物理学之美

我们所处的物质世界,大到宇宙天体,小到微观粒子,尽管零零总总纷繁复杂,但物质之间相互作用、相互依存,遵循各自的运动规律,形成有序、协调、统一的整体,显现出自然规律的和谐、优美。牛顿力学理论所概括的是宏观低速物体的运动规律;而爱因斯坦在更高的层次上以光速不变和相对性原理为基础,建立了狭义相对论,它反映了高速运动物体的运动规律;量子力学揭示了微观低速物体的运动现象;而现代量子场论、相对论量子力学则考察的是微观高速领域粒子的运动。这些严密优美的理论体系,不仅具有真理的性质,又具有审美意义。

纵观物理学的整个发展过程,无不包含着一代又一代的科学家对物理学之美的孜孜追求。爱因斯坦曾经说过:“物理学是至善至美的科学”。他把物理学之美归纳为:简单、和谐、完善、统一。他在建立相对论时的整个思考过程即是对“宇宙美”的追求过程。和谐美、简洁美一直是他衡量物理学理论是否正确的标准。开普勒坚信上帝是按照完美的数学原则来创造世界的,他以数学的和谐来探索宇宙,不忽视任何一个误差,最终发现了行星运动的统一规律――行星运动定律。费曼也正是凭着他独特的审美鉴赏力去审视和欣赏牛顿的万有引力定律,麦克斯韦方程和爱因斯坦的相对论所体现的那种完美的结构,感受对称性、守恒定律、最小作用量原理的普遍性;又通过自身的审美直觉去洞察自然界内在的美,创造出了体现过去与未来之间对称性的费曼图,并进而提出了一种新的重整化理论,巧妙地避开了困扰量子场论计算中的发散困难,为量子场论确立了一种标准的理论程序。

物理学所蕴含之美主要包括:对称美、简洁美、和谐美、统一美。

1.对称美

由于物理学揭示了自然界物质的存在、构成、运用及其转化等规律的对称性而产生的美感,称为物理学的对称美。

物理学中的对称主要表现为时空对称、数学对称和抽象对称。

时空对称有空间对称、时间对称、时间和空间同时对称三种类型。时空对称表示物理现象在时空变换下的不变性。如杠杆的平衡、平面镜成像、磁体的两极、电荷的正负表现了物质的直观形象在空间上的对称;匀速运动的速率在运动过程中的任一点都相等,相干光在干涉空间任一区域都保持相等的条纹宽度等表现了物质在运动变化过程中的空间对称;周期、节奏、频率等表示了时间对称;不随时间变化的匀强电场、匀强磁场表现出既具有时间对称,又具有空间对称等等。

数学对称表示物理内容在教学形式(图与式)上的对称性。如简谐振动的振动图线、简谐波的波形图线具有对称性。这种对称性表示了物理内容在数学图形形式上的对称。万有引力定律、库仑定律与距离之间都具有对称性,这些对称性表示了物理内容在数学表达式上的对称。

抽象对称表示以抽象的方式所反映出的物理内容的对称。由于在无穷大或无穷小的尺度上研究物理问题,很难具有直观性,故很多物理形象及物理内容所呈现的对称具有抽象性。如处于平衡态的气体对容器壁的压强处处相等;处于平衡态的气体分子的热运动在三维空间各个自由度上发生的几率相等,这些都体现了物理内容的抽象对称美。

2.简洁美

由于物理学揭示了自然界物质的存在、组成、运动及其转化等规律的简单性而产生的美感,称为物理学的简洁美。

从物理理论的整体来看,在形形的物理世界中,各种物理现象和过程千差万别,但在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。例如,宇宙中纷乱的种种作用力,在本质上可归结为四种:万有引力、电磁力、强相互作用力、弱相互作用力;牛顿定律将宏观低速条件下各种机械运动的现象都置于其统治之下;麦克斯韦方程组使复杂的电磁运动形成了一个和谐美满的家庭;量子力学理论使行踪飘忽的微观粒子眉目清晰……F=ma,E=mc2等等,其形式是多么的简洁而优美。这些都体现了物理学理论整体的简洁美。

物理学中的理想化方法是从多维的具体形象中,抓住最具有本质特征的主要形象,舍弃一些次要形象,建立起一个轮廓清晰、主题突出的新形象,从而简化物理问题。显然,具有简洁美。

3.和谐美

和谐是指由于组成整体的各个要素相互间恰到好处而在整体上显现出协调。和谐给人以一种恰如其分、浑然一体、轻松自如的美感。物理学的和谐美,主要是指由于物理理论揭示了自然界物质的存在、构成、运动及其转化等整体上的和谐性而产生的美感。它主要表现在自洽、对应和互补三个方面。

自洽,与其基本含义一致,即自身内不存在不可统一的矛盾。物理学中的自洽和谐美,主要体现在物理学各分支理论内部以及各分支理论之间在现象、概念、规律等方面都是互不矛盾的。

对应和谐美是指由物理学不同理论间的对应关系而展现的物理学和谐美。对应是高级理论对低级理论的包容,或者是说低级理论是与高级理论在某一特定条件下的结论相一致。具体地说,对某领域正确的物理理论,在新的、更加普遍的理论出现时,并不作为错误的东西被抛弃,而是作为新理论的极限形式和局部情况,在新理论中保持原有的意义。如当v

互补和谐美是由物理学各部分之间的互补关系而展现出的物理学和谐美。所谓互补,就指彼此间弥补、相辅相成。物理学中的互补主要表现在不同的、甚至是相互排斥的物理理论,从不同的侧面描述物理学的研究对象。如光的波动性与粒子性、微观粒子的波动性与粒子性,都分别从不同的侧面反映了光与微观粒子的本质。在这里,波动性与粒子性既互斥,又互补。

4.多样统一美

由于物理学揭示了自然界物质的存在、构成、运动及其转化等规律的多样统一性而产生的美感,称为物理学的多样统一美。物理事物是千姿百态、千变万化的,因此,由它们构成的物理世界,必然呈现出万紫千红的景象,反映物理事物的特性及其规律的物理知识也是丰富多彩的。但是,自然界是统一的,客观物理事物之间存在着内在的联系,通过这种联系使得我们能将各种各样的物理知识统一起来,进而形成既千变万化又和谐统一的美的画卷。例如,牛顿力学把地上的和天上的所有低速宏观运动的规律统一起来;麦克斯韦电磁理论把电、磁、光统一起来;爱因斯坦广义相对论把引力、时间、空间、物质联系起来;德布罗意关系将微观粒子的波动性与粒子性统一起来,这些都会使人们感到一种多样统一的美感。

物理学的美学意义在于它对世界美的反映。物理学总是在对称、简洁、和谐、统一的美的过程中创立和发展的,没有对称、简洁、和谐、统一就没有物理学。

作者单位:河北省卢龙县教师进修学校