物理思想与物理美.ppt

* * 物理思想与物理美 ─有感于杨老师的力学课 P 郁培文 这是杨老师第一节课时提出的一个问题，也是杨老师在短短半个学期的力学课内第一次启发我究竟该如何理解物理内涵。 显然的东西往往不显然，因为我们已经习惯了这些在日常生活中很显然的问题，从来都不会去怀疑它们的正确性。 这个问题看起来很显然，是不是？ 而怀疑是创新的心理动力，是思维独立性、自主性的体现，数学家笛卡儿曾说：怀疑就是方法。我国著名物理学家周培源也说过：“如果把牛顿力学看成是至善至美的，相对论和量子力学就不会出现”。 物理学大师爱因斯坦就是从怀疑牛顿的绝对时空观人手，才创立狭义相对论的。 同样，诺贝尔奖得主李政道、杨振宁通过怀疑宇称守恒定律的普遍性才着力研究弱相互作用下宇称不守恒并获得成功的。 杨老师也说过，学习物理光做好习题是远远不够的，培养物理直观与思想才是最重要的，而勇于怀疑书本，怀疑前人的看法正是培养物理思想的一个重要方法。 我高中时对物理的理解就是做好题目，做好实验，这就是物理的全部。然而半个学期的大学力学课，使我不仅了解了学习物理需要思想，而且从杨老师的课中体会到了物理的美学所在。 物理学中的美，就是一种科学美。 物理学家杨振宁先生把物理学之美分为三类：现象之美，理论描述之美，理论结构之美。 也有人把物理学之美分为：物理学研究对象的美感，物理学理论的美感，物理学实验的美感。 还有人把物理学之美说成它具有明快简洁美，均衡对称美，奇异相对美和和谐统一美。 有两个理论，几乎能解释同样多的事实，谁简单，物理学将选择谁。考虑一个简单的问题，为什么人们最初都认为太阳及其它行星围绕地球转，而不是行星(含地球)围绕太阳转？这也是出于简单性的考虑：人们最初天文知识少，只能通过肉眼观察；太阳朝起夕落，认为太阳及其它行星围绕地球转自然是方便的事情。但是随着技术的进步，人们的天文观测越来越精密，为了解释“太阳系”的许多现象，如地球的四季变化，日食和月食，土星、木星位置的异常变化等，伟大的几何学家托勒密在前人的基础上创立了严密的“地心说”，解释了当时的绝大部分观察现象。“地心说”的基本要义是：(１)地球是圆的，静止地位于宇宙的中心；(２)太阳及其它行星绕地球转动，基本轨道(称为１级轨道)是圆周，一般来说，太阳或行星并不恰好处于１级轨道上，而是绕１级轨道上的点作半径更小的圆周(称为２级轨道)运动。这样，整个“太阳系”就像一个齿轮嵌套体系：１级轨道是一些大齿轮，２级轨道是一些较小的齿轮，大齿轮传动小齿轮。最初齿轮数目还不多，但随着观察水平的提高，托勒密又不得不在小齿轮上套上更小的齿轮，越套越多，最后竟达８０个之多。面对着这么多的齿轮，天才的哥白尼站了出来，说：“不，太阳系应该是简单的！我们若将太阳和地球换个位置，托勒密的齿轮至少能扔掉一半以上，太阳系也就变得井然有序了。”这就是“日心说”，物理学最终选择了它。试问：从相对运动的观点来看(不考虑动力学的原因)，选择地球为参考系和选择太阳为参考系，没有理由说谁更优越，为什么要抛弃“地心说”而承认“日心说”呢？两个字：简单---“日心说”后经开普勒的改造只剩三条定律，但太阳系各行星运动规律尽在其中。 例如：具有对称结构的雪花是如此对称、如此美丽，对称的结构给人一种稳定，完善的感觉，使人内心舒服，使人惊叹于大自然的造化。物理学家在对自然深入的思考和考察中，越来越坚信大自然的最终本质是依照“美和简单”来构造自己的。 对称结构的雪花 当然，物理学家头脑中的对称，并非像前面的图片那样朴素，那样直观；我们要了解物理学中的对称，先从几何图形的对称性说起。 例如：一个圆，我们把头向左偏过一个角度来看，它的形状变了吗？没有。我们便说这个圆具有旋转对称性（或旋转不变性）； 我们再把圆放在平面镜前，设想我们钻进“镜子里的世界”来看这个圆。在镜中世界看到的这个圆，样子依然保持不便。我们便说这个圆具有反射对称性（或宇称不变性）。 物理学中的对称性主要表现在对物理世界规律的研究方面。 根据刚才的例子，我们还可以假设某些物理学家一直埋头对“镜子中的世界”进行研究，如果他们得到的定律与正常世界的研究成果一致，我们就说这个定律具有反射对称性（或宇称不变性）。 右图中“镜中世界”的小球沿顺时针方向做匀速转动，与正常世界中的小球绕行方向相反，但它们所遵从的物理规律却是完全一致的：F向=mω2R 再如：单摆的振动既具有时间周期对称，又具有时间反演对称。当单摆完成一次全振动后，接下来第二次全振动跟上一次完全一样，这就是时间周期对称。当我们将单摆的运动拍成电影，那么无论顺着放还是倒着放都没有区别，这就是时间反演对称。 又如:从右图所示的两个匀变速直