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1、0重庆师范大学学年论文题 目 物理学和量子力学的美姓 名 蒋金文 学 号 20100516065 学 院 物理与电子工程学院 专业年级 2010 级物理学 指导教师 梁一平 2013 年 6 月 1 日1物理学和量子力学的美摘 要罗丹有一句名言：“生活中并不缺少美，而是缺少发现美的眼睛。 ”生活中是这样，学习科学的过程中也是这样。美是自然属性，审美是人类的天性，那么我们这些学习物理的人，不应该只是关注物理学的各个公式的物理含义，也应该从中发现物理之美，从简单、对称、和谐中感受物理之美。我们要坚信美与真并存，美与真相伴，一个正确的物理公式一定是美丽的。物理学是美得建构，是美的科学，它具有明快简洁
2、美、均衡对称美、奇异相对美、和谐统一美。杨振宁也告诉人们：高不可攀的物理与处处存在的“美”息息相关，而物理学就是去发掘这些美，那么量子力学作为现在物理学研究的最前沿的课题，它也必然是美的。欣赏物理学的美，会让我们领略到物质世界奥妙无穷的内在美；欣赏物理学的美，会让我们感到物理学的神圣和美好；欣赏物理学的没，会激发我们无边无际的思考。本文将从简单、对称、和谐等几个方面阐述物理学的美，介绍量子力学的美，并介绍一些大物理学家：狄拉克、海森堡所坚持的物理学的美，并因为他们所坚持的物理之美，从而坚定自己的思维，维护住正确的物理学公式。关键词：量子力学；美；物理之美21 量子力学中的美量子力学是物理学进步
3、中的伟大的一步，是现代物理学的两大基本支柱之一，通过量子力学，人们对物质的结构以及相互作用的见解发生了革命性的变化，许多现象得以真正的被解释，新的无法直觉想象出的现象被预言，但是这些现象可以通过量子力学被精确地计算出来，而且后来也获得了非常精确的实验证明。 那么量子力学作为物理学现今最前沿的课题他必定是正确的，一个正确的学术也应该是美的，下面我们就从简约，对称，和谐等几个方面来探讨一下啊量子力学美的地方，并延伸到物理学美的地方。1.1 量子力学的简约之美简约之美，自然科学的定义，就是从复杂的现象中看出简单的规律，一步一步简化，最后得到一组最为简单的定律。1 那么量子力学是否做到了简约之美呢？首
4、先我们来看看黑体辐射中的普朗克公式：（1）很简单的几个字母就可以把黑体辐射中吸收和放射的辐射能是量子化的意思表达出来。完全符合爱因斯坦那句话：世界是简单的，世界有一个简单的规律，这个规律可以用简单的公式表达出来。所以这个简约的普朗克公式特别容易被人们接受，它不仅是一个简单的公式，同时也是一个真理。把一个复杂的理论用一种简单的公式表示出来，也有利于人们的理解。作为对比我们把曾经很繁琐的物理学唯象学定律给出，我们以马吕斯定律为例，线偏振光透过检偏器后的投射光光强：（2）虽然这个公式也是对的，但是比起量子力学中的简单的相乘，马吕斯定律不仅需要余弦函数，而且还要进行二次平方运算。尽管他所进行的运算也不
5、是特别繁琐，但是我们知道余弦函数并不全都是整数，所以在一些精确度要求较高的实验中，马吕斯定律就会对函数取值有很高的要求，相比之下具有简约之美的物理学公式完胜。而量子力学不仅解释了许多无法想象的现象，它也是简3约的，它总在追求举重若轻，深入浅出的方式，让世界变得更容易被理解。2这不仅是量子力学的进步，也是整个物理学的进步。1.2 量子力学的对称美对称往往能给人美感，而物理学在对自然的表述中都体现了这种对称美：从牛顿时期的引力和斥力；工业革命时期的“磁生电”和“电生磁” ，到如今的粒子和反粒子，物质和反物质等等，都给人一种匀称和圆满的美感。这些对称美给人以匀称、均衡、连贯、流畅的感受，因而体现着一
6、种娴静、稳重、庄严，但却也显得有些平淡、单调、缺乏生机和妙趣横生，这是因为对称性并没有包揽美的全部1 ，但是对称美也有自己的优势。量子力学中，也不乏对称之美，很多量都需要两个公式来描述，而很多相关量互相的转化就是一个对称的过程，举一个量子态的动力学公式：（3）（4）量子态的动力学就可以用这两个公式来描写。这种对称美，不仅互相印证了彼此的正确性，也体现了中国古代太极生两仪的学说，世间万物都是阴阳互补的，世间事事都是如此，那么用来表述世界的物理公式自然也是这样了。1.3 量子力学的和谐美自然界的万物五彩缤纷、斑驳陆离、瞬息万变，但是他们的存在和变化都遵从一定的规律，这些规律体现了自然界的质朴、统一
7、和谐之美。19 世纪最伟大的物理学家麦克斯韦集前人之大成成建立的麦克斯韦方程不仅将电学和磁学和谐地统一起来，而且将光学也纳入其中。在物理学家眼里，这四个和谐的方程美妙得像一首诗而麦克斯韦通过这组方程预言存在，并由赫兹首先在实验室中证实的电磁渡则分明是与这首诗相伴的乐谱。这是物理学的和谐之美，那么量子力学的和谐之美又是如何表达的呢？物理学发展到 2O 世纪，物物理学家们对这种和谐美的追求更为执着。这也直接导致了量子力学的诞生。在自然应该是和谐与统一的思想指导下，法国一名年青的哲学史博士德布罗意(deBroglie)提出了一个具有划时代意义的理论。4将实物粒子的波动性与粒子性和谐地统一起来了3。其
8、著名的德布罗意公式更是具有永恒的和谐之美 ，标志着量子力学理论的建立，他也因此获得诺贝尔物理学奖，成为一名著名的物理学家。德布罗意方程如下：（5）（6）（7） （8） 德布罗意方程又称物质波，是真正意义上将实物粒子的波动性表示出来，证明了实物粒子即具有粒子性又具有波动性，是真正意义上的和谐统一，那么在这么一个和谐统一的理论上建立起来的量子力学怎么能不美呢？2.大物理学家所诠释的物理之美人们都喜欢向过去学习美好的地方，摒弃过去糟粕的地方。所以我们要正视历史，我们来说一些被人们尊崇的大物理学家除了他们理论以外的一些事情，并以此来说明大物理学家们是如何诠释物理之美的。希望我们从他们的身上学习到对待物
9、理学的正确的方法。2.1 狄拉克狄拉克(P.Dirac ,1902 1984) 是二十世纪一位大物理学家。关于他的故事很多。譬如：有一次狄拉克在普林斯顿大学演讲.。演讲完毕，一位听众站起来说：“我有一个问题请回答：我不懂怎么可以从公式(2) 推导出来公式(5) .。 ”5狄拉克不答。主持者说：“狄拉克教授,请回答他的问题。 ”狄拉克说：“他并没有问问题，只说了一句话。 ”这个故事所以流传极广是因为它确实描述了狄拉克的一个特点：话不多，而其内含有简单、直接、原始的逻辑性.。一旦抓住了他独特的、别人想不到的逻辑：他的文章读起来便很通顺。就像“秋水文章不染尘” ，没有任何渣滓，直达深处,直达宇宙的奥
10、秘。2狄拉克最了不得的工作是1928 年发表的两篇短文,写下了狄拉克方程： （9）这个简单的方程式是惊天动地的成就,是划时代的里程碑:它对原子结构及分子结构都给予了新的层面和新的极准确的了解.虽然狄拉克方程当时立刻被同行所认同可是它有一项前所未有的特性,叫做“负能”现象,这是大家所绝对不能接受的。许多物理学家劝狄拉克改动方程，但是狄拉克认为i他的公式是美的，不愿意修改一丝一毫，直到1932 年秋安德森(C.D.Anderson ,1905 1991) 发现了电子的反粒子以后,人们才最终完全认可了狄拉克方程。而狄拉克因为坚持物理之美而最终被证实是正确的，也是真与美相伴的最好论据。2.2 爱因斯坦
11、说到物理，人们不得不提的就是牛顿和爱因斯坦了，他们都是人类历史上里程碑式的人物，那么爱因斯坦又是如何诠释的物理之美呢？1905 年，爱因斯坦发表了一篇具有划时代意义的论文，建立了狭义相对论，论文的题目是“论动体的电动力学” 。论文中，爱因斯坦提出相对性原理和光速不变原理，在此基础上导出洛伦兹变换，得到一系列不同于牛顿力学的得要结论；不久，爱因斯坦又得出了质能关系。这些不同于牛顿力学的得要结论改变了人们的时空观，统一了力学和电磁学，解决了许多重要的物理问题，并且还带给人类释放核能。这样的巨大的实用价值。这一系列的具体结论无疑是十分重要的，人们常常仅仅是注重狭义相对论的这些具体结论，而忽略了爱因斯
12、坦在思考问题和研究问题上对人类作出的巨大贡献，这就是他提示了物理规律上的一种新的对称性，并且认识到对称性是制约物理规律的利器，从而把对称性推到物理基础研究的主角地位。12 爱因斯坦的对称性制约物理定律的思想可以说是二十世纪物6理基础研究方法上的一大飞跃，他为物理学基础树立了一个光辉的典范。这位举世闻名的物理学家在一次评价别人的公式时甚至都不用“对不对”来回答，他只是简单的说了两个字“真丑” 。在他的眼里丑的东西就一定不会是正确的。所以我们在学习物理的过程中，不应该只是局限于物理学的公式，和怎么运用这些公式，相信这不是真正意义上的学物理。我们应该注重物理之美，从物理美的地方去欣赏喜欢他，并从而学好物理。把物理当作一门艺术去学习，把物理当作美的东西去欣赏，把物理当作最有价值的东西去拥有。参考文献：1 陈熙谋. 对称美与物理学 . 物理教学 ， 1999 年，21 卷 1 期2 杨振宁. 美与物理学 .二十一世纪 ，1997 年，4 月号 ：193-1993 冯军. 物理学中的美与大学物理教学 . 江苏理工大学学报（社会科学版） ，2011 年，第四期 ：82-847
