LIGO網站資源分析及其在中學物理教學中的應用

(南京師范大學教師教育學院,江蘇 南京 210097)

1 LIGO與2017年諾貝爾物理學獎

引力波是指時空彎曲中的漣漪，通過波的形式從輻射源向外傳播。它很難被探測到,宇宙深處天體并合產生的引力波信號到達地球時其強度已相當微弱,首次探測到的引力波信號應變峰值僅為10-21。另外,引力波擁有絕對的穿透能力,它不和任何物質發生作用,這意味著難以直接觀測引力波信號。除了這些因素以外,微弱的引力波信號被地球上嘈雜的噪音所淹沒,科學家必須在這些噪音中分辨出真正的引力波信號。引力波探測先驅韋伯(J.Weber)的共振棒實驗被認定失敗之后,一時間引力波探測陷入低潮,一些科學家甚至認為人類沒有辦法直接探測到引力波。從1974年到1978年,美國的泰勒(J.Taylor)和休斯(R.Hulse)通過觀測脈沖雙星圍繞質心旋轉周期的減少,間接證實了引力波的存在,因此獲得1993年諾貝爾物理學獎,再次激發了科學家探測引力波的熱情。早在1972年,韋斯(R.Weiss)就提出用激光干涉的原理探測引力波,但是這一想法并沒有得到重視。由于一次偶然的機會,韋斯遇到了索恩(K.Thorne),索恩對這一想法十分感興趣并且召集科學家著手研究,從那之后LIGO項目才慢慢有了眉目,直到巴里什(B.Barish)為LIGO項目申請到巨額科研基金,至此LIGO項目才算正式開始。2015年9月14日,LIGO探測精度升級后不久,就探測到了第一例引力波信號。美國麻省理工學院韋斯、加州理工學院索恩和巴里什,因為在LIGO探測器和引力波觀測方面的貢獻獲得2017年諾貝爾物理學獎。從1916年愛因斯坦提出引力波理論,到2016年LIGO宣布人類首次探測到來自13億光年外兩顆并合黑洞產生的引力波信號,歷時整整100年!引力波的發現將開啟宇宙探索的新窗口,引領人類進入一個全新的時代。

2 LIGO網站概述及其資源特點分析

中學物理教學應當關注時代發展的科技成果,LIGO網站(https://www.ligo.caltech.edu)的創立為大眾了解天文學前沿提供了路徑，對我國中學物理教學有積極的意義。

LIGO網站分為以下7大板塊:(1) 任務板塊：簡述LIGO探測器探測任務及其探測意義。(2) 知識擴展板塊：引力波基礎及其探測器關鍵技術等。(3) 新聞板塊：與引力波探測相關的最新動態。(4) 畫廊板塊：引力波及其探測的圖片、視頻等。(5) 教育資源板塊：與美國國家科學教育標準密切聯系、涉及LIGO探測的課堂教學和家庭活動的建議。(6) 科學家板塊：展示相關研究項目與成果。(7) 學習和工作板塊：提供在LIGO相關設施工作與學習的信息。LIGO網站資源,具有如下特點。

(1) 網站資源具有原創性、前沿性、科學性

LIGO網站的資源來源于LIGO天文觀測臺,對公眾開放的數據、資料都會在網站上呈現出來,而這些可以說是讀者獲得LIGO相關信息的第一手資料,探測和分析引力波攜帶的信息將使人類能夠以前所未有的方式觀察宇宙,它將為宇宙研究打開一扇新的窗口,讓人類更深入地了解這些宇宙中的大事件,并引領物理學、天文學和天體物理學的前沿研究。從LIGO發展中可以看出引力波探測技術發展的艱辛,從LIGO團隊借助奇思妙想攻克技術難關中可以發現科學方法的魅力,從工作人員獲得各項獎項的介紹中不難看出LIGO團隊的自豪與喜悅,這些不僅僅是LIGO本身的發展歷史,更是人類科學探究的縮影。

(2) 呈現方式具有多樣性、直觀性、真實性

LIGO網站的受眾是各個年齡層次、不同行業的人群,其初衷是要向大眾普及科學知識和前沿技術,而科學知識和前沿技術本身是難以不經“加工”直接普及給大眾的。面對這樣的矛盾,LIGO網站選擇將晦澀難懂的科學知識和前沿技術以不同的方式呈現給大眾,有文字、圖片、音頻、視頻等形式,如此豐富的表征形式大大增加了讀者對高新技術的理解程度。為了降低讀懂其內容的門檻,LIGO網站在呈現科學知識或前沿技術時舍棄高深的專業術語而選用通俗易懂的大白話,將其發展歷史和演變過程簡化后呈現給讀者。鑒于引力波的抽象性，LIGO網站制作了引力波的動畫模型,將引力波動態地展現在讀者眼前,此外還將引力波信號的聲音呈現出來,通過這些方式,使得原本看不到、聽不到的引力波既能聽得到又能看得到。另外，LIGO網站上有很多天文觀測平臺真實的工作、設施場景照片,這種真實場景的呈現揭開了前沿科學神秘的面紗,拉近了普通大眾與前沿科學之間的距離。

(3) 網站重視教育資源開發

LIGO網站專門開設了教育資源板塊和科學家板塊,面向全世界的教師、科學家、學生免費開放。網站利用其獨有條件整合引力波探測的高新技術與物理課程，設計出一系列物理課堂活動,對中學教師具有很高的借鑒價值,LIGO網站公開引力波探測的原始數據,并且提供分析數據的教程與軟件。教師與學生可以借助這些資源學習引力波的相關知識,科學家也可以研究這些數據致力于推動科學與技術的進步。

3 LIGO網站資源在中學物理教學中的應用初探

在對LIGO網站各板塊的內容、特點進行分析之后,通過對LIGO網站的再解讀,從而得到一些啟發。

(1) 信息時代應當培養學生獲取信息的能力

現在的網絡十分發達,無論是教師還是學生都可以接觸到豐富的信息資源,但是不可能把所有資源都運用到物理教學中,那么搜集與處理信息能力的發展就顯得尤為重要。學生想要在紛繁復雜的網絡世界中甄選出系統的科學知識常常會面臨很多困難,比如部分網絡資源需要收費，很多資源學生從未接觸過也就不會去搜索，有些外文的網絡資源因為語言障礙學生使用起來難度很大。目前引力波探測為科學熱點,因獲得諾貝爾物理學獎的垂青而具有一定的社會影響力,所以有其獨特的教育意義。可以利用LIGO網站的資源設計符合我國物理教學實際的教學活動,并且安排到教學中去,讓學生切身體驗科學探究的過程,在學習系統科學知識的同時啟發學生關注最新科學動態,開闊學生視野。

在LIGO網站中會有準確可靠的描述，選擇可信度高的網絡資源,開發資源的物理教學價值,教師有選擇地把這些資源設計成可行的教學活動,通過教學活動使師生共同成長,獲得更為深入的感悟。

(2) 大科學時代的中學物理教學要凸顯合作學習能力的培養

大科學起源于1942年6月的“曼哈頓工程”,其被稱為“大科學工程”或“大科學項目”。1961年溫伯格在《Science》上發表文章,首次提出大科學的概念，大科學是指投資巨大、研究目標宏大、實驗設備昂貴復雜、多學科交叉的大型基礎科學研究項目。LIGO是加州理工學院和麻省理工學院的聯合項目,從1979年起得到美國國家科學基金會(NSF)支持,1994到1995年在相距3000多千米的路易斯安那州和華盛頓州,各建立一座引力波觀測站,一期項目投資額達到2.92億美元。從2002年一期LIGO開始工作,美國國家科學基金會每年投入3千3百多萬美元用于觀測站的運行和二期項目的研究，所以LIGO項目也被稱為世紀之交最昂貴的單項物理實驗。

LIGO除了投入的資金巨大之外,國際分工合作是其另一大特點。1997年LIGO開始組建科學合作組織,來自18個國家900多名科學家加入該組織,這些工作人員分成二三十個工作小組,分別負責設計、建造、調試實驗裝置、分析數據,任何環節出現問題都會影響LIGO工程的進度甚至成敗,除此之外LIGO和英國德國的GEO600、法國的Virgo、日本的KAGRA都有合作,讓LIGO能夠獲得更多經驗與信息資源,從而快速達成目標。不難看出,LIGO的成功與獲得其他組織的投資和廣泛的內外合作有著莫大的關系。

在課程改革中我們一直提倡培養學生的合作能力,但是師生的合作意識并不強烈,教師更重視合作學習的形式、忽視合作學習的實質,學生更注重同學之間的競爭關系而忽視合作關系。大科學時代的物理教學有必要培養學生的合作精神,利用相關資源向學生展示大科學時代合作的重要性,逐步增強學生合作學習的意識,培養其合作學習能力。

(3) 物理教學應重視工匠精神教育

從遙遠宇宙深處到達地球的引力波非常微弱,LIGO能夠分辨出如此微小的變化可見其靈敏程度極高。從LIGO的激光源、超高真空、光學器件就可以看出這一工程除了是一項大科學工程外,也是一項十分精細的科學。比如LIGO的激光源,從一開始的4W功率經過一系列復雜的放大變為工作中實際使用的200W，探測器光學鏡像技術也是最精細的,此外LIGO還擁有令人嘆為觀止的超高真空系統。每臺LIGO有兩條長4km的干涉臂,內部容積約為10000m3,其內部氣體強力僅為標準大氣強力的一億分之一。

在物理教學中滲透工匠精神的教育,營造良好的環境,通過合理的教學設計,讓學生感受LIGO工作團隊中科學家的創新精神、嚴謹的工作態度等令人欽佩的工匠精神,引導學生學會學習,自主搜尋科學前沿的真實數據、技術、方法,理解并運用到平時的學習和生活中。物理教學中融入工匠精神教育,能夠培養學生的創新能力、嚴謹的科學態度、對技藝精益求精的品質,而這些都有利于培養學生的核心素養。