物理學(xué)審美及對(duì)物理學(xué)發(fā)展的影響

李 艷，孫 凱

(四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 德陽(yáng) 618000)

0 引言

人類進(jìn)入工業(yè)時(shí)代后，科技呈飛速發(fā)展態(tài)勢(shì)。我們生活的世界就像一尊龐大的鋼鐵巨人。對(duì)科技史略知一二的人都知道，鋼鐵巨人的震撼除先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)外，更多來(lái)自于它的美。作為科學(xué)最主要分支的物理學(xué)，與美學(xué)息息相關(guān)。

1 美與物理學(xué)

關(guān)于什么是美一直眾說(shuō)紛紜。但都承認(rèn)勞動(dòng)創(chuàng)造了審美對(duì)象，也創(chuàng)造了審美主體。通過(guò)分析歷史上不同時(shí)期、不同流派的不同美學(xué)觀點(diǎn)發(fā)現(xiàn)：對(duì)稱、簡(jiǎn)單、和諧等是基本的審美標(biāo)準(zhǔn)。

1.1 美學(xué)與物理學(xué)協(xié)同發(fā)展

原始人制作石器，會(huì)考慮外形上的對(duì)稱、光滑和勻整。物理學(xué)告訴我們，對(duì)稱是為了用力均衡；光滑、勻整是為了減少阻力。站在審美角度看，其中包含有對(duì)稱、和諧等簡(jiǎn)單的美學(xué)形式。

物理學(xué)在美的啟示下進(jìn)行科學(xué)發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)新，被許多物理學(xué)家關(guān)注。

1.2 物理學(xué)之美

物理學(xué)成為一個(gè)完整有邏輯的科學(xué)體系，始自牛頓的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》。后來(lái)的物理學(xué)家們不斷地向其中添補(bǔ)磚瓦。物理規(guī)律從建立到完善，層層擴(kuò)大視野，步步深入本質(zhì)，物理學(xué)無(wú)論內(nèi)容還是形式變得愈來(lái)愈美。

1.2.1 簡(jiǎn)單

簡(jiǎn)單性，這一美學(xué)法則，既為美學(xué)家推崇，也是物理學(xué)家認(rèn)識(shí)和把握客觀事物及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律的武器。

從哪里來(lái)，將到哪里去，時(shí)間開(kāi)始于哪里，將在何處終止，宇宙究竟有多大，何時(shí)產(chǎn)生，何時(shí)消亡……這些涉及哲學(xué)、宗教、文學(xué)等一系列形而上的問(wèn)題，都蘊(yùn)含在這樣一個(gè)小學(xué)生都熟知的公式里。

1.2.2 對(duì)稱

談對(duì)稱，首先會(huì)聯(lián)想到自然界的各種存在，如雪花的形狀、樹(shù)葉的紋路等。上—下、左—右、向心—離心、旋轉(zhuǎn)等并置而形成的一種鏡式反映。抽象后就是：事物的一種情況變換為另一種情況，如果一個(gè)變換使事物的情況沒(méi)有變化，或者說(shuō)事物的情況在此變換下保持不變，則說(shuō)該事物對(duì)于這一變換是對(duì)稱的。舞蹈演員在舞臺(tái)上旋轉(zhuǎn)，無(wú)論從任一角度看，旋轉(zhuǎn)都是一樣的。這里的換個(gè)角度就是一種變換。

物理學(xué)中有許多對(duì)稱現(xiàn)象。如平面鏡成像：物與像以平面鏡為軸對(duì)稱排列，無(wú)論入射光怎樣變換，反射角與入射角永遠(yuǎn)相等。再如牛頓定律：在伽利略變換下，對(duì)所有慣性系都有相同的形式。一個(gè)多世紀(jì)后，愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)論提出新的對(duì)稱：不同慣性系中的物理定律必須在洛倫茲變換下保持形式不變。前者是經(jīng)典時(shí)空觀——空間和事件各向同性的結(jié)果；后者是相對(duì)論時(shí)空觀——時(shí)間膨脹、空間收縮的產(chǎn)物。物理學(xué)中的對(duì)稱，大多需要撇開(kāi)事物表象、大膽想象才能達(dá)到。

1.2.3 和諧

物理學(xué)中的概念、定律等，都是借助實(shí)驗(yàn)、分析推理后抽象出來(lái)的。之后如遇質(zhì)疑，則需再實(shí)踐再論證。經(jīng)過(guò)了反復(fù)實(shí)驗(yàn)與論證的物理學(xué)理論，站在審美角度看，自然充滿了勻稱、圓滿的美學(xué)特質(zhì)。

有人說(shuō)物理學(xué)史，就是粒子與波動(dòng)的一輪又一輪的大戰(zhàn)。先是牛頓根據(jù)光的色散實(shí)驗(yàn)得出光的微粒說(shuō)；后是托馬斯·楊的光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)光是種波動(dòng)，推翻了微粒說(shuō)；接著又是愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)，再次證明光是微粒。怎么調(diào)和光既是微粒又是波動(dòng)的事實(shí)？愛(ài)因斯坦思索再三，提出光既具有粒子性又具有波動(dòng)性。德布羅意據(jù)此提出微觀世界所有粒子都同時(shí)具有這樣的二重性。愛(ài)因斯坦卻開(kāi)始了懷疑，波動(dòng)性與粒子性這兩個(gè)完全矛盾的屬性怎么能同時(shí)集于一身？為此，他與玻爾進(jìn)行過(guò)兩次針?shù)h相對(duì)的論戰(zhàn)，最后分道揚(yáng)鑣。愛(ài)因斯坦繼續(xù)鉆研光速，相對(duì)論；玻爾團(tuán)隊(duì)則繼續(xù)在微觀世界做深入研究，結(jié)果是薛定諤微分方程出世，具有波粒二象性的微觀粒子以概率的形式出現(xiàn)。

“美在和諧”，這一古老的話題，在物理學(xué)的發(fā)展中被演繹得可謂淋漓盡致。

1.2.4 統(tǒng)一

各類藝術(shù)以個(gè)性相區(qū)別，又以共性而統(tǒng)一。物理學(xué)也是如此。力、熱、光、電、原各自的物理規(guī)律雖為繽紛的多元美，但“趨同”的共性又表現(xiàn)出大一統(tǒng)的統(tǒng)一美。

物理學(xué)曾經(jīng)歷過(guò)5次大統(tǒng)一：第一次牛頓三定律和萬(wàn)有引力定律統(tǒng)一了天和地；第二次麥克斯韋方程組統(tǒng)一了電和磁；第三次麥克斯韋對(duì)電磁波的預(yù)言和赫茲的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證統(tǒng)一了電磁波和光；第四次微觀粒子波粒二象性統(tǒng)一了波和粒子；第五次弱電統(tǒng)一理論統(tǒng)一了弱相互作用和電磁作用。物理學(xué)每統(tǒng)一一次，就是科學(xué)史上的一個(gè)里程碑；每統(tǒng)一一次，物理學(xué)的視野就擴(kuò)大一點(diǎn)、離現(xiàn)象遠(yuǎn)一點(diǎn)。人類掌握的物理學(xué)規(guī)律越多，物理科學(xué)就越統(tǒng)一。

2 物理學(xué)追求美的動(dòng)因

科學(xué)的發(fā)展離不開(kāi)人的需求。而人的需求無(wú)非兩面：物質(zhì)和精神?？茖W(xué)提供實(shí)用技術(shù)，人的物質(zhì)需求通過(guò)物質(zhì)的豐富得以滿足。相較而言，精神方面復(fù)雜些，但我們知道與功利無(wú)關(guān)。美學(xué)最重要的特征就是無(wú)功利性。

物理學(xué)揭示出的自然界，如大質(zhì)量物體周圍空間會(huì)彎曲，物體高速運(yùn)動(dòng)時(shí)時(shí)間膨脹、空間收縮等，經(jīng)常以其深邃、玄奧使人震撼。

2.1 物理學(xué)家喜歡審美

何謂審美？就是欣賞、品味自然、社會(huì)或藝術(shù)呈現(xiàn)出的美，在心理上產(chǎn)生愉悅、享受等正性情緒，進(jìn)而做出積極反應(yīng)。如；對(duì)稱，就是給一個(gè)形注入平衡、均稱，使觀看者身體處于平衡狀態(tài)，注意力活動(dòng)對(duì)平衡的需要得到滿足后，產(chǎn)生輕松的心理反應(yīng)。物理學(xué)家喜歡審美，更多源于自然界固有的結(jié)構(gòu)與人內(nèi)心深處渴望求知的契合。簡(jiǎn)言之，物理學(xué)家在探索自然過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了自然界的美學(xué)特質(zhì)，以他們敏銳的感悟力，更容易在心靈世界中產(chǎn)生喜悅甚至豪放的情緒。這種體驗(yàn)從本質(zhì)上說(shuō)，是一種投入、忘我的境界。

當(dāng)然，并非所有人探索科學(xué)都與功利無(wú)關(guān)。愛(ài)因斯坦曾將探索科學(xué)的人分為兩類。“一類是把科學(xué)作為謀生手段，只要有機(jī)會(huì)，人類活動(dòng)的任何領(lǐng)域他們都會(huì)涉足；是成為工程師、官吏、商人、還是科學(xué)家，完全取決于環(huán)境?！边@樣缺了精神的人生，終究少了些意義?！岸硪活?，是決心獻(xiàn)身于科學(xué)，因而是為天使所寵愛(ài)的人?！?/p>

二十世紀(jì)初，以玻爾為代表的哥本哈根理論物理研究中心聚集了一大批年輕的物理學(xué)家。海森堡作為其中的一員，在回憶量子理論研究時(shí)說(shuō)：“透過(guò)原子現(xiàn)象的表面看到了奇美無(wú)比的內(nèi)景，想到我現(xiàn)在就要探察自然如此慷慨地展現(xiàn)在我面前的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)之財(cái)富，我?guī)缀跤X(jué)得飄飄欲仙了?！迸砑永找舱f(shuō)：“科學(xué)家研究自然，是因?yàn)樗矚g它，他之所以喜歡它，是因?yàn)樗敲赖?。若是自然不美，知識(shí)就不值得去追求?！憋@然，海森堡、彭加勒這些做過(guò)開(kāi)拓性工作的人屬于愛(ài)因斯坦所說(shuō)的另一類人。也由此看出，人格的精神性是偉大的。

2.2 科學(xué)研究對(duì)美的科學(xué)信念

獻(xiàn)身科學(xué)研究的物理學(xué)家隨著研究的深入，會(huì)將喜歡的情感上升到更高的層面——信念。以科學(xué)支持的信念就叫科學(xué)信念。

心理學(xué)將信念定義為：一個(gè)人對(duì)于某種觀點(diǎn)、理論或思想體系的正確性堅(jiān)定不移，并因此支配個(gè)人行動(dòng)的個(gè)性傾向。套用這個(gè)概念，科學(xué)信念就是：從事科學(xué)研究的人，對(duì)研究對(duì)象所具有的某種特性和將要達(dá)成的研究成果的正確性堅(jiān)信不疑，并愿為此奮斗終生。如堅(jiān)信世界可知、和諧，以及科學(xué)理論邏輯簡(jiǎn)單性等。

堅(jiān)信世界的和諧統(tǒng)一是愛(ài)因斯坦有關(guān)美的科學(xué)信念，從少年時(shí)對(duì)光速的執(zhí)著研究，到青年時(shí)創(chuàng)立相對(duì)論，再到晚年執(zhí)著于統(tǒng)一場(chǎng)論。正如他所說(shuō)，相信科學(xué)的前提是必須相信世界的內(nèi)在和諧性。

1820年奧斯特發(fā)現(xiàn)電流磁效應(yīng)，引起全歐洲物理學(xué)家關(guān)注。先是安培通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電流間的相互作用；接著比奧與薩伐爾給出了奧斯特實(shí)驗(yàn)中電流和由它引起磁效應(yīng)間的定量關(guān)系。至此，已充分證明電與磁之間存在著微妙的關(guān)系。法拉第從美學(xué)角度認(rèn)為，既然電流可以產(chǎn)生磁，磁就一定能產(chǎn)生電流。并在日記中寫(xiě)下“把磁轉(zhuǎn)變成電！”法拉屢次向電磁領(lǐng)域沖刺，他說(shuō)：“一定可以找到一種方法，使放在一根通電導(dǎo)線旁邊的另一根閉合導(dǎo)線產(chǎn)生電流?！睍r(shí)間一天天過(guò)去，實(shí)驗(yàn)已重復(fù)了多次，每次都在希望中開(kāi)始，失望中結(jié)束。妻子、朋友紛紛勸其放棄，法拉第說(shuō)：“如果實(shí)驗(yàn)不成功，這只能表明我不善于處置它?！?831年的某一天，“法拉第屏住氣，猛地將磁棒向紙管里一插……”法拉第美的信念成全了他。

物理學(xué)家們通過(guò)研究得到表述自然的規(guī)律，如果形式簡(jiǎn)單大多會(huì)相信其是真的，反之則不然。如海森堡所說(shuō)：“我相信自然規(guī)律的簡(jiǎn)單性具有一種客觀的特征，如果自然界把我們引向極其簡(jiǎn)單而美麗的數(shù)學(xué)形式——引向前人所未見(jiàn)過(guò)的形式，我們就不得不認(rèn)為這些形式是‘真’的，它們是顯示出自然界的真正特征……”。量子力學(xué)與狹義相對(duì)論共同導(dǎo)致了狄拉克預(yù)言反粒子、反物質(zhì)的存在。先是狄拉克預(yù)言有正電子存在，隨后，安德森發(fā)現(xiàn)了正電子。不久，布萊克特在觀察宇宙線時(shí)又發(fā)現(xiàn)了電子與正電子成對(duì)產(chǎn)生，碰撞后消失。次年，狄拉克又假設(shè)有反物質(zhì)存在，并開(kāi)始了反物質(zhì)的理論和實(shí)驗(yàn)研究。“2010年11月，數(shù)量極其有限的反氧原子在歐洲核子研究中心實(shí)驗(yàn)室中被捕獲到，存在僅0.17秒”，打開(kāi)了反物質(zhì)世界的一扇小窗。

3 物理學(xué)審美使物理學(xué)理論沿邏輯軌道臻于完善

物理學(xué)研究的最終目的是求真。求美是求真的一條重要途徑。

3.1 觸發(fā)創(chuàng)造的靈感

秉承美的信念的物理學(xué)家在研究過(guò)程中通常會(huì)因?yàn)槊蓝|發(fā)科學(xué)創(chuàng)新的靈感。如狄拉克創(chuàng)立相對(duì)論量子微分方程的靈感就來(lái)源于“那個(gè)表示不可對(duì)易性的不等于零的對(duì)易子。對(duì)易子與泊松括號(hào)十分相似，只要在經(jīng)典泊松括號(hào)前加上一個(gè)系數(shù) h /2π，對(duì)易子就成了類比物。加于矩陣乘法的那些附加條件，可以寫(xiě)成 pq - qp= (h /2π)i這一精致的形式。這樣以來(lái)便能為量子力學(xué)建立起一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)方程?！庇腥藛?wèn)他這個(gè)方程是怎么得到的，他說(shuō)：我覺(jué)得它美!愛(ài)國(guó)斯坦的廣義相對(duì)論與此非常類似，是受伽利略慣性質(zhì)量等于引力質(zhì)量啟發(fā)，并將其推論到加速度與引力間的等效原理，憑協(xié)變對(duì)稱地寫(xiě)出了引力方程。

3.2 物理學(xué)理論完善是以簡(jiǎn)單為基礎(chǔ)，最終達(dá)到邏輯上的統(tǒng)一

對(duì)于一些與物理學(xué)美的形式不協(xié)調(diào)的物理學(xué)理論也需要在實(shí)踐中被不斷修復(fù)和完善。以力學(xué)為例： 開(kāi)普勒在分析第谷留給他的資料時(shí)，曾因“地心說(shuō)”的均輪和本輪把宇宙理解得太復(fù)雜，而放棄“地心說(shuō)”轉(zhuǎn)向“日心說(shuō)”，十九年潛心實(shí)驗(yàn)室，給出了開(kāi)普勒三定律。其好友伽利略認(rèn)為還是不夠簡(jiǎn)潔，有文字鋪敘，說(shuō)明對(duì)宇宙的研究還不夠，因此創(chuàng)立物理學(xué)實(shí)驗(yàn)方法——這是劃時(shí)代的。物理學(xué)從此有了研究范式。當(dāng)然，這僅指地面上物體遵循的規(guī)律。

牛頓看到了天與地的和諧與對(duì)稱。給出了運(yùn)動(dòng)三定律與萬(wàn)有引力定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式，自此天地間所有的機(jī)械運(yùn)動(dòng)都被收入囊中。

一個(gè)多世紀(jì)后愛(ài)因斯坦創(chuàng)立了相對(duì)論，狹義相對(duì)論的三個(gè)表達(dá)式不僅簡(jiǎn)潔，還把牛頓力學(xué)作為一種極限情況包容其中。極限狀態(tài)下，能量、動(dòng)量等回到牛頓力學(xué)。普朗克則引入普朗克常數(shù)，量子力學(xué)由此誕生。

量子力學(xué)解決了牛頓經(jīng)典理論無(wú)法觸及的微觀世界的量子化問(wèn)題。理論高度簡(jiǎn)單、抽象。和相對(duì)論一樣，當(dāng)普朗克常數(shù)h→0時(shí)，量子效應(yīng)消失，也回到牛頓力學(xué)。

我們認(rèn)為：物理學(xué)理論的完善就是一個(gè)美學(xué)意義上的過(guò)程。以簡(jiǎn)單為基礎(chǔ)，從現(xiàn)象到本質(zhì)，逐次提煉共性，被層層擴(kuò)大了視野的現(xiàn)象，在邏輯形式上變得更加簡(jiǎn)單、和諧，最終達(dá)到邏輯上的統(tǒng)一。

4 結(jié)語(yǔ)

物理學(xué)四百年的發(fā)展史，除了引領(lǐng)科技發(fā)展、帶給我們更多便利，還給了我們諸多美的享受。從某種程度上說(shuō)就是物理學(xué)家追求美的歷史。只要我們善于用審美的頭腦，觀察與思索各種物理現(xiàn)象、物理方法與物理規(guī)律，就會(huì)發(fā)現(xiàn)物理學(xué)中的美的博大。但物理學(xué)中尋求美，不僅在物理現(xiàn)象中，還體現(xiàn)在物理學(xué)研究的方法、對(duì)未知探索的過(guò)程和物理學(xué)家的科學(xué)信念中。掌握物理學(xué)中審美的途徑和方法可以幫助我們更好地用發(fā)展的眼光去看待物理學(xué)的發(fā)展前景。

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