发布时间 : 星期一 文章物理之美 - 学年论文更新完毕开始阅读42896cb8a0116c175f0e488c
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
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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
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1 量子力学中的美
量子力学是物理学进步中的伟大的一步，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
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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。将实物粒子的波动性与粒子性和谐地统一起来了[3]。其著名的德布罗意公式更是
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