物理学11大困扰（下）

问题7：超高温度和密度之下是否有新的物质形态？
在能量极大的情况下，物质经历一系列的变化，原子分裂成其最小的组成部分。这些部分就是基本的粒子，即夸克和轻子，据目前所知它们不能再分成更小的部分。夸克性质极其活跃，在自然状态下无法单独存在。它们会与其它夸克组成光子和中子，两者再与轻子结合，形成整个原子。
这都是现有科学可以推测的，但当温度和密度上升到地球上的几十亿倍时，原子的基本成分有可能会完全分离开来，形成夸克等离子体和将夸克聚合在一起的能量。物理学家正尝试在长岛的一台粒子对撞机中创造物质的这种形态，即一种夸克—胶子等离子体。在远远超过这些科学家在实验室中所能创造出的更高温度和压力之下，等离子体可能变化成一种新的物质或能量形式。这种阶段性变化可能揭示自然界的新力量。
要使这些力量结合起来，就必须有一种新的超大粒子———规范玻色子。如果它存在的话，就可以使夸克转变为其它粒子，从而使每个原子中心的光子衰变。假如物理学家证明光子能够衰变，那么这一发现就会证明有新力量的存在。
这也引出了下一个问题。
问题8：光子是不稳定的吗？
如果你担心组成你的光子会分解蜕变，将你变成一摊基本粒子和自由能量，那大可不必为此着急。各种观察和试验表明，光子的稳定时间至少在10的33次方年。然而，许多物理学家认为，如果这三种原子力确实是单个统一场的不同表现形式，前文所说的神秘变化的超大玻色子就会不时从夸克中演化出来，使夸克及其组成的光子衰退。
如果一开始你认为这些物理学家脑子出了点毛病，那也是情有可原的，因为按理说微小的夸克不可能生成比它重这么巨大倍数的玻色子。但根据海森伯的测不准原理，我们不可能同时知道一个粒子的动量和位置，这就间接使这样一个大胆命题可以成立。因此，一个巨大的玻色子由一个夸克中生成，在很短时间内形成一个光子并使光子衰变是可能的。
问题9：什么是重力？
接下来是重力问题。在爱因斯坦改进牛顿的理论时，他扩展了重力的概念，将巨大的重力场和以接近光速运动的物体都计算在内。这一扩展形成了著名的相对论和时空理论。但爱因斯坦的理论没有涉及极小领域的量子力学，因为重力在很小范围内可以忽略不计，而且还没有人对个别少量的重力进行过试验性的观察。
然而，自然界也有重力被压迫在小物体之内的极端情况。比如说，在靠近黑洞中央的地方，大量物质被挤在量子大小的空间里，重力就在很小的距离内变得非常强。大爆炸时期混沌的初始宇宙中一定就是这种情况。
问题10：有几维空间？
对重力真正性质的研究也会带来这样的疑问：空间是否不仅仅限于我们能轻易观察到的四维。要确定这一点，我们可能首先要怀疑自然是否是自相矛盾的：我们是否应该接受这样的观点，即有两种力作用于两个不同的层面——重力作用于星系这个大层面，而其它三种力作用于原子的微小世界？统一场论会说这是一派胡言——肯定有一种方法将原子层面的三种力量与重力连接起来。
这就将我们引向了一些线性理论学家对重力的解释，其中就包括其它维的空间。开始的宇宙线性理论模型将重力和其它三种力在复杂的11维宇宙中结合起来。在那个宇宙———也就是我们宇宙中———其中的7维隐藏在超乎想象的微小空间中，以至于我们无法觉察到。弄懂这些多维空间的一个办法是，想象一个蛛网的一根丝。用裸眼来看，这根细丝只是一维的，但在高倍放大镜下，它就分解成了一个有相当宽度、广度和深度的物体。线性理论学家说，我们之所以看不见其它维的空间，只是因为缺少能将它们分解的精密仪器。
我们可能永远无法直接看到这些多维空间，但有了天文学家和粒子物理学家的仪器，也许可以找到它们存在的证据。
问题11：宇宙如何诞生？
如果自然界的4种力量事实上是在几百万度以下表现为不同形式的一种力，那么大爆炸时期温度极高、密度极大的宇宙中，重力、强力、粒子和反粒子之间就没有什么区别了。爱因斯坦的物质和时空理论是以更普通的水准点为基础，因此无法解释宇宙初始时炙热的弹丸之地是如何膨胀成今天我们看到的景象的。我们甚至不知道宇宙为什么充满了物质。根据当今物理学的看法，早期宇宙中的能量应该产生了数量相当的物质和反物质，之后它们会互相湮灭。而某些神秘而作用巨大的物理过程使天平倾向了物质，于是足够的物质产生了充满星球的星系。
幸运的是，初期的宇宙还留下了一些线索。一个是宇宙微波本底辐射，这是大爆炸的余辉。几十年来，不管天文学家从宇宙的哪个角度测量，这种微弱的辐射都是一样的。天文学家相信，这种统一性说明，大爆炸是伴随着比光速还快的时空膨胀开始的。
然而，更新的详细观察显示，宇宙本底辐射并不是完全统一的。太空的一小片区域与另一片随机分布的区域有着微小的差别。是不是早期稠密的宇宙中随机的量子波动留下了这些特点呢？芝加哥大学天文物理系主任、提出这11个问题委员会的负责人迈克尔·特纳认为很有可能。特纳和其他许多宇宙学家都认为，宇宙的分割区域———被星系和星系群打断的大片伸展的太空———可能是最初亚原子规模的宇宙量子波动被大面积放大形成的。
这正是现在促使粒子物理学家和天文学家合作的无限大和无限小的结合，也就是为什么这11个难题有望用同一种理论来解答。