暗物质与恐龙灭绝
除了一些虚拟游戏以及科幻大片之外，我们很少会同时听到“暗物质”和“恐龙”这两个词。暗物质是宇宙难以捉摸的组成部分，它能够像普通物质一样通过引力相互作用，却不会发射光或者吸收光。天文学家能够探测到它的引力效应，却看不到它。而对于恐龙，我想我无须多言，这种生物在2.31亿年～6 600万年前可是陆生脊椎动物中的霸主。
尽管暗物质和恐龙各自都很有趣，但你或许会认为，暗物质这种看不见的物质和恐龙这个很受欢迎的代表性生物是完全不相关的。这样想也非常合理，而且这或许就是事实。但是，按照定义，宇宙是一个单一的实体，在原则上，它的各个组成部分会相互作用，因此，本书探讨了一种假设：我和合作者认为，或许是暗物质最终（间接地）导致了恐龙的灭绝。
古生物学家、地质学家和物理学家已经证明，在6 600万年前，一个直径至少为10公里的物体从太空冲向地球，导致了恐龙的灭绝，并杀死了地球上其他3/4的生物。那个天体或许是来自太阳系最外区的一颗彗星，可至今没有人知道为什么这颗彗星的轨道受到了扰动——尽管这颗彗星受到的束缚力很弱，但却很稳定。
我们的理论是，太阳系在通过银河系（由恒星和明亮的尘埃组成的条状带，可以在晴朗的夜晚看到）的中间平面时，遇到了由暗物质构成的盘面，这些暗物质改变了太阳系远处物体的运行轨道，从而导致了这一灾难性的撞击。银河系附近有大量暗物质围绕，形成了一个巨大的光滑且弥散的球形晕。
导致恐龙灭绝的那种暗物质与宇宙中难以理解的大部分暗物质非常不同。那种暗物质会让暗物质晕保持完整，它与众不同的相互作用也会让它凝结成一个盘状物，而这个盘状物正好就处在银河系的中间。这个很薄的区域很可能非常致密，当太阳系通过它时，由于太阳在上下振动的轨道上穿过银河系，因而暗物质盘的引力影响会特别强烈。它的引力非常强大，从而会改变位于太阳系外边缘的彗星的轨道。在那里，与之竞争的太阳引力却太弱，很难将这些彗星控制在轨道上。脱离原轨道的彗星将会从太阳系中被弹出去，又或者会重新向太阳系的中心区域冲去，这时候就很有可能撞击到地球上。
坦白说，我并不确定这个理论是否正确。它只是一类意想不到的暗物质，会对生物产生可测量的影响（严格来说，它们已经不再是“生”物了）。这本书讲述的正是我们对暗物质及其影响的理论猜想。
尽管这些推测性的想法或许有些挑衅，但它们并不是本书的主要焦点。而这些想法对本书内容的重要性，可以和毁灭恐龙的彗星故事中所涉及的背景，以及支撑它的科学知识的重要性相当。这里所说的科学知识，包括一个很完善的宇宙学框架以及有关太阳系的科学知识。同时，我也感到非常幸运，我所研究的课题时常引导着我思考更宏大的问题，比如宇宙是由什么物质构成的，宇宙中空间和时间的本质是什么，以及宇宙中的一切事物是如何进化到今日之貌的。通过这本书，我希望能和读者分享这些收获。
在即将讲述的科学故事中，我的研究课题让我开始更为深刻地思考宇宙学、天体物理学、地质学，甚至生物学。不过我的焦点依旧是基础物理学。在做了许多传统的粒子物理学（关于物质基本构成的研究，比如你正在阅读的这本书的纸或电子屏幕的构成）工作之后，我发现，探索那些有关暗物质世界的已知（或者即将知道）内容也会让人耳目一新。当然，探索基本物理过程对于太阳系和地球的意义也同样重要。
《暗物质与恐龙》这本书解释了我们现有的一些知识，包括宇宙、银河系、太阳系，以及是什么催生了地球的宜居环境并最终诞生了生命。我不仅会讨论暗物质和宇宙，还会深入讨论彗星、小行星、生命的产生和灭绝，尤其是那些坠落到地球并杀死恐龙和其他许多生命的天体。我希望这本书能传达出许多不可思议的联系，这些联系让人类得以出现，让我们现在能够更有意义地理解正在发生的一切。当我们思考地球的今日之貌时，我们或许更想了解地球演化的背景。
当我专注于这本书中的基本概念时，我感到了无限敬畏，常常会陶醉其中，不仅是因为我们对所处环境（包括太阳、银河系和宇宙）的现有了解，还因为从我们所处的这个微小的栖息之地——地球，我们是多么期望能更好地了解它。我被许多现象之间的关联所折服，正是因为这些关联的存在，才最终使人类得以出现。需要澄清的是，我的观点不包含任何宗教意味，所以我无须指定一个目的或者意义。然而，我还是不禁将这种强烈的情感归为某种宗教信仰，尤其当我们逐渐理解了宇宙的无限、我们的过去，以及它们如何完美地组合在一起时。在我们处理日常生活中所犯的那些愚蠢之事时，这种强烈的情感给每一个人都提供了某种新视角。
这个新近的研究结果让我以不同的眼光看待这个世界，以及创造了地球和我们所处的这个宇宙。我成长在纽约市的皇后区，看过很多非常壮观的建筑，但很少能亲近自然。我看到的少许具有自然风貌的地方，也是人工公园或草地，几乎没有地方能够保持原本的自然之貌。然而，当你在沙滩上散步时，你正走在碾碎的生物之上，或至少走在它们的保护壳上。在海滩上或者乡村里，你看到的那些石灰石峭壁，或许也是由生活在几百万年前的生物所构成。山脉起源于相互碰撞的地球板块，而驱动这些板块运动的岩浆是从地心附近放射出的物质。我们的能量来自太阳系的核反应过程，在最初的核反应发生之后，其所产生的能量已经通过多种不同的方式转化并且保存了下来。我们使用的许多资源都是来自外太空的重元素，它们是由小行星或彗星带到地球表面的。一些氨基酸，或者说生命，又或者说生命的种子，也是由小行星带到地球上的。而在这一切发生之前，暗物质坍缩成块，然后吸引了更多物质，最终形成了星系、星系团和类似于太阳系一样的恒星。普通物质虽然很重要，但却不是故事的全部。
尽管我们可能觉得自己生活在一个自成一体的环境的幻象之中，但当太阳在白日升起，月亮和星辰在夜晚出现时，都提醒着我们，地球其实并不孤单。恒星和星云作为更进一步的证据，表明地球存在于一个星系之中，而银河系又处在一个更大的宇宙之中。地球在太阳系内的轨道上运动，四季更迭又告诉我们地球轨道的方位变化；以天和年为单位的时间尺度，也显示了和周围环境的相关性。
不可思议的关联
从本书的研究以及查阅各种文献中，我得到了四个令人鼓舞的经验，在此我想与大家分享。这贴合了我内心对理解宇宙的满足感，理解宇宙的很多方面是如何通过一些不可思议的方式关联起来的。在最基本的层面上，最重要的经验就是：基本粒子物理学、宇宙学以及生物学，是关联在一起的。这些关联不是从某种“新时代”的意义上而言的，而是以一些不可思议的方式关联起来的，这些方式非常值得我们研究。
来自外太空的物体会不时地撞击地球，地球与周围环境的关系“爱恨交织”。行星可以从我们周围的环境中得到一些好处，但其实受到的大部分影响都是致命的。地球所处的位置可以得到合适的温度，对于那些朝向太阳系内运动的小行星和彗星，在它们撞到地球之前，外太阳系区域的行星能够改变它们的轨道。月球和地球之间的距离会让地球轨道变得稳定下来，以防止地球温度发生剧烈变化。同时，外太阳系区域能够屏蔽危险的宇宙射线，防止地球生命受到伤害。撞击地球的流星可能会带来对于生命而言很关键的资源，但它们同时也通过一些有害的方式影响生命的演化轨迹。至少有一个这样的天体在6 600万年前，导致了地球生物发生了一次大规模灭绝，不过话说回来，这次毁灭性的撞击虽然导致了陆栖恐龙灭绝，却为哺乳动物（包括人类）的出现铺平了道路。
第二个经验，也是非常令人印象深刻的一点是，我即将讨论的这些科学发现都是在最近获得的。尽管在任何一个历史时刻人类都可以作出如下声明，但这并不会降低其有效性：在过去的X年，人类的知识已经得到了极大的发展。对于我将描述的研究，这个数字小于50。当我在做研究或阅读别人的研究成果时，我时常惊讶于很多发现是如此之新，并且极具创新性。对于这个世界我们所了解的事物，这些发现时常是令人惊喜的，并且总是有趣的，不过偶尔也是可怕的。可见，科学家在处理这些事物时，人类的聪明才智和执着在不断涌现。本书所呈现的科学认识只是宏大历史框架的冰山一角——是138亿年还是46亿年，取决于你关注的是宇宙还是太阳系。然而，人类揭开这些想法的历史也仅仅100多年而已。
尽管恐龙灭绝发生在6 600万年前，但古生物学家和地质学家直到20世纪七八十年代才推断出了恐龙灭绝的真相。在相关想法首次被提出之后，只花了几十年，科学界就对它们作出了更为全面的评估。这个时间点并非完全是巧合。当宇航员登上月球，近距离观看陨石坑时，太阳系动态本质的详尽证据才向人类徐徐展开。由此，地外天体导致恐龙灭绝的想法才变得可靠起来。
在过去的50年中，粒子物理学和宇宙学取得了重大进展，这让我们了解了粒子物理学的标准模型，就如我们今天所理解的那样——它描述了物质的基本构成。宇宙中暗物质和暗能量的含量也是在20世纪的最后几十年里才被确认。我们对太阳系的认识也在同一时间框架内发生了变化。直到20世纪90年代，科学家才发现冥王星附近的柯伊伯带（Kuiper Belt），这才知道冥王星并不是在独自运动。行星的数目减少了，但你在小学学过的基础科学知识如今变得更丰富、更复杂了。
第三个经验是对进化发生速度的认识。当物种有充足的时间进化时，“自然选择”将允许物种适应。但是，这种适应不是极端的或快速的，而是非常缓慢的。恐龙没有时间为了一个直径约为10公里的天体要撞击地球而先去做准备，它们无法应对这种突发状况。那些被困在陆地上的恐龙体型太大了，根本无处藏身，因而也无处可逃。
每当新想法或新技术出现时，对灾难性变化与渐进性变化的争论就会成为主要问题。理解最新进展（科学或其他）的关键是这些过程的快慢。我经常听到人们说，某些方面，比如遗传学或互联网，其进展非常巨大，这并不完全正确。对疾病或循环系统的进一步了解可以追溯到几百年前，当时它带来的变化像如今的遗传学带来的变化一样深刻。书写文字的出现以及印刷术的发明，都影响了人们获取知识的方式和思考的方式，其影响之大完全不亚于互联网所带来的影响。
随着以上技术的不断发展，如今，变化的一个非常重要的因素就是其快速性。这个话题不仅仅与科学的发展历程相关，也与环境和社会的变化相关。现如今，虽然流星导致死亡的事情已经无须过分担心，但是环境变化和生物灭绝的速度过快却引起了人们的担心。在许多方面，这个影响都是非常显著的。本书讨论的主题将帮助我们更好地理解人类是如何进化到现在这种状态，并鼓励我们如何明智地运用现有知识。
第四个重要的经验是有关于那些不可思议的科学，它描述了这个世界的隐藏元素及其发展，并描述了对于这个宇宙，我们可以了解多少。很多人都对多重宇宙非常着迷，尽管我们无法触及其他宇宙。但至少，那些隐藏世界听起来非常有趣，无论是从生物学的角度还是从物理学的角度而言，我们都有机会去探索和学习更多的相关知识。在本书中，我想让大家知道，思考已知和探索未知，是一件令人振奋的事情。
从大爆炸到毁灭性的撞击
这本书从介绍宇宙学开始。宇宙学是一门有关宇宙如何演化到今日之貌的科学。第一部分介绍了宇宙大爆炸理论、宇宙暴胀理论和宇宙构成。这部分也解释了暗物质是什么，我们如何确定它的存在，以及为什么它与宇宙的结构有关。
暗物质占宇宙物质的85%，而普通物质，比如构成恒星、气体以及人体的物质，只占15%。然而，人们主要关注的还是普通物质的存在性和相关性，因为普通物质的相互作用要强得多。
把所有注意力集中在与其影响力很不成比例的一小部分物质上，是很不明智的。我们可以看到和感受到的这15%的物质，也仅仅是其中一部分。我之后将解释暗物质在宇宙（比如，对从宇宙等离子体中产生的星系和星系团）中，以及对于保持其结构稳定性方面的关键作用。
第二部分详细介绍了太阳系。太阳系本身即使不能作为一部百科全书，但完全可以作为一整本书的主题。所以我将集中讨论可能影响恐龙灭绝的那些要素，比如流星、小行星和彗星。这一部分将描述我们已了解的那些天体，它们或者已经撞击过地球，或者被我们预期在未来会撞到地球。同时，我们还会讨论一下那些稀少但是不容易排除的有关恐龙灭绝的证据，以及每隔大约3 000万年就至少发生一次的流星撞击。在这一部分，我们还会讨论生命的形成以及毁灭，并回顾五次主要的大规模生物灭绝，包括恐龙灭绝的那次灾难。
第三部分和最后一部分集成了前两部分的想法，从暗物质模型的讨论开始，对暗物质的一些常见模型做了解释，以让我们了解暗物质是什么。对之前我们提到的有关暗物质的相互作用，我们也讨论了一些相关的新理论。
当前，我们只知道暗物质和普通物质通过引力相互作用。引力的效应非常微小，我们只能察觉到具有巨大质量的物体的引力，比如地球和太阳之间的引力，即便这种力也是非常微弱的。而你用非常小的一块磁铁就可以吸起一个曲别针——磁力很容易把整个地球的引力都比下去。
暗物质也可能会感受到其他力。人们通常假设，我们熟知的事物是独一无二的，这是因为电磁力、弱相互作用力和强相互作用力之间存在相互作用。而我们的新模型对这种假设和偏见提出了挑战。物质间的传统作用力比引力要强很多，这可以解释世界上的许多有趣特性。但是，如果一些暗物质也能够感受到非引力的相互作用，那会怎么样呢？如果这个假设成立，暗物质的力量可能会引出基本粒子和宏观现象之间关联的明显证据，可能比我们已经知道的许多联系都更为深刻。
原则上来说，宇宙中的一切事物都可能存在相互作用，而大多数这种相互作用通常都很微弱，不容易被察觉到，只有那些通过可探测方式影响我们的事物才能够被观测到。如果你有某个东西只能施加或者感受到非常小的作用力，那么即使它就在你的眼前，你也不会察觉到它。这大概就是为什么，虽然单个暗物质粒子或许就在我们周围，但到目前为止还没能被探测到的原因。
本书第三部分展示了我们应该如何更广泛地思考暗物质。比如，为什么暗物质的世界如此简单，而我们的世界却如此复杂？这可能会引导我们思考一些新的可能性。也许一部分暗物质能够感受到它自己的力，愿意的话你可以称它为“暗光”。如果大多数暗物质通常属于相对没有影响的那85%的话，我们可以认为暗物质是一种“向上运动的中产阶级”[1]，它的相互作用和我们熟悉的普通物质非常类似。这些额外的相互作用将会影响星系的构成，并且因为相互作用，这部分暗物质会影响由普通物质构成的恒星和其他天体的运动。
未来5年里，卫星观测将能够比过去更为详细地测量星系的形状、组成和性质，告诉我们更多有关银河系环境的性质，同时检验我们的猜想是否属实。这种可观察的影响意味着，暗物质和我们的模型将会被科学所证实，即使暗物质不是构成人类的“积木”，也仍然很值得探索。暗物质的影响可能包括流星撞击事件，其中一次撞击就有可能成为恐龙灭绝的原因，就如本书书名所暗示的那样。
把这些现象关联起来的背景和概念，为我们提供了一个有关广阔宇宙的三维图景。我写这本书的目的是分享这些想法，并鼓励读者去探索和欣赏我们这个世界，并不断深入地了解它那非凡的丰富性。