物理學(xué)之美

我們所處的物質(zhì)世界，大到宇宙天體，小到微觀粒子，盡管零零總總紛繁復(fù)雜，但物質(zhì)之間相互作用、相互依存，遵循各自的運(yùn)動規(guī)律，形成有序、協(xié)調(diào)、統(tǒng)一的整體，顯現(xiàn)出自然規(guī)律的和諧、優(yōu)美。牛頓力學(xué)理論所概括的是宏觀低速物體的運(yùn)動規(guī)律;而愛因斯坦在更高的層次上以光速不變和相對性原理為基礎(chǔ)，建立了狹義相對論，它反映了高速運(yùn)動物體的運(yùn)動規(guī)律;量子力學(xué)揭示了微觀低速物體的運(yùn)動現(xiàn)象;而現(xiàn)代量子場論、相對論量子力學(xué)則考察的是微觀高速領(lǐng)域粒子的運(yùn)動。這些嚴(yán)密優(yōu)美的理論體系，不僅具有真理的性質(zhì)，又具有審美意義。

縱觀物理學(xué)的整個(gè)發(fā)展過程，無不包含著一代又一代的科學(xué)家對物理學(xué)之美的孜孜追求。愛因斯坦曾經(jīng)說過:“物理學(xué)是至善至美的科學(xué)”。他把物理學(xué)之美歸納為:簡單、和諧、完善、統(tǒng)一。他在建立相對論時(shí)的整個(gè)思考過程即是對“宇宙美”的追求過程。和諧美、簡潔美一直是他衡量物理學(xué)理論是否正確的標(biāo)準(zhǔn)。開普勒堅(jiān)信上帝是按照完美的數(shù)學(xué)原則來創(chuàng)造世界的，他以數(shù)學(xué)的和諧來探索宇宙，不忽視任何一個(gè)誤差，最終發(fā)現(xiàn)了行星運(yùn)動的統(tǒng)一規(guī)律——行星運(yùn)動定律。費(fèi)曼也正是憑著他獨(dú)特的審美鑒賞力去審視和欣賞牛頓的萬有引力定律，麥克斯韋方程和愛因斯坦的相對論所體現(xiàn)的那種完美的結(jié)構(gòu)，感受對稱性、守恒定律、最小作用量原理的普遍性;又通過自身的審美直覺去洞察自然界內(nèi)在的美，創(chuàng)造出了體現(xiàn)過去與未來之間對稱性的費(fèi)曼圖，并進(jìn)而提出了一種新的重整化理論，巧妙地避開了困擾量子場論計(jì)算中的發(fā)散困難，為量子場論確立了一種標(biāo)準(zhǔn)的理論程序。

物理學(xué)所蘊(yùn)含之美主要包括:對稱美、簡潔美、和諧美、統(tǒng)一美。

1.對稱美

由于物理學(xué)揭示了自然界物質(zhì)的存在、構(gòu)成、運(yùn)用及其轉(zhuǎn)化等規(guī)律的對稱性而產(chǎn)生的美感，稱為物理學(xué)的對稱美。

物理學(xué)中的對稱主要表現(xiàn)為時(shí)空對稱、數(shù)學(xué)對稱和抽象對稱。

時(shí)空對稱有空間對稱、時(shí)間對稱、時(shí)間和空間同時(shí)對稱三種類型。時(shí)空對稱表示物理現(xiàn)象在時(shí)空變換下的不變性。如杠桿的平衡、平面鏡成像、磁體的兩極、電荷的正負(fù)表現(xiàn)了物質(zhì)的直觀形象在空間上的對稱;勻速運(yùn)動的速率在運(yùn)動過程中的任一點(diǎn)都相等，相干光在干涉空間任一區(qū)域都保持相等的條紋寬度等表現(xiàn)了物質(zhì)在運(yùn)動變化過程中的空間對稱;周期、節(jié)奏、頻率等表示了時(shí)間對稱;不隨時(shí)間變化的勻強(qiáng)電場、勻強(qiáng)磁場表現(xiàn)出既具有時(shí)間對稱，又具有空間對稱等等。

數(shù)學(xué)對稱表示物理內(nèi)容在教學(xué)形式(圖與式)上的對稱性。如簡諧振動的振動圖線、簡諧波的波形圖線具有對稱性。這種對稱性表示了物理內(nèi)容在數(shù)學(xué)圖形形式上的對稱。萬有引力定律、庫侖定律與距離之間都具有對稱性，這些對稱性表示了物理內(nèi)容在數(shù)學(xué)表達(dá)式上的對稱。

抽象對稱表示以抽象的方式所反映出的物理內(nèi)容的對稱。由于在無窮大或無窮小的尺度上研究物理問題，很難具有直觀性，故很多物理形象及物理內(nèi)容所呈現(xiàn)的對稱具有抽象性。如處于平衡態(tài)的氣體對容器壁的壓強(qiáng)處處相等;處于平衡態(tài)的氣體分子的熱運(yùn)動在三維空間各個(gè)自由度上發(fā)生的幾率相等，這些都體現(xiàn)了物理內(nèi)容的抽象對稱美。

2.簡潔美

由于物理學(xué)揭示了自然界物質(zhì)的存在、組成、運(yùn)動及其轉(zhuǎn)化等規(guī)律的簡單性而產(chǎn)生的美感，稱為物理學(xué)的簡潔美。

從物理理論的整體來看，在形形色色的物理世界中，各種物理現(xiàn)象和過程千差萬別，但在本質(zhì)上卻可邏輯地歸結(jié)為為數(shù)不多的若干基本概念和原理。例如，宇宙中紛亂的種種作用力，在本質(zhì)上可歸結(jié)為四種:萬有引力、電磁力、強(qiáng)相互作用力、弱相互作用力;牛頓定律將宏觀低速條件下各種機(jī)械運(yùn)動的現(xiàn)象都置于其統(tǒng)治之下;麥克斯韋方程組使復(fù)雜的電磁運(yùn)動形成了一個(gè)和諧美滿的家庭;量子力學(xué)理論使行蹤飄忽的微觀粒子眉目清晰……F=ma，E=mc2等等，其形式是多么的簡潔而優(yōu)美。這些都體現(xiàn)了物理學(xué)理論整體的簡潔美。

物理學(xué)中的理想化方法是從多維的具體形象中，抓住最具有本質(zhì)特征的主要形象，舍棄一些次要形象，建立起一個(gè)輪廓清晰、主題突出的新形象，從而簡化物理問題。顯然，具有簡潔美。

3.和諧美

和諧是指由于組成整體的各個(gè)要素相互間恰到好處而在整體上顯現(xiàn)出協(xié)調(diào)。和諧給人以一種恰如其分、渾然一體、輕松自如的美感。物理學(xué)的和諧美，主要是指由于物理理論揭示了自然界物質(zhì)的存在、構(gòu)成、運(yùn)動及其轉(zhuǎn)化等整體上的和諧性而產(chǎn)生的美感。它主要表現(xiàn)在自洽、對應(yīng)和互補(bǔ)三個(gè)方面。

自洽，與其基本含義一致，即自身內(nèi)不存在不可統(tǒng)一的矛盾。物理學(xué)中的自洽和諧美，主要體現(xiàn)在物理學(xué)各分支理論內(nèi)部以及各分支理論之間在現(xiàn)象、概念、規(guī)律等方面都是互不矛盾的。

對應(yīng)和諧美是指由物理學(xué)不同理論間的對應(yīng)關(guān)系而展現(xiàn)的物理學(xué)和諧美。對應(yīng)是高級理論對低級理論的包容，或者是說低級理論是與高級理論在某一特定條件下的結(jié)論相一致。具體地說，對某領(lǐng)域正確的物理理論，在新的、更加普遍的理論出現(xiàn)時(shí)，并不作為錯(cuò)誤的東西被拋棄，而是作為新理論的極限形式和局部情況，在新理論中保持原有的意義。如當(dāng)v<

互補(bǔ)和諧美是由物理學(xué)各部分之間的互補(bǔ)關(guān)系而展現(xiàn)出的物理學(xué)和諧美。所謂互補(bǔ)，就指彼此間彌補(bǔ)、相輔相成。物理學(xué)中的互補(bǔ)主要表現(xiàn)在不同的、甚至是相互排斥的物理理論，從不同的側(cè)面描述物理學(xué)的研究對象。如光的波動性與粒子性、微觀粒子的波動性與粒子性，都分別從不同的側(cè)面反映了光與微觀粒子的本質(zhì)。在這里，波動性與粒子性既互斥，又互補(bǔ)。

4.多樣統(tǒng)一美

由于物理學(xué)揭示了自然界物質(zhì)的存在、構(gòu)成、運(yùn)動及其轉(zhuǎn)化等規(guī)律的多樣統(tǒng)一性而產(chǎn)生的美感，稱為物理學(xué)的多樣統(tǒng)一美。物理事物是千姿百態(tài)、千變?nèi)f化的，因此，由它們構(gòu)成的物理世界，必然呈現(xiàn)出萬紫千紅的景象，反映物理事物的特性及其規(guī)律的物理知識也是豐富多彩的。但是，自然界是統(tǒng)一的，客觀物理事物之間存在著內(nèi)在的聯(lián)系，通過這種聯(lián)系使得我們能將各種各樣的物理知識統(tǒng)一起來，進(jìn)而形成既千變?nèi)f化又和諧統(tǒng)一的美的畫卷。例如，牛頓力學(xué)把地上的和天上的所有低速宏觀運(yùn)動的規(guī)律統(tǒng)一起來;麥克斯韋電磁理論把電、磁、光統(tǒng)一起來;愛因斯坦廣義相對論把引力、時(shí)間、空間、物質(zhì)聯(lián)系起來;德布羅意關(guān)系將微觀粒子的波動性與粒子性統(tǒng)一起來，這些都會使人們感到一種多樣統(tǒng)一的美感。

物理學(xué)的美學(xué)意義在于它對世界美的反映。物理學(xué)總是在對稱、簡潔、和諧、統(tǒng)一的美的過程中創(chuàng)立和發(fā)展的，沒有對稱、簡潔、和諧、統(tǒng)一就沒有物理學(xué)。

作者單位:河北省盧龍縣教師進(jìn)修學(xué)校