韓鋒

（濟(jì)寧學(xué)院 物理與信息工程系，山東 曲阜 273155）

淺析物理學(xué)的美學(xué)特性與物理學(xué)素質(zhì)培養(yǎng)的關(guān)系

韓鋒

（濟(jì)寧學(xué)院 物理與信息工程系，山東 曲阜 273155）

物理學(xué)中的美學(xué)特性主要體現(xiàn)為物理規(guī)律的和諧與自洽統(tǒng)一，物理概念的新奇及其數(shù)學(xué)描述的簡單、對稱等，并據(jù)此分析了薛定諤方程中所蘊涵的物理美.在大學(xué)課堂里滲透物理美學(xué)教育,令物理美感與知識傳授產(chǎn)生“諧振”效應(yīng)，將使學(xué)生的觀察與實驗?zāi)芰Α⒗斫馀c邏輯思維能力、運用數(shù)學(xué)工具的能力及創(chuàng)造能力得到培養(yǎng)和鍛煉.

物理美；科學(xué)美學(xué)；薛定諤方程；科學(xué)素質(zhì)

在科學(xué)發(fā)展的歷史長河中，處處滲透著科學(xué)的美學(xué)思想，且科學(xué)愈是進(jìn)步，科學(xué)美的光輝愈燦爛，科學(xué)美學(xué)思想的作用越不容忽視.物理學(xué)固然不是美學(xué)，但物理學(xué)中包含著美，這種美可稱為物理美，它主要體現(xiàn)為物理學(xué)中所蘊涵的自然界中豐富多彩的運動形式、相關(guān)規(guī)律及其同時展現(xiàn)的結(jié)構(gòu)上的對稱、和諧與韻律美.物理學(xué)所描述的對象是非常廣泛的，因而它的美也在多方面有所體現(xiàn).從浩瀚無邊的宇宙到微觀世界的基本粒子，無不是物理學(xué)家的研究對象；從星系到夸克，全部都遵循著基本的物理規(guī)律.因此本文結(jié)合美學(xué)的基本原則以及科學(xué)美的評價和判斷標(biāo)準(zhǔn)，從以下幾方面來欣賞物理世界的美.

1 物理學(xué)中的美學(xué)特性

1.1 物理美的和諧性

物理美的和諧性是指物理理論的和諧性、理論體系的邏輯自洽性及各種守恒性.首先作為物理研究對象的客觀物質(zhì)世界是和諧的.在微觀領(lǐng)域中，原子世界是一個有序的和諧的世界，核外電子繞核運動，分子間存在相互作用力；在宏觀領(lǐng)域中，如晶體是一種典型的有序的和諧結(jié)構(gòu)，若干平面圍成的多面體具有規(guī)則的外形，其各個幾何平面之間的夾角固定不變.其次，作為客觀物質(zhì)世界反映的物理學(xué)理論是和諧的、內(nèi)在自洽的.物理中的經(jīng)典牛頓力學(xué)的和諧性就表現(xiàn)在一種高度統(tǒng)一的“邏輯美”上，牛頓用歸納法獲得了力學(xué)的有關(guān)基本概念和三大運動定律，又用演繹法從這些基本概念和定律出發(fā)，構(gòu)建起整座完美和諧的科學(xué)大廈.而物理中由物理概念、規(guī)律、公式這些抽象的方法去描述一個完整的、有秩序、有規(guī)律的物理世界的完美和諧的圖景，如振動圖象、波動圖象、氣體性質(zhì)圖象、導(dǎo)體的伏安特性曲線、交流電的圖象等等數(shù)不勝數(shù)，比比皆是.

1.2 物理美的新奇性

物理學(xué)的新奇之美主要是指物理理論及其研究方法的奇異之美.理論的新奇特征來源于科學(xué)思想的獨創(chuàng)性和科學(xué)方法的新穎，也可以把新奇看作科學(xué)理論的奇異性.奇異與和諧是對立的統(tǒng)一，即一個新出現(xiàn)的和諧的理論總包含著某種奇異，而奇異的思想內(nèi)容只有具備和諧性才能顯現(xiàn)出新奇美.如在相對論宇宙學(xué)之前，光度佯謬和引力佯謬一直是傳統(tǒng)宇宙論中不協(xié)調(diào)的因素.現(xiàn)代宇宙學(xué)根據(jù)物理學(xué)中已有的成熟理論得出了標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型，設(shè)想了宇宙極早期的高溫高密狀態(tài)，計算了宇宙演化的大致過程.這個理論同高能物理學(xué)、熱力學(xué)、統(tǒng)計物理學(xué)等分支的相關(guān)銜接上表現(xiàn)出相當(dāng)好的和諧性，在同觀測實驗系統(tǒng)的聯(lián)系中也獲得了一些強有力的支持.所有這些，大大增強了標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)理論的美學(xué)吸引力.再如德布羅意的物質(zhì)波、時鐘的延緩、光線的彎曲等等，都使當(dāng)時的科學(xué)界為之驚愕，無不使人們在驚奇之余產(chǎn)生奇異而和諧的美感.

1.3 物理美的簡單性

物理學(xué)的簡單性并不是指物理內(nèi)容本身簡單，而是一個簡單的公式包涵極其深刻的內(nèi)容.一個理論的假設(shè)條件很少，而概括的經(jīng)驗事實或演繹出的推論卻很多.如利用物理量的矢量表示及運算，牛頓用∑Fi=m a這一簡捷的公式建立了“經(jīng)典力學(xué)”大廈；愛因斯坦用兩條基本假設(shè)創(chuàng)立了狹義相對論，揭示了質(zhì)量和能量的統(tǒng)一性，正如他所說：“要通過最少個數(shù)的原始概念和原始關(guān)系的使用來達(dá)到科學(xué)的目的”.物理學(xué)與數(shù)學(xué)的結(jié)合構(gòu)成了物理學(xué)的簡單美.

1.4 物理美的統(tǒng)一性

客觀物質(zhì)世界盡管豐富多彩，但是其本質(zhì)上具有統(tǒng)一性.那么描述和揭示客觀世界的物理現(xiàn)象及物理規(guī)律的物理學(xué)也是具有統(tǒng)一性的，它顯示出一種崇高的美.誠如愛因斯坦所說：“從那些看來直接可見的真理十分不同的各種復(fù)雜的現(xiàn)象中認(rèn)識到它們的統(tǒng)一性，那是一種壯麗的感覺.”因此，追求理論的統(tǒng)一性，也就成為物理學(xué)大師們堅定不移的信念和始終不諭的目標(biāo).正如物理學(xué)上電和磁的統(tǒng)一理論——麥克斯韋理論.愛因斯坦為相互作用統(tǒng)一耗盡了后半生精力，而電磁作用與弱相互作用的統(tǒng)一，導(dǎo)致了許許多多的物理學(xué)家致力于規(guī)范場理論，其目的正是為了謀求引力、電磁力、強相互作用、弱相互作用的大統(tǒng)一理論.

1.5 物理美的對稱性

由于物質(zhì)世界是處處有對稱的，既有鏡對稱、軸對稱、點對稱這樣的空間對稱，也有周期、節(jié)奏、旋律這樣的時間對稱，還有與時空坐標(biāo)無關(guān)的更復(fù)雜的對稱，因而，作為研究物質(zhì)世界最基本的運動和結(jié)構(gòu)的物理理論，自然會浸透著圓滿、勻稱的對稱之美.1916年諾特提出一個著名定理,給探尋作用量的形式帶來了曙光.諾特定理說:作用量的每一種對稱性都對應(yīng)一個守恒定律,對稱和守恒這兩個重要概念是緊密地聯(lián)系在一起的.如對應(yīng)于空間均勻性有動量守恒定律,對應(yīng)于空間的各向同性有角動量守恒定律,對應(yīng)于時間平移對稱性有能量守恒定律,對應(yīng)于空間反演對稱的有宇稱守恒定律,對應(yīng)于量子力學(xué)相移對稱的有電荷守恒定律等等.在經(jīng)典力學(xué)中,我們所熟悉的這種對應(yīng)關(guān)系是:時間平移對稱性(時間平移不變性)對應(yīng)于能量守恒;空間旋轉(zhuǎn)對稱性(空間各向同性)對應(yīng)于角動量守恒.諾特定理引導(dǎo)物理學(xué)家們?nèi)ふ倚骂I(lǐng)域中的守恒定律和守恒量,由此確定其中的對稱性,從而獲得作用量的形式和基本定律;反過來,如果知道了使一個給定的作用量保持不變的對稱變換,從而就可以知道相應(yīng)的守恒定律和守恒量，這樣使得物理學(xué)的基礎(chǔ)研究有法可循而變得富有成效.在整個物理理論的發(fā)展過程中你會發(fā)現(xiàn)對稱性所起的重要作用,對稱則統(tǒng)一,統(tǒng)一則簡單,簡單便和諧,它們構(gòu)成了物理學(xué)的美學(xué)準(zhǔn)則：物理學(xué)之美便是:對稱、簡單、和諧、統(tǒng)一.

2 薛定諤方程中所展現(xiàn)的物理美

在物理學(xué)發(fā)展的每一個階段，隨處都可以找到出自物理學(xué)家之手的美的創(chuàng)造，物理學(xué)家對美的追求在物理理論的發(fā)現(xiàn)、發(fā)展中起著十分重要的推動作用.下面介紹薛定諤對物理美的追求及薛定諤方程的美.

薛定諤對原子和電子運動的數(shù)學(xué)描述稱為波動力學(xué)，其研究是從批評波爾理論的不美開始的.他認(rèn)為，作為電子運動完美的數(shù)學(xué)理論，它所應(yīng)用的數(shù)學(xué)方法必須由電子運動本身按自然方式產(chǎn)生量子數(shù)，而不是象波爾那樣直接從外部把這些量子數(shù)注入到數(shù)學(xué)理論中去.薛定諤從畢達(dá)哥拉斯的科學(xué)美學(xué)思想中得到啟發(fā).畢達(dá)哥拉斯發(fā)現(xiàn)音樂和數(shù)之間有一種奇特的關(guān)系.一根振動著的弦，實際上包含著薛定諤所尋求的那種正整數(shù)的序列.如果我們把這根弦的兩端連接在一起，那么振動著的弦就會形成一個振動的圓環(huán).這個振動的圓環(huán)必定是整數(shù)的波長.這實際上就是波爾的電子軌道條件.薛定諤決意根據(jù)這種科學(xué)美學(xué)見解，創(chuàng)造一種原子理論.結(jié)果，他求得了電子的波動方程：

在這個方程中，m、E、V體現(xiàn)著電子的微粒性，ψ(r)則體現(xiàn)為電子的波動性，方程把電子的波粒二象性完美地統(tǒng)一起來了.該方程的簡單明了，使它具有很高的美學(xué)價值，代表著量子力學(xué)的巨大進(jìn)步.從形式上看，因為波動力學(xué)所使用的數(shù)學(xué)工具是偏微分方程，這是物理學(xué)家比較熟悉和容易掌握的數(shù)學(xué)工具，不像海森伯的矩陣那樣陌生，所以波動力學(xué)比起矩陣力學(xué)來更顯示出它的美來.

薛定諤在物理美學(xué)上的貢獻(xiàn)還在于，他論證了量子力學(xué)的統(tǒng)一性.在量子力學(xué)發(fā)展史上，存在兩種不同的理論路線，一條受到哈密頓波動動力學(xué)的啟發(fā)，另一條受到哈密頓質(zhì)點動力學(xué)的啟示.薛定諤認(rèn)為，只要把哈密頓方程中的p，轉(zhuǎn)換成算符，這兩條理論路線的統(tǒng)一性就可以完美地解決.薛定諤設(shè)p、q是兩個算符，經(jīng)過適當(dāng)?shù)呐帕?，輕而易舉地得出了海森堡矩陣所引出的方格表.由于薛定諤方程所描繪的波動圖景在數(shù)學(xué)上更易處理，所以顯得更美一些.

薛定諤的科學(xué)美學(xué)思想，還表現(xiàn)在對量子力學(xué)和相對論的結(jié)合中所作的貢獻(xiàn)上.他在一篇簡短的非正式的筆記中，詳細(xì)討論了幾何學(xué)在微觀世界的不適用性，為美和美感的同構(gòu)關(guān)系尋找了微觀世界的根據(jù).相對論和量子力學(xué)的統(tǒng)一是當(dāng)代最重大的理論問題之一，是具有薛定諤這樣科學(xué)地位的人必定要研究的一個美學(xué)問題.薛定諤嘗試著對這個美學(xué)問題作了多種形式化的表述，使這個或那個幾何量對稱或不對稱.雖然薛定諤后來也沒有完成這種統(tǒng)一的工作，但是他的科學(xué)美學(xué)探索和美感直覺始終給人們留下了深刻的印象.

3 物理美學(xué)思想的滲透與物理學(xué)素質(zhì)的培養(yǎng)

物理學(xué)家對物理學(xué)的探索過程，就是對物理美學(xué)的創(chuàng)造、鑒賞、再創(chuàng)造的過程.物理學(xué)的美是客觀存在的.與一般事物外在的感性形態(tài)美不同，物理學(xué)的美主要是指理性美，它融合了與物理學(xué)有關(guān)的自然科學(xué)以及與人類思想、社會歷史發(fā)展有關(guān)的文、史、哲的多學(xué)科知識，是一門自然科學(xué)、人文科學(xué)、社會科學(xué)、思維科學(xué)等緊密交叉滲透的知識體系，所以對物理美的探究定會在科學(xué)素質(zhì)教育中發(fā)揮重要作用.

科學(xué)素質(zhì)教育是當(dāng)今世界范圍內(nèi)科學(xué)教育改革的主導(dǎo)方向，而科學(xué)素質(zhì)的培養(yǎng)是寓于各學(xué)科教育之中的.對年輕一代進(jìn)行科學(xué)素質(zhì)培養(yǎng)與教育的主要場所是學(xué)校，學(xué)校教育承擔(dān)著提高學(xué)生科學(xué)素質(zhì)的重任，物理教育是從基礎(chǔ)教育到高等教育的教育系統(tǒng)中的一個子系統(tǒng).在這樣的時代，將物理美學(xué)思想引入到物理教學(xué)中被賦予了新的內(nèi)容、特殊的使命，它不單是對大學(xué)生進(jìn)行物理知識的傳授，它已成為培養(yǎng)大學(xué)生科學(xué)素質(zhì)的重要手段和重要途徑.在課堂教學(xué)中滲透科學(xué)美學(xué)思想，即是用物理美學(xué)的對稱、和諧、簡潔、統(tǒng)一、奇異的原則對大學(xué)物理的相關(guān)內(nèi)容作進(jìn)一步的詮釋，適時地引進(jìn)課堂教學(xué)之中，讓學(xué)生在增進(jìn)知識的同時，感受物理美的各種意境，令物理美感與知識傳授產(chǎn)生“諧振”效應(yīng)，從而使學(xué)生的觀察與實驗?zāi)芰?、理解與邏輯思維能力、運用數(shù)學(xué)工具的能力及創(chuàng)造能力得到培養(yǎng)和鍛煉.

將物理學(xué)史引進(jìn)物理課堂教學(xué)中的研究已非常普遍，但對將物理美學(xué)思想引入大學(xué)物理課堂中的研究則相對較少，隨著大學(xué)物理教材改革的不斷深入，已有部分教材滲透了科學(xué)美育的相關(guān)內(nèi)容，如李元杰《大學(xué)物理學(xué)》、趙凱華《新概念物理學(xué)教程》等.但要將物理美學(xué)思想完全滲透到大學(xué)課堂，無論從理念上還是從研究措施及其力度上，都還有一定的差距.主要表現(xiàn)在：（1）教育的主、客體對科學(xué)美和科學(xué)素質(zhì)教育聯(lián)系的必然性尚有認(rèn)知上的誤區(qū)；（2）當(dāng)前使用的大學(xué)物理課程教材對科學(xué)美學(xué)思想的引入不足，從而使得學(xué)生的學(xué)習(xí)變成簡單公式的堆積；（3）教師對在課堂教學(xué)中滲透物理美學(xué)思想缺乏主動性.

總之,在大學(xué)課堂里適時地滲透物理美學(xué)教育,在傳授物理知識的同時進(jìn)行物理美學(xué)思想教育，將會對培養(yǎng)與提高科學(xué)素質(zhì)起到積極的促進(jìn)作用.

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