浅析物理学的美学特性与物理学素质培养的关系

韩锋

（济宁学院 物理与信息工程系，山东 曲阜 273155）

浅析物理学的美学特性与物理学素质培养的关系

韩锋

（济宁学院 物理与信息工程系，山东 曲阜 273155）

物理学中的美学特性主要体现为物理规律的和谐与自洽统一，物理概念的新奇及其数学描述的简单、对称等，并据此分析了薛定谔方程中所蕴涵的物理美.在大学课堂里渗透物理美学教育,令物理美感与知识传授产生“谐振”效应，将使学生的观察与实验能力、理解与逻辑思维能力、运用数学工具的能力及创造能力得到培养和锻炼.

物理美；科学美学；薛定谔方程；科学素质

在科学发展的历史长河中，处处渗透着科学的美学思想，且科学愈是进步，科学美的光辉愈灿烂，科学美学思想的作用越不容忽视.物理学固然不是美学，但物理学中包含着美，这种美可称为物理美，它主要体现为物理学中所蕴涵的自然界中丰富多彩的运动形式、相关规律及其同时展现的结构上的对称、和谐与韵律美.物理学所描述的对象是非常广泛的，因而它的美也在多方面有所体现.从浩瀚无边的宇宙到微观世界的基本粒子，无不是物理学家的研究对象；从星系到夸克，全部都遵循着基本的物理规律.因此本文结合美学的基本原则以及科学美的评价和判断标准，从以下几方面来欣赏物理世界的美.

1 物理学中的美学特性

1.1 物理美的和谐性

物理美的和谐性是指物理理论的和谐性、理论体系的逻辑自洽性及各种守恒性.首先作为物理研究对象的客观物质世界是和谐的.在微观领域中，原子世界是一个有序的和谐的世界，核外电子绕核运动，分子间存在相互作用力；在宏观领域中，如晶体是一种典型的有序的和谐结构，若干平面围成的多面体具有规则的外形，其各个几何平面之间的夹角固定不变.其次，作为客观物质世界反映的物理学理论是和谐的、内在自洽的.物理中的经典牛顿力学的和谐性就表现在一种高度统一的“逻辑美”上，牛顿用归纳法获得了力学的有关基本概念和三大运动定律，又用演绎法从这些基本概念和定律出发，构建起整座完美和谐的科学大厦.而物理中由物理概念、规律、公式这些抽象的方法去描述一个完整的、有秩序、有规律的物理世界的完美和谐的图景，如振动图象、波动图象、气体性质图象、导体的伏安特性曲线、交流电的图象等等数不胜数，比比皆是.

1.2 物理美的新奇性

物理学的新奇之美主要是指物理理论及其研究方法的奇异之美.理论的新奇特征来源于科学思想的独创性和科学方法的新颖，也可以把新奇看作科学理论的奇异性.奇异与和谐是对立的统一，即一个新出现的和谐的理论总包含着某种奇异，而奇异的思想内容只有具备和谐性才能显现出新奇美.如在相对论宇宙学之前，光度佯谬和引力佯谬一直是传统宇宙论中不协调的因素.现代宇宙学根据物理学中已有的成熟理论得出了标准宇宙学模型，设想了宇宙极早期的高温高密状态，计算了宇宙演化的大致过程.这个理论同高能物理学、热力学、统计物理学等分支的相关衔接上表现出相当好的和谐性，在同观测实验系统的联系中也获得了一些强有力的支持.所有这些，大大增强了标准宇宙学理论的美学吸引力.再如德布罗意的物质波、时钟的延缓、光线的弯曲等等，都使当时的科学界为之惊愕，无不使人们在惊奇之余产生奇异而和谐的美感.

1.3 物理美的简单性

物理学的简单性并不是指物理内容本身简单，而是一个简单的公式包涵极其深刻的内容.一个理论的假设条件很少，而概括的经验事实或演绎出的推论却很多.如利用物理量的矢量表示及运算，牛顿用∑Fi=m a这一简捷的公式建立了“经典力学”大厦；爱因斯坦用两条基本假设创立了狭义相对论，揭示了质量和能量的统一性，正如他所说：“要通过最少个数的原始概念和原始关系的使用来达到科学的目的”.物理学与数学的结合构成了物理学的简单美.

1.4 物理美的统一性

客观物质世界尽管丰富多彩，但是其本质上具有统一性.那么描述和揭示客观世界的物理现象及物理规律的物理学也是具有统一性的，它显示出一种崇高的美.诚如爱因斯坦所说：“从那些看来直接可见的真理十分不同的各种复杂的现象中认识到它们的统一性，那是一种壮丽的感觉.”因此，追求理论的统一性，也就成为物理学大师们坚定不移的信念和始终不谕的目标.正如物理学上电和磁的统一理论——麦克斯韦理论.爱因斯坦为相互作用统一耗尽了后半生精力，而电磁作用与弱相互作用的统一，导致了许许多多的物理学家致力于规范场理论，其目的正是为了谋求引力、电磁力、强相互作用、弱相互作用的大统一理论.

1.5 物理美的对称性

由于物质世界是处处有对称的，既有镜对称、轴对称、点对称这样的空间对称，也有周期、节奏、旋律这样的时间对称，还有与时空坐标无关的更复杂的对称，因而，作为研究物质世界最基本的运动和结构的物理理论，自然会浸透着圆满、匀称的对称之美.1916年诺特提出一个著名定理,给探寻作用量的形式带来了曙光.诺特定理说:作用量的每一种对称性都对应一个守恒定律,对称和守恒这两个重要概念是紧密地联系在一起的.如对应于空间均匀性有动量守恒定律,对应于空间的各向同性有角动量守恒定律,对应于时间平移对称性有能量守恒定律,对应于空间反演对称的有宇称守恒定律,对应于量子力学相移对称的有电荷守恒定律等等.在经典力学中,我们所熟悉的这种对应关系是:时间平移对称性(时间平移不变性)对应于能量守恒;空间旋转对称性(空间各向同性)对应于角动量守恒.诺特定理引导物理学家们去寻找新领域中的守恒定律和守恒量,由此确定其中的对称性,从而获得作用量的形式和基本定律;反过来,如果知道了使一个给定的作用量保持不变的对称变换,从而就可以知道相应的守恒定律和守恒量，这样使得物理学的基础研究有法可循而变得富有成效.在整个物理理论的发展过程中你会发现对称性所起的重要作用,对称则统一,统一则简单,简单便和谐,它们构成了物理学的美学准则：物理学之美便是:对称、简单、和谐、统一.

2 薛定谔方程中所展现的物理美

在物理学发展的每一个阶段，随处都可以找到出自物理学家之手的美的创造，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.下面介绍薛定谔对物理美的追求及薛定谔方程的美.

薛定谔对原子和电子运动的数学描述称为波动力学，其研究是从批评波尔理论的不美开始的.他认为，作为电子运动完美的数学理论，它所应用的数学方法必须由电子运动本身按自然方式产生量子数，而不是象波尔那样直接从外部把这些量子数注入到数学理论中去.薛定谔从毕达哥拉斯的科学美学思想中得到启发.毕达哥拉斯发现音乐和数之间有一种奇特的关系.一根振动着的弦，实际上包含着薛定谔所寻求的那种正整数的序列.如果我们把这根弦的两端连接在一起，那么振动着的弦就会形成一个振动的圆环.这个振动的圆环必定是整数的波长.这实际上就是波尔的电子轨道条件.薛定谔决意根据这种科学美学见解，创造一种原子理论.结果，他求得了电子的波动方程：

在这个方程中，m、E、V体现着电子的微粒性，ψ(r)则体现为电子的波动性，方程把电子的波粒二象性完美地统一起来了.该方程的简单明了，使它具有很高的美学价值，代表着量子力学的巨大进步.从形式上看，因为波动力学所使用的数学工具是偏微分方程，这是物理学家比较熟悉和容易掌握的数学工具，不像海森伯的矩阵那样陌生，所以波动力学比起矩阵力学来更显示出它的美来.

薛定谔在物理美学上的贡献还在于，他论证了量子力学的统一性.在量子力学发展史上，存在两种不同的理论路线，一条受到哈密顿波动动力学的启发，另一条受到哈密顿质点动力学的启示.薛定谔认为，只要把哈密顿方程中的p，转换成算符，这两条理论路线的统一性就可以完美地解决.薛定谔设p、q是两个算符，经过适当的排列，轻而易举地得出了海森堡矩阵所引出的方格表.由于薛定谔方程所描绘的波动图景在数学上更易处理，所以显得更美一些.

薛定谔的科学美学思想，还表现在对量子力学和相对论的结合中所作的贡献上.他在一篇简短的非正式的笔记中，详细讨论了几何学在微观世界的不适用性，为美和美感的同构关系寻找了微观世界的根据.相对论和量子力学的统一是当代最重大的理论问题之一，是具有薛定谔这样科学地位的人必定要研究的一个美学问题.薛定谔尝试着对这个美学问题作了多种形式化的表述，使这个或那个几何量对称或不对称.虽然薛定谔后来也没有完成这种统一的工作，但是他的科学美学探索和美感直觉始终给人们留下了深刻的印象.

3 物理美学思想的渗透与物理学素质的培养

物理学家对物理学的探索过程，就是对物理美学的创造、鉴赏、再创造的过程.物理学的美是客观存在的.与一般事物外在的感性形态美不同，物理学的美主要是指理性美，它融合了与物理学有关的自然科学以及与人类思想、社会历史发展有关的文、史、哲的多学科知识，是一门自然科学、人文科学、社会科学、思维科学等紧密交叉渗透的知识体系，所以对物理美的探究定会在科学素质教育中发挥重要作用.

科学素质教育是当今世界范围内科学教育改革的主导方向，而科学素质的培养是寓于各学科教育之中的.对年轻一代进行科学素质培养与教育的主要场所是学校，学校教育承担着提高学生科学素质的重任，物理教育是从基础教育到高等教育的教育系统中的一个子系统.在这样的时代，将物理美学思想引入到物理教学中被赋予了新的内容、特殊的使命，它不单是对大学生进行物理知识的传授，它已成为培养大学生科学素质的重要手段和重要途径.在课堂教学中渗透科学美学思想，即是用物理美学的对称、和谐、简洁、统一、奇异的原则对大学物理的相关内容作进一步的诠释，适时地引进课堂教学之中，让学生在增进知识的同时，感受物理美的各种意境，令物理美感与知识传授产生“谐振”效应，从而使学生的观察与实验能力、理解与逻辑思维能力、运用数学工具的能力及创造能力得到培养和锻炼.

将物理学史引进物理课堂教学中的研究已非常普遍，但对将物理美学思想引入大学物理课堂中的研究则相对较少，随着大学物理教材改革的不断深入，已有部分教材渗透了科学美育的相关内容，如李元杰《大学物理学》、赵凯华《新概念物理学教程》等.但要将物理美学思想完全渗透到大学课堂，无论从理念上还是从研究措施及其力度上，都还有一定的差距.主要表现在：（1）教育的主、客体对科学美和科学素质教育联系的必然性尚有认知上的误区；（2）当前使用的大学物理课程教材对科学美学思想的引入不足，从而使得学生的学习变成简单公式的堆积；（3）教师对在课堂教学中渗透物理美学思想缺乏主动性.

总之,在大学课堂里适时地渗透物理美学教育,在传授物理知识的同时进行物理美学思想教育，将会对培养与提高科学素质起到积极的促进作用.

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1673-260X（2012）05-0012-03