相对论教学中的世界观教育

耿 滔

（上海理工大学理学院，上海 200093）

相对论教学中的世界观教育

耿 滔

（上海理工大学理学院，上海 200093）

本文探讨了如何在狭义相对论的教学中注意世界观的教育，帮助学生建立正确的世界观和方法论，引导学生思考和探索世界的本质。

相对论；世界观；物理教育

在当今的大学物理教学实践中，很多教师往往比较注重物理知识、解题技巧和方法的传授，而忽略了大学物理课程的一个另一个重要目的，即帮助学生树立正确的世界观和方法论。大学生应该对我们所处的世界有一个正确的基本的认识，这是一个接受过高等教育的青年人必须具备的基本科学素养，也是我们大学物理教师所肩负的责任和义务。随着物理学的发展，人们对世界的认识在不断地深入，特别是爱因斯坦的相对论的出现，使人们对世界的看法产生了翻天覆地的变化。笔者在此就这一问题作一初步的探讨,以起抛砖引玉之作用。

在相对论出现之前，牛顿的绝对时空观一直处于统治地位。牛顿认为绝对的空间，按其性质永远是均匀的和不动的，与任何外界情况无关；而时间像一条川流不息的河流，有事件发生也好，无事件发生也好，这条河流总是不断地、均匀地、不变地流逝着[1]。牛顿将空间设想为物体作机械运动的容器和场所，人们的生活经验是，容器的大小和形状是不会受在其中运动的物体影响而产生变化的。如果将此容器向各个方向无限地延伸，就能得到一个独立于物质之外而不受物质运动影响的绝对空间。同样，从生活经验上来说，时间也具有独立于物质之外而不受物质运动影响的绝对性，毕竟我们在生活中谁也没有观察到时间会随着我们的运动而改变。

因此，牛顿的绝对时空观似乎是很自然的，但仔细地进行逻辑推销和哲学思考后，就会引起不安和怀疑。首先，这种绝对空间、绝对时间的概念是与伽利略的相对性原理不相容的。因为，按照相对性原理是不承认绝对静止的，因此也就不存在某种绝对静止的参考系。另外，假设真的存在相对于绝对空间的绝对运动，那么，这种运动如何被感知呢？牛顿在他的著作中是这样解答的[1]。他认为我们所见的物体运动都是用相对空间和相对时间来量度的，它们在绝对时空的背景下运行，但彼此之间符合相对性原理，并提出了著名的水桶实验来判断相对于绝对空间的绝对运动。实验的构思如下：如果用长绳吊一水桶，让它旋转至绳扭紧，然后将水注入，水与桶都暂处于静止之中。再以另一力突然使桶沿反方向旋转，当绳子完全放松时，桶的运动还会维持一段时间；水的表面起初是平的，和桶开始旋转时一样。但是后来，当桶逐渐把运动传递给水，使水也开始旋转。于是可以看到水渐渐地脱离其中心而沿桶壁上升形成凹状。运动越快，水升得越高。直到最后，水与桶的转速一致，水面即呈相对静止。水的升高显示它脱离转轴的倾向，也显示了水的真正的、绝对的圆周运动。这个运动是可知的，并可从这一倾向测出，跟相对运动正好相反。在开始时，桶中水的相对运动最大，但并无离开转轴的倾向；水既不偏向边缘，也不升高，而是保持平面，所以它的圆周运动尚未真正开始。但是后来，相对运动减小时，水却趋于边缘，证明它有一种倾向要离开转轴。这一倾向表明水的真正的圆周运动在不断增大，直到它达到最大值，这时水就在桶中作相对静止。因此，即使在水与桶没有相对运动的情况下，也可以判断出水桶体系究竟有没有相对于绝对空间的转动。这个判据是：如果水平平坦，则无绝对运动；反之，则有绝对运动。牛顿的绝对时空观虽然与实验事实没有发生矛盾，但仍有很多科学家和哲学家提出了质疑和批判，其中以马赫最为著名[2]。爱因斯坦后来也多次谈到，马赫对绝对时空观的批判给了他非常大的启发。

随着科技的发展，在十九世纪末、二十世纪初，很多研究者投入到了寻找“以太风”的实验中。所谓“以太”是一种没有质量，绝对静止的介质，它充满整个宇宙，电磁波在其中传播。所以从空间性质来说，一切物理都在“以太”中运动，而“以太”自己却保持不动。这样，“以太”就具有了绝对空间的性质。而寻找“以太风”就是指测量地球相对于“以太”的运动速度，如果发现“以太风”，那就完成了相对于绝对空间的绝对运动的观测，是对牛顿绝对时空观的有力支持。当然，寻找“以太风”的实验都以失败而告终，其中最著名的是迈克尔逊－莫雷实验。为了解释实验结果，研究者提出了各种不同理论，特别是洛仑兹的工作，已经非常接近相对论的建立，但可惜的是他们都没有摆脱旧时空观的束缚，而恰恰爱因斯坦做到了这一点。因此，在讲解狭义相对论的时候，我们不能只满足于学生能使用洛仑兹变换去解几个题目，而应该将更多的精力放在讲解洛仑兹变换中所蕴含的相对时空观。在此笔者会向学生特别强调，为什么坐标变换是由洛仑兹先提出的，而世界公认相对论却是由爱因斯坦创立的。因为洛仑兹没能揭示这套变换背后隐藏的物理意义，而这一工作是由爱因斯坦来完成的，他赋予了这套变换一个全新的物理解释，向人们揭示了这套变换所蕴含的相对时空观。这说明数学模型固然很重要，但数学模型所蕴含的物理思想更加重要，我们不能仅满足于教会学生能应用数学模型去解题，而应该教导学生学会思考，能更本质地去看待物理问题。

爱因斯坦的狭义相对论建立在两个基本假设上：(1) 相对性原理，即物理学定律在所有惯性系中是相同的，不存在一个绝对惯性系；(2) 光速不变原理，即在任意惯性系中观察，光在真空中的传播速度都是一个常量，不随光源和观察者所在参考系的相对运动而改变。在此基础上，分别得出了“同时的相对性”，“运动时钟变缓”和“尺缩效应”等相对论的时空观。将时间和空间联系在一起，物体在空间的运动会影响到时间的流逝，这是一个极其离经叛道的理论，所以狭义相对论自诞生以来就受受到了各方的质疑和责难，有科学上的，也有哲学上的。例如在1911年，美国科学促进会主席，物理学家马吉在会议讲演中仍激动地宣称：“我相信现在没有一个活人真的会断言，他能够想象出时间是速度的函数；也没有一个人下这样的赌注：他确信自己的‘现在’是另一个人的‘将来’，或者还是其他人的‘过去’。”然而，物理是一门建立在实验科学上的学科，历史再一次证明了“实践是检验真理的唯一标准”。随后的“高速运动的介子的寿命延长”[3]、“引力红移”[4，5]等实验证明了相对论的正确性，最终确立了相对时空观。

众所周知，关于相对论至今仍存在许多争论。我们在课堂上不应回避这些争论，而应该将它们在学生面前公开出来，因为存在争论正是近代物理的魅力所在，我们还有许多未知等待着我们去探索。当然，我们物理教师无需过多纠缠于诸如相对性原理是在宣扬相对主义吗？光速不变原理是形而上学的命题吗？等学术性的哲学命题[6]，这是哲学教师应该关注的问题。我们应将重点放在科学性问题上，例如真空中的光速真的不可超越吗？我们真的能穿越时空吗？“钟慢”、“尺缩”等相对论效应是一种“测量效应”，还是反映了物质属性的实在变化？这些问题的提出不仅能活跃课堂气氛，刺激学生的探索欲望，更重要的是可以让学生去思考“我们所处的世界到底是什么样子的”这一古老而新鲜的命题，帮助学生建立科学的世界观。

总之，作为一个大学物理教师，不仅要熟练掌握课堂教学的相关内容，还应该对物理学的发展历史和国内、外的最新研究成果都有一个较全面的了解，同时能从对知识方法起统摄作用的哲学高度来思考和改进我们的物理教学。这样往往会产生一览众山小的感觉，使物理教学提升到一个更高的层次和境界，同时对学生科学素养的培养也起到不可忽视的作用。

[1] 牛顿. 自然哲学的数学原理 [M]. 商务印书馆，1957

[2] 李醒民. 物理学革命行将到来的先声——马赫在《力学及其发展的批判历史概论》中对经典力学的批判 [J]. 自然辩证法通讯，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] 中国社科院哲学研究所自然辩证法研究室. 现代自然科学的哲学问题 [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