淺析物理學的美學特性與物理學素質培養的關系

韓鋒

（濟寧學院 物理與信息工程系，山東 曲阜 273155）

淺析物理學的美學特性與物理學素質培養的關系

韓鋒

（濟寧學院 物理與信息工程系，山東 曲阜 273155）

物理學中的美學特性主要體現為物理規律的和諧與自洽統一，物理概念的新奇及其數學描述的簡單、對稱等，并據此分析了薛定諤方程中所蘊涵的物理美.在大學課堂里滲透物理美學教育,令物理美感與知識傳授產生“諧振”效應，將使學生的觀察與實驗能力、理解與邏輯思維能力、運用數學工具的能力及創造能力得到培養和鍛煉.

物理美；科學美學；薛定諤方程；科學素質

在科學發展的歷史長河中，處處滲透著科學的美學思想，且科學愈是進步，科學美的光輝愈燦爛，科學美學思想的作用越不容忽視.物理學固然不是美學，但物理學中包含著美，這種美可稱為物理美，它主要體現為物理學中所蘊涵的自然界中豐富多彩的運動形式、相關規律及其同時展現的結構上的對稱、和諧與韻律美.物理學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.從浩瀚無邊的宇宙到微觀世界的基本粒子，無不是物理學家的研究對象；從星系到夸克，全部都遵循著基本的物理規律.因此本文結合美學的基本原則以及科學美的評價和判斷標準，從以下幾方面來欣賞物理世界的美.

1 物理學中的美學特性

1.1 物理美的和諧性

物理美的和諧性是指物理理論的和諧性、理論體系的邏輯自洽性及各種守恒性.首先作為物理研究對象的客觀物質世界是和諧的.在微觀領域中，原子世界是一個有序的和諧的世界，核外電子繞核運動，分子間存在相互作用力；在宏觀領域中，如晶體是一種典型的有序的和諧結構，若干平面圍成的多面體具有規則的外形，其各個幾何平面之間的夾角固定不變.其次，作為客觀物質世界反映的物理學理論是和諧的、內在自洽的.物理中的經典牛頓力學的和諧性就表現在一種高度統一的“邏輯美”上，牛頓用歸納法獲得了力學的有關基本概念和三大運動定律，又用演繹法從這些基本概念和定律出發，構建起整座完美和諧的科學大廈.而物理中由物理概念、規律、公式這些抽象的方法去描述一個完整的、有秩序、有規律的物理世界的完美和諧的圖景，如振動圖象、波動圖象、氣體性質圖象、導體的伏安特性曲線、交流電的圖象等等數不勝數，比比皆是.

1.2 物理美的新奇性

物理學的新奇之美主要是指物理理論及其研究方法的奇異之美.理論的新奇特征來源于科學思想的獨創性和科學方法的新穎，也可以把新奇看作科學理論的奇異性.奇異與和諧是對立的統一，即一個新出現的和諧的理論總包含著某種奇異，而奇異的思想內容只有具備和諧性才能顯現出新奇美.如在相對論宇宙學之前，光度佯謬和引力佯謬一直是傳統宇宙論中不協調的因素.現代宇宙學根據物理學中已有的成熟理論得出了標準宇宙學模型，設想了宇宙極早期的高溫高密狀態，計算了宇宙演化的大致過程.這個理論同高能物理學、熱力學、統計物理學等分支的相關銜接上表現出相當好的和諧性，在同觀測實驗系統的聯系中也獲得了一些強有力的支持.所有這些，大大增強了標準宇宙學理論的美學吸引力.再如德布羅意的物質波、時鐘的延緩、光線的彎曲等等，都使當時的科學界為之驚愕，無不使人們在驚奇之余產生奇異而和諧的美感.

1.3 物理美的簡單性

物理學的簡單性并不是指物理內容本身簡單，而是一個簡單的公式包涵極其深刻的內容.一個理論的假設條件很少，而概括的經驗事實或演繹出的推論卻很多.如利用物理量的矢量表示及運算，牛頓用∑Fi=m a這一簡捷的公式建立了“經典力學”大廈；愛因斯坦用兩條基本假設創立了狹義相對論，揭示了質量和能量的統一性，正如他所說：“要通過最少個數的原始概念和原始關系的使用來達到科學的目的”.物理學與數學的結合構成了物理學的簡單美.

1.4 物理美的統一性

客觀物質世界盡管豐富多彩，但是其本質上具有統一性.那么描述和揭示客觀世界的物理現象及物理規律的物理學也是具有統一性的，它顯示出一種崇高的美.誠如愛因斯坦所說：“從那些看來直接可見的真理十分不同的各種復雜的現象中認識到它們的統一性，那是一種壯麗的感覺.”因此，追求理論的統一性，也就成為物理學大師們堅定不移的信念和始終不諭的目標.正如物理學上電和磁的統一理論——麥克斯韋理論.愛因斯坦為相互作用統一耗盡了后半生精力，而電磁作用與弱相互作用的統一，導致了許許多多的物理學家致力于規范場理論，其目的正是為了謀求引力、電磁力、強相互作用、弱相互作用的大統一理論.

1.5 物理美的對稱性

由于物質世界是處處有對稱的，既有鏡對稱、軸對稱、點對稱這樣的空間對稱，也有周期、節奏、旋律這樣的時間對稱，還有與時空坐標無關的更復雜的對稱，因而，作為研究物質世界最基本的運動和結構的物理理論，自然會浸透著圓滿、勻稱的對稱之美.1916年諾特提出一個著名定理,給探尋作用量的形式帶來了曙光.諾特定理說:作用量的每一種對稱性都對應一個守恒定律,對稱和守恒這兩個重要概念是緊密地聯系在一起的.如對應于空間均勻性有動量守恒定律,對應于空間的各向同性有角動量守恒定律,對應于時間平移對稱性有能量守恒定律,對應于空間反演對稱的有宇稱守恒定律,對應于量子力學相移對稱的有電荷守恒定律等等.在經典力學中,我們所熟悉的這種對應關系是:時間平移對稱性(時間平移不變性)對應于能量守恒;空間旋轉對稱性(空間各向同性)對應于角動量守恒.諾特定理引導物理學家們去尋找新領域中的守恒定律和守恒量,由此確定其中的對稱性,從而獲得作用量的形式和基本定律;反過來,如果知道了使一個給定的作用量保持不變的對稱變換,從而就可以知道相應的守恒定律和守恒量，這樣使得物理學的基礎研究有法可循而變得富有成效.在整個物理理論的發展過程中你會發現對稱性所起的重要作用,對稱則統一,統一則簡單,簡單便和諧,它們構成了物理學的美學準則：物理學之美便是:對稱、簡單、和諧、統一.

2 薛定諤方程中所展現的物理美

在物理學發展的每一個階段，隨處都可以找到出自物理學家之手的美的創造，物理學家對美的追求在物理理論的發現、發展中起著十分重要的推動作用.下面介紹薛定諤對物理美的追求及薛定諤方程的美.

薛定諤對原子和電子運動的數學描述稱為波動力學，其研究是從批評波爾理論的不美開始的.他認為，作為電子運動完美的數學理論，它所應用的數學方法必須由電子運動本身按自然方式產生量子數，而不是象波爾那樣直接從外部把這些量子數注入到數學理論中去.薛定諤從畢達哥拉斯的科學美學思想中得到啟發.畢達哥拉斯發現音樂和數之間有一種奇特的關系.一根振動著的弦，實際上包含著薛定諤所尋求的那種正整數的序列.如果我們把這根弦的兩端連接在一起，那么振動著的弦就會形成一個振動的圓環.這個振動的圓環必定是整數的波長.這實際上就是波爾的電子軌道條件.薛定諤決意根據這種科學美學見解，創造一種原子理論.結果，他求得了電子的波動方程：

在這個方程中，m、E、V體現著電子的微粒性，ψ(r)則體現為電子的波動性，方程把電子的波粒二象性完美地統一起來了.該方程的簡單明了，使它具有很高的美學價值，代表著量子力學的巨大進步.從形式上看，因為波動力學所使用的數學工具是偏微分方程，這是物理學家比較熟悉和容易掌握的數學工具，不像海森伯的矩陣那樣陌生，所以波動力學比起矩陣力學來更顯示出它的美來.

薛定諤在物理美學上的貢獻還在于，他論證了量子力學的統一性.在量子力學發展史上，存在兩種不同的理論路線，一條受到哈密頓波動動力學的啟發，另一條受到哈密頓質點動力學的啟示.薛定諤認為，只要把哈密頓方程中的p，轉換成算符，這兩條理論路線的統一性就可以完美地解決.薛定諤設p、q是兩個算符，經過適當的排列，輕而易舉地得出了海森堡矩陣所引出的方格表.由于薛定諤方程所描繪的波動圖景在數學上更易處理，所以顯得更美一些.

薛定諤的科學美學思想，還表現在對量子力學和相對論的結合中所作的貢獻上.他在一篇簡短的非正式的筆記中，詳細討論了幾何學在微觀世界的不適用性，為美和美感的同構關系尋找了微觀世界的根據.相對論和量子力學的統一是當代最重大的理論問題之一，是具有薛定諤這樣科學地位的人必定要研究的一個美學問題.薛定諤嘗試著對這個美學問題作了多種形式化的表述，使這個或那個幾何量對稱或不對稱.雖然薛定諤后來也沒有完成這種統一的工作，但是他的科學美學探索和美感直覺始終給人們留下了深刻的印象.

3 物理美學思想的滲透與物理學素質的培養

物理學家對物理學的探索過程，就是對物理美學的創造、鑒賞、再創造的過程.物理學的美是客觀存在的.與一般事物外在的感性形態美不同，物理學的美主要是指理性美，它融合了與物理學有關的自然科學以及與人類思想、社會歷史發展有關的文、史、哲的多學科知識，是一門自然科學、人文科學、社會科學、思維科學等緊密交叉滲透的知識體系，所以對物理美的探究定會在科學素質教育中發揮重要作用.

科學素質教育是當今世界范圍內科學教育改革的主導方向，而科學素質的培養是寓于各學科教育之中的.對年輕一代進行科學素質培養與教育的主要場所是學校，學校教育承擔著提高學生科學素質的重任，物理教育是從基礎教育到高等教育的教育系統中的一個子系統.在這樣的時代，將物理美學思想引入到物理教學中被賦予了新的內容、特殊的使命，它不單是對大學生進行物理知識的傳授，它已成為培養大學生科學素質的重要手段和重要途徑.在課堂教學中滲透科學美學思想，即是用物理美學的對稱、和諧、簡潔、統一、奇異的原則對大學物理的相關內容作進一步的詮釋，適時地引進課堂教學之中，讓學生在增進知識的同時，感受物理美的各種意境，令物理美感與知識傳授產生“諧振”效應，從而使學生的觀察與實驗能力、理解與邏輯思維能力、運用數學工具的能力及創造能力得到培養和鍛煉.

將物理學史引進物理課堂教學中的研究已非常普遍，但對將物理美學思想引入大學物理課堂中的研究則相對較少，隨著大學物理教材改革的不斷深入，已有部分教材滲透了科學美育的相關內容，如李元杰《大學物理學》、趙凱華《新概念物理學教程》等.但要將物理美學思想完全滲透到大學課堂，無論從理念上還是從研究措施及其力度上，都還有一定的差距.主要表現在：（1）教育的主、客體對科學美和科學素質教育聯系的必然性尚有認知上的誤區；（2）當前使用的大學物理課程教材對科學美學思想的引入不足，從而使得學生的學習變成簡單公式的堆積；（3）教師對在課堂教學中滲透物理美學思想缺乏主動性.

總之,在大學課堂里適時地滲透物理美學教育,在傳授物理知識的同時進行物理美學思想教育，將會對培養與提高科學素質起到積極的促進作用.

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1673-260X（2012）05-0012-03