丽莎 蓝道尔(兰道尔宇宙三部曲)

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丽莎 蓝道尔(兰道尔宇宙三部曲)

今天这书有意思了,光听这名字《暗物质与恐龙》,就让我的好奇心爆棚了,一起来满足好奇心吧。

杀死恐龙的凶手抓到了,那就是“暗物质”,来听蓝道尔教授怎么说

暗物质,是一个物理学的概念;而恐龙,早已灭绝,只能在博物馆见到它们的化石,是古生物学的研究对象。这两个东西八竿子都打不到一块儿,怎么把它们联系到一起了呢?这本书其实是回答了这样一个问题:到底什么才是杀死恐龙的真凶?传统观点认为,是陨石撞击造成了恐龙的灭绝,但这本书却认为“陨石撞击说”是不完美的,暗物质,才是恐龙灭绝的真正原因。但暗物质看不见摸不着,也不和普通物质发生相互作用,这样一种几乎虚无的东西,是怎么杀死强大的恐龙的呢?

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“暗物质谋杀恐龙”,虽然听着有点不靠谱,但提出这个理论的,其实是一位货真价实的科学家,那就是本书的作者丽莎·蓝道尔,我先给你介绍一下她吧。丽莎·蓝道尔是美国的一位女性物理学家,身兼哈佛、麻省理工、普林斯顿三所顶级名牌大学的物理系终身教授职位。蓝道尔的研究领域,主要集中在粒子物理、弦理论、额外维度理论等方面。“第五维空间”理论,就是蓝道尔最先提出来的。

这个理论是怎么回事呢?我们知道,按爱因斯坦的广义相对论来说,人类是生活在“四维时空”里的,就是三维空间再加上一个时间维。但是蓝道尔提出,除了这四个维度之外,宇宙还存在一个额外的维度,就是第五维空间,但这种空间结构我们人类想象不出来,只能用数学来描述。也因为这个理论,蓝道尔被人们称为“挑战爱因斯坦的理论物理学家”。

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除了搞科研,蓝道尔还写科普图书,结果一写就成了《纽约时报》超级畅销书作家。蓝道尔有不少科普著作,这本《暗物质与恐龙》就是其中最受欢迎的。这本书之所以受欢迎,原因在于它有一个特点:它虽然是科普著作,但读起来却像侦探故事。这话不是我说的,是著名物理学家、诺贝尔奖获得者基普·索恩对本书的评价,而索恩就是科幻大片《星际穿越》背后的科学顾问。为什么说这本书像侦探故事?因为它是用一个个已经被证实的科学事实,加上严密的逻辑推理,最后得出了一个令人震惊的结论,那就是暗物质谋杀了恐龙,这就和侦探破案的过程很类似。

我们先来看看“案发现场”吧,也就是6600万年前恐龙灭绝的时候发生了什么。那时候发生的事情可以用一个词来概括,那就是“物种大灭绝”。这个概念非常重要,因为它是本书理论体系的出发点,也是最终的落脚点。蓝道尔教授建构这套理论的目的,不仅仅是为了解释恐龙这一个物种的灭绝问题,更是为了解释整个“物种大灭绝”的发生机制。而恐龙灭绝,只是物种大灭绝的一环。

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所谓的“物种大灭绝”,就是指在一个比较短的时间范围内,和比较大的地理范围内,生物数量和种类急剧下降的事件。历史上的物种大灭绝事件至少发生过20多次,听起来很可怕吧,其中最著名的物种大灭绝有5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”,因为恐龙就是在这一次物种大灭绝中消亡的。当然严格来说不是所有的恐龙都灭绝了,有些学者认为部分会飞的恐龙活了下来,最后演化成了鸟类。

关于物种大灭绝这件事本身,有两点是值得关注的。第一是它持续的时间,虽然刚才说物种大灭绝发生在“较短的时间范围内”,但这个“短”是相对于地质年代来说的。对于人类来说这个“短”其实很长,一次物种大灭绝可以持续几百万年,所以物种大灭绝不是一个瞬间性的概念。如果在一段时间内,没有发生什么灾难性事件,但物种形成的速率远远低于物种消亡的速率,这也叫物种大灭绝,比如我们目前的时代,其实就正处在一次无声无息的物种大灭绝中。科学家估算,正常的物种消亡速度是平均每年有一个物种灭绝,但实际上,我们今天的物种灭绝速度是这个平均值的几百倍。

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第二点要注意的是,物种大灭绝在地球生命史上占据了绝对统治地位,我们不要以为生存是一件轻轻松松、理所当然的事情。据科学家推算,自地球诞生以来,曾经出现过的生物已经灭绝了超过98%。这是一个非常恐怖的比例,等于说几乎所有出现过的物种都灭绝了。可见,生存本身是一种特殊的幸运,灭绝才是生命的常态。

现在我们说回到6600万年前的白垩纪物种大灭绝,白垩纪末期到底发生了什么,是什么导致了那一次物种大灭绝的发生?这个问题的答案曾经众说纷纭,相信你多多少少听说过,比如说火山活动、气候变冷或变暖、海平面上升或下降,还有说缺氧的,而其中最关键的一个假说是陨石撞击说。“陨石撞击说”认为6600万年前,直径大约10公里的陨石,以比火箭还快几倍的速度撞上了地球,位置在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原子弹能量的10亿多倍,这次撞击造成了全球四分之三的物种灭绝,其中就包括了恐龙。

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这些假说曾经谁也说服不了谁,吵个没完没了,直到一个关键证据出现。这个证据一出来,就以摧枯拉朽的方式终结了这场纷争,它完美地证明了陨石撞击说的正确性。最后,在2010年的时候,41位科学家聚在一起开会,会议的内容就是把陨石撞击说由一个“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,都纷纷为陨石撞击说站台。

那么这个如此强大,能让众多科学家信服的证据究竟是什么?其实它就是我前面提到的3条关键线索的第一条,那就是——铱元素。

铱,是地壳中最稀有的元素之一。我们平常认为已经够稀有的“金”元素,在地壳中的含量是铱的40倍,可见铱多么稀有。地球表面的铱元素主要来自宇宙尘埃的沉积,由于沉积是缓慢而且恒定的过程,所以铱在地层中的分布也应该是比较均匀的。但事实真的如此吗?

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美国加州大学伯克利分校的科学家在意大利、丹麦的几个地方发现,这几个地方的铱元素含量是它周围土壤的几十倍,最高可达160倍。而且科学家测量土壤的年龄后发现,这些铱元素几乎都不约而同地分布在白垩纪末期形成的黏土层中。远超平均含量的铱元素,在白垩纪末期突然同时出现在地球上,这肯定不是巧合。科学家在排除了众多解释后,认为只有一个解释是合理的,那就是陨石撞击。因为铱元素在地表虽然稀少,但在陨石中含量却比较高,只有陨石的撞击才能让这么多的铱元素同时出现在地球的不同地方,这也成了陨石撞击说成立的决定性证据。

我们总结一下恐龙灭绝的第一条线索。我们讲到了,对于地球生命史而言,灭绝是常态而非特例。导致物种大灭绝的可能有好几种,最终“铱元素”的出现让“陨石撞击说”脱颖而出击败了其他理论。因为铱太稀少了,却在同一时间集中出现,只可能是由地外陨石带来的。“铱元素”也是我们推理出“暗物质杀死恐龙”的第一条关键线索。

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说完了第一条关键线索,这案子看上去就已经破了,科学家确定,就是陨石杀死了恐龙。那你可能会问了,不是说杀死恐龙的是暗物质吗,怎么又变成“陨石撞击”这样的老生常谈了?其实,蓝道尔教授本人是认可陨石撞击说的,但她认为这个理论不完善。陨石的确是恐龙灭绝的直接原因,但并非根本原因。因为还有一个幽灵般的存在没有得到解释,让蓝道尔怀疑这起案件的真凶另有其人,那就是——周期性,这也是本案的第二条关键线索。

这个周期性是什么意思呢?我们之前讲过,物种大灭绝对于地球生命史而言是一种常态,生命为什么会如此脆弱?出现过的生物98%都灭绝了,这么巨大的比例不像是随机形成的,蓝道尔怀疑这背后隐藏着一套灭绝机制在起作用。如果能找出这种灭绝机制,不仅可以解释恐龙的灭绝,还可以解释很多其他生物的灭绝。科学就是这样,不满足于解释表面的因果,而是要发现深层的规律。

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在蓝道尔之前,科学家们已经做了一些有益的探索,他们把大大小小的20多次物种大灭绝的时间列成表格,发现了一个惊人的秘密,那就是,物种大灭绝的时间是有规律的,它存在周期性。每隔3000万年左右就会发生一次物种大灭绝,当然这个3000万年是一个约数,会上下浮动一点。

接着又有科学家整理了历史上大型陨石的撞击记录,发现大型陨石的撞击也有周期性,而且这个周期和物种大灭绝的周期,是高度重合的,也在3000万年上下浮动。于是一个推论很自然地就形成了:周期性的陨石撞击,导致了周期性的物种大灭绝。

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但事情还没完,这种周期性是怎么形成的?是什么东西让陨石的撞击遵循这么精确的周期呢?蓝道尔认为要搞清楚陨石撞击的周期性,首先要知道这些陨石是从哪里来的。而不同的陨石来源也不同,所以得先确定陨石的分类。撞击地球的陨石主要分为两类,一类是小行星,还有一类是彗星。小行星和彗星有什么区别呢?小行星的主要成分是石头,彗星既有石头又有冰块。小行星体积大速度慢,彗星体积小速度快。但这都不是主要区别,最大的区别是:彗星穿过地球轨道,有明确的周期,但小行星没有明确的周期性。你看,又提到了周期性,这就很关键了。因为彗星比小行星更符合“周期性”这个特点,所以蓝道尔认为造成物种大灭绝的陨石,应该是彗星而不是小行星。

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把小行星排除掉的好处,就是我们就可以明确陨石的来源地了,因为太阳系的彗星大多储备在一个地方,那个地方叫作“奥尔特云”,是一个包围着太阳系的球体云团。奥尔特云距离地球非常远,光线从那里到地球都至少需要跑1年,可以说是太阳系的最远端。这就很有意思了,什么力量可以让彗星从太阳系的最外面跑到最里面来呢?

作者认为,奥尔特云距离太阳十分遥远,所以这里的彗星受到太阳的引力已经很微弱了,它们在轨道上处于一种摇摇欲坠的平衡状态,稍微有一点来自其他天体的引力扰动,就会让这些彗星脱离轨道,进入内太阳系,甚至向地球飞过来。那么这种造成引力扰动的引力源,究竟是什么呢?

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这个问题不仅困扰了蓝道尔,也困扰了整个天文学界很多年。为了解释周期性的彗星雨,天文学界提出了许许多多的理论。我先给你讲讲其中最震撼、最有想象力的一种,这个理论叫作“复仇女神假说”。复仇女神假说最惊人的地方在于,它提出,太阳系其实有两颗太阳!也就是说,太阳是一个双星系统,拥有一颗叫作“内梅西斯”的伴星,内梅西斯就是希腊神话中复仇女神的名字。这个假说并非异想天开,因为在宇宙中,双星系统是非常普遍的,甚至可能比单星系统还多。既然有两颗太阳,那为什么我们看不到另一颗太阳呢?这个理论认为,那是因为它的亮度太低了,复仇女神是一颗红矮星或者褐矮星,所以人类用肉眼根本看不到它。

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如果这个理论成立,那么它就可以成功解释周期性的物种大灭绝。因为这颗太阳每隔几千万年就要掠过奥尔特云一次,它的引力吸引了奥尔特云中的彗星,把它们从奥尔特云中拽出来,造成了周期性的彗星雨,进而造成了周期性的物种大灭绝。但可惜的是,随着更先进的射电天文望远镜的发展,人类始终没有找到这颗“黑暗的太阳”,这个在天文界浪漫了几十年的假说最终被证明是不成立的。造成周期彗星雨的引力源,应该是另有原因。

另一个备选的引力源,是“银河潮汐力”。潮汐力很多人都听说过,但容易把它和引力混为一谈,潮汐力不是引力,而是引力的一种衍生力,或者说它是一种“引力差”。比如说月球对于地球上不同部分的引力是不一样的,这种不同部分之间引力的差,就是潮汐力,正是地月潮汐力引起了地球上海洋的潮汐。

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而在银河中,同样也存在这样的潮汐现象。整个银河系对于奥尔特云各个部分的引力是不同的,这种引力差会把奥尔特云拉长,奥尔特云被拉长之后,某些彗星距离太阳的距离就比我们想象中要近得多了,一旦它们运行到近日点,就很容易被潮汐力从奥尔特云里面推出来,从而进入到内太阳系。但蓝道尔认为,银河潮汐力只能造成“缓慢而稳定”的彗星流,这样的彗星流不足以引发物种大灭绝。所以银河潮汐力,也不是我们要找的引力源。

总结一下这部分的内容。蓝道尔教授发现,物种大灭绝是有周期性的,每3000万年就会发生一次,而这个周期和陨石撞击的周期正好是吻合的,又因为彗星比小行星更符合周期性,于是蓝道尔推断,是某种引力源吸引彗星脱轨造成了周期性的物种大灭绝。

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这时,蓝道尔想到了一种东西,这个东西从来没人把它和物种大灭绝联系起来,那就是:暗物质。我们终于迎来了真正的主角。那我们现在就来讲本案的第3条关键线索,暗物质,这也是3条线索中最关键的一条。

先来说下暗物质是什么东西吧?蓝道尔用一个很简单的说法就讲清楚了,她说“暗”的反面是什么?是“光”,所以暗物质就是站在光的对立面的一种东西,它是既不吸收光也不反射光的物质。当然,这个光不仅仅是指可见光,而是指所有频段的光,就是各种电磁波。所以说它没法被观测,也不能被研究,因为它不和任何电磁波起反应。

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这个定义意味着什么呢?意味着人类完全没办法“看到”暗物质,不仅肉眼看不到,用人类的其他“眼睛”,也就是各种探测器,也看不见它,因为人类认识世界的主要手段,大多数都是基于光学的。我们只能通过观测到的一些宇宙现象,间接证明暗物质的存在。

那你可能就要问了,既然用人类所有的“眼睛”都看不见暗物质,我们凭什么说它一定存在呢?其实这是因为,我们不得不假设暗物质存在。只有先假设暗物质存在,才能在符合现有引力理论的框架下解释很多物理现象,如果不假设暗物质存在,那么这些物理现象就会和牛顿力学以及广义相对论产生矛盾。

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其实,现代物理学的好多理论模型能够成立,不是因为我们真的发现了某个假设出来的东西,而就是因为假设它的存在,能够在符合现有理论的情况下解释很多实际存在的物理现象。比如引力波,不也是在提出了一百多年后才被观测证明确实存在的吗?

那假设暗物质的存在能够解释什么现象呢,先说结论吧,这个结论很让人震惊:如果不假设暗物质存在,我们的太阳就会飞走,甚至飞出银河系。

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这是怎么回事呢?我们这就得从荷兰天文学家简·奥尔特说起,对,又是这个奥尔特!我们前面提到的奥尔特云就是以他的名字命名的。在奥尔特那个年代,人们已经知道,恒星虽然名字里有个“恒”字,但它们也是会运动的,比如太阳就会绕着银河系的中心做公转运动。既然运动就会有速度,如果速度太快,恒星就会被甩出去,成为在各个星系间流浪的星球,而如果运动的速度太慢,它们就会沿着时空的斜坡滑落,滑向星系的中心,而恒星运动的速度主要和星系的质量有关。有一天,奥尔特突发奇想,他想测算一下银河系的质量和恒星运动的速度是不是相匹配,银河系的质量能不能刚好让恒星既不飞走又不滑落?

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这一测算就出大事儿了!岂止是不匹配,简直差了十万八千里。计算出来的银河系的质量至少要比实际测量的结果多5倍,它提供的引力才能维持恒星的运动轨道。奥尔特反复检查自己测算的结果,发现真的没算错,怎么会差了这么多?于是,他只好假设银河系内还存在着一些我们完全看不见的东西,这些东西比普通物质多得多,正是这些东西提供的质量维持着星系的运行。后来在1933年,一个叫弗里茨·兹威基的科学家正式提出了“暗物质”的概念。

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在整个宇宙的构成中,暗物质占26.8% ,是普通物质的5倍。数量如此巨大的神秘物质藏在黑暗的星空中,我们却不知道它到底是什么东西,这也正是暗物质这个理论迷人的地方。科学界对于暗物质的本质,至今都还没有定论。有些理论认为,暗物质是一种“弱相互作用的大质量粒子”,还有人认为暗物质其实就是普通天体,只是我们没有足够的光去发现它们。这个问题世界各国都在积极地进行研究,比如我们国家就发射了暗物质探测卫星“悟空”号。相信在未来,暗物质到底是什么?这个问题一定能够得出答案。

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了解完关于暗物质的基本情况,我们终于可以回到主题,来说说暗物质是怎么杀了恐龙的。前面说了,暗物质看不见摸不着,基本不和普通物质发生相互作用,这样一近乎虚无存在的物质,怎么能杀死强大的恐龙呢?只有一种方法,可以让暗物质和普通物质世界联系起来,那就是——引力。

我们前面要找的不正是吸引彗星脱离轨道的引力源吗?听起来好像有点儿门道。下面我就为你讲述这起案件最核心的部分,凶手的作案手法。

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按照传统的观点,暗物质虽然质量巨大,但好像也很难引发周期性的彗星雨。因为,引力、电磁力、弱相互作用力、强相互作用力,这4种自然界的基本作用力中,引力其实是最弱的一种力。你想想看,你拿一块磁铁,就能吸起地上的一根曲别针,这说明一小块磁铁的磁力很轻松地就战胜了整个地球的引力。只有当物体质量特别大的时候,引力的作用才能很明显。暗物质的质量的确很大,但它在星系中的分布是很均匀和弥散的,是一个球形的“晕”状结构,就是光晕的晕,没有很紧密地聚成一团,这样松散的结构是没办法产生很集中的引力的。

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但蓝道尔认为,普通物质中的基本粒子有很多种,什么质子、中子、光子等等,而且普通粒子间的相互作用也分为很多种,分为引力相互作用、电磁相互作用、弱相互作用、强相互作用。既然普通粒子不止一种,相互作用也不止一种,我们凭什么认为暗物质粒子就只有一种,暗物质间的相互作用也只有一种呢?她觉得这样考虑是不完善的。

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蓝道尔假设,暗物质粒子也分为很多种,这些粒子各不相同,有些喜欢聚在一起,有些喜欢自个儿待着。那些喜欢聚在一起的暗物质粒子,会通过某种方式高度聚合,从而产生和传统理论不一样的暗物质分布结构。这一类暗物质是凝结在一起的,形成了一个致密的盘子一样的结构,根据蓝道尔的计算,这个“暗物质盘”和我们银河系的银盘会重合在一起。

而我们的太阳就在这两个盘组成的平面上做水平运动。但是天文观测显示,太阳除了做水平运动,它还会在这个盘面上做上下的垂直运动,它会在这个盘子上玩“跳一跳”,这个跳一跳的周期,正好也是3000万年左右,这和我们前面提到的物种大灭绝周期是吻合的。每次太阳穿过盘面的时候,两个盘加在一起的引力很容易就把奥尔特云的彗星拉出来,形成大规模的彗星雨。

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试想一下,如果暗物质再次让一颗陨石脱离轨道撞向地球,很多人的第一反应往往是像科幻电影中描述的那样:用核弹炸掉它。而蓝道尔认为,这是最糟糕的处理方式,因为这会把一块陨石变成多块陨石,不仅无法阻止撞击,还会让受灾面积增大。还有人还会试图让陨石转向,也就是改变陨石的轨道,但是这需要的能量太过巨大。蓝道尔在书中给出了一种更聪明的方法,既不会增大受灾面积,也不需要让陨石转向,这种方法就是:改变陨石的速度,让它加速或者减速。具体做法就是给陨石装上火箭,只要让它提前或者延后7分钟到达地球轨道就可以了。

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为什么是7分钟呢?7分钟是地球在公转轨道上移动半个身位所需要的时间,只要给地球七分钟,它就能从本该被撞击的位置移开,陨石会和地球擦肩而过。而且越早发现陨石,用来改变它速度所需要的能量就越小。

当然,蓝道尔的想法也不是十全十美的。比如如果这个陨石不是小行星,而是彗星的话,我们知道彗星是有一条长长的尾巴的,这个尾巴中也还是有一些物质的,这些物质与地球发生碰撞,会不会产生致命的灾难?一切还都是未知数。目前,这个技术目前只停留在理论阶段,随着人类科技水平的提高,我们相信这些问题都可以得到解决。

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