高中物理引入相对论与量子力学：看似无用的高深理论如何重塑学生思维-硕谷新闻聚合

亚太政策倡议研究所（ASAP）专栏｜张博宇

今年8月，教育局针对高中生物、化学及物理三科的更新课程向中学发布了咨询稿。其中，物理科首次提议纳入“量子物理学”和“狭义相对论”。这两个术语对大众而言并不陌生，但若要求阐述其背后的核心概念，多数人往往感到晦涩难懂，觉得它们远离日常生活，似乎仅是物理学家的专属领域。因此，消息公布后，许多人的第一反应是质疑：中学生能否真正理解这些高深理论？即便能够掌握，这些知识对学生未来的职业生涯和生活究竟有何实际助益？

时空本质：超越直觉的相对性抽象概念

“狭义相对论”与“量子物理学”所揭示的现象，不仅偏离日常经验，甚至挑战常规直觉。以狭义相对论为例，传统认知认为速度具备叠加特性：若在时速100公里的列车上，沿行驶方向抛出一个时速20公里的皮球，那么对于站在轨道旁的观察者来说，皮球的相对速度应为120公里每小时。然而，狭义相对论指出，光并不遵循这一“速度叠加”常识。在真空中，光速对所有观察者而言都是恒定不变的绝对值。无论观察者处于何种运动状态——无论是接近光源还是远离光源，测量到的光速始终相等。

设想一个以接近光速飞行的太空舱，若从中向同一方向发射一颗同样接近光速的子弹，从地面视角观察，子弹的速度依然仅略高于光速，而非简单的两倍光速叠加。无论速度如何累加，结果只会无限趋近于光速，却永远无法突破这一界限。爱因斯坦基于“光速不变”原理推导得出，时间与空间并非绝对实体，而是具有相对性。当物体运动速度足够快，特别是逼近光速时，该物体经历的时间会减缓，同时其空间距离也会发生收缩。

由此可知，科幻作品中常见的场景——宇航员数十年后返回地球仍保持年轻容貌——并非毫无科学依据的天方夜谭。试算一下，若一人以99.99%的光速飞向100光年外的星球，地球观测者需等待100年，但对该旅行者而言，时间仅流逝约1.4年。随着速度持续逼近光速，旅行者感知到的时间与距离将趋向于零。

脱离直觉的学习模式带来了何种价值？

从“光速不变”推导出“时空相对性”，需要极强的演算能力与逻辑推理技巧，涉及大量抽象理论及环环相扣的严谨论证。在学习此类科学知识时，学生难以在生活中找到对应现象，因而无法依赖日常经验或直觉进行理解。毕竟，无人亲身经历过接近光速的旅程，生活中的时空感通常被视为绝对存在。当直觉与类比失效时，唯有逻辑推理成为支撑学习的基石。

笔者曾修读A-Level课程，选修纯数学、应用数学及物理。印象最深的是纯数学几乎不涉及具体数字，仅由生活中罕见的符号构成，难以想象其实际应用。而在应用数学与物理中，最难忘的是计算导弹拦截战斗机所需时间的题目。当时完全不解学习目的，毕竟自己并未计划从事军事工作。同理，过去那些艰深的数学与科学知识，以及为获取成绩而反复练习的难题，除部分统计学内容偶尔有用外，绝大多数在当今工作中并无直接用途。

那么，往昔的学习是否徒劳无功？笔者持否定态度。虽未在职业生涯中拦截过导弹，分析工作也涉及数字而非仅符号，但在解题过程中培养的分析能力、逻辑推演及验算步骤，逐渐转化为拆解问题、制定解决方案的核心竞争力。表面看，这些能力与学习内容无直接关联，但正是过去的解题训练与逻辑推理，帮助自己在当前工作中应对挑战并解决一个个难题。可以说，无论是昔日求学还是今日工作，本质上都是在“解题”，只是题目不同，但“解”的过程贯穿始终。

世界经济论坛发布的《2025年未来就业报告》调研了全球逾千家企业，发现“分析思维”（Analytical thinking）连续多年位居雇主最重视的核心技能之首，约七成企业将其视为必备能力。然而，这种思维方式并非天生具备，其关键培养途径或许正是学生时期解答的一个又一个难题。

遗忘公式之后，留存的是什么？

学生日后将“量子物理学”和“狭义相对论”应用于工作或生活的概率极低。然而，解决复杂抽象的数理问题不依赖直觉，“我觉得”、“我认为”等主观表述在此毫无效力，唯一依靠的是硬核的逻辑推理能力，而这正是未来解决问题能力的根基。

相传爱因斯坦曾言：“教育就是当一个人把在学校所学全部忘光之后剩下的东西。”尽管此话确切出处不明，但其道理浅显易懂。无论学生时代掌握多少高深数理知识，若日后生活与工作用不上，终将随时间淡忘。但遗忘并不意味着这些知识及埋首题海的时间毫无价值。因为在积累过程中形成的演算与逻辑推理能力，不会因知识遗忘而消失。这才是科学赋予学生的真正财富与价值。

因此，在探讨教学内容时，除了关注知识难度或应用场景，更应留意这些知识能否带来超越知识本身的收获。“光速不变”是爱因斯坦理论的起点，而教育亦有其“不变”之处：课本内容会更新，公式会被遗忘，甚至当前公认的理论也可能被推翻，但学会思考的能力，这份收获不会随时间褪色。