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宇宙学相变

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宇宙学相变是一个物理过程，物质的整体状态在整个宇宙中一起变化。大爆炸模型的成功使研究人员推测出宇宙早期可能发生的相变，当时宇宙比今天更热、密度更大[1][2]。

任何宇宙学相变都可能留下今天可以观察到的讯号，即使它发生在大爆炸后的最初时刻，当时宇宙是对光不透明[3]。

宇宙学一阶相变

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相变可以按照它们的顺序进行分类。一阶相变通过气泡成核进行，并随着气泡膨胀而释放潜热。

当宇宙在热的大爆炸后冷却时，这样的相变会释放出大量的能量，既有热量，也有气泡生长的动能。在强大的一阶相变中，气泡壁甚至可能以接近光速的速度生长[4]。这反过来又会导致引力波随机背景的产生[2][5]。诸如北美纳赫兹引力波天文台（英语：NANOGrav）和激光干涉太空天线的实验可能对该讯号敏感[6][7]。

下面显示的是模拟一阶宇宙学相变演化的两张快照[8]。气泡首先成核，然后膨胀和碰撞，最终将宇宙从一个阶段转变为另一个阶段。

  • 早期阶段：第一个气泡成核并膨胀。
    早期阶段：第一个气泡成核并膨胀。
  • 后期阶段：重叠气泡碰撞。
    后期阶段：重叠气泡碰撞。

示例

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粒子物理学的标准模型包含三个基本力：电磁力、弱力、和强力。大爆炸后不久，极高的温度可能改变了这些力的特征。虽然这三种力在今天的作用不同，但据推测，它们可能在早期宇宙的高温下是统一的[9][10]。

强力相变

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今天，强力将夸克结合在一起，形成质子和中子，这种现象被称为夸克禁闭（英语：color confinement）。然而，在足够高的温度下，质子和中子解离成自由夸克。强力相变标志着夸克时期的结束。基于晶格QCD（英语：Lattice QCD）的这种转变的研究表明，它将在大约155 MeV的温度下发生，并且将是一个平滑的交叉转变[11]。

这个结论假设了在相变时最简单的情况，在夸克、重子或微中子化学势或强磁场存在的情况下，一阶或二阶相变是可能的[12][13][14]。 强力相图（英语：QCD matter# hase diagram）总结了不同可能的相变类型。

电弱相变

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电弱相变标志着希格斯机制首次启动的时刻，结束了电弱时期[15][16]。与强力一样，电弱模型的晶格研究发现相变是平滑的交叉，发生在159.5±1.5 GeV[17]。

就像强力一样，相变是交叉的结论假设了最小情景，并因存在额外的场或粒子而改变。解释暗物质或导致成功的重子生成的粒子物理模型可以预测强烈的一阶电弱相变[18]。

标准模型之外的相变

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如果标准模型的三个力统一在一个大一统理论中，那么在更高的温度下就会发生宇宙相变，对应于力第一次分离的那一刻[9][10]。宇宙学相变也可能发生在黑暗或隐藏扇区（英语：Hidden sector）中，和在与可见物质耦合非常微弱的粒子和场之间[19]。

相关条目

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参考资料

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  1. ^ Guth, Alan H.; Tye, S.H. H. Phase Transitions and Magnetic Monopole Production in the Very Early Universe. Phys. Rev. Lett. 1980, 44 (10): 631–635. Bibcode:1980PhRvL..44..631G. OSTI 1447535. doi:10.1103/PhysRevLett.44.631. 
  2. ^ 2.0 2.1 Witten, Edward. Cosmic Separation of Phases. Phys. Rev. D. 1984, 30: 272–285. Bibcode:1981NuPhB.177..477W. doi:10.1016/0550-3213(81)90182-6. 
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