杂谈物理学与美学

1. 杂谈物理学与美学 由力学学习而引起的关于物理学中的美学思想的思考 06级物理类三班 姜金龙 pb06203177

2. 何为美学? 美学是使人体会到美,并揭示美的一种学问 　我想,对于物理学是什么这个问题,就不必再解释了.而对于美学是什么这个问题,几百年来,又一直争论不休.在此也只能胡乱的自己给下一个定义.在我看来,美学是使人体会到美,并揭示美的一种学问.而在这一点上,物理学的很多定律,很多结论又恰恰符合美学的基本要求.因此,从根本上来说,物理学要算是美学的一个分支.正是这个分支,让这个本来就奇妙无比的宇宙显得更加奇妙,更加美!下面,就让我们一起漫游在这个美妙无比的宇宙中吧!

3. 物理学中的对称美 　宏观物理世界的对称性 老师常说:”学物理要培养物理直观的能力,而对于可视的,可感觉的宏观世界.凭我们在日常生活中的直观感觉,就可以认定我们生活的世界是左右对称的.否则,试想.我们的世界不左右对称了,有一个人刚好处在不对称的区域之中,假设其他所有条件相同.设想他同时同地向左右各抛一小球,那么,由于空间不满足左右对称性.则小球在抛体运动中的左右水平位移并不相同!这就破坏了那种对称美,给人带来不和谐的感觉.甚至因为可恶的左右不对称原理,本来会相当精彩的比赛因为自然而非人为的条件不同而变得索然无味.当然,在这个例子中我们只是认为两个小球所处的外界物理环境相同.水平位移不相同的真正原因可能正是由于小球所处的外界物理环境不同造成的.只不过是我们在人为假设物理环境相同之后,才推出空间的左右不对称.

4. 宏观物理世界蕴涵的的哲学美 这正如爱因斯坦提出相对论的原因一样,我们首先得承认我们生活的这个世界本身是完美的,对称的.基于我们对造物主的信任.我们在不断的认识这个世界的时候,可能会得出很多荒谬的背离美的结论.我们试图提出更深层次的理论以弥补原有理论的不足,简言之.我们的科学研究其实在无形中早已选取了”参考系”,我们众多杰出英才的工作其实就是在这个总框架下不断发现物理学的美的过程.而这本身正是学物理,研究物理的乐趣所在. 这一切又都归结到哲学层面上的世界和谐.

5. 物理学家对美的追求 由于物理学家们坚信美的存在,就有了一系列的探索.其中最有名的当推人们对大统一理论的追求,以寻求力的统一.当我们在为万有引力与库仑力两个看似毫不相干的力均与距离的的平方成反比惊叹时,我们不得不被大自然的神奇所吸引!

6. 　诺特尔定理证明了对称操作与守恒定律的联系，对称意味着操作使对象前后状态等价，也就意味着该操作中一定隐含有某个合作用为零，也就意味着某个物理量在该过程前后守恒 　　举例，空间旋转对称(各向同性)对应着角动量守恒:如图：一对粒子O与A，固定O，将A沿圆弧△S移到A’，互相势能改变△U＝－（FOA）.△S， 而按旋转知UOA＝UOA， △U＝0，则力的切向分量FOar=0，即O、A(A’)的作用只能在质心连线上，因而合力矩为0，角动量守恒。

7. 　　关于相对论，爱因斯坦是如何进行对称性思维的呢？(1) 面对著名的迈克尔逊－莫雷实验结果：既然可以讨论究竟有没有绝对空间，那么也就可以讨论究竟有没有绝对时间；有没有绝对的空间对时间的变化率――绝对速度。(2) 既然对于两惯性系，所有力学规律都是等价的，那么对于两惯系是否所有物理规律也是等价的？(3) 对于两个惯性系，所有力学规律经伽利略变换是对称的，那么同样对于两惯性系，所有物理规律要经过什么样的变换才也是对称的呢？ (4) 一惯性系的物理规律可以等价于另一惯性

8. 　系，那么一个加速系的物理规律又何以等价于一个什么体系呢？(5) 两惯性系的物理规律的对称性可通过洛仑兹变换，那么一个加速系与一个引力场系的物理规律的等价又应该通过什么变换呢？(6) 即然广义的操作能使加速参考系系与引力场对称，那么当然我们如果要了解重力对电磁学的影响，或是黑洞附近的物理学，只要做个假想实验，回答已知的物理学规律在作匀加速运动的观察者看来会是什么样的就可以了，而不必去黑洞旅行

9. “if such asymmety is indeed found, the question could still be raised whether there could not exist corresponding elementary particles exhibiting opposite symmetry ,such that in the broader sense there will still be overall right –left symmetry.” 　　“如果发现了这种不对称,那么我们又要问,是否相应地还存在着另一种表象相反不对称的基本粒子行为,从而在更广泛的意义上,仍然保持着总的左右对称.” --杨振宁,李政道．

10. 力学的大统一　 　牛顿的力学和万有引力定律，是物理学力学上的第一次大的统一，使得打破了天地的界限，找到了两个世界的巧妙而又完美的统一．爱因斯坦提出广义相对论使得引力理论与麦克斯韦电磁理论统一

11. 宇宙的美 　宇宙中的天体运动符合与地面上的物体运动相同的物理规律．但由于宇宙的宇宙环境复杂，天体的质量巨大等原因，造成了一系列壮阔的物理奇观！物理学在宇宙问题的研究上能让所有人都感觉到．原来物理的世界是如此的曼妙！

12. 　总之，物理世界的统一性让人感到可怕．客观物质世界尽管丰富多彩，但是其本质上具有统一性。那么描述和揭示客观世界的物理现象及物理规律的物理学也是具有统一性的，它显示出一种崇高的美。诚如爱因斯坦所说：“从那些看来直接可见的真理十分不同的各种复杂的现象中认识到它们的统一性，那是一种壮丽的感觉。”因此，追求理论的统一性，也就成为物理学大师们坚定不移的信念和始终不谕的目标。正如物理学上电和磁的统一理论——— 麦克斯韦理论。爱因斯坦为相互作用统一耗尽了后半生精力，而电磁作用与弱相互作用的统一，导致了许许多多的物理学家致力于规范场理论，其目的正是为了谋求引力、电磁力、强相互作用、弱相互作用的大统一理论。

14. 物理美的和谐性 　同时，物理美本身表现出可怕的和谐性．物理学的和谐性主要表现在其学科自身内容协调和形式匀称，而且与其他认识体系是相容的、一致的。理论的各个部分以及各种理论之间的和谐、形式的对称，无疑能给人一种和谐的美感。电磁波与光理论、引力平方反比作用与电荷相互作用的库仑平方律、费尔马原理在力学和光学理论中的和谐、质能关系反映的质量、能量之间的统一性等都存在这种美感 ．

15. 物理美的简洁性 　再次，终极物理规律到最后都简洁，明朗.当人们一次又一次的修补“以太”理论时.爱因斯坦的相对论几乎解释了当时所有的甚至是自相矛盾的理论全部加起来才能解释的问题！科学的简单性在古代自然哲学家以及近代科学家的永不休止追求中得到了充分体现，简单性揭示了科学的质朴美。

16. 物理美的逻辑性 　物理学所用的语言除了物理表述以外，绝大多数理论的思维中用了数学语言，具有逻辑性。数学有简炼、严密、精确、理想化等特点，这就使得物理学有可能从实验物理转向理论物理。在物理理论中，物理规律用数学语言描述以后具有形式上的规范性、协变性，从内容上本质更突出、更明了，这种表述给人以简洁的美、协调的美。它是在数学基础上反映了物理世界内部的和谐、统一和简单。利用数和形来描述自然是许多伟大科学家的出发点，用数和形来统一客观世界是否能够实现？似乎过于简单化了些，但也不是没有道理。

17. 物理美的预见性 　冒昧的加上最后这一点:预见性.预见性是科学美的又一重要表现，由于客观世界发展是有规律可循的，具有一定的必然性，或者说在一定程度上具有客观的规定性（因果性），所以描述客观世界发展规律的科学就具有这种特性，这在数学上反映为物理规律满足一定的数学物理方程以及满足一定的统计规律，同时事物的规定性又反映了物理内涵与形式的相互联系、相互统一。如爱因斯坦的诸多理论：时空对称性与力学守恒律，即关于时间反演对称性对应能量守恒，空间平移对称性对应动量守恒，空间转动对称性对应角动量守恒以及空间反演对称性对应宇称守恒（不过宇称守恒在弱相互作用下被破坏了）。

18. 谢谢观看！

19. 参考资料： 《教育理论与实践 》2005年第7期 等．