巧用《西游記》活化相對論的教學

蔣金厚

現行的普通高中課程標準實驗教科書《物理》(必修2)和《物理》(選修3-4),都在教材的最后一章安排了有關相對論的教學內容.可是教師們在實際教學中,對這些內容把握不到位,使用的課時也不夠,大多數教師對這部分內容只作泛泛而談.由于教師的不夠重視,學生當然也不會去重視,學過之后也許就忘了.其實愛因斯坦相對論時空觀是時空發展史上一次重大變革,它把原來認為毫無聯系的時間、空間和物質的運動密切聯系起來,揭示了它們之間的依賴關系,現代科學愈來愈顯其重要性以及它在物理學上的重要地位.這是教材安排得比較重要的一章內容,是物理學知識系統化的要求.雖然目前高考還不太注重考查有關相對論的內容,但是在素質教育下,對知識的需求不是考試不考試的問題,而是如何學好的問題.

愛因斯坦的相對論本來就非常抽象難懂,高中學生在反復接受經典物理理論熏陶和強化訓練下,立刻轉入相對論的學習,確實存在較大的困難,特別是高一學生物理基礎薄弱且物理思維還暫時跟不上高中物理的教學思路.所以我在教學相對論內容時,借用了家喻戶曉、耳熟能詳的《西游記》神化故事,作課堂教學的補充與注釋,以活化教學環節,提高教學效果.筆者認為《西游記》蘊藏著豐富的相對論時空觀思想.

愛因斯坦的狹義相對論是建立在兩個基本假設的基礎上:第一個是在不同的慣性參考系中,一切物理規律都是相同的,即愛因斯坦相對性原理;第二個是真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的,與光源的運動和觀察者的運動無關,亦稱為“光速不變原理”.這兩個假設學生容易接受.本文說《西游記》蘊藏著相對論思想,也需要一個假設:小說中的玉帝神仙們居住的天宮是地球外的一個天體,它像其它天體一樣在高速運轉,這樣,傳說中的天宮是虛無飄渺的幻境就符合相對論時空觀了.相對論時空觀認為有物質才有時間和空間,時間和空間與物質的運動狀態有關,因而時間與空間并不是相互獨立的.所以,人們以經典的時空觀去理解相對論時空觀,當然就會認為天宮是虛幻的了.

有了天宮是一個天體的假設后,我們就可以談論小說中相對論的幾個性質.

一、“同時”的相對性:小說中描述孫悟空大鬧天宮,玉帝和神仙們無可奈何之下,請來了如來佛祖,如來與悟空打了個賭,任憑孫行者筋斗云如何了得,都跳不出如來的手掌心.孫行者騰云駕霧是相對地面的,而如來的手掌是跟著悟空運動的,對地面上的人來說,悟空到了天的盡頭,但是對如來佛來說,悟空還是在他的掌心上.悟空翻跟斗這一事件,對運動的手掌上的觀察者和靜止的大地上的觀察者來說,具有“同時“的相對性.

二、“鐘慢效應”:孫悟空每每上天搬救兵救師傅時,菩薩、神仙會說:“天宮一日,人間一年,快快救你師傅去吧.”天宮在高速運轉,根據相對論的“鐘慢效應”,不難理解,以地面上的凡人壽命來計算,菩薩、神仙們確實能夠長生不老.

三、相對論質量:高速運動的物體質量會隨速度的增大而增大.小說中沒有任何一個情節描述孫悟空兄弟馱著師傅騰云駕霧,這既是佛教徒對真經的虔誠與頂禮膜拜使然,也是相對論質量的科學依據.孫悟空騰云駕霧時是高速,馱上師傅后相對質量就更大了,負重就大得不得了了,如何騰云駕霧?

四、“尺縮效應”:孫悟空和神仙們騰云駕霧,“朝游北海暮蒼梧”,速度極快,用相對論的“尺縮效應”解釋,固然天地就小了,正如現代通訊發達后,人們常說地球成為地球村一樣,世界小了.

本文沒有倡導大家用文學課去代替物理課的意思,而是說明學習物理可以借助文學作品去理解抽象深奧的物理理論與知識,以提高物理課堂教學效果.當然《西游記》畢竟是文學作品,允許夸張與虛構,但是任何文學作品都有其現實基礎,可以這樣認為,吳承恩(約1499年～1582年)所處的那個世紀,相對論思想在中國至少有所萌芽,從這個角度來說,中國人對相對論的啟蒙認識至少要比西方人(愛因斯坦于1905年提出相對論)早三百年.

責任編輯羅峰