物理学之美

王白音其其格

摘 要：美国的著名作家马克·吐温说过，科学真是迷人，根据零星的事实，添加一点猜想，就能赢得那么多收获。物理学作为研究自然界最基本的物质运动规律的科学有它独特的美，本文从现象之美、理论之美和理论结构之美等三个方面谈了物理学之美。

关键词：科学;物理学;美

美的东西让人心情愉悦，爱不释手。法国著名艺术大师罗丹说：“美是到处都有的，对于我们的眼睛，不是缺少美，而是缺少发现。”物理学作为整个自然科学的基础，它对其他学科作出的贡献是不可估量的，这不仅仅是指它的内容本身，更重要的是它的思想方法。物理学给很多人的印象就是一个字，难。是的，物理学的美不同于艺术美那么直观，不是人人能够欣赏到的，具有一定科学理论知识的人才能感受到，难道这不也是它独特的魅力之处吗？

那么，物理学的美到底体现在哪些方面呢？首先，物理学从结构上看，是一座宏伟的大厦，外形整洁美观，内容完整富有内涵，19世纪末，物理学以力学、热力学、统计物理学、电磁学和光学为支柱，建成了经典物理学大厦，后来在此基础上又建立了以相对论和量子力学为代表的近代物理学，它们构成了焕然一新的物理学大厦，使之更宏伟和更接近完美。

1 现象之美

杨振宁在他的《美与物理学》一文中写道：物理学中存在三种美：现象之美、理论描述之美、理论结构之美。现象之美是我们不需要特定的理论知识就能观察到的美。比如雨过天晴后的七色彩虹、日出日落时的美丽风景，日食月食时的壮观情景，同样是日光经过一个三棱镜会变成奇妙、美丽的七色光，而经过放大镜能把火柴点燃，见到这些现象时你感叹大自然的美丽与神奇之外，会不会对揭示大自然秘密的物理学产生敬畏之心呢？确切的说，是为科学执着工作，做出过卓越贡献的那些伟大的科学家们，而在科学家们冗长沉闷的研究工作中，美学发挥了重要的作用，不仅使他们获得了喜悦、欣慰和满足，还给他们提供了思路和灵感。当时牛顿做色散实验时，由于当时的实验条件和种种原因，他实际上并没有清晰明确确定7种颜色，他只确定了5种颜色：红、黄、绿、蓝和紫。橙和青是后来加上去的，原来，牛顿认为光和声音应该有相似的地方，基色的数目和全音阶的7个音乐调相对应。于是他在5基色中大胆加上2色成为7色。说明，牛顿在他艰难的科学探索中，不断利用当时的美学标准作为引导他探索中的一个路标[1]。痴迷于科学美的还有开普勒，他一直坚信宇宙一定有一种内在的和谐，即各行星之间一定受某种简单的数学规律的制约。正是因为他有这种坚定的信念，使他用十年时间观测行星运动和分析第谷的观测资料。开普勒最终找到了他终生为之追求的美学标准——数学和谐，发现了他的行星运动第三定律。开普勒沿用这种美学上的思路，并且最终得到了不朽的“行星运动三大定律”。

2 理论之美

由华中理工大学杨建邺教授所著的《物理学之美》中说到，理论之美是客体自然规律的反映，它的简洁与和谐让人产生一种愉悦的美。这些理论之美是科学家们神往的美，也是研究科学的动力之一。物理学中有很多经典的理论，都是用来揭示自然界中存在的真理。例如能量守恒定律，它的内容是，任何过程中全部参与者的总能量在此过程中始终保持不变。也就是说，能量不能被创造或消灭。能量可以转化，也可以传输，然而其总量永远相同。这个论断属于科学中最可靠最普遍规律之列[2]。它是从牛顿定律出发得出的结论，但它远远超出了牛顿物理学的范围，适用于一切现象，从亚原子核粒子“夸克”到迄今观察到的宇宙。而能量守恒定律的一种新的表述方式常常叫作热力学第一定律，即宇宙的能量是常量。它揭示了機械、热、电、磁、光、化学和生命运动形式之间具有统一性。这些能量中热能是一种很特别的能量，任何产生热能的过程都有一种单向性，或者叫作不可逆性。热力学第二定律揭示的就是这种不可逆过程，它的另一种表述是宇宙的熵趋于一个极大值。这里熵就是分子运动“无序性的量度”，一个孤立系统的无序性只会越来越大，一直大到不能再大为止。

3 理论结构之美

理论结构之美是指理论有一个漂亮的结构，在20世纪以后它通常是指理论本身的数学结构。物理学的理论内容在去芜存菁、抽象提炼之后都会归结成为若干个数学方程。这些公式形式极简单，但内容包罗万象，富有哲学思想，它们体现出更深层次上的美感。而对于这种“大美”，见到方程的人未必能理解它，只有理解了方程的内涵才能深刻地感知它的存在[3]。例如牛顿的万有引力定律，公式如下：

也许初次见到的人觉得它很普通，可就是这样看起来极简单、极普通的公式居然统一了地上天上宇宙万物的运动规律。你还不觉得它伟大、漂亮吗？细细品位这个公式形式简单，内含丰富，是个极美的公式。在物理学中这样公式还很多，例如由爱因斯坦提出的著名的质能关系式。

这个相对论公式外形更简单，但它却统一了经典物理学中彼此独立的两个守恒定律，即质量守恒定律和能量守恒定律，成了统一的“质能守恒定律”。简单的外表下有强大的内容，这就是科学的美丽与魅力。

麦克斯韦方程组，公式如下：

对这个公式，比较谦虚的评价是：“一般地，宇宙间任何的电磁现象，皆可由此方程组解释。”的确，它的对称形式及无所不容的内涵已经很伟大了，可它还有更惊人的一面，那就是麦克斯韦仔细研究他的方程组之后，获得了物理学中的一个真正让人吃惊的发现：电磁波的存在，并且能精确算出电磁波的传播速度，这是个多么伟大的智慧，发现了如此美妙的事实。

这些外形如此美丽、美妙，内涵又如此强大，可谓内外兼备的公式都是科学家们倾尽毕生的心血得出的智慧结晶。你看完这些公式领略到科学的美丽和魅力了吗？同时会不会对伟大的智慧肃然起敬呢？

物理学每一个理论的描述都富有哲理，简单和谐，而那些公式外形简单内涵极丰富，这些都给学习者带来巨大的美的享受。著名物理学家杨振宁说过，年轻朋友们应该对科学的美和妙要有鉴赏力。如果学习物理学的人能够感受物理学的美，再不会觉得它枯燥无味难懂，不仅学习起来轻松自如，还能产生浓厚的兴趣。

参考文献：

[1]杨健邺.物理学之美[M].北京：北京大学出版社，2011.

[2]（美）Art Hobson，秦克诚，刘培森，周国荣译.物理学的概念与文化素养[M].北京：高等教育出版社，2008.

[3]林凤生.欣赏物理学之美[J].自然与科技，2013.1.