物理學之美

〔關鍵詞〕 物理學；理性；美學；自然規律

〔中圖分類號〕 Ｇ633.7

〔文獻標識碼〕 Ｃ

〔文章編號〕 1004—0463（2007）1１（Ａ）—0052—01

說起美，人們常想到的是繪畫、雕塑、山水風光等，這些是直接作用于人的感官使人感受到的美；另一種美則是必須通過人的感官反映到意識中去，而這些信息必須經過理性加工才能感覺到它的美。而物理學之美體現的就是這后一種理性美，概括來講物理學具有以下幾種美。

一、真實美

從物理學的研究對象來看，它研究的是物質及其運動的規律和運動形式之間的相互關系，無論物質還是物質所具有的運動規律都是客觀事實，不以人的意志為轉移，都是真實的，而“真實的才是美的”，從物理學的發展來看，也是一個去偽存真的過程：從“力是維持運動的原因”到“力是改變物體運動狀態的原因”，從“波的微粒說”到“波的波動說”再到“波具有波粒二象性”，從“原子不可分”到現在的“夸克理論”等一系列的進步，都說明人類在向真理靠近。而這個發展過程中，物理學家們那種不畏艱險、探索真理的精神更是體現一種深層次的美。從物理學理論建立過程來看，也是求真務實的過程。因為任何一個理論的建立都需要經過觀察—實驗—抽象—假說—實踐—理論—實踐的過程。而這一過程中，實踐的檢驗至關重要。不論理論本身多么完美，提出的人多么權威，只要經受不了實踐的檢驗，就不會被人們所接受。麥克斯韋電磁場理論可以說完美、嚴密，但如果不是赫茲用實驗驗證了電磁場的存在，這一理論也不會被人們所認同；而牛頓在當時科學界的地位可謂無人與之匹敵，然而他支持的“光的微粒說”因為與實驗現象相矛盾而終不被人們采納。

所以物理學，無論從研究對象來看，還是研究方法、研究過程都是在追求一種真實、一種完美。

二、和諧美

自然界本身是一個和諧統一的整體，支持其運行的自然規律也應具有和諧性與統一性。從物理學的發展角度來看，最初的物理知識是零散的，學者的研究也是斷斷續續的，因此不能成為一門獨立的科學。當人們將這些知識有機地結合起來，發現了它的共性之后，才建立了物理學的基礎。而在此之后，又經歷了熱力學與統計學的統一；電、磁規律的統一；時間與空間的統一；物質與能量的統一；實物粒子與場的統一等幾次大的綜合與統一，才建立起如今的物理學大廈。

從物理學內容來看，則無一不是在追求一種和諧與統一。牛頓第二定律解決了運動和力的關系；焦耳測定了熱功當量使人們認識到熱與功的實質并無差別；愛因斯坦的質能方程將物質與能量聯系在一起。所以物理學家的工作可以說是在發現自然界中統一的規律。

三、對稱美

對稱是一種美。物理學是一門以實驗為基礎的科學，而許多實驗現象中都有對稱存在。干涉和衍射條紋都是關于中央亮條紋對稱的；單擺和彈簧振子都以平衡位置為對稱點運動的。當學生觀察到這些現象時都會為其體現的規律而吸引，教師應予以引導，讓其感受到這種美。從物質結構與組成上來看，正電荷與負電荷對應；磁鐵上N極與S極相對。從物理量上看，有些物理量是矢量，有正負之區別。如：向上的力為正，則向下的力就為負；向左的位移為正則向右的就為負；加速運動時，加速度取正，減速運動加速度就取負。物理學中這類例子還可以舉出許多，所以對稱美在物理學中有充分的體現。

四、簡潔美

自然界本身是簡單的、和諧的，因此研究方法和規律的表述方式也應是簡單的。科學上正確的東西都是簡單的。科學家的工作概括來說就是從紛繁復雜的萬千事物中尋找其內部存在的簡單規律，并用最簡練的語言、最少的符號、最簡單的形式來表達知識。例如：牛頓第二定律F=ma，一個簡單的表達式，解決了人們上千年爭論的力與運動的關系問題：力與運動速度并沒有直接的關系，所以亞里士多德的“力是維持物體運動的原因”的論述是不正確的。愛因斯坦描述質最與能量的關系時只用了E=mc2這一關系式；描述光子能量與頻率的關系只用了E=hυ。這包含了眾多物理思想與內容的規律，在科學家的筆下竟只是這么簡單的幾筆，突出了物理規律的簡潔性。

物理學中包含的大量美學思想都值得我們在課堂教學中給予充分體現。這樣既可以培養學生的美學素養，同時又可以充分調動學生學習物理的積極性，更符合素質教育的要求。