談談物理學中的對稱美學思維

韓文靜

摘要:本文通過對物理學中對稱現(xiàn)象的探討,提出了運用美學思維激發(fā)學生的學習欲望,讓物理教學成為一門美的藝術(shù)的教學觀點。

關(guān)鍵詞:對稱性;美學思維;方法論

對稱性是指自然界的一切物質(zhì)和過程都存在或產(chǎn)生它的對應方面。這種對應方面表現(xiàn)為現(xiàn)象的相同、形態(tài)上的對映、物質(zhì)的反正、結(jié)構(gòu)上的重復、性質(zhì)上的一致、規(guī)律性的不變,等等。自然科學的研究成果表明,在自然界中從微觀到宏觀,從無機界到有機界、從非生命界到生命界,無一不在一定范圍內(nèi)、一定程度上存在著各種各樣的對稱性?？梢哉f對稱性深刻地揭示了自然界相互聯(lián)系中的一致性、不變性和共同性,它是反映自然規(guī)律的一條基本原則。

對稱性常表現(xiàn)為四個方面:①物體形狀或幾何形體的對稱性。例如在物理學中的晶體結(jié)構(gòu)的研究中發(fā)現(xiàn),晶體的點陣結(jié)構(gòu)具有高度的對稱性,常稱為晶體對稱性。對稱性使晶體具有很多特殊的性質(zhì),如X射線的洐射實驗就是直接和晶體對稱性密切相關(guān)的,正是在此基礎(chǔ)上,人們才發(fā)展了X射線的結(jié)構(gòu)分析技術(shù)。②物質(zhì)存在形式的對稱性,例如正電荷與負電荷、磁體的N極與S極、粒子與反粒子。③物理過程中的對稱性,如電生磁和磁生電,動能轉(zhuǎn)化勢能和勢能轉(zhuǎn)化為動能。④物理規(guī)律的對稱性,主要是指物理規(guī)律在某種變換下的不變性,如空間坐標平移的不變性、時間坐標平移的不變性、空間轉(zhuǎn)動的不變性、伽利略變換、洛侖茲變換的不變性等。

對稱性對物理學的發(fā)展有著重要意義。從物理理論的發(fā)展來看,正是“對稱—不對稱—新的對稱”的不斷循環(huán)往復,才使物理理論從較低的對稱層次向較高的對稱層次發(fā)展,從較小的統(tǒng)一向較大的統(tǒng)一發(fā)展,使人類對自然界的認識不斷深入。這也是物理學總的發(fā)展方向和追求目標,沿著這條道路,歷代物理學家作出了杰出貢獻。牛頓把天上的力學與地上的力學對稱綜合起來,建立了經(jīng)典力學體系;20世紀中葉李政道、楊振寧又提出在弱相互作用中宇稱不守恒,并得到了實驗的驗證,這一發(fā)現(xiàn)為人們探索更高層次的對稱提出了新的課題。

對稱美學思維也為物理學的研究提出了方法論的原則。對稱美學思想是自然界更深刻的聯(lián)系和規(guī)律性的反映,所以人們可以通過某種對稱去揭示物質(zhì)運動遵循的規(guī)律,預言未知物質(zhì)的存在。而當某種不對稱出現(xiàn)時,則通過擴大其對稱性而使自然定律的普遍性進一步擴大,這樣可進一步推動物理學的理論向更高層次的對稱與統(tǒng)一發(fā)展。在物理的發(fā)展史上許多物理學家正是通過對稱思維這一方法論原則,做出了許多重大發(fā)現(xiàn)。例如,狄拉克說:“我沒有試圖直接解決某一個物理問題,而只是試圖尋求某種優(yōu)美的數(shù)學。”他還常說:“一種正確的理論就應該是美的?！钡依说目茖W生涯也體現(xiàn)了他的這一信念。例如在解狄拉克方程時,出現(xiàn)了當時被認為是沒有物理意義的“負能態(tài)”的解,按照往常習慣只能把負數(shù)解舍去。但狄拉克堅持認為,自然界是對稱的,有正能粒子就應該有“負能粒子”,于是他作了一個大膽的預言:存在著一個與電子質(zhì)量相等而電荷相反的“負能粒子”——正電子,1932年安德遜發(fā)現(xiàn)了正電子,證實了狄拉克的預言。這正電子是人類發(fā)現(xiàn)的第一個反粒子。狄拉克的這一偉大貢獻開拓了人們對基本粒子研究的新領(lǐng)域,五十多年過去了,物理學家們在狄拉克理論的指引下,相繼發(fā)現(xiàn)了許多“反粒子”,如反質(zhì)子、反中子、反中微子、反分子、反超子等。

對于對稱美學思維,喬治曾從心理學的角度談到,當觀察者看到他視野內(nèi)的物體構(gòu)成的圖案有一個空缺時,他就會產(chǎn)生一種緊張的感覺。等到填補了空缺,圖案的各個部分各適其位時,觀察者感到輕松滿意。普遍性的結(jié)論就好像設(shè)想上的圖案,因此人們有追求對稱完美的生理與心理學依據(jù)之一。

當然,對于人的頭腦有在事物中追求條理性、對稱性的傾向,這種傾向又反過來使我們可能產(chǎn)生一些錯誤的結(jié)論,例如相信我們所看到的一切自然事物都應是高度條理和完全對稱的,而實際上卻沒有這么高的程度。所以必須謹防這種傾向有時會把我們引入歧途。例如楊振寧、李政道提出并被證明的在弱相互作用下宇稱不守恒的理論使現(xiàn)代物理中又產(chǎn)生了“對稱加破缺”的美學思維。

物理學是美的。這種美只有在學習者親身學習的實踐活動中才會被感受和理解。激發(fā)學生的學習欲望,培養(yǎng)和發(fā)展學生的物理美學思維,從而培養(yǎng)學生建立物理概念、發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律,讓物理成為一門美的科學,讓物理教學成為一門美的藝術(shù)。

(作者單位:青海省西寧市第三中學)