物理中的美学

物理与美学

美的内涵是对能引起人们美感的客观事物的共同本质属性的抽象概括，其本质是审美客体合目的性和合规律性的统一。美的存在是客观事物的一种表现，我们能够认识美的规律，按照美的规律去创造美。而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：第一，狭义的物理世界是自然界的一部分，这部分物理世界具有的美也是自然美的一个组成部分。第二，人造的物理世界是人类发挥了自己的主观能动性，以美的规律创造的物理世界，比如激光、无线电、计算机、超导、航天飞机等以及为了重复和模拟自然现象而创造的实验条件，这一部分是物理学对人类提供的不朽的物质财富，它所产生的美感是自然美所不能包含的；第三，物理学是人类为研究物理世界而创造的一门科学，它是人类认识世界、改造自然的智慧结晶。而科学的本质是“真、善、美”，这种科学美，历来为科学大师所推崇，法国数学家彭加勒曾说：“一个名符其实的科学家，尤其是数学家，他在自己的工作中体验到和艺术家一样的印象。他的乐趣和艺术家的乐趣具有同样的性质，是同样伟大的东西。”这种科学美在物理学中表现尤为明显，物理学所揭示的真理就是真与美的统一。

物理美学除了具备科学美普遍的特征外，还有自己独有的一些特性。物理美是属理性的美。

物理美应包含三部分：（1）自然物理现象的美；（2）物理创造的美；（3）物理学作为一门科学的美—物理学美。

1.物理现象的自然美

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;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。

2.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。自然界的现象是错综复杂的，然而自然界本身却是简单和谐的，因此研究的方法和规律的表述也是简单的，科学家们用最精炼的语言，最少的符号，最简单的形式来表达知识。正如爱因斯坦所说：“真实的世界在逻辑上总是简单的。”所以，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。例如：运动和力呈现出的关系“F=ma”如此简明；质能方程E＝mc2，形式简单，内容却极其丰富；麦克斯韦方程组把复杂的电磁规律建成一个简单对称的理论体系；被物理学家们争执了一百多年的“热”，却仅以十个字做了结论：“大量分子的无规则运动。”仅仅十个字，真是简单科学!物理学中的理想模型更具有简单美的特征。就如质点、单摆、理想气体、电磁场等，这些犹如一幅幅生动形象的简笔画，把物体的特征和个性勾画得淋漓尽致，既简单又合理，既抽象又形象。

3.物理规律的和谐美

自然界本身是一个和谐的整体，支持其运行的自然规律也应具有和谐性和统一性。而以其为研究对象的物理学必然会体现这一特性。爱因斯坦曾说过“如果不相信我们的理论结构能够领悟客观实在；如果不相信我们的世界的内在和谐性，那就不会有任何科学。”和谐给

人以一种恰如其分、浑然一体、轻松自如的美感。物理的和谐美，是物理理论揭示自然界物质存在、运动及其转化等规律整体上的和谐性而产生的美感。在微观领域中，原子世界是一个和谐的世界，核外电子绕核运动，分子间存在相互作用力；在宏观领域，像晶体是一种典型的有序的和谐结构，这种由若干平面围成的多面体具有规则的外形，其各个几何平面之间的夹角固定不变；在宇宙领域，各种星系、各种天体尽管进行着复杂的运动，但在一般情况下各种星体的运行轨道又是有规则的，如月球一边自转，一边还绕地球公转，旋转的速度和轨道也几乎没有差错，宇宙太空各天体的运动配合得如此默契和谐，像是在合奏一首雄伟壮丽的交响曲。科学家们追求着这种统一与和谐。他们将最初零散的物理知识有机地结合起来，建立起物理学的基础后，再通过热力学与统计物理学的统一；电、磁规律的统一；时间与空间的统一；物质与能量的统一；实物粒子与场等几次大的综合与统一，建立起如今的统一的物理大厦。

4.对称美

对称美是指整体各部分之间的相称或对应，如空间上的和谐布局，时间上的节律协和。对称之所以让人产生美感，是因为对称中存在着某种“重复”、“均衡”、“有序”的东西。科学美中的对称美来源于自然界物质形态美及其运动图景所具有的广泛对称美，借助于建筑美学很容易理解对称美概念。人类传统美学中的对称仅指人们感性意识中的三维空间的对称，而物理学中的对称美既有物理现象的对称美，比如引力与斥力，“电生磁”与“磁生电”，粒子与反粒子，物质与反物质等等；还有公式的对称如：

动量守恒定律表达式 '22'112211v m v m v m v m +=+

机械能守恒定律表达式 2222112

121mv mgh mv mgh +=+ 理想气体状态方程 2

22111T V p T V p =

等都具有平稳庄重的对称美。

对称性给人的美感是“圆满、均衡和协调”。人们这样描述对称性:若图形通过某种操作(如时空坐标系的改变,尺度的放大和缩小)又回到它本身,则这样的图形具有对称性。对称性的概念应用于物理,研究对象不仅是图形,还有物理量和物理规律。从空间角度看,原子的核式结构、晶体的空间点阵、磁体的两极是对称的;物体的上升下落,圆周运动是对称的;物体的平衡、弹性形变、简谐振动具有对称性;平面镜成像、光与波的反射、电磁场的力线分布更具有对称美。从时间角度看,行星的公转与自转、理想单摆和简谐振动、波的传播都具有时间周期性的对称美。对称性的美学意境引起很多科学家的心驰神往,从伽利略时代开始,物理学家就把追求理论上的对称性作为一种有效的研究手法,并取得了成功。例如牛顿发现万有引力(F=Gm1m2/r2)和库仑的静电力(F=Kq1q2/r2)非常对称;法拉弟受奥斯特“电生磁”现象的启发之后发现了“磁生电”的现象,进一步揭示了电磁联系;后人还发现电场和磁场在规律上有许多惊人的对称关系。物理学家劳厄曾把物理公式上极端精练和庄严稳重的对称结构称之为“美学上真正完美的对称形式”。

{ 5、新奇美

物理学发展到今天,无论是理论方面还是实践方面都是硕果累累,新颖的发明创造和新奇的理论成果层出不穷。象脉冲星、重轻子的发现;激光器、电子对撞机的发明;牛顿力学理论、麦克斯韦电磁学理论、爱因斯坦相对论的创立，M 理论等等都是体现新奇美的物理成就。尤其是物理理论提出的是关于自然界的新知识,具有独创和新颖的特点,这正是其审美价值的所在。“新奇之所以被看作是科学美的重要特征,因为它体现了科学理论发现中的艺术因素。”}