耿 滔

（上海理工大學(xué)理學(xué)院，上海 200093）

相對(duì)論教學(xué)中的世界觀教育

耿 滔

（上海理工大學(xué)理學(xué)院，上海 200093）

本文探討了如何在狹義相對(duì)論的教學(xué)中注意世界觀的教育，幫助學(xué)生建立正確的世界觀和方法論，引導(dǎo)學(xué)生思考和探索世界的本質(zhì)。

相對(duì)論；世界觀；物理教育

在當(dāng)今的大學(xué)物理教學(xué)實(shí)踐中，很多教師往往比較注重物理知識(shí)、解題技巧和方法的傳授，而忽略了大學(xué)物理課程的一個(gè)另一個(gè)重要目的，即幫助學(xué)生樹立正確的世界觀和方法論。大學(xué)生應(yīng)該對(duì)我們所處的世界有一個(gè)正確的基本的認(rèn)識(shí)，這是一個(gè)接受過高等教育的青年人必須具備的基本科學(xué)素養(yǎng)，也是我們大學(xué)物理教師所肩負(fù)的責(zé)任和義務(wù)。隨著物理學(xué)的發(fā)展，人們對(duì)世界的認(rèn)識(shí)在不斷地深入，特別是愛因斯坦的相對(duì)論的出現(xiàn)，使人們對(duì)世界的看法產(chǎn)生了翻天覆地的變化。筆者在此就這一問題作一初步的探討,以起拋磚引玉之作用。

在相對(duì)論出現(xiàn)之前，牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀一直處于統(tǒng)治地位。牛頓認(rèn)為絕對(duì)的空間，按其性質(zhì)永遠(yuǎn)是均勻的和不動(dòng)的，與任何外界情況無關(guān)；而時(shí)間像一條川流不息的河流，有事件發(fā)生也好，無事件發(fā)生也好，這條河流總是不斷地、均勻地、不變地流逝著[1]。牛頓將空間設(shè)想為物體作機(jī)械運(yùn)動(dòng)的容器和場(chǎng)所，人們的生活經(jīng)驗(yàn)是，容器的大小和形狀是不會(huì)受在其中運(yùn)動(dòng)的物體影響而產(chǎn)生變化的。如果將此容器向各個(gè)方向無限地延伸，就能得到一個(gè)獨(dú)立于物質(zhì)之外而不受物質(zhì)運(yùn)動(dòng)影響的絕對(duì)空間。同樣，從生活經(jīng)驗(yàn)上來說，時(shí)間也具有獨(dú)立于物質(zhì)之外而不受物質(zhì)運(yùn)動(dòng)影響的絕對(duì)性，畢竟我們?cè)谏钪姓l(shuí)也沒有觀察到時(shí)間會(huì)隨著我們的運(yùn)動(dòng)而改變。

因此，牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀似乎是很自然的，但仔細(xì)地進(jìn)行邏輯推銷和哲學(xué)思考后，就會(huì)引起不安和懷疑。首先，這種絕對(duì)空間、絕對(duì)時(shí)間的概念是與伽利略的相對(duì)性原理不相容的。因?yàn)?，按照相?duì)性原理是不承認(rèn)絕對(duì)靜止的，因此也就不存在某種絕對(duì)靜止的參考系。另外，假設(shè)真的存在相對(duì)于絕對(duì)空間的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)，那么，這種運(yùn)動(dòng)如何被感知呢？牛頓在他的著作中是這樣解答的[1]。他認(rèn)為我們所見的物體運(yùn)動(dòng)都是用相對(duì)空間和相對(duì)時(shí)間來量度的，它們?cè)诮^對(duì)時(shí)空的背景下運(yùn)行，但彼此之間符合相對(duì)性原理，并提出了著名的水桶實(shí)驗(yàn)來判斷相對(duì)于絕對(duì)空間的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)的構(gòu)思如下：如果用長(zhǎng)繩吊一水桶，讓它旋轉(zhuǎn)至繩扭緊，然后將水注入，水與桶都暫處于靜止之中。再以另一力突然使桶沿反方向旋轉(zhuǎn)，當(dāng)繩子完全放松時(shí)，桶的運(yùn)動(dòng)還會(huì)維持一段時(shí)間；水的表面起初是平的，和桶開始旋轉(zhuǎn)時(shí)一樣。但是后來，當(dāng)桶逐漸把運(yùn)動(dòng)傳遞給水，使水也開始旋轉(zhuǎn)。于是可以看到水漸漸地脫離其中心而沿桶壁上升形成凹狀。運(yùn)動(dòng)越快，水升得越高。直到最后，水與桶的轉(zhuǎn)速一致，水面即呈相對(duì)靜止。水的升高顯示它脫離轉(zhuǎn)軸的傾向，也顯示了水的真正的、絕對(duì)的圓周運(yùn)動(dòng)。這個(gè)運(yùn)動(dòng)是可知的，并可從這一傾向測(cè)出，跟相對(duì)運(yùn)動(dòng)正好相反。在開始時(shí)，桶中水的相對(duì)運(yùn)動(dòng)最大，但并無離開轉(zhuǎn)軸的傾向；水既不偏向邊緣，也不升高，而是保持平面，所以它的圓周運(yùn)動(dòng)尚未真正開始。但是后來，相對(duì)運(yùn)動(dòng)減小時(shí)，水卻趨于邊緣，證明它有一種傾向要離開轉(zhuǎn)軸。這一傾向表明水的真正的圓周運(yùn)動(dòng)在不斷增大，直到它達(dá)到最大值，這時(shí)水就在桶中作相對(duì)靜止。因此，即使在水與桶沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的情況下，也可以判斷出水桶體系究竟有沒有相對(duì)于絕對(duì)空間的轉(zhuǎn)動(dòng)。這個(gè)判據(jù)是：如果水平平坦，則無絕對(duì)運(yùn)動(dòng)；反之，則有絕對(duì)運(yùn)動(dòng)。牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀雖然與實(shí)驗(yàn)事實(shí)沒有發(fā)生矛盾，但仍有很多科學(xué)家和哲學(xué)家提出了質(zhì)疑和批判，其中以馬赫最為著名[2]。愛因斯坦后來也多次談到，馬赫對(duì)絕對(duì)時(shí)空觀的批判給了他非常大的啟發(fā)。

隨著科技的發(fā)展，在十九世紀(jì)末、二十世紀(jì)初，很多研究者投入到了尋找“以太風(fēng)”的實(shí)驗(yàn)中。所謂“以太”是一種沒有質(zhì)量，絕對(duì)靜止的介質(zhì)，它充滿整個(gè)宇宙，電磁波在其中傳播。所以從空間性質(zhì)來說，一切物理都在“以太”中運(yùn)動(dòng)，而“以太”自己卻保持不動(dòng)。這樣，“以太”就具有了絕對(duì)空間的性質(zhì)。而尋找“以太風(fēng)”就是指測(cè)量地球相對(duì)于“以太”的運(yùn)動(dòng)速度，如果發(fā)現(xiàn)“以太風(fēng)”，那就完成了相對(duì)于絕對(duì)空間的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)的觀測(cè)，是對(duì)牛頓絕對(duì)時(shí)空觀的有力支持。當(dāng)然，尋找“以太風(fēng)”的實(shí)驗(yàn)都以失敗而告終，其中最著名的是邁克爾遜－莫雷實(shí)驗(yàn)。為了解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果，研究者提出了各種不同理論，特別是洛侖茲的工作，已經(jīng)非常接近相對(duì)論的建立，但可惜的是他們都沒有擺脫舊時(shí)空觀的束縛，而恰恰愛因斯坦做到了這一點(diǎn)。因此，在講解狹義相對(duì)論的時(shí)候，我們不能只滿足于學(xué)生能使用洛侖茲變換去解幾個(gè)題目，而應(yīng)該將更多的精力放在講解洛侖茲變換中所蘊(yùn)含的相對(duì)時(shí)空觀。在此筆者會(huì)向?qū)W生特別強(qiáng)調(diào)，為什么坐標(biāo)變換是由洛侖茲先提出的，而世界公認(rèn)相對(duì)論卻是由愛因斯坦創(chuàng)立的。因?yàn)槁鍋銎潧]能揭示這套變換背后隱藏的物理意義，而這一工作是由愛因斯坦來完成的，他賦予了這套變換一個(gè)全新的物理解釋，向人們揭示了這套變換所蘊(yùn)含的相對(duì)時(shí)空觀。這說明數(shù)學(xué)模型固然很重要，但數(shù)學(xué)模型所蘊(yùn)含的物理思想更加重要，我們不能僅滿足于教會(huì)學(xué)生能應(yīng)用數(shù)學(xué)模型去解題，而應(yīng)該教導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)思考，能更本質(zhì)地去看待物理問題。

愛因斯坦的狹義相對(duì)論建立在兩個(gè)基本假設(shè)上：(1) 相對(duì)性原理，即物理學(xué)定律在所有慣性系中是相同的，不存在一個(gè)絕對(duì)慣性系；(2) 光速不變?cè)?，即在任意慣性系中觀察，光在真空中的傳播速度都是一個(gè)常量，不隨光源和觀察者所在參考系的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而改變。在此基礎(chǔ)上，分別得出了“同時(shí)的相對(duì)性”，“運(yùn)動(dòng)時(shí)鐘變緩”和“尺縮效應(yīng)”等相對(duì)論的時(shí)空觀。將時(shí)間和空間聯(lián)系在一起，物體在空間的運(yùn)動(dòng)會(huì)影響到時(shí)間的流逝，這是一個(gè)極其離經(jīng)叛道的理論，所以狹義相對(duì)論自誕生以來就受受到了各方的質(zhì)疑和責(zé)難，有科學(xué)上的，也有哲學(xué)上的。例如在1911年，美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)主席，物理學(xué)家馬吉在會(huì)議講演中仍激動(dòng)地宣稱：“我相信現(xiàn)在沒有一個(gè)活人真的會(huì)斷言，他能夠想象出時(shí)間是速度的函數(shù)；也沒有一個(gè)人下這樣的賭注：他確信自己的‘現(xiàn)在’是另一個(gè)人的‘將來’，或者還是其他人的‘過去’?！比欢锢硎且婚T建立在實(shí)驗(yàn)科學(xué)上的學(xué)科，歷史再一次證明了“實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)”。隨后的“高速運(yùn)動(dòng)的介子的壽命延長(zhǎng)”[3]、“引力紅移”[4，5]等實(shí)驗(yàn)證明了相對(duì)論的正確性，最終確立了相對(duì)時(shí)空觀。

眾所周知，關(guān)于相對(duì)論至今仍存在許多爭(zhēng)論。我們?cè)谡n堂上不應(yīng)回避這些爭(zhēng)論，而應(yīng)該將它們?cè)趯W(xué)生面前公開出來，因?yàn)榇嬖跔?zhēng)論正是近代物理的魅力所在，我們還有許多未知等待著我們?nèi)ヌ剿?。?dāng)然，我們物理教師無需過多糾纏于諸如相對(duì)性原理是在宣揚(yáng)相對(duì)主義嗎？光速不變?cè)硎切味蠈W(xué)的命題嗎？等學(xué)術(shù)性的哲學(xué)命題[6]，這是哲學(xué)教師應(yīng)該關(guān)注的問題。我們應(yīng)將重點(diǎn)放在科學(xué)性問題上，例如真空中的光速真的不可超越嗎？我們真的能穿越時(shí)空嗎？“鐘慢”、“尺縮”等相對(duì)論效應(yīng)是一種“測(cè)量效應(yīng)”，還是反映了物質(zhì)屬性的實(shí)在變化？這些問題的提出不僅能活躍課堂氣氛，刺激學(xué)生的探索欲望，更重要的是可以讓學(xué)生去思考“我們所處的世界到底是什么樣子的”這一古老而新鮮的命題，幫助學(xué)生建立科學(xué)的世界觀。

總之，作為一個(gè)大學(xué)物理教師，不僅要熟練掌握課堂教學(xué)的相關(guān)內(nèi)容，還應(yīng)該對(duì)物理學(xué)的發(fā)展歷史和國(guó)內(nèi)、外的最新研究成果都有一個(gè)較全面的了解，同時(shí)能從對(duì)知識(shí)方法起統(tǒng)攝作用的哲學(xué)高度來思考和改進(jìn)我們的物理教學(xué)。這樣往往會(huì)產(chǎn)生一覽眾山小的感覺，使物理教學(xué)提升到一個(gè)更高的層次和境界，同時(shí)對(duì)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)也起到不可忽視的作用。

[1] 牛頓. 自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理 [M]. 商務(wù)印書館，1957

[2] 李醒民. 物理學(xué)革命行將到來的先聲——馬赫在《力學(xué)及其發(fā)展的批判歷史概論》中對(duì)經(jīng)典力學(xué)的批判 [J]. 自然辯證法通訊，1982，6：15-23

[3] B. Rossi and D. Hall, Variation of the Rate of Decay of Mesotrons with Momentum [J]. Phys. Rev. 1941, 59: 223-228

[4] R. V. pound and G. A. Rebka, Jr, Apparent Weight of Photons [J]. Phys. Rev. Lett. 1960, 4: 337-341

[5] R. V. pound and J. L. Snider, Effect of Gravity on Nuclear Resonance [J]. Phys. Rev. Lett. 1964, 13: 539-540

[6] 中國(guó)社科院哲學(xué)研究所自然辯證法研究室. 現(xiàn)代自然科學(xué)的哲學(xué)問題 [M]. 吉林人民出版社，1984

Developing a world view for Relativity education

Geng Tao

(College of Science, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093)

Relativity education has unique advantages in cultivating student scientific world outlook. The question of how to help students develop a scientific world outlook and methodology has been discussed in this paper.

relativity, world outlook, physics education