科幻影視文學(xué)作品在大學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用
——以大學(xué)物理中的“狹義相對(duì)論”課程為例

吳慧，陳國(guó)慶

（江南大學(xué)理學(xué)院，江蘇無(wú)錫 214122）

《西游記》這部作品中多次提到“天上一日，就是下界一年”，雖然這句話從現(xiàn)代物理學(xué)理論角度去思考是不夠嚴(yán)謹(jǐn)?shù)模@是中國(guó)古代文學(xué)作品關(guān)于時(shí)間和空間問(wèn)題的一個(gè)思考，包含了過(guò)去人類關(guān)于科學(xué)的幻想和探索。而且近年來(lái)也不斷涌現(xiàn)大量的科幻題材類的影視和文學(xué)作品，包含很多物理現(xiàn)象和知識(shí)，能夠激發(fā)觀眾和讀者對(duì)于科學(xué)的興趣和探索，從而投入到科學(xué)的研究事業(yè)中。影視內(nèi)容豐富，情節(jié)刺激，具有很強(qiáng)的直觀性，能夠?qū)⒒逎y懂的科學(xué)知識(shí)形象化[1]。

但是無(wú)論是電影還是文學(xué)作品都是科幻題材的作品，這類作品本身的重點(diǎn)是科學(xué)幻想，這其中涉及的科學(xué)內(nèi)容不一定是合理的。但是觀眾和讀者如果未受到系統(tǒng)的科研訓(xùn)練，往往很難辨別出科幻作品與真正的科學(xué)之間的區(qū)別。特別是剛剛步入大學(xué)的學(xué)生，經(jīng)過(guò)高中課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)掌握了一定的知識(shí)，形成了一定的科學(xué)思維，他們正躍躍欲試想要用自己學(xué)到的知識(shí)去解釋實(shí)際發(fā)生的問(wèn)題和對(duì)未知的世界進(jìn)行大膽的猜想和探索。當(dāng)學(xué)生遇到這類科幻題材的作品時(shí)，他們往往愿意與教師探討，因此在教學(xué)的過(guò)程中學(xué)生需要正確的引導(dǎo)去厘清科學(xué)與幻想。

物理作為一門基礎(chǔ)科學(xué)，其中的一些基本理論和物理思維已經(jīng)滲透到其他各個(gè)科學(xué)領(lǐng)域。在我國(guó)的理工科人才的培養(yǎng)中，大學(xué)物理作為一門重要的基礎(chǔ)必修課，起到不可替代的重要作用。一方面，大學(xué)物理對(duì)高中物理知識(shí)進(jìn)行深入講解，加深學(xué)生對(duì)高中教材中直接給出的物理定律的理解，為學(xué)生繼續(xù)深入某個(gè)科學(xué)領(lǐng)域的學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)，另一方面，大學(xué)物理課程再現(xiàn)物理定律的發(fā)現(xiàn)過(guò)程，使學(xué)生進(jìn)一步了解物理研究的基本思想，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維和分析解決實(shí)際問(wèn)題的能力。但是在學(xué)習(xí)的過(guò)程中，學(xué)生往往很難將“大學(xué)物理”中的知識(shí)點(diǎn)去解決現(xiàn)實(shí)生活中的實(shí)際問(wèn)題。例如，《大學(xué)物理》課程中的“狹義相對(duì)論”部分的內(nèi)容，物理場(chǎng)景設(shè)置理想化，理論性強(qiáng)，公式較為復(fù)雜，學(xué)生通常感到不知所云，難以理解，從而漸漸失去了學(xué)習(xí)的興趣，降低了學(xué)習(xí)的積極性。如果在教學(xué)過(guò)程中，我們適當(dāng)?shù)倪x取一些學(xué)生感興趣的文學(xué)影視作品，將他們?nèi)谌胝n堂教學(xué)中，使用我們的物理知識(shí)對(duì)這些作品進(jìn)行分析討論，這樣不僅能夠有效地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，還能夠引導(dǎo)學(xué)生分辨客觀存在的世界和創(chuàng)作者的幻想世界。

下面，我們將針對(duì)“狹義相對(duì)論”這一節(jié)的內(nèi)容，引入相應(yīng)的文學(xué)影視作品，加深學(xué)生對(duì)“相對(duì)論”部分的理解。我們的具體的實(shí)踐方法包括3 個(gè)部分：（1）前期文學(xué)作品的深入挖掘和形式展現(xiàn)；（2）“狹義相對(duì)論”部分知識(shí)點(diǎn)的講解；（3）影視文學(xué)作品中相關(guān)內(nèi)容合理性分析。

1 文學(xué)影視作品的引入

針對(duì)“狹義相對(duì)論”這一小節(jié)的內(nèi)容，上課前期我們深入了解相關(guān)的文學(xué)影視作品，結(jié)合學(xué)生關(guān)注度和當(dāng)下流行趨勢(shì)，尋找埋藏在這些作品背后的相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容。該文我們選取了電影《星際穿越》和科幻小說(shuō)《三體》 中的一些現(xiàn)象與場(chǎng)景作為教學(xué)案例，聯(lián)系大學(xué)物理中的相對(duì)論部分的內(nèi)容進(jìn)行分析。

1.1 《星際穿越》情景概述

《星際迷航》《星際穿越》之類的太空旅行題材的電影，將故事的背景放在實(shí)際生活中大多數(shù)人并不能接觸到的廣袤的宇宙中，表現(xiàn)了大自然和宇宙的神奇。電影中蘊(yùn)含大量的物理現(xiàn)象，涉及牛頓運(yùn)動(dòng)定律、萬(wàn)有引力、相對(duì)論等等眾多的物理知識(shí)，影片中的一切來(lái)源于科學(xué)以及合理的推論，激發(fā)了觀眾對(duì)于相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的分析和討論。

影片中最為溫情的部分應(yīng)該是男主角庫(kù)珀與女兒墨菲之間的牽絆[2]。在影片中，庫(kù)珀出發(fā)去尋找適合人類居住的星球之前，他和女兒兩人對(duì)好手表，并約定好等庫(kù)珀回來(lái)后再看兩人的手表相差多少，此時(shí)墨菲是一個(gè)十歲的兒童。但是庫(kù)珀離開后再回到地球，墨菲此時(shí)已是一個(gè)躺在病床上的百歲老人，而男主角庫(kù)珀仍然是墨菲十歲時(shí)候的模樣。另外，當(dāng)男主角庫(kù)珀和女主角布蘭德駕駛飛船穿越蟲洞去尋找星球米勒時(shí)，他們被告知米勒星球距離黑洞非常近，在米勒星球上的一小時(shí)相當(dāng)于地球上的七年的時(shí)間。

1.2 《三體》概述

過(guò)去幾年來(lái)在中國(guó)甚至全世界大熱的長(zhǎng)篇華語(yǔ)科幻小說(shuō)《三體》，描述了一幅地球人類文明和三體文明在宇宙中的興衰歷程的宏偉的圖景，里面的內(nèi)容涉及了很多物理學(xué)特別是天文物理學(xué)的前沿問(wèn)題，包括相對(duì)論、量子力學(xué)、弦理論、多維空間和黑洞等，使得更多的人對(duì)物理學(xué)以及背后的物理學(xué)原理產(chǎn)生興趣。

在《三體3：死神永生》中，銀河紀(jì)元409年，程心與AA 乘坐以光速分行的曲率驅(qū)動(dòng)飛船，以52 小時(shí)便到達(dá)了距離他們286 光年的DX3906 恒星系。隨后，程心和關(guān)一帆乘坐的亨特號(hào)以光速?gòu)牡凸馑俚暮诙刺与x飛回藍(lán)星用了16 天的時(shí)間，但是當(dāng)他們?cè)俅位氐竭@個(gè)星球的時(shí)候看到的卻是完全陌生的景象，沒有云天明和AA 的蹤跡。原來(lái)在他們返航的這十幾天中，藍(lán)星上已經(jīng)過(guò)去了1 890 多萬(wàn)年的時(shí)間。

看到作品中時(shí)間和空間不再是彼此完全獨(dú)立的，作品中的人物在時(shí)空中隨意的旅行，學(xué)生們常常會(huì)存在這樣的疑問(wèn)，電影小說(shuō)中的情節(jié)是否真的能夠?qū)崿F(xiàn)？我們能否穿越到過(guò)去？穿越到將來(lái)？在我們的課程設(shè)計(jì)上，講解《相對(duì)論》部分的內(nèi)容的時(shí)候可以播放一段剪輯后的關(guān)于《星際穿越》和《三體》的微視頻，引導(dǎo)學(xué)生去思考這些情節(jié)的合理性。

2 狹義相對(duì)論中的時(shí)空觀——關(guān)于時(shí)空間旅行的解釋

在經(jīng)典力學(xué)中，牛頓和伽利略時(shí)代，物理學(xué)中存在這樣的認(rèn)知，時(shí)間和空間的描述具有絕對(duì)的意義，他們不受參考物質(zhì)以及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響。而在1905年，愛因斯坦提出了《狹義相對(duì)論》，表示時(shí)間和空間是可以相互轉(zhuǎn)換的，不是絕對(duì)的，并得到了牛頓經(jīng)典物理學(xué)所沒有的重要結(jié)論，例如，長(zhǎng)度的收縮，時(shí)間的延緩等?！丢M義相對(duì)論》的提出不僅是一次對(duì)牛頓經(jīng)典時(shí)空觀的重大的變革，更是對(duì)我們理解時(shí)間和空間的一種挑戰(zhàn)。但是《狹義相對(duì)論》所帶來(lái)的新結(jié)論已逐不被近代物理實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，例如時(shí)間的延緩效應(yīng)為我們下面討論的“時(shí)空旅行”的實(shí)現(xiàn)提供了理論依據(jù)。

《狹義相對(duì)論》理論有兩條基本原理：相對(duì)性原理和光速不變?cè)怼Ｏ鄬?duì)性原理要求一切物理定律在所有慣性系中都具有相同的表達(dá)形式。光速不變?cè)韯t表示光速在真空中是一個(gè)常量，與光源或者觀測(cè)者的運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)，不依賴于慣性系的選擇[3]。在愛因斯坦提出相對(duì)論之前，邁克爾遜等人嘗試用實(shí)驗(yàn)去證明光速是可變的，但都遭遇了失敗。

基于以上兩點(diǎn)思想，大學(xué)物理教材里常常用這樣的一個(gè)簡(jiǎn)單的思想實(shí)驗(yàn)來(lái)證明時(shí)間不是絕對(duì)的。如圖1 地面所在的坐標(biāo)系為s 坐標(biāo)系，火車所在的坐標(biāo)系位s’坐標(biāo)系，火車高度為d，相對(duì)地面以速度v 沿著x 軸正方向高速行駛。在火車內(nèi)的B 點(diǎn)處發(fā)射光信號(hào)，光信號(hào)經(jīng)過(guò)B 點(diǎn)正上方的平面鏡反射回到B 點(diǎn)處。那么這樣的一個(gè)事件，在s’坐標(biāo)系中（圖1a），發(fā)生兩個(gè)事件，發(fā)射光信號(hào)的坐標(biāo)為x’,時(shí)間為t1’;接收光信號(hào)的坐標(biāo)為x’,時(shí)間為t2’，那么從發(fā)射光信號(hào)到接收光信號(hào)的時(shí)間間隔為Δt’=t2’-t1’=2d/c。在s 坐標(biāo)系中（見圖1），因?yàn)榛疖嚨囊苿?dòng)，觀測(cè)到實(shí)際發(fā)射光信號(hào)的坐標(biāo)為x1, 時(shí)間為t1, 而接收到光信號(hào)的坐標(biāo)為x2,t2。Δt=t2-t1 為在s 坐標(biāo)系中觀測(cè)到的這兩個(gè)事件發(fā)生的間隔。Δx = v Δt 為這個(gè)事件間隔內(nèi)過(guò)車坐過(guò)的路程，而這個(gè)Δt 時(shí)間間隔內(nèi)光子走過(guò)的實(shí)際路程為通過(guò)以上的公式，我們可以得到這里我們可以看到在s 坐標(biāo)系中觀測(cè)到的時(shí)間間隔Δt 是大于s’ 坐標(biāo)系中觀測(cè)到的時(shí)間間隔Δt’，這就是著名的愛因斯坦時(shí)間延緩效應(yīng)，也就是說(shuō)運(yùn)動(dòng)著的鐘比靜止時(shí)走的更慢了。

圖1 時(shí)間延緩的思想實(shí)驗(yàn)

3 影視文學(xué)作品中相關(guān)內(nèi)容合理性分析

根據(jù)狹義相對(duì)論中的時(shí)間延緩效應(yīng)，我們發(fā)現(xiàn)如果火車的運(yùn)動(dòng)速度v 越大，靜止的處于s 坐標(biāo)系中的觀測(cè)者比跟隨鐘一起運(yùn)動(dòng)的處于s’ 坐標(biāo)系中的觀測(cè)者測(cè)的時(shí)間間隔越大。我們?nèi)绻选缎请H穿越》《三體》 中的飛船轉(zhuǎn)換成上述思想實(shí)驗(yàn)中的高速運(yùn)動(dòng)的火車，想要穿越到未來(lái)在理論上是可行的。在《星際穿越》中，男主角庫(kù)珀離開地球再次回來(lái)年齡間隔為1年左右，而處于地球上的墨菲卻度過(guò)了80年左右的歲月。如果庫(kù)珀想用1年的飛行時(shí)間到達(dá)80年后的地球，根據(jù)時(shí)間延緩效應(yīng)公式Δt=那么庫(kù)珀乘坐的飛船需要以為0.999 92倍的光速駛離地球飛行半年，再以相同的速度駛回地球飛行半年。類似地，程心和關(guān)一帆乘坐的亨特號(hào)返回藍(lán)星用了16 天，藍(lán)星上已經(jīng)過(guò)去了1 890 多萬(wàn)年的時(shí)間，我們可以得到亨特號(hào)的飛行速度已經(jīng)非常接近于光速了（0.999 999 999 7c）。

愛因斯坦的用光速不變的基本原理推導(dǎo)出了時(shí)間和空間是可以相互轉(zhuǎn)變的新的時(shí)空觀，徹底顛覆了我們對(duì)時(shí)間的認(rèn)知。在愛因斯坦的狹義相對(duì)論的時(shí)空框架內(nèi)，時(shí)空旅行可以到達(dá)未來(lái)，但是這與想要在時(shí)空中自由穿梭還有很大的差別。我們知道，宇宙空間非常非常大，而且還在不斷地向外膨脹，宇宙內(nèi)部構(gòu)成復(fù)雜，包含恒星、星系、黑洞、白洞和蟲洞等等。新聞報(bào)道中說(shuō)，1977年發(fā)射的“旅行者一號(hào)”經(jīng)歷了40 多年的飛行仍然未真正離開太陽(yáng)系（在恒星際介質(zhì)中），而我們的太陽(yáng)系只是宇宙中很渺小的星系，如何提高飛船的飛行速度讓其接近光速旅行是我們需要解決的問(wèn)題。目前在狹義相對(duì)論的框架內(nèi)，飛船的不能等于或者超過(guò)光速，速度理論上只能無(wú)限接近于光速。然而在《星際穿越》《三體》等科幻類作品中，創(chuàng)作者多次提出離開黑洞需要飛船超光速飛行，這個(gè)看似與狹義相對(duì)論相違背。但是如果引入愛因斯坦的彎曲時(shí)空理論——廣義相對(duì)論，那么利用曲率飛船進(jìn)行超光速旅行也變得可行。廣義相對(duì)論的提出為天體物理和宇宙學(xué)提供了理論基礎(chǔ)，類星體、脈沖星、黑洞和引力波等等的發(fā)現(xiàn)和探測(cè)也有力地證明了廣義相對(duì)論的正確性。但是正如勞厄在1960年的《物理學(xué)史》的附錄中寫到的“廣義相對(duì)論對(duì)我同許多其他人一樣，比狹義相對(duì)論要傷腦筋得多；實(shí)際上我在1950年前后才真正掌握了廣義相對(duì)論?！盵3]一般工科院校的大學(xué)物理教材只討論狹義相對(duì)論[4]，幫助學(xué)生建立狹義相對(duì)論的時(shí)空觀，廣義相對(duì)論的學(xué)習(xí)需要學(xué)生具有更多的精力與知識(shí)儲(chǔ)備。對(duì)于文學(xué)影視作品中的其余相對(duì)論的問(wèn)題學(xué)生可以參考擔(dān)任電影《星際穿越》首席科學(xué)顧問(wèn)的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主Kip Thorne 在其所著的《The Science Of Interstellar》[5]和我國(guó)理論物理學(xué)家李淼所著的《〈三體〉中的物理學(xué)習(xí)》[6]，書中詳細(xì)地描述了影視文學(xué)作品背后的一些科學(xué)問(wèn)題，如黑洞、引力波和多維空間等。

4 結(jié)語(yǔ)

該文中選取了電影《星際穿越》和科幻小說(shuō)《三體》中的一些場(chǎng)景，結(jié)合大學(xué)物理中的狹義相對(duì)論的時(shí)空觀，討論分析這些影視文學(xué)作品場(chǎng)景設(shè)定的合理性以及背后的物理學(xué)原理。如今科幻題材類的影視文學(xué)作品受到廣泛的關(guān)注，特別是青少年學(xué)生。而此類科幻題材類作品不等同于科普，如果將這些科幻題材作品引入傳統(tǒng)的理論性強(qiáng)的大學(xué)物理課堂，聯(lián)系相關(guān)的大學(xué)物理知識(shí)對(duì)相關(guān)原理進(jìn)行分析，不僅能夠引導(dǎo)學(xué)生分辨出其中夸張幻想情節(jié)，更能夠吸引學(xué)生的注意力，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解。