光學(xué)之美在生活中的體現(xiàn)

趙治杰 楊鵬 郭小飛

摘?要：物理世界的本質(zhì)即是美。因為在以物質(zhì)世界為基礎(chǔ)的物理學(xué)的結(jié)構(gòu)中包含兩類基本概念。一類是次序的形式;另一類則是該形式中所包含的內(nèi)容。前者確定了物理學(xué)的幾何圖像，后者則負(fù)責(zé)真實事物的具體結(jié)構(gòu)和特性。[1]這兩類基本概念把物理世界的現(xiàn)象之美與理論之美充分地展現(xiàn)了出來。光學(xué)是物理學(xué)中的一個主要的分支。本文將著重論述光學(xué)現(xiàn)象與理論在生活中美的體現(xiàn)與應(yīng)用，從而彰顯出物理學(xué)的魅力。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)象之美，理論之美，麥克斯韋方程組

引 言：

愛因斯坦說，在技藝達(dá)到一個出神入化的地步后，科學(xué)和藝術(shù)就可以很好地在美學(xué)、形象和形式方面結(jié)合在一起。偉大的科學(xué)家也常常是偉大的藝術(shù)家。[2]

楊振寧在《美與物理學(xué)》一文中寫道：

存在三種美：現(xiàn)象之美、理論描述之美、理論結(jié)構(gòu)之美。[2]

現(xiàn)象之美，是指組成了科學(xué)主題的那些實體所呈現(xiàn)出的美麗的現(xiàn)象，如彩虹、北極光等;理論之美，是指客體自然規(guī)律的反映，它的簡潔與和諧讓人產(chǎn)生一種愉悅的美。如光的反射與折射定律等;理論結(jié)構(gòu)之美，是指理論有一個簡潔、漂亮的結(jié)構(gòu)，在20世紀(jì)以后，它通常是指理論本身的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)。

這三種美相互獨立而又相互融合，即對立又統(tǒng)一的展示出了世界之美。

1 現(xiàn)象之美

物理學(xué)的研究領(lǐng)域非常的廣泛。比如：力、熱、光、電、磁、原子、粒子等等，大到整個宇宙空間，小到微觀粒子都是物理學(xué)所研究的領(lǐng)域。時間、空間、質(zhì)量、能量等構(gòu)成物理學(xué)的基本框架。因此，物理學(xué)也被稱為身邊的科學(xué)。物理學(xué)的結(jié)構(gòu)與規(guī)律所彰顯出來的是一種美的秩序。然而，在眾多的物理學(xué)領(lǐng)域當(dāng)中，能夠給人們帶來視覺之美的唯獨《光學(xué)》。

光學(xué)之美，自古以來就是文人墨客創(chuàng)作的舞臺。

宋代詩人蘇軾在其《同王勝之游蔣山》中寫道：“峰多巧障日，江遠(yuǎn)欲浮天”。詩人用光的直線傳播的特點，勾勒出一幅“山峰蔽日，水天一色”的場景。

唐代詩人劉禹錫在其《望洞庭》中寫道：“湖光秋月兩相和，潭面無風(fēng)鏡未磨”。詩人用光反射的特點，映射出夜晚平靜的湖面，水光與月色交融的景象。

1933年，毛澤東在《菩薩蠻·大柏地》一詞中，用光學(xué)現(xiàn)象“赤橙黃綠青藍(lán)紫，誰持彩練當(dāng)空舞？”描繪出一幅宏偉壯闊的動態(tài)感的畫面。從而揭示出革命戰(zhàn)爭的重大意義。這是主觀的情與客觀的美的結(jié)合。

在生活中，可以說充滿美的地方，處處都能夠體現(xiàn)出光的特點。因此，人類很早就開始研究光的幾何特點。無論是中國的《墨經(jīng)》中“光學(xué)八條”對光規(guī)律的描述，還是西方歐幾里得在《反射光學(xué)》中對光的反射的研究。這些現(xiàn)象和規(guī)律，如：雨后彩虹、小孔成像、海市蜃樓等等，都是光現(xiàn)象在人們生活中美的體現(xiàn)。

科學(xué)更是美術(shù)藝術(shù)的靈魂，力與結(jié)構(gòu)、光與影、靜止與運動，這些矛盾而統(tǒng)一的整體，直接滲透在了繪畫中造型的形象、構(gòu)圖的構(gòu)思、氣氛的烘托等藝術(shù)創(chuàng)作的全過程。在藝術(shù)中，光與影的協(xié)調(diào)，給人帶來廣闊思考的空間。

現(xiàn)象之美是從實體以及實體的運動之中獲得的。這種美一般不需要特定的理論知識，只需要觀察就可以感受到。

2理論描述之美

光學(xué)的發(fā)展貫穿著人類對世界認(rèn)知的整個歷史，無論是在科技上、藝術(shù)上，還是在生活中，光學(xué)都給人們帶來了美的享受。正如傳記作家沙利文所說，一個科學(xué)理論成就的大小，事實上就在于它的美學(xué)價值。

2.1 色散與音樂

1669年，牛頓在他的講座中談到色散問題時，他只描述了5種顏色，即：紅、黃、綠、藍(lán)和紫色。因為當(dāng)時實驗條件的限制，牛頓并不能夠確定到底有幾種顏色。但是后來，牛頓卻加上了橙色與青色，使其成為7種顏色。因為牛頓認(rèn)為，光和聲音應(yīng)該有相似的地方，基色的數(shù)目和全音階的7個音樂調(diào)如果是相對應(yīng)，那么一定是一種美妙的感覺。這就是牛頓用音樂的美感來引導(dǎo)他的光學(xué)研究。

無論是對力學(xué)的研究，還是對光學(xué)的思考，牛頓的探索都是以自然哲學(xué)為基礎(chǔ)，不斷地利用美學(xué)標(biāo)準(zhǔn)來引導(dǎo)自己的思維。從牛頓的成果上，我們可以清楚地體會到自然哲學(xué)與美學(xué)的統(tǒng)一。

2.2 為什么可以“看”到？

在我們看到各種物質(zhì)的過程中，到底發(fā)生了什么，才使得那些物質(zhì)在我們的大腦中形成完整的景象？我們又是如何來分辨這些景象的？

光作為一種電磁波，具有波的各種性質(zhì)。電磁波的范圍很廣，波長沒有上下限的限制。[3]但是，人類的眼睛只能感受到電磁波譜中很窄的范圍，即400nm到760nm范圍之間的波長。不同的顏色表征為電磁波的不同波長。[4]因此，這一部分特殊波長的電磁波，就成為我們直觀的了解宇宙、了解實體物質(zhì)的一個信使。

當(dāng)光照射到物體上，而被物體所反射的時候，其中有很少部分進(jìn)入我們的眼睛，在極短的瞬間，這些信息被整理成完整的景象。[4]因此，我們才能夠感知世界的美好。

3 理論結(jié)構(gòu)之美

英國作家馬洪在他的麥克斯韋傳里寫道：麥克斯韋方程組是宏偉的數(shù)學(xué)表述，它深奧、微妙，但又令人吃驚的簡單。它們?nèi)绱司哂姓f服力，以至于人們不需要學(xué)習(xí)高深的數(shù)學(xué)知識，就可以感覺到它們的美和力量。[2]

物理學(xué)的理論之美體現(xiàn)在它對數(shù)學(xué)恰當(dāng)?shù)膽?yīng)用之上。英國科學(xué)期刊《物理世界》曾讓讀者投票評選出十個最美的公式。位于榜首的就是下面這組麥克斯韋方程組。[5]

麥克斯韋方程組，無論是其結(jié)構(gòu)形式，還是它所反映出來的本質(zhì)，都是物理之美的一種體現(xiàn)。因為這些公式對稱簡潔、形式優(yōu)美、深入其內(nèi)、博大精深。形象地展現(xiàn)出了電磁世界的基本圖像。

愛因斯坦在研究麥克斯韋方程組時，被其美學(xué)價值所震撼，于是利用其內(nèi)部隱含的對稱性，提出并創(chuàng)立了相對論。

在理論描述的基礎(chǔ)之上，能夠用數(shù)學(xué)的形式來展現(xiàn)其結(jié)構(gòu)，這本身又何嘗不是一種美呢？

4小結(jié)

人類曾經(jīng)自信地認(rèn)為，光的幾何描述即是光的本質(zhì)，直到牛頓的粒子說與惠更斯的波動說的對立，人類才開始正視光的本質(zhì)。在粒子說與波動說此起彼伏之時，德布羅意又提出了光的波粒二象性。人類對光學(xué)充滿了好奇和探索欲。然而，光就像是一層面紗籠罩著我們的視線。正如愛因斯坦在1951年所說，“光的本性之思考已在我心中縈繞了50年，然而并沒有使我接近答案半步，現(xiàn)在，似乎每個人都認(rèn)為他們能夠回答光是什么，然而他們錯了”。

我們可以欣賞光的現(xiàn)象之美，也可以享受光的理論描述之美，還可以為光的理論結(jié)構(gòu)之美感到震撼?；蛟S我們真的不能夠完全認(rèn)識光的本性，但是，我們對光本質(zhì)探索的過程即是一種美的體驗。

物理學(xué)家狄拉克于1974年在哈佛大學(xué)演講時提到：“學(xué)物理的人用不著對物理方程的意義操心，只要關(guān)心物理方程的美就夠了”。

探索光學(xué)的同時，也讓人們認(rèn)識到，其實人類對宇宙的了解非常之少，因為人類的感知范圍是有限的。因此，一旦我們?nèi)ニ伎脊鈱W(xué)的問題，我們就會認(rèn)識到自己的渺小，從而學(xué)會謙卑。當(dāng)我們的生活中充滿謙卑、溫柔、感恩的時候，我們的心靈也會變得更加美好。

參考文獻(xiàn)

[1]?恩斯特·卡西爾.實體與功能和愛因斯坦的相對論[M].湖北科學(xué)技術(shù)出版社.2016.06.

[2]?楊建鄴.物理學(xué)之美[M].北京大學(xué)出版社.2019.08.

[3]?馬文蔚.物理學(xué)簡明教程（第2版）[M].高等教育出版社.2018.11.

[4]?亞里克斯·蒙特威爾.光的故事[M].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社.2015.08.

[5]?盛新慶.電磁之美[M].科學(xué)出版社.2020.02.

作者簡介：趙治杰（1984.03）男，漢族，碩士研究生，河南牧業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)院，助教。研究方向：粒子物理。

郭小飛（1989.09）男，漢族，博士研究生，河南牧業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)院，講師。研究方向：粒子物理。

楊鵬（1986.11）男，漢族，博士研究生，鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院，講師。研究方向：電子源材料與器件。