物理学研究的美学精神
物理中的艺术与美学
物理中的艺术与美学物理学作为一门自然科学，研究的是物质、能量和它们之间的相互作用。
然而，除了深入探索自然规律和物质世界的本质，物理学也蕴含着许多令人惊叹的艺术与美学。
本文将探讨物理学中的艺术性和美学价值，以及它们如何与科学研究融为一体。
一、优雅的数学美学物理学与数学密不可分，数学作为物理学的语言和工具，为研究者提供了一种优雅的表达方式。
物理学中的公式、方程和推导都借助于各种数学原理和方法，这些数学工具的运用使得物理学的推理过程更加精确且可靠。
菲涅耳的衍射理论和麦克斯韦方程组是物理学中的两个重要例子。
菲涅耳的衍射理论通过数学上的复杂积分和波动方程，描述了光的衍射和干涉现象。
这些理论的数学形式十分优美，将自然现象与纯粹的数学相结合，给人留下了深刻的印象。
同样，麦克斯韦方程组也体现了一种宏伟的数学美感，并为电磁学的发展奠定了基础。
二、实验与观察的视觉艺术在物理学的研究过程中，实验与观察在发现新现象和验证理论方面起着重要的作用。
实验仪器的设计和搭建往往需要物理学家充分发挥他们的创意和想象力，以确保实验过程的准确性和可重复性。
举个例子，电子显微镜是一种非常重要的实验工具，它能够通过电子束来观察样品的微观结构。
在使用电子显微镜观察时，科学家不仅可以清晰地看到物质的微观形态，还能欣赏到其令人叹为观止的美丽。
比如光的干涉与衍射现象在电子显微镜下的呈现，以及金属晶体的纹理、多层石墨烯结构的奇特图案等，都展示了物质世界的独特之美。
除了实验观察，大自然本身也以其奇特的景象和自然现象展示着物理的艺术美。
闪电的瞬间、日落的余晖、彩虹的霞光等自然景观以及天文现象如星系的演化、黑洞的吞噬等，都使我们领略到了宇宙万物的壮丽与奥秘。
三、理论和模型的美学构建物理学研究的重要目标之一是建立一个能够解释和预测各种现象的理论或模型。
优秀的理论或模型不仅需要具备很高的科学价值，还需要在美学上具备一定的魅力。
例如，爱因斯坦的广义相对论是描述引力现象的理论，这个理论不仅在科学上引起了巨大的变革，而且其数学形式和几何观念的创新也令人惊叹。
物理学中的美学对称性和宇宙的和谐
物理学中的美学对称性和宇宙的和谐物理学是一门研究自然界和宇宙的学科，而在物理学的研究中，美学对称性扮演着重要的角色。
美学对称性指的是物理定律在不同的变换下保持不变的特性，它与宇宙的和谐相互关联。
本文将探讨物理学中的美学对称性，以及它与宇宙和谐的关系。
一、美学对称性在物理学中的应用1. 对称性在基本粒子理论中的应用在基本粒子理论中，对称性是非常重要的概念。
例如，玻色子和费米子之间的对称性被称为超对称性，它被认为是理解宇宙结构和宇宙宇称不对称性的关键。
超对称性的存在对于物理学家们来说具有重要的意义，因为它可以解释我们目前未能发现的粒子，并揭示出宇宙的更深层次的结构。
2. 对称性在相对论物理中的应用相对论物理是研究时空结构和引力的理论。
在相对论物理中，洛伦兹对称性是起到重要作用的对称性之一。
洛伦兹对称性指的是在任何惯性参考系中的物理定律保持不变。
这一对称性的存在使得我们能够在不同惯性参考系中正确描述物理现象，从而建立起相对论物理的基本框架。
二、美学对称性与宇宙的和谐1. 对称性与宇宙演化的奇点问题宇宙的演化过程中存在着一些奇点问题，如大爆炸理论中的初始奇点和黑洞理论中的奇点等。
美学对称性能够提供一种解释这些奇点问题的方式。
在大爆炸理论中，对称性的存在可以解释为宇宙初态的高度对称性，从而使得初始奇点问题得到一种合理的解释。
2. 对称性与宇宙结构的形成宇宙结构的形成是一个重要的物理问题。
在大尺度上，宇宙的结构呈现出高度的对称性，这种对称性使得宇宙具有美学上的和谐。
例如，宇宙微波背景辐射的均匀性和各向同性，正是对称性的结果。
这种美学对称性为我们提供了理解宇宙起源和演化的线索。
三、对称性的破缺与宇宙的多样性尽管对称性在物理学中扮演着重要的角色，但在宇宙的演化过程中，对称性常常被破缺。
对称性的破缺导致了宇宙的多样性和复杂性。
例如，电弱对称性在宇宙早期被破缺，从而产生了粒子物理中的一些基本粒子和宇宙结构的形成。
这种对称性的破缺在宇宙的多样性和和谐中发挥了重要作用。
美与物理学观后感
美与物理学观后感引言美和物理学是两个互不相干的领域，前者涉及我们对事物的审美感受，后者则研究物质、力、运动等自然现象。
然而，在我深入学习物理学的过程中，我发现美和物理学之间存在着一种微妙的联系。
本文将探讨美与物理学之间的关系，并以个人的观后感进行述述。
美学与物理学的联系美学是一门研究审美的学科，而物理学则是一门关于自然界规律的学科。
尽管这两个领域看似没有太多交集，但当我们深入研究物理学，探索自然现象的规律时，我们不禁会对大自然的美丽和奥妙感到惊叹。
对称性与美物理学中的对称性概念是美学中的一个核心要素。
对称性在自然界中无处不在，无论是花朵、水晶、建筑物还是海浪，都呈现出各种形式的对称性。
物理学研究对称性的规律，而这些对称性的存在赋予了自然界独特的美感。
数学与美的奥妙物理学是一门数学工具重要的学科，数学在物理学中扮演着至关重要的角色。
数学的美感来源于它的简洁性、逻辑性和完备性。
而物理学中的数学模型则赋予了我们理解自然界的能力，从而将美学和数学联系在一起。
能量与美的共振物理学研究能量的传递与转化的规律，而美学关注的是物体所散发的能量带来的感受。
当我们欣赏一幅画作或是一首音乐时，我们往往会感受到其中蕴含的能量与情感，这与物理学所研究的能量规律相呼应。
美学和物理学都以能量为基础，它们共同带给我们情感上的满足。
个人观后感在学习物理学的过程中，我深深感受到美和物理学之间的联系。
物理学世界的规律和美学的审美感受并不是完全隔离的，它们相互影响、相互交织，共同构成了世界的奇妙之处。
通过学习物理学，我开始更加注重对自然界的观察和感受。
我发现，大自然中存在着各种形式的对称性，它们展现出一种纯粹而完美的美。
这种美让我感受到自然界的秩序和和谐。
物理学为我打开了一扇数学的大门，让我更加深入地理解了数学的美妙和重要性。
数学的逻辑性和严谨性给了我对事物的抽象思维和分析能力，使我能够更好地理解和欣赏艺术作品中的美。
在我学习物理学时，我也意识到能量的重要性。
物理学与艺术
物理学与艺术如果说物理学的想象和比喻的属性几乎是不为人所知的秘密，那么物理学的艺术属性则为大多数人所了解。
许多物理学家都深深赞叹物理学本身固有的美学特征：简洁、精练、优美、对称、和谐、有序以及其逻辑性。
Freeman dyson 甚至强调，如果一个定理缺乏美感，那么它肯定是不正确的。
然而，这一切只不过都是一种文字表述而已，事实上，一切科学理论都是通过实验的结果来验证的，精确的结果才是科学的最终检验标准。
科学对19世纪末和20世纪的艺术产生了深远的影响。
现代物理学的概念可以从点画派作品的雾化效果上，从立体主义作品的变化的断裂空间效果上，从超现实主义作品对流动空间的表现上，从未来主义作品的临时肖像的表现上，从无调的、连续音乐表现的随机不定的音律上，从抽象主义作品对无意义的景象的表达上以及从荒诞剧的无意义表演上，都能找到它的影子。
从更广泛的哲学观点上看，物理学不只是影响着艺术，实际上物理学本身也是一种艺术形式。
许多物理学的描述和符号都是一种比喻，因此它代表了一种看得见的富有诗意的创造。
在物理学中，除了我们发现的对概念的客观描述外，它还包含叙述性、主题性、文学性及戏剧性的成分。
例如，大爆炸理论好像讲述了一个有着激动人心开端的神话传说，经历了一个漫长的演化过程，并且具有一个悲剧的结局；发生冲突的科学理论之间的辩论就好像法庭辩论一样；苯环结构的原型是在睡梦中得到的，这些在文学题材中都是一个很好的素材。
电子学的联系看看在现代摇滚音乐会和录音棚中使用的设备，你可以很容易地看到物理学实验和技术的应用。
音乐的调制、控制、录制、放大等技巧已经被现代电子和计算机技术永久地改变了。
电子技术不但操纵而且创造着现代音乐。
电吉他、电子琴已成为音乐家创作和演奏音乐所必备的工具。
使用合成器和计算机来合成音乐已成为标准的创作过程，艺术家们甚至利用电子技术在一些博物馆和办公建筑里创造音乐雕塑和声音环境。
音乐工业实际上是随着20世纪物理学的发展而发展起来的。
谈谈物理学中的对称美学思维
谈谈物理学中的对称美学思维作者：韩文静来源：《教师·综合版》2009年第12期摘要:本文通过对物理学中对称现象的探讨,提出了运用美学思维激发学生的学习欲望,让物理教学成为一门美的艺术的教学观点。
关键词:对称性;美学思维;方法论对称性是指自然界的一切物质和过程都存在或产生它的对应方面。
这种对应方面表现为现象的相同、形态上的对映、物质的反正、结构上的重复、性质上的一致、规律性的不变,等等。
自然科学的研究成果表明,在自然界中从微观到宏观,从无机界到有机界、从非生命界到生命界,无一不在一定范围内、一定程度上存在着各种各样的对称性。
可以说对称性深刻地揭示了自然界相互联系中的一致性、不变性和共同性,它是反映自然规律的一条基本原则。
对称性常表现为四个方面:①物体形状或几何形体的对称性。
例如在物理学中的晶体结构的研究中发现,晶体的点阵结构具有高度的对称性,常称为晶体对称性。
对称性使晶体具有很多特殊的性质,如X射线的洐射实验就是直接和晶体对称性密切相关的,正是在此基础上,人们才发展了X射线的结构分析技术。
②物质存在形式的对称性,例如正电荷与负电荷、磁体的N极与S极、粒子与反粒子。
③物理过程中的对称性,如电生磁和磁生电,动能转化势能和势能转化为动能。
④物理规律的对称性,主要是指物理规律在某种变换下的不变性,如空间坐标平移的不变性、时间坐标平移的不变性、空间转动的不变性、伽利略变换、洛仑兹变换的不变性等。
对称性对物理学的发展有着重要意义。
从物理理论的发展来看,正是“对称—不对称—新的对称”的不断循环往复,才使物理理论从较低的对称层次向较高的对称层次发展,从较小的统一向较大的统一发展,使人类对自然界的认识不断深入。
这也是物理学总的发展方向和追求目标,沿着这条道路,历代物理学家作出了杰出贡献。
牛顿把天上的力学与地上的力学对称综合起来,建立了经典力学体系;20世纪中叶李政道、杨振宁又提出在弱相互作用中宇称不守恒,并得到了实验的验证,这一发现为人们探索更高层次的对称提出了新的课题。
浅谈物理学中的美学
浅谈物理学中的美学笔者以物理学中的美感入手，探究物理之美对大家的作用与对学习物理的促进作用。
在许多人心中，科学和艺术是风马牛不相及的两个领域学追求的是严谨，是理性的演繹；而艺术追求的是美感，是灵感的发挥。
两者南辕北辙，毫不相干，真是这样吗？标签：和谐奇异美；简单对称美；审美观；热情；情操一、物理学中的美物理教育是为了培养学生认识宇宙，让学生从繁杂、混乱无序之中，整理出统一的、简洁的秩序和规律。
这里所谓的“秩序”意味着真理与和谐。
而审美教育是为了让学生从零散、无序的艺术哲学之中整理出令人神往的秩序和规律。
可见，物理教育与审美教育都是为了秩序，追求“规律”，只是学科不同，相应的教育方式和方法不同而已。
以下我们看看物理学中美的体现与作用。
1.和谐奇异美古代思想家把美与和谐画上等号，希腊古典时代的大哲学家们认为，美在于和谐，美应当是完美的，千百年来，这些观点深刻地影响了一代又一代的科学家，所以无论是地心说还是日心说都认为天体运动是最完美，最和谐的匀速圆周运动。
又如海市蜃楼现象，在风平浪静的海面上，有时会突然出现亭台楼阁、城郭古堡、村庄小岛等幻影，虚无飘缈、变幻莫测、宛若仙境，给我们呈现了奇异的美。
2.简单对称美在美学中，“对称”是形式美的表现，如空间上的对称，体现为：在运动学中，如机械振动，又如在物体竖直上抛运动与自由落体中的对称；在光学中的镜像对称。
在时间上的对称，体现为：单摆运动中的时间，交变电流与电磁振荡中的时间对称。
物理学公式、定律表达方式上和理论结构上所反映的对称性更是不胜枚举。
如电磁学中静电力的库仑定律就是追求跟万有引力平方反比定律的对称而获得的。
也正是由于对称性，让法拉第在奥斯特发现“电生磁”后，坚信“磁也能产生电”，并坚持实验了十年，终于取得了成功，才有了我们现在的电气化时代。
物质世界的运动形式最简单，比如：光沿着最简单的直线传播；行星沿着简单的几何曲线──圆、椭圆运动。
物质世界的组成也最简单，由基本粒子组成。
物理教学中渗透美育的理论探讨.doc
物理教学中渗透美育的理论探讨（一）美育的概述美育又叫审美教育或美感教育，它是把教育学与美学相结合的一门交叉学科。
“在理论上，它涉及教育学、美学、心理学、文艺学等多种学科；在实践方面，它涉及教育史、美学史、教学论、教育心理学、各科教学法等多种学科。
”1美育主要培养人们发现美、感受美、创造美的能力，在人的全面发展中起到了重要作用。
1.美育的发展审美教育与社会的进步密切相关，早在古希腊时期，审美教育作为人类思想的重要组成部分，审美教育发挥着越来越重要的作用。
“柏拉图教育“理想国”中的守护者的基本指导思想是‘对于身体用体育，对于心灵用音乐，而音乐应该在体育之前’；亚里士多德则把文学艺术作为‘自由教育’的主要组成部分，认为学习音乐等艺术不仅可以净化人的心灵，使人享受理智的快乐，还能使人在劳动后得到精神上的放松和身体上的休息。
”2此后，经历中世纪、文艺复兴时代、启蒙运动、德国古典美育、俄国革命民主主义和现代美学的过渡，审美教育在西方得到了长足的发展。
西方近现代美育越来越受到到重视，美育的理论体系也更具备系统性和科学性。
19世纪末20世纪初，西方美学思想开始传到中国。
近代王国维、蔡元培、鲁迅等先后提出了关于美育的主张。
在我国第一次明确提出“美育”概念的是王国维，王国维在1906年发表的《论教育之宗旨》中明确提出要把美育列入全面发展的教育宗旨之中。
第一次提出把美育与德育、智育、体育并列。
此后，我国建立起了美育学科。
几经波折，到改革开放后，我国美育教育已出现了良好的态势。
美育的理论研究从数量质量上都得到了很多发展，美育的研究开始系统化。
涌现出很多研究美学思想的专家学者。
特别是近些年，国家大力发展素质教育，推行课程改革，美育越来越得到广泛的重视。
2.美育的作用1钟仕伦，李天道.中国美育思想简史[M]．北京：中国社会科学出版社，2008.2李天道.西方美育思想简史[M]．北京：中国社会科学出版社，2007：2.人生来就有追求美好事物的心理。
关于当代物理学中的美学
关于当代物理学中的美学在日常的物理教学中，关于美学的应用随处可见，比如平时的教学中带电粒子在电磁场中的运动轨迹有规律性、规范作图后呈现出对称美感，电路图的直线和曲线交差等，这些均对物理学教学中美感的提炼有着直接的影响，甚至从物理学的起源角度来看，伽利略、哥白尼等对于真理的追逐亦然是对物理美的追求，如地球究竟是椭圆形还是圆形，地圆学说还是太阳学说，甚至就物理学中使用到的工具如直尺、圆规、圆柱以及圆锥模型等，这些工具所呈现出来的硬朗和柔美，包括圆形从线条角度延伸开来的无限空间等，均可以让学生们认识、理解和触摸到美的存在和美的要义。
如何在课堂教学中使用“物理美”进行美感式教学，如何在新课改的要求下，利用美感教学来帮助学生提高对物理审美的眼界和标准，此类，对于教师的日常教学来说，均非常必要。
从这一角度来进行延伸，将当前物理学机械的运动规律和电、磁、光等与现有规律整合并统一起来，教师从红挂件的角度为学生们在指导教学时，就可以更加方便的将一些现有理论中假设出来的概念和理论通过其他可以触摸到的现实实验来进行互换性的延展，比如牛顿力学的美感和麦克斯韦的电磁学理论要融合在一起之后才能成为一种更为美丽的爱因斯坦的相对论。
而原子、离子、分子等的有效融合又将宇宙间的万事万物用最为和谐的方式统一在一起，学习在某些意义上也是对美好和美感的追求与执着。
关于物理学教学中对美感的有效使用物理学是一门基础学科，在其中蕴含的动态美学，又因为相互之间的差异而有了新的意义。
对称、离合、缺口等均是在这样一个既平衡又不平衡的状态下所创造出的奇异美感世界。
因此，在当前的新教改要求下，在课堂教学中融入美感式教学则会将物理课堂教学引入一个更高、更为和谐的领域中来，而这些均离不开对知识结构所进行的合理性、科学性的分析和整合。
（1）引入简易化试验，用亲身感知物理美任何学科的知识结构都是均衡的，都需要教师或者在教师的带领下帮助学生来梳理出一个明白清晰、结构简洁、有序统一的科学性思路来。
物理中的美
物理中的美马克思说过:“人类是按美的规律去改造世界的。
”有位科学哲人也说过：“美是真理的光辉。
”美不仅是人类所应追求的目标之一, 而且人们还要按照美的规律去认识世界、改造世界。
从科学的角度去认识物理，研究物理，我们将在科学审美中得到飞跃和升华。
物理学作为一门严谨的自然科学，它集合了理论与实验为一体！物理学固然不是美学，但物理学中包含着美。
由于物理学所反映的是自然界丰富多彩的运动形式及规律性，因而它也就同时展现了自然界在结构上的对称、和谐与韵律美。
物理美的主要表现形式是用其具有的性质来表现的，这种表现反映了物理世界、物理学内部的规律性，这就使得这些性质之间具有相互联系，因而没有非常明显的界限，也就是说物理学美蕴涵了对称美，简单美，和谐美的统一。
但是，物理中的美是科学美的一部分，它不同于艺术美那么直观，它不易为人所理解，它需要我们细细斟酌，品味。
1.物理中的简洁美与深刻美简洁美以简单、洁净呈现其美感, 简洁美是科学美的特征之一。
作为反映物体运动变化规律的物理来说,那种最简洁的物理理论最能给人以美的享受。
物理美的简洁性并不是指物理内容本身简单,而是物理理论体系的结构和物理规律的数学表达形式简洁。
物理概念和规律能客观的反映物质世界的属性及其运动变化规律, 所以物理本身的内涵又具有深刻性。
例如, 爱因斯坦的质能联系方程E = mc2 ,其反映的质量与能量之间的联系及其数学表达形式简洁无比, 但却成为指导人们进一步对核反应规律的认识和从核反应中获得巨大能量的基础理论, 从这点讲又是深刻的。
高中时学理科的同学可以比较容易的从原子核质量的变化与释放或吸收能量之间的简洁关联E = mc2 中感悟到物理关系式的简洁美。
再从正负电子相遇“湮灭”成光子,而光子即为能量中,我们又可以体会到 E = mc2 的深刻性和它描述的广泛性。
再如，力的独立作用原理：几个力同时作用在一个物体上,如果所有的力或其中几个力各自都使物体产生相应的加速度,那么,每个力使物体产生的加速度和其余的力不存在一样。
物理学在艺术与文化中的应用
艺术与文化中的物理学未来思考
探索未知领域： 物理学在艺术与 文化中的应用将 不断拓展，探索 更多未知领域。
技术创新：随着 科技的发展，物 理学在艺术与文 化中的应用将更 加广泛，为创作 带来更多可能性。
跨学科合作：艺 术与文化中的物 理学思考将促进 跨学科合作，推 动不同领域的交
流与融合。
培养创新思维：通 过物理学在艺术与 文化中的应用，可 以培养人们的创新 思维和想象力，为 未来的发展提供更
物理学对人类价值观的影响
添加标题
物理学的发展改变了人类对宇宙和生命的认识，影响了人类对自然和自由 的价值观。
添加标题
物理学的实验方法和科学精神对人类思维方式产生了深远影响，促进了人 类对理性和客观性的追求。
添加标题
物理学在技术领域的运用，如信息技术和能源技术，对人类的生活方式和 价值观念产生了重大影响。
光的散射：通过散射光线创 造柔和的氛围
色彩与光的关系：利用不同色 彩的光线表现画作的色彩和明
暗关系
声学原理在音乐中的应用
声波传播：声波在空气中 传播的原理，以及声音的 反射、折射和干涉现象在 音乐表演中的应用。
乐器发声：不同乐器如何 利用声学原理产生不同的 音色，如弦乐器的振动、 管乐器的空气振动等。
弹性势能：舞蹈中跳跃动作的起跳和落地，利用弹性势能进行能量转换， 实现高度和速度的控制。
牛顿第三定律：舞蹈中的力量运用，如推、拉、支撑等动作，遵循牛顿第 三定律，产生相应的反作用力，形成丰富的舞蹈效果。
电磁学原理在戏剧中的应用
舞台灯光：LED灯等设备利用电磁学原理实现多彩、动态的舞台效果 音响系统：利用电磁原理的扬声器为观众呈现立体声效果，增强戏剧表现力 舞台机械：电磁铁等装置用于控制舞台布景、道具的升降、移动等，丰富演出形式 投影技术：如DLP等投影仪利用电磁学原理将影像投射到屏幕上，为戏剧演出提供更多创意空间
学习物理的艺术之道用美学角度探索物理学
学习物理的艺术之道用美学角度探索物理学学习物理的艺术之道：用美学角度探索物理学物理学作为一门自然科学，研究物质、能量及其相互关系的规律，被认为是世界的语言和数学的基础。
然而，物理学不仅仅是冷冰冰的公式和实验，它也是一门充满美感和艺术性的学科。
本文将从美学的角度，探讨学习物理的艺术之道。
一、物理学的美学价值物理学家爱因斯坦曾说过：“科学之美在于它的简洁性。
”物理学严谨而简洁的理论模型、精确而雄辩的数学表达，展现出一种纯粹、精练的美感。
物理学中的定律和原理如同一首美妙的乐曲，每一个符号和符号之间都融合在一起，构成了和谐的整体。
物理学还追求一种对世界的真理和美的追求。
科学家通过不断探索物理世界，发现自然界中隐藏的规律和美妙之处。
从光的折射到行星运动，从电磁波的传播到相对论的引力场，物理学让我们能够欣赏到宇宙中最美妙的奥秘。
二、用美学的眼光解读物理学概念物理学中的概念和理论，并非孤立存在，而是相互联系、相互依赖的。
正如一幅画中的色彩和线条相互交织，创造出独特的意境，物理学中的概念也能被赋予美学的意义。
1. 对称美对称是美学中一个重要的概念，也是物理学中一个重要的研究方向。
物理学中的许多原理和现象都与对称性有关，如空间的各向同性、粒子的对称性和场的对称性等。
对称不仅在自然界中存在，也是人类审美的基础之一。
通过对称的思维方式，我们能够更好地理解并感受物理学中的美感。
2. 图像美物理学中的数学模型和实验结果常常可以通过图像来直观展示。
图像美是指图像中形态、颜色和比例等美学元素的协调与统一。
例如，量子力学中的波函数图像、天体物理学中的星系图像，都展现出一种独特的美感。
通过观察和欣赏这些图像，我们不仅能够理解物理学中的概念，还能感受到其中蕴含的美妙。
三、物理学实验的艺术性物理学实验在研究中起着重要的作用，它们不仅是验证理论的手段，也是探索未知的方式。
实验的设计和执行过程中蕴含着一种艺术性。
1. 实验的美感物理学实验的设备和仪器具有独特的美感。
中学物理美学渗透
中学物理美学渗透一、物理学本身渗透着美学爱因斯坦曾经描述说，物理学是至善至美的科学，他还特别把物理的美归纳为“简单、和谐、完善、统一”。
物理学发展史是一部美学发展史。
在物理学发展的过程中，物理学家们探索物理学规律，总是一方面体现出对美的热烈追求，另一方面体现出他们精神上的种种美德。
正是由于他们在美学思想指导下，通过不懈的努力，才能取得一个个重大成果得以推动了物理学的发展。
哥白尼、开普勒是带着强烈审美意识探索自然规律的先驱者。
哥白尼与托勒密地心说的决裂，就是有其执着追求美的因素，他深信完美的理论在数学上应该是“和谐与简单”的。
托勒密为了解释天文观测的现象，引入了许多“均轮”、“本轮”，使得天文理论既复杂又失洽。
因此，在极端困难的条件下，哥白尼研究了三十多年，终于建立了不朽的日心说。
后来，开普勒深切感受到日心说的美，不懈坚持几十年的观察，积累的大量的天文数字，提出行星运动的三定律来论述天体的运动是如此的简单与和谐。
物理学家根据世界的对称性，通过预言、设想来推测未来事物的存在。
“电可以生磁、磁可以生电”，法拉第经过十几年的不懈努力实现了由“磁生电”的梦想。
牛顿追求规律的统一，是他发现“万有引力定律”的关键，他把天上的力学和地上的力学统一起来，实现了物理发展史上的第一次大综合。
每一位物理学家背后不知隐藏了多少可歌可泣、感人肺腑的故事。
他们对自然科学美的追求，他们为真理奋斗不息的精神之美，都是我们的榜样，也是在教学中培养学生高尚品质的典范，可以启迪学生的智慧，引发学习兴趣，激励他们成功的意志。
物理学规律的美学特征：物理学“是一门研究自然规律与秩序的学科，它探索物质和谐地存在与运动的根源”。
杨振宁在《美和理论物理》一文中提出物理理学具有“物理现象之美”“理论描述之美”“理论结构之美”。
也有不少物理学家认为，物理学的美学特征主要表现为“多样统一美”“和谐奇异美”“简洁明快美”等。
对物理学的种种美学评估，只是摄入角度或提法上的不同，本质上都是揭示科学真与科学美的辩证关系。
浅议物理教学中的美学
守恒， 在于它用最 简单的语言描述 了大 自然遵循的规律 、 更 在 于人 类在物 理科 学美 思想 的指 导 下推 动 了物 理 学的发
展。
笔 者 认 为 物 理 学发 展 史是 一 部 美 学发 展 史 ，许 多物 理 学 家在 科 学 美思 想指 导 下 ， 过 不 懈 的努 力 ， 通 才推 动 了物 理 学 的发展 。 物理学 中的美 学特征 ： 简单深刻 、 对称 守恒 、 统一和谐 。 在物理教 学中应有意识地渗透 美学思想教育 ，让学生在 学 习物理的 同时体验科 学美 、欣 赏科 学美并能在科 学美思想
框 架之 内 。 造 了程 度 更 高 范 围更 大 的 和谐 统一 理 论 。 创 四 、 理 学 家 与 美 学 思 想 物 翻 开 中 学物 理 课 本 ，首 先 印 入 眼 帘 的是 精 美 的 彩 色照 片 。 长征 火 箭 、 信 卫 星 、 导 纤 维 、 电 站 防 波堤 、 负 有 通 光 核 正 电子 对 撞 机 等 ， 是 人 类 对 自然 美 的 追 求 和 创 造 的 结果 ， 这 是
启 真” 作 用 。 的 自然界 是 美 的 ，作 为研 究 自然 ， 涉及 人 与 自然 之 间 关
系、 揭示 自然奥秘 的物理科学也是美的。物理的科 学美在 于 它是建 立在 自然美的基础 上 ， 示 了大 自然的 隐含 真理 ， 揭 在
于 它发 现 了 大 自然 的和 谐 和 统 一 ，发 现 了 大 自然 的 对 称 和
物理现 象和规律充满 美感 ，在 物理教 学中渗透 美学教 育可以培养学生的审美观 ， 学生具有 良好 的审美能力 ， 使 从 而激发 起学生对美的追求 ， 身心得 到健康和谐发展 ； 可以激 发 学生学 习物理的兴趣 ， 强学生的强烈 求知欲 ； 增 减轻 学生 心 理 压 力 和 学 习 负担 ， 高 学 习 效 率 ； 以促 进 学 生对 知 识 提 可 的理解与掌握 ， 促进 学生创造性思维的发展 。 笔者认 为物 理学既是 一 门 自然科 学， 又是 一 门美学 ， 许 多物理 现象和规律 充满美感 ， 物理教 学 中渗透 美学教 育 ， 在 可以培 养学生的审美观 ， 学生具有 良好的 审美能力 ， 而 使 从 激发起 学生对美的追求 ， 身心得 到健 康和谐发展 ； 以激发 可 学生学 习物理 的兴趣 ， 增强 学生的强烈求知欲 ； 以减轻 学 可 生心理 压力和学习 负担 ， 高学习效率 ； 提 可以促进学 生对 知 识 的 理 解 与 掌握 ， 进 学 生创 造 性 思 维 的 发 展 ， 到 “ 美 促 起 以
物理学中的科学文化：科学精神、科学美学与科学人文
物理学教育中科学人文素养的培养途径
在物理学教育中，注重培养学生的道德素养
• 教育学生遵循科学道德和伦理原则，尊重他人的知识产权和研究成果 • 培养学生的诚信品质，严谨治学，实事求是
• 科学人文素养对物理学家综合素质的影响 • 提高物理学家的道德品质，增强社会责任感 • 提高物理学家的文化素养，促进国际交流与合作 • 提高物理学家的审美素养，激发创新精神和创造力
04
物理学中的科学精神、科学美学与科学人文的融合
科学精神、科学美学与科学人文的内在联系
• 科学精神、科学美学与科学人文三者相辅相成，共同推动物理学的发展 • 科学精神为物理学的发展提供动力，追求真理、创新和公正 • 科学美学为物理学的发展提供美感，欣赏理论美、实验美和科学家美 • 科学人文为物理学的发展提供价值取向，关注道德、文化和审美
物理学中的科学文化：科学精神、科学美学 与科学人文
01
科学精神的内涵及其在物理学中的应用
科学精神的定义与核心特征
科学精神是一种追求真理、创新和公正的精神
• 真理：科学精神的核心追求，即对客观现实的准确反映 • 创新：科学精神的重要体现，即对现有知识的突破和拓展 • 公正：科学精神的基石，即对科学事实的客观评价和对待
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03
科学人文素养及其在物理学教育中的重要性
科学人文素养的定义与构成
科学人文素养是指在科学教育中，培养学生具备人 文精神和人文素养的一种教育目标
• 人文精神：体现在对人性、道德和伦 理的关注和尊重 • 人文素养：体现在对历史、文化和艺 术的欣赏和传承
初中物理学中的美学体验
初中物理学中的美学体验作者：石乔明来源：《中学教学参考·中旬》 2013年第8期江苏如皋实验初中（226500）石乔明2012版《义务教育物理课程标准》告诉我们，物理学是人类科学文化的重要组成部分，它科学地揭示了自然规律；同时也向我们展示了其发展历程中人类与自然科学的艺术魅力。
这就要求我们一线教师在实践新课程理念的同时,还要探究学科内部的各种美学因素,以便在学科教学中运用审美观点，实施审美教育。
物理之美，美不胜收，这主要体现在它的精神之美、自然之美、简洁美之美和对称之美。
一、物理学发展过程中的精神之美由于人类对真理的不懈追求，在物理学发展过程中，涌现出一大批可歌可泣的卓越的物理学家。
16世纪初，哥白尼与教会进行了坚持不懈的斗争，彻底的否定了托勒玫的“地心说”，在哥白尼临终前出版的《天体运行论》向世人描绘了一个全新的宇宙观，即以太阳为中心的“日心说”。
正是由于哥白尼坚韧不拔的精神和对科学知识的执着追求，即使面临极端困难的生存环境，他也不退缩，潜心研究了三十多年，终于建立了传世之作“日心说”。
在接下来的一段时间里，由于受到哥白尼的“日心说”的影响，让开普勒深切感受到“日心说”的美，毅然抛弃了从他的导师第谷·布拉赫那里接受的“地心说”的观点。
他说，他从灵魂的最深处，证明“日心说”是对的、真实的。
再如，意大利天文学家布鲁诺，他为了捍卫和发展哥白尼的“日心说”，与当时处于统治地位的经院哲学和神学理论进行了争锋相对的斗争，在他的努力下，太阳中心说，这一崭新的理论很快在整个欧洲传播开来，也逐渐被人们所接受。
也正是由于他批判、反对“地心说”和“神学思想”，1952年他不幸被捕入狱，最后被宗教以“异端”这一罪名，烧死在罗马广场。
面对熊熊烈火，他毫不畏惧，拒不退步，用响彻云宇的宣言“火并不能把我征服”，向世人宣告了神学的毁灭和真理的永生。
在人类历史的长河中，像布鲁诺这样的科学家，还有很多。
他们成功的背后不知隐藏了多少不为人知、可歌可泣的感人故事。
浅议物理学中的美学
浅议物理学中的美学作者：裴君来源：《外语学法教法研究》2014年第10期【中图分类号】G633.7 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2014）10-0132-01物理学是一门揭示物质存在与运动规律的自然科学。
它科学地揭示了自然规律，同时也展示了自然、人类与科学的艺术魅力。
物理中有自然的美，也有科学和艺术的美。
一、物理学的美表现在以下几个方面：1.物理学发展过程中的精神美在物理学发展的过程中，物理学家在探索物理学规律的艰辛旅程中，一方面总是伴随着对美的热烈追求，另一方面又强烈的表现出他们精神上的种种美德。
哥白尼与托勒密地心说的决裂，就是有其执着追求美的因素，他深信完美的理论在数学上应该是“和谐与简单”的。
托勒密为了解释天文观测的现象，引入了许多“均轮”、“本轮”，使得天文理论既复杂又失洽。
2.物理现象的自然美中学物理涉及力、声、热、光、电、磁和原子物理等内容，物理现象千姿百态、美妙无穷。
如星移斗转、日夜交替、春秋轮回、物态互变等自然规律，因有序而美;光的反射与倒影、折射与海市蜃楼、色散与彩虹、日食和月食都有奇异的美。
人类在研究和应用物理方面创造的辉煌成果，是美的精品。
蒸汽机、发电机、激光器、电子对撞机的发明，步步促进人类生产、生活和高科技的发展;“阿波罗”登月成功，“嫦娥奔月”的传说变成了现实美谈，“神五神六”畅游太空再次实现人类超载地球之梦;众多的航天器和卫星正在全球通讯、气象观测、国防和科研等方面建功立业;电磁技术、激光技术、能源开发技术突飞猛进;核电站、太阳能电站的相继林立充分展示了物理前景无限美好。
3.物体的运动美宇宙中的一切物体都在永不停息的运动。
物理学中声、光、电的传播，电子的旋转，天体的运动等都体现出美的旋律。
像直线运动表现的刚性美;曲线运动表现出柔性美;匀速运动呈现节奏美;变速运动呈现出变化美。
4.物理规律的简洁美简洁美是以简单、洁净呈现其美感，简洁美是科学美的特征之一。
物理学的美学准则
物理学的美学准那么“稻花香里说丰年,听取蛙声一片〞,无人不为这句诗词所描绘的大自然的美景而感慨。
自然界的美通常意味着一种和谐匀称的景象,物理学也不例外,不过作为描述自然界中物质根本结构和运动规律的一门学科,它的美更朴实。
本文要说的是：什么是物理学中的美,即物理学中的美学准那么是什么,它们在物理学中发挥怎样的作用？简单、对称、统一就是物理学之美。
从某种意义上讲,它们是评价物理学理论的最高标准。
首先谈谈简单性。
自然界的现象是错综复杂的,然而背后隐藏的规律确是简单的。
物理学正是建筑在这一根底之上,任何物理理论,归根到底只有少数几条根本的假定：经典力学建立在牛顿三定律之上,电动力学建立在法拉第的“场〞和麦克斯韦方程组之上,狭义相对论建立在狭义相对性原理与光速不变假定之上,量子力学建立在波函数与薛定谔方程之上……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,并在生产实践中得到广泛的应用,极大的推动生产力的开展。
有两个理论,几乎能解释同样多的事实,谁简单,物理学将选择谁。
考虑一个简单的问题,为什么人们最初都认为太阳及其它行星围绕地球转,而不是行星〔含地球〕围绕太阳转？这也是出于简单性的考虑：人们最初天文知识少,只能通过肉眼观察；太阳朝起夕落,认为太阳及其它行星围绕地球转自然是方便的事情。
但是随着技术的进步,人们的天文观测越来越精密,为了解释“太阳系〞的许多现象,如地球的四季变化,日食和月食,土星、木星位置的异常变化等,伟大的几何学家托勒密在前人的根底上创立了严密的“地心说〞,解释了当时的绝大局部观察现象。
“地心说〞的根本要义是：〔１〕地球是圆的, 静止地位于宇宙的中心；〔２〕太阳及其它行星绕地球转动,根本轨道〔称为１级轨道〕是圆周,一般来说,太阳或行星并不恰好处于１级轨道上,而是绕１级轨道上的点作半径更小的圆周〔称为２级轨道〕运动。
这样,整个“太阳系〞就像一个齿轮嵌套体系：１级轨道是一些大齿轮,２级轨道是一些较小的齿轮,大齿轮传动小齿轮。
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第21卷第11期大 学 物 理Vol.21No.112002年11月COLL EGE PHYSICS Nov.2002 收稿日期:2001-10-24;修回日期:2002-09-12 基金项目:江苏省新世纪高等教育改革工程课题立项资助项目(00C407) 作者简介:杨庆余(1961—),男,江苏连云港人,徐州师范大学物理系副教授,主要从事物理学史教学与研究工作.物理学史物理学研究的美学精神杨庆余(徐州师范大学物理系,江苏徐州 221009) 摘要:美是自然的属性,审美是人类的天性;物理学家在物理学研究中,用简单、对称、和谐美的原则对大自然规律进行审美描述,从而获得了许多重要的成果.物理学家坚信:美与真相伴,“由美求真”是认识自然规律的方法论原则之一;由这一原则出发,形成了物理学研究的美学精神.本文对此作了一些介绍.关键词:简单美;对称美;和谐美;美学精神中图分类号:O 4-09 文献标识码:A 文章编号:100020712(2002)1120037205 美是指客观事物本身所具有的、能唤起人的愉悦情感的各种本质和现象的属性.科学审美实践证明,无论是自然界客观的事物,还是作为人类创造物的科学理论,都具有美的属性.早在古希腊时期,毕达哥拉斯学派就把对自然奥秘的探索与对自然美的追求统一起来,并深深地影响着后期自然科学的发展.17世纪以后,由于近代自然科学中兴起的经验主义思潮,曾一度造成了科学与美学的分离.20世纪以来,特别是相对论和量子力学的创立,使美学在物理学理论的构建、创造与表述中,强烈地影响着物理学成果的内容与形式,从而使物理学与美学形成了一种不可分割的联系.如果对物理学中的美作比较直接的描述概括,那就是简单、对称、和谐与统一.1 简单美简单美是自然科学研究中最早提出的观念,自然科学家都相信:大自然是简单的,自然界从不用麻烦而困难的方法去做那些用简单的方法就可以完成的事;自然界服从简单性原则已成为科学家对自然的信仰.爱因斯坦坚信:世界是简单的、和谐的;简单和谐的世界有一个简单和谐的规律;这个规律可以用简单和谐的公式表达出来,从这个公式出发可以推导出全部物理学———这是物理学的理想.物理学家们利用这种方法来指导对自然作出解释,并且认为简单的方程似乎比复杂的方程更能让人接受,他们宁愿让实验数据只是大致地符合简单的方程,也不愿为了精确符合而把方程搞得很复杂,这种研究方法被称为物理学的“简单性原理”.哥白尼(N.Copernicus )在《天体运行论》中论述地球围绕太阳旋转时的一个有力论据,就是自然界的简单性.他指出,托勒密(Ptolemy )的地心体系认为:地球是宇宙的中心,宇宙万物围绕地球奔跑不息,而实际上天比地大,其大无比.为什么要让这么庞大的宇宙围绕一个小小的地球奔跑呢?为什么不去想像地球及行星围绕大的太阳旋转呢?哥白尼认为:这么大的天体围绕地球旋转不符合自然界的节约原理,自然界喜欢简单,喜欢节约;他甚至设想,如果上帝创世时让庞大的宇宙围绕小小的地球转,那就太愚蠢了;如果设想小小的地球围绕太阳运动,问题反而简单得多.本世纪初,卢瑟福(E.Rutherford )以放射线为研究课题,发现放射线通过磁场时分为3股射线(α、β、γ射线).他测得α粒子质量等于质子质量的4倍,带电量却是质子电量的2倍.由于当时尚无中子概念,那么α粒子是由4个质子组成还是由2个质子组成的呢?为了解决这个矛盾,有人提出α粒子由4个质子组成,但其中有2个质子各粘有一个电子,于是α粒子的质量为4,带电量恰为+2.但是,卢瑟福认为,自然界喜欢简单,与其假设质子粘有一个电子去中和质子的电量,还不如直接假设存在一种不带电而质量与质子质量相同的中性粒子更简单.1920年,卢瑟福去法国讲学时首先提出了“中子”的概念,随后在英国著名的贝克讲座中对这一“中子”作了更明确的阐述.1932年,他的学生查德威克(S.J.Chadwich)果然发现了卢瑟福所预言的这种粒子.物理学研究中一个持久性的“非理性”的倾向,就是出于简单性原则对整数的偏爱.毕达哥拉斯学派从谐音弦长的整数比中体会到“天体的音乐”.开普勒从此入手去揭示“宇宙的奥秘”并发现宇宙的和谐.伽利略在发现自由落体定律后写给友人的信中说:“……就我所知,迄今还没有人指出一个物体从静止开始降落时,在相同的时间间隔中所经过的距离彼此间的比是从1开始的奇数.”[1]牛顿在对牛顿环现象的研究中也发现了奇数偶数平方的关系;在物理学的整个发展历程中人们一直会遇到对这类简单数字的满足.核物理学家梅耶夫人(Maria G oeppert-Mayer)发现核的一些特点,能够根据几个可能的“幻数”得到解释.泡利(W. Pauli)在接受1945年诺贝尔奖金时,提到他的老师索末菲(A.J.W.S ommerfold)试图对辉光气体光谱中发现的特殊颜色作出解释,他说:“索末菲总是赞成……尽可能不依靠模型而以整数对光谱定律作出一种直接的解释,就像开普勒在他对行星体系的研究中所做的那样,根据和谐的一种内心感情……这一整系列数字2, 8,18,32,……给出了化学元素自然体系的周期长度,瑞典物理学家里德伯(J.R.Rydberg)认为,这些数属于2n2这个简单形式,其中n代表整数.”[2]英国剑桥的现代宇宙学家史蒂芬・霍金(S.W. Hawking)也是非常喜欢理论的简约美的,他说:“人们非常犹豫放弃他们已投注大量时间和心血的理论,通常他们首先质询观测的精度;如果找不出毛病的话,就以想当然的方式来修正理论,该理论最终就会变成丑陋的庞然大物.当某人提出一种[简单的]新理论,所有古怪的观测都优雅而自然地在新理论中得到解释.”[3]简单性原则在广义相对论被广泛接受过程中也起到了重要的作用,持有简单性标准的物理学家发现,爱因斯坦的广义相对论要比牛顿的理论简单.温伯格(S. Weinberg)评价了牛顿的引力理论和爱因斯坦的引力理论各自的长处:牛顿的理论有更少的方程,因此我觉得在这种意义上牛顿的理论更优美.但是爱因斯坦的广义相对论有更大的必然性品质;在爱因斯坦的理论中,远距离和低速度情况下存在一个无法回避平方反比定律,……因此爱因斯坦的理论更优美,因为它更让人感受到严格性,必然性.依照温伯格的观点,这两个理论都比其他竞争对手更大程度地表现出一种特定形式的简单性:牛顿的理论在方程方面比爱因斯坦的理论显示出更大的简约性,而爱因斯坦的理论在前提假定方面要比牛顿的理论更显简约.从这个意义上讲,广义相对论是符合简单性原理的优美理论.∞2 对称美科学研究从根本上说,是“观天地之美,析万物之理.”科学家沙利文(Sullivan)说过:“一个科学理论成就的大小,事实上就是他的美学价值的大小,……我们看到引导科学家的动力归根结底是美学冲动的表示”.许多物理对象和自然现象都展示出了对称性.例如像分子、雪花和星系这样的对象在旋转或反射下保持不变,从而显示出对称性.在物理学中伽利略变换或者洛伦兹变换相联系的对称,都是现象具有对称性的例证.对称美这一科学审美标准,最初来自于自然界物质形态及其运动图景的广泛对称性.19世纪,随着对物质空间结构的研究,人们意识到,对称性是结晶分子结构的重要特征.俄国著名结晶学家和几何学家费多洛夫,舍弃了晶体的全部物理性质,把晶体的原子系统代之以几何体的规则系统,从而将物理学问题转化为几何学中的美学问题,并借助于几何学框架,使晶体学问题得到了圆满地解决.对称性的审美标准不但在晶体结构、原子结构、分子结构的研究中发挥着重要的作用,而且在基本粒子的审美活动中也具有普适性.基本粒子中的夸克,除了可以用SU(3)群来分析、保持它的不变对称性外,还可以用其他的群来分析它的另一些不变对称性的美.为了区别这些不变性的美学特性,基本粒子物理学家格林伯(Grnnb)在1964年提出气味对称性与颜色对称性这两个新概念.这两个概念虽都有相同的SU(3)群的结构,但是它们分别描述夸克的两个不同的自由度,这样可以使人们加深对基本粒子对称性的理解.诺贝尔奖金获得者格拉肖(S.L.G lashow)还从对称性的审美标准出发,在1974年预言了粲夸克的存在,后来实验果然发现了这一粒子.1984年实验进一步发现,还存在底夸克和顶夸克,它们也是具有对称性的一对夸克.1928年,赫尔曼・韦尔(H.Weyl)在《群论和量子力学》一书中,用群论来表示科学对称性,他在解释科学对称性时十分生动和幽默.例如,“两个变换的复合S T 仍是一个变换,并且(S T)-1=T-1S-1(注意这里的次序!),对于这个规律他用生动的比喻描述道:“在你穿衣服时,穿着的顺序可不是无关紧要的.穿衣时,你总是先穿衬衣后穿外套;而在脱衣时,你会注意到顺序正相反:先脱外套后脱衬衣.”[4]多么精彩!韦尔不但是电荷共轭不变性这一重要概念的先驱,同时是CPT对83大 学 物 理 第21卷称性的预言者.1952年,韦尔第一个提出“规范对称”的概念,形象地介绍了大自然中广泛存在的对称性和对称性破缺.杨振宁说:“韦尔的文章写得很美,……韦尔的理论已成为规范理论中一组美妙的旋律.”[4]爱因斯坦称赞道:“韦尔的深远和胆识一定使每个读者迷醉.”[4]杨振宁在诺贝尔物理学奖获奖演讲中对对称性作了高度的赞美:“当我们默默考虑一下这中间所包含的数学推理的优美性和它美丽的完整性,并以此对比它的复杂深入的物理成果,我们就不能不深深感受到对对称定律的力量的钦佩.”[5]狄拉克则把对称性誉为“理论物理学新方法的精华”;而海森堡则认为对称性蕴含着一种“宗教精神”.以麦克斯韦(Maxwell)方程组著称的那组古典电动力学方程展示出了近乎完美的对称性.在零电源的情况下,麦克斯韦方程组可表示为:curl E+1/c H=0 curl H-1/c E=0div H=0div E=0这里E是电场矢量,H是磁场矢量,c是光速,旋度curl和散度div是矢量算子.交换这些方程中的E和H,方程组的内容几乎不受影响.许多物理学家把这种对称性看成是麦克斯韦方程组的美学价值之一.麦克斯韦本人也深深地被这种对称性所打动,他对数学结构曾作过审美评价:“我总是把数学看成是获得事物的最佳形态和维度的方法;这不仅是指最实用的和最经济的,更主要是指最和谐的和最美的.”[3]剑桥数学家彭罗斯(Penrose Roger)似乎提出了更为合理的看法:“……这些方程组[麦克斯韦方程组]的对称性和这一对称性产生的审美诉求,必定在麦克斯韦完成他的这些方程组的过程中起过重要的作用.”[3]“对称性”对于人类有着永恒的魅力,对它的探求成为物理学家建立理论刻意追求的目标.美国物理学家理查德・费曼(R.Feymann)说:“我们都喜欢自然界中具有对称性的物理图案.”[2]他所创造的“费曼图”就是一个典型.其中的基本概念就是过去与未来之间的对称性守恒.从过去向未来运动的一个粒子是同从未来向过去运动的反粒子相对应的;即正电子被看作是在时间中沿相反方向运动的电子.费曼根据这一思想所创造的费曼图已成为当代量子场论的一种标准的处理程序,在追求完美对称的同时,费曼对于弱相互作用表现出的不对称性也特别注意,他关注和思考着:“对称性从何而来,自然界为什么如此近于对称”[2].费曼认为再没有什么能证明某个量在复杂的变化过程中保持绝对不变更令人为之神往了,一旦发现“所有不同的物理定律都服从同样的一些守恒原理”[6],那将是一种壮丽的感觉、“一种不可名状的喜悦”[2].他认为,对称性与守恒定律之间的对应关系,这个“最深奥和最美妙的事实”令所有物理学家为之倾倒.爱因斯坦对“对称性”的坚定信念引导他走向狭义相对论,1905年他发表了具有里程碑意义的《论动体的电动力学》,在这篇论文中一开始就写道:“大家知道麦克斯韦电动力学,像现在通常为人们所理解的那样应用到运动物体上时,就要引起一些不对称,而这种不对称似乎不是现象所固有的.”[3]爱因斯坦狭义相对论的两个公设之一中说:一个惯性参照系可以没有像绝对运动状态这样的性质[3].第二个公设是说:光速在所有的惯性参照系中都相同.爱因斯坦的论文表明,这些公设与麦克斯韦的电动力学相容而与牛顿力学不相容,它结合麦克斯韦的电动力学给磁体-导体系统一个只论及相对运动的解释.经典物理理论对磁体-导体系统给出了两个不同的解释,两个解释都与观测完全符合.爱因斯坦不满意古典物理理论,他提出狭义相对论的动机是反对在对磁体-导体系统的解释中存在的不对称.爱因斯坦反对这种不对称被物理学家派斯(A. Pais)看成是“相对论的审美起源”[3];狭义相对论是赋予物理科学一个更为悦人的结构.爱因斯坦广义相对论的提出,主要是为了解决描述一个特定物理系统的方式上的不对称.例如某系统由处在另外的空虚宇宙中的两个相对旋转的气态物体组成,在特定条件下的情况是:物体A是球形的而物体B是扁圆形的.如何解释形状上的这种差别呢?不是物体相互的相对旋转,因为那是一种对称关系.牛顿理论和狭义相对论大概会说物体A是扁圆的,因为它处于绝对旋转状态中,而物体B是球形的,因为它不处在这样一种状态中.但是这一解释由于牵涉到绝对旋转,就不符合莱布尼兹-马赫的相对主义观点.广义相对论意图作为一个解释框架,通过仅求助于相对运动描述这样的物理系统.爱因斯坦建立广义相对论除了经验标准以外,引力方程的对称美在该理论的建立中起到重要作用.当爱因斯坦着手建立他的引力理论的时候,他并非去尝试解释某些观测结果.“相反,他的整个程序是去寻找一个美的理论…….他以某种方式提出了一种把引力和空间弯曲联系起来的想法,并能够提出一种数学方案去实现这一想法,且唯一遵循的就是要考虑这些方程的对称美.……遵循这样的程序得到的就是基本观念绝对简单和漂亮的理论.”[3]广义相对论是如此之美,以至于人们愿意相信它优越于与它竞争的任何其他理论,只要那些参与竞争的理论尚不能够更好地解释实验事实.93第11期 杨庆余:物理学研究的美学精神3 和谐美和谐美是指从天体到地球,从生物到人类,从宇宙到基本粒子都处于一定的秩序之中;自然界的和谐性是大自然长期发展进化所形成的一种稳定的秩序关系.和谐性原理告诉我们:自然界是和谐的,和谐的就是美的.著名科学家庞加莱(J.H.Poincaré)说道:“世界的普遍和谐是众美之源.”[7]著名物理学家英费尔德(L.Infeld)也曾说过:当我领悟一个出色的[物理学]公式时,我会有像聆听巴赫的乐曲一样的感受.科学的发展,特别是现代物理学的发展赋予和谐以内涵和外延统一的表达.爱因斯坦近乎宗教般地相信世界是和谐的信念,他说:“如果不相信我们世界的内在和谐性,那就不会有任何科学,这种信念永远是一切科学创造的根本动机……,而当求知上所遭遇的困难愈多,这种信念就会愈强.”[8]今天,我们比以往任何时候都更没有理由让我们自己人云亦云地放弃这个美妙的信念.”[3]他留给他的许多同时代人的最主要的印象就是他对理论所具有的和谐美的敏感性.他的儿子汉斯・爱因斯坦(A.H. Einstein)说道:“他的性格,与其说是我们通常认为的科学家的性格,还不如说更像是一个艺术家的性格.例如,对于一个好的理论或者一项好的工作的最高赞赏不是它是正确的或者精确的,而是它是美的.”[3]邦迪在纪念爱因斯坦的文章中写道:“我记得最清楚的是,当我提出一个自认为有道理的设想时,爱因斯坦并不与我争辩,而只是说,‘啊,多丑!’只要觉得一个方程是丑的,他就对之完全失去兴趣,并且不能理解为什么还会有人愿在上面花这么多的时间.他深信,美是探求理论物理学中重要结果的一个指导原则.”[3]爱因斯坦之所以后半生投入到关于统一场理论研究的工作中,审美考虑同样是一个重要因素.派斯这样刻画爱因斯坦对这个理论的研究:“他的目的既不是要诠释未得到解释的东西,也不是要解决任何佯谬之处,他的目的纯粹是寻求和谐.”[3]狄拉克对量子电动力学所作的评论更清晰地表达了他对和谐美的追求.量子电动力学是古典电动力学的量子理论,到19世纪40年代末,量子电动力学已经成为历来经验上最成功的科学理论之一.对诸如兰姆移位和电子磁矩这样的参数,量子电动力学预言的值,都在试验精度的范围内与测量结果一致(电子磁矩理论值为:μe=1.001159652460(148)μB,而实验值是:μe=1.001159652209(31)μB;其中μB为玻尔磁子,误差仅有0.00000002%).然而,在得到这些预言的过程中,量子电动力学赋予质量和电荷这样的一些物理量以无限大值,而这些值在计算结束之前又必须以有限值替换,这种替换这些值的步骤叫做有限重整化,但正如许多人指出的那样(甚至连那些钟爱量子电动力学的人都承认),有限重整化违背了标准的数学规则.正是由于这种对有限重整化的依赖,量子电动力学在许多物理学家在审美角度上看来是既不和谐又不悦人的.因此许多物理学家都拒绝承认依据这样的基础建立起的量子电动力学是接近真的物理理论,狄拉克就是其中之一.狄拉克并不否认量子电动力学很好地说明了经验数据;但认为它并没有达到现象的真理.他这样写道:“兰姆(Lamb)、施温格(J.S.Schwinger)、费曼等人最近的工作是非常成功的,……但是得到的却是一个丑陋的和不完整的理论,因而不能被看作令人满意地解决了关于电子的问题.”[3]狄拉克认为:“让方程优美比让方程符合更重要,……因为差异可能是由于未能适当地考虑一些小问题造成的,而这些小问题将会随着理论的发展得到澄清.在我看来,假如一个人在进行研究工作时着眼于让他的方程优美,假如他真有正常的洞察力,那么他就肯定会获得进步.”[5]4 美与真的统一科学美首先来源于自然界具有的一种质朴的统一和谐的美.尽管自然界的万物是五彩缤纷、斑驳陆离、瞬息万变的,然而它们的存在和变化遵从一定的规律,这些为数不多的规律支配了自然界的一切,自然界的质朴的统一和谐的美,构成了科学理论的审美价值.其次科学美还来源于科学家们的崇高理想和精神境界、辛勤的劳动以及明察秋毫的想像力和创造力.为了造福于人类,科学家们努力探索自然规律,精心设计了精巧、绝妙和高雅的实验,他们深入分析事物的内在矛盾,发挥独到的想像力和创造力,构筑质朴的统一和谐的理论体系[9].毕达哥拉斯学派对于真和美的理解是:美的事物一定是真的,因此,美比真更本质.当他们还不知道天体的具体运行轨道时,即还不了解“真”的时候,就敢于从美的愿望出发,设定天体运行的轨道都是圆形.哥白尼日心说的提出,就是美比真更本质观点指导下的结果.从真的角度来看日心说和地心说,很难判断哪一个理论更真实,因为根据这两种理论制定的历法其精确度相差无几,只是从美学角度来看日心说更美一些;日心说比地心说更具有对称性和统一性,这对于充满了新毕达哥拉斯主义思想的哥白尼来说,是十分富有魅力的.04大 学 物 理 第21卷“美与真相伴(Pulchritudo splendorveritatis)”,这是一句拉丁格言.许多科学家似乎都相信:一个美的科学理论必定与真理相去不远.韦尔说:“我的工作总是力图把真和美统一起来,但当你必须在两者之中挑选一个时,我总是选择美.”他在最早提出的引力规范理论中,论证了“空间-时间-物质”的关系,他承认这个理论作为引力理论,在当时的知识背景之下是不“真”的,许多学者对此也持否定的态度.但韦尔认为这个理论很美,为此他怎么也舍不得割爱.很多年以后,随着人们认识水平的提高,规范场理论在量子电动力学中果然得到了应用,韦尔所坚持的“美”变成了“真”.他在另一项关于中微子两分量相对论波动方程的研究中,也是由于要保留美的缘故,而破坏了举世公认是科学真理的宇称守恒定律.他的理论虽然美,但是违背了当时物理学的“真”,因而遭到了冷遇;但30年以后,杨振宁、李政道的开创性工作,又一次证实了他所坚持的“美”是正确的.对爱因斯坦广义相对论的真理性,洛伦兹(H.A. Lorentz)对该理论的“真”明确地表达了这样的看法:“爱因斯坦的理论有最高程度的审美价值,每一个爱美的人都必定希望它是真的.”[5]爱因斯坦对自己创立的理论的美必然导致真是相当自信的.1919年英国天文学家爱丁顿(A.S.Eddington)组织观测队在南非的好望角,利用恒星凌日证实了该理论的一个实验佐证:光在引力场中的弯曲,从而引起了巨大的轰动.当时有记者问爱因斯坦:“你的理论被证实,你感到惊讶吗?”[6]爱因斯坦回答道:“恰恰相反,如果不是这个结果我倒会感到惊讶!”[3]费曼认为,要真正对自然界那种深奥的美有切身的感受,没有数学是办不到的.因为这种美是贯穿于物理学的基本定律之上的.他认为科学探索是一个“猜想—计算结果—与实验比较的过程”[6].而作为第一步的猜想,就是一种“艺术”,一种美学的直觉过程.没有对物理定律的对称性、守恒性、最小作用量原理等一些根本特性的深刻领悟,“我们就无法知道怎样去写出一套最好的公理,用以推出新的结论.”[6]他深切地感受到,真的东西必然表现出令人震憾的美,美是发现真理的向导.狄拉克向来对数学美刻意追求.1928年,他运用娴熟的数学技巧,把量子力学与相对论缔结成姻缘.这个相对论性量子理论为原来各自独立的各种实验事实,如电子的康普顿散射、塞曼效应、电子自旋、电子磁矩和索末菲精细结构公式等,提供了一种统一的、具有相对论不变性的理论框架.这个方程是这样的美,可惜在某一点上不“真”,因为方程有一个负能解,这就是科学史上所谓的“负能困难”.狄拉克觉得,无论如何小心谨慎地修改方程,都要破坏方程的美.为了保持这个完美的方程,他在1929年提出了一个与传统不符的“真空不空”的物理图景.1931年,他又根据方程完美性的需要,正式预言了正电子的存在.当1932年安德逊(C.D. Anderson)从宇宙射线中发现正电子后,狄拉克方程的“美”才变成了现实物理世界的“真”.在狄拉克看来,美的理论必然是真的,美与真必然统一;他有一种坚定不移的信念:物理理论具有数学美要比与实验相符更加重要.人们坚信:美是自然的本质,也是通向真理的路标;物理学家经过对自然的理性沉思,最终对世界给予了审美描述,取得了许多与自然属性相符的重要成果;物理学家正是在“由美求真”的探索历程中形成了物理学研究中的美学精神.非常感谢恩师申先甲教授为本文提供的资料.参考文献:[1] 孙世雄.科学方法论的理论和历史[M].北京:科学出版社,1989.93～96,279～286,314.[2] 许良.论理查德・费曼的科学美学思想[J].自然辨证法通讯,1997(1):45～49.[3] 詹姆斯・麦卡里斯特.美与科学革命[M].李为译.长春:吉林人民出版社,2000.47,208～229.[4] 张欣.韦尔与对称美[J].物理,1995(1):636～638.[5] 爱因斯坦,英费尔德.物理学的进化[M].周肇威译.长沙:湖南教育出版社,1999.207.[6] Feynman R P.The Character of physical Law[M].Cam2bridge:The MIT Press,1965.13～14.[7] 徐纪敏.科学美学[M].长沙:湖南出版社,1991.310～333.[8] 宁平治,唐贤民,张庆年.杨振宁演讲集[M].天津:南开大学出版社,1992.217～218.[9] 倪光炯,王炎森,钱景华等.改变世界的物理学[M].上海:复旦大学出版社,1999.18～20.(下转48页)14第11期 杨庆余:物理学研究的美学精神。