牛顿力学的正确性其实也是非常有限的,比起更伟大的物理学发现来,也许它只能算是其中的一部分。这个更伟大的发现就是爱因斯坦的相对论。
牛顿力学的核心概念是绝对时间和绝对空间,时间和空间是相互分离、互不联系的。在牛顿时代,在我们所能感受到的地球范围内的物质运动速度,时间和空间的联系是可以忽略不计的。而爱因斯坦的相对论把物体运动的研究对象拓展到了宏观的宇宙世界,深入到微观的粒子内部,光速成为运动的参照系。在这样的背景下,运动就成为时间和空间的辩证关系,时间和空间都随运动状态的变化而变化。绝对性和相对性成为经典物理学和现代物理学的分水岭。举一个例子来说明:如果你驾驶着一辆汽车按每小时50千米的速度朝前开,从车上以每小时30千米的速度沿汽车运动方向扔出一块砖,那么这块砖的速度是多少呢?按照牛顿力学v=v1+v2,砖的速度是每小时80千米。可是如果你坐在一艘光速火箭上扔出一块砖,牛顿就没有办法回答了。因为没有比光速更快的速度了。而根据相对论,速度乘以时间就得到了长度,并推导出相对论最著名的公式E=mc2能量等于质量与光速平方的乘积。
如同海王星的发现奠定了牛顿力学不可动摇的地位一样,光在巨大质量引力的作用下会发生弯曲的被证实,奠定了相对论不可动摇的地位。早在1915年爱因斯坦就预言,当来自遥远恒星的光靠近太阳时,在太阳质量所扭曲的时空中穿过后,会发生歪曲,这会使这些恒星在天空中的位置发生移动。1919年发生日全食时,太阳光被遮住了,这种移动就能被看见和拍摄下来。全世界的科学家都在屏息等待这一天的到来。果然,从人们拍摄的照片中确切地显示出爱因斯坦预言的结果:弯曲的时空是真的。爱因斯坦成了新的神。但是,物质宇宙所处的时空处于不稳定状态,要么在膨胀,要么在收缩。爱因斯坦为此感到烦恼。他不断修改自己的方程,唯一的目的是使时空稳定。20世纪20年代初,爱因斯坦和牛顿一样,认为宇宙是稳定不变的。可是在以后的10年中,越来越多的天文观察表明,宇宙在膨胀。爱因斯坦和许多其他的科学家一起经过艰苦的努力,经过思想上的不断交锋,建立了宇宙大爆炸理论,开启了人类探索宇宙起源的新航程。
如果说牛顿把人类带进了科学时代,那么爱因斯坦则是把人类带进了宇宙时代。可是我们绝不会因为有了爱因斯坦而否认牛顿,也不会因为有了牛顿而小看开普勒或哥白尼。人类就是这样不断学习前人又不断打破前人的结论,这就是知识产生的过程。可是我们的教科书到现在还在谈论一只苹果从树上掉下来砸了牛顿的脑袋,产生了万有引力定律的现代神话,而不是把时间和精力放在从哥白尼到开普勒、从开普勒到牛顿、从牛顿到爱因斯坦的科学发展历程上。
四、三角形的内角之和等于180度吗?
数学是一门人为的科学,是根据人自己的定义进行的演绎、推理,从这个意义上说,数学是最严密、最无懈可击的。可是数学的发展同样是不断推陈出新的过程。比如学习平面几何接触的第一个定理“三角形的内角之和等于180度”,自从欧几里得几何诞生以后,这一直是不容置疑的铁定真理。可是三角形的内角之和一定等于180度吗?不一定。你不妨拿一个篮球来,把球面上的三个点连起来看看,它们的内角之和是不是180度。不是的,它大于180度;你再把球的气放了,在凹进去的球面上把三个点连起来看看,它小于180度。这就是球面几何。球面几何是19世纪末、20世纪初才诞生的,可它诞生之后就在航天学、地理学、建筑学、力学等方面显示出巨大的价值。因为地球是个球面,如果要建造一座大跨度的桥梁或水坝,实际上就是在抛物线上建造它们,这时候就必须考虑到抛物线的特性。
l+l=2更是颠扑不破的真理了吧?其实也不然。1+l=2只有在十进位系统中才有意义,离开了十进位系统就完全是另外一种符号系统。300年前德国哲学家、数学家莱布尼茨发明了二进位制,仅仅用0、l两个数字就完全可以进行与十进位制的对等运算。只是由于它的长度太长,太麻烦,缺乏应用价值,只被人们作为一种游戏的活动。可是谁能想到,250年以后,也就是距今天50多年前,二进位制成了计算机的语言基础,成了方兴未艾的数字化的基础。二进位制将怎样改变人类的面貌,恐怕无论多么大胆的设想都不会过分。一切事物都在发展之中,一切知识都在发展之中,一切科学都在发展之中。只有在思想深处认识到这种发展,只有使这种变化发展的观念成为思想方法,成为思维习惯,成为生活的信念,才能自觉地不断更新知识,才可能真正获得创新的精神和勇气。
五、过程教学比结果教学更重要知识是人们认识的结果,是已经获得的结果,也是已经过去的结果。知识的学习和教学无疑是必要的,但我们太注重认识结果的教学了,我们相信已有的知识都是千真万确的,相信用已有的知识武装头脑就足够了。如果在知识发展缓慢的时代这样想还能够应付世界的变化,还能够容忍的话,那么,在知识、信息更新的速度日新月异的时代,这就不能容忍了。我们不仅希望学生掌握知识,更希望学生掌握分析知识、选择知识、更新知识的能力。简单地说,智慧比知识更重要,过程比结果更重要,知识是启发智慧的手段,过程是结果的动态延伸。教学中能够把结果变成过程,才能把知识变成智慧。
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