你认为物理学的美体现在哪里?

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你认为物理学的美体现在哪里?子乾,兴趣使然的科普
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好问题,但是很难回答的问题。

我认为物理学的美是一种抽象之美,理性之美。

但是抽象与理性又很难直观的表达出来,

因此我借助相关的例子尝试表达一下。

1、简洁之美

物理学中,有很多理论形式非常简洁,但是却能描述非常非常多的现象。

比如麦克斯韦方程组,是英国物理学家麦克斯韦在前人对于电磁现象探索的基础上总结归纳后建立的一组描述电场、磁场与电荷密度、电流密度之间关系的方程,一共有四个方程。一切宏观电磁现象、光学现象原则上全部都可以用这套方程来描述。麦克斯韦方程的应用更是无处不在,对于无线电信号的发射与接收层面的研究,几乎都可以归入为麦克斯韦方程组在不同边界条件下的求解过程。

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电磁波在空间的传播

(来源[1]

而目前粒子物理的集大成者——标准模型,更是用一套简洁的理论把已知的所有物质极其相互作用都包含了进去

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粒子物理标准模型中的所有基本粒子

举例来说,所以宏观物质都是由原子构成的,原子是由核外电子和原子核构成的,原子核是带点的质子和不带电的中子构成的,而质子是由两个上夸克和一个下夸克构成的,中子是由一个上夸克和两个下夸克构成的。简单地说,我们看到的一切宏观物质都是由三种基本粒子——电子、上夸克、下夸克——构成的,一切都很简洁!(此处忽略了用于传递相互作用的规范玻色子)

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2、精确之美

物理学中的很多理论所计算出来的数值,跟实验中所测到的数值相比,达到了令人惊讶的吻合程度!

其中最著名的就是电子反常磁矩。电子有自旋,进而会产生磁矩。磁矩中有一个因子 ,经典的理论认为 ,但是实验上却发现

也就是说  并不严格等于 2,这被称为电子的反常磁矩。这一点在经典理论中无法解释,直到量子电动力学(QED)的出现。可以认为,量子电动力学是电磁现象考虑了量子化效应之后的理论,原则上来说,量子电动力学才应该是描述一切电磁现象的第一性原理,而麦克斯韦方程只能应对宏观、低能的现象。

物理学家施温格在 1948 第一次利用了量子电动力学计算反常磁矩,发现:

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少年,你渴望力量吗?

这在当时已经是很高的精度了,施温格做了巨大的贡献,以至于其去世后墓碑上刻的都是这个公式:

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这几十年来,计算能力和水平不断进步,对与电子的反常磁矩计算精度也不断升高,到 2016 年的时候, 的理论值达到了

而实验测到的  为:

(来源[2]

理论计算值和实验测量值在小数点后 11 位都能保持吻合,这样的计算精度是令人惊叹的!这样的精确程度也使得量子电动力学成为有史以来最精确的理论(之一?),这也是量子理论让人信服的重要原因之一。

3、反差之美

物理学中很多看起来差别很大的事物之间,往往存在着出乎意料的密切联系,这些事物的差别可能体现在作用尺度上、研究领域上等。

中子星是宇宙中已知的最致密的天体了,2017 年的引力波事件更是让我们对中子星有了更多更全面的了解。然而,随着研究的深入,却发现中子星很多现象都无法得到有效的解释:

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中子星和黑洞质量分布,纵坐标是质量(以太阳质量为单位)。https://media.ligo.northwestern.edu/gallery/mass-plot

据观测,中子星的半径一般是 10 公里左右,质量一般是一到两个太阳质量。但是,中子星质量的上限在哪?多大的质量会使其变成黑洞?中子星的内部结构到底是怎么样的?这些问题到目前为止还没有得到明确的解答。

然而,这些问题的答案或许在地球上,在实验室中,在对撞机内。

为了研究中子星的内部结构和质量半径关系,就需要知道构成中子星的物质在高温高压的性质,而通过重离子对撞,就能够研究质子、中子、夸克等物质在高温高压的性质。

非常有意思的是,为了研究宇宙中宏观天体的性质,我们需要了解构成此天体的物质基本单元的性质;通过研究基本粒子的性质,我们可以得到宏观宇宙中天体的性质。我们在地球上对微观粒子的研究,给出了遥远宇宙中天体的性质;通过观测宇宙中天体的性质,我们能知道基本粒子的性质。在这里,宏观和微观非常好的结合起来了,基本粒子与宇宙天体展现出了密切的联系。

重离子对撞的提出者李政道先生为此写过一首诗:

Large things are made of small, and even smaller.

To know the smallest, we need also the largest.

All lie in vacuum, everywhen and everywhere.

How can the micro, be separate from the macro?

Let vacuum be a condensate, violating harmony

We can then penetrate, through asymmetry into symmetry.


更令人惊讶的是,上述几种物理学之美,往往又不是独立的,标准模型同是包含着简洁之美与精确之美。

除此之外,还有其它的美感,比如对称之美、破缺之美等等,

就不赘述了,

不过,可以确定的是,

想感受物理学的美感——抽象之美与理性之美,

是有一定的门槛的,

在经过一定的学习与思考之后,才能感受并享受其奥妙。

而这样的享受,一半来自于物理,一般来自与自己。

来自于自己的努力。

每有会意,欣然忘食。

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