探寻物理学中的美

谢鹏伟

摘要物理学是研究物质世界的结构、运动及其变化规律的科学,在全面实施素质教育的今天,美学教育是其重要的一部分。本文以物理学中所蕴涵的美为主题,挖掘物理教学中的美育功能,旨在帮助学生在表面枯燥的学习中发现美、欣赏美、追求美,领悟到自然科学美的本质,成为素质全面的有用人才。

关键词物理美自然科学素质

中图分类号:G633.7文献标识码:A

物理学作为一门严谨的自然科学,它集理论与实践为一体,其所描述的对象包罗万象。在所有的自然科学中,物理学具有一种非凡的魅力,与美有最和谐的结合。物理学在提高人类的文明,推进社会的进步同时,也给我们带来各种感官的美的享受,给美学带来新的视角和元素。

1 物理学的简约之美

物理中现象往往是错综复杂的,然而背后隐藏的规律却是简单的,物理学就高度概括地揭示了自然规律的简单性。经典力学建立在牛顿三定律之上,即将地球上物体的运动、天体的运转综合到同一理论中;电动力学建立在法拉第的“场”和麦克斯韦方程组之上;而广义相对论看似简单的道理更深一层地揭示了时空、物质、运动和万有引力之间的统一性;这些简单的假定是从大量的自然现象和物理实验中抽取并提升出来的,然而,建之于上的物理理论反过来却能解释几乎所有的自然现象。惊人的简单体现了物理学的简洁之美、质朴之美,亦体现了科学的理性美。

2 物理学的对称之美

在生活和自然中,有许多事物具有对称性,给人以匀称和均衡的感觉。自然界的对称有多种类型,例如旋转对称、左右对称和平移对称等。对称性的感受逐渐成为一项美学准则。物理学中的对称主要指的是时空对称、数学对称、抽象对称。杠杆的平衡、平面镜成像体现的是空间的对称,交流电研究中正余旋变化为时间的对称,简谐波的波形图为典型的数学对称。抽象对称性在科学研究中更为普遍和重要,由于在无穷大与无穷小的条件下研究问题,不具有直观性,所以许多对称体现出了抽象性。磁场的正负极、电荷的正负是最典型的性质的对称。另外以科学中的艺术珍品广义相对论为例,在广义相对论中,狭义相对性原理被广义相对性原理代替;惯性系被非惯性系取代;洛仑兹变换群被连续的坐标变换群替代;线性方程被非线性方程代替等等。狭义相对论被包含在广义相对论之中,在一定条件下,后者都还原为前者,二者是统一的。半个多世纪来,许多物理学家都沉醉在它绚丽多姿的美之中。

对称性在物理学中起着重要的作用,系统对称性的分析对系统的物理状态和性质十分重要,对称性思想已成为反映今天“自然科学时代的精神”之理论精华,而对称性方法也已成为当代最普遍的精密自然科学方法之一。从对称性看世界,看到的可能性实在太多,以此对比它的复杂性和辉煌的物理成果,我们就不能不深深感到对对称定律的力量的钦佩,这也当之无愧可称为神秘的对称美。

3 物理学的和谐之美

物理事物是千姿百态的,所呈现的事物与规律也是丰富多彩的,但各种事物之间都有着其内在的联系。

牛顿定律能综合地把地上的物体与天上的星球统一起来;爱因斯坦广义相对论把引力、时间、空间、物质统一起来;天体运动理论、热力学定律、分子扩散理论、光的波粒二象性描绘了物质运动的有序性;质量、能量、电量守恒体描绘了协调统一性;三大守恒定律(物质、能量、动量)更是物质世界和谐性最完美的体现。而物理学中由物理概念、规律、公式这些抽象的方法去描述一个完整的、有序的、有规律的物理世界的完美和谐的图景如振动图像、波动图像、气体性质图像、导体的伏安特性曲线、交流电的图像等,更是数不胜数、比比皆是。

自然界物质作用看似复杂,但都遵循各自的运动规律,形成了有序、协调、对称、统一的整体。物理学众多的理论、规律亦是互相依存、和谐共生,有机地组成了现代物理学大厦。对物理学美妙的和谐美的追求已成为当代物理探索的驱动力。

4 物理现象的自然之美

在这个美妙的宇宙中时时处处具有令我们陶醉的自然美景,昼夜交替、四季轮回是地球自转和公转的结果,也才有了日出日落的壮美景象。黄道交角造就了春风秋月、夏雨冬雪的良景美辰,也才有春华秋实,有了万物生长,提供了人类得以生存的物质条件。我们旅行时,可曾想到高山大河的形成离不开地壳的运动,火山的喷发,冰川的消融。当你在操场欣赏雨后七彩的彩虹,在海上领略神秘的海市蜃楼,背后都会通过光学分析探究到它的本质。

总之,物理学作为一门重要的自然科学,对人类认识世界、改造自然界和人类社会,具有极其重大的现实和理论意义。展示物理美的目的,不仅仅是为了让学生想象和认识物理科学之美,更重要的是,要通过审美的教育,培养学生的审美能力和审美情趣,将对美的认识,转化为追求美、发现美和欣赏美的自觉行动,让学生理解科学的实质。在中学物理学教学中,教师应在课堂教学中渗透美学教育,启发学生用心智领悟美,对激发学生的学习动力、提高学生的创新精神具有非同寻常的意义,使学生感受到自然科学的魅力所在。如果有了对物理学中真与美的欣赏,就会对生活、对自然界、对生命有更深刻的理解,更加爱护自然、爱护地球,对世界万物有敬畏之情,对他们将来从事任何职业都会大有帮助。