我们生活在物质世界中。但何为物质？理论物理学家正面对重大的新课题，寻找物质中的物质 。

啊，那理论物理学的喜悦！人们一直不怀疑宇宙中可能有一种物质形态，它能成为丰富而无污染的能源，它的存在有助于揭开宇宙学和量子力学的奥秘。它可能在宇宙初始的极端条件下就已经产生，现在可望从粒子加速择中制作出一些来。理论已深入腹地，但在没有取得确实证据之前，还应该提到另一种可能——它并不存在。

麻省理工学院物理学家吉费说：“理论物理学家毕竟不是坐在靠背椅上一边抽烟，一边打定主意去求索伟大的思想。说实在的，我们的工作就是喝咖啡，写研究成果，随后把它扔进废纸篓。我们发明有点狂妄的理论，然后又试图证明它的谬误。”

理论工作者也好，实验工作者也好，遇到一种理论未能被证明是错误的还是正确的，这里是它们最困难的当口，这就是奇异物质目前的奇妙处境。

奇异物质是通常物质的夸克理论的逻辑结果。许多物理学家都相信奇异物质是唯一的物质形态，它可能大量充斥于宇宙之中，地球上也有少许存在。

通常物质是由原子组成，而原子则是由被电子云包围着包含质子和中子的原子核组成。曾经有一个时期，物理学家认为质子、中子和电子不能再分裂成更小的实体，它们是物质的最终的不可分的组成成分。现在电子的情况还是那样，但是粒子加速器的实验已经证明质子和中子实际上都是三个粒子的组合物。这种粒子叫夸克。今天人们认为有6种类型的夸克和各种各样的夸克组合物，不仅组成质子和中子，而且组成数以百计的其他亚原子粒子，像π介子和k介子，它们已经从粒子加速器中产生出来了。

组成质子和中子的夸克有两种，用“上”和“下”来标志。每一个质子包含有两个上夸克和一个下夸克，而每个中子包含有两个下夸克和一个上夸克。奇异物质则被假设为由第三种重得多的夸克所组成，这种夸克叫做奇异夸克。

在高温和高能的条件下——比如宇宙大爆炸的短时余波就具有这样的条件——各个夸克自由运动，像弹子一样互相滑过。但是在今天比较冷的宇宙中，显然没有孤立的夸克存在，而是像质子和中子那样，总是三个一群地被囚禁在一起（或者像在其他某种粒子中两个一群）。即使质子和中子来到一起形成原子核，两种成分夸克也不互相掺合。奇异物质则并不是这样。一个奇异原子——如果可以这样叫的话——中并没有质子和中子；它是由电子云包围着的一个自由的相互作用的浓雾团。它们的原始夸克数是不会有极限的（除非为了技术上的需要取三的倍数）。如果数目很小，奇异原子的大小大致与通常原子相同。但是如果夸克数多达10⁴⁶个，奇异原子的大小如同一辆卡车。

夸克是所有物质（包括通常的和奇异的）性质的负荷者。上夸克带分数电荷+2/3，下夸克带-1/3。综合两上和一下，质子带电+1；中子综合两下一上，电荷为零。按照同样的取法，奇异原子核的电荷是全部夸克电荷之和。理论上，通常物质中的109种化学元素，从氢、氧到铹、锿以及其他，每一种元素都有它的一个重的、奇异物质的孪生物。例如，通常氧的原子核有八个质子，电荷是+8。氧的奇异物质相当物是电荷总数也是+8的夸克团块。除了重量增大外，奇异氧和通常氧的性质非常相似。

别的元素的通常物质的孪生物有类似的结构。但是通常元素排列到原子序数109这个结尾处，奇异物质的排列恰好从这里开始。“这样可继续增加到任意数”，加利福尼亚实验室的理论家奥库克说，“你可以把团块想象得如房子那么小，而重量像小行星那么大。”

即使很小一点奇异物质也会有非常大的重量。比如，像滚珠轴承那样大小的奇异物质重量会超过五百万吨。如果这个团块落到你的地板上，会把你的房子打通，而且深深地钻进地球。

还没有哪个家庭向他的保险公司报告过这样的事故，不过理论上提出，这样惊人的重团块可能漂浮在整个宇宙中，撞击星球以至我们的地球。尽管还没有探测到奇异物质，物理学家却已提出这个奇特的可能性：它——而不是构成地球、我们的家庭和我们自身的通常物质——也许是物质的最“自然的”状态。

事实是，理论家们还不知道夸克喜欢按通常物质还是按奇异物质生活。“这是一个荒漠的领域”，奥库克说，“我们不知道哪一个是物质的稳定状态。”如果保持各个奇异物质团块所需要的能量总和比最稳定的原子、离子所需要的总能量要低，那沫奇异物质就是稳定状态：它应当存在。

“原则上，”麻省理工学院理论家法汉说：“即使我们已经写下有关奇异物质是否稳定的物理定律包括观察所得的答案，我们也无法从这些定律中推得那个答案，这是一个不可克服的庞大的计算难题。但是它是一道是非题，即奇异物质是稳定的，或者不是稳定的。”

开初，理论家不认为奇异物质能够比通常物质稳定。他们争论说，果如其然，通常物质就会转化成奇异物质，我们这个行星就充满了这种材料。1984年，魏丹——一个在普林斯顿学院从事高级研究的理论物理学家——重新检验了关于稳定性的争论。他提出，即便是奇异物质比原子稳定，地球也不会是由它组成的，因为一个原子转化成奇异物质，被囚禁的夸克必然熔化了，许多上、下夸克变成各个奇异物质。魏丹指出，一个原子这么转化所花费的平均时间会比宇宙年龄长得很多。

根据这样的理解，奇异物质的存在就成为一个未决的问题。魏丹提出，当宇宙在大爆炸之后膨胀和冷却时，许多夸克会形成正常物质，而另外的许多夸克则集中到稳定夸克的浓缩块中，这些浓缩块组成宇宙质量的百分之八十到九十。“最大的可能性”，他在一篇有创见的论文中写道，“是这些块体幸存下来一直存在于今天的宇宙之中，”如果是这样，天体天空会被它们所充满。魏丹提醒说，奇异物质可能是一个不大光彩的宇宙秘密的答案。这个秘密是：宇宙失去的质量在哪里？天文学家从可见的物体运动中知道，这些可见物体组成宇宙质量的百分之十。由于奇异物质很重、很丰富，天文学家又看不见它（因为它不经历核聚变——这是可见星体发光的过程），所以它是另外百分之九十质量的候选者。

但是在魏丹论文发表的一年内，就弄清楚了奇异物质不是那失去的质量。奥库克和法汉指出，即使奇异物质曾经在初期宇宙的炽热环境下被制造出来，它也不舍在极端温度之后直至宇宙冷却时还存在。大爆炸后立即形成的奇异物质早就该烧完了。

奥库克和法汉在著作中不排除奇异物质能在稍后—些时间里在宇宙中形成的可能性，物理学家因而把注意力转移到中子星上。这些星体是超新星的残余物。在天体爆炸中，不吹走的天体物质凝聚成非常致密的旋转球。这种球的核心，压力高到原子不再能保持它的结构，电子和质子熔合成中子。

所有中子星的核心处的高压足以使部分中子劣困转化为更致密、能自由运动的上、下夸克雾团。夸克只能具有特定的能量比值。把能量的允许值画出来就像梯子的阶级，最低能量就在梯子的底级。按照量子力学的基本原理叫泡利不相容原理，每一阶级只能被一种给定类型的一个夸克所占有；不相容原理就是直觉观念在量子力学上的相当物，这个直觉观念即是在同一时间同一位置上不能有两个物体。每一夸克在能量梯子上取一个可得的最低阶级。当夸克堆积得越长越高，最后它们具有的高能量使它们变成厚重的奇异夸克。每一个增添上去的上、下夸克将仿照着在星体的核心处产生一个奇异物质祌子。奇异种子会继续生长，吞食着所有的自由中子，直到这个星体成为实质上的奇异星体，只有薄薄的通常物体表层包裹着它。（奇异物质不能吞咽通常物质，因为它们带正电的核具有电斥力使之分离。因而我们的太阳并没有变成奇异里体的危险，）

中子星经常互相碰撞。奇异星体发生碰撞时，它们会把奇异物质喷入宇宙。这样，在大爆炸之后经很长时间形成的奇异物质飘浮在宇宙之中，浇淋着我们的行星，尽管远没有魏丹开始提出的那么多。奇异物质多半不会比通常物质所以它不会再被看成是失去质量的候选者而受人注意。“中子星蓝本中提出的会产生90%的宇宙质量是难以想象的。”法汉说。

但是中子星中奇异物质具有可观察的效应。略重于千分之三盎司的团块恰好经过地球时会在岩石上留下一个明显的可观察的痕迹，像一块化石。奇异物质流过液体时会激发周近的分子使它发射光子，产生一条光曳痕；这可以在激发粒子检测器中看到。最后，奇异团块飞速通过大气层会像流星那样发光。但这样的“类核”可以从速率上同流星区别开来：流星都是在太阳系中发生，速率决不会超过每秒45哩，而“类核”会以每秒155哩的速率射出。流星光焰通常在大气高层就消散了，“类核”则在接近地球表面处闪耀。

不过奇异物质的这些效应至今没有被观察到。近来在地球表层寻找奇异物质未获成功大大降低了对它在我们这个行星上丰富程度的估算。在一个实验中，用铀和铅的重核去撞击岩石样本。如果核束打中任何奇异物质，核束就会被反弹回来。由于观察反向散射没有结果，研究人员得出结论说奇异物质在地球表层大体10⁹个原子中有一个多一点。另一个实验是寻找氧的奇异物质相当物，又降低地球表层存在奇异物质的上限，说最多10²⁵个原子中有一个。

这就使人难以相信能从地球表面找到奇异物质，但它确实不能排除这种物质的存在。理由之一是，只是奇异物质的轻块——大小大体与水分子相同——才会停止在地球表面上，而更多的厚重大块会从地球直接飞过。检测奇异物质的最大希望也许在于观察奇异星体。“理论努力已经集中刻辨认奇异星和中子星观察上的差别”，奥库克说，“不过现在还不是太成功。”奇异星和中子星的自旋速率不同，其他方面也许差不多，因为奇异星的密度大，它的自旋速率会大得多。

今年一月份刚过了几个小时，天文学家观察到超新星的天体残余物的闪光（意味着中子星）——这个超新星是两年前爆炸的。残余物的自转好像大于三分之一光速。理论家渥林托说，没有哪个中子星激发模型能够说明这样的超速旋转，“但是，如果星体是由奇异物质组成的，那么这么快的自旋是可能的。”现在天文学家正在设法确定它的自旋速率。

最理想的办法是将大块奇异物质放到实验室里去试验。尽管在地球表面找一个大块的机会很小，但是到现在还没有人排除制造它的可能性。在粒子加速器中重离子的高能碰撞有可能产生奇异物质。事实上，这样的实验现已在长岛的布鲁克海文国家实验室中进行。如果奇异物质能在加速器中制造出来，加利福尼亚大学的物理学家肖（Shaw）已有一个利用它作能源的野心勃勃的计划。当奇异物质吞食自由中子时会放出能量，这同奇异星球中发生的情形一样。如果奇异物质能被隔离和储存，就能用一种可控方式给它馈送中子。每消耗一个中子，奇异物质就会产生出2亿电子伏的能量——或者说，十倍于传统核反应堆中一个中子产生的能量。

不过这个造能计划的基础是庞大的假设。“我对制造奇异物质的建议有所怀疑，即使它是稳定的”，法汉说，“须得考虑到你想要在碰撞中产生的东西是有确定结构的。”吉费打比喻，拿两只Lego儿童房屋，使它们相撞而打碎，期望从碰撞中变成Lego儿童火箭。“碎片都在，”他说，“但是要使它们统统按适当秩序排列起来，收效甚微。不过我不去挫伤他们的积极性。”

甚至对奇异物质抱消极态度的人也相信路是用脚走出来的。“我觉得那里包含着相当的想象的飞翔，”物理学家朱理说，“对那些想象力比判断力强的人是用不着去泼凉水的。奇异物质问题的最后解决必定是靠观察。 ”

（Discover，1989年11月号）