科學探索與科技創(chuàng)新06_時空旅行

1、外星文明與時空旅行：在科學與幻想之間科學探索與科技創(chuàng)新課 關于外星球生命的問題，幾個世紀以來經(jīng)歷過好幾個階段：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心，最后，才算成熟。目前已到達采用嚴謹?shù)目茖W技術方法來進行研究的實際階段。這項工作在科學上已經(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)到達該實際研究的時候了?？査_根UFO：外星文明的使者？ 從常識出發(fā)來推論，無法排除外星 高等文明存在的可能性。 卡爾薩根：“我們沒有理由自詡為空前絕后或最理想的生物。” 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

2、文明是否存在，科學上一直是有爭論的。 在外星高等文明是否存在這個問題上，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”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入技術時代的概率技術時代的平均持續(xù)時間銀河系年齡 由德雷克（Frank Drake）與卡爾薩根（Carl Sagan）提出 在1961年美國科學院空間科學委員會請德雷克主持組織的第一次搜尋地外生命的學術會議上，被作為主題來討論。 當時推算的結果是取值在1000100,000之間 若取值為1，就“證明”了外星高

3、等文明不存在。這個“證明”遠非無懈可擊： 邏輯上的問題：無限與 0 中間各項數(shù)值的估計隨意性太 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嗎？是現(xiàn)代神話嗎？ “偽科學”說：對于增進人類知識毫 無貢獻 哲學思路：“一個現(xiàn)代性的神話” 地外文明是一個無法進行科學檢 驗的問題 有一定道理，但并非無懈可擊。智慧外星人會不會和我們聯(lián)絡？ 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，科學家已經(jīng)設想了多種技術方案，但均難以實施： 核爆炸推進火箭 核聚變推

4、進火箭 反物質推進火箭 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？ 有人認為：如果外星文明已經(jīng)可以到達地球，那他們的科學技術必然比我們發(fā)達很多。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的態(tài)度 民間自發(fā)的UFO探索活動持續(xù)不斷，而且熱情很高。 中國天文學界對UFO問題的普遍恐懼：極少有天文學家愿意和這項活動或這個話題沾邊。 怕被指為“偽科學”？相對論與時空旅行 在日常生活和生產(chǎn)中，用時鐘測量時間，在日常生活和生產(chǎn)中，用時鐘測量時間，用米尺測量長度，也是司空見慣的事情。無論用米尺測量長

5、度，也是司空見慣的事情。無論是運動的描述，還是運動規(guī)律的說明，都跟時是運動的描述，還是運動規(guī)律的說明，都跟時間和長度的測量有關。對于不同的參考系，長間和長度的測量有關。對于不同的參考系，長度和時間的測量結果是否是一樣的？對上述問度和時間的測量結果是否是一樣的？對上述問題的討論，物理學經(jīng)歷了一場關于時空觀的變題的討論，物理學經(jīng)歷了一場關于時空觀的變革，從牛頓時代的經(jīng)典力學跨越到愛因斯坦的革，從牛頓時代的經(jīng)典力學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：運相對論。愛因斯坦的狹義相對論告訴我們：運動的時鐘變慢、運動的尺子在運動的方向上縮動的時鐘變慢、運動的尺子在運動的方向上縮短。這到底是

6、為什么？短。這到底是為什么？導入新課相對論簡介相對論簡介教學目標 一、知識與技能一、知識與技能 （1 1）同時的相對性）同時的相對性 （2 2）運動長度的收縮）運動長度的收縮 （3 3）時間間隔的相對）時間間隔的相對 （4 4）了解時空相對性的驗證）了解時空相對性的驗證 （5 5）了解相對論時空觀與經(jīng)典物理時空觀）了解相對論時空觀與經(jīng)典物理時空觀的主要區(qū)別的主要區(qū)別 二、過程與方法二、過程與方法 （1 1）理解同時相對性的推演過程）理解同時相對性的推演過程 （2 2）理解從）理解從“同時相對性同時相對性”出發(fā)得出出發(fā)得出“運動長度和時間間隔的相對性運動長度和時間間隔的相對性”的過程。的過程。

7、三、情感態(tài)度和價值觀三、情感態(tài)度和價值觀 （1 1）體會相對論嶄新的時空觀，體會相）體會相對論嶄新的時空觀，體會相對論的建立對人類認識世界的影響。對論的建立對人類認識世界的影響。 （2 2）辯證地看待經(jīng)典物理理論）辯證地看待經(jīng)典物理理論 教學重難點教學重、難點教學重、難點 從從“同時同時”的相對性得出運動長的相對性得出運動長度和時間間隔的相對性。度和時間間隔的相對性。本節(jié)導航一、一、“同時同時”的相對性的相對性二、長度的相對性二、長度的相對性三、時間間隔的相對性三、時間間隔的相對性四、時空相對性的驗證四、時空相對性的驗證五、相對論的時空觀五、相對論的時空觀一、一、”同時同時“的相對性的相對性事

8、例事例1 按照狹義相對論，不僅按照狹義相對論，不僅“同時同時”是是相對的，有時候，甚至事情的先后也都相對的，有時候，甚至事情的先后也都是相對的。是相對的。 一節(jié)長為一節(jié)長為10米的列車，米的列車，A在車后部，在車后部，B在車前部。在車前部。當列車以當列車以0.6c的高速度通過的高速度通過一個站臺的時候一個站臺的時候,突然站臺突然站臺上的人看到上的人看到A先向先向B開槍開槍,過過了了12.5毫微秒毫微秒,B又向又向A發(fā)射。發(fā)射。因而站臺上的人作證：這場因而站臺上的人作證：這場槍戰(zhàn)是由槍戰(zhàn)是由A挑起的。但是，挑起的。但是，車上的乘客卻提供相反的情車上的乘客卻提供相反的情況，他們說，是況，他們說，是

9、B先開槍，先開槍，過了過了10毫微秒，毫微秒，A才動手。才動手。事件是由事件是由B發(fā)動的。發(fā)動的。 AB事例事例2到底是誰先動手呢？到底是誰先動手呢？沒有絕對的答案。在沒有絕對的答案。在這個具體事件中，誰這個具體事件中，誰先誰后是有相對性的。先誰后是有相對性的。在列車參考系中，在列車參考系中，B先先A后，而在車站參后，而在車站參考系中則是考系中則是A先先B后。后。AB 在十幾個毫微秒時間內(nèi)，光信號走不到十在十幾個毫微秒時間內(nèi)，光信號走不到十米遠，所以米遠，所以A A和和B B開槍動作的先后是相對的。開槍動作的先后是相對的。 光速不變性保證了因果關系的成立，保證光速不變性保證了因果關系的成立，保

10、證我們不會看到任何倒因為果的現(xiàn)象。我們不會看到任何倒因為果的現(xiàn)象。概概 念念經(jīng)典力學經(jīng)典力學狹義相對論狹義相對論光光 速速相對的相對的絕對的絕對的同同 時時絕對的絕對的相對的相對的不可能有物理不可能有物理聯(lián)系的兩事件聯(lián)系的兩事件的次序的次序絕對的絕對的相對的相對的可能有物理聯(lián)可能有物理聯(lián)系的兩事件的系的兩事件的次序次序絕對的絕對的絕對的絕對的如誰先動手問題如誰先動手問題二、長度的相對性二、長度的相對性 v v車上的人看到的車廂的長度：車上的人看到的車廂的長度：車外的人看到的車廂的長度：車外的人看到的車廂的長度：0ll0ll201cvll注意：注意： 長度縮短效應長度縮短效應只發(fā)生在只發(fā)生在相對

11、運動的方向上。相對運動的方向上。如上例中的如上例中的 X X 軸方向上，在軸方向上，在Y Y 軸方向上無軸方向上無長度長度縮短效應?？s短效應。動尺變短（空間收縮效應）動尺變短（空間收縮效應）S SO O X X YYA B O O S SX XY Y u1xl 一條一條沿自身長度方向運動沿自身長度方向運動的桿，的桿，其長度總比、桿靜止時的長度小。其長度總比、桿靜止時的長度小。斐克小伙劍術精，斐克小伙劍術精，出刺迅捷如流星，出刺迅捷如流星，由于空間收縮性，由于空間收縮性，長劍變成小鐵釘長劍變成小鐵釘. .結論結論 伽莫夫的著名科普讀物伽莫夫的著名科普讀物物理世界的奇遇物理世界的奇遇：該城市里的光

12、：該城市里的光速異乎尋常地小，當他騎自行車高速行駛時，發(fā)現(xiàn)周圍的一切速異乎尋常地小，當他騎自行車高速行駛時，發(fā)現(xiàn)周圍的一切如圖中一樣的變扁了。如圖中一樣的變扁了。三、時間間隔的相對性三、時間間隔的相對性 a圖以車上的人作為參考系圖以車上的人作為參考系AB推導過程hht=2h/c=2h/c b圖以站臺上的人作為參考系圖以站臺上的人作為參考系ADAC推導過程ACA=ct 由由a a圖得出圖得出t t=2h/c =2h/c 由由b b圖得出圖得出ACAACA=c=ct t 以上面兩式消去以上面兩式消去h h可得：可得：因為因為vcvtt t 2)(1cvtt 上面的推導公式表明在地面上觀測，火車上的

13、上面的推導公式表明在地面上觀測，火車上的時間進程變慢了，車上的一切物理過程、化學過程時間進程變慢了，車上的一切物理過程、化學過程和生命過程都變慢了：時鐘走得慢了，人的心臟跳和生命過程都變慢了：時鐘走得慢了，人的心臟跳動、呼吸、消化、思維活動和一切生理過程都變慢動、呼吸、消化、思維活動和一切生理過程都變慢了了這就是時間間隔的相對性，也稱為這就是時間間隔的相對性，也稱為“時間膨時間膨脹脹”或或“鐘慢效應鐘慢效應”。 2)(1cvtt 我們設想甲、我們設想甲、乙是一對孿生弟兄。乙是一對孿生弟兄。他們計劃做一次高他們計劃做一次高速飛船旅行，來檢速飛船旅行，來檢驗一下狹義相對論。驗一下狹義相對論。甲留在

14、發(fā)射基地，甲留在發(fā)射基地，乙周游天外。當飛乙周游天外。當飛船再度回到基地時，船再度回到基地時，是甲比乙年輕，還是甲比乙年輕，還是乙比甲年輕？是乙比甲年輕？甲甲乙乙事例事例1 這里有兩種這里有兩種答案：（答案：（1）甲看）甲看乙船上的鐘變慢乙船上的鐘變慢了，所以，甲說了，所以，甲說乙應該比他更年乙應該比他更年輕一些。（輕一些。（2）乙）乙也看到基地的鐘也看到基地的鐘變慢了，所以乙變慢了，所以乙說甲應該比他更說甲應該比他更年輕些。這是個年輕些。這是個有名的疑難，叫有名的疑難，叫“雙生子佯謬雙生子佯謬”。甲甲乙乙 問題的關鍵是乙要回到出發(fā)點。乙的飛行路線必然是有問題的關鍵是乙要回到出發(fā)點。乙的飛行路

15、線必然是有來有去，或者是轉一個圈子。因此，在甲看來，乙是在做有來有去，或者是轉一個圈子。因此，在甲看來，乙是在做有速度變化的運動，在乙看來，甲相對于他也在做變速運動。速度變化的運動，在乙看來，甲相對于他也在做變速運動。 按照運動鐘變慢的理論，甲看乙鐘變慢，乙看甲鐘變慢按照運動鐘變慢的理論，甲看乙鐘變慢，乙看甲鐘變慢這種對稱性，這種對稱性，只有當甲和乙的相對運動速度不變時，才能保只有當甲和乙的相對運動速度不變時，才能保持持?；蛘哒f，只有互相作勻速直線運動的兩個慣性參考系，。或者說，只有互相作勻速直線運動的兩個慣性參考系， 互相之間才是等價的。一旦出現(xiàn)了互相之間才是等價的。一旦出現(xiàn)了變速的相對運動

16、，就不能變速的相對運動，就不能使用這種對稱性了。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，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因素：甲、乙和他們周圍的宇宙，如果雙生子問題中有三個因素：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動。在甲甲留在基地上，他相對于大量天體并沒有做變速運動。在甲看來，只有乙在做變速運動。在乙看來，情況與甲不同。他看來，只有乙在做變速運動。在乙看來，情況與甲不同。他不但看到甲在做變速運動不但看到甲在做變速運動,而且整個宇宙都在做變速運動。一而且整個宇宙都在做變速運動。一邊是整個周圍的

17、宇宙，一邊只是一個飛船，這是明顯的邊是整個周圍的宇宙，一邊只是一個飛船，這是明顯的不對不對稱性稱性。所以由對稱性引起的兩難是不存在的。所以由對稱性引起的兩難是不存在的。 那么，到底誰年輕呢？那么，到底誰年輕呢？四、時空相對性的驗證四、時空相對性的驗證 1966年，真的做了一次雙生子旅游實驗，用來年，真的做了一次雙生子旅游實驗，用來判斷到底那個壽命長，同時也一勞永逸地結束了純判斷到底那個壽命長，同時也一勞永逸地結束了純理論的爭論。不過旅游的不是人，仍然是理論的爭論。不過旅游的不是人，仍然是子。旅途子。旅途也不在天外，而是一個直徑大約為十四米的圓環(huán)。也不在天外，而是一個直徑大約為十四米的圓環(huán)。子子

18、 從一點出發(fā)沿著圓軌道運動再回到出發(fā)點，這同從一點出發(fā)沿著圓軌道運動再回到出發(fā)點，這同乙的旅行方式是一樣的。實驗的結果是，乙的旅行方式是一樣的。實驗的結果是，旅行后的旅行后的子的確比未經(jīng)旅行的同類年輕了子的確比未經(jīng)旅行的同類年輕了。 我們似乎可以這樣作結論了：我們似乎可以這樣作結論了：誰相對于整個宇誰相對于整個宇宙做更多的變速運動，誰就會活得更長久宙做更多的變速運動，誰就會活得更長久。佯謬也。佯謬也就不存在了。就不存在了。19711971年銫原子鐘實驗年銫原子鐘實驗 將銫原子鐘將銫原子鐘放在飛機上，沿放在飛機上，沿赤道向東和向西赤道向東和向西繞地球一周，回繞地球一周，回到原處后，分別到原處后，

19、分別比靜止在地面上比靜止在地面上的鐘慢的鐘慢59納秒和納秒和快快273納秒。納秒。 地球以一定的角速度地球以一定的角速度向東轉，地面不是慣性系，向東轉，地面不是慣性系，而從地心指向太陽的參考而從地心指向太陽的參考系是慣性系（忽略地球公系是慣性系（忽略地球公轉）。飛機的速度總小于轉）。飛機的速度總小于地球自轉速度，所以無論地球自轉速度，所以無論飛機向東還是向西，它相飛機向東還是向西，它相對于慣性系都是向東，只對于慣性系都是向東，只是前者速度大，后者小。是前者速度大，后者小。而地面上的鐘的轉速度介而地面上的鐘的轉速度介于二者之間。于二者之間。 這暗示著，這暗示著，人要活得更長人要活得更長久，應該不

20、斷久，應該不斷地向東飛去，地向東飛去，使得地球的轉使得地球的轉動速度疊加上動速度疊加上飛機的速度。飛機的速度。 上述實驗表明，上述實驗表明，相對于慣性系轉速越大的鐘走相對于慣性系轉速越大的鐘走得越慢得越慢。這和孿生子問題所預期的效應是一致的。這和孿生子問題所預期的效應是一致的。所以似也不應再說：所以似也不應再說：“孿生子佯謬孿生子佯謬”，而應是，而應是孿生孿生子效應子效應了。了。 然而人們所獲得的然而人們所獲得的比一秒還短得多的生命比一秒還短得多的生命延長，遠遠不及劣質飛延長，遠遠不及劣質飛機餐對健康的殘害！機餐對健康的殘害！霍金霍金時間簡史時間簡史 這暗示著，人要活這暗示著，人要活得更長久，

21、應該不斷地得更長久，應該不斷地向東飛去，使得地球的向東飛去，使得地球的轉動速度疊加上飛機的轉動速度疊加上飛機的速度。速度。五、相對論的時空觀五、相對論的時空觀 絕對時空觀認為時間和空間是脫離物質絕對時空觀認為時間和空間是脫離物質而存在的，是絕對的，時間和空間之間也是而存在的，是絕對的，時間和空間之間也是沒有聯(lián)系的。沒有聯(lián)系的。 相對論時空觀認為有物質才有時間和空相對論時空觀認為有物質才有時間和空間，時間和空間與物質的運動狀態(tài)有關。間，時間和空間與物質的運動狀態(tài)有關。 絕對時空觀與相對論時空觀的區(qū)別：絕對時空觀與相對論時空觀的區(qū)別： 絕對時空觀絕對時空觀相對論時空觀相對論時空觀光速光速同時同時時

22、間與時間與空間空間相對的相對的相對的相對的絕對的絕對的絕對的絕對的與運動無關，與運動無關，絕對的絕對的與運動聯(lián)系，與運動聯(lián)系，相對的相對的一、一、“同時同時”是相對的是相對的二、長度的相對性二、長度的相對性三、時間間隔的相對性三、時間間隔的相對性201cvtt201cvll課堂小結相對論成為科幻影片思想資源 一個人如果高速運動著，時間對他來說就會變慢；如果他的運動速度趨近于光速，時間對他來說就會趨近于停滯以光速運行就可以永生。 如果運動的速度超過光速（盡管相對論假定這是不可能的），會發(fā)生什么情況？推理表明，時間就會倒轉，人就能夠回到過去這就有點象Wells的時間機器了 溝通外星文明的途徑：蟲洞

23、 史蒂芬霍金時間簡史：蟲洞就是一個時空細管，它能把幾乎平坦的相隔遙遠的區(qū)域連接起來。因此，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。時間機器與時空旅行 1895年，H. G. Wells的科幻小說時間機器（The Time Machine），想象利用“時間機器”在未來世界（公元802701年）旅行。 “時空旅行”：既可以前往未來，也可以回到過去。 時間機器最早出現(xiàn)于英國科幻作家威爾斯的科幻小說時間機器中。書中說，時間旅行家發(fā)明了一種時間機器，回到了公元802701年的世界。發(fā)現(xiàn)未來的人進化為兩類，一類生活在地面上，是由剝削階級進化來的，美麗，優(yōu)雅，但四體不勤，養(yǎng)尊處優(yōu)，體力和智力嚴重退化；另一類生活在地下，是由勞動人民進化來的，他們丑陋，野蠻，卻充滿力量，以地面上的人為食。 時間機器的理論依據(jù)，來自于愛因斯坦的相對論。在相對論提出之前，人們認為時間是絕對的和普遍的，即不管人們處于運動狀態(tài)還是靜止狀態(tài)，時間對于我們每個人都是一樣的。但是，愛因斯坦的狹義相對論認為，時間對處于不同運動狀態(tài)的人來說是不一樣的，運動狀態(tài)不同的兩名觀察者，對于同樣的兩個事件會體驗到不同的持續(xù)時間。例如，乘坐宇宙飛船，在太空高速飛行，其時間流逝要比待在地球上慢。愛因斯坦的這一推論，已被實驗所證實。 關于這一點，中國人似乎早就認識到了。遠在晉代，就有關于王質“爛柯忘歸”的故事。 如果這樣，只要有