1.科学美的特点

物理学（physics）一词起源于古希腊，拉丁文原意是“自然”.自公元前七世纪，物理学就以自然哲学的形式从人类的生产劳动中萌芽出来，先后经历了古代物理学、经典物理学、近代物理学和现代物理学四个阶段.然而物理学在这近三千年的发展历程中却存在着一些起过作用的、科学之外的，并且在一定程度上为非理性的、有价值的动力因素，它们与美学有关.

什么是美？"美是难以定义的"，研究美学的一位祖宗柏拉图早就这么叹息过.科学家也有类似的观点.狄拉克说过："数学美与艺术美一样是无法定义的，但研究数学的人鉴赏数学美并不会觉得困难." 杨振宁曾用几个关键词概括理论物理学之美：“和谐、优雅、一致、简单、整齐等等，都与科学中的美，特别是与理论物理中的美有关.”

美在很大程度上决定于观察者的眼光，而在有些情况下美学欣赏需要训练有素的鉴赏力.这类练习不仅需要领悟，而且这种鉴赏力的提炼几乎毫无例外都需要数学知识.为此一般人们都认为物理学深奥难懂，而欣赏不到物理学概念及其表达形式所蕴含的内在的美.就像一些大受赏识的其他形式的美需要有受过相当训练的鉴赏力才能完全欣赏一样.数学结构、方程或物理理论的美，也只有当观察者获得必要的训练与知识以后才能受到赏识.也就是说，我们必须学会适当的语言才能理解被表达的东西.对物理学而言，这门语言永远是数学.因为物理学罗列很深奥，当然是这样的因为我们不得不用数学语言来发展那些理论，而数学语言还没有成为受教育者的普遍工具.世界著名物理学家狄拉克认为：让一个方程具有美感要比符合实验更为重要.哥白尼曾经讲过：“在哺育人的天赋才智的多种多样的科学与艺术中，我认为首先应该用全副精力来研究那些与最美的事物有关的东西.”物理学是至美的.德国物理学家海森伯说过：美是真理的光辉；罗马哲学家普洛丁又说过：善是美的本原.由此，物理学因真而美、因善而美就是十分自然的了.

所谓科学美，是美的一种高级形式，它是在人类的审美心理、审美意识达到较高的发展阶段以后，由于理论思维和审美意识的交融、渗透，在科学活动中产生的一种美的感受.这种美的感受正如韦伯斯特大学辞典中对美的定义所说的那样“它愉悦感官或使思想或精神得到愉快的满足.”科学美意指科学理论体系之美，尤其是其中的理论美和数学美.由于科学理论本身是抽象的和理性的，所以科学美就其本质和主体而言属于理智美的范畴，当然我们也不排除科学美中的现象之美和实验之美.斯诺在提及热力学第二定律时说：“这是一条具有最深刻、最普遍意义的定律之一：具有自己的忧郁的美，像所有重要的科学定律一样，使人肃然起敬.”分子生物学也“相当自洽”，“从审美的角度看，这门科学本身就很美，也很容易理解.”

“真”是指存在于客观世界的客观物质和本质规律.物理学发展史中一切严肃而认真的物理学家一致坚持求真的态度力求以主观的认识形式反应客观的规律,因此,物理学中的基本概念、公式、定理、定律等均反映了客观世界的规律,以求真为前提和基础.何为“善”?列宁说:“善是外部现实性的要求”.因而善可理解为有一定的目的性,即有用的.物理学是人们认识和改造世界的基本理论依据,被广泛应用在科学技术和实际应用中,且符合人类的普遍实践要求.伴随着力学和热学理论的发现和发展,人类进入了有着“蒸汽机时代”之称的第一次工业革命;之后电磁场理论的创新和发明,使人类进入了有着“电气时代”之称的第二次工业革命;紧接着相对论和量子力学的创立出现了以原子能和计算机为主要代表的第三次信息革命.物理学对新材料、新能源、新技术的研究和发展将为第四次重大革命奠定基础.物理学已经成为推动工业革命和科技生产发展的主导力量,物理理论的每一次创新、建立和发展都对人们的生产和生活、社会的发展和进步带来巨大的益处,因此物理学是向善的,这些都是外部现实性的要求.物理学的“真”体现在对客观认识的合规律性,“善”体现在对社会发展的合目的性,而“美”是“真”和“善”的统一.当然,在物理学发展史中,物理学家对于自身理论统一的追求和总结也反映了物理学中的统一美,比如牛顿把地上、天上所有物体的运动规律进行了统一,还有物理学家为了解决物理问题提出理想化模型的简单美、反映定理和定律公式的简洁美等等,都是物理臻美的体现.

理论物理学中美的内涵处于变化之中，杨振宁认为其根本原因在于“理论物理学的题材是发展的”，卡尔丁通过与数学美的比较，阐述了科学美的特征.他指出，科学美是一种和谐、统一中的多样性，这刻画了它的特征，并且决定了它的美的变体.它与纯数学的美不同.数学的统一仅仅由于逻辑的严格性：它是命题的统一，命题可靠地推导而不管它们与事实的一致.但是科学的统一不只是由于理论解释的逻辑严格性；它也包括与逻辑系统统一的实验观察，从该系统演绎出的东西与观察一致.科学中的美的作品是完全的和完整的工作，其中事实都做某些概括或是理论的例证.科学中的统一不像数学中的统一那样年完美地实现，但是就它包含进一步的和谐类型而言，它是更丰富的统一，即一组逻辑上相关的命题和一组独立的观察材料之间的和谐.由此不难看出，科学美除了科学理论体系的形式美外，更重要的是它的内容美或内涵美——波兰尼把它定义为促使建立“与实在的新接触”的东西.这个定义并未一致地推进功利主义的路线，但似乎在这个新接触中隐含着作为审美内涵要素的惊奇要素.它的引入将容许我们在与形式审美要素的关系中品尝内涵要素的本性.它们的差异在于下述事实：其一是理论的诠释，其二是它的完整的客观特征.要知道，这是科学美中的形式美与内涵美的差异，其实也是数学美与科学美的差异——数学美不需要与实在的新接触，不需要与观察和实验资料和谐一致.

科学美的直觉虽然不是一种严格的逻辑思维活动，但是科学美有其确定的内容.物理科学中之美感包含物理概念的简单性、统一性，结构系统的协调性、对称性和物理模型的概括性、典型性和普遍性，物理量的守恒性与物理理论的创造性等方面.统一性思想是一种深刻在人类思想结构中的科学与哲学信念，正如恩格斯指出的，在人类早期的许多哲人那里，统一性思想已达到不言而喻的牢固程度.

科学美是一种与真、善相联系的，人的本质力量以宜人的形式在科学理论上的显现.自然界中物质深层次的固有结构既然具有和谐、简介、对称的美学特征，那么在揭示与描述其奥秘的科学理论中就应当充分的反映.正如德国著名物理学家海森堡所说：“自然也反映在科学的美之中.”自然美以物质形态和运动过程的感性特征引发人的审美感受，表现为自然界的和谐统一.而自然科学是由建立在经验和逻辑基础之上的关于自然界各种现象及其相互关系的普遍性和精确性陈述构成的有组织的知识.自然科学的一个最核心的假设就是“一种广泛传播，出自本能的信念，相信存在着一种事物的秩序，特别是一种自然界的秩序”.这种秩序感与人的审美心理相契合.海森堡曾在他的一篇文章中引用了一句拉丁格言：“美是真理的光辉”.物理学中的科学美是理性的美、内在的美、本质的美、虽然物理学的研究范围极其广泛，物理规律极其复杂，但物理学的美却都具有对称、简洁、和谐、多样统一等特点.麦克斯韦的光电磁统一理论是麦克斯韦等人总结法拉第等人的研究成果，进一步探究物理世界美的结晶，是经典物理学科美的典范之一.