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新課

關于外星球生命的問題，幾個世紀以來經歷過好幾個階段：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的科學技術方法來進行研究的實際階段。這項工作在科學上已經受到尊重，其重要意義也為人們廣泛了解。外星球生命的想法，已經到達該實際研究的時候了。——卡爾·薩根UFO：外星文明的使者？

從常識出發來推論，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，人類既沒有發現外星高等文明存在的證據，也未能提供外星高等文明不存在的證據。

外星高等文明是否存在，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＝恒星總數×恒星擁有行星系統的概率×行星系統中產生生命的概率×生命中產生智慧生命的概率×智慧生命進入技術時代的概率×技術時代的平均持續時間÷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“證明”遠非無懈可擊：

邏輯上的問題：無限與0

中間各項數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：如果外星文明已經可以到達地球，那他們的科學技術必然比我們發達很多。但他們為什么還總是躲著我們呢？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度民間自發的UFO探索活動持續不斷，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。無論是運動的描述，還是運動規律的說明，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，物理學經歷了一場關于時空觀的變革，從牛頓時代的經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：運動的時鐘變慢、運動的尺子在運動的方向上縮短。這到底是為什么？導入新課相對論簡介時間和空間的相對性教學目標

一、知識與技能（1）同時的相對性（2）運動長度的收縮（3）時間間隔的相對（4）了解時空相對性的驗證（5）了解相對論時空觀與經典物理時空觀的主要區別

二、過程與方法（1）理解同時相對性的推演過程（2）理解從“同時相對性”出發得出“運動長度和時間間隔的相對性”的過程。

三、情感態度和價值觀（1）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。（2）辯證地看待經典物理理論教學重難點教學重、難點

從“同時”的相對性得出運動長度和時間間隔的相對性。本節導航一、“同時”的相對性二、長度的相對性三、時間間隔的相對性四、時空相對性的驗證五、相對論的時空觀一、”同時“的相對性

在經典物理家的頭腦中，如果兩個事件在一個參考系中看來是同時的，在另一個參考系中看來也一定是同時的，但是如果接受愛因斯坦的兩個假設，我們會得出“同時是相對的”這樣一個結論。同時是相對的事例1

按照狹義相對論，不僅“同時”是相對的，有時候，甚至事情的先后也都是相對的。

一節長為10米的列車，A在車后部，B在車前部。當列車以0.6c的高速度通過一個站臺的時候,突然站臺上的人看到A先向B開槍,過了12.5毫微秒,B又向A發射。因而站臺上的人作證：這場槍戰是由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才動手。事件是由B發動的。

AB事例2到底是誰先動手呢？沒有絕對的答案。在這個具體事件中，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

在十幾個毫微秒時間內，光信號走不到十米遠，所以A和B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，保證我們不會看到任何倒因為果的現象。概念經典力學狹義相對論光速相對的絕對的同時絕對的相對的不可能有物理聯系的兩事件的次序絕對的相對的可能有物理聯系的兩事件的次序絕對的絕對的如誰先動手問題二、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：長度縮短效應只發生在相對運動的方向上。如上例中的X軸方向上，在Y軸方向上無長度縮短效應。動尺變短（空間收縮效應）S′O′X′Y′OSXY●

一條沿自身長度方向運動的桿，其長度總比、桿靜止時的長度小。斐克小伙劍術精，出刺迅捷如流星，由于空間收縮性，長劍變成小鐵釘.結論

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，當他騎自行車高速行駛時，發現周圍的一切如圖中一樣的變扁了。三、時間間隔的相對性

a圖以車上的人作為參考系AB推導過程hh△t＇=2h/c

b圖以站臺上的人作為參考系ADA′C推導過程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：因為v<c，所以總有△t>△t＇

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了……這就是時間間隔的相對性，也稱為“時間膨脹”或“鐘慢效應”。

我們設想甲、乙是一對孿生弟兄。他們計劃做一次高速飛船旅行，來檢驗一下狹義相對論。甲留在發射基地，乙周游天外。當飛船再度回到基地時，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，所以乙說甲應該比他更年輕些。這是個有名的疑難，叫“雙生子佯謬”。甲乙

問題的關鍵是乙要回到出發點。乙的飛行路線必然是有來有去，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，乙看甲鐘變慢這種對稱性，只有當甲和乙的相對運動速度不變時，才能保持。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。一旦出現了變速的相對運動，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,而且整個宇宙都在做變速運動。一邊是整個周圍的宇宙，一邊只是一個飛船，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、時空相對性的驗證

1966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，而是一個直徑大約為十四米的圓環。μ子從一點出發沿著圓軌道運動再回到出發點，這同乙的旅行方式是一樣的。實驗的結果是，旅行后的μ子的確比未經旅行的同類年輕了。我們似乎可以這樣作結論了：誰相對于整個宇宙做更多的變速運動，誰就會活得更長久。佯謬也就不存在了。實驗一1971年銫原子鐘實驗

將銫原子鐘放在飛機上，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。實驗二

地球以一定的角速度向東轉，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）。飛機的速度總小于地球自轉速度，所以無論飛機向東還是向西，它相對于慣性系都是向東，只是前者速度大，后者小。而地面上的鐘的轉速度介于二者之間。

這暗示著，人要活得更長久，應該不斷地向東飛去，使得地球的轉動速度疊加上飛機的速度。

上述實驗表明，相對于慣性系轉速越大的鐘走得越慢。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：“孿生子佯謬”，而應是孿生子效應了。

然而人們所獲得的比一秒還短得多的生命延長，遠遠不及劣質飛機餐對健康的殘害！——霍金《時間簡史》

這暗示著，人要活得更長久，應該不斷地向東飛去，使得地球的轉動速度疊加上飛機的速度。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而存在的，是絕對的，時間和空間之間也是沒有聯系的。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有關。絕對時空觀與相對論時空觀的區別：

絕對時空觀相對論時空觀光速同時時間與空間相對的相對的絕對的絕對的與運動無關，絕對的與運動聯系，相對的一、“同時”是相對的二、長度的相對性三、時間間隔的相對性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》（TheTimeMachine），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，時間旅行家發明了一種時間機器，回到了公元802701年的世界。發現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，優雅，但四體不勤，養尊處優，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，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還是靜止狀態，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的人來說是不一樣的，運動狀態不同的兩名觀察者，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，只要有快速飛行的設備，如超光速飛行的設備，即時間機器，人們就可以提前到達未來，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。為了達到超光速飛行的目的，科幻作家又想出了跳躍式飛行。其設想是：將三維空間彎曲，讓遠距離的兩個點以四維方式重疊。我們知道，線為一維，面為二維，立體為三維。科幻作家認為時間是四維。如果讓三維的兩個點彎曲，形成四維方式重疊，也