用美的眼睛看物理(物理美学欣赏)(优选.)

用美的眼睛看物理（物理美学欣赏）有的同学会疑惑：老师搞什么？不是要上物理课吗？怎么扯到美学上面了？物理和美有关系吗？是的，物理与美之间有着不可分割的关系，有着你们以前从来没有想到的关系。

今天我们上这节课的目的就是带领大家去品一下物理学中的美，提示大家以后要用美的眼睛看物理。

一、什么是美美的定义什么是美？至今还没有一个确切的定义。

仁者见仁，智者见智。

目前较流行的看法是：美本身包括美的本质（什么是美）、美的内容（指自然美、社会美、以及在此基础上的艺术美、科学美）、美的形式（引起我们美感的事物的存在形式）。

美与兴趣关系按照辩证唯物主义的美学观点，美的本质是合乎规律性与合乎目的性的统一。

不同的人心中的审美条件不一样，感觉当然不同。

这一点大家应该是深有体会的，日常生活中经常可以看到这方面的例子。

木商、植物学家、画家同时看一棵古松，三个人可以同时知觉到这棵古松的存在，但是三个人知觉到的却是三种不同的东西。

木商脱离不了他的习惯，他知觉到的只是一棵木料，他会很精明地盘算这棵树都适合用来做什么，怎样才能获得最大的收益，该怎样来砍它、运它、卖它；植物学家也脱离不了他的习惯，他眼里只是一棵叶为针状，果为球状、四季常青的植物；画家只管审美，在他眼里，那就是一棵古松，他只会聚精会神地观察古松苍翠的颜色和矫健的姿态，并不时发出由衷的赞叹。

可见，古松并不时一件固定的东西，它的形象随着观察者的性格和情趣的变化而变化。

古松的形象一半是天生的，一半是人为的，我们对客观物体的知觉都带有主观成份。

林黛玉美不美？那当然是风华绝代的美人。

但是这样的人娶回家是不能洗衣做饭的。

如果要娶她的不是贾宝玉而是一个穷困潦倒的人，不知道她的夫君还会不会认为她很美。

另外林妹妹体弱多病，那么喜欢健康类型的男士们可能对她也不会有兴趣。

对于山村里某户穷困人家喂狗的破碗，狗对它是有兴趣的，它认为它是美的，因为它可以使狗有饱的美感；农户对它是没有兴趣的，认为就是一个不起眼的破碗而已，想当年因为觉得它太破了，不适合用来吃饭才便宜了狗；当然古董商是有兴趣的，因为他们凭借自己的专业知识知道这个碗是个宝贝古董，也是美的，这个破碗给他们的感觉可能是欣喜若狂。

对同一件事物，感受不同，兴趣也不同。

从这一方面来说，你对某事物没有兴趣，是因为你还没有发现它的美。

一旦你发现它的美，那么兴趣自然就会浓厚起来，所谓的“情人眼里出西施”就是这个道理。

我今天要谈的不是西施也不是林妹妹，而是物理，谈谈物理与美的关系：物理学不是美学，但物理学中包含着美。

物理学的内容物理学所反映的是自然界丰富多采的运动形式及规律，因而它展现的内容就是自然界的美。

科学探索的任务就是发现和解释自然界的本质，物理学家们探索物理规律的同时也在探求自然的美，其首要目的是表达人们发现的自然界中存在的美。

只是它研究的美是深层次的美，不象看一个人漂亮与否那么简单。

物理学探究美的方法物理学家研究物质运动最基本、最普遍的规律，物质的结构及其相互作用时，正是运用观察、实验、物理思维等物理手段寻找客观世界的规律。

我记得最清楚的是，当我提出一个自认为有道理的设想时，爱因斯坦并不与我争辩，而只是说：“啊，多丑！”只要觉得一个方程是丑的，他就对之完全失去兴趣，……他深信，美是探求理论物理学中重要结果的一个指导原则。

许多物理学家都深信正确的物理理论必然是美的，真和美是统一的。

西方的物理学家们一直相信一句话：上帝只会用美的方程来设计宇宙。

审美已经成为理论研究的驱动力之一。

自然界是美的，但是我们看到的美只是浅层次的美，是外在美。

千百年来，无数的物理学家披荆斩棘，已经为我们开辟了一条绚丽的真理之路。

每个伟大的发现、发明都是这条路上的一处美丽风景。

二、物理学中常见的几种美1、简洁美一个科学理论体系，“首要的是它的前提的简单性”，“唯一事关紧要的是基础的逻辑简单性。

”从物理理论的整体来看，在物理世界中，各种物理现象和过程千差万别，但本质上却可逻辑地归结为为数不多的若干基本概念和原理。

物理并不是像有些人想像的那样，是要把简单的问题复杂化，相反的是，物理学的任务是要从纷繁芜杂的表象中找到事物的本质。

宇宙中纷乱的种种作用力，在本质上可归纳为四种：万有引力、电磁力、强相互作用力、弱相互作用力（分子原子之间）；而现在，物理学家们正在努力将这四种力归纳到一起，用一种理论来解释所有的作用。

这个宏伟的理论称为“大统一理论”，现在仍在进行中。

牛顿定律将宏观低速条件下各种机械运动的规律组成了一个秩序井然的集体；从苹果落地、鸟儿飞行到卫星上天、行星的运动都可以用牛顿定律解决。

麦克斯韦方程组的电磁规律建立了一个和谐圆满的家庭；电和磁之间有什么关系？电磁场的本质和规律是什么？它都可以为你解释；量子力学理论使行踪飘忽的微观粒子眉目清晰。

粒子的运动都有波动性，粒子的运动是一个随机事件。

是量子力学揭开了这块面纱，这在以后的学习中我们还要讲到。

狭义相对论中，只有两条逻辑上彼此独立的基本假设：狭义相对性原理和光速不变原理。

例子：广义相对论中，等效性原理和广义相对性原理是该理论仅有的两条基本假设。

从逻辑基础来说，比狭义相对论更简单，但其包含的物理内容却更广泛，包含了整个宇宙。

表达物理规律的语言是数学，而且往往是非常简单的数学。

这也正是一种微妙的美。

2000多年来，“以严格的数学关系来表示自然界一切事物的简单性与和谐性”一直绵延不断地支配着物理学家的头脑。

开普勒是最早运用数学表示物理思想的科学家之一，他提出的开普勒三定律用简单的三句话描述了宇宙中所有行星的运动规律。

行星的运动看起来是非常深奥和复杂的，但是开普勒仅仅用三句话来描述并且与事实符合得相当好。

2、对称美对称性总是和美联系在一起的，对称性思想已成为反映今天“自然科学时代的精神”之理论精华，而对称性方法也已成为当代最普遍的精密自然科学方法之一。

谈到对称性的时候，提到的“事物”不一定限指一个具体物件的形体，物理学家更注意到物理规律的对称性。

从不同的方向看，物体的运动都遵从牛顿定律，牛顿定律具有旋转对称性；假如一个物理学家因为某种原因总是以偏离竖直方向31°角来看世界，另一个则和正常人一样。

经过若干年对牛顿定律的研究，两个人分别得到自己的结论，牛顿定律都是成立的，也就是说，牛顿定律在转过31°角时仍然保持不变。

其实，不论科学家的脖子歪到什么程度，牛顿定律都是成立的。

今天的物理学家已经相信，物理定律在任何角度下都会保持不变，也就是我们说的旋转对称性。

镜子里和镜子外物体的运动都遵从牛顿定律，牛顿定律具有镜向对称性（或空间反射对称性）；在不同的时间，昨天、今天或明天，物体的运动也都遵从牛顿定律，牛顿定律具有时间平移对称性。

数学对称表示物理内容在数学形式（图与式）上的对称性。

万有引力定律F=Gm1m2/r2与库仑定律F=GQ1Q2/r2之间都具有对称性。

这些对称性表示了物理内容中数学表达上的对称。

“×”积与“．”积、电场与磁场都呈现了优美的数学对称。

麦克斯韦建立的方程组，用完美而对称的数学形式奠定了电磁学的理论基础，生动地呈现出了“数学是这个世界之美的原型”。

它一直被物理学界作为自然科学美的力作，美学上真正完美的对称形式。

这个方程组不仅反映了事物的发展变化特点，还预言了电磁波的存在，并计算出电磁波的传播速度等于光速。

我们都知道，20世纪初爱因斯坦提出光具有波粒二象性，证明光不仅具有波动性而且有粒子性。

德布罗意认为过去科学家只是看到光的波动性而忽略掉了它的粒子性，对于实物粒子，我们会不会犯了相反的错误呢？他从深信物质理论具有对称之美出发大胆地提出：“每个微粒都伴随着一定的波，而每个波都与一个或多个微粒的运动联系着。

”只有这样，才是符合对称性的。

他预言了物质波的存在，把物质的波动性添补到物理学关于实物的基本理论中去，从而为建立波动力学奠定了基础。

他的预言在不久以后就得到证实。

3、统一美由于物理学揭示了自然界物质的存在、构成、运动及其转化等规律的多样统一而产生的美感，称为物理学的多样统一美。

物理事物是千姿百态的、千变万化的，反映物理事物的特性及规律的物理知识也是丰富多彩的。

但是，自然界是统一的，客观物理事物之间存在着内在联系，通过这种联系使得我们将各种各样的物理知识联系统一起来，进而形成既千变万化又和谐统一的画卷。

宏观物体的机械运动是多种多样的，牛顿力学能把地上的和天上的所有物体的运动的规律统一起来；爱因斯坦广义相对论把引力、时间、空间、物质统一起来；麦克斯韦电磁理论把电、磁、光统一起来；德布罗意关系将微观粒子的波动性与粒子性统一起来.三、怎样欣赏物理学的美自然景色之美是我们用眼睛就可以看到的，是浅层次的美，物理学的美是通过科学的理想化、抽象化，是以概念、定理、公式、理论的方式表现出来的，只有具有一定科学素质的人才能够感觉到。

朱光潜说道：“有审美的眼睛才能看到美。

”因此要欣赏到物理美，必须有扎实的物理理论基础，具有广博的相关知识，掌握物理学研究问题的方法，像欣赏艺术品那样从整体角度去分析、体会。

大家从中学开始就学物理了，但是直到今天，有些同学仍然把物理总结为背公式，实在是违背了先人们的初衷。

不错，物理规律可以用简单漂亮的公式来描述，但是脱离了物理理论的有机整体，孤立地去看某个符号、某个概念、某个公式是不会欣赏到物理的美的。

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