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1、杂谈物理学与美学第1页，本讲稿共19页何为美学?我想我想,对于物理学是什么这个问题对于物理学是什么这个问题,就不必再解释了就不必再解释了.而而对于美学是什么这个问题对于美学是什么这个问题,几百年来几百年来,又一直争论不休又一直争论不休.在在此也只能胡乱的自己给下一个定义此也只能胡乱的自己给下一个定义.在我看来在我看来,美学是使美学是使人体会到美人体会到美,并揭示美的一种学问并揭示美的一种学问.而在这一点上而在这一点上,物理物理学的很多定律学的很多定律,很多结论又恰恰符合美学的基本要求很多结论又恰恰符合美学的基本要求.因此因此,从根本上来说从根本上来说,物理学要算是美学的一个分支物理学要算是美学
2、的一个分支.正正是这个分支是这个分支,让这个本来就奇妙无比的宇宙显得更加奇让这个本来就奇妙无比的宇宙显得更加奇妙妙,更加美更加美!下面下面,就让我们一起漫游在这个美妙无比的就让我们一起漫游在这个美妙无比的宇宙中吧宇宙中吧!第2页，本讲稿共19页物理学中的对称美宏观物理世界的对称宏观物理世界的对称性性老师常说老师常说:”:”学物理要培养物理直观的能力学物理要培养物理直观的能力,而对于可视的而对于可视的,可感觉的宏观世界可感觉的宏观世界.凭我们在日常生活中的直观感觉凭我们在日常生活中的直观感觉,就可就可以认定我们生活的世界是左右对称的以认定我们生活的世界是左右对称的.否则否则,试想试想.我们的世我
3、们的世界不左右对称了界不左右对称了,有一个人刚好处在不对称的区域之中有一个人刚好处在不对称的区域之中,假设假设其他所有条件相同其他所有条件相同.设想他同时同地向左右各抛一小设想他同时同地向左右各抛一小球球,那么那么,由于空间不满足左右对称性由于空间不满足左右对称性.则小球在抛体运动则小球在抛体运动中的左右水平位移并不相同中的左右水平位移并不相同!这就破坏了那种对称美这就破坏了那种对称美,给人给人带来不和谐的感觉带来不和谐的感觉.甚至因为可恶的左右不对称原理甚至因为可恶的左右不对称原理,本本来会相当精彩的比赛因为自然而非人为的条件不同而来会相当精彩的比赛因为自然而非人为的条件不同而变得索然无味变
4、得索然无味.当然当然,在这个例子中我们只是认为两个在这个例子中我们只是认为两个小球所处的外界物理环境相同小球所处的外界物理环境相同.水平位移不相同的真正原水平位移不相同的真正原因可能正是由于小球所处的外界物理环境不同造成的因可能正是由于小球所处的外界物理环境不同造成的.只不过只不过是我们在人为假设物理环境相同之后是我们在人为假设物理环境相同之后,才推出空间才推出空间的左右不对称的左右不对称.第3页，本讲稿共19页宏观物理世界蕴涵的的哲学美这正如爱因斯坦提出相对论的原这正如爱因斯坦提出相对论的原因一样因一样,我们首先得承认我们生活我们首先得承认我们生活的这个世界本身是完美的的这个世界本身是完美的
5、,对称对称的的.基于我们对造物主的信任基于我们对造物主的信任.我我们在不断的认识这个世界的时们在不断的认识这个世界的时候候,可能会得出很多荒谬的背离可能会得出很多荒谬的背离美的结论美的结论.我们试图提出更深层我们试图提出更深层次的理论以弥补原有理论的不次的理论以弥补原有理论的不足足,简言之简言之.我们的科学研究我们的科学研究其实在无形中早已选取了其实在无形中早已选取了”参考系参考系”,我们众多杰出英才的我们众多杰出英才的工作其实就是在这个总框架下不工作其实就是在这个总框架下不断发现物理学的美的过程断发现物理学的美的过程.而这本而这本身正是学物理身正是学物理,研究物理的乐趣研究物理的乐趣所在所在
6、.这一切又都归结到哲学层这一切又都归结到哲学层面上的世界和谐面上的世界和谐.第4页，本讲稿共19页物理学家对美的追求由于物理学家们坚信美由于物理学家们坚信美的存在的存在,就有了一系列就有了一系列的探索的探索.其中最有名其中最有名的当推人们对大统一的当推人们对大统一理论的追求理论的追求,以寻求力以寻求力的统一的统一.当我们在为当我们在为万有引力与库仑力万有引力与库仑力两个看似毫不相干两个看似毫不相干的力均与距离的的的力均与距离的的平方成反比惊叹时平方成反比惊叹时,我们不得不被大自然我们不得不被大自然的神奇所吸引的神奇所吸引!第5页，本讲稿共19页诺特尔定理证明了对称操作与诺特尔定理证明了对称操作
7、与守恒定律的联系，对称意味着守恒定律的联系，对称意味着操作使对象前后状态等价，也操作使对象前后状态等价，也就意味着该操作中一定隐含有就意味着该操作中一定隐含有某个合作用为零，也就意味着某个合作用为零，也就意味着某个物理量在该过程前后守恒某个物理量在该过程前后守恒 举例，空间旋转对称举例，空间旋转对称(各向同各向同性性)对应着角动量守恒对应着角动量守恒:如图：如图：一对粒子一对粒子OO与与A A，固定，固定OO，将将A A沿圆弧沿圆弧S S移到移到AA，互相，互相势能改变势能改变U U（FOAFOA）.S S，而按旋转知而按旋转知UOAUOAUOAUOA，U U0 0，则力的切，则力的切向分量向
8、分量FOar=0FOar=0，即，即OO、A(A)A(A)的作用只能在质心连线上，的作用只能在质心连线上，因而合力矩为因而合力矩为0 0，角动量守，角动量守恒。恒。第6页，本讲稿共19页关于相对论，爱因斯坦是如何进行对称性关于相对论，爱因斯坦是如何进行对称性思维的呢？思维的呢？(1)(1)面对著名的迈克尔逊莫雷实验结果：面对著名的迈克尔逊莫雷实验结果：既然可以讨论究竟有没有绝对空间，那么也既然可以讨论究竟有没有绝对空间，那么也就可以讨论究竟有没有绝对时间；有没有绝就可以讨论究竟有没有绝对时间；有没有绝对的空间对时间的变化率对的空间对时间的变化率绝对速度。绝对速度。(2)(2)既然对于两惯性系，
9、所有力学规律既然对于两惯性系，所有力学规律都是等价的，那么对于两惯系是否所有物都是等价的，那么对于两惯系是否所有物理规律也是等价的？理规律也是等价的？(3)(3)对于两个惯性系，所有力学规律经伽对于两个惯性系，所有力学规律经伽利略变换是对称的，那么同样对于两惯性利略变换是对称的，那么同样对于两惯性系，所有物理规律要经过什么样的变换才系，所有物理规律要经过什么样的变换才也是对称的呢？也是对称的呢？(4)(4)一惯性系的物理规律可以等价于另一一惯性系的物理规律可以等价于另一惯性惯性第7页，本讲稿共19页系，那么一个加速系的物理规律又何以等价系，那么一个加速系的物理规律又何以等价于一个什么体系呢？于
10、一个什么体系呢？(5)(5)两惯性系的物理规律的对称性可两惯性系的物理规律的对称性可通过洛仑兹变换，那么一个加速系与一通过洛仑兹变换，那么一个加速系与一个引力场系的物理规律的等价又应该通个引力场系的物理规律的等价又应该通过什么变换呢？过什么变换呢？(6)(6)即然广义的操作能使加速参考系系即然广义的操作能使加速参考系系与引力场对称，那么当然我们如果要了解与引力场对称，那么当然我们如果要了解重力对电磁学的影响，或是黑洞附近的物重力对电磁学的影响，或是黑洞附近的物理学，只要做个假想实验，回答已知的物理学，只要做个假想实验，回答已知的物理学规律在作匀加速运动的观察者看来会理学规律在作匀加速运动的观察
11、者看来会是什么样的就可以了，而不必去黑洞旅行是什么样的就可以了，而不必去黑洞旅行第8页，本讲稿共19页 “ifsuchasymmetyisifsuchasymmetyisindeedfound,theindeedfound,thequestioncouldstillbequestioncouldstillberaisedwhetherthereraisedwhethertherecouldnotexistcouldnotexistcorrespondingcorrespondingelementaryparticleselementaryparticlesexhibitingoppositee
12、xhibitingoppositesymmetry,suchthatinsymmetry,suchthatinthebroadersensetherethebroadersensetherewillstillbeoverallrightwillstillbeoverallrightleftsymmetry.”leftsymmetry.”“如果发现了这种不对称如果发现了这种不对称,那么我们又要问那么我们又要问,是否相应是否相应地还存在着另一种表象相地还存在着另一种表象相反不对称的基本粒子行为反不对称的基本粒子行为,从而在更广泛的意义上从而在更广泛的意义上,仍仍然保持着总的左右对称然保持着总的左右
13、对称.”-.”-杨振宁杨振宁,李政道李政道 第9页，本讲稿共19页力学的大统一牛顿的力学和万有引牛顿的力学和万有引力定律，是物理学力定律，是物理学力学上的第一次大力学上的第一次大的统一，使得打破的统一，使得打破了天地的界限，找了天地的界限，找到了两个世界的巧到了两个世界的巧妙而又完美的统一妙而又完美的统一爱因斯坦提出广爱因斯坦提出广义相对论使得引力义相对论使得引力理论与麦克斯韦电理论与麦克斯韦电磁理论统一磁理论统一第10页，本讲稿共19页宇宙的美宇宙中的天体运动符宇宙中的天体运动符合与地面上的物体运合与地面上的物体运动相同的物理规律动相同的物理规律但由于宇宙的宇宙环但由于宇宙的宇宙环境复杂，天
14、体的质量境复杂，天体的质量巨大等原因，造成了巨大等原因，造成了一系列壮阔的物理奇一系列壮阔的物理奇观！物理学在宇宙问观！物理学在宇宙问题的研究上能让所有题的研究上能让所有人都感觉到原来物人都感觉到原来物理的世界是如此的曼理的世界是如此的曼妙！妙！第11页，本讲稿共19页总之，物理世界的统一性让人感到可怕客观物质世界总之，物理世界的统一性让人感到可怕客观物质世界尽管丰富多彩，但是其本质上具有统一性。那么描述和尽管丰富多彩，但是其本质上具有统一性。那么描述和揭示客观世界的物理现象及物理规律的物理学也是具有揭示客观世界的物理现象及物理规律的物理学也是具有统一性的，它显示出一种崇高的美。诚如爱因斯坦所
15、说：统一性的，它显示出一种崇高的美。诚如爱因斯坦所说：“从那些看来直接可见的真理十分不同的各种复杂的现从那些看来直接可见的真理十分不同的各种复杂的现象中认识到它们的统一性，那是一种壮丽的感觉。象中认识到它们的统一性，那是一种壮丽的感觉。”因因此，追求理论的统一性，也就成为物理学大师们坚定不此，追求理论的统一性，也就成为物理学大师们坚定不移的信念和始终不谕的目标。正如物理学上电和磁的统移的信念和始终不谕的目标。正如物理学上电和磁的统一理论一理论麦克斯韦理论。爱因斯坦为相互作用统麦克斯韦理论。爱因斯坦为相互作用统一耗尽了后半生精力，而电磁作用与弱相互作用的统一耗尽了后半生精力，而电磁作用与弱相互作
16、用的统一，导致了许许多多的物理学家致力于规范场理论，一，导致了许许多多的物理学家致力于规范场理论，其目的正是为了谋求引力、电磁力、强相互作用、弱其目的正是为了谋求引力、电磁力、强相互作用、弱相互作用的大统一理论。相互作用的大统一理论。第12页，本讲稿共19页第13页，本讲稿共19页物理美的和谐性同时，物理美本身表现出可怕的和谐性同时，物理美本身表现出可怕的和谐性物理学的和谐性主要表现在其学科自身内物理学的和谐性主要表现在其学科自身内容协调和形式匀称，而且与其他认识体系容协调和形式匀称，而且与其他认识体系是相容的、一致的。理论的各个部分以及是相容的、一致的。理论的各个部分以及各种理论之间的和谐、
17、形式的对称，无疑各种理论之间的和谐、形式的对称，无疑能给人一种和谐的美感。电磁波与光理论、能给人一种和谐的美感。电磁波与光理论、引力平方反比作用与电荷相互作用的库仑引力平方反比作用与电荷相互作用的库仑平方律、费尔马原理在力学和光学理论中平方律、费尔马原理在力学和光学理论中的和谐、质能关系反映的质量、能量之间的和谐、质能关系反映的质量、能量之间的统一性等都存在这种美感的统一性等都存在这种美感 第14页，本讲稿共19页物理美的简洁性再次，终极物理规律到最后都简洁，明朗再次，终极物理规律到最后都简洁，明朗.当当人们一次又一次的修补人们一次又一次的修补“以太以太”理论时理论时.爱爱因斯坦的相对论几乎解
18、释了当时所有的因斯坦的相对论几乎解释了当时所有的甚至是自相矛盾的理论全部加起来才能甚至是自相矛盾的理论全部加起来才能解释的问题！科学的简单性在古代自然解释的问题！科学的简单性在古代自然哲学家以及近代科学家的永不休止追求哲学家以及近代科学家的永不休止追求中得到了充分体现，简单性揭示了科学中得到了充分体现，简单性揭示了科学的质朴美。的质朴美。第15页，本讲稿共19页物理美的逻辑性物理学所用的语言除了物理表述以外，绝大多数物理学所用的语言除了物理表述以外，绝大多数理论的思维中用了数学语言，具有逻辑性。数学理论的思维中用了数学语言，具有逻辑性。数学有简炼、严密、精确、理想化等特点，这就使得有简炼、严密
19、、精确、理想化等特点，这就使得物理学有可能从实验物理转向理论物理。在物理物理学有可能从实验物理转向理论物理。在物理理论中，物理规律用数学语言描述以后具有形式理论中，物理规律用数学语言描述以后具有形式上的规范性、协变性，从内容上本质更突出、更上的规范性、协变性，从内容上本质更突出、更明了，这种表述给人以简洁的美、协调的美。它明了，这种表述给人以简洁的美、协调的美。它是在数学基础上反映了物理世界内部的和谐、统是在数学基础上反映了物理世界内部的和谐、统一和简单。利用数和形来描述自然是许多伟大科一和简单。利用数和形来描述自然是许多伟大科学家的出发点，用数和形来统一客观世界是否能学家的出发点，用数和形来
20、统一客观世界是否能够实现？似乎过于简单化了些，但也不是没有道够实现？似乎过于简单化了些，但也不是没有道理。理。第16页，本讲稿共19页物理美的预见性冒昧的加上最后这一点冒昧的加上最后这一点:预见性预见性.预见性是科学美的又一重预见性是科学美的又一重要表现，由于客观世界发展是有规律可循的，具有一定要表现，由于客观世界发展是有规律可循的，具有一定的必然性，或者说在一定程度上具有客观的规定性（因的必然性，或者说在一定程度上具有客观的规定性（因果性），所以描述客观世界发展规律的科学就具有这种果性），所以描述客观世界发展规律的科学就具有这种特性，这在数学上反映为物理规律满足一定的数学物理特性，这在数学上
21、反映为物理规律满足一定的数学物理方程以及满足一定的统计规律，同时事物的规定性又反方程以及满足一定的统计规律，同时事物的规定性又反映了物理内涵与形式的相互联系、相互统一。如爱因斯映了物理内涵与形式的相互联系、相互统一。如爱因斯坦的诸多理论：时空对称性与力学守恒律，即关于时间坦的诸多理论：时空对称性与力学守恒律，即关于时间反演对称性对应能量守恒，空间平移对称性对应动量守反演对称性对应能量守恒，空间平移对称性对应动量守恒，空间转动对称性对应角动量守恒以及空间反演对称恒，空间转动对称性对应角动量守恒以及空间反演对称性对应宇称守恒（不过宇称守恒在弱相互作用下被破坏性对应宇称守恒（不过宇称守恒在弱相互作用下被破坏了）。了）。第17页，本讲稿共19页第18页，本讲稿共19页参考资料：教育理论与实践2005年第7期等第19页，本讲稿共19页