2024年01月05日
日常生活中，每当我们把水煮沸或冷冻时，都会发生一阶相变。当我们冷却或加热物质时，它们的状态会发生剧烈变化，例如从液态变为气态。值得一提的是，宇宙本身也可能发生这种转变。在量子力学的奇异世界里，空的空间从来不是真正的空而是充斥着时隐时现的虚拟粒子。这种准空状态被称为真空，真空有可能在一阶相变中衰变。
西交利物浦大学数学物理学院物理系的Andrew Fowlie博士近日在核物理与高能物理领域的顶级期刊《粒子与核物理进展》（Progress in Particle and Nuclear Physics；2022年SJR排名第一）上发表了一篇综述文章。Fowlie 博士与南京师范大学和莫纳什大学的研究人员合作，回顾了对一阶宇宙学相变和引力波的了解。这份长达 155 页的报告已被同行引用近 50 次，并有可能成为经典参考文献。
事实上，当宇宙衰变为新的真空时，宇宙本身也可能 "沸腾 "起来。就像沸腾的开水一样，这将是一个释放巨大能量的剧烈过程，新的真空气泡在过渡过程中形成、生长、碰撞，并占据整个宇宙。其中一小部分能量会以引力波的形式辐射出来，这在今天仍然可以观测到。引力波是爱因斯坦在 1916 年预言的时空结构中的涟漪。它们源于时空的巨大扰动，例如当巨大的天体（如黑洞和中子星）发生碰撞时。
2015 年，激光干涉引力波天文台（LIGO）首次探测到引力波，并因此获得 2016 年诺贝尔物理学奖。这些引力波被认为源自黑洞合并。Fowlie 博士及合作者回顾了类似的实验能否探测到来自早期宇宙相变的引力波。在此过程中，他们回顾了粒子物理模型、真空衰变、气泡成核和生长以及引力波模拟的理论。
“随着未来几十年新的地基和天基引力波实验的规划，这是一个激动人心的时代，也是一次及时的回顾。从一阶相变中探测到引力波将表明我们的宇宙在过去 "沸腾 "过，并彻底改变我们对宇宙的认识。”Fowlie博士说。
Fowlie博士于2023年加入西浦。他致力于研究粒子物理学，尤其对暗物质以及如何解决级列问题这类标准模型之外的理论感兴趣。他的工作也经常涉及到开发或应用新的统计方法，利用数据来测试相关理论。同时，Fowlie博士还对高能物理学，理论物理学以及暗物质中的等级问题（hierarchy problem）也十分感兴趣。
点击此处阅读论文原文《宇宙学相变： 从微扰粒子物理学到引力波》（Cosmological phase transitions: From perturbative particle physics to gravitational waves）。
（供稿：Dr Andrew Fowlie 编辑、翻译：刘沁茹）
2024年01月05日