文档介绍：4 空间和时间旅行
【背景材料】
一、补充资料
爱因斯坦的相对论简介及时间膨胀的概念
20世纪初,阿尔伯特·爱因斯坦就认识到,我们的时空观并不完善。他是通过分析电和磁相结合产生电磁辐射(例如光辐射)特性的规律得出这个结论的。他认为,如果光在一切测量中具有协调一致的特性的话,在物理学中光速必定扮演着主要角色。特别是,真空中的光速必须不变,无论光源和观察者作什么样的相对运动,真空光速总是每秒钟30万公里。爱因斯坦考虑了当人们在高速运动时会出现什么现象。我们通常会认为,光波的速度因与我们运动的方向相同或相反或取各种中间角度而有所不同。令人惊奇的是,爱因斯坦却认为事实上不会是这样。
17世纪,牛顿曾提出过一个相对性的经典说法。当时他主张,作为参照基准的参考框架,无论作什么样的匀速直线运动,都不会对实验(包括物理的运动)产生影响。爱因斯坦认为这种说法与他的电磁学理论格格不入,当他试图搞清楚以光速运动的观察者所看到的光波将会是什么样时,他遇到了纠缠不清的情景。于是他清醒地认识到,为了在物理学领域取得协调一致的答案,就不能把空间只是看成供我们生活居住的容器。它还必须具有某些特性,例如人们以高速运动时,时间尺度将会改变,同时空间尺度也会改变。在这个意义上,空间和时间是缠绕在一起的,空间和时间原是同一件事物(空时)不同的相对表现形式。
我们完全清楚,在平常的生活中看不出空间和时间有这种畸变。这是因为我们不涉及已接近光速运动的事物。事实上,相对论性现象的特性由物体速度与光速平方之比这样一个比率来决定。当所研究的物体的运动速度超过光速的1/10时,这个比率才变得重要,因为此时该比率增大到1/100以上。这样的高速领域几乎只局限在高能物理学家们的经验中。由于我们通常不会涉及这样高的速度,所以狭义相对论的许多结论都使我们感到惊奇。实际上,这些结论确实有些复杂(尽管描述这个理论的方程式已经进入高中学习),但早已证实了狭义相对论的完美,并且在处理低速运动时又
几乎严格地与我们所熟悉的物理规律一致。
时间膨胀是相对论效应的一个特别引人注意的例证,它是首先在宇宙射线中观测到的。我们注意到,在相对论中,空间和时间的尺度随着观察者速度的改变而改变。例如,假定我们测量正向着我们运动的一只时钟所表明的时间,我们就会发现它要比另一只同我们相对静止的正常走时的时钟走得慢些。另一方面,假定我们也以这只运动时钟的速度和它一同运动,它的走时又回到十分正常。我们不会见到普通时钟以光速向我们飞来,但是放射性衰变就像时钟,这是因为放射性物质包含着一个完全确定的时间标尺,也就是它的半衰期。当我们对向我们飞来的宇宙射线μ作测量时,发现它的半衰期要比在实验室中测出的22微秒长很多。在这个意义上,从我们观察者的观点来看,μ内部的时钟确实是走得慢些。时间进程拉长了,就是说时间膨胀了。
二、一苇可航广宇间(刘真福)
这是一篇科普文章。作者用通俗浅显的语言、轻松愉快的笔调,给我们讲述现代科技“神话”,引领我们飞往广袤的太空,飞往过去和未来的时间。文章总体看来,具有严肃的科学性、丰蕴的知识性、奇妙的趣味性和思路章法的严密性等特点。下面就思路与章法方面试作分析。
(一)从真实到幻想
真实与幻想的关系,在科学家看来也许是绝对不可混淆的,真实之中不可掺进任何幻想的东西,就像人眼里不可掺