物理學中的美感

杜良美

摘要：物理學是一門充滿美的科學。本文僅從物理科學美的突出特征加以論述：即物理學中存在和諧美、簡潔美和奇異美。而一些物理學家在對物理科學的終生探索和追求中，更是表現出美的精神。

關鍵詞：物理科學美感和諧美

在常人的心目中，物理學是深奧的、艱難的、枯燥的；一提到物理學家，眼前就會浮現出愛因斯坦的形象：白發怒張、滿臉皺紋，受成見的桎梏，人們對美的感受往往限于文學藝術領域，物理學與美似乎無緣。實際上，物理學是一門充滿美的科學。而物理學家在對物理學的終生探索和追求中，更是表現出美的品質，美的精神。“原子彈之父”奧本海墨認為：“物理學是一門研究自然規律與秩序的學科，它探索物理和諧地存在與運動的根源，秩序與和諧就是一種美。”

楊振寧博士在《美和理論物理學》一文中提出：物理學具有“物理現象之美”，“理論描述之美”，“理論結構之美”。

物理科學美的特征突出可以表現為和諧性、簡潔性、奇異性三個方面。

一、和諧性

物理世界的和諧性是由物質世界的統一性決定的。人們在牛頓的統一天地間所有運動的萬有引力定律中，得到一種統一的美感。在法拉第、麥克斯韋對電與磁的統一中，在愛因斯坦用E=MC²所表示的質量與能量的統一中，在廣義相對論的引力、空間、物質的統一中，都會得到一種統一的美感。

和諧性的另一種表現是對稱性，對稱給人一種圓滿、勻稱的美感。物理學中許多定律，特別是守恒定律，基本都是對稱的。空間和時間上的鏡對稱、軸對稱、點對稱，不僅在物理理論的表現形式上給人以美感，而且在發現新規律、尋找新物質方面也是非常有用的。例如：狄拉克運用對稱性預言正電子的存在。又如：麥克斯韋根據法拉第的實驗研究結果，一開始把電磁理論方程寫為：

二、簡單性

愛因斯坦認為物理學的本質在于“簡單性”。在紛亂繁雜的自然表現中，概括出簡潔明了的規律，就是一種科學美。例如：開普勒從大量十分凌亂的觀測資料中，發現了行星第三定律的數學公式：R³/T²-K（K是與行星無關的常量）。它是這樣簡潔，優美，被人們稱為奇妙的“2”與“3”。愛因斯坦的質能關系式E=MC²。普朗克的能量子頻率和能量的關系式E=hV。牛頓的萬有引力定律和庫侖的電荷靜電相互作用定律等，都是用極其簡單的形式，表達了理解起來那么復雜的自然規律。但是邏輯上的簡潔并不意味著內容的貧乏，實際上它包含著更為豐富的內容，體現出客觀世界的和諧性。

我們在物理學習中，往往要闡述一些較復雜的物理現象，或解一些復雜的習題。在分析問題時，一定要注意邏輯上的簡潔性。簡潔，意味著對問題認識的深刻性。比如，我們在解答習題時，如果最后得出的結果雜亂無章，缺乏簡單和諧的形式，則自然會對自己的結果產生不信任感，而這種“直覺”往往是正確的。

三、奇異性

培根曾說過：“沒有一個極美的東西不是在勻稱中有著某種奇異”。奇異與和諧是對立的統一。狹義相對就是一種奇異。它把一直被認為完全無關的時間與空間、物質與運動等概念聯系起來，而且高速運動中的物體長度縮短，而時間變長。廣義相對論中也有奇異。一直認為光線是直進的，現在在引力場中居然彎曲了，四維空間更是常識無法理解的，而正是這種“奇異”促使人們不斷地探求，從而揭示其中的奧秘。

物理學史上有很多中外著名物理學家，在發現真理宣傳真理的過程中，不懈追求、勇于探索、無私奉獻。如德國天文學家開普勒不顧貧病交加，夜以繼日地觀察天體運動，終于發現了天體運動的三大定律；當代最重要的廣義相對論、宇宙論家——霍金，在21歲時，發現自己行動吃力，經醫生診斷，他患了盧伽雷氏癥。在輪椅上，他寫出了大量的科學論文和書籍，其中科普著作《時間簡史》風靡全球。20世紀70年代他與彭羅斯一道證明了著名的奇性定理。為此共同獲得了1998年的沃爾夫物理獎，他因此被譽為繼愛因斯坦之后世界上最著名的科學思想家和最杰出的理論物理學家。這些事例能不斷地啟迪我們勤于實踐，勇于探索，并能激發我們崇尚科學，追求真理，在生活中去尋找美、表現美。