物理學之美

我們所處的物質世界，大到宇宙天體，小到微觀粒子，盡管零零總總紛繁復雜，但物質之間相互作用、相互依存，遵循各自的運動規律，形成有序、協調、統一的整體，顯現出自然規律的和諧、優美。牛頓力學理論所概括的是宏觀低速物體的運動規律;而愛因斯坦在更高的層次上以光速不變和相對性原理為基礎，建立了狹義相對論，它反映了高速運動物體的運動規律;量子力學揭示了微觀低速物體的運動現象;而現代量子場論、相對論量子力學則考察的是微觀高速領域粒子的運動。這些嚴密優美的理論體系，不僅具有真理的性質，又具有審美意義。

縱觀物理學的整個發展過程，無不包含著一代又一代的科學家對物理學之美的孜孜追求。愛因斯坦曾經說過:“物理學是至善至美的科學”。他把物理學之美歸納為:簡單、和諧、完善、統一。他在建立相對論時的整個思考過程即是對“宇宙美”的追求過程。和諧美、簡潔美一直是他衡量物理學理論是否正確的標準。開普勒堅信上帝是按照完美的數學原則來創造世界的，他以數學的和諧來探索宇宙，不忽視任何一個誤差，最終發現了行星運動的統一規律——行星運動定律。費曼也正是憑著他獨特的審美鑒賞力去審視和欣賞牛頓的萬有引力定律，麥克斯韋方程和愛因斯坦的相對論所體現的那種完美的結構，感受對稱性、守恒定律、最小作用量原理的普遍性;又通過自身的審美直覺去洞察自然界內在的美，創造出了體現過去與未來之間對稱性的費曼圖，并進而提出了一種新的重整化理論，巧妙地避開了困擾量子場論計算中的發散困難，為量子場論確立了一種標準的理論程序。

物理學所蘊含之美主要包括:對稱美、簡潔美、和諧美、統一美。

1.對稱美

由于物理學揭示了自然界物質的存在、構成、運用及其轉化等規律的對稱性而產生的美感，稱為物理學的對稱美。

物理學中的對稱主要表現為時空對稱、數學對稱和抽象對稱。

時空對稱有空間對稱、時間對稱、時間和空間同時對稱三種類型。時空對稱表示物理現象在時空變換下的不變性。如杠桿的平衡、平面鏡成像、磁體的兩極、電荷的正負表現了物質的直觀形象在空間上的對稱;勻速運動的速率在運動過程中的任一點都相等，相干光在干涉空間任一區域都保持相等的條紋寬度等表現了物質在運動變化過程中的空間對稱;周期、節奏、頻率等表示了時間對稱;不隨時間變化的勻強電場、勻強磁場表現出既具有時間對稱，又具有空間對稱等等。

數學對稱表示物理內容在教學形式(圖與式)上的對稱性。如簡諧振動的振動圖線、簡諧波的波形圖線具有對稱性。這種對稱性表示了物理內容在數學圖形形式上的對稱。萬有引力定律、庫侖定律與距離之間都具有對稱性，這些對稱性表示了物理內容在數學表達式上的對稱。

抽象對稱表示以抽象的方式所反映出的物理內容的對稱。由于在無窮大或無窮小的尺度上研究物理問題，很難具有直觀性，故很多物理形象及物理內容所呈現的對稱具有抽象性。如處于平衡態的氣體對容器壁的壓強處處相等;處于平衡態的氣體分子的熱運動在三維空間各個自由度上發生的幾率相等，這些都體現了物理內容的抽象對稱美。

2.簡潔美

由于物理學揭示了自然界物質的存在、組成、運動及其轉化等規律的簡單性而產生的美感，稱為物理學的簡潔美。

從物理理論的整體來看，在形形色色的物理世界中，各種物理現象和過程千差萬別，但在本質上卻可邏輯地歸結為為數不多的若干基本概念和原理。例如，宇宙中紛亂的種種作用力，在本質上可歸結為四種:萬有引力、電磁力、強相互作用力、弱相互作用力;牛頓定律將宏觀低速條件下各種機械運動的現象都置于其統治之下;麥克斯韋方程組使復雜的電磁運動形成了一個和諧美滿的家庭;量子力學理論使行蹤飄忽的微觀粒子眉目清晰……F=ma，E=mc2等等，其形式是多么的簡潔而優美。這些都體現了物理學理論整體的簡潔美。

物理學中的理想化方法是從多維的具體形象中，抓住最具有本質特征的主要形象，舍棄一些次要形象，建立起一個輪廓清晰、主題突出的新形象，從而簡化物理問題。顯然，具有簡潔美。

3.和諧美

和諧是指由于組成整體的各個要素相互間恰到好處而在整體上顯現出協調。和諧給人以一種恰如其分、渾然一體、輕松自如的美感。物理學的和諧美，主要是指由于物理理論揭示了自然界物質的存在、構成、運動及其轉化等整體上的和諧性而產生的美感。它主要表現在自洽、對應和互補三個方面。

自洽，與其基本含義一致，即自身內不存在不可統一的矛盾。物理學中的自洽和諧美，主要體現在物理學各分支理論內部以及各分支理論之間在現象、概念、規律等方面都是互不矛盾的。

對應和諧美是指由物理學不同理論間的對應關系而展現的物理學和諧美。對應是高級理論對低級理論的包容，或者是說低級理論是與高級理論在某一特定條件下的結論相一致。具體地說，對某領域正確的物理理論，在新的、更加普遍的理論出現時，并不作為錯誤的東西被拋棄，而是作為新理論的極限形式和局部情況，在新理論中保持原有的意義。如當v<

互補和諧美是由物理學各部分之間的互補關系而展現出的物理學和諧美。所謂互補，就指彼此間彌補、相輔相成。物理學中的互補主要表現在不同的、甚至是相互排斥的物理理論，從不同的側面描述物理學的研究對象。如光的波動性與粒子性、微觀粒子的波動性與粒子性，都分別從不同的側面反映了光與微觀粒子的本質。在這里，波動性與粒子性既互斥，又互補。

4.多樣統一美

由于物理學揭示了自然界物質的存在、構成、運動及其轉化等規律的多樣統一性而產生的美感，稱為物理學的多樣統一美。物理事物是千姿百態、千變萬化的，因此，由它們構成的物理世界，必然呈現出萬紫千紅的景象，反映物理事物的特性及其規律的物理知識也是豐富多彩的。但是，自然界是統一的，客觀物理事物之間存在著內在的聯系，通過這種聯系使得我們能將各種各樣的物理知識統一起來，進而形成既千變萬化又和諧統一的美的畫卷。例如，牛頓力學把地上的和天上的所有低速宏觀運動的規律統一起來;麥克斯韋電磁理論把電、磁、光統一起來;愛因斯坦廣義相對論把引力、時間、空間、物質聯系起來;德布羅意關系將微觀粒子的波動性與粒子性統一起來，這些都會使人們感到一種多樣統一的美感。

物理學的美學意義在于它對世界美的反映。物理學總是在對稱、簡潔、和諧、統一的美的過程中創立和發展的，沒有對稱、簡潔、和諧、統一就沒有物理學。

作者單位:河北省盧龍縣教師進修學校