杨振宁：美与物理学_1650670.pdf0670
特约专稿
编者按 今年9月22日是当代物理学大师杨振宁教授80华诞,杨教授学术上的卓越成就和严谨的治学思想,深深地影响着我国物理界几代学人.值此杨教授诞辰之际,特转载他的“美与物理学”一文,以飨读者,并遥贺杨教授健康长寿.
美与物理学
3
杨振宁31997年1月17日在香港中华科学与社会协进会与香港中文大学主办的演讲会上的讲词,讲题原为“科学工作有没有风格”.十九世纪物理学的三项最高成就是热力学、电磁学与统计力学.其中统计力学奠基于麦克斯韦(J.Max well ,1831—1879)、玻尔兹曼(L.Boltzmann ,1844—1905)与吉布斯(W.G ibbs ,1839—1903)
的工作.玻尔兹曼曾经说过①:
一位音乐家在听到几个音节后,即能辨认出莫扎特(M ozart )、贝多芬(Beethoven )或舒伯特(Schubert )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(Cauchy )、高斯(G auss )、雅可比(Jacobi )、亥姆霍兹(Helmholtz )或克尔期豪夫(K irchhoff )的工作.
对于他的这一段话也许有人会发生疑问:科学是研究事实的,事实就是事实,那里会有什么风格?关于这一点我曾经有过如下的讨论②
:
让我们拿物理学来讲吧.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,对于这个结构的不同的美和妙的地方,有不同的感受.因为大家有不同的感受,所以每位工作者就会发展他自己独特的研究方向和研究方法.也就是说他会形成他自己的风格.
今天我的演讲就是要尝试阐述上面这一段话.我们先从两位著名物理学家的风格讲起.一 狄拉克
狄拉克(P.Dirac ,1902—1984)(图1)是二十世纪一位大物理学家.关于他的故事很多.譬如:有一次狄拉克在普林斯顿大学演讲.演讲完毕,一位听众站起来说:“我有一个问题请回答:我不懂怎么可以从公式(2)推导出来公式(5).”狄拉克不答.主持者说:“狄拉克教授,请回答他的问题.”狄拉克说:“他并没有问问题,只说了一句话.”
这个故事所以流传极广是因为它确实描述了狄拉克的一个特点:话不多,而其内含有简单、直接、原始的逻辑性.一旦抓住了他独特的、别人想不到的逻辑,他的文章读起来便很通顺,就像“秋水文章不染尘”,没有任何渣滓,直达深处,直达宇宙的奥秘.
狄拉克最了不得的工作是1928年发表的两篇短文,写下了狄拉克方程③:
(pc α+mc 2β)Ψ=E Ψ.(D )
这个简单的方程式是惊天动地的成就,是划时代的里程碑:它对原子结构及分子结构都给予了新的层面和新的极准确的了解.没有这个方程,就没有今天的原子、分子物理学与化学.没有狄拉克?391?31卷(2002年)4期
图1 狄拉克1969年在美国纽约州石溪(L.E isenbud摄)
引进的观念就不会有今天医院里通用的核磁共振成像(MRI)技术,不过此项技术实在只是狄拉克方程的一项极小的应用.
狄拉克方程“无中生有、石破天惊”地指出为什么电子有“自旋”(spin),而且为什么“自旋角动量”是1Π2而不是整数.初次了解此中奥妙的人都无法不惊叹其为“神来之笔”,是别人无法想到的妙算.当时最负盛名的海森伯(W.Heisenberg,1901—1976)看了狄拉克的文章,无法了解狄拉克怎么会想出此神来之笔,于1928年5月3日给泡利(W.Pauli,1900—1958)写了一封信描述了他的烦恼④:
为了不持续地被狄拉克所烦扰,我换了一个题目做,得到了一些成果.
(按:这成果是另一项重要贡献:磁铁为什么是磁铁.)
狄拉克方程之妙处虽然当时立刻被同行所认识,可是它有一项前所未有的特性,叫做“负能”现象,这是大家所绝对不能接受的.狄拉克的文章发表以后三年间关于负能现象有了许多复杂的讨论,最后于1931年狄拉克又大胆提出“反粒子”理论(Theory of Antiparticles)来解释负能现象.这个理论当时更不为同行所接受,因而流传了许多半羡慕半嘲弄的故事.直到1932年秋安德森(C.
D.Anders on,1905—1991)发现了电子的反粒子以后,大家才渐渐认识到反粒子理论又是物理学的另一个里程碑.
二十世纪的物理学家中,风格最独特的就数狄拉克了.我曾想把他的文章的风格写下来给我的文、史、艺术方面的朋友们看,始终不知如何下笔.去年偶然在香港大公报大公园一栏上看到一篇文章,其中引了高适(700—765)在《答侯少府》中的诗句:“性灵出万象,风骨超常伦.”我非常高兴,觉得用这两句诗来描述狄拉克方程和反粒子理论是再好没有了:一方面狄拉克方程确实包罗万象,而用“出”字描述狄拉克的灵感尤为传神.另一方面,他于1928年以后四年间不顾玻尔(N. Bohr,1985—1962)、海森伯、泡利等当时的大物理学家的冷嘲热讽,始终坚持他的理论,而最后得到全胜,正合“风骨超常伦”.
可是什么是“性灵”呢?这两个字联起来字典上的解释不中肯.若直觉地把“性情”、“本性”、“灵犀”、“圣灵”(G host)等加起来似乎是指直接的、原始的、未加琢磨的“灵感”、
“灵魂”、
“心灵”、
思路,而这恰巧是狄拉克方程之精神.刚好此时我和香港中文大学童元方博士谈到《二十一世纪》1996年6月号钱锁桥的一篇文章,才知道袁宏道(1568—1610)(和后来的周作人[1885—1967],林语堂[1895—1976]等)的性灵论.袁宏道说他的弟弟袁中道(1570—1623)的诗是“独抒性灵,不拘格套”,这也正是狄拉克作风的特征.“非从自己的胸臆流出,不肯下笔”,又正好描述了狄拉克的独创性
!
图3 狄拉克与海森伯1930年前后在美国剑桥(原刊于
D.C.Cassidy ,Uncertainty ,The Life and Science of W erner Heis 2
enberg ,W.H.Freeman ,1992)
.图2 海森伯1924年前后在德国格廷根(G ttingen )(原刊于D.C.Cassity ,Uncertainty ,The Life and Science of W erner Heisenberg ,W.H.Freeman ,1992).二 海森伯
比狄拉克年长一岁的海森伯(图2,3)是二十世
纪另一位大物理学家,有人认为他比狄拉克还要略
高一筹⑤.他于1925年夏天写了一篇文章,引导出
了量子力学的发展.三十八年以后科学史家库恩
(T.K uhn ,1922—1996)访问他,谈到构思那个工作时
的情景.海森伯说⑥:
爬山的时候,你想爬某个山峰,但往往到处是
雾……你有地图,或别的索引之类的东西,知
道你的目的地,但是仍坠入雾中.然后……忽
然你模糊地,只在数秒钟的功夫,自雾中看到
一些形象,你说:“哦,这就是我要找的大石.”
整个情形自此而发生了突变,因为虽然你仍不
知道你能不能爬到那块大石,但是那一瞬间你
说:“我现在知道我在什么地方了.我必须爬近
那块大石,然后就知道该如何前进了.”
这段谈话生动地描述了海森伯1925年夏摸索
前进的情形.要了解当时的气氛,必须知道自从
1913年玻尔提出了他的原子模型以后,物理学即
进入了一个非常时代:牛顿(I.Newton ,1642—1727)
力学的基础发生了动摇,可是用了牛顿力学的一
些观念再加上一些新的往往不能自圆其说的假
设,却又可以准确地描述许多原子结构方面奇特
的实验结果.奥本海默(J.R.Oppenheimer ,1904—
1967)这样描述这个不寻常的时代⑦:
那是一个在实验室里耐心工作的时代,
有许多关键性的实验和大胆的决策,有许多
错误的尝试和不成熟的假设.那是一个真挚
通讯与匆忙会议的时代,有许多激烈的辩论
和无情的批评,里面充满了巧妙的数学性的
挡架方法.对于那些参加者,那是一个创新的时代,
自宇宙结构的新认识中他们得到了激奋,也尝到了恐惧.这段历史恐怕永远不会被完全记录?591?31卷(2002年)4期
下来.要写这段历史须要有像写奥迪帕斯(Oedipus)或写克伦威尔(Crom well)那样的笔力,可是由于涉及的知识距离日常生活是如此遥远,实在很难想像有任何诗人或史家能胜任.
1925年夏天,23岁的海森伯在雾中摸索,终于摸到了方向,写了上面所提到的那篇文章.有人说这是三百年来物理学史上继牛顿的《数学原理》以后影响最深远的一篇文章.
可是这篇文章只开创了一个摸索前进的方向,此后两年间还要通过玻恩(M.Born,1882—1970)、狄拉克、薛克谔(E.Schr dinger,1887—1961)、玻尔等人和海森伯自己的努力,量子力学的整体架构才逐渐完成⑧.量子力学使物理学跨入崭新的时代,更直接影响了二十世纪的工业发展,举凡核能发电、核武器、激光、半导体元件等都是量子力学的产物.
1927年夏,25岁尚未结婚的海森伯当了莱比锡(Leipzig)大学理论物理系主任.后来成名的布洛赫(F.Bloch,1905—1983,核磁共振机制创建者)和特勒(E.T eller,1908—,“氢弹之父”,我在芝加哥大学时的博士学位导师)都是他的学生.他喜欢打乒乓球,而且极好胜.第一年他在系中称霸.1928年秋自美国来了一位博士后,自此海森伯只能屈居亚军.这位博士后的名字是大家都很熟悉的———周培源.
海森伯所有的文章都有一共同特点:朦胧、不清楚、有渣滓,与狄拉克的文章的风格形成一个鲜明的对比.读了海森伯的文章,你会惊叹他的独创力(originality),然而会觉得问题还没有做完,没有做干净,还要发展下去;而读了狄拉克的文章,你也会惊叹他的独创力,同时却觉得他似乎已把一切都发展到了尽头,没有什么再可以做下去了.
前面提到狄拉克的文章给人“秋水文章不染尘”的感受.海森伯的文章则完全不同.二者对比清浊分明.我想不到有什么诗句或成语可以描述海森伯的文章,既能道出他的天才的独创性,又能描述他的思路中不清楚、有渣滓、有时似乎茫然乱摸索的特点.
三 物理学与数学
海森伯和狄拉克的风格为什么如此不同?主要原因是他们所专注的物理学内涵不同.为了解释此点,请看图4所表示的物理学的三个部门和其中的关系:唯象理论(phenomenological theory)(2)是介乎实验(1)和理论架构(3)之间的研究.(1)和(2)合起来是实验物理,(2)和(3)合起来是理论物理,而理论物理的语言是数学.
物理学的发展通常自实验(1)开始,即自研究现象开始.关于这一发展过程,我们可以举很多大大小小的例子.先举牛顿力学的历史为例.布拉赫(T.Brahe,1546—1601)是实验天文物理学家,活动领域是(1).他做了关于行星轨道的精密观测.后来开普勒(J.K epler,1571—1630)仔细分析布拉赫的数据,发现了有名的开普勒三大定律.这是唯象理论(2).最后牛顿创建了牛顿力学与万有引力理论,其基础就是开普勒的三大定律.这是理论架构(3).
再举一个例子:通过十八世纪末、十九世纪初的许多电学和磁学的实验(1),安培(A. Am père,1775—1836)和法拉第(M.Faraday,1791—1867)等人发展出了一些唯象理论(2).最后由麦克斯韦归纳为有名的麦克斯韦方程(即电磁学方程),才步入理论架构(3)的范畴.
另一个例子:十九世纪后半叶许多实验工作(1)引导出普朗克(M.Planck,1858—1947)1900年的唯象理论(2).然后经过爱因斯坦(A.Einstein,1879—1955)的文章和上面提到过的玻尔的工作等,又有一些重要发展,但这些都还是唯象理论(2).最后通过量子力学之产生,才步入理论架构(3)的范畴.
海森伯和狄拉克的工作集中在图4所显示的哪一些领域呢?狄拉克最重要的贡献是前面所提到的狄拉克方程(D).海森伯最重要的贡献是海森伯方程⑨,是量子力学的基础:
pq-qp=-i .(H)这两个方程都是理论架构(3)中之尖端贡献.二者都达到物理学的最高境界.可是写出这两个
方程的途径却截然不同:海森伯的灵感来自他对实验结果(1)与唯象理论(2)的认识,进而在摸索中达到了方程式(H ).狄拉克的灵感来自他对数学(4)的美的直觉欣赏,进而天才地写出他的方程(D ).他们二人喜好的、注意的方向不同,所以他们的工作的领域也不一样,如图5所示(此图也标明玻尔、薛定谔和爱因斯坦的研究领域.爱因斯坦兴趣广泛,在许多领域中,自(2)至(3)至(4),都曾做出划时代的贡献)
.
图4
物理学的三个领域图5 几位二十世纪物理学家的研究领域
海森伯从实验(1)与唯象理论(2)出发:实验与唯象理论是五光十色、错综复杂的,所以他要摸索,要犹豫,要尝试了再尝试,因此他的文章也就给读者不清楚,有渣滓的感觉.狄拉克则从他对数学的灵感出发:数学的最高境界是结构美,是简洁的逻辑美,因此他的文章也就给读者“秋水文章不染尘”的感受
.
图6 二叶图让我补充一点关于数学和物理的关系.我曾经把二者的关系表示为两片在茎处重叠的叶片(图6).重叠的地方同时是二者之根,二者之
源.譬如微分方程、偏微分方程、希尔伯特空间、黎
曼几何和纤维丛等,今天都是二者共用的基本观
念.这是惊人的事实,因为首先达到这些观念的物
理学家与数学家曾遵循完全不同的路径,完全不
同的传统.为什么会殊途同归呢?大家今天没有
很好的答案,恐怕永远不会有,因为答案必须牵扯
到宇宙观、知识论和宗教信仰等难题.
必须注意的是在重叠的地方,共用的基本观
念虽然如此惊人地相同,但是重叠的地方并不多,
只占二者各自的极少部分.譬如实验(1)与唯象理
论(2)都不在重叠区,而绝大部分的数学工作也在
重叠区之外.另外值得注意的是即使在重叠区,虽
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然基本观念物理与数学共用,但是二者的价值观与传统截然不同,而二者发展的生命力也各自遵循不同的茎脉流通,如图6所示.
常常有年青朋友问我,他应该研究物理,还是研究数学.我的回答是这要看你对哪一个领域里的美和妙有更高的判断能力和更大的喜爱.爱因斯坦在晚年时(1949年)曾经讨论过为什么他选择了物理.他说 λυ:
在数学领域里,我的直觉不够,不能辨认哪些是真正重要的研究,哪些只是不重要的题目.
而在物理领域里,我很快学到怎样找到基本问题来下功夫.
年青人面对选择前途方向时,要对自己的喜好与判断能力有正确的自我估价.
四 美与物理学
物理学自(1)到(2)到(3)是自表面向深层的发展.表面有表面的结构,有表面的美.譬如虹和霓是极美的表面现象,人人都可以看到.实验工作者作了测量以后发现虹是42°的弧,红在外,紫在内;霓是50°的弧,红在内,紫在外.这种准确规律增加了实验工作者对自然现象的美的认识.这是第一步(1).进一步的唯象理论研究(2)使物理学家了解到这42°与50°可以从阳光在水珠中的折射与反射推算出来,此种了解显示出了深一层的美.再进一步的研究更深入了解折射与反射现象本身可从一个包容万象的麦克斯韦方程推算出来,这就显示出了极深层的理论架构(3)的美.
牛顿的运动方程、麦克斯韦方程、爱因斯坦的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.它们提炼了几个世纪的实验工作(1)与唯象理论(2)的精髓,达到了科学研究的最高境界.它们以极度浓缩的数学语言写出了物理世界的基本结构,可以说它们是造物者的诗篇.
这些方程还有一方面与诗有共同点:它们的内涵往往随着物理学的发展而产生新的、当初所完全没有想到的意义.举两个例子:上面提到过的十九世纪中叶写下来的麦克斯韦方程是在本世纪初通过爱因斯坦的工作才显示出高度的对称性,而这种对称性以后逐渐发展为二十世纪物理学的一个最重要的中心思想.另一个例子是狄拉克方程.它最初完全没有被数学家所注意,而今天狄拉克流型(Dirac Manifold)已变成数学家热门研究的一个新课题.
学物理的人了解了这些像诗一样的方程的意义以后,对它们的美的感受是既直接而又十分复杂的.
它们的极度浓缩性和它们的包罗万象的特点也许可以用布雷克(W.Blake,1757—1827)的不朽名句来描述 λ?:
T o see a W orld in a G rain of Sand
And a Heaven in a Wild Flower
H old In finity in the palm of y our hand
And Eternity in an hour
它们的巨大影响也许可以用蒲柏(A.P ope,1688—1744)的句名来描述 λω:
Nature and nature′s law lay hid in night:
G od said,let Newton be!And all was light.
可是这些都不够,都不够全面地道出学物理的人面对这些方程的美的感受.缺少的似乎是一
种壮严感,一种神圣感,一种初窥宇宙奥秘的畏惧感.我想缺少的恐怕正是筹建哥德式(G othic )教堂的建筑师们所要歌颂的崇高美、灵魂美、宗教美、最终极的美.
注释
① 见Ludwig Boltzmann ,ed.E.Broda (Oxbow Press ,1983),23.
② 杨振宁:
《读书教学四十年》(香港:三联书店,1985),页116.③ 此方程式中p 是动量,c 是光速(=300,000公里Π秒),m 是电子的质量,E 是能量,Ψ是波函数.这些都是当时大家已熟悉的观念.α和β是狄拉克引进的新观念,十分简单但却影响极大.在物理学和数学中都起了超级作用.④ 译自A.Pais ,Inward Bound (Ox ford University Press ,1986),348.海森伯是当时最被狄拉克方程所烦扰的一位物理学家,因为他是这方面的大专家:1913年玻尔最早提出了量子数的观念,这些数都是整数.后来于1921年还不到20岁的学生海森伯大胆地提出量子数是1Π2的可能.1925年两位年青的荷兰物理学家把1Π2的量子数解释成自旋角动量.这一些发展都是唯象理论(2),它们得到了许多与实验(1)极端符合的结果,十分成功.可是它们都还只是东拼西凑出来的理论.狄拉克方程则不然,它极美妙地解释了为什么自旋角动量必须是1Π2.由此我们很容易体会到当天才的海森伯看了狄拉克方程,在羡佩之余,必定会产生高度的烦恼.
⑤ 诺贝尔奖金委员会似乎持此观点:海森伯独获1932年诺贝尔奖,而狄拉克和薛定谔合获1933年诺贝尔奖.⑥ 译自A.Pais ,Niels Bohr ′s T imes (Ox ford University Press ,1991),276.
⑦ 译自J.R.Oppenheimer ,Science and the C omm on Understanding (The Reith Lectures 1953,S im on and Schuster ,1954).引文最后一句是说荷马(H omer ,古希腊诗人)和喀莱尔(T.Carlyle ,1795—1881)都恐怕难以胜任.
⑧ 紧跟着海森伯的文章,数月内即又有玻恩与约尔丹(P.Jordan ,1902—1980)的文章和玻恩、海森伯与约尔丹的文章.这三篇文章世称“一人文章”、“二人文章”及“三人文章”,合起来奠定了量子力学的数学结构.狄拉克和薛定谔则分别从另外的途径也建立了同样的结构.但是这个数学结构的物理意义却一时没有明朗化.1927年海森伯的“测不准原理”和玻尔的“互补原理”才给量子力学的物理意义建立了“哥本哈根解释”.
⑨ 事实上海森伯并未能写下(H ).他当时的数学知识不够.(H )是在注⑧所提到的二人文章与三人文章中最早出现的. λυ 节译自爱因斯坦“Autobiographical N otes ”,原文见Albert E instein ,Philos opher 2Scientist ,ed.P.A.Schilpp ,Open C ourt ,Evanston ,Ⅲ.(1949).
λ? 陈之藩教授的译文(见他所写的《时空之海》[台北:远东图书公司,1996],页47)如下:
一粒砂里有一个世界
一朵花里有一个天堂
把无穷无尽握于手掌
永恒宁非是刹那时光
λω 我的翻译如下:
自然与自然规律为黑暗隐蔽:
上帝说,让牛顿来!一切遂臻光明.
杨振宁 当代物理学大师,在基本粒子理论和统计力学方面都曾作出许多卓越贡献.他在1956年和李政道共同提出在弱衰变过程中宇称性不守恒的可能,跟着这革命性观点由实验证明,整个物理学界为之轰动,杨、李二位在翌年因此获得诺贝尔物理学奖.杨教授在1954年和米尔斯(https://www.360docs.net/doc/8f15332605.html,ls )所提出的广义规范场理论,今日已经成为讨论一切相互作用的基础语言和工具,其重要性与广义相对论可相比拟.杨教授早年先后在西南联合大学和芝加哥大学攻读物理学,1949年受聘于普林斯顿高等学术研究所,1966年出任纽约大学石溪分校理论物理所所长迄今,1986年起兼任香港中文大学的博文讲座教授.
(转载自《二十一世纪》杂志1997年4月号)
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物理学中的美
物理学中的美 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。由于科学理论的首要目的是表达人们发现的自然界中存在的和谐。所以，我们一眼就能看到这些理论具有美学价值。对于一个科学理论的成功与否的衡量，事实上就是对它的美学价值的衡量，因为这就是衡量它给原本是混乱的东西带来了多少和谐。 自然科学美的主体成分理性美，是自然界的固有结构与人的认识、人类心灵深处的渴望在本质上的吻合。它是通过科学的理想化、抽象化，以概念、定理、公式、理论的方式显示出来的。由历代物理学家所精心雕琢的物理学大厦，可谓是一座辉煌壮丽的科学殿堂。它集诸种基本形式美与内容美于一体，不仅向人们提供了对物质世界规律性的认识，同时也把一种令人心旷神怡的美景奉献给了人类。只要步入这个“和谐的宇宙”，就一定能使具有一定科学素养的人领略和体味到这种理性美。
物理学所描述的对象是非常广泛的，因而它的美也在多方面有所体现。从浩瀚无边的宇宙到微观世界的基本粒子，无不是物理学家的研究对象；从星系到夸克，全部都遵循着基本的物理规律。结合美学的基本原则以及科学美的评价和判断标准，我们可以从以下几方面来欣赏物理世界的美：物理学中的逻辑简单性；物理定律的内在对称性；物理规律的复杂整体性；物理原理的并协互补性；物理理论的普遍性；物理学中的延伸性。 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。” 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，被后人称为“物理学之父”的阿基米德，从数学上证明了杠杆原理、浮力定律等，从而使他的静力学闪烁着数学美的曙光。 哥白尼的日心说体系，由于提供了用圆周运动和匀速运动解释天体现象的最简单、最经济的方案，使得天文学上的测算变得更加容易，并且在他巧妙的构思下，“宇宙里有一种奇妙的对称，轨道的大小与运动都有一定的和谐关系。”人们都“以难以相信的欢乐心情去欣赏它的美。”开普勒则以他关于和谐关系的“原型样本”，使第谷的那些繁杂而沉闷的资料获得了新生，从而勾画出“和谐是宇宙布局的精髓”的宏伟蓝图。波恩评论说：“开普勒的不朽功绩就在于他发现了
发现物理之美,激发学习动力――初中物理之和谐美
发现物理之美，激发学习动力 ——初中物理和谐之美 大自然是和谐的，于是万物生机勃勃、共存共生、色彩斑斓；社会是和谐的，于是人们和睦相处、安居乐业、团结奋进。万物相似相近，相通相契，相对称，使世界稳定而和谐；事物之间相异相对，互为补充，取长补短，也使世界多样而统一，丰富而和谐。同可和谐，异也和谐，美即是和谐。美丽的和谐思想也渗透在初中物理课之中，它如同朵朵绽开的鲜花，芳溢其中。下面就让我们一起来赏析吧。 一、对称、平衡之和谐 在新课程标准人教版八年级物理（上册）的光现象中，我们学习过一条重要的光学定律——反射定律：反射光线、入射光线与法线在同一平面内；反射光线、入射光线分居法线两侧；反射角等于入射角。入射角增减，反射角如影子般 也随着增减，两条光线（反射光线、入射光线）如扇动的蝶翅，翩翩起 舞，如梦如幻。 平面镜成像更是美仑美奂。那毫无粉饰的对称，那极致绝顶的真实，真 使人惊叹大自然的美妙。它使世界有了一个极美的备份，一切都可以在其中找到自己的影子，万物都由一变为二，不再孤独，不再势单，也不会再搞一家之言，更不会有霸权的出现，有的只是对称、平等、自由、和谐。 在该版本教材的八年级（下册）中，汇集上册电学知识，我们可以得到串联电路与并联电路的电压、电流关系式： 串联电路
并联电路 用心观察，我们可以发现①与④，②与③是多么的相似，而整个式子又是多么的对称，和谐。这不是人为的设计，也不是纯粹的偶然，这就是物理学天然而成的和谐。 在第三册力现象中，还有一个二力平衡公式：F=F1-F2，F1、F2是作用在同一个物体的两个力，在物理学中称为分力。它们相互作用、相互制衡，如果它们大小相等，方向相反，又作用在同一条直线上，那么受力物体两端虽有巨力万钧，也会岿然不动，如无力存在般的平衡、稳定，真是奇也，美也，和谐也。 二、相异、互补之和谐 在此版本教材的八年级（上册）的光现象中，凸透镜成像规律是这样表述的：一倍焦距分虚实，两倍焦距分大小，物近像远像变大。你瞧，物近像就远，物远像就近。就像人们之间你供我需，你需我供，你缺我补，我少你添，相互礼让，相敬如宾，和谐共处。
《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。 学物理的人了解这些像诗一样的方程的意义以后，对它们美的感受是既直接又十分复杂，既有一种庄严感、神秘感，又有一种初窥宇宙奥秘的畏惧感。这种心情和感觉，就像中世纪哥特式教堂的建筑师们，虔诚地歌颂一种崇高美、灵魂美、宗教美、最终极的美。 这就是杨振宁。在高度抽象，甚至是枯燥无味的数学物理方程中能发现诗意的光辉，音乐的旋律。评论高深的物理数学，宛如十指在琴键上行云舒卷，弹奏出一曲高山流水的清音，实在令人叹为观止。他告诉我们，一代大师，应该具有怎样的人文素质，而这些知识又恰恰是他攀登科学高峰时必不可少的素质。 由杨振宁联想到爱因斯坦。最近在讨论素质教育的热潮中，有人写文章说爱因斯坦的“情绪智力”并不高等等，这如果不是无知就是骗取稿费。这位本世纪的物理大师，在世纪初，就把物理大山凿穿得出了一个哲学结论：当速度等于光速，时间就停止；当质量足够大时，它周围的空间就弯曲。这个结论改变了人类的
谈谈物理学之美(1)
谈谈物理学中美的教学 湖南省年物理国陪计划学员邓秋月 （年月） 尊敬的老师们： 我很欣慰能参加这次培训，它让我大开了眼界、更新了教育理念、提升了业务素养，更开心的是认识了在座的各位。回想十八年来的工作历程，让我引以为豪的地方不多，我的特点是对工作的热爱与执着，以及脚踏实地、扎扎实实的作风。为了一心一意搞好工作，儿子一断奶就放回了老家，让公公婆婆带。只有放假才回老家看看。记得儿子三岁那年，曾经抱着他爸撒娇说：“爸爸，我要到你们家去。”那份酸楚，现在想来，心中仍隐隐作痛。可直到现在，仍没改变那份热情和执着。下面谈一谈我对物理学的一点感悟。 物理学不是美学，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，因而它也就同时展现了自然界在结构上的对称、和谐与韵律美等，它表现在多个方面。 一、充分利用物理学的神奇美 物理学的神奇美是物理学的一个重要特征，物理中新颖的结论，奇异的实验现象和巧妙的解题方法都表现了令人惊讶的神奇美。这一点在学生一接触物理就有体会和感悟的。人教版在引言中就有让停止沸腾的水不加热却能重新沸腾的实
验；透过透镜所看到的世界可大可小；之后又有透过望远镜可观察遥远的夜空；而通过显微镜则能观察到物质内部微观领域中的微小粒子；利用照相机却又能照出惟妙惟肖的景物；马德堡半球实验；太阳光色散等，这些都是教材中所拥有的素材。而我还注重收集和创造这样的素材。如人造卫星失重现象；、沸水养活鱼、静电冲冠实验，人造喷泉等等。这些实例都绝好的体现了物理学的神奇之美。在教学中可大大激发学生的求知欲，达到神秘离奇、令人陶醉的境界。利用这样一些素材进行教学，让学生领悟其中的奥妙，通过学习变神奇为不神奇，从而感受到学习的乐趣。 二、物理学简洁美的教学 我们人类办事都力求简洁，物理学同样也追求简洁。牛顿曾说：“自然界喜欢简单，不爱用多余的原因夸耀自己。”爱因斯坦也把简炼当作鉴别科学理论的重要美学标准。他曾说：“要通过最少个数的原始概念和原始关系的使用来达到科学的目的。”物理学的简单性并不是指物理内容本身简单，而是一个简单的符号、图像、公式就可包涵极其深刻的内容。如：一条直线画上箭头就有了丰富的内涵，可用来表示像力、光线、磁感线这么抽象的物体；通过几个简单的符号就能表示一个非常复杂的电路；一个理论的假设条件很少，而概括的经验事实或演译出的推论却很多，如牛顿第一定律；通过这么一个简单的数学关系式，就能表示如密度质量体积、电阻电流电压、速度路程时间等等物理量之间的变量关系。一
物理中的美学
物理与美学 美的内涵是对能引起人们美感的客观事物的共同本质属性的抽象概括，其本质是审美客体合目的性和合规律性的统一。美的存在是客观事物的一种表现，我们能够认识美的规律，按照美的规律去创造美。而物理学是一门揭示物质存在与运动规律的自然科学。它科学地揭示了自然规律,同时也展示了自然、人类与科学的艺术魅力。物理中有自然的美,也有科学和艺术的美：第一，狭义的物理世界是自然界的一部分，这部分物理世界具有的美也是自然美的一个组成部分。第二，人造的物理世界是人类发挥了自己的主观能动性，以美的规律创造的物理世界，比如激光、无线电、计算机、超导、航天飞机等以及为了重复和模拟自然现象而创造的实验条件，这一部分是物理学对人类提供的不朽的物质财富，它所产生的美感是自然美所不能包含的；第三，物理学是人类为研究物理世界而创造的一门科学，它是人类认识世界、改造自然的智慧结晶。而科学的本质是“真、善、美”，这种科学美，历来为科学大师所推崇，法国数学家彭加勒曾说：“一个名符其实的科学家，尤其是数学家，他在自己的工作中体验到和艺术家一样的印象。他的乐趣和艺术家的乐趣具有同样的性质，是同样伟大的东西。”这种科学美在物理学中表现尤为明显，物理学所揭示的真理就是真与美的统一。 物理美学除了具备科学美普遍的特征外，还有自己独有的一些特性。物理美是属理性的美。 物理美应包含三部分：（1）自然物理现象的美；（2）物理创造的美；（3）物理学作为一门科学的美—物理学美。 1.物理现象的自然美 物理涉及力、声、热、光、电、磁和原子物理等内容,物理现象千姿百态、美妙无穷。如星移斗转、日夜交替、春秋轮回、物态互变等自然规律,因有序而美;光的反射与倒影、折射与海市蜃楼、色散与彩虹、日食和月食都有奇异的美。人类在研究和应用物理方面创造的辉煌成果,是美的精品。蒸汽机、发电机、激光器、电子对撞机的发明,步步促进人类生产、生活和高科技的发展;众多的航天器和卫星正在全球通讯、气象观测、国防和科研等方面建功立业;电磁技术、激光技术、能源开发技术突飞猛进;核电站、太阳能电站的相继林立充分展示了物理前景无限美好。 2.物理规律的简洁美 简洁美是以简单、洁净呈现其美感，简洁美是科学美的特征之一。自然界的现象是错综复杂的，然而自然界本身却是简单和谐的，因此研究的方法和规律的表述也是简单的，科学家们用最精炼的语言，最少的符号，最简单的形式来表达知识。正如爱因斯坦所说：“真实的世界在逻辑上总是简单的。”所以，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。例如：运动和力呈现出的关系“F=ma”如此简明；质能方程E＝mc2，形式简单，内容却极其丰富；麦克斯韦方程组把复杂的电磁规律建成一个简单对称的理论体系；被物理学家们争执了一百多年的“热”，却仅以十个字做了结论：“大量分子的无规则运动。”仅仅十个字，真是简单科学!物理学中的理想模型更具有简单美的特征。就如质点、单摆、理想气体、电磁场等，这些犹如一幅幅生动形象的简笔画，把物体的特征和个性勾画得淋漓尽致，既简单又合理，既抽象又形象。 3.物理规律的和谐美 自然界本身是一个和谐的整体，支持其运行的自然规律也应具有和谐性和统一性。而以其为研究对象的物理学必然会体现这一特性。爱因斯坦曾说过“如果不相信我们的理论结构能够领悟客观实在；如果不相信我们的世界的内在和谐性，那就不会有任何科学。”和谐给
美及物理学(杨振宁)
美与物理学（杨振宁） 十九世纪物理学的三项最高成就是热力学、电磁学与统计力学。其中统计力学奠基于 麦克斯韦（J. Maxwell , 1831 - 1879）、波耳兹曼（L. Boltzmann , 1844 - 1905）与 吉布斯（W. Gibbs , 1839- 1903）的工作。波耳兹曼曾经说过： 一位音乐家在听到几个音节后，即能辨认出莫扎特（Mozart）、贝多芬（Beethoven） 或舒伯特（Schubert）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（Cauchy）、高斯（Gauss）、雅可比（Jacobi）、亥姆霍兹（Hel mholtz）或克尔 期豪夫（Kirchhoff）的工作。 对于他的这一段话也许有人会发生疑问：科学是研究事实的，事实就是事实，那里会 有甚么风格？关于这一点我曾经有过如下的讨论： 让我们拿物理学来讲吧。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，对于这个结构的不同的美和妙的地方，有不同的感受。因为大家有 不同的感受，所以每位工作者就会发展他自己独特的研究方向和研究方法。也就是说他会 形成他自己的风格。 今天我的演讲就是要尝试阐述上面这一段话。我们先从两位著名物理学家的风格讲起 。 一、狄拉克 狄拉克（P. Dirac , 1902 - 1984）是二十世纪一位大物理学家。关于他的故事很 多。譬如：有一次狄拉克在普林斯顿大学演讲。演讲完毕，一位听众站起来说：“我有一 个问题请回答：我不懂怎么可以从公式（2）推导出来公式（5）。”狄拉克不答。主持 者说：“狄拉克教授，请回答他的问题。”狄拉克说：“他并没有问问题，只说了一句话
物理与美学-杨振宁
物理与美学－杨振宁 发布日期：2005-12-9 发布人：施大宁点击数：433【字体：大中小】 著名物理学家杨振宁畅谈物理学之美
杨振宁为庆祝母校90周年校庆而回到清华，进行了一场题为“美与物理学”的演讲。 一本科普书带给12岁杨振宁诺贝尔梦 杨振宁的启蒙老师是他的母亲，她只是一个念过几年私塾、没有受到过任何新式教育的中国妇杨振宁从她那里学到3000个汉字和坚强的意志，这种意志给了他无穷的力量。 童年的他是一个淘气的孩子，至少是一个不守规矩的孩子。1929年，在他7岁时随父亲来到开始在清华园内读小学，自称“清华的每一棵树都爬过，几乎每一棵都研究过 。十二三岁在崇德(现在的北京第31中学)念书的时候，喜欢东看西看。有一天发现一本“神秘的宇宙 非常有意义中讲述了20世纪到当时为止，世界上所发现的一些物理学的现象和理论。他回家就和父母开玩笑将来要得诺贝尔奖。 为什么身为著名的数学家之子，没有读数学呢？杨先生解释，因为父亲杨武之认为，中国必须地把实际的事情搞上去，所以建议他读化学。在报考大学之前，由于中学没有学过物理，杨振宁于门一个月自修物理，竟然发现物理十分有意思，进入西南联大以后，就转到物理系学习。 在西南联大读完大学和研究生课程，又教了几年书，随后决定到美国芝加哥大学留学。杨振宁以选择这所大学，不仅仅因为是他父亲的母校，更重要的一个原因是当时世界上著名的物理学家之——费米在那里教书。 每一个科学家都有独特的治学风格 在介绍科学家的风格之前，杨振宁先给大学生介绍了统计力学创始人波耳兹曼曾经写过的一段搞音乐的人，在听到几个音节以后，就能辨出莫扎特、贝多芬或者舒伯特，同样一个数学家或物理在念了几页文字以后，就能辨出柯西、高斯、雅可比、亥姆霍兹或克尔斯豪夫的作品。杨振宁对此解和解释是，每一个画家、作家、音乐家，都有他自己独立的风格。 也许有人认为，科学与文艺不同，科学是研究事实的，事实就是事实，怎么可以称之为风格？宁以物理学为例来说明科学家是有风格的。 物理学的原理有它的结构，这个结构有它的美与妙的地方。而各个物理学工作者对于“结构不美与妙 感受有不同的了解。因为大家有不同的感受，所以每个工作者就会发展他自己的研究方向究方法，也就是他会形成自己的风格。 同为20世纪大物理学家，狄拉克和海森堡的风格就不相同。狄拉克方程式奠定了今天原子和的基础，解释了无数的物理化学现象。 杨振宁认为，20世纪的物理学家中，风格最独特的就数狄拉克了。
谈物理学的统一美
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—
欣赏物理学之美
欣赏物理学之美 自己收集整理的 错误在所难免 仅供参考交流 如有错误 请指正！谢谢 欣赏物理学之美 宁波市鄞州中学陈前 一提到物理学我们就会想到爱因斯坦的那张照片：满头白发 满脸皱纹（见图一） 好象做科学的人只知道研究 不懂得生活 其实这个认识是片面的 爱因斯坦不但在物理学上成就伟大 而且他的小提琴演奏水平很高 还能弹一手好钢琴
在美学上也有独到的认识 请看下面这幅照片（图二） 这幅照片的名称叫dance 这是哈勃望远镜铺获到的一场宇宙中的精彩"舞会" 左边的"舞者"是较大的星系（ngc2207） "依偎"在旁的是较小的星系（ic2163） ngc2207的"吸引力"（强大的万有引力作用）使得ic2163"翩翩起舞" 它"掷"出的气体、恒星形成约十万光年长的"彩带" 这场"舞会"将在数十亿年后结束 最后两个星系将成为"一体" 这是形式美 它的本质也是美的 因为它们的作用遵守万有引力定律 我们还可以预见它们的未来是怎样的 再举一个例子 英国的卢瑟福用实验证明了原子是由原子核与电子所构成 原子核居中 电子在外
但原子的结构究竟是怎样的呢？最初认为原子的结构和太阳系相仿原子核就好比太阳 而电子就像行星那样在各自的轨道上绕原子核旋转 但与经典的电磁理论发生了矛盾：绕核运动的电子应该辐射出电磁波因此它的能量要不断减少 电子绕核运动的轨道半径也会减小 于是电子将沿着螺旋线的轨道落入原子核 这样看来 原子应当是不稳定的 而实际上原子是稳定的 幸而不久迎来了量子力学 对电子这样的微观粒子的行为作了完全不同的描述 原来电子根本没有一定的位置 也没有一定的运动轨道 原子中的电子就好像云雾般迷漫在原子核外的空间 形成所谓"电子云" 电子到底在哪儿？科学家们众说纷纭 还是诗人说得好："只在此山中 云深不知处 "你看 电子云的意境很朦胧飘逸的吧！ 确实物理学是很美丽的
高中物理杨振宁-演讲-美与物理学
美与物理学 --杨振宁 十九世纪物理学的三项最高成就是热力学、电磁学与统计力学。 其中统计力学奠基于麦克斯韦（J. Maxwell , 1831 - 1879）、波耳兹曼（L. Boltzmann , 1844 - 1905）与吉布斯（W. Gibbs , 1839 - 1903）的工作。波耳兹曼曾经说过： 一位音乐家在听到几个音节后，即能辨认出莫扎特（Mozart）、 贝多芬（Beethoven）或舒伯特（Schubert）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（Cauchy）、高斯（Gauss）、雅可比（Jacobi）、亥姆霍兹（Helmholtz）或克尔期豪夫（Kirchhoff）的工作。 对于他的这一段话也许有人会发生疑问：科学是研究事实的，事 实就是事实，那里会有甚么风格？关于这一点我曾经有过如下的讨论： 让我们拿物理学来讲吧。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，对于这个结构的不同的美和妙的地方，有不同的感受。因为大家有不同的感受，所以每位工作者就会发展他自己独特的研究方向和研究方法。也就是说他会形成他自己的风格。 今天我的演讲就是要尝试阐述上面这一段话。我们先从两位著名 物理学家的风格讲起。
一、狄拉克 狄拉克（P. Dirac , 1902 - 1984）是二十世纪一位大物理学 家。关于他的故事很多。譬如：有一次狄拉克在普林斯顿大学演讲。演讲完毕，一位听众站起来说：“我有一个问题请回答：我不懂怎么可以从公式（2）推导出来公式（5）。”狄拉克不答。主持者说：“狄拉克教授，请回答他的问题。”狄拉克说：“他并没有问问题，只说了一句话。” 这个故事所以流传极广是因为它确实描述了狄拉克的一个特点： 话不多，而其内含有简单、直接、原始的逻辑性。一旦抓住了他独特的、别人想不到的逻辑，他的文章读起来便很通顺，就像“秋水文章不染尘”，没有任何渣滓，直达深处，直达宇宙的奥秘。 狄拉克最了不得的工作是1928年发表的两篇短文，写下了狄拉克 方程： (D) (略) 这个简单的方程式是惊天动地的成就，是划时代的里程碑：它对 原子结构及分子结构都给予了新的层面和新的极准确的了解。没有这个方程，就没有今天的原子、分子物理学与化学。没有狄拉克引进的观念就不会有今天医院里通用的核磁共振成像（MRI）技术，不过此项技术实在只是狄拉克方程的一项极小的应用。 狄拉克方程“无中生有、石破天惊”地指出为甚么电子有“自 旋”（spin），而且为甚么“自旋角动量”是1 / 2而不是整数。初
物理之美读后感
《物理之美》读后感 金晓会 谈到美，你可能联想到自然美和艺术美，而对自然领域中的科学美，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，这种美是外在的，易感受到的，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、秩序而具有的美，这种美比较抽象，它虽然也是通过感官接受外来事物的信息而反映到意识中去，但并不那么直接和迅速，而是要经过大脑整理、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。 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。也有人把物理学之美分为：物理学研究对象的美感，物理学理论的美感，物理学实验的美感和物理学常数的美感等。还有人把物理学之美说成它具有明快简洁美，均衡对称美，奇异相对美和和谐统一美。 一、均衡对称的结构给人一种稳定，完善的美感 例如：具有对称结构的雪花是如此对称、如此美丽，对称的结构给人一种稳定，完善的感觉，使人内心舒服，使人惊叹于大自然的造化。物理学家在对自然深入的思考和考察中，越来越坚信大自然的最终本质是依照“美和简单”来构造自己的。 当然，物理学家头脑中的对称，并非像前面的图片那样朴素，那样直观；我们要了解物理学中的对称，先从几何图形的对称性说起。 例如：一个圆，我们把头向左偏过一个角度来看，它的形状变了吗？没有。我们便说这个圆具有旋转对称性（或旋转不变性）； 我们再把圆放在平面镜前，设想我们钻进“镜子里的世界”来看这个圆。在镜中世界看到的这个圆，样子依然保持不便。我们便说这个圆具有反射对称性（或宇称不变性）。 物理学中的对称性主要表现在对物理世界规律的研究方面。 根据刚才的例子，我们还可以假设某些物理学家一直埋头对“镜子中的世界”进行研究，如果他们得到的定律与正常世界的研究成果一致，我们就说这个定律具有反射对称性（或宇称不变性）。 例如：单摆的振动既具有时间周期对称，又具有时间反演对称。当单摆完成一次全振动后，接下来第二次全振动跟上一次完全一样，这就是时间周期对称。当我们将单摆的运动拍成电影，那么无论顺着放还是倒着放都没有区别，这就是时间反演对称。 以上两个例子都是利用事物的对称性来巧妙解决问题的。 对称的概念在物理学中占有重要的位置，我们不仅要了解直观的对称性，如波的对称，光的反射角与入射角的对称性等；还要了解抽象的对称性，如正功与负功，正电子与负电子等。 二、由于事物的对称美引起了物理学家探索这种美的渴望，从而发现物理结构的和谐统一美。
物理学中的美教案资料
物理学中的美
《审美与人生》题目：物理学中的美 姓名 学号 年级 专业 学院物理科学与技术学院 物理学中的美
摘要：物理学在各个科技领域，包括生命科学在内，都有着极其重要的作用，在科技发展进程中物理学是一门常新的科学，犹 如一株枝繁叶茂的长青树。物理学中不仅包含着历史唯物主 义和辩证唯物主义的哲理，而且从美学的角度来分析，物理 学中又处处洋溢着美的意境。如果说自然美体现了自然界的 现象美，而物理学之美则体现了自然界的内在美，诸如物理 学中运用定理、定律、公式、实验、假说等手段所创造的科 学美，同样能使人产生神往与迷恋的美感，给人以美的享 受。—代代物理学家对物理学的执着追求与奋力探索，推动 了物理学的发展，使之不断焕发出真理的芬芳。 关键词：物理学美学和谐简洁 物理学（physics）一词起源于古希腊，拉丁文原意是“自然”。自公元前七世纪，物理学就以自然哲学的形式从人类的生产劳动中萌芽出来，先后经历了古代物理学、经典物理学、近代物理学和现代物理学四个阶段。然而物理学在这近三千年的发展历程中却存在着一些起过作用的、科学之外的，并且在一定程度上为非理性的、有价值的动力因素，它们与美学有关。 物理学的美学意义在于它对世界美的反映。世界是美的，因为世界是一个完美的物质结构，体现出和谐、简洁、统一的形态、秩序、节奏。它具有为大的力量和美丽的规律。它不停地运动、变化、发展。它充满了丰富的、活跃的和生动的美。物理学的
美蕴含着真，并且闪耀着形式美的光辉。物理学理论的美是有形式的；因为无形式就无内容；没有情感，没有丰富的想像力，任何创造，任何认识都是不可能的。物理学家是有感情的；物理学家的感情可以激励他们去创造最完美的理论、最完美的成果、最完美的表达。这样物理学就不仅显示出内容的美、理性的美、逻辑的美；而且还显示出形式的美、情感的美、形象的美。 在物理学理论中，美与真的关系历来为物理学家所重视，并做出过许多有益的探索。一些物理学家相信，一个具有非常强的美的感性的物理学家所创立的历来最终总可能是真的，在需要对美与真作出选择时，他们宁愿选择美。过去人们在科学活动中判断科学的真理性时，历来坚持逻辑标准和经验标准；而现在，越来越多的自然科学家提出并探讨了科学真理的美学标准问题。这样，美学标准就与逻辑标准、经验标准一起，参与了科学真理的检验，使得科学真理中的真与美两个方面紧密的结合起来。也正是真理的这种美成为了科学家们热衷于探索自然的一种驱动力。 艺术创造是美的创造，科学创造也同样是一种美的创造。人类认识世界和改造世界的实践活动是一种自由的、自觉的，创造性的活动。这种活动本身就包含着人类对美的执著追求。正因为这样，当布鲁诺发展了哥白尼的天体理论提出宇宙是无限的，太阳也是运动的正确猜测时，从泛神论出发认为作为世界灵魂的普遍的世界形式照耀着整个世界，使万物处于这么一个惊人的和谐秩序中，这种普遍的世界形式本身就是内在的艺术家。被认为可与哥白尼的
20210221《物理学之美》思维导图
追求真理、严谨治学的求实精神：焦耳历经近4O 年时间测定热功当量；瑞利因0.0064g/L 的误差发现氩气。 勇攀高峰、批判继承的创新精神：牛顿开创经典力学体系；爱因斯坦推翻牛顿力学，创立相对论。 坚韧不拔、锲而不舍的探索精神：法拉第经十年不断失败发现电磁感应现象；开普勒用16年发现三定律。 集智攻关、团结协作的协同精神：潘建伟团队在量子通信实验领域、量子计算机研究方面国际领先。 胸怀祖国，服务人民的爱国精神：居里夫人纪念祖国波兰命名钋元素；钱学森突破重重障碍返回祖国。 落日、朝霞、暮色、蓝天、彩虹：光的折射、散射与色散等。 极光、雪花、白云、流水、冰山：电与磁、分子结构、物态变化、力和运动的关系、浮力等。 对称的物理公式：杠杆平衡原理（F 1×L 1=F 2×L 2 ）、能量守恒定律（E K1+E p1= E K2+E p2，即时间不变性）等。 ）、 对称的物理现象：物态变化吸放热、熔点和凝固点、平面镜成像、凸透镜二次成像、抛物线、单摆等。 ：电与磁、分子结构、物态变化、力和运动的关系、浮力等。 对称的物理原理：二力平衡、牛顿第三定律、串并联电路电流及电压关系、电生磁与磁生电等。 控制变量法：研究摩擦力大小影响因素、动能大小影响因素、导体电阻大小影响因素等实验。 转换法：液体温度计、电流电压表、研究通电导体周围磁场强弱、研究通电导体产生热量多少等实验。 等效替代法：分力与合力、串并联电路总电阻、研究平面镜成像规律、电阻的测量等实验。 万有引力定律：宇宙万物之间普遍存在的一种力，与形状、大小、温度、材质等无关。 欧姆定律：纯电阻电路均遵循的一个定律，与手电筒、电视、电脑还是手机等无关。 大统一理论：自然界四种力：引力、电磁力、弱力和强力，物理学家相信“自然界应当满足简单性原则”。
美与物理学(杨振宁)
特约专稿 编者按 今年9月22日是当代物理学大师杨振宁教授80华诞,杨教授学术上的卓越成就和严谨的治学思想,深深地影响着我国物理界几代学人.值此杨教授诞辰之际,特转载他的“美与物理学”一文,以飨读者,并遥贺杨教授健康长寿. 美与物理学 3 杨振宁31997年1月17日在香港中华科学与社会协进会与香港中文大学主办的演讲会上的讲词,讲题原为“科学工作有没有风格”.十九世纪物理学的三项最高成就是热力学、电磁学与统计力学.其中统计力学奠基于麦克斯韦(J.Max well ,1831—1879)、玻尔兹曼(L.Boltzmann ,1844—1905)与吉布斯(W.G ibbs ,1839—1903) 的工作.玻尔兹曼曾经说过①: 一位音乐家在听到几个音节后,即能辨认出莫扎特(M ozart )、贝多芬(Beethoven )或舒伯特(Schubert )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(Cauchy )、高斯(G auss )、雅可比(Jacobi )、亥姆霍兹(Helmholtz )或克尔期豪夫(K irchhoff )的工作. 对于他的这一段话也许有人会发生疑问:科学是研究事实的,事实就是事实,那里会有什么风格?关于这一点我曾经有过如下的讨论② : 让我们拿物理学来讲吧.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,对于这个结构的不同的美和妙的地方,有不同的感受.因为大家有不同的感受,所以每位工作者就会发展他自己独特的研究方向和研究方法.也就是说他会形成他自己的风格. 今天我的演讲就是要尝试阐述上面这一段话.我们先从两位著名物理学家的风格讲起.一 狄拉克 狄拉克(P.Dirac ,1902—1984)(图1)是二十世纪一位大物理学家.关于他的故事很多.譬如:有一次狄拉克在普林斯顿大学演讲.演讲完毕,一位听众站起来说:“我有一个问题请回答:我不懂怎么可以从公式(2)推导出来公式(5).”狄拉克不答.主持者说:“狄拉克教授,请回答他的问题.”狄拉克说:“他并没有问问题,只说了一句话.” 这个故事所以流传极广是因为它确实描述了狄拉克的一个特点:话不多,而其内含有简单、直接、原始的逻辑性.一旦抓住了他独特的、别人想不到的逻辑,他的文章读起来便很通顺,就像“秋水文章不染尘”,没有任何渣滓,直达深处,直达宇宙的奥秘. 狄拉克最了不得的工作是1928年发表的两篇短文,写下了狄拉克方程③: (pc α+mc 2β)Ψ=E Ψ.(D ) 这个简单的方程式是惊天动地的成就,是划时代的里程碑:它对原子结构及分子结构都给予了新的层面和新的极准确的了解.没有这个方程,就没有今天的原子、分子物理学与化学.没有狄拉克?391?31卷(2002年)4期
物理学中的美学文化
物理学中的美学文化 物理学（physics）一词起源于古希腊，拉丁文原意是“自然”。自公元前七世纪，物理学就以自然哲学的形式从人类的生产劳动中萌芽出来，先后经历了古代物理学、经典物理学、近代物理学和现代物理学四个阶段。然而物理学在这近三千年的发展历程中却存在着一些起过作用的、科学之外的，并且在一定程度上为非理性的、有价值的动力因素，它们与美学有关。 美学是一门既古老又年轻的科学。从古代到现代，随着人类思维能力的发展和审美领域的扩大，人们开始对审美经验进行思考；于是美学思想便逐步形成。西方美学思想亦发源于古希腊；但是早期的美学思想大都依附于自然科学，往往是在探究宇宙本源时涉及美的问题。其代表人物就是柏拉图和亚里士多德。亚里士多德关于美的理论是建立在对柏拉图唯心主义理式论的批判基础上的，他认为美不存在于超感性的理式世界；美只存在于具体的美的事物中。 物理学固然不是美学，但物理学中包含着美。物理美应包含三部分：自然物理现象的美；物理创造的美；物理学作为一门科学的美——物理学美。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简单美，对称美，和谐美的统一。 一、简单深刻美 在一个艺术家眼里简单是一种美。自然现象错综复杂，物理学则力求用简单的方程或定律去概括自然规律，但其反映的内在规律确是非常深刻的。如能量的转化和守恒定律反映了各种不同形式的能量的转化，牛顿的三大定律更是概括了宏观低速条件下各种机械运动的规律，麦克斯韦电磁方程组将复杂的电磁现象统一其中，爱因斯坦相对论中的基本原理简单凝练，但其中内涵确是丰富而深刻的。 二、对称守恒美 对称是自然界中广泛存在的也是人们很乐于接受的一种美学形式，物理学在对自然的表述中处处显现出了这种对称的美：引力和斥力，“电生磁”与“磁生电”，粒子与反粒子，物质与反物质、圆孔或单缝衍射图样的对称、无限长直导线周围磁场的轴对称等等。物理定律对某种规范变换的不变性、守恒性更是贯穿于整个物理学的一种对称形式，物理学中有许多守恒定律如：动量守恒、机械能守恒等等。实际上，对称性已经成为当代物理学家研究物理理论的一种方法。 三、统一和谐美 自然界本身就是和谐统一的，自然美反映到物理学理论中，就显示出统一与和谐的物理学美的规范。物理学规律的统一、有序与神秘的和谐、自恰常常使一些物理学家感到狂喜和惊奇。而物理学家们创造出来的系统的思想所表现的统一与和谐之美又使更多的人感到愉快。我们可疑在门捷列夫的元素周期表中感到这一体系结构的“诗意”。在牛顿对天地间运动规律的统一之中；在焦耳迈尔对热功的统一之中；在法拉第、麦克斯韦对电与磁的统一之中；在E=MC2所表示的质能统一之中；在广义相对论的引力、空间、物质的统一之中；我们都会感到一种和谐的满足。 物理学的美学意义在于它对世界美的反映。世界是美的，因为世界是一个完美的物质结构，体现出和谐、简洁、统一的形态、秩序、节奏。它具有为大的力量和美丽的规律。它不停地运动、变化、发展。它充满了丰富的、活跃的和生动的美。物理学的美蕴含着真，并且闪耀着形式美的光辉。物理学理论的美是有形式的；因为无形式就无内容；
美与物理学
美与物理学 杨振宁 杨振宁，当代物理学大师，在基本粒子理论和统计力学方面都曾作出许多卓越贡献。他在1956年和李政道共同提出在弱衰变过程中宇称性不守恒的可能，跟着这革命性观点由实验证明，整个物理学界为之轰动，杨、李二位在翌年因此获得诺贝尔物理学奖。杨教授在1954年和米尔斯提出的广义规范场理论，今日已经成为讨论一切相互作用的基础语言和工具，其重要性与广义相对论可相比拟。杨教授早年先后在西南联合大学和芝加哥大学攻读物理学，1949年受聘于普林斯顿高等学术研究所，1966年出任纽约大学石溪分校理论物理所所长迄今，1986年起兼任香港中文大学的博文讲座教授。 19世纪物理学的三项最高成就是热力学、电磁学与统计力学。其中统计力学奠基于麦克斯韦、波耳兹曼与吉布斯的工作。波耳兹曼曾经说过：“一位音乐家在听到几个音节后，即能辨认出莫扎特、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、亥姆霍兹或克尔斯豪夫的工作。”对于他的这一段话也许有人会发生疑问：科学是研究事实的，事实就是事实，哪里会有什么风格﹖关于这一点我曾经有过如下的讨论：让我们拿物理来讲吧，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，对于这个结构的不同的美和妙的地方，有不同的感受。因为大家有不同的感受，所以每位工作者就会发展他自己独特的研究方向和研究方法，也就是说他会形成他自己的风格。今天我的演讲就是要尝试阐述上面这一段话。我们先从两位著名物理学家的风格讲起。 狄拉克 狄拉克是20世纪一位大物理学家，关于他的故事很多。比如：有一次狄拉克在普林斯顿大学演讲。演讲完毕，一位听众站起来说：“我有一个问题请回答：我不懂怎么可以从公式2推导出来公式5。”狄拉克不答。主持者说：“狄拉克教授，请回答他的问题。”狄拉克说：“他并没有问问题，只说了一句话。”这个故事所以流传极广是因为它确实描述了狄拉克的一个特点：话不多，而其内含有简单、直接、原始的逻辑性。一旦抓住了他独特的、别人想不到的逻辑，他的文章读起来便很通顺，就像“秋水文章不染尘”，没有任何渣滓，直达深处，直达宇宙的奥秘。狄拉克最了不起的工作是1928年发表的两篇短文，写下了狄拉克方程。这个简单的方程式是惊天动地的成就，是划时代的里程碑，它对原子结构及分子结构都给予了新的层面和新的极准确的了解。没有这个方程，就没有今天的原子、分子物理学与化学。没有狄拉克引进的观念就不会有今天医院里通用的核磁共振成像技术，不过此项技术实在只是狄拉克方程的一项极小的应用。狄拉克方程“无中生有，石破天惊”地指出为什么电子有“自旋”，而且为什么“自旋角动量”是1/2而不是整数。初次了解此中奥妙的人都无法不惊叹其为“神来之笔”，是别人无法想到的妙算。当时最负盛名的海森伯看了狄拉克的文章，无法了解狄拉克怎么会想出此神来之笔，于1928年5月3日给泡利写了一封信描述了他的烦恼：“为了不持续地被狄拉克所烦扰，我换了一个题目做，得到了一些成果。” 按：这成果是另一项重要贡献：磁铁为什么是磁铁。狄拉克方程之妙处虽然当时立刻被同行所认识，可是它有一项前所未有的特性，叫做“负能”现象，这是大家所绝对不能接受的。狄拉克的文章发表以后三年间关于负能现象有了许多复杂的讨论，最后于1931年狄拉克又大胆提出“反粒子”理论来解释负能现象。这个理论当时更不为同行所接受，因而流传了许多半羡慕半嘲弄的故事。直到1932年秋安德森发现了电子的反粒子以后，大家才渐渐认识到反粒子理论又是物理学的另一个里程碑。20世纪的物理学家中，风格最独特的就数狄拉克了。我曾想把他的文章的风格写下来给我的文、史、艺术方面