张双南专栏：我知道宇宙有多迷人 | 科学人
张双南，中国科学院高能物理研究所研究员，中国科学院粒子天体物理重点实验室主任。1984获清华大学学士学位。1989年获英国南安普敦大学博士学位。1989－1992美国宾西法尼亚大学博士后。
他是“分答”上收入过万的科学家，他是最会写诗的天文学家。
有人问，能否1分钟内和大家介绍下您的研究？他回答到：“我的科学研究是通过天文观测和理论计算来理解黑洞、星系、星系团以及宇宙演化，另一方面是做空间天文仪器的研制。我对两件事很感兴趣，宇航员到黑洞旅行会发什么，还有就是宇宙中的物质最终是否都会归于黑洞。业余时，我还喜欢研究美学，也喜欢写写诗。”
科学人特推出张双南老师专栏，收集整理“分答”上张双南老师的提问及回答 , 好的答案应该共享。
第一则：我知道宇宙有多迷人
宇宙，我们可以把它想象成一个巨大的仓库，里面装着各类看得见的和看不见的天体，美丽神奇，深邃瑰丽。人类从未停止过对于宇宙的探索，但目前我们对于它依旧知之甚少。宇宙有边界吗？时间是永恒的吗？地球以外存在外星人吗？月球是外星人造的吗？暗物质是什么？宇宙空间维度有几个?人类征服火星可行吗？
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司英群： 请您用一分钟时间向我们普及一下相对论知识。
张双南：爱因斯坦的相对论包括狭义相对论和广义相对论。狭义相对论的基本出发点就是光速是一个常数，在任何坐标系里面测量得到的结果都一样，因此光速也是速度的极限。它最重要的预言就是运动速度越快的观测者的时钟走得越慢空间尺度变得越小，质量和能量之间可以相互转换，这些都得到了的实验和观测的检验。但是它只能用于匀速运动的坐标系，也就是惯性坐标系。广义相对论的基本出发点是惯性质量和引力质量的等效性，从而在自由落体的局部惯性坐标系里可以应用狭义相对论，因此它是关于引力的理论，它最重要的预言就是质量导致弯曲时空、引力红移、引力场中时钟变慢、黑洞、宇宙膨胀、引力波等等，这些也都得到了实验和观测的检验。（科学人拓展阅读：今天讲相对论！别怕，用的都是最常见的词）
吉吉喆喆：宇宙有边界吗？宇宙中时间是永恒的吗？宇宙的空间是相对的吗？
张双南：根据现在我们对于宇宙的研究，我们的宇宙是有限的，但是没有边界。举一个例子，一个三维球体的表面显然是有限的，但是对于生活在这个二维球面上面的二维生物，它的宇宙就没有边界。所以可以把我们的宇宙理解为一个四维球体的三维球面，有限但是无界，当然这只是一个形象化的解释。关于时间，它的本质就是对变化的量度，所以我的理解是时间的起点就是宇宙起源的时刻，终点就是宇宙消亡的时刻，如果宇宙会消亡的话。空间在一定程度上可以认为是相对的，因为根据相对论理论，不同坐标系的观测者测量得到的空间可能是不同的，而宇宙的膨胀过程中空间尺度也是在膨胀的。
Chateau · Wang：说宇宙从奇点开始，时间就开始了，那宇宙奇点之前时间是存在的么。黑洞有没有奇点？有的话里面还存在现在宇宙的时间吗？
张双南：简单的回答就是，宇宙奇点之前既没有空间也没有时间。至于黑洞内部是否有奇点，这取决于观测者。根据广义相对论，从外部进入到黑洞的观测者会在有限的时间内到达黑洞的中心，也就是奇点所在的位置，但是他到那里之后究竟会发生什么事情，我们现在并不清楚，因为我们没有合适的物理理论描述那里的情况，也没有办法通过实验和观测去了解。但是对于黑洞外部的观测者来讲，进入黑洞的观测者需要花无限长的时间到达奇点的位置，所以奇点处实际上没有物质，当然那里也就不是物理上的奇点，这是我们自己研究得到的结论。因此对于处于黑洞外部的我们来讲，宇宙的时间和黑洞内部的情况没有关系，现在宇宙的时间当然还是存在的，否则我们怎么活下去？
蒋斌：理论物理证明可能存在的空间维度有几个，能描述一下四维之外的维度形态吗。人能进化到靠感官感受更高维度吗？
张双南：首先我说明一下，我不愿意用“理论物理证明”，因为可以建立各种理论模型，但是模型是否正确需要实验或者观测的检验。目前具有高维的模型很多，其中两个比较吸引人。一个就是11维宇宙模型，宇宙诞生的时候有10维空间，但是很快其中7维空间隐藏起来了，只剩下三维，就是我们今天的三维宇宙。另外一个最近提出的模型是说我们的宇宙来自于一个4维天体塌缩成了一个4维的黑洞，它的三维视界面保留了4维黑洞的全部信息，就是所谓的全息理论，我们的宇宙就是这个3维视界面。目前不知道这两个理论是否正确，因为还没有得到实验或者观测的证实。我当然不知道人是否会进化得比现在的科学仪器还先进，能够感受到3维以外的维度，但是我觉得可能性不大。
宋立聪： 怎么理解空间扭曲的结果是两个物体相互吸引（不管运动还是静止）？直接上空间扭曲应该只体现在运动的轨迹上而已吧？
张双南：任何物体都会产生扭曲的空间。如果没有外力的作用，物体在扭曲的空间中无法保持静止或者匀速直线运动，必须做加速运动，这是因为物质产生弯曲空间的根源就是引力和加速度的等效性。因此两个物体的引力导致的弯曲空间的表现就是产生加速度，例如自由落体或者绕转，看起来就是相互吸引。这就是所谓的物质告诉空间如何弯曲，空间告诉物质如何运动，引力只是一种说法，不是实质。因此，物质运动的轨迹是对空间扭曲的一种体现。当然也有别的体现，比如，最近探测到的引力波就是空间扭曲的直接结果，这是由于两个黑洞都把其周围的空间扭曲了，它们绕转的时候就把扭曲的空间以引力波的形式传播出来了。
赵行德：想请问一下暗物质是什么，对现有大爆炸的宇宙学模型有没有什么影响？以及和超弦相关理论有什么关系。
张双南：暗物质的存在是根据天文观测效应得到的，比如根据星系中恒星和气体的运动计算得到的星系的质量远远多于星系中能够发光的物质，那些不能发光的物质就被称为暗物质。同样由很多星系组成的星系团中的物质总量也远远大于能够发光的物质总量。现在宇宙中暗物质的总量比能够发光的物质总量多七八倍。但是暗物质到底是什么仍然是天文学和物理学的最大的谜团之一，甚至我们都不能肯定暗物质像我们已知的物质那样是由粒子组成的，我们只知道暗物质肯定不是任何一种我们已经知道的物质。目前的宇宙大爆炸模型也需要宇宙的主要物质是由暗物质组成的，和从星系以及星系团观测得到的结论没有矛盾。但是我们不清楚暗物质是否和超弦理论有关系。（科学人拓展阅读：暗物质卫星“悟空”的一切，首席科学家为你详解）
风之雪驹： 请问除地球以外真的存在外星人吗？
张双南：我相信地球以外真的存在外星人。我们知道，宇宙中其它的地方存在很多类似我们太阳系这样的恒星-行星系统，有些行星甚至很类似地球。如果地球上的生命和人是进化来的，那么没有什么理由在其它星球上不能进化出生命和甚至智慧和文明生命。而且生命也可能在其它环境下进化产生出来。因此我们相信宇宙中一定有很多星球上有外星人，尽管他们的样子以及文明程度可能和我们不同。当然，目前我们还没有发现外星人存在的证据，既没有发现他们到访过地球，也没有发现其它地方有外星人。但是没有找到不等于不存在，毕竟我们只搜寻了宇宙中很小的部分，所以天文学家还是努力寻找中。
易如 ：为什么月球不自转，而总是吴刚砍树的那一面朝着地球？网上说因为月球是外星人造的，所以不自转。您怎么看？
张双南：这事儿和外星人没有关系，其实是地球的潮汐力造成的。海洋湖泊每天的两次潮涨潮落是由于太阳的潮汐力，因为太阳在地球表面不同地方的引力的不同，会导致沿着太阳的方向产生拉伸的效应，垂直方向是压缩的效应。同理，受月球的潮汐力的影响，每月就有两次大潮，因为月球对地球的潮汐力比太阳强。由于月球不是完美的球体而且没有海洋湖泊，略微像煮熟的鸭蛋那样的固体椭球，地球对月球的潮汐力就会使得椭球的长轴指向地球中心，这叫做潮汐锁定，很多行星和卫星都是这样的，真的和外星人没有关系。地球会自转而没有被太阳的潮汐力锁定，是由于地球离太阳太远了，我们真的是很幸运，否则就是地球一面永远是白天，另外一面永远是夜晚了。
桐： 太阳系行星的运转就像一个大饼，其它恒星系相类似，那宇宙中这些大饼是如何分布的？
张双南：太阳系的行星的轨道的确都大致在一个平面上，而其它恒星系的行星的轨道也大致如此，这说明了恒星和它们的行星是一个起源，也就是来自于一团气体的塌缩，角动量守恒导致了一个恒星的所有的行星的轨道大致处于一个平面上。但是目前没有发现不同恒星系的行星的轨道平面之间有任何联系。所以简单地讲，目前的天文观测告诉我们，这些大饼的平面的取向的分布是随机的，也就是杂乱无章的。当然由于这些不同恒星之间几乎没有相互作用，我们也不期待这些大饼的方向应该有任何联系。
向文华：埃隆马斯克关于征服火星的计划您觉得可行吗？您认为需要解决的最大难题是什么？哪个国家能率先开发火星？
张双南：马斯克雄心勃勃，令人佩服。但是我认为改造火星并且移民火星，技术上是不可行的，所花费的代价将远远超过保护好地球成为我们长期的家园。因此移民火星完全没有必要。到火星旅游也许能够做到，而且也有需求，毕竟有钱任性的地球人很多。但是要想健康地甚至活者回到地球非常困难，因为沿途的放射性辐射非常严重，目前还没有可行的解决方法，我认为这是最大的难题。如果想把火星作为地球人的坟墓，现在就能够做到。开发火星我认为也是没有必要的。征服、移民和开发火星都只不过是吸引人眼球的噱头而已。但是考察研究火星非常有必要，理解火星的环境为什么变得如此恶劣将有助于我们更好地保护地球，地球是我们在太阳系唯一的家园。
编辑整理：甘蔗西西、Sol_阳阳 排版：Sol_阳阳
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