以“美”誘發學習物理的激情

張益

一、物理現象的自然美

中學物理涉及力、聲、熱、光、電、磁和原子物理等內容，物理現象千姿百態、美妙無窮。如星移斗轉、日夜交替、春秋輪回、物態互變等自然規律，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。人類在研究和應用物理方面創造的輝煌成果，是美的精品。蒸汽機、發電機、激光器、電子對撞機的發明，步步促進人類生產、生活和高科技的發展；“阿波羅”登月成功，“嫦娥奔月”的傳說變成了現實美談，“神五神六”暢游太空再次實現人類超載地球之夢；眾多的航天器和衛星正在全球通訊、氣象觀測、國防和科研等方面建功立業；電磁技術、激光技術、能源開發技術突飛猛進；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、物理理論的科學美

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

1.簡單美。愛因斯坦認為評價一個理論美不美的標準是原理上的簡單性。揭示自然規律，物理學具有高度概括性和簡明美麗的特點。“寧可尋求簡單”是科學家研究物質世界的邏輯和手段。在范疇廣泛、現象規律復雜的物理領域中，物理學家把龐大的物理空間縮小為“場”，把紛繁各異的物質稱為“粒子、質點”，借助文字和數學表述其內在規律，充分突出簡單美的觀點。

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調，它給人以統一、自洽、 對應的美感。科學理論、規律的簡單形式要與其深廣科學內涵和諧統一才美。物理中的和諧美主要體現在物理理論形式與內容的統一，各個研究領域理論的協調以及物理與其他學科理論和諧方面。牛頓力學被譽為科學美的典范，主要歸功于牛頓定律形式簡單，內涵豐富，和諧統一。

3.對稱美。對稱性給人的美感是“圓滿、均衡和協調”。人們這樣描述對稱性：若圖形通過某種操作（如時空坐標系的改變，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。對稱性的概念應用于物理，研究對象不僅是圖形，還有物理量和物理規律。“對稱美”在物理中顯而易見。從空間角度看，原子的核式結構、晶體的空間點陣、磁體的兩極是對稱的；物體的上升下落，圓周運動是對稱的；物體的平衡、彈性形變、簡諧振動具有對稱性；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。從時間角度看，行星的公轉與自轉、理想單擺和簡諧振動、波的傳播都具有時間周期性的對稱美。對稱性的美學意境引起很多科學家的心馳神往，從伽利略時代開始，物理學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。物理學發展到今天，無論是理論方面還是實踐方面都是碩果累累，新穎的發明創造和新奇的理論成果層出不窮。象脈沖星、重輕子的發現；蒸汽機、激光器、電子對撞機的發明；牛頓力學理論、麥克斯韋電磁學理論、愛因斯坦相對論的創立等等都是體現新奇美的物理成就。尤其是物理理論提出的是關于自然界的新知識，具有獨創和新穎的特點，這正是其審美價值的所在。“新奇之所以被看作是科學美的重要特征，因為它體現了科學理論發現中的藝術因素。”瀏覽牛頓著作，我們可以體會到他的力學體系理論所包含的新奇和獨創魅力。

三、物理學家的精神美

物理理論的科學美具有很高的審美價值，而物理學家的精神美堪稱無價之寶。中學生無論是從哥白尼的故事、愛迪生的發明，或者法拉第的發電機、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略到偉人美的風范。回顧物理學的發展史，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巨人，永遠是中學“德育”和“美育”的典范。牛頓（1642—1727）：英國物理學家和數學家，是17世紀科學革命的頂峰人物，因發現力學三大定律和萬有引力被譽為“科學之父”。愛因斯坦（1879—1955）：德國物理學家，被公認為人類歷史上最具創造才智的人物之一，他獨創的“相對論”家喻戶曉，他的一生對人類認識宇宙的貢獻是巨大的。物理學家被自然中的新奇吸引，激發奇妙的設想，在壯美奇觀中進行智力探險，經歷曲折艱辛和生死攸關，通過優美的實驗以及科學的推理驗證假設，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創造與獻身科學的精神美是無與倫比的。所有的科學家，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和精神財富。科學是美的，創造科學的人更美。