五维空间到底是什么

五维空间存在吗（丽莎 蓝道尔）

丽莎 蓝道尔（五维空间存在吗）

今天这书有意思了，光听这名字《暗物质与恐龙》，就让我的好奇心爆棚了，一起来满足好奇心吧。

暗物质，是一个物理学的概念；而恐龙，早已灭绝，只能在博物馆见到它们的化石，是古生物学的研究对象。这两个东西八竿子都打不到一块儿，怎么把它们联系到一起了呢？这本书其实是回答了这样一个问题：到底什么才是杀死恐龙的真凶？传统观点认为，是陨石撞击造成了恐龙的灭绝，但这本书却认为“陨石撞击说”是不完美的，暗物质，才是恐龙灭绝的真正原因。但暗物质看不见摸不着，也不和普通物质发生相互作用，这样一种几乎虚无的东西，是怎么杀死强大的恐龙的呢？

“暗物质谋杀恐龙”，虽然听着有点不靠谱，但提出这个理论的，其实是一位货真价实的科学家，那就是本书的作者丽莎·蓝道尔，我先给你介绍一下她吧。丽莎·蓝道尔是美国的一位女性物理学家，身兼哈佛、麻省理工、普林斯顿三所顶级名牌大学的物理系终身教授职位。蓝道尔的研究领域，主要集中在粒子物理、弦理论、额外维度理论等方面。“第五维空间”理论，就是蓝道尔最先提出来的。

这个理论是怎么回事呢？我们知道，按爱因斯坦的广义相对论来说，人类是生活在“四维时空”里的，就是三维空间再加上一个时间维。但是蓝道尔提出，除了这四个维度之外，宇宙还存在一个额外的维度，就是第五维空间，但这种空间结构我们人类想象不出来，只能用数学来描述。也因为这个理论，蓝道尔被人们称为“挑战爱因斯坦的理论物理学家”。

除了搞科研，蓝道尔还写科普图书，结果一写就成了《纽约时报》超级畅销书作家。蓝道尔有不少科普著作，这本《暗物质与恐龙》就是其中最受欢迎的。这本书之所以受欢迎，原因在于它有一个特点：它虽然是科普著作，但读起来却像侦探故事。这话不是我说的，是著名物理学家、诺贝尔奖获得者基普·索恩对本书的评价，而索恩就是科幻大片《星际穿越》背后的科学顾问。为什么说这本书像侦探故事？因为它是用一个个已经被证实的科学事实，加上严密的逻辑推理，最后得出了一个令人震惊的结论，那就是暗物质谋杀了恐龙，这就和侦探破案的过程很类似。

我们先来看看“案发现场”吧，也就是6600万年前恐龙灭绝的时候发生了什么。那时候发生的事情可以用一个词来概括，那就是“物种大灭绝”。这个概念非常重要，因为它是本书理论体系的出发点，也是最终的落脚点。蓝道尔教授建构这套理论的目的，不仅仅是为了解释恐龙这一个物种的灭绝问题，更是为了解释整个“物种大灭绝”的发生机制。而恐龙灭绝，只是物种大灭绝的一环。

所谓的“物种大灭绝”，就是指在一个比较短的时间范围内，和比较大的地理范围内，生物数量和种类急剧下降的事件。历史上的物种大灭绝事件至少发生过20多次，听起来很可怕吧，其中最著名的物种大灭绝有5次。当然我们只需要关心5次中的最后一次，也就是发生在6600万年前的“白垩纪末期物种大灭绝”，因为恐龙就是在这一次物种大灭绝中消亡的。当然严格来说不是所有的恐龙都灭绝了，有些学者认为部分会飞的恐龙活了下来，最后演化成了鸟类。

关于物种大灭绝这件事本身，有两点是值得关注的。第一是它持续的时间，虽然刚才说物种大灭绝发生在“较短的时间范围内”，但这个“短”是相对于地质年代来说的。对于人类来说这个“短”其实很长，一次物种大灭绝可以持续几百万年，所以物种大灭绝不是一个瞬间性的概念。如果在一段时间内，没有发生什么灾难性事件，但物种形成的速率远远低于物种消亡的速率，这也叫物种大灭绝，比如我们目前的时代，其实就正处在一次无声无息的物种大灭绝中。科学家估算，正常的物种消亡速度是平均每年有一个物种灭绝，但实际上，我们今天的物种灭绝速度是这个平均值的几百倍。

第二点要注意的是，物种大灭绝在地球生命史上占据了绝对统治地位，我们不要以为生存是一件轻轻松松、理所当然的事情。据科学家推算，自地球诞生以来，曾经出现过的生物已经灭绝了超过98%。这是一个非常恐怖的比例，等于说几乎所有出现过的物种都灭绝了。可见，生存本身是一种特殊的幸运，灭绝才是生命的常态。

现在我们说回到6600万年前的白垩纪物种大灭绝，白垩纪末期到底发生了什么，是什么导致了那一次物种大灭绝的发生？这个问题的答案曾经众说纷纭，相信你多多少少听说过，比如说火山活动、气候变冷或变暖、海平面上升或下降，还有说缺氧的，而其中最关键的一个假说是陨石撞击说。“陨石撞击说”认为6600万年前，直径大约10公里的陨石，以比火箭还快几倍的速度撞上了地球，位置在墨西哥的尤卡坦半岛，撞击释放的能量相当于摧毁广岛和长崎的原子d能量的10亿多倍，这次撞击造成了全球四分之三的物种灭绝，其中就包括了恐龙。

这些假说曾经谁也说服不了谁，吵个没完没了，直到一个关键证据出现。这个证据一出来，就以摧枯拉朽的方式终结了这场纷争，它完美地证明了陨石撞击说的正确性。最后，在2010年的时候，41位科学家聚在一起开会，会议的内容就是把陨石撞击说由一个“假说”确立为明确的科学结论，就连那些曾经反对陨石撞击说的科学家，都纷纷为陨石撞击说站台。

那么这个如此强大，能让众多科学家信服的证据究竟是什么？其实它就是我前面提到的3条关键线索的第一条，那就是——铱元素。

铱，是地壳中最稀有的元素之一。我们平常认为已经够稀有的“金”元素，在地壳中的含量是铱的40倍，可见铱多么稀有。地球表面的铱元素主要来自宇宙尘埃的沉积，由于沉积是缓慢而且恒定的过程，所以铱在地层中的分布也应该是比较均匀的。但事实真的如此吗？

美国加州大学伯克利分校的科学家在意大利、丹麦的几个地方发现，这几个地方的铱元素含量是它周围土壤的几十倍，最高可达160倍。而且科学家测量土壤的年龄后发现，这些铱元素几乎都不约而同地分布在白垩纪末期形成的黏土层中。远超平均含量的铱元素，在白垩纪末期突然同时出现在地球上，这肯定不是巧合。科学家在排除了众多解释后，认为只有一个解释是合理的，那就是陨石撞击。因为铱元素在地表虽然稀少，但在陨石中含量却比较高，只有陨石的撞击才能让这么多的铱元素同时出现在地球的不同地方，这也成了陨石撞击说成立的决定性证据。

我们总结一下恐龙灭绝的第一条线索。我们讲到了，对于地球生命史而言，灭绝是常态而非特例。导致物种大灭绝的可能有好几种，最终“铱元素”的出现让“陨石撞击说”脱颖而出击败了其他理论。因为铱太稀少了，却在同一时间集中出现，只可能是由地外陨石带来的。“铱元素”也是我们推理出“暗物质杀死恐龙”的第一条关键线索。

说完了第一条关键线索，这案子看上去就已经破了，科学家确定，就是陨石杀死了恐龙。那你可能会问了，不是说杀死恐龙的是暗物质吗，怎么又变成“陨石撞击”这样的老生常谈了？其实，蓝道尔教授本人是认可陨石撞击说的，但她认为这个理论不完善。陨石的确是恐龙灭绝的直接原因，但并非根本原因。因为还有一个幽灵般的存在没有得到解释，让蓝道尔怀疑这起案件的真凶另有其人，那就是——周期性，这也是本案的第二条关键线索。

这个周期性是什么意思呢？我们之前讲过，物种大灭绝对于地球生命史而言是一种常态，生命为什么会如此脆弱？出现过的生物98%都灭绝了，这么巨大的比例不像是随机形成的，蓝道尔怀疑这背后隐藏着一套灭绝机制在起作用。如果能找出这种灭绝机制，不仅可以解释恐龙的灭绝，还可以解释很多其他生物的灭绝。科学就是这样，不满足于解释表面的因果，而是要发现深层的规律。

在蓝道尔之前，科学家们已经做了一些有益的探索，他们把大大小小的20多次物种大灭绝的时间列成表格，发现了一个惊人的秘密，那就是，物种大灭绝的时间是有规律的，它存在周期性。每隔3000万年左右就会发生一次物种大灭绝，当然这个3000万年是一个约数，会上下浮动一点。

接着又有科学家整理了历史上大型陨石的撞击记录，发现大型陨石的撞击也有周期性，而且这个周期和物种大灭绝的周期，是高度重合的，也在3000万年上下浮动。于是一个推论很自然地就形成了：周期性的陨石撞击，导致了周期性的物种大灭绝。

但事情还没完，这种周期性是怎么形成的？是什么东西让陨石的撞击遵循这么精确的周期呢？蓝道尔认为要搞清楚陨石撞击的周期性，首先要知道这些陨石是从哪里来的。而不同的陨石来源也不同，所以得先确定陨石的分类。撞击地球的陨石主要分为两类，一类是小行星，还有一类是彗星。小行星和彗星有什么区别呢？小行星的主要成分是石头，彗星既有石头又有冰块。小行星体积大速度慢，彗星体积小速度快。但这都不是主要区别，最大的区别是：彗星穿过地球轨道，有明确的周期，但小行星没有明确的周期性。你看，又提到了周期性，这就很关键了。因为彗星比小行星更符合“周期性”这个特点，所以蓝道尔认为造成物种大灭绝的陨石，应该是彗星而不是小行星。

把小行星排除掉的好处，就是我们就可以明确陨石的来源地了，因为太阳系的彗星大多储备在一个地方，那个地方叫作“奥尔特云”，是一个包围着太阳系的球体云团。奥尔特云距离地球非常远，光线从那里到地球都至少需要跑1年，可以说是太阳系的最远端。这就很有意思了，什么力量可以让彗星从太阳系的最外面跑到最里面来呢？

作者认为，奥尔特云距离太阳十分遥远，所以这里的彗星受到太阳的引力已经很微弱了，它们在轨道上处于一种摇摇欲坠的平衡状态，稍微有一点来自其他天体的引力扰动，就会让这些彗星脱离轨道，进入内太阳系，甚至向地球飞过来。那么这种造成引力扰动的引力源，究竟是什么呢？

这个问题不仅困扰了蓝道尔，也困扰了整个天文学界很多年。为了解释周期性的彗星雨，天文学界提出了许许多多的理论。我先给你讲讲其中最震撼、最有想象力的一种，这个理论叫作“复仇女神假说”。复仇女神假说最惊人的地方在于，它提出，太阳系其实有两颗太阳！也就是说，太阳是一个双星系统，拥有一颗叫作“内梅西斯”的伴星，内梅西斯就是希腊神话中复仇女神的名字。这个假说并非异想天开，因为在宇宙中，双星系统是非常普遍的，甚至可能比单星系统还多。既然有两颗太阳，那为什么我们看不到另一颗太阳呢？这个理论认为，那是因为它的亮度太低了，复仇女神是一颗红矮星或者褐矮星，所以人类用肉眼根本看不到它。

如果这个理论成立，那么它就可以成功解释周期性的物种大灭绝。因为这颗太阳每隔几千万年就要掠过奥尔特云一次，它的引力吸引了奥尔特云中的彗星，把它们从奥尔特云中拽出来，造成了周期性的彗星雨，进而造成了周期性的物种大灭绝。但可惜的是，随着更先进的射电天文望远镜的发展，人类始终没有找到这颗“黑暗的太阳”，这个在天文界浪漫了几十年的假说最终被证明是不成立的。造成周期彗星雨的引力源，应该是另有原因。

另一个备选的引力源，是“银河潮汐力”。潮汐力很多人都听说过，但容易把它和引力混为一谈，潮汐力不是引力，而是引力的一种衍生力，或者说它是一种“引力差”。比如说月球对于地球上不同部分的引力是不一样的，这种不同部分之间引力的差，就是潮汐力，正是地月潮汐力引起了地球上海洋的潮汐。

而在银河中，同样也存在这样的潮汐现象。整个银河系对于奥尔特云各个部分的引力是不同的，这种引力差会把奥尔特云拉长，奥尔特云被拉长之后，某些彗星距离太阳的距离就比我们想象中要近得多了，一旦它们运行到近日点，就很容易被潮汐力从奥尔特云里面推出来，从而进入到内太阳系。但蓝道尔认为，银河潮汐力只能造成“缓慢而稳定”的彗星流，这样的彗星流不足以引发物种大灭绝。所以银河潮汐力，也不是我们要找的引力源。

总结一下这部分的内容。蓝道尔教授发现，物种大灭绝是有周期性的，每3000万年就会发生一次，而这个周期和陨石撞击的周期正好是吻合的，又因为彗星比小行星更符合周期性，于是蓝道尔推断，是某种引力源吸引彗星脱轨造成了周期性的物种大灭绝。

这时，蓝道尔想到了一种东西，这个东西从来没人把它和物种大灭绝联系起来，那就是：暗物质。我们终于迎来了真正的主角。那我们现在就来讲本案的第3条关键线索，暗物质，这也是3条线索中最关键的一条。

先来说下暗物质是什么东西吧？蓝道尔用一个很简单的说法就讲清楚了，她说“暗”的反面是什么？是“光”，所以暗物质就是站在光的对立面的一种东西，它是既不吸收光也不反射光的物质。当然，这个光不仅仅是指可见光，而是指所有频段的光，就是各种电磁波。所以说它没法被观测，也不能被研究，因为它不和任何电磁波起反应。

这个定义意味着什么呢？意味着人类完全没办法“看到”暗物质，不仅肉眼看不到，用人类的其他“眼睛”，也就是各种探测器，也看不见它，因为人类认识世界的主要手段，大多数都是基于光学的。我们只能通过观测到的一些宇宙现象，间接证明暗物质的存在。

那你可能就要问了，既然用人类所有的“眼睛”都看不见暗物质，我们凭什么说它一定存在呢？其实这是因为，我们不得不假设暗物质存在。只有先假设暗物质存在，才能在符合现有引力理论的框架下解释很多物理现象，如果不假设暗物质存在，那么这些物理现象就会和牛顿力学以及广义相对论产生矛盾。

其实，现代物理学的好多理论模型能够成立，不是因为我们真的发现了某个假设出来的东西，而就是因为假设它的存在，能够在符合现有理论的情况下解释很多实际存在的物理现象。比如引力波，不也是在提出了一百多年后才被观测证明确实存在的吗？

那假设暗物质的存在能够解释什么现象呢，先说结论吧，这个结论很让人震惊：如果不假设暗物质存在，我们的太阳就会飞走，甚至飞出银河系。

这是怎么回事呢？我们这就得从荷兰天文学家简·奥尔特说起，对，又是这个奥尔特！我们前面提到的奥尔特云就是以他的名字命名的。在奥尔特那个年代，人们已经知道，恒星虽然名字里有个“恒”字，但它们也是会运动的，比如太阳就会绕着银河系的中心做公转运动。既然运动就会有速度，如果速度太快，恒星就会被甩出去，成为在各个星系间流浪的星球，而如果运动的速度太慢，它们就会沿着时空的斜坡滑落，滑向星系的中心，而恒星运动的速度主要和星系的质量有关。有一天，奥尔特突发奇想，他想测算一下银河系的质量和恒星运动的速度是不是相匹配，银河系的质量能不能刚好让恒星既不飞走又不滑落？

这一测算就出大事儿了！岂止是不匹配，简直差了十万八千里。计算出来的银河系的质量至少要比实际测量的结果多5倍，它提供的引力才能维持恒星的运动轨道。奥尔特反复检查自己测算的结果，发现真的没算错，怎么会差了这么多？于是，他只好假设银河系内还存在着一些我们完全看不见的东西，这些东西比普通物质多得多，正是这些东西提供的质量维持着星系的运行。后来在1933年，一个叫弗里茨·兹威基的科学家正式提出了“暗物质”的概念。

在整个宇宙的构成中，暗物质占26.8% ，是普通物质的5倍。数量如此巨大的神秘物质藏在黑暗的星空中，我们却不知道它到底是什么东西，这也正是暗物质这个理论迷人的地方。科学界对于暗物质的本质，至今都还没有定论。有些理论认为，暗物质是一种“弱相互作用的大质量粒子”，还有人认为暗物质其实就是普通天体，只是我们没有足够的光去发现它们。这个问题世界各国都在积极地进行研究，比如我们国家就发射了暗物质探测卫星“悟空”号。相信在未来，暗物质到底是什么？这个问题一定能够得出答案。

了解完关于暗物质的基本情况，我们终于可以回到主题，来说说暗物质是怎么杀了恐龙的。前面说了，暗物质看不见摸不着，基本不和普通物质发生相互作用，这样一近乎虚无存在的物质，怎么能杀死强大的恐龙呢？只有一种方法，可以让暗物质和普通物质世界联系起来，那就是——引力。

我们前面要找的不正是吸引彗星脱离轨道的引力源吗？听起来好像有点儿门道。下面我就为你讲述这起案件最核心的部分，凶手的作案手法。

按照传统的观点，暗物质虽然质量巨大，但好像也很难引发周期性的彗星雨。因为，引力、电磁力、弱相互作用力、强相互作用力，这4种自然界的基本作用力中，引力其实是最弱的一种力。你想想看，你拿一块磁铁，就能吸起地上的一根曲别针，这说明一小块磁铁的磁力很轻松地就战胜了整个地球的引力。只有当物体质量特别大的时候，引力的作用才能很明显。暗物质的质量的确很大，但它在星系中的分布是很均匀和弥散的，是一个球形的“晕”状结构，就是光晕的晕，没有很紧密地聚成一团，这样松散的结构是没办法产生很集中的引力的。

但蓝道尔认为，普通物质中的基本粒子有很多种，什么质子、中子、光子等等，而且普通粒子间的相互作用也分为很多种，分为引力相互作用、电磁相互作用、弱相互作用、强相互作用。既然普通粒子不止一种，相互作用也不止一种，我们凭什么认为暗物质粒子就只有一种，暗物质间的相互作用也只有一种呢？她觉得这样考虑是不完善的。

蓝道尔假设，暗物质粒子也分为很多种，这些粒子各不相同，有些喜欢聚在一起，有些喜欢自个儿待着。那些喜欢聚在一起的暗物质粒子，会通过某种方式高度聚合，从而产生和传统理论不一样的暗物质分布结构。这一类暗物质是凝结在一起的，形成了一个致密的盘子一样的结构，根据蓝道尔的计算，这个“暗物质盘”和我们银河系的银盘会重合在一起。

而我们的太阳就在这两个盘组成的平面上做水平运动。但是天文观测显示，太阳除了做水平运动，它还会在这个盘面上做上下的垂直运动，它会在这个盘子上玩“跳一跳”，这个跳一跳的周期，正好也是3000万年左右，这和我们前面提到的物种大灭绝周期是吻合的。每次太阳穿过盘面的时候，两个盘加在一起的引力很容易就把奥尔特云的彗星拉出来，形成大规模的彗星雨。

试想一下，如果暗物质再次让一颗陨石脱离轨道撞向地球，很多人的第一反应往往是像科幻电影中描述的那样：用核d炸掉它。而蓝道尔认为，这是最糟糕的处理方式，因为这会把一块陨石变成多块陨石，不仅无法阻止撞击，还会让受灾面积增大。还有人还会试图让陨石转向，也就是改变陨石的轨道，但是这需要的能量太过巨大。蓝道尔在书中给出了一种更聪明的方法，既不会增大受灾面积，也不需要让陨石转向，这种方法就是：改变陨石的速度，让它加速或者减速。具体做法就是给陨石装上火箭，只要让它提前或者延后7分钟到达地球轨道就可以了。

为什么是7分钟呢？7分钟是地球在公转轨道上移动半个身位所需要的时间，只要给地球七分钟，它就能从本该被撞击的位置移开，陨石会和地球擦肩而过。而且越早发现陨石，用来改变它速度所需要的能量就越小。

当然，蓝道尔的想法也不是十全十美的。比如如果这个陨石不是小行星，而是彗星的话，我们知道彗星是有一条长长的尾巴的，这个尾巴中也还是有一些物质的，这些物质与地球发生碰撞，会不会产生致命的灾难？一切还都是未知数。目前，这个技术目前只停留在理论阶段，随着人类科技水平的提高，我们相信这些问题都可以得到解决。

题外话：读书可以扩充我们知识边界，获得更多看问题的视角，但盲从是要不得的…