以“美”誘發(fā)學(xué)習(xí)物理的激情

張益

一、物理現(xiàn)象的自然美

中學(xué)物理涉及力、聲、熱、光、電、磁和原子物理等內(nèi)容，物理現(xiàn)象千姿百態(tài)、美妙無窮。如星移斗轉(zhuǎn)、日夜交替、春秋輪回、物態(tài)互變等自然規(guī)律，因有序而美；光的反射與倒影、折射與海市蜃樓、色散與彩虹、日食和月食都有奇異的美。人類在研究和應(yīng)用物理方面創(chuàng)造的輝煌成果，是美的精品。蒸汽機(jī)、發(fā)電機(jī)、激光器、電子對撞機(jī)的發(fā)明，步步促進(jìn)人類生產(chǎn)、生活和高科技的發(fā)展；“阿波羅”登月成功，“嫦娥奔月”的傳說變成了現(xiàn)實(shí)美談，“神五神六”暢游太空再次實(shí)現(xiàn)人類超載地球之夢；眾多的航天器和衛(wèi)星正在全球通訊、氣象觀測、國防和科研等方面建功立業(yè)；電磁技術(shù)、激光技術(shù)、能源開發(fā)技術(shù)突飛猛進(jìn)；核電站、太陽能電站的相繼林立充分展示了物理前景無限美好。

二、物理理論的科學(xué)美

現(xiàn)代物理學(xué)家楊振寧教授說過：“科學(xué)中存在美，所有的科學(xué)家都有這樣的感覺”。物理學(xué)具有簡單、對稱、和諧與新奇方面的科學(xué)美感，是“審美者通過理解、想象、邏輯思維所體驗(yàn)到的美。”

1.簡單美。愛因斯坦認(rèn)為評價(jià)一個(gè)理論美不美的標(biāo)準(zhǔn)是原理上的簡單性。揭示自然規(guī)律，物理學(xué)具有高度概括性和簡明美麗的特點(diǎn)。“寧可尋求簡單”是科學(xué)家研究物質(zhì)世界的邏輯和手段。在范疇廣泛、現(xiàn)象規(guī)律復(fù)雜的物理領(lǐng)域中，物理學(xué)家把龐大的物理空間縮小為“場”，把紛繁各異的物質(zhì)稱為“粒子、質(zhì)點(diǎn)”，借助文字和數(shù)學(xué)表述其內(nèi)在規(guī)律，充分突出簡單美的觀點(diǎn)。

2.和諧美。和諧是指由于相互之間恰到好處在整體上顯示出的協(xié)調(diào)，它給人以統(tǒng)一、自洽、 對應(yīng)的美感。科學(xué)理論、規(guī)律的簡單形式要與其深廣科學(xué)內(nèi)涵和諧統(tǒng)一才美。物理中的和諧美主要體現(xiàn)在物理理論形式與內(nèi)容的統(tǒng)一，各個(gè)研究領(lǐng)域理論的協(xié)調(diào)以及物理與其他學(xué)科理論和諧方面。牛頓力學(xué)被譽(yù)為科學(xué)美的典范，主要?dú)w功于牛頓定律形式簡單，內(nèi)涵豐富，和諧統(tǒng)一。

3.對稱美。對稱性給人的美感是“圓滿、均衡和協(xié)調(diào)”。人們這樣描述對稱性：若圖形通過某種操作（如時(shí)空坐標(biāo)系的改變，尺度的放大和縮小）又回到它本身，則這樣的圖形具有對稱性。對稱性的概念應(yīng)用于物理，研究對象不僅是圖形，還有物理量和物理規(guī)律。“對稱美”在物理中顯而易見。從空間角度看，原子的核式結(jié)構(gòu)、晶體的空間點(diǎn)陣、磁體的兩極是對稱的；物體的上升下落，圓周運(yùn)動(dòng)是對稱的；物體的平衡、彈性形變、簡諧振動(dòng)具有對稱性；平面鏡成像、光與波的反射、電磁場的力線分布更具有對稱美。從時(shí)間角度看，行星的公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)、理想單擺和簡諧振動(dòng)、波的傳播都具有時(shí)間周期性的對稱美。對稱性的美學(xué)意境引起很多科學(xué)家的心馳神往，從伽利略時(shí)代開始，物理學(xué)家就把追求理論上的對稱性作為一種有效的研究手法，并取得了成功。

4.新奇美。“新奇”也是物理美的特點(diǎn)。物理學(xué)發(fā)展到今天，無論是理論方面還是實(shí)踐方面都是碩果累累，新穎的發(fā)明創(chuàng)造和新奇的理論成果層出不窮。象脈沖星、重輕子的發(fā)現(xiàn)；蒸汽機(jī)、激光器、電子對撞機(jī)的發(fā)明；牛頓力學(xué)理論、麥克斯韋電磁學(xué)理論、愛因斯坦相對論的創(chuàng)立等等都是體現(xiàn)新奇美的物理成就。尤其是物理理論提出的是關(guān)于自然界的新知識，具有獨(dú)創(chuàng)和新穎的特點(diǎn)，這正是其審美價(jià)值的所在。“新奇之所以被看作是科學(xué)美的重要特征，因?yàn)樗w現(xiàn)了科學(xué)理論發(fā)現(xiàn)中的藝術(shù)因素。”瀏覽牛頓著作，我們可以體會(huì)到他的力學(xué)體系理論所包含的新奇和獨(dú)創(chuàng)魅力。

三、物理學(xué)家的精神美

物理理論的科學(xué)美具有很高的審美價(jià)值，而物理學(xué)家的精神美堪稱無價(jià)之寶。中學(xué)生無論是從哥白尼的故事、愛迪生的發(fā)明，或者法拉第的發(fā)電機(jī)、周光召的原子彈，還是牛頓定律、麥克斯韋方程與愛因斯坦理論都能領(lǐng)略到偉人美的風(fēng)范。回顧物理學(xué)的發(fā)展史，可知這座輝煌的殿堂，凝聚了多少人的智慧和心血。其中牛頓和愛因斯坦這兩位科學(xué)巨人，永遠(yuǎn)是中學(xué)“德育”和“美育”的典范。牛頓（1642—1727）：英國物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家，是17世紀(jì)科學(xué)革命的頂峰人物，因發(fā)現(xiàn)力學(xué)三大定律和萬有引力被譽(yù)為“科學(xué)之父”。愛因斯坦（1879—1955）：德國物理學(xué)家，被公認(rèn)為人類歷史上最具創(chuàng)造才智的人物之一，他獨(dú)創(chuàng)的“相對論”家喻戶曉，他的一生對人類認(rèn)識宇宙的貢獻(xiàn)是巨大的。物理學(xué)家被自然中的新奇吸引，激發(fā)奇妙的設(shè)想，在壯美奇觀中進(jìn)行智力探險(xiǎn)，經(jīng)歷曲折艱辛和生死攸關(guān)，通過優(yōu)美的實(shí)驗(yàn)以及科學(xué)的推理驗(yàn)證假設(shè)，從而得出完美的理論。他們這種艱苦卓越的探索過程所包含的藝術(shù)創(chuàng)造與獻(xiàn)身科學(xué)的精神美是無與倫比的。所有的科學(xué)家，都具有偉大的思想和天才的智慧，不餒的精神和高尚的品格。他們給人類留下了豐富的物質(zhì)和精神財(cái)富。科學(xué)是美的，創(chuàng)造科學(xué)的人更美。