（一）关于简单美

简单，给人以明快、利落、精炼的美感。1.内容简单美

具体物理学知识展现的物理学简单美，即内容简单美。物理学的研究对象，大到百亿光年的宇宙，小到寿命仅为 10-23 秒的共振粒子，但物理学只用有限的规律就简洁地概括了它们千变万化与繁多杂乱的运动。试想，当茫茫宇宙的无数繁星，竟和地上机械运动的万物一起被纳入一

物理学内容的简单美有着广泛的表现：在准确的基础上力求简明地表述概念规律，在误差许可的范围内力求精简装置与操作；处理实验数据力求一目了然，等等。精辟的物理语言，凝炼的数学描述，使内容的简单美更加突出。例如：让众多物理学家争执了 100 多年的热，却仅以十个字做了结论：“大量分子的无规则运动”。仅仅十个字，科学、准确、简洁已尽在其中。又如质能方程 E=mc2，仅用初等数学的常规运算， 就沟通了微观与宏观的界域。需要强调，物理学内容的简单美丝毫不意味着物理学内容的单薄、难易的程度或内涵的粗略。恰恰相反，20 世纪初，物理学家就已经揭示了原子光谱的精细结构，20 世纪中期又进入了超精细结构。现代物理正在捕捉真正瞬间即逝的粒子。正是在这宏大博深与细小精微的托衬之下，物理学内容的简单美显得格外动人。2.结构简单美

结构简单美是指物理学在体系与结构上所展现的物理学简单美。 物理学各分支的内容虽然十分丰富，但各分支的脉络却十分简明。

例如牛顿定律、动量定理和动能定理组成了质点动力学结构，由电路和电磁场组成的电磁学结构。然而结构简单美的表现不止于此。

就物理学的整个体系看，诸多表象不同的运动方式全部被纳入力学的框架。理论力学、热力学、电动力学、量子力学，在 20 世纪初就已支撑起物理大厦。相对论力学、量子电动力学、量子统计力学、量子色动力学等现代物理学的发展，仍未改变物理学整体的这种简单的系统结 构。而且，自温伯格—萨拉姆成功地统一了电磁作用与弱作用以来，统一场论的研究已再度兴起。物理学内容和结构上的简单，虽直接出自物理学家或物理教育工作者的笔，但其实质乃是科学的必然。自然科学要揭示自然之真，而自然之真是和简单联系在一起的。没有任何一种逻辑

能让人接受：物质在运动时去浪费时间、空间和能量。非思维性的物质， 在自然的条件下，会选择最简捷的方式：不受外力的物体保持静止或匀速直线运动；自由下落的水滴要保持表面积最小的球状竖直向下；光要走直线传播⋯⋯既使在非自然的情况下，物质也要选择其所能及的、经济的、简捷的方式运动。例如：向心力大小不变，物体划出最简单的封闭曲线；热量传输要终止于温差为零的最简单状态；相干光在量值和方向上都保持相等与相同的最简状况⋯⋯“宇宙有一种最终的简单性和

美”②这导致了反映物质运动最基本、最普遍规律的物理学，在用精炼概念揭示了各种运动的复杂关联之后，又找到了自身最简单的结构。对于这一点，爱因斯坦深刻指出：“自然规律的简单性也是一种事实，而且正确的概念体系必须使这种简单性的主观方面和客观方面保持平

衡”。③爱因斯坦的话实际反映了物理学家群体的一种信念，这一信念已被用两句拉丁格言铭刻在量子力学发源地之一的德国哥廷根大学物理报告厅内：简单是真的印记，美是真理的光辉。

1. 方法简单美

方法简单美是指物理学研究方法和思想方法所展现的物理学简单美。

做为一门实验科学，物理学研究不拘于严密的完全归纳，大胆地根据有限个实验，归纳出许多规律。事实证明，根据有限个实验做出的这种不完全归纳，在经受了有限个实验（践）检验之后，已有效地形成了科学的内容和体系。随着物理学的发展和物理思维的成熟，物理学又采取了更为大胆的逻辑，从一个或少数几个实验现象提出假说，再据该假说做出可能只是极其有限的分析性预言。如果这些预言被证实了，假说就变成了物理学的规律。甚之，对于无法验证的纯假说，如果从未观测到与其相违背的现象，物理学也确认其为自己的科学规律，例如惯性定律。物理学的这些逻辑方法不拘于纯数学的极端严密，不带有考证的必

要繁琐，给人以简捷、明快、富有实效的感觉。

做为一门理论科学，物理学广泛地、卓有成效地引入了数学。数学成为物理语言中最简练、最凝聚的语言。例如最普遍、极简单的一条 v-t 曲线（图 41），可表达物体运动的状态与全过程。它不但涉及十几个运动学概念，还可进行动力学分析。当物理学家大量应用数学进行

图 41

抽象推导和处理事先并不完全清晰的物理过程时，未知的、复杂的物理过程被简明的数学符号和明确的运算法则代替。数学最终推导出的简单结果，不但概括了实验物理学的结论，还往往揭示出更多的深刻的物理内容。数学方法的广泛运用，导致了理论物理的诞生和发展。

数学的技巧和困难有时易使人误解，从而难于体会到数学方法给物理带来的简单美。数学推导虽看来似很繁难，但当未知的茫茫宇宙与微微粒子的物理世界化为有限的几个数学公式时，简单美不正跃然纸上 吗？

物理学研究中使用的许多具体处理方法也不乏简单美。例如理想化处理的方法；单变量的实验方法；一定置信度下的有限次实验方法等等。