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物理学美学准则

生物工程刘菲031404013第1页第1页物理《美》“稻花香里说丰年，听取蛙声一片”，无人不为这句诗词所描绘大自然美景而感慨。自然界美通常意味着一个友好匀称景象，物理学也不例外，但是作为描述自然界中物质基本结构和运动规律一门学科，它美更朴实。这里要说是：什么是物理学中美，即物理学中美学准则是什么，它们在物理学中发挥如何作用？第2页第2页简朴美自然界现象是错综复杂，然而背后隐藏规律确是简朴。物理学正是建筑在这一基础之上，任何物理理论，归根到底只有少数几条基本假定：典型力学建立在牛顿三定律之上，电动力学建立在法拉第“场”和麦克斯韦方程组之上，狭义相对论建立在狭义相对性原理与光速不变假定之上……这些简朴假定是从大量自然现象和物理试验中抽取并提升出来，然而，建之于上物理理论反过来却能解释几乎所有自然现象，并在生产实践中得到广泛应用，极大推动生产力发展。

第3页第3页有两个理论，几乎能解释同样多事实，谁简朴，物理学将选择谁。考虑一个简朴问题，为何人们最初都认为太阳及其它行星围绕地球转，而不是行星（含地球）围绕太阳转？这也是出于简朴性考虑：人们最初天文知识少，只能通过肉眼观测；太阳朝起夕落，认为太阳及其它行星围绕地球转自然是以便事情。但是伴随技术进步，人们天文观测越来越精密，为理解释“太阳系”许多现象，如地球四季改变，日食和月食，土星、木星位置异常改变等，伟大几何学家托勒密在前人基础上创建了严密“地心说”，解释了当初绝大部分观测现象。

第4页第4页“地心说”基本要义是：（１）地球是圆，静止地位于宇宙中心；（２）太阳及其它行星绕地球转动，基本轨道（称为１级轨道）是圆周，普通来说，太阳或行星并不正好处于１级轨道上，而是绕１级轨道上点作半径更小圆周（称为２级轨道）运动。这样，整个“太阳系”就像一个齿轮嵌套体系：１级轨道是一些大齿轮，２级轨道是一些较小齿轮，大齿轮传动小齿轮。最初齿轮数目还不多，但伴随观测水平提升，托勒密又不得不在小齿轮上套上更小齿轮，越套越多，最后竟达８０个之多。

第5页第5页面对着这样多齿轮，天才哥白尼站了出来，说：“不，太阳系应当是简朴！我们若将太阳和地球换个位置，托勒密齿轮至少能扔掉二分之一以上，太阳系也就变得井然有序了。”这就是“日心说”，物理学最后选择了它。试问：从相对运动观点来看（不考虑动力学原因），选择地球为参考系和选择太阳为参考系，没有理由说谁更优越，为何要抛弃“地心说”而认可“日心说”呢？两个字：简朴——“日心说”后经开普勒改造只剩三条定律，但太阳系各行星运动规律尽在其中。

第6页第6页对称美

很早以前，古希腊人就认为球是最完美图形，为何？由于它分别含有旋转对称、镜像对称和中心对称，均属于直观上几何对称。物理学中对称则有愈加深刻含义，它是指某类对象全体（在数学上通常称为集合，用Ｓ标识）在某种操作（数学上称为变换，用Ｔ标识）下不变性质。也就是说，有一个法则，集合S中任意一个元素依据这一法则，都能够在S中找到一个与之相相应元素。用我们高中学过知识，这个映射象集与原象集是同样，即都为集合S。

第7页第7页每一个对称性总伴伴随一个守恒量（诺德尔定理）：空间平移对称造成动量守恒；时间平移对称造成能量守恒；空间旋转对称造成角动量守恒；电荷共轭对称造成电量守恒；空间镜相对称造成宇称守恒……

（早先理论认为，物理定律在空间反射情况下是不变，这被称为“宇称守恒”。宇称守恒能够简朴理解为，基本粒子在照镜子时，其镜中像与粒子含有对称性。）第8页第8页近五十年来，粒子物理与场论飞速发展，对称性指导在其中起了决定性作用。在粒子物理中，物理学家依据对称性预言并发觉新粒子，正电子、欧米格负粒子和顶夸克等就是极好例证。在场论中，“对称决定相互作用”：杨振宁和米尔斯依据某种对称性提出了著名杨－米尔斯场论，该理论变换群决定了无质量粒子（称为“规范玻色子”）数目和性质，规范玻色子在粒子之间往返跳舞就产生了相互作用，不同玻色子决定不同相互作用，如光子决定电磁相互作用，Ｗ或Ｚ玻色子决定弱相互作用，胶子决定强相互作用，据推测引力相互作用是由引力子决定（未证实）。第9页第9页对称是美好，然而在物理学中却发生了一些奇特事情：杨振宁和李政道提出弱互相作用中宇称不守恒并为吴健雄所证实；宇宙中正物质明显多于反物质；<一些科学家进而提出，这也许是由于物理定律存在轻微不对称，使粒子电荷宇称不守恒，造成当初生成物质比反物质略多了一点点，大部分物质与反物质湮灭了，剩余物质形成了我们所结识世界。>用杨－米尔斯场论产生有质量粒子需要引进一个非对称希格玛场。这些事实都要求对称性自发破缺，自发破缺机理是什么？这或许是下个世纪问题。

第10页第10页统一美统一就是要求理论在不附加太多基本假定基础上尽也许前后一致地解释更多物理现象：牛顿力学几乎能描述全部宏观低速运动（也包含分子热运动和声）；电动力学能描述大多数电磁现象……众所周知，当前自然界普遍存在四种力：强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用和引力相互作用，它们决定了现今自然界各种物质运动。物理学终极目标就是要将四种力统一成一个力，即所谓大统一。第11页第11页

以上谈到了物理尤其是理论发展过程中简朴性、对称性和统一性所起作用。它们三者并不是孤立：对称则统一，统一则简朴；它们构成了物理学美学准则。在过去，它们是评价一个理论好坏原则；在今天，它们已成为