淺議物理學中的“美”

鄭玉香

【摘要】 物理學中的美主要體現在精神美、簡潔美、對稱美、和諧美、統一美等方面,物理教學工作者要培養學生的審美能力,引導他們自覺地追求科學美。

【關鍵詞】 物理美;精神;簡潔;對稱;和諧;統一

“生活中并不缺少美,而是缺少美的發現”,物理教學也是如此。物理學中美的例證比比皆是,但物理學本身并不是美學,能否把擺在我們面前的物理教材從僵硬的鉛字變成閃爍著美的光彩的畫冊,從抽象的概念、公式變成動人的詩篇,關鍵要靠教師從教學內容中挖掘出美的因素,并通過美的設計,在課堂教學中充分展示出物理學科的美學特征和美的意境,使學生潛移默化地受到美的熏陶和美的培養。

一、偉大科學家的精神之美

在物理學發展過程中,物理學家在探索規律的艱辛旅程中,一方面伴隨著對美的追求,另一方面表現出他們精神上的種種美德。這些都是美學因素,物理學家對美的追求和他們的人生美德,可以啟迪學生的智慧,引發學生的興趣,激勵成功的意志,養成他們良好品德。

哥白尼與托勒密“地心說”的決裂,就是他深信完美的理論在數學上應該是“和諧與簡單”的。托勒密為解釋天文觀測的結果,引入“均輪”“本輪”,使得天文理論又復雜又失真。因此,在極其困難的情況下,哥白尼不畏艱難險阻,研究三十年,建立了“日心說”。后來,開普勒深切感受到“日心說”的真,毅然拋棄“地心說”的觀點。

電磁學的發展在很大程度上得益于對稱美的啟示。法拉第深信電與磁是對稱的,他認定既然電能生磁,那么磁也能省電。他堅持奮斗十年,終于發現了電磁感應現象。

二、簡潔之美

在千姿百態的物理世界里,盡管各種現象千差萬別,但在本質上都可歸結為若干基本的物理規律,這就是物理學上的簡潔之美。例如:運動和力的關系,曾經困惑人類幾千年,但一旦揭開其面紗,呈現出的關系“F=ma”卻如此簡單;愛因斯坦的質能方程E=mc2,形式十分簡單,內容卻極其豐富———用最精煉的語言、最少的符號,揭示了奧妙無比的自然規律,所表現的簡潔美令人嘆為觀止;開普勒行星運動第三定律: R3PT2 = 常量,其形式如此簡單,太陽系中所有行星的運動都符合這一規律,奇妙的“2”和“3”使一切井然有序,開普勒不愧為“天空立法者”的稱號。而方程中出現的自然界極限速度———光速,又在簡單之中勾起人們對神秘的無限遐想

三、對稱之美

所謂對稱,是指一物體或一系統各部分之間比例的平衡與協調,由此能夠產生一種簡單性和美的愉悅。對稱之所以讓人產生美感,是因為對稱中存在著某種“重復”、“均衡”、“有序”的東西。

物理世界中存在多種對稱形式:作用力與反作用力、正電與負電、電與磁、吸引與排斥、正粒子與反粒子等。物理學理論中所體現出的對稱性則從更高層次上揭示了自然界的對稱性,與次同時,物理學家們已經把對稱性原理作為科學研究的強有力的工具。在物理學理論中,有許多我們所熟知的守恒定律,如能量守恒定律、動量守恒定律、角動量守恒定律、電荷守恒定律等,而這些定律則是物理規律具有多種對稱性的必然結果。如能量守恒與時間對稱性相聯系。角動量守恒與空間對稱性相聯系等,對稱性與守恒定律之間的聯系已經成為現代人們探究自然界的基本出發點之一,而這一聯系也深刻的揭示了自然界的對稱美。

四、和諧之美

中學力學,主要研究牛頓運動定律,牛頓從和諧美的角度吸收了伽俐略對運動的研究成果,得出牛頓第一、第二定律,又從開普勒第三定律出發,總結歸納出物體之間萬有引力相互作用的公式: F萬有引力=Gm1m2/r2,而這正是開普勒的整個“宇宙物理學對稱之美”和諧運動和有次序結構的原因,并維持其現在圖景的基本作用之一,也是伽俐略自由落體定律的依據。

千姿百態的物理世界中,反映物理事物的特性及規律的物理知識構成了既千變萬化又和諧統一的完美圖景。如磁通量把本來并不存在的抽象物理模型——磁感線與描述客觀存在的磁場強弱的物理量—磁感應強度有機地聯系起來,這就充分體現了和諧美的主要特征:協調有序和多樣統一。又如熱學中理想氣體的狀態方程把玻意耳定律、查理定律和蓋?呂薩克定律在理想條件下統一了起來,這又是和諧美的勻稱流暢、多樣統一。

驚人的簡潔、神秘的對稱、美妙的和諧等美學特征在物理學中隨處可見,美不勝收。作為教師應充分挖掘美的因素,讓這些光輝燦爛的物理學之美從史學家的殿堂之中走出來,像蒙蒙春雨悄悄地給予,靜靜地注入,讓它的光輝普照學生們求美若渴的心田。這樣展現在學生面前的將不再是死氣沉沉的公式和呆板的事實,而是一串串閃光的珍珠,使學習和探索物理成為學生追求科學和人生意義的自覺行動。以追求美而探索,在探索中創新。

參考文獻

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