“物理美學”初探

“物理美學”初探一、引言美的內涵是對能引起人們美感的客觀事物的共同本質屬性的抽象概括，其本質是審美客體合目的性和合規(guī)律性的統(tǒng)一。美的存在也是客觀事物的一種表現(xiàn)，是一種普遍的東西。我們能夠認識美的規(guī)律，按照美的規(guī)律去創(chuàng)造美。美除了現(xiàn)實生活美（自然美、社會美）和藝術美兩種主要的表現(xiàn)形式以外，也普遍存在于物理世界及研究物理世界的科學物理學中。第一，狹義的物理世界是自然界的一部分，這部分物理世界具有的美也是自然美的一個組成部分。第二，人造的物理世界是人類發(fā)揮了自己的主觀能動性，以美的規(guī)律創(chuàng)造的物理世界，比如激光、無線電、計算機、超導、航天飛機等以及為了重復和模擬自然現(xiàn)象而創(chuàng)造的實驗條件，這一部分是物理學對人類提供的不朽的物質財富，它所產生的美感是自然美所不能包含的；第三，物理學是人類為研究物理世界而創(chuàng)造的一門科學，它是人類認識世界、改造自然的智慧結晶。而科學的本質是“真、善、美”，這種科學美，歷來為科學大師所推崇，法國數(shù)學家彭加勒曾說：“一個名符其實的科學家，尤其是數(shù)學家，他在自己的工作中體驗到和藝術家一樣的印象。他的樂趣和藝術家的樂趣具有同樣的性質，是同樣偉大的東西?！边@種科學美在物理學中表現(xiàn)尤為明顯，物理學所揭示的真理就是真與美的統(tǒng)一。物理美學除了具備科學美普遍的特征外，還有自己獨有的一些特性。物理美是屬理性的美。

物理美應包含三部分：（1）自然物理現(xiàn)象的美；（2）物理創(chuàng)造的美；（3）物理學作為一門科學的美———物理學美。

二、物理美的幾種表現(xiàn)

物理美的主要表現(xiàn)形式是用其具有的性質來表現(xiàn)的，這是形式上的表現(xiàn)，這種表現(xiàn)反映了物理世界、物理學內部的規(guī)律性，這就使得這些性質之間具有相互聯(lián)系，因而沒有非常明顯的界限，從這一點上看，物理美的討論具有一定的復雜性。即使這樣，這種劃分仍然具有一定的意義。

1．獨創(chuàng)性?？茖W把獨創(chuàng)性定義為一種最高的價值，因為只有通過或大或小具有獨創(chuàng)性的科學研究成果，科學才能進步。獨創(chuàng)性的理論成果給人以新奇美。當我們初次接觸到相對論、量子力學、宇宙大爆炸理論時，都有這種美感。

2．統(tǒng)一性?？陀^物質世界盡管豐富多彩，但是其本質上具有統(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)律的物理學也是具有統(tǒng)一性的，它顯示出一種崇高的美。誠如愛因斯坦所說：“從那些看來直接可見的真理十分不同的各種復雜的現(xiàn)象中認識到它們的統(tǒng)一性，那是一種壯麗的感覺?！币虼耍非罄碚摰慕y(tǒng)一性，也就成為物理學大師們堅定不移的信念和始終不諭的目標。正如物理學上電和磁的統(tǒng)一理論———麥克斯韋理論。愛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，導致了許許多多的物理學家致力于規(guī)范場理論，其目的正是為了謀求引力、電磁力、強相互作用、弱相互作用的大統(tǒng)一理論。

3．和諧性。物理學的和諧性主要表現(xiàn)在其學科自身內容協(xié)調和形式勻稱，而且與其他認識體系是相容的、一致的。理論的各個部分以及各種理論之間的和諧、形式的對稱，無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侖平方律、費爾馬原理在力學和光學理論中的和諧、質能關系反映的質量、能量之間的統(tǒng)一性等都存在這種美感。

4．簡單性。科學的簡單性在古代自然哲學家以及近代科學家的永不休止追求中得到了充分體現(xiàn)，簡單性揭示了科學的質樸美。

5．預見性。預見性是科學美的又一重要表現(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)律的科學就具有這種特性，這在數(shù)學上反映為物理規(guī)律滿足一定的數(shù)學物理方程以及滿足一定的統(tǒng)計規(guī)律，同時事物的規(guī)定性又反映了物理內涵與形式的相互聯(lián)系、相互統(tǒng)一。如愛因斯坦的諸多理論：時空對稱性與力學守恒律，即關于時間反演對稱性對應能量守恒，空間平移對稱性對應動量守恒，空間轉動對稱性對應角動量守恒以及空間反演對稱性對應宇稱守恒（不過宇稱守恒在弱相互作用下被破壞了）。

6．邏輯性。物理學所用的語言除了物理表述以外，絕大多數(shù)理論的思維中用了數(shù)學語言，具有邏輯性。數(shù)學有簡煉、嚴密、精確、理想化等特點，這就使得物理學有可能從實驗物理轉向理論物理。在物理理論中，物理規(guī)律用數(shù)學語言描述以后具有形式上的規(guī)范性、協(xié)變性，從內容上本質更突出、更明了，這種表述給人以簡潔的美、協(xié)調的美。它是在數(shù)學基礎上反映了物理世界內部的和諧、統(tǒng)一和簡單。利用數(shù)和形來描述自然是許多偉大科學家的出發(fā)點，用數(shù)和形來統(tǒng)一客觀世界是否能夠實現(xiàn)筆者不敢斷言，似乎過于簡單化了些，但也不是沒有道理。

7．適用性。這里分兩個部分來說明：

第一，前面談過物理學創(chuàng)造了一個人造物理世界，它為人類直接提供了巨大的物質財富和精神享受。電、電磁波、光子器件、半導體、激光、計算機、原子能和平利用以及超導等，無疑給人類文明增添了光彩，這些科學成果難道不能稱之為“科學藝術品”嗎？當這些“藝術品”給你帶來方便、帶來快樂時，你能不為此而興奮嗎？這種在局部范圍內征服自然的成果給人一種欣慰的美感。

第二，物理運動是自然界最基本的運動之一，因此其運動規(guī)律具有普適性，而描述物理運動的物理學則具有廣泛的適用性。如19世紀，物理學基礎學科曾對化學、冶金學、醫(yī)學等學科起過巨大作用，尤其是能量守恒定律更是作為自然界的一個普遍原理為人們所接受。20世紀相繼出現(xiàn)了相對論、量子力學等新的物理學理論，又為人類開辟了一個嶄新的時代。尤其是量子論、相對論是現(xiàn)代科學技術的兩大支柱，在這個基礎上出現(xiàn)了固體物理、量子電動力學、量子生物學、量子化學等學科。在技術領域內發(fā)展了材料科學、宇航、原子彈、計算機等一系列科學，它們如雨后春筍不斷涌現(xiàn)。量子論和相對論的出現(xiàn)影響到我們認識世界、征服自然的進程，也改變了人類社會本身。

8．非邏輯性。現(xiàn)代物理學的研究愈是深入愈是表明它的規(guī)律具有“非邏輯性”，超越了現(xiàn)有語言。邏輯是西方文明的驕傲，它一直在統(tǒng)治著人類的理性思維，近代物理學的思想與結果頗有點像東方的神秘主義，具有一定的平行性。這里，物理學具有一種朦朧的美、神秘的美。比如波粒二象性、關于測量的思考等，使人不得不對人類與自然的關系進行一些有益的反思，可望重建人與大自然之間的新的同盟，這亦是近代物理學對哲學的主要貢獻。9．“藝術性”。如果說藝術創(chuàng)造美，那么物理也在創(chuàng)造著藝術，它為藝術的創(chuàng)造提供必要的物質基礎和一定的理論依據(jù)。各種樂器之所以具有不同的音色和韻律，你是否注意到其中物理學的貢獻，尤其是電子樂器和各種音響設備的出現(xiàn)，更能體現(xiàn)這一點。繪畫藝術中更是離不開物理：國外超現(xiàn)實主義畫家利用物理學中光聲規(guī)律創(chuàng)造藝術品；節(jié)日的聯(lián)歡晚會上，五彩斑爛，變幻莫測場面，更是離不開光；一幅全息圖惟妙惟肖地真實重現(xiàn)了一個立體物體；這些都能給人以“藝術美”的享受，光學現(xiàn)象大都具有這種美感。

三、美感教育及物理興趣的培養(yǎng)物理學專業(yè)的學生，其中有一部分是主觀上愿意學習物理，他們往往對物理感興趣。這是一種自發(fā)的興趣，其中不乏物理美的影響。但如何就物理美進行專門的美感教育，從系統(tǒng)的、較高層次的角度去培養(yǎng)學生的審美思想，提高其學物理的興趣，也即培養(yǎng)學生從自發(fā)到自覺的學習興趣及對科學的熱愛，無疑對學生創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)會起到積極的作用。

美感是審美的客體在審美主體———人的大腦中引起的思維活動。這種從美的觀念出發(fā)引起人們理智的滿足、精神愉悅的過程，同樣適用于物理美。因此如何找出物理美的觀念，是美感教育的重點所在。美感應從兩方面談起：

其一，形象思維方面：這類似于普通美學所研究的內容。其二，理性思維方面：這是確確實實存在的。美感是審美客體在人的思維中引起的理智的滿足，而抽象思維，或者說理性思維、數(shù)學思維也能做到這一點，這在科學美中尤其突出?？茖W尤其是建立在以近代數(shù)學為工具的理論科學中，充分發(fā)揮了人類思維的豐富潛力，在一定感性美的觀念上，以科學特有的方式提出假說（并非胡說），建立理論而后為實驗所證實。在這方面量子力學為一個典型的例子。這種以數(shù)學思維建立物理理論的方式也能引發(fā)美感。正是這種美感引導著許多的物理工作者為科學而獻身———因為他們深信物理是美的，他們因體驗到美而陶醉。

物理學的許多文章，其表述之完美令人十分愉快，有時令人向往。愛因斯坦在談到相對論中的引力場時曾寫到：“這個希望已經(jīng)以極其美妙的方式實現(xiàn)了。甚至不是數(shù)學家也必然會清楚地看到，由于補充了此種純粹形式上的知識，使相對論能為人們明了的程度增進不少?！碑斎?，形式的統(tǒng)一標志著內部本質的聯(lián)系，比如麥克斯韋電磁理論以一種完美的形式出現(xiàn)，其美卻不限于形式，而在于它揭示了電磁運動的物理本質。物理美感是與其直覺性、情感性、功利性、主觀性分不開的，因此在教學中也應從其他的幾個方面引導，激發(fā)和培養(yǎng)學生去體驗美、認識美、創(chuàng)造美。實驗教學是物理學教學中一個必不可少的環(huán)節(jié)，學生可以為完成一個實驗，也即重復前人的工作而得到一個物理定律或定理的證明而欣慰，他們能體驗到這種美，若他們能獨立完成一件工作，比如組裝一臺儀器，那他們會為自己所創(chuàng)造的“藝術品”而滿足，若他們能在實驗中發(fā)現(xiàn)某些問題，從而設法得到解決，那么他們的熱情會在很大程度上被激發(fā)起來，表現(xiàn)出美感的情感性。

所謂學習興趣，就是愛好某一活動或力求認識和創(chuàng)造某種事物的傾向性。愛因斯坦說過：“興趣是最好的老師。教育應當使所提供的東西讓學生作為一種寶貴的禮物來接受，而不是作為一種艱苦的任務要他去負擔?！边@正是我們探討美感教育的出發(fā)點。

四、物理美育與創(chuàng)造性思維

錢學森把人類思維劃分為抽象思維、形象思維、靈感思維、社會思維四類，那么物理思維屬于哪一類呢？這可以從物理學研究問題的方法來探討這個問題。

物理學研究的方法是采用觀察、實驗、假說、理想化模型而形成理論，這種理論再回到實踐中接受檢驗。對物理現(xiàn)象的觀察是一個形象思維的過程，在這個過程中，只有能夠詳盡地、全面地、不失時機地觀察才有效。有時一個忽略的細節(jié)或許孕育著一個重要的發(fā)現(xiàn)。實驗是人為地重復自然現(xiàn)象的過程，這種重復是按人的意志去做的，具有形象思維和抽象思維兩重性質。理想化模型或者說抽象化模型是一個建立物理概念的重要過程，這種過程需要忽略一些次要因素，而突出主要矛盾和矛盾的主要方面，這要求一定的近似，這種觀念的建立影響到理論的建立，因此這時形象思維與抽象思維的結合顯示出人類思維的長足之處，同時這種抽象思維往往具有美的許多特征，例如質點、剛體、點電荷、氫原子模型、理想過程等。建立在概念之上的物理思維常常是運用抽象的邏輯思維來進行的。隨著對科學研究的深入，有些物理現(xiàn)象在原有的知識基礎上解決不了，在邏輯思維的基礎上不可思議的東西出現(xiàn)了，這就要求在超越了語言的假設上去預言，這就是近代物理建立的基礎———假設，當然這種基礎是以實驗為基本的基石，決非毫無根據(jù)的空想。假設有許多成份是由人的靈感思維所提供的，這種假設的正確與否要由實踐來檢驗（從本質上講，這也是一種理想化的描述性模型，比如波粒二象性、引力波等）?？傊?，物理學家的物理思維———對于現(xiàn)象及其認識的反映，主要通過描述性模型來進行，在這種思維中，形象思維、抽象思維占主要部分，而起決定性轉變作用的是靈感思維，這是創(chuàng)造性思維的主要形式。

物理的創(chuàng)造性還常表現(xiàn)為發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象、解釋新現(xiàn)象和預言新現(xiàn)象，這就是一個發(fā)現(xiàn)美、認識美、創(chuàng)造美的過程，在這個過程中，每一個人對美的體驗不盡相同，如果能夠通過一定方式去激發(fā)起這種熱情，那么對于從本質上掌握美是大有裨益的。有人曾對一百多位科學家，其中多數(shù)是諾貝爾獎獲得者進行了研究，發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)人所具有的創(chuàng)造性思維是與藝術家、文學家的創(chuàng)作沖動有相似之處，研究者認為，科學研究是對尚待揭示的事物進行深入探索的過程，只有認識了這些內在規(guī)律才能提出實用的合理的科學假設。那么假設又是如何得到的呢？通過藝術、通過美的聯(lián)接，每個有建樹的物理學家都有這種創(chuàng)作美的沖動。

“美感是智慧的品質”，物理美育就是要求通過審美實踐和美的創(chuàng)造實踐，培養(yǎng)學生美的感受力、鑒賞力和創(chuàng)造力。創(chuàng)造心理學認為，在審美活動中所獲得的美感和對美的執(zhí)著追求，可以成為人們進行科學創(chuàng)造的強烈動機，并能培養(yǎng)人們豐富的創(chuàng)造力。美育活動是培養(yǎng)和發(fā)展創(chuàng)造才能最重要的有效方法，尤其是科學創(chuàng)造的關鍵階段，美感因素往往起重要而出人意外的巨大作用。在物理學史上有很多這樣的例子，比如愛因斯坦在創(chuàng)立廣義相對論的過程中，海森伯在創(chuàng)立量子論的過程中都與他們強烈的美感活動有關，在愛因斯坦那里，正是美感教育活動培養(yǎng)了他驚人的創(chuàng)造力，激起了他強烈的科學探索動機，給他帶來了無窮無盡的探索力量和智慧，霍夫曼曾說過：“愛因斯坦的方法雖然以其淵博的物理學知識作為基礎，但在本質上，是美學的、直覺的……他