对称性思维在科学发现中的作用及其在物理教学中的运用

尹德利

（北京市东方德才学校 北京 100026）

王金文

（北京五中分校 北京 100009）

对称性思维也叫逆向思维.科学史上运用对称性思维作出重大科学发现和发明的例子不胜枚举.在物理学研究中，运用对称性思维发现物理规律的典型事例，人们常提起的有两个，一个是英国物理学家法拉第关于电磁感应现象的发现，另一个是法国物理学家德布罗意（Louis de Broglie，1892～1987年）关于物质波理论的提出.

1820年4 月，丹麦物理学家、化学家奥斯特（Hans Christian Oersted，1777～1851年）发现，通电直导线能使放在附近的小磁针发生偏转，这说明电流周围存在着磁场.这一发现打破了当时流行的电和磁毫无联系的传统观念，轰动了整个科学界，掀起了对电磁现象研究的热潮.

1821年，英国物理学家迈克尔·法拉第（Michael Faraday，1791～1867年）从对称性思维出发，认为，既然电流能产生磁场，那么磁场能不能产生电流呢？从此，他开始了10年的实验研究，终于在1831年发现了电磁感应所遵从的规律.

1905年爱因斯坦提出了光量子理论，成功地解释了光电效应现象.1923年，法国年轻的物理学家德布罗意认真分析了爱因斯坦的光量子理论，运用对称性思维，大胆提出了他的物质波理论.他在1929年接受诺贝尔物理学奖时所作的“电子的波动性”的演讲中较详细地谈到了提出物质波的思考过程.他说：“人们无法理解，为什么对于光来说，需要有两种相互矛盾的学说，即波动说和粒子说，为什么原子中的电子只有可能进行某些运动，而按经典概念它应该有无穷多种运动……”，“不能认为光子理论是令人满意的，因为它是用E＝hν这个关系式来确定光粒子的能量的，其中包含着频率ν，可是纯粹的粒子理论不包含任何定义频率的因素.”他认为，既然长期被视为波的光还具有粒子性，那么长期被视为粒子的电子是否也具有波动性呢？

通过对光量子理论和玻尔氢原子理论的考察，他大胆地提出了一切实物粒子都具有波动性的观点，这就是著名的物质波理论.

研究物理学发展史，我们发现，对称思维作为一种思维方法，早在17世纪，物理学的先驱牛顿就已成功地运用它建立了万有引力定律.牛顿认为，根据他建立的运动学第二定律，太阳对行星的引力与行星的质量成正比，那么，行星对太阳的引力也应当与太阳的质量成正比，综合这两种情况，太阳和行星之间的引力，应当与太阳和行星的质量的乘积成正比.结合同时代惠更斯发现的向心力公式，牛顿成功地推导出了万有引力定律的数学表达式.

在中学物理教学中，结合物理学史料向学生揭示前辈物理学家的思考过程，是落实新课标三维教学目标，对学生进行科学素养教育的有效途径.课标教材也是这样编写的，但教材对某些物理学史料挖掘得仍然还不够.比如，无论是人教版选修3－2还是教科版选修3－2教材，都是把奥斯特发现电流磁效应作为法拉第探究电磁感应现象的一个引子.其实，奥斯特发现电流磁效应的意义远不止此.

众所周知，奥斯特发现电流磁效应的消息传到法国以后，安培同样运用对称性思维开始了他的电磁学研究并做出了一系列惊人的发现.只不过，安培深受当时物理学超距作用观点的影响，是从另一条途径——探究磁场对电流的作用力开始研究的.安培的思考过程是这样的：电流既然能使附近的小磁针发生偏转，说明电流对小磁针发生了力的作用，根据牛顿第三定律，小磁针（磁场）也应当对通电导线（电流）发生力的作用，这种力遵从什么规律呢？这就是安培将要研究的科研课题.随后的实验和理论研究，使他迅速做出了一系列重大的科学发现，被麦克斯韦誉为“电学中的牛顿”.

新课改倡导科学探究的教学方式，科学探究的第一个要素是发现问题、提出问题.如果教材编写者能把安培的这种思维过程作为问题提出来，对于教师正确理解教学内容，落实科学方法教育，培养学生发现问题、提出问题的能力无疑是很有好处的.

1 李艳平，申先甲.物理学史教程（第1版）.北京：科学出版社，2003