王白音其其格

摘 要：美國(guó)的著名作家馬克·吐溫說過，科學(xué)真是迷人，根據(jù)零星的事實(shí)，添加一點(diǎn)猜想，就能贏得那么多收獲。物理學(xué)作為研究自然界最基本的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué)有它獨(dú)特的美，本文從現(xiàn)象之美、理論之美和理論結(jié)構(gòu)之美等三個(gè)方面談了物理學(xué)之美。

關(guān)鍵詞：科學(xué);物理學(xué);美

美的東西讓人心情愉悅，愛不釋手。法國(guó)著名藝術(shù)大師羅丹說：“美是到處都有的，對(duì)于我們的眼睛，不是缺少美，而是缺少發(fā)現(xiàn)?！蔽锢韺W(xué)作為整個(gè)自然科學(xué)的基礎(chǔ)，它對(duì)其他學(xué)科作出的貢獻(xiàn)是不可估量的，這不僅僅是指它的內(nèi)容本身，更重要的是它的思想方法。物理學(xué)給很多人的印象就是一個(gè)字，難。是的，物理學(xué)的美不同于藝術(shù)美那么直觀，不是人人能夠欣賞到的，具有一定科學(xué)理論知識(shí)的人才能感受到，難道這不也是它獨(dú)特的魅力之處嗎？

那么，物理學(xué)的美到底體現(xiàn)在哪些方面呢？首先，物理學(xué)從結(jié)構(gòu)上看，是一座宏偉的大廈，外形整潔美觀，內(nèi)容完整富有內(nèi)涵，19世紀(jì)末，物理學(xué)以力學(xué)、熱力學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理學(xué)、電磁學(xué)和光學(xué)為支柱，建成了經(jīng)典物理學(xué)大廈，后來在此基礎(chǔ)上又建立了以相對(duì)論和量子力學(xué)為代表的近代物理學(xué)，它們構(gòu)成了煥然一新的物理學(xué)大廈，使之更宏偉和更接近完美。

1 現(xiàn)象之美

楊振寧在他的《美與物理學(xué)》一文中寫道：物理學(xué)中存在三種美：現(xiàn)象之美、理論描述之美、理論結(jié)構(gòu)之美?，F(xiàn)象之美是我們不需要特定的理論知識(shí)就能觀察到的美。比如雨過天晴后的七色彩虹、日出日落時(shí)的美麗風(fēng)景，日食月食時(shí)的壯觀情景，同樣是日光經(jīng)過一個(gè)三棱鏡會(huì)變成奇妙、美麗的七色光，而經(jīng)過放大鏡能把火柴點(diǎn)燃，見到這些現(xiàn)象時(shí)你感嘆大自然的美麗與神奇之外，會(huì)不會(huì)對(duì)揭示大自然秘密的物理學(xué)產(chǎn)生敬畏之心呢？確切的說，是為科學(xué)執(zhí)著工作，做出過卓越貢獻(xiàn)的那些偉大的科學(xué)家們，而在科學(xué)家們?nèi)唛L(zhǎng)沉悶的研究工作中，美學(xué)發(fā)揮了重要的作用，不僅使他們獲得了喜悅、欣慰和滿足，還給他們提供了思路和靈感。當(dāng)時(shí)牛頓做色散實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)條件和種種原因，他實(shí)際上并沒有清晰明確確定7種顏色，他只確定了5種顏色：紅、黃、綠、藍(lán)和紫。橙和青是后來加上去的，原來，牛頓認(rèn)為光和聲音應(yīng)該有相似的地方，基色的數(shù)目和全音階的7個(gè)音樂調(diào)相對(duì)應(yīng)。于是他在5基色中大膽加上2色成為7色。說明，牛頓在他艱難的科學(xué)探索中，不斷利用當(dāng)時(shí)的美學(xué)標(biāo)準(zhǔn)作為引導(dǎo)他探索中的一個(gè)路標(biāo)[1]。癡迷于科學(xué)美的還有開普勒，他一直堅(jiān)信宇宙一定有一種內(nèi)在的和諧，即各行星之間一定受某種簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)規(guī)律的制約。正是因?yàn)樗羞@種堅(jiān)定的信念，使他用十年時(shí)間觀測(cè)行星運(yùn)動(dòng)和分析第谷的觀測(cè)資料。開普勒最終找到了他終生為之追求的美學(xué)標(biāo)準(zhǔn)——數(shù)學(xué)和諧，發(fā)現(xiàn)了他的行星運(yùn)動(dòng)第三定律。開普勒沿用這種美學(xué)上的思路，并且最終得到了不朽的“行星運(yùn)動(dòng)三大定律”。

2 理論之美

由華中理工大學(xué)楊建鄴教授所著的《物理學(xué)之美》中說到，理論之美是客體自然規(guī)律的反映，它的簡(jiǎn)潔與和諧讓人產(chǎn)生一種愉悅的美。這些理論之美是科學(xué)家們神往的美，也是研究科學(xué)的動(dòng)力之一。物理學(xué)中有很多經(jīng)典的理論，都是用來揭示自然界中存在的真理。例如能量守恒定律，它的內(nèi)容是，任何過程中全部參與者的總能量在此過程中始終保持不變。也就是說，能量不能被創(chuàng)造或消滅。能量可以轉(zhuǎn)化，也可以傳輸，然而其總量永遠(yuǎn)相同。這個(gè)論斷屬于科學(xué)中最可靠最普遍規(guī)律之列[2]。它是從牛頓定律出發(fā)得出的結(jié)論，但它遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了牛頓物理學(xué)的范圍，適用于一切現(xiàn)象，從亞原子核粒子“夸克”到迄今觀察到的宇宙。而能量守恒定律的一種新的表述方式常常叫作熱力學(xué)第一定律，即宇宙的能量是常量。它揭示了機(jī)械、熱、電、磁、光、化學(xué)和生命運(yùn)動(dòng)形式之間具有統(tǒng)一性。這些能量中熱能是一種很特別的能量，任何產(chǎn)生熱能的過程都有一種單向性，或者叫作不可逆性。熱力學(xué)第二定律揭示的就是這種不可逆過程，它的另一種表述是宇宙的熵趨于一個(gè)極大值。這里熵就是分子運(yùn)動(dòng)“無序性的量度”，一個(gè)孤立系統(tǒng)的無序性只會(huì)越來越大，一直大到不能再大為止。

3 理論結(jié)構(gòu)之美

理論結(jié)構(gòu)之美是指理論有一個(gè)漂亮的結(jié)構(gòu)，在20世紀(jì)以后它通常是指理論本身的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)。物理學(xué)的理論內(nèi)容在去蕪存菁、抽象提煉之后都會(huì)歸結(jié)成為若干個(gè)數(shù)學(xué)方程。這些公式形式極簡(jiǎn)單，但內(nèi)容包羅萬象，富有哲學(xué)思想，它們體現(xiàn)出更深層次上的美感。而對(duì)于這種“大美”，見到方程的人未必能理解它，只有理解了方程的內(nèi)涵才能深刻地感知它的存在[3]。例如牛頓的萬有引力定律，公式如下：

也許初次見到的人覺得它很普通，可就是這樣看起來極簡(jiǎn)單、極普通的公式居然統(tǒng)一了地上天上宇宙萬物的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。你還不覺得它偉大、漂亮嗎？細(xì)細(xì)品位這個(gè)公式形式簡(jiǎn)單，內(nèi)含豐富，是個(gè)極美的公式。在物理學(xué)中這樣公式還很多，例如由愛因斯坦提出的著名的質(zhì)能關(guān)系式。

這個(gè)相對(duì)論公式外形更簡(jiǎn)單，但它卻統(tǒng)一了經(jīng)典物理學(xué)中彼此獨(dú)立的兩個(gè)守恒定律，即質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律，成了統(tǒng)一的“質(zhì)能守恒定律”。簡(jiǎn)單的外表下有強(qiáng)大的內(nèi)容，這就是科學(xué)的美麗與魅力。

麥克斯韋方程組，公式如下：

對(duì)這個(gè)公式，比較謙虛的評(píng)價(jià)是：“一般地，宇宙間任何的電磁現(xiàn)象，皆可由此方程組解釋?！钡拇_，它的對(duì)稱形式及無所不容的內(nèi)涵已經(jīng)很偉大了，可它還有更驚人的一面，那就是麥克斯韋仔細(xì)研究他的方程組之后，獲得了物理學(xué)中的一個(gè)真正讓人吃驚的發(fā)現(xiàn)：電磁波的存在，并且能精確算出電磁波的傳播速度，這是個(gè)多么偉大的智慧，發(fā)現(xiàn)了如此美妙的事實(shí)。

這些外形如此美麗、美妙，內(nèi)涵又如此強(qiáng)大，可謂內(nèi)外兼?zhèn)涞墓蕉际强茖W(xué)家們傾盡畢生的心血得出的智慧結(jié)晶。你看完這些公式領(lǐng)略到科學(xué)的美麗和魅力了嗎？同時(shí)會(huì)不會(huì)對(duì)偉大的智慧肅然起敬呢？

物理學(xué)每一個(gè)理論的描述都富有哲理，簡(jiǎn)單和諧，而那些公式外形簡(jiǎn)單內(nèi)涵極豐富，這些都給學(xué)習(xí)者帶來巨大的美的享受。著名物理學(xué)家楊振寧說過，年輕朋友們應(yīng)該對(duì)科學(xué)的美和妙要有鑒賞力。如果學(xué)習(xí)物理學(xué)的人能夠感受物理學(xué)的美，再不會(huì)覺得它枯燥無味難懂，不僅學(xué)習(xí)起來輕松自如，還能產(chǎn)生濃厚的興趣。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊健鄴.物理學(xué)之美[M].北京：北京大學(xué)出版社，2011.

[2]（美）Art Hobson，秦克誠(chéng)，劉培森，周國(guó)榮譯.物理學(xué)的概念與文化素養(yǎng)[M].北京：高等教育出版社，2008.

[3]林鳳生.欣賞物理學(xué)之美[J].自然與科技，2013.1.