物理科学中的对称性

 大自然的奇妙特性之一就是对称性．例如,从宏观的角度看,人和动物的形体结构是左右对称的,植物的叶子、花瓣等也是左右对称的．从微观的角度看,所有晶体都是对称排列的,水分子的排列也具有严格的对称性．以物理科学中,对称性具有严格的定义：“对一个事物进行一次变动或操作;如果此操作后,该事物完全复原,则称该事物对所经历的操作是对称的．”由于操作的不同,将有不同的对称性．而且研究表明,对应于每一种对称操作,都有物理学的一个守恒定律与其对应．所以,又有了关于物理定律的对称性的定义：“如果某个物理定律经过一定的操作后,其形式保持不变,我们称该定律具有对称性．     

物理之美与美的物理教学

 众所周知,物理教学从来不是单一的抽象思维活动,在教学中师生的交流不应仅仅是作为知识概念的交流,还应该是心灵和感情的交流,即“真善美”的绕一,因此,物理教学必须站在更广阔的知识背景上,挖掘教材中的美的因素,运用美学知识,激发学生的求知欲,增强学生的想象力和洞察力。所以物理教学中讲究美是为学生创造接受知识的条件,是提高学习效率的重要手段。物理之美和美的物理教学,可以培养学生的美学素养,使学生在更高的审美情趣中认识美的世界,创造美的未来。 一、科学家对现代物理学之美的追求 物理学史告诉我们,近代物理学是随着文艺复兴运动的兴起而兴起的。文艺复兴运动也使得希腊的科学美学思想在欧洲复活,唤醒了一大批自然科学家。     

物理学与科学美

 日常生活中,“物理学”和“美”这二个术语都是人们非常熟悉的．在辞典中,物理学的定义是：探讨物质结构和物质运动规律的学科．“美”在辞典中的定义具有多样性,在一定范畴内,“美”定义为：各个部分的匀称性和比例性、和谐、形式的适宜性和完整性,形式和内容的一致性等等．当然,这只是静态的看法．在动态的认识中,“美”本身还包含着受历史和社会制约的因素,也就是说,“美”是发展的、变化的．表面看来,这二者似乎关联不多,实际上,若以扩展的眼界观察,从表层研究或深层上思索,二者关系异常密切．诺贝尔物理学奖获得者阿尔芬曾指出：“像画家运用色调,雕刻家利用石膏,音乐家通过音符来表达自己的见解和感受一样.     

物理学研究的美学精神

美是自然的属性，审美是人类的天性；物理学家在物理学研究中，用简单，对称，和谐美的原则对大自然规律进行审美描述，从而获得了许多重要的成果，物理学家坚信；美与真相伴，“由美求真”是认识自然规律的方法论原则之一；由这一原则出发，形成了物理学研究的美学精神，本文对此作了一些介绍。     

“文化模式”的教学实践

 物理学是研究自然界规律的科学．物理教学具有科学教育的功能,这是人所共知的,但物理学同时也是人类文化的一部分,物理学家的思想、精神被“内化”在物理学丰富的内容中,物理学被深深地打上了人类的烙印．因此,物理学还具有人文教育的功能,但是,在目前的物理教学中,过分强调的是其科学教育功能,人文教育功能则被割裂和忽视了．这是物理教学的误区和遗憾．“文化模式”就是为了突出物理学的人文精神,强调物理学与社会的相互联系和相互影响而产生的一种教学模式．它代表的是这样一种教学观：物理学的文化价值也应是教学的重点．因此,模式的特点是;“以文化为中心,历史地学”．     

怀念我的师长王竹溪先生和胡宁先生

 我是１９５６年进北京大学物理系学习的．这一年开学时,适逢国家高等教育部审定颁布《综合大学物理专业教学大纲》．那是一个全面推行“学习苏联先进经验”,并且普遍把这一口号理解为“凡是苏联经验必定先进,必须学习”的时代．在这一份当时被认为具有“法律效力”的大纲里,几乎所有各门数学和物理学的基础课程列出的主要参考书（许多课程是全部参考书）,都是苏联教科书的译本．仅有的两个例外是：“热力学和统计物理”课程的主要参考书是王竹溪先生的《热力学》和《统计物理学导论》,“电动力学”课程的主要参考书是胡宁先生的《电动力学讲义》．     

物理实在的演化

 诺斯劳普(F.S.C.Northrop)认为,“科学知识的对象决不是通过观察和实验去直接认识的,而是通过思辨地提出理论结构或公理假设才能认识的,这些理论结构或公理假设只有通过由它推演出来的结论间接地在实验上加以检验。因此,为了探知科学知识的对象,我们必须走向它的理论假设。”这种“理论假设”包括了认识论和本体论假设。本体论是一种关于研究对象存在性和可知性的假设。本体实在即外部世界、物理世界和存在的实在等等。物理实在是物理学理论中概念化的实在,是一种理论实在。物理实在是通过物理学理论中的一组基本概念来表征的。     

走向统一的自然力——电力与磁力的统一(I)

 电闪雷鸣,是人类早在远古时期就注意到的自然现象,因此,电磁相互作用,可以说是人类最先接触到的自然力.开始人们对电和磁是分开认识的,后来经过奥斯特发现“电动生磁”和法拉第发现“电磁感应”, 人们才将“电”和“磁”联系起来,最终导致麦克斯韦提出电磁理论,统一了“电力”和“磁力”.本讲座,将详细介绍“电力”和“磁力”走向统一的研究历程.     

奇妙而未知的非晶世界

 大自然中存在着丰富多彩、各种各样的物质, 如果不考虑它们在宏观性质上的差异, 而直接探究它们在微观结构上的特点, 我们就会发现其实物质大致可以分为两类:一类是有序结构的物质, 另一类是无序结构的物质。这里的“序”是从微观原子排列角度上来说的, 从字面上来看是指原子排列有一定的秩序、规律, 从物理角度来看是指原子的排列具有长程的平移对称性或旋转对称性。     

漫谈比喻和物理学

 古人曰:“言而无文,行之不远。”为增强语言的力量,提高表达的效果,便产生了各种修辞方法。比喻是广泛运用的一种。它以具体、浅显、熟悉的甲事物说明抽象、深奥、陌生的乙事物。甲乙既有某些相似,故可“比”;又有本质区别,故称“喻”。不论明喻、暗喻、借喻,巧在洞察出本体和喻体间的相似处。“治学门径本相通,评文论理皆神飞”,人文学科如此,自然科学也不例外。在破译大自然里隐蔽着的法则及应用它们的探索中,比喻倍受青睐。物理学里的比喻与普通比喻相比,敏锐的洞察力是发端于文理贯通的根基上的,即人文、物理的完美结合。     

自然现象中的黄金比之谜

 向日葵葵花子的排列,植物叶子的分布,猎鹰猎物时的飞行路线,兔子的繁殖,鹦鹉螺和其他软体动物身上的螺线,旋涡星系的外貌以及黑洞是如何从一种状态改变为另一种状态的?这些毫不相干的自然现象之间有什么共同之处吗?答案是:所有这些现象都与一个奇异的数字黄金比有关。黄金比又称“黄金分割”,“黄金数”,甚至有人称之为“极好的比例”,其实就它本身而言,完全不是什么新的概念。希腊几何学的泰斗欧几里德,公元前300年在亚历山大执教时,在其有关几何学和数学的著作《几何原本》一书中对黄金数就做出过定义。但他的定义完全限定在几何学的范围之内,并未揭示它与自然现象有丝毫关联。     

物理学中美的探讨

 跨进物理学的门坎,就能听见美的交响。物理学作为研究物质结构和运动基本规律的科学,追求“达万物之理”,由真由善而至美。而且,在不断探索新现象、揭示新规律、提出新概念、建立新理论的过程中.     

对称性是物理学的一把双刃剑

 对称性的概念最早源于生活。所谓“对称”,通常是指左右对称。除此之外还有轴对称、球对称等。在近代物理学中,对称性是一个很深刻的问题。在粒子物理、固体物理、原子物理等领域里,对称性问题也很重要。德国大数学家魏尔斯特拉斯(Weierstrass,1815～1897)首先提出了有关“对称性”的普遍定义,即把一个“体系”通过不同的操作达到不同的“状态”,若前后两种不同的“状态”在此操作下不变,我们可以讲这个体系对于这一操作是“对称”的,而这个操作也可以认为是这个体系的“对称操作”。常见的对称操作有空间的平移、转动以及时间的平移。     

混沌——自然界中的一种普遍运动形式

 科学家的天职就是探索大自然的规律。几个世纪以来,物理学家坚持不懈地研究大自然中物质运动的规律,取得了一系列辉煌成就,构筑了接近完美的物理学大厦。很长一段时间物理学界认为“只要给我初始条件,我就可以决定未来的一切”。     

2005——世界物理年

 1905年,年仅26岁的天才物理学家爱因斯坦连续发表了5篇极具震憾力的物理学论文,论文包括现代物理学中的3项伟大的成就:分子运动论、狭义相对论和光量子假说,从根本上改变了物理学的面貌,并为相对论的建立与发展奠定了基础,这一年被称为“奇迹年”。在这“奇迹年”100周年到来之际,全球物理学界一致呼吁把2005年定为“世界物理年”,这项倡议由欧洲物理学会提出,得到了国际纯粹与应用物理联合会的一致通过。     

为什么要研究物质结构

 如果没有正确的元素概念及其科学的研究,人类就会局限在“水、土、气、火”或者“金、木、水、火、土”的圈子里,任凭炼金或炼丹术士的风箱和坩埚吞云吐雾;如果不了解空气的组成,人类就不知道自己赖以生存的氧气为何物,更谈不上气体的液化和由此引出的超导、超流现象,如果没有原子、分子论的建立,就无所谓认识生物大分子ＤＮＡ（脱氧核糖核酸）的双螺旋结构,也就无所谓认识生命现象最本质的内容,如果不对原子和原子核做解剖,就不会发现“比一千个太阳还亮”的新能源,也就不会发现奥妙无穷的粒子世界．一言以蔽之,从物质的深层结构来看物质,是探索自然奥秘的一种基本而又有效的方法．     

20世纪物理学革命的启示

 回顾百年前发生的物理学革命是令人激动不已的,那一段时期发生的故事可以说是百听不厌,给我们的启示则是既深刻又发人深省的。19世纪末,人类完全掌握自然规律来造福人类的梦想、似乎已经到了实现的边缘。1894年美著名科学家迈克尔逊兴高采烈的宣称:“尽管谁也不会轻率断言,未来物理科学再也不会提出什么使人惊奇的东西来,未来物理学的真理将在小数点后第六位寻找。”然而物理学大厦却已经山雨欲来风满楼。1900年4月27日,开尔文勋爵在英国皇家学会上以“19世纪热和光的动力理论上空的乌云”为题的长篇演讲中指出:“动力学理论的优美性和明晰性被两朵乌云遮蔽得黯然失色。     

举足轻重的物理常数

 物理常数在科学技术各个部分都有重要意义.特别是物理学,物理学研究的是“物”及其运动.就要了解和观测“物”在其运动中的变革,并把握其变革的数量关系,于是就会遇到许多与物性有关的物理量,例如:温度、压强、比热、导热系数、电阻率、电阻温度系数、折射率等等.量与量之间有某种函数关系,在函数关系中必然会出现一系列常数,以表征物质的固有特性,这就叫物质常数。     

物理学这棵老树绽放的一朵新花:实验室真人统计物理学

 简单言之, “物理”二字的意思就是“物质之理”。不言自明, 这里的“物质”是指自然界中无智能的“物”, 例如原子、电子等。这里所说的“无智能”主要指, 这些物质没有学习能力、对外界环境没有适应性, 举个例子:若有两个原子, 沿着同一轨道相向而行, 它们必然相撞;今天撞了, 如果明天再遇到同样的情况, 这两个原子仍旧会相撞。为什么?因为这些原子没有学习能力, 它们“不长记性”、“记不住”已经发生的事情, 所以, 下次再相遇时, 该发生什么还发生什么, 换言之, 因为它们没有学习能力, 所以, 它们对外界环境也就没有适应性。事实上, 也正因为“物理”关心的是无智能的物质系统, 所以, 它们可以用简单的物理原理来描述、理解、预测, 例如牛顿第二定律、万有引力定律等。在这些原理中, 人们不必额外引入描述学习能力和适应性的物理量, 可能也正因此, 物质世界在物理学家的眼中是简单的, 物理学家总喜欢用一些简单的物理原理来解释和预言我们所在的这个物质世界。例如, 理论物理学家们正在刻苦攻关的大统一理论正是这样的一个理想的、“简单”的理论, 期望它能解释宇宙中各种自然力之间的关系。     

爱因斯坦和狄拉克谁对20世纪物理学发展贡献大

 《现代物理知识》2001年第6期上的有两篇文章:一篇是关于英国杂志《物理世界》最杰出的10位物理学家排名的报道,爱因斯坦位居榜首,而狄拉克排名第8;另一篇是王正行先生的文章“狄拉克获诺贝尔奖的经过”,该文介绍了狄拉克在20世纪20年代对物理学的贡献和30年代物理学界对狄拉克的评价。读完这两篇文章后,细细想了一下爱因斯坦和狄拉克对20世纪物理学的贡献,有一些话想说。王正行先生的文章一开头就说:“20世纪物理学的第一位巨人当然是爱因斯坦。”毫无疑问,爱因斯坦是20世纪物理学的巨人,他对20世纪物理学的贡献是革命性的,影响是深远的。