科学探索与科技创新06时空旅行

外星文明与时空旅行：在科学与幻想之间科学探索与科技创新课

关于外星球生命的问题，几个世纪以来经历过好几个阶段：糊里糊涂的推测，无拘无束的猜想，墨守成规的保守观念和毫无想象力的漠不关心，最后，才算成熟。目前已到达采用严谨的科学技术方法来进行研究的实际阶段。这项工作在科学上已经受到尊重，其重要意义也为人们广泛了解。外星球生命的想法，已经到达该实际研究的时候了。——卡尔·萨根UFO：外星文明的使者？

从常识出发来推论，无法排除外星高等文明存在的可能性。卡尔·萨根：“我们没有理由自诩为空前绝后或最理想的生物。”

迄今为止，人类既没有发现外星高等文明存在的证据，也未能提供外星高等文明不存在的证据。

外星高等文明是否存在，科学上一直是有争论的。

在外星高等文明是否存在这个问题上，常见两种策略：1、试图“证明”外星文明不可能存在2、宣布对外星高等文明的讨论属于“伪科学”德雷克公式及其估算值银河系中的高等文明数＝恒星总数×恒星拥有行星系统的概率×行星系统中产生生命的概率×生命中产生智慧生命的概率×智慧生命进入技术时代的概率×技术时代的平均持续时间÷银河系年龄由德雷克（FrankDrake）与卡尔·萨根（CarlSagan）提出在1961年美国科学院空间科学委员会请德雷克主持组织的第一次搜寻地外生命的学术会议上，被作为主题来讨论。当时推算的结果是取值在1000～100,000之间若取值为1，就“证明”了外星高等文明不存在。这个“证明”远非无懈可击：

逻辑上的问题：无限与0

中间各项数值的估计随意性太大，很难有确切值。公式中的“生命”仅限于地球上的生命模式是伪科学吗？是现代神话吗？▼“伪科学”说：对于增进人类知识毫无贡献▼哲学思路：“一个现代性的神话”地外文明是一个无法进行科学检验的问题有一定道理，但并非无懈可击。智慧外星人会不会和我们联络？

问题一：星际航行是否可能？只有得出肯定的答案，UFO才有可能是外星文明的使者。问题二：高等文明是否愿意与低等文明交往？

问题一：星际航行是否可能？对于恒星之间的星际航行，科学家已经设想了多种技术方案，但均难以实施：核爆炸推进火箭核聚变推进火箭反物质推进火箭太阳能宇宙飞船“光帆”宇宙飞船问题二：高等文明是否愿意与低等文明交往？有人认为：如果外星文明已经可以到达地球，那他们的科学技术必然比我们发达很多。但他们为什么还总是躲着我们呢？为什么不堂而皇之地和我们交往呢？所以，所谓的UFO肯定不是外星文明使者。对待外星文明探索活动的态度民间自发的UFO探索活动持续不断，而且热情很高。中国天文学界对UFO问题的普遍恐惧：极少有天文学家愿意和这项活动或这个话题沾边。怕被指为“伪科学”？相对论与时空旅行

在日常生活和生产中，用时钟测量时间，用米尺测量长度，也是司空见惯的事情。无论是运动的描述，还是运动规律的说明，都跟时间和长度的测量有关。对于不同的参考系，长度和时间的测量结果是否是一样的？对上述问题的讨论，物理学经历了一场关于时空观的变革，从牛顿时代的经典力学跨越到爱因斯坦的相对论。爱因斯坦的狭义相对论告诉我们：运动的时钟变慢、运动的尺子在运动的方向上缩短。这到底是为什么？导入新课相对论简介时间和空间的相对性教学目标

一、知识与技能（1）同时的相对性（2）运动长度的收缩（3）时间间隔的相对（4）了解时空相对性的验证（5）了解相对论时空观与经典物理时空观的主要区别

二、过程与方法（1）理解同时相对性的推演过程（2）理解从“同时相对性”出发得出“运动长度和时间间隔的相对性”的过程。

三、情感态度和价值观（1）体会相对论崭新的时空观，体会相对论的建立对人类认识世界的影响。（2）辩证地看待经典物理理论教学重难点教学重、难点

从“同时”的相对性得出运动长度和时间间隔的相对性。本节导航一、“同时”的相对性二、长度的相对性三、时间间隔的相对性四、时空相对性的验证五、相对论的时空观一、”同时“的相对性

在经典物理家的头脑中，如果两个事件在一个参考系中看来是同时的，在另一个参考系中看来也一定是同时的，但是如果接受爱因斯坦的两个假设，我们会得出“同时是相对的”这样一个结论。同时是相对的事例1

按照狭义相对论，不仅“同时”是相对的，有时候，甚至事情的先后也都是相对的。

一节长为10米的列车，A在车后部，B在车前部。当列车以0.6c的高速度通过一个站台的时候,突然站台上的人看到A先向B开枪,过了12.5毫微秒,B又向A发射。因而站台上的人作证：这场枪战是由A挑起的。但是，车上的乘客却提供相反的情况，他们说，是B先开枪，过了10毫微秒，A才动手。事件是由B发动的。

AB事例2到底是谁先动手呢？没有绝对的答案。在这个具体事件中，谁先谁后是有相对性的。在列车参考系中，B先A后，而在车站参考系中则是A先B后。AB

在十几个毫微秒时间内，光信号走不到十米远，所以A和B开枪动作的先后是相对的。

光速不变性保证了因果关系的成立，保证我们不会看到任何倒因为果的现象。概念经典力学狭义相对论光速相对的绝对的同时绝对的相对的不可能有物理联系的两事件的次序绝对的相对的可能有物理联系的两事件的次序绝对的绝对的如谁先动手问题二、长度的相对性

v车上的人看到的车厢的长度：车外的人看到的车厢的长度：注意：长度缩短效应只发生在相对运动的方向上。如上例中的X轴方向上，在Y轴方向上无长度缩短效应。动尺变短（空间收缩效应）S′O′X′Y′OSXY●

一条沿自身长度方向运动的杆，其长度总比、杆静止时的长度小。斐克小伙剑术精，出刺迅捷如流星，由于空间收缩性，长剑变成小铁钉.结论

伽莫夫的著名科普读物《物理世界的奇遇》：该城市里的光速异乎寻常地小，当他骑自行车高速行驶时，发现周围的一切如图中一样的变扁了。三、时间间隔的相对性

a图以车上的人作为参考系AB推导过程hh△t＇=2h/c

b图以站台上的人作为参考系ADA′C推导过程ACA＇=c△t

由a图得出△t＇=2h/c由b图得出ACA＇=c△t以上面两式消去h可得：因为v<c，所以总有△t>△t＇

上面的推导公式表明在地面上观测，火车上的时间进程变慢了，车上的一切物理过程、化学过程和生命过程都变慢了：时钟走得慢了，人的心脏跳动、呼吸、消化、思维活动和一切生理过程都变慢了……这就是时间间隔的相对性，也称为“时间膨胀”或“钟慢效应”。

我们设想甲、乙是一对孪生弟兄。他们计划做一次高速飞船旅行，来检验一下狭义相对论。甲留在发射基地，乙周游天外。当飞船再度回到基地时，是甲比乙年轻，还是乙比甲年轻？甲乙事例1

这里有两种答案：（1）甲看乙船上的钟变慢了，所以，甲说乙应该比他更年轻一些。（2）乙也看到基地的钟变慢了，所以乙说甲应该比他更年轻些。这是个有名的疑难，叫“双生子佯谬”。甲乙

问题的关键是乙要回到出发点。乙的飞行路线必然是有来有去，或者是转一个圈子。因此，在甲看来，乙是在做有速度变化的运动，在乙看来，甲相对于他也在做变速运动。按照运动钟变慢的理论，甲看乙钟变慢，乙看甲钟变慢这种对称性，只有当甲和乙的相对运动速度不变时，才能保持。或者说，只有互相作匀速直线运动的两个惯性参考系，互相之间才是等价的。一旦出现了变速的相对运动，就不能使用这种对称性了。甲和乙都生活在宇宙间。他们周围还有大量天体。因此，双生子问题中有三个因素：甲、乙和他们周围的宇宙，如果甲留在基地上，他相对于大量天体并没有做变速运动。在甲看来，只有乙在做变速运动。在乙看来，情况与甲不同。他不但看到甲在做变速运动,而且整个宇宙都在做变速运动。一边是整个周围的宇宙，一边只是一个飞船，这是明显的不对称性。所以由对称性引起的两难是不存在的。那么，到底谁年轻呢？四、时空相对性的验证

1966年，真的做了一次双生子旅游实验，用来判断到底那个寿命长，同时也一劳永逸地结束了纯理论的争论。不过旅游的不是人，仍然是μ子。旅途也不在天外，而是一个直径大约为十四米的圆环。μ子从一点出发沿着圆轨道运动再回到出发点，这同乙的旅行方式是一样的。实验的结果是，旅行后的μ子的确比未经旅行的同类年轻了。我们似乎可以这样作结论了：谁相对于整个宇宙做更多的变速运动，谁就会活得更长久。佯谬也就不存在了。实验一1971年铯原子钟实验

将铯原子钟放在飞机上，沿赤道向东和向西绕地球一周，回到原处后，分别比静止在地面上的钟慢59纳秒和快273纳秒。实验二

地球以一定的角速度向东转，地面不是惯性系，而从地心指向太阳的参考系是惯性系（忽略地球公转）。飞机的速度总小于地球自转速度，所以无论飞机向东还是向西，它相对于惯性系都是向东，只是前者速度大，后者小。而地面上的钟的转速度介于二者之间。

这暗示着，人要活得更长久，应该不断地向东飞去，使得地球的转动速度叠加上飞机的速度。

上述实验表明，相对于惯性系转速越大的钟走得越慢。这和孪生子问题所预期的效应是一致的。所以似也不应再说：“孪生子佯谬”，而应是孪生子效应了。

然而人们所获得的比一秒还短得多的生命延长，远远不及劣质飞机餐对健康的残害！——霍金《时间简史》

这暗示着，人要活得更长久，应该不断地向东飞去，使得地球的转动速度叠加上飞机的速度。五、相对论的时空观

绝对时空观认为时间和空间是脱离物质而存在的，是绝对的，时间和空间之间也是没有联系的。相对论时空观认为有物质才有时间和空间，时间和空间与物质的运动状态有关。绝对时空观与相对论时空观的区别：

绝对时空观相对论时空观光速同时时间与空间相对的相对的绝对的绝对的与运动无关，绝对的与运动联系，相对的一、“同时”是相对的二、长度的相对性三、时间间隔的相对性课堂小结相对论成为科幻影片思想资源一个人如果高速运动着，时间对他来说就会变慢；如果他的运动速度趋近于光速，时间对他来说就会趋近于停滞——以光速运行就可以永生。如果运动的速度超过光速（尽管相对论假定这是不可能的），会发生什么情况？推理表明，时间就会倒转，人就能够回到过去——这就有点象Wells的时间机器了

沟通外星文明的途径：虫洞史蒂芬·霍金《时间简史》：虫洞就是一个时空细管，它能把几乎平坦的相隔遥远的区域连接起来。……因此，虫洞正和其他可能的超光速旅行方式一样，允许人们往过去旅行。《时间机器》与时空旅行

1895年，H.G.Wells的科幻小说《时间机器》（TheTimeMachine），想象利用“时间机器”在未来世界（公元802701年）旅行。“时空旅行”：既可以前往未来，也可以回到过去。时间机器最早出现于英国科幻作家威尔斯的科幻小说《时间机器》中。书中说，时间旅行家发明了一种时间机器，回到了公元802701年的世界。发现未来的人进化为两类，一类生活在地面上，是由剥削阶级进化来的，美丽，优雅，但四体不勤，养尊处优，体力和智力严重退化；另一类生活在地下，是由劳动人民进化来的，他们丑陋，野蛮，却充满力量，以地面上的人为食。

时间机器的理论依据，来自于爱因斯坦的相对论。在相对论提出之前，人们认为时间是绝对的和普遍的，即不管人们处于运动状态还是静止状态，时间对于我们每个人都是一样的。但是，爱因斯坦的狭义相对论认为，时间对处于不同运动状态的人来说是不一样的，运动状态不同的两名观察者，对于同样的两个事件会体验到不同的持续时间。例如，乘坐宇宙飞船，在太空高速飞行，其时间流逝要比待在地球上慢。爱因斯坦的这一推论，已被实验所证实。关于这一点，中国人似乎早就认识到了。远在晋代，就有关于王质“烂柯忘归”的故事。如果这样，只要有快速飞行的设备，如超光速飞行的设备，即时间机器，人们就可以提前到达未来，或者回到过去。光的速度，是每秒30万公里。超光速，就是要超这个速度。但是，按照爱因斯坦相对论的原理，超光速飞行又是不可能的。为了达到超光速飞行的目的，科幻作家又想出了跳跃式飞行。其设想是：将三维空间弯曲，让远距离的两个点以四维方式重叠。我们知道，线为一维，面为二维，立体为三维。科幻作家认为时间是四维。如果让三维的两个点弯曲，形成四维方式重叠，也