顛倒lorentz變換與經典時空觀的教學順序會否更好?

02-06

如果在教學一開始就先介紹lorentz變換，然後把經典時空觀作為近似理論引入，是否可以增進大家對於相對論的理解?

" You might ask why we cannot teach physics by just giving the basic laws on

page one and then showing how they work in all possible circumstances, as we

do in Euclidean geometry, where we state the axioms and then make all sorts of

deductions. (So, not satisfied to learn physics in four years, you want to learn it

in four minutes?) We cannot do it in this way for two reasons. First, we do not

yet know all the basic laws: there is an expanding frontier of ignorance. Second,

the correct statement of the laws of physics involves some very unfamiliar ideas

which require advanced mathematics for their description. Therefore, one needs a

considerable amount of preparatory training even to learn what the words mean.

No, it is not possible to do it that way. We can only do it piece by piece."

"Now, what should we teach first? Should we teach the correct but unfamiliar

law with its strange and difficult conceptual ideas, for example the theory of

relativity, four-dimensional space-time, and so on? Or should we first teach the

simple 「constant-mass」 law, which is only approximate, but does not involve such

difficult ideas? The first is more exciting, more wonderful, and more fun, but

the second is easier to get at first, and is a first step to a real understanding of

the first idea. This point arises again and again in teaching physics. At different

times we shall have to resolve it in different ways, but at each stage it is worth

learning what is now known, how accurate it is, how it fits into everything else,

and how it may be changed when we learn more."

——Richard P. Feynman, Robert B. Leighton, Matthew Sands The Feynman Lectures on Physics, Vol. I ,The New Millennium Edition,Mainly Mechanics, Radiation, and Heat, 2013

我認為此法也是不妥的。理由如下：

一、教育與學習的規律在於先易後難。狹義相對論時空觀效應在日常生活中是很難被察覺到的，因此加大了學生在物理直觀上認識的困難。尤其是在沒有系統了解過經典時空觀的前提之下。

二、牛頓力學的重要之處我認為有兩處。一是揭示了宏觀背景下相互作用的基本規律，二是將時間這一維度納入考慮問題的範圍。在沒有一個先期熟練掌握的基礎之上突然把時間與空間糾纏在一起，會有突兀之感不易掌握。

三、發展相對論時空觀下的力學比經典理論需要更多的數學技巧。且經典理論中加速度，力這些概念會因為過於繁雜而被動量取而代之。試問如何在學完相對論後再解釋這些重要的物理量？

四、我認為最重要的一點。自然科學的學習應當是逐漸地向學生展開一幅宏偉壯觀的物理畫卷，引人入勝。而不是用一個很強的結論覆蓋所有內容，這不是自然科學之美。之所以會有相對論，是因為經典理論出現了問題。物理學從來都沒有the gods law。符合認識自然規律的教學才是自然科學素養的培養。

時空觀的引入，一般是在初中時期。當時沒有明說，但各種速度加和、相對位置計算，皆是經典的時空觀。

初中引入洛倫茲變換，然後再將伽利略變換作為簡化引入…………先讓我緩一緩再說話……

首先，學生能否在不了解「相對運動」等基本概念的情況下，理解洛倫茲變換，這是一個很大的問題。

其二，洛倫茲變換將以何種形式教給學生，如果不涉及推導與背後物理概念的闡述，有何意義？而涉及到了推導，則要引入相對高等的數學工具，如矩陣、線性性，以及一些解方程的技巧，初學物理，如何能夠推導？

其三，如此導入，則難以形成形象的物理圖式，而對後來的理解亦有影響，洛倫茲變換的推導假設了空間的線性性，若無經典直觀的物理之修習，如何理解？

而後，在極有可能讓學生完全不理解的情況下，再導出伽利略變換，更大的可能，便是讓學生完全忘記了洛倫茲變換，到時候還要再來。同時要注意的是，心理學中的「光環效應」，初時的高難度，會對學生後期的學習產生極為不利的影響。

以上諸條，皆為重要之弊端，總而言之，此法不妥。

我覺得不妨一試，但恐怕沒有可以試驗的樣本吧。

首先，因為我們接受的都是先學習經典時空觀的教育方式，不知道先學習lorentz變換到底是什麼樣的感覺，樓上的說法我覺得不過也就是一種推測罷了。什麼叫做先易後難？如果先接受了相對論的時空觀，是不是經典時空觀就變成「難」了呢？

其次，我覺得並不能說難在數學技巧，因為對於數學知識的學習並不需要藉助於物理知識（多少是需要一些現實生活中的直觀感受，但是應該不需要物理定律的具體形式吧~），這樣我們完全可以在學習完數學知識後再介紹物理定律，從而先引入相對論時空觀並不是什麼不可能的事。

為什麼很多人（我想包括愛因斯坦）不能像接受經典時空觀一樣接受相對論呢？我想是因為不習慣（這種不習慣或者是先天的，由人腦結構決定的，又或者就是後天導致的）。但無論是先天還是後天，要想讓一個人不在學習任何知識之前就形成「自己的時空觀」是幾乎不可能的。我們天天都要看時鐘，比如現在是22點36分，我們很自然的就推測在距離自己100米的樓房內也是22點36分（把一個時鐘放遠一點，它好像沒什麼變化啊~~）；我們坐在火車裡看到旁邊的火車向後移動，其實是我們的火車啟動了，這就是我們對相對運動的直觀感受。在理想情況下，或許有個人生下來就又聾又啞又瞎，只會讀盲文（海倫凱勒其實也是長大一點以後才這樣的吧？那她應該已經形成「自己的時空觀」了....），這樣，或許他就非常適合先學習相對論的時空觀了，說不定學得比我們這些人要快很多。

最後說下我自己的感受，學物理或許的確最好是要沿著前人的思路。所以那些物理大師之所以偉大，是因為他們更善於挖掘人類的直覺，而不是因為他們有不同於一般人的直覺？或許這句話是對的，不過總感覺如果這樣，世界就太無聊了一點吧。一顆不受任何外界影響的大腦，難道不可能是一顆更出色的大腦？