小學科學校本課程教材

1、科學校本教材KEXUEXIAOBENJIAOCAI目 錄第一編科學研究概述2第二編科技前沿8第一節(jié)阿波羅登月8第二節(jié)磁鐵影響人類行動讓"右撇子"瞬間變左撇子9第三節(jié)39億年前太陽系猛烈轟炸為地球帶來生命元素11第四節(jié)我們超導(dǎo)這些年15第五節(jié)霍金帶你尋找第四維空間探索如何穿越時空22第六節(jié)中美洲國家開發(fā)火山熱能發(fā)電以期減少石油依賴33第七節(jié)驗證愛因斯坦相對論住得越高或老得越快35第八節(jié)超高倍顯微鏡下受孕過程感嘆生命之神奇38第九節(jié) 日本公司構(gòu)想瘋狂奇招 用潛艇減弱臺風力量40第十節(jié)2010年為何地震頻發(fā)?專家解讀"地球末日危機"42第十一節(jié)太陽2013或強

2、烈磁暴 如百枚氫彈襲擊地球44第十二節(jié)衛(wèi)星掃到地球巨大傷口全球最大鉆石坑曝光46第三編我們身邊的科學50第四編科技制作50第五編科學暢想51第一編 科學研究概述科學研究沒有一成不變的方法,也沒有萬無一失的共同模式,但它是講究方法的。所謂科學研究,廣義地說,就是創(chuàng)造知識和綜合整理知識的工作,在科學技術(shù)的現(xiàn)有水平上前進一步?？茖W研究必須以取得新的結(jié)果作為衡量成功與否的標準。這是一種創(chuàng)造性勞動.新的結(jié)果可能是新發(fā)現(xiàn),新理論,或是新方法,新工藝;也可能是新材料,或新器件等等.科學研究必須在前人的基礎(chǔ)上有所創(chuàng)新.科學研究全過程中貫穿創(chuàng)造性。 科學史有無數(shù)創(chuàng)造性的例子:有的人埋頭于實驗,通過細心觀察,發(fā)現(xiàn)

3、了新的現(xiàn)象,如倫琴發(fā)現(xiàn)X射線;琴納通過接種牛痘防治天花,從而奠定了免疫學;有的人按預(yù)定的概念與計劃去實驗,取得了預(yù)期的結(jié)果,如居里夫人從大量的瀝青鈾礦中提煉出放射性元素釙和鐳;有的人通過廣泛的觀察,體會," 悟"出新概念,從而提出新理論,如達爾文的進化論。科學研究有各種不同的方法和途徑。有的人由純粹的數(shù)理演繹,提出新概念,預(yù)見新現(xiàn)象的存在,如麥克斯韋的電磁場理論;有的人修正舊的理論,提出新的假說,這些假說在當時似乎都違反常識,如愛因斯坦創(chuàng)立相對論;有的人將不同學科聯(lián)系,組織起來,建立起新領(lǐng)域而取得了成功,如維納建立控制論。 所有這一切都說明,獲得創(chuàng)造性成果的途徑是多種多樣的

4、,顯然不存在什么一成不變的方法?？茖W研究培養(yǎng)年青學人三個能力。(1) 有提出問題,確定選題的能力。提出問題的基礎(chǔ)是要具有堅實的基礎(chǔ)理論和廣博的知識.學問和經(jīng)驗是提出問題,創(chuàng)立假說的源泉; 主要是培養(yǎng)歸納能力閱讀文獻和收集資料后的思考和判斷的能力.好奇心,不墨守成規(guī),敢于直面科學現(xiàn)實,敢于向權(quán)威挑戰(zhàn)也是不可缺少的品質(zhì)。(2)有提出,闡述假說(假設(shè),方案)的能力,有批評,判斷種種假說(假設(shè),方案)的能力;這主要是培養(yǎng)思維能力邏輯思維(分析,對比,推理)和形象思維的能力。(3) 有證明假說(假設(shè),方案)的是非真假的能力。這主要是指實踐能力設(shè)計能力,實驗?zāi)芰?深入考察,觀察事物的能力。有了這三種能力,

5、將來到社會上,便能具備:1.敏銳的感應(yīng)能力;即對各種變遷局勢作出快速而恰當?shù)姆磻?yīng);2.彈性的適應(yīng)能力;即行為模式具有可塑性,不墨守成規(guī),能快速適應(yīng)環(huán)境的變遷;3.豐富的創(chuàng)意能力;即能不斷產(chǎn)生新穎(Idea)思路和方案。古今之成大事業(yè),大學問者,必經(jīng)過三種之境界:" 昨夜西風凋碧樹.獨上高樓,望盡天涯路."此第一境也。" 衣帶漸寬終不悔,為伊消得人憔悴."此第二境也。" 眾里尋他千百度,驀然回首,那人卻在,燈火闌珊處."此第三境也。治學的三種境界：迎著困難,勇于攀登,高瞻遠望,苦苦思索, " 獨上高樓,望盡天涯路"這

6、是處于創(chuàng)造沉思中的情景.這是第一種境界。追求真理,百折不撓,無論多大挫折,終不后退, " 衣帶漸寬終不悔,為伊消得人憔悴"這是研究探索中的情景.這是第二種境界。幾經(jīng)艱苦奮斗,突然受到啟發(fā),頓時恍然大悟,原來事物的奧秘,正隱藏在" 燈火闌珊處"這是直覺的頓悟,成功的歡悅的情景.這是第三種境界。治學三境界對應(yīng)創(chuàng)造三階段，"三種境界" 之說正說明了在科學探索和藝術(shù)創(chuàng)作中存在著三個階段:高瞻遠矚,構(gòu)想沉思的準備階段-準備期；覃思苦慮,孜孜以求的探索階段-探索期，不斷追求,終有頓悟的收獲階段-豁朗期；王國維先生的這一論述蘊含著深邃的哲理,其真知

7、灼見發(fā)人深思。 從事科學研究的人似乎還需要一種境界,即:"行到水窮處,坐看云起時."(王維詩)."行到水窮處"可狀實踐檢驗,"坐看云起時"則是理論升華。-科學研究中第四種境界-驗證期。創(chuàng)造性思維豁然貫通僅僅是創(chuàng)造的端倪初露,茅塞頓開,靈感突現(xiàn)并不是完整的創(chuàng)造,如果不加以完善驗證,發(fā)展或加工揚棄,那么盡管這些思想火花十分可貴,可是淺嘗輒止,仍可能功虧一簣,喪失了創(chuàng)造中本應(yīng)得到的最有力的成果。曹沖稱象： 曹沖把一個大象的重量稱出來了。曹沖聰明之處在于:一有聯(lián)想才能-見過曹操海上練兵時艦船裝上兵員與武器后下沉.曹沖有舉一反三的能力。二有抽象

8、能力-玩過彈弓打鳥,以石計數(shù)的游戲.曹沖有以石代象,以石稱重的抽象能力.反映了中國孩子的直覺能力。但曹沖和先人沒有把問題從理論上升華提高.曹沖-一個聰明的孩子。 阿基米德稱王冠：" 阿基米德稱王冠"-由"現(xiàn)象"(物體浸入水中水溢出的現(xiàn)象)到提出"假說"(重量相同,密度不同的金屬溢出的水是不同的),解決了實際問題,再進入驗證期,將現(xiàn)象升華, 歸納為"原理"(后人認為是"定理","定律")。阿基米德不但找到了辨別金王冠中是否摻入了其他金屬的方法,而且在他的著作論浮體中進一步總結(jié)了

9、液體靜力學的基本原理-后人稱為阿基米德定理?？茖W研究要重視驗證期和理論升華。阿基米德不但有聯(lián)想能力,邏輯判斷能力,抽象能力,還有理論升華能力-提高到理論高度來認識的能力.這是作為一個科學家必須具備的能力.阿基米德-科學家,浮力定律的創(chuàng)始人。對"曹沖稱象",僅停留在某一實際問題的解決上.我們沒有將問題從理論上升華,也沒有發(fā)現(xiàn)先人對"曹沖稱象"的現(xiàn)象有進一步闡述的記錄.。科學研究要重視理性思維,重視理論升華,重視驗證期。 關(guān)于驗證期,舉愛因斯坦建立和驗證廣義相對論的例子.1913-1915年愛因斯坦在導(dǎo)出協(xié)變形式的引力場方程后,等待著實驗驗證的曲折歷程。愛因

10、斯坦預(yù)言,從遠處的恒星發(fā)出的光線,如果過太陽表面,光線必被引力場所折彎. 1914年算出,光線偏轉(zhuǎn)的角度是0.87秒弧度, 1915年他修正為1.75秒弧度.愛因斯坦認為證實這個理論的最后證據(jù)只能來自在日蝕過程中拍攝的靠近太陽的星星的照片。"為了證實理論的正確性,弗羅因特里希1914年7月率隊到克里米亞做日蝕實驗,但實驗沒有做成,他被俄國人當做間諜抓起來.愛因斯坦非常沮喪.。直到1919年5月,消息傳來,英國的愛丁頓爵士領(lǐng)導(dǎo)的兩個觀測隊分別在巴西和西非拍攝的日全蝕照片,其觀測結(jié)果分別為1.61(±0.30)和1.98(±0.12) 秒弧度.實驗與愛因斯坦的預(yù)言吻合

11、,愛因斯坦這才松了一口氣。與牛頓一樣,愛因斯坦成為人類歷史上最偉大的科學家。 文學藝術(shù)重靈感,重形象思維;而科學重實證,重抽象思維,從邏輯方法以及從已有之經(jīng)驗,尋求問題的解答.只有經(jīng)過驗證的事物,證明了它的正確性,才能算是完成了一個科學研究的全過程。李白詩:"白發(fā)三千丈."眾人感覺詩人的浪漫,夸張.明知不符合現(xiàn)實,并不指責詩人?？茖W家連白發(fā)三丈都不能講,因為沒有根據(jù),拿不出證明來。文學藝術(shù)關(guān)注內(nèi)在精神世界科學, 例如物理學關(guān)注的是運動,物體和力的客觀世界。無論科學或是文學藝術(shù),都有靈感勃發(fā)的問題,但物理學家在靈感以后,就需不可缺的數(shù)學證明,展現(xiàn)出來的物理學框架是序列的,抽象

12、的數(shù)學方程搭建起來的?？茖W關(guān)注客觀世界的實在。一個偵破故事:1996年" 京城劫鈔案"。京城 2.8" " 6.3" 8.27"三起劫鈔案。作案手法類似:盜車-搶劫-棄車-換車-逃逸.破案突破口:米黃色尼桑橋車被盜案乃是前兆.找車是突破口.結(jié)論是:突破口找對了,正確的思維導(dǎo)致正確的結(jié)果.搞科學研究頗像搞偵破,都是運用自己的思維去分析,去推論.科學工作者最重要的一點是要有" 創(chuàng)造性智慧"(Creative intelligence),要有" 思想(創(chuàng)意,點子)" 即Idea.科學研究中必須要有自己

13、的 Idea,否則就是復(fù)制,就是模仿;不是創(chuàng)新,更不是創(chuàng)造.什么是 Idea 呢 Idea是用已知的事物作根據(jù),由此推測到別種事物的作用.也就是說,具有推論的作用.推論的作用是從已知的事物推及未知的事物.有前者作根據(jù),作基礎(chǔ),而對后者發(fā)生作用,這是有條理的思想作用。Idea 的特點是:(1) 須先有一種疑惑困難的情境做起點如:接連三次運鈔車搶劫案的發(fā)生。(2) 須有尋思搜索的作用,要尋出新事物 ,新方法,新手段來解決這種疑惑困難,即尋找突破口.如:盜車-搶劫-棄車-換車-逃逸的規(guī)律,找被盜車是一個突破口.Idea 的基本條件是:嚴格合乎邏輯,概念清楚,切合實際科學研究的過程,實際是不斷產(chǎn)生Id

14、ea的過程,Idea貫穿科學研究的全過程.研究課題從一般地提出到具體化,直到課題任務(wù)的完成,必須建立一個合乎邏輯的程序(步驟),思考和方法科學研究人員必須對研究的途徑,程序以及方法,即科學研究的全過程有明確的認識。科學研究途徑框圖 ：線索-突破口-假說(假設(shè))-前驗評價(假說含義的展開)-后驗評價(排除錯誤,確證,實 踐檢驗)-問題的解決(新問題的出現(xiàn))-疑難問題的提出-疑問(疑難問題的由來)-假說的修正。醞釀期-探索期-頓悟期-驗證期。思考題：1、請你談?wù)劜軟_稱象和阿基米德稱王冠兩個故事說明了什么？2、科學研究要經(jīng)歷哪些階段？第二編 科技前沿第一節(jié) 阿波羅登月阿波羅登月遺失錄像公開 近期在悉

15、尼放映資料照：在攝于1969年7月20日的資料照片上，美國宇航員奧爾德林站在插在月球表面的美國國旗旁留影遺失已久的阿波羅11號登月錄像將于下周三在悉尼進行放映，這份錄像只有幾分鐘長，被認為是記錄1969年阿波羅11號登月這一歷史時刻的最好錄像片段之一，也將是證明美國月球登陸的最好證據(jù)之一。據(jù)報道，此段錄像在檔案館丟失已好多年了，被發(fā)現(xiàn)時大部分已被損毀。錄像描述了登月第一人阿姆斯特朗走出飛船的前幾分鐘，被保存在澳大利亞檔案館，清晰度遠遠高于最初在全世界范圍內(nèi)放映的其他登月錄像。負責登月記錄修復(fù)項目的澳大利亞天文歷史學家薩基森(Sarkissian)表示，即將看到的這段錄像是展示阿姆斯特朗從飛船扶

16、梯走向月球過程的最高質(zhì)量的錄像。美國宇航局當時使用的是Goldstone空間站的信號，本身參數(shù)設(shè)置存在偏差，因此只能看到一些黑影，但在澳大利亞空間站接收的信號中可以清晰看到阿姆斯特朗。這份錄像將在下周三澳大利亞地理雜志頒獎典禮上放映，屆時，第二位登上月球的阿波羅11號宇航員巴茲·奧爾德林(Buzz Aldrin)將作為嘉賓出席頒獎禮。思考題：1、阿波羅登月照片有什么疑點？ 2、你對我國的航天事業(yè)了解多少？第二節(jié) 磁鐵影響人類行動 讓"右撇子"瞬間變左撇子磁鐵能夠讓人從“右撇子”變成左撇子我們知道，一個人習慣使用左手還是右手是與生俱來、很難改變的事情。然而美國科學家

17、近日發(fā)現(xiàn)，只需一塊小小的磁鐵，就可以讓“右撇子”瞬間變成左撇子。美國加州大學伯克利分校的研究者們宣布，將磁鐵放在大腦附近可以暫時改變?nèi)藗兪褂媚闹皇值牧晳T。研究人員解釋，在人右耳后上方幾厘米處有個叫做后頂葉皮層的區(qū)域，人集中注意力時常常會下意識地撓撓那里。這個區(qū)域的神經(jīng)元主要對感覺刺激，尤其是對靠近手或臉的物體視覺刺激產(chǎn)生反應(yīng)，從而影響人的行動。試驗人員分別找來多名左撇子、“右撇子”和兩只手都用的人進行測試。試驗人員將一根磁性較強的磁棒放到被測試者大腦后頂葉皮層附近，結(jié)果顯示，當磁鐵位于皮層左側(cè)時，被試者往往會使用左手按電鈕或端杯子，而放到右側(cè)時被試者沒有明顯變化，磁鐵拿開后，作用就消失了。奧利

18、維拉博士介紹，利用磁鐵改變大腦的行為控制這項技術(shù)已經(jīng)在醫(yī)學領(lǐng)域得到應(yīng)用，它被稱作經(jīng)顱磁刺激，就是利用不斷變化的磁場透過顱骨作用于大腦皮層產(chǎn)生感應(yīng)電流，來改變和影響腦內(nèi)代謝和神經(jīng)元的電位活動。如今的發(fā)現(xiàn)進一步加深了科學家對這項技術(shù)的了解，這一發(fā)現(xiàn)被發(fā)表在最新一期美國科學院院報上。早在今年3月，由美國麻省理工學院專家領(lǐng)導(dǎo)的研究小組得出了一個更加令人不可思議的結(jié)論：磁鐵還可以影響人類的道德判斷。研究人員在對比實驗中，將磁性強大的磁鐵在12名被試者的右耳邊放置了25分鐘，發(fā)現(xiàn)被試者在此前后做出的道德判斷有很大差別。研究人員給出了一個假定情景：一對情侶正在樹林里散步，在明確知道前方道路危險的情況下，男生

19、卻不告訴女友，而是撇下她獨自離去。在接受磁體干擾之前，全部被試者都做出了“男生的這種行為不可接受”的判斷，但在接受了磁體干擾后，部分被試者改變了之前的看法，認為“男生的行為一定程度上可以理解”。原來不僅人類的肢體行為習慣能夠被磁鐵輕松改變，就連建立在復(fù)雜的后天行為基礎(chǔ)上的道德標準都經(jīng)不住磁鐵吸引，小小磁鐵的神奇力量著實讓人感到驚奇。思考題：1、磁鐵有哪些特性？ 2、世界上把磁懸浮技術(shù)應(yīng)用于生活實踐的第一個國家是哪個？第三節(jié) 39億年前太陽系“猛烈轟炸”為地球帶來生命元素39億年前太陽系內(nèi)小行星“猛烈轟炸”地球，很可能為地球帶來水資源，并為孕育地球生命誕生提供了條件?！鞍⒉_號”宇航員從月球上采

20、集的月球樣本發(fā)現(xiàn)一個奇特的事實：月球表面上存在較大隕坑的歷史可追溯至39億年前，并且這些同時期隕坑遍布月球表面。這表面這一時期月球所遭受的小行星猛烈碰撞事件，地球也難以避免。這一時期的小行星猛烈碰撞更直接地影響地球生命起源，可以想像小行星碰撞地球形成像非洲大陸大小的“溶化巖石池”，伴隨著逐漸冷卻，碰撞彈坑將很可能成為生命起源的理想?yún)^(qū)域。20億年前地球單細胞有機生物出現(xiàn)，大約25億年前，第一個有機生物出現(xiàn)在地球上剛形成的水環(huán)境中，當時最早的有機生物非常小，經(jīng)過10億年的進化，單細胞有機生物出現(xiàn)變體、繁殖，并大量生存于海洋中。光合作用對于單細胞有機生物具有創(chuàng)新意義，從25億年前海洋細菌釋放氧氣，使

21、地球大氣層充滿大量的氧氣。6.35億年前：地衣時代的到來。地球早期生命必須搭乘“氧氣過山車”，直到綠藻和真菌地衣共生時代的到來。最早復(fù)合細胞存在的地球世界與現(xiàn)今地球完全不同，細菌較早期的光合作用使大氣層中氧氣含量達到2%，僅是當前大氣層氧氣含量的十分之一。窒息的空氣和停滯的海洋是早期地球的主要特征，隨后地球地質(zhì)和生態(tài)一致性的巧合變化將地球從睡眠中喚醒。大約8億年前，大氣層中氧氣含量開始改善，伴隨著羅迪尼亞超大陸板塊分裂和火山噴發(fā)，為海洋環(huán)境帶來了大量的營養(yǎng)物質(zhì)，導(dǎo)致微生物出現(xiàn)大量的光合作用，促進了生物的繁殖生長。然而，伴隨著大量的氧氣消耗，逐漸增強的光合作用吸收二氧化碳氣體，大量的微生物死亡沉

22、積在海底，主要的溫室氣體從大氣層中過濾。到大約7.2億年前，地球已陷入冰凍時期，甚至冰凍延伸至赤道，這一時期被稱為“雪球地球”。一些災(zāi)難對于生命也是機遇，當二氧化碳含量逐漸降低，這將驅(qū)動生物系統(tǒng)革命。面對冰凍的地球環(huán)境，綠藻和地衣等陸地先驅(qū)性生命體在冰冷環(huán)境中幸存了下來，但隨著二氧化碳含量的逐漸恢復(fù)，6.35億年前，冰川消退至極地，地球其它大陸開始露出綠色生機。6500萬年前“殺手小行星”碰撞地球卻為哺乳動物帶來希望。6500萬年前一顆10公里直徑的巖石小行星導(dǎo)致恐龍滅絕，但這次小行星碰撞開啟了哺乳動物的“生命之窗”。6.35年前之后地球大氣層中氧氣含量逐漸升高，地球生態(tài)系統(tǒng)的進化加速，并進化

23、形成許多動物，其中部分物種生存至今。3.5年前，地球覆蓋著茂盛的綠色植物，之后這些綠色植物卻促使恐龍家族的出現(xiàn)，恐龍在地球上的霸主地位持續(xù)了1.6億年之久。差不多每隔1億年，地球便遭受較大小行星的碰撞，6500萬年前一顆10公里直徑的巖石小行星碰撞地球?qū)е驴铸埖臏缃^。在這場小行星碰撞災(zāi)難中，天空變得昏暗，氣溫降低，全球下起了酸雨。幾個月之內(nèi)所有的恐龍相繼死亡，海洋和空中的其它大型爬行物種也大量消亡，鳥類和陸地植物也出現(xiàn)死亡現(xiàn)象。對于哺乳動物而言，卻具有另一番意義，雖然它們并未順利通過這場災(zāi)難，近半的哺乳物種滅絕，但那些體型較小、食腐性哺乳動物幸存了下來，它們能夠挖洞避開火災(zāi)和酸雨，它們經(jīng)常生活

24、在淡水環(huán)境或其周圍，以大量死亡的動物尸體為食，它們比那些生活在海洋和干燥陸地的物種更具生命彈性和適應(yīng)性。幸存的物種和生物成為地球生物圈的主要成分，隨著地球生物圈的恢復(fù)，哺乳動物填補了恐龍的地位。在小行星碰撞地球之后的1000萬年里，哺乳動物的進化得到了充分地展現(xiàn)，并實現(xiàn)哺乳動物群體的多樣性和復(fù)雜性。其中一支重要的哺乳動物血統(tǒng)靈長類動物，暗示著未來人類的出現(xiàn)，6000萬年前：靈長類動物的進化。在史前非洲東部，一些人類近親靈長類動物進化發(fā)育較快，但歷史證實進化形成有力的顎部和強壯肢體并不如進化形成更大的大腦。大約3000萬年前，靈長類動物開始大量出現(xiàn)，并逐漸占據(jù)了更多的茂盛熱帶雨林；大約2000萬

25、年前，非洲東部類似現(xiàn)今亞馬遜河叢林的環(huán)境成為靈長類動物的家園，它們喜歡在樹枝之間攀爬。但隨著地球板地的運動，大約1500萬年前，非洲東部高原出現(xiàn)兩座由北至南、2000米高的山脈，這兩座山脈阻斷了印度洋潮濕氣流，使非洲的氣候發(fā)現(xiàn)了顯著變化。大約250萬年前，快速變化的環(huán)境使靈長類動物也發(fā)生相應(yīng)的進化，靈長類動物進化趨向兩個分支：一個是進化形成更大的大腦，具備更好的環(huán)境適應(yīng)性；另一個是下顎形成得更大，使其能夠咀嚼更堅硬的堅果和塊莖食物。最終前者在變化的地球環(huán)境中生存了下來，后者最后被自然所淘汰。頭腦聰明的智人成為人類的直接祖先，最終從非洲大陸走出來向各大陸進行遷徙繁衍。7萬年前：人類語言的出現(xiàn)促進

26、人類的進化。早期人類從非洲大陸走了出來，從解剖角度分析，身材苗條、大腦較大的群體來自20萬年前現(xiàn)今的埃塞俄比亞，不足10萬年前一小支早期人群穿過紅海抵達阿拉伯半島。遠古中東和亞洲地區(qū)有大量的牧草場，早期人類在這里可找到豐富的食物來源，并且氣候非常適宜生存。伴隨著集體之間的捕獵行為、群體生活，大約7萬年前，早期人類之間逐漸產(chǎn)生了語言。這樣，他們能夠更直接地將自己的思維表達出來，通過語言信息的傳遞逐漸形成了群體性生活，交流捕獵方法，商定協(xié)作式的捕獵策略等。語言的出現(xiàn)促進了人類的進化。思考題：你對生命進化了解哪些知識？第四節(jié) 我們超導(dǎo)這些年 1908年，荷蘭人卡莫林·昂內(nèi)斯做了件

27、了不起的事情：通過施加高壓的方法，液化了當時人類在實驗室里唯一沒能液化的氣體氦氣，并在接下去的幾年中陸陸續(xù)續(xù)做了很多研究工作，探尋物質(zhì)在低溫下的一些特性，他也因此獲得了1913年的諾貝爾物理獎。而真正讓昂內(nèi)斯被后世銘記的，卻是他在1911年將近年末時對外宣布的一個發(fā)現(xiàn)。有一天，他和同事測量汞的低溫電阻值，當溫度降至4.2K處時，電阻表指針突然指向了零。一開始實驗者以為數(shù)據(jù)有誤，但之后反復(fù)檢查驗證，結(jié)果始終如一，于是他認定這是種先前不為人所知的現(xiàn)象，并將其命名為“超導(dǎo)”。更讓人嘖嘖稱奇的是，一旦在超導(dǎo)體中感應(yīng)出了環(huán)狀電流，電流就會無休止地繞圈圈繞下去，除非采取升溫等手段來進行破壞，否則不會停下。

28、不過，昂內(nèi)斯當時還僅僅把這個現(xiàn)象作為特殊案例來處理，他的諾貝爾演講中，只在最后部分提到希望繼續(xù)關(guān)注這種超導(dǎo)性引發(fā)的各種問題。很快，就有其他科學家被他描述的有趣現(xiàn)象所吸引加入到研究隊伍中，并找到另外一些也會在接近絕對零度時失去電阻的單質(zhì)，比如那些常溫下具有良好導(dǎo)電性的純金屬，如鋁、鋅、鎵、鎘、錫、銦，它們有各自特定的轉(zhuǎn)變溫度，低于某一溫度時就會突然變成超導(dǎo)體，也有一些金屬還必須施加高壓或者延展成薄膜才會轉(zhuǎn)變。與此同時，科學家們發(fā)現(xiàn)，那些較穩(wěn)定的金屬，如金、銀、銅等，以及具有磁性的鐵，即便降至極低的溫度也不會出現(xiàn)超導(dǎo)性。無論如何，作為新興事物的超導(dǎo)現(xiàn)象實在擁有無窮魅力，加上本世紀初物理學蓬勃發(fā)展，

29、大小物理學家都對這個好玩的東東紛紛產(chǎn)生了興致，不少人更是愛不釋手。1933年，德國人弗里茨·邁斯納和羅伯特·奧森菲爾德二人的運氣不錯，發(fā)現(xiàn)了一個名為“邁斯納效應(yīng)”的現(xiàn)象，一舉被載入史冊。邁斯納效應(yīng)指的是進入超導(dǎo)狀態(tài)的物體表現(xiàn)出來的一種完全抗磁性：在錫盤上放一小塊永久磁鐵，對盤體持續(xù)降溫，當降至錫的轉(zhuǎn)變溫度時，小磁鐵會突然“拔地而起”，升至一定高度便懸浮不動了。他們解釋說，這是因為超導(dǎo)體將磁鐵所產(chǎn)生的磁感線排擋在外，對之形成了一個抵抗重力的斥力所致。而且，不論對導(dǎo)體是先降溫后加磁場，還是先加磁場后降溫，一旦出現(xiàn)超導(dǎo)狀態(tài)，磁感線就會統(tǒng)統(tǒng)遭到排斥，不得不繞道而行。把錫盤換作其他能

30、夠出現(xiàn)超導(dǎo)狀態(tài)的金屬，結(jié)果也是如此。后來，零電阻和完全抗磁，被認為是鑒定超導(dǎo)體所必須的兩個特性。以上發(fā)現(xiàn)可謂一石激起千層浪，因為它對理論家提出了相當大的挑戰(zhàn)。在此之前，人們都認為超導(dǎo)體只是一種理想導(dǎo)體，然而邁斯納效應(yīng)卻揭示出超導(dǎo)體和理想導(dǎo)體有著大為不同的電磁表現(xiàn)，則在原理上將作何解釋？理論呀理論，呼之欲出。20世紀30年代，另外兩位優(yōu)秀的德國物理學家弗里茨·倫敦和海因茨·倫敦兄弟因為猶太人的出身而受到納粹排擠，被迫逃到英國，在牛津大學開始了低溫超導(dǎo)方面的研究工作。在1935年左右，他們又有了非同一般的發(fā)現(xiàn)：一般導(dǎo)體需要變化的磁場維持感生電流，而超導(dǎo)體中的部分電子運動不受任何

31、阻力，感生電流不需要磁場來維持。兄弟二人在此基礎(chǔ)上建立起超導(dǎo)體的電動力學方程，解釋了超導(dǎo)體一系列奇特的電磁性質(zhì)，這組方程被后世稱為倫敦方程。1950年前后，俄國人維塔利·金茲堡和列維·朗道也提出了一組用他們姓氏命名的方程，用來解釋正常態(tài)向超導(dǎo)態(tài)的過渡是怎樣一個有序過程。但說到底，以上工作都還只是在經(jīng)典物理學的框架下詮釋其宏觀狀態(tài)。而其實早在1935年，弗里茨·倫敦就曾于一次會議上指出，超導(dǎo)現(xiàn)象是一種宏觀尺度上的量子現(xiàn)象，“量子”二字意味著超導(dǎo)現(xiàn)象需要深入到微觀尺度上去一探究竟，這句話的含義被人真正認識到的那一刻，超導(dǎo)科學的面貌方才為之一新。超導(dǎo)現(xiàn)象之所以如此迷人，

32、就在于它無論就應(yīng)用而言，還是就理論而言，都堪稱一座最值得去奪取的圣杯，超導(dǎo)理論的進展會對整個物理學領(lǐng)域的未來發(fā)展產(chǎn)生不可估量的影響。但它的神秘難解確也讓一位又一位物理學家望而卻步1952年因核磁共振獲得諾貝爾物理獎的菲利克斯·布洛赫在20世紀30年代就曾投身此間，最后竟發(fā)出“關(guān)于超導(dǎo)性的任何理論都可以被證明為誤”的喟嘆，足見其多么讓人顛倒錯亂！在這場前赴后繼的攻堅戰(zhàn)中，約翰·巴丁的出場不能不說耐人尋味，這位出生于美國威斯康星州一個知識分子家庭的天才型人物，是迄今唯一 一位兩次獲得諾貝爾物理獎的科學家分別在1956年和1972年，前一次是因為二極管，后一次就是因為超導(dǎo)。當時，

33、在伊利諾斯大學任教的巴丁很早就注意到了其他科學家對超導(dǎo)現(xiàn)象的研究工作，但他一直沒有找到合適的契機加入。直至1950年，伊曼紐·麥斯威爾和C·A·雷諾茲分別獨立發(fā)現(xiàn)了一種同位素效應(yīng)水銀同位素轉(zhuǎn)變成超導(dǎo)體的臨界溫度和原子量的平方根成反比。巴丁聽到這個消息后，立刻敏銳地意識到這是一個突破口，他非常贊同同時期另一位理論物理學家赫伯特·弗洛里奇提出的解釋：超導(dǎo)性可能和電子與晶格振動間的交互作用有關(guān)。接下去需要做的是找到助手把這個理論搭建完善，因此他將年輕的萊恩·庫珀和羅伯特·施里弗招至麾下開始干活，其中，剛剛從哥倫比亞大學畢業(yè)的庫珀還是由楊振寧

34、推薦過來的。三人組合恰到好處，并且從同時代最杰出的物理學成就中取得了各種利器：巴丁以其對凝聚態(tài)物理學的深刻理解來出策劃；庫珀的理論思想很強大，借著泡利的啟發(fā)提出一個了不起的“庫珀對”概念；而施里弗動手能力強，從李政道的一次演講中得來的靈感促成他解決了其中的波函數(shù)問題。1957年，他們朝物理評論期刊扔了一顆重磅炸彈：BCS理論。在它橫空出世之際，零電阻效應(yīng)、邁斯納效應(yīng)和同位素效應(yīng)都迎刃而解！顯而易見，該理論是以他們仨的姓氏首字母聯(lián)合命名的，它成功地解釋了（第一類低溫）超導(dǎo)現(xiàn)象的微觀機理。該理論奇妙之處在于它打破了電子之間只能互相排斥的傳統(tǒng)印象，又提出晶格振動使得自旋方向相反的兩個電子形成“庫珀對

35、”，它們之間的動量可以互相抵消。根據(jù)量子力學理論，物質(zhì)波的波長和動量呈反比，這就意味著“庫珀對”的波長十分長，完全能繞過晶格缺陷無阻礙地流動就好比一對在雜亂舞池中互相提攜的舞伴，通過靈巧的配合在人群中行云流水般穿梭而過。曾經(jīng)難倒一大片天才物理學家的超導(dǎo)問題迎刃而解，一時間讓眾“家”紛紛發(fā)出“情何以堪”的感慨。大名鼎鼎的理查德·費曼就承認說，他得知BCS論文后好長一段時間都沒法靜心研讀，因為此前耗費了太多時間精力去解釋超導(dǎo)現(xiàn)象均未果，乃至于產(chǎn)生了情緒上的障礙。超導(dǎo)研究孕育了許多諾貝爾獎得主，繼巴丁師徒幾個拿下1972年的物理獎之后，次年的獎項獲得者中又有發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體隧穿效應(yīng)的布萊恩

36、83;約瑟夫森的名字；而和朗道合作的維塔利·金茲堡則在2003年因“超導(dǎo)體和超流體理論上的開創(chuàng)性貢獻”獲得這一早該屬于他的殊榮。其他與超導(dǎo)有著千絲萬縷聯(lián)系的諾貝爾物理獎則比比皆是，比如2008年的南部陽一郎便因為將超導(dǎo)中的對稱性破缺思想引入粒子物理而被授予該獎項。插播八卦一則：羅伯特·施里弗2005年11月6日被判刑兩年入獄，這是史上第一位因非政治性因素而身陷囹圄的諾貝爾獎得主，入獄原因據(jù)說是其于2004年9月24日在駕駛當中睡著了而釀成車禍，造成一死七傷。自1911年發(fā)現(xiàn)第一個超導(dǎo)體水銀以來，科學家就希望找到在更高溫度下具有超導(dǎo)性能的材料，因為只有幾K的臨界溫度實在很不經(jīng)

37、濟。但這個尋找的過程比理論搭建的過程還要讓人沮喪：整整62年過去了，1973年出現(xiàn)的合金超導(dǎo)體鍺三鈮的轉(zhuǎn)變溫度才不過23.2K，每年提升幅度差不多只有0.3K！據(jù)說，美國貝爾實驗室有人計算過由BCS推導(dǎo)出的金屬超導(dǎo)臨界溫度上限值為30K，這意味著走金屬材料路線是沒有前途的。也有人試過去有機材料中碰運氣，1980年合成出了臨界溫度在1K左右的某種物質(zhì)，此后數(shù)年好一番折騰也只提高了不到10K。真是太沒勁了！就在大家都垂頭喪氣、沮喪得不得了的當兒，德國人約翰內(nèi)斯·貝諾茨和瑞士人卡爾·穆勒好似天使降臨，他們在1986年1月向世人宣稱一種陶瓷性材料（鑭鋇銅氧化物）具有35K的臨界溫度

38、，盡管這個好消息被埋沒了長達數(shù)月后才經(jīng)由一系列其他科學家的工作而確認，但這實在是太讓人振奮了，以至于瑞典皇家科學院迫不及待地將次年的物理獎獎?wù)聮斓搅藘扇说牟弊由?。仿佛就從那一刻起，國際應(yīng)用物理界就邁入了一個超導(dǎo)升溫時段，攀升的速度簡直令人咂舌，而且也成了華人科學家才藝大比拼的舞臺：美國華裔物理學家朱經(jīng)武、臺灣物理學家吳茂昆以及中國科學院的趙忠賢在短短一年時間內(nèi)，相繼把釔鋇銅氧系材料的超導(dǎo)臨界溫度提高到了100K以上。高溫超導(dǎo)體被稱為第二類超導(dǎo)體，和第一類低溫超導(dǎo)體相比，它們的邁斯納效應(yīng)不完全，同位素效應(yīng)很弱甚至全無，也無法用經(jīng)典的BCS理論來進行解釋，因為高溫下“庫珀對”會遭到破壞，雖然有人猜

39、測電子對還將以某種方式存在，但關(guān)于這一點迄今沒有發(fā)現(xiàn)有說服力的證據(jù)。銅氧化物掀起的這一輪高潮持續(xù)了幾年后漸歸平靜，1993年獲得的138K臨界溫度也似乎成了一個難以突破的瓶頸，但它所帶來的成就卻是在實際應(yīng)用當中提供了很多便利和可能，在電力工程、數(shù)字電路、生物醫(yī)療、高能加速器和核聚變裝置上都顯示出了強大的威力，我們已經(jīng)熟知的核磁共振斷層掃描儀和大型強子對撞機中都少不得超導(dǎo)材料的身影。在日本和美國，第一代超導(dǎo)線材已達到商業(yè)化水平，一些國家正在加緊研發(fā)高性能的超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)變壓器、超導(dǎo)限流器和超導(dǎo)蓄電裝置。2006年左右，日本東京工業(yè)大學的細野秀雄團隊在研究新型透明半導(dǎo)體時，偶然發(fā)現(xiàn)一種鑭氧鐵磷化合

40、物具有超導(dǎo)性，這讓他們感到異常之驚喜，因為又一次打破了先前的結(jié)論。鐵具有很強的磁性，一直被認為和超導(dǎo)性格格不入（早期關(guān)于第一類超導(dǎo)體的研究已證實單純的金屬鐵無法擁有超導(dǎo)性，其不具有邁斯納效應(yīng)，無法對外加磁通量加以排斥），但為何這種化合態(tài)下的鐵原子，其磁性卻不會影響超導(dǎo)性？此外，還有一點令人期待：銅氧化物材料很脆，制成可用的電纜需要極其復(fù)雜的工藝，而鐵化合物就要好處理得多，鐵礦儲量豐富，價錢也相對便宜。細野團隊接下來就像烹飪時加佐料一樣對這種材料不斷加加減減，以氟原子替換部分氧原子，或者以磷替換砷。2008年2月，他們發(fā)表論文稱，含砷材料具有26K的臨界溫度；很快，3月份，中國科大一個研究團隊便

41、如法炮制將類似化合物的轉(zhuǎn)變溫度提高到40K以上，一個月后又提高到56K，如此便已經(jīng)達到了應(yīng)用水準。過，這種新材料具有兩個缺點：一是砷元素毒性較大，二是材料結(jié)構(gòu)復(fù)雜。有臺灣團隊提出以鐵硒化合物取代之，據(jù)說也已經(jīng)獲得了30多K的轉(zhuǎn)變溫度。眼看第二輪的超導(dǎo)升溫熱正處于將起未起之時，相信世界各地摩拳擦掌的科學家也已經(jīng)大有人在，這真是不可避免的一場廝殺。維塔利·金茲堡曾說過：就對社會產(chǎn)生的沖擊而言，高溫（最終將達到室溫的）超導(dǎo)可能是除了受控核聚變以外，物理學中最重要的問題。這句話充分說明了這一領(lǐng)域的研究在當代科學中不容爭議的地位。由于BCS理論在高溫超導(dǎo)上面臨的重重困境，實干派們忙得不亦樂乎之

42、際，理論家們也沒法安心睡大覺，要么修正，要么用新理論取而代之。和昂內(nèi)斯來自于同一所大學荷蘭萊頓大學的物理學家揚·扎寧最近指出，借助弦論可以描述“高溫”超導(dǎo)體處于向超導(dǎo)狀態(tài)過渡的臨界溫度時內(nèi)部電子的關(guān)聯(lián)狀況，聽上去很是拉風，因為陽春白雪的弦論這些年來打破頭也沒從現(xiàn)實世界找到什么可應(yīng)用的途徑，沒準兒還真能在超導(dǎo)身上實現(xiàn)零的突破。另一方面，倘若扎寧真能拿出一套漂亮的理論闡釋，倒不失為時隔一個世紀后對當年老校友的由衷致敬。思考題：1、超導(dǎo)體的產(chǎn)生會有怎樣的前景？ 2、你會用超導(dǎo)體做什么？第五節(jié) 霍金帶你尋找第四維空間 探索如何穿越時空你好，我是史蒂芬霍金，一個物理學家，宇宙學家，也算是個夢想

43、家。雖然我行動不便，而且需要借助電腦說話，但我的思想是自由的，自由地遨游宇宙并探究那些終極謎題，比如：時間旅行可能嗎?我們能否開啟通往過去的大門開辟前往未來的通道?最終我們能否利用大自然的法則，執(zhí)掌時間的進程呢?史蒂芬霍金，如果我有臺時間機器，我可以拜訪正當妙齡的瑪莉蓮夢露，或是在伽利略用望遠鏡觀測宇宙的時候去串個門，可能我還會前往宇宙的末日看看我們的整個宇宙將會如何終結(jié)，要判斷這種想法是否可行，我們就要從物理學家的角度出發(fā)，把時間看成第四維。這并沒有聽上去那么深奧。所有的物體存在都是三維的，包括輪椅上的我，任何物體都有特定的長度、寬度和高度，但除此以外還有另外一種“度”，這個度就是時間。正常

44、人一般可以活80年，位于英國著名石頭陣的這堆石頭卻能存在長達數(shù)千年之久，而太陽系則能存在數(shù)十億年光景任何東西在時間上都有個“度”，正如在空間上一樣。而時間旅行就意味著要穿過第四維時空。要理解這個概念并不難，我們就拿日常的開車來打比方吧。飆快車總是能帶來更多樂趣，筆直前進意味著你穿過了一個維度，轉(zhuǎn)左或轉(zhuǎn)右時就穿過第二個維度，在彎曲的山路上爬上爬下帶來高度的變化就是在第三個維度上穿行。但我們怎樣才能穿過時間呢？怎樣才能找到穿越第四個維度的方法？蟲洞型時間機器。讓我們換一個話題來談?wù)効茖W幻想。關(guān)于時間旅行的科幻電影通常會說到一個能耗極高的巨型機器，這臺機器能打開一個穿越第四維時空的通道，也就是時間隧

45、道。一個時間旅行者、勇敢或者說有些莽撞的人做好了應(yīng)對未知情況的準備，他踏進了這個時間隧道前往一個未知的時代這個想法可能有點牽強，現(xiàn)實情況也可能與此大相徑庭，但這個概念本身并不瘋狂。物理學家們也一直在思考時間隧道的問題，但切入的角度完全不同，我們想知道的是通往過去或是未來的通道是否能在自然法則下存在。思考的結(jié)果是，我們認為有這個可能，而且，我們甚至給它起了個名字蟲洞。事實上，在我們身邊到處都是蟲洞，只不過它們太小，我們看不到而已，蟲洞非常之小，它們存在于時間和空間的每一個角落，你可能覺得這難以理解，但耐心往下看你就會明白了。任何東西都不是徹底平滑沒有空隙的，如果你能近距離看一樣?xùn)|西，你會發(fā)現(xiàn)上面

46、有小洞和裂痕，這是一個基本的物理法則，就連時間也是如此。比如桌球臺，臺面看起來又平坦又光滑，湊近來看就完全不一樣了，上面滿是縫隙和小孔，就連臺球這樣看似光滑的東西，放大后看也有細小的裂痕、皺褶和瑕疵。要在三維世界中理解這一點很容易，但請相信我，在四維世界中它同樣成立，在時間之中也存在著細小的裂痕，皺褶和瑕疵。讓我們進入最小的量度范圍，甚至比分子還小，比原子還小，這時我們就可以看到所謂的量子泡沫，蟲洞就存在于這個地方。這些細小的通道也可以說是“捷徑”能穿越時間和空間，它們在整個量子世界中不斷地形成、消失、再形成連接著兩個不同的空間點和不同的時間點。很不幸，這些真實存在的時空隧道只有10的負33次

47、方厘米大小，人類根本不可能借此通行，不過這倒是引出了蟲洞型時間機器的概念。有些科學家認為，我們可以截獲這樣一個蟲洞然后將它擴大數(shù)億億億倍，足以讓一個人、甚至是一艘太空船從中通過，只要有足夠的能源和超前的科技，或許還可以在宇宙中制造出巨大的蟲洞。我不是說一定能實現(xiàn)，但如果真的可行，那將是一項非常了不起的創(chuàng)舉，它的一端在距離地球不遠的地方，另一端則位于一顆離我們無比遙遠的行星附近。理論上說，蟲洞還可以有更多的用途。如果蟲洞的兩個端口，設(shè)置的地點相同，但時間不同，那飛船穿越蟲洞之后將仍然停留在地球附近，但卻回到了遙遠的過去，或許恐龍還可以目睹這艘飛船的從天而降。時間旅行實驗。我知道四維時空的這個概念

48、確實很難理解，而蟲洞的復(fù)雜概念那就更令人摸不著頭腦了。不過先別急，我想出了一個簡單的實驗來證明在現(xiàn)在甚至是在未來，人類通過蟲洞進行時間旅行是否確有可能。我喜歡簡單的實驗，也喜歡香檳酒，所以我把我最喜歡的兩樣?xùn)|西放在一起，看看我們到底能否從未來穿越到過去。我搞了一個派對，歡迎來自未來的時間旅行者。但不同之處在于，派對開始以前我沒把這件事告訴任何人，在這個派對的請柬上，說明了確切的時間和空間坐標。我復(fù)印了多份派對的請柬，希望在數(shù)千年后有人可以看到這份請柬，然后用蟲洞型的時間機器來參加我的派對。我邀請的客人們可能隨時都會光臨，我期待有人會開門進來，五、四、三、二、一，真遺憾，到了派對開始的時間，沒有

49、任何人前來光臨派對，我還盼著未來的環(huán)球小姐會開門翩翩而入呢。為什么這個實驗會失敗呢?我想其中一個原因就是當你穿越到過去的時候就會產(chǎn)生一個眾所周知的問題，謬論問題。謬論十分有趣，有一個非常出名的悖論就是祖父謬論(祖父謬論：回到過去，在祖父生你父母之前把他殺了，因此你不能出生，跟不能回到過去殺你的祖父)，我有一個更簡單的試驗新版本，我稱之為“科學狂人謬論”。我不喜歡在電影中科學家總是被刻畫成瘋子，但在這個試驗版本中卻必須這么做：這個家伙決定制造一個謬論，就算付出生命也在所不惜。想象一下他用某種手段造出一個蟲洞，這個時間隧道能返回一分鐘前的世界，聽起來沒什么大不了，但實際上往回一分鐘就足以捅出大簍子

50、了。通過蟲洞科學家可以看見一分鐘前的自己，如果這位科學家通過這個蟲洞開槍打死一分鐘前的自己呢?現(xiàn)在他死了，在他組裝好手槍之前就死了，那么到底是誰開的槍呢？這就是一個謬論，無論如何都解釋不通，像這樣的情況總是讓宇宙學家們睡不好覺。這種時間機器會破壞主宰整個宇宙的最基本法則，那就是起因一定發(fā)生在結(jié)果之前，絕不能本末倒置，我相信事物不可能否定自己的存在前提，如果可以的話，那么就沒有任何人可以阻止宇宙陷重回混沌。所以我認為，總是會有一股力量阻止謬論的發(fā)生，一定存在著某種原因使得我們的科學家絕不可能開槍把自己打死。在這個例子中，我必須承認蟲洞本身就是問題所在，歸根結(jié)底我認為這種類型的蟲洞是不可能存在的，

51、原因就在于“反饋”。如果你聽過搖滾音樂會，你應(yīng)該會記得這種刺耳的聲音，這就是“反饋”，其成因非常簡單：聲音進入麥克風，通過電線的傳導(dǎo)，被擴音器放大，聲音從音箱里放出來，但又再一次通過麥克風傳導(dǎo)到音響，一次又一次經(jīng)過這樣的循環(huán)，每一次都讓聲音變得更大。如果沒人阻止，“反饋”就會讓音響系統(tǒng)徹底崩潰，我認為同樣的事情也會發(fā)生在蟲洞中，只是輻射取代了聲音。當蟲洞打開的瞬間，自然界的輻射會進入其中并形成循環(huán)“輻射反饋”會變得無比強烈，導(dǎo)致蟲洞瓦解，所以雖然微型的蟲洞確實存在，也許某天我們真的可以將其放大，但它無法維持足夠長的時間作為時間機器使用，那就是沒人來參加派對的真正原因。事實上我認為，不管是通過蟲

52、洞還是通過其它方法，我們基本上都是不可能回到過去的，不然的話就會產(chǎn)生謬論。超大質(zhì)量黑洞就是時間機器。很可惜，現(xiàn)在看來穿越時間回到過去是不可能的了，那些夢想狩獵恐龍的人會很失望，而史學家倒能松一口氣。雖然如此，但并不是說任何時間旅行都不可能，我還是相信有時間旅行的，通往未來的時間旅行。時間就像一條河流，它無情地把我們每個人向下游推進，但時間在另一方面也很像河流，在不同的地方，它的流速也會不同，而這就是前往未來的關(guān)鍵所在。這個概念是100多年前由愛因斯坦提出來的，他意識到在某些地方時間會慢下來，而在另一些地方時間則會加快，他的想法完全正確，證據(jù)就在我們頭頂上，在太空之中，這就是全球定位系統(tǒng)，簡稱G

53、PS。這個網(wǎng)絡(luò)由繞地球軌道運行的31顆人造衛(wèi)星組成，這些衛(wèi)星使衛(wèi)星導(dǎo)航成為可能，但它們同時也證明了時間在那里過得比地球表面上要快。在每個這種衛(wèi)星上都有個非常精密的時鐘，但無論有多準，它們每天全都會走快三十億分之一秒，系統(tǒng)必須糾正這個誤差，否則這個誤差會影響整個系統(tǒng)，導(dǎo)致地面上的所有全球定位設(shè)備每天都會產(chǎn)生9.6公里的偏差。問題并不在于時鐘，走得快是因為那里的時間流逝得比地面上要快，產(chǎn)生這種奇異現(xiàn)象的原因在于地球的質(zhì)量，愛因斯坦發(fā)現(xiàn)物質(zhì)會影響到時間，物體越重，對時間的影響就越大，這個神奇的現(xiàn)象為通向未來的時間旅行開啟了大門。我知道這個概念理解起來并不容易，現(xiàn)在我們來看個簡單的例子。吉薩的大金字塔

54、，它有4000多萬噸重，跟所有的重物一樣，它其實也在減緩著時間的流逝，雖然效果很不明顯，還不及地球的幾十億分之一，但如果把這種影響放大后再看你就會看到它的運作機理。接近金字塔的地方時間的流動相對其它地方來說稍微慢一些，如果金字塔附近的人看外面的世界會怎么樣呢？他們肯定會看到相反的情況，因為他們自身變慢了，而遠處的時間則相對變快了，這是金字塔的巨大質(zhì)量帶來的影響，這種畸變就為通往未來提供了可能性，要想實現(xiàn)時間旅行的話，我們需要一個質(zhì)量比金字塔大得多的物體，而我知道有這么個東西。在銀河系的中心，距離我們26000光年的地方，在大量的氣團和群星之間隱藏著全銀河系最重的物體，那是一個“超大質(zhì)量黑洞”，

55、其質(zhì)量相當于400萬個太陽，被它自身的引力壓縮成了一個小點，離黑洞越近，引力也就越強，如果離得太近的話，就連光都無法逃逸。因此它就成了一個直徑2400萬公里的黑暗球體，這樣巨大的黑洞，會對時間產(chǎn)生意想不到的效果，它對時間的延滯作用，遠遠超過銀河系中的任何物體，它就是一個自然生成的時間機器。我總是想象著有一天我們的飛船可以接近這個神奇的地方，對黑洞加以利用，當然我們首先要避免自己也被吸進去。我認為最好的方法就是飛到它邊緣外側(cè)不遠的地方，以免被吞沒，他們必須精確地設(shè)定好航向和速度，否則就再也回不來了，只要處理得當，飛船將會環(huán)繞黑洞。沿著直徑長達4800萬公里的圓形軌道運行。飛船在這里比較安全，它的

56、速度可以保證讓自己不會離黑洞越來越近，如果航空航天局從地球上或者其它遠離黑洞的地方指揮這個任務(wù)，他們會看到飛船沿軌道運行一周要用16分鐘，但對于飛船上的勇敢者來說因為距離黑洞很近時間會因此變慢，這種變慢的效果將會比金字塔或是地球附近顯著得多。飛船上的時間流速只有其它地方的一半，本來16分鐘繞軌道一周，但在他們看來只用了八分鐘，飛船就這樣不斷飛行，而船員們所花的時間相比遠離黑洞的地方，只有一半而已，這時飛船和它的船員就在穿越時間了。試想他們繞著黑洞運行了五年，這就相當于其它地方的十年，他們回到地球時，那里的所有人都會比他們年長五歲，也就是說飛船上的人將會回到未來的地球，他們的這次旅行不只是穿越了

57、空間，還穿越了時間。所以“超大質(zhì)量黑洞”本身就是時間機器。最后一個建造時間機器的方法。但事實上可操作性并不強，它和蟲洞相比更有優(yōu)勢，因為它不會產(chǎn)生時間謬論，也不會在“輻射反饋”中自我毀滅，但它十分地危險，它距離我們太遠，而且無法實現(xiàn)大跨度的時間旅行。幸運的是還有其它的方法可以穿越時間，而這也是我們最后一個、也是最可行的建造時間機器的方法。穿越第四個維度絕對不是什么容易的事，但事實上卻有一個極其簡單的方法可以實現(xiàn)，你只要以極高的速度運動就可以了。宇宙擁有自己的極限速度，每秒29.9萬公里，也就是眾所周知的光速，任何東西都不可能超越這個速度。我知道這聽起來很奇怪，但相信我，這是科學領(lǐng)域中最確定的法

58、則之一，信不信由你，只要接近光速運動就可以前往未來。要解釋其中的原因，先讓我們構(gòu)想一個科幻小說里的交通運輸系統(tǒng)，想象一條圍繞地球修建的軌道上面跑著一列超高速列車，我們讓這列假想的列車盡可能去接近光速，看看這如何能讓它成為一臺時間機器。車上的旅客都有一張通往未來的單程車票，列車開始加速，越開越快，越開越快，不久后它就在繞著地球一圈又一圈地運行。要接近光速就意味著要以極快的速度繞地球運行。每秒鐘要跑七圈，但無論列車動力如何強勁也絕不可能達到光的速度，因為這違反物理法則，那我們就設(shè)法接近光速，盡可能靠近極限速度。這時一種奇特的現(xiàn)象開始發(fā)生，相比地球上的其它地方，列車上的時間流速相對較慢，就像在黑洞附近一樣，效果甚至更明顯。列車上所有物體的運動都會變慢。其中的道理并不難理解，試想車上有個小孩朝車頭跑過去，她的奔跑速度再加上列車自身的速度，是否會意外地突破極限速度呢?答案是不會。自然法則讓車上的時間變慢，從而避免這種情況的發(fā)生，所以她無論怎樣奔跑也無法突破極限速度。時間總是會適合地放緩不讓你