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物理与美
——论物理中美的存在
物理学作为自然科学的基础学科之一,其中蕴含的科学知识不言而喻,可是物理中却有
许多美学的知识。这似乎可以说明,美是无处不在的,更说明,物理不仅仅是可以传达科学
知识的学科,更是一个充满魅力的学科。
物理学不是美学,但物理学中包含着美。
首先从物理学的内容来看:物理学所反映的是自然界丰富多采的运动形式及规律,因而
它展现的内容就是自然界的美。科学探索的任务就是发现和解释自然界的本质,物理学家们
探索物理规律的同时也在探求自然的美,其首要目的是表达人们发现的自然界中存在的美。
只是它研究的美是深层次的美,不象看一个人漂亮与否那么简单。其次从物理学的研究方法
来看:物理学家研究物质运动最基本、最普遍的规律,物质的结构及其相互作用时,正是运
用观察、实验、物理思维等物理手段寻找客观世界的规律。这种求真求实的态度,正是求美
的态度,许多物理学家都深信正确的物理理论必然是美的,真和美是统一的。
西方的物理学家们一直相信一句话:上帝只会用美的方程来设计宇宙,这无一不说明了
物理与美的不可分离。而作为自然学科的物理,审美已经成为其理论研究的驱动力之一,诺
贝尔物理学奖获得者杨振宁先生在清华大学90华诞时说到:“每一个画家、音乐家、作家都
有他自己独特的风格,也许有人会以为,科学与文艺不同,科学是研究事实的,事实就是事
实,什么叫做风格,要讨论这一点,让我们拿物理学来讲,物理学的原理有它的结构,这个
结构有它的美跟妙的地方,而各个物理学工作者对于这个结构的不同的美跟妙的地方的感
受,有不同的了解,因为大家有不同的感受,所以每一个工作者就会发展他自己独特的研究
方向跟研究方法,也就是说他会形成他自己的风格。”这也证明了物理与美有着不可分离的
关系。
自然界是美的,千百年来,无数的物理学家披荆斩棘,为我们开辟一条绚丽的真理之路
更是美的,可以说每个伟大的发现、发明都是这条路上的美丽风景。然而物理的美还包括物
理自身的美。物理学中常见的几种美包括简洁美、对称美、统一美等等。
简洁美:一个科学理论体系,“首要的是它的前提的简单性”,“唯一事关紧要的是基
础的逻辑简单性。”从物理理论的整体来看,在物理世界中,各种物理现象和过程千差万别,
但本质上却可逻辑地归结为为数不多的若干基本概念和原理。物理并不是像有些人想像的那
样,是要把简单的问题复杂化,相反的是,物理学的任务是要从纷繁芜杂的表象中找到事物
的本质。宇宙中纷乱的种种作用力,在本质上可归纳为四种:万有引力、电磁力、强相互作
用力、弱相互作用力(分子原子之间);而现在,物理学家们正在努力将这四种力归纳到一
起,用一种理论来解释所有的作用。这个宏伟的理论称为“大统一理论”,现在仍在进行中。
2000多年来,“以严格的数学关系来表示自然界一切事物的简单性与和谐性”一直绵
延不断地支配着物理学家的头脑。开普勒是最早运用数学表示物理思想的科学家之一,他提
出的开普勒三定律用简单的三句话描述了宇宙中所有行星的运动规律。行星的运动看起来是
非常深奥和复杂的,但是开普勒仅仅用三句话来描述并且与事实符合得相当好。牛顿定律将
宏观低速条件下各种机械运动的规律组成了一个秩序井然的集体;从苹果落地、鸟儿飞行到
卫星上天、行星的运动都可以用牛顿定律解决。麦克斯韦方程组的电磁规律建立了一个和谐
圆满的家庭;电和磁之间有什么关系?电磁场的本质和规律是什么?麦克斯韦方程组都可以
为你解释;粒子的运动都有波动性,粒子的运动是一个随机事件,量子力学理论使行踪飘忽
的微观粒子眉目清晰。而著名的狭义相对论中,也只有两条逻辑上彼此独立的基本假设:狭
义相对性原理和光速不变原理。在广义相对论中,等效性原理和广义相对性原理也是该理论
仅有的两条基本假设。从逻辑基础来说,比狭义相对论更简单,但其包含的物理内容却更广
泛,包含了整个宇宙。可以说表达物理规律的语言是数学,而且往往是非常简单的数学,这
种大道至简的美,难道不是物理中所蕴含的。
对称美:对称性总是和美联系在一起的,对称性思想已成为反映今天“自然科学时代的
精神”之理论精华,而对称性方法也已成为当代最普遍的精密自然科学方法之一。谈到对称
性的时候,提到的“事物”不一定限指一个具体物件的形体,物理学家更注意到物理规律的
对称性。
从不同的方向看,物体的运动都遵从牛顿定律,牛顿定律具有旋转对
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