诗情画意的物理学
在许多人眼里，科学和艺术似乎是人类文明的两极，相距甚远。不仅人文学者会这么认为，许多科学家也这么认为。这与我们教育中文科和理科的长期分离有关，甚至与大学毕业后越来越详细的学科划分有关。事实上，一个受过完整教育的人不应该有这样的观点。
科学和人文自古以来就密不可分。长期以来，科学与人文的分离不仅使我们的教育无法完成，而且还将我们的社会引入歧途。大学的通识教育已经实施了10年，但通识教育是否意味着我们向文科学生灌输一点“粗糙”或“简化”的科学知识，培养理科学生的文学兴趣，甚至通识教育？
复旦大学今年开设了“科学与人文”通识教育硕士讲堂。物理系教授金晓峰向全体学生作了题为《诗意的物理》的综合报告。由此，我们可以看出为什么科学与人文和艺术是相通的。这里发表的是“诗意物理”的一小部分。
人文科学的意义在于人类创造的选择，而科学作为人类创造的选择，显然是人文科学的重要组成部分。
蓝天下穿过天空的彩虹，茫茫沙漠中隐约可见的海市蜃楼，以及神秘的自然风光，用“诗情画意”来描述它们，可能没有太多争议。然而，如果我们说“诗情画意的物理学”，恐怕大多数人会感到困惑和不同意。
早在一个多世纪以前，美国心理学的创始人、哲学家和教育家威廉·詹姆斯(1842-1910)就明确指出:“只要你从历史的角度出发，你就可以赋予任何学科以人文价值。如果地质学、经济学和力学一个接一个地从天才的成就中学习，那么这些学科就是人文学科。相反，如果不以这种方式教授，文学将只是一些语法，艺术将是一些目录，历史将是一些时代，自然科学将只是充满公式，重量和测量。这就是我们在谈论人类创造的选择时所指的人文科学。”
著名美学家朱光潜曾经说过:“哲学和科学如此贫乏，以至于不能满足人们对知识的渴望。每一位哲学家和科学家都对他所看到的一点点真理感兴趣(不管它是否是真理)，并满怀热情地欣赏它。当真理离开实用性而成为兴趣的中心时，它就已经是美感的对象了。诸如“地球绕着太阳转”和“勾方加古方等于弦方”这样的科学事实可以和“米洛斯爱上帝”或“第九交响曲”一样激动人心。科学家在寻找这样的事实方面很差，因为他们也能使人吃惊。因此，科学活动也是一种艺术活动。美与善不仅是一体的，真理与美之间也没有隔阂。
显然，科学也是人类创造的选择，应该成为人文学科的重要组成部分。同时，科学也是一门艺术，正如文学是语言的艺术一样，科学是揭示自然奥秘的艺术，艺术的特征表现在科学的创造中。培养有文化的人，科学素养和欣赏科学之美是不可或缺的课程。
科学理性和逻辑是不够的。在伟大的科学创造中，人们经常带着非常主观的信念去探索和追求。这就是为什么它是一门艺术。在2000多年的科学发展过程中，出现了多少英雄，写了多少充满诗意的篇章。这一直是一部宏大的叙事和惊心动魄的史诗。
科学是人文科学的重要组成部分，是揭示自然奥秘的艺术。作为科学的一部分，物理学是人文的、艺术的和诗意的。它可以是一部壮丽的“史诗”、“悲剧”、“小说”、“喜剧”或“画卷”
我们都看过不同恒星轨道的照片。天空呈圆形。但事实上，古人已经发现了这一点。曾经有一部史诗描述了我们的祖先一代又一代地仰望神秘的星空，记录下了恒星围绕人类居住的地球旋转的“天文现象”。此外，古人发现当我们扔东西的时候，它们总是呆在原地。所有这些都表明我们的地球是“不动的”，恒星甚至太阳都围绕着地球转，这是地心说的开始。
然而，天空中有几颗恒星并不遵循柏拉图的结构化圆形轨道，它们是后来为人所知的行星。
根据目前的发现，至少在3600多年前，巴比伦国王阿米什图卡的泥板决定性地记录了用楔形文字观察金星的运动。金星没有圆形轨道，但会不时向后移动。
因此，自柏拉图时代以来，许多人试图通过各种数学模型来解释“不遵循规则”的行星轨迹。有所谓的同心圆模型和偏心圆-本轮-平均轮模型。
尽管这些模型使行星的运行变得非常复杂，但它们最终使地球的中心在哥白尼出现之前的1000多年里“心安理得”。
1000多年后，哥白尼提出了“日心说”。他的想法没有新的实验事实，也没有清晰的逻辑，只是因为他有一个不同的想法——假设行星围绕太阳旋转，那么解释行星逆行的原因是相对简单和直观的，而且看起来完美无缺。换句话说，以太阳为中心来解释行星轨道的理论会显得非常简洁和完美。
尽管许多人认为科学意味着冷酷的理性和逻辑。然而，理性和逻辑对于所有学科的发展都是必要的。但是科学发展需要的远不止是理性和逻辑。
哥白尼日心说的提出及其随后的发展使我们认识到，在伟大的科学创造中，科学家经常带着非常主观的信念进行探索和追求。这就是为什么科学也是艺术的一个重要原因。
接下来的重要进展是开普勒的贡献。根据老师留下的详细实验数据，他发现行星围绕太阳的运动不是圆形的，而是椭圆形的。这是人类历史上第一次我们偏离柏拉图的圆来解释行星的运动。然后他从实验观察数据中提出了开普勒第一定律和第二定律，但他凭着主观信念“总结”了第三定律，这是一个解释行星之间关系的公式，来自直觉和创造。
每个行星绕太阳转一周的时间是T，对应的椭圆轨道的半长轴是A。他非常主观地认为T和A应该有关系，他决心找到这种关系。
他做了许多计算。起初，他认为不同行星的两组参数之间应该有直接关系，但经过计算，他发现它们之间没有直接关系。后来，他将每个行星的两个参数平方，发现仍然没有关系。大多数人在这样做的时候都会放弃，但是开普勒认为他的想法是正确的是主观的。因此，他继续获得第三次方，并发现T的平方和与A的第三次方之比确实是一个常数，而这个数与哪个行星无关。
这再次表明，科学的创造并不像每个人想象的那样，可以通过逻辑立即演绎出来。科学家的“创造”实际上非常主观。开普勒制定第三定律时的逻辑在哪里？也许有他的逻辑推理，但更多的是拼凑，是猜测。
真正最终完成“日心说”的人是伽利略。在听说荷兰人发明了望远镜之后，他很快就制造了一个比自己大20倍的望远镜。有了这台20倍的望远镜，他不仅发现月球并不像人们长期以来认为的那样“完美”，而且还清楚地看到行星不是点，而是球。银河系只有星星。他还惊讶地发现木星有四个卫星，就像地球有一个卫星一样，这是对日心说的有力支持。最重要的是，他观察到金星有不同的盈亏阶段，就像月亮的起伏一样。这是他第一次明确证明“地心说”的确是错误的，“日心说”是正确的。
对于那一年的人类来说，伽利略的一系列发现给地球带来了震动。想象一下，脚下的大地漂浮在茫茫星空中！然而，*派和激进派诗人唱着赞美诗:“承认失败，维斯·普奇，让位，哥伦布。的确，他们已经转向了未知的海洋，但是伽利略，只有你给了人类一颗闪亮的星，那就是新的天堂。”
用爱因斯坦的话说，“纯粹的逻辑思维不能给我们关于客观事件的知识。所有关于现实的知识都始于经验，止于经验。然而，从纯粹逻辑中推导出来的理论是完全空的，它对于真理来说是完全空的。”
科学是历史的产物，而不是逻辑上的必然。它有自己的特点，即在创造时它是非常主观的，但这种主观必须成为他人的客观，因为科学是求真的，它必须最终通过客观的验证。
在2000多年的科学史诗中，最壮丽的篇章是牛顿的到来。他的《自然哲学的数学原理》的主要内容是讨论万有引力定律，这是牛顿一生中对物理学的最大贡献。通过发现万有引力，他使天空和地下的事物合而为一，也就是说，同样的定律决定了整个宇宙的运行，它能预测未来，逆转过去。
牛顿是如何发现重力的？不是因为他看到苹果掉在地上，而是因为他问了一个最重要的问题——为什么月亮没有掉下来？
他推测月球没有坠落，可能是因为有一种力量既没有让它坠落，也没有让它飞离地球，而是让它绕着地球转。在牛顿用数学方法证明了这一点之后，他立即把它扩展到太阳和它的行星之间的关系，包括太阳和地球之间的关系，这样一切都是自然的。这些行星的运动以及它们与恒星之间的关系都是由重力引起的。像亚历山大一样
波普在一首非常著名的诗中写道:“自然和自然法则隐藏在黑暗之中。上帝说让牛顿走吧，一切都会变得光明。”这是对牛顿的一个非常高的评价。
根据牛顿的发现，人们第一次意识到有一些特殊的恒星，即那些彗星或“彗星”，它们可能只来到地球一次，以后就再也不会回来了，但有些会在许多年后回来。最著名的故事是哈雷预测哈雷彗星将在间隔75年后返回地球的视野。哈雷于1742年去世。他曾经幽默地说:“如果根据我们的预测，彗星最终在1758年再次出现，公正的后代可能不会忘记，这是由一个英国人首先发现的。”
这颗彗星如期于1759年到达。1759年，拉兰德写了这样一份充满人文主义和艺术气息的记录:“今年宇宙中最令人满意的现象之一从未被天文学展示给我们。这是前所未有的胜利。它把我们的猜测变成了现实，证明了我们的假设。尽管聪明的物理学家一直希望彗星会如期返回，牛顿也证明了这一点，哈雷确认了时间，并要求后代为他作证，但他的情况与我们不同，他的幸运猜测自然与我们亲眼所见的幸福不同！根据历史事实，这是哈雷最大的成就。50多年后，看到他的结论得到充分证实，这种幸福是我们的享受，也是自古以来哲学家们羡慕的对象。为了维持他的理论，克莱罗先生要求这颗彗星的回归日期应该有一个月的误差。这颗彗星恰好在一个月后出现，比之前的日期晚了186天，比预定日期早了32天。然而，在150年里，人们只观察到它的轨迹的1/200。其余的我们没有看到。32天有什么不同？”
爱因斯坦这样评价牛顿:“幸运的牛顿，一个快乐的科学童年，他是一个实验家、理论家和机械师，也是一个诠释的艺术家。他站在我们面前，坚强、自信、独特。”
朱光潜在谈到艺术时曾说:“艺术是主观的，是作者情感的流露，但它必须经过对象化。所有艺术都需要情感，但情感本身并不一定是艺术，艺术中使用的情感不是粗糙的，而是内省的。”如果科学在这里取代了艺术，这段话仍然是完全有效的:“伟大的科学创造是主观的，是作者情感的流露，但它需要有一定的客观性。科学需要情感，但情感不一定是科学，科学中使用的情感不是粗糙的，而是内省的。”