宇宙学相变

将时间向前追溯到宇宙创生三分钟之前，宇宙温度很高且十分致密，直到物质发生了相变，这个过程改变了它们的形式和性质。

日常生活中与之相似的就是水的固液气相变。随着温度的升高，可以看到水的相变过程，其性质发生了巨大变化：固相——冰，融化到液相——水，最终沸腾到气相——水蒸气。并且蒸汽比水更加对称，水又比冰更对称。宇宙中的物质也服从类似的物理规律，物质最初产生的时候是处于一个统一的或者是满足极高对称性的相，然后通过一系列相变，直到在较低的温度下，我们就能获得今天所熟知的基本粒子包括电子、质子、中子、光子、中微子等。

相变对宇宙及其组分的演化有深刻的影响，而且这些相变的一些“残余物”仍有可能保留至今天，可以被一些粒子物理或天文实验所检验。其中，统一和相变这两个关键概念在我们对粒子物理等基础理论的理解起到了至关重要的作用。

从统一的角度来看，粒子物理大统一的基本前提是基本粒子的已知对称性是由较大的（甚至未知的）对称群产生的。每当相变发生时，该对称性的一部分就会破缺，因此对称群发生变化。每次对称性破缺产生的相变，会使物质的形态和其对应的对称群发生改变。群U(1)，SU(3)，SU(2)×U(1)等代表不同类型的物质，尤其是物质表现出的对称性，它们与不同的基本自然力量相关。这些基本力分别是：

①电磁力：U(1)群与电力和磁力有关，即光，电等现象。这是J.C.麦克斯韦（Maxwell）在19世纪末取得的巨大成就，将电、磁效应统一为一个单一的数学理论—电磁学。

②弱核力：这是与不稳定原子核的放射性相关的核力。弱核力尤其与从中子到质子的衰变有关。20世纪70年代末，S.温伯格（Steven Weinberg，1933-05-03～ ），A.萨拉姆（Salam）和S.L.格拉肖（Sheldon Lee Glashow，1932-12-05～ ）将弱核力与电磁力统一，称为电弱理论，由群SU(2)×U(1)描述。20世纪80年代初，在日内瓦的CERN粒子加速器上确认了该统一模型的预测。

③强核力：强核力与SU(3)群相关，它是将质子和中子束缚在一起构成原子核的力。这个理论中的基本粒子有夸克（一组六种不同的基本粒子，组合起来产生质子和中子等粒子）和胶子，描述它们的数学理论被称为量子色力学（QCD）。该模型在原理上是很好理解的，但在实际定量计算中是非常困难的。统一强核力与电弱理论的模型被称为大统一理论或GUT。

④引力：所有基本力中最弱的力，并不包括在上述的类型中。其他基本力与引力的统一是理论物理学面临的巨大的挑战之一。现在存在一些可行的理论，比如超弦理论，它们被称为TOE（Theory of everything），即万物理论。

用水来做类比能有助于理解对称性和对称性破缺的概念。水的液相是旋转对称的（各向同性），也就是说，不管我们从哪个方向看，每个点看起来都一样。我们可以用群G来表示这个大的三维对称性。然而，固体形式的冷冻水（冰）在各个方向都不一样；冰晶体晶向是水分子对齐的方向。描述这些不同的离散方向的群记为H，将小于群G。经过冻结这一过程，原始对称的对称群G被破缺成为群H。

对称性破缺的宇宙学意义在于高能标下原对称性可以恢复（就像冰融化成液态水一样）。在宇宙早期的极高能标下，甚至将实现一个具有统一对称群的状态。从创造之时起，宇宙将经过一系列的相变，强核力将在这一阶段产生出来，接下来是弱核力和电磁力。

相变可以有各种各样的重要意义，包括拓扑缺陷的形成——宇宙弦、畴壁、单极子和纹理，甚至可以引发一个指数膨胀阶段（暴胀）。这些影响的研究都集中在极早期的宇宙，也就是大爆炸后的第一个百分之一秒之前的阶段。

相变可以有两种，一级相变和光滑的二级相变。一级相变是通过在旧相中形成新相的气泡而发生；然后这些气泡膨胀和碰撞，直到旧相完全消失，相变完成。与之相似的是沸水，其中蒸汽的气泡形成并膨胀，一直上升到水的表面。在一级相变期间，物质场陷入“假真空”状态，它们只能通过形成新相的气泡逃逸，即“真真空”状态。二级相变过程是光滑进行的，旧相以连续的方式自发地转变为新相。