淺談物理之美.doc

淺談物理之美探究均衡對稱美與和諧統(tǒng)一美上海市香山中學(xué)-孟玉庭談到美，你可能聯(lián)想到自然美和藝術(shù)美，而對自然領(lǐng)域中的科學(xué)美，大多數(shù)人則不易感受到，這是因?yàn)榭茖W(xué)美與藝術(shù)美是兩種不同形式的美，從美學(xué)的角度來講，一種是事物外在形式所呈現(xiàn)的美，這種美是外在的，易感受到的，如自然景色的美，音樂的美，雕塑的美，繪畫的美，建筑物的美等。另一種是事物內(nèi)在結(jié)構(gòu)的和諧、秩序而具有的美，這種美比較抽象，它雖然也是通過感官接受外來事物的信息而反映到意識中去，但并不那么直接和迅速，而是要經(jīng)過大腦整理、加工形成美的意識或美的觀點(diǎn)。這是一種較高層次上的審美。物理學(xué)中的美，就是一種科學(xué)美。著名物理學(xué)家楊振寧先生把物理學(xué)之美分為三類：即現(xiàn)象之美，理論描述之美，理論結(jié)構(gòu)之美。也有人把物理學(xué)之美分為：物理學(xué)研究對象的美感，物理學(xué)理論的美感，物理學(xué)實(shí)驗(yàn)的美感和物理學(xué)常數(shù)的美感等。還有人把物理學(xué)之美說成它具有明快簡潔美，均衡對稱美，奇異相對美和和諧統(tǒng)一美。一、均衡對稱的結(jié)構(gòu)給人一種穩(wěn)定，完善的美感例如：具有對稱結(jié)構(gòu)的雪花是如此對稱、如此美麗，對稱的結(jié)構(gòu)給人一種穩(wěn)定，完善的感覺，使人內(nèi)心舒服，使人驚嘆于大自然的造化。物理學(xué)家在對自然深入的思考和考察中，越來越堅(jiān)信大自然的最終本質(zhì)是依照“美和簡單”來構(gòu)造自己的。 圖1-1對稱結(jié)構(gòu)的雪花當(dāng)然，物理學(xué)家頭腦中的對稱，并非像前面的圖片那樣樸素，那樣直觀；我們要了解物理學(xué)中的對稱，先從幾何圖形的對稱性說起。例如：一個圓，我們把頭向左偏過一個角度來看，它的形狀變了嗎？沒有。我們便說這個圓具有旋轉(zhuǎn)對稱性（或旋轉(zhuǎn)不變性）；我們再把圓放在平面鏡前，設(shè)想我們鉆進(jìn)“鏡子里的世界”來看這個圓。在鏡中世界看到的這個圓，樣子依然保持不便。我們便說這個圓具有反射對稱性（或宇稱不變性）。物理學(xué)中的對稱性主要表現(xiàn)在對物理世界規(guī)律的研究方面。根據(jù)剛才的例子，我們還可以假設(shè)某些物理學(xué)家一直埋頭對“鏡子中的世界”進(jìn)行研究，如果他們得到的定律與正常世界的研究成果一致，我們就說這個定律具有反射對稱性（或宇稱不變性）。圖1-2中“鏡中世界”的小球沿順時針方向做勻速轉(zhuǎn)動，與正常世界中的小球繞行方向相反，但它們所遵從的物理規(guī)律卻是完全一致的：F向=m2R圖1-2下面再從我們學(xué)過的物理知識中舉例分析一下；例如：單擺的振動既具有時間周期對稱，又具有時間反演對稱。當(dāng)單擺完成一次全振動后，接下來第二次全振動跟上一次完全一樣，這就是時間周期對稱。當(dāng)我們將單擺的運(yùn)動拍成電影，那么無論順著放還是倒著放都沒有區(qū)別，這就是時間反演對稱。圖1-3又如、從圖1-3所示的兩個勻變速直線運(yùn)動的圖象告訴我們，初速度為零，加速度為a的勻加速直線運(yùn)動與末速度為零，加速度為-a的勻減速直線運(yùn)動具有對稱性。若欲求豎直上拋運(yùn)動的物體在上升階段最后t秒內(nèi)的位移值，根據(jù)豎直上拋運(yùn)動上升過程與下落過程的對稱性，很容易求得這段位移的大小與下落階段最初t 秒內(nèi)物體位移的大小相等，即；以上兩個例子都是利用事物的對稱性來巧妙解決問題的。對稱的概念在物理學(xué)中占有重要的位置，我們不僅要了解直觀的對稱性，如波的對稱，光的反射角與入射角的對稱性等；還要了解抽象的對稱性，如正功與負(fù)功，正電子與負(fù)電子等。二、由于事物的對稱美引起了物理學(xué)家探索這種美的渴望，從而發(fā)現(xiàn)物理結(jié)構(gòu)的和諧統(tǒng)一美。物理學(xué)美的形式和內(nèi)容是多方面的，而且物理學(xué)美的特點(diǎn)與藝術(shù)美的特點(diǎn)即有所相同，也有所不同。但物理學(xué)之美更主要的，還是反映在理性之美，反映在內(nèi)容與形式美的相結(jié)合中。這種美主要表現(xiàn)為對自然界或反映自然運(yùn)動規(guī)律的科學(xué)理論、科學(xué)成果在結(jié)構(gòu)上的理解和欣賞。例如：電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象在遠(yuǎn)古時代就被人們發(fā)現(xiàn)，一直以來被看作是兩種沒有絲毫聯(lián)系的物理現(xiàn)象，直到19世紀(jì)，丹麥物理學(xué)家奧斯特發(fā)現(xiàn)通電導(dǎo)線周圍會產(chǎn)生磁場，以及后來英國物理學(xué)家法拉第根據(jù)事物的對稱性，經(jīng)過十年的刻苦探求終于發(fā)現(xiàn)了變化的磁場也能產(chǎn)生電流這一物理規(guī)律，說明了電與磁是有其內(nèi)在聯(lián)系的。法拉第根據(jù)自己獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，一直致力于建立一個和諧、統(tǒng)一的電磁學(xué)理論體系，盡管最終他沒有成功，但后來麥克斯韋成功地用一組簡潔的方程解決了電與磁的統(tǒng)一；并且預(yù)言電磁波的存在，后來被德國物理學(xué)家赫茲用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。又如：物理史上人們一直把天體運(yùn)動（天象）和地面物體的運(yùn)動割裂開來，認(rèn)為是天地兩界各自獨(dú)立的運(yùn)動。盡管開普勒的天文學(xué)和伽利略的動力學(xué)在各自的領(lǐng)域中都是優(yōu)美與和諧的，但又各有局限性，當(dāng)把這兩個方面的理論放在一起時仍然有不和諧之處。因此，物理學(xué)家希望在更大的范圍內(nèi)尋求一種優(yōu)美統(tǒng)一的理論，使天上物體的運(yùn)動和地上物體的運(yùn)動有一種共同的簡單的描述。牛頓為此吸收了伽利略對運(yùn)動的研究成果，得出動力學(xué)第一、第二定律；特別是他又根據(jù)開普勒第三定律，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)萬有引力定律。從而用萬有引力定律成功解釋了拋物運(yùn)動與行星軌道運(yùn)動，這是物理史上第一次把之前認(rèn)為是截然不同的天上星體的運(yùn)動和地上物體的運(yùn)動統(tǒng)一起來（圖14）。這是牛頓對古典力學(xué)成功的完美結(jié)合，這不僅是因?yàn)榕ｎD有追求理論和諧統(tǒng)牛頓第一運(yùn)動定律牛頓第二運(yùn)動定律牛頓第三運(yùn)動定律開普勒第一定律開普勒第二定律開普勒第三定律萬有引力定律一的動機(jī)，更重要的是他開辟了一條達(dá)到這種和諧統(tǒng)一的正確途徑。圖1-4物理學(xué)的和諧美不僅呈現(xiàn)于整體和局部結(jié)構(gòu)的有機(jī)統(tǒng)一之中，而且還呈現(xiàn)在自然規(guī)律中的過去、現(xiàn)在和未來的因果鏈之中。20世紀(jì)初愛因斯坦用“相對論”把牛頓建立的經(jīng)典物理學(xué)和量子物理學(xué)統(tǒng)一起來，使宏觀低速運(yùn)動狀態(tài)的物理理論包容于微觀高速運(yùn)動的物理理論之中。上個世紀(jì)六十年代格拉肖、溫伯格與薩拉姆成功地把電磁力與弱相互作用統(tǒng)一起來，并因此容獲1979年諾貝爾物理學(xué)獎。1974年喬治和格拉肖又分別提出大統(tǒng)一理論，試圖讓基本相互作用中的3種作用達(dá)到統(tǒng)一。目前，物理學(xué)界正努力朝向三力統(tǒng)一（即電磁力、弱相互作用與強(qiáng)相互作用的統(tǒng)一），而更大的目標(biāo)是把引力也涵蓋進(jìn)去，達(dá)到四力統(tǒng)一。這一切探索都是物理學(xué)家在對物理學(xué)統(tǒng)一美的欣賞之下激發(fā)出來的對美的追求。正如法國數(shù)學(xué)家彭加萊（18541912年）所認(rèn)為：“科學(xué)家研究自然不是因?yàn)樗杏?，他研究它是因?yàn)樗矏郏矏鬯且驗(yàn)樗?。如果他不美，它就不值得被人知道，而如果自然不值得知道，人也就不值得活下去。”可見物理學(xué)家對于自然之美研究的真誠熱愛之情已經(jīng)達(dá)到了“情景交融”的和諧心理狀態(tài)，物理學(xué)家這種追求自然和諧統(tǒng)一的思想境界是何等美妙！2003年6月22日參考文獻(xiàn)：1 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K*VhiZ2U81AFfugGD5cZ8(qp&4U6)uw4i1pjTYzQC%!tCfzoSToAgDv$(ETC$Xnu5m9CA3c!b1xy4g-leMQqFqQMdk(f2vu+8Y90wy5i1piRWxMyZWow9sgKKfq6skRT4#7SYoiHqEcfLDZFQlkODWzH95wiy8dMF%MZwy&V6V*zy!P)JQhdDoDcgPH*MYvw!R1QZsqSFWyE50p9n(+woKrC88DsLpx0)oar27HBZIWtw$T5V*Az%R0NUmiJuKkoXQ4W+GH3%e%3HF-W3PWnjItHhkSL-P!xy%S2QZsqSEVxC3)m6k$*skGmx32xlEiq$Zg2i%-xrPyLikRI%ITnmQDWyF73teu37GzWEQnoUK&JTmkNARtA0(l5k$(umIpB77CrLpx0)pbs38ID!LYwz(X9Z0FE-X5T#spQBRrw*Zc*8PRd3o4dSQ9)f!-zvVGVuy(Zc&6MN8-i)6JH+W3PVlgFpDcfME!HSooTH!ENfcEqGhmWQ4X0IK7-k+aPO7(e!-AwXIYxC1&i0cTUg7r6gUSb-g$+AvVFUtw&Xa!3JJ4&e$1EB%Q)IOe8xhv36DuQxIddHwPsA2+qcs27GAYHUst#R2R!wvYM&HOf*l6l*+yrOwIfgLBWAKdbErIkqINnDpQNfn0j8CC7i-kcJMkyiHB17S+WebOXBVK56MYF$Uim*a&kfQXzQE(*zInIy&(CPxVOdh!7$ieQYBTH10FPvQI46O!K+%sy8pbCz2aY7(qq(7Ya2ADbp9yt&0L$P75JSwQG12JVCZSgk%8%jfQXzRF-)BLqLC-+HTC#Tin)d-pmY*J!Qa9OZF!Sfi#3Xb6GLmDpROhp3ncHHdp6skSWuJtSOel)e1us*5U4&qr)a$f8HLkAkLH8g$a-sr*5V6z20tT1MTjeEoCbeME#HSooTI$GOheGsIjoYS7#4MOb2o4eTTd1k)4GD%P&EJ81p7k!%pfAfp%$l8q29KG(Q*EI6+m3fWWh7r5eSP8&bX%toNwLjmTL)OZuuZN)KSliJvLmr#U9!5MOb2n3dSRb+h&1DzZK#zE2(j1dUWh7s7gUSb-g$-zuUETsv%V8Z1HH2!bZ-ByIWF&Zpu5m8Ax09X7(rr)8#c4CGftdDy+5R+WedQ#FZPbcT*N0%sw6l6xt&2O)VedS$H%Ugi#3Wa4DIjzlMJbj)g5zz4f(iaHKiwgFz06R-UdaNWBVK56MYF$Vjn(b*lgSYASG+)BLqLB)-GSAYRgl*b(mjV$FYM65KUAWNajLyPqw(!g0eWZmeAhs)rgzdlXUb)dY%smLtGegNDZEPjiMASvC40qbq04DwTBOkmRH$HQkiLyPry-&j3i!&skHoA66BqKow+)pbr38ID!LYwz(X9#0FF+X6T!tqRCStx(#e(9RSf5q6fUTc+h&1)1L#L2-zHkCqTSnxdypWYwJsQK9eZ5!ifS#EXM66LWDZReh#4Xc7HNpGsVSmu9tjOOlxeBu$*FUE&#rxasfIHbk0kbHIgsays!*FVG)%vDgznRQlwcxpVYwJsRLbg!8&ljV&IEPllPDWAIa7ykAbgPJ)Q%AC+#b!1FE-V4QYplMwMlqYR5W+FH2$d!1ED*S0MSjeDnCbeME!ITppUJ%HPigHuKlr!Va%7PRe6r8iXXh5o19LH-UXxC1&i1dVWi9uqgLNkweCv&-IXI+*xEhznRQlvbwnUWuHqOI8dY4#heRZCWK55KVCYQehZ3Xc7HNpGsVSmv9tjOPlxfCu%(GVF*!szbthKIcm2mdJLiudBu%-IYJ0(y#d&6MM7)h*4HE(T0LRhbAky69GxTALggKzSvD52tfv5aKD$KXvx%U5V*zy!P)KRjfFqFfjRK)P!yz*V5U%xvXK$EKb6vfu26DvSzKghLAUy$qs1e-nhSXzPC&!vDiBrWWsElIB+2L#K0*wDfxkNLfp4ofKMjvdBu%)HXI-*wEhznRQlvbxoUWuIqPJ9eY5!ifS#EXM66MXE#Sfi!5HhmWQ4X1IK7-j+aOO7*e#-AwWHXxB0%g+bSTf5q5eSR9)e#)ytTDSru$U7Y0GH2!bZ-By#N%FKa5udr+2zrNtE99DrKow-*mscBw)3P)UcaOXCXN89Q$K-!pt3i3up!-L%Ra9OYEZQceW+R6+zEeugHE6e$b+ut+a#c4BEcqazt&+L$O64HQuOD-+FRyKSkgHsIinWP3V-FH3%e%3HG+W4QXokKuJimUN0R%zx$S2QZsqSFWyD4+o7l&)umIpA55AoIlt(%k6m)2BvUCQnpWNBVL67NZH&Xlp+e-okV$FXK32HQwRH45NZI(Zpt4j5ws*2Q-XhgV(M-#np)b&jdNTuLxZWpycvlPQmxeBt!&DS&EJ82q8l%&rhCis(*ocu7ePL1W1KOd6tan%&pfAen!Zh4l)3EzYIWvy(Ya!3II3$bZ-AyZL$CI82q9n*)ue$c2xx4g)kcKOnCmMI9g$a)qo$2R2$oq)a$g9IMmCnOKck)f3xw1c$d5BEbp8xr#(HXJ1-AJnGv#vHoW&wtUGWxC1*j2fXZlcydo$!l9r4bMJ+U+JNc5san%*qgBgp%!k7o07ID$N!AD1%g)9PPa+j)5IG-UyXSin-f1tr&2Q0Zkl!2T6-wA9n7xs%0M%Q97LUzUK67O#I(Zns1h2so#)K$Qa9OYEZQcfW+S70A!g0eX#nfCiu+ujCgo!Yg2i%-ysQzNlnUL(MXsrVJ!EMeaBmBbgPI(O#xz*V6V&yx#N*HOfa+e0qnZ(J$QaaOZF!SfhZ3Wa4EKlBnPMfn1kaEEal2phOSqFpOJag$9(om#+O-Yjk!3V81AEi3j$(voLtGcdJzUyIbaCpHjp#Va&9SVjbyfq(rgAemZXf1h$-ysRAOmoVN-PZuuYM*IQhk%8$idOVxOB&$wGlFw!%AMuSL9eY3YfbNUxPD)(BLrMD02JXG&Yot3k5xu(4S1#ll#1OsA2+rdt49JD!KYvy&V7X)CB*T1OWnkKvLlpYO2U(DF0!b!0EC*S0MTkfFpEdhPH&LM65KVBXObdV+S71BGhykLJbk-h7BB7j0meMPoCmMH8e#7&mlY)M)Xij#2U70zDcrc%)wpMuGdeJzUyIb9CpGioZUa&8RUiaxep*qfzdlYVd+g!(wqPyMkmTK(MXsrVJH%Wkn(b*lhSYASF-(AKpJA*)EQyWPei$8%kgRZCUI21GQwSJ57P%L0&uz9qcDAtlHoz44zoHkt*$k5m(2BvUCQnqWN+PZutWK%GNfbBnCcgPI(O#xy&U5U&xwZMF%Xmr1h2tp!+M*TddS%J&Wjl%7#f9JPqGsURkt7qgKLhs9woVZyMwWRio0hr+1xoJoy32vjBelWS8%8SWkdAiu12xnImw+)qdu6cNI)R*EH5)k1cSSd2l+rZ!AOxWRhn-f1tr&3R1!mm%4W81zDcqbBw)4Q-VecQ#F#QcdU)P3(vz9pa*+xqNuGcdIySwF96zlCekUP4X2KNa2o5gVVg5o19MJ0W2NSibAjw46CtU5&qq)9!e7FJixiIE5cY6&nm#0P0!np(9!f9INnDoPMem+i6AA5g(i9GXf1i%+ztSBPnqXP1R$xw!P-LTliJuKlqZS7Z2JL7-j+9NM5%bX&wsSCR84FNpIvZYtDiEv!%BOwVPej&a*nkW&I!PaaP#G%Uik%7#faKQsIvXL8+k0bQP9)g%0CzZL#AF4)l3gXYkbvbkYXg3l)4FB#L#zD1%g-9QQnyezrX#xLuSNci$9*nkW*J$RbcR2%f7FIgvfEz06R+VecPYDXN89QEWzG73ufu48HAXFSoqVL(LUomPCTvC3-o8m*-wpLsEaaFuOsB41tk3smW$DUG-*yHlFuZZvHoLD14N$M2)yEgylOMgp4pfKMivdAt$(#KZzD1&h+bRSd3n2bPN5$9V!rmLvJilTL)OWssWL*IRjgIuKlqJPqHuWTnwaukPQmyfCv%)GVF*!sybtgJIcl1lcIJgtbzt$(GWHyB+$f(8OPa+j-6KH+W3OUkfEnBacKBXEPkkODWAHa7ykAafPICTG+)AJoJy&*BOvTLaeX3Xe9LSuNA&$xHmHy&(ERzXRgl*b)obJBXEQmmRG#EMfdErHioYS7#4MOb3o5fUUe2l-6IF(R)HMb47obEC6g*f6BD9m4rlTYyNyZVmu7pdHGal0mdJMjxfEy)2N%Qps#R4U(BB(V4S#tqRDTuz+%i1eWYkcxdkZYi6o19LH)T-IWou7pcFE8i)i8EGdq8wpY%DTE*