张双南：浩瀚的宇宙是我们的征途 | 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：“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。本文为张双南专栏第六则。
第六则 浩瀚的宇宙是我们的征途
探索未知是人类的天性，在前往宇宙更深更远处的征途上，从未停止过自己的脚步。对于宇宙中一种智慧生物和文明的渴望根植于我们内心，我们到底要不要去寻找地外文明？我们可以在多大程度上了解身处的宇宙？我们可以人为造出黑洞吗？在这一期，给你答案。
您认为科幻小说和科幻电影对于人们了解宇宙和人类未来起到了什么样的作用？
张双南：好的科幻作家是未来学家，用科幻的手段对人类的未来做出启示和警示，这是人文情怀，也会想象一些目前尚不能做到但是原理上有可能实现的技术，这是技术情怀，甚至通过科幻宣传一些目前还没有解决的科学问题以及所需要的科学实验，这是科学情怀。比如，我们的很多技术都首先出现在了科幻里面，航天技术的发展也和科幻有关，甚至有的科学研究题目就来自于科幻。最近公众对于黑洞、虫洞和宇宙的兴趣很显然和星际穿越这个科幻电影很有关系。因此，好的科幻作品不但是有情怀的，而且也能激发我们的兴趣和想象力。但是有些科幻作品明显违反科学原理、科学精神和科学方法，不能区分科学和伪科学，不但会带来错误的科学教育，而且也助长了社会上的伪科学。
理论上了说，黑洞是可以人造的，是吗？如果某天科学家在地球上不小心招出来一个黑洞，那么地球会因此灭亡吗？
张双南：是的，理论上黑洞是可以人造的，比如在高能加速器里面让高能粒子对撞，只要对撞的能量足够高，就有可能产生黑洞。但是任何人造黑洞的质量都非常小，其主要性质是产生霍金蒸发，而不是吞噬物质，霍金蒸发是霍金对黑洞理论的主要贡献。如果霍金蒸发理论是正确的，这种黑洞产生之后还没有离开加速器就会把它的全部质量蒸发掉了，根本不可能产生任何其它影响，所以完全不需要担心。如果霍金蒸发理论不正确，这种微小黑洞的确可以吞噬周围的物质，但是由于吞噬的速率和它的质量成正比，所以即使给它整个宇宙的年龄，它对物质吞噬的总量也很小，不会产生任何能够注意到的影响，所以也完全不必担心。
追问：那么多大质量的人造黑洞可以在一天内吞噬掉地球呢？理论上可以在地球上的实验室里造出来吗？
张双南：虽然我们说黑洞吞噬万物，但是它是不能一口一次就吃成大胖子的，因为物质在落入黑洞的过程中必须损失掉角动量，否则就只能绕着黑洞转圈进不去。而在损失角动量的过程中，必须释放大量的能量，而这些能量又会阻止物质往黑洞里面掉，就像太阳内部的核燃烧产生的能量避免太阳的物质塌缩一样。因此，一天内能够吞噬掉地球的黑洞的质量大约是地球的质量的10亿到100亿倍，相当于太阳质量的3千到3万倍，这样的黑洞宇宙中应该很多，但是太阳系内没有，也绝对不是人类能够造出来的，不仅现在造不出来，永远也造不出来，因为理论上就没有这个可能性。地球毁灭的方式很多，人造黑洞肯定不是其中之一。
张老师您怎么看量子纠缠与虫洞之间有关的说法？基于这种观点有可能把引力论和量子论结合起来吗？
张双南：我曾经分别回答过关于量子纠缠和虫洞的问题。的确，量子纠缠和虫洞之间有类似的性质，主要体现在两者都能够把距离相聚非常远的两个空间区域建立联系。但是它们又有明显的不同，虫洞允许物质实体进行穿越，而量子纠缠不但不允许，而且不能传递任何信息。不过这是在现有物理理论里面的结论。但是广义相对论和量子力学都不是终极物理理论，所以有可能在统一广义相对论和量子力学的终极物理理论、比如具有超对称性质的量子引力理论里面，虫洞和量子纠缠是同一个物理现象在不同情况下的近似行为，因此就会表现出既类似又不同的行为。有些这样的理论的确已经提出来了，只是还没有得到实验或者观测的验证，我估计未来会有更多的研究。
追问：您提到这二者可能是某GUT在不同情况下的近似，这能否理解为一种emergency?您怎么看待还原论和演生论？
张双南：我认为和emergence，也就是演生论关系不大，它们很可能是同一个物理现象分别在经典极限和量子极限的不同表现。注意：最后一个字母是e，不是y。还原论的基本理念就是下一层次或者深一层次的性质决定了上一层次的性质，比如原子的性质决定了分子的性质，电子和原子核的性质决定了原子的性质等等，物理学在这方面的确取得了巨大的成功。演生论则是强调物质的集体行为，物质的不同复杂度代表不同的层次，而不同层次都有其特有的性质，并不完全由下一层次的性质所决定。演生现象在凝聚态物理表现突出，而且利用各种复杂度的确人工造出了具有丰富多彩的性质的材料和物态。生命现象可能也是演生主导。还原和演生反映了自然规律的两个方面。
您怎么看待费米悖论？有哪些你认为比较合理的解释？
张双南：我的解释是这样的。离我们最近的高级文明的距离至少有上千光年远。如果一个高级文明具备和其他高级文明通讯的能力，那么这个文明的自我毁灭能力一定也很强，因此高级文明的寿命不会太长，也许只有几百年。一个文明和另外一个文明通讯最快的办法是用电磁波（也就是某种波长的光），但是由于光速是恒定的，那么当一个文明的信号经过成千上万年的时间到达另外一个文明的时候，前一个文明已经消失了，因此文明之间根本无法通讯交流。由于无法交流，后一个文明也就无法判断他收到的信号是来自于文明还是自然界的某种信号。原则上通过望远镜能够看到已经消失的文明，对宇宙的文明考古，但是现在的天文技术还做不到。
基于三体中的黑暗森林理论，人类早一天找到外星生物就早一天被灭，人类还该不该寻找地外文明？
张双南：首先需要说明，寻找地外文明主要是两个途径，一是主动对外发射信号，让地外文明知道我们的存在，然后和我们建立联系。二是用望远镜观测太阳系外的天体，在地外文明不知道的情况下寻找他们。如果黑暗森林理论成立的话，第一种方法的确会暴露我们自己，把我们自己置于危险的境地。但是第二种方法则不会，因为他们不知道我们在寻找他们。我们一旦找到他们，就可以研究能否以及是否和他们建立联系。因此即使黑暗森林理论成立，我们还是需要用第二种方法寻找地外文明，知己知彼，百战百胜嘛。但是我认为黑暗森林理论不成立，因为地球上所有成功地生存下来而且得到发展的文明都是外向型的文明。自我封闭的文明只能走向灭亡，地球的人类不能走向这条道路。
人类或更高级的生命永远无法参透宇宙的终极奥秘，因为认知能力存在边界，无法超出宇宙为之规定之外的界限，您怎么看？
张双南：我同意认知能力应该存在边界，而且也有人证明了，逻辑的完备性和自洽性之间存在不可调和的矛盾，有些事情永远也无法证明是正确的或者是不正确的，我们永远只能得到部分正确的科学规律，无法得到一个能够描述整个宇宙以及万物万象的科学规律。量子力学也从科学机制上保护了自然界不是能够无限可测量的，我们无法获知一个量子系统的全部信息。因此我们对宇宙的完备和彻底的认知看来是无法做到的。但是我们人类的认知还远远没有达到认知能力的边界，我们对宇宙的认识还非常的初步。而正是由于我们可能永远无法破解宇宙的终极奥秘，我们只能一步步接近它，无限逼近它，这个过程将会永远伴随着人类的存在。因此从这个意义上讲，科学的发展是无止境的。
超新星爆发后如果恒星自身引力超过中子简并力，恒星将坍塌成黑洞。继中子简并力后，是否可能存在夸克简并力阻止恒星进一步坍塌？
张双南：您提的问题很好，这是一个诺贝尔奖级别的问题！就是那位把超弦理论搞得很热的威腾，他提出了一个猜想，主要由奇异夸克物质组成的夸克星是比中子星更稳定的天体。之所以说是猜想，是因为我们现在对于主导中子星内部的物质状态的理论，也就是量子色动力学的理解还不够，不能从第一原理出发进行计算。因此通过天文观测寻找夸克星就成为了一个非常重要和前沿的方向，已经有一些观测结果可以用夸克星解释得比用中子星更好，但是学术界普遍接受的观点还是夸克星没有被确凿无疑地发现，我本人的研究团队也在这个方面努力，包括设计了下一代的天文卫星寻找夸克星的观测证据。当然如果夸克星太重了，它也只能变成黑洞，黑洞毫无疑问是最稳定的天体。
追问：如果夸克星存在，是否可能存在一种大质量夸克星其引力达到能束缚光子的程度，形成一种有“黑洞视界”但又没有奇点的黑洞？
张双南：如果它的引力达到能束缚光子的程度，那就形成了视界，它也就是一个黑洞了。至于内部是否有奇点，这个问题原则上和夸克星以及简并压力没有关系。根据学术界普遍接受的观点，黑洞内部的物质必须在很短的时间内到达中心的奇点，无论是什么物质。但是我们自己的黑洞理论不是这样的。我们的计算表明，如果用黑洞内部的时间计算，黑洞内部的物质的确必须在很短的时间内到达中心的奇点，但是如果用黑洞外部的时间计算，黑洞内部的物质永远也不会到达中心，当然如果有额外的简并压力抵抗引力，物质下落的速度会变慢，但是基本结论还是一样的。
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