物理学之科学美赏析

马丽芹

（青岛科技大学数理学院，山东 青岛 266061）

物理学是一门揭示物质存在与运动规律的自然科学，物理学中不仅包含着辩证唯物主义的哲理，而且其理论体系中处处体现出科学美的意境。科学美是潜藏在感性美背后的理性美，在物理学发展的过程中，物理学家们在探索自然规律的同时，总是伴随着对美的热烈追求，他们追求科学美的精神对物理学的发展起着重要的推动作用。下面让我们来感悟一下物理学中的科学美。

1 简洁美

简洁美是以简单、洁净呈现其美感。自然界的现象是错综复杂的，然而背后隐藏的规律却是简单的。因此研究的方法和规律的表达方式应是简单的，也就是说物理理论在体系上呈现出高度的简洁美。科学家们用最简洁的语言、最少的符号、最简单的形式来表达知识及自然规律。著名物理学家爱因斯坦所说：“真实的世界在逻辑上总是简单的。”诺贝尔物理学奖获得者李政道也说过：“最重要的东西往往都是最简单的”。所以那种最简洁的物理理论最能给人以美的享受。物理理论的简洁并不是指物理内容本身简单，而是物理理论体系的结构和物理规律的数学表达形式简洁。例如经典力学建立在牛顿三定律之上，由牛顿三定律可以推导出全部经典力学理论，简单的物理关系式，包含的内容极其丰富，揭示的规律无比奥妙。从发现摩擦琥珀可以吸引小物体开始，在2400多年的岁月里，人们掌握了丰富的有关电与磁的知识以及规律。所有这些麦克斯韦只用一组简单的方程式就概括了，这就是简洁性带来的美。

2 对称美

对称美是指整体各部分之间的相称与对应。自然界中的许多现象都有着对称性，既有空间对称也有时间对称，还有与时空坐标无关的更复杂的对称。因此作为研究物质世界最基本运动与结构的物理理论，自然会浸透着对称美。物理学中的对称美既有物理现象的对称美，例如引力与斥力、粒子与反粒子等。又有物理规律的对称美，例如圆周运动、简谐振动、光与波的反射等。还有公式的对称美，例动量守恒定律、洛伦兹变换式等。麦克斯韦方程组更是具有完美的对称形式。十九世纪，人们意识到对称性是结晶分子结构的重要特征。著名结晶学家和几何学家费多罗夫，舍弃了晶体的全部物理性质，用几何体的规则系统来代替晶体的原子系统，从而将物理学问题转化为几何学中的美学问题，并借助几何学框架使晶体学问题得到了圆满地解决。近年来，由于把群论应用到物理学中，终于明确了对称性与守恒律之间的关系。一个守恒律的存在常常是宇宙中某种基本对称性的结果。

3 和谐美

物理理论的和谐性、理论体系的逻辑自洽性及各种守恒性都给人以和谐美之感。著名科学家庞加莱说：“世界的普遍和谐是众美之源”。著名物理学家英费尔德也曾说过：当我领悟到一个出色的物理学公式时，我会像聆听巴赫的乐曲一样的感受。原子世界是一个和谐的世界，核外电子绕着核运动、分子间存在相互作用力。在宇宙领域中，各种星系、各种天体尽管进行着复杂的运动，但在一般情况下各种星体的运动轨道又是有规则的，例如月球一边自转一边绕地球公转，旋转的速度和轨道也几乎没有差错，宇宙太空中各天体的运动配合得如此默契和谐，像是在合奏一首雄伟壮丽的交响曲。电磁学中的麦克斯韦方程组，用优美的数学形式把电磁场的四个物理量联系起来，并把电学中的重要常数和磁学中的重要常数与光速联系起来，从而建立了和谐无矛盾的电磁场理论。

4 统一美

物理学中的统一美除指理论体系的统一还有真与美的统一。理论的统一就是要求理论在不附加太多的基本假定的基础上尽可能前后一致地解释更多的物理现象。例如通过热力学与统计物理学的统一，电学与磁学规律的统一，时间与空间的统一，物质与能量的统一，实物粒子与场等几次大的综合与统一，建立起如今的物理大厦。统一美还包括真与美的统一，毕达哥拉斯学派对于真和美的理解是：美的事物一定是真的即美比真更本质。当他们还不知道天体的具体运动轨道时，即还不了解“真”的时候就敢于从美的愿望出发，设定天体运动的轨道是圆的。哥白尼日心说的提出，就是在美比真更本质的观点指导下的结果。从真的角度来看日心说和地心说很难判断出哪一个理论更正确，因为根据这两种理论制定的历法相差无几。但日心说具有无与伦比的对称性和统一性，毕达哥拉斯的科学美学思想成为这两种理论审美评价的标准。

物理学家对美的追求，在物理理论的发现、发展中起着十分重要的推动作用。爱因斯坦对对称美的坚定信念引导他走向相对论，他对和谐美更是近乎宗教般地相信，他说：“如果不相信我们世界的内在和谐性，那就不会有任何科学……”。法拉第由于相信对称性，由电生磁现象发现了磁生电现象。狄拉克向来追求美，把量子力学与相对论相统一。正是对科学美的追求，麦克斯韦提出了变化的电场产生磁场，进而预言了电磁波的存在，奠定了无线电通讯的基础。物理学家对美的追求，强烈地影响着物理学成果的内容与形式，物理学中处处蕴含着科学美。

［1］杨庆余.物理学研究的美学精神[J].大学物理,2002,21(11):37-41.

［2］刘国良.论物理教学中的科学美及其教育功能[J].物理教学探讨,2009,27(12):71-73.