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摘 要：美国的著名作家马克·吐温说过,科学真是迷人,根据零星的事实,添加一点猜想,就能赢得那么多收获.物理学作为研究自然界最基本的物质运动规律的科学有它独特的美,本文从现象之美、理论之美和理论结构之美等三个方面谈了物理学之美.
关键词：科学;物理学;美
美的东西让人心情愉悦,爱不释手.法国著名艺术大师罗丹说：“美是到处都有的,对于我们的眼睛,不是缺少美,而是缺少发现.”物理学作为整个自然科学的基础,它对其他学科作出的贡献是不可估量的,这不仅仅是指它的内容本身,更重要的是它的思想方法.物理学给很多人的印象就是一个字,难.是的,物理学的美不同于艺术美那么直观,不是人人能够欣赏到的,具有一定科学理论知识的人才能感受到,难道这不也是它独特的魅力之处吗?
那么,物理学的美到底体现在哪些方面呢?首先,物理学从结构上看,是一座宏伟的大厦,外形整洁美观,内容完整富有内涵,19世纪末,物理学以力学、热力学、统计物理学、电磁学和光学为支柱,建成了经典物理学大厦,后来在此基础上又建立了以相对论和量子力学为代表的近代物理学,它们构成了焕然一新的物理学大厦,使之更宏伟和更接近完美.
1 现象之美
杨振宁在他的《美和物理学》一文中写道：物理学中存在三种美：现象之美、理论描述之美、理论结构之美.现象之美是我们不需要特定的理论知识就能观察到的美.比如雨过天晴后的七色彩虹、日出日落时的美丽风景,日食月食时的壮观情景,同样是日光经过一个三棱镜会变成奇妙、美丽的七色光,而经过放大镜能把火柴点燃,见到这些现象时你感叹大自然的美丽和神奇之外,会不会对揭示大自然秘密的物理学产生敬畏之心呢?确切的说,是为科学执着工作,做出过卓越贡献的那些伟大的科学家们,而在科学家们冗长沉闷的研究工作中,美学发挥了重要的作用,不仅使他们获得了喜悦、欣慰和满足,还给他们提供了思路和灵感.当时牛顿做色散实验时,由于当时的实验条件和种种原因,他实际上并没有清晰明确确定7种颜色,他只确定了5种颜色：红、黄、绿、蓝和紫.橙和青是后来加上去的,原来,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个音乐调相对应.于是他在5基色中大胆加上2色成为7色.说明,牛顿在他艰难的科学探索中,不断利用当时的美学标准作为引导他探索中的一个路标[1].痴迷于科学美的还有开普勒,他一直坚信宇宙一定有一种内在的和谐,即各行星之间一定受某种简单的数学规律的制约.正是因为他有这种坚定的信念,使他用十年时间观测行星运动和分析第谷的观测资料.开普勒最终找到了他终生为之追求的美学标准——数学和谐,发现了他的行星运动第三定律.开普勒沿用这种美学上的思路,并且最终得到了不朽的“行星运动三大定律”.
2 理论之美
由华中理工大学杨建邺教授所著的《物理学之美》中说到,理论之美是客体自然规律的反映,它的简洁和和谐让人产生一种愉悦的美.这些理论之美是科学家们神往的美,也是研究科学的动力之一.物理学中有很多经典的理论,都是用来揭示自然界中存在的真理.例如能量守恒定律,它的内容是,任何过程中全部参和者的总能量在此过程中始终保持不变.也就是说,能量不能被创造或消灭.能量可以转化,也可以传输,然而其总量永远相同.这个论断属于科学中最可靠最普遍规律之列[2].它是从牛顿定律出发得出的结论,但它远远超出了牛顿物理学的范围,适用于一切现象,从亚原子核粒子“夸克”到迄今观察到的宇宙.而能量守恒定律的一种新的表述方式常常叫作热力学第一定律,即宇宙的能量是常量.它揭示了机械、热、电、磁、光、化学和生命运动形式之间具有统一性.这些能量中热能是一种很特别的能量,任何产生热能的过程都有一种单向性,或者叫作不可逆性.热力学第二定律揭示的就是这种不可逆过程,它的另一种表述是宇宙的熵趋于一个极大值.这里熵就是分子运动“无序性的量度”,一个孤立系统的无序性只会越来越大,一直大到不能再大为止.
3 理论结构之美
理论结构之美是指理论有一个漂亮的结构,在20世纪以后它通常是指理论本身的数学结构.物理学的理论内容在去芜存菁、抽象提炼之后都会归结成为若干个数学方程.这些公式形式极简单,但内容包罗万象,富有哲学思想,它们体现出更深层次上的美感.而对于这种“大美”,见到方程的人未必能理解它,只有理解了方程的内涵才能深刻地感知它的存在[3].例如牛顿的万有引力定律,公式如下：<D：＼123456＼中小企业管理和科技·下旬刊201511＼1-297＼5-1.jpg>
也许初次见到的人觉得它很普通,可就是这样看起来极简单、极普通的公式居然统一了地上天上宇宙万物的运动规律.你还不觉得它伟大、漂亮吗?细细品位这个公式形式简单,内含丰富,是个极美的公式.在物理学中这样公式还很多,例如由爱因斯坦提出的著名的质能关系式.
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这个相对论公式外形更简单,但它却统一了经典物理学中彼此独立的两个守恒定律,即质量守恒定律和能量守恒定律,成了统一的“质能守恒定律”.简单的外表下有强大的内容,这就是科学的美丽和魅力.
麦克斯韦方程组,公式如下：
<D：＼123456＼中小企业管理和科技·下旬刊201511＼1-297＼5-2.jpg><D：＼123456＼中小企业管理和科技·下旬刊201511＼1-297＼5-2.jpg><D：＼123456＼中小企业管理和科技·下旬刊201511＼1-297＼5-2.jpg><D：＼123456＼中小企业管理和科技·下旬刊201511＼1-297＼5-2.jpg>
对这个公式,比较谦虚的评价是：“一般地,宇宙间任何的电磁现象,皆可由此方程组解释.”的确,它的对称形式及无所不容的内涵已经很伟大了,可它还有更惊人的一面,那就是麦克斯韦仔细研究他的方程组之后,获得了物理学中的一个真正让人吃惊的发现：电磁波的存在,并且能精确算出电磁波的传播速度,这是个多么伟大的智慧,发现了如此美妙的事实.
这些外形如此美丽、美妙,内涵又如此强大,可谓内外兼备的公式都是科学家们倾尽毕生的心血得出的智慧结晶.你看完这些公式领略到科学的美丽和魅力了吗?同时会不会对伟大的智慧肃然起敬呢?
物理学每一个理论的描述都富有哲理,简单和谐,而那些公式外形简单内涵极丰富,这些都给学习者带来巨大的美的享受.著名物理学家杨振宁说过,年轻朋友们应该对科学的美和妙要有鉴赏力.如果学习物理学的人能够感受物理学的美,再不会觉得它枯燥无味难懂,不仅学习起来轻松自如,还能产生浓厚的兴趣.
参考文献：
[1]杨健邺.物理学之美[M].北京：北京大学出版社,2011.
[2]（美）Art Hobson,秦克诚,刘培森,周国荣译.物理学的概念和文化素养[M].北京：高等教育出版社,2008.
[3]林凤生.欣赏物理学之美[J].自然和科技,2013.1.
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参考文献：
1、 高中物理学蕴含美 [摘要]美是真与善相统一的形式。美的事物对人们来说是容易接受、向往的。物理美学是科学美学在物理学科上的具体表现，在高中物理教学中有意展示物理之美。
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