能量超强的宇宙射线
初生的地球，固体物质聚集成内核，外周则是大量的氢、氦等气体，称为第一代大气。那时，由于地球质量还不够大，还缺乏足够的引力将大气吸住，又有强烈的太阳风（是太阳因高温膨胀而不断向外抛出的粒子流，在太阳附近的速度约为每秒350～450公里），所以以氢、氦为主的第一代大气很快就被吹到宇宙空间。地球在继续旋转和聚集的过程中，由于本身的凝聚收缩和内部放射性物质（如铀、钍等）的蜕变生热，原始地球不断增温，其内部甚至达到炽热的程度。于是重物质就沉向内部，形成地核和地幔，较轻的物质则分布在表面，形成地壳。初形成的地壳比较薄弱，而地球内部温度又很高，因此火山活动频繁，从火山喷出的许多气体，构成了第二代大气即原始大气。原始大气是无游离氧的还原性大气，大多以化合物的形式存在，分子量大一些，运动也慢一些，而此时地球的质量和引力已足以吸住大气，所以原始大气的各种成分不易逃逸。以后，地球外表温度逐渐降低，水蒸汽凝结成雨，降落到地球表面低凹的地方，便成了河、湖和原始海洋。当时由于大气中无游离氧（O2），因而高空中也没有臭氧（O3）层来阻挡和吸收太阳辐射的紫外线，所以紫外线能直射到地球表面，成为合成有机物的能源。此外，天空放电、火山爆发所放出的热量，宇宙间的宇宙射线（来自宇宙空间的高能粒子流，其来源目前还不了解）以及陨星穿过大气层时所引起的冲击波（会产生摄氏几千度到几万度的高温）等，也都有助于有机物的合成。但其中天空放电可能是最重要的，因为这种能源所提供的能量较多，又在靠近海洋表面的地方释放，在那里作用于还原性大气所合成的有机物，很容易被冲淋到原始海洋之中。宇宙射线虽然当宇宙射线到达地球的时候，会有大气层来阻挡住部分的辐射，但射线流的强度依然很大，很可能对空中交通产生一定程度的影响。比方说，现代飞机上所使用的控制系统和导航系统均由相当敏感的微电路组成。
一旦在高空遭到带电粒子的攻击，就有可能失效，给飞机的飞行带来相当大的麻烦和威胁。还有科学家认为，长期以来普遍受到国际社会关注的全球变暖问题很有可能也与宇宙射线有直接关系。这种观点认为，温室效应可能并非全球变暖的唯一罪魁祸首，宇宙射线有可能通过改变低层大气中形成云层的方式来促使地球变暖。这些科学家的研究认为，宇宙射线水平的变化可能是解释这一疑难问题的关键所在。他们指出，由于来自外层空间的高能粒子将原子中的电子轰击出来，形成的带电离子可以引起水滴的凝结，从而可增加云层的生长。也就是说，当宇宙射线较少时，意味着产生的云层就少，这样，太阳就可以直接加热地球表面。对过去二十年太阳活动和它的放射性强度的观测数据支持这种新的观点，即太阳活动变得更剧烈时，低空云层的覆盖面就减少。这是因为从太阳射出的低能量带电粒子（即太阳风）可使宇宙射线偏转，随着太阳活动加剧，太阳风也增强，从而使到达地球的宇宙射线较少，因此形成的云层就少。此外，在高层空间，如果宇宙射线产生的带电粒子浓度很高，这些带电离子就有可能相互碰撞，从而重新结合成中性粒子。但在低空的带电离子，保持的时间相对较长，因此足以引起新的云层形成。此外，几位美国科学家还认为，宇宙射线很有可能与生物物种的灭绝与出现有关。他们认为，某一阶段突然增强的宇宙射线很有可能破坏地球的臭氧层，并且增加地球环境的放射性，导致物种的变异乃至于灭绝。另一方面，这些射线又有可能促使新的物种产生突变，从而产生出全新的一代。这种理论同时指出，某些生活在岩洞、海底或者地表以下的生物正是由于可以逃过大部分的辐射才因此没有灭绝。从这种观点来看，宇宙射线倒还真是名副其实的“宇宙飞弹”。今天，人类仍然不能准确说出宇宙射线是由什么地方产生的，但普遍认为它们可能来自超新星爆发、来自遥远的活动星系；它们无偿地为地球带来了日地空间环境的宝贵信息。科学家希望接收这些射线来观测和研究它们的起源和宇宙环境中的微观变幻。宇宙射线的研究已逐渐成为了天体物理学研究的一个重要领域，许多科学家都试图解开宇宙射线之谜。可是一直到现在，人们都并没有完全了解宇宙射线的起源。一般的认为，宇宙射线的产生可能与超新星爆发有关。对此，一部分科学家认为，宇宙射线产生于超新星大爆发的时刻，“死亡”的恒星在爆发之时放射出大能量的带电粒子流，射向宇宙空间；另一种说法则认为宇宙射线来自于爆发之后超新星的残骸。不管最终的定论将会如何，科学家们总是把极大的热情投入到宇宙射线的研究中去。关于为什么要研究宇宙射线，罗杰·柯莱在其著作《宇宙飞弹》作出了精辟的阐释：“宇宙射线的研究已变成天体物理学的重要领域。尽管宇宙射线的起源至今未能确定，人们已普遍认为对宇宙射线的研究能获得宇宙绝大部分奇特环境中有关过程的大量信息：射电星系、类星体以及围绕中子星和黑洞由流入物质形成的沸腾转动的吸积盘的知识。我们对这些天体物理学客体的理解还很粗浅，当今宇宙射线研究的主要推动力是渴望了解大自然为什么在这些天体上能产生如此超常能量的粒子。”
万有引力的产生
很久以前，人们就发现了宇宙中一种神秘的力量，它拖拽着物质构成天体，它凝聚天体构成银河系……宇宙中这种力量无处不在，但是人们却无法捕捉他们，更无法解释他们。它们是如何产生的？又是如何对物体产生作用的？到目前为止仍然是一个未解之谜。
宇宙间的引力
在宇宙的最最深处，万有引力拖曳着物质组成星系、恒星和黑洞等天体。尽管万有引力几乎无处不在，但事实上万有引力的确是宇宙中所有力中最微弱的作用力之一。这种作用力的微弱特性同样造就了万有引力的神秘感，科学家们难以在实验室环境下准确地测量万有引力的数值和作用过程，而对天体来说这种作用力的表现则十分显著。在实验室条件下，两个同极质子之间产生的互斥作用力比它们之间的万有引力要大得太多了——大约有10的36次方倍，这个数字写出来就是在1后面加上36个0，相比之下万有引力实在是太微不足道了。爱因斯坦的相对论只在宏观尺度上解释了万有引力，但是在微观尺度上就不行了，现代物理学家希望把万有引力引入“皇冠钻石”理论体系——该体系旨在解释自然界三种基本作用力，但是直到目前为止一项都没有解释成功。美国伊利诺伊州佛米实验室的理论物理学家马克·杰克逊说：“在经典物理的体系中，地心引力完全不同于其他的力，当你对很小质量的物体进行万有引力计算时会发现，原来的数学公式完全不管用，经典物理体系无法解释地心引力。”看不见的“引力子”虽然计算结果完全不对，科学家们还是发现了形成地心引力的玄机，这个看不见的引力小家伙叫做引力子，异常微小并且没有质量，但是它们可以形成微小的引力场。每个微小的引力子都对宇宙中的物质产生一个微小的作用，其作用过程和光速一样快。但是引力子在宇宙中分布如此广泛，为什么物理学家们一直不能发现它们呢？美国芝加哥大学的天文学家迈克尔·特纳说：“因为目前的技术还难以对没有质量的微小粒子进行测量，引力子的作用力十分微小，这使得科学家们更加难以发现其存在。”但是特纳博士对人类无法测量引力子的事实并不感到悲观沮丧，他认为引力子可能存在于其他一些微小粒子之内，那么人类有可能通过这些介质粒子间接地获得引力子。而这一切的实现都需要依靠技术进步。目前科学家希望首先找到玻色子，这是引力子的一个远房亲戚，也在宇宙中广泛存在，找到玻色子对人类发现引力子可能具有极其重要的意义。利用回旋加速器找微小粒子发现某些微观粒子的过程有一点像时间旅行，科学家们使用回旋加速器等大型设备驱动微粒子以光速对撞，从而产生新的微粒子。而这一过程几乎模拟了宇宙诞生时所发生的一切。在宇宙诞生初期，由于各种粒子都处于一种高能状态，质子和中子也都是在那个时期形成的。佛米实验室的一万亿伏电子加速器的直径大约有4英里（约合6.3公里），而新的大型电子对撞加速器的直径达到了17英里（约合27公里），该设备建造在法国和瑞士交界处，在几年之内就可以完工。科学家们认为这一设备有望帮助人类发现西格斯介子等微观粒子，而这些粒子正是帮助我们揭开地心引力作用原理的关键所在。威斯康星大学的理论引力学家夏威尔·西门子说：“目前来说这项研究仍停留在幻想阶段，这有点像科幻小说里的故事。但是如果我们发现了引力子，一切问题就迎刃而解了，只是我们目前最大的问题是——我们还不知道用什么方法才能发现它们。”
神秘莫测的中微子
中微子是当前粒子物理、天体物理、宇宙学、地球物理的交叉前沿学科，本身性质也有大量谜团尚未解开。首先它的质量尚未直接测到，大小未知；其次，它的反粒子是它自己还是另外一种粒子；第三，中微子振荡还有两个参数未测到，而这两个参数很可能与宇宙中反物质缺失之谜有关；第四，它有没有磁矩；等等。因此，中微子成了粒子物理、天体物理、宇宙学、地球物理的交叉与热点学科。
