穿越在物理教學(xué)中的應(yīng)用

樊菊

新課改后的高中物理教材增加了有關(guān)現(xiàn)代物理學(xué)的內(nèi)容，而其中有關(guān)狹義相對論的內(nèi)容對學(xué)生而言較為深?yuàn)W，而且教材中所舉得例子帶有一定的科幻色彩，會(huì)讓學(xué)生想到是否可以開展時(shí)空旅行，對應(yīng)于現(xiàn)在流行的影視劇中的“穿越”，很能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.

穿越類的電視劇很早就有，90年代梁朝偉飾演的韋小寶從清朝穿越到現(xiàn)代只為皇帝尋找皇后;2011年楊冪主演的《宮鎖心玉》在全國各大電臺熱播，這部劇被網(wǎng)友評論為最近幾年此類劇情中最火的一部，女主角也從二三線的小演員一躍成為國內(nèi)的一線演員，這部劇的故事情節(jié)是這樣展開的：古玩店繼承人洛晴川在定親典禮上為了追一副被風(fēng)吹走的清代麗人圖而跑至一神秘樹林中，麗人圖到手時(shí)一剎那腳下一空，跌入時(shí)空隧道穿越到清朝，靚麗的演員精彩的劇情深受廣大觀眾尤其是青少年的喜歡，有的孩子喜歡的太過瘋狂也幻想能夠穿越，甚至模仿電視劇中的情境，跳到未知的深洞里，造成對身體的傷害，所以讓學(xué)生明白其中的物理學(xué)原理非常有必要，知道穿越在現(xiàn)實(shí)中是不可能發(fā)生的，可以防止此類的悲劇再次發(fā)生.同時(shí)也不應(yīng)該遏制孩子的想象力，要給他們一個(gè)可以理解的答案.對于即將成年的高中生，不妨把這部分素材引入課堂，讓他們能夠在輕松愉快的情境中學(xué)到物理知識，提升科學(xué)素養(yǎng).

穿越是穿越時(shí)間和空間的簡稱.通常指某人因?yàn)槟吃?，?jīng)過某過程（也可以是無原因的偶然情況下），從所在的時(shí)空穿越到另一時(shí)空.穿越有時(shí)也稱時(shí)空旅行，對于時(shí)空和維度比較常見的理解是：零維是一個(gè)點(diǎn);一維是一條直線;二維是一個(gè)平面;三維是指一個(gè)立體空間;四維是指在三維的基礎(chǔ)上加時(shí)間這個(gè)屬性，一般認(rèn)為我們生存在四維的時(shí)空中，當(dāng)然增加不同的維度還可以擴(kuò)展到N維.狹義相對論是建立在四維時(shí)空觀上的一個(gè)理論，因此要弄清相對論的內(nèi)容，要先對相對論的時(shí)空觀有個(gè)大體了解.數(shù)學(xué)上有各種多維空間，但目前為止，我們認(rèn)識的物理世界只是四維，即三維空間加一維時(shí)間.四維時(shí)空是構(gòu)成真實(shí)世界的最低維度，我們的世界恰好是四維.一把尺子在三維空間里（不含時(shí)間）轉(zhuǎn)動(dòng)，其長度不變，但旋轉(zhuǎn)它時(shí)，它的各坐標(biāo)值均發(fā)生了變化，且坐標(biāo)之間是有聯(lián)系的.四維時(shí)空的意義就是時(shí)間是第四維坐標(biāo)，它與空間坐標(biāo)是有聯(lián)系的，也就是說時(shí)空是統(tǒng)一的，不可分割的整體，它們是一種“此消彼長”的關(guān)系. 四維時(shí)空不僅限于此，由質(zhì)能關(guān)系知，質(zhì)量和能量實(shí)際是一回事，質(zhì)量（或能量）并不是獨(dú)立的，而是與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相關(guān)的，比如速度越大，質(zhì)量越大.在四維時(shí)空里，質(zhì)量（或能量）實(shí)際是四維動(dòng)量的第四維分量，動(dòng)量是描述物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的量，因此質(zhì)量與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)就是理所當(dāng)然的.四維時(shí)空里，動(dòng)量和能量實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一，稱為能量動(dòng)量四矢.而時(shí)空旅行，就必須從現(xiàn)有的四維空間中跳出來，到達(dá)其他維，或者空間不改變，通過某種方式到達(dá)某個(gè)時(shí)間段里，例如可以到達(dá)過去的某個(gè)時(shí)間段里，但是回到過去是不能改變歷史的，因?yàn)槿绻麣v史不存在了，你現(xiàn)在所處的時(shí)空也就不存在了.

人們總是在感慨，世界上要是有后悔藥就好了，我們常常因?yàn)樽约旱臒o知，大意，做過錯(cuò)事、傷害過別人，要是能夠回到過去及時(shí)糾正自己的錯(cuò)誤那實(shí)在是太好了，機(jī)器貓就有個(gè)時(shí)光機(jī)，能夠穿梭過去和未來，但是那只存在于動(dòng)畫片中，在理論上“時(shí)間倒流”有兩種方式：一是超光速.二是“蟲洞”（Wormholes）.按照愛因斯坦的能量質(zhì)量關(guān)系式E=mc2 ，穿越時(shí)間隧道從現(xiàn)在回到過去是可能的.1905年，愛因斯坦在“狹義相對論”中這樣解釋一個(gè)“奇異世界”：我們所處的宇宙可以看成一個(gè)四維時(shí)空，隨著物體運(yùn)動(dòng)速度增快，時(shí)間流程將會(huì)變慢，空間線度將會(huì)縮短.1915年，愛因斯坦進(jìn)一步提出他的引力理論（廣義相對論）.同樣在這個(gè)“奇異世界”中，在大質(zhì)量物體（即強(qiáng)大的引力場）作用之下，時(shí)空結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生彎曲，時(shí)間流程也會(huì)變慢.一維時(shí)間可以像三維空間一樣發(fā)生彎曲.前面所提物體的速度要到達(dá)光速，而現(xiàn)實(shí)中的物體不可能達(dá)到光速，就算是微觀粒子，使用加速電場對其加速，隨著速度的增加，由于具有相對論效應(yīng)，粒子質(zhì)量也會(huì)變大，速度很難再增加.目前不論是自然存在的還是人為加速的還沒有任何實(shí)物粒子的速度可以達(dá)到光速或超過光速.在廣義相對論發(fā)表后不久，1935年愛因斯坦在理論上發(fā)現(xiàn)了“蟲洞”：由兩個(gè)相連的“黑洞”所構(gòu)成的時(shí)空結(jié)構(gòu)中的“豁口”，這是一條貫穿空間和時(shí)間的隧道.也就是說，只要能夠建造一個(gè)穩(wěn)定的蟲洞，就可以跨越時(shí)間和空間，但是經(jīng)過理論計(jì)算，“蟲洞”僅允許光線通過，而且根據(jù)量子理論，這個(gè)“蟲洞”在強(qiáng)力的作用下，將于瞬間關(guān)閉.

介于我們的速度不能到達(dá)光速，就算能夠達(dá)到光速，質(zhì)量增大人早就不知道變成什么形狀了，同時(shí)要保證生命存活所必要的外部條件，還有我們也無法提供增加速度所需要的巨大的能量，所以目前為止我們是不能穿越回過去也不能穿梭到未來的，但是美好的想象還是要保留的，就像古代中國神話中的千里眼、順風(fēng)耳，在當(dāng)今世界得力于電磁學(xué)的發(fā)展早已實(shí)現(xiàn)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展未來到底會(huì)是什么樣呢？誰知道啊！

在狹義相對論的教學(xué)中，教師應(yīng)該有所注意，狹義相對論建立以前的整個(gè)物理學(xué)體系都是建立在絕對時(shí)空觀念的基礎(chǔ)之上，狹義相對論的建立，帶來了一系列經(jīng)典概念的變革，建立了嶄新的時(shí)空觀.相對論認(rèn)為，有物質(zhì)才有時(shí)間和空間，時(shí)間和空間與物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān).這和學(xué)生的前意識有著很大的不同，以前我們學(xué)習(xí)的時(shí)候認(rèn)為時(shí)間與空間是理所當(dāng)然存在的，不依賴于其他任何因素，而相對論顛覆了他們原來的思想，學(xué)生剛開始學(xué)習(xí)時(shí)往往覺得很難接受，特別抽象.愛因斯坦的相對論以博大精深、深?yuàn)W難懂著稱，根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)的要求，這部分課程的教學(xué)，只要求學(xué)生理解愛因斯坦建立相對論的科學(xué)探究思想和邏輯推理方法，以及通過實(shí)驗(yàn)和觀測結(jié)果，事實(shí)與理論很好地符合就夠了，注重的是了解愛因斯坦建立相對論的過程，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)他們熱愛科學(xué)的情感，至于相對論的推理，在中學(xué)階段，由于學(xué)生的認(rèn)知水平和數(shù)學(xué)能力有限，所以就不需要介紹太多.總之，這部分教學(xué)的成功在于思想和方法的引導(dǎo)，而不是深?yuàn)W知識的灌輸，通過輕松愉快的電視情節(jié)，可以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入課堂，充分利用青少年喜歡明星的心理，幫助他們了解穿越這個(gè)科幻概念的真相，同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生的想象，正像溫總理對青年的寄托“仰望天空更要腳踏實(shí)地.”