物理学家和宇宙学家正在组织规划一些新的科学实验。虽然目前尚处于设想阶段，但是他们仍希望从大爆炸的遗迹和当今宇宙的高能角落里找出基本的物理规律——
加州，罗莱特公园(Rohnert Park)：在尼古拉斯 · 怀特(Nicholas White)看来，X射线天文学的未来将集中在处于遥远而又混乱的星系中心的黑洞边界处。在巨大的黑洞周围，若用X射线跟踪，将会发现时空像热气体一样奇怪地扭曲在一起。他从这一视角发现了这样一幅清晰的动力学图景：物质流从黑洞的外缘强劲地向太空喷射出来，并偶尔出现蛀洞和其它奇异的入口。
怀特不是假想将自身直接注入到这个相对论性的环境中，而是设想用一列X射线望远镜，从它们围绕太阳的轨道一齐对准黑洞的边缘，远远地去研究它的详细情况。就像地球上相距甚远的射电望远镜能够联合起来当作一架特大型望远镜使遥远的物体形成很精细的像一样，在轨道上的X射线干涉仪能够探测到宇宙中高能天体的运行规律。怀特是位天文学家，他工作在美国航空航天局(NASA)马里兰州戈达德空间飞行中心。他说：“我们已经证明存在黑洞，最终，我们还将知道这些黑洞的运行规律，而用X射线望远镜正是达到这一目的的最佳途径。”
怀特自己也承认，这个将被称为MAXIM(微弧秒X射线成像仪)的X射线望远镜群在轨道上飞行的时间可能不会超过20年至25年。尽管如此，MAXIM还是成了1999年秋在索诺马州立大学(Sonoma State University)举行的“宇宙起源与基本物理学”特别学术讨论会的主题之一。在这次大会上，大约150名权威天文学家、宇宙学家和物理学家聚集一堂，为寻找共同关注的焦点而密切注视着21世纪早期他们各自所处领域的“水晶球”(crystal ball)。最后，他们把目光投向了宇宙生成之初(那时，物理学基本规律刚被确定)和当今宇宙中的高能区域之上。大会上，科学家们描述了许多可能从宇宙中找出新物理的富有想象力的实验。
至今，大多数实验项目并没有资金投入或建立时间表。但是，大会组织者希望通过这次讨论会，使一批必要而可行的实验计划在未来几十年内出台。长期以来，粒子物理学家和天体物理学家各自工作在自己的领域，相互沟通很少，并且涉及两门学科的实验也不多。然而，这一现状将被两项实验所打破。其一是γ射线大区域太空望远镜(GLAST)，它将对超新星的残余物，γ爆和其它宇宙粒子加速器进行研究；其二是a磁谱仪，它将利用国际太空站来寻找反物质。针对这些工作，NASA官员丹尼尔戈丁(Daniel Godin)表示，希望在下一个10年里见到更多这样的工作。
1999年早些时候，在伊里诺斯州费米加速器国家实验室举行的一次会议上，戈丁要求物理学家们多多关注宇宙中的超高能粒子及其过程(Science，4 June P. 1597)。11月6日，他又在加利福尼亚州欧文市美国科学院物理与天文局的一次演讲中重申了上述观点。他说：“如果我们想在物理学的根基上取得大突破，我们必须更加关注物理学和天文学之间的交叉。”戈丁还对NASA资助的新“宇宙旅行”计划作了展望，并希望其它机构，譬如国家科学基金(NSF)和能源部(DOE)也能参加进去。
正是戈丁在费米实验室的演讲和新启动资金即将投入的前景，促使费米实验室宇宙学家罗基 · 克劳伯(Rocky Kolb)、斯坦福大学物理学家埃里奥特 · 布鲁姆(Eliot Bloom)以及加利福尼亚劳伦斯伯克利国家实验室物理学家吉姆 · 西格里思特(Jim Siegrist)组织了这次索诺马州会议。大会鼓励与会者发言，并希望他们提出一些超前10~25年的似乎不合实际的怪想(尽管它们用到的技术或许现在尚未出现)。西格里思特在大会闭幕时讲到：“我对这些的期望并不太高。但是我们都赞同：把这些问题同时推向许多各不相同的研究前沿是必需的。”倘若西格里思特和他的同事能够克服前进中的困难并为最有希望的工作提供统一的论据，那么，用他自己的话来说，“真正的前途似锦。
“时空中的涟漪”
引力有许多特殊效应，吸引人们非常愿意从事引力方面的工作。科罗拉多大学物理学家彼得 · 班德(Peter Bender)描绘了一种激光干涉仪太空天线(LISA)：三艘宇宙飞船在太空中形成一个边长为500万公里的三角形。用激光束测量每艘飞船中自由漂移的金属块相对于其它金属块的位置，其精度可达十分之一埃。这足够用来检测通过的引力波——时空的波动。理论上，它的波形和结构决定于极端宇宙事件附近的相对论物理学；与地球上的引力波探测器将只能接收到诸如大质量恒星的坍缩和膨胀所产生的信号不同。LISA的巨大尺寸将能够很敏感地接收到波长长得多的引力波。这样的引力波来源于几小时前至几个月前所生的天体事件(最令人注目的是一对黑洞锁在一条不断拉紧的死亡螺旋线之上)。
如果一切顺利的话，LISA将在太空飞行10年。此后，将再发射经过改进的LSA2，它更灵敏且能够探测到宇宙自身的引力波背景。这是一种“嗡嗡作响”的引力波，即它是一种弥漫在太空中的微弱的宇宙微波“辉光”。布鲁姆说：“那将太令人激动了，因为它将深刻地揭示宇宙的最初一瞬。”大概到大爆炸过后的仅10-38秒钟，引力开始从自然界其余各基本力中分离出来。那时的遗迹可以揭示引力是怎样对原始量子涨落产生影响的(原始量子涨落决定了我们今天所见宇宙的大尺度结构)。
加州理工学院宇宙学家马克 · 卡米诺科夫斯基(Mare Kamionkowski)认为，那些最初的引力波也应包括宇宙微波背景自身的印迹。就像湖面使光偏振并让它从水面反射回来一样，当太空冷却到一定程度，光子可以从热气体中逃逸时，引力波可能已经使这些早期宇宙的光子极化了。将于2007年发射的欧洲航天局普朗克卫星可能会发现有关这一隐蔽极化的线索，但卡米诺科夫斯基却倡导用一个专用的后普朗克卫星来仔细研究这一极化的细节。他解释道，宇宙早期经历过大爆炸已经得到了公认，但不同的暴胀方案所预言的宇宙微波背景中的极化方式却各不相同。用分辨率高的卫星来识别其中的正确方案可以结束这场暴胀之争，并使物理学家更准确地理解自然界的基本规律在宇宙最初时刻的那种炽热状态下的表现形式。
宇宙粒子工厂
其它宇宙信息也不容忽视。到达地球的极少数超高能宇宙射线所带能量比地球上的加速器产生的能量高得多，单个粒子的能量足以比得上一砖块从桌上跌落到地面产生一个坑所需要的能量。物理学家猜测这些高能射线可能来自活动星系的核心，即γ爆或旋转的黑洞。但目前还没有一个令人信服的理论支持这样的天体物理学机制，通过它能够把粒子加速到如此高的速度。由于监视器限制了观测范围，地面探测器探测到的由高能宇宙射线在入射到大气层外层时所激发的低能粒子簇至今仅有20次左右。NASA物理学家罗伯特 · 斯垂特迈特(Robert Streitmatter)认为，把紫外摄像仪送到太空轨道上，从外部观测大气层并让地球自身当作宇宙射线的显示屏。这样，它的观测面积将是地面探测器的一万倍(Science，5 December 1997. P. 1708)。一对被放作轨道广角光线收集器(OWL)的卫星能够追踪高能宇宙射线经过大气层的路径，从而精确地定出它们的源头。或许这样就能揭开产生这些射线的自然之谜。
亚利桑那大学天文学家罗杰 · 安琪尔(Roger Angel)提出包括寻找不发光物质——暗物质在内的不可见宇宙的详细研究必将在未来几十年内大有作为。暗物质将星系团束缚在一起，并像巨型蚕茧一样包围着各个像我们的银河系一样的星系。尽管星系和恒星的运动揭示了这种暗物质的引力作用，但是没有人知道它的组成——它或许是由不发光的普通物质团块所组成，或者由物理学家在地球上观测不到的奇异粒子所组成。寻找暗物质的进一步工作可能为暗物质的组成提供线索。
安琪尔和他的同事[包括新泽西卢森特学院天文物理学家安东尼 · 泰森(Anthony Tyson)在内]建议制造一架新的望远镜。他们相信这架望远镜能够详细地描绘暗物质。“暗物质望远镜”的设计利用了“引力透镜”原理(“引力透镜”原理是指，由于遥远星系周围的不可见物质的浓度不同，时空结构的改变程度也不相同)。这种望远镜需要把一个8. 4米和两个4米的镜子沿径向装配在一起，来寻找时空的微小扭曲，其视角范围可达满月的6倍之宽。
在各种寻找暗物质的方案中，最难理解的可能是由诺贝尔奖金获得者、斯坦福线性加速器中心(SLAC)物理学家马丁 · 皮尔(Martin Perl)提出的方案。皮尔建议在小行星中寻找加速器中从未产生过的有质量的粒子。这些在大爆炸时大量产生的稳定而又超重的粒子可能从诸如小行星和彗星之类的远古物质中幸存至今。最初阶段的研究成本较低，皮尔小组计划从陨石碎块中制造出微粒，并在实验室中测量它们的下落速率。(因为这些微粒直径大概只有10微米，测量它们的质量并不容易，但是它们的质量决定了它们在空气中的最终下落速率)或许这样就能在陨石中发现和普通物质混合在一起的超重粒子。但是，皮尔认为，最好的办法还是发射一个机器人到小行星上。这个机器人通过筛选原始土壤，在小行星的微弱引力场内扫描出粒子的最终速度。
一些在大会上讨论的计划已经得到NASA或其它机构的初步投资，其它一些则尚需新基金的支持。问题于是产生了，哪些项目应该得到优先支持呢？正如SLAC物理学家海伦 · 奎因(Helen Quinn)所说的：“每个人都有计划，并且每个计划都很有趣，你将怎样认定孰优孰劣呢？”
天文学界和粒子物理学界都有这样的决策体制，但是方式不同。天文学家通过召开“十年评论”专家评审小组会议来决定未来10年内各个新项目的重要程度并写出报告；下一个报告将于春季出台。粒子物理学界有一个高能物理咨询小组负责每年向能源部(这一领域的主要投资者)报告四次。对诸如在索诺马州会议上讨论的学科间的交叉项目，能源部主管高能物理与核物理的副部长彼得 · 罗森(Peter Rosen)认为应当建立一个新的咨询委员会定期向NASA、NSF和DOE递交正式报告，其形式可以采取SAGENAP(非加速器物理实验科学评估小组)的工作方式(SAGENAP由9名物理学家组成并负责向DOE和NSF提出有关建议)。
但是，确定优先权只是一个开始。NASA宇宙的结构与演化科学项目主管阿兰 · 布勒(Alan Bunner)认为，为了能在吸引投资方面获得主动，天文学家和物理学家必须要懂得如何推销它们的计划。布勒说道：“两家或三家机构提倡相同原创性是很难抑制的势头。但是美国人必须去从事这样的工作，光有智力兴趣是不够的。”在索诺马州会议上他要求与会者找出它们计划中最令人激动的方面，并想办法夸张地将它们推荐给投资机构和界内同仁。
西格雷思特和他的同事们已经制订了沿着这条路径的下几个步骤。二月份，理论家将聚集科罗拉多州艾斯朋市，讨论未来各实验中哪一个将最有潜力解决物理学与宇宙学中的根本问题。再过2个月，会议组织者将在华盛顿聚会，准备向DOE、NSF和NASA的领导递交白皮书。如果国会态度积极，这个小组还将准备最后一次会议(时间大概为2001年的夏天，地点选在科罗拉多州雪地市)。
另外一个不确定因素可能会出现，当天文学家和物理学家面对合作项目的实际情况时，他们的合作会默契吗？罗森说：“我们已经养成了不同的习惯。在我们高能物理或核物理领域，得出的数据不会广泛得对任何人都有效。因为大多数复杂探测器给出的数据，只有通过建造它们的工作小组经历了痛苦的分析之后才能得出。与此相反，天文学家们建造共同的仪器，并迅速地分享他们的发现。”
这场运动才崭露头角，它的组织者们却坚定地认为，这些完全不同的领域将最终找到一条合作的途径。因为，这些机会是任何人都无法抗拒的。费米实验室的克劳伯在索诺马州的那段鼓舞人心的闭幕讲话中，要求他的同事们：“不要害怕采取大的步骤。约翰 · 穆尔(John Muir)曾经说过当一个人吃力地被自然界中的某一简单事物拖累时，他会发现这个简单事物是与宇宙的其它部分联系在一起的。现在，基本物理学的实验室正是宇宙本身。”
[Science，1999年12月20日]