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七则。

古巴比伦建塔做观星台、中国后弈射日10个太阳的传说是不是古代天文现象相当的丰富多彩？和现在有何不同?

张双南：目前地球上发现的古观星台很多，研究表明，这些观星台所观测的天文现象和今天是一样的，很多古代的天象记录也能够得到今天的天文研究结果的证实，而且有些天象记录对现代天文学还有重要的作用，比如彗星、太阳黑子以及超新星爆发，当然古代并不理解这些天象是怎么回事，于是产生了各种迷信和传说。至于后羿射日，那也只是传说，当然没有发生过，用在文学艺术甚至科幻里面就好啦。人类存在的历史和地球以及宇宙的历史相比只是惊鸿一瞥，在这短短的时间内，宇宙真的没有怎么变化。

宇宙中存在反引力天体吗?可见的未来人类能制造出反引力推进引擎吗？甚至用反引力进行星际航行。 

张双南：宇宙中当然不存在反引力天体。可以严格地论证，即使放一个反引力天体到宇宙中，这个天体必定会由于和其它所有天体的反引力作用而最终以极高的速度无法控制地撞上其它天体而被毁灭掉。同理，人类不可能制造出反引力推进引擎，因此用反引力进行星际航行是不可能实现的，即使用在科幻里面也不好，因为这完全不科学。

追问：会不会有这样一种假设，反引力天体在宇宙形成过程中分割为两部分，一部份被相互斥力挤压到宇宙边缘，一部则被限制在宇宙中心？ 

张双南：您的假设不可能成立，既违反科学原理也和观测事实矛盾。首先，如果有一个区域（比如宇宙边缘）都是反引力天体，那么这些反引力天体之间的相互反引力作用会使得它们都以越来越高的速度运动，不但违反能量守恒原理，而且必须互相高速碰撞而集体毁灭掉。其次，目前的天文观测表明，宇宙在大尺度上是高度均匀的，宇宙既没有中心也没有边缘，完全不是您假设的边缘是反引力天体，中心是引力天体，中间是的空的这种情况。因此反引力天体的假设是完全错误的。

既然目前认可宇宙爆炸理论，产生的物质之间应该相互距离越来越远，恒星如何能依靠万有引力聚合产生?

张双南：您问了一个宇宙演化的根本性问题，叫做宇宙结构起源的种子问题。如果宇宙大爆炸之后物质密度的分布是完全均匀的，各处相同，那么不仅仅无法形成恒星，而且也无法形成星系、星系团等天体和宇宙大尺度结构。但是量子力学告诉我们，密度绝对均匀违反量子力学的不确定性原理，因此宇宙大爆炸的时候必定产生物质密度的涨落，也就是不均匀性。在密度高的地方，引力就会克服宇宙膨胀的效应，导致物质靠引力相互吸引，形成各种天体。事实上，我们如果只观测附近的天体，是看不到宇宙膨胀的，原因也是由于局部区域引力主导。但是宇宙开始的时候如何形成密度涨落以及密度涨落的精确形式，目前还没有最后的结论，是宇宙学研究的热点之一。

请问宇宙有边界吗？如果宇宙是无穷大的，相对而言会不会出现无穷小，比如会不会发现比原子，电子还小得多的东西？

张双南：如果我们把宇宙定义为自然界的总和，包括物质和空间，那么只能回答没有边界。如果我回答有边界，那就可以接着问，边界外面是什么？既然没有边界，那么宇宙是否无限？也许吧！但是我们可以建立有限无界的宇宙模型，比如对于生活在二维空间的生物，三维球体的表面就是有限但是无界的，因为在球面上无论怎么走都不会遇到边界。同样的道理，一个4维超球体的三维超球面就是一个有限无界的宇宙。有的宇宙模型就认为我们的宇宙是在一个四维黑洞的三维视界面上，这个模型和目前的天文观测结果没有矛盾。原子其实很大，比其中心的原子核大十万倍，根据量子力学的原理，无穷小体积的粒子应该是不存在的，但是目前还没有测量到电子等基本粒子的体积。

你觉得人类科技还需要发展多久才能够获取其他星球的能源？

张双南：纯粹从技术的角度，如果有这个需求，我觉得在100年之内应该能够做到。但是我认为没有必要获取其他星球的能源，因为在地球上获取能源的效率要远远高于去其他星球获取能源。尽管地球的化石能源最终会枯竭，但是水力发电、风能、太阳能和可再生能源在可以预见的未来是不会枯竭的。而且核能的潜力还远远没有发挥出来，原子弹和氢弹的能量释放效率就远远高于其它的能源，问题只是如何安全可控地使用它。核电站技术就相当于可控的原子弹，而人工核聚变，也就是俗称的人造太阳就是可控的氢弹，其效率更高，潜力更大。因此单纯从能源的角度，人类在地球上完全可以通过进一步的科学和技术研究满足能源需求，没有必要去折腾其它的星球。

在黑洞内人类用“1+1=2、欧里几何等”构建的数理体系还适用吗，推演几个通俗易懂的现象？

张双南：事实上，只有在广义相对论的框架下我们才能自洽地描述黑洞，无论黑洞外面还是里面。描述广义相对论的数学工具是黎曼几何，它可以描述弯曲空间，而欧几里得几何描述的是平直空间。广义相对论的物理基础是等效原理，也就是惯性质量和引力质量是等效的。需要黎曼几何的原因是，在引力场中自由落体的观测者处于局部惯性系中，可以使用狭义相对论，但是由于在做加速运动，单位时间走过的距离是变化的，看到的周围的空间不是平直的，需要描述弯曲空间的几何。由于空间是弯曲的，光线就不能走直线，这是最简单和直接的例子，已经得到了实验和观测的严格检验。在黑洞内部和外部我们都用同一套数学，只不过离黑洞比较远的地方空间接近平直，也可以用欧几里得几何。

您如何看待弦论？希格斯粒子的发现对于超弦理论来说意味着什么？

张双南：弦论是一套宏大和精彩的理论体系，试图在更基本的层次统一目前所知的四种作用力，也就是所谓各种基本粒子包括引力子都是弦的某个形态和模态。但是这套理论目前还没办法通过实验或者观测的办法进行验证，因为这套理论目前不能给出能够被实验或者观测检验的明确预言，或者说它给出了太多的可能性，以至于无法检验，所以我不知道这个理论是否正确，这也是科学界目前并没有接受这套理论的主要原因。超弦理论也有竞争者，比如圈量子引力理论就试图统一量子力学和引力，不过圈量子引力理论没有超弦理论宏大，不属于万有理论。希格斯粒子的发现验证了粒子物理标准模型的最后一个关键预言，但是我认为和超弦理论没有什么关系。

社会是个小宇宙，每个人都是自己的星系。老师能否将天体物理学的高深理论转化成现实生活的道理讲给我们听?

张双南：现实生活是如此复杂，我们对于现实生活的规律的理解还远远没有到天文学的经验规律（比如开普勒定律）那个层面上，更不用说牛顿、爱因斯坦和霍金的那些真正的科学规律了。我们对于现实生活道理的理解还处于鸡汤的层面上，大概相当于天文学争论日心说还是地心说的阶段。因此我只有在写科学诗的时候才把天体物理应用到生活里面，您可以搜索“张双南引力波和纠缠态”，找到我所写的几首科学诗。 

您如何看待弦论？希格斯粒子的发现对于超弦理论来说意味着什么？

张双南：弦论是一套宏大和精彩的理论体系，试图在更基本的层次统一目前所知的四种作用力，也就是所谓各种基本粒子包括引力子都是弦的某个形态和模态。但是这套理论目前还没办法通过实验或者观测的办法进行验证，因为这套理论目前不能给出能够被实验或者观测检验的明确预言，或者说它给出了太多的可能性，以至于无法检验，所以我不知道这个理论是否正确，这也是科学界目前并没有接受这套理论的主要原因。超弦理论也有竞争者，比如圈量子引力理论就试图统一量子力学和引力，不过圈量子引力理论没有超弦理论宏大，不属于万有理论。希格斯粒子的发现验证了粒子物理标准模型的最后一个关键预言，但是我认为和超弦理论没有什么关系。

附：张双南老师的科学诗二首：

那些年当我还在远方流浪，

你的倩影从宇宙深处飘来。

也许是爱因斯坦的引力波，

在我的心田里你一直荡漾。

这些年当我悠悠到了故乡，

你的柔声一直回响我耳边。

也许是量子力学的纠缠态，

在我的周围都是你的气场。

这些天当我看到你的模样，

你的引力波终于被探测到。

也许是波函数还没有塌缩，

我们一起激发了那道光芒。

已经形成了习惯

打开微信找你的信息

我失望了，女神哪去了

刚想起了黑名单

是我狠心把你放进去

你挥挥手，雪花化掉了

梦想那是量子阱

当我给你充入暗能量

我祈祷着，女神穿越了

这里是经典世界

暗能量还没有被理解

我后悔了，雪花飘回吧

题图来源：123rf正版图库

编辑整理：甘蔗西西、Sol_阳阳 排版：甘蔗西西