个人介绍
科幻中的物理学 李淼
《科幻中的物理学》旨在通过对科幻作品的种种现象的分析,揭示其背后所蕴藏的物理现象。课程的基本内容主要涉及到了能量、力学、宇宙、时间、人工智能以及人类未来方面的内容。课程主要使用了大量科幻作品中的素材并以此为基础讲解物理学,具体事例与物理理论相结合,使课程更易于非物理专业的学生学习并理解。
教师团队

李淼 教授

单位:中山大学

部门:天文与空间科学研究院

尔雅名师
《决战猩球》和爱因斯坦的狭义相对论


还记得20世纪60年代的科幻电影杰作《决战猩球》吗?

三名宇航员在太空飞行中意外被卷入“时间空洞”(物理学专有名词),被迫降落在一颗由猩猩统治的陌生星球上,而那颗星球其实就是几千年后的地球。物理学家反复咀嚼这部电影的情节之后发现:很多人认为狭义相对论使得时空旅行成为可能,但是这个例子恰恰说明,狭义相对论使时空旅行成为一种挑战。

根据狭义相对论,在这部电影里,以这几名宇航员自身为参考系,他们持续飞行了一年半,而其间地球上的时光已飞逝了2000年——根据狭义相对论法则,这是真实的一幕。但是,这怎么可能呢?因为,无论从哪一个参考系进行观测,光速(c)都是恒定的,通过一系列逻辑推理,爱因斯坦证明了:两个事件之间的时间间隔长度,取决于你对之进行观测的参考系,所以自然而然就会有这样的结果。

根据狭义相对论,任何质量不为零的物质,其运动速度都不可能超过光速。但是,当你运动的速度足够接近光速的时候,就会出现时间膨胀。时间膨胀公式如下:

Tship = Tearth(1-v2/c2)1/2

(以上公式显示,相对于地球来讲,太空船必须以v = 0.9999997c的平均速度飞行,才能获得《决战猩球》中那么长的时间膨胀量。)

因此,虽然从理论上来说,假如你的飞行速度足够接近光速,你就能很快到达一个地方。但是,当你到达目的地时,你很难搞清楚地球上今夕是何年,总统是何人。当你返回地球时,你的孩子可能比你还老。至少,这会让你感到尴尬。

《黑洞表面》和广义相对论的“恐怖”之处

在恐怖科幻电影《黑洞表面》中,精神状态不稳定的威尔博士(Dr.Weir)向我们描述了一个人怎样才可能绕过狭义相对论中的光速极限:威尔博士拿了一张纸,在纸的两端画了两个记号,表示这两个记号是距离能多远就有多远的两个地方。然后,他把纸折起来,让那两个记号相互挨着。他解释说,假如我们对空间也能够这么做,并且能够跳跃穿越这样的“捷径”的话,我们就能在距离极其遥远的星系里以极短的时间穿梭旅行,而不会违背狭义相对论中所指的物质运动速度不可能超过光速这一原则。是的,威尔博士虽然很疯狂,但他可不笨。显然,他对广义相对论也略知一二。

广义相对论称,物质可以让时空弯曲。因此,从理论上来讲,假如你能够创造一个足够大的引力场,你就能在时空中把遥远的两个地方拉在一起,非常接近。

这个设想听起来前景光明,但仍有几个大问题:第一,任何一个引力场,假如它足够强大,能够做到以上假设的话,那它就会摧毁你的宇宙飞船。第二,制造这样一个引力场所需要的能量之大,是完全超乎我们的想像的。第三,即使你找得到一条连接两个端点的路径的话,你也可能陷入上面两点提到的麻烦里去。

然而,电影中那艘“地平线号”破飞船命中注定还是找到了那条捷径。不幸的是,那艘飞船进入了我们所知宇宙之外的一个混沌世界,玩完了,许多恐怖和不快事件发生在飞船全体乘员身上。

参考资料


参考书籍











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