物理學(xué)中的美感

杜良美

摘要：物理學(xué)是一門充滿美的科學(xué)。本文僅從物理科學(xué)美的突出特征加以論述：即物理學(xué)中存在和諧美、簡(jiǎn)潔美和奇異美。而一些物理學(xué)家在對(duì)物理科學(xué)的終生探索和追求中，更是表現(xiàn)出美的精神。

關(guān)鍵詞：物理科學(xué)美感和諧美

在常人的心目中，物理學(xué)是深?yuàn)W的、艱難的、枯燥的；一提到物理學(xué)家，眼前就會(huì)浮現(xiàn)出愛(ài)因斯坦的形象：白發(fā)怒張、滿臉皺紋，受成見(jiàn)的桎梏，人們對(duì)美的感受往往限于文學(xué)藝術(shù)領(lǐng)域，物理學(xué)與美似乎無(wú)緣。實(shí)際上，物理學(xué)是一門充滿美的科學(xué)。而物理學(xué)家在對(duì)物理學(xué)的終生探索和追求中，更是表現(xiàn)出美的品質(zhì)，美的精神?！霸訌椫浮眾W本海墨認(rèn)為：“物理學(xué)是一門研究自然規(guī)律與秩序的學(xué)科，它探索物理和諧地存在與運(yùn)動(dòng)的根源，秩序與和諧就是一種美?！?/p>

楊振寧博士在《美和理論物理學(xué)》一文中提出：物理學(xué)具有“物理現(xiàn)象之美”，“理論描述之美”，“理論結(jié)構(gòu)之美”。

物理科學(xué)美的特征突出可以表現(xiàn)為和諧性、簡(jiǎn)潔性、奇異性三個(gè)方面。

一、和諧性

物理世界的和諧性是由物質(zhì)世界的統(tǒng)一性決定的。人們?cè)谂ｎD的統(tǒng)一天地間所有運(yùn)動(dòng)的萬(wàn)有引力定律中，得到一種統(tǒng)一的美感。在法拉第、麥克斯韋對(duì)電與磁的統(tǒng)一中，在愛(ài)因斯坦用E=MC²所表示的質(zhì)量與能量的統(tǒng)一中，在廣義相對(duì)論的引力、空間、物質(zhì)的統(tǒng)一中，都會(huì)得到一種統(tǒng)一的美感。

和諧性的另一種表現(xiàn)是對(duì)稱性，對(duì)稱給人一種圓滿、勻稱的美感。物理學(xué)中許多定律，特別是守恒定律，基本都是對(duì)稱的?？臻g和時(shí)間上的鏡對(duì)稱、軸對(duì)稱、點(diǎn)對(duì)稱，不僅在物理理論的表現(xiàn)形式上給人以美感，而且在發(fā)現(xiàn)新規(guī)律、尋找新物質(zhì)方面也是非常有用的。例如：狄拉克運(yùn)用對(duì)稱性預(yù)言正電子的存在。又如：麥克斯韋根據(jù)法拉第的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，一開(kāi)始把電磁理論方程寫(xiě)為：

二、簡(jiǎn)單性

愛(ài)因斯坦認(rèn)為物理學(xué)的本質(zhì)在于“簡(jiǎn)單性”。在紛亂繁雜的自然表現(xiàn)中，概括出簡(jiǎn)潔明了的規(guī)律，就是一種科學(xué)美。例如：開(kāi)普勒從大量十分凌亂的觀測(cè)資料中，發(fā)現(xiàn)了行星第三定律的數(shù)學(xué)公式：R³/T²-K（K是與行星無(wú)關(guān)的常量）。它是這樣簡(jiǎn)潔，優(yōu)美，被人們稱為奇妙的“2”與“3”。愛(ài)因斯坦的質(zhì)能關(guān)系式E=MC²。普朗克的能量子頻率和能量的關(guān)系式E=hV。牛頓的萬(wàn)有引力定律和庫(kù)侖的電荷靜電相互作用定律等，都是用極其簡(jiǎn)單的形式，表達(dá)了理解起來(lái)那么復(fù)雜的自然規(guī)律。但是邏輯上的簡(jiǎn)潔并不意味著內(nèi)容的貧乏，實(shí)際上它包含著更為豐富的內(nèi)容，體現(xiàn)出客觀世界的和諧性。

我們?cè)谖锢韺W(xué)習(xí)中，往往要闡述一些較復(fù)雜的物理現(xiàn)象，或解一些復(fù)雜的習(xí)題。在分析問(wèn)題時(shí)，一定要注意邏輯上的簡(jiǎn)潔性。簡(jiǎn)潔，意味著對(duì)問(wèn)題認(rèn)識(shí)的深刻性。比如，我們?cè)诮獯鹆?xí)題時(shí)，如果最后得出的結(jié)果雜亂無(wú)章，缺乏簡(jiǎn)單和諧的形式，則自然會(huì)對(duì)自己的結(jié)果產(chǎn)生不信任感，而這種“直覺(jué)”往往是正確的。

三、奇異性

培根曾說(shuō)過(guò)：“沒(méi)有一個(gè)極美的東西不是在勻稱中有著某種奇異”。奇異與和諧是對(duì)立的統(tǒng)一。狹義相對(duì)就是一種奇異。它把一直被認(rèn)為完全無(wú)關(guān)的時(shí)間與空間、物質(zhì)與運(yùn)動(dòng)等概念聯(lián)系起來(lái)，而且高速運(yùn)動(dòng)中的物體長(zhǎng)度縮短，而時(shí)間變長(zhǎng)。廣義相對(duì)論中也有奇異。一直認(rèn)為光線是直進(jìn)的，現(xiàn)在在引力場(chǎng)中居然彎曲了，四維空間更是常識(shí)無(wú)法理解的，而正是這種“奇異”促使人們不斷地探求，從而揭示其中的奧秘。

物理學(xué)史上有很多中外著名物理學(xué)家，在發(fā)現(xiàn)真理宣傳真理的過(guò)程中，不懈追求、勇于探索、無(wú)私奉獻(xiàn)。如德國(guó)天文學(xué)家開(kāi)普勒不顧貧病交加，夜以繼日地觀察天體運(yùn)動(dòng)，終于發(fā)現(xiàn)了天體運(yùn)動(dòng)的三大定律；當(dāng)代最重要的廣義相對(duì)論、宇宙論家——霍金，在21歲時(shí)，發(fā)現(xiàn)自己行動(dòng)吃力，經(jīng)醫(yī)生診斷，他患了盧伽雷氏癥。在輪椅上，他寫(xiě)出了大量的科學(xué)論文和書(shū)籍，其中科普著作《時(shí)間簡(jiǎn)史》風(fēng)靡全球。20世紀(jì)70年代他與彭羅斯一道證明了著名的奇性定理。為此共同獲得了1998年的沃爾夫物理獎(jiǎng)，他因此被譽(yù)為繼愛(ài)因斯坦之后世界上最著名的科學(xué)思想家和最杰出的理論物理學(xué)家。這些事例能不斷地啟迪我們勤于實(shí)踐，勇于探索，并能激發(fā)我們崇尚科學(xué)，追求真理，在生活中去尋找美、表現(xiàn)美。