難題一：什么是暗物質(zhì)
我們能找到的普通物質(zhì)僅占整個(gè)宇宙的4％.各種測(cè)算方法都證實(shí),宇宙的大部分是不可見的.
最有可能的暗物質(zhì)成分是中微子或其他兩種粒子： neutralino和axions（軸子）,但這僅是物理學(xué)的理論推測(cè),并未探測(cè)到.據(jù)認(rèn)為,這三種粒子都不帶電,因此無(wú)法吸收或反射光,但其性質(zhì)穩(wěn)定,所以能從創(chuàng)世大爆炸后的最初階段幸存下來(lái).
難題二：什么是暗能量
宇宙學(xué)最近的兩個(gè)發(fā)現(xiàn)證實(shí),普通物質(zhì)和暗物質(zhì)還不足以解釋宇宙的結(jié)構(gòu).還有第三種成分,它不是物質(zhì)而是某種形式的暗能量.
這種神秘成分存在的一個(gè)證據(jù),來(lái)源于對(duì)宇宙構(gòu)造的測(cè)量.愛因斯坦認(rèn)為,所有物質(zhì)都會(huì)改變它周圍時(shí)空的形狀.因此,宇宙的總體形狀由其中的總質(zhì)量和能量決定.最近對(duì)大爆炸剩余能量的研究顯示,宇宙有著最為簡(jiǎn)單的形狀——是扁平的.這也反過(guò)來(lái)揭示了宇宙的總質(zhì)量密度.但天文學(xué)家在將所有暗物質(zhì)和普通物質(zhì)的可能來(lái)源加起來(lái)之后發(fā)現(xiàn),宇宙的質(zhì)量密度仍少了2／3.
難題三：從鐵到鈾的重元素如何形成
暗物質(zhì)和可能的暗能量都生成于宇宙初始時(shí)期——?dú)?、鋰等輕元素形成的時(shí)候.較重的元素后來(lái)形成于星體內(nèi)部,核反應(yīng)使質(zhì)子和中子結(jié)合生成新的原子核.比如說(shuō),四個(gè)氫核通過(guò)一系列反應(yīng)聚變成一個(gè)氫核.這就是太陽(yáng)發(fā)生的情況,它提供了地球需要的熱量.
當(dāng)核聚變產(chǎn)生比鐵重的元素時(shí),就需要大量的中子.因此,天文學(xué)家認(rèn)為,較重的原子形成于超新星爆炸過(guò)程中,其中有大量現(xiàn)成的中子,盡管其成因還不清楚.最近,一些科學(xué)家已確定,至少一些最重的元素,如金、鉛等,是形成于更強(qiáng)的爆炸中,當(dāng)兩顆中子星——微型的、燃燒后的星球遺骸——相撞塌陷成為黑洞時(shí).
難題四：中微子有質(zhì)量嗎
不久前,物理學(xué)家還認(rèn)為中微子沒(méi)有質(zhì)量,但最近的進(jìn)展表明,這些粒子可能也有些許質(zhì)量.任何這方面的證據(jù)也可以作為理論依據(jù),找出4種自然力量中的3種——電磁、強(qiáng)力和弱力——的共性.即使很小的重量也可以疊加,因?yàn)榇蟊粝铝舜罅康闹形⒆?

難題五：超高能粒子從哪里來(lái)
太空中能量最大的粒子,其中包括中微子、Y射線光子和其他各種形式的亞原子榴征彈都稱作字宙射線.它們無(wú)時(shí)無(wú)刻不在射向地球；當(dāng)你讀這篇文章的時(shí)候,可能正有幾個(gè)穿過(guò)你的身體.宇宙射線的能量如此之大,以至于它們必須是在大災(zāi)變?cè)斐傻挠钪婕铀倩顒?dòng)中產(chǎn)生.科學(xué)家估計(jì)的來(lái)源是：創(chuàng)世大爆炸本身、超新星撞成黑洞產(chǎn)生的沖擊波,以及被吸人星系中央巨大黑洞時(shí)的加速物質(zhì).了解這些粒子的來(lái)源以及它們?nèi)绾蔚玫饺绱司薮蟮哪芰?將有助于研究這些物體的活動(dòng)情況.

難題六：超高溫度和密度之下是否有新的物質(zhì)形態(tài)
在能量極大的情況下,物質(zhì)經(jīng)歷一系列的變化,原子分裂成其最小的組成部分.這些部分就是基本的粒子,即夸克和輕子,據(jù)目前所知它們不能再分成更小的部分.夸克性質(zhì)極其活躍,在自然狀態(tài)下無(wú)法單獨(dú)存在.它們會(huì)與其他夸克組成光子和中子,兩者再與輕子結(jié)合形成整個(gè)原子.
這都是現(xiàn)有科學(xué)可以推測(cè)的,但當(dāng)溫度和密度上升到地球上的幾十億倍時(shí),原子的基本成分有可能會(huì)完全分離開來(lái).形成夸克等離子體和將夸克聚合在一起的能量.物理學(xué)家正嘗試在長(zhǎng)島的一臺(tái)粒子對(duì)撞機(jī)中創(chuàng)造物質(zhì)的這種形態(tài),即一種夸克一膠子等離子體.在遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)這些科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室中所能創(chuàng)造出的更高溫度和壓力之下,等離子體可能變成一種新的物質(zhì)或能量形式.這種階段性變化可能揭示自然界的新力量.
要使這些力量結(jié)合起來(lái),就必須要有一種新的超大粒子——規(guī)范玻色子,如果它存在的話,就可以使夸克轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌Ｗ?從而使每個(gè)原子中心的光子衰變.假如物理學(xué)家證明光子能夠衰變,那么這一發(fā)現(xiàn)就會(huì)證明有新力量的存在.

難題七：光子是不穩(wěn)定的嗎
如果你擔(dān)心組成你的光子會(huì)分解蛻變,將你變成一堆基本粒子和自由能量,那大可不必為此著急.各種觀察和試驗(yàn)表明,光子的穩(wěn)定時(shí)間至少在10的33次方年.然而,許多物理學(xué)家認(rèn)為,如果這三種原子力確實(shí)是單個(gè)統(tǒng)一場(chǎng)的不同表現(xiàn)形式,前文所說(shuō)的神秘變化的超大玻色子就會(huì)不時(shí)從夸克中演化出來(lái),使夸克及其組成的光子衰退.
如果一開始你認(rèn)為這些物理學(xué)家腦子出了毛病,那也是情有可原的,因?yàn)榘蠢碚f(shuō)微小的夸克不可能生成比它重這么巨大倍數(shù)的玻色子.但根據(jù)海森伯的測(cè)不準(zhǔn)原理,我們不可能同時(shí)知道一個(gè)粒子的動(dòng)量和位置,這就間接使這樣一個(gè)大膽命題可以成立.因此,一個(gè)巨大的玻色子在一個(gè)夸克中生成,在很短時(shí)間內(nèi)形成一個(gè)光子并使光子衰變是可能的.

難題八：有幾維空間
對(duì)重力真正性質(zhì)的研究也會(huì)帶來(lái)這樣的疑問(wèn)：空間是否不僅僅限于我們能輕易觀察到的四維.
這就將我們引向了一些線性理論學(xué)家對(duì)重力的解釋,其中就包括其他維的空間.開始的宇宙線性理論模型將重力和其他三種力在復(fù)雜的11維宇宙中結(jié)合起來(lái).在那個(gè)字宙——也就是我們宇宙中——其中的7維隱藏在超乎想像的微小空間中,以至于我們無(wú)法覺(jué)察到.弄懂這些多維空間的一個(gè)辦法是,想像一個(gè)蛛網(wǎng)的一根絲.用肉眼來(lái)看,這根細(xì)絲只是一維的,但在高倍放大鏡下,它就分解成了一個(gè)有相當(dāng)寬度、廣度和深度的物體.線性理論學(xué)家說(shuō),我們之所以看不見其他維的空間,只是因?yàn)槿鄙倌軐⑺鼈兎纸獾木軆x器.