谈谈物理学中的对称美学思维_简单对称和谐物理中的美学pdf

　　摘要:本文通过对物理学中对称现象的探讨,提出了运用美学思维激发学生的学习欲望,让物理教学成为一门美的艺术的教学观点。 　　关键词:对称性;美学思维;方法论 　　
　　对称性是指自然界的一切物质和过程都存在或产生它的对应方面。这种对应方面表现为现象的相同、形态上的对映、物质的反正、结构上的重复、性质上的一致、规律性的不变,等等。自然科学的研究成果表明,在自然界中从微观到宏观,从无机界到有机界、从非生命界到生命界,无一不在一定范围内、一定程度上存在着各种各样的对称性。可以说对称性深刻地揭示了自然界相互联系中的一致性、不变性和共同性,它是反映自然规律的一条基本原则。
　　对称性常表现为四个方面:①物体形状或几何形体的对称性。例如在物理学中的晶体结构的研究中发现,晶体的点阵结构具有高度的对称性,常称为晶体对称性。对称性使晶体具有很多特殊的性质,如X射线的�射实验就是直接和晶体对称性密切相关的,正是在此基础上,人们才发展了X射线的结构分析技术。②物质存在形式的对称性,例如正电荷与负电荷、磁体的N极与S极、粒子与反粒子。③物理过程中的对称性,如电生磁和磁生电,动能转化势能和势能转化为动能。④物理规律的对称性,主要是指物理规律在某种变换下的不变性,如空间坐标平移的不变性、时间坐标平移的不变性、空间转动的不变性、伽利略变换、洛仑兹变换的不变性等。
　　对称性对物理学的发展有着重要意义。从物理理论的发展来看,正是“对称―不对称―新的对称”的不断循环往复,才使物理理论从较低的对称层次向较高的对称层次发展,从较小的统一向较大的统一发展,使人类对自然界的认识不断深入。这也是物理学总的发展方向和追求目标,沿着这条道路,历代物理学家作出了杰出贡献。牛顿把天上的力学与地上的力学对称综合起来,建立了经典力学体系;20世纪中叶李政道、杨振宁又提出在弱相互作用中宇称不守恒,并得到了实验的验证,这一发现为人们探索更高层次的对称提出了新的课题。
　　对称美学思维也为物理学的研究提出了方法论的原则。对称美学思想是自然界更深刻的联系和规律性的反映,所以人们可以通过某种对称去揭示物质运动遵循的规律,预言未知物质的存在。而当某种不对称出现时,则通过扩大其对称性而使自然定律的普遍性进一步扩大,这样可进一步推动物理学的理论向更高层次的对称与统一发展。在物理的发展史上许多物理学家正是通过对称思维这一方法论原则,做出了许多重大发现。例如,狄拉克说:“我没有试图直接解决某一个物理问题,而只是试图寻求某种优美的数学。”他还常说:“一种正确的理论就应该是美的。”狄拉克的科学生涯也体现了他的这一信念。例如在解狄拉克方程时,出现了当时被认为是没有物理意义的“负能态”的解,按照往常习惯只能把负数解舍去。但狄拉克坚持认为,自然界是对称的,有正能粒子就应该有“负能粒子”,于是他作了一个大胆的预言:存在着一个与电子质量相等而电荷相反的“负能粒子”――正电子,1932年安德逊发现了正电子,证实了狄拉克的预言。这正电子是人类发现的第一个反粒子。狄拉克的这一伟大贡献开拓了人们对基本粒子研究的新领域,五十多年过去了,物理学家们在狄拉克理论的指引下,相继发现了许多“反粒子”,如反质子、反中子、反中微子、反分子、反超子等。
　　对于对称美学思维,乔治曾从心理学的角度谈到,当观察者看到他视野内的物体构成的图案有一个空缺时,他就会产生一种紧张的感觉。等到填补了空缺,图案的各个部分各适其位时,观察者感到轻松满意。普遍性的结论就好像设想上的图案,因此人们有追求对称完美的生理与心理学依据之一。
　　当然,对于人的头脑有在事物中追求条理性、对称性的倾向,这种倾向又反过来使我们可能产生一些错误的结论,例如相信我们所看到的一切自然事物都应是高度条理和完全对称的,而实际上却没有这么高的程度。所以必须谨防这种倾向有时会把我们引入歧途。例如杨振宁、李政道提出并被证明的在弱相互作用下宇称不守恒的理论使现代物理中又产生了“对称加破缺”的美学思维。
　　物理学是美的。这种美只有在学习者亲身学习的实践活动中才会被感受和理解。激发学生的学习欲望,培养和发展学生的物理美学思维,从而培养学生建立物理概念、发现物理规律,让物理成为一门美的科学,让物理教学成为一门美的艺术。
　　(作者单位:青海省西宁市第三中学)