雜談物理學(xué)與美學(xué)

雜談物理學(xué)與美學(xué)第1頁(yè)，共19頁(yè)，2023年，2月20日，星期六何為美學(xué)?我想,對(duì)于物理學(xué)是什么這個(gè)問(wèn)題,就不必再解釋了.而對(duì)于美學(xué)是什么這個(gè)問(wèn)題,幾百年來(lái),又一直爭(zhēng)論不休.在此也只能胡亂的自己給下一個(gè)定義.在我看來(lái),美學(xué)是使人體會(huì)到美,并揭示美的一種學(xué)問(wèn).而在這一點(diǎn)上,物理學(xué)的很多定律,很多結(jié)論又恰恰符合美學(xué)的基本要求.因此,從根本上來(lái)說(shuō),物理學(xué)要算是美學(xué)的一個(gè)分支.正是這個(gè)分支,讓這個(gè)本來(lái)就奇妙無(wú)比的宇宙顯得更加奇妙,更加美!下面,就讓我們一起漫游在這個(gè)美妙無(wú)比的宇宙中吧!美學(xué)是使人體會(huì)到美,并揭示美的一種學(xué)問(wèn)第2頁(yè)，共19頁(yè)，2023年，2月20日，星期六物理學(xué)中的對(duì)稱(chēng)美宏觀物理世界的對(duì)稱(chēng)性老師常說(shuō):”學(xué)物理要培養(yǎng)物理直觀的能力,而對(duì)于可視的,可感覺(jué)的宏觀世界.憑我們?cè)谌粘Ｉ钪械闹庇^感覺(jué),就可以認(rèn)定我們生活的世界是左右對(duì)稱(chēng)的.否則,試想.我們的世界不左右對(duì)稱(chēng)了,有一個(gè)人剛好處在不對(duì)稱(chēng)的區(qū)域之中,假設(shè)其他所有條件相同.設(shè)想他同時(shí)同地向左右各拋一小球,那么,由于空間不滿(mǎn)足左右對(duì)稱(chēng)性.則小球在拋體運(yùn)動(dòng)中的左右水平位移并不相同!這就破壞了那種對(duì)稱(chēng)美,給人帶來(lái)不和諧的感覺(jué).甚至因?yàn)榭蓯旱淖笥也粚?duì)稱(chēng)原理,本來(lái)會(huì)相當(dāng)精彩的比賽因?yàn)樽匀欢侨藶榈臈l件不同而變得索然無(wú)味.當(dāng)然,在這個(gè)例子中我們只是認(rèn)為兩個(gè)小球所處的外界物理環(huán)境相同.水平位移不相同的真正原因可能正是由于小球所處的外界物理環(huán)境不同造成的.只不過(guò)是我們?cè)谌藶榧僭O(shè)物理環(huán)境相同之后,才推出空間的左右不對(duì)稱(chēng).第3頁(yè)，共19頁(yè)，2023年，2月20日，星期六宏觀物理世界蘊(yùn)涵的的哲學(xué)美這正如愛(ài)因斯坦提出相對(duì)論的原因一樣,我們首先得承認(rèn)我們生活的這個(gè)世界本身是完美的,對(duì)稱(chēng)的.基于我們對(duì)造物主的信任.我們?cè)诓粩嗟恼J(rèn)識(shí)這個(gè)世界的時(shí)候,可能會(huì)得出很多荒謬的背離美的結(jié)論.我們?cè)噲D提出更深層次的理論以彌補(bǔ)原有理論的不足,簡(jiǎn)言之.我們的科學(xué)研究其實(shí)在無(wú)形中早已選取了”參考系”,我們眾多杰出英才的工作其實(shí)就是在這個(gè)總框架下不斷發(fā)現(xiàn)物理學(xué)的美的過(guò)程.而這本身正是學(xué)物理,研究物理的樂(lè)趣所在.這一切又都?xì)w結(jié)到哲學(xué)層面上的世界和諧.第4頁(yè)，共19頁(yè)，2023年，2月20日，星期六物理學(xué)家對(duì)美的追求由于物理學(xué)家們堅(jiān)信美的存在,就有了一系列的探索.其中最有名的當(dāng)推人們對(duì)大統(tǒng)一理論的追求,以尋求力的統(tǒng)一.當(dāng)我們?cè)跒槿f(wàn)有引力與庫(kù)侖力兩個(gè)看似毫不相干的力均與距離的的平方成反比驚嘆時(shí),我們不得不被大自然的神奇所吸引!第5頁(yè)，共19頁(yè)，2023年，2月20日，星期六諾特爾定理證明了對(duì)稱(chēng)操作與守恒定律的聯(lián)系，對(duì)稱(chēng)意味著操作使對(duì)象前后狀態(tài)等價(jià)，也就意味著該操作中一定隱含有某個(gè)合作用為零，也就意味著某個(gè)物理量在該過(guò)程前后守恒舉例，空間旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)(各向同性)對(duì)應(yīng)著角動(dòng)量守恒:如圖：一對(duì)粒子O與A，固定O，將A沿圓弧△S移到A’，互相勢(shì)能改變△U＝－（FOA）.△S，而按旋轉(zhuǎn)知UOA＝UOA，△U＝0，則力的切向分量FOar=0，即O、A(A’)的作用只能在質(zhì)心連線上，因而合力矩為0，角動(dòng)量守恒。

第6頁(yè)，共19頁(yè)，2023年，2月20日，星期六關(guān)于相對(duì)論，愛(ài)因斯坦是如何進(jìn)行對(duì)稱(chēng)性思維的呢？

(1)面對(duì)著名的邁克爾遜－莫雷實(shí)驗(yàn)結(jié)果：既然可以討論究竟有沒(méi)有絕對(duì)空間，那么也就可以討論究竟有沒(méi)有絕對(duì)時(shí)間；有沒(méi)有絕對(duì)的空間對(duì)時(shí)間的變化率――絕對(duì)速度。

(2)既然對(duì)于兩慣性系，所有力學(xué)規(guī)律都是等價(jià)的，那么對(duì)于兩慣系是否所有物理規(guī)律也是等價(jià)的？

(3)對(duì)于兩個(gè)慣性系，所有力學(xué)規(guī)律經(jīng)伽利略變換是對(duì)稱(chēng)的，那么同樣對(duì)于兩慣性系，所有物理規(guī)律要經(jīng)過(guò)什么樣的變換才也是對(duì)稱(chēng)的呢？

(4)一慣性系的物理規(guī)律可以等價(jià)于另一慣性第7頁(yè)，共19頁(yè)，2023年，2月20日，星期六系，那么一個(gè)加速系的物理規(guī)律又何以等價(jià)于一個(gè)什么體系呢？

(5)兩慣性系的物理規(guī)律的對(duì)稱(chēng)性可通過(guò)洛侖茲變換，那么一個(gè)加速系與一個(gè)引力場(chǎng)系的物理規(guī)律的等價(jià)又應(yīng)該通過(guò)什么變換呢？

(6)即然廣義的操作能使加速參考系系與引力場(chǎng)對(duì)稱(chēng)，那么當(dāng)然我們?nèi)绻私庵亓?duì)電磁學(xué)的影響，或是黑洞附近的物理學(xué)，只要做個(gè)假想實(shí)驗(yàn)，回答已知的物理學(xué)規(guī)律在作勻加速運(yùn)動(dòng)的觀察者看來(lái)會(huì)是什么樣的就可以了，而不必去黑洞旅行第8頁(yè)，共19頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

“ifsuchasymmetyisindeedfound,thequestioncouldstillberaisedwhethertherecouldnotexistcorrespondingelementaryparticlesexhibitingoppositesymmetry,suchthatinthebroadersensetherewillstillbeoverallright–leftsymmetry.”“如果發(fā)現(xiàn)了這種不對(duì)稱(chēng),那么我們又要問(wèn),是否相應(yīng)地還存在著另一種表象相反不對(duì)稱(chēng)的基本粒子行為,從而在更廣泛的意義上,仍然保持著總的左右對(duì)稱(chēng).”--楊振寧,李政道．

第9頁(yè)，共19頁(yè)，2023年，2月20日，星期六力學(xué)的大統(tǒng)一牛頓的力學(xué)和萬(wàn)有引力定律，是物理學(xué)力學(xué)上的第一次大的統(tǒng)一，使得打破了天地的界限，找到了兩個(gè)世界的巧妙而又完美的統(tǒng)一．愛(ài)因斯坦提出廣義相對(duì)論使得引力理論與麥克斯韋電磁理論統(tǒng)一第10頁(yè)，共19頁(yè)，2023年，2月20日，星期六宇宙的美宇宙中的天體運(yùn)動(dòng)符合與地面上的物體運(yùn)動(dòng)相同的物理規(guī)律．但由于宇宙的宇宙環(huán)境復(fù)雜，天體的質(zhì)量巨大等原因，造成了一系列壯闊的物理奇觀！物理學(xué)在宇宙問(wèn)題的研究上能讓所有人都感覺(jué)到．原來(lái)物理的世界是如此的曼妙！第11頁(yè)，共19頁(yè)，2023年，2月20日，星期六總之，物理世界的統(tǒng)一性讓人感到可怕．客觀物質(zhì)世界盡管豐富多彩，但是其本質(zhì)上具有統(tǒng)一性。那么描述和揭示客觀世界的物理現(xiàn)象及物理規(guī)律的物理學(xué)也是具有統(tǒng)一性的，它顯示出一種崇高的美。誠(chéng)如愛(ài)因斯坦所說(shuō)：“從那些看來(lái)直接可見(jiàn)的真理十分不同的各種復(fù)雜的現(xiàn)象中認(rèn)識(shí)到它們的統(tǒng)一性，那是一種壯麗的感覺(jué)?！币虼?，追求理論的統(tǒng)一性，也就成為物理學(xué)大師們堅(jiān)定不移的信念和始終不諭的目標(biāo)。正如物理學(xué)上電和磁的統(tǒng)一理論———麥克斯韋理論。愛(ài)因斯坦為相互作用統(tǒng)一耗盡了后半生精力，而電磁作用與弱相互作用的統(tǒng)一，導(dǎo)致了許許多多的物理學(xué)家致力于規(guī)范場(chǎng)理論，其目的正是為了謀求引力、電磁力、強(qiáng)相互作用、弱相互作用的大統(tǒng)一理論。

第12頁(yè)，共19頁(yè)，2023年，2月20日，星期六第13頁(yè)，共19頁(yè)，2023年，2月20日，星期六物理美的和諧性同時(shí)，物理美本身表現(xiàn)出可怕的和諧性．物理學(xué)的和諧性主要表現(xiàn)在其學(xué)科自身內(nèi)容協(xié)調(diào)和形式勻稱(chēng)，而且與其他認(rèn)識(shí)體系是相容的、一致的。理論的各個(gè)部分以及各種理論之間的和諧、形式的對(duì)稱(chēng)，無(wú)疑能給人一種和諧的美感。電磁波與光理論、引力平方反比作用與電荷相互作用的庫(kù)侖平方律、費(fèi)爾馬原理在力學(xué)和光學(xué)理論中的和諧、質(zhì)能關(guān)系反映的質(zhì)量、能量之間的統(tǒng)一性等都存在這種美感．第14頁(yè)，共19頁(yè)，2023年，2月20日，星期六物理美的簡(jiǎn)潔性再次，終極物理規(guī)律到最后都簡(jiǎn)潔，明朗.當(dāng)人們一次又一次的修補(bǔ)“以太”理論時(shí).愛(ài)因斯坦的相對(duì)論幾乎解釋了當(dāng)時(shí)所有的甚至是自相矛盾的理論全部加起來(lái)才能解釋的問(wèn)題！科學(xué)的簡(jiǎn)單性在古代自然哲學(xué)家以及近代科學(xué)家的永不休止追求中得到了充分體現(xiàn)，簡(jiǎn)單性揭示了科學(xué)的質(zhì)樸美。

第15頁(yè)，共19頁(yè)，2023年，2月20日，星期六物理美的邏輯性物理學(xué)所用的語(yǔ)言除了物理表述以外，絕大多數(shù)理論的思維中用了數(shù)學(xué)語(yǔ)言，具有邏輯性。數(shù)學(xué)有簡(jiǎn)煉、嚴(yán)密、精確、理想化等特點(diǎn)，這就使得物理學(xué)有可能從實(shí)驗(yàn)物理轉(zhuǎn)向理論物理。在物理理論中，物理規(guī)律用數(shù)學(xué)語(yǔ)言描述以后具有形式上的規(guī)范性、協(xié)變性，從內(nèi)容上本質(zhì)更突出、更明了，這種表述給人以簡(jiǎn)潔的美、協(xié)調(diào)的美。它是在數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上反映了物理世界內(nèi)部的和諧、統(tǒng)一和簡(jiǎn)單。利用數(shù)和形來(lái)描述自然是許多偉大科學(xué)家的出發(fā)點(diǎn)，用數(shù)和形來(lái)統(tǒng)一客觀世界是否能夠?qū)崿F(xiàn)？似乎過(guò)于簡(jiǎn)單化了些，但也不是沒(méi)有道理。

第16頁(yè)，共19頁(yè)，2023年，2月20日，星期六物理美的預(yù)見(jiàn)性冒昧的加上最后這一點(diǎn):預(yù)見(jiàn)性.預(yù)見(jiàn)性是科學(xué)美的又一重要表現(xiàn)，由于客觀世界發(fā)展是有規(guī)律可循的，具有一定的必然性，或者說(shuō)在一定程度上具有客觀的規(guī)定性（因果性），所以描述客觀世界發(fā)展規(guī)律的科學(xué)就具有這種特性，這在數(shù)學(xué)上反映為物理規(guī)律滿(mǎn)足一定的數(shù)學(xué)物理方程以及滿(mǎn)足一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，同時(shí)事物的規(guī)定性又反映了物理內(nèi)涵與形式的相互聯(lián)系、相互統(tǒng)一。如愛(ài)因斯坦的諸多理論：時(shí)空對(duì)稱(chēng)性與力學(xué)守恒