物理學(xué)的美學(xué)準(zhǔn)則

1、物理的物理的美美 “稻花香里說豐年，聽取蛙聲一片稻花香里說豐年，聽取蛙聲一片”，無人不為這句詩(shī)詞所描繪的大自然的美無人不為這句詩(shī)詞所描繪的大自然的美景而感慨。自然界的美通常意味著一種景而感慨。自然界的美通常意味著一種和諧勻稱的景象，物理學(xué)也不例外，不和諧勻稱的景象，物理學(xué)也不例外，不過作為描述自然界中物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)和運(yùn)過作為描述自然界中物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的一門學(xué)科，它的美更樸實(shí)。這動(dòng)規(guī)律的一門學(xué)科，它的美更樸實(shí)。這里要說的是：什么是物理學(xué)中的美，即里要說的是：什么是物理學(xué)中的美，即物理學(xué)中的美學(xué)準(zhǔn)則是什么，它們?cè)谖镂锢韺W(xué)中的美學(xué)準(zhǔn)則是什么，它們?cè)谖锢韺W(xué)中發(fā)揮怎樣的作用？理學(xué)中發(fā)揮怎樣的作用？

2、簡(jiǎn)單美簡(jiǎn)單美 自然界的現(xiàn)象是錯(cuò)綜復(fù)雜的，然而背后隱藏的自然界的現(xiàn)象是錯(cuò)綜復(fù)雜的，然而背后隱藏的規(guī)律確是簡(jiǎn)單的。物理學(xué)正是建筑在這一基礎(chǔ)規(guī)律確是簡(jiǎn)單的。物理學(xué)正是建筑在這一基礎(chǔ)之上，任何物理理論，歸根到底只有少數(shù)幾條之上，任何物理理論，歸根到底只有少數(shù)幾條基本的假定：經(jīng)典力學(xué)建立在牛頓三定律之上，基本的假定：經(jīng)典力學(xué)建立在牛頓三定律之上，電動(dòng)力學(xué)建立在法拉第的電動(dòng)力學(xué)建立在法拉第的“場(chǎng)場(chǎng)”和麥克斯韋方和麥克斯韋方程組之上，狹義相對(duì)論建立在狹義相對(duì)性原理程組之上，狹義相對(duì)論建立在狹義相對(duì)性原理與光速不變假定之上與光速不變假定之上這些簡(jiǎn)單的假定是從這些簡(jiǎn)單的假定是從大量的自然現(xiàn)象和物理實(shí)驗(yàn)中抽取并提

3、升出來大量的自然現(xiàn)象和物理實(shí)驗(yàn)中抽取并提升出來的，然而，建之于上的物理理論反過來卻能解的，然而，建之于上的物理理論反過來卻能解釋幾乎所有的自然現(xiàn)象，并在生產(chǎn)實(shí)踐中得到釋幾乎所有的自然現(xiàn)象，并在生產(chǎn)實(shí)踐中得到廣泛的應(yīng)用，極大的推動(dòng)生產(chǎn)力的發(fā)展。廣泛的應(yīng)用，極大的推動(dòng)生產(chǎn)力的發(fā)展。 有兩個(gè)理論，幾乎能解釋同樣多的事實(shí)，誰(shuí)簡(jiǎn)有兩個(gè)理論，幾乎能解釋同樣多的事實(shí)，誰(shuí)簡(jiǎn)單，物理學(xué)將選擇誰(shuí)。單，物理學(xué)將選擇誰(shuí)。 考慮一個(gè)簡(jiǎn)單的問題，為什么人們最初都認(rèn)為考慮一個(gè)簡(jiǎn)單的問題，為什么人們最初都認(rèn)為太陽(yáng)及其它行星圍繞地球轉(zhuǎn)，而不是行星（含太陽(yáng)及其它行星圍繞地球轉(zhuǎn)，而不是行星（含地球）圍繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)？這也是出于簡(jiǎn)單性的考

4、慮：地球）圍繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)？這也是出于簡(jiǎn)單性的考慮：人們最初天文知識(shí)少，只能通過肉眼觀察；太人們最初天文知識(shí)少，只能通過肉眼觀察；太陽(yáng)朝起夕落，認(rèn)為太陽(yáng)及其它行星圍繞地球轉(zhuǎn)陽(yáng)朝起夕落，認(rèn)為太陽(yáng)及其它行星圍繞地球轉(zhuǎn)自然是方便的事情。但是隨著技術(shù)的進(jìn)步，人自然是方便的事情。但是隨著技術(shù)的進(jìn)步，人們的天文觀測(cè)越來越精密，為了解釋們的天文觀測(cè)越來越精密，為了解釋“太陽(yáng)系太陽(yáng)系”的許多現(xiàn)象，如地球的四季變化，日食和月食，的許多現(xiàn)象，如地球的四季變化，日食和月食，土星、木星位置的異常變化等，偉大的幾何學(xué)土星、木星位置的異常變化等，偉大的幾何學(xué)家托勒密在前人的基礎(chǔ)上創(chuàng)立了嚴(yán)密的家托勒密在前人的基礎(chǔ)上創(chuàng)立了嚴(yán)密的“

5、地心地心說說”，解釋了當(dāng)時(shí)的絕大部分觀察現(xiàn)象。，解釋了當(dāng)時(shí)的絕大部分觀察現(xiàn)象。 “地心說地心說”的基本要義是：（）地球是圓的，的基本要義是：（）地球是圓的，靜止地位于宇宙的中心；（）太陽(yáng)及其它行靜止地位于宇宙的中心；（）太陽(yáng)及其它行星繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)，基本軌道（稱為級(jí)軌道）是星繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)，基本軌道（稱為級(jí)軌道）是圓周，一般來說，太陽(yáng)或行星并不恰好處于圓周，一般來說，太陽(yáng)或行星并不恰好處于級(jí)軌道上，而是繞級(jí)軌道上的點(diǎn)作半徑更小級(jí)軌道上，而是繞級(jí)軌道上的點(diǎn)作半徑更小的圓周（稱為級(jí)軌道）運(yùn)動(dòng)。這樣，整個(gè)的圓周（稱為級(jí)軌道）運(yùn)動(dòng)。這樣，整個(gè)“太陽(yáng)系太陽(yáng)系”就像一個(gè)齒輪嵌套體系：級(jí)軌道就像一個(gè)齒輪嵌套體系：級(jí)

6、軌道是一些大齒輪，級(jí)軌道是一些較小的齒輪，是一些大齒輪，級(jí)軌道是一些較小的齒輪，大齒輪傳動(dòng)小齒輪。最初齒輪數(shù)目還不多，但大齒輪傳動(dòng)小齒輪。最初齒輪數(shù)目還不多，但隨著觀察水平的提高，托勒密又不得不在小齒隨著觀察水平的提高，托勒密又不得不在小齒輪上套上更小的齒輪，越套越多，最后竟達(dá)輪上套上更小的齒輪，越套越多，最后竟達(dá)個(gè)之多。個(gè)之多。 面對(duì)著這么多的齒輪，天才的哥白尼站了出來，面對(duì)著這么多的齒輪，天才的哥白尼站了出來，說：說：“不，太陽(yáng)系應(yīng)該是簡(jiǎn)單的！我們?nèi)魧⑻?，太?yáng)系應(yīng)該是簡(jiǎn)單的！我們?nèi)魧⑻?yáng)和地球換個(gè)位置，托勒密的齒輪至少能扔掉陽(yáng)和地球換個(gè)位置，托勒密的齒輪至少能扔掉一半以上，太陽(yáng)系也就變得

7、井然有序了。一半以上，太陽(yáng)系也就變得井然有序了?！边@這就是就是“日心說日心說”，物理學(xué)最終選擇了它。試問：，物理學(xué)最終選擇了它。試問：從相對(duì)運(yùn)動(dòng)的觀點(diǎn)來看（不考慮動(dòng)力學(xué)的原從相對(duì)運(yùn)動(dòng)的觀點(diǎn)來看（不考慮動(dòng)力學(xué)的原因），選擇地球?yàn)閰⒖枷岛瓦x擇太陽(yáng)為參考系，因），選擇地球?yàn)閰⒖枷岛瓦x擇太陽(yáng)為參考系，沒有理由說誰(shuí)更優(yōu)越，為什么要拋棄沒有理由說誰(shuí)更優(yōu)越，為什么要拋棄“地心說地心說”而承認(rèn)而承認(rèn)“日心說日心說”呢？?jī)蓚€(gè)字：簡(jiǎn)單呢？?jī)蓚€(gè)字：簡(jiǎn)單“日日心說心說”后經(jīng)開普勒的改造只剩三條定律，但太后經(jīng)開普勒的改造只剩三條定律，但太陽(yáng)系各行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律盡在其中。陽(yáng)系各行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律盡在其中。對(duì)稱美對(duì)稱美 很早以前，古

8、希臘人就認(rèn)為球是最完美的圖很早以前，古希臘人就認(rèn)為球是最完美的圖形，為什么？因?yàn)樗謩e具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱、鏡像形，為什么？因?yàn)樗謩e具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱、鏡像對(duì)稱和中心對(duì)稱，均屬于直觀上的幾何對(duì)稱。對(duì)稱和中心對(duì)稱，均屬于直觀上的幾何對(duì)稱。物理學(xué)中的對(duì)稱則有更加深刻的含義，它是指物理學(xué)中的對(duì)稱則有更加深刻的含義，它是指某類對(duì)象的全體（在數(shù)學(xué)上通常稱為集合，用某類對(duì)象的全體（在數(shù)學(xué)上通常稱為集合，用標(biāo)記）在某種操作（數(shù)學(xué)上稱為變換，用標(biāo)記）在某種操作（數(shù)學(xué)上稱為變換，用標(biāo)記）下不變的性質(zhì)。標(biāo)記）下不變的性質(zhì)。 也就是說，有一種法也就是說，有一種法則，集合則，集合S S中的任意一個(gè)元素根據(jù)這一法則，中的任意一個(gè)元

9、素根據(jù)這一法則，都可以在都可以在S S中找到一個(gè)與之相對(duì)應(yīng)的元素。用中找到一個(gè)與之相對(duì)應(yīng)的元素。用我們高中學(xué)過的知識(shí)，這個(gè)映射的象集與原象我們高中學(xué)過的知識(shí)，這個(gè)映射的象集與原象集是一樣的，即都為集合集是一樣的，即都為集合S S。 每一種對(duì)稱性總伴隨著一個(gè)守恒量（諾每一種對(duì)稱性總伴隨著一個(gè)守恒量（諾德爾定理）：空間平移對(duì)稱導(dǎo)致動(dòng)量守德爾定理）：空間平移對(duì)稱導(dǎo)致動(dòng)量守恒；時(shí)間平移對(duì)稱導(dǎo)致能量守恒；空間恒；時(shí)間平移對(duì)稱導(dǎo)致能量守恒；空間旋轉(zhuǎn)對(duì)稱導(dǎo)致角動(dòng)量守恒；電荷共軛對(duì)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱導(dǎo)致角動(dòng)量守恒；電荷共軛對(duì)稱導(dǎo)致電量守恒；空間鏡相對(duì)稱導(dǎo)致宇稱導(dǎo)致電量守恒；空間鏡相對(duì)稱導(dǎo)致宇稱守恒稱守恒 （早先的理論認(rèn)

10、為，物理定早先的理論認(rèn)為，物理定律在空間反射的情況下是不變的，這被律在空間反射的情況下是不變的，這被稱為稱為“宇稱守恒宇稱守恒”。宇稱守恒可以簡(jiǎn)單。宇稱守恒可以簡(jiǎn)單理解為，基本粒子在照鏡子時(shí)，其鏡中理解為，基本粒子在照鏡子時(shí)，其鏡中的像與粒子具有對(duì)稱性。的像與粒子具有對(duì)稱性。 ） 近五十年來，粒子物理與場(chǎng)論飛速發(fā)展，對(duì)近五十年來，粒子物理與場(chǎng)論飛速發(fā)展，對(duì)稱性的指引在其中起了決定性的作用。在粒子稱性的指引在其中起了決定性的作用。在粒子物理中，物理學(xué)家根據(jù)對(duì)稱性預(yù)言并發(fā)現(xiàn)新粒物理中，物理學(xué)家根據(jù)對(duì)稱性預(yù)言并發(fā)現(xiàn)新粒子，正電子、歐米格負(fù)粒子和頂夸克等就是極子，正電子、歐米格負(fù)粒子和頂夸克等就是極好

11、的例證。在場(chǎng)論中，好的例證。在場(chǎng)論中，“對(duì)稱決定相互作用對(duì)稱決定相互作用”：楊振寧和米爾斯根據(jù)某種對(duì)稱性提出了著名的楊振寧和米爾斯根據(jù)某種對(duì)稱性提出了著名的楊米爾斯場(chǎng)論，該理論的變換群決定了無質(zhì)楊米爾斯場(chǎng)論，該理論的變換群決定了無質(zhì)量的粒子（稱為量的粒子（稱為“規(guī)范玻色子規(guī)范玻色子”）的數(shù)目和性）的數(shù)目和性質(zhì)，規(guī)范玻色子在粒子之間來回跳舞就產(chǎn)生了質(zhì)，規(guī)范玻色子在粒子之間來回跳舞就產(chǎn)生了相互作用，不同的玻色子決定不同的相互作用，相互作用，不同的玻色子決定不同的相互作用，如光子決定電磁相互作用，或玻色子決定如光子決定電磁相互作用，或玻色子決定弱相互作用，膠子決定強(qiáng)相互作用，據(jù)推測(cè)引弱相互作用，膠子

12、決定強(qiáng)相互作用，據(jù)推測(cè)引力相互作用是由引力子決定的（未證實(shí)）。力相互作用是由引力子決定的（未證實(shí)）。 對(duì)稱是美好的，然而在物理學(xué)中卻發(fā)生了一些對(duì)稱是美好的，然而在物理學(xué)中卻發(fā)生了一些奇特的事情：楊振寧和李政道提出弱相互作用奇特的事情：楊振寧和李政道提出弱相互作用中宇稱不守恒并為吳健雄所證實(shí)；宇宙中正物中宇稱不守恒并為吳健雄所證實(shí)；宇宙中正物質(zhì)顯著的多于反物質(zhì)；質(zhì)顯著的多于反物質(zhì)；用楊米爾斯場(chǎng)論產(chǎn)生有質(zhì)量的粒子需要引用楊米爾斯場(chǎng)論產(chǎn)生有質(zhì)量的粒子需要引進(jìn)一個(gè)非對(duì)稱的希格瑪場(chǎng)。這些事實(shí)都要求對(duì)進(jìn)一個(gè)非對(duì)稱的希格瑪場(chǎng)。這些事實(shí)都要求對(duì)稱性自發(fā)破缺，自發(fā)破缺的機(jī)理是什么？這或稱性自發(fā)破缺，自發(fā)破缺的機(jī)

13、理是什么？這或許是下個(gè)世紀(jì)的問題。許是下個(gè)世紀(jì)的問題。 統(tǒng)一美統(tǒng)一美 統(tǒng)一就是要求理論在不附加太多的基本假定的統(tǒng)一就是要求理論在不附加太多的基本假定的基礎(chǔ)上盡可能前后一致地解釋更多的物理現(xiàn)象：基礎(chǔ)上盡可能前后一致地解釋更多的物理現(xiàn)象：牛頓力學(xué)幾乎能描述所有宏觀低速的運(yùn)動(dòng)（也牛頓力學(xué)幾乎能描述所有宏觀低速的運(yùn)動(dòng)（也包括分子熱運(yùn)動(dòng)和聲）；電動(dòng)力學(xué)能描述大多包括分子熱運(yùn)動(dòng)和聲）；電動(dòng)力學(xué)能描述大多數(shù)電磁現(xiàn)象數(shù)電磁現(xiàn)象眾所周知，目前自然界普遍存眾所周知，目前自然界普遍存在四種力：強(qiáng)相互作用、弱相互作用、電磁相在四種力：強(qiáng)相互作用、弱相互作用、電磁相互作用和引力相互作用，它們決定了現(xiàn)今自然互作用和引力相互作用，它們決定了現(xiàn)今自然界的各種物質(zhì)運(yùn)動(dòng)。物理學(xué)的終極目標(biāo)就是要界的各種物質(zhì)運(yùn)動(dòng)。物理學(xué)的終極目標(biāo)就是要將四種力統(tǒng)一成一種力，即所謂的大統(tǒng)一。將四種力統(tǒng)一成一種力，即所謂的大統(tǒng)一。 以上談到了物理尤其是理論發(fā)展過程以上談到了物理尤其是理論發(fā)展過程中簡(jiǎn)單性、對(duì)稱性和統(tǒng)一性所起的作用。中簡(jiǎn)單性、對(duì)稱性和統(tǒng)一性所起的作用。它們?nèi)卟⒉皇枪铝⒌模簩?duì)稱則統(tǒng)一，它們?nèi)卟⒉皇枪铝⒌模簩?duì)稱則統(tǒng)一，統(tǒng)一則簡(jiǎn)單；它們構(gòu)成了物理學(xué)的美學(xué)統(tǒng)一則簡(jiǎn)單；它們構(gòu)成了物理學(xué)的