科幻影视文学作品在大学物理教学中的应用——以大学物理中的“狭义相对论”课程为例

吴慧，陈国庆

（江南大学理学院，江苏无锡 214122）

《西游记》这部作品中多次提到“天上一日，就是下界一年”，虽然这句话从现代物理学理论角度去思考是不够严谨的，但这是中国古代文学作品关于时间和空间问题的一个思考，包含了过去人类关于科学的幻想和探索。而且近年来也不断涌现大量的科幻题材类的影视和文学作品，包含很多物理现象和知识，能够激发观众和读者对于科学的兴趣和探索，从而投入到科学的研究事业中。影视内容丰富，情节刺激，具有很强的直观性，能够将晦涩难懂的科学知识形象化[1]。

但是无论是电影还是文学作品都是科幻题材的作品，这类作品本身的重点是科学幻想，这其中涉及的科学内容不一定是合理的。但是观众和读者如果未受到系统的科研训练，往往很难辨别出科幻作品与真正的科学之间的区别。特别是刚刚步入大学的学生，经过高中课程的学习，学生已经掌握了一定的知识，形成了一定的科学思维，他们正跃跃欲试想要用自己学到的知识去解释实际发生的问题和对未知的世界进行大胆的猜想和探索。当学生遇到这类科幻题材的作品时，他们往往愿意与教师探讨，因此在教学的过程中学生需要正确的引导去厘清科学与幻想。

物理作为一门基础科学，其中的一些基本理论和物理思维已经渗透到其他各个科学领域。在我国的理工科人才的培养中，大学物理作为一门重要的基础必修课，起到不可替代的重要作用。一方面，大学物理对高中物理知识进行深入讲解，加深学生对高中教材中直接给出的物理定律的理解，为学生继续深入某个科学领域的学习打好基础，另一方面，大学物理课程再现物理定律的发现过程，使学生进一步了解物理研究的基本思想，培养学生严谨的科学思维和分析解决实际问题的能力。但是在学习的过程中，学生往往很难将“大学物理”中的知识点去解决现实生活中的实际问题。例如，《大学物理》课程中的“狭义相对论”部分的内容，物理场景设置理想化，理论性强，公式较为复杂，学生通常感到不知所云，难以理解，从而渐渐失去了学习的兴趣，降低了学习的积极性。如果在教学过程中，我们适当的选取一些学生感兴趣的文学影视作品，将他们融入课堂教学中，使用我们的物理知识对这些作品进行分析讨论，这样不仅能够有效地提高学生的学习积极性，还能够引导学生分辨客观存在的世界和创作者的幻想世界。

下面，我们将针对“狭义相对论”这一节的内容，引入相应的文学影视作品，加深学生对“相对论”部分的理解。我们的具体的实践方法包括3 个部分：（1）前期文学作品的深入挖掘和形式展现；（2）“狭义相对论”部分知识点的讲解；（3）影视文学作品中相关内容合理性分析。

1 文学影视作品的引入

针对“狭义相对论”这一小节的内容，上课前期我们深入了解相关的文学影视作品，结合学生关注度和当下流行趋势，寻找埋藏在这些作品背后的相关的教学内容。该文我们选取了电影《星际穿越》和科幻小说《三体》 中的一些现象与场景作为教学案例，联系大学物理中的相对论部分的内容进行分析。

1.1 《星际穿越》情景概述

《星际迷航》《星际穿越》之类的太空旅行题材的电影，将故事的背景放在实际生活中大多数人并不能接触到的广袤的宇宙中，表现了大自然和宇宙的神奇。电影中蕴含大量的物理现象，涉及牛顿运动定律、万有引力、相对论等等众多的物理知识，影片中的一切来源于科学以及合理的推论，激发了观众对于相关知识点的分析和讨论。

影片中最为温情的部分应该是男主角库珀与女儿墨菲之间的牵绊[2]。在影片中，库珀出发去寻找适合人类居住的星球之前，他和女儿两人对好手表，并约定好等库珀回来后再看两人的手表相差多少，此时墨菲是一个十岁的儿童。但是库珀离开后再回到地球，墨菲此时已是一个躺在病床上的百岁老人，而男主角库珀仍然是墨菲十岁时候的模样。另外，当男主角库珀和女主角布兰德驾驶飞船穿越虫洞去寻找星球米勒时，他们被告知米勒星球距离黑洞非常近，在米勒星球上的一小时相当于地球上的七年的时间。

1.2 《三体》概述

过去几年来在中国甚至全世界大热的长篇华语科幻小说《三体》，描述了一幅地球人类文明和三体文明在宇宙中的兴衰历程的宏伟的图景，里面的内容涉及了很多物理学特别是天文物理学的前沿问题，包括相对论、量子力学、弦理论、多维空间和黑洞等，使得更多的人对物理学以及背后的物理学原理产生兴趣。

在《三体3：死神永生》中，银河纪元409年，程心与AA 乘坐以光速分行的曲率驱动飞船，以52 小时便到达了距离他们286 光年的DX3906 恒星系。随后，程心和关一帆乘坐的亨特号以光速从低光速的黑洞逃离飞回蓝星用了16 天的时间，但是当他们再次回到这个星球的时候看到的却是完全陌生的景象，没有云天明和AA 的踪迹。原来在他们返航的这十几天中，蓝星上已经过去了1 890 多万年的时间。

看到作品中时间和空间不再是彼此完全独立的，作品中的人物在时空中随意的旅行，学生们常常会存在这样的疑问，电影小说中的情节是否真的能够实现？我们能否穿越到过去？穿越到将来？在我们的课程设计上，讲解《相对论》部分的内容的时候可以播放一段剪辑后的关于《星际穿越》和《三体》的微视频，引导学生去思考这些情节的合理性。

2 狭义相对论中的时空观——关于时空间旅行的解释

在经典力学中，牛顿和伽利略时代，物理学中存在这样的认知，时间和空间的描述具有绝对的意义，他们不受参考物质以及运动状态的影响。而在1905年，爱因斯坦提出了《狭义相对论》，表示时间和空间是可以相互转换的，不是绝对的，并得到了牛顿经典物理学所没有的重要结论，例如，长度的收缩，时间的延缓等。《狭义相对论》的提出不仅是一次对牛顿经典时空观的重大的变革，更是对我们理解时间和空间的一种挑战。但是《狭义相对论》所带来的新结论已逐不被近代物理实验所证实，例如时间的延缓效应为我们下面讨论的“时空旅行”的实现提供了理论依据。

《狭义相对论》理论有两条基本原理：相对性原理和光速不变原理。相对性原理要求一切物理定律在所有惯性系中都具有相同的表达形式。光速不变原理则表示光速在真空中是一个常量，与光源或者观测者的运动无关，不依赖于惯性系的选择[3]。在爱因斯坦提出相对论之前，迈克尔逊等人尝试用实验去证明光速是可变的，但都遭遇了失败。

基于以上两点思想，大学物理教材里常常用这样的一个简单的思想实验来证明时间不是绝对的。如图1 地面所在的坐标系为s 坐标系，火车所在的坐标系位s’坐标系，火车高度为d，相对地面以速度v 沿着x 轴正方向高速行驶。在火车内的B 点处发射光信号，光信号经过B 点正上方的平面镜反射回到B 点处。那么这样的一个事件，在s’坐标系中（图1a），发生两个事件，发射光信号的坐标为x’,时间为t1’;接收光信号的坐标为x’,时间为t2’，那么从发射光信号到接收光信号的时间间隔为Δt’=t2’-t1’=2d/c。在s 坐标系中（见图1），因为火车的移动，观测到实际发射光信号的坐标为x1, 时间为t1, 而接收到光信号的坐标为x2,t2。Δt=t2-t1 为在s 坐标系中观测到的这两个事件发生的间隔。Δx = v Δt 为这个事件间隔内过车坐过的路程，而这个Δt 时间间隔内光子走过的实际路程为通过以上的公式，我们可以得到这里我们可以看到在s 坐标系中观测到的时间间隔Δt 是大于s’ 坐标系中观测到的时间间隔Δt’，这就是著名的爱因斯坦时间延缓效应，也就是说运动着的钟比静止时走的更慢了。

图1 时间延缓的思想实验

3 影视文学作品中相关内容合理性分析

根据狭义相对论中的时间延缓效应，我们发现如果火车的运动速度v 越大，静止的处于s 坐标系中的观测者比跟随钟一起运动的处于s’ 坐标系中的观测者测的时间间隔越大。我们如果把《星际穿越》《三体》 中的飞船转换成上述思想实验中的高速运动的火车，想要穿越到未来在理论上是可行的。在《星际穿越》中，男主角库珀离开地球再次回来年龄间隔为1年左右，而处于地球上的墨菲却度过了80年左右的岁月。如果库珀想用1年的飞行时间到达80年后的地球，根据时间延缓效应公式Δt=那么库珀乘坐的飞船需要以为0.999 92倍的光速驶离地球飞行半年，再以相同的速度驶回地球飞行半年。类似地，程心和关一帆乘坐的亨特号返回蓝星用了16 天，蓝星上已经过去了1 890 多万年的时间，我们可以得到亨特号的飞行速度已经非常接近于光速了（0.999 999 999 7c）。

爱因斯坦的用光速不变的基本原理推导出了时间和空间是可以相互转变的新的时空观，彻底颠覆了我们对时间的认知。在爱因斯坦的狭义相对论的时空框架内，时空旅行可以到达未来，但是这与想要在时空中自由穿梭还有很大的差别。我们知道，宇宙空间非常非常大，而且还在不断地向外膨胀，宇宙内部构成复杂，包含恒星、星系、黑洞、白洞和虫洞等等。新闻报道中说，1977年发射的“旅行者一号”经历了40 多年的飞行仍然未真正离开太阳系（在恒星际介质中），而我们的太阳系只是宇宙中很渺小的星系，如何提高飞船的飞行速度让其接近光速旅行是我们需要解决的问题。目前在狭义相对论的框架内，飞船的不能等于或者超过光速，速度理论上只能无限接近于光速。然而在《星际穿越》《三体》等科幻类作品中，创作者多次提出离开黑洞需要飞船超光速飞行，这个看似与狭义相对论相违背。但是如果引入爱因斯坦的弯曲时空理论——广义相对论，那么利用曲率飞船进行超光速旅行也变得可行。广义相对论的提出为天体物理和宇宙学提供了理论基础，类星体、脉冲星、黑洞和引力波等等的发现和探测也有力地证明了广义相对论的正确性。但是正如劳厄在1960年的《物理学史》的附录中写到的“广义相对论对我同许多其他人一样，比狭义相对论要伤脑筋得多；实际上我在1950年前后才真正掌握了广义相对论。”[3]一般工科院校的大学物理教材只讨论狭义相对论[4]，帮助学生建立狭义相对论的时空观，广义相对论的学习需要学生具有更多的精力与知识储备。对于文学影视作品中的其余相对论的问题学生可以参考担任电影《星际穿越》首席科学顾问的诺贝尔物理学奖得主Kip Thorne 在其所著的《The Science Of Interstellar》[5]和我国理论物理学家李淼所著的《〈三体〉中的物理学习》[6]，书中详细地描述了影视文学作品背后的一些科学问题，如黑洞、引力波和多维空间等。

4 结语

该文中选取了电影《星际穿越》和科幻小说《三体》中的一些场景，结合大学物理中的狭义相对论的时空观，讨论分析这些影视文学作品场景设定的合理性以及背后的物理学原理。如今科幻题材类的影视文学作品受到广泛的关注，特别是青少年学生。而此类科幻题材类作品不等同于科普，如果将这些科幻题材作品引入传统的理论性强的大学物理课堂，联系相关的大学物理知识对相关原理进行分析，不仅能够引导学生分辨出其中夸张幻想情节，更能够吸引学生的注意力，调动学生学习积极性，加深学生对知识点的理解。