巧用《西游记》活化相对论的教学

蒋金厚

现行的普通高中课程标准实验教科书《物理》(必修2)和《物理》(选修3-4),都在教材的最后一章安排了有关相对论的教学内容.可是教师们在实际教学中,对这些内容把握不到位,使用的课时也不够,大多数教师对这部分内容只作泛泛而谈.由于教师的不够重视,学生当然也不会去重视,学过之后也许就忘了.其实爱因斯坦相对论时空观是时空发展史上一次重大变革,它把原来认为毫无联系的时间、空间和物质的运动密切联系起来,揭示了它们之间的依赖关系,现代科学愈来愈显其重要性以及它在物理学上的重要地位.这是教材安排得比较重要的一章内容,是物理学知识系统化的要求.虽然目前高考还不太注重考查有关相对论的内容,但是在素质教育下,对知识的需求不是考试不考试的问题,而是如何学好的问题.

爱因斯坦的相对论本来就非常抽象难懂,高中学生在反复接受经典物理理论熏陶和强化训练下,立刻转入相对论的学习,确实存在较大的困难,特别是高一学生物理基础薄弱且物理思维还暂时跟不上高中物理的教学思路.所以我在教学相对论内容时,借用了家喻户晓、耳熟能详的《西游记》神化故事,作课堂教学的补充与注释,以活化教学环节,提高教学效果.笔者认为《西游记》蕴藏着丰富的相对论时空观思想.

爱因斯坦的狭义相对论是建立在两个基本假设的基础上:第一个是在不同的惯性参考系中,一切物理规律都是相同的,即爱因斯坦相对性原理;第二个是真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的,与光源的运动和观察者的运动无关,亦称为“光速不变原理”.这两个假设学生容易接受.本文说《西游记》蕴藏着相对论思想,也需要一个假设:小说中的玉帝神仙们居住的天宫是地球外的一个天体,它像其它天体一样在高速运转,这样,传说中的天宫是虚无飘渺的幻境就符合相对论时空观了.相对论时空观认为有物质才有时间和空间,时间和空间与物质的运动状态有关,因而时间与空间并不是相互独立的.所以,人们以经典的时空观去理解相对论时空观,当然就会认为天宫是虚幻的了.

有了天宫是一个天体的假设后,我们就可以谈论小说中相对论的几个性质.

一、“同时”的相对性:小说中描述孙悟空大闹天宫,玉帝和神仙们无可奈何之下,请来了如来佛祖,如来与悟空打了个赌,任凭孙行者筋斗云如何了得,都跳不出如来的手掌心.孙行者腾云驾雾是相对地面的,而如来的手掌是跟着悟空运动的,对地面上的人来说,悟空到了天的尽头,但是对如来佛来说,悟空还是在他的掌心上.悟空翻跟斗这一事件,对运动的手掌上的观察者和静止的大地上的观察者来说,具有“同时“的相对性.

二、“钟慢效应”:孙悟空每每上天搬救兵救师傅时,菩萨、神仙会说:“天宫一日,人间一年,快快救你师傅去吧.”天宫在高速运转,根据相对论的“钟慢效应”,不难理解,以地面上的凡人寿命来计算,菩萨、神仙们确实能够长生不老.

三、相对论质量:高速运动的物体质量会随速度的增大而增大.小说中没有任何一个情节描述孙悟空兄弟驮着师傅腾云驾雾,这既是佛教徒对真经的虔诚与顶礼膜拜使然,也是相对论质量的科学依据.孙悟空腾云驾雾时是高速,驮上师傅后相对质量就更大了,负重就大得不得了了,如何腾云驾雾?

四、“尺缩效应”:孙悟空和神仙们腾云驾雾,“朝游北海暮苍梧”,速度极快,用相对论的“尺缩效应”解释,固然天地就小了,正如现代通讯发达后,人们常说地球成为地球村一样,世界小了.

本文没有倡导大家用文学课去代替物理课的意思,而是说明学习物理可以借助文学作品去理解抽象深奥的物理理论与知识,以提高物理课堂教学效果.当然《西游记》毕竟是文学作品,允许夸张与虚构,但是任何文学作品都有其现实基础,可以这样认为,吴承恩(约1499年～1582年)所处的那个世纪,相对论思想在中国至少有所萌芽,从这个角度来说,中国人对相对论的启蒙认识至少要比西方人(爱因斯坦于1905年提出相对论)早三百年.

责任编辑罗峰