小学科学校本课程教材

1、科学校本教材KEXUEXIAOBENJIAOCAI目 录第一编科学研究概述2第二编科技前沿8第一节阿波罗登月8第二节磁铁影响人类行动让"右撇子"瞬间变左撇子9第三节39亿年前太阳系猛烈轰炸为地球带来生命元素11第四节我们超导这些年15第五节霍金带你寻找第四维空间探索如何穿越时空22第六节中美洲国家开发火山热能发电以期减少石油依赖33第七节验证爱因斯坦相对论住得越高或老得越快35第八节超高倍显微镜下受孕过程感叹生命之神奇38第九节 日本公司构想疯狂奇招 用潜艇减弱台风力量40第十节2010年为何地震频发?专家解读"地球末日危机"42第十一节太阳2013或强

2、烈磁暴 如百枚氢弹袭击地球44第十二节卫星扫到地球巨大伤口全球最大钻石坑曝光46第三编我们身边的科学50第四编科技制作50第五编科学畅想51第一编 科学研究概述科学研究没有一成不变的方法,也没有万无一失的共同模式,但它是讲究方法的。所谓科学研究,广义地说,就是创造知识和综合整理知识的工作,在科学技术的现有水平上前进一步。科学研究必须以取得新的结果作为衡量成功与否的标准。这是一种创造性劳动.新的结果可能是新发现,新理论,或是新方法,新工艺;也可能是新材料,或新器件等等.科学研究必须在前人的基础上有所创新.科学研究全过程中贯穿创造性。 科学史有无数创造性的例子:有的人埋头于实验,通过细心观察,发现

3、了新的现象,如伦琴发现X射线;琴纳通过接种牛痘防治天花,从而奠定了免疫学;有的人按预定的概念与计划去实验,取得了预期的结果,如居里夫人从大量的沥青铀矿中提炼出放射性元素钋和镭;有的人通过广泛的观察,体会," 悟"出新概念,从而提出新理论,如达尔文的进化论。科学研究有各种不同的方法和途径。有的人由纯粹的数理演绎,提出新概念,预见新现象的存在,如麦克斯韦的电磁场理论;有的人修正旧的理论,提出新的假说,这些假说在当时似乎都违反常识,如爱因斯坦创立相对论;有的人将不同学科联系,组织起来,建立起新领域而取得了成功,如维纳建立控制论。 所有这一切都说明,获得创造性成果的途径是多种多样的

4、,显然不存在什么一成不变的方法。科学研究培养年青学人三个能力。(1) 有提出问题,确定选题的能力。提出问题的基础是要具有坚实的基础理论和广博的知识.学问和经验是提出问题,创立假说的源泉; 主要是培养归纳能力阅读文献和收集资料后的思考和判断的能力.好奇心,不墨守成规,敢于直面科学现实,敢于向权威挑战也是不可缺少的品质。(2)有提出,阐述假说(假设,方案)的能力,有批评,判断种种假说(假设,方案)的能力;这主要是培养思维能力逻辑思维(分析,对比,推理)和形象思维的能力。(3) 有证明假说(假设,方案)的是非真假的能力。这主要是指实践能力设计能力,实验能力,深入考察,观察事物的能力。有了这三种能力,

5、将来到社会上,便能具备:1.敏锐的感应能力;即对各种变迁局势作出快速而恰当的反应;2.弹性的适应能力;即行为模式具有可塑性,不墨守成规,能快速适应环境的变迁;3.丰富的创意能力;即能不断产生新颖(Idea)思路和方案。古今之成大事业,大学问者,必经过三种之境界:" 昨夜西风凋碧树.独上高楼,望尽天涯路."此第一境也。" 衣带渐宽终不悔,为伊消得人憔悴."此第二境也。" 众里寻他千百度,蓦然回首,那人却在,灯火阑珊处."此第三境也。治学的三种境界：迎着困难,勇于攀登,高瞻远望,苦苦思索, " 独上高楼,望尽天涯路"这

6、是处于创造沉思中的情景.这是第一种境界。追求真理,百折不挠,无论多大挫折,终不后退, " 衣带渐宽终不悔,为伊消得人憔悴"这是研究探索中的情景.这是第二种境界。几经艰苦奋斗,突然受到启发,顿时恍然大悟,原来事物的奥秘,正隐藏在" 灯火阑珊处"这是直觉的顿悟,成功的欢悦的情景.这是第三种境界。治学三境界对应创造三阶段，"三种境界" 之说正说明了在科学探索和艺术创作中存在着三个阶段:高瞻远瞩,构想沉思的准备阶段-准备期；覃思苦虑,孜孜以求的探索阶段-探索期，不断追求,终有顿悟的收获阶段-豁朗期；王国维先生的这一论述蕴含着深邃的哲理,其真知

7、灼见发人深思。 从事科学研究的人似乎还需要一种境界,即:"行到水穷处,坐看云起时."(王维诗)."行到水穷处"可状实践检验,"坐看云起时"则是理论升华。-科学研究中第四种境界-验证期。创造性思维豁然贯通仅仅是创造的端倪初露,茅塞顿开,灵感突现并不是完整的创造,如果不加以完善验证,发展或加工扬弃,那么尽管这些思想火花十分可贵,可是浅尝辄止,仍可能功亏一篑,丧失了创造中本应得到的最有力的成果。曹冲称象： 曹冲把一个大象的重量称出来了。曹冲聪明之处在于:一有联想才能-见过曹操海上练兵时舰船装上兵员与武器后下沉.曹冲有举一反三的能力。二有抽象

8、能力-玩过弹弓打鸟,以石计数的游戏.曹冲有以石代象,以石称重的抽象能力.反映了中国孩子的直觉能力。但曹冲和先人没有把问题从理论上升华提高.曹冲-一个聪明的孩子。 阿基米德称王冠：" 阿基米德称王冠"-由"现象"(物体浸入水中水溢出的现象)到提出"假说"(重量相同,密度不同的金属溢出的水是不同的),解决了实际问题,再进入验证期,将现象升华, 归纳为"原理"(后人认为是"定理","定律")。阿基米德不但找到了辨别金王冠中是否掺入了其他金属的方法,而且在他的著作论浮体中进一步总结了

9、液体静力学的基本原理-后人称为阿基米德定理。科学研究要重视验证期和理论升华。阿基米德不但有联想能力,逻辑判断能力,抽象能力,还有理论升华能力-提高到理论高度来认识的能力.这是作为一个科学家必须具备的能力.阿基米德-科学家,浮力定律的创始人。对"曹冲称象",仅停留在某一实际问题的解决上.我们没有将问题从理论上升华,也没有发现先人对"曹冲称象"的现象有进一步阐述的记录.。科学研究要重视理性思维,重视理论升华,重视验证期。 关于验证期,举爱因斯坦建立和验证广义相对论的例子.1913-1915年爱因斯坦在导出协变形式的引力场方程后,等待着实验验证的曲折历程。爱因

10、斯坦预言,从远处的恒星发出的光线,如果过太阳表面,光线必被引力场所折弯. 1914年算出,光线偏转的角度是0.87秒弧度, 1915年他修正为1.75秒弧度.爱因斯坦认为证实这个理论的最后证据只能来自在日蚀过程中拍摄的靠近太阳的星星的照片。"为了证实理论的正确性,弗罗因特里希1914年7月率队到克里米亚做日蚀实验,但实验没有做成,他被俄国人当做间谍抓起来.爱因斯坦非常沮丧.。直到1919年5月,消息传来,英国的爱丁顿爵士领导的两个观测队分别在巴西和西非拍摄的日全蚀照片,其观测结果分别为1.61(±0.30)和1.98(±0.12) 秒弧度.实验与爱因斯坦的预言吻合

11、,爱因斯坦这才松了一口气。与牛顿一样,爱因斯坦成为人类历史上最伟大的科学家。 文学艺术重灵感,重形象思维;而科学重实证,重抽象思维,从逻辑方法以及从已有之经验,寻求问题的解答.只有经过验证的事物,证明了它的正确性,才能算是完成了一个科学研究的全过程。李白诗:"白发三千丈."众人感觉诗人的浪漫,夸张.明知不符合现实,并不指责诗人。科学家连白发三丈都不能讲,因为没有根据,拿不出证明来。文学艺术关注内在精神世界科学, 例如物理学关注的是运动,物体和力的客观世界。无论科学或是文学艺术,都有灵感勃发的问题,但物理学家在灵感以后,就需不可缺的数学证明,展现出来的物理学框架是序列的,抽象

12、的数学方程搭建起来的。科学关注客观世界的实在。一个侦破故事:1996年" 京城劫钞案"。京城 2.8" " 6.3" 8.27"三起劫钞案。作案手法类似:盗车-抢劫-弃车-换车-逃逸.破案突破口:米黄色尼桑桥车被盗案乃是前兆.找车是突破口.结论是:突破口找对了,正确的思维导致正确的结果.搞科学研究颇像搞侦破,都是运用自己的思维去分析,去推论.科学工作者最重要的一点是要有" 创造性智慧"(Creative intelligence),要有" 思想(创意,点子)" 即Idea.科学研究中必须要有自己

13、的 Idea,否则就是复制,就是模仿;不是创新,更不是创造.什么是 Idea 呢 Idea是用已知的事物作根据,由此推测到别种事物的作用.也就是说,具有推论的作用.推论的作用是从已知的事物推及未知的事物.有前者作根据,作基础,而对后者发生作用,这是有条理的思想作用。Idea 的特点是:(1) 须先有一种疑惑困难的情境做起点如:接连三次运钞车抢劫案的发生。(2) 须有寻思搜索的作用,要寻出新事物 ,新方法,新手段来解决这种疑惑困难,即寻找突破口.如:盗车-抢劫-弃车-换车-逃逸的规律,找被盗车是一个突破口.Idea 的基本条件是:严格合乎逻辑,概念清楚,切合实际科学研究的过程,实际是不断产生Id

14、ea的过程,Idea贯穿科学研究的全过程.研究课题从一般地提出到具体化,直到课题任务的完成,必须建立一个合乎逻辑的程序(步骤),思考和方法科学研究人员必须对研究的途径,程序以及方法,即科学研究的全过程有明确的认识。科学研究途径框图 ：线索-突破口-假说(假设)-前验评价(假说含义的展开)-后验评价(排除错误,确证,实 践检验)-问题的解决(新问题的出现)-疑难问题的提出-疑问(疑难问题的由来)-假说的修正。酝酿期-探索期-顿悟期-验证期。思考题：1、请你谈谈曹冲称象和阿基米德称王冠两个故事说明了什么？2、科学研究要经历哪些阶段？第二编 科技前沿第一节 阿波罗登月阿波罗登月遗失录像公开 近期在悉

15、尼放映资料照：在摄于1969年7月20日的资料照片上，美国宇航员奥尔德林站在插在月球表面的美国国旗旁留影遗失已久的阿波罗11号登月录像将于下周三在悉尼进行放映，这份录像只有几分钟长，被认为是记录1969年阿波罗11号登月这一历史时刻的最好录像片段之一，也将是证明美国月球登陆的最好证据之一。据报道，此段录像在档案馆丢失已好多年了，被发现时大部分已被损毁。录像描述了登月第一人阿姆斯特朗走出飞船的前几分钟，被保存在澳大利亚档案馆，清晰度远远高于最初在全世界范围内放映的其他登月录像。负责登月记录修复项目的澳大利亚天文历史学家萨基森(Sarkissian)表示，即将看到的这段录像是展示阿姆斯特朗从飞船扶

16、梯走向月球过程的最高质量的录像。美国宇航局当时使用的是Goldstone空间站的信号，本身参数设置存在偏差，因此只能看到一些黑影，但在澳大利亚空间站接收的信号中可以清晰看到阿姆斯特朗。这份录像将在下周三澳大利亚地理杂志颁奖典礼上放映，届时，第二位登上月球的阿波罗11号宇航员巴兹·奥尔德林(Buzz Aldrin)将作为嘉宾出席颁奖礼。思考题：1、阿波罗登月照片有什么疑点？ 2、你对我国的航天事业了解多少？第二节 磁铁影响人类行动 让"右撇子"瞬间变左撇子磁铁能够让人从“右撇子”变成左撇子我们知道，一个人习惯使用左手还是右手是与生俱来、很难改变的事情。然而美国科学家

17、近日发现，只需一块小小的磁铁，就可以让“右撇子”瞬间变成左撇子。美国加州大学伯克利分校的研究者们宣布，将磁铁放在大脑附近可以暂时改变人们使用哪只手的习惯。研究人员解释，在人右耳后上方几厘米处有个叫做后顶叶皮层的区域，人集中注意力时常常会下意识地挠挠那里。这个区域的神经元主要对感觉刺激，尤其是对靠近手或脸的物体视觉刺激产生反应，从而影响人的行动。试验人员分别找来多名左撇子、“右撇子”和两只手都用的人进行测试。试验人员将一根磁性较强的磁棒放到被测试者大脑后顶叶皮层附近，结果显示，当磁铁位于皮层左侧时，被试者往往会使用左手按电钮或端杯子，而放到右侧时被试者没有明显变化，磁铁拿开后，作用就消失了。奥利

18、维拉博士介绍，利用磁铁改变大脑的行为控制这项技术已经在医学领域得到应用，它被称作经颅磁刺激，就是利用不断变化的磁场透过颅骨作用于大脑皮层产生感应电流，来改变和影响脑内代谢和神经元的电位活动。如今的发现进一步加深了科学家对这项技术的了解，这一发现被发表在最新一期美国科学院院报上。早在今年3月，由美国麻省理工学院专家领导的研究小组得出了一个更加令人不可思议的结论：磁铁还可以影响人类的道德判断。研究人员在对比实验中，将磁性强大的磁铁在12名被试者的右耳边放置了25分钟，发现被试者在此前后做出的道德判断有很大差别。研究人员给出了一个假定情景：一对情侣正在树林里散步，在明确知道前方道路危险的情况下，男生

19、却不告诉女友，而是撇下她独自离去。在接受磁体干扰之前，全部被试者都做出了“男生的这种行为不可接受”的判断，但在接受了磁体干扰后，部分被试者改变了之前的看法，认为“男生的行为一定程度上可以理解”。原来不仅人类的肢体行为习惯能够被磁铁轻松改变，就连建立在复杂的后天行为基础上的道德标准都经不住磁铁吸引，小小磁铁的神奇力量着实让人感到惊奇。思考题：1、磁铁有哪些特性？ 2、世界上把磁悬浮技术应用于生活实践的第一个国家是哪个？第三节 39亿年前太阳系“猛烈轰炸”为地球带来生命元素39亿年前太阳系内小行星“猛烈轰炸”地球，很可能为地球带来水资源，并为孕育地球生命诞生提供了条件。“阿波罗号”宇航员从月球上采

20、集的月球样本发现一个奇特的事实：月球表面上存在较大陨坑的历史可追溯至39亿年前，并且这些同时期陨坑遍布月球表面。这表面这一时期月球所遭受的小行星猛烈碰撞事件，地球也难以避免。这一时期的小行星猛烈碰撞更直接地影响地球生命起源，可以想像小行星碰撞地球形成像非洲大陆大小的“溶化岩石池”，伴随着逐渐冷却，碰撞弹坑将很可能成为生命起源的理想区域。20亿年前地球单细胞有机生物出现，大约25亿年前，第一个有机生物出现在地球上刚形成的水环境中，当时最早的有机生物非常小，经过10亿年的进化，单细胞有机生物出现变体、繁殖，并大量生存于海洋中。光合作用对于单细胞有机生物具有创新意义，从25亿年前海洋细菌释放氧气，使

21、地球大气层充满大量的氧气。6.35亿年前：地衣时代的到来。地球早期生命必须搭乘“氧气过山车”，直到绿藻和真菌地衣共生时代的到来。最早复合细胞存在的地球世界与现今地球完全不同，细菌较早期的光合作用使大气层中氧气含量达到2%，仅是当前大气层氧气含量的十分之一。窒息的空气和停滞的海洋是早期地球的主要特征，随后地球地质和生态一致性的巧合变化将地球从睡眠中唤醒。大约8亿年前，大气层中氧气含量开始改善，伴随着罗迪尼亚超大陆板块分裂和火山喷发，为海洋环境带来了大量的营养物质，导致微生物出现大量的光合作用，促进了生物的繁殖生长。然而，伴随着大量的氧气消耗，逐渐增强的光合作用吸收二氧化碳气体，大量的微生物死亡沉

22、积在海底，主要的温室气体从大气层中过滤。到大约7.2亿年前，地球已陷入冰冻时期，甚至冰冻延伸至赤道，这一时期被称为“雪球地球”。一些灾难对于生命也是机遇，当二氧化碳含量逐渐降低，这将驱动生物系统革命。面对冰冻的地球环境，绿藻和地衣等陆地先驱性生命体在冰冷环境中幸存了下来，但随着二氧化碳含量的逐渐恢复，6.35亿年前，冰川消退至极地，地球其它大陆开始露出绿色生机。6500万年前“杀手小行星”碰撞地球却为哺乳动物带来希望。6500万年前一颗10公里直径的岩石小行星导致恐龙灭绝，但这次小行星碰撞开启了哺乳动物的“生命之窗”。6.35年前之后地球大气层中氧气含量逐渐升高，地球生态系统的进化加速，并进化

23、形成许多动物，其中部分物种生存至今。3.5年前，地球覆盖着茂盛的绿色植物，之后这些绿色植物却促使恐龙家族的出现，恐龙在地球上的霸主地位持续了1.6亿年之久。差不多每隔1亿年，地球便遭受较大小行星的碰撞，6500万年前一颗10公里直径的岩石小行星碰撞地球导致恐龙的灭绝。在这场小行星碰撞灾难中，天空变得昏暗，气温降低，全球下起了酸雨。几个月之内所有的恐龙相继死亡，海洋和空中的其它大型爬行物种也大量消亡，鸟类和陆地植物也出现死亡现象。对于哺乳动物而言，却具有另一番意义，虽然它们并未顺利通过这场灾难，近半的哺乳物种灭绝，但那些体型较小、食腐性哺乳动物幸存了下来，它们能够挖洞避开火灾和酸雨，它们经常生活

24、在淡水环境或其周围，以大量死亡的动物尸体为食，它们比那些生活在海洋和干燥陆地的物种更具生命弹性和适应性。幸存的物种和生物成为地球生物圈的主要成分，随着地球生物圈的恢复，哺乳动物填补了恐龙的地位。在小行星碰撞地球之后的1000万年里，哺乳动物的进化得到了充分地展现，并实现哺乳动物群体的多样性和复杂性。其中一支重要的哺乳动物血统灵长类动物，暗示着未来人类的出现，6000万年前：灵长类动物的进化。在史前非洲东部，一些人类近亲灵长类动物进化发育较快，但历史证实进化形成有力的颚部和强壮肢体并不如进化形成更大的大脑。大约3000万年前，灵长类动物开始大量出现，并逐渐占据了更多的茂盛热带雨林；大约2000万

25、年前，非洲东部类似现今亚马逊河丛林的环境成为灵长类动物的家园，它们喜欢在树枝之间攀爬。但随着地球板地的运动，大约1500万年前，非洲东部高原出现两座由北至南、2000米高的山脉，这两座山脉阻断了印度洋潮湿气流，使非洲的气候发现了显著变化。大约250万年前，快速变化的环境使灵长类动物也发生相应的进化，灵长类动物进化趋向两个分支：一个是进化形成更大的大脑，具备更好的环境适应性；另一个是下颚形成得更大，使其能够咀嚼更坚硬的坚果和块茎食物。最终前者在变化的地球环境中生存了下来，后者最后被自然所淘汰。头脑聪明的智人成为人类的直接祖先，最终从非洲大陆走出来向各大陆进行迁徙繁衍。7万年前：人类语言的出现促进

26、人类的进化。早期人类从非洲大陆走了出来，从解剖角度分析，身材苗条、大脑较大的群体来自20万年前现今的埃塞俄比亚，不足10万年前一小支早期人群穿过红海抵达阿拉伯半岛。远古中东和亚洲地区有大量的牧草场，早期人类在这里可找到丰富的食物来源，并且气候非常适宜生存。伴随着集体之间的捕猎行为、群体生活，大约7万年前，早期人类之间逐渐产生了语言。这样，他们能够更直接地将自己的思维表达出来，通过语言信息的传递逐渐形成了群体性生活，交流捕猎方法，商定协作式的捕猎策略等。语言的出现促进了人类的进化。思考题：你对生命进化了解哪些知识？第四节 我们超导这些年 1908年，荷兰人卡莫林·昂内斯做了件

27、了不起的事情：通过施加高压的方法，液化了当时人类在实验室里唯一没能液化的气体氦气，并在接下去的几年中陆陆续续做了很多研究工作，探寻物质在低温下的一些特性，他也因此获得了1913年的诺贝尔物理奖。而真正让昂内斯被后世铭记的，却是他在1911年将近年末时对外宣布的一个发现。有一天，他和同事测量汞的低温电阻值，当温度降至4.2K处时，电阻表指针突然指向了零。一开始实验者以为数据有误，但之后反复检查验证，结果始终如一，于是他认定这是种先前不为人所知的现象，并将其命名为“超导”。更让人啧啧称奇的是，一旦在超导体中感应出了环状电流，电流就会无休止地绕圈圈绕下去，除非采取升温等手段来进行破坏，否则不会停下。

28、不过，昂内斯当时还仅仅把这个现象作为特殊案例来处理，他的诺贝尔演讲中，只在最后部分提到希望继续关注这种超导性引发的各种问题。很快，就有其他科学家被他描述的有趣现象所吸引加入到研究队伍中，并找到另外一些也会在接近绝对零度时失去电阻的单质，比如那些常温下具有良好导电性的纯金属，如铝、锌、镓、鎘、锡、铟，它们有各自特定的转变温度，低于某一温度时就会突然变成超导体，也有一些金属还必须施加高压或者延展成薄膜才会转变。与此同时，科学家们发现，那些较稳定的金属，如金、银、铜等，以及具有磁性的铁，即便降至极低的温度也不会出现超导性。无论如何，作为新兴事物的超导现象实在拥有无穷魅力，加上本世纪初物理学蓬勃发展，

29、大小物理学家都对这个好玩的东东纷纷产生了兴致，不少人更是爱不释手。1933年，德国人弗里茨·迈斯纳和罗伯特·奥森菲尔德二人的运气不错，发现了一个名为“迈斯纳效应”的现象，一举被载入史册。迈斯纳效应指的是进入超导状态的物体表现出来的一种完全抗磁性：在锡盘上放一小块永久磁铁，对盘体持续降温，当降至锡的转变温度时，小磁铁会突然“拔地而起”，升至一定高度便悬浮不动了。他们解释说，这是因为超导体将磁铁所产生的磁感线排挡在外，对之形成了一个抵抗重力的斥力所致。而且，不论对导体是先降温后加磁场，还是先加磁场后降温，一旦出现超导状态，磁感线就会统统遭到排斥，不得不绕道而行。把锡盘换作其他能

30、够出现超导状态的金属，结果也是如此。后来，零电阻和完全抗磁，被认为是鉴定超导体所必须的两个特性。以上发现可谓一石激起千层浪，因为它对理论家提出了相当大的挑战。在此之前，人们都认为超导体只是一种理想导体，然而迈斯纳效应却揭示出超导体和理想导体有着大为不同的电磁表现，则在原理上将作何解释？理论呀理论，呼之欲出。20世纪30年代，另外两位优秀的德国物理学家弗里茨·伦敦和海因茨·伦敦兄弟因为犹太人的出身而受到纳粹排挤，被迫逃到英国，在牛津大学开始了低温超导方面的研究工作。在1935年左右，他们又有了非同一般的发现：一般导体需要变化的磁场维持感生电流，而超导体中的部分电子运动不受任何

31、阻力，感生电流不需要磁场来维持。兄弟二人在此基础上建立起超导体的电动力学方程，解释了超导体一系列奇特的电磁性质，这组方程被后世称为伦敦方程。1950年前后，俄国人维塔利·金兹堡和列维·朗道也提出了一组用他们姓氏命名的方程，用来解释正常态向超导态的过渡是怎样一个有序过程。但说到底，以上工作都还只是在经典物理学的框架下诠释其宏观状态。而其实早在1935年，弗里茨·伦敦就曾于一次会议上指出，超导现象是一种宏观尺度上的量子现象，“量子”二字意味着超导现象需要深入到微观尺度上去一探究竟，这句话的含义被人真正认识到的那一刻，超导科学的面貌方才为之一新。超导现象之所以如此迷人，

32、就在于它无论就应用而言，还是就理论而言，都堪称一座最值得去夺取的圣杯，超导理论的进展会对整个物理学领域的未来发展产生不可估量的影响。但它的神秘难解确也让一位又一位物理学家望而却步1952年因核磁共振获得诺贝尔物理奖的菲利克斯·布洛赫在20世纪30年代就曾投身此间，最后竟发出“关于超导性的任何理论都可以被证明为误”的喟叹，足见其多么让人颠倒错乱！在这场前赴后继的攻坚战中，约翰·巴丁的出场不能不说耐人寻味，这位出生于美国威斯康星州一个知识分子家庭的天才型人物，是迄今唯一 一位两次获得诺贝尔物理奖的科学家分别在1956年和1972年，前一次是因为二极管，后一次就是因为超导。当时，

33、在伊利诺斯大学任教的巴丁很早就注意到了其他科学家对超导现象的研究工作，但他一直没有找到合适的契机加入。直至1950年，伊曼纽·麦斯威尔和C·A·雷诺兹分别独立发现了一种同位素效应水银同位素转变成超导体的临界温度和原子量的平方根成反比。巴丁听到这个消息后，立刻敏锐地意识到这是一个突破口，他非常赞同同时期另一位理论物理学家赫伯特·弗洛里奇提出的解释：超导性可能和电子与晶格振动间的交互作用有关。接下去需要做的是找到助手把这个理论搭建完善，因此他将年轻的莱恩·库珀和罗伯特·施里弗招至麾下开始干活，其中，刚刚从哥伦比亚大学毕业的库珀还是由杨振宁

34、推荐过来的。三人组合恰到好处，并且从同时代最杰出的物理学成就中取得了各种利器：巴丁以其对凝聚态物理学的深刻理解来出策划；库珀的理论思想很强大，借着泡利的启发提出一个了不起的“库珀对”概念；而施里弗动手能力强，从李政道的一次演讲中得来的灵感促成他解决了其中的波函数问题。1957年，他们朝物理评论期刊扔了一颗重磅炸弹：BCS理论。在它横空出世之际，零电阻效应、迈斯纳效应和同位素效应都迎刃而解！显而易见，该理论是以他们仨的姓氏首字母联合命名的，它成功地解释了（第一类低温）超导现象的微观机理。该理论奇妙之处在于它打破了电子之间只能互相排斥的传统印象，又提出晶格振动使得自旋方向相反的两个电子形成“库珀对

35、”，它们之间的动量可以互相抵消。根据量子力学理论，物质波的波长和动量呈反比，这就意味着“库珀对”的波长十分长，完全能绕过晶格缺陷无阻碍地流动就好比一对在杂乱舞池中互相提携的舞伴，通过灵巧的配合在人群中行云流水般穿梭而过。曾经难倒一大片天才物理学家的超导问题迎刃而解，一时间让众“家”纷纷发出“情何以堪”的感慨。大名鼎鼎的理查德·费曼就承认说，他得知BCS论文后好长一段时间都没法静心研读，因为此前耗费了太多时间精力去解释超导现象均未果，乃至于产生了情绪上的障碍。超导研究孕育了许多诺贝尔奖得主，继巴丁师徒几个拿下1972年的物理奖之后，次年的奖项获得者中又有发现超导体隧穿效应的布莱恩

36、83;约瑟夫森的名字；而和朗道合作的维塔利·金兹堡则在2003年因“超导体和超流体理论上的开创性贡献”获得这一早该属于他的殊荣。其他与超导有着千丝万缕联系的诺贝尔物理奖则比比皆是，比如2008年的南部阳一郎便因为将超导中的对称性破缺思想引入粒子物理而被授予该奖项。插播八卦一则：罗伯特·施里弗2005年11月6日被判刑两年入狱，这是史上第一位因非政治性因素而身陷囹圄的诺贝尔奖得主，入狱原因据说是其于2004年9月24日在驾驶当中睡着了而酿成车祸，造成一死七伤。自1911年发现第一个超导体水银以来，科学家就希望找到在更高温度下具有超导性能的材料，因为只有几K的临界温度实在很不经

37、济。但这个寻找的过程比理论搭建的过程还要让人沮丧：整整62年过去了，1973年出现的合金超导体锗三铌的转变温度才不过23.2K，每年提升幅度差不多只有0.3K！据说，美国贝尔实验室有人计算过由BCS推导出的金属超导临界温度上限值为30K，这意味着走金属材料路线是没有前途的。也有人试过去有机材料中碰运气，1980年合成出了临界温度在1K左右的某种物质，此后数年好一番折腾也只提高了不到10K。真是太没劲了！就在大家都垂头丧气、沮丧得不得了的当儿，德国人约翰内斯·贝诺茨和瑞士人卡尔·穆勒好似天使降临，他们在1986年1月向世人宣称一种陶瓷性材料（镧钡铜氧化物）具有35K的临界温度

38、，尽管这个好消息被埋没了长达数月后才经由一系列其他科学家的工作而确认，但这实在是太让人振奋了，以至于瑞典皇家科学院迫不及待地将次年的物理奖奖章挂到了两人的脖子上。仿佛就从那一刻起，国际应用物理界就迈入了一个超导升温时段，攀升的速度简直令人咂舌，而且也成了华人科学家才艺大比拼的舞台：美国华裔物理学家朱经武、台湾物理学家吴茂昆以及中国科学院的赵忠贤在短短一年时间内，相继把钇钡铜氧系材料的超导临界温度提高到了100K以上。高温超导体被称为第二类超导体，和第一类低温超导体相比，它们的迈斯纳效应不完全，同位素效应很弱甚至全无，也无法用经典的BCS理论来进行解释，因为高温下“库珀对”会遭到破坏，虽然有人猜

39、测电子对还将以某种方式存在，但关于这一点迄今没有发现有说服力的证据。铜氧化物掀起的这一轮高潮持续了几年后渐归平静，1993年获得的138K临界温度也似乎成了一个难以突破的瓶颈，但它所带来的成就却是在实际应用当中提供了很多便利和可能，在电力工程、数字电路、生物医疗、高能加速器和核聚变装置上都显示出了强大的威力，我们已经熟知的核磁共振断层扫描仪和大型强子对撞机中都少不得超导材料的身影。在日本和美国，第一代超导线材已达到商业化水平，一些国家正在加紧研发高性能的超导电缆、超导变压器、超导限流器和超导蓄电装置。2006年左右，日本东京工业大学的细野秀雄团队在研究新型透明半导体时，偶然发现一种镧氧铁磷化合

40、物具有超导性，这让他们感到异常之惊喜，因为又一次打破了先前的结论。铁具有很强的磁性，一直被认为和超导性格格不入（早期关于第一类超导体的研究已证实单纯的金属铁无法拥有超导性，其不具有迈斯纳效应，无法对外加磁通量加以排斥），但为何这种化合态下的铁原子，其磁性却不会影响超导性？此外，还有一点令人期待：铜氧化物材料很脆，制成可用的电缆需要极其复杂的工艺，而铁化合物就要好处理得多，铁矿储量丰富，价钱也相对便宜。细野团队接下来就像烹饪时加佐料一样对这种材料不断加加减减，以氟原子替换部分氧原子，或者以磷替换砷。2008年2月，他们发表论文称，含砷材料具有26K的临界温度；很快，3月份，中国科大一个研究团队便

41、如法炮制将类似化合物的转变温度提高到40K以上，一个月后又提高到56K，如此便已经达到了应用水准。过，这种新材料具有两个缺点：一是砷元素毒性较大，二是材料结构复杂。有台湾团队提出以铁硒化合物取代之，据说也已经获得了30多K的转变温度。眼看第二轮的超导升温热正处于将起未起之时，相信世界各地摩拳擦掌的科学家也已经大有人在，这真是不可避免的一场厮杀。维塔利·金兹堡曾说过：就对社会产生的冲击而言，高温（最终将达到室温的）超导可能是除了受控核聚变以外，物理学中最重要的问题。这句话充分说明了这一领域的研究在当代科学中不容争议的地位。由于BCS理论在高温超导上面临的重重困境，实干派们忙得不亦乐乎之

42、际，理论家们也没法安心睡大觉，要么修正，要么用新理论取而代之。和昂内斯来自于同一所大学荷兰莱顿大学的物理学家扬·扎宁最近指出，借助弦论可以描述“高温”超导体处于向超导状态过渡的临界温度时内部电子的关联状况，听上去很是拉风，因为阳春白雪的弦论这些年来打破头也没从现实世界找到什么可应用的途径，没准儿还真能在超导身上实现零的突破。另一方面，倘若扎宁真能拿出一套漂亮的理论阐释，倒不失为时隔一个世纪后对当年老校友的由衷致敬。思考题：1、超导体的产生会有怎样的前景？ 2、你会用超导体做什么？第五节 霍金带你寻找第四维空间 探索如何穿越时空你好，我是史蒂芬霍金，一个物理学家，宇宙学家，也算是个梦想

43、家。虽然我行动不便，而且需要借助电脑说话，但我的思想是自由的，自由地遨游宇宙并探究那些终极谜题，比如：时间旅行可能吗?我们能否开启通往过去的大门开辟前往未来的通道?最终我们能否利用大自然的法则，执掌时间的进程呢?史蒂芬霍金，如果我有台时间机器，我可以拜访正当妙龄的玛莉莲梦露，或是在伽利略用望远镜观测宇宙的时候去串个门，可能我还会前往宇宙的末日看看我们的整个宇宙将会如何终结，要判断这种想法是否可行，我们就要从物理学家的角度出发，把时间看成第四维。这并没有听上去那么深奥。所有的物体存在都是三维的，包括轮椅上的我，任何物体都有特定的长度、宽度和高度，但除此以外还有另外一种“度”，这个度就是时间。正常

44、人一般可以活80年，位于英国著名石头阵的这堆石头却能存在长达数千年之久，而太阳系则能存在数十亿年光景任何东西在时间上都有个“度”，正如在空间上一样。而时间旅行就意味着要穿过第四维时空。要理解这个概念并不难，我们就拿日常的开车来打比方吧。飙快车总是能带来更多乐趣，笔直前进意味着你穿过了一个维度，转左或转右时就穿过第二个维度，在弯曲的山路上爬上爬下带来高度的变化就是在第三个维度上穿行。但我们怎样才能穿过时间呢？怎样才能找到穿越第四个维度的方法？虫洞型时间机器。让我们换一个话题来谈谈科学幻想。关于时间旅行的科幻电影通常会说到一个能耗极高的巨型机器，这台机器能打开一个穿越第四维时空的通道，也就是时间隧

45、道。一个时间旅行者、勇敢或者说有些莽撞的人做好了应对未知情况的准备，他踏进了这个时间隧道前往一个未知的时代这个想法可能有点牵强，现实情况也可能与此大相径庭，但这个概念本身并不疯狂。物理学家们也一直在思考时间隧道的问题，但切入的角度完全不同，我们想知道的是通往过去或是未来的通道是否能在自然法则下存在。思考的结果是，我们认为有这个可能，而且，我们甚至给它起了个名字虫洞。事实上，在我们身边到处都是虫洞，只不过它们太小，我们看不到而已，虫洞非常之小，它们存在于时间和空间的每一个角落，你可能觉得这难以理解，但耐心往下看你就会明白了。任何东西都不是彻底平滑没有空隙的，如果你能近距离看一样东西，你会发现上面

46、有小洞和裂痕，这是一个基本的物理法则，就连时间也是如此。比如桌球台，台面看起来又平坦又光滑，凑近来看就完全不一样了，上面满是缝隙和小孔，就连台球这样看似光滑的东西，放大后看也有细小的裂痕、皱褶和瑕疵。要在三维世界中理解这一点很容易，但请相信我，在四维世界中它同样成立，在时间之中也存在着细小的裂痕，皱褶和瑕疵。让我们进入最小的量度范围，甚至比分子还小，比原子还小，这时我们就可以看到所谓的量子泡沫，虫洞就存在于这个地方。这些细小的通道也可以说是“捷径”能穿越时间和空间，它们在整个量子世界中不断地形成、消失、再形成连接着两个不同的空间点和不同的时间点。很不幸，这些真实存在的时空隧道只有10的负33次

47、方厘米大小，人类根本不可能借此通行，不过这倒是引出了虫洞型时间机器的概念。有些科学家认为，我们可以截获这样一个虫洞然后将它扩大数亿亿亿倍，足以让一个人、甚至是一艘太空船从中通过，只要有足够的能源和超前的科技，或许还可以在宇宙中制造出巨大的虫洞。我不是说一定能实现，但如果真的可行，那将是一项非常了不起的创举，它的一端在距离地球不远的地方，另一端则位于一颗离我们无比遥远的行星附近。理论上说，虫洞还可以有更多的用途。如果虫洞的两个端口，设置的地点相同，但时间不同，那飞船穿越虫洞之后将仍然停留在地球附近，但却回到了遥远的过去，或许恐龙还可以目睹这艘飞船的从天而降。时间旅行实验。我知道四维时空的这个概念

48、确实很难理解，而虫洞的复杂概念那就更令人摸不着头脑了。不过先别急，我想出了一个简单的实验来证明在现在甚至是在未来，人类通过虫洞进行时间旅行是否确有可能。我喜欢简单的实验，也喜欢香槟酒，所以我把我最喜欢的两样东西放在一起，看看我们到底能否从未来穿越到过去。我搞了一个派对，欢迎来自未来的时间旅行者。但不同之处在于，派对开始以前我没把这件事告诉任何人，在这个派对的请柬上，说明了确切的时间和空间坐标。我复印了多份派对的请柬，希望在数千年后有人可以看到这份请柬，然后用虫洞型的时间机器来参加我的派对。我邀请的客人们可能随时都会光临，我期待有人会开门进来，五、四、三、二、一，真遗憾，到了派对开始的时间，没有

49、任何人前来光临派对，我还盼着未来的环球小姐会开门翩翩而入呢。为什么这个实验会失败呢?我想其中一个原因就是当你穿越到过去的时候就会产生一个众所周知的问题，谬论问题。谬论十分有趣，有一个非常出名的悖论就是祖父谬论(祖父谬论：回到过去，在祖父生你父母之前把他杀了，因此你不能出生，跟不能回到过去杀你的祖父)，我有一个更简单的试验新版本，我称之为“科学狂人谬论”。我不喜欢在电影中科学家总是被刻画成疯子，但在这个试验版本中却必须这么做：这个家伙决定制造一个谬论，就算付出生命也在所不惜。想象一下他用某种手段造出一个虫洞，这个时间隧道能返回一分钟前的世界，听起来没什么大不了，但实际上往回一分钟就足以捅出大篓子

50、了。通过虫洞科学家可以看见一分钟前的自己，如果这位科学家通过这个虫洞开枪打死一分钟前的自己呢?现在他死了，在他组装好手枪之前就死了，那么到底是谁开的枪呢？这就是一个谬论，无论如何都解释不通，像这样的情况总是让宇宙学家们睡不好觉。这种时间机器会破坏主宰整个宇宙的最基本法则，那就是起因一定发生在结果之前，绝不能本末倒置，我相信事物不可能否定自己的存在前提，如果可以的话，那么就没有任何人可以阻止宇宙陷重回混沌。所以我认为，总是会有一股力量阻止谬论的发生，一定存在着某种原因使得我们的科学家绝不可能开枪把自己打死。在这个例子中，我必须承认虫洞本身就是问题所在，归根结底我认为这种类型的虫洞是不可能存在的，

51、原因就在于“反馈”。如果你听过摇滚音乐会，你应该会记得这种刺耳的声音，这就是“反馈”，其成因非常简单：声音进入麦克风，通过电线的传导，被扩音器放大，声音从音箱里放出来，但又再一次通过麦克风传导到音响，一次又一次经过这样的循环，每一次都让声音变得更大。如果没人阻止，“反馈”就会让音响系统彻底崩溃，我认为同样的事情也会发生在虫洞中，只是辐射取代了声音。当虫洞打开的瞬间，自然界的辐射会进入其中并形成循环“辐射反馈”会变得无比强烈，导致虫洞瓦解，所以虽然微型的虫洞确实存在，也许某天我们真的可以将其放大，但它无法维持足够长的时间作为时间机器使用，那就是没人来参加派对的真正原因。事实上我认为，不管是通过虫

52、洞还是通过其它方法，我们基本上都是不可能回到过去的，不然的话就会产生谬论。超大质量黑洞就是时间机器。很可惜，现在看来穿越时间回到过去是不可能的了，那些梦想狩猎恐龙的人会很失望，而史学家倒能松一口气。虽然如此，但并不是说任何时间旅行都不可能，我还是相信有时间旅行的，通往未来的时间旅行。时间就像一条河流，它无情地把我们每个人向下游推进，但时间在另一方面也很像河流，在不同的地方，它的流速也会不同，而这就是前往未来的关键所在。这个概念是100多年前由爱因斯坦提出来的，他意识到在某些地方时间会慢下来，而在另一些地方时间则会加快，他的想法完全正确，证据就在我们头顶上，在太空之中，这就是全球定位系统，简称G

53、PS。这个网络由绕地球轨道运行的31颗人造卫星组成，这些卫星使卫星导航成为可能，但它们同时也证明了时间在那里过得比地球表面上要快。在每个这种卫星上都有个非常精密的时钟，但无论有多准，它们每天全都会走快三十亿分之一秒，系统必须纠正这个误差，否则这个误差会影响整个系统，导致地面上的所有全球定位设备每天都会产生9.6公里的偏差。问题并不在于时钟，走得快是因为那里的时间流逝得比地面上要快，产生这种奇异现象的原因在于地球的质量，爱因斯坦发现物质会影响到时间，物体越重，对时间的影响就越大，这个神奇的现象为通向未来的时间旅行开启了大门。我知道这个概念理解起来并不容易，现在我们来看个简单的例子。吉萨的大金字塔

54、，它有4000多万吨重，跟所有的重物一样，它其实也在减缓着时间的流逝，虽然效果很不明显，还不及地球的几十亿分之一，但如果把这种影响放大后再看你就会看到它的运作机理。接近金字塔的地方时间的流动相对其它地方来说稍微慢一些，如果金字塔附近的人看外面的世界会怎么样呢？他们肯定会看到相反的情况，因为他们自身变慢了，而远处的时间则相对变快了，这是金字塔的巨大质量带来的影响，这种畸变就为通往未来提供了可能性，要想实现时间旅行的话，我们需要一个质量比金字塔大得多的物体，而我知道有这么个东西。在银河系的中心，距离我们26000光年的地方，在大量的气团和群星之间隐藏着全银河系最重的物体，那是一个“超大质量黑洞”，

55、其质量相当于400万个太阳，被它自身的引力压缩成了一个小点，离黑洞越近，引力也就越强，如果离得太近的话，就连光都无法逃逸。因此它就成了一个直径2400万公里的黑暗球体，这样巨大的黑洞，会对时间产生意想不到的效果，它对时间的延滞作用，远远超过银河系中的任何物体，它就是一个自然生成的时间机器。我总是想象着有一天我们的飞船可以接近这个神奇的地方，对黑洞加以利用，当然我们首先要避免自己也被吸进去。我认为最好的方法就是飞到它边缘外侧不远的地方，以免被吞没，他们必须精确地设定好航向和速度，否则就再也回不来了，只要处理得当，飞船将会环绕黑洞。沿着直径长达4800万公里的圆形轨道运行。飞船在这里比较安全，它的

56、速度可以保证让自己不会离黑洞越来越近，如果航空航天局从地球上或者其它远离黑洞的地方指挥这个任务，他们会看到飞船沿轨道运行一周要用16分钟，但对于飞船上的勇敢者来说因为距离黑洞很近时间会因此变慢，这种变慢的效果将会比金字塔或是地球附近显著得多。飞船上的时间流速只有其它地方的一半，本来16分钟绕轨道一周，但在他们看来只用了八分钟，飞船就这样不断飞行，而船员们所花的时间相比远离黑洞的地方，只有一半而已，这时飞船和它的船员就在穿越时间了。试想他们绕着黑洞运行了五年，这就相当于其它地方的十年，他们回到地球时，那里的所有人都会比他们年长五岁，也就是说飞船上的人将会回到未来的地球，他们的这次旅行不只是穿越了

57、空间，还穿越了时间。所以“超大质量黑洞”本身就是时间机器。最后一个建造时间机器的方法。但事实上可操作性并不强，它和虫洞相比更有优势，因为它不会产生时间谬论，也不会在“辐射反馈”中自我毁灭，但它十分地危险，它距离我们太远，而且无法实现大跨度的时间旅行。幸运的是还有其它的方法可以穿越时间，而这也是我们最后一个、也是最可行的建造时间机器的方法。穿越第四个维度绝对不是什么容易的事，但事实上却有一个极其简单的方法可以实现，你只要以极高的速度运动就可以了。宇宙拥有自己的极限速度，每秒29.9万公里，也就是众所周知的光速，任何东西都不可能超越这个速度。我知道这听起来很奇怪，但相信我，这是科学领域中最确定的法

58、则之一，信不信由你，只要接近光速运动就可以前往未来。要解释其中的原因，先让我们构想一个科幻小说里的交通运输系统，想象一条围绕地球修建的轨道上面跑着一列超高速列车，我们让这列假想的列车尽可能去接近光速，看看这如何能让它成为一台时间机器。车上的旅客都有一张通往未来的单程车票，列车开始加速，越开越快，越开越快，不久后它就在绕着地球一圈又一圈地运行。要接近光速就意味着要以极快的速度绕地球运行。每秒钟要跑七圈，但无论列车动力如何强劲也绝不可能达到光的速度，因为这违反物理法则，那我们就设法接近光速，尽可能靠近极限速度。这时一种奇特的现象开始发生，相比地球上的其它地方，列车上的时间流速相对较慢，就像在黑洞附近一样，效果甚至更明显。列车上所有物体的运动都会变慢。其中的道理并不难理解，试想车上有个小孩朝车头跑过去，她的奔跑速度再加上列车自身的速度，是否会意外地突破极限速度呢?答案是不会。自然法则让车上的时间变慢，从而避免这种情况的发生，所以她无论怎样奔跑也无法突破极限速度。时间总是会适合地放缓不让你