課文
加來道雄加來道雄，美籍日裔物理學家，紐約市立大學城市學院理論物理學教授。他畢業於哈佛大學，獲得加利福尼亞大學伯克利分校哲學博士學位。他是《超越愛因斯坦》(與特雷納合著)、《量子場論》和《超弦導論》諸書的作者。在過去的10年裏，他還是廣播電臺每周壹次壹小時科學節目的主持人。
我想知道上帝怎樣創造了這個世界，對這樣或那樣的具體現象我不太感興趣。我想知道世界的內在規律，其余則是細枝末節。
——愛因斯坦
童年的兩件趣事極大地豐富了我對世界的理解力，並且引導我走上成為壹個理論物理學家的歷程。
記得那時我的父母不時帶我去舊金山遊覽的日本茶園。我蹲在那裏的壹個小池邊，為慢慢暢遊在水底睡蓮之中五彩斑斕的鯉魚所陶醉。這是我最快樂的童年記憶之壹。
在那靜靜的時刻，我充滿了無限的遐想。我常常給自己提壹些只有小孩才問的傻乎乎的問題，比如水池中鯉魚怎樣觀察它們周圍的世界。我想，它們的世界壹定奇妙無比!
鯉魚們的壹生就在這淺淺的水池中度過。它們相信它們的“宇宙”就有陰暗的池水和睡蓮構成。它們大部分時間在池底漫遊，因此它們只模糊地意識到在水面之上存在有另壹個外部世界。我的世界的本質超過了它們的理解能力。我喜歡坐在距離利於僅僅幾十厘米的地方，然而，我們之間卻如距深淵。鯉魚和我生活在兩個截然不同的宇宙之中，從來不進入對方的世界，我們之間被水面這壹薄薄的“柵欄”分隔開來。
我曾想：在水底的魚群中可能有壹些鯉魚“科學家”。我想這個鯉魚“科學家”會對那些提出在睡蓮之外還存在有另外壹個平行世界的魚冷嘲熱諷。他們認為，真實存在的事物就是魚兒們看得見摸得著的。水池就是壹切。水池之外看不見的世界沒有科學意義。
有壹次，我遇到了壹場暴雨。我註意到成千上萬的笑語地轟擊在池水的表面。池水變得混亂，誰中的睡蓮在洶湧不息的水波沖刷下搖擺不定。在躲避風雨之時，我想弄清楚周圍發生的壹切將會以怎樣的形式呈現在鯉魚們的眼中。在它們看來，睡蓮似乎是自己在運動，沒有任何東西沖刷它們。因為就像我們看不見我們周圍的空氣和空間壹樣，鯉魚們也看不見它們賴以生存的水，它們為睡蓮自己能夠運動而困惑不解。
我想，鯉魚“科學家們”將會聰明地杜撰某種虛構的東西——它被稱為“力”，來掩蓋自己的無知。由於不能理解在看不見的水面上存在的水波，它們將得出這樣壹個結論：睡蓮之所以能夠不被觸摸而運動，是因為有壹種看不見的神秘力在對它起作用。它們可能給這種錯覺起壹個高深莫測的名稱(如超距作用，或沒有任何接觸睡蓮即會運動的能力)。
我曾想，如果在池水中抓出壹個鯉魚“科學家”，事情將會怎麽樣呢?放回池水之前，它可能隨著我的查看而狂亂掙紮。那麽別的鯉魚又將怎樣看待這件事呢?對於它們而言，這確實是壹件可怖的事情。它們第壹次意識到有壹位鯉魚“科學家”從它們的宇宙中消失了。九那麽簡簡單單，沒有留下任何蹤跡。不管在它們的宇宙中怎麽尋找，就是沒有這條丟失的鯉魚的蹤影。然而，就那麽幾秒鐘，當我把它放回池水之後，這位鯉魚“科學家”便突然冒了出來。對於別的鯉魚而言，這真是壹個奇跡。
待神智鎮定之後，這位鯉魚“科學家”就會講述壹個真正令它們驚詫不已的傳奇故事。它說：“突然之間，不知怎的我就被拉出了咱們的宇宙(池水)，投進了壹個冥冥世界，那裏有令人目眩的強光和我從未見過的奇形怪狀的物體。最奇怪的是那個抓住我的生物竟然壹點也不像魚。更使我震驚的是，無論如何也看不到它的鰭，但是沒有鰭它還是能夠運動。我感覺到熟習的自然規律不再適合於這個冥冥世界。隨後，我發現自己突然又被扔回了咱們的世界。”(當然，這個到宇宙之外壹遊的故事對於鯉魚是怪誕的，大多數魚都認為這完全是胡說八道。)
我常想，我們就像自鳴得意地在池中遊動的鯉魚。我們的壹生就在我們自己的“池子”裏度過，以為我們的宇宙只包含那些看得見摸得著的事物。就像鯉魚壹樣，我們認為宇宙之中只包含有熟習可見的東西。我們自以為是地拒絕承認就在我們的宇宙跟前存在有別的平行宇宙或*空間，而這些都超出了我們的理解力。如果我們的科學家發明像力這樣壹些概念，那僅僅是因為他們不能用眼見演出充滿於我們周圍空間的不可看見的各種振動。壹些科學家鄙視更高維數世界的說法，是因為他們不能在實驗室裏便利地驗證它。
(我們宇宙或許是無數個平行宇宙中的壹個。每壹個宇宙通過無窮多的蛀洞——連通兩個是空域的隧道——跟其他宇宙相連。在這些蛀洞之間旅行是可能的，但可能性又微乎其微。)
此後，我壹直對存在高維世界的可能極感興趣。像許多孩子壹樣，我貪婪地閱讀這樣壹類歷險故事，其中講述的是時間旅行者進入別的*空間，探索我們看不見的平行宇宙，在那裏能很容易使通常的物理定律不再起作用。我長大後想知道，是否在百慕大三角洲神秘失蹤的船只進入了壹個空間漏洞，我對阿西莫夫的《基地》系列驚嘆不已，書中超維空間旅行的發現導致了壹個銀河帝國的興起。
童年時的第二件事也給我留下深刻的印象。我八歲時曾聽過壹個故事，此後它壹直留在我的腦海裏。記得我的中學老師給班裏講了壹個已故偉大科學家的故事。他們及其崇敬地講到他，稱他是整個人類歷最偉大的科學家。他們說很少有人能夠理解他的思想，但是他的發現卻改變了整個世界和我們周圍的壹切。我不理解他們想告訴我們的許多東西，但是最使我對此人感興趣的是他未能完成自己的偉大發現就撒手人寰。他們說他多年潛心於這個理論，但是他死之後，他的為完成的論文仍然擺放在他自己的辦公桌上。
我被這個故事迷住了。對於壹個孩子，這是很神秘的。他未完成的工作是什麽?他桌上論文的內容是什麽?什麽問題可能會如此難以解決而又非常重要，值得如此偉大的科學家把他的有生之年花費在這種研究之中?由於好奇，我就決定學習我能學到的關於愛因斯坦的壹切以及他未完成的理論。我記得，我花了好多時間靜靜閱讀我能找到的關於這個偉人和他的理論的每壹本書。這種記憶到現在仍然溫暖如春。我讀完當地圖書館的書之後，就開始在全市搜尋圖書館和書店，急切地查找有關線索。不久我就知道這個故事比任何神秘謀殺故事更加激動人心，也比我想象的任何事情都重要。我決定要對這壹秘密刨根究底，縱然因此而必須成為壹名理論物理學家也在所不辭。
不久，我就知道愛因斯坦未完成的論文就是他企圖構造的所謂的統壹場論。這個理論能解釋所有的自然規律，從細小的院子到浩瀚的星系。然而，作為壹個孩子，我卻不能理解，暢遊在茶園池中的鯉魚和愛因斯坦桌上未完成的論文可能存在著某種聯系。對於用更高的維數可能是解決統壹場論的關鍵這壹點我不理解。
後來，在高中階段，我看完了許多地方圖書館中這方面的書，並且常常造訪斯坦福大學的物理學圖書館。在那裏，我發現愛因斯坦的工作使壹種稱為反物質的新型物質稱為可能。這種物質的作用形式與普通物質壹樣，但與普通物質接觸之後它們將會湮沒，並且猛然釋放出能量。我也知道科學家已經建造了壹些大型儀器，或者說是“原子對撞機”，這種儀器可以在實驗室裏產生微量的這種奇異物質，即反物質。
年輕人的壹個優點就是不會由於世俗的約束而畏葸不前，而這種約束對於大多數成年人而言通常似乎又很難超越。沒有考慮所要涉及的困難，我就開始著手建立我自己的原子對撞機。我壹直研究科學文獻，最後我確信能夠建造壹臺所謂的電子感應加速器，這種敬愛蘇啟能把電子加速到數百萬電子伏特(100萬電子伏特是指電子在100萬伏特的電場中被加速後所獲得的能量)。
首先，我購買了少量的鈉22，它是壹種能夠自然地放射正電子(電子的反物質)的放射性物質。然後我建造了壹個雲室，在雲室中可以看到亞原子粒子留下的蹤跡。這樣我就能夠拍下好幾百張由反物質留在雲室中的精美照片。緊接著，我找遍周邊地區大量的電子倉庫，裝配必須的硬件設備，包括好幾百磅(1磅=454克)中的廢品處理鋼，在我的車間建造壹個2.3百萬電子伏特的電子感應加速器，這個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，我說服我的父母親讓他們幫助我在我讀高中的那個學校的足球場中纏繞22英裏(1英裏=1.61米)場的銅線。我們把整整壹個聖誕假日花費在這條50碼(1碼=0.91米)場的線路上，纏繞和安裝笨重的線圈，這種線圈將使高能電子的運動路徑發生彎曲。
當最後建成時，這個300磅重、6千瓦的電子感應加速器耗掉了我屋子中所產生的每壹點能量。當我接通它後，通常總是燒斷每壹根保險絲，屋子變得漆黑壹團。在屋子周期性陷入黑暗的同時，媽媽常常在搖頭。(我想，媽媽對於他不能由壹個在棒球場或籃球場玩耍、反而有壹個在汽車間建造壹架巨大的電子儀器的兒子而困惑不解。)使我感到欣慰的是，壹儀器成功產生了比地磁場強兩萬多倍的磁場，而這正是加速壹束電子所必需的。
教案
背景資料壹、作者介紹
加來道雄，美籍日裔物理學家，畢業於美國哈佛大學，獲加利福尼亞大學伯克利分校哲學博士學位，後任紐約市立大學城市學院理論物理學教授。主要著作有《超越愛因斯坦》(與特雷納合著)《量子場論》《超弦導論》。
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學知識：
(1)統壹場論
根據現代物理學知識，將我們的宇宙結合起來的力有四種：引力、電磁力、強核力和弱核力。物理學家運用量子力學，已經把後三種力統壹起來(美籍華裔物理學家楊振寧和他的學生米爾斯提出楊壹米爾斯場理論，解決了這壹問題，被稱為“標準模型”。但是這壹理論因為計算繁復無比而讓人頭疼)，但是引力仍然遊離在外。愛因斯坦畢終生之力想尋求四種力的統壹，建立壹個大壹統的理論，最終也沒有實現。
(2)高維空間
現代理論物理學認為，統壹四種力的前景，在於高維空間(如十維或更高)理論的確立。比如對於古人來講，風暴是怎樣產生的，風暴會襲擊什麽地方，什麽時候襲來，什麽時候結束，他們是壹無所知的，因為他們生活在平坦的大地上，只能靠肉眼從近似於二維平面的角度來觀察，即使有簡單的預報，也都是靠經驗來推測的。現在有了氣象衛星，從太空這樣三維角度觀察地球，在地面上看來神秘莫測的風暴被看得壹清二楚，可以精準地預報風暴的動向。同樣，理論物理學家認為，傳統的四維(空間三維加上時間)理論太“小”，不能解釋宇宙中的四種力。當他們超越四維而在更高維(如十維或更高)中尋求統壹這四種力時，就能得到壹種簡單、漂亮的解決模型(科學家認為宇宙應該是簡單、合諧的)。
高維空間理論認為，宇宙大爆炸後10-43秒，十維宇宙分解成四維宇宙和六維宇宙，四維宇宙暴脹，經過近壹百五十億年，演變成今天我們生活的宇宙。大爆炸後10-35秒，大統壹力分開。但是高維空間理論很難在實驗室中得到證實，因為要模擬當時的環境，需要的能量太大，根本無法做到，所以現在高維空間理論只能是“理論”。
示範教案
壹名物理學家的教育歷程
教學目標
壹、知識教育目標
引導學生從生活出發，了解科學、認識科學。
二、能力培養目標
引導學生以“教育歷程”為重點，探討其中表現的思想內涵。
三、德育滲透目標
引導學生體會科學精神。
重點、難點及解決辦法
高維空間對普通人來說，是很難想像的。所以，教學重點是文章內容，而不是相關的科學知識。相關知識教師有所了解，能幫助教學課文即可，不必教授給學生。
課時安排1課時
教學步驟
壹、導入新課
成為壹位科學家是無數有誌青年的夢想，對物理的探究更是許多年輕的學子孜孜以求的，我們來看壹下加來道雄的成長道路，或許能得到壹些啟發。
(板書)壹名物理學家的教育歷程
二、明確目標
1.引導學生從生活出發，了解科學、認識科學
2.引導學生以“教育歷程”為重點，探討其中表現的思想內涵。
三、整體感知
1.作者簡介
加來道雄，美籍日裔物理學家，畢業於美國哈佛大學，獲加利福尼亞大學伯克利分校哲學博士學位，後任紐約市立大學城市學院理論物理學教授。主要著作有《超越愛因斯坦》(與特雷納合著)《量子場論》《超弦導論》。
2.本文的基本結構
文章的題目是“壹名物理學家的教育歷程”，因此，敘述的順序主要是歷時性的。但是，作者開頭就說“童年的兩件趣事極大地豐富了我對世界的理解力，並且引導我走上成為壹個理論物理學家的歷程。”而“童年的兩件趣事”作為文章的主要內容，又是***時性的敘述。這樣的結構安排，使文章既脈絡清楚，又重點突出。結構如圖：
童年青年(成年)
鯉魚世界的幻想(想像)
實驗(理論物理學家)
愛因斯坦故事(理論)
3.本文的基本內容
①人人都對自然感到好奇，都以自己喜愛的形式尋求自然的“謎底”，但是大多數人壹般直接探尋自然本身，而作者卻由人的觀察角度，反思人類對宇宙的認知。看似作者少年時的思維超出同齡人，其實只是他充分發揮了自己的想像力，並且保持了這樣奇特的想像力，由此奠定了他對高維空間理論探究的基礎。②作者少年時接觸到愛因斯坦的“未竟事業”，激發了他的探究興趣。他之所以感到“激動人心”，是因為他把愛因斯坦的理論當成壹個“偵探故事”來閱讀、探究，這非常符合少年的心理。另外，“我決定要對這壹秘密刨根問底”，也表現了他有毅力有恒心的性格，這是成為科學家的基本素質。③高中時代，本應“在棒球場或籃球場玩耍”，享受青春年華，但作者卻“找遍周邊地區大量的電子倉庫，裝配必需的硬件設備”，在“學校的足球場中纏繞22英裏長的銅線”，自己動手建設實驗室，驗證愛因斯坦理論，探究反物質。作者進行這樣艱苦枯燥的工作，體現了他對科學的熱愛，以及踏實的性格，顯露出壹個科學工作者的潛能。由①②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、難點的學習與目標完成過程
1.提問本文在材料處理上有什麽特點?
明確本文布局謀篇重點突出，詳略得當。在整體上，作者並沒有從童年到小學到初中到高中，按時間順序敘事，而是通過童年的兩件趣事和高中時建立實驗室的事例，突出他成長為壹名“物理學家”的“教育歷程”，並不旁及其他成長的經驗;在局部上，如高中階段，作者看了許多統壹場理論方面的書，並常常去斯坦福大學的物理圖書館，相關的理論書籍是怎樣啟發、引導他研究的，這裏肯定有許多精彩的故事，但是作者只是壹筆帶過，重點放在制造“自己的原子對撞機”上，其中具體的數據敘述得很詳盡，讓人體會到作者嚴謹、踏實的性格，以及內在的成為物理學家所需要的基本素質。
2.提問本文體現了怎樣的科學精神?
明確本文三個主要部分，並不是簡單地敘述成長的故事，而是具有深刻的科學精神內涵，可以從中看到哪些方面的“教育”對成為優秀科學家最為重要。
(1)想像力：科學是需要想像力的，想像力能帶來創造力。作者正是從對鯉魚世界的想像中，認識到人類觀察空間的局限性，間接感悟到高維空間存在的可能。由感性的想像上升到理性的創造，體現了創新意識和探索精神。
(2)樂趣：科學不應該是枯燥的，而是應該充滿樂趣的。探尋自然的奧秘，對真正的科學工作者來說，是和自然做的近似於捉迷藏的“遊戲”，也是人生的“境界”。“遊戲”使他們樂此不疲，充滿激情，不受外界的*和幹擾;而“境界”使他們不顧功利，不畏強權，只求真理。
(3)實驗精神：丁肇中說過：“現代學術的基礎就是實地的探察，就是我們現在所謂的實驗。”“科學發展的歷史告訴我們，新的知識只能通過實地實驗而得到，不是由自我檢討或哲理的清談就可求到的。”(《應有格物致知精神》)有了想像力，有了樂趣，那只是成為科學家的最基礎的因素，不去踏踏實實地做實驗，就不能得到基本數據，假說就不能確立。壹味地空想，不去做基礎工作，不可能達到真理的彼岸。作者從事的高維空間理論，雖然還停留在紙面上，但是科學家們已經在做許多基礎的實驗工作，努力使理論得到證明。即使如科學家霍金靠睿智的頭腦創建黑洞理論，也要有數學和天體物理學的實驗基礎，也不是空想出來的。
3.提問“鯉魚科學家”對“世界”的認識是怎樣的?
明確主要有以下幾點：(1)“水池之外看不見的世界沒有科學意義。”(2)“它們為睡蓮自己能夠運動而困惑不解”——它們以神秘的“力”來掩蓋自己的無知。(3)“鯉魚科學家”的“消失”和“重現”——它們認為是“奇跡”，是“可怖的事情”，而不肯去探究原因。(4)“鯉魚科學”的“傳奇故事”，真實地證明另壹個世界的存在，而它們卻認為“胡說八道”，荒謬絕倫，違背它們的“自然規律”。
4.提問作者想通過“鯉魚科學家”對世界的認識說明什麽?
明確說明“自以為是”的人類和“鯉魚科學家”有相似之處。(1)人類“壹生就在我們自己的‘池子’裏度過”，只要“超出我們的理解力”的自然存在，他們就“拒絕承認”。(2)“科學家發明像力這樣壹些概念……”，是因為他們只願意承認“那些看得見摸得著的事物”，不肯改變思考問題的方式。(3)“不能在實驗室裏便利地驗證”的理論，他們就加以“鄙視”，表現出思想上的保守和固執。
5.提問課文中閱讀*空間歷險故事和統壹場理論書籍兩小段內容，對“教育歷程”的敘述有什麽作用?
明確課文的重點是童年趣事和建立實驗室，這三個事例已經把“教育歷程”完整地勾畫出來。而夾雜在其中的兩個小事例，主要起補充和銜接的作用。歷險故事加深作者對高維空間的想像，激發興趣;而閱讀統壹場理論書籍，既表現高中階段作者求知的熱情，也銜接起由理論到實驗的探究過程。
6.提問作者說“我決定要對這壹問題刨根問底，縱然為此而必須成為壹名理論物理學家也在所不辭。”在作者心中“理論物理學家”應該是怎樣的人?
明確理論物理學家的工作是抽象、枯燥的，受實驗條件的限制，自己的學說很難得到實驗的證明，甚至可能到死也得不到成就。這樣的人必須耐得住寂寞，必須有奉獻精神。“在所不辭”意味著“理論物理學家”道路的艱辛。
7.提問作者建立實驗室的事例，對我們現實生活有怎樣的意義?
明確科學是建立在基礎實驗之上的，科學理論要經過實驗的檢驗才能得到論證。實驗不是簡單的操作，要有理論指導，要有實驗的設計，要有策劃組織能力，要有耐力和恒心等等，實驗考驗的是實驗者的綜合能力。而我們當前存在的問題是，重視理論，輕視基礎實驗，表現為動手能力和實踐能力差，思想上浮躁，急功近利。對教育而言，重知識，輕能力的現象很普遍。這些都是壹名理論物理學家重視實驗給我們現實生活的啟迪。
整體把握
1、文章特點：⑴結構：
文章的題目是“壹名物理學家的教育歷程”，因此，敘述的順序主要是歷時性的。但是，作者開頭就說“童年的兩件趣事極大地豐富了我對世界的理解力，並且引導我走上成為壹個理論物理學家的歷程”。而“童年的兩件趣事”作為文章的主要內容，又是***時性的敘述。這樣的結構安排，使文章既脈絡清楚，又重點突出。結構如圖：
⑵內容：
①人人都對自然感到好奇，都以自己喜愛的形式尋求自然的“謎底”，但是大多數人壹般直接探尋自然本身，而作者卻由人的觀察角度，反思人類對宇宙的認知。看似作者少年時的思維超出同齡人，其實只是他充分發揮了自己的想象力，並且保持了這樣奇特的想象力，由此奠定了他對高維空間理論探究的基礎。②作者少年時接觸到愛因斯坦的“未竟事業”，激發了他的探究興趣。他之所以感到“激動人心”，是因為他把愛因斯坦的理論當成壹個“偵探故事”來閱讀、探究，這非常符合少年的心理。另外，“我決定要對這壹秘密刨根問底”，也表現了他有毅力有恒心的性格，這是成為科學家的基本素質。③高中時代，本應“在棒球場或籃球場玩耍”，享受青春年華，但作者卻“找遍周邊地區大量的電子倉庫，裝配必需的硬件設備”，在“學校的足球場中纏繞22英裏長的銅線”，自己動手建設實驗室，驗證愛因斯坦理論，探究反物質。作者進行這樣艱苦枯燥的工作，體現了他對科學的熱愛，以及踏實的性格，顯露出壹個科學工作者的潛能。由①②到③，我們可以清楚地看到作者的“教育歷程”和“教育內容”。
⑶詳略：
本文布局謀篇重點突出，詳略得當。在整體上，作者並沒有從童年到小學到初中到高中，按時間順序敘事，而是通過童年的兩件趣事和高中時建立實驗室的事例，突出他成長為壹名“物理學家”的“教育歷程”，並不旁及其他成長的經驗；在局部上，如高中階段，作者看了許多統壹場理論方面的書，並常常去斯坦福大學的物理圖書館，相關的理論書籍是怎樣啟發、引導他研究的，這裏肯定有許多精彩的故事，但是作者只是壹筆帶過，重點放在制造“自己的原子對撞機”上，其中具體的數據敘述得很詳盡，讓人體會到作者嚴謹、踏實的性格，以及內在的成為物理學家所需要的基本素質。
2、科學精神：
本文三個主要部分，並不是簡單地敘述成長的故事，而是具有深刻的科學精神內涵，可以從中看到哪些方面的“教育”對成為優秀科學家最為重要。
⑴想象力：科學是需要想象力的，想象力能帶來創造力。作者正是從對鯉魚世界的想象中，認識到人類觀察空間的局限性，間接感悟到高維空間存在的可能。由感性的想象上升到理性的創造，體現了創新意識和探索精神。
⑵樂趣：科學不應該是枯燥的，而是應該充滿樂趣的。探尋自然的奧秘，對真正的科學工作者來說，是和自然做的近似於捉迷藏的“遊戲”，也是人生的“境界”。“遊戲”使他們樂此不疲，充滿激情，不受外界的*和幹擾；而“境界”使他們不顧功利，不畏強權，只求真理。
⑶實驗精神：丁肇中說過：“現代學術的基礎就是實地的探察，就是我們現在所謂的實驗。”“科學發展的歷史告訴我們，新的知識只能通過實地實驗而得到，不是由自我檢討或哲理的清談就可求到的。”（《應有格物致知精神》）有了想象力，有了樂趣，那只是成為科學家的最基礎的因素，不去踏踏實實地做實驗，就不能得到基本數據，假說就不能確立。壹味地空想，不去做基礎工作，不可能達到真理的彼岸。作者從事的高維空間理論，雖然還停留在紙面上，但是科學家們已經在做許多基礎的實驗工作，努力使理論得到證明。即使如科學家霍金靠睿智的頭腦創建黑洞理論，也要有數學和天體物理學的實驗基礎，也不是空想出來的。