物理学中的美学研究

物理学中的美学研究

王然

广西钦州市第一中学 535099

【摘要】 几乎没有人怀疑过自然科学与"美"这个字有着紧密的关系,无论是从表面上的,还是深入地讨论自然科学与哲学的联系。物理学作为一个自然科学中的核心学科,对人类社会文明的发展与进步有着不可忽视的作用,无论是文艺界,或是自然科学界都认为它与美有很深的渊源。

【关键词】 美学 和谐 简洁 对称 奇异

物理学作为一个自然科学中不容忽视的学科,对人类社会文明的发展与进步有着不可忽视的作用,无论是文艺界,或是自然科学界都认为它与美有很深的渊源。从教高中物理十余年,才发现物理之美并不仅仅局限在一些现象一些与生活的联系,更深层地体现在与文明,历史,哲学甚至生命的意义。

物理学演化和进步的过程中，从以下几个方面体现出了与美学吻合：

1.和谐美

物质及其运动作为物理学的研究对象,其和谐布仅仅呈现整体和局部的有机统一,而且呈现在过去,现在,未来的因果关系种,物质世界由于质和量上的区别,使物质结构整体上形成一个多层次的可以 无限分化的邮寄层次系统,即为官,宏观宇宙观。进一步又可以分为夸克,基本粒子,原子核,原子分子;岩石圈, 水圈,生物圈,大气圈;太阳系,银河系,总星系。物质世界表现了间断性和连续性,间断性表现了层次性,连续性表现为统一性。这些统一,除了呈现出空间的统一,还表现在时间上的变化和演化。

对象的和谐美还体现在研究主题与研究对象的和谐统一上,对于无限的宇宙客体,观察主体本身就是其中的一部分,必然同宇宙处于不可分割的联系种,而且作为有智慧,有认知能力的人,还是特定宇宙环境演化一定的产物,也可以说是宇宙和谐的产物。

统一和谐就是多样性的综合,是一种崇高的美。在物理学中,物质是实物与场两种形式的统一。物质的运动是机械运动,热运动,电磁运动,核与粒子运动的总和。电磁感应定律统一了法拉第定律和楞次定律,统一了动生和感生两种不同本质。在对影原理中,牛多力学被爱因斯坦的广义相对论所整合。从表面看来,似乎相对独立的电场和磁场,却被最终表现为整齐而和谐的maxwell方程组。

这些例子,都无疑让我门感觉那些伟大的物理学家眼中看到的东西我们是难以想像的,物理学在我们眼前好似一座瑰丽宏伟的大山,无法超越,也很难看清楚,而有了他们的这些探索,发现,展现在我们面前的似乎就是一幅多么美丽的风景了,如同登上了泰山顶峰,"一览众山小了"。

2.简洁美

所谓简洁,由于物理学揭示了自然界物质的存在,构成,运动及其能量转化等规律的简单性而体现出来,如同罗丹的现代艺术般简约的美。

最典型的莫过于著名的爱因斯坦的质能方程E=mc²,仅用三个物理量之间的简单关系,就揭示了物体具有能量和它质量的关系,又解释了核反应堆反映过程的质量亏损。尽管这一发现给人类带来了可见的灾难,但是我们数遍一切自然科学,除了物理学之外,我们找不到哪一个式子给人类带来了如此巨大的影响。或许这就如同我们生存的宇宙,一切归于简单。

我们高中物理就已经学过的牛顿三大定律就以空前精炼的语言以及最简单的公式揭示自然界一切物体最机械运动的规律。F_合=ma,这个简单的式子里,包含了多少人类的梦想啊。古希腊哲学家亚里士多德认为,力是维持物体运动的原因,这个谬误的观点一直持续到了伽利略的出现,伽利略提出了,力是改变物体运动状态的原因,于是物理学似乎一瞬间从黑暗迈进了光明。时间长河慢慢流逝,争论,叫喊,喧嚣都渐渐沉寂的时候,牛顿的F_合=ma让物理学界关于力和运动的语言完全宁静了,一切声音都嘎然而止。F_合=ma这一简约的式子,里面凝结了无数代人的谬误,失败,奋斗,冥思还有面对残暴政治的勇气,这时,简约就不等于简单了,更不会是简陋,里面有太多太多的东西。

3.对称美

几乎所有的关于物理学与美的研究都会提及"对称"这一词汇。我们生活中可以发现如此多的对称现象:我们身体的左边与右边对称,我们与镜子里的自己对称等等,但是物理学里的对称也许并没有那么的肤浅。

我们在高中物理中就接触过的物体在重力作用下的竖直上抛运动,若以物体到达的最高点为分割点,物体上抛的过程与自由下落的过程无疑是对称的,这体现在速的的均匀减少和增大;作用力与反作用力电荷的正负对称,磁极的正负对称等等。

在高中物理的力学里也提到过对称性。将美学的对称性概念应用于物理之中,研究的对象就不仅仅是图形,还是物理量或者物理定律。时空坐标系的改变,尺度的放大缩小均可视为操作。例如,质点的加速度为一物理量,伽利略变换可视为一种操作,因为经伽利略变换后加速度保持不变,于是质点加速度对伽利略变换的不变性就可以称作加速度对伽利略变换具有对称性。

以及近年来一直在争论的反粒子的概念,这也是一种对称,如果证实了反粒子的存在,那么"湮灭"这一现象便会成为物理学上最美的对称。

4.奇异美

除了前面提及的和谐,简约,对称美,物理学还存在这一种奇异美。这无疑让我联想到书法的篆刻艺术,在篆刻艺术中,有"残破美"一说,也就是在一个印章完成篆刻之后,工匠们往往会用刻刀在章面上随意地敲打,让它不规则地被微微破损,这样做的目的是让作品去掉过于工整带来的呆板而更具有韵味。

物理学中的奇异美就有一点类似于这种感觉。古希腊人和已经消失了的古玛雅文明一直认为,圆是世间万物中最完美的图形,因为将它绕直径旋转任意角度仍与之重合； 将它相对于过球心的平面镜作镜像仍与之重合； 将它上的每一点与球心连线并在延长线上取到球心距离与该点到球心距离相等的点组成的图形仍与之重合。于是在天体物理学的开始,科学家们如托勒密,哥白尼都用圆形来建立天体的运行轨道,试图建立一个完美和谐的宇宙图像。但是自然科学是尊重客观的,后来开普勒发现了行星运动三大定律,提出了行星运动轨道是椭圆的,这就是一个奇异,就是因为这个奇异,椭圆比圆更美了。再后来,爱因斯坦又用广义相对论解释了行星的椭圆轨道会发生进动的变化,这相对于规则的椭圆又是一个奇异。奇异与规则的鬼斧神工的结合,正是美学范畴里的一个重要原则----"对称与破缺",也许奇异就是更高层次的和谐。这时,我们想起了培根的一句:"没有一个极美的东西不是在调和中有着某些奇异。"

其实在物理学的发展上,量子力学的出现以及被承认无疑也是一种奇异。量子力学的出现改变了整个物理学的风格,好像一个规规矩矩的走路的孩子突然间学会了飞翔。

总之，如黑格尔所说的，美，是人的本质力量的客观感观形式的外在表现。物理学中处处都体现了这种力量，处处都体现了美。而这种力量，往往通过两种相反的形式体现出来。如同艺术一样，美往往体现建设性的一面，也体现破坏性的一面。就有人荒诞地认为二战希特勒对犹太人毁灭性的大屠杀是20世纪最伟大的一次行为艺术。同样的，爱因斯坦提出了质能方程，看到了核电站一个一个的被建立起来用于造福社会，却没有想到西太平洋日本岛上的那两次爆炸。

我们去欣赏物理学的美，是欣赏物理学本身所体现出来的一种魅力。

【参考文献】

《魔鬼出没的世界》（美）卡尔·萨根 著，李大光 译 ，吉林人民出版社

《美学》（德）格奥尔格·威廉·弗里德利希·黑格尔，商务印书馆

《物理学史》 郭奕玲、沈慧君，清华大学出版社