物理學之科學美賞析

馬麗芹

（青島科技大學數理學院，山東 青島 266061）

物理學是一門揭示物質存在與運動規律的自然科學，物理學中不僅包含著辯證唯物主義的哲理，而且其理論體系中處處體現出科學美的意境。科學美是潛藏在感性美背后的理性美，在物理學發展的過程中，物理學家們在探索自然規律的同時，總是伴隨著對美的熱烈追求，他們追求科學美的精神對物理學的發展起著重要的推動作用。下面讓我們來感悟一下物理學中的科學美。

1 簡潔美

簡潔美是以簡單、潔凈呈現其美感。自然界的現象是錯綜復雜的，然而背后隱藏的規律卻是簡單的。因此研究的方法和規律的表達方式應是簡單的，也就是說物理理論在體系上呈現出高度的簡潔美。科學家們用最簡潔的語言、最少的符號、最簡單的形式來表達知識及自然規律。著名物理學家愛因斯坦所說：“真實的世界在邏輯上總是簡單的。”諾貝爾物理學獎獲得者李政道也說過：“最重要的東西往往都是最簡單的”。所以那種最簡潔的物理理論最能給人以美的享受。物理理論的簡潔并不是指物理內容本身簡單，而是物理理論體系的結構和物理規律的數學表達形式簡潔。例如經典力學建立在牛頓三定律之上，由牛頓三定律可以推導出全部經典力學理論，簡單的物理關系式，包含的內容極其豐富，揭示的規律無比奧妙。從發現摩擦琥珀可以吸引小物體開始，在2400多年的歲月里，人們掌握了豐富的有關電與磁的知識以及規律。所有這些麥克斯韋只用一組簡單的方程式就概括了，這就是簡潔性帶來的美。

2 對稱美

對稱美是指整體各部分之間的相稱與對應。自然界中的許多現象都有著對稱性，既有空間對稱也有時間對稱，還有與時空坐標無關的更復雜的對稱。因此作為研究物質世界最基本運動與結構的物理理論，自然會浸透著對稱美。物理學中的對稱美既有物理現象的對稱美，例如引力與斥力、粒子與反粒子等。又有物理規律的對稱美，例如圓周運動、簡諧振動、光與波的反射等。還有公式的對稱美，例動量守恒定律、洛倫茲變換式等。麥克斯韋方程組更是具有完美的對稱形式。十九世紀，人們意識到對稱性是結晶分子結構的重要特征。著名結晶學家和幾何學家費多羅夫，舍棄了晶體的全部物理性質，用幾何體的規則系統來代替晶體的原子系統，從而將物理學問題轉化為幾何學中的美學問題，并借助幾何學框架使晶體學問題得到了圓滿地解決。近年來，由于把群論應用到物理學中，終于明確了對稱性與守恒律之間的關系。一個守恒律的存在常常是宇宙中某種基本對稱性的結果。

3 和諧美

物理理論的和諧性、理論體系的邏輯自洽性及各種守恒性都給人以和諧美之感。著名科學家龐加萊說：“世界的普遍和諧是眾美之源”。著名物理學家英費爾德也曾說過：當我領悟到一個出色的物理學公式時，我會像聆聽巴赫的樂曲一樣的感受。原子世界是一個和諧的世界，核外電子繞著核運動、分子間存在相互作用力。在宇宙領域中，各種星系、各種天體盡管進行著復雜的運動，但在一般情況下各種星體的運動軌道又是有規則的，例如月球一邊自轉一邊繞地球公轉，旋轉的速度和軌道也幾乎沒有差錯，宇宙太空中各天體的運動配合得如此默契和諧，像是在合奏一首雄偉壯麗的交響曲。電磁學中的麥克斯韋方程組，用優美的數學形式把電磁場的四個物理量聯系起來，并把電學中的重要常數和磁學中的重要常數與光速聯系起來，從而建立了和諧無矛盾的電磁場理論。

4 統一美

物理學中的統一美除指理論體系的統一還有真與美的統一。理論的統一就是要求理論在不附加太多的基本假定的基礎上盡可能前后一致地解釋更多的物理現象。例如通過熱力學與統計物理學的統一，電學與磁學規律的統一，時間與空間的統一，物質與能量的統一，實物粒子與場等幾次大的綜合與統一，建立起如今的物理大廈。統一美還包括真與美的統一，畢達哥拉斯學派對于真和美的理解是：美的事物一定是真的即美比真更本質。當他們還不知道天體的具體運動軌道時，即還不了解“真”的時候就敢于從美的愿望出發，設定天體運動的軌道是圓的。哥白尼日心說的提出，就是在美比真更本質的觀點指導下的結果。從真的角度來看日心說和地心說很難判斷出哪一個理論更正確，因為根據這兩種理論制定的歷法相差無幾。但日心說具有無與倫比的對稱性和統一性，畢達哥拉斯的科學美學思想成為這兩種理論審美評價的標準。

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。愛因斯坦對對稱美的堅定信念引導他走向相對論，他對和諧美更是近乎宗教般地相信，他說：“如果不相信我們世界的內在和諧性，那就不會有任何科學……”。法拉第由于相信對稱性，由電生磁現象發現了磁生電現象。狄拉克向來追求美，把量子力學與相對論相統一。正是對科學美的追求，麥克斯韋提出了變化的電場產生磁場，進而預言了電磁波的存在，奠定了無線電通訊的基礎。物理學家對美的追求，強烈地影響著物理學成果的內容與形式，物理學中處處蘊含著科學美。

［1］楊慶余.物理學研究的美學精神[J].大學物理,2002,21(11):37-41.

［2］劉國良.論物理教學中的科學美及其教育功能[J].物理教學探討,2009,27(12):71-73.