北師大梁燦彬教授給中學生講《星際穿越》的相對論

2021-02-18 管窺物理


作為去年最火的一部電影,《星際穿越》引發了無數影迷們的熱情和討論。黑洞作為相對論中的一個科學術語,成功地藉助這部影片走進了大眾的視野。而黑洞及其他影片中的奇妙現象,更是引起了廣大中學生的強烈求知慾。黑洞是什麼樣的?為什麼在不一樣的星球時間會不同?蟲洞和黑洞有什麼關係?這些問題都是學生最想了解的。

《星際穿越》的熱映引起了觀看該影片的理科生的一場集體狂歡。因為終於可以從描述俊男美女之間複雜感情關係的電影中走出來,從智商和知識面的角度展示理工科背景的強大。於是,各種各樣的人在電影院、網際網路、電視、手機上,解釋著這部電影。然而,其中的絕大部分都是從最科普的角度簡單介紹廣義相對論和狹義相對論的相關理論,甚至有人嘗試用只用牛頓力學和其他學科的角度解釋。(有人把看《星際穿越》需要的一些物理學理論放在一起介紹,居然加入了墨菲法則!)對於中學生來說,雖然他們還很難完全理解相對論這樣的理論,但是形成一些對相對論的基本的、正確的觀念還是有助於解決電影所引發的問題的。那麼如何在網際網路這樣巨大的信息中找到所需呢?

2015年1月7日,北京5中的學生迎來了這樣一個機會——北京師範大學物理系的梁燦彬教授應邀做了「《星際穿越》與相對論」的科普講座。梁燦彬教授多年從事相對論的教學與研究工作,他所著的《微分幾何入門與廣義相對論》一書,更是被奉為廣義相對論的經典教科書。廣義相對論將重力歸結為時空的幾何效應,而梁燦彬教授對於相對論中幾何的理解比一般相對論的研究者深刻的多(更不用說那些根本沒有學習過廣義相對論的人了)。

然而,在這個講座中,梁教授很好的詮釋了舉重若輕的教育理念。不僅簡要地介紹了狹義相對論、廣義相對論、黑洞的形成和分類等知識,並且針對學生的反應和提問,增加了恆星的演化、鍾慢效應、GPS與廣義相對論等內容。這些內容不僅生動有趣,極大調動了學生的熱情。(可惜的是來不及講蟲洞和時間機器等有趣內容。) 更重要的是,梁燦彬教授對講座的每一個問題都做了深入淺出的討論,盡力讓學生在已有的知識體系下明白所討論的深奧問題,同時以科學的態度確保討論過程中的準確性。例如:在講到恆星演化的時候,介紹太陽最後的歸宿。個別學生可能在其他科普書中看到過這部分內容,就說太陽經過紅巨星階段最後會變成一個「大鐵球」。梁教授這時首先稱讚了這個學生的好學,然後順勢提醒他由於壓力和溫度的關係,最後的這個「鐵球」並不是我們印象中的固態的「鐵球」!這樣的一個細節,其實反映了梁教授對於學術上的追求,也就是他常說的「要做一個明白人」!.

然而,較為遺憾的是,由於時間的關係,最後沒有來得及介紹蟲洞的相關理論。在最後的提問環節,學生對四維空間、奇點等問題都表現出了濃厚的興趣。由於沒有來得及做深入的講解,講座結束後還有學生互相討論並追著梁教授問問題。其實這些問題在梁教授2013年出版的《從零學相對論》(高等教育出版社)一書中早有介紹,這本書用淺顯而直觀的幾何語言對狹義和廣義相對論的物理基礎和前沿作了介紹,是廣大相對論愛好者從零學起的首選入門讀物。特別是與《星際穿越》中的蟲洞有關的「蟲洞與時間機器」一章(第9章),更是充滿了趣味性。下圖是截取的書中對蟲洞和通過蟲洞進行時間旅行的講解。該書還介紹了諸如恆星演化和黑洞、狹義和廣義相對論的鐘慢效應、GPS原理(狹義和廣義相對論對GPS的修正)、高速物體的視覺形象,┅┅等有趣內容。

[附註] 最近,梁燦彬教授於1月23日、1月29日又應邀在北京東直門中學高中生、三帆中學的初一、二學生講了一次《星際穿越的相對論》,並且做了非常大的改進。下個學期還將在北京師範大學給大學生做更加詳細的介紹。

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