高温的世界
第一节 物质形态的改变：相变（phase transition）
总的来说，热力学和统计力学研究的都是微观粒子数量极其庞大的系统。热力学是对宏观的经验性结论进行研究，而统计力学则是从微观粒子的特性出发，由微观得出宏观规律，因此统计力学是研究得更加彻底的。到了20世纪，热力学这个学科作为理论物理学的前沿研究基本结束，被统计力学所统合。
统计力学里的第一性原理是熵增定律，说的是一个封闭系统的熵不会自发减小，它的混乱程度只会越来越大，直到达到最终的稳态，对应的是该封闭系统熵最大的状态。
这一章，我们来看看物质在不同温度下会以什么样的物质形态存在。
物质的三种常见形态
现实生活中的物质形态变化，我们是很熟悉的。水降温会凝结成冰，在一个大气压下，升温到100℃会沸腾成为水蒸气，当然，就算不加热，水也会蒸发成为水蒸气。大量水分子，在温度变化的情况下会有不同的物质形态。
一种物质通常有三种状态：固态、液态和气态。之所以会形成这三种状态，主要是因为温度的不同。温度的本质是因为粒子做微观运动，温度越高说明粒子的微观运动越剧烈。
如果粒子不做微观运动，基本上所有的物质都是固体，因为物质的分子、原子之间是有相互作用的，范德瓦耳斯力在大部分物质分子中呈现吸引性。固体当中分子、原子的作用比较强，分子、原子之间的相对位置比较固定。因此，温度只体现为微观粒子在固定位置周围的振动，就好像分子之间有“弹簧”，温度只能让“弹簧”伸缩，但不会断裂。比如氯化钠（也就是盐）是一种晶体，它们的晶体结构是靠钠离子带一个正电荷，氯离子带一个负电荷相互吸引形成了离子键。然而微观粒子在运动，运动得越剧烈，微观粒子就越容易摆脱粒子间的相互吸引力的束缚，所以随着温度的升高，固体有可能成为液体和气体。
液体分子和分子之间的相互作用很明显，但是并没有强到让分子之间的相对位置固定的程度，液体中分子、原子可以自由活动。这很显然是温度高到了可以打破分子之间的“弹簧”，但是还不够让分子彻底摆脱对方。气体则是温度高到让分子的动能强到几乎可以摆脱对方的地步。
传统意义的相变
我们关注物质形态变化的规律。我们在中学学过，冰融化成水，水蒸发变成水蒸气，这些现象都叫相变。固态、液态、气态叫物质不同相（phase），不同相指的是分子间的相互作用关系发生了显著变化。
但是这个定义，就最前沿的物理学看来是不准确的。如果要用一种精确的物理语言定义物质的不同形态，必须要做到定义清晰、没有歧义。也就是说，如果要定义一种相，那么它不应该局限于只针对某种特定的物质，而是只要处在这个形态的一类物质都可以用这种相的特性描述，同一种相的不同物质的分子排列结构应该是类似的。
图16-1 钻石和石墨的碳原子排布结构
如果只是按照固体、液体、气体来划分物质不同的相，就会出现一个对应若干种不同分子连接形态的情况。比如，冰和玻璃看似都是透明的固体，但是它们分子间的相互关系截然不同。再比如，钻石和石墨都是固体，并且都是碳，但因为碳原子的排布方式截然不同，导致两者性质差异极大。也不是所有液体和气体当中微观粒子的关系都是类似的，比如超流体（superfluid），从宏观上看是液体，但其实性质跟水、液氮这样的普通液体是截然不同的。
晶体的熔化
固体的熔化分为晶体的熔化和非晶体的熔化两种，冰是晶体，玻璃是非晶体。晶体的熔化和非晶体的熔化的最大区别，就是晶体在还没有全部熔化时温度是恒定的。只有当所有晶体都熔化完以后，温度才会继续升高，但是非晶体在熔化的过程中也在逐渐升温。为什么？因为晶体有内部结构。如果研究冰的微观结构，就会发现水分子是以规则的几何形状进行排布，它们以特定的方式被规则地连接在一起。玻璃虽然也是固体，但是玻璃分子在微观上是随机、杂乱地聚集在一起的。
图16-2 冰晶体中水分子的排列结构
晶体就是那些分子在微观上做规律排列的固体。晶体的分子之间会形成分子键，因此当晶体升温熔化时，热量的作用，先是用来去打断这些晶体分子之间的分子键，等全部的分子键都被打断，成为液体以后，才开始整体升温。
但是非晶体就没有这个问题，热量可以用来给分子直接升温，因为它没有分子键的结构需要破坏。这也是冰的密度比水小的原因，因为冰有内部结构，水分子像搭积木一样把冰的体积撑大了。我们之所以把冰水混合物的温度定为0℃，正是因为晶体在熔化过程中是恒温的，冰水混合物可以被看成冰融化到一半的状态。
冰和玻璃从宏观上看虽然都是固体，但是它们的微观规律并不相同，所以不能笼统地被划归为固体这一单一的相。
相变的本质
从上文可知，物质不同的相应当用微观规律去划分。到了20世纪中叶，苏联物理学家朗道（Lev Landau）给出了一种划分不同相的方法，那就是依据物质形态的对称性去划分，一种对称性对应于一种相。
什么是对称性？之前在“极小篇”第十四章中说过，当你对一个对象做一个操作后，它并不发生改变，我们就说这个对象具有在这种操作下的对称性。那么如何定义物质形态的对称性呢？跟它的内部结构有关。非晶体拥有的对称性是空间平移对称性。比如，你在玻璃里面找一个点，然后从这个点出发，移动任意距离到一个新的点，这个新的点的性质跟刚才的点完全一样，因为它们都是随机运动的玻璃分子。
图16-3 氯化钠中钠原子与氯原子的排列结构
但是对于氯化钠晶体就不一样了，从一个钠原子出发移动特定距离，碰到的可能是一个氯原子，再移动一个距离，碰到的可能又是一个钠原子。也就是说，随便在氯化钠晶体里面选取一个点开始移动，不是移动任意距离都可以回到跟刚才状态一样的点，一定要选择特定的移动方式才行，这就是一种周期平移对称性。
不同类型的晶体，对应于不同类型的空间对称性。因此，可以用不同的对称性来划分不同物质的相。通过这种划分方法，科学家发现了230种不同的空间对称性，也就是230种不同的微观晶体结构。通过这种方法，物质的相可以被研究得很通透。
有了对称性，我们就可以把物质升温的相变研究得非常透彻了。从固态出发，升温最终变成气态，中间可以经过液态，也可以不经过液态，具体由物质固态时的性质决定。如果晶体态中原子间的束缚非常强烈，比如钻石，这种晶体加热之后倾向于直接升华。如果要让它们产生相变，一定要让原子获得足够强的能量，一旦束缚被打破，这些分子的动能已经非常大了，会直接形成气态。
但是这样的描述，真的包括了所有可能的物质形态吗？还有两个极端情况没有讨论。一是温度极高，气态再往上会有什么形态？二是温度极低，晶体结构再往下，会有什么奇特性质？
第二节 物质的第四形态：等离子态
火到底是什么？
首先我们来回答一个问题：火到底是什么？火是所有人都很熟悉的，但是估计没有多少人知道火到底是什么。其实火不是一种具体的物质，而是一个过程。火是一个化学反应（主要是氧化反应）发生的过程中所产生的光和热。
燃烧的氧化反应发生过程中，伴随着原子的电子结构发生改变，由于温度高，原子会获得更多的微观剧烈运动的动能，这种动能会让电子 变得很活跃，从而从原子中逃脱，形成离子的形态。这就对应了物质的第四种形态——等离子态。
等离子态是指当温度升高到一定程度，电子变得极其活跃，原子核的电磁束缚无法再绑住电子，电子从原子里逃逸，进入游离的状态。
等离子体的特性
除了导电以外，等离子体还与磁场有相互作用。因为电荷一旦运动起来，就会受到磁场的洛伦兹力，并且运动的电荷会形成电流，也会产生磁场，所以等离子态对物质的磁性会产生影响。一般的物质，温度达到6000℃左右就可以成为等离子体。比如太阳表面的温度在6000℃以上，所以太阳当中的物质大多处在等离子态。
除了高温，通过外加强电场一样可以获得等离子体。可以考虑把一个原子放在电场中的情况，由于原子核和电子的电荷相反，所以当置身于电场中的时候，原子核受到的电场的作用力，一定与电子受到的相反，所以把原子放在电场里会有被向两个不同方向拖拽的趋势，当电场强到一定程度，原子会被撕裂，电子被电场从原子里拔出来，这就是电离的过程，也叫击穿（breakdown），闪电的原理就是如此。
空气原本是绝缘的，闪电的本质是云层积累的电荷导致云层和地面产生了强大的电压，这个电压会建立起一个强大的电场，达到击穿的程度，使空气被电离，由绝缘变成导电，从而形成闪电。闪电是一次大规模的放电过程。
等离子体在日常生活中的应用不少，比如老式的日光灯和霓虹灯，本质上就是通过制造瞬时高电压，把灯管里的绝缘气体击穿成为等离子体，再利用等离子体的特性进行发光。
核聚变
如果在等离子体的基础上继续升温，就有可能发生核反应，也就是在第十二章介绍过的核聚变。核反应过程的思路，与分析等离子体是类似的。等离子体的形成本质上是高温或者强电场破坏了原有的中性原子结构。等温度继续升高到一定程度，就要开始破坏原子核的结构了。
核聚变就是一种原子核结构被破坏的反应。当然，高温不是核聚变的本质，它只是一种实现核聚变的手段。核聚变是通过高温，把原子核的运动速度变得极快，使原子核之间的强烈碰撞破坏原有的原子核，从而形成新的结构。
到了核聚变这个层面，温度再升高产生的主要区别就是可以启动不同类型的核反应。比如，氢核反应的要求比较低，在太阳内部有1500万摄氏度就可以开启。这是因为太阳内部压力大、密度高，所以1500万摄氏度就够了。但是在正常情况下，要1亿摄氏度。氢聚变成氦，氦要继续聚变，就需要更高的温度。即便在恒星高压强的环境下大约也要1亿摄氏度，氦结合成碳和氧，再往下就更加困难。
至此，我们已经梳理了随着温度由室温到极高，物质的各种形态。但是我们要怎样获得高温呢？我们学习过天体的质量可以产生高温，原子弹爆炸可以产生高温。但是如果想要获得人造可控高温，应该怎么办呢？用燃烧的方式获得的高温是有限的，几万摄氏度基本到顶了。如果想要获得千万摄氏度、上亿摄氏度这样的高温，不用核反应，有什么办法可以做到呢？答案是激光。
第三节 人造高温的极限：激光
要想获得高温，尤其是局部高温，激光是最有效的方式。激光的原理，最早是由爱因斯坦提出的。爱因斯坦通过对量子力学的研究，提出了产生激光的可能性，但是等到50年之后，也就是20世纪60年代，激光才被真正发明出来。
光的干涉现象
为了理解激光的原理，首先要复习一下“极快篇”“极小篇”中都提到过的一个物理现象——波的干涉。
波的干涉，就是当多于一束波传递到同一个位置的时候，它们的振幅之间发生相互关联的作用。这种干涉效果，在两束频率相同的波之间最为明显。
当两束光的波峰同时抵达某处，这里的振幅就是波峰振幅的叠加，变成之前的两倍。由于两束波的频率相同，在今后的时间里，两束波的步调完全一致，也就是说，这个地方的振幅永远都是单束波的两倍。波的能量正比于其振幅的平方，所以当振幅变为原来的两倍时，能量就变成了原来的四倍，这就是相长干涉的情况。如果两束波到达时刚好差半个波长，也就是波谷碰到波峰，这个时候这里的振动就直接为零，两束波就相互抵消了。
光是电磁波，所以当两束光发生干涉现象的时候，如果是差整数倍的波长，则显得极其明亮，反之则十分暗淡。此处要注意，两束光波叠加，振幅变为原来的两倍，能量变为四倍。但根据能量守恒，不会出现总能量是原来四倍的情况，此处应当是亮处与暗处综合考虑，局部的亮度变得极高，这种能量的极高应当被理解为局部能量密度的极高，然而总能量依然是守恒的。
什么是激光？
可以想象，如果不是两束光，而是N束光一同发生干涉现象，振幅就会是原来的N倍，功率会变成原来的N2倍。10束光进行相长干涉，功率会是没有干涉时的100倍。这就得到了激光（Light Amplification bystimulated Emission Radiation），中文翻译过来叫受激辐射。
如果我们通过一种方式，使得大量的光子以完全一致的频率、步调射出，这就得到了一束激光，它的功率非常高。宏观的光子数量就不只是10个光子那么简单了，它是阿伏伽德罗常数数量级的数字的平方，功率高得令人难以置信。如果把这些激光聚焦在非常窄的范围内，将获得极高的能量密度，就会产生极高的温度。
如何制造激光？
如何制造这种大规模数量的同步调光子呢？答案是激光。可以考虑一个原子里电子的运动情况。我们知道，热辐射的本质是原子中处在高能量态的电子不稳定，根据能量最低原理和能量守恒，它需要掉落到能量比较低的能级，并有一个能量等于两个能级差的光子会被放出。
让我们考虑这样一个过程：这个被放出的光子，如果遇到了周围另外一个也处在高能级的电子，这个电子的能量状态跟放出这个光子的原子放出光子前的能量状态一样，那么在这个入射光子的扰动下，这个电子也会放出一个光子。这是因为电子在高能级的时候是不稳定的，就好比一个小球放在坡顶，它可以停留在那里，但是只要有外界的扰动，它就会从山坡上滚下来。高能级电子的情况跟这个小球完全类似，如果没有光子扰动它，它的趋势也是要往低能级走，但是光子一旦对它进行扰动，这种往低能级跳跃的情况就会立刻发生。
电子被扰动后放出的光子的步调和刚才入射的光子完全一致，这样一来就有了两个步调和频率完全一致的光子，它们是双胞胎光子。这两个双胞胎光子也会去扰动其他电子，依此类推，变成三胞胎四胞胎……N胞胎。这样就获得了大量的同步调光子，这就是激光的雏形。
问题是，我们如何保证有那么多高能级的原子可以被激发呢？这就需要提升大量原子的能量。在保证这些原子是同一种类原子的情况下，只要使它们升温，原子的能量就会提升上去。当温度不太高时，还是处在低能级的原子个数比较多，也就是单位时间内被激发到高能级的原子的数量不如由高能级掉下来的原子数量多。因此，无法存在足够多的高能级的原子以产生受激辐射。
但当升温到一定程度，处在高能级的原子数量比处在低能级的原子数量多的时候，就会出现大规模的辐射现象。这是因为这个时候已经有太多的高能级原子，这会让受激辐射更占据主导，有点像高能级原子的“雪崩效应”。这里还要解释得细一些，激光发生的条件，是处在高能级的原子数量要比处在低能级的原子数量多。
为什么呢？如果大部分原子还是处在低能级，高能级的原子放出的光子，主要还是被低能级的原子吸收，无法形成稳定的激光输出。但是如果高能级的原子比低能级的多，受激辐射放出的光子，不能全部被低能级原子吸收，那么剩余不被吸收的光子就成了激光的来源。
图16-4 激光系统谐振腔
受激辐射发生后，这堆原子中会产生射向各个方向的激光。但从应用的角度来说，我们希望激光更加聚焦。因此，还要用一个特殊装置来获得单向聚焦的激光。
这个装置的结构比较简单，像是一个圆柱形的桶，桶内是发生受激辐射的原子，桶的两个底边是被调节得非常平行的镜子。可想而知，只有那些垂直于镜面方向射出的光才能在腔体里稳定回弹，否则就会射到圆柱体的外面去了。
我们可以通过调节圆柱形的长度来控制射出激光的波长。原理很简单，光要在两面镜子之间形成稳定的振动，镜子间的距离必须是光波波长的整数倍。因为镜面是金属材质，金属当中不能存在电场，因此，光波的振幅在镜面处必须为 0。
要使两端都为 0，两面镜子的距离必须为半波长的整数倍。但是又因为回弹出来的光不能与入射的光抵消，所以就排除了半波长奇数倍的情况。为了保证光波在腔体里的回弹能进行，还要增强光波的强度，则腔体长度必须是波长的整数倍。由此，射出来的激光单色性极好，也就是说，它的频率是非常统一的。只有当频率极其一致的时候，才能形成振动步调完全一致的激光。
图16-5 激光在谐振腔中形成驻波
激光的用途非常多，比如激光切割、激光手术刀，包括可控核聚变的点火都是依靠激光。这是因为激光的高功率可以在短时间内把一个小区域内的温度加热到极高，上亿摄氏度也能做到。激光除了能够在短时间内提供极高的温度以外，还能制冷。制冷的机制要复杂一些。
第四节
激光制冷（laser cooling）
激光除了可以提供超高的温度外，还能制冷。只不过激光制冷的原理，用的不是激光的高功率，而是激光的高精确度。关于制冷的知识，理应放到“极冷篇”进行讲解，但是激光制冷作为一门单独的技术，甚至是物理学中比较独立的学术方向，还是放在激光的知识中讲解比较有连贯 性。
我们日常生活中的光，几乎不可能只有单一频率，都是夹杂着各种频率的混合光，它们都有比较宽的频谱。比如太阳光的频谱就非常宽，红橙黄绿青蓝紫，但是激光选择器导致它的单色性非常好，也就是说，激光光束中的光子的频率都十分集中，误差非常小。我们可以通过激光去人为选择光子的能量，做到精确控制。
激光制冷的本质和过程
激光制冷是依靠激光频率的单一性做到的。冷，就是温度低，温度低就是微观粒子的运动动能极小。由于存在量子力学的不确定性原理，我们无法得到绝对零度的微观粒子，但是可以通过实验手段把温度降到极低，十分接近绝对零度。
激光制冷的本质，就是把原子的运动速度降到极慢。还是考虑一个原子的情况，当一个原子中的电子处在能量比较高的状态时，原子是不稳定的，它倾向于掉落到能量比较低的状态。在掉落的过程中，由于能量守恒，它会释放出一个光子，这个光子除了有能量以外，还有动量。原子和光子作为一个整体，总体动量在放出光子前后是守恒的。也就是说，在放出光子以后，原子的运动速度会发生改变。光子放出时，对原子产生反作用力，让原子减速，这就是激光制冷的基本过程。
具体的操作是这样的：用激光发出一个光子，调节激光的频率使得发出光子的能量刚好要比原子能级之间的能量差低一点儿。用这个光子打在原子上，就会有以下几种不同的情况。
第一种情况，原子的运动和激光同向。根据多普勒效应，相对于原子来说，光源是在远离它的。因此，它接收到的光子的频率比原本激光的频率还要低。也就是对于原子来说，这个光子的能量比之前要小，甚至比不上原子内部能级的能量差。这种情况下，光子无法把原子里的电子激发到更高的能级。所以，对于原子来说，不会与之发生相互作用。
图16-6 激光制冷装置
第二种情况，原子的运动方向和激光方向相反。根据多普勒效应，原子接收到的光的频率比原频率略高，如果原子的运动速度还比较快，我们知道激光原频率是比原子能级差要小一点点，如果原子接收到光子的能量高过原子能级差，原子内的电子就会被激发到高能级，我们就说这个原子吸收了这个光子。
由于光子不稳定，所以要被释放出去。光子的释放也有两种情况：
第一种情况，光子释放的方向偏向于原子运动方向这边。原子由于射出了一个跟自己同向运动的光子，因此获得了减速，这就达成了制冷。
第二种情况是，光子射出的方向跟原子运动方向相反，原子反而被加速，再重复上一轮的过程。这个被加速的原子一定会吸收一个激光光子，然后进行光子的释放，原子最终一定会能量逐渐降低而达到稳定态。根据上一章玻尔兹曼的分布规律，我们知道，能量越高的原子在系统里存在的比例越小，所以，原子射出光子反而被加速的比例也会越来越小。从总体上，就达成了制冷的效果。
在实际操作过程中，被制冷的原子是用六束激光分别从上、下、左、右、前、后六个方向全面地约束原子的运动。最终原子的运动动能会被激光的频率限制。原则上，激光光子能量比原子能级差的能量低，低的程度越小，原子就能被降到更低的温度。换句话说，激光的单色性越好，就能把原子降到越低的温度。
激光制冷，彻底催生了物理学中一个新的研究领域，叫冷原子物理。目前它能把原子的温度降低到 1 nK，也就是只比绝对零度高出一度的十亿分之一。
冷原子的应用
冷原子在凝聚态物理中是非常新，且具有活力的研究领域。冷原子为研究不同材料的量子性质提供了很重要的实验手段，对量子计算机的研究也大有帮助。
第五节 暴胀宇宙理论（cosmic inflation theory）*
原子弹爆炸的核心温度可以到1亿开尔文，太阳的中心温度大约在1000万开尔文，氦闪的中心温度能到1.5亿开尔文。人类在实验室当中能够制造出来的温度大约是4万亿摄氏度，这是由美国的布鲁克海文国家实验室在实验仪器中制造出来的，他们在试图模拟宇宙大爆炸之初的温度环境。4万亿写成科学记数法是4×1012。
然而如此高的温度离宇宙大爆炸之初的温度还差得很远。宇宙大爆炸之初的温度，根据计算可以达到1027K。在如此高的温度下，我们现在的物理学定律大多是无法适用的。极致的高温代表早期宇宙的物质都是高度相对论性的，并且由于早期宇宙体积小，物质的密度极大，所以早期宇宙当中的引力是极强的，是不能够被忽略的。在这样的物理环境下，必须要使用全新的物理学理论去描述。
宇宙学对于这个时期的宇宙有一个专门的理论，叫作暴胀宇宙理论。暴胀宇宙理论可以说是把宇宙大爆炸理论描述得更加精确了。宇宙大爆炸理论是说，宇宙是由一个致密的奇点爆炸得来，但是这只是一个定性的描述，暴胀宇宙理论则定量地描绘了宇宙具体是怎么爆炸的。
暴胀宇宙理论认为，宇宙在最初的极短的时间，差不多10-32s内经历了极速的膨胀，体积直接膨胀了1030倍，在这段时间内时空膨胀的速度远远超过光速。在暴胀结束后宇宙的膨胀规律才跟我们今天观察到的宇宙膨胀规律类似，暴胀结束后宇宙的膨胀速度要比暴胀的过程慢得多了。所以，根据暴胀宇宙理论，宇宙的膨胀并非线性的。
图16-7 暴胀宇宙理论
既然在宇宙大爆炸之初，现有的物理学定律都不适用的话，那么温度的定义在这个环境下就未必有效了，因此我们要重新审视温度的定义。在暴胀宇宙理论里，宇宙处在暴胀时期，是没有温度的概念的，只有当宇宙结束了暴胀之后，我们传统的对于温度的定义才开始有效，是前文提到的1027K。
暴胀宇宙理论可以用来解释很多之前无法解释的问题，如宇宙学三大问 题。
视界线问题（horizon problem）
宇宙微波背景辐射的存在可以说是充分地佐证了宇宙大爆炸理论的正确性。宇宙微波背景辐射是138亿光年以外的宇宙深处传来的微波辐射，按照多普勒红移倒推回去，就会发现宇宙在138亿年前确实是十分炙热的。但是宇宙微波背景辐射存在一个难以解释的问题，那就是宇宙微波背景辐射的温度，基本上可以说全宇宙极其一致，宇宙深处不同方向的温度差异非常小。
我们必须要明确，宇宙深处不同方向的位置之间的距离是极其遥远的，它们之间不可能有任何信息的交流，譬如说地球上北极方向对应的宇宙深处和地球上南极方向对应的宇宙深处，这两个位置之间的距离，差不多有270亿光年，也就是宇宙存在的138亿年间，这两个位置不可能有任何的接触，不可能有任何信息交换，因为宇宙中最快的速度是光速，光都没有足够的时间跨越这么长的距离，所以宇宙深处各个位置应当是没有交流的可能的。
我们知道温度不同的物体接触在一起最终温度会相同，那为什么宇宙深处明明没有可能相互接触，但是温度却一致呢？暴胀宇宙理论很好地回答了这个问题，因为暴胀阶段的宇宙膨胀速度是远远超过光速的，宇宙的边缘是在10-32s这样短的时间内扩大了1030倍，所以这些区域本身是接触的，只不过它们相互远离的速度远超光速，所以才会使得宇宙微波背景辐射的温度各个方向几乎一致。
磁单极子问题 （magneticmonopole problem）
根据很多先进的理论，譬如说弦论和大统一理论（the grand unification theory），磁单极子（magneticmonopole）应该是存在的。所谓磁单极子，就是单纯的S极或N极的磁荷。电荷分正电荷和负电荷，而且它们可以是单独存在的，但是我们目前能获得的磁场都是依靠电流产生的，永磁体都是南极和北极共存的。一根磁铁有南北极，切成两段，每一段都分别拥有南北极。磁单极子虽然被各种各样的理论预言，但是我们从未真正发现过磁单极子。
暴胀宇宙理论也部分解释了为什么我们尚未探测到磁单极子，根据宇宙暴胀理论的计算，即便磁单极子存在，也因为在极速暴胀的过程中，密度被快速稀释，以至于磁单极子在当前宇宙中的密度低得无法被探测到。
宇宙平坦性问题（flatness problem）
我们知道，质量的作用是扭曲时空，那么全宇宙里有那么多的物质，包括各种各样的天体和射线电磁波，甚至还有理论预言存在的暗物质，这些物质都以质量和能量的形式存在，它们从总体上会让宇宙有一个总体的曲率（curvature），但同时宇宙又在膨胀。可以想象，宇宙中如果质量能量特别多的话，宇宙整体的趋势应该是收缩的，尽管我们现在的可观测宇宙是在膨胀的，但是最终宇宙应该收缩，收缩回宇宙大爆炸的那一点。这种情况下，我们说宇宙是封闭的，它的时空结构就好像一个球。
第二种情况，宇宙里的物质不够多，膨胀的趋势是占据主导地位的，那么宇宙最终的状况应该是膨胀得越来越快。这种情况我们说宇宙是开放的。它的时空结构就好像一个马鞍。
第三种情况，就是宇宙里的物质恰到好处，宇宙处在均匀的膨胀状态，这种情况我们就说宇宙是平的（flat），基本是没有什么曲率的，它的时空结构就像是个平面一样。
根据我们现在的观测和计算，我们发现宇宙在大尺度范围内的时空曲率基本上是0，宇宙基本是平的。如果宇宙在大爆炸的时候没有经历暴胀，则根据宇宙现在的膨胀规律进行推算，我们会发现宇宙在开始的时候必然是比现在更加平的。这就与基本假设相违背，宇宙刚开始的时候体积非常小，能量密度极高，这种情况下的时空无论如何也不可能是比现在还要平坦的。但是如果使用暴胀宇宙理论的话，经过计算就会发现，不论宇宙刚开始是多么不平坦，到后来的发展趋势也必然是越发平坦的。
图16-8 宇宙的终极猜想
至此，我们已经了解了不同温度情况下的物质形态，以及如何获得极高的温度。结合第十五章，我们对热力学和统计力学都有了比较全面的了解。但是我们还是没有抛弃一个大前提，我们讨论的大多是稳态系统的物理性质，也就是说，我们研究的都是等了足够长时间，系统已经不会再发生变化的稳定态，这是一种静态。所有的物理过程，比如加温、加压，我们都会假设这个参数变化的过程是极其缓慢的，以保证在参数变化的过程中整个系统时时刻刻处在稳定态。
但是要知道，现实世界中大部分的真实系统都是非稳态系统，加热是非稳态的，比如烧水时水的沸腾极其剧烈，比如发动机的工作也是非稳态的，并且是十分迅速的过程。非稳态的研究比稳态的要复杂得多，就目前来说，还是一个开放领域。有相当多古老的非稳态系统的问题，至今都没有被解决。