1、科學(xué)校本教材KEXUEXIAOBENJIAOCAI目 錄第一編科學(xué)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(lèi)行動(dòng)讓"右撇子"瞬間變左撇子9第三節(jié)39億年前太陽(yáng)系猛烈轟炸為地球帶來(lái)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(shí)空22第六節(jié)中美洲國(guó)家開(kāi)發(fā)火山熱能發(fā)電以期減少石油依賴(lài)33第七節(jié)驗(yàn)證愛(ài)因斯坦相對(duì)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(guò)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(tái)風(fēng)力量40第十節(jié)2010年為何地震頻發(fā)?專(zhuān)家解讀"地球末日危機(jī)"42第十一節(jié)太陽(yáng)2013或強(qiáng)

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(xué)50第四編科技制作50第五編科學(xué)暢想51第一編 科學(xué)研究概述科學(xué)研究沒(méi)有一成不變的方法,也沒(méi)有萬(wàn)無(wú)一失的共同模式,但它是講究方法的。所謂科學(xué)研究,廣義地說(shuō),就是創(chuàng)造知識(shí)和綜合整理知識(shí)的工作,在科學(xué)技術(shù)的現(xiàn)有水平上前進(jìn)一步?？茖W(xué)研究必須以取得新的結(jié)果作為衡量成功與否的標(biāo)準(zhǔn)。這是一種創(chuàng)造性勞動(dòng).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(xué)研究必須在前人的基礎(chǔ)上有所創(chuàng)新.科學(xué)研究全過(guò)程中貫穿創(chuàng)造性。 科學(xué)史有無(wú)數(shù)創(chuàng)造性的例子:有的人埋頭于實(shí)驗(yàn),通過(guò)細(xì)心觀察,發(fā)現(xiàn)

3、了新的現(xiàn)象,如倫琴發(fā)現(xiàn)X射線(xiàn);琴納通過(guò)接種牛痘防治天花,從而奠定了免疫學(xué);有的人按預(yù)定的概念與計(jì)劃去實(shí)驗(yàn),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(guò)廣泛的觀察,體會(huì)," 悟"出新概念,從而提出新理論,如達(dá)爾文的進(jìn)化論。科學(xué)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(jiàn)新現(xiàn)象的存在,如麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論;有的人修正舊的理論,提出新的假說(shuō),這些假說(shuō)在當(dāng)時(shí)似乎都違反常識(shí),如愛(ài)因斯坦創(chuàng)立相對(duì)論;有的人將不同學(xué)科聯(lián)系,組織起來(lái),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(shuō)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(xué)研究培養(yǎng)年青學(xué)人三個(gè)能力。(1) 有提出問(wèn)題,確定選題的能力。提出問(wèn)題的基礎(chǔ)是要具有堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)理論和廣博的知識(shí).學(xué)問(wèn)和經(jīng)驗(yàn)是提出問(wèn)題,創(chuàng)立假說(shuō)的源泉; 主要是培養(yǎng)歸納能力閱讀文獻(xiàn)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(xué)現(xiàn)實(shí),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(shuō)(假設(shè),方案)的能力,有批評(píng),判斷種種假說(shuō)(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(duì)比,推理)和形象思維的能力。(3) 有證明假說(shuō)(假設(shè),方案)的是非真假的能力。這主要是指實(shí)踐能力設(shè)計(jì)能力,實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?深入考察,觀察事物的能力。有了這三種能力,

5、將來(lái)到社會(huì)上,便能具備:1.敏銳的感應(yīng)能力;即對(duì)各種變遷局勢(shì)作出快速而恰當(dāng)?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(xué)問(wèn)者,必經(jīng)過(guò)三種之境界:" 昨夜西風(fēng)凋碧樹(shù).獨(dú)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(xué)的三種境界：迎著困難,勇于攀登,高瞻遠(yuǎn)望,苦苦思索, " 獨(dú)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(wú)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(shí)恍然大悟,原來(lái)事物的奧秘,正隱藏在" 燈火闌珊處"這是直覺(jué)的頓悟,成功的歡悅的情景.這是第三種境界。治學(xué)三境界對(duì)應(yīng)創(chuàng)造三階段，"三種境界" 之說(shuō)正說(shuō)明了在科學(xué)探索和藝術(shù)創(chuàng)作中存在著三個(gè)階段:高瞻遠(yuǎn)矚,構(gòu)想沉思的準(zhǔn)備階段-準(zhǔn)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(guó)維先生的這一論述蘊(yùn)含著深邃的哲理,其真知

7、灼見(jiàn)發(fā)人深思。 從事科學(xué)研究的人似乎還需要一種境界,即:"行到水窮處,坐看云起時(shí)."(王維詩(shī))."行到水窮處"可狀實(shí)踐檢驗(yàn),"坐看云起時(shí)"則是理論升華。-科學(xué)研究中第四種境界-驗(yàn)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(kāi),靈感突現(xiàn)并不是完整的創(chuàng)造,如果不加以完善驗(yàn)證,發(fā)展或加工揚(yáng)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(chēng)象： 曹沖把一個(gè)大象的重量稱(chēng)出來(lái)了。曹沖聰明之處在于:一有聯(lián)想才能-見(jiàn)過(guò)曹操海上練兵時(shí)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(guò)彈弓打鳥(niǎo),以石計(jì)數(shù)的游戲.曹沖有以石代象,以石稱(chēng)重的抽象能力.反映了中國(guó)孩子的直覺(jué)能力。但曹沖和先人沒(méi)有把問(wèn)題從理論上升華提高.曹沖-一個(gè)聰明的孩子。 阿基米德稱(chēng)王冠：" 阿基米德稱(chēng)王冠"-由"現(xiàn)象"(物體浸入水中水溢出的現(xiàn)象)到提出"假說(shuō)"(重量相同,密度不同的金屬溢出的水是不同的),解決了實(shí)際問(wèn)題,再進(jìn)入驗(yàn)證期,將現(xiàn)象升華, 歸納為"原理"(后人認(rèn)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(jìn)一步總結(jié)了

9、液體靜力學(xué)的基本原理-后人稱(chēng)為阿基米德定理。科學(xué)研究要重視驗(yàn)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(lái)認(rèn)識(shí)的能力.這是作為一個(gè)科學(xué)家必須具備的能力.阿基米德-科學(xué)家,浮力定律的創(chuàng)始人。對(duì)"曹沖稱(chēng)象",僅停留在某一實(shí)際問(wèn)題的解決上.我們沒(méi)有將問(wèn)題從理論上升華,也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)先人對(duì)"曹沖稱(chēng)象"的現(xiàn)象有進(jìn)一步闡述的記錄.。科學(xué)研究要重視理性思維,重視理論升華,重視驗(yàn)證期。 關(guān)于驗(yàn)證期,舉愛(ài)因斯坦建立和驗(yàn)證廣義相對(duì)論的例子.1913-1915年愛(ài)因斯坦在導(dǎo)出協(xié)變形式的引力場(chǎng)方程后,等待著實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的曲折歷程。愛(ài)因

10、斯坦預(yù)言,從遠(yuǎn)處的恒星發(fā)出的光線(xiàn),如果過(guò)太陽(yáng)表面,光線(xiàn)必被引力場(chǎng)所折彎. 1914年算出,光線(xiàn)偏轉(zhuǎn)的角度是0.87秒弧度, 1915年他修正為1.75秒弧度.愛(ài)因斯坦認(rèn)為證實(shí)這個(gè)理論的最后證據(jù)只能來(lái)自在日蝕過(guò)程中拍攝的靠近太陽(yáng)的星星的照片。"為了證實(shí)理論的正確性,弗羅因特里希1914年7月率隊(duì)到克里米亞做日蝕實(shí)驗(yàn),但實(shí)驗(yàn)沒(méi)有做成,他被俄國(guó)人當(dāng)做間諜抓起來(lái).愛(ài)因斯坦非常沮喪.。直到1919年5月,消息傳來(lái),英國(guó)的愛(ài)丁頓爵士領(lǐng)導(dǎo)的兩個(gè)觀測(cè)隊(duì)分別在巴西和西非拍攝的日全蝕照片,其觀測(cè)結(jié)果分別為1.61(±0.30)和1.98(±0.12) 秒弧度.實(shí)驗(yàn)與愛(ài)因斯坦的預(yù)言吻合

11、,愛(ài)因斯坦這才松了一口氣。與牛頓一樣,愛(ài)因斯坦成為人類(lèi)歷史上最偉大的科學(xué)家。 文學(xué)藝術(shù)重靈感,重形象思維;而科學(xué)重實(shí)證,重抽象思維,從邏輯方法以及從已有之經(jīng)驗(yàn),尋求問(wèn)題的解答.只有經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的事物,證明了它的正確性,才能算是完成了一個(gè)科學(xué)研究的全過(guò)程。李白詩(shī):"白發(fā)三千丈."眾人感覺(jué)詩(shī)人的浪漫,夸張.明知不符合現(xiàn)實(shí),并不指責(zé)詩(shī)人。科學(xué)家連白發(fā)三丈都不能講,因?yàn)闆](méi)有根據(jù),拿不出證明來(lái)。文學(xué)藝術(shù)關(guān)注內(nèi)在精神世界科學(xué), 例如物理學(xué)關(guān)注的是運(yùn)動(dòng),物體和力的客觀世界。無(wú)論科學(xué)或是文學(xué)藝術(shù),都有靈感勃發(fā)的問(wèn)題,但物理學(xué)家在靈感以后,就需不可缺的數(shù)學(xué)證明,展現(xiàn)出來(lái)的物理學(xué)框架是序列的,抽象

12、的數(shù)學(xué)方程搭建起來(lái)的?？茖W(xué)關(guān)注客觀世界的實(shí)在。一個(gè)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(lèi)似:盜車(chē)-搶劫-棄車(chē)-換車(chē)-逃逸.破案突破口:米黃色尼桑橋車(chē)被盜案乃是前兆.找車(chē)是突破口.結(jié)論是:突破口找對(duì)了,正確的思維導(dǎo)致正確的結(jié)果.搞科學(xué)研究頗像搞偵破,都是運(yùn)用自己的思維去分析,去推論.科學(xué)工作者最重要的一點(diǎn)是要有" 創(chuàng)造性智慧"(Creative intelligence),要有" 思想(創(chuàng)意,點(diǎn)子)" 即Idea.科學(xué)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(cè)到別種事物的作用.也就是說(shuō),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(duì)后者發(fā)生作用,這是有條理的思想作用。Idea 的特點(diǎn)是:(1) 須先有一種疑惑困難的情境做起點(diǎn)如:接連三次運(yùn)鈔車(chē)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(lái)解決這種疑惑困難,即尋找突破口.如:盜車(chē)-搶劫-棄車(chē)-換車(chē)-逃逸的規(guī)律,找被盜車(chē)是一個(gè)突破口.Idea 的基本條件是:嚴(yán)格合乎邏輯,概念清楚,切合實(shí)際科學(xué)研究的過(guò)程,實(shí)際是不斷產(chǎn)生Id

14、ea的過(guò)程,Idea貫穿科學(xué)研究的全過(guò)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(gè)合乎邏輯的程序(步驟),思考和方法科學(xué)研究人員必須對(duì)研究的途徑,程序以及方法,即科學(xué)研究的全過(guò)程有明確的認(rèn)識(shí)。科學(xué)研究途徑框圖 ：線(xiàn)索-突破口-假說(shuō)(假設(shè))-前驗(yàn)評(píng)價(jià)(假說(shuō)含義的展開(kāi))-后驗(yàn)評(píng)價(jià)(排除錯(cuò)誤,確證,實(shí) 踐檢驗(yàn))-問(wèn)題的解決(新問(wèn)題的出現(xiàn))-疑難問(wèn)題的提出-疑問(wèn)(疑難問(wèn)題的由來(lái))-假說(shuō)的修正。醞釀期-探索期-頓悟期-驗(yàn)證期。思考題：1、請(qǐng)你談?wù)劜軟_稱(chēng)象和阿基米德稱(chēng)王冠兩個(gè)故事說(shuō)明了什么？2、科學(xué)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(kāi) 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(guó)宇航員奧爾德林站在插在月球表面的美國(guó)國(guó)旗旁留影遺失已久的阿波羅11號(hào)登月錄像將于下周三在悉尼進(jìn)行放映，這份錄像只有幾分鐘長(zhǎng)，被認(rèn)為是記錄1969年阿波羅11號(hào)登月這一歷史時(shí)刻的最好錄像片段之一，也將是證明美國(guó)月球登陸的最好證據(jù)之一。據(jù)報(bào)道，此段錄像在檔案館丟失已好多年了，被發(fā)現(xiàn)時(shí)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(yuǎn)遠(yuǎn)高于最初在全世界范圍內(nèi)放映的其他登月錄像。負(fù)責(zé)登月記錄修復(fù)項(xiàng)目的澳大利亞天文歷史學(xué)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(guò)程的最高質(zhì)量的錄像。美國(guó)宇航局當(dāng)時(shí)使用的是Goldstone空間站的信號(hào)，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(hào)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(jiǎng)典禮上放映，屆時(shí)，第二位登上月球的阿波羅11號(hào)宇航員巴茲·奧爾德林(Buzz Aldrin)將作為嘉賓出席頒獎(jiǎng)禮。思考題：1、阿波羅登月照片有什么疑點(diǎn)？ 2、你對(duì)我國(guó)的航天事業(yè)了解多少？第二節(jié) 磁鐵影響人類(lèi)行動(dòng) 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(gè)人習(xí)慣使用左手還是右手是與生俱來(lái)、很難改變的事情。然而美國(guó)科學(xué)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(guó)加州大學(xué)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(shí)改變?nèi)藗兪褂媚闹皇值牧?xí)慣。研究人員解釋?zhuān)谌擞叶笊戏綆桌迕滋幱袀€(gè)叫做后頂葉皮層的區(qū)域，人集中注意力時(shí)常常會(huì)下意識(shí)地?fù)蠐夏抢?。這個(gè)區(qū)域的神經(jīng)元主要對(duì)感覺(jué)刺激，尤其是對(duì)靠近手或臉的物體視覺(jué)刺激產(chǎn)生反應(yīng)，從而影響人的行動(dòng)。試驗(yàn)人員分別找來(lái)多名左撇子、“右撇子”和兩只手都用的人進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)人員將一根磁性較強(qiáng)的磁棒放到被測(cè)試者大腦后頂葉皮層附近，結(jié)果顯示，當(dāng)磁鐵位于皮層左側(cè)時(shí)，被試者往往會(huì)使用左手按電鈕或端杯子，而放到右側(cè)時(shí)被試者沒(méi)有明顯變化，磁鐵拿開(kāi)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(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到應(yīng)用，它被稱(chēng)作經(jīng)顱磁刺激，就是利用不斷變化的磁場(chǎng)透過(guò)顱骨作用于大腦皮層產(chǎn)生感應(yīng)電流，來(lái)改變和影響腦內(nèi)代謝和神經(jīng)元的電位活動(dòng)。如今的發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步加深了科學(xué)家對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的了解，這一發(fā)現(xiàn)被發(fā)表在最新一期美國(guó)科學(xué)院院報(bào)上。早在今年3月，由美國(guó)麻省理工學(xué)院專(zhuān)家領(lǐng)導(dǎo)的研究小組得出了一個(gè)更加令人不可思議的結(jié)論：磁鐵還可以影響人類(lèi)的道德判斷。研究人員在對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，將磁性強(qiáng)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(gè)假定情景：一對(duì)情侶正在樹(shù)林里散步，在明確知道前方道路危險(xiǎn)的情況下，男生

19、卻不告訴女友，而是撇下她獨(dú)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(rèn)為“男生的行為一定程度上可以理解”。原來(lái)不僅人類(lèi)的肢體行為習(xí)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(biāo)準(zhǔn)都經(jīng)不住磁鐵吸引，小小磁鐵的神奇力量著實(shí)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(shí)踐的第一個(gè)國(guó)家是哪個(gè)？第三節(jié) 39億年前太陽(yáng)系“猛烈轟炸”為地球帶來(lái)生命元素39億年前太陽(yáng)系內(nèi)小行星“猛烈轟炸”地球，很可能為地球帶來(lái)水資源，并為孕育地球生命誕生提供了條件。“阿波羅號(hào)”宇航員從月球上采

20、集的月球樣本發(fā)現(xiàn)一個(gè)奇特的事實(shí)：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(shí)期隕坑遍布月球表面。這表面這一時(shí)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(shí)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(xì)胞有機(jī)生物出現(xiàn)，大約25億年前，第一個(gè)有機(jī)生物出現(xiàn)在地球上剛形成的水環(huán)境中，當(dāng)時(shí)最早的有機(jī)生物非常小，經(jīng)過(guò)10億年的進(jìn)化，單細(xì)胞有機(jī)生物出現(xiàn)變體、繁殖，并大量生存于海洋中。光合作用對(duì)于單細(xì)胞有機(jī)生物具有創(chuàng)新意義，從25億年前海洋細(xì)菌釋放氧氣，使

21、地球大氣層充滿(mǎn)大量的氧氣。6.35億年前：地衣時(shí)代的到來(lái)。地球早期生命必須搭乘“氧氣過(guò)山車(chē)”，直到綠藻和真菌地衣共生時(shí)代的到來(lái)。最早復(fù)合細(xì)胞存在的地球世界與現(xiàn)今地球完全不同，細(xì)菌較早期的光合作用使大氣層中氧氣含量達(dá)到2%，僅是當(dāng)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(kāi)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(lái)了大量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，導(dǎo)致微生物出現(xiàn)大量的光合作用，促進(jìn)了生物的繁殖生長(zhǎng)。然而，伴隨著大量的氧氣消耗，逐漸增強(qiáng)的光合作用吸收二氧化碳?xì)怏w，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(guò)濾。到大約7.2億年前，地球已陷入冰凍時(shí)期，甚至冰凍延伸至赤道，這一時(shí)期被稱(chēng)為“雪球地球”。一些災(zāi)難對(duì)于生命也是機(jī)遇，當(dāng)二氧化碳含量逐漸降低，這將驅(qū)動(dòng)生物系統(tǒng)革命。面對(duì)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(lái)，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(kāi)始露出綠色生機(jī)。6500萬(wàn)年前“殺手小行星”碰撞地球卻為哺乳動(dòng)物帶來(lái)希望。6500萬(wàn)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(kāi)啟了哺乳動(dòng)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(jìn)化加速，并進(jìn)化

23、形成許多動(dòng)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?jiān)诘厍蛏系陌灾鞯匚怀掷m(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(wàn)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(chǎng)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(gè)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(niǎo)類(lèi)和陸地植物也出現(xiàn)死亡現(xiàn)象。對(duì)于哺乳動(dòng)物而言，卻具有另一番意義，雖然它們并未順利通過(guò)這場(chǎng)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(dòng)物幸存了下來(lái)，它們能夠挖洞避開(kāi)火災(zāi)和酸雨，它們經(jīng)常生活

24、在淡水環(huán)境或其周?chē)?，以大量死亡的?dòng)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(dòng)物填補(bǔ)了恐龍的地位。在小行星碰撞地球之后的1000萬(wàn)年里，哺乳動(dòng)物的進(jìn)化得到了充分地展現(xiàn)，并實(shí)現(xiàn)哺乳動(dòng)物群體的多樣性和復(fù)雜性。其中一支重要的哺乳動(dòng)物血統(tǒng)靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物，暗示著未來(lái)人類(lèi)的出現(xiàn)，6000萬(wàn)年前：靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物的進(jìn)化。在史前非洲東部，一些人類(lèi)近親靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物進(jìn)化發(fā)育較快，但歷史證實(shí)進(jìn)化形成有力的顎部和強(qiáng)壯肢體并不如進(jìn)化形成更大的大腦。大約3000萬(wàn)年前，靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物開(kāi)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(wàn)

25、年前，非洲東部類(lèi)似現(xiàn)今亞馬遜河叢林的環(huán)境成為靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物的家園，它們喜歡在樹(shù)枝之間攀爬。但隨著地球板地的運(yùn)動(dòng)，大約1500萬(wàn)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(wàn)年前，快速變化的環(huán)境使靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物也發(fā)生相應(yīng)的進(jìn)化，靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物進(jìn)化趨向兩個(gè)分支：一個(gè)是進(jìn)化形成更大的大腦，具備更好的環(huán)境適應(yīng)性；另一個(gè)是下顎形成得更大，使其能夠咀嚼更堅(jiān)硬的堅(jiān)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(lái)，后者最后被自然所淘汰。頭腦聰明的智人成為人類(lèi)的直接祖先，最終從非洲大陸走出來(lái)向各大陸進(jìn)行遷徙繁衍。7萬(wàn)年前：人類(lèi)語(yǔ)言的出現(xiàn)促進(jìn)

26、人類(lèi)的進(jìn)化。早期人類(lèi)從非洲大陸走了出來(lái)，從解剖角度分析，身材苗條、大腦較大的群體來(lái)自20萬(wàn)年前現(xiàn)今的埃塞俄比亞，不足10萬(wàn)年前一小支早期人群穿過(guò)紅海抵達(dá)阿拉伯半島。遠(yuǎn)古中東和亞洲地區(qū)有大量的牧草場(chǎng)，早期人類(lèi)在這里可找到豐富的食物來(lái)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(wàn)年前，早期人類(lèi)之間逐漸產(chǎn)生了語(yǔ)言。這樣，他們能夠更直接地將自己的思維表達(dá)出來(lái)，通過(guò)語(yǔ)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(yǔ)言的出現(xiàn)促進(jìn)了人類(lèi)的進(jìn)化。思考題：你對(duì)生命進(jìn)化了解哪些知識(shí)？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(guò)施加高壓的方法，液化了當(dāng)時(shí)人類(lèi)在實(shí)驗(yàn)室里唯一沒(méi)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(jiǎng)。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(shí)對(duì)外宣布的一個(gè)發(fā)現(xiàn)。有一天，他和同事測(cè)量汞的低溫電阻值，當(dāng)溫度降至4.2K處時(shí)，電阻表指針突然指向了零。一開(kāi)始實(shí)驗(yàn)者以為數(shù)據(jù)有誤，但之后反復(fù)檢查驗(yàn)證，結(jié)果始終如一，于是他認(rèn)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(chēng)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(huì)無(wú)休止地繞圈圈繞下去，除非采取升溫等手段來(lái)進(jìn)行破壞，否則不會(huì)停下。

28、不過(guò)，昂內(nèi)斯當(dāng)時(shí)還僅僅把這個(gè)現(xiàn)象作為特殊案例來(lái)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(wèn)題。很快，就有其他科學(xué)家被他描述的有趣現(xiàn)象所吸引加入到研究隊(duì)伍中，并找到另外一些也會(huì)在接近絕對(duì)零度時(shí)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(shí)就會(huì)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(huì)轉(zhuǎn)變。與此同時(shí)，科學(xué)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(huì)出現(xiàn)超導(dǎo)性。無(wú)論如何，作為新興事物的超導(dǎo)現(xiàn)象實(shí)在擁有無(wú)窮魅力，加上本世紀(jì)初物理學(xué)蓬勃發(fā)展，

29、大小物理學(xué)家都對(duì)這個(gè)好玩的東東紛紛產(chǎn)生了興致，不少人更是愛(ài)不釋手。1933年，德國(guó)人弗里茨·邁斯納和羅伯特·奧森菲爾德二人的運(yùn)氣不錯(cuò)，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)名為“邁斯納效應(yīng)”的現(xiàn)象，一舉被載入史冊(cè)。邁斯納效應(yīng)指的是進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)的物體表現(xiàn)出來(lái)的一種完全抗磁性：在錫盤(pán)上放一小塊永久磁鐵，對(duì)盤(pán)體持續(xù)降溫，當(dāng)降至錫的轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，小磁鐵會(huì)突然“拔地而起”，升至一定高度便懸浮不動(dòng)了。他們解釋說(shuō)，這是因?yàn)槌瑢?dǎo)體將磁鐵所產(chǎn)生的磁感線(xiàn)排擋在外，對(duì)之形成了一個(gè)抵抗重力的斥力所致。而且，不論對(duì)導(dǎo)體是先降溫后加磁場(chǎng)，還是先加磁場(chǎng)后降溫，一旦出現(xiàn)超導(dǎo)狀態(tài)，磁感線(xiàn)就會(huì)統(tǒng)統(tǒng)遭到排斥，不得不繞道而行。把錫盤(pán)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(lái)，零電阻和完全抗磁，被認(rèn)為是鑒定超導(dǎo)體所必須的兩個(gè)特性。以上發(fā)現(xiàn)可謂一石激起千層浪，因?yàn)樗鼘?duì)理論家提出了相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。在此之前，人們都認(rèn)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?zhuān)坷碚撗嚼碚摚糁觥?0世紀(jì)30年代，另外兩位優(yōu)秀的德國(guó)物理學(xué)家弗里茨·倫敦和海因茨·倫敦兄弟因?yàn)楠q太人的出身而受到納粹排擠，被迫逃到英國(guó)，在牛津大學(xué)開(kāi)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(chǎng)維持感生電流，而超導(dǎo)體中的部分電子運(yùn)動(dòng)不受任何

31、阻力，感生電流不需要磁場(chǎng)來(lái)維持。兄弟二人在此基礎(chǔ)上建立起超導(dǎo)體的電動(dòng)力學(xué)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(chēng)為倫敦方程。1950年前后，俄國(guó)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(lái)解釋正常態(tài)向超導(dǎo)態(tài)的過(guò)渡是怎樣一個(gè)有序過(guò)程。但說(shuō)到底，以上工作都還只是在經(jīng)典物理學(xué)的框架下詮釋其宏觀狀態(tài)。而其實(shí)早在1935年，弗里茨·倫敦就曾于一次會(huì)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(huà)的含義被人真正認(rèn)識(shí)到的那一刻，超導(dǎo)科學(xué)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(wú)論就應(yīng)用而言，還是就理論而言，都堪稱(chēng)一座最值得去奪取的圣杯，超導(dǎo)理論的進(jìn)展會(huì)對(duì)整個(gè)物理學(xué)領(lǐng)域的未來(lái)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(xué)家望而卻步1952年因核磁共振獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)的菲利克斯·布洛赫在20世紀(jì)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(jiàn)其多么讓人顛倒錯(cuò)亂！在這場(chǎng)前赴后繼的攻堅(jiān)戰(zhàn)中，約翰·巴丁的出場(chǎng)不能不說(shuō)耐人尋味，這位出生于美國(guó)威斯康星州一個(gè)知識(shí)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(jiǎng)的科學(xué)家分別在1956年和1972年，前一次是因?yàn)槎O管，后一次就是因?yàn)槌瑢?dǎo)。當(dāng)時(shí)，

33、在伊利諾斯大學(xué)任教的巴丁很早就注意到了其他科學(xué)家對(duì)超導(dǎo)現(xiàn)象的研究工作，但他一直沒(méi)有找到合適的契機(jī)加入。直至1950年，伊曼紐·麥斯威爾和C·A·雷諾茲分別獨(dú)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(tīng)到這個(gè)消息后，立刻敏銳地意識(shí)到這是一個(gè)突破口，他非常贊同同時(shí)期另一位理論物理學(xué)家赫伯特·弗洛里奇提出的解釋?zhuān)撼瑢?dǎo)性可能和電子與晶格振動(dòng)間的交互作用有關(guān)。接下去需要做的是找到助手把這個(gè)理論搭建完善，因此他將年輕的萊恩·庫(kù)珀和羅伯特·施里弗招至麾下開(kāi)始干活，其中，剛剛從哥倫比亞大學(xué)畢業(yè)的庫(kù)珀還是由楊振寧

34、推薦過(guò)來(lái)的。三人組合恰到好處，并且從同時(shí)代最杰出的物理學(xué)成就中取得了各種利器：巴丁以其對(duì)凝聚態(tài)物理學(xué)的深刻理解來(lái)出策劃；庫(kù)珀的理論思想很強(qiáng)大，借著泡利的啟發(fā)提出一個(gè)了不起的“庫(kù)珀對(duì)”概念；而施里弗動(dòng)手能力強(qiáng)，從李政道的一次演講中得來(lái)的靈感促成他解決了其中的波函數(shù)問(wèn)題。1957年，他們朝物理評(píng)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(jiàn)，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(lèi)低溫）超導(dǎo)現(xiàn)象的微觀機(jī)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(dòng)使得自旋方向相反的兩個(gè)電子形成“庫(kù)珀對(duì)

35、”，它們之間的動(dòng)量可以互相抵消。根據(jù)量子力學(xué)理論，物質(zhì)波的波長(zhǎng)和動(dòng)量呈反比，這就意味著“庫(kù)珀對(duì)”的波長(zhǎng)十分長(zhǎng)，完全能繞過(guò)晶格缺陷無(wú)阻礙地流動(dòng)就好比一對(duì)在雜亂舞池中互相提攜的舞伴，通過(guò)靈巧的配合在人群中行云流水般穿梭而過(guò)。曾經(jīng)難倒一大片天才物理學(xué)家的超導(dǎo)問(wèn)題迎刃而解，一時(shí)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(fèi)曼就承認(rèn)說(shuō)，他得知BCS論文后好長(zhǎng)一段時(shí)間都沒(méi)法靜心研讀，因?yàn)榇饲昂馁M(fèi)了太多時(shí)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(jiǎng)得主，繼巴丁師徒幾個(gè)拿下1972年的物理獎(jiǎng)之后，次年的獎(jiǎng)項(xiàng)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(kāi)創(chuàng)性貢獻(xiàn)”獲得這一早該屬于他的殊榮。其他與超導(dǎo)有著千絲萬(wàn)縷聯(lián)系的諾貝爾物理獎(jiǎng)則比比皆是，比如2008年的南部陽(yáng)一郎便因?yàn)閷⒊瑢?dǎo)中的對(duì)稱(chēng)性破缺思想引入粒子物理而被授予該獎(jiǎng)項(xiàng)。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(jiǎng)得主，入獄原因據(jù)說(shuō)是其于2004年9月24日在駕駛當(dāng)中睡著了而釀成車(chē)禍，造成一死七傷。自1911年發(fā)現(xiàn)第一個(gè)超導(dǎo)體水銀以來(lái)，科學(xué)家就希望找到在更高溫度下具有超導(dǎo)性能的材料，因?yàn)橹挥袔譑的臨界溫度實(shí)在很不經(jīng)

37、濟(jì)。但這個(gè)尋找的過(guò)程比理論搭建的過(guò)程還要讓人沮喪：整整62年過(guò)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(guò)23.2K，每年提升幅度差不多只有0.3K！據(jù)說(shuō)，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室有人計(jì)算過(guò)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(xiàn)是沒(méi)有前途的。也有人試過(guò)去有機(jī)材料中碰運(yùn)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(méi)勁了！就在大家都垂頭喪氣、沮喪得不得了的當(dāng)兒，德國(guó)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?cè)?986年1月向世人宣稱(chēng)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(gè)好消息被埋沒(méi)了長(zhǎng)達(dá)數(shù)月后才經(jīng)由一系列其他科學(xué)家的工作而確認(rèn)，但這實(shí)在是太讓人振奮了，以至于瑞典皇家科學(xué)院迫不及待地將次年的物理獎(jiǎng)獎(jiǎng)?wù)聮斓搅藘扇说牟弊由?。仿佛就從那一刻起，?guó)際應(yīng)用物理界就邁入了一個(gè)超導(dǎo)升溫時(shí)段，攀升的速度簡(jiǎn)直令人咂舌，而且也成了華人科學(xué)家才藝大比拼的舞臺(tái)：美國(guó)華裔物理學(xué)家朱經(jīng)武、臺(tái)灣物理學(xué)家吳茂昆以及中國(guó)科學(xué)院的趙忠賢在短短一年時(shí)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(chēng)為第二類(lèi)超導(dǎo)體，和第一類(lèi)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(wú)，也無(wú)法用經(jīng)典的BCS理論來(lái)進(jìn)行解釋?zhuān)驗(yàn)楦邷叵隆皫?kù)珀對(duì)”會(huì)遭到破壞，雖然有人猜

39、測(cè)電子對(duì)還將以某種方式存在，但關(guān)于這一點(diǎn)迄今沒(méi)有發(fā)現(xiàn)有說(shuō)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(gè)難以突破的瓶頸，但它所帶來(lái)的成就卻是在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)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(qiáng)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(qiáng)子對(duì)撞機(jī)中都少不得超導(dǎo)材料的身影。在日本和美國(guó)，第一代超導(dǎo)線(xiàn)材已達(dá)到商業(yè)化水平，一些國(guó)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(xué)的細(xì)野秀雄團(tuán)隊(duì)在研究新型透明半導(dǎo)體時(shí)，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?yàn)橛忠淮未蚱屏讼惹暗慕Y(jié)論。鐵具有很強(qiáng)的磁性，一直被認(rèn)為和超導(dǎo)性格格不入（早期關(guān)于第一類(lèi)超導(dǎo)體的研究已證實(shí)單純的金屬鐵無(wú)法擁有超導(dǎo)性，其不具有邁斯納效應(yīng)，無(wú)法對(duì)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(huì)影響超導(dǎo)性？此外，還有一點(diǎn)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(chǔ)量豐富，價(jià)錢(qián)也相對(duì)便宜。細(xì)野團(tuán)隊(duì)接下來(lái)就像烹飪時(shí)加佐料一樣對(duì)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(chēng)，含砷材料具有26K的臨界溫度；很快，3月份，中國(guó)科大一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)便

41、如法炮制將類(lèi)似化合物的轉(zhuǎn)變溫度提高到40K以上，一個(gè)月后又提高到56K，如此便已經(jīng)達(dá)到了應(yīng)用水準(zhǔn)。過(guò)，這種新材料具有兩個(gè)缺點(diǎn)：一是砷元素毒性較大，二是材料結(jié)構(gòu)復(fù)雜。有臺(tái)灣團(tuán)隊(duì)提出以鐵硒化合物取代之，據(jù)說(shuō)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?zé)嵴幱趯⑵鹞雌鹬畷r(shí)，相信世界各地摩拳擦掌的科學(xué)家也已經(jīng)大有人在，這真是不可避免的一場(chǎng)廝殺。維塔利·金茲堡曾說(shuō)過(guò)：就對(duì)社會(huì)產(chǎn)生的沖擊而言，高溫（最終將達(dá)到室溫的）超導(dǎo)可能是除了受控核聚變以外，物理學(xué)中最重要的問(wèn)題。這句話(huà)充分說(shuō)明了這一領(lǐng)域的研究在當(dāng)代科學(xué)中不容爭(zhēng)議的地位。由于BCS理論在高溫超導(dǎo)上面臨的重重困境，實(shí)干派們忙得不亦樂(lè)乎之

42、際，理論家們也沒(méi)法安心睡大覺(jué)，要么修正，要么用新理論取而代之。和昂內(nèi)斯來(lái)自于同一所大學(xué)荷蘭萊頓大學(xué)的物理學(xué)家揚(yáng)·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(guò)渡的臨界溫度時(shí)內(nèi)部電子的關(guān)聯(lián)狀況，聽(tīng)上去很是拉風(fēng)，因?yàn)殛?yáng)春白雪的弦論這些年來(lái)打破頭也沒(méi)從現(xiàn)實(shí)世界找到什么可應(yīng)用的途徑，沒(méi)準(zhǔn)兒還真能在超導(dǎo)身上實(shí)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?zhuān)共皇闀r(shí)隔一個(gè)世紀(jì)后對(duì)當(dāng)年老校友的由衷致敬。思考題：1、超導(dǎo)體的產(chǎn)生會(huì)有怎樣的前景？ 2、你會(huì)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(shí)空你好，我是史蒂芬霍金，一個(gè)物理學(xué)家，宇宙學(xué)家，也算是個(gè)夢(mèng)想

43、家。雖然我行動(dòng)不便，而且需要借助電腦說(shuō)話(huà)，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(shí)間旅行可能嗎?我們能否開(kāi)啟通往過(guò)去的大門(mén)開(kāi)辟前往未來(lái)的通道?最終我們能否利用大自然的法則，執(zhí)掌時(shí)間的進(jìn)程呢?史蒂芬霍金，如果我有臺(tái)時(shí)間機(jī)器，我可以拜訪(fǎng)正當(dāng)妙齡的瑪莉蓮夢(mèng)露，或是在伽利略用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)宇宙的時(shí)候去串個(gè)門(mén)，可能我還會(huì)前往宇宙的末日看看我們的整個(gè)宇宙將會(huì)如何終結(jié)，要判斷這種想法是否可行，我們就要從物理學(xué)家的角度出發(fā)，把時(shí)間看成第四維。這并沒(méi)有聽(tīng)上去那么深?yuàn)W。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(zhǎng)度、寬度和高度，但除此以外還有另外一種“度”，這個(gè)度就是時(shí)間。正常

44、人一般可以活80年，位于英國(guó)著名石頭陣的這堆石頭卻能存在長(zhǎng)達(dá)數(shù)千年之久，而太陽(yáng)系則能存在數(shù)十億年光景任何東西在時(shí)間上都有個(gè)“度”，正如在空間上一樣。而時(shí)間旅行就意味著要穿過(guò)第四維時(shí)空。要理解這個(gè)概念并不難，我們就拿日常的開(kāi)車(chē)來(lái)打比方吧。飆快車(chē)總是能帶來(lái)更多樂(lè)趣，筆直前進(jìn)意味著你穿過(guò)了一個(gè)維度，轉(zhuǎn)左或轉(zhuǎn)右時(shí)就穿過(guò)第二個(gè)維度，在彎曲的山路上爬上爬下帶來(lái)高度的變化就是在第三個(gè)維度上穿行。但我們?cè)鯓硬拍艽┻^(guò)時(shí)間呢？怎樣才能找到穿越第四個(gè)維度的方法？蟲(chóng)洞型時(shí)間機(jī)器。讓我們換一個(gè)話(huà)題來(lái)談?wù)効茖W(xué)幻想。關(guān)于時(shí)間旅行的科幻電影通常會(huì)說(shuō)到一個(gè)能耗極高的巨型機(jī)器，這臺(tái)機(jī)器能打開(kāi)一個(gè)穿越第四維時(shí)空的通道，也就是時(shí)間隧

45、道。一個(gè)時(shí)間旅行者、勇敢或者說(shuō)有些莽撞的人做好了應(yīng)對(duì)未知情況的準(zhǔn)備，他踏進(jìn)了這個(gè)時(shí)間隧道前往一個(gè)未知的時(shí)代這個(gè)想法可能有點(diǎn)牽強(qiáng)，現(xiàn)實(shí)情況也可能與此大相徑庭，但這個(gè)概念本身并不瘋狂。物理學(xué)家們也一直在思考時(shí)間隧道的問(wèn)題，但切入的角度完全不同，我們想知道的是通往過(guò)去或是未來(lái)的通道是否能在自然法則下存在。思考的結(jié)果是，我們認(rèn)為有這個(gè)可能，而且，我們甚至給它起了個(gè)名字蟲(chóng)洞。事實(shí)上，在我們身邊到處都是蟲(chóng)洞，只不過(guò)它們太小，我們看不到而已，蟲(chóng)洞非常之小，它們存在于時(shí)間和空間的每一個(gè)角落，你可能覺(jué)得這難以理解，但耐心往下看你就會(huì)明白了。任何東西都不是徹底平滑沒(méi)有空隙的，如果你能近距離看一樣?xùn)|西，你會(huì)發(fā)現(xiàn)上面

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

47、方厘米大小，人類(lèi)根本不可能借此通行，不過(guò)這倒是引出了蟲(chóng)洞型時(shí)間機(jī)器的概念。有些科學(xué)家認(rèn)為，我們可以截獲這樣一個(gè)蟲(chóng)洞然后將它擴(kuò)大數(shù)億億億倍，足以讓一個(gè)人、甚至是一艘太空船從中通過(guò)，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(chóng)洞。我不是說(shuō)一定能實(shí)現(xiàn)，但如果真的可行，那將是一項(xiàng)非常了不起的創(chuàng)舉，它的一端在距離地球不遠(yuǎn)的地方，另一端則位于一顆離我們無(wú)比遙遠(yuǎn)的行星附近。理論上說(shuō)，蟲(chóng)洞還可以有更多的用途。如果蟲(chóng)洞的兩個(gè)端口，設(shè)置的地點(diǎn)相同，但時(shí)間不同，那飛船穿越蟲(chóng)洞之后將仍然停留在地球附近，但卻回到了遙遠(yuǎn)的過(guò)去，或許恐龍還可以目睹這艘飛船的從天而降。時(shí)間旅行實(shí)驗(yàn)。我知道四維時(shí)空的這個(gè)概念

48、確實(shí)很難理解，而蟲(chóng)洞的復(fù)雜概念那就更令人摸不著頭腦了。不過(guò)先別急，我想出了一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)來(lái)證明在現(xiàn)在甚至是在未來(lái)，人類(lèi)通過(guò)蟲(chóng)洞進(jìn)行時(shí)間旅行是否確有可能。我喜歡簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，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(lái)穿越到過(guò)去。我搞了一個(gè)派對(duì)，歡迎來(lái)自未來(lái)的時(shí)間旅行者。但不同之處在于，派對(duì)開(kāi)始以前我沒(méi)把這件事告訴任何人，在這個(gè)派對(duì)的請(qǐng)柬上，說(shuō)明了確切的時(shí)間和空間坐標(biāo)。我復(fù)印了多份派對(duì)的請(qǐng)柬，希望在數(shù)千年后有人可以看到這份請(qǐng)柬，然后用蟲(chóng)洞型的時(shí)間機(jī)器來(lái)參加我的派對(duì)。我邀請(qǐng)的客人們可能隨時(shí)都會(huì)光臨，我期待有人會(huì)開(kāi)門(mén)進(jìn)來(lái)，五、四、三、二、一，真遺憾，到了派對(duì)開(kāi)始的時(shí)間，沒(méi)有

49、任何人前來(lái)光臨派對(duì)，我還盼著未來(lái)的環(huán)球小姐會(huì)開(kāi)門(mén)翩翩而入呢。為什么這個(gè)實(shí)驗(yàn)會(huì)失敗呢?我想其中一個(gè)原因就是當(dāng)你穿越到過(guò)去的時(shí)候就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)眾所周知的問(wèn)題，謬論問(wèn)題。謬論十分有趣，有一個(gè)非常出名的悖論就是祖父謬論(祖父謬論：回到過(guò)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(guò)去殺你的祖父)，我有一個(gè)更簡(jiǎn)單的試驗(yàn)新版本，我稱(chēng)之為“科學(xué)狂人謬論”。我不喜歡在電影中科學(xué)家總是被刻畫(huà)成瘋子，但在這個(gè)試驗(yàn)版本中卻必須這么做：這個(gè)家伙決定制造一個(gè)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(gè)蟲(chóng)洞，這個(gè)時(shí)間隧道能返回一分鐘前的世界，聽(tīng)起來(lái)沒(méi)什么大不了，但實(shí)際上往回一分鐘就足以捅出大簍子

50、了。通過(guò)蟲(chóng)洞科學(xué)家可以看見(jiàn)一分鐘前的自己，如果這位科學(xué)家通過(guò)這個(gè)蟲(chóng)洞開(kāi)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(shuí)開(kāi)的槍呢？這就是一個(gè)謬論，無(wú)論如何都解釋不通，像這樣的情況總是讓宇宙學(xué)家們睡不好覺(jué)。這種時(shí)間機(jī)器會(huì)破壞主宰整個(gè)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(huà)，那么就沒(méi)有任何人可以阻止宇宙陷重回混沌。所以我認(rèn)為，總是會(huì)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(xué)家絕不可能開(kāi)槍把自己打死。在這個(gè)例子中，我必須承認(rèn)蟲(chóng)洞本身就是問(wèn)題所在，歸根結(jié)底我認(rèn)為這種類(lèi)型的蟲(chóng)洞是不可能存在的，

51、原因就在于“反饋”。如果你聽(tīng)過(guò)搖滾音樂(lè)會(huì)，你應(yīng)該會(huì)記得這種刺耳的聲音，這就是“反饋”，其成因非常簡(jiǎn)單：聲音進(jìn)入麥克風(fēng)，通過(guò)電線(xiàn)的傳導(dǎo)，被擴(kuò)音器放大，聲音從音箱里放出來(lái)，但又再一次通過(guò)麥克風(fēng)傳導(dǎo)到音響，一次又一次經(jīng)過(guò)這樣的循環(huán)，每一次都讓聲音變得更大。如果沒(méi)人阻止，“反饋”就會(huì)讓音響系統(tǒng)徹底崩潰，我認(rèn)為同樣的事情也會(huì)發(fā)生在蟲(chóng)洞中，只是輻射取代了聲音。當(dāng)蟲(chóng)洞打開(kāi)的瞬間，自然界的輻射會(huì)進(jìn)入其中并形成循環(huán)“輻射反饋”會(huì)變得無(wú)比強(qiáng)烈，導(dǎo)致蟲(chóng)洞瓦解，所以雖然微型的蟲(chóng)洞確實(shí)存在，也許某天我們真的可以將其放大，但它無(wú)法維持足夠長(zhǎng)的時(shí)間作為時(shí)間機(jī)器使用，那就是沒(méi)人來(lái)參加派對(duì)的真正原因。事實(shí)上我認(rèn)為，不管是通過(guò)蟲(chóng)

52、洞還是通過(guò)其它方法，我們基本上都是不可能回到過(guò)去的，不然的話(huà)就會(huì)產(chǎn)生謬論。超大質(zhì)量黑洞就是時(shí)間機(jī)器。很可惜，現(xiàn)在看來(lái)穿越時(shí)間回到過(guò)去是不可能的了，那些夢(mèng)想狩獵恐龍的人會(huì)很失望，而史學(xué)家倒能松一口氣。雖然如此，但并不是說(shuō)任何時(shí)間旅行都不可能，我還是相信有時(shí)間旅行的，通往未來(lái)的時(shí)間旅行。時(shí)間就像一條河流，它無(wú)情地把我們每個(gè)人向下游推進(jìn)，但時(shí)間在另一方面也很像河流，在不同的地方，它的流速也會(huì)不同，而這就是前往未來(lái)的關(guān)鍵所在。這個(gè)概念是100多年前由愛(ài)因斯坦提出來(lái)的，他意識(shí)到在某些地方時(shí)間會(huì)慢下來(lái)，而在另一些地方時(shí)間則會(huì)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(jiǎn)稱(chēng)G

53、PS。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)由繞地球軌道運(yùn)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(shí)也證明了時(shí)間在那里過(guò)得比地球表面上要快。在每個(gè)這種衛(wèi)星上都有個(gè)非常精密的時(shí)鐘，但無(wú)論有多準(zhǔn)，它們每天全都會(huì)走快三十億分之一秒，系統(tǒng)必須糾正這個(gè)誤差，否則這個(gè)誤差會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)，導(dǎo)致地面上的所有全球定位設(shè)備每天都會(huì)產(chǎn)生9.6公里的偏差。問(wèn)題并不在于時(shí)鐘，走得快是因?yàn)槟抢锏臅r(shí)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(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn)物質(zhì)會(huì)影響到時(shí)間，物體越重，對(duì)時(shí)間的影響就越大，這個(gè)神奇的現(xiàn)象為通向未來(lái)的時(shí)間旅行開(kāi)啟了大門(mén)。我知道這個(gè)概念理解起來(lái)并不容易，現(xiàn)在我們來(lái)看個(gè)簡(jiǎn)單的例子。吉薩的大金字塔

54、，它有4000多萬(wàn)噸重，跟所有的重物一樣，它其實(shí)也在減緩著時(shí)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(huì)看到它的運(yùn)作機(jī)理。接近金字塔的地方時(shí)間的流動(dòng)相對(duì)其它地方來(lái)說(shuō)稍微慢一些，如果金字塔附近的人看外面的世界會(huì)怎么樣呢？他們肯定會(huì)看到相反的情況，因?yàn)樗麄冏陨碜兟耍h(yuǎn)處的時(shí)間則相對(duì)變快了，這是金字塔的巨大質(zhì)量帶來(lái)的影響，這種畸變就為通往未來(lái)提供了可能性，要想實(shí)現(xiàn)時(shí)間旅行的話(huà)，我們需要一個(gè)質(zhì)量比金字塔大得多的物體，而我知道有這么個(gè)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(tuán)和群星之間隱藏著全銀河系最重的物體，那是一個(gè)“超大質(zhì)量黑洞”，

55、其質(zhì)量相當(dāng)于400萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)，被它自身的引力壓縮成了一個(gè)小點(diǎn)，離黑洞越近，引力也就越強(qiáng)，如果離得太近的話(huà)，就連光都無(wú)法逃逸。因此它就成了一個(gè)直徑2400萬(wàn)公里的黑暗球體，這樣巨大的黑洞，會(huì)對(duì)時(shí)間產(chǎn)生意想不到的效果，它對(duì)時(shí)間的延滯作用，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)銀河系中的任何物體，它就是一個(gè)自然生成的時(shí)間機(jī)器。我總是想象著有一天我們的飛船可以接近這個(gè)神奇的地方，對(duì)黑洞加以利用，當(dāng)然我們首先要避免自己也被吸進(jìn)去。我認(rèn)為最好的方法就是飛到它邊緣外側(cè)不遠(yuǎn)的地方，以免被吞沒(méi)，他們必須精確地設(shè)定好航向和速度，否則就再也回不來(lái)了，只要處理得當(dāng)，飛船將會(huì)環(huán)繞黑洞。沿著直徑長(zhǎng)達(dá)4800萬(wàn)公里的圓形軌道運(yùn)行。飛船在這里比較安全，它的

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

57、空間，還穿越了時(shí)間。所以“超大質(zhì)量黑洞”本身就是時(shí)間機(jī)器。最后一個(gè)建造時(shí)間機(jī)器的方法。但事實(shí)上可操作性并不強(qiáng)，它和蟲(chóng)洞相比更有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗粫?huì)產(chǎn)生時(shí)間謬論，也不會(huì)在“輻射反饋”中自我毀滅，但它十分地危險(xiǎn)，它距離我們太遠(yuǎn)，而且無(wú)法實(shí)現(xiàn)大跨度的時(shí)間旅行。幸運(yùn)的是還有其它的方法可以穿越時(shí)間，而這也是我們最后一個(gè)、也是最可行的建造時(shí)間機(jī)器的方法。穿越第四個(gè)維度絕對(duì)不是什么容易的事，但事實(shí)上卻有一個(gè)極其簡(jiǎn)單的方法可以實(shí)現(xiàn)，你只要以極高的速度運(yùn)動(dòng)就可以了。宇宙擁有自己的極限速度，每秒29.9萬(wàn)公里，也就是眾所周知的光速，任何東西都不可能超越這個(gè)速度。我知道這聽(tīng)起來(lái)很奇怪，但相信我，這是科學(xué)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(yùn)動(dòng)就可以前往未來(lái)。要解釋其中的原因，先讓我們構(gòu)想一個(gè)科幻小說(shuō)里的交通運(yùn)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(chē)，我們讓這列假想的列車(chē)盡可能去接近光速，看看這如何能讓它成為一臺(tái)時(shí)間機(jī)器。車(chē)上的旅客都有一張通往未來(lái)的單程車(chē)票，列車(chē)開(kāi)始加速，越開(kāi)越快，越開(kāi)越快，不久后它就在繞著地球一圈又一圈地運(yùn)行。要接近光速就意味著要以極快的速度繞地球運(yùn)行。每秒鐘要跑七圈，但無(wú)論列車(chē)動(dòng)力如何強(qiáng)勁也絕不可能達(dá)到光的速度，因?yàn)檫@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(shí)一種奇特的現(xiàn)象開(kāi)始發(fā)生，相比地球上的其它地方，列車(chē)上的時(shí)間流速相對(duì)較慢，就像在黑洞附近一樣，效果甚至更明顯。列車(chē)上所有物體的運(yùn)動(dòng)都會(huì)變慢。其中的道理并不難理解，試想車(chē)上有個(gè)小孩朝車(chē)頭跑過(guò)去，她的奔跑速度再加上列車(chē)自身的速度，是否會(huì)意外地突破極限速度呢?答案是不會(huì)。自然法則讓車(chē)上的時(shí)間變慢，從而避免這種情況的發(fā)生，所以她無(wú)論怎樣奔跑也無(wú)法突破極限速度。時(shí)間總是會(huì)適合地放緩不讓你