淺議物理學中的美學

裴君

【中圖分類號】G633.7 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2014）10-0132-01

物理學是一門揭示物質存在與運動規(guī)律的自然科學。它科學地揭示了自然規(guī)律，同時也展示了自然、人類與科學的藝術魅力。物理中有自然的美，也有科學和藝術的美。

一、物理學的美表現(xiàn)在以下幾個方面：

1.物理學發(fā)展過程中的精神美

在物理學發(fā)展的過程中，物理學家在探索物理學規(guī)律的艱辛旅程中，一方面總是伴隨著對美的熱烈追求，另一方面又強烈的表現(xiàn)出他們精神上的種種美德。哥白尼與托勒密地心說的決裂，就是有其執(zhí)著追求美的因素，他深信完美的理論在數(shù)學上應該是“和諧與簡單”的。托勒密為了解釋天文觀測的現(xiàn)象，引入了許多“均輪”、“本輪”，使得天文理論既復雜又失洽。

2.物理現(xiàn)象的自然美

中學物理涉及力、聲、熱、光、電、磁和原子物理等內容，物理現(xiàn)象千姿百態(tài)、美妙無窮。如星移斗轉、日夜交替、春秋輪回、物態(tài)互變等自然規(guī)律，因有序而美;光的反射與倒影、折射與海市蜃樓、色散與彩虹、日食和月食都有奇異的美。人類在研究和應用物理方面創(chuàng)造的輝煌成果，是美的精品。蒸汽機、發(fā)電機、激光器、電子對撞機的發(fā)明，步步促進人類生產、生活和高科技的發(fā)展;“阿波羅”登月成功，“嫦娥奔月”的傳說變成了現(xiàn)實美談，“神五神六”暢游太空再次實現(xiàn)人類超載地球之夢;眾多的航天器和衛(wèi)星正在全球通訊、氣象觀測、國防和科研等方面建功立業(yè);電磁技術、激光技術、能源開發(fā)技術突飛猛進;核電站、太陽能電站的相繼林立充分展示了物理前景無限美好。

3.物體的運動美

宇宙中的一切物體都在永不停息的運動。物理學中聲、光、電的傳播，電子的旋轉，天體的運動等都體現(xiàn)出美的旋律。像直線運動表現(xiàn)的剛性美;曲線運動表現(xiàn)出柔性美;勻速運動呈現(xiàn)節(jié)奏美;變速運動呈現(xiàn)出變化美。

4.物理規(guī)律的簡潔美

簡潔美是以簡單、潔凈呈現(xiàn)其美感，簡潔美是科學美的特征之一。自然界的現(xiàn)象是錯綜復雜的，然而自然界本身卻是簡單和諧的，因此研究的方法和規(guī)律的表述方式也是簡單的，科學家們用最精煉的語言，最少的符號，最簡單的形式來表達知識。正如著名的物理學家愛因斯坦所說：“真實的世界在邏輯上總是簡單的?！彼?，作為反映物體運動變化規(guī)律的物理來說，那種最簡潔的物理理論最能給人以美的享受，物理美的簡潔性并不是指物理內容本身簡單，而是物理理論體系的結構和物理規(guī)律的數(shù)學表達形式簡潔。

5.物理規(guī)律的和諧美

自然界本身是一個和諧的整體，支持其運行的自然規(guī)律也應具有和諧性和統(tǒng)一性。而以其為研究對象的物理學必然會體現(xiàn)這一特性。愛因斯坦曾說過“如果不相信我們的理論結構能夠領悟客觀實在;如果不相信我們的世界的內在和諧性，那就不會有任何科學?！焙椭C給人以一種恰如其分、渾然一體、輕松自如的美感。

6.對稱美

對稱美是指整體各部分之間的相稱或對應，如空間上的和諧布局，時間上的節(jié)律協(xié)和。對稱之所以讓人產生美感，是因為對稱中存在著某種“重復”、“均衡”、“有序”的東西?？茖W美中的對稱美來源于自然界物質形態(tài)美及其運動圖景所具有的廣泛對稱美，借助于建筑美學很容易理解對稱美概念，一些建筑物外表的對稱顯示出一種空間方位上對稱的美感，我國古建筑如天安門、天壇、故宮等就呈現(xiàn)出莊嚴穩(wěn)重的對稱美。人類傳統(tǒng)美學中的對稱僅指人們感性意識中的三維空間的對稱，而物理學中的對稱美既有物理現(xiàn)象的對稱美，比如引力與斥力，“電生磁”與“磁生電”，粒子與反粒子，物質與反物質等等;還有公式的對稱如：

動量守恒定律表達式

機械能守恒定律表達式

理想氣體狀態(tài)方程=等都具有平穩(wěn)莊重的對稱美。

對稱性給人的美感是“圓滿、均衡和協(xié)調”。人們這樣描述對稱性：若圖形通過某種操作（如時空坐標系的改變，尺度的放大和縮?。┯只氐剿旧?，則這樣的圖形具有對稱性。對稱性的概念應用于物理，研究對象不僅是圖形，還有物理量和物理規(guī)律。從空間角度看，原子的核式結構、晶體的空間點陣、磁體的兩極是對稱的;物體的上升下落，圓周運動是對稱的;物體的平衡、彈性形變、簡諧振動具有對稱性;平面鏡成像、光與波的反射、電磁場的力線分布更具有對稱美。從時間角度看，行星的公轉與自轉、理想單擺和簡諧振動、波的傳播都具有時間周期性的對稱美。對稱性的美學意境引起很多科學家的心馳神往，從伽利略時代開始，物理學家就把追求理論上的對稱性作為一種有效的研究手法，并取得了成功。

7.新奇美

“新奇”也是物理美的特點。物理學發(fā)展到今天，無論是理論方面還是實踐方面都是碩果累累，新穎的發(fā)明創(chuàng)造和新奇的理論成果層出不窮。象脈沖星、重輕子的發(fā)現(xiàn);蒸汽機、激光器、電子對撞機的發(fā)明;牛頓力學理論、麥克斯韋電磁學理論、愛因斯坦相對論的創(chuàng)立等等都是體現(xiàn)新奇美的物理成就。尤其是物理理論提出的是關于自然界的新知識，具有獨創(chuàng)和新穎的特點，這正是其審美價值的所在。

二、物理學的美在教學中的作用

1.可激發(fā)學習興趣、提高學習效率。

教學實踐證明，學生學習的主動性與興趣有密不可分的關系。審美感作為構成意識行動的重要因素之一，能夠轉化為探索未知世界的巨大動力。所以在教學中讓學生感到物理現(xiàn)象、實驗、理論之美可以使學生產生學習物理的興趣，進而達到提高學習效率的目的。

2.促進知識的理解與掌握、促進創(chuàng)造思維的發(fā)展。

美感的這個作用可以概括為“以美啟真”，它是美感與理智的內在聯(lián)系。一方面促進學生對知識的理解與掌握;另一方面啟發(fā)學生解決問題時不滿足已有的結論，去探索更巧妙、更簡單的方法。這些創(chuàng)造性的學習活動，能促進創(chuàng)造性思維的發(fā)展。

3.激發(fā)教師的教學情緒、提高教學效果。

教學過程不僅僅是知識的傳授過程，也是情感生活的過程，更是藝術創(chuàng)造的過程。教師有了這種美感，就會感到自己的教學猶如藝術家對藝術的追求一樣永無止境;對教學工作產生極大的樂趣和熱情，把全部精力投進去，深入鉆研教材，研究教法，掌握教學規(guī)律，努力挖掘教材所包含的理性之美。精心設計教學過程，使學生也充分感受到美之所在。這種美感與理智互相滲透、融洽產生“諧振”時，教學就能產生最佳效果。

總之，物理現(xiàn)象五彩繽紛，其中有直觀亮麗、奇特美妙的自然景觀;也有簡潔優(yōu)美、博大精湛的理論科學;還有千古留芳、永不磨滅的藝術足跡。把“物理美”延續(xù)下去，我們責無旁貸。