談?wù)勎锢韺W(xué)中的對(duì)稱美學(xué)思維

韓文靜

摘要:本文通過對(duì)物理學(xué)中對(duì)稱現(xiàn)象的探討,提出了運(yùn)用美學(xué)思維激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)欲望,讓物理教學(xué)成為一門美的藝術(shù)的教學(xué)觀點(diǎn)。

關(guān)鍵詞:對(duì)稱性;美學(xué)思維;方法論

對(duì)稱性是指自然界的一切物質(zhì)和過程都存在或產(chǎn)生它的對(duì)應(yīng)方面。這種對(duì)應(yīng)方面表現(xiàn)為現(xiàn)象的相同、形態(tài)上的對(duì)映、物質(zhì)的反正、結(jié)構(gòu)上的重復(fù)、性質(zhì)上的一致、規(guī)律性的不變,等等。自然科學(xué)的研究成果表明,在自然界中從微觀到宏觀,從無機(jī)界到有機(jī)界、從非生命界到生命界,無一不在一定范圍內(nèi)、一定程度上存在著各種各樣的對(duì)稱性?？梢哉f對(duì)稱性深刻地揭示了自然界相互聯(lián)系中的一致性、不變性和共同性,它是反映自然規(guī)律的一條基本原則。

對(duì)稱性常表現(xiàn)為四個(gè)方面:①物體形狀或幾何形體的對(duì)稱性。例如在物理學(xué)中的晶體結(jié)構(gòu)的研究中發(fā)現(xiàn),晶體的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)具有高度的對(duì)稱性,常稱為晶體對(duì)稱性。對(duì)稱性使晶體具有很多特殊的性質(zhì),如X射線的洐射實(shí)驗(yàn)就是直接和晶體對(duì)稱性密切相關(guān)的,正是在此基礎(chǔ)上,人們才發(fā)展了X射線的結(jié)構(gòu)分析技術(shù)。②物質(zhì)存在形式的對(duì)稱性,例如正電荷與負(fù)電荷、磁體的N極與S極、粒子與反粒子。③物理過程中的對(duì)稱性,如電生磁和磁生電,動(dòng)能轉(zhuǎn)化勢(shì)能和勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。④物理規(guī)律的對(duì)稱性,主要是指物理規(guī)律在某種變換下的不變性,如空間坐標(biāo)平移的不變性、時(shí)間坐標(biāo)平移的不變性、空間轉(zhuǎn)動(dòng)的不變性、伽利略變換、洛侖茲變換的不變性等。

對(duì)稱性對(duì)物理學(xué)的發(fā)展有著重要意義。從物理理論的發(fā)展來看,正是“對(duì)稱—不對(duì)稱—新的對(duì)稱”的不斷循環(huán)往復(fù),才使物理理論從較低的對(duì)稱層次向較高的對(duì)稱層次發(fā)展,從較小的統(tǒng)一向較大的統(tǒng)一發(fā)展,使人類對(duì)自然界的認(rèn)識(shí)不斷深入。這也是物理學(xué)總的發(fā)展方向和追求目標(biāo),沿著這條道路,歷代物理學(xué)家作出了杰出貢獻(xiàn)。牛頓把天上的力學(xué)與地上的力學(xué)對(duì)稱綜合起來,建立了經(jīng)典力學(xué)體系;20世紀(jì)中葉李政道、楊振寧又提出在弱相互作用中宇稱不守恒,并得到了實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證,這一發(fā)現(xiàn)為人們探索更高層次的對(duì)稱提出了新的課題。

對(duì)稱美學(xué)思維也為物理學(xué)的研究提出了方法論的原則。對(duì)稱美學(xué)思想是自然界更深刻的聯(lián)系和規(guī)律性的反映,所以人們可以通過某種對(duì)稱去揭示物質(zhì)運(yùn)動(dòng)遵循的規(guī)律,預(yù)言未知物質(zhì)的存在。而當(dāng)某種不對(duì)稱出現(xiàn)時(shí),則通過擴(kuò)大其對(duì)稱性而使自然定律的普遍性進(jìn)一步擴(kuò)大,這樣可進(jìn)一步推動(dòng)物理學(xué)的理論向更高層次的對(duì)稱與統(tǒng)一發(fā)展。在物理的發(fā)展史上許多物理學(xué)家正是通過對(duì)稱思維這一方法論原則,做出了許多重大發(fā)現(xiàn)。例如,狄拉克說:“我沒有試圖直接解決某一個(gè)物理問題,而只是試圖尋求某種優(yōu)美的數(shù)學(xué)?！彼€常說:“一種正確的理論就應(yīng)該是美的。”狄拉克的科學(xué)生涯也體現(xiàn)了他的這一信念。例如在解狄拉克方程時(shí),出現(xiàn)了當(dāng)時(shí)被認(rèn)為是沒有物理意義的“負(fù)能態(tài)”的解,按照往常習(xí)慣只能把負(fù)數(shù)解舍去。但狄拉克堅(jiān)持認(rèn)為,自然界是對(duì)稱的,有正能粒子就應(yīng)該有“負(fù)能粒子”,于是他作了一個(gè)大膽的預(yù)言:存在著一個(gè)與電子質(zhì)量相等而電荷相反的“負(fù)能粒子”——正電子,1932年安德遜發(fā)現(xiàn)了正電子,證實(shí)了狄拉克的預(yù)言。這正電子是人類發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)反粒子。狄拉克的這一偉大貢獻(xiàn)開拓了人們對(duì)基本粒子研究的新領(lǐng)域,五十多年過去了,物理學(xué)家們?cè)诘依死碚摰闹敢?相繼發(fā)現(xiàn)了許多“反粒子”,如反質(zhì)子、反中子、反中微子、反分子、反超子等。

對(duì)于對(duì)稱美學(xué)思維,喬治曾從心理學(xué)的角度談到,當(dāng)觀察者看到他視野內(nèi)的物體構(gòu)成的圖案有一個(gè)空缺時(shí),他就會(huì)產(chǎn)生一種緊張的感覺。等到填補(bǔ)了空缺,圖案的各個(gè)部分各適其位時(shí),觀察者感到輕松滿意。普遍性的結(jié)論就好像設(shè)想上的圖案,因此人們有追求對(duì)稱完美的生理與心理學(xué)依據(jù)之一。

當(dāng)然,對(duì)于人的頭腦有在事物中追求條理性、對(duì)稱性的傾向,這種傾向又反過來使我們可能產(chǎn)生一些錯(cuò)誤的結(jié)論,例如相信我們所看到的一切自然事物都應(yīng)是高度條理和完全對(duì)稱的,而實(shí)際上卻沒有這么高的程度。所以必須謹(jǐn)防這種傾向有時(shí)會(huì)把我們引入歧途。例如楊振寧、李政道提出并被證明的在弱相互作用下宇稱不守恒的理論使現(xiàn)代物理中又產(chǎn)生了“對(duì)稱加破缺”的美學(xué)思維。

物理學(xué)是美的。這種美只有在學(xué)習(xí)者親身學(xué)習(xí)的實(shí)踐活動(dòng)中才會(huì)被感受和理解。激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)欲望,培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的物理美學(xué)思維,從而培養(yǎng)學(xué)生建立物理概念、發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律,讓物理成為一門美的科學(xué),讓物理教學(xué)成為一門美的藝術(shù)。

(作者單位:青海省西寧市第三中學(xué))