（续上期）
在超高温度和密度下，物质存在新的状态吗？
在极端能量条件下，物质要经历一系列的变化，原子会分裂成它们的最小组成单元。这些组成单元是被称为夸克和轻子的基本粒子。就我们所知，这些基本粒子不会再分裂成更小的部分了。夸克非常喜好群居，人们从未看到过单个的夸克。相反，它们会与其他夸克结合形成质子和中子（每个质子由三个夸克组成）。进一步，它们会与轻子（比如电子）结合形成整个原子。例如，氢原子就是由一个质子和一个绕着它运动的电子组成的。接下来，原子会与其他原子结合形成分子，比如H2O（水分子）。随着温度的上升，分子会从固体（比如冰）转变成液体（比如水）、气体（比如水蒸气）。
这些都是已知的科学能够预言的。但是当温度和密度大到地球的几十亿倍时，原子的基本组成部分或许都完全分解了，而形成夸克和束缚夸克的能量的等离子体。物理学家正在努力地在位于长岛（Long Island）的粒子碰撞机上制造这种状态的物质——夸克-胶子等离子体。在更高的温度和压力下（这远远超过了科学家能够在实验室产生的温度和压力），等离子体也许会变成一种新形态的物质或者能量。这种相变或许能够揭示自然界中的新作用力。
这些新的作用力将与其他三种已知的作用力一起来控制夸克的行为，所谓的强相互作用是把这些粒子束缚在一起的主要媒介。第二种力被称为弱作用，它可以把夸克从一种类型转变成另一种（夸克具有六种不同的“味”，它们是上、下、魅、奇、顶和底）。最后一种力是电磁力，它把诸如质子和电子这样的荷电粒子束缚在一起。正如它的名称所暗示的那样，到目前为止，强作用是这三种作用力中最强的，它比电磁作用强100多倍，并且它的强度是弱作用的10000多倍。粒子物理学家猜测，就像电场和磁场是同一个电磁场的不同方面那样，这三种作用力也只是某一单个能量场的不同表现。实际上，物理学家已经揭示了电磁作用和弱作用之间的内在统一性。
稍稍加热，分子就可以很容易地从固体变成液体，然后变成气体。但是，在极端高温下，将会发生什么情况呢？物质会分解成一锅被称为夸克-胶子等离子体的亚原子粒子汤，然后变成能量吗？
某些统一场论指出，在大爆炸刚刚开始不久的超热原始宇宙中，强、弱、电磁以及其他作用力是统一的，但后来随着宇宙的膨胀和冷却，它们分开了。在新的宇宙中可能会存在统一的作用力，这是粒子物理学家如此热衷于天文学的一个主要原因，同时这也是天文学家为什么现在转向粒子物理学来寻找这些作用力在宇宙的诞生过程中可能会起到什么作用的线索的主要动机。倘若这些力曾经是统一的，那么必然存在着一类新的超重粒子，称为规范玻色子。如果这些规范玻色子存在，那么它们将允许夸克变为别的粒子，这将导致处于所有原子中心的质子发生衰变。并且如果物理学家证实质子能够衰变，那这就将证明新的作用力是存在的。
这就产生了下一个问题——
宇宙中的所有原子都是在一种基本粒子（质子）的周围建造的。但是统一场论预言，质子的寿命是有限的，它最终将衰变成其他子粒子。
质子是稳定的吗？
你可能会担心，组成我们自身的质子分解时，我们不是要变成一团基本粒子和自由的能量了吗？其实对于这种事情，你不必过于忧虑。各种观测和实验都表明，质子至少要稳定地存活十万亿亿年。然而，许多物理学家相信，如果前面所描述的三种作用力真的只是某个统一场的不同表现形式，那么神秘的超重玻色子将每时每刻地在夸克中出现，使得夸克以及由夸克组成的质子变质。
乍一看，根据微小的夸克不可能产生重量比自身重10，000，000，000，000，000倍的巨型玻色子而认为这些物理学家是在发精神病，是情有可原的。然而海森堡不确定性原理（此原理告诉我们，你永远也不可能同时知道某个粒子在某一时刻的动量和位置）却间接地允许这种不可容忍的主张。因此，重玻色子在极短的时间内从组成某个质子的某一夸克中跳出来并且导致质子发生衰变是可能的。
什么是引力？
接下来的问题是关于引力的。当这一奇特的作用力所作用的粒子较小，并且把这些粒子束缚在一起的能量也不大的时候，它就变得很显然了。爱因斯坦改进了牛顿的理论，他把引力的概念拓展到了极大引力场和运动速度接近于光速的物体的情形。这些拓展导致了著名的相对论以及时空等概念的出现。但是爱因斯坦的理论一点也没有涉及到量子力学所统治的尺度极小领域，因为在小尺度下引力可以忽略，并且引力的离散波包也跟束缚原子的能量离散波包不同，在实验上它们从未被发现。
虽然如此，在自然界的某些极端条件下，引力将不得不跟微小的物质成分打交道。例如，在黑洞的中心附近，在量子尺度的空间上聚集了巨量的物质，引力在如此微小的距离上将变得非常强。在大爆炸开始不久的高密度原始宇宙中，情况也同样如此。
物理学家斯蒂芬 · 霍金（Stephen Hawking）发现了一个关于黑洞的特殊问题，而我们要在具有一个万物统一理论之前解决这一问题，那我们需要在量子力学和引力之间架起一座沟通的桥梁。根据霍金的理论，那种断定没有任何东西（甚至光）能够从黑洞中逃离的说法并不是严格成立的。弱热能可以从黑洞周围逃逸。霍金从理论上指出，这种能量是在粒子-反粒子对从邻近黑洞的真空中物化出来时产生的。在物质-反物质粒子重新组合并且相互湮灭时，其中的一个稍稍向黑洞的方向靠近的粒子将会被黑洞吞噬，而另一个稍稍远离黑洞的粒子将会以热的形式向外界逃逸。这种能量的释放与先前被黑洞所吞噬的物质和能量所处的状态没有任何明显的联系，因此，它违背了量子物理学的一条定律。这条定律是说，所有事件都必须起源于先前的事件。或许我们需要一个新的理论来解决这一问题。
存在额外的维度吗？
对引力本性的好奇最终导致了这样的疑问，在我们能够轻易察觉到的四个维度之外还有其他的维度吗？在回答这个问题之前，我们或许应该首先弄清大自然是否真的患有“精神分裂症”。我们应该接受有两种分别在不同的尺度上起支配作用的力（即在诸如星系这样的大尺度上起支配作用的是引力，而在原子的微小尺度上占统治地位是其他三种力）吗？统一理论的倡导者们认为，一定有办法在引力和其他三种原子尺度上的力之间建立某种联系。这或许是真的，但是建立这种联系并不是一件容易的事情。首先，引力是一种奇怪的力。爱因斯坦的广义相对论指出，与其说引力是一种力还不如说它是空间和时间的一种内在属性。因此，地球绕着太阳转，不是因为它受到了太阳引力的吸引，而是因为地球落入了由太阳产生的一个巨大的时空凹陷之中了。地球在这个凹陷中旋转就像一粒快速运动的弹球落入一个大碗之中一样。其次，就我们目前所探测到的，引力是一种连续现象，而自然界中的所有其他的力都是以离散波包的方式运作的。
所有这些都把我们引导到弦论学家以及他们对引力的解释。在弦论学家的引力解释中包含有其他的维度。在最初的把引力与其他三种力结合在一起的弦论模型中，宇宙是一个复杂的十一维世界。在那个世界中（我们的世界），有七个维度是卷曲在小得无法想象的区域中的，因此我们并没有注意到它们的存在。体会这些额外维度的一个办法就是把宇宙想象成蜘蛛网上的单独一股线。用裸眼来看，这股细线是一维的，但是用高倍放大镜来看，它就变成具有一定长度、宽度和高度的物体了。弦论学家认为，我们看不到额外维度的原因是我们没有足够好的仪器来分辨出它们。
也许我们从未直接看到过这些额外的维度，但是我们也许能够用天文学家以及粒子物理学家们的仪器来探测它们存在的证据。
宇宙是怎样诞生的？
在大爆炸之初，宇宙的温度和密度都高得难以想象，所以倘若自然界的全部四种力真的是某个单独的力在温度低于几百万度时所表现出的不同形态，那么引力、强作用力、粒子以及反粒子在宇宙诞生之初的某个地方根本就没有区别。爱因斯坦的物质和时空理论依赖于更加熟悉的参考点，它无法解释是什么使得宇宙由一个原始的炙热点急速膨胀到我们今天所看到的样子。我们甚至不知道宇宙为什么充满着物质。根据目前的物理学理论，早期宇宙中的能量应当产生等量的物质和反物质，并且到后来这些物质与反物质将会相互湮灭。某些神秘而又非常有用的机制使得物质与反物质的比例向有利于物质的方向倾斜，从而留下了足够的物质来产生充满恒星的星系。
幸运的是，原始宇宙留下了一些线索。其中之一就是大爆炸的余辉——宇宙微波背景辐射。几十年以来，天文学家无论朝宇宙的什么方向测量，他们测得的这种弱辐射都相同。天文学家相信，这种均匀性意味着大爆炸开始之初时空在进行着暴涨，并且这种暴涨的速度比光速还快。
然而最近，一些更加仔细的观测显示，宇宙背景辐射并不是完全均匀的。从空间一块小区域到另一块区域之间存在着微小的并且随机分布的变化。早期宇宙密度的随机量子涨落能够留下这一印记吗？芝加哥大学天体物理系主任、提出这11个问题的委员会主席迈克尔 · 特恩纳（Michael Turner）认为，这非常有可能。特恩纳以及许多其他宇宙学家现在都相信，宇宙的结块（即大量的被星系和星系簇所加强的空间伸展）或许都是原始宇宙（其尺寸比原子还小）中的量子涨落受到了极大放大的结果。
这正是无穷大和无穷小的某种联姻（这些天来，粒子物理学家一直在讨好天文学家），同时这也是为什么这全部11个秘密可能会在不远的将来被同一个理论所解释的原因。
我们是怎么来到这儿的呢？
天文学家不可能回到宇宙的诞生之初来观察宇宙演化的全过程，但是通过许多线索和理论的描绘，他们可以想象万事万物的起源。
在他们的模型中，整个宇宙刚开始是一个非常炙热的点，这个点的尺寸比原子小得多。这个点立刻就开始膨胀起来，最初其膨胀速度比光速还要快，此时的膨胀被称为大爆炸（the Big Bang）。宇宙学家们到现在还仍然为大爆炸的精确机制争论不休，然而在很多问题上他们已经达成了共识。
在新生的宇宙进行膨胀的同时，宇宙还在冷却它所包含的各种形式的物质和反物质，比如夸克和轻子，以及它们的反物质孪生伙伴，反夸克和反轻子。这些粒子迅速地发生碰撞并且相互湮灭，而留下少量的剩余物质和许多能量。宇宙继续在冷却，直到幸存的少量夸克相互结合生成质子和中子，质子和中子接下来又按顺序形成氢核、氦核、氘核和锂核。这样又过了30万年，在这30万年之间宇宙的温度还是很高，电子无法束缚在原子核的周围而形成完整的原子。但是一旦温度降得足够低，我们现在所看到的氢原子、氦原子、氘原子以及锂原子就开始形成了，这也就为形成尘埃、行星、恒星、星系和星系簇这一漫长的行程做好了准备。
引力，这一最弱的但又是唯一长程累加的力，逐渐取得了控制权，它把气体和尘埃聚集在一起形成大块的团，这些大块的团自身又在引力的作用下发生塌缩直到核反应被点燃，这样最初的恒星就诞生了。在比这大得多的尺度上，引力把密度大于平均值的气体所组成的巨大区域控制在一起，这些控制起来的区域经过演化最终就变成了星系簇，而其中的每一个星系都充满着数以亿计的恒星。
在相当长的时间里，恒星内部的核聚变反应把氢核和氦核变成其他元素的原子核，其中包括地球上所有生命的主要成分——碳。
质量极大的超新星有时会发生爆炸，这种爆炸所释放的能量巨大，在爆炸过程中甚至可以产生包括铁在内的较重元素；而更重的元素（比如铀和铅）是从何而来的却仍然是一个谜。
[Discover，2002年2月号]