自然科学中的美学

1、自自 然然 科科 学学 中中 的的 美美 学学美美 的的 基基 本本 描描 述述 美的基本形态：艺术美，现实美，社会美，自然美，科技美美的基本形态：艺术美，现实美，社会美，自然美，科技美 爱美之心，人皆有之。人爱美，动物和植物已如此。爱美之心，人皆有之。人爱美，动物和植物已如此。 凡是美的事物，都是符合事物发展规律的，代表事物的发展凡是美的事物，都是符合事物发展规律的，代表事物的发展 方向。因此，美，体现了方向。因此，美，体现了“真真”，包含了，包含了“真真”。 美，意味着美，意味着“真理真理”与与“和谐和谐” ” ; ; 美，隐含着科学。美，隐含着科学。 自然科学具有自身的美，体现了美学原理

2、。自然科学具有自身的美，体现了美学原理。 只有美的事物、现象，才是科学的。否则，是伪科学。只有美的事物、现象，才是科学的。否则，是伪科学。 原子弹之父原子弹之父奥本海默奥本海默认为：自然科学，是研究自然规律与秩序认为：自然科学，是研究自然规律与秩序 的科学，探究物质的和谐存在与运动的根源。自然科学本身不的科学，探究物质的和谐存在与运动的根源。自然科学本身不 是美学，但富含美的素材，需要我们去发掘。是美学，但富含美的素材，需要我们去发掘。 对美的追求，是自然科学发展的源动力。对美的追求，是自然科学发展的源动力。 美的表现形式：美的表现形式： 对称美对称美 简单美简单美 和谐美（统一美）和谐美（统

3、一美） 新奇美新奇美 常数美常数美一一、对称美、对称美 人类对美的认识，几乎和人类文明同步。人类对美的认识，几乎和人类文明同步。 上帝造人过程中，就注重了对称美。上帝先造了亚当，后来造了夏上帝造人过程中，就注重了对称美。上帝先造了亚当，后来造了夏 娃，于是人类有了男人和女人。男人和女人合成了一部诗歌，演绎了尘娃，于是人类有了男人和女人。男人和女人合成了一部诗歌，演绎了尘 世的风和雨。男人和女人之间的故事，没有序幕，也没有结尾。世的风和雨。男人和女人之间的故事，没有序幕，也没有结尾。 人类社会的历史，就是男人和女人的历史，促进了人类社会的进步。人类社会的历史，就是男人和女人的历史，促进了人类社会

4、的进步。 对称美，分为对称美，分为“空间美空间美”和和“时间美时间美”： 人体具有形体美，是因为人的五官是空间对称的。人体具有形体美，是因为人的五官是空间对称的。 建筑中，最容易找到空间对称的例子建筑中，最容易找到空间对称的例子 。从功能的角度。从功能的角度来来 看，对称性的建筑通常具有较高的稳定性，建造时也更看，对称性的建筑通常具有较高的稳定性，建造时也更 容易实现。容易实现。 上抛运动和斜抛运动，在上升和下降过程中，有着空间上抛运动和斜抛运动，在上升和下降过程中，有着空间 上的对称性。上的对称性。 上帝在创造时间时，也给自然界以十全十美的对称：上帝在创造时间时，也给自然界以十全十美的对称：

5、 地球的自转和公转，带来了白天、黑夜的对称。地球的自转和公转，带来了白天、黑夜的对称。 对称美，给人以匀称、均衡、连贯、流畅的感受。对称美，给人以匀称、均衡、连贯、流畅的感受。 自然界总是遵循着自然界总是遵循着“中庸之道中庸之道”的准则。的准则。 “中庸之道中庸之道”的基本准的基本准则：则： 不偏不倚，不正不负。自然界中，电荷有正有负，而且正电荷总不偏不倚，不正不负。自然界中，电荷有正有负，而且正电荷总 数等于负电荷总数，所以，自然界显示中性。数等于负电荷总数，所以，自然界显示中性。 研究自然科学时，对自然科学时，对“对称美对称美”的追求，成就了许多非凡的成就。的追求，成就了许多非凡的成就。

6、库仑（库仑（1736.6 1806.8，法），法） ，在追求与在追求与牛顿（牛顿（1642.12-1727.3,英）英）万万 有引力定律的有引力定律的“对称对称”中，中， 得出了库仑定律。得出了库仑定律。法法拉第拉第(1791.9-1867.8，英，英)从对称美中发现了电磁感应定律的。从对称美中发现了电磁感应定律的。他认为：既然电能生磁他认为：既然电能生磁( (奥斯特奥斯特1777.8-1851.3，丹麦，丹麦) )，磁也应能生，磁也应能生电，才能显示自然界的对称美。经过电，才能显示自然界的对称美。经过1010年研究，年研究，18311831年年1010月月1717日，日，终于终于用实验证实了

7、电与磁之间存在用实验证实了电与磁之间存在对称美对称美的设想。的设想。122 (1687)m mFGr122 (1785)q qFkr牛顿万有引力定律（英）牛顿万有引力定律（英）库仑定律（法）库仑定律（法）常数麦克斯韦麦克斯韦（1831.6-1879.11，英），英） 1864年根据电与磁的对称性，在没有任年根据电与磁的对称性，在没有任何实验支持的情况下，大胆地在安培定律中平添了何实验支持的情况下，大胆地在安培定律中平添了“位移电流位移电流”矢量项，矢量项，使麦克斯韦得以建立起呈现使麦克斯韦得以建立起呈现对称美对称美的方程组。其中，主要的四个方程彼的方程组。其中，主要的四个方程彼此相容，成为自洽

8、的、关于电磁场的完整理论体系，被誉为自然界最优此相容，成为自洽的、关于电磁场的完整理论体系，被誉为自然界最优美的诗。美的诗。 ddlStDHlSStBlESldd 0d SSBqSDS d 积分形式积分形式t DHJ +tBE 0 B D微分形式微分形式狄拉克（狄拉克（19021984，英），世界著名数学，英），世界著名数学-物理学家，建立了相对物理学家，建立了相对量子论。量子论。 1933年，获得诺贝尔物理学奖。年，获得诺贝尔物理学奖。 狄拉克狄拉克崇尚崇尚对称美，坚信：在一个物理系统的所有可能表象之间，对称美，坚信：在一个物理系统的所有可能表象之间，必定存在着一种优美的对称性。必定存在着一

9、种优美的对称性。 物理上，物理上，负能态负能态比比正能态正能态能量更低。根据量子跃迁理论，一切能量更低。根据量子跃迁理论，一切正能正能态态的粒子和物质都将无休止地向的粒子和物质都将无休止地向负能态负能态跃迁，这样将导致宏观物质全跃迁，这样将导致宏观物质全部解体的结论。为了摆脱这种与事实不符的困境，狄拉克根据部解体的结论。为了摆脱这种与事实不符的困境，狄拉克根据泡利泡利不不相容相容原理，于原理，于1930年提出了著名的年提出了著名的空穴空穴理论：空穴是一种新的粒子，理论：空穴是一种新的粒子，与电子的质量相同，但电荷相反，预言了与电子的质量相同，但电荷相反，预言了“正电子正电子”的存在。的存在。

10、他假定，自然界的所谓他假定，自然界的所谓“真空真空”，并非空无一物。所有的负能态都，并非空无一物。所有的负能态都将被电子填满，形成负能态的电子海；正能态的电子不可能再往下跃将被电子填满，形成负能态的电子海；正能态的电子不可能再往下跃迁，这样就保证了原子的稳定性。当处于负能态的电子受到激发从负迁，这样就保证了原子的稳定性。当处于负能态的电子受到激发从负能级的能级的“海洋海洋”中逸出时，就留下一个空穴；这个空穴，就相当于一中逸出时，就留下一个空穴；这个空穴，就相当于一个带正电荷的粒子（正电子）。这一假设，为半导体技术，进而为电个带正电荷的粒子（正电子）。这一假设，为半导体技术，进而为电子技术、计算

11、机技术、通信技术的发展奠定了基础。子技术、计算机技术、通信技术的发展奠定了基础。 1932年，安德森（年，安德森（1905-1991，美）在宇宙射线实验中发现了正电子，美）在宇宙射线实验中发现了正电子，证实了狄拉克的预言，安德森因此获得证实了狄拉克的预言，安德森因此获得1936年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。 通信，在寻求光电的对称中得到发展。通信，在寻求光电的对称中得到发展。 电：能携带信息，有带宽，调制方式有：调幅电：能携带信息，有带宽，调制方式有：调幅、调频调频、调相。调相。 光：由电子在不同能级间跃迁产生。光子作为电子的光：由电子在不同能级间跃迁产生。光子作为电子的“第二第二 代代

12、” 产品，具有电子所具备的这些性能。而且更具优越性：产品，具有电子所具备的这些性能。而且更具优越性： 不带电、没静止质量不带电、没静止质量、宽带宽（宽带宽（1012）、高频率高频率（1014）。）。 光磁的对称美：光磁的对称美： 光本身是一种特殊的电磁波，通信保密性能好，可以做到光本身是一种特殊的电磁波，通信保密性能好，可以做到 万里传输无中继。万里传输无中继。 折射定律具备对称美。其形式如下折射定律具备对称美。其形式如下: n1sin1=n2sin2 n1是入射光一侧的折射指数，是入射光一侧的折射指数，n2是折射光一侧的折射指数是折射光一侧的折射指数, 1是入射角，是入射角，2是折射角，可直

13、接推出光的可逆性原理。是折射角，可直接推出光的可逆性原理。二二、简单美、简单美 自然界的多种现象，看起来错综复杂。然而，其背后隐藏的 规律却是简单的。 自然界中最简单的字符是自然界中最简单的字符是0 0和和1 1。奇特的是，自然界中的所有。奇特的是，自然界中的所有数字或事件，都可由不同数目的数字或事件，都可由不同数目的0 0和和1 1组成；比如组成；比如“1”1”可表示可表示为为“0001”0001”，“2”2”可表示为可表示为“0010”0010”，“3”3”可表示为可表示为“0011”0011”。经过计算机的组合后，一个复杂而多彩的世界。经过计算机的组合后，一个复杂而多彩的世界便可呈现在世

14、人面前；它将开关的闭与合、意见的同意与不同便可呈现在世人面前；它将开关的闭与合、意见的同意与不同意、表决的通过与不通过、条件的满足与不满足、事件的发生意、表决的通过与不通过、条件的满足与不满足、事件的发生与没发生、集成电路内部晶体管的导通与截止、不同状态信息与没发生、集成电路内部晶体管的导通与截止、不同状态信息之间的相互转换、通信网络内不同信号的传递等展示得淋漓尽之间的相互转换、通信网络内不同信号的传递等展示得淋漓尽致，揭示了自然界数学体系的简洁性。致，揭示了自然界数学体系的简洁性。 物理学家物理学家海森堡海森堡（1901.121976.2,诺贝尔奖获得者，量子力学创始人诺贝尔奖获得者，量子力

15、学创始人, 德国）分析了德国）分析了 科学发展与科学美感的关系，他发现：自然科学家，如科学发展与科学美感的关系，他发现：自然科学家，如 哥白尼、伽利略、开普勒、牛顿等，哥白尼、伽利略、开普勒、牛顿等，都追求自然规律的简单性，并以都追求自然规律的简单性，并以 数学定律的形式表现出来。数学定律的形式表现出来。 爱因斯坦（爱因斯坦（1879.3.14-1955.4.18 ，德）认为：德）认为：“丰富多彩、错综复杂、扑丰富多彩、错综复杂、扑 朔谜题的现象世界，表面可能是千差万别的；但本质上，都可逻辑地归朔谜题的现象世界，表面可能是千差万别的；但本质上，都可逻辑地归 结为少数几个基本概念与结为少数几个基

16、本概念与 原理。这样一来，整个世界既和谐又统一。一原理。这样一来，整个世界既和谐又统一。一 切科学的伟大目标就在于：寻找一个能把观察到的事物联系在一起的思想切科学的伟大目标就在于：寻找一个能把观察到的事物联系在一起的思想 体系，具有最大可体系，具有最大可 能的简单性，并能用能的简单性，并能用数学的方法数学的方法表示出来。表示出来。” 爱因斯坦坚信：只有找到一个统一的场方程，世界才是最和谐的。爱因斯坦坚信：只有找到一个统一的场方程，世界才是最和谐的。 在生命的最后三十二年里，他孜孜不倦地寻找物理学的大统一理论。在生命的最后三十二年里，他孜孜不倦地寻找物理学的大统一理论。 正如他所说：正如他所说：

17、“对这个或那个现象，我并不感兴趣；我想知道的是上帝对这个或那个现象，我并不感兴趣；我想知道的是上帝 的思想，上帝是如何创造这个世界的；其它的只是我不关心的细节。的思想，上帝是如何创造这个世界的；其它的只是我不关心的细节。” 世界最终可用对称和简单来理解世界最终可用对称和简单来理解! 简单，是数学的最高境界。简单，是数学的最高境界。 狄拉克狄拉克认为：数学方程式的简单化，比符合实验更重要认为：数学方程式的简单化，比符合实验更重要因为，实验的差异，可能是没有考虑一些细小的问题；而这些细因为，实验的差异，可能是没有考虑一些细小的问题；而这些细小的问题，将会随着理论的发展得到澄清。一个人，在进行研究小

18、的问题，将会随着理论的发展得到澄清。一个人，在进行研究时，假如具有敏锐的洞察力，能想方设法使方程简单化，那么，时，假如具有敏锐的洞察力，能想方设法使方程简单化，那么，他就肯定会获得进步。他就肯定会获得进步。 狄拉克通过方程的简化得出：电子自旋的角动量是狄拉克通过方程的简化得出：电子自旋的角动量是1/21/2，而不，而不是整数。这一点得到了自然的解释。初步了解其中奥妙的人，无是整数。这一点得到了自然的解释。初步了解其中奥妙的人，无不惊叹其为不惊叹其为“神来之笔神来之笔”，是常人无法想到的。就连当时最负盛，是常人无法想到的。就连当时最负盛名的名的海森海森堡堡（德）（德）和和德布罗意德布罗意（189

19、2. 81987. 3，法法 ）看了）看了狄拉克狄拉克（英）（英）的文章之后，无法理解的文章之后，无法理解狄拉克狄拉克是怎样想出此神来之笔的。是怎样想出此神来之笔的。 物物质世界总是展现质世界总是展现“简单简单”的风采的风采 一切物质都由最简单的粒子原子（原子核和电子）组成。一切物质都由最简单的粒子原子（原子核和电子）组成。 光，总是沿着最简单的直线传播。光，总是沿着最简单的直线传播。 行星，总是沿着最简单的几何曲线行星，总是沿着最简单的几何曲线圆、椭圆、抛物圆、椭圆、抛物线线 或双曲线运动。或双曲线运动。 气体，总是从高浓度向低浓度地方扩散。气体，总是从高浓度向低浓度地方扩散。 物体，总是从

20、能量高的地方向能量低的地方运动物体，总是从能量高的地方向能量低的地方运动 能量最低原理。能量最低原理。 自然界中的各种颜色，都可通过自然界中的各种颜色，都可通过七基色七基色合成。研究发合成。研究发 现，三基色现，三基色-二基色亦可合成各种颜色。二基色亦可合成各种颜色。 物物理定理理定理、规律规律、公式，总是体现着逻辑上的简单美公式，总是体现着逻辑上的简单美 21121 222F = F= - F mLSR= U= I R C=S4d=L I = - E -E=hdtmqqF= G F= k rrsvatkdm tDH 科学的宗旨是简单化科学的宗旨是简单化 牛顿定律：将宏观、低速条件下各种机械运

21、动的规律，组牛顿定律：将宏观、低速条件下各种机械运动的规律，组 成了一个秩序井然的集体成了一个秩序井然的集体; 麦克斯韦方程组：建立了一个和谐圆满的电磁场家庭。麦克斯韦方程组：建立了一个和谐圆满的电磁场家庭。 量子力学理论（量子力学理论（海森堡海森堡）：使行踪飘忽的微观粒子眉目清晰。）：使行踪飘忽的微观粒子眉目清晰。 统一论（统一论（爱因斯坦）爱因斯坦）：宇宙中纷乱的种种作用力，在本质上：宇宙中纷乱的种种作用力，在本质上可可 归结为四种：强相互作用、弱相互作用、万有引力、电磁力归结为四种：强相互作用、弱相互作用、万有引力、电磁力 。 这些概念、定理、公式，都体现了自然科学理论体系的简这些概念、

22、定理、公式，都体现了自然科学理论体系的简 单美。单美。 物理学结构的各分支具备简单美物理学结构的各分支具备简单美 力学 （代表人物： 牛顿） 热学（卡诺、开尔文：卡诺定理、热力学第二定理） 电学（库仑、 高斯、 欧姆、 焦耳、基尔霍夫） 磁学（法拉第、 洛伦兹 ）。 光学 (费更斯、赫兹、爱因斯坦) 原子物理（巴耳末、牛顿巴耳末、牛顿 、麦克斯韦、麦克斯韦、 爱因斯坦、惠更斯爱因斯坦、惠更斯 ）： 物质由简单的质子、中子、电子组成12202123n E Q=I RtI +I +I +I =0 ()0q qqFkdSrUIR = (B)dfq vdt 21EEhv总之：总之： 物理学的简单之美，

23、突出表现在：能将许多内涵丰富的物理学的简单之美，突出表现在：能将许多内涵丰富的物理规律，用极其精炼的物理规律，用极其精炼的数学数学语言表达出来，给人以美的感语言表达出来，给人以美的感受。这就是简单性带来的美。受。这就是简单性带来的美。 这种简单之美，既表现在这种简单之美，既表现在理论理论上的简单，也表现在数学上的简单，也表现在数学形式形式上的简单，还体现在上的简单，还体现在逻辑逻辑上的简单。上的简单。三三、和谐美（统一美）、和谐美（统一美） 和谐是美学的重要法则。宇宙和数之间，内部隐含的逻辑和谐是美学的重要法则。宇宙和数之间，内部隐含的逻辑 关系是美的，因为他们是和谐的。关系是美的，因为他们是

24、和谐的。 和谐、统一，给人以浑然一体，恰如其分、轻松自如的美感。和谐、统一，给人以浑然一体，恰如其分、轻松自如的美感。 从古到今，一贯是自然科学追求的目标。从古到今，一贯是自然科学追求的目标。 卢瑟福（卢瑟福（1871.8.-1937.10，新西兰，新西兰 ）1906年提出了原子核结构年提出了原子核结构 模型：所有电子都在各自的轨道上绕原子核旋转。这跟太阳模型：所有电子都在各自的轨道上绕原子核旋转。这跟太阳 系里，行星在各自的轨道上围绕太阳运行非常类似。显示了系里，行星在各自的轨道上围绕太阳运行非常类似。显示了 宏观和微观之间的和谐统一。宏观和微观之间的和谐统一。 动量守恒定律，既适用于研究动

25、量守恒定律，既适用于研究宏观宏观物体的某些物理问题，又物体的某些物理问题，又 适用于研究适用于研究微观微观物体的某些物理问题。这说明，对宏观与微观物体的某些物理问题。这说明，对宏观与微观 物理问题的研究方法，存在着和谐、统一的特征。物理问题的研究方法，存在着和谐、统一的特征。 物理学家认为：物质、能量、动量三大守恒定律的存在，物理学家认为：物质、能量、动量三大守恒定律的存在， 是物质世界和谐性的最完美体现。物质规律的对立、统一，是物质世界和谐性的最完美体现。物质规律的对立、统一， 也是宇宙和谐的反映。也是宇宙和谐的反映。 自然科学的发展过程中，追求理论的统一是科学家们的梦想。自然科学的发展过程

26、中，追求理论的统一是科学家们的梦想。 统一，统一， 就是：在不附加太多的假定条件下，尽可能前、后就是：在不附加太多的假定条件下，尽可能前、后 一致地解释更多的物理现象。一致地解释更多的物理现象。 牛顿，把地球上的力学与天上的力学统一起来。牛顿，把地球上的力学与天上的力学统一起来。 麦克斯韦方程，把电、磁、光统一起来麦克斯韦方程，把电、磁、光统一起来-电磁场理论。电磁场理论。 爱因斯坦相对论，把牛顿力学和麦克斯韦方程统一起来。爱因斯坦相对论，把牛顿力学和麦克斯韦方程统一起来。 目前，人们正在着力研究包括四种相互作用（强目前，人们正在着力研究包括四种相互作用（强相互作用相互作用、弱相、弱相 互作用

27、互作用、万有引力、电磁力万有引力、电磁力 ）都统一起来的）都统一起来的超对称超对称大统一大统一理论。理论。四四、新奇美、新奇美 在疑难和错综复杂的迷宫中，发现意想不到的捷径，这就是在疑难和错综复杂的迷宫中，发现意想不到的捷径，这就是新奇的境界。新奇的境界。 新奇，是指新奇，是指科学思想的创造性科学思想的创造性和和科学方法的新颖性科学方法的新颖性。新奇是。新奇是和谐基础上的创造，新奇又是和谐的条件。雷同、重复的事物和谐基础上的创造，新奇又是和谐的条件。雷同、重复的事物没有和谐可言。新奇没有和谐可言。新奇而又而又和谐，多样和谐，多样而又而又统一，才是科学美。统一，才是科学美。 物理学的新奇，来源于

28、物理思想的奇特和科学方法的新颖。物理学的新奇，来源于物理思想的奇特和科学方法的新颖。 狄拉克：在发展量子理论的过程中，预言了狄拉克：在发展量子理论的过程中，预言了“正电子正电子”的的存在，为半导体技术，进而为电子技术、计算机技术、通信技存在，为半导体技术，进而为电子技术、计算机技术、通信技术的发展奠定了基础。就具有新奇美。术的发展奠定了基础。就具有新奇美。 爱因斯坦：透过洛伦兹变换的数学形式，得出了物理空间爱因斯坦：透过洛伦兹变换的数学形式，得出了物理空间和时间的关系，并创立了相对论，这也是新奇美。和时间的关系，并创立了相对论，这也是新奇美。五五、常数美、常数美 常数，是经常用的、反映物质客观

29、属性的不变量。常数，是经常用的、反映物质客观属性的不变量。 自然科学中的某些常数，有着特殊的魅力和深邃的内涵，自然科学中的某些常数，有着特殊的魅力和深邃的内涵，因而也蕴含着美感。因而也蕴含着美感。 常见的有：常见的有： 黄金分割系数：黄金分割系数：0.6180.618 圆周率圆周率（圆的周长与直径的比值）：（圆的周长与直径的比值）：3.143.14 自然对数的底自然对数的底e : 2.7182.718 电学中：电学中： 电子的电量电子的电量 e=1.6e=1.61010-19-19C.C. （万有引力常量（万有引力常量G6.67x10-11 (Nm2 /kg2) G6.67x10-11 (Nm

30、2 /kg2) 静电力常量（库仑定理）静电力常量（库仑定理） k k9.09.0109N.m2/C2 109N.m2/C2 光学中：光学中： 光速光速C = 3= 310108 8m/s m/s 原子物理中：原子物理中： 普朗克常数普朗克常数 h=h=（6.5476.5471010-34-34J.SJ.S） 歌德，德国大诗人，这样来思维科学中的美：歌德，德国大诗人，这样来思维科学中的美： 存在是永恒的；因为，有太多的法则保存了生命的宝藏存在是永恒的；因为，有太多的法则保存了生命的宝藏； 而宇宙，正是从这些宝藏中吸取了美。而宇宙，正是从这些宝藏中吸取了美。 自然科学的发展史，是科学家追求简单、对称、和谐（统自然科学的发展史，是科学家追求简单、对称、和谐（统 一）、新奇的历史一）、新奇的历史 ； 构成了自然科学的美学准则。构成了自然科学的美学准则。 对称则统一，统一则简单，简单则和谐。对称则统一，统一则简单，简单则和谐。 自然科学的真与美自然科学的真与美, 从来就是统一的。自然科学发从来就是统一的。自然科学发展史告诉我们展史告诉我们: 很多科学舞台上的巨匠，都不同程度很多科学舞台上的巨匠，都不同程度地接受了源于古希腊的美