1．什么是暗物质
    我们能找到的普通物质仅占整个宇宙的4% ，各种测算方法都证实：宇宙的大部分是不可见的。要说宇宙中仅仅就是暗色尘云和死星体是很容易的，但已发现的有力证据说明，事实并非如此。正是对宇宙中未知物质的寻找，使宇宙学家和粒子物理学家开始合作。最有可能的暗物质成分是中微子或其他两种粒子：neutralino和 axions（轴子），但这仅是物理学的理论推测，并未探测到。这三种粒子都不带电，因此无法吸收或反射光，但其性质稳定，所以能从大爆炸后的最初阶段幸存下来。
2．什么是暗能量
     宇宙学最近的两个发现证实，普通物质和暗物质还不足以解释宇宙的结构。还有第三种成分，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源于对宇宙构造的测量。爱因斯坦认为，所有物质都会改变它周围时空的形状。因此，宇宙的总体形状由其中的总质量和能量决定。最近对大爆炸剩余能量的研究显示，宇宙有着最为简单的扁平形状，这也反过来揭示了字宙的总质量密度。但天文学家在将所有暗物质和普通物质的可能来源加起来之后发现，宇宙的质量密度仍少了2／3。第二个证据表明该成分一定是能量。对遥远超新星的观测显示，宇宙扩张速度并不像科学家设想的那么慢；事实上，扩张速度正在加快。宇宙的加速很难解释，除非有一股普遍的推动力持续将时空结构向外推。
3．从铁到铀的重元素如何形成
暗物质和可能的暗能量都生成于宇宙初始时期的氦、锂等轻元素形成的时候，较重的元素后来形成于星体内部，核反应使质子和中子结合生成新的原子核。例如四个氢核通过一系列反应聚变成一个氦核，这就是太阳发生的情况，它提供了地球需要的热量。当核聚变产生比铁重的元素时，就需要大量的中子。因此天文学家认为，较重的原子形成于超新星爆炸过程中，其中有大量现成的中子，尽管其成因还不清楚。最近，一些科学家已确定，至少一些最重要的元素，如金、铅等是形成于更强的爆炸中。
4．中微子有质量吗
能形成重元素的核反应也能形成大量奇异的亚原子群，即中微子。它们属于轻粒子群，比如常见的电子、μ介子和τ介子。因为中微子几乎不与普通物质发生相互作用，所以可以通过它们直接看到星体中心。要做到这一点，我们必须能够捕捉到它们并对它们进行研究。物理学家正在朝这个方向努力。不久前，物理学家还认为中微子没有质量，但最近的进展表明，这些粒子可能也有些许质量。任何这方面的证据也可以作为理论依据，找出4种自然力量中的3种（电磁、强力和弱力）的共性。即使很小的重量也可以叠加，因为大爆炸留下了大量的中微子。
5．超高能粒子从哪里来
太空中能量最大的粒子，其中包括中微子、射线光子和其它各种形式的亚原子，都称作字宙射线。它们无时无刻不在射向地球，当你阅读本文的同时，可能正有几个穿过你的身体。宇宙射线的能量如此之大，以至于它们必须是在大灾变造成的宇宙加速活动中产生。科学家估计的来源是：创世大爆炸本身、超新星撞成黑洞产生的冲击波，以及被吸入星系中央巨大黑洞时的加速物质。了解这些粒子的来源以及它们如何得到如此巨大的能量，将有助于研究这些物质的活动情况。
6．是否需要新的光与物质理论来解释高能高温条件下发生的活动
上一问题中所列的剧烈活动留下了明显的辐射余迹，早在30年前天文学家就已知道，这些射线的眩目闪烁（即γ射线爆裂），每天都会从天空中随意降落。最近，天文学家已确定了爆裂的位置，并初步推测它们是巨大超新星爆炸和中子星与自身及黑洞的碰撞。但即使现在，仍没人知道这么多能量在空中环绕时发生了什么。物质变得非常热，以至于它以异常的形式与辐射相互作用，而辐射光子能互相撞击产生新的物质。物质与能量的界限开始变得模糊。如果加人磁场因素，物质学家也只能对这种可怕环境下的活动做粗略的推测。也许现有的理论根本不足以解释这些现象。
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。这都是现在科学可以推测的，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。物质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，即一种夸克一胶子等离子体。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。
8．光子是不稳定的吗
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成立。因此，一个巨大的玻色子由一个夸克中生成，并在很短时间内形成一个光子而使光子衰变是可能的。
9。什么是重力

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。

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，一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。要弄懂这些多维空间的一个办法是：想像一个蛛网的一根丝，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。
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。一个是宇宙微波本身辐射，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，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。特纳和其它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。

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