科學(xué)探索與科技創(chuàng)新06時(shí)空旅行

外星文明與時(shí)空旅行：在科學(xué)與幻想之間科學(xué)探索與科技創(chuàng)新課

關(guān)于外星球生命的問題，幾個(gè)世紀(jì)以來經(jīng)歷過好幾個(gè)階段：糊里糊涂的推測，無拘無束的猜想，墨守成規(guī)的保守觀念和毫無想象力的漠不關(guān)心，最后，才算成熟。目前已到達(dá)采用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)技術(shù)方法來進(jìn)行研究的實(shí)際階段。這項(xiàng)工作在科學(xué)上已經(jīng)受到尊重，其重要意義也為人們廣泛了解。外星球生命的想法，已經(jīng)到達(dá)該實(shí)際研究的時(shí)候了。——卡爾·薩根UFO：外星文明的使者？

從常識(shí)出發(fā)來推論，無法排除外星高等文明存在的可能性?？枴に_根：“我們沒有理由自詡為空前絕后或最理想的生物?！?/p>

迄今為止，人類既沒有發(fā)現(xiàn)外星高等文明存在的證據(jù)，也未能提供外星高等文明不存在的證據(jù)。

外星高等文明是否存在，科學(xué)上一直是有爭論的。

在外星高等文明是否存在這個(gè)問題上，常見兩種策略：1、試圖“證明”外星文明不可能存在2、宣布對外星高等文明的討論屬于“偽科學(xué)”德雷克公式及其估算值銀河系中的高等文明數(shù)＝恒星總數(shù)×恒星擁有行星系統(tǒng)的概率×行星系統(tǒng)中產(chǎn)生生命的概率×生命中產(chǎn)生智慧生命的概率×智慧生命進(jìn)入技術(shù)時(shí)代的概率×技術(shù)時(shí)代的平均持續(xù)時(shí)間÷銀河系年齡由德雷克（FrankDrake）與卡爾·薩根（CarlSagan）提出在1961年美國科學(xué)院空間科學(xué)委員會(huì)請德雷克主持組織的第一次搜尋地外生命的學(xué)術(shù)會(huì)議上，被作為主題來討論。當(dāng)時(shí)推算的結(jié)果是取值在1000～100,000之間若取值為1，就“證明”了外星高等文明不存在。這個(gè)“證明”遠(yuǎn)非無懈可擊：

邏輯上的問題：無限與0

中間各項(xiàng)數(shù)值的估計(jì)隨意性太大，很難有確切值。公式中的“生命”僅限于地球上的生命模式是偽科學(xué)嗎？是現(xiàn)代神話嗎？▼“偽科學(xué)”說：對于增進(jìn)人類知識(shí)毫無貢獻(xiàn)▼哲學(xué)思路：“一個(gè)現(xiàn)代性的神話”地外文明是一個(gè)無法進(jìn)行科學(xué)檢驗(yàn)的問題有一定道理，但并非無懈可擊。智慧外星人會(huì)不會(huì)和我們聯(lián)絡(luò)？

問題一：星際航行是否可能？只有得出肯定的答案，UFO才有可能是外星文明的使者。問題二：高等文明是否愿意與低等文明交往？

問題一：星際航行是否可能？對于恒星之間的星際航行，科學(xué)家已經(jīng)設(shè)想了多種技術(shù)方案，但均難以實(shí)施：核爆炸推進(jìn)火箭核聚變推進(jìn)火箭反物質(zhì)推進(jìn)火箭太陽能宇宙飛船“光帆”宇宙飛船問題二：高等文明是否愿意與低等文明交往？有人認(rèn)為：如果外星文明已經(jīng)可以到達(dá)地球，那他們的科學(xué)技術(shù)必然比我們發(fā)達(dá)很多。但他們?yōu)槭裁催€總是躲著我們呢？為什么不堂而皇之地和我們交往呢？所以，所謂的UFO肯定不是外星文明使者。對待外星文明探索活動(dòng)的態(tài)度民間自發(fā)的UFO探索活動(dòng)持續(xù)不斷，而且熱情很高。中國天文學(xué)界對UFO問題的普遍恐懼：極少有天文學(xué)家愿意和這項(xiàng)活動(dòng)或這個(gè)話題沾邊。怕被指為“偽科學(xué)”？相對論與時(shí)空旅行

在日常生活和生產(chǎn)中，用時(shí)鐘測量時(shí)間，用米尺測量長度，也是司空見慣的事情。無論是運(yùn)動(dòng)的描述，還是運(yùn)動(dòng)規(guī)律的說明，都跟時(shí)間和長度的測量有關(guān)。對于不同的參考系，長度和時(shí)間的測量結(jié)果是否是一樣的？對上述問題的討論，物理學(xué)經(jīng)歷了一場關(guān)于時(shí)空觀的變革，從牛頓時(shí)代的經(jīng)典力學(xué)跨越到愛因斯坦的相對論。愛因斯坦的狹義相對論告訴我們：運(yùn)動(dòng)的時(shí)鐘變慢、運(yùn)動(dòng)的尺子在運(yùn)動(dòng)的方向上縮短。這到底是為什么？導(dǎo)入新課相對論簡介時(shí)間和空間的相對性教學(xué)目標(biāo)

一、知識(shí)與技能（1）同時(shí)的相對性（2）運(yùn)動(dòng)長度的收縮（3）時(shí)間間隔的相對（4）了解時(shí)空相對性的驗(yàn)證（5）了解相對論時(shí)空觀與經(jīng)典物理時(shí)空觀的主要區(qū)別

二、過程與方法（1）理解同時(shí)相對性的推演過程（2）理解從“同時(shí)相對性”出發(fā)得出“運(yùn)動(dòng)長度和時(shí)間間隔的相對性”的過程。

三、情感態(tài)度和價(jià)值觀（1）體會(huì)相對論嶄新的時(shí)空觀，體會(huì)相對論的建立對人類認(rèn)識(shí)世界的影響。（2）辯證地看待經(jīng)典物理理論教學(xué)重難點(diǎn)教學(xué)重、難點(diǎn)

從“同時(shí)”的相對性得出運(yùn)動(dòng)長度和時(shí)間間隔的相對性。本節(jié)導(dǎo)航一、“同時(shí)”的相對性二、長度的相對性三、時(shí)間間隔的相對性四、時(shí)空相對性的驗(yàn)證五、相對論的時(shí)空觀一、”同時(shí)“的相對性

在經(jīng)典物理家的頭腦中，如果兩個(gè)事件在一個(gè)參考系中看來是同時(shí)的，在另一個(gè)參考系中看來也一定是同時(shí)的，但是如果接受愛因斯坦的兩個(gè)假設(shè)，我們會(huì)得出“同時(shí)是相對的”這樣一個(gè)結(jié)論。同時(shí)是相對的事例1

按照狹義相對論，不僅“同時(shí)”是相對的，有時(shí)候，甚至事情的先后也都是相對的。

一節(jié)長為10米的列車，A在車后部，B在車前部。當(dāng)列車以0.6c的高速度通過一個(gè)站臺(tái)的時(shí)候,突然站臺(tái)上的人看到A先向B開槍,過了12.5毫微秒,B又向A發(fā)射。因而站臺(tái)上的人作證：這場槍戰(zhàn)是由A挑起的。但是，車上的乘客卻提供相反的情況，他們說，是B先開槍，過了10毫微秒，A才動(dòng)手。事件是由B發(fā)動(dòng)的。

AB事例2到底是誰先動(dòng)手呢？沒有絕對的答案。在這個(gè)具體事件中，誰先誰后是有相對性的。在列車參考系中，B先A后，而在車站參考系中則是A先B后。AB

在十幾個(gè)毫微秒時(shí)間內(nèi)，光信號走不到十米遠(yuǎn)，所以A和B開槍動(dòng)作的先后是相對的。

光速不變性保證了因果關(guān)系的成立，保證我們不會(huì)看到任何倒因?yàn)楣默F(xiàn)象。概念經(jīng)典力學(xué)狹義相對論光速相對的絕對的同時(shí)絕對的相對的不可能有物理聯(lián)系的兩事件的次序絕對的相對的可能有物理聯(lián)系的兩事件的次序絕對的絕對的如誰先動(dòng)手問題二、長度的相對性

v車上的人看到的車廂的長度：車外的人看到的車廂的長度：注意：長度縮短效應(yīng)只發(fā)生在相對運(yùn)動(dòng)的方向上。如上例中的X軸方向上，在Y軸方向上無長度縮短效應(yīng)。動(dòng)尺變短（空間收縮效應(yīng)）S′O′X′Y′OSXY●

一條沿自身長度方向運(yùn)動(dòng)的桿，其長度總比、桿靜止時(shí)的長度小。斐克小伙劍術(shù)精，出刺迅捷如流星，由于空間收縮性，長劍變成小鐵釘.結(jié)論

伽莫夫的著名科普讀物《物理世界的奇遇》：該城市里的光速異乎尋常地小，當(dāng)他騎自行車高速行駛時(shí)，發(fā)現(xiàn)周圍的一切如圖中一樣的變扁了。三、時(shí)間間隔的相對性

a圖以車上的人作為參考系A(chǔ)B推導(dǎo)過程hh△t＇=2h/c

b圖以站臺(tái)上的人作為參考系A(chǔ)DA′C推導(dǎo)過程ACA＇=c△t

由a圖得出△t＇=2h/c由b圖得出ACA＇=c△t以上面兩式消去h可得：因?yàn)関<c，所以總有△t>△t＇

上面的推導(dǎo)公式表明在地面上觀測，火車上的時(shí)間進(jìn)程變慢了，車上的一切物理過程、化學(xué)過程和生命過程都變慢了：時(shí)鐘走得慢了，人的心臟跳動(dòng)、呼吸、消化、思維活動(dòng)和一切生理過程都變慢了……這就是時(shí)間間隔的相對性，也稱為“時(shí)間膨脹”或“鐘慢效應(yīng)”。

我們設(shè)想甲、乙是一對孿生弟兄。他們計(jì)劃做一次高速飛船旅行，來檢驗(yàn)一下狹義相對論。甲留在發(fā)射基地，乙周游天外。當(dāng)飛船再度回到基地時(shí)，是甲比乙年輕，還是乙比甲年輕？甲乙事例1

這里有兩種答案：（1）甲看乙船上的鐘變慢了，所以，甲說乙應(yīng)該比他更年輕一些。（2）乙也看到基地的鐘變慢了，所以乙說甲應(yīng)該比他更年輕些。這是個(gè)有名的疑難，叫“雙生子佯謬”。甲乙

問題的關(guān)鍵是乙要回到出發(fā)點(diǎn)。乙的飛行路線必然是有來有去，或者是轉(zhuǎn)一個(gè)圈子。因此，在甲看來，乙是在做有速度變化的運(yùn)動(dòng)，在乙看來，甲相對于他也在做變速運(yùn)動(dòng)。按照運(yùn)動(dòng)鐘變慢的理論，甲看乙鐘變慢，乙看甲鐘變慢這種對稱性，只有當(dāng)甲和乙的相對運(yùn)動(dòng)速度不變時(shí)，才能保持?；蛘哒f，只有互相作勻速直線運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)慣性參考系，互相之間才是等價(jià)的。一旦出現(xiàn)了變速的相對運(yùn)動(dòng)，就不能使用這種對稱性了。甲和乙都生活在宇宙間。他們周圍還有大量天體。因此，雙生子問題中有三個(gè)因素：甲、乙和他們周圍的宇宙，如果甲留在基地上，他相對于大量天體并沒有做變速運(yùn)動(dòng)。在甲看來，只有乙在做變速運(yùn)動(dòng)。在乙看來，情況與甲不同。他不但看到甲在做變速運(yùn)動(dòng),而且整個(gè)宇宙都在做變速運(yùn)動(dòng)。一邊是整個(gè)周圍的宇宙，一邊只是一個(gè)飛船，這是明顯的不對稱性。所以由對稱性引起的兩難是不存在的。那么，到底誰年輕呢？四、時(shí)空相對性的驗(yàn)證

1966年，真的做了一次雙生子旅游實(shí)驗(yàn)，用來判斷到底那個(gè)壽命長，同時(shí)也一勞永逸地結(jié)束了純理論的爭論。不過旅游的不是人，仍然是μ子。旅途也不在天外，而是一個(gè)直徑大約為十四米的圓環(huán)。μ子從一點(diǎn)出發(fā)沿著圓軌道運(yùn)動(dòng)再回到出發(fā)點(diǎn)，這同乙的旅行方式是一樣的。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是，旅行后的μ子的確比未經(jīng)旅行的同類年輕了。我們似乎可以這樣作結(jié)論了：誰相對于整個(gè)宇宙做更多的變速運(yùn)動(dòng)，誰就會(huì)活得更長久。佯謬也就不存在了。實(shí)驗(yàn)一1971年銫原子鐘實(shí)驗(yàn)

將銫原子鐘放在飛機(jī)上，沿赤道向東和向西繞地球一周，回到原處后，分別比靜止在地面上的鐘慢59納秒和快273納秒。實(shí)驗(yàn)二

地球以一定的角速度向東轉(zhuǎn)，地面不是慣性系，而從地心指向太陽的參考系是慣性系（忽略地球公轉(zhuǎn)）。飛機(jī)的速度總小于地球自轉(zhuǎn)速度，所以無論飛機(jī)向東還是向西，它相對于慣性系都是向東，只是前者速度大，后者小。而地面上的鐘的轉(zhuǎn)速度介于二者之間。

這暗示著，人要活得更長久，應(yīng)該不斷地向東飛去，使得地球的轉(zhuǎn)動(dòng)速度疊加上飛機(jī)的速度。

上述實(shí)驗(yàn)表明，相對于慣性系轉(zhuǎn)速越大的鐘走得越慢。這和孿生子問題所預(yù)期的效應(yīng)是一致的。所以似也不應(yīng)再說：“孿生子佯謬”，而應(yīng)是孿生子效應(yīng)了。

然而人們所獲得的比一秒還短得多的生命延長，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及劣質(zhì)飛機(jī)餐對健康的殘害！——霍金《時(shí)間簡史》

這暗示著，人要活得更長久，應(yīng)該不斷地向東飛去，使得地球的轉(zhuǎn)動(dòng)速度疊加上飛機(jī)的速度。五、相對論的時(shí)空觀

絕對時(shí)空觀認(rèn)為時(shí)間和空間是脫離物質(zhì)而存在的，是絕對的，時(shí)間和空間之間也是沒有聯(lián)系的。相對論時(shí)空觀認(rèn)為有物質(zhì)才有時(shí)間和空間，時(shí)間和空間與物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。絕對時(shí)空觀與相對論時(shí)空觀的區(qū)別：

絕對時(shí)空觀相對論時(shí)空觀光速同時(shí)時(shí)間與空間相對的相對的絕對的絕對的與運(yùn)動(dòng)無關(guān)，絕對的與運(yùn)動(dòng)聯(lián)系，相對的一、“同時(shí)”是相對的二、長度的相對性三、時(shí)間間隔的相對性課堂小結(jié)相對論成為科幻影片思想資源一個(gè)人如果高速運(yùn)動(dòng)著，時(shí)間對他來說就會(huì)變慢；如果他的運(yùn)動(dòng)速度趨近于光速，時(shí)間對他來說就會(huì)趨近于停滯——以光速運(yùn)行就可以永生。如果運(yùn)動(dòng)的速度超過光速（盡管相對論假定這是不可能的），會(huì)發(fā)生什么情況？推理表明，時(shí)間就會(huì)倒轉(zhuǎn)，人就能夠回到過去——這就有點(diǎn)象Wells的時(shí)間機(jī)器了

溝通外星文明的途徑：蟲洞史蒂芬·霍金《時(shí)間簡史》：蟲洞就是一個(gè)時(shí)空細(xì)管，它能把幾乎平坦的相隔遙遠(yuǎn)的區(qū)域連接起來?！虼?，蟲洞正和其他可能的超光速旅行方式一樣，允許人們往過去旅行。《時(shí)間機(jī)器》與時(shí)空旅行

1895年，H.G.Wells的科幻小說《時(shí)間機(jī)器》（TheTimeMachine），想象利用“時(shí)間機(jī)器”在未來世界（公元802701年）旅行?！皶r(shí)空旅行”：既可以前往未來，也可以回到過去。時(shí)間機(jī)器最早出現(xiàn)于英國科幻作家威爾斯的科幻小說《時(shí)間機(jī)器》中。書中說，時(shí)間旅行家發(fā)明了一種時(shí)間機(jī)器，回到了公元802701年的世界。發(fā)現(xiàn)未來的人進(jìn)化為兩類，一類生活在地面上，是由剝削階級進(jìn)化來的，美麗，優(yōu)雅，但四體不勤，養(yǎng)尊處優(yōu)，體力和智力嚴(yán)重退化；另一類生活在地下，是由勞動(dòng)人民進(jìn)化來的，他們丑陋，野蠻，卻充滿力量，以地面上的人為食。

時(shí)間機(jī)器的理論依據(jù)，來自于愛因斯坦的相對論。在相對論提出之前，人們認(rèn)為時(shí)間是絕對的和普遍的，即不管人們處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)還是靜止?fàn)顟B(tài)，時(shí)間對于我們每個(gè)人都是一樣的。但是，愛因斯坦的狹義相對論認(rèn)為，時(shí)間對處于不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的人來說是不一樣的，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同的兩名觀察者，對于同樣的兩個(gè)事件會(huì)體驗(yàn)到不同的持續(xù)時(shí)間。例如，乘坐宇宙飛船，在太空高速飛行，其時(shí)間流逝要比待在地球上慢。愛因斯坦的這一推論，已被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。關(guān)于這一點(diǎn)，中國人似乎早就認(rèn)識(shí)到了。遠(yuǎn)在晉代，就有關(guān)于王質(zhì)“爛柯忘歸”的故事。如果這樣，只要有快速飛行的設(shè)備，如超光速飛行的設(shè)備，即時(shí)間機(jī)器，人們就可以提前到達(dá)未來，或者回到過去。光的速度，是每秒30萬公里。超光速，就是要超這個(gè)速度。但是，按照愛因斯坦相對論的原理，超光速飛行又是不可能的。為了達(dá)到超光速飛行的目的，科幻作家又想出了跳躍式飛行。其設(shè)想是：將三維空間彎曲，讓遠(yuǎn)距離的兩個(gè)點(diǎn)以四維方式重疊。我們知道，線為一維，面為二維，立體為三維。科幻作家認(rèn)為時(shí)間是四維。如果讓三維的兩個(gè)點(diǎn)彎曲，形成四維方式重疊，也