物理學(xué)家的美學(xué)思想對物理學(xué)發(fā)展的作用-中國物理C

1、,太陽系應(yīng)具有比哥,由于不斷修,已喪失了美的物理學(xué)家的美學(xué)思想對物理學(xué)發(fā)展的作用曾月新(天津師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院天津300071)打開物理學(xué)史會(huì)發(fā)現(xiàn)許多物理學(xué)家從事物理研究的直接動(dòng)力來自于對自然美的一種追求。這里所說的自然美不僅指自然現(xiàn)象之美 ,更主要的是指自然現(xiàn)象背后物質(zhì)結(jié)構(gòu) 、運(yùn)動(dòng)規(guī)律的內(nèi)在美 。它是一種理性美 。愛因斯坦曾寫道 “:十分有力地吸引住我的特殊目標(biāo),是物理學(xué)領(lǐng)域中的邏輯的統(tǒng)一?！甭鍌惼?1878 年在萊頓就職演講時(shí)說 “:所有物理研究的目的在于尋求簡單的 、可以說明所有現(xiàn)象的基本原理 ?！迸砑永赵诳茖W(xué)和方法 中寫到 “:如果大自然不美 ,那它就不值得認(rèn)識(shí) ,如果大自然不

2、值得認(rèn)識(shí) ,就不值得活下去 。當(dāng)然 , 我這里并不是談那種打動(dòng)感官的美 、性質(zhì)的美和現(xiàn)象的美;不是我低估這類美,遠(yuǎn)不是這樣 ,而是他們與科學(xué)毫不相干;我的意思是那更深邃的美 ,它來自各部分和諧的秩序,而且它能為一種純粹的智慧所掌握。正是它給實(shí)體 , 也就是給結(jié)構(gòu)以五彩繽紛的現(xiàn)象,從而使我們的感官感到歡愉;沒有這種支持這些夢幻即逝的美就是不完美,的因?yàn)樗请鼥V的而且總是瞬時(shí)的。恰恰相反理,性的美對自身來說是充分的,與其說為了人類美好的未來 倒不如說或許正是為了理性本身科學(xué)家才,獻(xiàn)身于漫長的和艱苦的勞動(dòng) ?！笨梢钥闯?,物理學(xué)家所追求的理性美主要指簡單美 、對稱美 、和諧美和統(tǒng)一美 ,這也是物理學(xué)

3、家美學(xué)思想的核心 。一 、美學(xué)思想 啟迪物理學(xué)研究的方向物理學(xué)家的美學(xué)思想會(huì)深刻影響他們在整個(gè)物理研究過程中的思維方向。哥白尼追求簡單美,在哥白尼看來托勒密體系一代傳至一代正和補(bǔ)充本輪、均輪變得越來越繁雜魅力 ,在他的腦海中反復(fù)思考的問題就是如何簡化行星運(yùn)行體系 ,終于他發(fā)現(xiàn)若把太陽擺到 “宇宙”中心 ,行星運(yùn)行體系便可大大簡化 。開普勒并不懷疑哥白尼體系 ,但他看到哥白尼在說明行星運(yùn)動(dòng)的不均勻性時(shí)仍然借用了托勒密的本輪和均輪, 開普勒堅(jiān)信大自然存在一條簡單法則白尼體系更加簡單的圖景 。沿著簡單美的方向開普勒利用第谷 、布拉赫觀測的數(shù)據(jù) ,堅(jiān)持不懈地進(jìn)行多年不間斷的計(jì)算 ,終于總結(jié)了行星運(yùn)動(dòng)三

4、定律 ,展現(xiàn)給后人一個(gè)既簡單又有邏輯聯(lián)系的太陽系 。開普勒終生追求理性美 ,他將自己 1619 年發(fā)表的最后一部著作命名為世界的和諧 , 在此書中他闡述了自己從事物理研究的動(dòng)力 “ 和諧 ! 22 年前當(dāng)我一發(fā)現(xiàn)天體軌道與五個(gè)正多面體具有相同的數(shù)目就曾,預(yù)言過 ;遠(yuǎn)在我看到托勒密有關(guān)方面的論著以前,我就充分相信過 ; 在 16歲以前我就以本書這一命名的名義向我的朋友許諾過;我堅(jiān)持要把它作為探索的一個(gè)目標(biāo) 。為了它 我曾同第谷 、布拉赫相會(huì);為了,它 ,我曾在布拉格定居 ;為了它 ,我已把我的畢生用于天文計(jì)算事業(yè) 終于我發(fā)現(xiàn)了光輝 ,而且看出 ,那是超出我最天真向往的真理。”物理學(xué)家的美學(xué)思想也

5、是他們探索自然規(guī)律的一種情感支柱。列寧曾指出:“如果沒有 人的感情,就從來沒有也不可能有人對真理的追求?！碑?dāng)對美感情上的向往成為執(zhí)著追求的一種強(qiáng)烈的信念,那么這種信念會(huì)在物理研究中起到 “能源”作用 ,成為鼓舞物理學(xué)家披荊斬棘 、不屈不撓地去揭示大自然規(guī)律源源不斷的 “動(dòng)力”。法拉第對 “自然力的統(tǒng)一”深信不移 ,所以他能畢生在實(shí)驗(yàn)室中不斷探索電與磁 、電與光 、電與化學(xué)、磁與光之間的相互聯(lián)系。當(dāng)電的磁效應(yīng)發(fā)現(xiàn)后,法拉第感到這里缺乏一種對稱美 ,他堅(jiān)信磁也應(yīng)當(dāng)以某種方式引起電,為此他尋找磁生電現(xiàn)象十年不動(dòng)搖, 其間經(jīng)歷了無數(shù)次的失敗 ,是對稱美的信念使他在 1831 年獲得了成功 。愛因斯坦后

6、半生孤軍奮戰(zhàn) ,孜孜不倦追求統(tǒng)一場論 ,在愛因斯坦看來如果能找到總場方程 “那該是最美的了”。所以霍夫曼認(rèn)為愛因斯坦的方法 “在本質(zhì)上是美學(xué)的 、直覺的 ?！彪m然愛因斯坦統(tǒng)一場論的科學(xué)設(shè)想沒有實(shí)現(xiàn) ,但在電磁相互作用與弱相互作用統(tǒng)一性獲得成功后 ,又給了人們繼續(xù)尋求統(tǒng)一場論的信心和勇氣 。提出一種假說或構(gòu)筑一種新理論時(shí)先審美后審真 ,把美放在決定一切的地位 ,這是物理學(xué)家在美學(xué)思想引導(dǎo)下創(chuàng)新思維的生動(dòng)體現(xiàn)。麥克斯韋位移電流假說的提出就是先審美后審真的范例 , 根據(jù)安培定律 ,電流能產(chǎn)生磁場 ,根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律電16卷3期(總93期)? 65 ?荷和交變磁場都能產(chǎn)生電場,要實(shí)現(xiàn)電學(xué)方程和磁

7、原始概念和原始的數(shù)學(xué)關(guān)系來反映自然的真實(shí)圖學(xué)方程的對稱美,就應(yīng)該設(shè)想不僅電流而且交變電像 。物理理論一般由兩部分構(gòu)成:運(yùn)用符號 (數(shù)字 、場也能產(chǎn)生磁場所以麥克斯韋建議在安培定律中算符 ) 的數(shù)學(xué)部分和用自然語言對物理圖景的定義,再加上一項(xiàng)這一項(xiàng)只是在電流是迅速變化的情況性描述部分 。為此物理學(xué)家采用數(shù)學(xué)方法并利用數(shù),下 ,才具有重要作用, 麥克斯韋把它叫作 “位移電學(xué)語言的簡潔 、精確和嚴(yán)密等特點(diǎn),不斷實(shí)現(xiàn)了物理流”。位移電流是在無任何實(shí)驗(yàn)依據(jù)的情況下,完全理論的簡單美 。物理學(xué)家運(yùn)用數(shù)學(xué)來確定由實(shí)驗(yàn)測出于滿足對稱美的需要而提出的大膽設(shè)想, 在位移出的各種物理量之間合乎規(guī)律的依存關(guān)系;將物理

8、電流概念提出20 年后 ,赫茲證實(shí)了麥克斯韋大膽設(shè)規(guī)律濃縮成公式,物理學(xué)中比比皆是的公式說明數(shù)想的正確性 。這說明美與真理是緊密相連的,美可學(xué)的力量在于它作為一種語言描述手段, 使物理理以為創(chuàng)造性思維活動(dòng)提供生動(dòng)直觀的物質(zhì)原型,科論獲得形式上的簡化。除此而外 ,物理學(xué)家還巧妙學(xué)家借助它來啟示自己有效地進(jìn)行猜想、類比和假運(yùn)用數(shù)學(xué)方法,簡化物理研究過程當(dāng)物理學(xué)家把實(shí),設(shè) ,應(yīng)當(dāng)把“追求美”作為科學(xué)研究的一種思維技巧際問題轉(zhuǎn)化為能夠求解的數(shù)學(xué)問題即建立起數(shù)學(xué)模和基本原則所以科學(xué)史家?guī)於髡J(rèn)為在新的理論的型 這實(shí)際是一個(gè)化繁為簡、抓主要矛盾的過程,對,建立中 “美學(xué)的考慮的重要性有時(shí)是可以決定性數(shù)學(xué)問題

9、求解后聯(lián)系實(shí)際對數(shù)學(xué)解做深入的討論,的?！迸c分析 ,形成對問題的認(rèn)識(shí)和預(yù)見,這已成為物理學(xué)二、美學(xué)思想 引導(dǎo)物理學(xué)理論不斷完善在數(shù)學(xué)化進(jìn)程加快的情況下建立物理理論的一種,自然界是一個(gè)和諧的整體和諧是一種美反映模式 。麥克斯韋方程組是麥克斯韋嘗試用數(shù)學(xué)形式,自然界規(guī)律的物理學(xué)理論應(yīng)當(dāng)具有和諧美的特征。表達(dá)法拉第思想奮斗20年的結(jié)果 。這組簡潔完美,和諧一詞源于希臘文( havmonia),意思是聯(lián)系 、均勻 ,的方程不僅可以表達(dá)實(shí)驗(yàn)已發(fā)現(xiàn)的庫侖定律、高斯指事物各方面的配合和協(xié)調(diào)以及多樣性的統(tǒng)一。從定律 、安培定律和法拉第定律,而且由這組方程還預(yù)和諧統(tǒng)一角度來說 ,物理學(xué)史是人們實(shí)現(xiàn)由一個(gè)層言了電

10、磁波的存在 ,正是這組簡潔的方程使經(jīng)典的次上的和諧統(tǒng)一到另一個(gè)層次上的和諧統(tǒng)一的歷電磁理論打上完善的句號, 才使我們對電、磁 、光現(xiàn)史 ,即物理學(xué)史就是人們不斷追求和諧統(tǒng)一的歷史。象有了正確 、全面 、深刻的認(rèn)識(shí) 。牛頓將描述地上物體運(yùn)動(dòng)的伽利略理論和描述天體物理學(xué)家為了實(shí)現(xiàn)簡單美還將數(shù)學(xué)作為物理學(xué)運(yùn)動(dòng)的開普勒理論和諧地統(tǒng)一在牛頓力學(xué)體系中。推理和邏輯證明的工具特別重視數(shù)學(xué)嚴(yán)格的邏輯,麥克斯韋的電磁理論是將電、磁 、光現(xiàn)象統(tǒng)一起來的性為物理學(xué)提供超前于直觀性的科學(xué)預(yù)見的作用。和諧理論 。愛因斯坦的狹義相對論把高速運(yùn)動(dòng)規(guī)律狄拉克指出 “今天我覺得在物理學(xué)中,人們最好的:和低速運(yùn)動(dòng)規(guī)律統(tǒng)一了起來,

11、而牛頓力學(xué)成為狹義出發(fā)點(diǎn)是假定物理學(xué)務(wù)必要建立在優(yōu)美的方程式相對論理論框架中的一個(gè)極限情況。除此而外 ,使上 ?！薄笆挂粋€(gè)方程具有美感比使它去符合實(shí)驗(yàn)更重“對立”的理論形成具有新質(zhì)的統(tǒng)一理論會(huì)使物理要 ?！钡依嗽谇蠼怆娮拥难Χㄖ@方程時(shí)為了解釋負(fù),理論獲得對立面統(tǒng)一之美。愛因斯坦的光量子理論能解 大膽預(yù)言了第一個(gè)反物質(zhì)正電子的存在,將對立的波動(dòng)理論和粒子理論溶為一體,就是這種正電子既無法在感官上把握,又無任何實(shí)驗(yàn)依據(jù)憑,美的體現(xiàn) 。借的就是數(shù)學(xué)的這種超前于直觀性的邏輯推理功牛頓在自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理 中的第三篇 “哲能 。學(xué)中推理法則” 開頭寫到 “除那些真實(shí)而已足夠說圍繞“對稱美”的一系列物理

12、研究成果,是物理:明其現(xiàn)象者外, 不必去尋求自然界事物的其他原學(xué)家美學(xué)思想推動(dòng)物理學(xué)發(fā)展的最好的說明。對稱因”“自然界不做無用之事,只要少做一點(diǎn)就成了,是在人們憑感官對一些 “對稱現(xiàn)象” (例如雪花一般;做多了卻無用;因?yàn)樽匀唤缦矚g簡單化而不愛用什為六角形 ) 認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)上形成的一種觀念?！皩ΨQ性”,么多余的原因以夸耀自己。”這是牛頓的簡單性美學(xué)原來是一個(gè)幾何名詞,它實(shí)質(zhì)上是變化中的某種不思想的體現(xiàn) 。17 世紀(jì)偉大哲學(xué)家、文學(xué)家布瓦洛說變性 。正是物理學(xué)家對 “對稱美” 的追求 ,才使人類過“簡單即美” 。物理學(xué)家追求 “美”最終要體現(xiàn)在經(jīng)對自然界的認(rèn)識(shí)不斷深化,新理論才不斷被創(chuàng)建。過實(shí)驗(yàn)研究

13、 ,所建立起來的物理理論具有簡單美的最有說服力的是19 世紀(jì)對晶體對稱性意味著什么特征 。一種理論具有簡單美是指這種理論用最少的的探索 ,直到 1890 年左右經(jīng)過物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家的? 66 ?現(xiàn)代物理知識(shí)共同努力才真正把晶體的對稱性用數(shù)學(xué)語言講清楚 ,也才認(rèn)識(shí)到晶體的物理性質(zhì)與其不變?nèi)河袠O為密切的關(guān)系 。1890年 發(fā)現(xiàn)三維空間結(jié)晶有230種,即三維空間的不變?nèi)河?230 種 。1891 年發(fā)現(xiàn)二維空間的不變?nèi)褐挥?17 個(gè) ,則二維空間晶體的種類就有 17 種 。1970 年 ,利用計(jì)算機(jī)得出四維空間的不變?nèi)河?4895 種 。對于五維空間的不變?nèi)壕烤故嵌嗌倌壳斑€沒有定論 。準(zhǔn)晶態(tài)的發(fā)現(xiàn)也

14、與對稱性的探究有關(guān) ,1984 年 , 美國國家標(biāo)準(zhǔn)局( NBS) 的 D.shechtman等人對急驟冷卻形成的微米量級鋁錳合金作電子衍射研究 發(fā)現(xiàn)衍射結(jié)果除了給出二次和三次對稱性,花樣外 ,還給出五次對稱衍射花樣,這些衍射花樣斑點(diǎn)明銳 旋軸之間關(guān)系符合二十面體點(diǎn)群對稱由于,晶體結(jié)構(gòu)中不允許五次對稱的存在,D.shechtman等人的發(fā)現(xiàn)引起了人們的極大關(guān)注,究竟是經(jīng)典晶體學(xué)結(jié)論錯(cuò)了 ? 還是物態(tài)的分類不完全? 美國賓州大學(xué)的 Levinehe 和 Steinhardt等人根據(jù)他們多年對凝聚態(tài)中的二十面體結(jié)構(gòu)的研究和探討,提出這種急驟冷卻形成的鋁錳合金既不是晶體也不是玻璃體 ,而屬于一種新的

15、物質(zhì)凝聚態(tài)準(zhǔn)晶態(tài) 。自1984 年實(shí)驗(yàn)上獲得第一塊鋁錳合金準(zhǔn)晶至今,已有包含八次對稱 、十次對稱 、十二次對稱等數(shù)十種不同材料和組分的合金準(zhǔn)晶在實(shí)驗(yàn)室中被制備出來,研究準(zhǔn)晶態(tài)物質(zhì)結(jié)構(gòu)及組成粒子之間相互作用與運(yùn)動(dòng)規(guī)律已成為凝聚態(tài)物理的前沿。進(jìn)入 20 世紀(jì)后 ,物理學(xué)家已不限于研究物理學(xué)中形狀或結(jié)構(gòu)上的對稱性了,隨著研究對稱性數(shù)學(xué)工具群論 、李代數(shù) 、李超代數(shù)等的完善物理學(xué)家已,認(rèn)識(shí)到對稱性與守恒律的密切關(guān)系。通過量子力學(xué)揭示了空間平移對稱性是與動(dòng)量守恒密切相聯(lián)的,時(shí)間平移對稱性是與能量守恒密切相聯(lián)的, 空間轉(zhuǎn)動(dòng)對稱性是與角動(dòng)量守恒密切相聯(lián)的空間反演對,稱性是與宇稱守恒密切相聯(lián)的。由于對稱性與守

16、恒定律的這種聯(lián)系 當(dāng)我們得到一種對稱變換的時(shí)候,就可以去尋找一種守恒定律; 若從實(shí)驗(yàn)中得到一種守恒定律便可以尋找相應(yīng)的對稱不變性。楊振寧指出 “對稱性的概念在物理學(xué)的世界中正在發(fā)生很大:變化,支配宇宙的法則被一一揭示。不過 仍然有許,許多多的奧移 。為揭開這些奧秘,還需要更深刻地理解對稱性這一概念 。”當(dāng)物理學(xué)家把對稱觀念擴(kuò)充到規(guī)范對稱,于是得知自然界存在的四種相互作用力也是由對稱這一概念決定的 。阿貝爾規(guī)范對稱與電磁力有直接關(guān)系 ;非阿貝爾規(guī)范對稱與弱力、強(qiáng)力和引力有密切關(guān)系 。規(guī)范對稱再進(jìn)一步擴(kuò)充又導(dǎo)致1973 年提出“超對稱”,即費(fèi)米子與玻色子之間的對稱;1976 年提出超引力 ,198

17、4 年提出超弦理論。如果規(guī)范對稱再進(jìn)一步擴(kuò)充很可能還有新的觀念被引入。正是物理學(xué)家對 “對稱美”的追求 ,當(dāng)他們發(fā)現(xiàn)對稱之美被破壞后,總要去探究對稱之美被破壞的原因 ,從而促進(jìn)在更深層次上“對稱美” 的實(shí)現(xiàn)以及新理論的創(chuàng)建 。例如 ,空間反演對稱性使人們認(rèn)識(shí)到在自然界中左右對稱的兩個(gè)狀態(tài)或過程都服從同樣的物理定律 。當(dāng)人們接受和陶醉在量子力學(xué)的空間反演不變與宇稱守恒定律時(shí)“, 2”之謎使人們驚奇地發(fā)現(xiàn)了在弱相互作用中宇稱不守恒。為了探討弱相互作用中宇稱并不守恒的原因,楊振寧 、李正道 、朗道和薩拉姆于1957 年各自獨(dú)立地提出了“二分量中微子理論” 。該理論認(rèn)為中微子都是左旋的,不存在右旋中微子;而反中微子都是右旋的不存在,左旋反中微子 。正是中微子的這種特性破壞了空間反演性 ,故凡是有中微子參加的過程宇稱都會(huì)不守恒 。由于中微子只參加弱相互作用,所以不會(huì)引起宇稱守恒在強(qiáng)相互作用和電磁相互作用中的破壞?！岸至恐形⒆永碚摗?已得到實(shí)驗(yàn)上的證實(shí)。為了追求對稱美物理學(xué)家進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),在弱相互作用,中進(jìn)行 CP 聯(lián)合變換 ,則物理規(guī)律的對稱性仍可保持 這是因?yàn)镃P聯(lián)合變換使左旋中微子變?yōu)榱擞?旋反中微子 。這里 C 指電荷共軛變換,即