苗千：暗物质与恐龙

文 / 苗千

本文选自《新知》2016年第1期（总第13期）

“暗物质”和“恐龙”这两个名词，每一个都能迅速吸引读者的目光，搭配在一起却显得有些不伦不类，难免让人想到以前常在报刊亭出现的《葫芦娃大战变形金刚》之类的漫画。丽莎·蓝道尔（Lisa Randall），美国理论物理学家、粒子物理学家、宇宙学家、哈佛大学物理系教授，她的新作以《暗物质与恐龙》（Dark Matter and Dinosaurs）为题。从作者的背景中我们即可以大致推断出本书的内容，大部分讨论的是我们的宇宙、太阳系、地球、暗物质——以及它和恐龙灭绝之间可能存在的联系。

蓝道尔教授并非一心投身书斋不闻窗外事的哈佛教授，她被媒体称为美国的“巨星科学家”，曾经出席过各种电视访谈，还曾在情景喜剧《生活大爆炸》中客串。《暗物质与恐龙》是她的第四本畅销书，全书在娓娓讲述了宇宙的演化史之后，在结尾处点题，再一次讲述了她的观点：正是银河系中心的暗物质层造成了6600万年前地球上恐龙和其他四分之三生命的灭绝。

蓝道尔教授并不是唯一持有这种观点的学者。除了她的合作者、哈佛大学物理学教授马修·里斯（Matthew Reece）之外，纽约大学的生物学教授迈克尔·兰皮诺（Michael Rampino）也曾经发表论文，证明暗物质是造成地球生命周期性毁灭的主要原因。我们的宇宙大约有138亿年的历史，地球的年龄大约是46亿年，而曾经支配地球一亿多年的霸主恐龙则在大约6600万年之前灭绝，与其一同消失的还有地球表面四分之三的生命。人类了解到这些事实、掌握这些数字，不过只有三四十年的历史而已，想要理解其中的因果关系，恐怕还需要更久的时间。实际上，距离弗里茨·兹威基（Fritz Zwicky）在1933年首次通过宇宙观测提出暗物质存在的假说也只有80多年的时间，其中还有40多年不被科学界的主流所认可，暗物质被科学界接受、进而成为宇宙学研究最前沿最为炙手可热的课题不过只有三四十年。

我们所居住的银河系的主体呈现出一个扁平的圆盘形状，这是一个富集着恒星和星际气体，星际尘埃的宽度大约为130000光年的圆盘，在足有2000光年厚的圆盘中心是一个相当于400万个太阳质量的超大型黑洞。但是，仅仅从人类观测到的银河系物质来看，银河系自身并不足以维持这样一个扁平、旋转的星系结构，仅凭我们所观察到的物质提供的引力，银河系将会向宇宙各处发散。这是因为人类所能观测到的物质仅占银河系总质量的15%左右，其余的85%则来自于仅仅能够通过引力效应探测到的暗物质，它们才是把整个星系维系在一起的关键。

蓝道尔教授对于“暗物质”这个名字并不满意，认为它容易给人以一种负面印象，并且不准确，叫做“透明物质”显然更加合适。暗物质并不参与强相互作用或电磁相互作用，因此无法被电磁波探测到，无论把它加热到多高的温度它都不可能发射出光子——蓝道尔教授认为这种情况再正常不过，人类不可能拥有完美的感官，足以感知到宇宙中的一切，这同样也是对于人类学家的重要一课。

现在人类对于暗物质几乎仍然一无所知，虽然目前人类所观测到的宇宙形态符合物理学家们针对暗物质和暗能量建立的模型，但是对于暗物质的本质——它是否和普通物质一样由基本粒子构成？有几种暗物质粒子？它如何运动？除了引力作用之外它还参其他何种相互作用？种种猜想之外人类仍然一头雾水。可以确定的是，暗物质的存在对于整个星系、甚至人类的存在都有重要作用，弥漫在整个星系内部的暗物质虽然对于地球的引力作用微乎其微，但是在维系整个星系的架构上起着主导作用。蓝道尔教授认为，在银河系扁平的圆盘上，比较均匀地分布着一层暗物质，在每平方光年区域内的暗物质大约有相当于一个太阳的质量。这些暗物质不仅维系着整个星系，而且可以把很多珍贵的资源保留在星系内部。地球上大多数的重元素都来自于银河系内部的超新星爆发，超新星爆发在产生出大量重元素的同时，其巨大推力也足以把这些宝贵的资源喷射到银河系之外、变为宇宙尘埃，正是暗物质的引力作用发挥了关键作用，才把这些资源保留下来，成为日后形成新行星的材料。

在银河系数以千亿计的恒星当中，以太阳为核心形成的太阳系在银河系圆盘的外围，但太阳系在圆盘中的位置并非一成不变，每两亿五千万年太阳系会绕行银河系一周。这种环绕并不平稳，还伴以上下的波动，受着圆盘中物质和暗物质的引力影响，太阳系在以每秒钟220公里的速度绕行银河系的同时（这其中也有暗物质引力的贡献，如果没有暗物质，太阳系运行的速度将只有每秒钟150公里），大约每3000万年便会穿越一次银河系的圆盘。蓝道尔教授认为，这正是地球在大约每3000万年到3500万年之间就会发生一次生命大灭绝的主要原因。

此前也有科学家认为，太阳系周期性地穿越银河系圆盘，圆盘中的星际气体和尘埃可能对地球产生影响，但是最新的研究表明，暗物质可能发挥了更大的作用。暗物质的引力效应可能会改变太阳系内众多的彗星和小行星的运行轨道，把它们引入太阳系内部，使地球遭受重大打击的几率极大的提高。在6600万年前，可能正是一颗直径超过10公里的物体撞击地球，造成了恐龙的灭绝，这次撞击地球的物体可能正是受到了暗物质引力的影响。除此之外，地球表面还有数以百计的小行星撞击留下的痕迹，这些撞击发生的时间并非平均，只是大约也以3000万年为周期呈现出高潮。

银河系中心的暗物质对于地球的干扰，可能并不仅仅在于扰乱太阳系内天体运行轨道，还有可能直接作用于地球的核心。纽约大学的兰皮诺教授认为，当地球穿越暗物质区域，暗物质粒子可能会发生相互作用，产生大量的热量，进而大幅度提高地球内部的温度，由此导致地球火山更加频繁爆发、地球磁极反转、海平面上升，这些都是导致地球生物大范围灭亡的因素。

关于“银河系中心圆盘的暗物质导致地球生物周期性灭亡”的假说，尽管众多科学家已经在主流科学杂志上发表数篇论文进行论证，蓝道尔教授的新书也以此命名，但是要主流科学界对其正式接受显然为时尚早。作为一个假说，它缺少成为一个科学理论的要素：预测性和可证伪性。这个假说专注于解释目前人类已经发现的现象，而无法对未来进行预测，同时，对于一个以3000万年为周期的理论，想要证伪也不容易。这个假说也正是说明了人类对于暗物质探测以及宇宙学研究的现状——人类对于宇宙和自身太多的事实尚且一无所知。蓝道尔教授认为与其说人类进入了宇宙学的文艺复兴时代，不如说我们仍然处于黑暗时代。我们执着地寻找光明，对于弥漫在我们周围的黑暗却一无所知。

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