物理科学中的美学

《物理科学中的美学》由会员分享，可在线阅读，更多相关《物理科学中的美学（2页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、物理科学中的美学汤 超（陕西省宝鸡教育学院物理计算机系 讲师 721001)摘 要：物理学本身是一个美的世界，蕴含着丰富的科学美，认识和发掘物理学中的美，从美的角度去认识物理，研究物理，可以使学生提高学习物理的兴趣，加深对物理的理解，培养科学的审美观念。关键词：科学美 简单美 对称美 和谐美 统一美自然界是美的，作为研究自然，涉及人与自然之间关系，揭示自然奥秘的物理科学也是美的。物理的科学美在于它是建立在自然美的基础上，提示了大自然的隐含真理，在于它发现了大自然的和谐和统一，发现了大自然的对称和守恒，在于它用最简单的语言描述了大自然遵循的规律，更在于人类在物理科学美思想的指导下推动了物理学的发

2、展。杨振宁在美和理论物理一文中提出，物理学具有“物理现象之美”、“理论描述之美”、“理论结构之美”。物质世界的真与美从来都是统一的，物理学家往往借助美来认识真理，整理事实，以便从中得出普遍的规律或结论。正如为牛顿作传的著名作家沙利文所说：“因为科学理论的主要宗旨是发现自然中的和谐，所以我们能够立即看到这些理论必定有美学价值。”美育教育是素质教育的内容之一，在教学中渗透美学教育可以培养学生的审美观，提高学生的审美能力和才能，使学生的身心得到健康和谐发展；可以激发学生学习物理的兴趣，减轻学生心理压力和学习负担，提高学习效率；可以促进学生对知识的理解和掌握，促进学生创造性思维的发展。现就物理科学中的

3、美学特征作以简单介绍，以便我们在物理教学中能够很好地渗透美学教育。一、简单美物质世界的构成及物体的运动，客观地都表现出“简单性”的一面。例如：一切物质都是由最简单的粒子构成的；光是沿着最简单的直线传播的；行星沿着最简单的几何曲线圆、椭圆、抛物线或双曲线运动等等。物理学家对宇宙呈现的简单性具有强烈的信念，他们采用“宁可寻求简单”的逻辑手法来研究物质世界。从天体到基本粒子，物质运动纷繁复杂，但物理学家巧妙地从复杂的真实世界中，把研究对象一一分割，抽象出最简单的物理模型，诸如近地点、理想的弹簧振子、理想的单摆、理想气体、点电荷、电力线、磁感应线、理想变压器、光线、薄透镜、刚体等等，以这些优美的理想模

4、型概括出物质运动的基本规律，变复杂为简单，既简洁又合理，既抽象又形象，给师生带来研究物质世界美的享受。物理理论体系、规律、公式表达上体现在逻辑上的简单美，更令人赞叹。在经典物理学中，牛顿只用几条简单的定律就概括了物质世界纷繁的运动现象，麦克斯韦只用四个方程就概括了复杂的电磁运动，量子力学理论使行踪飘忽不定的微观粒子眉目清晰等等。这些都体现了物理学理论整体的简单美。二、对称美在美学中，“对称”是形式美的表现，指整体各个组成部分之间的相称或对应，如空间上的和谐布局，时间上的节律协和。物理学的对称美主要表现为时空对称、数学对称和抽象对称。如杠杆的平衡、平面镜成像、磁体的磁感应线分布、电荷的正负、等量

5、同种、异种电荷的电场线分布等表现了物质的直观形象在空间上的对称性；周期、节奏、频率等体现出时间的对称性；简谐振动图象、波动图象的对称性体现了数学图形的对称性；动量定理与动能定理之间、万有引力定律与库仑定律之间体现物理公式之间的数学对称性；竖直上抛运动、简谐运动、圆周运动等存在有时间和空间规律的对称性。在理论物理中，对称性又往往表现为对运动方程或描述物质系统状态的函数作某些数学变换后，该方程或函数保持不变的特性。三、和谐美和谐是指由于组成整体的各个要素相互间恰到好处而在整体上显出协调。和谐给人以一种恰如其分、浑然一体、轻松自如的美感。物理的和谐美，是物理理论揭示自然界物质存在、运动及其转化等规律

6、整体上的和谐性而产生的美感。如某一种元素的明线光谱与其对应的吸收光谱之间的互补、光的色散与互补、爱因斯坦相对论对牛顿经典理论的包容、波动性与粒子性的对立统一等无不体现出物理学规律的和谐美。再例如，中学物理中理想气体的状态方程，就把玻意耳定律、查理定律和盖吕萨克定律在理想条件下统一了起来，这又是和谐美的匀称流畅、多样统一。奇异与和谐是对立统一的，和谐是美的，但奇异更美。物理科学理论结构的和谐与内容的奇异是不可分割的。古人认为，圆是最和谐的，于是，托勒玫和哥白尼就用圆形轨道建立起一幅和谐的宇宙图景，开普勒用实验观察，发现了行星运动的椭圆轨道理论，很显然，椭圆是圆的奇异，圆只是椭圆的特例，开普勒的行

7、星运动定律体现了和谐奇异美，爱因斯坦的相对论又解释了行星椭圆轨道还会发生进动。进动的椭圆又是圆的奇异，但它逼真地体现了物理规律的动态之美。难怪现代物理学把“对称加破缺”看作是一条重要的美学原则，这正体现了和谐奇异美的思想。四、多样统一美物质是多样统一的，作为揭示自然界物质存在、构成、运动及其转化等规律也是多样化的，但本质上又是统一的。物理规律的这种多样统一性而产生美感称为物理学的多样统一美。如牛顿运动力学把地上的和天上的所有低速宏观运动的规律统一起来；麦克斯韦电磁理论把光、电、磁统一起来；爱因斯坦广义相对论把引力、空间、物质联系起来；德布罗意将微观粒子的波动性与粒子性统一起来，这些都会使人们感

8、到一种多样统一的美感。以上是笔者从物理理论和规律方面介绍了物理科学中存在的美学特征，除些之外，我们还可以从物理学史的教学中渗透美学教育，主要给学生介绍一些物理规律的发现和建立主要是因为物理学界的先驱们始终坚信自然界是简单的、和谐的、对称的和统一的，而且可以用最简单的数学语言描述，像哥白尼为什么要提出“日心说”、法拉第为什么会预言“磁生电”、安培为什么会提出“分子环流假说”、狄拉克为什么会预言正电子的存在、还有像“暗物质”的提出等等，都可以说明物理科学是美的，人们正是为了追求物理科学中的美才建立起了现在的物理理论体系。参考文献：1、教学美学张相轮 钱振勤著. 江苏教育出版社. 19982、物理学方法论张宪魁 王欣主编. 西安人民教育出版社. 19922、自然科学美学徐辅新 程民治著. 安徽教育出版社. 1992此论文发表于中学物理：高中版2009年 第9期2