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谈物理学中的美

 论文栏目:物理学论文     更新时间:2018/2/13 9:39:53   

摘要:物理学家们对美的追求,极大地影响着物理学的进展。本文对物理学中处处蕴含的科学美做了论述。在教学中如果能指出科学美的存在就能使学生感受到科学美和激发他们学习的热情。

关键词:物理学;简洁美;和谐美;对称美;科学

美物理学是自然科学中发展最早最成熟的学科,是研究自然界现象和物质本质与规律的学科,早期的物理学被称为自然科学,因此物理学是其它学科和现代技术的基础。物理学不仅与哲学息息相关蕴含着丰富的哲学思想,而且到处体现出美的意境。纵观物理学发展的历史进程,物理学家们不仅在揭示自然界的奥妙,而且还在执着地探寻物理学中的美。物理学史没得世界,物理学中的美体现在如下几点:

1简洁美

简洁美是指以简单、简洁的方式把自然界各种复杂的现象所蕴含的规律表述出来。物理学中的知识、规律和理论体系都是科学家们用最简洁的形式表述的,越是进阶的形式越能给人美感。正如著名物理学家爱因斯坦曾说过:“真实的世界在逻辑上总是简单的”。自然科学中的简洁美并不是说要求内容及包含的现象简单,而是要求所概括出来的理论框架简洁。对于经典力学,因其以牛顿定律为基础而创立的,所以由牛顿定律可以推导出所有的经典力学规律与结论。再比如电磁学是以Maxwell方程组为基础创立的,因此从这组方程出发可以诠释全部的电磁现象。由此可见简单的公式概括了大量的内容,揭示了无比奥妙的物理规律。人们从发现摩擦生电开始经历了二千多年,积累了大量的电磁知识,也发现了例如库仑定律、安培定律、电磁场的高斯定理及安培环路定理等多种规律。如果把这些复杂的知识只是堆砌出来,那么就太繁琐累赘了,更谈不上有美感啦。而当19世纪初Maxwell以简洁的方程组呈现在人们面前时才带来了美的享受,这就是简洁美。

2对称美

对称美是指整体各部分之间的对称性。自然界中的许多现象包括生物体都有着对称性,因为物理学是探索研究自然界的,所以物理学中的对称美处处有所体现并有所应用,既有吸引与排斥、吸热与放热、电荷产生电场电流产生磁场、电磁互生等现象方面的对称美;又有如谐振动与波动、万有引力与库仑定律、光的反射与衍射与等规律方面的对称美;还有象Maxwell方程组、时空变换式等公式方面的对称美。对称性思想指导人们开辟新的研究方法,例如十九世纪随着人们对物质结构的进一步研究,开始认识到对于结晶分子来说对称性是其主要特征。结晶学家费多罗夫,把几何体规则应用到研究晶体结构当中从而很好地解决了晶体学上的困难。近年来,物理学借助群论知识,搞清楚了守恒律与对称性之间的关系。一个守恒律定律的存在往往基于某种对称性,例如质能守恒定律实际上是由于时间平移对称性而导致的。

3和谐美

和谐美是指科学理论的和谐、理论体系的逻辑自洽等。在微观领域中,原子结构是一个和谐的世界,电子绕着原子核在核外作圆周运动,分子与分子之间存在着相互作用力。宏观领域中,晶体是和谐美的代表,它是由多个平面按照一定原则排列起来形成的美丽和谐稳定的多面体。在宇宙领域中,数目繁多的各种星体在各自的轨道上做着有规律的运动,同时各种星体之间相互配合相互“关照”和平相处,如大家熟知的那样月球和地球在做自转的同时分别绕地球和太阳在做转动。各种天体的运动进行得如此和谐,就像是在上帝的指挥下共同合奏着交响曲,真是奇妙无比令人感叹。Maxwell方程组,把表征电场磁场的四个物理量联系起来,更是和谐美的体现,由此建立的电磁学奠定了无线通讯技术的基础。

4统一美

统一美是指理论体系的统一和真与美的统一。理论的统一就是要求理论体系的不同部分相统一。当今的物理学大厦是经过了好几次大的综合与统一才建立起来的。美的事物一定是真的,美与真必须统一。毕达哥拉斯学派在研究天体的运动轨道时,从没的角度出发大胆假设天体运动轨道是圆的,也就是说在不知道“真”的情况下根据”美”来设定天体运动轨道。哥白尼提出的日心说,就是依据美与真相统一的观点得出的结论。有的时侯美比真更重要,例如历史上地心说占领了很长时间的统治地位,根据日心说和地心说分别制定的历法几乎没有差别,据此很难判断哪一个学说正确,由此哥白尼遭遇不公正的待遇,但日心说具有对称性和统一性,这种科学美学思想在当时成为了评价这两种学说的标准,因而有了哥白尼“推动”了地球的说法,由此可见科学美的作用。

5结语

物理学家们追求美的精神,对物理学的进展具有一定的影响。天才科学家爱因斯坦因为相信对称美,以致提出著名的具有划时代意义的相对论。他对和谐美更是坚定地相信,他说:“如果不相信我们世界的内在和谐性,那就不会有任何科学,这种信念永远是一切科学创造的根本动力…”[1]。实验学家法拉第因为相信对称性,在奥斯特发现载流导线在其周围产生磁场即电生磁之后,终于在十九世纪三十年代发现了磁生电现象,为电磁理论做出了举足轻重的贡献。量子论的鼻祖狄拉克相信统一美,把各自独立的量子论和相对论统一起来,创立了相对论量子理论。物理学家们对美的追求,极大地影响着物理学的进展,物理学中处处蕴含着美。作为大学物理教师在教学中如果能指出科学美的存在,就能使学生感受到科学美并且激发他们学习的积极性。

参考文献:

[1]马丽芹.大学物理教学与科学美育教育[J].科技视界,2013(31):132-133.

[2]杨庆余.物理学研究的美学精神[J].大学物理,2002,21(11):37-41.

[3]宋琳.论科学美在科学发现中的作用[J].北京科技大学学报(社会科学版),2010,26(2):140-144

作者:马丽芹 单位:青岛科技大学数理学院

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