物理学的简约美.pdf

2011 年3 月刊 商品与质量 理论研究 物理学的简约美 □潘 岳 李林洋 卢晓波 （山东大学物理学院 山东济南250 100） 摘 要：当我们在网上输入 谁是世界上最伟大的科学家 时，牛顿、爱因斯坦的名字赫然在列，而在谈到当今最伟大的科学家时，霍金也似乎是当仁不 让。看来，谈到 科学 两字时，大家对物理学和物理学家是情有独钟。物理，这门古老而神秘的学科，到底靠着什么吸引着大家呢？本文以牛顿发现 万有引力定律和牛顿运动三定律的故事为主线，从物理学的一个美学特性 简约美来阐述物理学之美，同时在文中感受物理学家的伟大人格。 -- 关键词：物理学；简约美；牛顿； 车轮转动，人向前走，青蛙上跳，苹果落地……这一切看似杂乱 以上万有引力定律和运动定律出现在 1687 年的 《自然哲学的 无章，背后却又似隐藏着什么。很久以前，没有人想过这些，也没有 数学原理》上，牛顿仅仅用了一条万有引力定律和三条牛顿运动定 人能够想通。这时，正如亚历山大 ·蒲柏所说的: 律就构建起了经典物理学的基础，解释了纷乱的世界中的运动的普 自然和自然的法则在黑夜中隐藏； 遍规律。小到一片树叶的飘落，大到太阳、月亮的运动都可以囊括 上帝说，让牛顿诞生！于是一切都被照亮。 其中。就像牛顿说的那样： 自然界喜欢简单，不爱用多余的原因夸 1643 年1 月4 日，即将带给人类光明的牛顿生于英格兰林肯郡 耀自己。物理学本身亦是如此。在万紫千红的大千世界中，各种变 格兰瑟姆附近的沃尔索普村。早年牛顿的家境不甚理想，父死母嫁 化和现象都可以被物理学家们归结于简单整齐的物理学概念和规 使得牛顿从小沉默寡言、性格倔强。少年时期的牛顿并没有展现出 律之中，使世界充满了一种秩序，同时为人们带来了美感。同时，物 惊人的天赋，甚至略显呆板。但牛顿还是体现出了一些动手能力， 理学的研究和思维方法也可以体现出一定的简约性。物理学的一 他制作小风车的故事已是家喻户晓。而这种善于独立思考来解决 种基本的研究方法就是从纷繁的现象和实验结果中归纳总结出具 问题的精神也为他将来获得不朽的成就打下了良好的基础。 有概括性和普遍性的概念和规律。在具体过程中要舍弃次要矛盾， 166 1 年，19 岁的牛顿以减费生的身份进入剑桥大学三一学院， 抓住主要矛盾，力争使结论能够用最简洁的语言和符号概括最多的 这也成为了他人生的一个转折点。在剑桥中，初出茅庐的牛顿如饥 内容。 似渴的汲取着各方面的知识，尤其是数学和自然科学知识。而在巴 正是因为简约性在物理学中如此重要，所以物理学家们也将简 罗门下的那段时间更是使牛顿获益终生。后来，牛顿在回忆时说 约性作为进行研究时的一个准则。爱因斯坦就曾说过：要通过最少 道： 巴罗博士当时讲授关于运动学的课程，也许正是这些课程促使 个数的原始概念和原始关系的使用来达到科学的目的。1905 年， 我去研究这方面的问题。1965 年牛顿获得了剑桥大学的学士学位。 也就是伟大的爱因斯坦奇迹年中，爱因斯坦提出了两条基本原理， 随后两年，由于伦敦的瘟疫，剑桥大学停课，牛顿也就退归林下。而 即相对性原理和光速不变原理。前者意味着在所有惯性系中，物理 他在家的这两年，成为了他人生中最辉煌的两年。期间他想了前人 定律有相同的表达形式；后者则认为真空中的光速不变，与光源的 没想过的问题，做出了前人做不出的成绩。他的三大成就：微积分、 运动无关。在承认二者不相冲突的前提下，爱因斯坦利用洛伦兹变 万有引力、光学分析的思想都是在这个时期形成的。而苹果落地的 换推导出了一系列的结果，整个理论称之为狭义相对论。而狭义相 故事更是成为了千古佳话。