物理學(xué)之科學(xué)美賞析

馬麗芹

（青島科技大學(xué)數(shù)理學(xué)院，山東 青島 266061）

物理學(xué)是一門揭示物質(zhì)存在與運(yùn)動(dòng)規(guī)律的自然科學(xué)，物理學(xué)中不僅包含著辯證唯物主義的哲理，而且其理論體系中處處體現(xiàn)出科學(xué)美的意境?？茖W(xué)美是潛藏在感性美背后的理性美，在物理學(xué)發(fā)展的過程中，物理學(xué)家們?cè)谔剿髯匀灰?guī)律的同時(shí)，總是伴隨著對(duì)美的熱烈追求，他們追求科學(xué)美的精神對(duì)物理學(xué)的發(fā)展起著重要的推動(dòng)作用。下面讓我們來感悟一下物理學(xué)中的科學(xué)美。

1 簡潔美

簡潔美是以簡單、潔凈呈現(xiàn)其美感。自然界的現(xiàn)象是錯(cuò)綜復(fù)雜的，然而背后隱藏的規(guī)律卻是簡單的。因此研究的方法和規(guī)律的表達(dá)方式應(yīng)是簡單的，也就是說物理理論在體系上呈現(xiàn)出高度的簡潔美?？茖W(xué)家們用最簡潔的語言、最少的符號(hào)、最簡單的形式來表達(dá)知識(shí)及自然規(guī)律。著名物理學(xué)家愛因斯坦所說：“真實(shí)的世界在邏輯上總是簡單的?！敝Z貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者李政道也說過：“最重要的東西往往都是最簡單的”。所以那種最簡潔的物理理論最能給人以美的享受。物理理論的簡潔并不是指物理內(nèi)容本身簡單，而是物理理論體系的結(jié)構(gòu)和物理規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)形式簡潔。例如經(jīng)典力學(xué)建立在牛頓三定律之上，由牛頓三定律可以推導(dǎo)出全部經(jīng)典力學(xué)理論，簡單的物理關(guān)系式，包含的內(nèi)容極其豐富，揭示的規(guī)律無比奧妙。從發(fā)現(xiàn)摩擦琥珀可以吸引小物體開始，在2400多年的歲月里，人們掌握了豐富的有關(guān)電與磁的知識(shí)以及規(guī)律。所有這些麥克斯韋只用一組簡單的方程式就概括了，這就是簡潔性帶來的美。

2 對(duì)稱美

對(duì)稱美是指整體各部分之間的相稱與對(duì)應(yīng)。自然界中的許多現(xiàn)象都有著對(duì)稱性，既有空間對(duì)稱也有時(shí)間對(duì)稱，還有與時(shí)空坐標(biāo)無關(guān)的更復(fù)雜的對(duì)稱。因此作為研究物質(zhì)世界最基本運(yùn)動(dòng)與結(jié)構(gòu)的物理理論，自然會(huì)浸透著對(duì)稱美。物理學(xué)中的對(duì)稱美既有物理現(xiàn)象的對(duì)稱美，例如引力與斥力、粒子與反粒子等。又有物理規(guī)律的對(duì)稱美，例如圓周運(yùn)動(dòng)、簡諧振動(dòng)、光與波的反射等。還有公式的對(duì)稱美，例動(dòng)量守恒定律、洛倫茲變換式等。麥克斯韋方程組更是具有完美的對(duì)稱形式。十九世紀(jì)，人們意識(shí)到對(duì)稱性是結(jié)晶分子結(jié)構(gòu)的重要特征。著名結(jié)晶學(xué)家和幾何學(xué)家費(fèi)多羅夫，舍棄了晶體的全部物理性質(zhì)，用幾何體的規(guī)則系統(tǒng)來代替晶體的原子系統(tǒng)，從而將物理學(xué)問題轉(zhuǎn)化為幾何學(xué)中的美學(xué)問題，并借助幾何學(xué)框架使晶體學(xué)問題得到了圓滿地解決。近年來，由于把群論應(yīng)用到物理學(xué)中，終于明確了對(duì)稱性與守恒律之間的關(guān)系。一個(gè)守恒律的存在常常是宇宙中某種基本對(duì)稱性的結(jié)果。

3 和諧美

物理理論的和諧性、理論體系的邏輯自洽性及各種守恒性都給人以和諧美之感。著名科學(xué)家龐加萊說：“世界的普遍和諧是眾美之源”。著名物理學(xué)家英費(fèi)爾德也曾說過：當(dāng)我領(lǐng)悟到一個(gè)出色的物理學(xué)公式時(shí)，我會(huì)像聆聽巴赫的樂曲一樣的感受。原子世界是一個(gè)和諧的世界，核外電子繞著核運(yùn)動(dòng)、分子間存在相互作用力。在宇宙領(lǐng)域中，各種星系、各種天體盡管進(jìn)行著復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，但在一般情況下各種星體的運(yùn)動(dòng)軌道又是有規(guī)則的，例如月球一邊自轉(zhuǎn)一邊繞地球公轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的速度和軌道也幾乎沒有差錯(cuò)，宇宙太空中各天體的運(yùn)動(dòng)配合得如此默契和諧，像是在合奏一首雄偉壯麗的交響曲。電磁學(xué)中的麥克斯韋方程組，用優(yōu)美的數(shù)學(xué)形式把電磁場的四個(gè)物理量聯(lián)系起來，并把電學(xué)中的重要常數(shù)和磁學(xué)中的重要常數(shù)與光速聯(lián)系起來，從而建立了和諧無矛盾的電磁場理論。

4 統(tǒng)一美

物理學(xué)中的統(tǒng)一美除指理論體系的統(tǒng)一還有真與美的統(tǒng)一。理論的統(tǒng)一就是要求理論在不附加太多的基本假定的基礎(chǔ)上盡可能前后一致地解釋更多的物理現(xiàn)象。例如通過熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的統(tǒng)一，電學(xué)與磁學(xué)規(guī)律的統(tǒng)一，時(shí)間與空間的統(tǒng)一，物質(zhì)與能量的統(tǒng)一，實(shí)物粒子與場等幾次大的綜合與統(tǒng)一，建立起如今的物理大廈。統(tǒng)一美還包括真與美的統(tǒng)一，畢達(dá)哥拉斯學(xué)派對(duì)于真和美的理解是：美的事物一定是真的即美比真更本質(zhì)。當(dāng)他們還不知道天體的具體運(yùn)動(dòng)軌道時(shí)，即還不了解“真”的時(shí)候就敢于從美的愿望出發(fā)，設(shè)定天體運(yùn)動(dòng)的軌道是圓的。哥白尼日心說的提出，就是在美比真更本質(zhì)的觀點(diǎn)指導(dǎo)下的結(jié)果。從真的角度來看日心說和地心說很難判斷出哪一個(gè)理論更正確，因?yàn)楦鶕?jù)這兩種理論制定的歷法相差無幾。但日心說具有無與倫比的對(duì)稱性和統(tǒng)一性，畢達(dá)哥拉斯的科學(xué)美學(xué)思想成為這兩種理論審美評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)。

物理學(xué)家對(duì)美的追求，在物理理論的發(fā)現(xiàn)、發(fā)展中起著十分重要的推動(dòng)作用。愛因斯坦對(duì)對(duì)稱美的堅(jiān)定信念引導(dǎo)他走向相對(duì)論，他對(duì)和諧美更是近乎宗教般地相信，他說：“如果不相信我們世界的內(nèi)在和諧性，那就不會(huì)有任何科學(xué)……”。法拉第由于相信對(duì)稱性，由電生磁現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)了磁生電現(xiàn)象。狄拉克向來追求美，把量子力學(xué)與相對(duì)論相統(tǒng)一。正是對(duì)科學(xué)美的追求，麥克斯韋提出了變化的電場產(chǎn)生磁場，進(jìn)而預(yù)言了電磁波的存在，奠定了無線電通訊的基礎(chǔ)。物理學(xué)家對(duì)美的追求，強(qiáng)烈地影響著物理學(xué)成果的內(nèi)容與形式，物理學(xué)中處處蘊(yùn)含著科學(xué)美。

［1］楊慶余.物理學(xué)研究的美學(xué)精神[J].大學(xué)物理,2002,21(11):37-41.

［2］劉國良.論物理教學(xué)中的科學(xué)美及其教育功能[J].物理教學(xué)探討,2009,27(12):71-73.