《暗物质与恐龙(宇宙万物的互联)》这是一本关于暗物质灭绝恐龙的科普杰作。在对宇宙杰出的探索中，兰道尔用自己的研究揭示了宇宙时空与地球物种的深切关联。6600万年前，一个城市大小的物体从宇宙撞击了地球，造成了一个毁灭性的灾难，杀死了恐龙，还有3/4的地球上其他物种。它的起源是什么?

在《暗物质与恐龙》这本书中，丽莎·兰道尔指出，太阳系的一颗彗星在穿越银河系的暗物质盘时，脱离了轨道，所以造成了这一灾难。所以，在某种程度上，是暗物质让恐龙灭绝了。在这本书种，兰道尔不仅指出了暗物质的属性与作用，还分析了宇宙、星系、太阳系与生命的起源，更分享了自己的最新研究成果，十分值得一读。

6600万年前，一个直径达10公里的物体从宇宙而来，撞击到了地球上，造成了一次毁灭性的灾难，这次灾难造成了“地球霸主”恐龙以及其他75%的物种的灭绝。那么，是什么导致了这个“天外来客”脱轨而出？

如果最终证实是暗物质导致了恐龙的灭绝，你是否相信这一说法？是什么样的证据让很多物理学家和宇宙学家认可这一理论猜想的？

暗物质究竟是什么？暗物质对宇宙结构的最终形成有着怎样不可或缺的作用？宇宙万物如何巧妙地彼此联系，从而改变了宇宙的进化与发展？丽莎·兰道尔著的《暗物质与恐龙(宇宙万物的互联)》将给出你答案！

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

第一部分 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，暗物质存在的最强证据

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 几乎就是最开始：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，太阳系最资深的漂流者

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，最经常的撞击

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:最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

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～6600万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6600万年前，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，还会深人讨论彗星、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。P1-3

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最轻、最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，计划在中国建造的最大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，从而最终导致恐龙的灭绝。

《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。

相信不少读者童年时最感兴趣的话题都与宇宙和恐龙有关。“暗物质”与“恐龙”这两个词放到一起，即使对一些专业的科研人员来说，大概也会觉得十分奇怪。正如作者兰道尔教授所说，人们一般会想到的可能是即将上映的某部科幻大片。当然，这也是《星球大战》系列电影和《侏罗纪公园》系列电影在世界各国都非常流行的原因。

相比于大家没怎么听说过的暗物质，恐龙大概是大家非常熟知，并颇受小朋友喜爱的一种动物了。然而，这个曾经一度统治地球的“大爬虫”为什么在6600万年前突然就灭绝了？这个困扰了科学家多年的问题似乎能被位于由恒星构成的银盘中的暗物质盘所解释。

其实，暗物质作为宇宙的主要构成成分之一，一直以来都是物理学家最感兴趣的研究对象之一。可惜迄今为止，我们对于暗物质性质的了解还非常少。天文观测表明，太阳系在围绕银河系旋转的同时，还在银盘中上上下下地振动。科学家发现，其振动周期和地球上大规模生物灭绝的周期有着某种关联。作者兰道尔教授及其合作者由此推测，太阳系每次经过银盘时，都会引起位于太阳系边缘处的彗星的轨道发生变化，其中一些脱轨的彗星会飞到地球附近，并因地球的强大引力而改变轨道，最终可能冲向地球。你可不要认为这些天体只是晴朗夜空中浪漫的流星，它们撞到地球上的冲击力相当于几十颗原子弹，其后引发的地震、海啸和酸雨等灾害，更是具有大规模的杀伤性——曾经的“地球霸主”恐龙就在这一过程中灭绝的。

《暗物质与恐龙》一书不但展示了相关学科最前沿的进展，而且细致描述了这些学科中与暗物质和恐龙相关的课题的发展历史，以及一些不为人知的趣事。在开始翻译这本书之前，我们曾尝试着猜测暗物质与恐龙背后的联系：暗物质作为宇宙的主要构成成分之一，它对恐龙灭绝的最大贡献可能是其自身引力势对彗星轨道的改变，因此诱发了6600万年前那次导致了恐龙灭绝的大撞击。随着翻译工作的深入，我们发现，事情比当初想象的要复杂得多。作者兰道尔教授分别从宇宙学、天体物理学、地质学、古生物学以及粒子物理学等多个学科，对此问题作出了详细且严谨的论述和分析，涉猎之广、之深都是我们翻译前所没有想到的，所以对于知识有限的我们还是有一定挑战的。

翻译过程虽然不是一帆风顺的，但是整体来说是被惊叹与快乐之情主导。惊叹的是兰道尔教授知识面之广，她从西班牙海滩的化石聊到北美洲矿井下的暗物质直接探测器；从奥尔特云附近的周期性彗星现象聊到当代人类活动对物种多样化的影响。我们在每一个章节几乎都能学到新的东西。快乐的是兰道尔教授用诙谐的笔法把那些看上去晦涩难懂的专业名词描述得直观且活泼，甚至有时，我们会为她睿智的类比而拍案叫绝。我们在翻译时，力争和原书的风格保持一致，即趣味性和科学性相结合。希望读者在享受阅读的同时，也能学习新知识来充实自己。

此外，我们想强调的是，兰道尔教授在书中提出的暗物质模型也只是一种理论猜想，其正确性还有待实验观测来验证。然而，自然界中看似毫不相关的事物之间却有着千丝万缕的联系，这让我们在看待这个世界时，永远充满好奇之心与惊讶之情。更重要的一点是，正如兰道尔教授所指出的，科技进步虽然给人类社会带来了巨大的发展、为人类提供了巨大的便利，但是其后续影响是否真能有利于人类的发展，还难以事先准确估计。所以，我们在对待新的科学技术时，应该持有十分谨慎的态度和真正科学的观点。兰道尔教授提到的第六次生物大灭绝已经在很多地方被科学家们指出，这次大灭绝完全是由于人类活动造成的。不同于彗星那一次相当于几十颗原子弹的能量，人类日常生活的种种小事同样拥有如同原子弹一样的能量，并能逐渐破坏地球环境。为了我们唯一的生存家园，我们也希望大家能更多地关注科学的发展，并为保护我们的地球环境尽一份力。

对于我们来说，翻译此书不仅是文字、语言上的简单转换，更是学习、思考与理解的一次自我升华之旅。真心希望我们的这个翻译作品能帮助读者领略宇宙的奇妙，感受科学的魅力。由于知识、人力以及时间等限制，书中的错误和疏漏之处在所难免，还望读者朋友们不吝指正。

最后，感谢湛庐文化，将如此优秀的科普图书引入了中国；感谢湛庐文化的编辑和其他几位老师，在翻译过程中，她们给了许多帮助和建议。

以此来纪念我们共同翻译的时间。是为后记。

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大尺度的规律！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