暗物质与恐龙

 

  6600万年前，一个城市大小的物体从宇宙而来撞击了地球，造成了一个毁灭性的灾难，杀死了恐龙，还有3/4的地球生物。这一灾难性事件的原因是什么?

  如果导致恐龙灭绝的那起灾难事件是由暗物质引起的，你相信吗？

  那么，暗物质是什么？为何远在宇宙太空的暗物质会和地球上的恐龙有着千丝万缕的联系？宇宙万物又是如何在看似无关的情况下联系在一起，从而改变了世界的发展的？在这本书中，你将得到答案！

丽莎·兰道尔

  国际理论物理学权威，粒子物理学、弦理论、宇宙学专家。当今全球权威的额外维度物理学家。挑战爱因斯坦，9年实验首度提出第五维空间，震惊全球物理界。

  普林斯顿大学物理系位女性终身教授，哈佛大学、麻省理工学院位女性理论物理学终身教授。

  《时代周刊》“100位*影响力人物”之一，《纽约时报》超级畅销书作家，并登上《时尚》杂志封面。

[目录]

 

重磅赞誉

推荐序  发现的激情

中文版序  宇宙的故事

引 言  
暗物质与恐龙灭绝

 

部分 
宇宙的历程

 

第1章  神秘的暗物质

看不见的存在

黑洞与暗能量，我们居住在一个黑暗年代

 

第2章 发现暗物质

缘起《独狼行动》，暗物质探测简史

引力透镜效应，让暗物质现形

子弹星系团，暗物质存在的强证据

暗物质的总能量密度是多少

宇宙饼图

“标准烛光”，照亮暗能量的发现之路

暗物质终曲

 

第3章  宇宙的答案

没有答案的问题

 

第4章 几乎就是开始：一个很好的起点

宇宙大爆炸理论

宇宙年龄的谜题

大爆炸演化的预言

宇宙暴胀

 

第5章 星系诞生

蛋与鸡

等级结构

银河系，我们的保护伞

太阳和太阳系

 

第二部分 活跃的太阳系

 

第6章 流星体、流星和陨石

模糊的边界

行星的等级世界

小行星，太阳系资深的漂流者

小行星的分布

流星体、流星和陨石

 

第7章  彗星短暂而壮丽的一生

长发彗星的内核

短周期和长周期彗星

柯伊伯带和散盘

奥尔特云

 

第8章  飞出太阳系，哪里才是边际

旅行者1号飞出太阳系了吗

 

第9章 危险地活着

当陨石飞向地球

更近期的“拜访”事件

近地天体，经常的撞击

我们应该担心吗

科学家的结论

保护地球，让小行星转向

 

第10章 陨石坑，天外来客的“名片”

流星的痕迹

撞击坑的形成

地球上的“疤痕”

 

第11章 灭绝，生命故事的另一面

生存和死亡

克服不确定性

为什么大多数生命消失了

五次物种大灭绝事件

第六次物种大灭绝？

 

第12章 地球霸主恐龙的末日

恐龙时代，一亿年的地球称霸

一个世纪的求索

一探 6600万年前的历史片段

在白垩纪-古近纪边界

发现确证

生命如何出局

重新发现陨石坑

 

第13章 宜居带中生命的故事

生命的起源

宜居环境  

外来天体和生命的进化

 

第14章 天外来客的旅程

建立周期

灭绝事件的周期性

陨石坑记录的周期性

“旁视效应 ”

 

第15章 从奥尔特云中逃逸的彗星

小行星还是彗星

神秘的触发

内梅西斯提议

源于银河系运动的触发

 

第三部分 破解暗物质的秘密   

 

第16章 隐形世界中的神秘物质

一个简洁可预测的模型

候选模型1:有潜力的弱相互作用重粒子

候选模型2:有趣的非对称暗物质模型

候选模型3:轴子模型

候选模型4:中微子，被否决的暗物质候选者

候选模型5:晕族大质量致密天体

是时候重新开始了

 

第17章 充满荆棘的旅程：在黑暗中探寻

暗物质的直接探测实验

暗物质的间接探测

大型强子对撞机中的暗物质

如何用引力寻找暗物质

 

第18章 暗物质的社交天性

小尺度的不吻合问题

可能的暗示

暗物质间的“黑暗之力”

 

第19章 黑暗的速度

普通物质沙文主义者

部分相互作用暗物质

灵感来源

暗盘，嵌在银河系中的薄盘

 

第20章 寻找暗物质盘

多样的暗物质

来自暗物质盘的信号

测量星系的形状

 

第21章  暗物质、彗星与恐龙

一场脱轨引发的恐龙灭绝

无心插柳触发的灵感

暗物质盘和太阳系

关于恐龙灭绝

 

结语 一个奇妙的宇宙正等着我们去探寻

致谢

译者后记 

[中文版序]

宇宙的故事

  得知我的三本书将在中国出版，我感到十分兴奋。不论在理论物理学还是在实验物理学的舞台上，中国都在扮演着日益重要的角色。

  我有一些优秀的中国学生以及博士后，而且我也发现，近年来在中国这片土地上，人们对我研究方向的兴趣正在不断增长。不仅如此，中国的实验物理学也在近期取得了一些重要成果。例如，在大亚湾中微子实验室中对轻、重中微子混合的振荡测量，其结果震惊了世人，而且它比人们的预期早了至少一年。现有的暗物质探测器，包括PandaX与CDEX，标定了一些重要的能量范围，并且仍在不断探索，以揭示神秘的暗物质粒子的本质。展望未来，计划在中国建造的型的对撞机至关重要，它将成为国际主要的粒子物理学实验装置，并能够胜任探索超越已知领域的重任。

  作为一位理论物理学家，我的研究领域涉猎甚广，小到物质的内部结构，大到宇宙、空间的本质。这些研究令人兴奋，然而又很难向他人解释清楚——在没有对应语境的情况下更难说清。这三本书给了我一次机会，不仅可以向世人解释我的研究，还可以同时解释作为我研究基础的量子力学、相对论、粒子物理学与天体物理学等物理学知识。我将乐于讲述一些展现这些领域中研究前沿的宏大故事。

  《叩响天堂之门》一书，解释了科学的本质，并强调了尺度的重要性，也即如何在基本粒子、原子、普通物质或是宇宙的尺度上思考科学问题。《叩响天堂之门》一书也探索了科学的发展历程、什么是“对”与“错”，以及创造力在科学发展中的意义。在这本书中，我还预测了大型强子对撞机（LHC）上的物理结果。大型强子对撞机是建造在日内瓦附近的大型加速器，能让高能质子对撞，以产生新的粒子与新的相互作用，它可以用来研究人类之前所不能及的更小尺度。这本书解释了大型强子对撞机如何运作，以及在这一实验中，科学家正在研究什么以及他们未来将要研究什么。

  《弯曲的旅行》一书讲述了我对空间中可能存在的卷曲的额外维度的研究——额外维度是在我们容易观察到的三个维度（左- 右、前- 后、上- 下）之外的某个维度。额外维度可能具有重要意义，它将解释基本粒子的质量，并为它们之间的相互作用引入新的理论可能性。这些卷曲也将容许空间具有一个无穷大的额外维度，它将与我们观测到的一切事物相容。为了讲述这个故事，我回顾了前沿研究中的量子力学、相对论、粒子物理学的基础（既有理论，也有实验），还回顾了弦理论。在这本书中，我会讲述我们是如何把所有研究领域联系在一起，我们是如何得到了这一切，以及我们已经走到了哪一步的大故事。

  《暗物质与恐龙》一书，既向外审视宇宙的宏大图景，又向内一窥物质的内部结构。它解释了暗物质的本质及其在宇宙演化中扮演的角色——暗物质是宇宙中捉摸不定的物质，只与引力而不与光相互作用。《暗物质与恐龙》一书也强调了物质的基本性质与我们今日所见的地球、宇宙之间的联系。这本书的内容不仅涵盖了宇宙学，还涉及星系、太阳系和地球之间的相互作用，及其与周边环境的联系。在这一旅程中，我还将解释我对暗物质的新理念：暗物质可能包含了某个小组分，这个组分通过自身的媒介物质——光进行相互作用，而普通物质不与之相互作用。这可能会产生激动人心的结果，包括在银河系平面上，暗物质盘将形成，其引力效应可能导致巨大的流星体撞击地球，从而终导致恐龙的灭绝。

  《叩响天堂之门》《弯曲的旅行》《暗物质与恐龙》三本书包含了粒子物理学的广阔思想领域，是对我的研究以及更宽泛的粒子物理学和宇宙学的一个简述。这三本书把许多新颖且多元的理念与科学领域结合在一起，给出了对今日科学家工作状态的一个感性认知。

  在完成《暗物质与恐龙》这本书之后，我已继续投身于对暗物质的研究中。在许多已有研究的基础上，暗物质已经是一个比较成熟的研究主题了。我们在实验上有了许多直接的结果，也开始着手于更好地理解用来探索宇宙的天文望远镜、人造卫星是如何阐明
“暗物质是什么”这一问题。同时，理论也在不断发展，人们已经超越了对暗物质粒子非常狭隘的假设，并对“暗物质如何相互作用”有了更深刻的想法。我正在思考关于暗物质粒子全部带电（而不只是一小部分带电）的可能性，并自问这一假设可能导出什么结果。现有的研究忽视了某些使这个假设可行的重要结果，或许这可能只是因为：暗物质着实不像粒子物理学家之前所假设的那么无趣。

  理解暗物质这种神秘物质的本质，是一个非常令人兴奋的研究主题，毕竟它占据了全部物质能量的85%。我希望中国的读者能享受这一旅程：跟随我一起探索我们是由什么组成的，宇宙中的相互作用是如何发生的，以及我们这些科学家是如何研究宇宙问题的。我确信，你们将会从中学到许多新知识，同时又能提出属于自己的问题和观点。

[各方赞誉]

人类真的生活在一个具有多维空间的膜宇宙之上吗？暗物质真的是毁灭“地球霸主”恐龙的“幕后黑手”？发现了“上帝粒子”希格斯玻色子的大型强子对撞机，以及未来的超级对撞机，会为这些玄妙的问题提供深刻的答案吗？听天才理论物理学家丽莎•兰道尔教授用妙趣横生的案例、通俗易懂的语言，对科学求索的真相与未来娓娓道来，让人欲罢不能。这是时下科学研究前沿*振聋发聩的声音！振奋人心，启迪心智！

 

韩涛

 著名理论物理学家，美国匹兹堡大学物理天文系杰出教授

匹兹堡大学粒子物理、天体物理及宇宙学中心主任

 

我们还没有探测到暗物质，但恐龙的灭绝竟然是暗物质造成的？兰道尔“宇宙三部曲”将告诉读者，想理解地球和人类的现在、历史与未来，我们必须搞清楚物质*深层次的结构和宇宙*尺度的规律！唉，我真为其他想写类似主题的作家们担心，再写出这么出色的书恐怕很难了。

张双南

中国科学院高能物理研究所和国家天文台双聘研究员

中国科学院粒子天体物理重点实验室主任

 

兰道尔教授先后在麻省理工学院、普林斯顿大学、哈佛大学这几所世界*著名的大学担任理论物理学教授，并一直开展着*前沿的科学研究。在这套科普书中，兰道尔教授介绍了物理学家们是如何研究、探索宇宙之谜的。她并不满足于仅仅介绍那些已经被广泛接受的科学知识，而是着重展示科学家们现在正在进行的猜想和探索，使读者真切地欣赏到科学研究的丰富多彩和趣味，体验科学家们在构造假说、探索未知、获得新发现时所体验到的激情。我相信，想了解科学探索前沿的读者一定会享受阅读这套书带来的乐趣。

陈学雷

 国家杰出青年科学基金奖获得者

国家天文台研究员及宇宙暗物质与暗能量研究团组首席科学家

 

在兰道尔教授的笔下，额外维度、暗物质、暗能量、对撞机，这些科学家的“烧脑伙伴”也变得平易近人起来。这套科普书通俗易懂，与晦涩无缘，揭示了即使是门外汉都读得懂的宇宙真相。

朱 进

 北京天文馆馆长

 

几千年来，人类一直在试图回答“宇宙是什么”这一古老问题。现代天文观测和研究揭示，宇宙包含了时空和普通物质以及很多神秘“角色”。作为世界知名的粒子物理学家，哈佛大学物理系教授丽莎·兰道尔在她的这套科普书中，以其渊博的知识、广阔的视野、通俗的语言，以及丰富有趣的事例，给我们讲述了宇宙的基本组成和包含万物的时空，非常值得一读。作者大胆推断，地球上恐龙的灭绝与银河系中的某种暗物质有关。如果这能够被证实，将颠覆我们对宇宙神秘物质的现有认识。

苟利军

中国科学院国家天文台研究员，中国科学院大学教授

“第十一届文津奖”获奖图书《星际穿越》译者

 

简明扼要、通俗易懂、内容独创。地球人非读不可！

吴 岩 

科幻作家，北京师范大学教授

 

过去几十年来，理论物理学中*酷的话题已经从量子力学、相对论和黑洞变成了超弦、希格斯粒子和暗物质。如果说，黑洞让人着迷、量子力学让人困惑、相对论让人脑洞大开，那这些新概念则更难让人理解！不过一旦你理解了，就会获得更大的智力愉悦感。物理学家一直致力于在不用公式的情况下让公众理解物理学，丽莎·兰道尔正是这项事业的新晋翘楚。她用一贯的机智语言告诉我们，这一代的物理学正在发生什么。

万维钢（同人于野）

科学作家，畅销书《万万没想到》作者

“得到”App《万维钢·精英日课》专栏作家

 

在这个信息爆炸的时代，我们收到的碎片化信息太多，反而难以获得真知。碎片化文章看得再多，也不如读一本真正的好书，尤其是深入浅出、结构恢弘的好书。兰道尔“宇宙三部曲”就是难得一见的、视野辽阔的好书，每一本都选择了令人好奇的话题：宇宙结构、宇宙历史、宇宙物质，并且还与恐龙灭绝这样有趣的话题相结合，更加吸引人，让人读起来手不释卷。而*为难得的是，兰道尔的文笔简洁、优美，你在书中找不到像一般物理学科普图书那种艰深晦涩的语句。她用小说一样的文笔娓娓道来，让你理解人类对宇宙*全面的认知。

郝景芳

2016年雨果奖获得者，《北京折叠》作者

 

。

《暗物质与恐龙》是科普作品中的杰作：既像一个展示了科学研究本质的侦探故事，又解释了人类的存在如何与充盈宇宙的暗物质那意想不到的性质，联系在了一起。

基普·索恩

天体物理学巨擘，畅销书《星际穿越》作者，加州理工学院理论物理学教授

 

知名物理学家丽莎·兰道尔为世界上*古老的“谋杀谜案”之一
——恐龙的灭绝，带来了新的转折。她以生动的写作手法和通俗易懂的解释方式，令人信服地暗示了一个导致那次袭击的新“嫌犯”：暗物质。

麦克斯·泰格马克

麻省理工学院物理学家，2003 年度世界十大科学成就奖获得者

 

只有丽莎· 兰道尔可以带领我们经历这样一场激动人心的科学旅行——从恐龙到DNA，到彗星，到暗物质，再到人类的过去和未来。兰道尔的研究是如此彻底，故事是如此强大，她的讲述是如此具有说服力，以至于我都无法把这本书放下。

悉达多·穆克吉

哥伦比亚大学医学中心癌症医师和研究员，畅销书《众病之王》作者

 

 

丽莎·兰道尔创作了一本集乐趣和洞察力于一体的书，出色地将宇宙和生物这两个主题编织在了一起……*后用一条简单、优雅的理论解释通了大规模生物灭绝事件。这本书对于任何一个对“地球生命是否仍旧安全”感兴趣的人来说，都是书目。

杰克·霍纳

美国古生物学家,《侏罗纪公园》系列电影技术顾问

 

《暗物质与恐龙》是对科学家如何发现人类生存奥秘，以及广阔宇宙之间深层联系的挑衅和揭示。这是一本非常棒的读物。

蒂莫西·费瑞斯

 NASA 长期太空探索顾问，《银河系简史》作者

 

成功的科学写作需要讲述一个完整的“如何”，然后有条不紊地把“为什么”讲解清楚——兰道尔教授就是这样做的！

《纽约时报》

 

兰道尔以一种有趣且引人入胜的方式，成功地引导读者穿越了宇宙和地球的历史，穿越了从宇宙大爆炸到生命出现的历史。阅读本书，无论是对外行读者，还是对科学家来说，都是一次非常愉快的阅读体验。

《科学》

 

兰道尔的理论本身就是引人入胜的。在这个理论中，一些尖端学科被应用其中，包括对暗物质大胆的重新定义，它开启了一个对尖端科学的启蒙调查。正如兰道尔在《叩响天堂之门》《弯曲的旅行》中所做的，她给我们带来了令人兴奋的新理念。

《书单》

 

以看似闲谈的行文风格，兰道尔为我们打开了一扇令人着迷的窗口，让我们得以洞察新发现的兴奋之情以及新假说检验和构思所需要的严谨。这是来自权威研究人员的一流科学著作。

《科克斯书评》

[精彩样章-推荐序]

发现的激情

陈学雷

国家杰出青年科学基金获得者

国家天文台研究员及宇宙暗物质与暗能量研究团组首席科学家

 

  拿到这套书的样章，让我想起20 多年前（1993年），我作为一名物理学研究生，参加了由李政道先生创办的中国高等科学技术中心组织的一个国际物理学会议。会议日程上列出的报告中有几位大名鼎鼎的学者，他们的名字，我们在粒子物理学教科书中早已熟悉。但当时还有一个我不很熟悉的名字“Lisa Randall”，而且在日程中排在十分显著的位置。会议开始后，我见到了她: 一位面容美丽、身材苗条的女子。她看上去似乎比我大不了几岁，却十分高冷。而且，我听说她酷爱攀岩。然而在会议中，无论是演讲、问答还是讨论，她都显得学识渊博、机敏睿智、充满自信，与那些年龄、资历都老得多的学者辩论时，完全不落下风，成为会议的中心人物之一。这完全打破了我那时对女性物理学家的错误刻板印象。诚然，我从小遇到过很多成绩比我更优秀的女同学，但也许是因为女孩子们的谦让、文静和不好争辩，总让我怀疑她们不过是比我更用功、更擅长作业和考试而已。对于她们是否能深刻地思索或者作出创造性的发现，我内心总有一点儿怀疑。在物理学发展史上，女性物理学家，特别是理论物理学家，也确实屈指可数。然而，站在我面前的就是一位活生生的杰出的女性物理学家，这证明之前我错了。当然，自那之后，我有幸遇到过很多优秀的女性物理学家，其中也包括丽莎·兰道尔教授的一位中国女弟子苏淑芳博士。她们都向我证明了，女性在物理学或者其他科学研究中，完全可以取得毫不逊色于男性的成就。

  兰道尔教授先后在麻省理工学院、普林斯顿大学、哈佛大学这几所世界著名的大学担任理论物理学教授，并一直在进行着前沿的科学研究。她有许多卓越的成就，其中著名的是她与桑卓姆合作提出的“额外维度”模型。在这个模型中，我们所熟知的三维空间只是高维空间中的“膜”（参见《弯曲的旅行》一书）。兰道尔教授的这套科普书系，介绍了物理学家是如何研究、探索宇宙之谜的。《叩响天堂之门》一书不仅介绍了大型强子对撞机所进行的研究的意义，也用科学的道理和事实，澄清了人们对科学的各种误解；《弯曲的旅行》一书，重点是对高维空间的探索；《暗物质与恐龙》一书则介绍了作者提出的一个特别的暗物质模型，并就此提出了一种关于恐龙灭绝的有趣假说，借此又阐述了从宇宙起源到暗物质、从太阳系演化到恐龙等多方面的知识。所有这些著作的共同特点是，作者并不满足于仅仅介绍那些已经被广泛接受的科学知识，而是着重展示科学家现在正在进行的猜想和探索，当然也清楚地说明了哪些仍仅仅是猜想和假说。这些猜想也许未必都正确，其中许多可能也会被未来的实验和观测所否定。但是，对这些内容的介绍更可以使读者真切地欣赏到科学研究的丰富多彩和趣味，体验到科学家们在构造假说、探索未知、获得新发现时所体验的激情。

  我相信，想了解科学探索前沿的读者一定会享受阅读这套书带来的乐趣。我也特别希望，这些书能鼓励那些喜爱科学、希望未来从事科学研究的女孩子们。