暗物質與恐龍：宇宙萬物的互聯（簡體書）

麗莎·蘭道爾

國際理論物理學權威，粒子物理學、弦理論、宇宙學專家。當今全球最權威的額外維度物理學家。挑戰愛因斯坦，9年實驗首度提出第五維空間，震驚全球物理界。

普林斯頓大學物理系第一位女性終身教授，哈佛大學、麻省理工學院第一位女性理論物理學終身教授。

《時代週刊》“100位具有影響力人物”之一，《紐約時報》超級暢銷書作家，並登上《時尚》雜誌封面。

湛廬文化“科學素養”書系di一套重量級科普書系——理論物理學大師麗莎?蘭道爾“宇宙三部曲”重磅上市。

向愛因斯坦宣戰的理論物理學大師、當今世界著名的額外維度物理學家麗莎?蘭道爾風靡世界之作。

眾多著名科學家與科學達人摯愛推薦。美國匹茲堡大學物理天文系傑出教授韓濤，中國科學院高能物理研究所和國家天文台雙聘研究員張雙南，國家天文台研究員及宇宙暗物質與暗能量研究團組首席科學家陳學雷，北京天文館館長朱進，中國科學院國家天文台研究員苟利軍，科幻作家、北京師範大學教授吳岩，科學作家萬維鋼，2016年雨果獎獲得者、《北京折疊》作者郝景芳等眾多科學家與科學達人摯愛推薦。

湛廬文化特設“科學素養”書系專家委員會。其中，“嫦娥之父”歐陽自遠擔任委員會主席，其他委員有的來自中國科學院國家天文台，有的來自中國科學院高能物理研究所，有的來自國內物理學界知名學府清華大學、北京師範大學與中山大學，有的來自大洋彼岸的名校加州理工學院。這些專家學者匯集到一起，只願把前沿的科學成果傳遞給讀者，將科學家的真實的科研世界展現在讀者面前。

湛廬文化出品。

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人類真的生活在一個具有多維空間的膜宇宙之上嗎？暗物質真的是毀滅“地球霸主”恐龍的“幕後黑手”？發現了“上帝粒子”希格斯玻色子的大型強子對撞機，以及未來的超級對撞機，會為這些玄妙的問題提供深刻的答案嗎？聽天才理論物理學家麗莎?蘭道爾教授用妙趣橫生的案例、通俗易懂的語言，對科學求索的真相與未來娓娓道來，讓人欲罷不能。這是時下科學研究前沿振聾發聵的聲音！振奮人心，啟迪心智！

——韓濤

著名理論物理學家，美國匹茲堡大學物理天文系傑出教授

匹茲堡大學粒子物理、天體物理及宇宙學中心主任

我們還沒有探測到暗物質，但恐龍的滅絕竟然是暗物質造成的？蘭道爾“宇宙三部曲”將告訴讀者，想理解地球和人類的現在、歷史與未來，我們必須搞清楚物質深層次的結構和宇宙大尺度的規律！唉，我真為其他想寫類似主題的作家們擔心，再寫出這麼出色的書恐怕很難了。

——張雙南

中國科學院高能物理研究所和國家天文台雙聘研究員

中國科學院粒子天體物理重點實驗室主任

蘭道爾教授先後在麻省理工學院、普林斯頓大學、哈佛大學這幾所世界著名的大學擔任理論物理學教授，並一直開展著前沿的科學研究。在這套科普書中，蘭道爾教授介紹了物理學家們是如何研究、探索宇宙之謎的。她並不滿足於僅僅介紹那些已經被廣泛接受的科學知識，而是著重展示科學家們現在正在進行的猜想和探索，使讀者真切地欣賞到科學研究的豐富多彩和趣味，體驗科學家們在構造假說、探索未知、獲得新發現時所體驗到的激情。我相信，想了解科學探索前沿的讀者一定會享受閱讀這套書帶來的樂趣。

——陳學雷

國家傑出青年科學基金獎獲得者

國家天文台研究員及宇宙暗物質與暗能量研究團組首席科學家

在蘭道爾教授的筆下，額外維度、暗物質、暗能量、對撞機，這些科學家的“燒腦夥伴”也變得平易近人起來。這套科普書通俗易懂，與晦澀無緣，揭示了即使是門外漢都讀得懂的宇宙真相。

——朱進

北京天文館館長

幾千年來，人類一直在試圖回答“宇宙是什麼”這一古老問題。現代天文觀測和研究揭示，宇宙包含了時空和普通物質以及很多神秘“角色”。作為世界知名的粒子物理學家，哈佛大學物理系教授麗莎·蘭道爾在她的這套科普書中，以其淵博的知識、廣闊的視野、通俗的語言，以及豐富有趣的事例，給我們講述了宇宙的基本組成和包含萬物的時空，非常值得一讀。作者大膽推斷，地球上恐龍的滅絕與銀河系中的某種暗物質有關。如果這能夠被證實，將顛覆我們對宇宙神秘物質的現有認識。

——苟利軍

中國科學院國家天文台研究員，中國科學院大學教授

“第十一屆文津獎”獲獎圖書《星際穿越》譯者

簡明扼要、通俗易懂、內容獨創。地球人非讀不可！

——吳岩

科幻作家，北京師範大學教授

過去幾十年來，理論物理學中酷的話題已經從量子力學、相對論和黑洞變成了超弦、希格斯粒子和暗物質。如果說，黑洞讓人著迷、量子力學讓人困惑、相對論讓人腦洞大開，那這些新概念則更難讓人理解！不過一旦你理解了，就會獲得更大的智力愉悅感。物理學家一直致力於在不用公式的情況下讓公眾理解物理學，麗莎·蘭道爾正是這項事業的新晉翹楚。她用一貫的機智語言告訴我們，這一代的物理學正在發生什麼。

——萬維鋼（同人於野）

科學作家，暢銷書《萬萬沒想到》作者

“得到”App《萬維鋼·精英日課》專欄作家

在這個信息爆炸的時代，我們收到的碎片化信息太多，反而難以獲得真知。碎片化文章看得再多，也不如讀一本真正的好書，尤其是深入淺出、結構恢弘的好書。蘭道爾“宇宙三部曲”就是難得一見的、視野遼闊的好書，每一本都選擇了令人好奇的話題：宇宙結構、宇宙歷史、宇宙物質，並且還與恐龍滅絕這樣有趣的話題相結合，更加吸引人，讓人讀起來手不釋卷。而為難得的是，蘭道爾的文筆簡潔、優美，你在書中找不到像一般物理學科普圖書那種艱深晦澀的語句。她用小說一樣的文筆娓娓道來，讓你理解人類對宇宙全面的認知。

——郝景芳

2016年雨果獎獲得者，《北京折疊》作者

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《暗物質與恐龍》是科普作品中的傑作：既像一個展示了科學研究本質的偵探故事，又解釋了人類的存在如何與充盈宇宙的暗物質那意想不到的性質，聯繫在了一起。

——基普·索恩

天體物理學巨擘，暢銷書《星際穿越》作者，加州理工學院理論物理學教授

知名物理學家麗莎·蘭道爾為世界上古老的“謀殺謎案”之一——恐龍的滅絕，帶來了新的轉折。她以生動的寫作手法和通俗易懂的解釋方式，令人信服地暗示了一個導致那次襲擊的新“嫌犯”：暗物質。

——麥克斯·泰格馬克

麻省理工學院物理學家，2003 年度世界十大科學成就獎獲得者

只有麗莎· 蘭道爾可以帶領我們經歷這樣一場激動人心的科學旅行——從恐龍到DNA，到彗星，到暗物質，再到人類的過去和未來。蘭道爾的研究是如此徹底，故事是如此強大，她的講述是如此具有說服力，以至於我都無法把這本書放下。

——悉達多·穆克吉

哥倫比亞大學醫學中心癌症醫師和研究員，暢銷書《眾病之王》作者

麗莎·蘭道爾創作了一本集樂趣和洞察力於一體的書，出色地將宇宙和生物這兩個主題編織在了一起……用一條簡單、優雅的理論解釋通了大規模生物滅絕事件。這本書對於任何一個對“地球生命是否仍舊安全”感興趣的人來說，都是必讀書目

——傑克·霍納

美國古生物學家,《侏羅紀公園》系列電影技術顧問

《暗物質與恐龍》是對科學家如何發現人類生存奧秘，以及廣闊宇宙之間深層聯繫的挑釁和揭示。這是一本非常棒的讀物。

——蒂莫西·費瑞斯

NASA 長期太空探索顧問，《銀河系簡史》作者

成功的科學寫作需要講述一個完整的“如何”，然後有條不紊地把“為什麼”講解清楚——蘭道爾教授就是這樣做的！

——《紐約時報》

蘭道爾以一種有趣且引人入勝的方式，成功地引導讀者穿越了宇宙和地球的歷史，穿越了從宇宙大爆炸到生命出現的歷史。閱讀本書，無論是對外行讀者，還是對科學家來說，都是一次非常愉快的閱讀體驗。

——《科學》

蘭道爾的理論本身就是引人入勝的。在這個理論中，一些尖端學科被應用其中，包括對暗物質大膽的重新定義，它開啟了一個對尖端科學的啟蒙調查。正如蘭道爾在《叩響天堂之門》《彎曲的旅行》中所做的，她給我們帶來了令人興奮的新理念。

——《書單》

以看似閒談的行文風格，蘭道爾為我們打開了一扇令人著迷的窗口，讓我們得以洞察新發現的興奮之情以及新假說檢驗和構思所需要的嚴謹。這是來自研究人員的一流科學著作。

——《科克斯書評》

序言

《暗物質與恐龍》的中文版序：

宇宙的故事

得知我的三本書將在中國出版，我感到十分興奮。不論在理論物理學還是在實驗物理學的舞臺上，中國都在扮演著日益重要的角色。

我有一些優秀的中國學生以及博士後，而且我也發現，近年來在中國這片土地上，人們對我研究方向的興趣正在不斷增長。不僅如此，中國的實驗物理學也在近期取得了一些重要成果。例如，在大亞灣中微子實驗室中對最輕、最重中微子混合的振盪測量，其結果震驚了世人，而且它比人們的預期早了至少一年。現有的暗物質探測器，包括PandaX與CDEX，標定了一些重要的能量範圍，並且仍在不斷探索，以揭示神秘的暗物質粒子的本質。展望未來，計畫在中國建造的很大型的對撞機至關重要，它將成為國際主要的粒子物理學實驗裝置，並能夠勝任探索超越已知領域的重任。

作為一位理論物理學家，我的研究領域涉獵甚廣，小到物質的內部結構，大到宇宙、空間的本質。這些研究令人興奮，然而又很難向他人解釋清楚——在沒有對應語境的情況下更難說清。這三本書給了我一次機會，不僅可以向世人解釋我的研究，還可以同時解釋作為我研究基礎的量子力學、相對論、粒子物理學與天體物理學等物理學知識。我將樂於講述一些展現這些領域中研究前沿的宏大故事。

《叩響天堂之門》一書，解釋了科學的本質，並強調了尺度的重要性，也即如何在基本粒子、原子、普通物質或是宇宙的尺度上思考科學問題。《叩響天堂之門》一書也探索了科學的發展歷程、什麼是“對”與“錯”，以及創造力在科學發展中的意義。在這本書中，我還預測了大型強子對撞機（LHC）上的物理結果。大型強子對撞機是建造在日內瓦附近的大型加速器，能讓高能質子對撞，以產生新的粒子與新的相互作用，它可以用來研究人類之前所不能及的更小尺度。這本書解釋了大型強子對撞機如何運作，以及在這一實驗中，科學家正在研究什麼以及他們未來將要研究什麼。

《彎曲的旅行》一書講述了我對空間中可能存在的捲曲的額外維度的研究——額外維度是在我們容易觀察到的三個維度（左- 右、前- 後、上- 下）之外的某個維度。額外維度可能具有重要意義，它將解釋基本粒子的質量，並為它們之間的相互作用引入新的理論可能性。這些捲曲也將容許空間具有一個無窮大的額外維度，它將與我們觀測到的一切事物相容。為了講述這個故事，我回顧了前沿研究中的量子力學、相對論、粒子物理學的基礎（既有理論，也有實驗），還回顧了弦理論。在這本書中，我會講述我們是如何把所有研究領域聯繫在一起，我們是如何得到了這一切，以及我們已經走到了哪一步的大故事。

《暗物質與恐龍》一書，既向外審視宇宙的宏大圖景，又向內一窺物質的內部結構。它解釋了暗物質的本質及其在宇宙演化中扮演的角色——暗物質是宇宙中捉摸不定的物質，只與引力而不與光相互作用。《暗物質與恐龍》一書也強調了物質的基本性質與我們今日所見的地球、宇宙之間的聯繫。這本書的內容不僅涵蓋了宇宙學，還涉及星系、太陽系和地球之間的相互作用，及其與周邊環境的聯繫。在這一旅程中，我還將解釋我對暗物質的新理念：暗物質可能包含了某個小組分，這個組分通過自身的媒介物質——光進行相互作用，而普通物質不與之相互作用。這可能會產生激動人心的結果，包括在銀河系平面上，暗物質盤將形成，其引力效應可能導致巨大的流星體撞擊地球，從而最終導致恐龍的滅絕。

《叩響天堂之門》《彎曲的旅行》《暗物質與恐龍》三本書包含了粒子物理學的廣闊思想領域，是對我的研究以及更寬泛的粒子物理學和宇宙學的一個簡述。這三本書把許多新穎且多元的理念與科學領域結合在一起，給出了對今日科學家工作狀態的一個感性認知。

在完成《暗物質與恐龍》這本書之後，我已繼續投身於對暗物質的研究中。在許多已有研究的基礎上，暗物質已經是一個比較成熟的研究主題了。我們在實驗上有了許多直接的結果，也開始著手於更好地理解用來探索宇宙的天文望遠鏡、人造衛星是如何闡明 “暗物質是什麼”這一問題。同時，理論也在不斷發展，人們已經超越了對暗物質粒子非常狹隘的假設，並對“暗物質如何相互作用”有了更深刻的想法。我正在思考關於暗物質粒子全部帶電（而不只是一小部分帶電）的可能性，並自問這一假設可能導出什麼結果。現有的研究忽視了某些使這個假設可行的重要結果，或許這可能只是因為：暗物質著實不像粒子物理學家之前所假設的那麼無趣。

理解暗物質這種神秘物質的本質，是一個非常令人興奮的研究主題，畢竟它佔據了全部物質能量的85%。我希望中國的讀者能享受這一旅程：跟隨我一起探索我們是由什麼組成的，宇宙中的相互作用是如何發生的，以及我們這些科學家是如何研究宇宙問題的。我確信，你們將會從中學到許多新知識，同時又能提出屬於自己的問題和觀點。

《暗物質與恐龍》的目錄：

重磅讚譽

推薦序 發現的激情

中文版序 宇宙的故事

引 言 暗物質與恐龍滅絕

第一部分 宇宙的歷程

第1章 神秘的暗物質

看不見的存在

黑洞與暗能量，我們居住在一個黑暗年代

第2章 發現暗物質

緣起《獨狼行動》，暗物質探測簡史

引力透鏡效應，讓暗物質現形

子彈星系團，暗物質存在的最強證據

暗物質的總能量密度是多少

宇宙圓形圖

“標準燭光”，照亮暗能量的發現之路

暗物質終曲

第3章 宇宙的答案

沒有答案的問題

第4章 幾乎就是最開始：一個很好的起點

宇宙大爆炸理論

宇宙年齡的謎題

大爆炸演化的預言

宇宙暴脹

第5章 星系誕生

蛋與雞

等級結構

銀河系，我們的保護傘

太陽和太陽系

第二部分 活躍的太陽系

第6章 流星體、流星和隕石

模糊的邊界

行星的等級世界

小行星，太陽系最資深的漂流者

小行星的分佈

流星體、流星和隕石

第7章 彗星短暫而壯麗的一生

長髮彗星的內核

短週期和長週期彗星

柯伊伯帶和散盤

奧爾特雲

第8章 飛出太陽系，哪里才是邊際

旅行者1號飛出太陽系了嗎

第9章 危險地活著

當隕石飛向地球

更近期的“拜訪”事件

近地天體，最經常的撞擊

我們應該擔心嗎

科學家的結論

保護地球，讓小行星轉向

第10章 隕石坑，天外來客的“名片”

流星的痕跡

撞擊坑的形成

地球上的“疤痕”

第11章 滅絕，生命故事的另一面

生存和死亡

克服不確定性

為什麼大多數生命消失了

五次物種大滅絕事件

第六次物種大滅絕？

第12章 地球霸主恐龍的末日

恐龍時代，一億年的地球稱霸

一個世紀的求索

一探 6600萬年前的歷史片段

在白堊紀-古近紀邊界

發現確證

生命如何出局

重新發現隕石坑

第13章 宜居帶中生命的故事

生命的起源

宜居環境

外來天體和生命的進化

第14章 天外來客的旅程

建立週期

滅絕事件的週期性

隕石坑記錄的週期性

“旁視效應 ”

第15章 從奧爾特雲中逃逸的彗星

小行星還是彗星

神秘的觸發

內梅西斯提議

源於銀河系運動的觸發

第三部分 破解暗物質的秘密

第16章 隱形世界中的神秘物質

一個簡潔可預測的模型

候選模型1:最有潛力的弱相互作用重粒子

候選模型2:有趣的非對稱暗物質模型

候選模型3:軸子模型

候選模型4:中微子，被否決的暗物質候選者

候選模型5:暈族大質量緻密天體

是時候重新開始了

第17章 充滿荊棘的旅程：在黑暗中探尋

暗物質的直接探測實驗

暗物質的間接探測

大型強子對撞機中的暗物質

如何用引力尋找暗物質

第18章 暗物質的社交天性

小尺度的不吻合問題

可能的暗示

暗物質間的“黑暗之力”

第19章 黑暗的速度

普通物質沙文主義者

部分相互作用暗物質

靈感來源

暗盤，嵌在銀河系中的薄盤

第20章 尋找暗物質盤

多樣的暗物質

來自暗物質盤的信號

測量星系的形狀

第21章 暗物質、彗星與恐龍

一場脫軌引發的恐龍滅絕

無心插柳觸發的靈感

暗物質盤和太陽系

關於恐龍滅絕

結語 一個奇妙的宇宙正等著我們去探尋

致謝

譯者後記

[精彩樣章-推薦序]

發現的激情

——陳學雷

國家傑出青年科學基金獲得者

國家天文台研究員及宇宙暗物質與暗能量研究團組首席科學家

拿到這套書的樣章，讓我想起20 多年前（1993年），我作為一名物理學研究生，參加了由李政道先生創辦的中國高等科學技術中心組織的一個國際物理學會議。會議日程上列出的報告中有幾位大名鼎鼎的學者，他們的名字，我們在粒子物理學教科書中早已熟悉。但當時還有一個我不很熟悉的名字“Lisa Randall”，而且在日程中排在十分顯著的位置。會議開始後，我見到了她: 一位面容美麗、身材苗條的女子。她看上去似乎比我大不了幾歲，卻十分高冷。而且，我聽說她酷愛攀岩。然而在會議中，無論是演講、問答還是討論，她都顯得學識淵博、機敏睿智、充滿自信，與那些年齡、資歷都老得多的學者辯論時，完全不落下風，成為會議的中心人物之一。這完全打破了我那時對女性物理學家的錯誤刻板印象。誠然，我從小遇到過很多成績比我更優秀的女同學，但也許是因為女孩子們的謙讓、文靜和不好爭辯，總讓我懷疑她們不過是比我更用功、更擅長作業和考試而已。對於她們是否能深刻地思索或者作出創造性的發現，我內心總有一點兒懷疑。在物理學發展史上，女性物理學家，特別是理論物理學家，也確實屈指可數。然而，站在我面前的就是一位活生生的傑出的女性物理學家，這證明之前我錯了。當然，自那之後，我有幸遇到過很多優秀的女性物理學家，其中也包括麗莎·蘭道爾教授的一位中國女弟子蘇淑芳博士。她們都向我證明了，女性在物理學或者其他科學研究中，完全可以取得毫不遜色於男性的成就。

蘭道爾教授先後在麻省理工學院、普林斯頓大學、哈佛大學這幾所世界最著名的大學擔任理論物理學教授，並一直在進行著最前沿的科學研究。她有許多卓越的成就，其中最著名的是她與桑卓姆合作提出的“額外維度”模型。在這個模冊型中，我們所熟知的三維空間只是高維空間中的“膜”（參見《彎曲的旅行》一書）。蘭道爾教授的這套科普書系，介紹了物理學家是如何研究、探索宇宙之謎的。《叩響天堂之門》一書不僅介紹了大型強子對撞機所進行的研究的意義，也用科學的道理和事實，澄清了人們對科學的各種誤解；《彎曲的旅行》一書，重點是對高維空間的探索；《暗物質與恐龍》一書則介紹了作者提出的一個特別的暗物質模型，並就此提出了一種關於恐龍滅絕的有趣假說，藉此又闡述了從宇宙起源到暗物質、從太陽系演化到恐龍等多方面的知識。所有這些著作的共同特點是，作者並不滿足於僅僅介紹那些已經被廣泛接受的科學知識，而是著重展示科學家現在正在進行的猜想和探索，當然也清楚地說明了哪些仍僅僅是猜想和假說。這些猜想也許未必都正確，其中許多可能也會被未來的實驗和觀測所否定。但是，對這些內容的介紹更可以使讀者真切地欣賞到科學研究的豐富多彩和趣味，體驗到科學家們在構造假說、探索未知、獲得新發現時所體驗的激情。

我相信，想了解科學探索前沿的讀者一定會享受閱讀這套書帶來的樂趣。我也特別希望，這些書能鼓勵那些喜愛科學、希望未來從事科學研究的女孩子們。