丽莎·蓝道尔(兰道尔宇宙三部曲)
今天这本书很有趣。光是听暗物质和恐龙这个名字就让我好奇心爆棚。满足一下我的好奇心吧。
暗物质是一个物理概念；而恐龙则早已灭绝，它们的化石只能在博物馆里看到，所以是古生物学的研究对象。这两件事毫无关系。它们是如何联系起来的？这本书实际上回答了这样一个问题:恐龙的真正杀手是什么？传统观点认为陨石撞击导致恐龙灭绝，但本书认为“陨石撞击说”不完善，暗物质才是恐龙灭绝的真正原因。但是暗物质是看不见摸不着的，也不与普通物质发生作用。如此近乎虚无的东西是如何杀死一只强大的恐龙的？
“暗物质杀死恐龙”，虽然听起来有点不靠谱，但是提出这个理论的人其实是一个真正的科学家，那就是这本书的作者丽莎·兰德尔。让我先把她介绍给你。丽莎·兰德尔(Lisa randall)，美国女物理学家，在哈佛大学、麻省理工学院和普林斯顿大学物理系担任教授。兰德尔的研究领域主要集中在粒子物理、弦理论、额外维度理论等方面。“第五维度空”理论最早是由兰德尔提出的。
这个理论是关于什么的？我们知道，根据爱因斯坦的广义相对论，人类生活在“四维时间空”中，即三个维度空加上一个时间维度。但兰德尔提出，在这四个维度之外，宇宙中还存在一个额外的维度，即第五维度空，但这种空结构是人类无法想象的，只能用数学来描述。因为这个理论，兰德尔被称为“挑战爱因斯坦的理论物理学家”。
除了做科研，兰德尔还写科普书籍，结果他成了《 *** 》的超级畅销书作家。兰德尔有很多科普作品，这本《暗物质与恐龙》是更受欢迎的一本。这本书受欢迎是因为它有一个特点:虽然是科普书，但读起来像侦探小说。这话不是我说的，是著名物理学家、诺奖得主基普·索恩对这本书的评价，索恩是科幻大片《星际穿越》背后的科学顾问。为什么这本书像侦探小说？因为它用的是被一一证实的科学事实，再加上严谨的逻辑推理，最后得出一个令人震惊的结论——暗物质谋杀了恐龙，这和侦探破案的过程非常相似。
我们先来看看“犯罪现场”，也就是6600万年前恐龙灭绝时发生了什么。当时发生的事情可以用一个词来概括，就是“物种大灭绝”。这个概念非常重要，因为它是本书理论体系的起点，也是最终的归宿。兰德尔教授的理论目的不仅仅是为了解释恐龙灭绝，也是为了解释整个“大灭绝”的机制。恐龙灭绝只是物种大灭绝的一个环节。
所谓“物种大灭绝”，是指在相对较短的时间范围和相对较大的地理范围内，生物的数量和种类急剧下降的事件。历史上至少发生过20次大灭绝。听起来可怕吗？最著名的物种大灭绝有五次。当然，我们只需要关心5次中的最后一次，也就是发生在6600万年前的“白垩纪末期物种大灭绝”，因为正是在这次大灭绝中，恐龙灭绝了。严格地说，并不是所有的恐龙都灭绝了。有学者认为，一些会飞的恐龙幸存下来，最后进化成了鸟类。
关于大灭绝本身，有两点值得关注。首先是它的持续时间。虽然刚才说大灭绝发生在“短时间范围”，但这个“短时间”是相对于地质年代而言的。对于人类来说，这个“短”其实很长。一次大灭绝可以持续几百万年，所以大灭绝不是一个瞬间的概念。如果在一段时间内没有发生灾难性事件，但物种形成的速度远远低于物种灭绝的速度，这也叫大灭绝。比如我们现在的时代，其实就是在一场无声的大灭绝。科学家估计，物种灭绝的正常速度是平均每年一个物种灭绝，但事实上，今天的物种灭绝速度是平均速度的几百倍。
第二点要注意的是，大灭绝在地球生命史上已经占据了绝对的主导地位。我们不应该认为生存是一件容易和自然的事情。据科学家计算，自地球诞生以来，曾经出现过的生物98%以上已经灭绝。这是一个很可怕的比例，意味着几乎所有出现过的物种都灭绝了。可见，生存本身就是一种特殊的幸运，灭绝才是生命的常态。
现在让我们回到6600万年前的白垩纪大灭绝。白垩纪末期发生了什么？是什么导致了那次大灭绝？关于这个问题的答案，一直有很多不同的看法。相信你或多或少都听说过，比如火山活动，气候变冷或变暖，海平面上升或下降，缺氧。最关键的假设之一是陨石撞击理论。“陨石撞击说”认为，6600万年前，一块直径约10公里的陨石以比火箭快几倍的速度撞击地球。它位于墨西哥的尤卡坦半岛，撞击释放的能量相当于摧毁广岛和长崎的 *** 的10亿多倍。这种影响导致了世界上四分之三的物种灭绝，包括恐龙。
这些假设谁也说服不了谁，争论不休，直到一个关键证据出现。这个证据一出，就以毁灭性的方式结束了这场争论，完美地证明了陨石撞击说的正确性。最后，在2010年，41名科学家聚集在一起开会。会议的内容是将陨石撞击理论从一个“假说”确立为明确的科学结论。就连那些曾经反对陨石撞击说的科学家，都站出来支持陨石撞击说。
那么这个能让很多科学家信服的如此有力的证据是什么呢？其实就是我前面说的三个关键线索中的之一个，就是铱。
铱是地壳中最稀有的元素之一。我们通常认为“金”元素已经足够稀有了，它在地壳中的含量是铱的40倍，可见铱有多稀有。地球表面的铱主要来自宇宙尘埃的沉积。因为沉积是一个缓慢而持续的过程，所以铱在地层中的分布应该相对均匀。但事实真的是这样吗？
美国加州大学伯克利分校的科学家发现，意大利和丹麦几个地方的铱含量是周围土壤的数倍，高达160倍。而且，当科学家测量土壤的年龄时，他们发现这些铱元素几乎无一例外地分布在白垩纪末期形成的粘土层中。白垩纪末期地球上同时突然出现远平均铱肯定不是巧合。在排除了很多解释后，科学家认为只有一种解释是合理的，那就是陨石撞击。铱虽然在地球表面很稀有，但在陨石中的含量相对较高。只有陨石的撞击才能使如此多的铱元素同时出现在地球的不同地方，这成为陨石撞击说成立的决定性证据。
我们来总结一下恐龙灭绝的之一条线索。正如我们所说，灭绝是地球生命历史上的常态而非例外。物种灭绝有几种可能的原因。最后，“铱”的出现让“陨石撞击说”脱颖而出，击败了其他理论。铱太稀有，但同时出现。只能是地外陨石带来的。“铱”也是我们推断“暗物质杀死恐龙”的之一条关键线索。
说了之一条关键线索，案子似乎已经解决了，科学家们确定陨石杀死了恐龙。那么你可能会问，你不是说是暗物质杀死了恐龙吗？怎么又变成“陨石撞击”这样的老生常谈了？其实兰德尔教授本人也赞同陨石撞击的理论，但她认为这个理论并不完美。陨石确实是恐龙灭绝的直接原因，但不是根本原因。因为还有一个幽灵般的存在没有被解释，兰德尔怀疑这个案子的真凶是别人，那就是——周期性，这也是这个案子的第二个关键线索。
这种周期性意味着什么？我们之前说过，大灭绝是地球生命史上的一种常态。为什么生命如此脆弱？出现过的生物98%都灭绝了。如此巨大的比例似乎不是随机形成的。兰德尔怀疑这背后有一套灭绝机制在起作用。如果我们能找出这种灭绝机制，我们不仅可以解释恐龙的灭绝，还可以解释许多其他生物的灭绝。这就是科学的意义所在。它不满足于解释表面的因果，而是发现深层的规律。
在兰德尔之前，科学家们已经进行了一些有益的探索。他们列出了大大小小20多个物种灭绝的时间，发现了一个惊人的秘密，那就是物种灭绝的时间是有规律的，它具有周期性。每3000万年左右，就会有一次物种大灭绝。当然这个3000万年是一个大概的数字，会有一点波动。
然后有科学家整理了历史上大陨石的撞击记录，发现大陨石的撞击也是有周期性的，而且这个周期和大灭绝的周期高度重合，也是以3000万年为周期波动。因此一个必然结果自然形成:周期性的陨石撞击导致周期性的物种大灭绝。
但这还没有结束。这种周期性是怎么形成的？是什么让陨石撞击遵循如此精确的周期？兰德尔认为，要了解陨石撞击的周期性，我们必须首先知道这些陨石来自哪里。不同的陨石来源不同，首先要确定陨石的分类。撞击地球的陨石主要分为两类，一类是小行星，一类是彗星。小行星和彗星有什么区别？小行星主要由石头组成，彗星既有石头也有冰。小行星大而慢，彗星小而快。但这些都不是主要的区别。更大的区别是彗星经过地球轨道，有确定的周期，而小行星没有确定的周期。看，你又提到周期性了，这才是关键。由于彗星比小行星更具周期性，兰德尔认为造成物种大灭绝的陨石应该是彗星而不是小行星。
排除小行星的好处是我们可以知道陨石的来源，因为太阳系中的大部分彗星都储存在一个地方，这个地方被称为“奥尔特云”，一种环绕太阳系的球形云。奥尔特云距离地球非常遥远，光从那里传播到地球至少需要一年的时间。可以说是太阳系最远端了。这很有意思。什么动力可以让一颗彗星从太阳系最外面跑到最里面？
作者认为奥尔特云离太阳很远，所以这里的彗星受太阳引力已经很弱，在轨道上处于摇摇欲坠的平衡状态。来自其他天体的一点点引力扰动，就会让这些彗星脱离轨道，进入内太阳系，甚至飞向地球。那么这个引起引力扰动的引力源是什么呢？
这个问题不仅困扰了兰德尔，也困扰了整个天文学界多年。为了解释周期性的彗星雨，天文学界提出了许多理论。先说一个最震撼最有想象力的吧。这个理论被称为“涅墨西斯假说”。涅墨西斯假说最神奇的地方在于，它提出太阳系其实有两个太阳！也就是说，太阳是一个双星系统，有一颗伴星叫涅墨西斯，这是希腊神话中涅墨西斯的名字。这个假设并不是异想天开，因为双星系统在宇宙中非常普遍，甚至可能超过单星系统。既然有两个太阳，为什么我们看不到另一个？按照这个理论，是因为它的亮度太低了。涅墨西斯是红矮星或者褐矮星，所以人类肉眼看不到。
如果这个理论成立，那么它就可以成功解释物种的周期性大灭绝。因为太阳每隔几千万年就会经过奥尔特云，其引力会吸引奥尔特云中的彗星，并将它们拖出奥尔特云，造成周期性的彗星雨，进而导致周期性的物种大灭绝。但遗憾的是，随着更先进的射电望远镜的发展，人类始终没有发现这个“暗太阳”，这个在天文学界浪漫了几十年的假说最终被证明是站不住脚的。周期性彗星雨的引力来源应该还有另外一个原因。
另一个重力来源是星系的潮汐力。潮汐力很多人都听说过，但是很容易和重力混淆。潮汐力不是重力，而是重力的衍生力，或者说是一种“重力差”。例如，月球的重力对于地球的不同部分是不同的。不同部分重力的差异就是引潮力，正是地球的引潮力造成了地球上海洋的潮汐。
在银河系中，也有这样的潮汐现象。整个星系对奥尔特云的各个部分都有不同的引力。这种引力差异会拉长奥尔特云。奥尔特云被拉伸后，一些彗星距离太阳的距离比我们想象的要近得多。一旦它们运行到近日点，很容易被潮汐力推出奥尔特云，从而进入太阳系内部。但兰德尔认为，银河系的潮汐力只能造成“缓慢而稳定”的彗星流，不足以引发物种大灭绝。所以银河系的引潮力不是我们要找的引力源。
总结这一部分的内容。兰德尔教授发现，大灭绝是周期性的，每3000万年发生一次，这个周期与陨石撞击的周期重合。由于彗星比小行星更具周期性，兰德尔推断是某个引力源吸引彗星出轨，导致了周期性的大灭绝。
这时，兰德尔想到了一个从来没有人与大灭绝联系在一起的东西，那就是暗物质。我们终于有了真正的主角。然后再来说说本案的第三条关键线索，暗物质，也是三条线索中最关键的一条。
先说什么是暗物质。兰德尔用非常简单的方式说清楚了。她说的“黑暗”的反义词是什么？是“光”，所以暗物质是站在光对立面的东西。它是一种既不吸收光线也不反射光线的物质。当然这个光不仅仅指可见光，而是指所有频段，也就是各种电磁波。所以无法观察或研究，因为它不与任何电磁波发生反应。
这个定义是什么意思？是指人类根本“看”不到暗物质，不仅肉眼看不到，人类的其他“眼睛”，也就是各种探测器也看不到，因为人类认识世界的主要手段大多是基于光学。我们只能通过观察一些宇宙现象来间接证明暗物质的存在。
那么你可能要问了，既然暗物质不是所有人的眼睛都能看到的，为什么我们说它一定存在呢？其实这是因为我们要假设暗物质是存在的。只有假设暗物质的存在，才能在现有引力理论的框架内解释很多物理现象。如果不假设暗物质的存在，那么这些物理现象就会与牛顿力学和广义相对论相冲突。
其实现代物理学的很多理论模型之所以能够成立，并不是因为我们真的发现了一个应该出来的东西，而是因为它的存在能够按照现有的理论解释很多实际存在的物理现象。例如，引力波在被提出一百多年后，没有被观察到并被证明存在？
暗物质的存在能解释什么现象？先说结论。这个结论令人震惊:如果不假设暗物质的存在，我们的太阳就会飞走，甚至飞出银河系。
这是怎么回事？我们得从荷兰天文学家扬·奥尔特说起，没错，又是这个奥尔特！我们之前提到的奥尔特云就是以他命名的。在奥尔特的时代，人们已经知道，虽然恒星的名字中有“常数”这个词，但它们也会移动。例如，太阳会围绕银河系的中心旋转。既然运动中会有速度，那么速度太快，恒星就会被甩出去，成为在星系间游荡的星球，而速度太慢，就会顺着空的斜坡滑向星系中心，而恒星运动的速度主要与星系的质量有关。一天，奥尔特突发奇想。他想测量银河系的质量是否与恒星的运动速度相匹配。银河系的质量能否阻止恒星飞离或滑落？
这个计算可是大事！不仅仅是不匹配。这是十万八千里之外。银河系的计算质量至少要比实际测量结果多5倍，其提供的引力才能维持恒星的运行轨道。奥尔特反复检查了自己的计算结果，发现没有错。差别怎么会这么大？所以，他不得不假设银河系中还有一些我们根本看不到的东西。这些东西比普通物质多得多，正是这些东西提供的质量让星系保持运转。后来，在1933年，一位名叫弗里茨·兹维基的科学家正式提出了“暗物质”的概念。
在整个宇宙的构成中，暗物质占26.8%，是普通物质的5倍。暗星空中隐藏着如此巨量的神秘物质，我们却不知道它到底是什么，这也是暗物质理论引人入胜的地方。科学界对暗物质的性质还没有定论。一些理论认为暗物质是一种“弱相互作用的大质量粒子”，另一些理论认为暗物质实际上是普通的天体，只是我们没有足够的光来发现它们。世界各国都在积极研究这个问题。比如我们国家发射的暗物质探测卫星“吴空”。相信未来，暗物质到底是什么？这个问题一定要回答。
了解了暗物质的基本情况后，我们终于可以回归主题，说说暗物质是如何杀死恐龙的。如前所述，暗物质看不见摸不着，基本不与普通物质发生作用。这样一种近乎虚无的物质怎么可能杀死一只强大的恐龙？暗物质与普通物质世界的联系只有一种方式，那就是——引力。
吸引彗星脱离轨道的不就是我们之前寻找的引力源吗？听起来有点门道。我来告诉你这个案子的核心部分，凶手的作案手法。
按照传统观点，暗物质虽然质量巨大，但似乎很难引起周期性的彗星雨。因为，在自然界的四种基本力，引力、电磁力、弱相互作用力、强相互作用力中，引力其实是最弱的力。想想看，如果拿一块磁铁，可以吸起地上的一个回形针，可见小磁铁的磁力轻而易举地克服了整个地球的引力。只有当一个物体的质量极大时，引力的作用才会明显。暗物质的质量确实很大，但它在星系中的分布非常均匀分散。它是一个球形的“晕”结构，也就是晕的晕，不是紧紧的簇在一起。这样松散的结构不可能产生非常集中的重力。
但兰德尔认为，普通物质中有很多种基本粒子，如质子、中子、光子等。，而普通粒子之间的相互作用有很多种，包括引力相互作用、电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用。既然普通粒子不止一个，相互作用也不止一个，为什么我们认为暗物质粒子只有一个，暗物质粒子之间只有一个相互作用？她觉得这种考虑是不完善的。
兰德尔假设暗物质粒子有很多种。这些粒子不一样，有的喜欢聚在一起，有的喜欢独处。那些喜欢聚在一起的暗物质粒子会以某种方式高度聚集，产生一种不同于传统理论的暗物质分布结构。这种暗物质凝聚在一起，形成致密的板状结构。根据兰德尔的计算，这个“暗物质板块”将与我们银河系的银盘重合。
而我们的太阳在这两个圆盘组成的平面上水平运动。但天文观测表明，太阳除了水平运动，还会在这个板块上做上下垂直运动，会在这个板块上玩“跳”。这个跳跃期正好是3000万年左右，和我们前面说的大灭绝期一致。每当太阳穿过盘面时，两个盘面的联合引力很容易将奥尔特云的彗星拉出来，形成大规模的彗星雨。
试想一下，如果暗物质再次让一颗陨石脱离轨道撞上地球，很多人的之一反应往往就像科幻电影里描述的那样:用核弹把它炸了。兰德尔认为，这是最糟糕的处理方式，因为这样会把一块陨石变成多块陨石，不仅不能防止撞击，还会增加受影响的面积。还有人会尝试转动陨石，也就是改变它的轨道，但这需要太多的能量。兰德尔在书中给出了一个更聪明的办法，既不会增加影响面积，也不会转动陨石。这个办法就是:改变陨石的速度，让它加速或者减速。具体做法是在陨石上安装火箭，让它提前或延后7分钟到达地球轨道即可。
为什么是七分钟？七分钟是地球在公转轨道上移动一半位置所需的时间。只要给地球七分钟，它就会远离本该被击中的位置，陨石就会从地球旁边经过。而且陨石被发现的越早，改变其速度所需的能量就越少。
当然，兰德尔的想法并不完美。举个例子，如果这块陨石不是小行星，而是彗星，我们知道彗星有一条长长的尾巴，这条尾巴里还有一些物质。这些物质会不会与地球相撞，造成致命的灾难？一切都还是未知数。目前这项技术还只是处于理论阶段。随着人类科技水平的提高，我们相信这些问题都是可以解决的。
