物理學審美及對物理學發展的影響

李 艷，孫 凱

(四川工程職業技術學院，四川 德陽 618000)

0 引言

人類進入工業時代后，科技呈飛速發展態勢。我們生活的世界就像一尊龐大的鋼鐵巨人。對科技史略知一二的人都知道，鋼鐵巨人的震撼除先進的科學技術外，更多來自于它的美。作為科學最主要分支的物理學，與美學息息相關。

1 美與物理學

關于什么是美一直眾說紛紜。但都承認勞動創造了審美對象，也創造了審美主體。通過分析歷史上不同時期、不同流派的不同美學觀點發現：對稱、簡單、和諧等是基本的審美標準。

1.1 美學與物理學協同發展

原始人制作石器，會考慮外形上的對稱、光滑和勻整。物理學告訴我們，對稱是為了用力均衡；光滑、勻整是為了減少阻力。站在審美角度看，其中包含有對稱、和諧等簡單的美學形式。

物理學在美的啟示下進行科學發現和創新，被許多物理學家關注。

1.2 物理學之美

物理學成為一個完整有邏輯的科學體系，始自牛頓的《自然哲學的數學原理》。后來的物理學家們不斷地向其中添補磚瓦。物理規律從建立到完善，層層擴大視野，步步深入本質，物理學無論內容還是形式變得愈來愈美。

1.2.1 簡單

簡單性，這一美學法則，既為美學家推崇，也是物理學家認識和把握客觀事物及其運動規律的武器。

從哪里來，將到哪里去，時間開始于哪里，將在何處終止，宇宙究竟有多大，何時產生，何時消亡……這些涉及哲學、宗教、文學等一系列形而上的問題，都蘊含在這樣一個小學生都熟知的公式里。

1.2.2 對稱

談對稱，首先會聯想到自然界的各種存在，如雪花的形狀、樹葉的紋路等。上—下、左—右、向心—離心、旋轉等并置而形成的一種鏡式反映。抽象后就是：事物的一種情況變換為另一種情況，如果一個變換使事物的情況沒有變化，或者說事物的情況在此變換下保持不變，則說該事物對于這一變換是對稱的。舞蹈演員在舞臺上旋轉，無論從任一角度看，旋轉都是一樣的。這里的換個角度就是一種變換。

物理學中有許多對稱現象。如平面鏡成像：物與像以平面鏡為軸對稱排列，無論入射光怎樣變換，反射角與入射角永遠相等。再如牛頓定律：在伽利略變換下，對所有慣性系都有相同的形式。一個多世紀后，愛因斯坦狹義相對論提出新的對稱：不同慣性系中的物理定律必須在洛倫茲變換下保持形式不變。前者是經典時空觀——空間和事件各向同性的結果；后者是相對論時空觀——時間膨脹、空間收縮的產物。物理學中的對稱，大多需要撇開事物表象、大膽想象才能達到。

1.2.3 和諧

物理學中的概念、定律等，都是借助實驗、分析推理后抽象出來的。之后如遇質疑，則需再實踐再論證。經過了反復實驗與論證的物理學理論，站在審美角度看，自然充滿了勻稱、圓滿的美學特質。

有人說物理學史，就是粒子與波動的一輪又一輪的大戰。先是牛頓根據光的色散實驗得出光的微粒說；后是托馬斯·楊的光的雙縫干涉實驗，發現光是種波動，推翻了微粒說；接著又是愛因斯坦的光電效應，再次證明光是微粒。怎么調和光既是微粒又是波動的事實？愛因斯坦思索再三，提出光既具有粒子性又具有波動性。德布羅意據此提出微觀世界所有粒子都同時具有這樣的二重性。愛因斯坦卻開始了懷疑，波動性與粒子性這兩個完全矛盾的屬性怎么能同時集于一身？為此，他與玻爾進行過兩次針鋒相對的論戰，最后分道揚鑣。愛因斯坦繼續鉆研光速，相對論；玻爾團隊則繼續在微觀世界做深入研究，結果是薛定諤微分方程出世，具有波粒二象性的微觀粒子以概率的形式出現。

“美在和諧”，這一古老的話題，在物理學的發展中被演繹得可謂淋漓盡致。

1.2.4 統一

各類藝術以個性相區別，又以共性而統一。物理學也是如此。力、熱、光、電、原各自的物理規律雖為繽紛的多元美，但“趨同”的共性又表現出大一統的統一美。

物理學曾經歷過5次大統一：第一次牛頓三定律和萬有引力定律統一了天和地；第二次麥克斯韋方程組統一了電和磁；第三次麥克斯韋對電磁波的預言和赫茲的實驗驗證統一了電磁波和光；第四次微觀粒子波粒二象性統一了波和粒子；第五次弱電統一理論統一了弱相互作用和電磁作用。物理學每統一一次，就是科學史上的一個里程碑；每統一一次，物理學的視野就擴大一點、離現象遠一點。人類掌握的物理學規律越多，物理科學就越統一。

2 物理學追求美的動因

科學的發展離不開人的需求。而人的需求無非兩面：物質和精神。科學提供實用技術，人的物質需求通過物質的豐富得以滿足。相較而言，精神方面復雜些，但我們知道與功利無關。美學最重要的特征就是無功利性。

物理學揭示出的自然界，如大質量物體周圍空間會彎曲，物體高速運動時時間膨脹、空間收縮等，經常以其深邃、玄奧使人震撼。

2.1 物理學家喜歡審美

何謂審美？就是欣賞、品味自然、社會或藝術呈現出的美，在心理上產生愉悅、享受等正性情緒，進而做出積極反應。如；對稱，就是給一個形注入平衡、均稱，使觀看者身體處于平衡狀態，注意力活動對平衡的需要得到滿足后，產生輕松的心理反應。物理學家喜歡審美，更多源于自然界固有的結構與人內心深處渴望求知的契合。簡言之，物理學家在探索自然過程中發現了自然界的美學特質，以他們敏銳的感悟力，更容易在心靈世界中產生喜悅甚至豪放的情緒。這種體驗從本質上說，是一種投入、忘我的境界。

當然，并非所有人探索科學都與功利無關。愛因斯坦曾將探索科學的人分為兩類。“一類是把科學作為謀生手段，只要有機會，人類活動的任何領域他們都會涉足；是成為工程師、官吏、商人、還是科學家，完全取決于環境。”這樣缺了精神的人生，終究少了些意義。“而另一類，是決心獻身于科學，因而是為天使所寵愛的人。”

二十世紀初，以玻爾為代表的哥本哈根理論物理研究中心聚集了一大批年輕的物理學家。海森堡作為其中的一員，在回憶量子理論研究時說：“透過原子現象的表面看到了奇美無比的內景，想到我現在就要探察自然如此慷慨地展現在我面前的數學結構之財富，我幾乎覺得飄飄欲仙了。”彭加勒也說：“科學家研究自然，是因為他喜歡它，他之所以喜歡它，是因為它是美的。若是自然不美，知識就不值得去追求。”顯然，海森堡、彭加勒這些做過開拓性工作的人屬于愛因斯坦所說的另一類人。也由此看出，人格的精神性是偉大的。

2.2 科學研究對美的科學信念

獻身科學研究的物理學家隨著研究的深入，會將喜歡的情感上升到更高的層面——信念。以科學支持的信念就叫科學信念。

心理學將信念定義為：一個人對于某種觀點、理論或思想體系的正確性堅定不移，并因此支配個人行動的個性傾向。套用這個概念，科學信念就是：從事科學研究的人，對研究對象所具有的某種特性和將要達成的研究成果的正確性堅信不疑，并愿為此奮斗終生。如堅信世界可知、和諧，以及科學理論邏輯簡單性等。

堅信世界的和諧統一是愛因斯坦有關美的科學信念，從少年時對光速的執著研究，到青年時創立相對論，再到晚年執著于統一場論。正如他所說，相信科學的前提是必須相信世界的內在和諧性。

1820年奧斯特發現電流磁效應，引起全歐洲物理學家關注。先是安培通過實驗證實了電流間的相互作用；接著比奧與薩伐爾給出了奧斯特實驗中電流和由它引起磁效應間的定量關系。至此，已充分證明電與磁之間存在著微妙的關系。法拉第從美學角度認為，既然電流可以產生磁，磁就一定能產生電流。并在日記中寫下“把磁轉變成電！”法拉屢次向電磁領域沖刺，他說：“一定可以找到一種方法，使放在一根通電導線旁邊的另一根閉合導線產生電流。”時間一天天過去，實驗已重復了多次，每次都在希望中開始，失望中結束。妻子、朋友紛紛勸其放棄，法拉第說：“如果實驗不成功，這只能表明我不善于處置它。”1831年的某一天，“法拉第屏住氣，猛地將磁棒向紙管里一插……”法拉第美的信念成全了他。

物理學家們通過研究得到表述自然的規律，如果形式簡單大多會相信其是真的，反之則不然。如海森堡所說：“我相信自然規律的簡單性具有一種客觀的特征，如果自然界把我們引向極其簡單而美麗的數學形式——引向前人所未見過的形式，我們就不得不認為這些形式是‘真’的，它們是顯示出自然界的真正特征……”。量子力學與狹義相對論共同導致了狄拉克預言反粒子、反物質的存在。先是狄拉克預言有正電子存在，隨后，安德森發現了正電子。不久，布萊克特在觀察宇宙線時又發現了電子與正電子成對產生，碰撞后消失。次年，狄拉克又假設有反物質存在，并開始了反物質的理論和實驗研究。“2010年11月，數量極其有限的反氧原子在歐洲核子研究中心實驗室中被捕獲到，存在僅0.17秒”，打開了反物質世界的一扇小窗。

3 物理學審美使物理學理論沿邏輯軌道臻于完善

物理學研究的最終目的是求真。求美是求真的一條重要途徑。

3.1 觸發創造的靈感

秉承美的信念的物理學家在研究過程中通常會因為美而觸發科學創新的靈感。如狄拉克創立相對論量子微分方程的靈感就來源于“那個表示不可對易性的不等于零的對易子。對易子與泊松括號十分相似，只要在經典泊松括號前加上一個系數 h /2π，對易子就成了類比物。加于矩陣乘法的那些附加條件，可以寫成 pq - qp= (h /2π)i這一精致的形式。這樣以來便能為量子力學建立起一個簡單的數學方程。”有人問他這個方程是怎么得到的，他說：我覺得它美!愛國斯坦的廣義相對論與此非常類似，是受伽利略慣性質量等于引力質量啟發，并將其推論到加速度與引力間的等效原理，憑協變對稱地寫出了引力方程。

3.2 物理學理論完善是以簡單為基礎，最終達到邏輯上的統一

對于一些與物理學美的形式不協調的物理學理論也需要在實踐中被不斷修復和完善。以力學為例： 開普勒在分析第谷留給他的資料時，曾因“地心說”的均輪和本輪把宇宙理解得太復雜，而放棄“地心說”轉向“日心說”，十九年潛心實驗室，給出了開普勒三定律。其好友伽利略認為還是不夠簡潔，有文字鋪敘，說明對宇宙的研究還不夠，因此創立物理學實驗方法——這是劃時代的。物理學從此有了研究范式。當然，這僅指地面上物體遵循的規律。

牛頓看到了天與地的和諧與對稱。給出了運動三定律與萬有引力定律的數學表達式，自此天地間所有的機械運動都被收入囊中。

一個多世紀后愛因斯坦創立了相對論，狹義相對論的三個表達式不僅簡潔，還把牛頓力學作為一種極限情況包容其中。極限狀態下，能量、動量等回到牛頓力學。普朗克則引入普朗克常數，量子力學由此誕生。

量子力學解決了牛頓經典理論無法觸及的微觀世界的量子化問題。理論高度簡單、抽象。和相對論一樣，當普朗克常數h→0時，量子效應消失，也回到牛頓力學。

我們認為：物理學理論的完善就是一個美學意義上的過程。以簡單為基礎，從現象到本質，逐次提煉共性，被層層擴大了視野的現象，在邏輯形式上變得更加簡單、和諧，最終達到邏輯上的統一。

4 結語

物理學四百年的發展史，除了引領科技發展、帶給我們更多便利，還給了我們諸多美的享受。從某種程度上說就是物理學家追求美的歷史。只要我們善于用審美的頭腦，觀察與思索各種物理現象、物理方法與物理規律，就會發現物理學中的美的博大。但物理學中尋求美，不僅在物理現象中，還體現在物理學研究的方法、對未知探索的過程和物理學家的科學信念中。掌握物理學中審美的途徑和方法可以幫助我們更好地用發展的眼光去看待物理學的發展前景。

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