暗物質與恐龍滅絕
除了一些虛擬遊戲以及科幻大片之外，我們很少會同時聽到“暗物質”和“恐龍”這兩個詞。暗物質是宇宙難以捉摸的組成部分，它能夠像普通物質一樣通過引力相互作用，卻不會發射光或者吸收光。天文學家能夠探測到它的引力效應，卻看不到它。而對於恐龍，我想我無須多言，這種生物在2.31億年～6 600萬年前可是陸生脊椎動物中的霸主。
儘管暗物質和恐龍各自都很有趣，但你或許會認為，暗物質這種看不見的物質和恐龍這個很受歡迎的代表性生物是完全不相關的。這樣想也非常合理，而且這或許就是事實。但是，按照定義，宇宙是一個單一的實體，在原則上，它的各個組成部分會相互作用，因此，本書探討了一種假設：我和合作者認為，或許是暗物質最終（間接地）導致了恐龍的滅絕。
古生物學家、地質學家和物理學家已經證明，在6 600萬年前，一個直徑至少為10公里的物體從太空衝向地球，導致了恐龍的滅絕，並殺死了地球上其他3/4的生物。那個天體或許是來自太陽系最外區的一顆彗星，可至今沒有人知道為什麼這顆彗星的軌道受到了擾動——儘管這顆彗星受到的束縛力很弱，但卻很穩定。
我們的理論是，太陽系在通過銀河系（由恆星和明亮的塵埃組成的條狀帶，可以在晴朗的夜晚看到）的中間平面時，遇到了由暗物質構成的盤面，這些暗物質改變了太陽系遠處物體的運行軌道，從而導致了這一災難性的撞擊。銀河系附近有大量暗物質圍繞，形成了一個巨大的光滑且瀰散的球形暈。
導致恐龍滅絕的那種暗物質與宇宙中難以理解的大部分暗物質非常不同。那種暗物質會讓暗物質暈保持完整，它與眾不同的相互作用也會讓它凝結成一個盤狀物，而這個盤狀物正好就處在銀河系的中間。這個很薄的區域很可能非常緻密，當太陽系通過它時，由於太陽在上下振動的軌道上穿過銀河系，因而暗物質盤的引力影響會特別強烈。它的引力非常強大，從而會改變位於太陽系外邊緣的彗星的軌道。在那裡，與之競爭的太陽引力卻太弱，很難將這些彗星控制在軌道上。脫離原軌道的彗星將會從太陽系中被彈出去，又或者會重新向太陽系的中心區域衝去，這時候就很有可能撞擊到地球上。
坦白說，我並不確定這個理論是否正確。它只是一類意想不到的暗物質，會對生物產生可測量的影響（嚴格來說，它們已經不再是“生”物了）。這本書講述的正是我們對暗物質及其影響的理論猜想。
儘管這些推測性的想法或許有些挑釁，但它們並不是本書的主要焦點。而這些想法對本書內容的重要性，可以和毀滅恐龍的彗星故事中所涉及的背景，以及支撐它的科學知識的重要性相當。這裡所說的科學知識，包括一個很完善的宇宙學框架以及有關太陽系的科學知識。同時，我也感到非常幸運，我所研究的課題時常引導著我思考更宏大的問題，比如宇宙是由什麼物質構成的，宇宙中空間和時間的本質是什麼，以及宇宙中的一切事物是如何進化到今日之貌的。通過這本書，我希望能和讀者分享這些收穫。
在即將講述的科學故事中，我的研究課題讓我開始更為深刻地思考宇宙學、天體物理學、地質學，甚至生物學。不過我的焦點依舊是基礎物理學。在做了許多傳統的粒子物理學（關於物質基本構成的研究，比如你正在閱讀的這本書的紙或電子屏幕的構成）工作之後，我發現，探索那些有關暗物質世界的已知（或者即將知道）內容也會讓人耳目一新。當然，探索基本物理過程對於太陽系和地球的意義也同樣重要。
《暗物質與恐龍》這本書解釋了我們現有的一些知識，包括宇宙、銀河系、太陽系，以及是什麼催生了地球的宜居環境並最終誕生了生命。我不僅會討論暗物質和宇宙，還會深入討論彗星、小行星、生命的產生和滅絕，尤其是那些墜落到地球並殺死恐龍和其他許多生命的天體。我希望這本書能傳達出許多不可思議的聯繫，這些聯繫讓人類得以出現，讓我們現在能夠更有意義地理解正在發生的一切。當我們思考地球的今日之貌時，我們或許更想瞭解地球演化的背景。
當我專注於這本書中的基本概念時，我感到了無限敬畏，常常會陶醉其中，不僅是因為我們對所處環境（包括太陽、銀河系和宇宙）的現有瞭解，還因為從我們所處的這個微小的棲息之地——地球，我們是多麼期望能更好地瞭解它。我被許多現象之間的關聯所折服，正是因為這些關聯的存在，才最終使人類得以出現。需要澄清的是，我的觀點不包含任何宗教意味，所以我無須指定一個目的或者意義。然而，我還是不禁將這種強烈的情感歸為某種宗教信仰，尤其當我們逐漸理解了宇宙的無限、我們的過去，以及它們如何完美地組合在一起時。在我們處理日常生活中所犯的那些愚蠢之事時，這種強烈的情感給每一個人都提供了某種新視角。
這個新近的研究結果讓我以不同的眼光看待這個世界，以及創造了地球和我們所處的這個宇宙。我成長在紐約市的皇后區，看過很多非常壯觀的建築，但很少能親近自然。我看到的少許具有自然風貌的地方，也是人工公園或草地，幾乎沒有地方能夠保持原本的自然之貌。然而，當你在沙灘上散步時，你正走在碾碎的生物之上，或至少走在它們的保護殼上。在海灘上或者鄉村裡，你看到的那些石灰石峭壁，或許也是由生活在幾百萬年前的生物所構成。山脈起源於相互碰撞的地球板塊，而驅動這些板塊運動的岩漿是從地心附近放射出的物質。我們的能量來自太陽系的核反應過程，在最初的核反應發生之後，其所產生的能量已經通過多種不同的方式轉化並且保存了下來。我們使用的許多資源都是來自外太空的重元素，它們是由小行星或彗星帶到地球表面的。一些氨基酸，或者說生命，又或者說生命的種子，也是由小行星帶到地球上的。而在這一切發生之前，暗物質坍縮成塊，然後吸引了更多物質，最終形成了星系、星系團和類似於太陽系一樣的恆星。普通物質雖然很重要，但卻不是故事的全部。
儘管我們可能覺得自己生活在一個自成一體的環境的幻象之中，但當太陽在白日昇起，月亮和星辰在夜晚出現時，都提醒著我們，地球其實並不孤單。恆星和星雲作為更進一步的證據，表明地球存在於一個星系之中，而銀河系又處在一個更大的宇宙之中。地球在太陽系內的軌道上運動，四季更迭又告訴我們地球軌道的方位變化；以天和年為單位的時間尺度，也顯示了和周圍環境的相關性。
不可思議的關聯
從本書的研究以及查閱各種文獻中，我得到了四個令人鼓舞的經驗，在此我想與大家分享。這貼合了我內心對理解宇宙的滿足感，理解宇宙的很多方面是如何通過一些不可思議的方式關聯起來的。在最基本的層面上，最重要的經驗就是：基本粒子物理學、宇宙學以及生物學，是關聯在一起的。這些關聯不是從某種“新時代”的意義上而言的，而是以一些不可思議的方式關聯起來的，這些方式非常值得我們研究。
來自外太空的物體會不時地撞擊地球，地球與周圍環境的關係“愛恨交織”。行星可以從我們周圍的環境中得到一些好處，但其實受到的大部分影響都是致命的。地球所處的位置可以得到合適的溫度，對於那些朝向太陽系內運動的小行星和彗星，在它們撞到地球之前，外太陽系區域的行星能夠改變它們的軌道。月球和地球之間的距離會讓地球軌道變得穩定下來，以防止地球溫度發生劇烈變化。同時，外太陽系區域能夠屏蔽危險的宇宙射線，防止地球生命受到傷害。撞擊地球的流星可能會帶來對於生命而言很關鍵的資源，但它們同時也通過一些有害的方式影響生命的演化軌跡。至少有一個這樣的天體在6 600萬年前，導致了地球生物發生了一次大規模滅絕，不過話說回來，這次毀滅性的撞擊雖然導致了陸棲恐龍滅絕，卻為哺乳動物（包括人類）的出現鋪平了道路。
第二個經驗，也是非常令人印象深刻的一點是，我即將討論的這些科學發現都是在最近獲得的。儘管在任何一個歷史時刻人類都可以作出如下聲明，但這並不會降低其有效性：在過去的X年，人類的知識已經得到了極大的發展。對於我將描述的研究，這個數字小於50。當我在做研究或閱讀別人的研究成果時，我時常驚訝於很多發現是如此之新，並且極具創新性。對於這個世界我們所瞭解的事物，這些發現時常是令人驚喜的，並且總是有趣的，不過偶爾也是可怕的。可見，科學家在處理這些事物時，人類的聰明才智和執著在不斷湧現。本書所呈現的科學認識只是宏大歷史框架的冰山一角——是138億年還是46億年，取決於你關注的是宇宙還是太陽系。然而，人類揭開這些想法的歷史也僅僅100多年而已。
儘管恐龍滅絕發生在6 600萬年前，但古生物學家和地質學家直到20世紀七八十年代才推斷出了恐龍滅絕的真相。在相關想法首次被提出之後，只花了幾十年，科學界就對它們作出了更為全面的評估。這個時間點並非完全是巧合。當宇航員登上月球，近距離觀看隕石坑時，太陽系動態本質的詳盡證據才向人類徐徐展開。由此，地外天體導致恐龍滅絕的想法才變得可靠起來。
在過去的50年中，粒子物理學和宇宙學取得了重大進展，這讓我們瞭解了粒子物理學的標準模型，就如我們今天所理解的那樣——它描述了物質的基本構成。宇宙中暗物質和暗能量的含量也是在20世紀的最後幾十年裡才被確認。我們對太陽系的認識也在同一時間框架內發生了變化。直到20世紀90年代，科學家才發現冥王星附近的柯伊伯帶（Kuiper Belt），這才知道冥王星並不是在獨自運動。行星的數目減少了，但你在小學學過的基礎科學知識如今變得更豐富、更複雜了。
第三個經驗是對進化發生速度的認識。當物種有充足的時間進化時，“自然選擇”將允許物種適應。但是，這種適應不是極端的或快速的，而是非常緩慢的。恐龍沒有時間為了一個直徑約為10公里的天體要撞擊地球而先去做準備，它們無法應對這種突發狀況。那些被困在陸地上的恐龍體型太大了，根本無處藏身，因而也無處可逃。
每當新想法或新技術出現時，對災難性變化與漸進性變化的爭論就會成為主要問題。理解最新進展（科學或其他）的關鍵是這些過程的快慢。我經常聽到人們說，某些方面，比如遺傳學或互聯網，其進展非常巨大，這並不完全正確。對疾病或循環系統的進一步瞭解可以追溯到幾百年前，當時它帶來的變化像如今的遺傳學帶來的變化一樣深刻。書寫文字的出現以及印刷術的發明，都影響了人們獲取知識的方式和思考的方式，其影響之大完全不亞於互聯網所帶來的影響。
隨著以上技術的不斷發展，如今，變化的一個非常重要的因素就是其快速性。這個話題不僅僅與科學的發展歷程相關，也與環境和社會的變化相關。現如今，雖然流星導致死亡的事情已經無須過分擔心，但是環境變化和生物滅絕的速度過快卻引起了人們的擔心。在許多方面，這個影響都是非常顯著的。本書討論的主題將幫助我們更好地理解人類是如何進化到現在這種狀態，並鼓勵我們如何明智地運用現有知識。
第四個重要的經驗是有關於那些不可思議的科學，它描述了這個世界的隱藏元素及其發展，並描述了對於這個宇宙，我們可以瞭解多少。很多人都對多重宇宙非常著迷，儘管我們無法觸及其他宇宙。但至少，那些隱藏世界聽起來非常有趣，無論是從生物學的角度還是從物理學的角度而言，我們都有機會去探索和學習更多的相關知識。在本書中，我想讓大家知道，思考已知和探索未知，是一件令人振奮的事情。
從大爆炸到毀滅性的撞擊
這本書從介紹宇宙學開始。宇宙學是一門有關宇宙如何演化到今日之貌的科學。第一部分介紹了宇宙大爆炸理論、宇宙暴脹理論和宇宙構成。這部分也解釋了暗物質是什麼，我們如何確定它的存在，以及為什麼它與宇宙的結構有關。
暗物質占宇宙物質的85%，而普通物質，比如構成恆星、氣體以及人體的物質，只佔15%。然而，人們主要關注的還是普通物質的存在性和相關性，因為普通物質的相互作用要強得多。
把所有注意力集中在與其影響力很不成比例的一小部分物質上，是很不明智的。我們可以看到和感受到的這15%的物質，也僅僅是其中一部分。我之後將解釋暗物質在宇宙（比如，對從宇宙等離子體中產生的星系和星系團）中，以及對於保持其結構穩定性方面的關鍵作用。
第二部分詳細介紹了太陽系。太陽系本身即使不能作為一部百科全書，但完全可以作為一整本書的主題。所以我將集中討論可能影響恐龍滅絕的那些要素，比如流星、小行星和彗星。這一部分將描述我們已瞭解的那些天體，它們或者已經撞擊過地球，或者被我們預期在未來會撞到地球。同時，我們還會討論一下那些稀少但是不容易排除的有關恐龍滅絕的證據，以及每隔大約3 000萬年就至少發生一次的流星撞擊。在這一部分，我們還會討論生命的形成以及毀滅，並回顧五次主要的大規模生物滅絕，包括恐龍滅絕的那次災難。
第三部分和最後一部分集成了前兩部分的想法，從暗物質模型的討論開始，對暗物質的一些常見模型做了解釋，以讓我們瞭解暗物質是什麼。對之前我們提到的有關暗物質的相互作用，我們也討論了一些相關的新理論。
當前，我們只知道暗物質和普通物質通過引力相互作用。引力的效應非常微小，我們只能察覺到具有巨大質量的物體的引力，比如地球和太陽之間的引力，即便這種力也是非常微弱的。而你用非常小的一塊磁鐵就可以吸起一個曲別針——磁力很容易把整個地球的引力都比下去。
暗物質也可能會感受到其他力。人們通常假設，我們熟知的事物是獨一無二的，這是因為電磁力、弱相互作用力和強相互作用力之間存在相互作用。而我們的新模型對這種假設和偏見提出了挑戰。物質間的傳統作用力比引力要強很多，這可以解釋世界上的許多有趣特性。但是，如果一些暗物質也能夠感受到非引力的相互作用，那會怎麼樣呢？如果這個假設成立，暗物質的力量可能會引出基本粒子和宏觀現象之間關聯的明顯證據，可能比我們已經知道的許多聯繫都更為深刻。
原則上來說，宇宙中的一切事物都可能存在相互作用，而大多數這種相互作用通常都很微弱，不容易被察覺到，只有那些通過可探測方式影響我們的事物才能夠被觀測到。如果你有某個東西只能施加或者感受到非常小的作用力，那麼即使它就在你的眼前，你也不會察覺到它。這大概就是為什麼，雖然單個暗物質粒子或許就在我們周圍，但到目前為止還沒能被探測到的原因。
本書第三部分展示了我們應該如何更廣泛地思考暗物質。比如，為什麼暗物質的世界如此簡單，而我們的世界卻如此複雜？這可能會引導我們思考一些新的可能性。也許一部分暗物質能夠感受到它自己的力，願意的話你可以稱它為“暗光”。如果大多數暗物質通常屬於相對沒有影響的那85%的話，我們可以認為暗物質是一種“向上運動的中產階級”[1]，它的相互作用和我們熟悉的普通物質非常類似。這些額外的相互作用將會影響星系的構成，並且因為相互作用，這部分暗物質會影響由普通物質構成的恆星和其他天體的運動。
未來5年裡，衛星觀測將能夠比過去更為詳細地測量星系的形狀、組成和性質，告訴我們更多有關銀河系環境的性質，同時檢驗我們的猜想是否屬實。這種可觀察的影響意味著，暗物質和我們的模型將會被科學所證實，即使暗物質不是構成人類的“積木”，也仍然很值得探索。暗物質的影響可能包括流星撞擊事件，其中一次撞擊就有可能成為恐龍滅絕的原因，就如本書書名所暗示的那樣。
把這些現象關聯起來的背景和概念，為我們提供了一個有關廣闊宇宙的三維圖景。我寫這本書的目的是分享這些想法，並鼓勵讀者去探索和欣賞我們這個世界，並不斷深入地瞭解它那非凡的豐富性。