光学之美在生活中的体现

光学之美在生活中的体现

作者：赵治杰杨鹏郭小飞

来源：《科学导报·学术》2020年第49期

摘要：物理世界的本质即是美。因为在以物质世界为基础的物理学的结构中包含两类基本概念。一类是次序的形式;另一类则是该形式中所包含的内容。前者确定了物理学的几何图像，后者则负责真实事物的具体结构和特性。[1]这两类基本概念把物理世界的现象之美与理论之美充分地展现了出来。光学是物理学中的一个主要的分支。本文将着重论述光学现象与理论在生活中美的体现与应用，从而彰显出物理学的魅力。

关键词：现象之美，理论之美，麦克斯韦方程组

引言：

爱因斯坦说，在技艺达到一个出神入化的地步后，科学和艺术就可以很好地在美学、形象和形式方面结合在一起。伟大的科学家也常常是伟大的艺术家。[2]

杨振宁在《美与物理学》一文中写道：

存在三种美：现象之美、理论描述之美、理论结构之美。[2]

现象之美，是指组成了科学主题的那些实体所呈现出的美丽的现象，如彩虹、北极光等;理论之美，是指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。如光的反射与折射定律等;理论结构之美，是指理论有一个简洁、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。

这三种美相互独立而又相互融合，即对立又统一的展示出了世界之美。

1 现象之美

物理学的研究领域非常的广泛。比如：力、热、光、电、磁、原子、粒子等等，大到整个宇宙空间，小到微观粒子都是物理学所研究的领域。时间、空间、质量、能量等构成物理学的

基本框架。因此，物理学也被称为身边的科学。物理学的结构与规律所彰显出来的是一种美的秩序。然而，在众多的物理学领域当中，能够给人们带来视觉之美的唯独《光学》。

光学之美，自古以来就是文人墨客创作的舞台。

宋代诗人苏轼在其《同王胜之游蒋山》中写道：“峰多巧障日，江远欲浮天”。诗人用光的直线传播的特点，勾勒出一幅“山峰蔽日，水天一色”的场景。

唐代诗人刘禹锡在其《望洞庭》中写道：“湖光秋月两相和，潭面无风镜未磨”。诗人用光反射的特点，映射出夜晚平静的湖面，水光与月色交融的景象。

1933年，毛泽东在《菩萨蛮·大柏地》一词中，用光学现象“赤橙黄绿青蓝紫，谁持彩练当空舞？”描绘出一幅宏伟壮阔的动态感的画面。从而揭示出革命战争的重大意义。这是主观的情与客观的美的结合。

在生活中，可以说充满美的地方，处处都能够体现出光的特点。因此，人类很早就开始研究光的几何特点。无论是中国的《墨经》中“光学八条”对光规律的描述，还是西方欧几里得在《反射光学》中对光的反射的研究。这些现象和规律，如：雨后彩虹、小孔成像、海市蜃楼等等，都是光现象在人们生活中美的体现。

科学更是美术艺术的灵魂，力与结构、光与影、静止与运动，这些矛盾而统一的整体，直接渗透在了绘画中造型的形象、构图的构思、气氛的烘托等艺术创作的全过程。在艺术中，光与影的协调，给人带来广阔思考的空间。

现象之美是从实体以及实体的运动之中获得的。这种美一般不需要特定的理论知识，只需要观察就可以感受到。

2理论描述之美

光学的发展贯穿着人类对世界认知的整个历史，无论是在科技上、艺术上，还是在生活中，光学都给人们带来了美的享受。正如传记作家沙利文所说，一个科学理论成就的大小，事实上就在于它的美学价值。

2.1 色散与音乐

1669年，牛顿在他的讲座中谈到色散问题时，他只描述了5种颜色，即：红、黄、绿、蓝和紫色。因为当时实验条件的限制，牛顿并不能够确定到底有几种颜色。但是后来，牛顿却加上了橙色与青色，使其成为7种颜色。因为牛顿认为，光和声音应该有相似的地方，基色的数目和全音阶的7个音乐调如果是相对应，那么一定是一种美妙的感觉。这就是牛顿用音乐的美感来引导他的光学研究。

无论是对力学的研究，还是对光学的思考，牛顿的探索都是以自然哲学为基础，不断地利用美学标准来引导自己的思维。从牛顿的成果上，我们可以清楚地体会到自然哲学与美学的统一。

2.2 为什么可以“看”到？

在我们看到各种物质的过程中，到底发生了什么，才使得那些物质在我们的大脑中形成完整的景象？我们又是如何来分辨这些景象的？

光作为一种电磁波，具有波的各种性质。电磁波的范围很广，波长没有上下限的限制。[3]但是，人类的眼睛只能感受到电磁波谱中很窄的范围，即400nm到760nm范围之间的波长。不同的颜色表征为电磁波的不同波长。[4]因此，这一部分特殊波长的电磁波，就成为我们直

观的了解宇宙、了解实体物质的一个信使。

當光照射到物体上，而被物体所反射的时候，其中有很少部分进入我们的眼睛，在极短的瞬间，这些信息被整理成完整的景象。[4]因此，我们才能够感知世界的美好。

3 理论结构之美

英国作家马洪在他的麦克斯韦传里写道：麦克斯韦方程组是宏伟的数学表述，它深奥、微妙，但又令人吃惊的简单。它们如此具有说服力，以至于人们不需要学习高深的数学知识，就可以感觉到它们的美和力量。[2]

物理学的理论之美体现在它对数学恰当的应用之上。英国科学期刊《物理世界》曾让读者投票评选出十个最美的公式。位于榜首的就是下面这组麦克斯韦方程组。[5]

麦克斯韦方程组，无论是其结构形式，还是它所反映出来的本质，都是物理之美的一种体现。因为这些公式对称简洁、形式优美、深入其内、博大精深。形象地展现出了电磁世界的基本图像。

爱因斯坦在研究麦克斯韦方程组时，被其美学价值所震撼，于是利用其内部隐含的对称性，提出并创立了相对论。

在理论描述的基础之上，能够用数学的形式来展现其结构，这本身又何尝不是一种美呢？

4小结

人类曾经自信地认为，光的几何描述即是光的本质，直到牛顿的粒子说与惠更斯的波动说的对立，人类才开始正视光的本质。在粒子说与波动说此起彼伏之时，德布罗意又提出了光的波粒二象性。人类对光学充满了好奇和探索欲。然而，光就像是一层面纱笼罩着我们的视线。