物理学中的简洁美

浙江大学课程论文 题目(中) 物理学中的简洁美 姓名与学号 指导教师叶高翔盛正卯 年级 六年级体育公开课教案九年级家长会课件PPT下载六年级家长会PPT课件一年级上册汉语拼音练习题六年级上册道德与法治课件 与专业大一社会科学试验班所在学院求是学院丹青学园 上课时间周三第11、12节 摘要:本文从美学角度,结合物理学实例,分析了物理学中简洁美的 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 现形式,探讨了物理学对简洁美的追求的原因,在此之中运用一些心理学理论进行分析。 关键词:物理学;简洁美。 Concision aesthetics in Physics Abstract: This thesis analyze the form of concision aesthetics in Physics and the reason of the pursuit of Physics to concision aesthetics via the angle of Aesthetics and Physical examples with the assistance of Psychology theory. Key words: Physics;Concision aesthetics. 引言 庄子曰:判天地之美,析万物之理。物理学作为一门古老的科学,自其滥觞于古希腊以来的2000多年时间里,其奇美诡谲让无数物理学家神魂颠倒。物理学之美,主要在于简洁美、和谐美、对称美,等等。而许多物理学家宁愿让实验数据大致的符合简单的方程,而不愿为了符合程度的精确而把方程变得复杂,足以见其对简洁美的痴迷。 1.简洁美的表现 物理学之简洁美,首先体现在其简洁的公式上。无论是将复杂的天体运动用简洁的数学语言描述的牛顿万有引力公式,还是只有三个字母的质能公式,无不以其极度简洁征服世人。再比如光电效应的爱因斯坦公式: 0 2 2 1 h W mv v+ =。此公式提出之前,光电效应由于涉及到截止频率、饱和电流、逸出功、红限等概念,其实验现象用传统的电磁波解释起来非常复杂。而爱因斯坦敏锐地利用了刚刚提出的普朗克常数和能量子的观念,把光看做光量子,其能量为hv,使得一切问题迎刃而解,公式极其简洁且符合实验数据,真可谓“多一笔过之,少一笔亏之”。[1] 物理学之简洁美,亦体现在其简洁的思想上。当年哥白尼之所以向“地心说”发起挑战,正是因为他坚信宇宙规律是美妙的,美妙的必然是简洁的。而托勒密的“地心说”把亚里士多德的9层天扩大为11层,对于由于观测仪器不断精确,观测数据与模型出现偏差的情况,托勒密用增加本轮的方法来补救地心说。起初这种办法还能勉强应付,后来小本轮增加到80多个,但仍不能满意地计算出行星的准确位置。这不能不使人怀疑地心说的正确性了。这时,哥白尼不畏教会迫害,勇敢地提出了更为简单的日心说,也因其简洁性得到大多数先进物理学家如伽利略等人的支持。虽然就现在看来其理论并不准确,但这反映了物理学家们对简洁美的崇尚和不懈追求。再论爱因斯坦的广义相对论因其简洁准确被泡利称为“可能是现有理论中最美的”。波恩亦称:“广义相对论在我面前像一个被人远远观赏的伟大艺术品”。[2]很多物理学家(包括爱因斯坦本人)相信它,并不是因为它经过了实验的检验,而是因为他们认为它简洁优雅。正如海森堡所 言:“量子论与相对论其本质任然及其简单,它凭借着自身的完备性和抽象美,立即就会使人信服——使得所有一切能够懂得并说出这样一种语言的人都心悦诚服。”[3]人们称赞爱因斯坦“其方法在本质上是美学的、直觉的”“既是科学家,还是科学的艺术家”。[4] 物理学之简洁美,亦体现在其简洁的结构上。托马斯·库恩认为:“科学革命的结构如下:起先具有一个范式和致力于解谜的常规科学,随后是严重的反常,引发危机,最终诞生出新范式。”[5]这一结构似乎过于简洁,常常受到历史学家的抗议:历史远非这么简单。然而,这正是库恩作为一名物理学家的直觉。也正是这种直觉,引导着物理学家去追寻更简洁、通用的结构。 2. 简洁美的原因 2.1. 为什么简洁的是美的 为什么人们往往认为简洁的是美的?这是一个美学问题,这里以物理学中的简洁为例,结合美学论述,给予说明。 简洁本身不是美,简洁给人以美的感觉。狄德罗在《美之根源与性质的哲学》中写道:“美,相对词,是在我们心里引起对愉快联想的知觉的效果或能力......能在我们心里引起相关快感的,就是美的”[6]同样的,物理学的美与人是紧密结合在一起的,没有人便无物理学,宇宙也就只有现象,而没有抽象出来的物理定律。没有人,美的认识主体便不存在,没有物理学家,也没有所谓的简洁美。 那么物理学家为什么会觉得简洁的是美的呢?因为美的本质是享受,简洁带给人的安全感,而安全感又给人以美的享受。人对美的感受很大程度上受遗传和进化影响,自远古时代以来,由于生存的需要,对大自然规律的把握,一直是人们所梦寐以求的。而复杂之物往往难以控制,简单事物容易控制;失去控制带来恐惧,成功控制则带来满足感、安全感。而这种感觉正是“美的感受”的来源。于是,人们渴望用简单的数学语言构造成和谐的宇宙。为什么说安全感给人以美的享受呢?因为美的感受主要来源于欲望的满足,比如食欲、情欲,而这种简洁的事物正好能满足人控制事物的欲望,所以人们认为它是美的。试想,当哥白尼等物理学家发现他们自己用复杂的“地心说”仍然不能很好地解释宇宙现象的时候,一种灵魂深处的孤独、无助、对人类未来的担忧便会袭上心头。而当牛顿用其万有引力定律把以往看做“魔鬼的步伐”的天体运动用及其简单的数学公式表达出来的时候,当物理学家们发现他们能推断出任意天体在任意时间所处的位置的时候,一种“我虽不能制造和控制万物,但我能预知万物”的自豪感在每一位物理学家心中升起。这便是简洁带给人们安全感在物理上的体现。 2.2. 为什么物理学追求简洁美 首先,物理学家普遍相信宇宙真理是简洁的。从哥白尼、伽利略,经过牛顿,到爱因斯坦、海森堡,无不认为真的一定是简洁的。虽然简洁的不一定是真的,但根据物理学家的直觉,相同问题,更简洁的解答正确性 更高,所以物理学家趋向于在美的指导下去探索真理。物理学家为什么会这么认为呢?从心理学的角度,是因为人对自身命运的担忧。物理学家希望规律是简洁的,注意,只是希望,并不能 证明 住所证明下载场所使用证明下载诊断证明下载住所证明下载爱问住所证明下载爱问 ,因为简洁更容易被把握。这里似乎有一点“人择原理”的意味:“它必须是简洁的,这样我才能认识它”①。幸运的是,就目前看来,物理学家这一直觉往往是正确的。 其次,简洁美是高效的,这也是物理学的追求之一。同样的问题,人们更倾向于用简单的方法去解决它。物理学应用到实际生活,其目的也是更高效地改变人类生存状况,提高人类生活水平。从美学角度,对“美”字进行解构,我们发现我们的先人认为“羊大为美”。在那个资源匮乏的时代,实用的才是美的。这种思想深深扎根于人类心灵深处,直到今天人类仍旧在追求实用、追求生存,因为生存是发展的基础。“地心说”太复杂,不好用,被简洁的万有引力定律取代;电磁学理论庞杂繁复,被简洁的麦克斯韦方程组取代......如此这些,都是为了更好地解决实际问题而对简洁进行追求。 还有一个原因,在于想象对人类的刺激。物理学的简洁在于其极度抽象,而只有抽象,才能包罗复杂的万物。正是这种抽象,吸引力着物理学 ①人择原理:是人类的存在,才能解释我们这个宇宙的种种特性,包括各个基本自然常 数。 (来源于百度百 家——这颗星球上最为智慧的群体。杨振宁先生说:“学物理的人了解这 些像诗一样的方程的意义以后,对他们的美的感受是既直接又复杂的。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的不朽名句来 描述:‘To see a world in a grain of sand, And a heaven in a wild flower, Hold infinity in the palm of your hand, And eternity in an hour.’(一沙一世界,一 花一天国,君掌盛无边,刹那含永劫)”[7]也正是简洁,给与了物理学家 联想的空间,刺激着他们如痴如醉地在这门学科上贡献智慧。 结语 自然界既复杂,又有规律,吸引着物理学家们用简洁的数学语言表达出来。 在追求真理的过程中,物理学简洁的公示、思想、结构给了物理学家指导 美的享受,同时也让普通民众得意惊叹于物理学大殿的简洁恢弘。 参考文献 [1] 王泽良. 欣赏物理学[M]. 上海: 同济大学出版社, 2006:第96页 [2] 科学与美学研究 资料 新概念英语资料下载李居明饿命改运学pdf成本会计期末资料社会工作导论资料工程结算所需资料清单 [J]. 1980年第4期,第79页;转引自杨恩寰. 美学引论[M]. 北 京:人民出版社,2005:第118页 [3] 海森堡. 紧密科学中美的含义[J]. 自然科学哲学问题丛刊,1982,1 [4] 杨恩寰. 美学引论[M]. 北京:人民出版社,2005:第118页 [5] 托马斯·库恩. 科学革命的结构[M]. 北京:北京大学出版社 [6] 狄德罗. 《美之根源与性质的哲学》[M] [7] 杨振宁. 《美与物理学》