物理学中的美 .pdfVIP

物理学中的美

物理学固然不是美学，但物理学中包含着美。由于物理学所反映的是自然界

丰富多彩的运动形式及规律性，因而它也就同时展现了自然界在结构上的对称、

和谐与韵律美。由于科学理论的首要目的是表达人们发现的自然界中存在的和

谐。所以，我们一眼就能看到这些理论具有美学价值。对于一个科学理论的成功

与否的衡量，事实上就是对它的美学价值的衡量，因为这就是衡量它给原本是混

乱的东西带来了多少和谐。

自然科学美的主体成分理性美，是自然界的固有结构与人的认识、人类心灵

深处的渴望在本质上的吻合。它是通过科学的理想化、抽象化，以概念、定理、

公式、理论的方式显示出来的。由历代物理学家所精心雕琢的物理学大厦，可谓

是一座辉煌壮丽的科学殿堂。它集诸种基本形式美与内容美于一体，不仅向人们

提供了对物质世界规律性的认识，同时也把一种令人心旷神怡的美景奉献给了人

类。只要步入这个“和谐的宇宙”，就一定能使具有一定科学素养的人领略和体

味到这种理性美。

物理学所描述的对象是非常广泛的，因而它的美也在多方面有所体现。从浩

瀚无边的宇宙到微观世界的基本粒子，无不是物理学家的研究对象；从星系到夸

克，全部都遵循着基本的物理规律。结合美学的基本原则以及科学美的评价和判

断标准，我们可以从以下几方面来欣赏物理世界的美：物理学中的逻辑简单性；

物理定律的内在对称性；物理规律的复杂整体性；物理原理的并协互补性；物理

理论的普遍性；物理学中的延伸性。

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。”

表达物理规律的语言是数学，而且往往是非常简单的数学。这也正是一种微

妙的美。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，被后人称为“物理学之父”的

阿基米德，从数学上证明了杠杆原理、浮力定律等，从而使他的静力学闪烁着数

学美的曙光。

哥白尼的日心说体系，由于提供了用圆周运动和匀速运动解释天体现象的最

简单、最经济的方案，使得天文学上的测算变得更加容易，并且在他巧妙的构思

下，“宇宙里有一种奇妙的对称，轨道的大小与运动都有一定的和谐关系。”人

们都“以难以相信的欢乐心情去欣赏它的美。”开普勒则以他关于和谐关系的“原

型样本”，使第谷的那些繁杂而沉闷的资料获得了新生，从而勾画出“和谐是宇

宙布局的精髓”的宏伟蓝图。波恩评论说：“开普勒的不朽功绩就在于他发现了

行星轨道所遵循的简单而惊人的规律。”为提醒人们掌握数学语言，认为“没有

它们，人就只能在黑暗的迷宫里劳而无功地游荡”的近代科学之父伽利略，第一

个用数学关系精确地表述并定义了时间、位置、速度、加速度、匀速运动、加速

运动„等概念，并赋予自由落体、摆、斜面、抛体等运动的规律以简洁、优美

的数学表达式。

“站在巨人的肩上”的牛顿，曾被为他作传的托马斯称作是用科学中的光谱

线来解释他的理想的特殊诗人；以他划时代的伟大巨著《自然哲学的数学原理》

应验了他的肺腑之言：“宇宙的设计是如此美丽，设计所依照的法则是如此和谐。”

难怪丹皮尔在说“牛顿赋予世界画面的惊人的秩序与和谐给我们的美感上的满

足，超过任何凭借天真的常识观点或亚里士多德派范畴的谬误概念，或诗人们的

神秘想象所见到的、万花筒式的自然界。”

拉格朗日《分析力学》的数学形式，几乎达到了完美无缺的地步。由于拉格

朗日引入了起能量作用的拉氏函数和广义坐标的概念，这就比牛顿力学中采用的

力函数、坐标和时间参量具有更大的普遍性，从而把牛顿力学的方程概括成一个

拉氏方程，使动力学问题和静力学问题有一个统一的求解工具，并导出了牛顿力

学中尚未认识到的能量守恒的结果。正是由于拉格朗日始终不渝地追求数学美，

才赋予了牛顿力学体系以优美的数学和严密的逻辑表述，并深刻地反映了物质运

动的本质。基础理论的逻辑简单性，在狭义相对论和广义相对论中也得到了充分

的体现。狭义相对论中，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。对自然规律用满足洛仑兹协变的方程来描述，因而具有最简洁

的形式。狭义相对论中独立的概念要比经典物理学中更少，结构更有序，更紧凑。

它破除了经典力学绝对时间、空间、质量不变的老观念，具有新奇色彩，因而具

有很高的自然科学美学价值。广义相对论中，等效性原理和广义相对性原理是该

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。正如前苏联物理学家福克