物理學(xué)中的美

1、物理學(xué)中的美物理學(xué)固然不是美學(xué)，但物理學(xué)中包含著美。由于物理學(xué)所反映的是自然界 豐富多彩的運(yùn)動(dòng)形式及規(guī)律性，因而它也就同時(shí)展現(xiàn)了自然界在結(jié)構(gòu)上的對稱、 和諧與韻律美。由于科學(xué)理論的首要目的是表達(dá)人們發(fā)現(xiàn)的自然界中存在的和 諧。所以，我們一眼就能看到這些理論具有美學(xué)價(jià)值。對于一個(gè)科學(xué)理論的成功 與否的衡量，事實(shí)上就是對它的美學(xué)價(jià)值的衡量，因?yàn)檫@就是衡量它給原本是混 亂的東西帶來了多少和諧。自然科學(xué)美的主體成分理性美，是自然界的固有結(jié)構(gòu)與人的認(rèn)識(shí)、人類心靈 深處的渴望在本質(zhì)上的吻合。它是通過科學(xué)的理想化、抽象化，以概念、定理、 公式、理論的方式顯示出來的。由歷代物理學(xué)家所精心雕琢的物理學(xué)大廈，可謂

2、 是一座輝煌壯麗的科學(xué)殿堂。它集諸種基本形式美與內(nèi)容美于一體，不僅向人們 提供了對物質(zhì)世界規(guī)律性的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也把一種令人心曠神怡的美景奉獻(xiàn)給了人 類。只要步入這個(gè)“和諧的宇宙”，就一定能使具有一定科學(xué)素養(yǎng)的人領(lǐng)略和體 味到這種理性美。物理學(xué)所描述的對象是非常廣泛的，因而它的美也在多方面有所體現(xiàn)。從浩 瀚無邊的宇宙到微觀世界的基本粒子，無不是物理學(xué)家的研究對象；從星系到夸 克，全部都遵循著基本的物理規(guī)律。結(jié)合美學(xué)的基本原則以及科學(xué)美的評(píng)價(jià)和判 斷標(biāo)準(zhǔn)，我們可以從以下幾方面來欣賞物理世界的美：物理學(xué)中的邏輯簡單性； 物理定律的內(nèi)在對稱性；物理規(guī)律的復(fù)雜整體性；物理原理的并協(xié)互補(bǔ)性；物理 理論的普遍

3、性；物理學(xué)中的延伸性。.物理學(xué)中的建輯簡熊一個(gè)科學(xué)理論體系，“首要的是它的前提的簡單性”，“唯一事關(guān)緊要的是 基礎(chǔ)的邏輯簡單性?！北磉_(dá)物理規(guī)律的語言是數(shù)學(xué)，而且往往是非常簡單的數(shù)學(xué)。這也正是一種微 妙的美。2000多年來，“以嚴(yán)格的數(shù)學(xué)關(guān)系來表示自然界一切事物的簡單性與 和諧性”一直綿延不斷地支配著物理學(xué)家的頭腦，被后人稱為“物理學(xué)之父”的 阿基米德，從數(shù)學(xué)上證明了杠桿原理、浮力定律等，從而使他的靜力學(xué)閃爍著數(shù) 學(xué)美的曙光。哥白尼的日心說體系，由于提供了用圓周運(yùn)動(dòng)和勻速運(yùn)動(dòng)解釋天體現(xiàn)象的最 簡單、最經(jīng)濟(jì)的方案，使得天文學(xué)上的測算變得更加容易，并且在他巧妙的構(gòu)思 下，“宇宙里有一種奇妙的對稱，軌

4、道的大小與運(yùn)動(dòng)都有一定的和諧關(guān)系?！比?們都“以難以相信的歡樂心情去欣賞它的美?！遍_普勒則以他關(guān)于和諧關(guān)系的“原 型樣本”，使第谷的那些繁雜而沉悶的資料獲得了新生，從而勾畫出“和諧是宇 宙布局的精髓”的宏偉藍(lán)圖。波恩評(píng)論說：“開普勒的不朽功績就在于他發(fā)現(xiàn)了行星軌道所遵循的簡單而驚人的規(guī)律?！睘樘嵝讶藗冋莆諗?shù)學(xué)語言，認(rèn)為“沒有 它們，人就只能在黑暗的迷宮里勞而無功地游蕩”的近代科學(xué)之父伽利略，第一 個(gè)用數(shù)學(xué)關(guān)系精確地表述并定義了時(shí)間、位置、速度、加速度、勻速運(yùn)動(dòng)、加速 運(yùn)動(dòng)等概念，并賦予自由落體、擺、斜面、拋體等運(yùn)動(dòng)的規(guī)律以簡潔、優(yōu)美 的數(shù)學(xué)表達(dá)式?！罢驹诰奕说募缟稀钡呐ｎD，曾被為他作傳的托馬斯

5、稱作是用科學(xué)中的光譜 線來解釋他的理想的特殊詩人；以他劃時(shí)代的偉大巨著自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理 應(yīng)驗(yàn)了他的肺腑之言:“宇宙的設(shè)計(jì)是如此美麗，設(shè)計(jì)所依照的法則是如此和諧?！?難怪丹皮爾在說“牛頓賦予世界畫面的驚人的秩序與和諧給我們的美感上的滿 足，超過任何憑借天真的常識(shí)觀點(diǎn)或亞里士多德派范疇的謬誤概念，或詩人們的 神秘想象所見到的、萬花筒式的自然界。”拉格朗日分析力學(xué)的數(shù)學(xué)形式，幾乎達(dá)到了完美無缺的地步。由于拉格 朗日引入了起能量作用的拉氏函數(shù)和廣義坐標(biāo)的概念，這就比牛頓力學(xué)中采用的 力函數(shù)、坐標(biāo)和時(shí)間參量具有更大的普遍性，從而把牛頓力學(xué)的方程概括成一個(gè) 拉氏方程，使動(dòng)力學(xué)問題和靜力學(xué)問題有一個(gè)統(tǒng)一的

6、求解工具，并導(dǎo)出了牛頓力 學(xué)中尚未認(rèn)識(shí)到的能量守恒的結(jié)果。正是由于拉格朗日始終不渝地追求數(shù)學(xué)美， 才賦予了牛頓力學(xué)體系以優(yōu)美的數(shù)學(xué)和嚴(yán)密的邏輯表述，并深刻地反映了物質(zhì)運(yùn) 動(dòng)的本質(zhì)?；A(chǔ)理論的邏輯簡單性，在狹義相對論和廣義相對論中也得到了充分 的體現(xiàn)。狹義相對論中，只有兩條邏輯上彼此獨(dú)立的基本假設(shè)：狹義相對性原理和光速不變原理。對自然規(guī)律用滿足洛侖茲協(xié)變的方程來描述，因而具有最簡潔 的形式。狹義相對論中獨(dú)立的概念要比經(jīng)典物理學(xué)中更少，結(jié)構(gòu)更有序，更緊湊。它破除了經(jīng)典力學(xué)絕對時(shí)間、空間、質(zhì)量不變的老觀念，具有新奇色彩，因而具有很高的自然科學(xué)美學(xué)價(jià)值。廣義相對論中，等效性原理和廣義相對性原理是該 理

7、論僅有的兩條基本假設(shè)。從邏輯基礎(chǔ)來說，比狹義相對論更簡單，但其包含的 物理內(nèi)容卻更廣泛。正如前蘇聯(lián)物理學(xué)家?？怂u(píng)論的：“愛因斯坦的引力論在 原則上的簡單性和內(nèi)在的完備性是無法懷疑的，也是這些性質(zhì)使他的理論令人信 服?！?物理定律的內(nèi)在枷性.對稱性總是和美聯(lián)系在一起的，對稱性思想已成為反映今天“自然科學(xué)時(shí)代的精神”之理論精華，而對稱性方法也已成為當(dāng)代最普遍的精密自然科學(xué)方法之 一，楊振寧在諾貝爾物理獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)演講中贊美到：“當(dāng)我們默默考慮一下這中間所 包含的數(shù)學(xué)推理的優(yōu)美和它美麗的完整性，并以此對比它的復(fù)雜性、深入的物理 成果，我們就不能不深深感到對對稱定律的力量的欽佩?！弊匀辉瓌t中的內(nèi)在對 稱性

8、也當(dāng)之無愧地成為具有規(guī)范意義的美學(xué)標(biāo)準(zhǔn)。形象對稱是以一定的事實(shí)材料為基礎(chǔ)，以對稱性原理為指導(dǎo)，運(yùn)用形象思維方式，改造出某種對稱的模型、圖像、符號(hào)、表格等形象對稱體，進(jìn)而對客觀事物做出相應(yīng)的對稱性預(yù)言。例如，一組方程，科學(xué)家一方面會(huì)從物理意義和數(shù)學(xué) 性質(zhì)上去判斷它的正確性，另一方面，常常從方程組形式美的方面去要求它。麥 克斯韋建立的方程組，用完美而對稱的數(shù)學(xué)形式奠定了電磁學(xué)的理論基礎(chǔ)，生動(dòng) 地呈現(xiàn)出了 “數(shù)學(xué)是這個(gè)世界之美的原型”。它一直被物理學(xué)界作為自然科學(xué)美 的力作，美學(xué)上真正完美的對稱形式。另外，這一理論還十分精確地表述了電磁 力，能使科學(xué)家通過這個(gè)方程組，以獨(dú)特的方式體驗(yàn)到它的美。這個(gè)方

9、程組的美 還體現(xiàn)在它的邏輯簡單性上。它不僅反映了事物的發(fā)展變化特點(diǎn)，還預(yù)言了電磁 波的存在，并計(jì)算出電磁波的傳播速度等于光速。抽象對稱性在科學(xué)研究中更為普遍和重要，正如海森堡所指出的那樣：“在 無窮大或無窮小尺度內(nèi)，實(shí)驗(yàn)資料不一定產(chǎn)生直觀圖像，我們必須擺脫直觀圖像 來考慮問題?！钡虏剂_意從深信物質(zhì)理論具有抽象對稱之美出發(fā)，大膽地提出： “每個(gè)微粒都伴隨著一定的波，而每個(gè)波都與一個(gè)或多個(gè)微粒的運(yùn)動(dòng)聯(lián)系著?！?只有這樣，才是符合對稱性的。就這樣，他預(yù)言了物質(zhì)波的存在，把物質(zhì)的波動(dòng) 性添補(bǔ)到物理學(xué)關(guān)于實(shí)物的基本理論中去，從而為建立波動(dòng)力學(xué)奠定了基礎(chǔ)。數(shù)學(xué)對稱性又稱數(shù)學(xué)變換不變性，其基本思想是，每一個(gè)

10、變換不變性都包含 不變量和變換式兩個(gè)要素。這里的不變量泛指在變換中保持不變的物理量、物理 定律等。如牛頓定律在伽俐略變換中具有不變性。從牛頓到愛因斯坦都認(rèn)為物理 學(xué)的理論對于空間-時(shí)間變換必須是不變的。洛侖茲變換的不變性導(dǎo)致統(tǒng)計(jì)力學(xué) 與量子力學(xué)；相空間變換的不變性導(dǎo)致廣義相對論；非阿爾貝規(guī)范導(dǎo)致非阿爾貝 規(guī)范場;超對稱導(dǎo)致費(fèi)米子和玻色子之間的對稱性理論;超引力對稱導(dǎo)致超引力。廣義相對論可謂科學(xué)的藝術(shù)珍品。概念、原理、數(shù)學(xué)方程等的對應(yīng)協(xié)調(diào)性與統(tǒng)一 性，也是廣義相對論美的一大特色。在廣義相對論中，狹義相對性原理被廣義相 對性原理代替;慣性系被非慣性系取代;洛侖茲變換群被連續(xù)的坐標(biāo)變換群替代， 線性

11、方程被非線性方程代替；.狹義相對論被包含在廣義相對論之中，在一定 條件下，后者都還原為前者，二者是統(tǒng)一的。與此同時(shí)，廣義相對論還傾注出數(shù) 學(xué)形式美、對稱性美和邏輯結(jié)構(gòu)美等等。半個(gè)多世紀(jì)來，許多物理學(xué)家都沉醉在 它絢麗多姿的美之中。20世紀(jì)初開始，科學(xué)家探索的目標(biāo)不僅僅是單個(gè)事物和多個(gè)事物之間的關(guān) 系，而更多的是關(guān)于事物的發(fā)展和世界各個(gè)結(jié)構(gòu)層次之間的關(guān)系。人們已經(jīng)認(rèn)識(shí) 到，在自然界這個(gè)無限發(fā)展著的、具有無數(shù)多個(gè)質(zhì)的層次結(jié)構(gòu)里，到處都充滿著 不能由單一決定論（主要指機(jī)械決定論和統(tǒng)計(jì)決定論）還原的復(fù)雜的相互關(guān)系， 這就是復(fù)雜性，是客觀事物的一種屬性。復(fù)雜整體性則是指人們在進(jìn)行科學(xué)研究 時(shí)，不可一味片

12、面地強(qiáng)調(diào)事物的簡單性而忽視事物復(fù)雜的一面，需要從整體考慮。 當(dāng)人們將注意力轉(zhuǎn)入到對自然界的非平衡態(tài)、非線性、無序、不穩(wěn)定和多樣性等 整體關(guān)注時(shí)，發(fā)展了當(dāng)代著名的混沌理論。物理學(xué)中混沌問題很多。例如，流體中?？吹降耐牧鳜F(xiàn)象，非線性振蕩電路 系統(tǒng)，激光運(yùn)行系統(tǒng)，光學(xué)雙穩(wěn)系統(tǒng)，宇宙從混沌到有序的演化等等，都充滿了 混沌現(xiàn)象。20世紀(jì)科學(xué)史上被載入歷史史冊的三件大事是相對論、量子論和混沌理論。 混沌理論的巨大成就是揭示了物質(zhì)世界中存在一個(gè)無序、變化和漲落的復(fù)雜系統(tǒng) -它們顯示出不規(guī)則性或隨機(jī)性，遵循著復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。一個(gè)顯著的例子是 人們對熱現(xiàn)象的研究。研究結(jié)果表明：大量分子的集體行為，絕對不可能從牛頓 定律的個(gè)別粒子行為來決定，它們只能服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律。1963年，洛侖茲在研究 流體力學(xué)時(shí)，得到一個(gè)一階線性微分方程組-以極其簡潔、對稱的數(shù)學(xué)語言囊 括了千變?nèi)f化、令人眼花繚亂的蝴蝶效