物理学研究的美学精神

第21卷第11期大　学　物　理Vol.21No.11

2002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

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