浅谈物理之美

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浅谈物理之美————探究均衡对称美与和谐统一美上海市香山中学--------孟玉庭谈到美，你可能联想到自然美和艺术美，而对自然领域中的科学美，大多数人则不易感受到，这是因为科学美与艺术美是两种不同形式的美，从美学的角度来讲，一种是事物外在形式所呈现的美，这种美是外在的，易感受到的，如自然景色的美，音乐的美，雕塑的美，绘画的美，建筑物的美等。另一种是事物内在结构的和谐、秩序而具有的美，这种美比较抽象，它虽然也是通过感官接受外来事物的信息而反映到意识中去，但并不那么直接和迅速，而是要经过大脑整理、加工形成美的意识或美的观点。这是一种较高层次上的审美。物理学中的美，就是一种科学美。著名物理学家杨振宁先生把物理学之美分为三类：即现象之美，理论描述之美，理论结构之美。也有人把物理学之美分为：物理学研究对象的美感，物理学理论的美感，物理学实验的美感和物理学常数的美感等。还有人把物理学之美说成它具有明快简洁美，均衡对称美，奇异相对美和和谐统一美。一、均衡对称的结构给人一种稳定，完善的美感例如：具有对称结构的雪花是如此对称、如此美丽，对称的结构给人一种稳定，完善的感觉，使人内心舒服，使人惊叹于大自然的造化。物理学家在对自然深入的思考和考察中，越来越坚信大自然的最终本质是依照“美和简单”来构造自己的。图1-1对称结构的雪花当然，物理学家头脑中的对称，并非像前面的图片那样朴素，那样直观；我们要了解物理学中的对称，先从几何图形的对称性说起。例如：一个圆，我们把头向左偏过一个角度来看，它的形状变了吗？没有。我们便说这个圆具有旋转对称性（或旋转不变性）；我们再把圆放在平面镜前，设想我们钻进“镜子里的世界”来看这个圆。在镜中世界看到的这个圆，样子依然保持不便。我们便说这个圆具有反射对称性（或宇称不变性）。物理学中的对称性主要表现在对物理世界规律的研究方面。根据刚才的例子，我们还可以假设某些物理学家一直埋头对“镜子中的世界”进行研究，如果他们得到的定律与正常世界的研究成果一致，我们就说这个定律具有反射对称性（或宇称不变性）。图1-2中“镜中世界”的小球沿顺时针方向做匀速转动，与正常世界中的小球绕行方向相反，但它们所遵从的物理规律却是完全一致的：F向=mω2R图1-2下面再从我们学过的物理知识中举例分析一下；第3页共3页 例如：单摆的振动既具有时间周期对称，又具有时间反演对称。当单摆完成一次全振动后，接下来第二次全振动跟上一次完全一样，这就是时间周期对称。当我们将单摆的运动拍成电影，那么无论顺着放还是倒着放都没有区别，这就是时间反演对称。图1--3又如、从图1-3所示的两个匀变速直线运动的图象告诉我们，初速度为零，加速度为a的匀加速直线运动与末速度为零，加速度为-a的匀减速直线运动具有对称性。若欲求竖直上抛运动的物体在上升阶段最后t秒内的位移值，根据竖直上抛运动上升过程与下落过程的对称性，很容易求得这段位移的大小与下落阶段最初t秒内物体位移的大小相等，即Δ；以上两个例子都是利用事物的对称性来巧妙解决问题的。对称的概念在物理学中占有重要的位置，我们不仅要了解直观的对称性，如波的对称，光的反射角与入射角的对称性等；还要了解抽象的对称性，如正功与负功，正电子与负电子等。二、由于事物的对称美引起了物理学家探索这种美的渴望，从而发现物理结构的和谐统一美。物理学美的形式和内容是多方面的，而且物理学美的特点与艺术美的特点即有所相同，也有所不同。但物理学之美更主要的，还是反映在理性之美，反映在内容与形式美的相结合中。这种美主要表现为对自然界或反映自然运动规律的科学理论、科学成果在结构上的理解和欣赏。例如：电现象和磁现象在远古时代就被人们发现，一直以来被看作是两种没有丝毫联系的物理现象，直到19世纪，丹麦物理学家奥斯特发现通电导线周围会产生磁场，以及后来英国物理学家法拉第根据事物的对称性，经过十年的刻苦探求终于发现了变化的磁场也能产生电流这一物理规律，说明了电与磁是有其内在联系的。法拉第根据自己获得的实验结果，一直致力于建立一个和谐、统一的电磁学理论体系，尽管最终他没有成功，但后来麦克斯韦成功地用一组简洁的方程解决了电与磁的统一；并且预言电磁波的存在，后来被德国物理学家赫兹用实验验证。第3页共3页 又如：物理史上人们一直把天体运动（天象）和地面物体的运动割裂开来，认为是天地两界各自独立的运动。尽管开普勒的天文学和伽利略的动力学在各自的领域中都是优美与和谐的，但又各有局限性，当把这两个方面的理论放在一起时仍然有不和谐之处。因此，物理学家希望在更大的范围内寻求一种优美统一的理论，使天上物体的运动和地上物体的运动有一种共同的简单的描述。牛顿为此吸收了伽利略对运动的研究成果，得出动力学第一、第二定律；特别是他又根据开普勒第三定律，进一步研究发现万有引力定律。从而用万有引力定律成功解释了抛物运动与行星轨道运动，这是物理史上第一次把之前认为是截然不同的天上星体的运动和地上物体的运动统一起来（图1—4）。这是牛顿对古典力学成功的完美结合，这不仅是因为牛顿有追求理论和谐统牛顿第一运动定律牛顿第二运动定律牛顿第三运动定律开普勒第一定律开普勒第二定律开普勒第三定律万有引力定律一的动机，更重要的是他开辟了一条达到这种和谐统一的正确途径。图1--4物理学的和谐美不仅呈现于整体和局部结构的有机统一之中，而且还呈现在自然规律中的过去、现在和未来的因果链之中。20世纪初爱因斯坦用“相对论”把牛顿建立的经典物理学和量子物理学统一起来，使宏观低速运动状态的物理理论包容于微观高速运动的物理理论之中。上个世纪六十年代格拉肖、温伯格与萨拉姆成功地把电磁力与弱相互作用统一起来，并因此容获1979年诺贝尔物理学奖。1974年乔治和格拉肖又分别提出大统一理论，试图让基本相互作用中的3种作用达到统一。目前，物理学界正努力朝向三力统一（即电磁力、弱相互作用与强相互作用的统一），而更大的目标是把引力也涵盖进去，达到四力统一。这一切探索都是物理学家在对物理学统一美的欣赏之下激发出来的对美的追求。正如法国数学家彭加莱（1854——1912年）所认为：“科学家研究自然不是因为它有用，他研究它是因为他喜爱，他喜爱它是因为它美。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。”可见物理学家对于自然之美研究的真诚热爱之情已经达到了“情景交融”的和谐心理状态，物理学家这种追求自然和谐统一的思想境界是何等美妙！2003年6月22日参考文献：1．张遥，中学物理科学思维方法，黑龙江科学技术出版社，19982．刘晓晴，杜中，物理世界漫游，科学出版社，20023．眭平，物理学之美与物理学创造，中学物理教学参考，2002、74．杨振宁，美与物理，中学物理教与学，2002、3、4第3页共3页