物理之美

摘 要： 物理的美是一種理性的美、客觀的美，它的內(nèi)容和形式是那么的自然、簡潔、和諧與美滿。物理之美的本質(zhì)是自然之美。大自然之美不斷地滋養(yǎng)著物理之樹茁壯成長，激勵著一代又一代的物理熱愛者探索世界。

關鍵詞： 物理 簡潔美 對稱美 協(xié)和美 奇異美

1.物理中美的來源

自然界天生就是和諧與美滿的，無論在它出現(xiàn)之前，還是產(chǎn)生之中，形成之后，死亡之時，消失之后，它都是真與美的寵兒。這寵兒是由簡潔、和諧、完美、統(tǒng)一等元素養(yǎng)育大的，它呈現(xiàn)在人們眼前是一幅巨大的優(yōu)美的和諧的畫面。從浩瀚無垠的宇宙世界至繁復雜亂的宏觀世界再到奇異無比的微觀世界，它們無不閃耀著和諧美滿的光芒。物理的宗旨就是揭開自然界的面紗，讓其和諧與美滿呈現(xiàn)在人類面前。它揭示大自然中事物與事物之間的本質(zhì)聯(lián)系和必然規(guī)律。物理的美是一種理性的美、客觀的美。它的內(nèi)容和形式是那么的自然、簡潔和諧與美滿。正如居里夫人所言：科學的探索研究，本身就含有至美。如英費爾德所言：當你領悟到一個出色的公式時，你會得到同聽巴哈的樂曲一樣的感情。物理在揭示自然的真與美的時候，必然使其描述的物理現(xiàn)象、探索的物理過程、假設的物理含義及其揭示的物理規(guī)律都呈現(xiàn)出美的特征。這些美的特征主要是簡潔之美、對稱之美、協(xié)和之美和奇異之美。這些美都是大自然本身的和諧與美滿衍生出來的。物理之美的本質(zhì)是自然之美。大自然之美不斷地滋養(yǎng)著物理之樹茁壯成長，激勵和陶醉著一代又一代的物理熱愛者。

2.簡潔美

自然界本身是簡潔和諧的。牛頓說過：自然界喜歡簡單。費恩曼說過：大自然具有簡單性，因此才非常優(yōu)美。海森堡說過：如果我們根據(jù)畢達哥拉斯的思路，就會認為基本的運動定律最后將是一個數(shù)學上很簡單的定律。因此揭示大自然本質(zhì)的物理科學應該是簡潔的，它的內(nèi)容和形式應用最簡練的語言、最少的符號、最簡單的形式表述。物理科學這種簡潔的性質(zhì)給人以美的享受。例如，質(zhì)點、點電荷、光線、理想的彈簧陣子，理想單擺等簡潔模型。又如行星的橢圓運動，光在兩點間傳播時間是極值。這些都是物理中的簡潔之美。物理中的規(guī)律和公式的簡潔美更是讓人嘆為觀止。例如經(jīng)典力學中的牛頓三大定律奠定了宏觀世界的運動規(guī)律。麥克斯韋的四個方程組完美地揭示了復雜的電磁運動，被歷代物理學家稱之為自然界最優(yōu)美的詩。薛定諤方程讓行蹤不定的微觀世界清晰起來。眾多物理學家爭論一個多世紀的熱現(xiàn)象最終以“大量分子的無規(guī)則運動”十個字結(jié)束。牛頓的力學方程F=ma，愛因斯坦的質(zhì)能方程E=mC都是物理中追求簡潔美的光輝典范，給予人類無限的享受。

3.對稱美

自然界的物質(zhì)形態(tài)和運動規(guī)律本身具有廣泛的對稱性。它存在某種“重復”、“均衡”、“有序”的東西。物理是揭示大自然本質(zhì)和規(guī)律的科學，其本身也就具有廣泛的對稱美。它的美主要來源于自然界空間的和諧布局和運動時間上的節(jié)律協(xié)和。如勞厄所言：物理公式中極端精煉和莊嚴穩(wěn)重的對稱結(jié)構(gòu)稱之為“美學上真正完美的對稱形式”。物理科學中的對稱形式包括物理現(xiàn)象的對稱。例如正電子和負電子、正物質(zhì)和反物質(zhì)、磁場的南北級、引力和斥力、電生磁和磁生電、電場和磁場、波粒二象性、平面鏡成像等，它們都體現(xiàn)了空間的對稱美，簡諧振動、圓周運動、豎直上拋運動、電磁波的傳播等體現(xiàn)了時間與空間的對稱美。物理中公式的對稱，例如動量定理和動能定律、萬有引力定律和庫侖定律、動量守恒定律表達式、機界能守恒定律表達式、理想氣體狀態(tài)方程，這些都呈現(xiàn)出來精練莊嚴穩(wěn)重的對稱美，給人以愉悅的享受。

4.協(xié)和美

自然界是一個協(xié)和的整體。愛因斯坦說過：如果不相信我們的世界的內(nèi)在和諧性，那就不會有任何科學。物理是研究自然界的本質(zhì)和運行規(guī)律的科學，其本身必然能體現(xiàn)出一種恰如其分、順義自然、渾然一體的美感。它是大自然物質(zhì)的存在，運動及轉(zhuǎn)化規(guī)律整體上的協(xié)和在在物理中的體現(xiàn)。例如元素的明線光譜與其對應吸收光譜的互補，光的色散與互補，愛因斯坦相對論對經(jīng)典力學的包容，波粒二象性的協(xié)和，麥克斯韋方程組對電、磁、光的協(xié)和，愛因斯坦廣義相對論對引力、空間、物質(zhì)的協(xié)和，理想氣體狀態(tài)方程對玻意耳定律，查理定律和蓋·呂薩克定律在理想條件下的協(xié)和，質(zhì)能方程對質(zhì)量與能量的協(xié)和。物理的協(xié)和美給人一種協(xié)調(diào)、美滿、統(tǒng)一的享受。

5.奇異美

自然界的物質(zhì)都有其特殊性的一面，這些特殊性往往閃爍著奇異的光芒。如培根所言：沒有一個極美的東西不是在調(diào)和中有某種奇特。物理中的奇異主要表現(xiàn)為概念或結(jié)論的不同凡響，驚世駭俗，奇異奧妙，令人折服。例如E=mC揭示了物質(zhì)的驚人能量，正物質(zhì)與反物質(zhì)“湮滅”成光子，物質(zhì)的波粒二象性，狹義相對論時空觀，廣義相對論時空的彎曲，微觀世界的量子性，暗物質(zhì)，黑洞和反物質(zhì)的存在，時間和空間的起點，組成物質(zhì)的最小粒子等都呈現(xiàn)出了物理世界的奇異性和不可思議的美。

6.物理中的美的思想對認識世界的巨大作用

自然界天性是和諧美滿的。物理界的先驅(qū)們始終堅信自然界是簡單的，和諧的，美滿的。正如愛因斯坦所言：“美是探求物理理論中重要結(jié)果的一個指導原則。”歷代物理學家因堅信物理之美，而對認識自然作出了巨大貢獻。例如哥白尼深信完美的理論在數(shù)學上應該是“和諧與簡單”。托勒密的地心說引進了許多“均輪”、“本輪”，使其理論極其復雜又失恰，經(jīng)過三十年的努力，終于建立了不朽的日心說理論。麥克斯韋根據(jù)電與磁的對稱性、磁力線圖像的對稱性，大膽地在安培定律中添加了“位移電流”矢量項，使得麥克斯韋方程組呈現(xiàn)對稱美，實現(xiàn)和諧與自洽，其被譽為自然界最優(yōu)美的詩。狄拉克從對稱美出發(fā)，根據(jù)我們所處的世界提出來反物質(zhì)的概念，預言正電子的存在。法拉第從對稱美出發(fā)，根據(jù)電生磁，預言磁生電的存在。物理之美如楊振寧所言：“學觀古今與須臾，扶四海與一瞬”，物理方程式是“造物者的詩篇”。

參考文獻：

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[4]朱鋐雄.物理學思想概述[M].清華大學出版社，2009.5.