高中语文一名物理学家的教育历程 素材新课标人教版07版Word格式.docx

1、科学是需要想象力的，想象力能带来创造力。作者正是从对鲤鱼世界的想象中，认识到人类观察空间的局限性，间接感悟到高维空间存在的可能。由感性的想象上升到理性的创造，表达了创新意识和探索精神。2乐趣：科学不应该是枯燥的，而是应该充满乐趣的。探寻自然的奥秘，对真正的科学工作者来说，是和自然做的近似于捉迷藏的“游戏，也是人生的“境界。“游戏使他们乐此不疲，充满激情，不受外界的诱惑和干扰；而“境界使他们不顾功利，不畏强权，只求真理。3实验精神：丁肇中说过：“现代学术的基础就是实地的探察，就是我们现在所谓的实验。“科学发展的历史告诉我们，新的知识只能通过实地实验而得到，不是由自我检讨或哲理的清谈就可求到的。应

2、有格物致知精神有了想象力，有了乐趣，那只是成为科学家的最基础的因素，不去踏踏实实地做实验，就不能得到基本数据，假说就不能确立。一味地空想，不去做基础工作，不可能达到真理的彼岸。作者从事的高维空间理论，虽然还停留在纸面上，但是科学家们已经在做许多基础的实验工作，努力使理论得到证明。即使如科学家霍金靠睿智的头脑创建黑洞理论，也要有数学和天体物理学的实验基础，也不是空想出来的。二、问题探究1“鲤鱼科学家对“世界的认识是怎样的？主要有以下几点：1“水池之外看不见的世界没有科学意义。2“它们为睡莲自己能够运动而困惑不解它们以神秘的“力来掩盖自己的无知。3“鲤鱼科学家的“消失和“重现它们认为是“奇迹，是“

3、可怖的事情，而不肯去探究原因。4“鲤鱼科学的“传奇故事，真实地证明另一个世界的存在，而它们却认为“胡说八道，荒谬绝伦，违背它们的“自然规律。2作者想通过“鲤鱼科学家对世界的认识说明什么？说明“自以为是的人类和“鲤鱼科学家有相似之处。1人类“一生就在我们自己的池子里度过，只要“超出我们的理解力的自然存在，他们就“拒绝承认。2“科学家发明像力这样一些概念，是因为他们只愿意承认“那些看得见摸得着的事物，不肯改变思考问题的方式。3“不能在实验室里便利地验证的理论，他们就加以“鄙视，表现出思想上的保守和固执。3课文中阅读多维空间历险故事和统一场理论书籍两小段内容，对“教育历程的表达有什么作用？课文的重点

4、是童年趣事和建立实验室，这三个事例已经把“教育历程完整地勾画出来。而夹杂在其中的两个小事例，主要起补充和衔接的作用。历险故事加深作者对高维空间的想象，激发兴趣；而阅读统一场理论书籍，既表现高中阶段作者求知的热情，也衔接起由理论到实验的探究过程。4作者说“我决定要对这一秘密刨根问底，纵然为此而必须成为一名理论物理学家也在所不辞，在作者心中“理论物理学家应该是怎样的人？理论物理学家的工作是抽象、枯燥的，受实验条件的限制，自己的学说很难得到实验的证明，甚至可能到死也得不到成就。这样的人必须耐得住寂寞，必须有奉献精神。“在所不辞意味着“理论物理学家道路的艰辛。5作者建立实验室的事例，对我们现实生活有怎

5、样的意义？科学是建立在基础实验之上的，科学理论要经过实验的检验才能得到论证。实验不是简单的操作，要有理论指导，要有实验的设计，要有策划组织能力，要有耐力和恒心等等，实验考验的是实验者的综合能力。而我们当前存在的问题是，重视理论，轻视基础实验，表现为动手能力和实践能力差，思想上浮躁，急功近利。对教育而言，重知识，轻能力的现象很普遍。这些都是一名理论物理学家重视实验给我们现实生活的启迪。关于练习一、你是否对自然界有过好奇之心？是否也因此产生了对科学的兴趣？阅读课文，看看对鲤鱼世界的遐想和对爱因斯坦未竟事业的向往，是怎样启迪作者走上科学探索道路的？设题意图：让学生了解文章主要内容。参考答案：对鲤鱼世

6、界的遐想，使作者感悟到人类观察角度的局限，激发探究未知世界的热情；对爱因斯坦未竟事业的向往，使作者产生对统一场理论的兴趣，好像“侦探一样急于找到“故事的线索和结局。由此，作者开始阅读相关书籍，建立自己的实验室，走上了科学探索的道路。二、苏轼说过：“不识庐山真面目，只缘身在此山中。物理学家的理论也许过于艰深，但是其中的道理，和日常生活的体验是相通的。文章所讲述的鲤鱼的故事，给了你怎样的启发？你是否也有过类似的奇思妙想呢？引导学生把科学和生活联系起来，激发他们探究科学的热情。站在地球上观察，我们觉得地球是平面的，但是在高空，我们就可以看到地球的曲面。这与鲤鱼们观察它们的宇宙，看到的是幽暗的水体是类

7、似的。三、作者关于鲤鱼“科学家的幻想十分有趣，如果我们以动物的眼光来观察人类，是不是也很有意思呢？假如有一位动物狗、猫、鸡、燕子等“科学家，专门研究人类的某些行为，它写了一篇“科普文：人类行为之谜。你替这位动物“科学家做一回代笔人怎么样？引导学生换向思维。狗、猫、鸡、燕子等动物都是生活在人类身边的动物，它们可以说对人类很“熟悉；可联系动物游戏之谜，扩展学习内容。略。教学建议一、教学这篇课文，要以“教育历程为重点，探讨其中表现的思想内涵，引导学生体会科学精神。二、高维空间对普通人来说，是很难想象的。所以，教学重点是文章内容，而不是相关的科学知识。相关知识教师有所了解，能帮助教学课文即可，不必教授

8、给学生。三、“研讨与练习的二、三两题都是开放题，要引导学生从生活出发，了解科学、认识科学。有关资料一、作者介绍加来道雄，美籍日裔物理学家，毕业于美国哈佛大学，获加利福尼亚大学伯克利分校哲学博士学位，后任纽约市立大学城市学院理论物理学教授。主要著作有超越爱因斯坦与特雷纳合著、量子场论超弦导论。二、相关知识为了更好地理解课文,我们需要了解一些相关的理论物理学知识:（1）统一场论根据现代物理学知识,将我们的宇宙结合起来的力有四种:引力、电磁力、强核力和弱核力。物理学家运用量子力学，已经把后三种力统一起来美籍华裔物理学家杨振宁和他的学生米尔斯提出杨米尔斯场理论，解决了这一问题，被称为“标准模型。但是这

9、一理论因为计算繁复无比而让人头疼，但是引力仍然游离在外。爱因斯坦毕终生之力想寻求四种力的统一，建立一个大一统的理论，最终也没有实现。2高维空间现代理论物理学认为，统一四种力的前景，在于高维空间如十维或更高理论的确立。比如对于古人来讲，风暴是怎样产生的，风暴会袭击什么地方，什么时候袭来，什么时候结束，他们是一无所知的，因为他们生活在平坦的大地上，只能靠肉眼从近似于二维平面的角度来观察，即使有简单的预报，也都是靠经验来推测的。现在有了气象卫星，从太空这样三维角度观察地球，在地面上看来神秘莫测的风暴被看得一清二楚，可以精准地预报风暴的动向。同样，理论物理学家认为，传统的四维空间三维加上时间理论太“小

10、，不能解释宇宙中的四种力。当他们超越四维而在更高维如十维或更高中寻求统一这四种力时，就能得到一种简单、漂亮的解决模型科学家认为宇宙应该是简单、和谐的。高维空间理论认为，宇宙大爆炸后10-43秒，十维宇宙分解成四维宇宙和六维宇宙，四维宇宙暴胀，经过近150亿年，演变成今天我们生活的宇宙。大爆炸后10-35秒，大统一力分开。但是高维空间理论很难在实验室中得到证实，因为要模拟当时的环境，需要的能量太大，根本无法做到，所以现在高维空间理论只能是“理论。三、与课文相关的章节加来道雄面向第五维由于家境贫寒，我的父母担忧我将不能把自己的实验和教育继续下去。幸运的是，我为我的各种科学计划争取助学金的行动引起了

11、原子科学家泰勒Edward Teller的注意。他的妻子慷慨地安排我接受四年的奖学金去哈佛大学学习，允许我在那里实现自己的梦想。具有讽刺意味的是，尽管我在哈佛开始了自己在理论物理方面的正规教育，但也正是在这里我对更高维数的兴趣消失殆尽。像别的物理工作者一样，我开始严格而又全面地学习与每一种自然力所对应的高等数学，这些自然力彼此之间是完全孤立的。我仍然记得给我的电动力学老师解题，然后我又问他如果空间在更高的维数中弯曲，那么答案可能会是怎样。他以一种奇异的方式看着我，好像我有点疯狂似的。像比我先来的人一样，我不久就学会把孩提时代关于更高维数空间的念头搁置一边。我被告知：超维空间不是一个合适的严肃研

12、究课题。我从来就不满足于对物理学的这种支离破碎的处理，思绪常要飘回到茶园中鲤鱼的身上。虽然我们常用的电磁场方程在19世纪就被麦克斯韦发现，他的这一工作十分完美，但方程好像相当随意。我觉得物理学家们像鲤鱼那样发明的这些“力，实际上掩盖了我们对物体怎样能够不彼此接触而运动这一问题的无知。通过学习，我知道19世纪有一场大争论，就是光怎样在真空中传播。事实上，从恒星上发出的光可以通过外部空无一物的空间毫不费力地传播好几万亿千米。实验也毫无疑问证明了光是一种波。但是，如果光是波的话，那就需要一些使它发生“波动的媒质。声波需要空气，水波需要水，而在真空中却没有可以使光波动的东西，人们对此深感疑惑。没有使光

13、波动的媒质，它怎能成为波呢？于是，物理学家们就捏造出一种所谓的以太物质，这种物质作为光的媒质而充满整个真空的空间。然而，实验却无可辩驳证明了“以太并不存在。令人惊奇的是，直到如今，物理学家对这一难题仍然没有作出真正的回答，但数十年来，我们却对这样的思想习以为常：即使没有什么媒质，光照样可以在真空中传播。作者注。后来,当我成为加利福尼亚大学伯克利分校的物理学研究生后,我非常意外地发现有一个变通的办法,尽管这个办法会引起人们的争论，但是它可以解释光怎么能在真空中传播。这个变通的理论十分古怪，因此当我偶然间发现它之后十分震惊。这种震惊与许多美国人乍闻肯尼迪John Kennedy总统被枪杀的感觉颇为

14、相似。他们能永远记住他们听到这一惊闻的那一刻正在干什么，正在和谁说话。当我们第一次偶然遇到卡鲁查-克莱因Kaluza-Klein理论时，我们这些物理学家也深感震惊。因为这一理论被认为是一种不成熟的推测，因而从不在研究生课程上讲述。于是，留给年轻物理工作者们的只是在有关读物中偶然地去发现它。这个变通的理论给光作了一个最为简单的解释：它实际上是一种第五维或如神秘主义者通常所说的那个第四维上的振动。如果光能通过真空传播，那是因为真空本身在振动，因为“真空实际上存在于四维的空间和一维的时间之中。加上第五维之后，引力和光就能以惊人简单的方式统一起来。回顾我童年时代在茶园的体验，我突然意识到这就是我梦寐以

15、求的数学理论。然而，老的卡鲁查-克莱因理论有许多困难和技术问题，这就使得它半个多世纪来一直被束之高阁。可是，过去10年中这一切都发生了变化。这一理论的更高层次的翻版，如超引力理论，特别是超弦理论，已经最终消除了该理论的不自洽性。突然之间，更高维数的理论正在世界各地的实验室中被竞相检验。世界上许多头面物理学家现在相信，在普通的四维时空之外存在有更高的维数。这一思想事实上已经成为科学研究的热点。的确，许多理论物理学家现在认为更高的维数是导致某种无所不包理论的关键步骤，这个理论超维空间理论将把许多自然规律统一起来。如果这被证明是正确的，那么未来的科学史家们可能会很好地记下：20世纪科学一大观念性革命

16、就是懂得了超维空间可能是解开自然和宇宙奥秘的关键。这种富于启发性的概念导致这方面的科学研究纷至沓来：世界各国主要研究所的理论物理学家们写出了好几千篇探索超维空间性质的学术论文。核物理和物理快报这两种重要的科学杂志中登载着大量这方面理论分析的文章。已经举办了两百多次国际物理学会议来探索高维数的重要性。不幸的是，在验证我们的宇宙存在于更高的维数中方面，实验与理论还相差甚远。然而，这个理论现在已经作为现代理论物理学一个合法分支而牢固地确立起来。例如，爱因斯坦度过他生命最后时光的普林斯顿高等研究院我在那里写成了本书现在是一个研究高维时空的活跃的中心。1979年诺贝尔物理学奖得主温伯格Steven We

17、inberg最近在评述理论物理似乎变得越来越像科幻小说时，对这一观念革命作了总结。我们何以不能看见高维？这种革命性的思想初看起来似乎很奇怪，因为我们理所当然地认为我们天天生活在三维世界之中。已故物理学家帕格尔斯Heinz Pagels曾说过：“我们物理世界的一个特点如此显而易见，以至于大多数人从未怀疑过空间是三维的这一事实。几乎是出于本能，我们知道任何一个物体可以用它的长、宽、高来描述。通过给出三个数字，我们就可以在空间确定一个位置。如果我们想在纽约请某人吃饭，我们就说：“在第42街和第1大道拐角处那座大楼的24层楼见面。头两个数字给我们确定的是街的拐角处，第三个数字那么描述离地面的高度。飞行

18、员也可用三个数字来确定他们的精确位置，这三个数字是他们的高度和在坐标网格或地图上确定其位置的两个坐标。事实上，通过精确测定这三个数字，就可以把世界上从我们的鼻子尖到可见宇宙中的每一点都准确地定出位置。甚至婴儿也懂得这一点。婴儿实验已经证明，他们将爬到峭壁的边缘，看看边缘的对面，然后就又爬了回来。另外，他们也本能地懂得“左“右“向前“向后“向上“向下。这样直观的三维概念从童年开始就牢固扎根于我们的脑海之中。爱因斯坦扩展了这一概念，把时间作为第四维包括进来。例如，请某人吃饭，我们必须讲明中午12点30分在曼哈顿见，即为了详述一个事件，我们必须对它的第四维事件发生的时间加以描述。当代科学家对爱因斯坦

19、第四维概念以外的东西产生了兴趣。流行的科学兴趣集中于第五维在时间和三维空间之外的那个空间维度和五维以外的东西。为了避免混淆，在本书中，我们屈从于习惯的说法，把第四维称为长、宽、高之外的空间维。物理学家实际上把它当做第五维，但是我将遵从历史的惯例。我们把时间称为第四时间维。我们如何看见第四空间维呢？问题是我们不能看见。高维空间是不可能用眼睛观察的，因此再努力也没用。著名德国物理学家亥姆霍兹Hermann von Helmholtz把人们不能“看见第四维和盲人不能想象颜色的概念相提并论。无论我们怎么滔滔不绝为盲人描述“红颜色，但是用语言总是不能确切地把丰富的颜色告知盲人。甚至已经对高维空间做了多年

20、研究的有经验的数学家和理论物理学家也承认，他们不能形象化地描述高维空间，而是退到了数学方程的世界中。尽管数学家、物理学家和计算机专家在解多维空间的方程时并没有什么困难，人类发现还是无法想象他们自己这个宇宙之外的宇宙。我们充其量只能利用各种数学技巧来一睹高维客体的影子；这些技巧是由数学家兼神秘主义者欣顿Charles Hinton在20世纪伊始构想出来的。其他数学家，如布朗大学数学系主任班乔夫Thomas Banchoff已经写出一个计算机程序，它能把高维客体投影到二维平面即计算机显示屏上，而让我们来操纵它。就像古希腊哲学家柏拉图Plato所说的那样，我们像穴居者一样抱怨只能看到洞外丰富生活的朦

21、胧而灰暗的影子，班乔夫的计算机程序也只能让我们瞥见高维客体的影子。事实上，由于进化的原因，我们不可能目睹更高的维数。我们的大脑已经进化到能在三维之中处理大量的紧急事件。我们能即刻认出跳跃的狮子或突袭的大象，并作出反应。事实上，那些能较好地看出物体在三维空间中如何运动、旋转、扭曲的人，与那些不能看出这些运动的人相比，具有明显的生存优势。遗憾的是，人类并没有需要把握在四个空间维度中运动的生存压力。能够看见第四空间维当然无助于人们抵御剑齿虎的突袭。狮子和老虎不会通过第四维来袭击我们。自然规律在高维中更简单芝加哥大学著名的费米研究所的理论物理学教授弗罗因德Pater Freund，是喜欢用高维宇宙的性

22、质来愉悦听众的一个物理学家。他是超维空间理论的早期工作者之一，当时这一理论与主流物理学相比被认为是奇谈怪论。他和一小部分科学家孤立地对高维科学研究了多年。而现在这门学科已经变成一个时髦而又合法的科研分支。使他高兴的是，他早期的兴趣最终得到了回报。弗罗因德与传统的那种狭隘、顽固、不修边幅的科学家形象极不相符。相反，他文雅、口齿伶俐而又富于教养。他善于诡谲而顽皮地笑，他的笑使那些非科学家人士为突破性科学发现的迷人故事而倾倒。他会随意写上满满一黑板方程式，或者与别人在鸡尾酒会上开点无伤大雅的玩笑。他说话时带着浓重而明显的罗马尼亚口音，拥有生动迷人地解释那些极为神秘复杂的物理概念的绝技。弗罗因德通常会

23、提醒我们，科学家们已用怀疑的眼光来评述更高的维数，因为它们既不能被测量也没有特殊的用途。然而，当今的科学家却逐步意识到，任何一种三维理论都“太小，不足以描述控制我们宇宙的力。像弗罗因德强调的那样，过去10年中贯穿于物理学的基本主题是：自然规律在高维空间表述时会变得更为简单和优美。高维空间是自然规律的天然栖息地。光和引力的定律在高维时空中找到了一种天然表述。统一自然规律的关键步骤是增加时空的维数，从而能合理安排越来越多的力。在更高维中，我们有足够的“空间来统一所有的物理力。在解释为什么更高的维数正在激发起科学世界的想象力时，弗罗因德用了以下类比：“想想地球上跑得最快的动物中的猎豹，它皮毛光滑而又

24、美丽，在非洲的热带草原上漫游。在它的天然栖息地，猎豹是一种了不起的动物，简直是一件艺术品，它的奔跑速度或奔跑动作的优美简直无与伦比。现在，他继续说道：想想被捕获并且投进动物园简陋笼子里的猎豹吧。它已失去了原有的优雅和美丽，为了我们的娱乐而被安排去展出。我们只看到笼子里神情绝望而不是原来那种优雅和精力充沛的猎豹。猎豹可与物理规律相提并论，物理规律就其本身而言是优美的。物理规律的天然栖息地就是高维时空。然而，我们只能测量那些被拆散且放在笼子里展出的物理规律，这个笼子就是我们的三维实验室。我们只能看到已经被剥夺了优雅和美丽的猎豹。几十年来，物理学家们想知道为什么四种自然力以如此支离破碎的形式出现为什

25、么在笼子里的这些“猎豹看起来神情如此绝望和可怜。弗罗因德注意到，四种力看起来似乎大不相同的基本原因，是我们一直在观察“笼子里的猎豹。对于物理规律而言，我们的三维实验室是一个无能的动物笼子。但是，当我们在高维时空它是物理规律的天然栖息地中表述物理规律时，我们就看到了它们名副其实的显赫和有力，物理规律就变得简单而富有生命力。现在这场席卷物理学的革命，就是认识到了猎豹天然栖息地也许正是超维空间。为了阐明如何加进一个较高的维数就能使事情变得简单，试想古罗马人是怎样打那些大仗的。伟大的罗马战争常常包含了许多较小的战场，它一定伴随着来自四面八方的谣言和误传，把事情弄得混乱不堪。战争在多个前线进行，罗马的将

26、军们却常常盲目指挥。罗马人往往是靠暴力而不是靠优美的战略赢得战争的胜利。那就是为什么战争的首要原那么是占领高地即上升进入二维战场上方的第三维。在可看到战场全景的巨大山丘的有利地位上，战争的喧嚣突然变小了。换句话说，从第三维即从山丘的顶部来观察，较小战场的混乱结合成了一幅首尾连贯的单一画面。这个原理自然规律在高维中表达时可以变得较为简单的另一个应用，是爱因斯坦狭义相对论背后的中心思想。爱因斯坦揭示了时间是第四维，证明了在四维理论中时间和空间能够便利地统一起来。这进而必然导致所有用时间和空间来测量的物理量的统一，比如质量和能量。他还发现了质量和能量统一的精确数学表达式：E=mc2，这就是所有科学方

27、程式中最为著名的质能公式。高维理论绝不仅仅是一个学术理论，因为爱因斯坦理论最简单的结果乃是原子弹，它改变了人类的命运。在这一意义上，引入高维已成为人类历史中至关重要的科学发现之一。作者原注。为了鉴赏这个统一的巨大威力，现在我们来描述四种基本力，强调它们如何不同，如何在高维中给出这四种力的统一表述。过去两千多年来，科学家们发现我们宇宙中的一切现象能够被归结为四种力，它们从一开始就彼此互不相似。电 磁 力电磁力以多种形式存在，它包括电、磁和光本身。电磁力照亮我们的城市，可使收音机和电唱机发出的音乐充满整个空间，可用电视给我们以娱乐，用电器来减少家务劳动，用微波炉烘烤食物，用雷达跟踪飞机和进行空间侦察，用电厂发电。最近，电磁力已被用于电子计算机这使办公室、家庭、学校、军队大为改观和激光这对于通信、外科手术、光盘、五角大楼高级武器系统，甚至于售货台的付款机有重大意义。在某种意义上，地球上多半的国民生产总值它代表着人类积累的财富都依赖于电磁力。强 核 力强核力为恒星燃烧提供能量，它使群星争辉，产生哺育生命的太阳光。如果强核力突然消失，太阳将一团漆黑，地球上一切生命将会灭亡。事实上，一些科学家认为恐龙灭绝于6