穿越在物理教学中的应用

樊菊

新课改后的高中物理教材增加了有关现代物理学的内容，而其中有关狭义相对论的内容对学生而言较为深奥，而且教材中所举得例子带有一定的科幻色彩，会让学生想到是否可以开展时空旅行，对应于现在流行的影视剧中的“穿越”，很能激发学生的学习兴趣.

穿越类的电视剧很早就有，90年代梁朝伟饰演的韦小宝从清朝穿越到现代只为皇帝寻找皇后;2011年杨幂主演的《宫锁心玉》在全国各大电台热播，这部剧被网友评论为最近几年此类剧情中最火的一部，女主角也从二三线的小演员一跃成为国内的一线演员，这部剧的故事情节是这样展开的：古玩店继承人洛晴川在定亲典礼上为了追一副被风吹走的清代丽人图而跑至一神秘树林中，丽人图到手时一刹那脚下一空，跌入时空隧道穿越到清朝，靓丽的演员精彩的剧情深受广大观众尤其是青少年的喜欢，有的孩子喜欢的太过疯狂也幻想能够穿越，甚至模仿电视剧中的情境，跳到未知的深洞里，造成对身体的伤害，所以让学生明白其中的物理学原理非常有必要，知道穿越在现实中是不可能发生的，可以防止此类的悲剧再次发生.同时也不应该遏制孩子的想象力，要给他们一个可以理解的答案.对于即将成年的高中生，不妨把这部分素材引入课堂，让他们能够在轻松愉快的情境中学到物理知识，提升科学素养.

穿越是穿越时间和空间的简称.通常指某人因为某原因，经过某过程（也可以是无原因的偶然情况下），从所在的时空穿越到另一时空.穿越有时也称时空旅行，对于时空和维度比较常见的理解是：零维是一个点;一维是一条直线;二维是一个平面;三维是指一个立体空间;四维是指在三维的基础上加时间这个属性，一般认为我们生存在四维的时空中，当然增加不同的维度还可以扩展到N维.狭义相对论是建立在四维时空观上的一个理论，因此要弄清相对论的内容，要先对相对论的时空观有个大体了解.数学上有各种多维空间，但目前为止，我们认识的物理世界只是四维，即三维空间加一维时间.四维时空是构成真实世界的最低维度，我们的世界恰好是四维.一把尺子在三维空间里（不含时间）转动，其长度不变，但旋转它时，它的各坐标值均发生了变化，且坐标之间是有联系的.四维时空的意义就是时间是第四维坐标，它与空间坐标是有联系的，也就是说时空是统一的，不可分割的整体，它们是一种“此消彼长”的关系. 四维时空不仅限于此，由质能关系知，质量和能量实际是一回事，质量（或能量）并不是独立的，而是与运动状态相关的，比如速度越大，质量越大.在四维时空里，质量（或能量）实际是四维动量的第四维分量，动量是描述物质运动的量，因此质量与运动状态有关就是理所当然的.四维时空里，动量和能量实现了统一，称为能量动量四矢.而时空旅行，就必须从现有的四维空间中跳出来，到达其他维，或者空间不改变，通过某种方式到达某个时间段里，例如可以到达过去的某个时间段里，但是回到过去是不能改变历史的，因为如果历史不存在了，你现在所处的时空也就不存在了.

人们总是在感慨，世界上要是有后悔药就好了，我们常常因为自己的无知，大意，做过错事、伤害过别人，要是能够回到过去及时纠正自己的错误那实在是太好了，机器猫就有个时光机，能够穿梭过去和未来，但是那只存在于动画片中，在理论上“时间倒流”有两种方式：一是超光速.二是“虫洞”（Wormholes）.按照爱因斯坦的能量质量关系式E=mc2 ，穿越时间隧道从现在回到过去是可能的.1905年，爱因斯坦在“狭义相对论”中这样解释一个“奇异世界”：我们所处的宇宙可以看成一个四维时空，随着物体运动速度增快，时间流程将会变慢，空间线度将会缩短.1915年，爱因斯坦进一步提出他的引力理论（广义相对论）.同样在这个“奇异世界”中，在大质量物体（即强大的引力场）作用之下，时空结构会发生弯曲，时间流程也会变慢.一维时间可以像三维空间一样发生弯曲.前面所提物体的速度要到达光速，而现实中的物体不可能达到光速，就算是微观粒子，使用加速电场对其加速，随着速度的增加，由于具有相对论效应，粒子质量也会变大，速度很难再增加.目前不论是自然存在的还是人为加速的还没有任何实物粒子的速度可以达到光速或超过光速.在广义相对论发表后不久，1935年爱因斯坦在理论上发现了“虫洞”：由两个相连的“黑洞”所构成的时空结构中的“豁口”，这是一条贯穿空间和时间的隧道.也就是说，只要能够建造一个稳定的虫洞，就可以跨越时间和空间，但是经过理论计算，“虫洞”仅允许光线通过，而且根据量子理论，这个“虫洞”在强力的作用下，将于瞬间关闭.

介于我们的速度不能到达光速，就算能够达到光速，质量增大人早就不知道变成什么形状了，同时要保证生命存活所必要的外部条件，还有我们也无法提供增加速度所需要的巨大的能量，所以目前为止我们是不能穿越回过去也不能穿梭到未来的，但是美好的想象还是要保留的，就像古代中国神话中的千里眼、顺风耳，在当今世界得力于电磁学的发展早已实现，随着科学技术的发展未来到底会是什么样呢？谁知道啊！

在狭义相对论的教学中，教师应该有所注意，狭义相对论建立以前的整个物理学体系都是建立在绝对时空观念的基础之上，狭义相对论的建立，带来了一系列经典概念的变革，建立了崭新的时空观.相对论认为，有物质才有时间和空间，时间和空间与物体的运动状态有关.这和学生的前意识有着很大的不同，以前我们学习的时候认为时间与空间是理所当然存在的，不依赖于其他任何因素，而相对论颠覆了他们原来的思想，学生刚开始学习时往往觉得很难接受，特别抽象.爱因斯坦的相对论以博大精深、深奥难懂著称，根据课程标准的要求，这部分课程的教学，只要求学生理解爱因斯坦建立相对论的科学探究思想和逻辑推理方法，以及通过实验和观测结果，事实与理论很好地符合就够了，注重的是了解爱因斯坦建立相对论的过程，培养学生的学习兴趣，激发他们热爱科学的情感，至于相对论的推理，在中学阶段，由于学生的认知水平和数学能力有限，所以就不需要介绍太多.总之，这部分教学的成功在于思想和方法的引导，而不是深奥知识的灌输，通过轻松愉快的电视情节，可以引导学生进入课堂，充分利用青少年喜欢明星的心理，帮助他们了解穿越这个科幻概念的真相，同时鼓励学生的想象，正像温总理对青年的寄托“仰望天空更要脚踏实地.”