物理课和科幻大片的奇遇一堂相对论课上的星际穿越

来源:新闻网发布时间:2015-04-30浏览次数:130

e课堂

我承认,那天晚上很冷,像是来到了月球。记得半个多月前,也是这样的夜晚,差不多的钟点,我“温柔地走向良夜”( go gentle into that good night),进了电影院,看诺兰的《星际穿越》。半个多月后的那天晚上,我坐在杭电6教312的大教室里,听一个叫赵金涛的物理老师讲爱因斯坦的相对论。

我不知道半个月前后的两件事情有没有什么联系,赵老师说,如果一个教室的人在玩手机,另外一个教室的人也在玩手机,那么,这两件事没有什么联系,因为构不成逻辑关系,可如果一艘飞船离开了地球,同样这艘飞船到达了另外一个星球,那么这两件事情就是有联系了。于是我在想看电影《星际穿越》和听相对论的物理课两者之间的逻辑关系,好像前者是建立在后者的基础之上,先有了爱因斯坦的相对论,然后才会有星际穿越这样的事,这也算是一个逻辑关系吧,《星际穿越》公映以后,你如果没有看过这片子,都不好意思说自己潮;如果看过这片子,不懂一点相对论,那么你都不好意思说自己是真看懂了。

物理课是六点半,早半小时到课堂,整个教室都黑着,开了灯,只有靠墙第三排课桌上立了一个细细长长的棕色保温杯,毕竟是第十节课了。过了二十多分钟,学生们三三两两地进场,忽然把教室坐满了,几十年来,大学物理男生多于女生的情况好像没有多大的改变;大约离开课还有五分钟的光景,一个个头不高,穿着黑大衣的老师走了进来,慢慢踱到教室的另一头,放下自己的教具,将一台东芝笔记本放在讲台上,开始了第十节的物理课。他的头发夹白,可是梳得挺有范,他的声音不高,但听上去很深沉,整体来说,这个物理老师很gentleman,仿佛就是为夜课度身定制的一样。

赵老师没看过《星际穿越》,可是赵老师精通相对论。他给学生出的问题完全是星际穿越类型的,比如有一道题:地球距离牛郎星16光年,一艘飞船从地球起飞,4年时间可以到达牛郎星,问:飞船的速度是多少?这样的题目在爱因斯坦之前的物理学是无法想像的,因为最简单的道理,你想想看,牛郎星的光到达地球都要用16年的时间;而飞船只要用4年时间就可以走完这段距离,按照以前的算法,飞船的速度得超越光速才行,可这是不可能的,因为如果飞船的超越光速,意味着我们根本无法看见它。所以,为了解决这个悖论,爱因斯坦在1905年发表了狭义相对论,其核心理论是建立两个坐标系(称为洛伦茨坐标),飞船出发时建一个坐标;到达时再建一个坐标,算两个坐标参考系的变换,就能得出飞船的速度,这样能够算出飞船要在4年里到达牛郎星的速度是0.97C,C就是光速。0.97C,已经非常接近光速了,在这个速度运行,会发生距离变短,时间膨胀的现象。所以得用两个坐标参考系去描述,这就是狭义相对论,以前的伽利略坐标是一列火车从杭州开到上海的问题,一个坐标就够了;而现在洛伦兹坐标是一般飞船从地球飞到牛郎星的问题,一个坐标根本就不够用。这一切都与我们的常识有关,我们一直在低速运转的星球上生活,所谓的物体长度,时间刻度都是均匀不变的,可是如果我们一直生活在一艘高速飞行的飞船上呢,那我们就会发现之前貌似不变的时间距离都发生了伸长缩短的情况。爱因斯坦相对论理论由此颠覆了长久以来人们一直认为经典传统的时空观念。这种反常识的理论接受起来确实很难,难怪一百多年后相对论被公认为二十世纪最伟大的理论之一,爱因斯坦当年却并未因此获得诺贝尔物理学奖。

赵老师总结说,狭义相对论的公式虽然非常复杂,但是整洁。他用了“整洁”这个词,而且顿了顿,开始说起自己当年上物理课,“就喜欢推导,如果能够把结果推导出来,特有成就感。”

如果说第十节课讲的都是基础的理论,那么接下来的第十一节课便渐渐地转向一些相对论的应用上去了。

比如孪生兄弟的问题。一个在地球上;一个坐了飞船去星际旅行了,时隔多年相见,为什么飞船上的15年在地球上却变成了50年?这里就涉及到人们以地球这个匀速惯性的星球作为坐标参照系所得出的结果。这个问题自然会让我们想到《星际穿越》的结尾的桥段:宇航员库珀和他女儿重逢时,库珀看上去还只是个中年人;而他女儿却已经老态龙钟,处于弥留之际了。当然,这一切在理论上都有可能实现,但目前还没法实现,因为我们还造不出接近光速的飞船。

还有一个关于时间是否可以逆转的问题。按照狭义相对论的理论,如果你想看到地球未来的模样,那么就可以选择去星际旅行,在飞船里呆上个50年,回到地球看看,地球也许已经过了150年了。飞船速度越快,时间膨胀得越多,然而时间无法回溯,于是科学家提出“虫洞理论”:在宇宙中间可能有一条通道,可以穿越到过去的宇宙,我们今天发生的事件,通过光的信息传到另一个星球也许要几千万年的时间,所以宇宙也许遗留着过去世界的讯息,如果看到了这些信息,我们就能够看到宇宙的过去,但很多时候就像远在天边的星光,我们能够看见,却无法抵达那个事件,这也是《星际穿越》中,库珀能够亲眼看见他女儿小时候和他在一起的景象,却无法去改变自己离开女儿的事实,可是他最终还是用摩尔斯密码将信息传给了当年的女儿,改变了人类的未来。

两节课结束,地球上的时间已经过了晚上八点,赵老师回城区的班车大约在四十五分钟以后开,没有同学留堂讨论,也没有同学提出什么问题,也许相对论太难了?也许时间太晚了?乘着收拾教具的间隙,我们简单地和赵老师聊了一会儿,知道他是2000年从昆明理工大学来到下沙杭电的,今年53岁,一直在教物理:大学物理,普通物理,固体物理。爱好与兴趣是从事物理教学的原因,如今主要的方向是偏重于实验的材料物理。与热衷于宇宙科幻电影的影迷不同,赵老师并不认为理论物理充满魅力,因为越研究到后来,钻得越深会感觉难度越大,会遇到无法解决的困难。

 

走出教室,八点以后的校园还是有些热闹,广场边上三楼的吉他教室传出强劲的摇滚乐曲,树梢枝条末端的寒星远在天际,世界离我们那么近,又那么远,人类没有终止过对宇宙边界的探索,康德那个时候我们只能抬头仰望星空,今天,我们能够在一堂物理课上和一场电影大片里穿越星际了,这真是一件了不起的事情。(本文转载自《下沙新城》杂志,作者:朱瑾)

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