第9讲 物理学与美学

1、第第9讲讲物理学与美学物理学与美学physics and aesthetics) 1何为美？何为美？(美是一种感觉美是一种感觉,但有其客观存在的功效但有其客观存在的功效)*使人使人高尚。高尚。*使人使人智慧智慧。*使人使人快乐快乐。2.何为理性美？何为理性美？ 1)直接直接:通过思索探求从疑惑中得到解脱通过思索探求从疑惑中得到解脱;通过通过归纳和积累使思想和精神得到升华归纳和积累使思想和精神得到升华.2)间接间接:通过联想通过联想,将规律或过程与有类同特将规律或过程与有类同特点的感性美的体验相联系点的感性美的体验相联系.3.物理美学的几个要点物理美学的几个要点：*大自然是美的，大自然的规律也是

2、美的。大自然是美的，大自然的规律也是美的。物理学研究的是物质世界中最普遍最基本的物理学研究的是物质世界中最普遍最基本的规律规律,所以她应该是最美的所以她应该是最美的.*物质世界在原始的层面上是按美学原理构物质世界在原始的层面上是按美学原理构筑的。筑的。*当实验同样支持几个理论时，人们是通过当实验同样支持几个理论时，人们是通过美学标准进行筛选的。美学标准进行筛选的。*真理的光芒就是美，沿着美的路径就能找真理的光芒就是美，沿着美的路径就能找到真理到真理。4美学三性美学三性1）简洁性：简洁性：描述同样的经验资料，具有最少量描述同样的经验资料，具有最少量的定义和模型的那个理论为好。的定义和模型的那个理

3、论为好。2）普遍性普遍性：应用经验范围广，适应性强的那个：应用经验范围广，适应性强的那个理论框架为好（亦称理论框架为好（亦称“空筐空筐”性）性）3）对称性：对称性：如果对一系统，作某种操作后，系如果对一系统，作某种操作后，系统状态不变，则称系统对该操作对称。他是人类最原统状态不变，则称系统对该操作对称。他是人类最原始的审美心态。始的审美心态。 简洁性简洁性:1)物理模型物理模型:质点质点,波波-尤如灿烂的群星尤如灿烂的群星2)光电效应光电效应:截止频率截止频率,出功出功,饱和电流饱和电流,截止电压截止电压,延迟时间延迟时间,-爱因斯坦公式爱因斯坦公式:mv2/2=h -A3)“惜秦王汉武惜秦王

4、汉武,略输文采略输文采;唐宗宋祖唐宗宋祖,稍逊风骚稍逊风骚;一一代天娇成吉斯汗代天娇成吉斯汗,只识弯弓射大雕只识弯弓射大雕.”4)传统的京昆传统的京昆(沪剧,修脸)5)国画国画:八大八大,吴伟吴伟,齐白石齐白石,林风眠林风眠.朱 耷(da)普遍性普遍性(空筐性空筐性)1)数学的抽象数学的抽象:1+1=22)音乐的音乐的“空筐空筐”:贝多芬的贝多芬的,华彦君的华彦君的3)普朗克黑体公式的诞生普朗克黑体公式的诞生4)开普勒苦苦追求天体运动的普遍规律开普勒苦苦追求天体运动的普遍规律5)爱因斯坦爱因斯坦-“统一场统一场”爱爱因斯坦对因斯坦对“普遍性普遍性”的追求的追求: 所有力学规律的等价所有力学规律

5、的等价(伽利略伽利略)惯性系惯性系所有物理规律的等价所有物理规律的等价(爱氏爱氏)非惯性系非惯性系(引力场引力场):所有物理规律的等价所有物理规律的等价广义相对论广义相对论电磁场电磁场-微观微观:强弱相互作用强弱相互作用-统一场论统一场论?狭义狭义相对论相对论对称性对称性图例:1)电磁场理论:2)李杨的演说:3)爱氏的相对论:DeIEl dEqsdDCUWuQCsdEEDqFE0221BKmEBsdBIl dHLIWILsdBBHPMB0221诺特尔诺特尔(德国女数学家德国女数学家)定理证明了对称操作与守恒定定理证明了对称操作与守恒定律的联系，对称意味着操作使对象前后状态等价，也律的联系，对称

6、意味着操作使对象前后状态等价，也就意味着该操作中一定隐含有某个合作用就意味着该操作中一定隐含有某个合作用(量量)为零，为零，也就意味着某个物理量在该过程前后守恒也就意味着某个物理量在该过程前后守恒举例，空间旋转对称举例，空间旋转对称(各向同性各向同性)对应着角动量对应着角动量守恒守恒: :如图：一对粒子如图：一对粒子O与与A，固定，固定O，将，将A沿沿圆弧圆弧S移到移到A，互相势能改变，互相势能改变U-（FOA）. .S，而按旋转知而按旋转知UOAUOA，U0，则力的切向，则力的切向分量分量FOar=0，即，即O、A(A)的作用只能在质心的作用只能在质心连线上，因而合力矩为连线上，因而合力矩为

7、0，角动量守恒。，角动量守恒。osAA/F切切关于相对论，爱因斯坦是如何进行对称性思维的呢？关于相对论，爱因斯坦是如何进行对称性思维的呢？(1)面对著名的迈克尔逊莫雷实验结果：既然可以面对著名的迈克尔逊莫雷实验结果：既然可以讨论究竟有没有绝对空间讨论究竟有没有绝对空间(以太以太)，那么也就可以讨论，那么也就可以讨论究竟有没有绝对时间；有没有绝对的空间对时间的究竟有没有绝对时间；有没有绝对的空间对时间的变化率变化率绝对速度。绝对速度。(2)既然对于两惯性系，所有力学规律都是等价的，既然对于两惯性系，所有力学规律都是等价的，那么对于两惯系是否所有物理规律也是等价的？那么对于两惯系是否所有物理规律也

8、是等价的？(3)对于两个惯性系，所有力学规律经伽利略变换是对于两个惯性系，所有力学规律经伽利略变换是对称的，那末同样对于两惯性系，所有物理规律要对称的，那末同样对于两惯性系，所有物理规律要经过什么样的变换才也是对称的呢？经过什么样的变换才也是对称的呢？(4)一惯性系的物理规律可以等价于另一惯性系，一惯性系的物理规律可以等价于另一惯性系，那么一个加速系的物理规律又可以等价于一个什么那么一个加速系的物理规律又可以等价于一个什么体系呢？体系呢？(5)两惯性系的物理规律的对称性可通过洛仑兹变两惯性系的物理规律的对称性可通过洛仑兹变换，那么一个加速系与一个引力场系的物理规律的换，那么一个加速系与一个引力

9、场系的物理规律的等价又应该通过什么变换呢？等价又应该通过什么变换呢？(6)即然广义协变性的操作能使加速系与引力场对即然广义协变性的操作能使加速系与引力场对称，那么当然我们如果要了解重力对电磁学的影响，称，那么当然我们如果要了解重力对电磁学的影响，或是黑洞附近的物理学，只要做个假想实验，回答或是黑洞附近的物理学，只要做个假想实验，回答已知的物理学在作匀加速运动的观察者看来会是什已知的物理学在作匀加速运动的观察者看来会是什么样的就可以了，而不必去黑洞旅行。么样的就可以了，而不必去黑洞旅行。“if such asymmety is indeed found, the question could s

10、till be raised whe ther there could not exist corresponding elementary particles exhibiting opposite symmetry ,such that in the broader sense there will still be overall right left symmetry.”“如果发现了这种不对称如果发现了这种不对称,那么我们又要问那么我们又要问,是否相应地还存在着另一种表象相反不对是否相应地还存在着另一种表象相反不对称的基本粒子行为称的基本粒子行为,从而在更广泛的意义上从而在更广泛的意义

11、上,仍然保持着总的左右对称仍然保持着总的左右对称.”_李李,杨杨永永对称对称,平衡平衡,和谐和谐,流畅流畅.气韵生动气韵生动中国书法中国书法柳公权柳公权(唐唐)赵孟頶赵孟頶(元元)宋徽宗宋徽宗王羲之王羲之(晋)黄庭坚黄庭坚(宋宋)文征明文征明(明明)苏东坡苏东坡(宋宋)王羲之王羲之(晋)蔡襄蔡襄(东汉东汉)米芾米芾(北宋北宋湖北襄阳湖北襄阳)三种美感三种美感:1.稳定感稳定感(家园感家园感):对封闭对封闭,独立独立,可控体系的向可控体系的向往往,对绝对客体对绝对客体(权威权威)的崇拜的崇拜,皈依和敬畏皈依和敬畏.2)延伸感延伸感:无穷无穷,无边无边,无数无数,无限无限,无穷无穷,无数无数,无限

12、无限-,人类思维活动本能的惯性人类思维活动本能的惯性,引人进入高远引人进入高远明志的梦境明志的梦境.3)节奏感节奏感:需要韵律的享受需要韵律的享受-这也许起于生命这也许起于生命的律动的律动:心跳和呼吸心跳和呼吸.宇宙的脉搏宇宙的脉搏,天地的吐纳有天地的吐纳有其固有的节奏和频率其固有的节奏和频率稳定感稳定感:(家园感家园感)1,长期农业文明在人类审美心理上留存的厚厚的积淀长期农业文明在人类审美心理上留存的厚厚的积淀.2,中国的长城中国的长城,莱茵河畔的古堡莱茵河畔的古堡,北京的四合院北京的四合院,-3,“这位先生给人以安全感这位先生给人以安全感-”4,从笛卡儿的守恒观从笛卡儿的守恒观-牛顿的守恒

13、定律牛顿的守恒定律-宇宙的有宇宙的有限限-电荷电荷,质能的恒定质能的恒定-.使人深感使人深感物质世界的实物质世界的实在在,可知和稳定可知和稳定.世纪宝鼎世纪宝鼎:古朴古朴,浑厚浑厚,可靠可靠.新建教堂新建教堂(法法)5,人类太需要有个绝对的永恒的人类太需要有个绝对的永恒的“岩石岩石”“”“权威权威”供灵魂攀附和皈依供灵魂攀附和皈依.:那怕是虚的那怕是虚的:“上帝上帝”,佛祖佛祖“,真主真主”,“太极太极”-物理学家喜欢实的物理学家喜欢实的:普朗克常数普朗克常数,光速光速,引力常数引力常数,电子电荷电子电荷,-.6,当爱因斯坦用绝对光速取代牛顿的绝对时空时当爱因斯坦用绝对光速取代牛顿的绝对时空时

14、,人们最终还是接受了人们最终还是接受了,因为人们觉得这只不过是以因为人们觉得这只不过是以一个绝对的一个绝对的“最快最快”替代了原来心目中的绝对替代了原来心目中的绝对“最大最大”.而而“皈依皈依“尚存尚存,”绝对绝对”依旧依旧.延伸感延伸感:“落霞与孤鹜齐飞落霞与孤鹜齐飞,秋水共长天一色秋水共长天一色”-王勃王勃伽利略的斜面思想实验伽利略的斜面思想实验:牛顿的万有引力牛顿的万有引力:任一热循环分解成无数个卡诺循环任一热循环分解成无数个卡诺循环:熵熵无数子波合成无数子波合成-惠更斯原理惠更斯原理“欲穷千里目欲穷千里目,更上一层楼更上一层楼”节奏节奏(层次层次)感感:“死亡意味着什么死亡意味着什么?

15、”爱因斯坦脱口而出爱因斯坦脱口而出:“意味着意味着再也听不莫扎特的音乐了再也听不莫扎特的音乐了”.把握大自然的脉搏把握大自然的脉搏-h,振动与波是物振动与波是物质世界的基本存在方式质世界的基本存在方式.玻尔的氢原子镨线图玻尔的氢原子镨线图(层次层次),的人物关的人物关系树图系树图电子在一维势井里运动电子在一维势井里运动,在几率大处有节奏地停在几率大处有节奏地停顿顿.尤如跳三步舞尤如跳三步舞.多视角仕女图多视角仕女图(唐寅唐寅,大千大千,逸飞逸飞,马蒂斯马蒂斯)唐寅唐寅(明明)马蒂斯马蒂斯红楼梦主要人物树图红楼梦主要人物树图:林林黛黛玉玉妙玉妙玉(出家出家)秦可卿秦可卿(性关系性关系)晴雯晴雯(

16、丫环丫环没靠山没靠山)紫鹃紫鹃(丫环丫环有靠山有靠山)香菱香菱(被拐买被拐买,同乡同乡)小红小红(戏子戏子,相象相象)薛薛宝宝釵釵袭人袭人(丫环丫环,性关系性关系)平儿平儿(二房二房)惜春惜春(小管家小管家)王熙凤王熙凤(大管家大管家)宝琴宝琴(保留的纯真保留的纯真)麝月李萨如图形李萨如图形 巴赫巴赫, ,莫扎特莫扎特, ,贝多芬贝多芬, ,舒曼舒曼, ,斯特劳斯斯特劳斯, ,肖邦肖邦, ,柴柴可夫斯基可夫斯基, ,李斯特等人的经典名曲尤如一服服精李斯特等人的经典名曲尤如一服服精神抚慰剂神抚慰剂: :放松你的神经放松你的神经, ,抚摸你的灵魂抚摸你的灵魂. .每当你静下心来每当你静下心来, ,聆听这些不朽的乐曲时聆听这些不朽的乐曲时, ,先是被先是被大师们的激情和精湛所振撼大师们的激情和精湛所振撼. .而后乐