物理學(xué)美學(xué)準(zhǔn)則市公開課金獎(jiǎng)市賽課一等獎(jiǎng)?wù)n件

物理學(xué)美學(xué)準(zhǔn)則

生物工程劉菲031404013第1頁第1頁物理《美》“稻花香里說豐年，聽取蛙聲一片”，無人不為這句詩詞所描繪大自然美景而感慨。自然界美通常意味著一個(gè)友好勻稱景象，物理學(xué)也不例外，但是作為描述自然界中物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律一門學(xué)科，它美更樸實(shí)。這里要說是：什么是物理學(xué)中美，即物理學(xué)中美學(xué)準(zhǔn)則是什么，它們?cè)谖锢韺W(xué)中發(fā)揮如何作用？第2頁第2頁簡樸美自然界現(xiàn)象是錯(cuò)綜復(fù)雜，然而背后隱藏規(guī)律確是簡樸。物理學(xué)正是建筑在這一基礎(chǔ)之上，任何物理理論，歸根到底只有少數(shù)幾條基本假定：典型力學(xué)建立在牛頓三定律之上，電動(dòng)力學(xué)建立在法拉第“場(chǎng)”和麥克斯韋方程組之上，狹義相對(duì)論建立在狹義相對(duì)性原理與光速不變假定之上……這些簡樸假定是從大量自然現(xiàn)象和物理試驗(yàn)中抽取并提升出來，然而，建之于上物理理論反過來卻能解釋幾乎所有自然現(xiàn)象，并在生產(chǎn)實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用，極大推動(dòng)生產(chǎn)力發(fā)展。

第3頁第3頁有兩個(gè)理論，幾乎能解釋同樣多事實(shí)，誰簡樸，物理學(xué)將選擇誰?？紤]一個(gè)簡樸問題，為何人們最初都認(rèn)為太陽及其它行星圍繞地球轉(zhuǎn)，而不是行星（含地球）圍繞太陽轉(zhuǎn)？這也是出于簡樸性考慮：人們最初天文知識(shí)少，只能通過肉眼觀測(cè)；太陽朝起夕落，認(rèn)為太陽及其它行星圍繞地球轉(zhuǎn)自然是以便事情。但是伴隨技術(shù)進(jìn)步，人們天文觀測(cè)越來越精密，為理解釋“太陽系”許多現(xiàn)象，如地球四季改變，日食和月食，土星、木星位置異常改變等，偉大幾何學(xué)家托勒密在前人基礎(chǔ)上創(chuàng)建了嚴(yán)密“地心說”，解釋了當(dāng)初絕大部分觀測(cè)現(xiàn)象。

第4頁第4頁“地心說”基本要義是：（１）地球是圓，靜止地位于宇宙中心；（２）太陽及其它行星繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)，基本軌道（稱為１級(jí)軌道）是圓周，普通來說，太陽或行星并不正好處于１級(jí)軌道上，而是繞１級(jí)軌道上點(diǎn)作半徑更小圓周（稱為２級(jí)軌道）運(yùn)動(dòng)。這樣，整個(gè)“太陽系”就像一個(gè)齒輪嵌套體系：１級(jí)軌道是一些大齒輪，２級(jí)軌道是一些較小齒輪，大齒輪傳動(dòng)小齒輪。最初齒輪數(shù)目還不多，但伴隨觀測(cè)水平提升，托勒密又不得不在小齒輪上套上更小齒輪，越套越多，最后竟達(dá)８０個(gè)之多。

第5頁第5頁面對(duì)著這樣多齒輪，天才哥白尼站了出來，說：“不，太陽系應(yīng)當(dāng)是簡樸！我們?nèi)魧⑻柡偷厍驌Q個(gè)位置，托勒密齒輪至少能扔掉二分之一以上，太陽系也就變得井然有序了?！边@就是“日心說”，物理學(xué)最后選擇了它。試問：從相對(duì)運(yùn)動(dòng)觀點(diǎn)來看（不考慮動(dòng)力學(xué)原因），選擇地球?yàn)閰⒖枷岛瓦x擇太陽為參考系，沒有理由說誰更優(yōu)越，為何要拋棄“地心說”而認(rèn)可“日心說”呢？兩個(gè)字：簡樸——“日心說”后經(jīng)開普勒改造只剩三條定律，但太陽系各行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律盡在其中。

第6頁第6頁對(duì)稱美

很早以前，古希臘人就認(rèn)為球是最完美圖形，為何？由于它分別含有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱、鏡像對(duì)稱和中心對(duì)稱，均屬于直觀上幾何對(duì)稱。物理學(xué)中對(duì)稱則有愈加深刻含義，它是指某類對(duì)象全體（在數(shù)學(xué)上通常稱為集合，用Ｓ標(biāo)識(shí)）在某種操作（數(shù)學(xué)上稱為變換，用Ｔ標(biāo)識(shí)）下不變性質(zhì)。也就是說，有一個(gè)法則，集合S中任意一個(gè)元素依據(jù)這一法則，都能夠在S中找到一個(gè)與之相相應(yīng)元素。用我們高中學(xué)過知識(shí)，這個(gè)映射象集與原象集是同樣，即都為集合S。

第7頁第7頁每一個(gè)對(duì)稱性總伴伴隨一個(gè)守恒量（諾德爾定理）：空間平移對(duì)稱造成動(dòng)量守恒；時(shí)間平移對(duì)稱造成能量守恒；空間旋轉(zhuǎn)對(duì)稱造成角動(dòng)量守恒；電荷共軛對(duì)稱造成電量守恒；空間鏡相對(duì)稱造成宇稱守恒……

（早先理論認(rèn)為，物理定律在空間反射情況下是不變，這被稱為“宇稱守恒”。宇稱守恒能夠簡樸理解為，基本粒子在照鏡子時(shí)，其鏡中像與粒子含有對(duì)稱性。）第8頁第8頁近五十年來，粒子物理與場(chǎng)論飛速發(fā)展，對(duì)稱性指導(dǎo)在其中起了決定性作用。在粒子物理中，物理學(xué)家依據(jù)對(duì)稱性預(yù)言并發(fā)覺新粒子，正電子、歐米格負(fù)粒子和頂夸克等就是極好例證。在場(chǎng)論中，“對(duì)稱決定相互作用”：楊振寧和米爾斯依據(jù)某種對(duì)稱性提出了著名楊－米爾斯場(chǎng)論，該理論變換群決定了無質(zhì)量粒子（稱為“規(guī)范玻色子”）數(shù)目和性質(zhì)，規(guī)范玻色子在粒子之間往返跳舞就產(chǎn)生了相互作用，不同玻色子決定不同相互作用，如光子決定電磁相互作用，Ｗ或Ｚ玻色子決定弱相互作用，膠子決定強(qiáng)相互作用，據(jù)推測(cè)引力相互作用是由引力子決定（未證實(shí)）。第9頁第9頁對(duì)稱是美好，然而在物理學(xué)中卻發(fā)生了一些奇特事情：楊振寧和李政道提出弱互相作用中宇稱不守恒并為吳健雄所證實(shí)；宇宙中正物質(zhì)明顯多于反物質(zhì)；<一些科學(xué)家進(jìn)而提出，這也許是由于物理定律存在輕微不對(duì)稱，使粒子電荷宇稱不守恒，造成當(dāng)初生成物質(zhì)比反物質(zhì)略多了一點(diǎn)點(diǎn)，大部分物質(zhì)與反物質(zhì)湮滅了，剩余物質(zhì)形成了我們所結(jié)識(shí)世界。>用楊－米爾斯場(chǎng)論產(chǎn)生有質(zhì)量粒子需要引進(jìn)一個(gè)非對(duì)稱希格瑪場(chǎng)。這些事實(shí)都要求對(duì)稱性自發(fā)破缺，自發(fā)破缺機(jī)理是什么？這或許是下個(gè)世紀(jì)問題。

第10頁第10頁統(tǒng)一美統(tǒng)一就是要求理論在不附加太多基本假定基礎(chǔ)上盡也許前后一致地解釋更多物理現(xiàn)象：牛頓力學(xué)幾乎能描述全部宏觀低速運(yùn)動(dòng)（也包含分子熱運(yùn)動(dòng)和聲）；電動(dòng)力學(xué)能描述大多數(shù)電磁現(xiàn)象……眾所周知，當(dāng)前自然界普遍存在四種力：強(qiáng)相互作用、弱相互作用、電磁相互作用和引力相互作用，它們決定了現(xiàn)今自然界各種物質(zhì)運(yùn)動(dòng)。物理學(xué)終極目標(biāo)就是要將四種力統(tǒng)一成一個(gè)力，即所謂大統(tǒng)一。第11頁第11頁

以上談到了物理尤其是理論發(fā)展過程中簡樸性、對(duì)稱性和統(tǒng)一性所起作用。它們?nèi)卟⒉皇枪铝ⅲ簩?duì)稱則統(tǒng)一，統(tǒng)一則簡樸；它們構(gòu)成了物理學(xué)美學(xué)準(zhǔn)則。在過去，它們是評(píng)價(jià)一個(gè)理論好壞原則；在今天，它們已成為