对物理学中的简洁和谐与对称统一的认识

对物理学中的简洁和谐与对称统一的认识科学是美丽的；但只有科学，也不能编织成美丽的蝴蝶结。—题记

物理学就是在破译宇宙密码，而宇宙是美的，所以，物理学中富含美学思想：简洁、和谐、对称、有序、统一。所谓“惊人的简单”、“神秘的对称”和“美妙的和谐”，简析如下：

一、简洁

1.物理学家采用“寻求简单”的逻辑方法来研究物质世界。开普勒提出行星运动的三定律，是如此的简单与和谐；牛顿运动定律，在宏观低速领域，展现其简洁和完美；相对论和量子力学，从更广阔领域，描绘了一幅极其简洁的物质和运动的图像。

2.物理内容的简洁，表现在概念、规律的表达上，科学、准确、简洁。如“热”是争论了一个多世纪的问题，结论是“大量分子无规则的运动”，十个字。其他如“力是物体间的相互作用”、牛顿运动第二定律用F=ma概括等。

3.在理论和方法上，理想化模型、理想化方法本身就是遵循简洁性原则。如质点、单摆、光线、薄透镜、弹簧振子、理想气体、点电荷、电场线、磁感线、理想变压器等。

4.物质和运动中的简单：一切物质都由最简单的粒子组成；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、抛物线或双曲线运动等。

二、对称

对称是辩证法的生动体现，物理学的对称美主要表现为时空、数学和抽象对称等。

1.时空对称：运动与静止，匀速与变速，引力和斥力，反射和折射，“磁生电”和“电生磁”，平面镜成像，电荷的正负等揭示了物质及运动的对称性。物体竖直上抛和斜抛运动的上升过程与下降过程的时空对称；在光学和固体物理中屡屡出现的空间对称；在交流电和电磁振荡研究中出现的时间对称等。

2.数学对称：指物理学公式、定律表达方式上所反映的对称，如电磁学中静电力的平方反比定律跟万有引力平方反比定律的对称等。

3.预言与设想：“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；从1897年发现电子，狄拉克综合前人的研究成果，根据对称性预言了正电子的存在，1932年美国物理学家安德逊在宇宙射线实验中发现的正电子；质子与反质子、物质与反物质、宇宙与反宇宙等。麦克斯韦根据电与磁的对称性及磁感线图像的对称性，在没有任何实验支持的情况下，大胆地在安培定律中平添了“位移电流”矢量项，建立起他的呈现对称美的方程组，其中主要的四个方程彼此相容，成为电磁场完整的理论体系，被誉为自然界最优美的诗.

三、和谐

毕达哥拉斯学派认为，宇宙与数之间所以美，是因为它们是和谐的。牛顿力学，把地上的力学与天上的力学统一了起来；麦

克斯韦方程把电、磁、光统一为电磁场理论；爱因斯坦相对论，把牛顿力学与麦克斯韦电磁场理论统一了起来。而三大守恒定律（物质、能量、动量）乃是物质世界和谐性最完美的体现。某一种元素的明线光谱与其对应的吸收光谱之间的互补、爱因斯坦相对论对牛顿经典理论的包容、波动性与粒子性的对立统一等无不体现出物理学规律的和谐美。

“对应”是物理学和谐美的另一表现形式，如电子、质子、中子与正电子、反质子、反中子体现了物质构成的对应；而

E=mc2的质能公式则体现了质量与能量的对应等。

四、统一

整个物理学史，可以说是物理大师们为建立统一的物理理论的奋斗史。

牛顿追求天地之间统一规律的思想，是导致他发现“万有引力定律”的关键；麦克斯韦追求电与磁的统一创立了麦克斯韦电磁理论方程；爱因斯坦广义相对论把引力、空间、物质联系起来；德布罗意将微观粒子的波动性与粒子性统一起来；卢瑟福提出了原子的核式结构模型实现了宏观世界与微观世界的统一；物理学发展过程中的五次大综合(牛顿运动力学的建立、热力学和统计物理的建立、麦克斯韦电磁理论的建立、相对论的建立、量子力学的建立)等都是在科学家们追求多样统一的思想指导下完成。

只用一个理论以说明宇宙存在的四种力量——重力、电磁力、弱力和强力的“统一理论”，是爱因斯坦耗费30多年宝贵

时光来孜孜以求的目标。寻求迈向统一理论之路，仍是当今物理学的前沿课题之一。

五、哲学

光的全反射蕴含了量变与质变的思想；按照形式逻辑的排中律，光要么是波，要么是粒子，但量子力学却以独特的数学结构卓越而合理地解释了它；爱因斯坦的广义相对论揭示了，两对一直被认为完全无关的概念，原来是相互联系的，它们是空间和时间的概念，物质和运动的概念。