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物理学之美，美在哪里？: 热度 5 pup 2019-7-15 14:29; ■ 陈静今年4月11日，科学家从“事件视界望远镜”拍到黑洞的第一张照片，证实了数十年前爱因斯坦依据广义相对论的预言。为什么在没有看到真实照片之前，很多科学家就已经确信黑洞的真实存在？纵观科学史，类似这样的“无中生有”并非个案，比如麦克斯韦在没有具体实验的情况下，仅凭抽象的“审美判断”提出了电磁波假说；在吴健雄的实验验证之前，杨振宁和李政道就提出了宇称不守恒规律…… 是什么指引着科学家做出这样的科学预言？又是什么让科学家坚信自己的预言？难道真如诺奖得主狄拉克所言：“学物理的人用不着对物理方程的意义操心，只要关心物理方程的美就够了”？为什么杨振宁先生也总结说“物理学存在三种美：现象之美、理论描述之美、理论结构之美”？也许，上述这些疑问，读者都可以在《物理学之美》书中找到答案。缘起 2008年，《科技日报》原副总编王直华与北京大学出版社教育出版中心主任周雁翎，开始策划《物理学之美》，目的是让普通读者，尤其是青少年读者，认识到物理学这门学科的美好一面，进而热爱物理学，投身物理学。当年，与此一并启动的是一整套的“科学之美丛书”，拟包括数学、物理、化学、天文、地理、生物六门学科。《物理学之美》幸运地邀请到科普作家、华中科技大学教授杨建邺来创作。几次沟通之后，作者很快就精选了九个专题，以时间轴为隐线，从开普勒的和谐宇宙到杨振宁—米尔斯的规范场的故事。每个专题重点讲几位密切相关的大师的故事及其理论，各个专题看似跳跃，内在又具有一脉相承的关系，也是九堂简短有趣的通识课。通过物理学思想史上这几个重要的节点，既将该学科的大框架搭建起来了，又顺便带领读者重访了物理学史上那些美丽的瞬间。《物理学之美》的选题立意和创作内容都得到了杨振宁先生的称赞，也获得了北京市科协专家的认可，获得科普专项资金资助。经过三年的努力，《物理学之美》首版于2011年8月，获得了2012年全国优秀科普作品、北京市优秀科普作品奖和吴大猷科普著作奖。这本书获得了良好的社会效益和经济效益。 2019年1月，我们推出了颜值更高的插图珍藏版。回忆20多年前，我的中学时代，那时候总觉得物理方程式很难，课本很枯燥，即使当时成绩很好，但对物理从来也提不起兴趣。在我全程参与《物理学之美》的编辑出版过程中，十多年里十几次反复阅读书稿，经常感觉那些曾经挂在中学教室墙上的科学大师的画像，如今跃然纸上，万分亲切。如果我在中学时代有机会阅读这么优秀的科普图书，我对物理学科的态度一定会更积极。角度正如本书作者在“前言”中所说，《物理学之美》强调的不是现象之美，而是物理学理论之美，尤其是理论中的结构之美。因此，作者从理论的发现过程着手，虽然同时描写大师的生活经历、性格喜好等，但最主要的是结合当时的科学文化背景，再现大师如何在研究中感受到模糊的美感，又如何建立审美判断，最终引起物理学思想的革命。可贵的是，《物理学之美》并没有无限夸大每一个审美判断的功能，而是正视每一个物理学家因为不适当地利用这些判据而遭遇的失败。比如，爱因斯坦获得诺贝尔奖的曲折的过程，是科学史上很有趣的一段故事。1921年，当普朗克等著名物理学家提名爱因斯坦为诺贝尔奖候选人时，瑞典医学教授古尔斯·特兰德曾极力反对，并曾私下表示说“绝对不能让爱因斯坦获奖，哪怕全世界支持他”！对于这种分歧，本书作者将之归结为一种审美判断的冲突，他认为“19~20世纪之交的科学革命过程中，科学的审美判断发生了巨大的、革命性的变革，科学家之间发生的争议差不多到了水火不容的地步。老一派的科学家（以古尔斯·特兰德为例）抓住“实验是检验一切理论的根本标准”，不容动摇；而新成长起来一派年轻理论物理学家（以普朗克为例）已经发现，“判断真理的标准发生了变化，有了新的标准，不能死死抓住实验标准而断然否定物理学理论中的美学标准”。本书策划周雁翎在媒体上发表书评文章《倾听科学与诗的对话》，从另一个特别的角度总结了《物理学之美》一书的闪光点。当谈到麦克斯韦等伟大科学家的大胆想象时，周雁翎感叹道：“这是科学与诗的对话，是情与理的对话，是不同知识体系的对话，是异质思维方式的对话，也是两种文化的对话。这种对话，在人类思想史上永远闪耀着智慧之美的熊熊火光。” 心思《物理学之美》的编辑过程确实花费了比其他图书更多的时间和心思。翻开书我们可以看到丰富的知识链接和图片，涉及书中人物的回忆录和书信，科学家自己创作的诗句，他们的工作环境和生活状态，他们的学术圈和理论示意图……这些附加资料可以调节读者的阅读节奏、可以传递更多的知识和信息，可以帮助读者更好地理解文意，但同时，也对编辑提出了更高的要求。如何获得这些图片资料？又如何使用这些资料？怎样编写图说才能让图文结合得更自然？至今回忆起来，这个过程仍然令我印象深刻且受益匪浅。 2009~2010年期间，我频繁地进出北京大学图书馆、国家图书馆和中科院文献情报中心，同时充分利用网络资源，访问世界各大纪念网站，最终收集到数千张相关的科学史图片。又经过反复筛选，选中500多幅图用到《物理学之美》中，并和作者一起反复打磨图说文字。另一点有意思的是新旧两版在装帧设计方面的变化。2011年做第一版时，为四色印刷，内文用70克轻型纸；封面也是面向初中生的、明亮的色调和手绘风格，典型的那时青少年读物的标配。当我们准备做珍藏版时，周雁翎决定将全书改为黑白单色印刷。没想到出版后的整体效果竟意外的好。书中500多幅照片，黑白的呈现方式显得更有质感，也充满了无限的历史感和空间感；同时，珍藏版的封面也采用雅黑的背景，主体用一张带聚光效果的“伽利略审判”场景图片，既有故事性，也给空间以想象力，仿佛在太空般的深邃里看到无限的希望。而因彩色印刷改为黑白印刷节约下来的成本，用在提升纸张质量上，图片的最终呈现效果反而更有层次了。加上硬壳精装、护封等各方面的升级之后，珍藏版整体上更具高级感，真正体现了历史与现代的完美结合，也体现了科学与艺术的有机融合。（作者系北京大学出版社编辑）《中国科学报》 (2019-07-12 第6版读书) http://news.sciencenet.cn/dz/dznews_photo.aspx?t=id=32801; 个人分类: 我的豆腐块|7765 次阅读|5 个评论

[转载]东园载酒西园醉——读杨建邺《物理学之美》: pup 2011-12-22 17:56; 东园载酒西园醉 ——读杨建邺《物理学之美》彭永东载于《中华读书报》（ 2011 年 11 月 30 日 12 版）科学美是一个很潮的话题。国内读者最熟悉的谈物理学美的论著，大概是钱德拉塞卡的《真与美》，该书由杨建邺先生译为中文，定名为《莎士比亚、牛顿和贝多芬》，在科学界、艺术界都有很大影响；然后就是杨振宁先生的一篇流传甚广的演讲稿——《美与物理学》。而摆在我眼前的杨建邺先生的新作《物理学之美》，如其序言所述，目的是邀请读者“共享科学的情与趣，共赏科学的妙与美”，这令我好奇，也有点担心：对科学美的认识和接受，个体差异是很大的，普通民众或物理学爱好者能够理解这种美吗？我认真翻读杨先生的作品，先是惊讶而后是叹服：作者从物理学史中的案例入手，融入美学探讨，案例讲述和美学讨论丝丝入扣，非常巧妙地呈现了物理学的美学内涵。具体来看作者选取的 9 个典型案例。第一个案例是“开普勒的和谐宇宙”，第二个案例是“牛顿的引力理论”，从第一个案例到第二个案例，走过了从实验观测（第谷）——唯象理论（开普勒）——理论构架（牛顿）三个阶段（这是借用了杨振宁先生论述的物理学三领域的概念）。第三个案例讲的是热力学二定律的研究和论证过程，同样从实验观测——唯象理论——理论构架这三个阶段展开分析。第四个案例是麦克斯韦方程组，这是麦克斯韦在众多实验和唯象理论的基础上，为了使四个数学方程更加对称，从审美观念出发大胆构架出的理论体系。至此，经典物理学框架完成！从这 4 个案例分析中我们品读出物理学美学的多个方面：一、科学美与自然美之间的交融一体。“如果自然不美，它就不值得去探求。”（庞卡莱）科学美虽然与真更类近，但大家“都不会因为懂得了美丽的彩虹是因为光的散射定律，而失去了对蔚蓝色天空和紫红色落日的感动”（玻尔兹曼）。这才有开普勒追逐天体的音乐，探寻六大行星的轨道比例，尽管这种努力现在看似荒唐，但爱因斯坦指出，在没有确信自然界是受规律的支配的情形下，开普勒的这种勇气实在可嘉。何况，用具体数字关系来研究天体运动规律，本身就是一大创举，沿着这条路，开普勒最终才得到不朽的“行星运动三大定律”。二、美学观念与自然哲学的成熟与形成传统，往往会阻碍新的发现。我们看到：由对圆形轨道的信仰到椭圆轨道的正确假设，开普勒也走得很痛苦和艰难；牛顿《原理》中还固执地用几何语言和几何图形表述和论证命题；迈耶和亥姆霍兹真知灼见的论文频频遭拒……作者指出，“美感和任何智力成果一样，当它被人们普遍接受以后，就会成为传统；在科学继续向前发展时，会妨碍人们接受新的美学感受和新的知识”。这一点，笔者以为很容易引起读者的误解。记得《美与科学革命》（麦卡里斯特著，李为译，吉林人民出版社 2000 年 10 月版）里也曾论及：科学革命不过就是与审美传统的决裂；而审美趣味只不过代表了一种习惯性的力量。如果这样，物理学的审美有什么意义？杨建邺先生颇有深意地指出：审美习惯形成后容易被科学家用在自己不熟悉的新领域，有时是对的，而有时会出错，很多物理学家如泡利和狄拉克正因如此而不时受益或者受挫。当然要理解这一点恐怕还要把本书的另外 5 个案例读完。一些审美原则，如对称性、简单性原则，在多数情况下仍然适用，尽管在某些方面是被错误地理解和坚持着。对于这一点，作者没有作过多的分析，而是把一些史实摆出来，交由读者自己评判和思考。我以为这样做是明智的。三、科学家的心性和艺术家一样，对美的感悟和体会是相通的。俄罗斯伟大的数学家柯瓦列夫斯卡娅（ C.B. Ковалевская， 1850-1891 ）说得好：“不能在心灵上作为一个诗人，就不能成为一位数学家。”这句话同样可用在包括物理学家的其他科学家身上，因为“事物的美存在于思考它们的心灵之中”（休谟）。我们从书中可以体会到，玻尔兹曼、法拉第、麦克斯韦等，都是具有诗人气质的物理学家。前四章关于经典物理学的章节，作者为我们展现了一幅波澜壮阔的物理发展史画卷。而随着该书的进一步展开，我们对物理学之美会有更深刻的体会。爱因斯坦提出相对论的过程中，审美判据就发挥了巨大作用。正是从关于对称性的思考出发，爱因斯坦确立了相对性原理和光速不变原理，提出了狭义相对论的思想。对称性，这种大自然中优美的存在，在物理学中被赋予更深刻的美学内涵。时隔未久，爱因斯坦又发现狭义相对论存在“一个固有的认识论上的缺点”，即与牛顿力学一样，都将惯性参照系放在一个特殊优越的地位上，他认为这仍然是一种“内在的不对称性”的表现。经过苦苦思索，爱因斯坦迎来了他“一生最愉快的思想”——等效性原理。他把相对论扩展到加速参照系中，从而创立了广义相对论。作者谈论物理学之美的最大凭借也在此显露出来。他认为：“爱因斯坦利用对称性支配理论结构设计，是物理学史上最深刻的物理学思想。”他进而指出：“随着科学革命的深入和成功，科学家们对科学理论中的审美判断有了根本性的转变，认识到在远离人们经验领域的宇观物理学和微观物理学里，少了审美判断几乎是寸步难行，审美判断和实验检验逐渐成为发现真理、探索真理途中不可或缺的两种相辅相成的科学方法。” 其后作者所举 4 个案例更为精彩。它们是海森堡发现矩阵力学，彻底颠覆了传统理论研究微观领域的模式；令人心驰神往的狄拉克和比他本人还聪明的狄拉克方程；θ - τ之谜——宇称守恒坍塌记；规范场的故事。掩卷静思，尚有两点存疑：一、物理学美和数学美是什么关系？物理定律最终基本上都需要数学表述这一事实不容忽视。数学发展之于物理学的先驱性和预见性，数学家对物理学概念的本质更易理解和接受，这些有趣的事实都有进一步探讨的价值。二、在物理学中，科学审美的非理性形象就此消解了吗？笔者更倾向答案是否定的。牛顿和贝多芬的传记作者 J.W.N. 沙利文曾大胆地说：“科学理论的辩护要从它美学价值上去寻找，科学方法的辩护要借助它的美学价值去获得……所以我们看到指引科学家的动机从一开始就是美学冲动的显现……”那么，就冲动吧，如果没有你们的冲动，物理学世界怎会如此美丽闪亮？《物理学之美》也许没有带给我们美学理论的凝练，但它将物理学美的光辉播撒开来，写作目的应该是达到了。“东园载酒西园醉，摘尽枇杷一树金。”此书为我们打开的确实是一个美不胜收的世界。《物理学之美》，杨建邺著，北京大学出版社 2011 年 7 月第一版， 35.00 元; 个人分类: 转载|2796 次阅读|0 个评论

科学家也常常是艺术家: 热度 18 pup 2011-9-16 10:49; 陈静科学与艺术其实是相通的，但遗憾的是当今中国大部分科学与艺术教育仍是单行线。因此，从情感、直觉、审美的角度来认识科学，激发青少年的科学热情，具有独特而重要的意义。科学与艺术不是两条单行线【科学与艺术彼此遥望或期待，却难以相知相交。其实，在很多层面上，它们原本就是相亲相爱的一家人。】许多卓有成就的科学家和艺术家都相信儿童的想象力和创造力往往超出成人的预知。牛顿说过：“我不知道世人怎么看我，但我却总觉得自己是在海边玩耍的一个孩子，时不时捡起一枚比别人更光滑的卵石，或者更美丽的贝壳，并为此感到欢快愉悦。”霍金在回答“科学如何受大众欢迎”时说：“必须引发人们的好奇心与惊异感，就如同我们还是孩子一样。”不仅科学家如此，诗人纪伯伦认为：“孩子的灵魂栖息在明日之屋，那是大人梦中也无法造访之境。”画家毕加索也曾说过：“我愿意花一辈子的时间，向小孩学习怎么画画。” 科学与艺术具有相似的审美和灵感，如同海森伯所言：“在精密科学中，丝毫不亚于艺术，美是启发和明晰的重要源泉。”爱因斯坦也说过：“在技艺达到一个出神入化的地步后，科学和艺术就可以很好地在美学、形象和形式方面结合在一起。伟大的科学家也常常是伟大的艺术家。”比如，波耳兹曼的音乐造诣极高，他弹钢琴可以使人如痴如醉，他同时又是一位不错的诗人，其著作《力学原理》的开篇就是一首诗。无独有偶，在诗歌领域独树一帜的还有麦克斯韦、薛定谔等一大批著名的科学家。又比如，普朗克不但是一位杰出的物理学家，而且也是一位钢琴和管风琴演奏高手，爱因斯坦偶尔会来为他伴奏小提琴。至于爱因斯坦的音乐天赋更是为大众所熟知。如果再加上哈恩的伴唱，这三人则可以组成一支水平很高的科学家演奏乐队。爱因斯坦的儿子汉斯说：“与其说我的父亲是物理学家，不如说他是一位艺术家。”费曼则以敲击手鼓闻名，他还痴迷于一种木琴，每到晚上就敲个不停，这使他的同行大为惊奇，说他像个马戏团演员。而有的人则因其在艺术领域的名气掩盖了他科学贡献，比如歌德，很少有人知道他曾在植物学、矿物学等领域取得了有进展的研究。科学家也是艺术家【一些在科学领域取得过突破性贡献的科学巨匠们，都显示出在诗歌、音乐、文学等艺术方面的特殊才能。】北大出版社出版的“科学素养文库·科学之美丛书”之《物理学之美》中，我们也许可以找到答案。不同思维方式的结合，对于科学研究有极其重要的意义，科学的真正主题是世界之美，而审美判断是可以建立在共同的基础上的。正是这些艺术方面的品格，决定了他们在科学研究中独特的鉴赏力。爱因斯坦也坦言：“整个科学不过是日常思维的一种提炼，正因为如此，物理学家的批判性思考就不可能只限于检查他自己特殊领域里的概念……物理给我知识，艺术给我想象力。知识是有限的，而艺术开拓的想象力是无限的。” 回溯浩淼的物理学思想史，许多具有典型意义理论发现的过程，都涉及物理学大师如何在他们的研究中感受到模糊的美感，又如何克服重重困难，建立起审美判断，指导他们的研究，最后获得成功。但也不能无限夸大每一个审美判断的功能，事实上每一个物理学大师在利用自己的审美建立理论的时候，都无一例外地尝到过失败的痛苦。审美判断本身有一定的主观成分，它的建立与物理学大师的人生经历、性格特质等都有很大的关系。比如，当牛顿的美学标准与实验结果发生矛盾时，他会沮丧、失望，并陷入迷茫之中。科学需要美的灵感【科学工作不只需要实验与运算，也需要审美直觉。这种能力帮助很多大师走向成功。】 20世纪以前，物理学家常常是根据实验或者现象，找到一个方程，再不断地经由实验证明这个方程的正确与否。现代物理学则有很大的不同，物理学家常常先扩大理论结构，并从中得到一个方程，再用实验证明这个方程是正确的。整个过程需要更多的数学知识和审美直觉，这种方法应该是指导科学研究的重要原则。1956年，狄拉克在莫斯科大学访问时题词：“物理学定律必须具有数学美”。1974年他在哈佛大学演讲时又说：“学物理的人用不着对物理方程的意义操心，只要关心物理方程的美就够了。” 可见，从情感、直觉、审美的角度来认识科学，对激发青少年的科学热情具有独特而重要的意义。“科学素养文库·科学之美丛书”作为我国第一套以传播科学情趣、培养科学鉴赏能力、培育科学志向为使命的全彩图文科学普及读物，其目标就是引导青少年认识到科学之美，得到智慧的启迪，继而投身科学事业。本文已发表于2011年9月15日《中国教育报》 http://paper.jyb.cn/zgjyb/html/2011-09/15/content_52649.htm “科学素养文库·科学之美丛书”之《物理学之美》，杨建邺著，北京大学出版社2011年7月出版; 个人分类: 我的豆腐块|8609 次阅读|35 个评论

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