）在深入分析LHC的数据后给出了不同的答案。

他们在权威期刊《物理评论D》上发表的论文指出，那个最初翻腾的胶子海洋的熵，与最终飞出的强子流的熵，在数值上几乎完全一致。

这意味着，尽管物质的形式发生了翻天覆地的变化，但系统内部的信息量并没有丢失，也没有凭空增加。

修正“偶极模型”：寻找丢失的拼图

为了达成这一结论，研究团队并没有止步于传统的理论模型。

在过去，物理学家常用“偶极模型”来描述高能碰撞中的胶子演化。

该模型将胶子简化为一对夸克和反夸克，通过计算这些偶极子的相互作用来推导系统的行为。

虽然这种方法在一定范围内有效，但在面对LHC产生的极端海量数据时，旧模型显得力不从心，尤其是在估算系统总熵的时候。

库塔克教授和洛科斯博士早在两年前就开始着手对这一模型进行大刀阔斧的改良。

他们引入了复杂性理论中的方程，不仅考虑了高能碰撞的主导效应，还极其细致地纳入了低能碰撞中容易被忽略的细微效应。

这种广义的偶极模型，就像是给模糊的显微镜换上了一个高分辨率的镜头。

为了验证新理论的准确性，他们调用了LHC四大主要实验——ALICE、ATLAS、CMS和LHCb——所积累的庞大数据库。

这些数据涵盖了从0.2太电子伏特到13太电子伏特的广阔能量区间。

比对结果令人振奋：新模型不仅完美贴合了实验曲线，更是在旧模型失效的区域展现出了惊人的预测能力。

正是基于这个精确的新模型，科学家们才得以准确计算出碰撞前后两个截然不同阶段的熵值，并发现了那个令人惊讶的“等号”。

幺正性：量子力学的绝对底线

为什么在一个看似完全混乱的爆炸过程中，熵会保持不变？

对于受过经典物理训练的人来说，这似乎违背了热力学第二定律——孤立系统的熵总是倾向于增加。

但在这里，我们进入了量子力学的统治领域，而在量子世界中，有一条至高无上的法则：幺正性（Unitarity）。

简单来说，幺正性要求量子系统的演化必须是概率守恒的。

如果你知道系统现在的状态，理论上你可以通过方程完美地推导出它过去的状态，信息既不会凭空消失，也不会无故产生。

如果碰撞前后的熵不一致，那就意味着在这个过程中，关于粒子量子态的信息发生了丢失或崩塌，这将直接动摇量子力学的数学根基。

库塔克教授指出，虽然每一个物理系学生都在课本上学过幺正性，但在现实世界如此复杂的强相互作用中亲眼目睹它的完美运作，依然是一种震撼的体验。

这项研究实际上告诉我们，LHC中那场看似混乱不堪的粒子风暴，在量子层面上其实是一场编排严密的精密舞蹈。

无论夸克和胶子如何翻腾、转化，它们始终严格遵守着信息守恒的铁律，没有哪怕一个比特的信息在剧烈的碰撞中被遗忘。

未来的视野：从LHC到EIC

这项发现不仅是对现有理论的一次成功验证，更为未来的物理学探索指明了方向。

既然熵守恒在如此广泛的能量范围内都成立，那么它就可以作为一个强有力的工具，帮助物理学家探索那些目前探测器还无法触及的微观领域。

通过测量最终产物的熵，我们现在可以极其自信地反推碰撞最早期那“一瞬间”的夸克-胶子分布情况。

随着LHC即将完成新一轮的升级，探测灵敏度将大幅提升，特别是改进后的ALICE探测器，将有能力捕捉到密度更高的胶子相互作用。

与此同时，大洋彼岸的美国布鲁克海文国家实验室正在加紧建设电子-离子对撞机（EIC）。

与LHC这种“大锤砸核桃”式的质子-质子对撞不同，EIC使用电子这种基本粒子作为“手术刀”，去精准解剖质子内部的结构。

届时，广义偶极模型将迎来更为严苛的考验。

如果这一模型在EIC的实验中依然屹立不倒，那么我们对于强相互作用力——这一将宇宙万物凝聚在一起的基本力量——的理解，将迈上一个新的台阶。

在混乱中寻找秩序，在瞬息万变中发现永恒的守恒，这正是物理学最迷人的魅力所在。

这一次，通过LHC的数据和物理学家精妙的数学推导，我们再次确认了那个深刻的真理：上帝不掷骰子，即便在最剧烈的粒子碰撞中，量子力学的法则依然严丝合缝，一丝不苟。