谈物理学的统一美
《美与物理学》观后感
杨振宁博士是大家熟知的诺贝尔奖金获得者，举世闻名的物理学家。
近三百年来，物理学上留下九个划时代的里程碑般的方程式，涉及十二位科学家。
这十二位科学家至今还健在的就是杨振宁和他的学生密尔斯，而划时代的九个物理方程式中的第九个就是杨振宁和密尔斯的共同场。
如果再考虑杨振宁还有获得诺贝尔奖金的宇宙不守恒定律，那么杨振宁理所当然是当代物理学的泰斗了。
然而，这只是一面，许多人并不知道杨振宁对音乐、诗歌、绘画等艺术方面也有极高的造诣。
这篇妙笔生花的《美与物理学》，虽然是管中窥豹，但确实可以让我们领略他在人文素质方面的风采。
本世纪初，是物理学界人才荟萃，群英辈出的年代，是一个窥视宇宙奥秘翻天覆地的创新年代。
不仅涌现一批著名的物理学家，而且都有鲜明的个性与风格，比如狄拉克。
杨振宁博士一直想把他的风格写给文、史、艺术方面的朋友们看，但不知如何下笔。
一次偶然看到香港大众报上的一篇文章，其中引用了高适《答侯少府》的两句诗：“性灵出万象，风骨超常伦”，觉得非常高兴，认为用这两句话来描述狄拉克方程和反粒子理论再合适不过了，于是写了这篇文章。
他在这篇文章中指出，每个科学家的研究都是有风格的，正如一位音乐家听到几个音节后，就能辨认出莫扎特、贝多芬或舒伯特的音乐。
同样，一位数学家或物理学家也能在读了数页文字后辨认出柯西、高斯、雅可比或克尔期豪夫的工作。
这是因为，他以物理学为例，物理学的原理有它的结构。
这个结构有它的美和妙的地方。
而各个物理学工作者，对于这个结构不同的美和妙的地方，有不同的感觉。
所以，他会形成自己的风格。
从这个观点出发，他认为狄拉克的文章有一种“秋水文章不染尘”的清新，有一种充满数学的简洁美和逻辑美，“独抒性灵，不拘格套”是他的风格。
而海森伯的文章有惊人的独创性，但朦胧有渣滓。
因为狄拉克的灵感来自对数学美的直觉欣赏，而海森伯的灵感来自实验物理和唯象物理。
他认为牛顿的运动方程、麦克斯韦方程、爱因斯坦狭义与广义相对论方程、狄拉克方程、海森伯方程和其他五、六个方程是物理学理论架构的骨干，可以说它们是造物者的诗篇。
物理之美
物理之美教学目标：让学生掌握学习物理的方法教学难点：物理比较抽象，学生难理解教学过程：一，物理之美谈到美，联想到自然美和艺术美，而对科学美，大多数人则不易感受到，这是因为科学美与艺术美是两种不同形式的美，从美学的角度来讲，一种是事物外在形式所呈现的美，如自然景色的美，音乐的美，雕塑的美，绘画的美，建筑物的美等。
另一种是事物内在结构的和谐而具有的美，这种美比较抽象，是要经过大脑整理、加工形成美的意识或美的观点，这是一种较高层次上的审美。
1,简洁美：物理美的简洁性并不是指物理内容本身简单，而是物理理论体系的结构和物理规律的数学表达形式简洁。
爱因斯坦的质能联系方程：E=mc2反映质量与能量之间的联系，指导人们认识核反应的规律，并为获得巨大能量提供了理论基础。
2,统一美：物理所研究的是从不同事物运动变化的多样性中找出它们的内在联系和共性，这也就是科学美中的统一美。
例如，描述宏观物体机械运动的概念、定理、定律是各种各样的，表面并不相关，牛顿力学却能把地上的和天上的所有物体的机械运动的规律都统一起来；麦克斯韦的电磁理论，又把表象完全不同的电、磁、光的运动统一了起来，所以牛顿力学理论和麦克斯韦的电磁理论都具有统一美。
3．艺术美：如果说艺术创造美，那么物理也在创造着艺术，它为艺术的创造提供必要的物质基础和一定的理论依据；各种乐器之所以具有不同的音色和韵律，其中物理学的贡献是很大的，尤其是电子乐器和各种音响设备的出现，更能体现这一点。
绘画艺术中色彩的搭配更是离不开物理：国外超现实主义画家利用物理学中光声规律创造艺术品；节日的联欢晚会上，五彩斑烂，变幻莫测场面，更是离不开光，这些都能给人以“艺术美”的享受。
二，物理是什么？物理难在何处？高中物理如何学？物理学是一门基础自然科学，它所研究的是物质的基本结构、最普遍的相互作用、最一般的运动规律以及所使用的实验手段和思维方法。
物理概念是从大量的物理现象和过程中抽象出来的,它更深刻地反映了事物的共同特征和本质属性,因此可以说,概念是浓缩了的知识点物理规律：物理规律反映的是物理概念之间的联系，从这个意义上来说，物理规律是压缩了的知识链。
物理学之科学美赏析
物理学之科学美赏析作者：马丽芹来源：《科技视界》2015年第35期【摘要】物理学家们在探索自然规律的同时，对美有着强烈追求。
本文对物理学中蕴含的科学美即简洁美、对称美、和谐美和统一美做了剖析。
物理学的建立过程也是物理学者追求科学美的过程，他们追求科学美的精神对物理学的发展起着重要的推动作用。
【关键词】物理学；简洁美；和谐美；对称美；统一美The Appreciating and Analysis of the Scientific Beauty in PhysicsMA Li-qin（College of Mathematics and Physics， Qingdao University of Science and Technology，Qingdao Shandong 266061， China ）【Abstract】The physicists have found out the scientific beauty strongly while they have explored the natural laws. The scientific beauty in physics theory was analyzed. The scientific beauty of physics comes down to the beauty of succinctness， symmetry， harmony and unity. The founding process of physics theory is that of scientific beauty was sought by physicists. The spirit that they seek the beauty has driving impellent roles in the physics development.【Key words】Physics； Scientific beauty； Succinct beauty； Symmetrical beauty；Harmonious beauty； Unified beauty物理学是一门揭示物质存在与运动规律的自然科学，物理学中不仅包含着辩证唯物主义的哲理，而且其理论体系中处处体现出科学美的意境。
浅议物理学中的“美”
浅议物理学中的“美”郑玉香【摘要】物理学中的美主要体现在精神美、简洁美、对称美、和谐美、统一美等方面,物理教学工作者要培养学生的审美能力,引导他们自觉地追求科学美。
【关键词】物理美;精神;简洁;对称;和谐;统一“生活中并不缺少美,而是缺少美的发现”,物理教学也是如此。
物理学中美的例证比比皆是,但物理学本身并不是美学,能否把摆在我们面前的物理教材从僵硬的铅字变成闪烁着美的光彩的画册,从抽象的概念、公式变成动人的诗篇,关键要靠教师从教学内容中挖掘出美的因素,并通过美的设计,在课堂教学中充分展示出物理学科的美学特征和美的意境,使学生潜移默化地受到美的熏陶和美的培养。
一、伟大科学家的精神之美在物理学发展过程中,物理学家在探索规律的艰辛旅程中,一方面伴随着对美的追求,另一方面表现出他们精神上的种种美德。
这些都是美学因素,物理学家对美的追求和他们的人生美德,可以启迪学生的智慧,引发学生的兴趣,激励成功的意志,养成他们良好品德。
哥白尼与托勒密“地心说”的决裂,就是他深信完美的理论在数学上应该是“和谐与简单”的。
托勒密为解释天文观测的结果,引入“均轮”“本轮”,使得天文理论又复杂又失真。
因此,在极其困难的情况下,哥白尼不畏艰难险阻,研究三十年,建立了“日心说”。
后来,开普勒深切感受到“日心说”的真,毅然抛弃“地心说”的观点。
电磁学的发展在很大程度上得益于对称美的启示。
法拉第深信电与磁是对称的,他认定既然电能生磁,那么磁也能省电。
他坚持奋斗十年,终于发现了电磁感应现象。
二、简洁之美在千姿百态的物理世界里,尽管各种现象千差万别,但在本质上都可归结为若干基本的物理规律,这就是物理学上的简洁之美。
例如:运动和力的关系,曾经困惑人类几千年,但一旦揭开其面纱,呈现出的关系“F=ma”却如此简单;爱因斯坦的质能方程E=mc2,形式十分简单,内容却极其丰富———用最精炼的语言、最少的符号,揭示了奥妙无比的自然规律,所表现的简洁美令人叹为观止;开普勒行星运动第三定律:R3PT2=常量,其形式如此简单,太阳系中所有行星的运动都符合这一规律,奇妙的“2”和“3”使一切井然有序,开普勒不愧为“天空立法者”的称号。
物理之美
四、对称美。
• 地磁场南北极
• 正电荷与负电荷
• 平面镜成像
• 二力平衡
• 光路可逆
五、守恒美。
• 质量守恒
• 动量守恒 • • 光速不变
六、有序美。
• 光色散
• 太阳系行星 轨道
雪花
• 元素周期表
结束语
• 日升月沉，斗转星移，星河灿烂，天外有 天，这是宇观世界之美； • 山川河流，沧海桑田，百草丰茂，燕舞莺 歌，这是宏观世界之美； • 运动不止，瞬息万变，这是粒子世界之美。
物理之美
这个世界并不缺少美，而是缺 少发现美的
燧人钻木 取火
第一次工业革命（标志
是蒸汽机的发明
）
第三次科技革命以原 子能、电子计算机和 空间技术的广泛应用 为主要标志，第二次工业革（标志： 力的广泛应用即电气时代
物理学美在哪？
• • • • • • 一、多样性的统一美。 二、简单美。 三、和谐美。 四、对称美。 五、守恒美。 六、有序美。
让我们用美的心灵、美的眼睛， 去发现更美的物理世界！
一、多样性的统一美 二、简单美。
• 牛顿方程：F=ma
• 爱因斯坦质能方程式E=mc^2
三、和谐美。
• 匀速运动 • 简谐振动
• 共振（音障是一种物理现象，
• • • • • 当物体（通常是航空器）的速度 接近音速时，将会逐渐追上自己 发出的声波。声波叠合累积的结果， 会造成震波的产生，进而对飞行器 的加速产生障碍，而这种因为音速造成提升速度的障碍称为音障。）
物理学之美
十大最美物理实验
• • • • • • • • • • 米歇尔· 傅科钟摆实验 （排名第十） 卢瑟福发现核子实验 （排名第九） 伽利略的加速度实验 （排名第八） 埃拉托色尼测量地球圆周长 （排名第七） 卡文迪许扭矩实验 （排名第六） 托马斯· 杨的光干涉实验 （排名第五） 牛顿的棱镜分解太阳光 （排名第四） 罗伯特· 米利肯的油滴实验 （排名第三） 伽利略的自由落体实验 （排名第二） 托马斯· 杨的双缝演示应用于电子干涉实验 （排名第一）
物理学之现象美
物理学之现象美
物理学之实验美
物理学是实验科学，实验是物理学的基础。凡物理学 的概念、规律及公式等都是以客观实验为基础的，即物理 理论绝不能脱离物理实验结果的验证。此处所指的实验是 近代科学实验，是有目的地去尝试实践，是对自然的积极 探索。科学家提出某些假设或预见，为对其进行证明筹划 适当的手段和方法，根据由此产生的现象来判断原设计假 设或预见的真与否即为科学实验。从认识主体所起的作用 来看，科学实验同被动的经验、单纯的观察之间有很大的 不同。仅仅停留在观察试验上还不能称为科学实验和方法， 还必须使观察试验和理论研究结合起来。可以说科学实验 是人类文明发展的积极推动力之一
十大最美物理实验
10.米歇尔· 傅科钟摆实验
1851年法国科学家傅科 在公众面前做了一个实验，用 一根长220英尺的钢丝将一个 62磅重的头上带有铁笔的铁球 悬挂在屋顶下，观测记录它前 后摆动的轨迹。发现钟摆每次 摆动都会稍稍偏离原轨迹并发 生旋转。傅科的演示说明地球 是在围绕地轴自转的。在巴黎 的纬度上，钟摆的轨迹是顺时 针方向，30小时一周期。在南 半球，钟摆应是逆时针转动， 而在赤道上将不会转动。在两 极，转动周期是24小时。
物理学中的美，就是一种科学美。 著名物理学家杨振宁先生把物理学之美分为三类：即现 象之美，理论描述之美，理论结构之美。
物理学之美
物理学之美作者：谢小荣来源：《新课程·教研版》2009年第11期我们所处的物质世界,大到宇宙天体,小到微观粒子,尽管零零总总纷繁复杂,但物质之间相互作用、相互依存,遵循各自的运动规律,形成有序、协调、统一的整体,显现出自然规律的和谐、优美。
牛顿力学理论所概括的是宏观低速物体的运动规律;而爱因斯坦在更高的层次上以光速不变和相对性原理为基础,建立了狭义相对论,它反映了高速运动物体的运动规律;量子力学揭示了微观低速物体的运动现象;而现代量子场论、相对论量子力学则考察的是微观高速领域粒子的运动。
这些严密优美的理论体系,不仅具有真理的性质,又具有审美意义。
纵观物理学的整个发展过程,无不包含着一代又一代的科学家对物理学之美的孜孜追求。
爱因斯坦曾经说过:“物理学是至善至美的科学”。
他把物理学之美归纳为:简单、和谐、完善、统一。
他在建立相对论时的整个思考过程即是对“宇宙美”的追求过程。
和谐美、简洁美一直是他衡量物理学理论是否正确的标准。
开普勒坚信上帝是按照完美的数学原则来创造世界的,他以数学的和谐来探索宇宙,不忽视任何一个误差,最终发现了行星运动的统一规律——行星运动定律。
费曼也正是凭着他独特的审美鉴赏力去审视和欣赏牛顿的万有引力定律,麦克斯韦方程和爱因斯坦的相对论所体现的那种完美的结构,感受对称性、守恒定律、最小作用量原理的普遍性;又通过自身的审美直觉去洞察自然界内在的美,创造出了体现过去与未来之间对称性的费曼图,并进而提出了一种新的重整化理论,巧妙地避开了困扰量子场论计算中的发散困难,为量子场论确立了一种标准的理论程序。
物理学所蕴含之美主要包括:对称美、简洁美、和谐美、统一美。
1.对称美由于物理学揭示了自然界物质的存在、构成、运用及其转化等规律的对称性而产生的美感,称为物理学的对称美。
物理学中的对称主要表现为时空对称、数学对称和抽象对称。
时空对称有空间对称、时间对称、时间和空间同时对称三种类型。
时空对称表示物理现象在时空变换下的不变性。
物理中的美
物理中的美马克思说过:“人类是按美的规律去改造世界的。
”有位科学哲人也说过：“美是真理的光辉。
”美不仅是人类所应追求的目标之一, 而且人们还要按照美的规律去认识世界、改造世界。
从科学的角度去认识物理，研究物理，我们将在科学审美中得到飞跃和升华。
物理学作为一门严谨的自然科学，它集合了理论与实验为一体！物理学固然不是美学，但物理学中包含着美。
由于物理学所反映的是自然界丰富多彩的运动形式及规律性，因而它也就同时展现了自然界在结构上的对称、和谐与韵律美。
物理美的主要表现形式是用其具有的性质来表现的，这种表现反映了物理世界、物理学内部的规律性，这就使得这些性质之间具有相互联系，因而没有非常明显的界限，也就是说物理学美蕴涵了对称美，简单美，和谐美的统一。
但是，物理中的美是科学美的一部分，它不同于艺术美那么直观，它不易为人所理解，它需要我们细细斟酌，品味。
1.物理中的简洁美与深刻美简洁美以简单、洁净呈现其美感, 简洁美是科学美的特征之一。
作为反映物体运动变化规律的物理来说,那种最简洁的物理理论最能给人以美的享受。
物理美的简洁性并不是指物理内容本身简单,而是物理理论体系的结构和物理规律的数学表达形式简洁。
物理概念和规律能客观的反映物质世界的属性及其运动变化规律, 所以物理本身的内涵又具有深刻性。
例如, 爱因斯坦的质能联系方程E = mc2 ,其反映的质量与能量之间的联系及其数学表达形式简洁无比, 但却成为指导人们进一步对核反应规律的认识和从核反应中获得巨大能量的基础理论, 从这点讲又是深刻的。
高中时学理科的同学可以比较容易的从原子核质量的变化与释放或吸收能量之间的简洁关联E = mc2 中感悟到物理关系式的简洁美。
再从正负电子相遇“湮灭”成光子,而光子即为能量中,我们又可以体会到 E = mc2 的深刻性和它描述的广泛性。
再如，力的独立作用原理：几个力同时作用在一个物体上,如果所有的力或其中几个力各自都使物体产生相应的加速度,那么,每个力使物体产生的加速度和其余的力不存在一样。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
谈物理学的统一美潘 岳 李林洋 卢晓波（山东大学物理学院 ２５０１００）
【摘 要】当我们谈到科学的时候，总是上到天文，下到原子，津津乐道的谈夸克，心有余悸的谈核辐射，物理，这门神奇的学科，到底靠着什么吸引着大家呢？本文以１９世纪电磁学高速发展的黄金时期中的一位伟大的物理学家麦克斯韦统一电磁理论为主线，从物理学的一个美学特性———统一美来阐述物理学之美，同时在文中感受物理学家的伟大人格。
【关键词】物理学；统一美；电磁理论；麦克斯韦
在物理学中，简单的规律可以概括出大自然中纷繁的现象。
这是大自然的一种神奇的“支配力”，使得一切井井有条。
就连万有引力定律的发现者牛顿（有神论者）也说：“这极其美丽的宇宙系统，只能由于大智大能者的管辖下而产生。
”现在我们应相信这个“大智大能者”就是物理学中的概念和规律。
这种神奇的统一应能用科学的眼光解释，这就是物理学的统一美。
１８、１９世纪是一个电磁学发展的一段黄金时期，在库伦、泊松、戴维、伏打、高斯、奥斯特、欧姆、安培、法拉第等人的共同努力下，电磁学的理论和实验都有了飞跃式的发展。
但当时法拉第开创性的“力场”、“磁力线”等抽象而又缺乏数学依据的概念并不能完全为人们所接受。
就在此时，一位青年物理学家登门拜访了法拉第，决心用自己的数学知识来弥补法拉第理论中的不足。
而这位青年物理学家即将成为电磁学的集大成者。
他就是麦克斯韦。
１８３１年１１月１３日，伟大的实验物理学家法拉第发现了著名的电磁感应定律。
同年，伟大的理论物理学家麦克斯韦出生于苏格兰的爱丁堡。
在父亲良好的熏陶下，麦克斯韦从小受到了良好的教育。
童年中的麦克斯韦好奇心很强，而修养很高的父亲总是努力培养他的兴趣，甚至经常带着不到十岁的他去听爱丁堡皇家学会的科学讲座。
入学之后，由于乡下口音和怪异服饰，麦克斯韦受到了同学们的冷嘲热讽和孤立。
但这一切并没有对麦克斯韦造成太大的负担，他还可以在知识点海洋中尽情遨游。
直到后来有一次麦克斯韦在中学举办的数学和诗歌比赛中拿到了双料冠军之后，同学们才开始对他刮目相看。
同时，麦克斯韦的数学才华也开始显现。
未满１５岁的麦克斯韦的一篇数学论文发表在了《爱丁堡皇家学会学报》上。
一个最高学术机构的学报刊登了孩子的论文，是罕见的，而这篇讨论二次曲线的几何作图的论文，也是相当有创见的。
１８４７年，１６岁的麦克斯韦考进了苏格兰最高学府爱丁堡大学，专门攻读数学和物理学。
三年之后，他又转到人才济济的剑桥大学学习。
在大学期间，麦克斯韦的数学知识突飞猛进。
在霍普金斯教授的指导下，麦克斯韦变成了一个思维条理的数学物理学家（理论物理学家）。
霍普金斯对他的评价是：“在我教过的全部学生中，毫无疑问，这是最杰出的一个！”工欲善其事，必先利其器。
麦克斯韦的“数学利器”在手，便可开始完成他的伟大物理事业了！
麦克斯韦毕业后不久，便被法拉第的《电学实验研究》吸引了。
他对书中的“力线”等观点十分佩服，但也发现了整个理论缺乏数学依据和综合概括的缺点，年轻的麦克斯韦决定用自己的数学知识来弥补他。
随后，２４岁的麦克斯韦发表了《论法拉第的力线》，他在论文中通过数学方法，把电流周围存在“力线”这个现象，概括为一个高等数学里的矢量微分方程。
后来麦克斯韦经历了父亲去世等一些波折之后，便又继续进行他的电磁学理论研究。
随后便是那次伟大的会面，年轻的麦克斯韦将他的名片递到了法拉第的府上。
两位伟大的物理学家亲切的交流着。
一个活泼、和蔼、精于
实验、善于想象的法拉第，和一个严肃、机智、精于理论、善于推理的麦克斯韦，一老一小配合的天衣无缝。
就是在这次会面中，法拉第将自己电磁学研究的火炬传给了冉冉升起的麦克斯韦。
法拉第鼓励麦克斯韦：“你不应该停留在用数学来解释我的观点，你应该突破它！”
就这样，麦克斯韦继续着他的研究。
１８６２年，麦克斯韦在英国《哲学杂志》上发表了他的第二篇电磁学论文《论物理学的力线》。
文章引起了广泛的关注。
电子的发现人汤姆逊后来回忆说：“我到现在还清晰地记得那篇论文。
当时，我还是一个１８岁的孩子，一读到它，我就兴奋极了！那是一篇非常长的文章，我竟把它全部抄下来了。
”这篇具有划时代意义的论文提出了“位移电流”的概念，推导出了麦克斯韦方程，并预言了电磁波的存在。
１８６５年，他发表了第三篇电磁学论文《电磁场动力学》，进一步完善了自己的理论，并预言了光也是一种电磁波。
又经过几年的努力，包括电磁学理论完整体系的《电磁学通论》在１８７３年问世。
这一伟大的著作囊括了当时电磁学的全部成果，将电与磁统一在了一起，成为了整个物理学史上的一部经典著作。
麦克斯韦电磁学成就的代表就是麦克斯韦方程组，在此我就不再列出方程组的数学表达式了，以下是方程组中四个公式的含义：第一个式子是电场奥－高定理；第二个式子是静电场环路定律；第三个式子是法拉第电磁感应定理；第四个式子是安培环路定理。
在麦克斯韦方程组中我们可以清楚的看到电与磁的完美统一。
经过几代人的努力，电与磁的关系终于趋于明确。
电可以生磁，磁可以生电，而电磁波则是二者统一的完美象征，同时光也被统一在了这个范畴之中。
其实，在电磁学中，正电荷与负电荷、磁体的Ｎ极和Ｓ极不也都是完美的统一吗？正负电荷之间可以互相转换，可以互相吸引，可以中和也可以分离，这不正是完美的统一吗？拿出一块磁铁，有两极，将二者“切开”之后又会产生新的两极，Ｎ极和Ｓ级就像一对兄弟一样密不可分，完美统一。
所谓的守恒定律，应是物理学中统一之美的最高体现。
质量守恒、能量守恒、动量守恒……一个个守恒，不正是体现着不同物体、不同形式的质量、能量、动量之间的完美统一吗？
另外，在整个物理学中，统一之美也是随处可见。
世间各种各样、变化多端的力被统一为了强相互作用力、弱相互作用力、电磁力、引力四种力，而至今仍有人致力于将这四种基本力进一步统一。
再如光的波粒二象性，是光的波动性与粒子性的统一，也是粒子运动与波动的统一。
一切尽在和谐统一之中，怎能不美？
作为物理学专业的学生，我们整日在物理学的象牙塔中苦读，有时也不禁会产生种种困惑：物理学中充满了种类繁多的公式、计算，而其乐趣在哪里？相信读完这篇文章你我都会有所感、有所悟：物理学作为科学的代表是充满美感的，统一美便又是物理学之美的一个代表。
在这种对美的认识的前提下，再面对物理学中的公式、计算，也就不会觉得太枯燥了吧。
只有能体会到物理学的美、科学的美才能真正称得上懂得科学，懂得世界。
【参考文献】
［１］【美】弗·卡约里．《物理学史》，内蒙古人民出版社，１９８１年．
［２］【美】徐一鸿．《可畏的对称》，清华大学出版社，２００５年．
—
８
５
１—。