《暗物质与恐龙》在宇宙演化的宏大叙事里，溯源暗物质波动与恐龙兴衰的因果脉络

今天为你解读的书是《暗物质与恐龙》。

你应该听过这样的说法：有一种最小的粒子叫原子，世间的万事万物都由原子构成。但我要告诉你的是，这种说法已经是20世纪之前的老黄历了。现在科学家已经知道，世界上除了由原子构成的普通物质之外，还有一种完全看不见的神秘物质，那就是所谓的暗物质。

目前，暗物质已经成为物理学与天文学最大的难题之一。美国科学院院士、诺贝尔物理学奖得主大卫·格罗斯，在他的著名演讲《物理学的未来》中，提出了21世纪物理学面临的25个最重要的问题，其中暗物质的本质高居第二名。

2015年，一本相当精彩的关于暗物质的科普书问世，那就是我要为你解读的这本《暗物质与恐龙》。

在这本30多万字的书中，作者丽莎·兰道尔介绍了他提出的一个惊世骇俗的理论：或许是暗物质导致了恐龙的灭绝。

这本书的作者丽莎·兰道尔，是美国科学院院士、著名理论物理学家。她是粒子物理学、超弦理论和宇宙学的专家，曾经先后在麻省理工学院、普林斯顿大学和哈佛大学等世界顶级高校任教，并且是普林斯顿大学物理系历史上第一位女性正教授。此外，她在公众间也颇有知名度，曾经在2007年被《时代周刊》评为100位最具影响力的人物之一。

要想理解丽莎·兰道尔这个脑洞大开的暗物质灭绝恐龙的理论，我们需要回答以下三个问题：

第一，什么是暗物质？

第二，科学家为什么认为暗物质一定存在？

第三，暗物质为什么会让彗星周期性地撞击地球，进而导致恐龙的灭绝？

先说第一个问题，什么是暗物质？

事实上，迄今为止还没有人知道它到底是什么东西，只知道它是一种与普通物质截然不同的透明物质。我来解释一下透明的含义：我们之所以能够看到某个东西，是因为光照到这个东西上面，然后又反射到我们的眼睛里。换言之，一个东西想要被我们看到，必须能和光发生某种相互作用，否则就不可能把光反射回去。而暗物质与光不会发生任何相互作用，这意味着光可以直接穿过暗物质，不会受到任何阻碍，更不会产生任何反射。正因为如此，暗物质永远不可能被我们看到。

除了不与光发生相互作用，暗物质也不会与普通物质发生直接的相互作用。这意味着，即使暗物质直接碰到普通物质，也可以像幽灵一样，毫无阻碍地从普通物质中穿过去，而不会对普通物质造成任何影响。因此，我们也无法直接感知暗物质的存在。

尽管如此神秘莫测，暗物质却是宇宙中至关重要的、不可或缺的一个组成部分。事实上，根据目前的天文观测，在宇宙中所有的物质中，暗物质所占的比重高达85%，而且在宇宙结构的形成过程中，扮演着举足轻重的角色。

很多人都会把暗物质与黑洞或暗能量混为一谈。事实上，它们之间存在很大的差异。前面说过，暗物质是一种不同于普通物质的透明物质，而黑洞是一大堆普通物质被挤压到一个非常非常小的区域内所形成的正常天体。至于暗能量，则是一种透明的、会产生斥力的纯能量，一般认为是某种真空的能量。此外，暗物质会在引力的作用下聚集在一起，比如说一般认为银河系的暗物质就聚集成了一个巨大的球形。暗能量则不会聚成一团，总是均匀地分布在整个宇宙中。

再说第二个问题，科学家为什么认为暗物质一定存在？

我们前面说过，暗物质不会与光或者普通物质发生直接的相互作用，因而无法被直接地看到或感知到。可能有些听众会觉得莫名其妙了：既然暗物质无法被直接看到或感知到，你凭什么说它一定存在呢？

答案是，暗物质能够产生引力，进而通过引力对其周围的普通物质造成一定的影响。借用一个书中的比方：当你走过一片森林的时候，可能会遇到一群小鸟或者一只雄鹿在你面前惊慌逃窜。尽管你看不到周围有什么人，但是这些动物的反应就足以告诉你狩猎者的存在。

目前公认的最早意识到暗物质存在的人，是美国加州理工学院教授弗里茨·兹维基。兹维基出生在保加利亚，在苏黎世联邦理工学院获得博士学位，是爱因斯坦的校友。后来他移民美国，在加州理工学院任教。在那里他变成了一个健身狂人，喜欢没事就趴在地板上做单臂俯卧撑。兹维基是个很招人讨厌的家伙，他性格粗暴，言行粗鲁，曾经辱骂自己的合作者是纳粹，还嘲笑著名天文学家哈勃的支持者是马屁精。很多人都对他深恶痛绝，甚至给加州理工学院院长密歇根写过联名信，要求开除这个恼人的小丑。但密歇根没有答应，他回答道：“我知道兹维基是个疯子，但他提出了不少疯狂的点子，万一这些点子里有一两个是对的呢？”

事实上，兹维基至少说对了三件事，其中就包括暗物质的存在。

1933年，兹维基仔细观测了后发座星系团。所谓星系团，就是一大堆被引力束缚在一起的星系的集合。后发座星系团中包含着好几千个星系，是一个非常庞大的大家庭。兹维基观测后发座星系团的目的，是测量这个星系团的质量。

一般而言，测量星系团质量的方法有两种：

第一种方法叫做动力学方法，这种方法测量位于星系团边缘那些星系的运动速度，进而推断出它们所受的引力大小，最终计算出整个星系团的质量。这有点类似于测量地球绕太阳公转的速度，然后利用它来计算太阳的质量。

第二种方法叫光度学方法，度是度量的度。这种方法测量星系团中各个星系所发出的光的强度，然后计算出整个星系团中发光物质的质量。能这么做的原因是，发光物质的质量越大，所能发出的光就越亮。

需要特别强调的是，动力学方法测量的是整个星系团的总质量，而光度学方法测量的是星系团中能发光的普通物质的总质量。

兹维基同时使用这两种方法来测量后发座星系团的质量。按照当时的观点，宇宙中所有的物质都是能发光的普通物质，因此这两种方法测出来的结果应该完全一样。但是茨维基发现，用动力学方法测出的结果是用光度学方法测出的结果的400倍。换句话说，后发座星系团的总质量是后发座星系团中普通物质总质量的400倍。据此，兹维基推断，后发座星系团中还包含着大量完全不能发光的奇异物质，他把这些奇异物质称为暗物质。

尽管以今天的眼光来看，这个测量结果并不准确，后发座星系团总质量与其中普通物质总质量的比值远远小于400，但是茨维基的发现依然为人类打开了通往暗物质世界的大门。

此后，在长达40年的时间里，兹维基的暗物质理论一直得不到天文学界的认可。一直到20世纪70年代，才有一个人横空出世，用确凿无疑的证据让世人相信了暗物质的存在。此人就是美国著名女天文学家薇拉·鲁宾。

薇拉·鲁宾有一个非常强悍的性格，她是帕洛玛天文台的第一位女研究员，但她到帕洛玛天文台以后，却发现那里全是男厕所，连一个女厕所也没有。于是她就自己制作了一块牌子，贴在一个男厕所的门口，然后直接宣布那就是女厕所了。后来，薇拉·鲁宾成了美国科学院历史上的第二位女院士。终其一生，她都在致力于提高女性在学术界的地位，只要发现某个天文学会议没请女性演讲者，她就会打电话给主办方说：“你们犯了一个错误。”

20世纪70年代，薇拉·鲁宾在研究绕星系中心旋转的外围恒星时，做出了一个非常惊人的发现。为了解释薇拉·鲁宾的发现，让我从人们比较熟悉的绕地球旋转的人造卫星说起。

一般来说，离地球比较近的人造卫星运动速度会比较快，而离地球比较远的人造卫星运动速度会比较慢。这是因为，离地球比较近的人造卫星会受到比较大的地球引力，只有运动速度较快，才能保证不掉下来。另一方面，离地球比较远的人造卫星会受到比较小的地球引力，因此它的运动速度不能过快，否则会挣脱地球引力而逃逸到太空中去。

同样的道理，星系边缘的恒星的运动速度不能太快，否则就会挣脱整个星系的引力而逃逸到太空中去。换句话说，根据牛顿引力理论，离星系中心越远的恒星，运动速度就应该越小。

实际上，薇拉·鲁宾发现，在星系边缘的恒星，它们的运动速度并不会随着与星系中心距离的增大而减小，而是一直保持不变。这意味着，星系的实际质量要远大于其中发光物质的总质量，否则就无法留住这些在星系边缘高速运动的恒星。据此，薇拉·鲁宾断定，在星系中必然存在大量看不见的神秘物质，也就是所谓的暗物质。

从那以后，人们就普遍接受了暗物质的存在。

最后说第三个问题，暗物质为什么会让彗星周期性地撞击地球，进而导致恐龙的灭绝？

这是本书最核心，也是最有原创性的内容。在探索这个问题的过程中，作者丽莎·兰道尔和他的合作者提出了一个惊世骇俗的理论：或许是暗物质导致了恐龙的灭绝。

为了讲清楚其中的逻辑脉络，我们不妨把这个问题拆分成三个小问题：

第一个小问题，恐龙为什么会灭绝？

答案是：大约6600万年前，有一颗巨大的流星撞击地球。恐龙生活在地球的中生代，也就是距今2.25亿年前到6600万年前之间。在超过1亿年的漫长岁月里，恐龙一直是地球的霸主。但是，6600万年前，恐龙却从地球上神秘地消失了。恐龙为什么会突然灭绝呢？

最早揭示其中奥秘的人是美国地质学家沃尔特·阿尔瓦雷斯。20世纪70年代，沃尔特·阿尔瓦雷斯跑到意大利的山区去研究沉积岩。沉积岩是一种重要的岩石类型，结构是一层层的，越下层的沉积岩年代就越久远。由于沉积岩中包含着大量的矿产和化石，它就成了一本记录地球历史的大书。沃尔特·阿尔瓦雷斯在阅读这本地球之书的时候，发现一层只有6 mm厚的薄薄粘土把整个沉积岩地层拦腰截断。在它之下的岩层属于中生代，而在它之上的岩层属于新生代。更奇怪的是，在这层粘土之下，明明还有很多恐龙以及其他动物的化石，但是到了这层粘土之上，就什么都没有了。

接下来就需要测出这层粘土的形成时间，这是一件非常困难的事情。幸运的是，沃尔特·阿尔瓦雷斯有个非常厉害的爸爸，那就是1968诺贝尔物理学奖得主路易斯·阿尔瓦雷斯。老阿尔瓦雷斯建议，应该测量其中的铱元素的含量。铱元素的特点是在地球表面极其罕见，但在太空中却非常丰富。这样只要测出这层粘土中铱元素的含量，然后与铱元素从太空中降落到地球上的速率进行对比，就可以测出这层粘土的形成时间了。

最终的测量结果让阿尔瓦雷斯父子大跌眼镜，他们发现这层粘土中铱元素的含量比原来预想的高了几十上百倍。要是按照原来的铱元素缓慢降落到地球上的设想，形成这层薄薄的粘土需要花费300多万年，这显然是不可能的。

为了同时解释恐龙的灭绝以及黏土中铱元素的超高含量，阿尔瓦雷斯父子提出了一个极为惊人的理论：大约在距今6600万年前，一颗直径在十到15 km之间的巨大流星撞上了地球。这次撞击释放出来的能量相当于上百万亿吨的TNT炸药，是摧毁日本广岛和长崎的原子弹能量的10亿多倍，因而导致了恐龙的灭绝。

而瓦雷斯父子的流星灭绝恐龙的理论与古生物学界多年信奉的恐龙缓慢灭绝的理论背道而驰，因而引发了古生物学家们的围攻。但老阿尔瓦雷斯也是一个不好惹的狠角色，他带着一个物理学家特有的优越感，在《纽约时报》上发表文章，嘲笑所有的古生物学家都是只会集邮的人。老阿尔瓦雷斯于1988年去世，但他的理论还是笑到了最后。1990年，科学家在墨西哥的一个小镇附近的海湾中找到一个巨大的陨石坑，它恰恰是阿尔瓦雷斯父子所预言的那颗流星撞击地球后留下的。由于这个有力的证据，学术界终于达成共识，正是这颗6600万年前撞击地球的流星导致了恐龙的大灭绝。

接下来就要说到第二个问题，灭绝恐龙的那颗巨大流星到底是从哪儿来的？

答案是位于太阳系边缘的奥尔特云。一开始人们都觉得，灭绝恐龙的那颗巨大流星应该是一颗小行星，但是1994年发生了著名的彗木相撞事件，一颗彗星撞击了木星。从那以后，人们意识到，导致恐龙灭绝的元凶更可能是一颗彗星。

你可以把彗星看成一个巨大的脏雪球，他们的老家离我们很遥远，在海王星的轨道之外。当它们靠近太阳的时候，会受到太阳风，也就是太阳发出的高能带电粒子流的洗礼，这会让彗星上的冰变成水蒸气，进而形成一条绵延数千万公里的长长彗尾。因此，只要绕着太阳转上足够多的圈数，彗星就会被太阳风完全摧毁。

那么问题来了，太阳系已经存在了将近50亿年，为什么还有这么多彗星没被摧毁？为了回答这个问题，荷兰天文学家简·奥尔特在1950年提出，在太阳系的最外围，还存在着一个巨大的球状气体云，称为奥尔特云。它受到太阳引力的束缚，所以依然是太阳系的一部分。奥尔特云的质量不大，可能只有地球质量的五倍，但它是一个巨大的冰库，可以源源不断地产生新的彗星。正因为如此，今天的太阳系中才能看到如此之多的彗星。

可能你会感到好奇，这个奥尔特云的边缘地带到底离我们有多远呢？答案是惊人的一光年。也就是说，如果从地球上向太空中发射一束光，要等上整整一年的时间，这束光才能跑到奥尔特云的边缘。

时至今日，天文学家们依然没有找到奥尔特云存在的直接证据。尽管如此，科学家们普遍相信奥尔特云一定存在。

一般情况下，奥尔特云中的彗星都会老老实实的在自己的运动轨道上运动，但是在一些特殊的情况下，一些彗星会变得不安分，脱离自己的运动轨道，并向内太阳系方向飞去。所谓内太阳系，就是太阳系中位于小行星带以内的区域。

丽莎·兰道尔认为，让恐龙遭遇灭顶之灾的元凶就是一颗脱离自己运动轨道并飞向内太阳系的大块头彗星。

第三个小问题，为什么有些彗星会脱离自己的运动轨道并飞向内太阳系呢？

答案是，他们受到了银河系中的一个暗物质盘的干扰。

先来说说我们银河系的基本结构吧。观测表明，银河系中的普通物质构成了一个相当扁平的大圆盘，太阳系就位于这个大圆盘的盘面上，并且一直绕着银河系中心的一个巨大黑洞旋转。据估算，太阳系大概要花2.4亿年才可以绕银河系转上一圈。与此同时，太阳系也在银河系圆盘平面上下振动，振动周期大概是3200万年。

为了更好的理解太阳系在银河系中运动的物理图像，你不妨把银河系想象成海面上的一个巨大漩涡，而太阳系则是这个漩涡里的一根小小的浮木。一方面，这根浮木在绕着漩涡中心旋转，大概花2.4亿年能够转完一圈。另一方面，这根浮木在海面上下起伏，大概花3200万年能够完成一轮完整的震荡。

现在重点来了，作者丽莎·兰道尔假设银河系中存在着一种非常特殊的暗物质。一般的暗物质会形成一个球状的结构，而这种特殊的暗物质则会像普通物质一样变成一个薄薄的圆盘。这个暗物质的圆盘会和银河系普通物质的圆盘叠加在一起，形成一个双圆盘的结构。

前面说过，太阳系会在银河系圆盘平面上下震动，在此过程中，自然也会反复地穿过丽莎·兰道尔猜想的那个特殊暗物质的圆盘。当太阳系接近那个暗物质圆盘的时候，圆盘中的暗物质的引力就会对奥尔特云中的一些彗星造成干扰，使他们脱离自己原来的运动轨道。换句话说，暗物质能把奥尔特云中的一些彗星拽出来，然后抛向内太阳系。

在丽莎·兰道尔看来，这就是奥尔特云中的彗星会脱离自己的轨道并且飞向内太阳系的真正原因。

可能你心里会犯嘀咕了，这个宣称暗物质会导致奥尔特云中彗星脱轨的理论真的靠谱吗？你还别说，丽莎·兰道尔真的为这个理论找到了一个证据。她统计了过去2.5亿年落到地球上直径大于20 km的陨石坑，然后发现这些陨石坑的出现具有周期性，而且周期恰好是3200万年。换言之，一些大型的流星每隔3200万年就会光顾一次地球，这与她的理论是吻合的。这意味着，姑且不论是否正确，丽莎·兰道尔的理论至少能自圆其说。

最后，我来总结一下丽莎·兰道尔的恐龙灭绝理论：

太阳系就像一根在海面上下起伏的浮木，在银河系圆盘平面上下震动，而且振动周期是3200万年。这样一来，太阳系就会穿越丽莎·兰道尔所猜想的一个特殊暗物质的圆盘。当太阳系接近这个圆盘的时候，暗物质就能把奥尔特云中的一些彗星拽离自己原来的轨道，并且抛向内太阳系，从而导致大型流星每隔3200万年就会光顾一次地球。其中一个直径十到15 km之间的巨大流星在6600万年前撞上了地球，并且释放出比广岛和长崎原子弹能量还大10亿多倍的巨大能量，从而导致了恐龙的灭绝。

事实上，丽莎·兰道尔的暗物质灭绝恐龙理论目前还只是一个尚未得到主流天文学界认可的假说，恐龙灭绝的元凶到底是谁，依然等待着人类去探索。

好，《暗物质与恐龙》这本书就为你解读到这儿，听书笔记在音频下方，我们明天见。

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