1、,太陽系應具有比哥,由于不斷修,已喪失了美的物理學家的美學思想對物理學發展的作用曾月新(天津師范大學物理與電子信息學院天津300071)打開物理學史會發現許多物理學家從事物理研究的直接動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象之美 ,更主要的是指自然現象背后物質結構 、運動規律的內在美 。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,是物理學領域中的邏輯的統一。”洛倫茲 1878 年在萊頓就職演講時說 “:所有物理研究的目的在于尋求簡單的 、可以說明所有現象的基本原理 。”彭加勒在科學和方法 中寫到 “:如果大自然不美 ,那它就不值得認識 ,如果大自然不

2、值得認識 ,就不值得活下去 。當然 , 我這里并不是談那種打動感官的美 、性質的美和現象的美;不是我低估這類美,遠不是這樣 ,而是他們與科學毫不相干;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。正是它給實體 , 也就是給結構以五彩繽紛的現象,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,的因為它是朦朧的而且總是瞬時的。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家才,獻身于漫長的和艱苦的勞動 。”可以看出 ,物理學家所追求的理性美主要指簡單美 、對稱美 、和諧美和統一美 ,這也是物理學

3、家美學思想的核心 。一 、美學思想 啟迪物理學研究的方向物理學家的美學思想會深刻影響他們在整個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充本輪、均輪變得越來越繁雜魅力 ,在他的腦海中反復思考的問題就是如何簡化行星運行體系 ,終于他發現若把太陽擺到 “宇宙”中心 ,行星運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動的不均勻性時仍然借用了托勒密的本輪和均輪, 開普勒堅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 、布拉赫觀測的數據 ,堅持不懈地進行多年不間斷的計算 ,終于總結了行星運動三

4、定律 ,展現給后人一個既簡單又有邏輯聯系的太陽系 。開普勒終生追求理性美 ,他將自己 1619 年發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力 “ 和諧 ! 22 年前當我一發現天體軌道與五個正多面體具有相同的數目就曾,預言過 ;遠在我看到托勒密有關方面的論著以前,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;我堅持要把它作為探索的一個目標 。為了它 我曾同第谷 、布拉赫相會;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算事業 終于我發現了光輝 ,而且看出 ,那是超出我最天真向往的真理。”物理學家的美學思想也

5、是他們探索自然規律的一種情感支柱。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。”當對美感情上的向往成為執著追求的一種強烈的信念,那么這種信念會在物理研究中起到 “能源”作用 ,成為鼓舞物理學家披荊斬棘 、不屈不撓地去揭示大自然規律源源不斷的 “動力”。法拉第對 “自然力的統一”深信不移 ,所以他能畢生在實驗室中不斷探索電與磁 、電與光 、電與化學、磁與光之間的相互聯系。當電的磁效應發現后,法拉第感到這里缺乏一種對稱美 ,他堅信磁也應當以某種方式引起電,為此他尋找磁生電現象十年不動搖, 其間經歷了無數次的失敗 ,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 ,孜孜不倦追求統一場論 ,在愛因斯坦看來如果能找到總場方程 “那該是最美的了”。所以霍夫曼認為愛因斯坦的方法 “在本質上是美學的 、直覺的 。”雖然愛因斯坦統一場論的科學設想沒有實現 ,但在電磁相互作用與弱相互作用統一性獲得成功后 ,又給了人們繼續尋求統一場論的信心和勇氣 。提出一種假說或構筑一種新理論時先審美后審真 ,把美放在決定一切的地位 ,這是物理學家在美學思想引導下創新思維的生動體現。麥克斯韋位移電流假說的提出就是先審美后審真的范例 , 根據安培定律 ,電流能產生磁場 ,根據法拉第電磁感應定律電16卷3期(總93期)? 65 ?荷和交變磁場都能產生電場,要實現電學方程和磁

7、原始概念和原始的數學關系來反映自然的真實圖學方程的對稱美,就應該設想不僅電流而且交變電像 。物理理論一般由兩部分構成:運用符號 (數字 、場也能產生磁場所以麥克斯韋建議在安培定律中算符 ) 的數學部分和用自然語言對物理圖景的定義,再加上一項這一項只是在電流是迅速變化的情況性描述部分 。為此物理學家采用數學方法并利用數,下 ,才具有重要作用, 麥克斯韋把它叫作 “位移電學語言的簡潔 、精確和嚴密等特點,不斷實現了物理流”。位移電流是在無任何實驗依據的情況下,完全理論的簡單美 。物理學家運用數學來確定由實驗測出于滿足對稱美的需要而提出的大膽設想, 在位移出的各種物理量之間合乎規律的依存關系;將物理

8、電流概念提出20 年后 ,赫茲證實了麥克斯韋大膽設規律濃縮成公式,物理學中比比皆是的公式說明數想的正確性 。這說明美與真理是緊密相連的,美可學的力量在于它作為一種語言描述手段, 使物理理以為創造性思維活動提供生動直觀的物質原型,科論獲得形式上的簡化。除此而外 ,物理學家還巧妙學家借助它來啟示自己有效地進行猜想、類比和假運用數學方法,簡化物理研究過程當物理學家把實,設 ,應當把“追求美”作為科學研究的一種思維技巧際問題轉化為能夠求解的數學問題即建立起數學模和基本原則所以科學史家庫恩認為在新的理論的型 這實際是一個化繁為簡、抓主要矛盾的過程,對,建立中 “美學的考慮的重要性有時是可以決定性數學問題

9、求解后聯系實際對數學解做深入的討論,的。”與分析 ,形成對問題的認識和預見,這已成為物理學二、美學思想 引導物理學理論不斷完善在數學化進程加快的情況下建立物理理論的一種,自然界是一個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學形式,自然界規律的物理學理論應當具有和諧美的特征。表達法拉第思想奮斗20年的結果 。這組簡潔完美,和諧一詞源于希臘文( havmonia),意思是聯系 、均勻 ,的方程不僅可以表達實驗已發現的庫侖定律、高斯指事物各方面的配合和協調以及多樣性的統一。從定律 、安培定律和法拉第定律,而且由這組方程還預和諧統一角度來說 ,物理學史是人們實現由一個層言了電

10、磁波的存在 ,正是這組簡潔的方程使經典的次上的和諧統一到另一個層次上的和諧統一的歷電磁理論打上完善的句號, 才使我們對電、磁 、光現史 ,即物理學史就是人們不斷追求和諧統一的歷史。象有了正確 、全面 、深刻的認識 。牛頓將描述地上物體運動的伽利略理論和描述天體物理學家為了實現簡單美還將數學作為物理學運動的開普勒理論和諧地統一在牛頓力學體系中。推理和邏輯證明的工具特別重視數學嚴格的邏輯,麥克斯韋的電磁理論是將電、磁 、光現象統一起來的性為物理學提供超前于直觀性的科學預見的作用。和諧理論 。愛因斯坦的狹義相對論把高速運動規律狄拉克指出 “今天我覺得在物理學中,人們最好的:和低速運動規律統一了起來,

11、而牛頓力學成為狹義出發點是假定物理學務必要建立在優美的方程式相對論理論框架中的一個極限情況。除此而外 ,使上 。”“使一個方程具有美感比使它去符合實驗更重“對立”的理論形成具有新質的統一理論會使物理要 。”狄拉克在求解電子的薛定諤方程時為了解釋負,理論獲得對立面統一之美。愛因斯坦的光量子理論能解 大膽預言了第一個反物質正電子的存在,將對立的波動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,又無任何實驗依據憑,美的體現 。借的就是數學的這種超前于直觀性的邏輯推理功牛頓在自然哲學的數學原理 中的第三篇 “哲能 。學中推理法則” 開頭寫到 “除那些真實而已足夠說圍繞“對稱美”的一系列物理

12、研究成果,是物理:明其現象者外, 不必去尋求自然界事物的其他原學家美學思想推動物理學發展的最好的說明。對稱因”“自然界不做無用之事,只要少做一點就成了,是在人們憑感官對一些 “對稱現象” (例如雪花一般;做多了卻無用;因為自然界喜歡簡單化而不愛用什為六角形 ) 認識基礎上形成的一種觀念。“對稱性”,么多余的原因以夸耀自己。”這是牛頓的簡單性美學原來是一個幾何名詞,它實質上是變化中的某種不思想的體現 。17 世紀偉大哲學家、文學家布瓦洛說變性 。正是物理學家對 “對稱美” 的追求 ,才使人類過“簡單即美” 。物理學家追求 “美”最終要體現在經對自然界的認識不斷深化,新理論才不斷被創建。過實驗研究

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 年左右經過物理學家和數學家的? 66 ?現代物理知識共同努力才真正把晶體的對稱性用數學語言講清楚 ,也才認識到晶體的物理性質與其不變群有極為密切的關系 。1890年 發現三維空間結晶有230種,即三維空間的不變群有 230 種 。1891 年發現二維空間的不變群只有 17 個 ,則二維空間晶體的種類就有 17 種 。1970 年 ,利用計算機得出四維空間的不變群有 4895 種 。對于五維空間的不變群究竟是多少目前還沒有定論 。準晶態的發現也

14、與對稱性的探究有關 ,1984 年 , 美國國家標準局( 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 發現衍射結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,這些衍射花樣斑點明銳 旋軸之間關系符合二十面體點群對稱由于,晶體結構中不允許五次對稱的存在,D.shechtman等人的發現引起了人們的極大關注,究竟是經典晶體學結論錯了 ? 還是物態的分類不完全? 美國賓州大學的 Levinehe 和 Steinhardt等人根據他們多年對凝聚態中的二十面體結構的研究和探討,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、物質凝聚態準晶態 。自1984 年實驗上獲得第一塊鋁錳合金準晶至今,已有包含八次對稱 、十次對稱 、十二次對稱等數十種不同材料和組分的合金準晶在實驗室中被制備出來,研究準晶態物質結構及組成粒子之間相互作用與運動規律已成為凝聚態物理的前沿。進入 20 世紀后 ,物理學家已不限于研究物理學中形狀或結構上的對稱性了,隨著研究對稱性數學工具群論 、李代數 、李超代數等的完善物理學家已,認識到對稱性與守恒律的密切關系。通過量子力學揭示了空間平移對稱性是與動量守恒密切相聯的,時間平移對稱性是與能量守恒密切相聯的, 空間轉動對稱性是與角動量守恒密切相聯的空間反演對,稱性是與宇稱守恒密切相聯的。由于對稱性與守

16、恒定律的這種聯系 當我們得到一種對稱變換的時候,就可以去尋找一種守恒定律; 若從實驗中得到一種守恒定律便可以尋找相應的對稱不變性。楊振寧指出 “對稱性的概念在物理學的世界中正在發生很大: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 。”當物理學家把對稱觀念擴充到規范對稱,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 。阿貝爾規范對稱與電磁力有直接關系 ;非阿貝爾規范對稱與弱力、強力和引力有密切關系 。規范對稱再進一步擴充又導致1973 年提出“超對稱”,即費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。如果規范對稱再進一步擴充很可能還有新的觀念被引入。正是物理學家對 “對稱美”的追求 ,當他們發現對稱之美被破壞后,總要去探究對稱之美被破壞的原因 ,從而促進在更深層次上“對稱美” 的實現以及新理論的創建 。例如 ,空間反演對稱性使人們認識到在自然界中左右對稱的兩個狀態或過程都服從同樣的物理定律 。當人們接受和陶醉在量子力學的空間反演不變與宇稱守恒定律時“, 2”之謎使人們驚奇地發現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 年各自獨立地提出了“二分量中微子理論” 。該理論認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不守恒 。由于中微子只參加弱相互作用,所以不會引起宇稱守恒在強相互作用和電磁相互作用中的破壞。“二分量中微子理論” 已得到實驗上的證實。為了追求對稱美物理學家進一步研究發現,在弱相互作用,中進行 CP 聯合變換 ,則物理規律的對稱性仍可保持 這是因為CP聯合變換使左旋中微子變為了右,旋反中微子 。這里 C 指電荷共軛變換,即