物理学的“七美”

曹大伟

一、图形之美

物理学中的图形，可以用来表达一个规律，表示一种现象，透视一个机械。模拟一个过程使用图形，是一种研究物理学的必备工具和手段。图形的特点就是：简单，直观，而且所包含的信息丰富。

如图1，这是一个电路图。图中包含两个灯L1和L2，三个开关S1、S2和S3，一个电源以及一些导线。每一个开关都有断开和闭合两种状态，所以就会导致这个电路共有六种状态。灯泡是否会发光，以及电路是否有安全隐患，这些只需要我们在纸上画一画，稍作分析就一目了然了，这样就免去了多次的实际试验。

二、公式之美

物理学家把对大自然的认识，抽象成非常简洁整齐的数学公式。每一个物理符号都有特定的意义，几个符号按照某种特定的关系组合在一起，表达了非常清晰的物理规律。因此，物理公式是一种语言，是物理学家用自己独特的方式告诉人们，宇宙是如何运行的语言。

例如，地球上某个物体所受重力为G=mg。符号m表示这个物体的质量，符号g表示地球的引力常数，G表示这个物体受到的重力。当然，这个公式可以求任何星球上的物体所受到的重力，只要你知道这个星球的引力常数就好。

三、对称之美

宇宙中有一种惊艳的美那就是对称美。物理学当然要描述对称美。

正与负就是一种对称。如电荷分为正电荷和负电荷；直流电源分为正极和负极。

磁场的N极与S极是一种对称，地磁场的N极与S极也是一种对称。

如图2，平面镜成像原理。平面镜对于“对称关系”的演绎再精彩不过了。家庭必备的镜子，湖水里面的倒影，都属于平面镜成像的对称。图中左侧的蜡烛，由于平面镜的存在，在镜子的右侧相同距离的地方又出现了一个完全相同的“蜡烛”！当然这个“蜡烛”并不是真实存在的。上帝没有制造出两片完全相同的叶子，但却制造出了镜子里面的“虚幻”。尽管我非常理解平面镜成像原理，但是每一次面对平面镜成的像，我都不得不感叹其中那并不存在的“虚幻”。

四、抽象之美

阳光日复一日年复一年地照耀在地球上，这是再自然不过的事情。人类在享用阳光的同时，也在逐渐地去了解，认识以及利用阳光。一直到今天，人类对于光能已经有了较为成熟的认识。物理学家把光抽象为一条条带有方向的直线，也就是光线。这样一来，研究光就变得简单多了。后来又把光的传播，反射，折射，衍射等等这些现象抽象成了一条条的规律，定律和定理。

认识的程度从表象升华到本质，这其中的功劳应该归功于“抽象”这一思维。物理学中对于电荷的认识过程，也完美地体现了抽象思维的魅力。

五、逻辑之美

物理学较之其他学科，具有非常严谨的逻辑美学体现。例如著名的牛顿第一运动定律。1687年，英国物理泰斗艾萨克·牛顿（Sir Isaac Newton）在巨著《自然哲学的数学原理》中，提到了牛顿运动定律，这其中就包括牛顿第一运动定律。

“一切物体在没有受到力的作用时，总保持静止状态或匀速直线运动状态。”

牛顿第一运动定律，又称惯性定律。牛顿非常简短的一句话高度概括了运动和力的关系，这其中折射出来的逻辑美感让无数的科学家、艺术家为之震撼！

六、简约之美

物理学中用来描述物质世界的方式是极其简约的。无论是从上面列举的图形描述，还是公式描述，或者是抽象语言文字描述，我们都能从中深刻地感受和领略到这种简约却不简单的表达风格，这种简约之美足以撼动人类的心灵。

七、力量之美

物理学已经成为指导人们认识自然和改造自然的有利工具。物理学的发展和壮大密切联系并制约着工农业的发展，也同人类文明的进步和发展息息相关。从电话的发明到计算机互联网的繁荣，从土屋木屋到摩天大厦，从蒸汽机的制造到磁悬浮列车的运行，甚至航天航空等等，这些无不体现着物理学对社会进步和人类发展的巨大的不可磨灭的贡献！