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談物理學(xué)中的美論文
摘要：物理學(xué)家們對美的追求，極大地影響著物理學(xué)的進(jìn)展。本文對物理學(xué)中處處蘊含的科學(xué)美做了論述。在教學(xué)中如果能指出科學(xué)美的存在就能使學(xué)生感受到科學(xué)美和激發(fā)他們學(xué)習(xí)的熱情。
關(guān)鍵詞：物理學(xué)；簡潔美；和諧美；對稱美；科學(xué)
美物理學(xué)是自然科學(xué)中發(fā)展最早最成熟的學(xué)科，是研究自然界現(xiàn)象和物質(zhì)本質(zhì)與規(guī)律的學(xué)科，早期的物理學(xué)被稱為自然科學(xué)，因此物理學(xué)是其它學(xué)科和現(xiàn)代技術(shù)的基礎(chǔ)。物理學(xué)不僅與哲學(xué)息息相關(guān)蘊含著豐富的哲學(xué)思想，而且到處體現(xiàn)出美的意境。縱觀物理學(xué)發(fā)展的歷史進(jìn)程，物理學(xué)家們不僅在揭示自然界的奧妙，而且還在執(zhí)著地探尋物理學(xué)中的美。物理學(xué)史沒得世界，物理學(xué)中的美體現(xiàn)在如下幾點：
1簡潔美
簡潔美是指以簡單、簡潔的方式把自然界各種復(fù)雜的現(xiàn)象所蘊含的規(guī)律表述出來。物理學(xué)中的知識、規(guī)律和理論體系都是科學(xué)家們用最簡潔的形式表述的，越是進(jìn)階的形式越能給人美感。正如著名物理學(xué)家愛因斯坦曾說過：“真實的世界在邏輯上總是簡單的”。自然科學(xué)中的簡潔美并不是說要求內(nèi)容及包含的現(xiàn)象簡單，而是要求所概括出來的理論框架簡潔。對于經(jīng)典力學(xué)，因其以牛頓定律為基礎(chǔ)而創(chuàng)立的，所以由牛頓定律可以推導(dǎo)出所有的經(jīng)典力學(xué)規(guī)律與結(jié)論。再比如電磁學(xué)是以Maxwell方程組為基礎(chǔ)創(chuàng)立的，因此從這組方程出發(fā)可以詮釋全部的電磁現(xiàn)象。由此可見簡單的公式概括了大量的內(nèi)容，揭示了無比奧妙的物理規(guī)律。人們從發(fā)現(xiàn)摩擦生電開始經(jīng)歷了二千多年，積累了大量的電磁知識，也發(fā)現(xiàn)了例如庫侖定律、安培定律、電磁場的高斯定理及安培環(huán)路定理等多種規(guī)律。如果把這些復(fù)雜的知識只是堆砌出來，那么就太繁瑣累贅了，更談不上有美感啦。而當(dāng)19世紀(jì)初Maxwell以簡潔的方程組呈現(xiàn)在人們面前時才帶來了美的享受，這就是簡潔美。
2對稱美
對稱美是指整體各部分之間的對稱性。自然界中的許多現(xiàn)象包括生物體都有著對稱性，因為物理學(xué)是探索研究自然界的，所以物理學(xué)中的對稱美處處有所體現(xiàn)并有所應(yīng)用，既有吸引與排斥、吸熱與放熱、電荷產(chǎn)生電場電流產(chǎn)生磁場、電磁互生等現(xiàn)象方面的對稱美；又有如諧振動與波動、萬有引力與庫侖定律、光的反射與衍射與等規(guī)律方面的對稱美；還有象Maxwell方程組、時空變換式等公式方面的對稱美。對稱性思想指導(dǎo)人們開辟新的研究方法，例如十九世紀(jì)隨著人們對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步研究，開始認(rèn)識到對于結(jié)晶分子來說對稱性是其主要特征。結(jié)晶學(xué)家費多羅夫，把幾何體規(guī)則應(yīng)用到研究晶體結(jié)構(gòu)當(dāng)中從而很好地解決了晶體學(xué)上的困難。近年來，物理學(xué)借助群論知識，搞清楚了守恒律與對稱性之間的關(guān)系。一個守恒律定律的存在往往基于某種對稱性，例如質(zhì)能守恒定律實際上是由于時間平移對稱性而導(dǎo)致的。
3和諧美
和諧美是指科學(xué)理論的和諧、理論體系的邏輯自洽等。在微觀領(lǐng)域中，原子結(jié)構(gòu)是一個和諧的世界，電子繞著原子核在核外作圓周運動，分子與分子之間存在著相互作用力。宏觀領(lǐng)域中，晶體是和諧美的代表，它是由多個平面按照一定原則排列起來形成的美麗和諧穩(wěn)定的多面體。在宇宙領(lǐng)域中，數(shù)目繁多的各種星體在各自的軌道上做著有規(guī)律的運動，同時各種星體之間相互配合相互“關(guān)照”和平相處，如大家熟知的那樣月球和地球在做自轉(zhuǎn)的同時分別繞地球和太陽在做轉(zhuǎn)動。各種天體的運動進(jìn)行得如此和諧，就像是在上帝的指揮下共同合奏著交響曲，真是奇妙無比令人感嘆。Maxwell方程組，把表征電場磁場的四個物理量聯(lián)系起來，更是和諧美的體現(xiàn)，由此建立的電磁學(xué)奠定了無線通訊技術(shù)的基礎(chǔ)。
4統(tǒng)一美
統(tǒng)一美是指理論體系的統(tǒng)一和真與美的統(tǒng)一。理論的統(tǒng)一就是要求理論體系的不同部分相統(tǒng)一。當(dāng)今的物理學(xué)大廈是經(jīng)過了好幾次大的綜合與統(tǒng)一才建立起來的。美的事物一定是真的，美與真必須統(tǒng)一。畢達(dá)哥拉斯學(xué)派在研究天體的運動軌道時，從沒的角度出發(fā)大膽假設(shè)天體運動軌道是圓的，也就是說在不知道“真”的情況下根據(jù)”美”來設(shè)定天體運動軌道。哥白尼提出的日心說，就是依據(jù)美與真相統(tǒng)一的觀點得出的結(jié)論。有的時侯美比真更重要，例如歷史上地心說占領(lǐng)了很長時間的統(tǒng)治地位，根據(jù)日心說和地心說分別制定的歷法幾乎沒有差別，據(jù)此很難判斷哪一個學(xué)說正確，由此哥白尼遭遇不公正的待遇，但日心說具有對稱性和統(tǒng)一性，這種科學(xué)美學(xué)思想在當(dāng)時成為了評價這兩種學(xué)說的標(biāo)準(zhǔn)，因而有了哥白尼“推動”了地球的說法，由此可見科學(xué)美的作用。
5結(jié)語
物理學(xué)家們追求美的精神，對物理學(xué)的進(jìn)展具有一定的影響。天才科學(xué)家愛因斯坦因為相信對稱美，以致提出著名的具有劃時代意義的相對論。他對和諧美更是堅定地相信，他說：“如果不相信我們世界的內(nèi)在和諧性，那就不會有任何科學(xué)，這種信念永遠(yuǎn)是一切科學(xué)創(chuàng)造的根本動力…”[1]。實驗學(xué)家法拉第因為相信對稱性，在奧斯特發(fā)現(xiàn)載流導(dǎo)線在其周圍產(chǎn)生磁場即電生磁之后，終于在十九世紀(jì)三十年代發(fā)現(xiàn)了磁生電現(xiàn)象，為電磁理論做出了舉足輕重的貢獻(xiàn)。量子論的鼻祖狄拉克相信統(tǒng)一美，把各自獨立的量子論和相對論統(tǒng)一起來，創(chuàng)立了相對論量子理論。物理學(xué)家們對美的追求，極大地影響著物理學(xué)的進(jìn)展，物理學(xué)中處處蘊含著美。作為大學(xué)物理教師在教學(xué)中如果能指出科學(xué)美的存在，就能使學(xué)生感受到科學(xué)美并且激發(fā)他們學(xué)習(xí)的積極性。
參考文獻(xiàn)：
[1]馬麗芹.大學(xué)物理教學(xué)與科學(xué)美育教育[J].科技視界，2013（31）：132-133.
[2]楊慶余.物理學(xué)研究的美學(xué)精神[J].大學(xué)物理，2002，21(11)：37-41.
[3]宋琳.論科學(xué)美在科學(xué)發(fā)現(xiàn)中的作用[J].北京科技大學(xué)學(xué)報（社會科學(xué)版），2010，26(2)：140-144
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