張雙南，中國科學(xué)院高能物理研究所研究員，中國科學(xué)院粒子天體物理重點實驗室主任。1984獲清華大學(xué)學(xué)士學(xué)位。1989年獲英國南安普敦大學(xué)博士學(xué)位。1989－1992美國賓西法尼亞大學(xué)博士后。
他是“分答”上收入過萬的科學(xué)家，他是最會寫詩的天文學(xué)家。
有人問，能否1分鐘內(nèi)和大家介紹下您的研究？他回答到：“我的科學(xué)研究是通過天文觀測和理論計算來理解黑洞、星系、星系團(tuán)以及宇宙演化，另一方面是做空間天文儀器的研制。我對兩件事很感興趣，宇航員到黑洞旅行會發(fā)什么，還有就是宇宙中的物質(zhì)最終是否都會歸于黑洞。業(yè)余時，我還喜歡研究美學(xué)，也喜歡寫寫詩?！?/p>
科學(xué)人特推出張雙南老師專欄，收集整理“分答”上張雙南老師的提問及回答 , 好的答案應(yīng)該共享。
第一則：我知道宇宙有多迷人
宇宙，我們可以把它想象成一個巨大的倉庫，里面裝著各類看得見的和看不見的天體，美麗神奇，深邃瑰麗。人類從未停止過對于宇宙的探索，但目前我們對于它依舊知之甚少。宇宙有邊界嗎？時間是永恒的嗎？地球以外存在外星人嗎？月球是外星人造的嗎？暗物質(zhì)是什么？宇宙空間維度有幾個?人類征服火星可行嗎？
司英群： 請您用一分鐘時間向我們普及一下相對論知識。
張雙南：愛因斯坦的相對論包括狹義相對論和廣義相對論。狹義相對論的基本出發(fā)點就是光速是一個常數(shù)，在任何坐標(biāo)系里面測量得到的結(jié)果都一樣，因此光速也是速度的極限。它最重要的預(yù)言就是運動速度越快的觀測者的時鐘走得越慢空間尺度變得越小，質(zhì)量和能量之間可以相互轉(zhuǎn)換，這些都得到了的實驗和觀測的檢驗。但是它只能用于勻速運動的坐標(biāo)系，也就是慣性坐標(biāo)系。廣義相對論的基本出發(fā)點是慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量的等效性，從而在自由落體的局部慣性坐標(biāo)系里可以應(yīng)用狹義相對論，因此它是關(guān)于引力的理論，它最重要的預(yù)言就是質(zhì)量導(dǎo)致彎曲時空、引力紅移、引力場中時鐘變慢、黑洞、宇宙膨脹、引力波等等，這些也都得到了實驗和觀測的檢驗。（科學(xué)人拓展閱讀：今天講相對論！別怕，用的都是最常見的詞）
吉吉喆喆：宇宙有邊界嗎？宇宙中時間是永恒的嗎？宇宙的空間是相對的嗎？
張雙南：根據(jù)現(xiàn)在我們對于宇宙的研究，我們的宇宙是有限的，但是沒有邊界。舉一個例子，一個三維球體的表面顯然是有限的，但是對于生活在這個二維球面上面的二維生物，它的宇宙就沒有邊界。所以可以把我們的宇宙理解為一個四維球體的三維球面，有限但是無界，當(dāng)然這只是一個形象化的解釋。關(guān)于時間，它的本質(zhì)就是對變化的量度，所以我的理解是時間的起點就是宇宙起源的時刻，終點就是宇宙消亡的時刻，如果宇宙會消亡的話?？臻g在一定程度上可以認(rèn)為是相對的，因為根據(jù)相對論理論，不同坐標(biāo)系的觀測者測量得到的空間可能是不同的，而宇宙的膨脹過程中空間尺度也是在膨脹的。
Chateau · Wang：說宇宙從奇點開始，時間就開始了，那宇宙奇點之前時間是存在的么。黑洞有沒有奇點？有的話里面還存在現(xiàn)在宇宙的時間嗎？
蔣斌：理論物理證明可能存在的空間維度有幾個，能描述一下四維之外的維度形態(tài)嗎。人能進(jìn)化到靠感官感受更高維度嗎？
張雙南：首先我說明一下，我不愿意用“理論物理證明”，因為可以建立各種理論模型，但是模型是否正確需要實驗或者觀測的檢驗。目前具有高維的模型很多，其中兩個比較吸引人。一個就是11維宇宙模型，宇宙誕生的時候有10維空間，但是很快其中7維空間隱藏起來了，只剩下三維，就是我們今天的三維宇宙。另外一個最近提出的模型是說我們的宇宙來自于一個4維天體塌縮成了一個4維的黑洞，它的三維視界面保留了4維黑洞的全部信息，就是所謂的全息理論，我們的宇宙就是這個3維視界面。目前不知道這兩個理論是否正確，因為還沒有得到實驗或者觀測的證實。我當(dāng)然不知道人是否會進(jìn)化得比現(xiàn)在的科學(xué)儀器還先進(jìn)，能夠感受到3維以外的維度，但是我覺得可能性不大。
宋立聰： 怎么理解空間扭曲的結(jié)果是兩個物體相互吸引（不管運動還是靜止）？直接上空間扭曲應(yīng)該只體現(xiàn)在運動的軌跡上而已吧？
張雙南：任何物體都會產(chǎn)生扭曲的空間。如果沒有外力的作用，物體在扭曲的空間中無法保持靜止或者勻速直線運動，必須做加速運動，這是因為物質(zhì)產(chǎn)生彎曲空間的根源就是引力和加速度的等效性。因此兩個物體的引力導(dǎo)致的彎曲空間的表現(xiàn)就是產(chǎn)生加速度，例如自由落體或者繞轉(zhuǎn)，看起來就是相互吸引。這就是所謂的物質(zhì)告訴空間如何彎曲，空間告訴物質(zhì)如何運動，引力只是一種說法，不是實質(zhì)。因此，物質(zhì)運動的軌跡是對空間扭曲的一種體現(xiàn)。當(dāng)然也有別的體現(xiàn)，比如，最近探測到的引力波就是空間扭曲的直接結(jié)果，這是由于兩個黑洞都把其周圍的空間扭曲了，它們繞轉(zhuǎn)的時候就把扭曲的空間以引力波的形式傳播出來了。
趙行德：想請問一下暗物質(zhì)是什么，對現(xiàn)有大爆炸的宇宙學(xué)模型有沒有什么影響？以及和超弦相關(guān)理論有什么關(guān)系。
張雙南：暗物質(zhì)的存在是根據(jù)天文觀測效應(yīng)得到的，比如根據(jù)星系中恒星和氣體的運動計算得到的星系的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于星系中能夠發(fā)光的物質(zhì)，那些不能發(fā)光的物質(zhì)就被稱為暗物質(zhì)。同樣由很多星系組成的星系團(tuán)中的物質(zhì)總量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于能夠發(fā)光的物質(zhì)總量?，F(xiàn)在宇宙中暗物質(zhì)的總量比能夠發(fā)光的物質(zhì)總量多七八倍。但是暗物質(zhì)到底是什么仍然是天文學(xué)和物理學(xué)的最大的謎團(tuán)之一，甚至我們都不能肯定暗物質(zhì)像我們已知的物質(zhì)那樣是由粒子組成的，我們只知道暗物質(zhì)肯定不是任何一種我們已經(jīng)知道的物質(zhì)。目前的宇宙大爆炸模型也需要宇宙的主要物質(zhì)是由暗物質(zhì)組成的，和從星系以及星系團(tuán)觀測得到的結(jié)論沒有矛盾。但是我們不清楚暗物質(zhì)是否和超弦理論有關(guān)系。（科學(xué)人拓展閱讀：暗物質(zhì)衛(wèi)星“悟空”的一切，首席科學(xué)家為你詳解）
風(fēng)之雪駒： 請問除地球以外真的存在外星人嗎？
張雙南：我相信地球以外真的存在外星人。我們知道，宇宙中其它的地方存在很多類似我們太陽系這樣的恒星-行星系統(tǒng)，有些行星甚至很類似地球。如果地球上的生命和人是進(jìn)化來的，那么沒有什么理由在其它星球上不能進(jìn)化出生命和甚至智慧和文明生命。而且生命也可能在其它環(huán)境下進(jìn)化產(chǎn)生出來。因此我們相信宇宙中一定有很多星球上有外星人，盡管他們的樣子以及文明程度可能和我們不同。當(dāng)然，目前我們還沒有發(fā)現(xiàn)外星人存在的證據(jù)，既沒有發(fā)現(xiàn)他們到訪過地球，也沒有發(fā)現(xiàn)其它地方有外星人。但是沒有找到不等于不存在，畢竟我們只搜尋了宇宙中很小的部分，所以天文學(xué)家還是努力尋找中。
易如 ：為什么月球不自轉(zhuǎn)，而總是吳剛砍樹的那一面朝著地球？網(wǎng)上說因為月球是外星人造的，所以不自轉(zhuǎn)。您怎么看？
張雙南：這事兒和外星人沒有關(guān)系，其實是地球的潮汐力造成的。海洋湖泊每天的兩次潮漲潮落是由于太陽的潮汐力，因為太陽在地球表面不同地方的引力的不同，會導(dǎo)致沿著太陽的方向產(chǎn)生拉伸的效應(yīng)，垂直方向是壓縮的效應(yīng)。同理，受月球的潮汐力的影響，每月就有兩次大潮，因為月球?qū)Φ厍虻某毕Ρ忍枏?。由于月球不是完美的球體而且沒有海洋湖泊，略微像煮熟的鴨蛋那樣的固體橢球，地球?qū)υ虑虻某毕蜁沟脵E球的長軸指向地球中心，這叫做潮汐鎖定，很多行星和衛(wèi)星都是這樣的，真的和外星人沒有關(guān)系。地球會自轉(zhuǎn)而沒有被太陽的潮汐力鎖定，是由于地球離太陽太遠(yuǎn)了，我們真的是很幸運，否則就是地球一面永遠(yuǎn)是白天，另外一面永遠(yuǎn)是夜晚了。
桐： 太陽系行星的運轉(zhuǎn)就像一個大餅，其它恒星系相類似，那宇宙中這些大餅是如何分布的？
張雙南：太陽系的行星的軌道的確都大致在一個平面上，而其它恒星系的行星的軌道也大致如此，這說明了恒星和它們的行星是一個起源，也就是來自于一團(tuán)氣體的塌縮，角動量守恒導(dǎo)致了一個恒星的所有的行星的軌道大致處于一個平面上。但是目前沒有發(fā)現(xiàn)不同恒星系的行星的軌道平面之間有任何聯(lián)系。所以簡單地講，目前的天文觀測告訴我們，這些大餅的平面的取向的分布是隨機的，也就是雜亂無章的。當(dāng)然由于這些不同恒星之間幾乎沒有相互作用，我們也不期待這些大餅的方向應(yīng)該有任何聯(lián)系。
向文華：埃隆馬斯克關(guān)于征服火星的計劃您覺得可行嗎？您認(rèn)為需要解決的最大難題是什么？哪個國家能率先開發(fā)火星？
張雙南：馬斯克雄心勃勃，令人佩服。但是我認(rèn)為改造火星并且移民火星，技術(shù)上是不可行的，所花費的代價將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過保護(hù)好地球成為我們長期的家園。因此移民火星完全沒有必要。到火星旅游也許能夠做到，而且也有需求，畢竟有錢任性的地球人很多。但是要想健康地甚至活者回到地球非常困難，因為沿途的放射性輻射非常嚴(yán)重，目前還沒有可行的解決方法，我認(rèn)為這是最大的難題。如果想把火星作為地球人的墳?zāi)?，現(xiàn)在就能夠做到。開發(fā)火星我認(rèn)為也是沒有必要的。征服、移民和開發(fā)火星都只不過是吸引人眼球的噱頭而已。但是考察研究火星非常有必要，理解火星的環(huán)境為什么變得如此惡劣將有助于我們更好地保護(hù)地球，地球是我們在太陽系唯一的家園。
編輯整理：甘蔗西西、Sol_陽陽排版：Sol_陽陽
