这是一个现代物理学的故事：两位科学家在同一所大学的不同领域工作。一位研究远离地球的巨大物体。另一位则对眼前的微小物质着迷。为了满足他们的好奇心，一位建造了世界上最强大的望远镜，另一位建造了世界上最好的显微镜。当他们将仪器聚焦在越来越遥远和越来越微小的物体上时，他们开始观察到前所未见——或从未想象过——的结构和行为。他们既兴奋又沮丧，因为他们的观察结果与现有理论不符。
有一天，他们离开仪器去喝咖啡，恰巧在教职工休息室相遇，开始互相倾诉他们的观察结果。突然，他们都清楚地意识到，尽管他们似乎在观察宇宙的两端，但他们看到的是相同的现象。就像盲人摸象，一位科学家抓住了它甩动的尾巴，另一位抓住了它咀嚼的鼻子。比较笔记后，他们意识到这是同一只鳄鱼。
这正是粒子物理学家和天文学家今天所处的境地。物理学家使用线性和圆形粒子加速器作为他们的高分辨率“显微镜”，研究原子中微小到无法看见的部分。天文学家使用十几个新型超大望远镜，也研究相同的微小粒子，但他们的粒子在太空中等待着他们。这种奇怪的信息碰撞意味着粒子物理学的圣杯——理解自然界四种基本力（电磁力、弱核力、强核力和引力）的统一——将部分由天文学家实现。
这些含义令科学家们兴奋，因为过去不相关现象的奇异结合带来了理解上的飞跃。例如，毕达哥拉斯证明抽象数学可以应用于现实世界，从而推动了科学发展。当牛顿发现行星运动和苹果坠落都归因于引力时，也发生了类似的飞跃。麦克斯韦统一了磁力和电，开创了物理学的新时代。爱因斯坦是所有统一者中最伟大的，他将物质、能量、空间和时间编织在一起。但没有人将量子力学的微观世界和我们通过望远镜看到的宏观世界编织在一起。随着这些的结合，物理学家们意识到他们离一个解释自然基本运作的单一“万有理论”，即长期寻求的统一场理论，越来越近了。
大约两年前，在国家研究委员会物理学和天文学委员会的一次演讲之后，该演讲展示了这两个领域日益趋同的议程，NASA局长丹尼尔·戈尔丁建议发布一份特别报告，详细说明天文学家和物理学家如何能够相互受益。最近，该委员会的宇宙物理学委员会发布了这份报告。报告详细列出了11个深奥的问题，其中一些问题可能在十年内得到解答。如果真是这样，科学很可能将迎来历史上最伟大的飞跃之一。
但首先，我们不知道什么。
1. 什么是暗物质？
我们能找到的所有普通物质只占宇宙的约4%。我们通过计算维持星系结合并使它们在大型星系团中以现有方式运动所需的质量来得出这个结论。另一种衡量不可见物质的方法是观察引力如何弯曲来自遥远物体的光线。每一项测量都告诉天文学家，宇宙的大部分是不可见的。
很自然地会说宇宙中一定充满了黑暗的尘埃云或死星，然后就此作罢，但有一些令人信服的论据表明情况并非如此。首先，尽管有办法发现最黑暗形式的物质，但几乎所有寻找缺失云和恒星的尝试都失败了。其次，也是更有说服力的一点，宇宙学家可以非常精确地计算大爆炸后立即发生的核反应，并将预期结果与宇宙的实际组成进行比较。这些计算表明，由熟悉的质子和中子组成的普通物质总量远小于宇宙的总质量。剩下的无论是什么，它都与我们所构成的物质不同。
寻找缺失宇宙的探索是将宇宙学家和粒子物理学家聚集在一起的关键努力之一。领先的暗物质候选者是中微子或另外两种粒子：中微子和轴子，这些粒子是一些物理理论预测的，但从未被探测到。这三种粒子都被认为是电中性的，因此无法吸收或反射光线，但又足够稳定，能够从大爆炸后的最初时刻幸存下来。
2. 什么是暗能量？
宇宙学领域的两项最新发现证明，普通物质和暗物质仍然不足以解释宇宙的结构。宇宙中存在第三种成分，它不是物质，而是某种形式的暗能量。
这种神秘成分存在的第一个证据来自对宇宙几何形状的测量。爱因斯坦理论认为，所有物质都会改变其周围时空的形状。因此，宇宙的整体形状由其内部的总质量和能量决定。最近对大爆炸遗留辐射的研究表明，宇宙具有最简单的形状——它是平坦的。这反过来揭示了宇宙的总质量密度。但将所有潜在的暗物质和普通物质来源加起来后，天文学家仍然少了三分之二。第二个证据表明，这种神秘成分必须是能量。对遥远超新星的观测表明，宇宙的膨胀速度并非像科学家曾经假设的那样正在减慢；事实上，膨胀的速度正在加快。除非存在一种普遍的排斥力不断向外推动时空结构，否则这种宇宙加速现象难以解释。为什么暗能量会产生排斥力场有点复杂。量子理论指出，虚粒子可以在最短暂的瞬间出现，然后又回归虚无。这意味着太空真空并非真正的虚空。相反，空间充满了当虚粒子及其反物质伙伴瞬间出现和消失时产生的低级能量，留下一个非常小的场，称为真空能量。这种能量应该产生一种负压或排斥力，从而解释为什么宇宙的膨胀正在加速。考虑一个简单的类比：如果你在一个空的气密容器中拉动密封的活塞，你将产生一个近乎真空的状态。起初，活塞几乎没有阻力，但你拉得越远，真空度越大，活塞对你的反作用力也越大。尽管外太空中的真空能量是由量子力学的奇异规则注入的，而不是由某人拉动活塞产生的，但这个例子说明了负压如何产生排斥力。
3. 铁到铀的重元素是如何形成的？
暗物质和可能存在的暗能量都起源于宇宙的早期，那时氦和锂等轻元素诞生。较重的元素随后在恒星内部形成，核反应将质子和中子挤压在一起，形成新的原子核。例如，四个氢原子核（每个含一个质子）通过一系列反应聚变为一个氦原子核（两个质子和两个中子）。这就是我们太阳中发生的情况，它产生加热地球的能量。但当聚变产生比铁重的元素时，它需要过量的中子。因此，天文学家认为较重的原子是在超新星爆炸中形成的，那里有充足的中子供应，尽管具体如何发生尚不清楚。最近，一些科学家推测，至少一些最重的元素，如金和铅，是在更强大的爆炸中形成的，这种爆炸发生在两颗中子星——微小的、燃尽的恒星残骸——碰撞并坍缩成黑洞时。
4. 中微子有质量吗？
像产生重元素的核反应也会产生大量被称为中微子的幽灵般亚原子粒子。这些粒子属于被称为轻子的一组粒子，例如我们熟悉的电子以及缪子和陶子。由于中微子几乎不与普通物质相互作用，它们可以让我们直接观察恒星的内部。这只有在我们能够捕获和研究它们的情况下才能实现，而物理学家现在才刚刚学会这样做。
不久前，物理学家认为中微子是没有质量的，但最近的进展表明这些粒子可能具有很小的质量。任何此类证据也将有助于验证那些试图寻找三种自然力（电磁力、强核力和弱核力）共同描述的理论。即使只有一点点重量也会累积起来，因为大爆炸后留下了惊人数量的中微子。
5. 超高能粒子从何而来？
从太空撞击我们的最高能量粒子，包括中微子、伽马射线光子和各种其他亚原子碎片，被称为宇宙射线。它们时刻轰击地球；当你阅读这篇文章时，有些粒子正从你体内穿过。宇宙射线有时能量如此之高，它们一定诞生于由规模惊人的大灾难驱动的宇宙加速器中。科学家怀疑一些来源：大爆炸本身，超新星坍缩成黑洞产生的冲击波，以及被星系中心巨大黑洞吸入时加速的物质。了解这些粒子的起源以及它们如何获得如此巨大的能量将有助于我们理解这些剧烈天体的运作方式。
6. 是否需要新的光与物质理论来解释超高能量和温度下发生的情况？
问题5中提到的所有这些暴力事件都留下了一条可见的辐射痕迹，尤其是以伽马射线的形式——普通光的极高能量表亲。天文学家三十年来一直知道，这些射线中耀眼的闪光，称为伽马射线暴，每天从天空中随机方向传来。最近，天文学家已经确定了这些爆发的位置，并初步将其识别为巨大的超新星爆炸以及中子星相互碰撞和与黑洞碰撞。但即使是现在，也没有人知道当如此巨大的能量四处飞散时会发生什么。物质变得如此炽热，以至于它以不寻常的方式与辐射相互作用，辐射光子可以相互碰撞并产生新物质。物质和能量之间的界限变得模糊。再加上磁场的附加因素，物理学家只能粗略地猜测在这些地狱般的环境中会发生什么。也许目前的理论根本不足以解释它们。
这都是可预测的已知科学，但在比地球高数十亿倍的温度和密度下，原子中的基本部分可能会完全脱离彼此，形成夸克等离子体和将夸克束缚在一起的能量。物理学家正试图在长岛的粒子对撞机中创造这种物质状态——夸克-胶子等离子体。在更高的温度和压力下，远远超出科学家在实验室中能创造的范围，等离子体可能会转变为一种新的物质或能量形式。这种相变可能会揭示新的自然力。
这些新力将加入已知的三种调节夸克行为的力。所谓的强力是将这些粒子束缚在一起的主要作用力。第二种原子力，称为弱力，可以将一种夸克转化为另一种（有六种不同的夸克“味”——上、下、粲、奇、顶和底）。最后一种原子力，电磁力，将带电粒子如质子和电子束缚在一起。顾名思义，强力是这三种力中最强大的，比电磁力强100多倍，比弱力强10,000倍。粒子物理学家怀疑这三种力是单一能量场的不同表现，就像电和磁是电磁场的不同侧面一样。事实上，物理学家已经证明了电磁力和弱力之间潜在的统一性。
一些统一场理论认为，在大爆炸之后极热的原始宇宙中，强力、弱力、电磁力和其他力是统一的，然后随着宇宙的膨胀和冷却而解体。在新生宇宙中发生力统一的可能性是粒子物理学家对天文学如此感兴趣的主要原因，也是天文学家转向粒子物理学寻找这些力如何在宇宙诞生中发挥作用的线索的原因。要实现力统一，必须存在一类新的超大质量粒子，称为规范玻色子。如果它们存在，它们将允许夸克转变为其他粒子，导致每个原子核心的质子衰变。如果物理学家证明质子可以衰变，这一发现将验证新力的存在。
这就引出了下一个问题。
[编者注：我们似乎遗失了问题 #7。抱歉。]
8. 质子不稳定吗？
如果你担心你身体里的质子会解体，把你变成一滩基本粒子和自由能量，别担心。各种观察和实验表明，质子必须至少稳定数十亿万亿万亿年。然而，许多物理学家认为，如果这三种原子力确实只是单一统一场的不同表现，那么上述炼金术般的超大质量玻色子会不时地从夸克中产生，导致夸克及其组成的质子衰变。
乍一看，你会原谅这些物理学家认为他们经历了一些精神上的衰退，因为微小的夸克不太可能产生比自身重10,000,000,000,000,000倍的庞然大物玻色子。但有一种叫做海森堡不确定性原理，它指出你永远不能同时知道粒子的动量和位置，它间接允许这种离谱的提议。因此，一个巨大的玻色子有可能在非常短的时间内从组成质子的夸克中弹出，并导致该质子衰变。
9. 引力是什么？
接下来是引力问题，它在小粒子和将它们束缚在一起的能量方面是一种奇怪的力。当爱因斯坦改进牛顿的理论时，他通过考虑极其大的引力场和以接近光速运动的物体来扩展了引力的概念。这些扩展导致了著名的相对论和时空概念。但是爱因斯坦的理论没有关注量子力学，即极端微观的领域，因为引力在小尺度上可以忽略不计，而且离散的引力包，不同于将原子束缚在一起的离散能量包，从未被实验观察到。尽管如此，在自然界中存在极端条件，引力被迫与微小物质近距离接触。例如，在黑洞核心附近，大量物质被挤压到量子空间中，引力在微小距离上变得非常强大。在大爆炸前后密集的原始宇宙中也必然如此。物理学家史蒂芬·霍金指出了一个关于黑洞的特定问题，需要我们先将量子力学和引力联系起来，才能建立任何统一理论。根据霍金的说法，黑洞中没有任何东西，甚至光，可以逃脱的说法并不完全正确。微弱的热能确实从黑洞周围辐射出来。霍金理论认为，这种能量是在黑洞附近真空中出现粒子-反粒子对时产生的。在物质-反物质粒子重新结合并相互湮灭之前，一个可能稍微靠近黑洞的粒子会被吸入，而另一个稍微远离的粒子则作为热量逃逸。这种释放与之前被吸入黑洞的物质和能量状态没有任何明显的联系，因此违反了量子物理学的一条定律，该定律规定所有事件都必须可追溯到之前的事件。可能需要新的理论来解释这个问题。
10. 存在额外的维度吗？
思考引力的真实本质最终会引向思考我们能否轻易观察到的四维之外是否存在更多的维度。要达到那一步，我们可能首先会思考自然界是否真的存在精神分裂：我们是否应该接受存在两种在不同尺度上作用的力——引力作用于星系等大尺度，其他三种力作用于原子等微观世界？统一理论支持者认为这是胡说——一定有办法将三种原子尺度的力与引力联系起来。也许吧，但这并不容易。首先，引力很奇怪。爱因斯坦的广义相对论认为引力与其说是一种力，不如说是时空的一种内在属性。因此，地球绕太阳运行并非因为它受到引力吸引，而是因为它被太阳在时空中造成的一个大凹陷所捕获，并像一个在巨大碗中快速旋转的弹珠一样在这个凹陷中旋转。其次，引力，就我们目前所能探测到的而言，是一种连续现象，而所有其他自然力都以离散的包的形式存在。
所有这一切都引导我们思考弦理论家及其对引力的解释，其中包含了其他维度。最初的弦理论宇宙模型将引力与另外三种力结合在一个复杂的11维世界中。在那个世界——我们的世界——有七个维度以我们无法察觉的极其微小的区域缠绕在一起。理解这些额外维度的一种方法是想象一根蜘蛛网丝。肉眼看，这根丝似乎是一维的，但在高倍放大下，它会分解成一个具有相当宽度、广度和深度的物体。弦理论家认为我们看不到额外的维度，因为我们缺乏足够强大的仪器来分辨它们。我们可能永远无法直接看到这些额外维度，但我们也许能够通过天文学家和粒子物理学家的仪器探测到它们存在的证据。
11. 宇宙是如何开始的？
如果自然界所有四种力确实是单一的力，只是在低于几百万度的温度下呈现出不同的复杂面貌，那么在大爆炸时存在的，难以想象的炽热而致密的宇宙，一定是一个引力、强力、粒子和反粒子之间的区别毫无意义的地方。爱因斯坦的物质和时空理论，依赖于更熟悉的基准，无法解释是什么导致宇宙炽热的原始点膨胀成我们今天看到的宇宙。我们甚至不知道宇宙为什么充满了物质。根据目前的物理学观点，早期宇宙中的能量应该产生等量的物质和反物质，它们随后会相互湮灭。某种神秘而非常有用的机制使天平倾向于物质，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。其中之一是宇宙微波背景辐射，即大爆炸的余晖。几十年来，天文学家在宇宙边缘的任何地方测量到的这种微弱辐射都是相同的。天文学家曾认为这种均匀性意味着大爆炸始于时空的膨胀，其速度快于光速。然而，最近的仔细观测表明，宇宙背景辐射并非完全均匀。从一个微小的空间区域到另一个区域，存在着随机分布的微小变化。早期宇宙密度中随机的量子涨落是否留下了这种“指纹”？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·特纳表示，极有可能。特纳和许多其他宇宙学家现在相信，宇宙的团块——被星系和星系团点缀的广阔虚空——可能就是原始亚原子大小宇宙中量子涨落的巨大放大版本。这正是当今粒子物理学家与天文学家亲近的原因，也是所有这11个谜团可能很快由一个想法来解释的原因。
我们是如何来到这里的？
天文学家无法追溯到宇宙起源的每一个时刻，但通过大量的线索和理论，他们可以想象一切是如何开始的。
他们的模型始于整个宇宙是一个非常热的点，比原子的直径小得多。这个点开始以比光速更快的速度膨胀，这种膨胀被称为大爆炸。宇宙学家仍在争论可能引发这一事件的精确机制。然而，从那以后，他们对所发生的事情达成了惊人的一致。随着婴儿宇宙的膨胀，它冷却了其中包含的各种物质和反物质形式，如夸克和轻子，以及它们的反物质双胞胎，反夸克和反轻子。
这些粒子迅速相互碰撞并湮灭，留下了少量物质残留和大量能量。宇宙继续冷却，直到少数幸存的夸克能够结合成质子和中子，这些质子和中子又形成了氢、氦、氘和锂的原子核。30万年间，这种“汤”太热了，电子无法与原子核结合形成完整的原子。但一旦温度下降到足够低，与今天存在的相同的氢、氦、氘和锂原子就形成了，准备开始漫长的旅程，成为尘埃、行星、恒星、星系和律师。
引力——最弱的力，但却是唯一能在长距离上累积作用的力——逐渐掌控一切，将气体和尘埃聚集成巨大的团块，这些团块向内坍缩，直到核聚变反应被点燃，第一批恒星诞生。在更大的尺度上，引力将密度高于平均水平的巨大气体区域聚集在一起。这些区域演变为星系团，每个星系团都充满了数十亿颗恒星。
亿万年来，恒星内部的核聚变反应将氢和氦转化为其他原子核，包括碳，这是地球上所有生命的基础。
质量最大的恒星有时会以高能超新星的形式爆发，产生更重的元素，包括铁。然而，最重的元素，如铀和铅，是从何而来仍然是个谜。
