文本
日裔美國物理學家加來道雄·加來道雄是紐約城市大學城市學院的理論物理學教授。他畢業於哈佛大學，在加州大學伯克利分校獲得哲學博士學位。他是《超越愛因斯坦》(與treanor合著)、《量子場論》和《超弦引論》的作者。在過去的10年裏，他也是電臺每周壹小時科學節目的主持人。
我想知道上帝是如何創造世界的，但我對這樣或那樣的特定現象不感興趣。我想知道世界的內在規律，剩下的都是細節。
-愛因斯坦
童年的兩個有趣的故事，極大地豐富了我對世界的認識，也讓我成為了壹名理論物理學家。
我記得我爸媽時不時帶我去舊金山參觀日本茶園。我蹲在那裏的壹個小水池邊，陶醉在睡蓮間緩緩遊動的五顏六色的鯉魚。這是我童年最快樂的回憶之壹。
在那個安靜的瞬間，我充滿了無限的遐想。我經常問自己壹些只有小孩子才會問的傻問題，比如池子裏的鯉魚是怎麽觀察周圍世界的。我想他們的世界壹定很精彩！
鯉魚壹生都生活在這個淺水池裏。他們認為他們的“宇宙”由黑暗的池水和睡蓮組成。他們大部分時間都在池底遊蕩，所以只隱約意識到水面之上還有另壹個外面的世界。我的世界的本質超出了他們的理解。我喜歡坐在只有幾十厘米的距離，但我們卻隔得像深淵壹樣遠。我和鯉魚生活在兩個完全不同的宇宙，從不進入彼此的世界。我們被水面上壹道薄薄的“柵欄”隔開。
我曾經想過，在水底的魚中，可能有壹些鯉魚“科學家”。我想這個鯉魚“科學家”會對那些暗示除了睡蓮之外還有另壹個平行世界的魚冷嘲熱諷。他們相信真實的東西是魚能看到和觸摸到的。泳池就是壹切。池外的無形世界沒有科學意義。
有壹次，我遇上了暴雨。我註意到成千上萬的笑聲轟擊池面。池水變得混沌，睡蓮在洶湧的水波下搖曳。在躲避風雨的同時，我想弄清楚周圍的壹切會以什麽樣的形式出現在鯉魚的眼中。在他們眼裏，睡蓮好像是自己在動，什麽也沖不走。因為就像我們看不到周圍的空氣和空間壹樣，鯉魚也看不到它們賴以生存的水，它們對睡蓮能鍛煉自己感到不解。
我認為鯉魚“科學家”會巧妙地發明壹些虛構的東西——它被稱為“力”，以掩蓋他們的無知。因為他們看不懂看不見的水面上的水波，所以會得出結論:睡蓮之所以能移動而不被觸碰，是因為有壹種看不見的神秘力量在作用於它。他們可能會給這種錯覺起壹個高深莫測的名字(比如超距作用，或者不接觸睡蓮就能移動的能力)。
我曾經想過，如果壹個鯉魚“科學家”被抓到池子裏會怎麽樣？在把它放回水池之前，它可能會瘋狂地掙紮著接受我的檢查。那麽其他鯉魚會怎麽看待這件事呢？對他們來說，這真是壹件可怕的事情。他們第壹次意識到，壹個鯉魚“科學家”從他們的宇宙中消失了。九就是這麽簡單，不留痕跡。無論他們如何在他們的宇宙中尋找，都沒有這條丟失的鯉魚的蹤跡。然而，就在幾秒鐘後，當我把它放回水池時，鯉魚“科學家”突然出現了。對於其他鯉魚來說，這真是壹個奇跡。
平靜之後，鯉魚“科學家”會講壹個真正讓他們驚喜的傳奇故事。它說:“突然間，不知何故，我被拉出了我們的宇宙(池水)，扔進了壹個看不見的世界，那裏有耀眼的亮光和我從未見過的奇怪物體。最奇怪的是，抓住我的生物壹點也不像魚。更讓我震驚的是，它反正看不到自己的鰭，但是沒有鰭還能動。感覺熟悉的自然規律已經不適合這個看不見的世界了。然後，我發現自己突然被扔回了我們的世界。”(當然，這個宇宙外旅行的故事對於鯉魚來說是怪誕的，大多數魚認為這完全是無稽之談。)
我常常想，我們就像驕傲地在池子裏遊的鯉魚。我們的壹生都在自己的“池子”裏度過，以為我們的宇宙只包含那些看得見摸得著的東西。像鯉魚壹樣，我們認為宇宙只包含熟悉的、看得見的東西。我們自鳴得意地拒絕承認，在我們的宇宙正前方還有其他平行宇宙或空間，超出了我們的理解範圍。如果我們的科學家發明了力這樣的概念，那只是因為他們看不到充滿我們周圍空間的無形振動。壹些科學家鄙視更高維度世界的想法，因為他們不能在實驗室裏方便地驗證它。
我們的宇宙可能是無數平行宇宙中的壹個。每個宇宙都通過無數的空洞——連接兩個空域的隧道——與其他宇宙相連。在這些空腔之間穿行是有可能的，但可能性很小。)
從那以後，我對高維世界的可能性產生了極大的興趣。和很多孩子壹樣，我貪婪地閱讀了這樣壹個冒險故事，故事講述了時間旅行者進入其他空間，探索我們看不到的平行宇宙，在那裏很容易讓通常的物理定律不再起作用。長大後，我想知道在百慕大三角洲神秘消失的那艘船是不是只進入了壹個空間漏洞。阿西莫夫的《基地》系列讓我驚嘆不已。書中對超空間旅行的發現導致了壹個銀河帝國的崛起。
童年的第二件事也給我留下了深刻的印象。我八歲的時候聽過壹個故事，從此它壹直留在我的腦海裏。我記得我的中學老師給全班同學講了壹個關於壹位偉大的已故科學家的故事。他們非常崇敬地談論他，稱他為整個人類歷史上最偉大的科學家。他們說很少有人能理解他的想法，但他的發現改變了整個世界和我們周圍的壹切。他們想告訴我們的很多事情我都不明白，但最讓我感興趣的是，他還沒完成自己的偉大發現就去世了。他們說他致力於這個理論很多年了，但是在他死後，他完成的論文仍然在他自己的桌子上。
我被這個故事迷住了。對於壹個孩子來說，這是非常神秘的。他未完成的作品是什麽？他桌上的論文是什麽內容？什麽問題可能這麽難解決，這麽重要，值得這麽偉大的科學家花壹輩子在這種研究上？出於好奇，我決定盡可能地了解愛因斯坦和他未完成的理論。我記得我花了很多時間靜靜地閱讀我能找到的關於這位偉人和他的理論的每壹本書。這段記憶依然溫暖如春。我看完了當地圖書館的書後，就開始找遍全城的圖書館和書店，急切地尋找相關線索。我很快了解到，這個故事比任何神秘的謀殺故事都更令人興奮，比我想象的任何事情都更重要。我決定把這個秘密弄個水落石出，即使為此我不得不成為壹名理論物理學家。
很快，我知道愛因斯坦那篇未完成的論文就是他試圖建構的所謂統壹場論。這個理論可以解釋從小碼到浩瀚星系的所有自然規律。但是，作為壹個孩子，我無法理解茶園水池裏遊來遊去的鯉魚和愛因斯坦桌上那篇未完成的論文之間可能存在某種聯系。我不明白使用更高維度可能是解決統壹場論的關鍵。
後來到了高中，在當地圖書館看完了很多書，也經常去斯坦福大學的物理圖書館看看。在那裏，我發現愛因斯坦的工作使得壹種叫做反物質的新物質成為可能。這種物質的作用方式和普通物質壹樣，但當它接觸到普通物質時，就會湮滅，突然釋放能量。我也知道科學家建造了壹些大型儀器，或者說“原子對撞機”，可以在實驗室裏產生少量這種奇怪的物質，也就是反物質。
年輕人的壹個優勢就是不會被世俗的約束所嚇倒，這通常是大多數成年人似乎很難超越的。沒有考慮其中的困難，我開始建造自己的原子對撞機。我壹直在研究科學文獻，最後我確定我可以造出壹個所謂的電子感應加速器，可以把電子加速到百萬電子伏(654.38+0百萬電子伏是指電子在654.38+0百萬伏的電場中加速後得到的能量)。
先買了少量鈉22，鈉22是壹種放射性物質，可以自然放出正電子(電子的反物質)。然後我建了壹個雲室，在雲室裏我可以看到亞原子粒子留下的痕跡。這樣我就可以在雲室裏拍出幾百張反物質留下的漂亮照片。然後，我在周邊搜索了大量的電子倉庫，組裝了必要的硬件設備，包括數百磅(1磅=454克)的廢鋼，在我的車間裏建造了壹臺230萬電子伏的電子感應加速器，完全有能力產生壹束反電子。為了產生電子感應加速器所必需的巨大磁場，我說服了父母，讓他們幫我在我讀高中的學校的足球場上纏繞22英裏(1英裏=1.61米)的銅線。我們在這條50碼(1碼=0.91米)的線上度過了整整壹個聖誕假期，纏繞並安裝了笨重的線圈，這些線圈會使高能電子的運動路徑發生彎曲。
當它最終建成時，這臺300磅、6千瓦的電子感應加速器消耗了我家產生的每壹點能量。我接的時候壹般都會把每個保險絲都燒斷，房間就變得壹片漆黑。當房子處於黑暗中時，母親經常周期性地搖頭。我想我媽媽很疑惑，他不能有壹個在棒球場或籃球場打球的兒子，卻有壹個在車庫裏造巨大電子儀器的兒子。令我欣慰的是，壹種儀器已經成功產生了比地磁場強2萬多倍的磁場，這是加速壹束電子所必需的。
教學計劃
壹.作者簡介
加來道雄，日裔美國物理學家，畢業於美國哈佛大學，獲加州大學柏克萊分校哲學博士學位，後在紐約市立大學城市學院擔任理論物理教授。主要著作包括《超越愛因斯坦》(與崔納合著)、《量子場論》和《超弦引論》。
二、相關知識
為了更好地理解課文，我們需要了解壹些相關的理論物理知識:
(1)統壹場論
根據現代物理學的知識，有四種力聯合我們的宇宙:引力、電磁力、強核力和弱核力。物理學家利用量子力學統壹了後三種力(美籍華人物理學家楊振寧和他的學生米爾斯提出了楊毅米爾斯場論，解決了這個問題，被稱為“標準模型”。但是這個理論很頭疼，因為計算復雜，但是引力還是自由的。愛因斯坦壹生都在努力尋求四種力的統壹，建立統壹的理論，但始終沒有實現。
(2)高維空間
現代理論物理認為，統壹四種力的前景在於高維空間(如十維或更高維)理論的建立。比如對於古人來說，他們對風暴是如何產生的，風暴會襲擊哪裏，什麽時候會襲擊，什麽時候會結束壹無所知，因為他們生活在平坦的土地上，只能從類似二維平面的角度用肉眼觀察。即使有簡單的預測，他們也是依靠經驗來推測。現在有了氣象衛星，我們可以像太空壹樣從三維視角觀察地球。在地面上，可以清楚地看到神秘的風暴，並可以準確地預測風暴的趨勢。同樣，理論物理學家認為傳統的四維(三維空間加時間)理論太小，無法解釋宇宙中的四種力。當他們超越四維，尋求在更高維度(比如十維或更高維度)統壹這四種力時，就可以得到壹個簡單而美好的解模型(科學家認為宇宙應該是簡單和諧的)。
根據高維空間理論，BIGBANG後10-43秒，十維宇宙分解成四維和六維宇宙，四維宇宙爆炸，經過近150億年，演變成我們今天生活的宇宙。10-大爆炸後35秒，大團結被壹股力量割裂。但是高維空間的理論很難在實驗室得到證實，因為模擬當時的環境需要耗費太多的能量，所以高維空間的理論現在只能是“理論”。
演示教案
物理學家的教育課程
教學目標
壹，知識教育的目標
引導學生從生活出發，了解科學，認識科學。
二、能力培養目標
引導學生聚焦“教育過程”，探究其中所表達的思想內涵。
第三，德育滲透的目標
引導學生理解科學精神。
重點、難點和解決方案
高維空間是常人難以想象的。所以教學的重點是文章的內容，而不是相關的科學知識。懂點相關知識的老師可以幫忙教課文，不壹定非要教給學生。
課時安排1課時
教學步驟
第壹，新課程的引入
成為壹名科學家是無數有誌青年的夢想，對物理的探索是很多青年學生努力的方向。讓我們看看加來道雄的成長之路，或許能從中得到壹些啟發。
(板書)物理學家的教育課程
第二，明確目標
1.引導學生從生活出發，了解科學，認識科學。
2.引導學生聚焦“教育過程”，探究其中所表達的思想內涵。
第三，整體感知
1.作者簡介
加來道雄，日裔美國物理學家，畢業於美國哈佛大學，獲加州大學柏克萊分校哲學博士學位，後在紐約市立大學城市學院擔任理論物理教授。主要著作包括《超越愛因斯坦》(與崔納合著)、《量子場論》和《超弦引論》。
2.本文的基本結構。
文章題目是《壹個物理學家的教育歷程》，所以敘述順序以歷時性為主。但作者在開頭說“童年的兩件趣事極大地豐富了我對世界的理解，並引導我成為壹名理論物理學家。”《關於童年的兩件趣事》作為文章的主要內容，是對* * *的敘述。這種結構安排使文章既清晰又重點突出。結構如圖所示:
童年青年(成人)
鯉魚世界的幻想(想象)
實驗(理論物理學家)
愛因斯坦的故事(理論)
3.本文的基本內容。
每個人都對自然充滿好奇，以自己喜歡的形式尋求自然的“答案”，但大多數人壹般都是直接探索自然本身，而作者則從人類觀察的角度反思人類對宇宙的認知。看來作者少年時的思維是超越同齡人的。其實只是他發揮了自己的想象力，保持了這樣壹種奇特的想象力，為他探索高維空間理論奠定了基礎。②作者少年時接觸到愛因斯坦的“未竟事業”，引起了他的探究興趣。他覺得“刺激”，是因為他把愛因斯坦的理論當成“偵探小說”來讀和探討，非常符合青少年的心理。另外，“我決定要把這個秘密弄個水落石出”也顯示了他的毅力，這是成為科學家的基本素質。③高中時期，本該“在棒球場或籃球場上玩耍”，盡情享受青春，但作者“在周邊地區搜羅了大量電子倉庫，組裝了必要的硬件設備”，“在學校足球場上纏繞了22英裏的銅線”，並自己搭建了壹個實驗室，驗證愛因斯坦的理論，探索反物質。作者辛苦而枯燥的工作表現了他對科學的熱愛，他腳踏實地的個性和壹個科學工作者的潛力。從① ②到③，我們可以清楚地看到作者的“教育歷程”和“教育內容”。
四、重點和難點學習及目標完成過程
1.這篇文章的材料處理有什麽特點？
明確這篇文章的布局重點突出，細節處理得當。整體而言，作者並沒有按時間順序敘述從童年到小學到初中再到高中，而是通過童年的兩個有趣故事和高中建立實驗室的例子，突出了他成為“物理學家”的“教育過程”，與其他成長經歷無關；部分如高中，筆者看過很多關於統壹場論的書，也經常去斯坦福大學的物理圖書館。關於相關理論書籍如何啟發和指導他的研究，肯定有很多精彩的故事，但作者只涉及到了壹點，重點是做自己的原子對撞機。具體數據描述詳細，讓人體會到作者嚴謹踏實的性格和內在成為物理學家的基本需求。
2.問這篇文章體現了什麽樣的科學精神？
界定本文的三個主要部分，並不是簡單的壹個成長故事，而是科學精神的深刻內涵，從中可以看出“學歷”的哪些方面對成為壹名優秀的科學家最重要。
(1)想象力:科學需要想象力，想象力能帶來創造力。正是從鯉魚世界的想象中，作者認識到了人類觀察空間的局限性，間接認識到了高維空間的可能性。從感性想象到理性創造，體現了創新意識和探索精神。
(2)趣味性:科學不應該枯燥，而應該充滿樂趣。探索大自然的奧秘，是與大自然類似捉迷藏的“遊戲”，是真正科學家的人生“境界”。“遊戲”讓他們樂在其中，充滿激情，不受外界幹擾；而“境界”讓他們不顧功利，不畏強權，只求真理。
(3)實驗精神:丁肇中說:“現代學術的基礎是田野探索，也就是我們現在所說的實驗。”“科學發展的歷史告訴我們，新知識只能通過實地實驗獲得，而不是通過自省或哲學空談。”有想象力，有樂趣，只是成為科學家最基本的因素。不紮紮實實做實驗，就得不到基礎數據，假說也就無法成立。壹味做白日夢，不做基礎工作，是不可能到達真理的彼岸的。雖然作者的高維空間理論還停留在紙面上，但科學家們壹直在做大量的基礎實驗工作，試圖證明該理論。就算科學家霍金用睿智的頭腦創造了黑洞理論，也必須有數學和天體物理學的實驗基礎，不是天方夜譚。
3.問“鯉魚科學家”他們對“世界”的理解是什麽？
主要有以下幾點:(1)“池外看不見的世界沒有科學意義。”(2)“他們對睡蓮能自己移動感到不解”——他們用神秘的“力量”掩蓋自己的無知。(3)“鯉魚科學家”的“消失”和“再現”——他們認為這是“奇跡”，是“可怕的事情”，拒絕探究原因。(4)“鯉魚科學”的“傳奇故事”確實證明了另壹個世界的存在，但他們卻認為這是“無稽之談”，可笑至極，違背了他們的“自然法則”。
4.作者想通過“鯉魚科學家”對世界的理解來說明什麽？
明確說明“自以為是”的人類類似於“鯉魚科學家”。(1)人類“在我們自己的池子裏度過壹生”，只要有壹種自然存在“超出我們的理解”，他們就“拒絕承認”。(2)“科學家發明力之類的概念……”因為他們只願意承認“那些看得見摸得著的東西”，拒絕改變思維方式。(3)他們“鄙視”那些“在實驗室裏無法方便驗證”的理論，表現出思想上的保守和固執。
5.閱讀提問文中的兩小段太空探險故事和統壹場論書籍，對描述“教育過程”有什麽作用？
很明顯，文中的重點是童年的樂趣和實驗室的建立。這三個例子已經完整地勾勒出了“教育過程”。而夾雜在其中的兩個小例子主要起到補充和銜接的作用。冒險故事加深作者對高維空間的想象，激發興趣；閱讀統壹場論書籍，既體現了作者高中時期對知識的熱衷，也連接了從理論到實驗的探究過程。
6.提問者說:“我已經決定要把這個問題弄個水落石出，哪怕為此我不得不成為壹名理論物理學家。”作者心目中的“理論物理學家”應該是壹個什麽樣的人？
很顯然，理論物理學家的工作是抽象而枯燥的，而且由於實驗條件的限制，他們的理論很難用實驗來證明，甚至他們可能直到去世也不會有什麽成就。這樣的人壹定要耐得住寂寞，要有奉獻精神。“勤奮”就是“理論物理學家”的艱辛。
7.請作者為我們的現實生活設立壹個實驗室有什麽意義？
很清楚，科學是以基礎實驗為基礎的，科學理論只有經過實驗的檢驗才能得到論證。實驗不是簡單的操作，它需要理論指導、實驗設計、計劃和組織能力、耐力和毅力等。實驗很考驗實驗者的綜合能力。而我們現在的問題是重視理論，輕視基礎實驗，表現為動手能力和實踐能力差，思維浮躁，急功近利。就教育而言，重視知識，忽視能力是普遍現象。這些都是壹個理論物理學家重視實驗，在現實生活中給我們的啟示。
整體把握
1.文章特點:(1)結構:
文章題目是《壹個物理學家的教育歷程》，所以敘述順序以歷時性為主。但作者開篇就說“童年的兩件趣事，極大地豐富了我對世界的認識，引導我成為壹名理論物理學家”。《關於童年的兩件趣事》作為文章的主要內容，是對* * *的敘述。這種結構安排使文章既清晰又重點突出。結構如圖所示:
(2)內容:
每個人都對自然充滿好奇，以自己喜歡的形式尋求自然的“答案”，但大多數人壹般都是直接探索自然本身，而作者則從人類觀察的角度反思人類對宇宙的認知。看來作者少年時的思維是超越同齡人的。其實只是他發揮了自己的想象力，保持了這樣壹種奇特的想象力，為他探索高維空間理論奠定了基礎。②作者少年時接觸到愛因斯坦的“未竟事業”，引起了他的探究興趣。他覺得“刺激”，是因為他把愛因斯坦的理論當成“偵探小說”來讀和探討，非常符合青少年的心理。另外，“我決定要把這個秘密弄個水落石出”也顯示了他的毅力，這是成為科學家的基本素質。③高中時期，本該“在棒球場或籃球場上玩耍”，盡情享受青春，但作者“在周邊地區搜羅了大量電子倉庫，組裝了必要的硬件設備”，“在學校足球場上纏繞了22英裏的銅線”，並自己搭建了壹個實驗室，驗證愛因斯坦的理論，探索反物質。作者辛苦而枯燥的工作表現了他對科學的熱愛，他腳踏實地的個性和壹個科學工作者的潛力。從① ②到③，我們可以清楚地看到作者的“教育歷程”和“教育內容”。
(3)細節:
這篇文章的布局重點突出，細節恰當。整體而言，作者並沒有按時間順序敘述從童年到小學到初中再到高中，而是通過童年的兩個有趣故事和高中建立實驗室的例子，突出了他成為“物理學家”的“教育過程”，與其他成長經歷無關；部分如高中，筆者看過很多關於統壹場論的書，也經常去斯坦福大學的物理圖書館。關於相關理論書籍如何啟發和指導他的研究，肯定有很多精彩的故事，但作者只涉及到了壹點，重點是做自己的原子對撞機。具體數據描述詳細，讓人體會到作者嚴謹踏實的性格和內在成為物理學家的基本需求。
2.科學精神:
論文的三個主要部分並不是簡單的講述成長的故事，而是有著深刻的科學精神內涵，從中可以看出要成為優秀的科學家，哪些方面的“教育”是最重要的。
⑴想象力:科學需要想象力，想象力能帶來創造力。正是從鯉魚世界的想象中，作者認識到了人類觀察空間的局限性，間接認識到了高維空間的可能性。從感性想象到理性創造，體現了創新意識和探索精神。
(2)趣味性:科學不應該枯燥，而應該充滿樂趣。探索大自然的奧秘，是與大自然類似捉迷藏的“遊戲”，是真正科學家的人生“境界”。“遊戲”讓他們樂在其中，充滿激情，不受外界幹擾；而“境界”讓他們不顧功利，不畏強權，只求真理。
⑶實驗精神:丁肇中說:“現代學術的基礎是田野探索，也就是我們現在所說的實驗。”“科學發展的歷史告訴我們，新知識只能通過實地實驗獲得，而不是通過自省或哲學空談。”有想象力，有樂趣，只是成為科學家最基本的因素。不紮紮實實做實驗，就得不到基礎數據，假說也就無法成立。壹味做白日夢，不做基礎工作，是不可能到達真理的彼岸的。雖然作者的高維空間理論還停留在紙面上，但科學家們壹直在做大量的基礎實驗工作，試圖證明該理論。就算科學家霍金用睿智的頭腦創造了黑洞理論，也必須有數學和天體物理學的實驗基礎，不是天方夜譚。