物理学中的美感

杜良美

摘要：物理学是一门充满美的科学。本文仅从物理科学美的突出特征加以论述：即物理学中存在和谐美、简洁美和奇异美。而一些物理学家在对物理科学的终生探索和追求中，更是表现出美的精神。

关键词：物理科学美感和谐美

在常人的心目中，物理学是深奥的、艰难的、枯燥的；一提到物理学家，眼前就会浮现出爱因斯坦的形象：白发怒张、满脸皱纹，受成见的桎梏，人们对美的感受往往限于文学艺术领域，物理学与美似乎无缘。实际上，物理学是一门充满美的科学。而物理学家在对物理学的终生探索和追求中，更是表现出美的品质，美的精神。“原子弹之父”奥本海墨认为：“物理学是一门研究自然规律与秩序的学科，它探索物理和谐地存在与运动的根源，秩序与和谐就是一种美。”

杨振宁博士在《美和理论物理学》一文中提出：物理学具有“物理现象之美”，“理论描述之美”，“理论结构之美”。

物理科学美的特征突出可以表现为和谐性、简洁性、奇异性三个方面。

一、和谐性

物理世界的和谐性是由物质世界的统一性决定的。人们在牛顿的统一天地间所有运动的万有引力定律中，得到一种统一的美感。在法拉第、麦克斯韦对电与磁的统一中，在爱因斯坦用E=MC²所表示的质量与能量的统一中，在广义相对论的引力、空间、物质的统一中，都会得到一种统一的美感。

和谐性的另一种表现是对称性，对称给人一种圆满、匀称的美感。物理学中许多定律，特别是守恒定律，基本都是对称的。空间和时间上的镜对称、轴对称、点对称，不仅在物理理论的表现形式上给人以美感，而且在发现新规律、寻找新物质方面也是非常有用的。例如：狄拉克运用对称性预言正电子的存在。又如：麦克斯韦根据法拉第的实验研究结果，一开始把电磁理论方程写为：

二、简单性

爱因斯坦认为物理学的本质在于“简单性”。在纷乱繁杂的自然表现中，概括出简洁明了的规律，就是一种科学美。例如：开普勒从大量十分凌乱的观测资料中，发现了行星第三定律的数学公式：R³/T²-K（K是与行星无关的常量）。它是这样简洁，优美，被人们称为奇妙的“2”与“3”。爱因斯坦的质能关系式E=MC²。普朗克的能量子频率和能量的关系式E=hV。牛顿的万有引力定律和库仑的电荷静电相互作用定律等，都是用极其简单的形式，表达了理解起来那么复杂的自然规律。但是逻辑上的简洁并不意味着内容的贫乏，实际上它包含着更为丰富的内容，体现出客观世界的和谐性。

我们在物理学习中，往往要阐述一些较复杂的物理现象，或解一些复杂的习题。在分析问题时，一定要注意逻辑上的简洁性。简洁，意味着对问题认识的深刻性。比如，我们在解答习题时，如果最后得出的结果杂乱无章，缺乏简单和谐的形式，则自然会对自己的结果产生不信任感，而这种“直觉”往往是正确的。

三、奇异性

培根曾说过：“没有一个极美的东西不是在匀称中有着某种奇异”。奇异与和谐是对立的统一。狭义相对就是一种奇异。它把一直被认为完全无关的时间与空间、物质与运动等概念联系起来，而且高速运动中的物体长度缩短，而时间变长。广义相对论中也有奇异。一直认为光线是直进的，现在在引力场中居然弯曲了，四维空间更是常识无法理解的，而正是这种“奇异”促使人们不断地探求，从而揭示其中的奥秘。

物理学史上有很多中外著名物理学家，在发现真理宣传真理的过程中，不懈追求、勇于探索、无私奉献。如德国天文学家開普勒不顾贫病交加，夜以继日地观察天体运动，终于发现了天体运动的三大定律；当代最重要的广义相对论、宇宙论家——霍金，在21岁时，发现自己行动吃力，经医生诊断，他患了卢伽雷氏症。在轮椅上，他写出了大量的科学论文和书籍，其中科普著作《时间简史》风靡全球。20世纪70年代他与彭罗斯一道证明了著名的奇性定理。为此共同获得了1998年的沃尔夫物理奖，他因此被誉为继爱因斯坦之后世界上最著名的科学思想家和最杰出的理论物理学家。这些事例能不断地启迪我们勤于实践，勇于探索，并能激发我们崇尚科学，追求真理，在生活中去寻找美、表现美。