物理学中的美学

渭南师范学院物理与电气工程学院 安 博

物理学中的美学

渭南师范学院物理与电气工程学院 安 博

物理作为一门最基础的自然学科，在形成发展的过程中蕴含着丰富的人文文化。本文探讨了物理学的和谐美，晶体物理中的对称美以及物理学家的精神美。

物理美 对称美 美学素养

“美”这一词被赋予了特定的内涵。日常生活中，人类对美的感受依赖于心理里、文化、社会和心理等因素。

一、物理学中的和谐美

著名物理学家杨振宁描述狄拉克方程和反粒子理论时曾引用唐代诗人高适的诗句“性灵出万象，风骨超常伦”。他认为描述狄拉克方程的包罗万象用这句诗中的“出”字最为符合，而“风骨超常伦”也符合狄拉克不顾玻尔、海森堡等当时大物理学家的反对，始终坚持他的理论直到被证实的状况。这句优美的诗在描述精彩绝伦的图画和思想境界的同时完美阐释了物理学大师的理论和风格。由此可见，诗词歌赋与物理学在美的方面有着和谐统一之处。简洁直观是一种美，惜字如金的诗人和物理是一样的。

二、物理学中的对称美

对称性是指整体中各部分之间的对应或相称，如时间上的节律协和，空间上的和谐布局。因为对称中存在某种“有序”“均衡”“重复”的东西，所以对称会让人产生美感。自然界和生活中有丰富的对称性事物，由于物理学揭示了自然界物质的存在、构成、运用及其转化等规律的对称性而产生美感，成为物理学的对称美。

物理学中的对称性常表现为四个方面：①物质存在形式的对称性，如粒子与反粒子、正电荷与负电荷、磁体的N极与S极。②物体形状或几何形体的对称性，如晶体结构具有高度的对称性，常称为晶体对称性。对称性使晶体具有很多特殊的性质，如X射线的洐射实验就是直接和晶体对称性密切相关的，在此基础上，人们才发展了X 射线的结构分析技术。③物理过程中的对称性，如动能转化势能和势能转化为动能，电生磁和磁生电。④物理规律的对称性，主要是指物理规律在某种变换下的不变性，如伽利略变换、空间坐标平移的不变性、空间转动的不变性、时间坐标平移的不变性、洛仑兹变换的不变性等。

三、物理学家的科学精神美

著名物理学家杨振宁说：“物理学原理有它的结构，这个结构有它的美和妙的地方，而各个物理学工作者对于这个结构的不同的美和妙的地方的感受有不同了解。因为大家有不同的感受，所以每一个工作者会发展他自己独特的研究方向和研究方法，形成他自己的风格。” 世界著名物理学家狄拉克认为，让一个方程具有美感要比符合实验更为重要。法国科学家彭加勒说：“科学家研究自然是因为他从中能得到乐趣，他之所以能得到乐趣，是因为她美”。

1933年，阿尔伯特·爱因斯坦开始筹建新泽西州普林斯顿高等研究院，当被问及希望谁来加入他的团队时，爱因斯坦脱口而出的第一个名字是英国物理学家保罗· 狄拉克。几个月后，31岁的狄拉克获得诺贝尔物理学奖，是诺奖得主中最年轻的理论物理学家。尽管现在知其名者寥寥无几，但他极可能是20世纪英国最智慧的人。如果说牛顿是英国物理学界的莎士比亚，那么狄拉克就是弥尔顿，他是英国一流科学家中最有魅力、最令人费解的一位。

然而，狄拉克所代表的理论物理学以及他看待世界的方式都非常接近哲学。他坚信一个方程式越优美就越可能是准确的，换句话说，他眼中的世界美丽之极必然是真实的。狄拉克终身的良师益友波尔曾经这样评价他：“狄拉克是这个世界上最纯粹的科学家。”没错，世人觉得狄拉克不可理喻，是因为他们内心有着太多的杂碎欲念。

培养学生的实践和创新能力既是时代的要求又是针对应试教育给学生带来的畸形发展而提出的发展目标。物理学应充分挖掘其中美的因素，不再只偏重知识而忽视其他方面能力的培养。教学中，教师应引导学生欣赏美、创造美，使学生接触到的物理学不再是死气沉沉的公式和呆板的事实，而是一串串闪光的珍珠。物理的学习和探索也将不会被看成是额外的负担，而将成为学生追求人生意义和科学的自觉行动，以追求美而探索，在探索中创新。

物理实验教学中，虚拟现实技术具有重要作用。虚拟物理实验既是对现实物理实验的延伸和强化，也是物理实验教学重要的发展方向。然而，虚拟物理实验不能支配现实物理实验，更不能取代现实物理实验。与之相反，虚拟物理实验依赖于现实物理实验，并以现实物理实验为基础。虚拟物理实验的合理性、有效性和正确性都需要通过现实物理实验及社会实践检验。虚拟物理实验的最终目的不是为了虚拟而虚拟，而是为了帮助学生更快速、更有效、更准确地揭示物理现象的本质和规律，提高学习效果，其最终落脚点是现实物理实验。现实物理实验和虚拟物理实验相互补充、相互促进，现实物理实验始终是主要的和具有决定性的，虚拟物理实验始终是从属的和具有辅助性的。

ISSN2095-6711/Z01-2015-11-0184