简单性原理在物理学中的应用毕业论文1.doc

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1、简单性原理在物理学中的应用 摘 要：物理学是人类对自然界认识的一种反映，它不但能描述自然界的一切物理现象，还能深入的反映物质的本质随着认识的不断深入，逐渐形成了一条认识论原理-简单性原理正是这种最广泛、最简明的形式引领着物理学的创新和发展本文正是通过追溯简单性原理的认识历程，结合物理学的发展，分析其基本含义，在此基础上，结合物理学中的典型案例指出简单性原理在物理学中的价值关键词：简单性原理；物理学Abstract: physics is a reflection that human understanding of nature, not only can describe the natu

2、re of all the physical phenomena, also can reflect the nature of the material. With the deepening of the understanding, it gradually formed a epistemological principle simplicity principle. It is the most widely and the most concise form of lead the innovation and development of physics. This articl

3、e is through traces the simplicity principle understanding, combined with the development of physics, analyze the basic meaning, and on this basis, combined with the typical cases in physics to point out that the value of simplicity principle in physics.Key words: simplicity principle; physics引 言简单性

4、原理是物理学中最重要一个思想，是物理学研究发展的基础众所周知，人类的认识是自然界长期发展进化的结果，对自然界的认识经历了从无到有，从复杂到简单的历程，在长期对自然界奥秘的探索中，人类逐渐为自然界总结出了一门规律学科-物理学物理学是人类对自然界认识的一种反映，随着认识的不断深入，越来越多的自然奥秘被揭示，在物理学研究的过程中，如果不遵循简单的原理，就势必会形成复杂和麻烦的认识论体系，从而不能为人们所接受，成为研究发展的障碍鉴于此，物理学家从简单性原理的要求出发，建立了一系列较为可靠的理论与定律，从而使简单性原理成为建立物理学理论体系的一条普遍性原理毕达哥拉斯、哥白尼、奥卡姆以及牛顿等人都对简单性

5、原理做了比较深入的理解与应用，直到爱因斯坦提出逻辑简单性原理，对逻辑简单性原理做出了较为明确的定义，人们对简单性原理的认识逐渐深入，系统化近几年来，人们对简单性的运用日益增多，理解也不断深入，但是却对简单性原理的内涵及价值认识不深，那么究竟什么是简单性原理？它在理论判据又是如何？国内外学者都没有明确的定量描述，仅仅是停留在最初的定性认识阶段基于此，本文从简单性原理的认识出发，通过物理学中经典案例的分析，进一步诠释了简单性原理的内涵，在此基础上，明确简单性原理在物理学中的应用价值1认识渊源在自然界的认识过程中，我们是逐步认识，了解和深入的，整个过程中我们可以归纳为简单复杂再简单的无限循环就像彭加

6、勒曾经说过：“毫无疑问，如果我们的研究方法变得越来越深刻，我们便可以在复杂的东西之下发现简单的东西，然后再简单的东西之下发现复杂的东西，接着再从复杂的东西之下发下简单的东西”1所以对简单性的认识，我们也可以理解为最初不知不觉的应用，到后来形成初步的认识，逐渐形成理论体系，随着认识的不断加深，我们会不断地修正以前的理论，建立起更加具体，简洁的理论体系1.1简单性原理思想的初步萌芽关于简单性原理，在古代已经有初步的认识，古希腊的哲学家用一种或几种简单地元素来描述自然界的本质“泰勒斯把万物的本质归结为水，赫拉克立特归结为火，德谟克利特则将原子归结为世界的本源” 2我国古代也有类似的看法，如阴阳说，五

7、行说等这些认识看似五花八门，归根结底其实都认为世界的最初形态是简单的，只是再后来的演变中逐渐趋于复杂，演变成变化多样的自然现象在今天看来，这些认识无疑是极其荒谬和幼稚的，但正是这些理解是人们直观的认识自然界的简单性的开始随着认识的不断深入，古希腊数学家、哲学家毕达哥拉斯对简单性这一思想做出了深化，他指出“无论是解说外在物质世界，还是描写内在世界，都不能没有数学，万事万物的背后都有数的法则在起作用”3毕达哥拉斯认为数的本源就是万物的本源，天体是按一定的数的关系运动的，甚至天体的数目也有完整性，宇宙具有数的和谐型，这无疑给人们以利用数学研究表示自然规律的提示希望以普遍性的数的规律去描述自然界的各种

8、现象这是人们首次对自然界规律的描述提出数学要求他还坚持数学论证必须从假设开始，这无疑说明了天体以数的形式表现出简单性这也是简单性原理思想的最原始表示15世纪伟大的天文学家哥白尼坚定地信奉毕达哥拉斯的思想，并对简单性原理具有更加明确地信念，他认为宇宙的体系可以用最简单的数学关系和图形来表示，他在至少20年时间里致力于这项研究，最终得出了日心说理论，确立了地球在宇宙中的地位，而且还形象的描绘了地球的运动规律正是在对简单性原理的坚定信念下，哥白尼以自己的执着描绘出了自然简单性的最初图景同一时期，著名的唯名论者威廉奥卡姆更加系统明确地提出了简单性的思想。他主张“如无必要，勿增实体”4，认为在人们的认识

9、过程中，用较多的理论或假设完成较少的就能完成的事，就是徒劳的以此出发，他认为那些繁琐的理论和多余的假设都应该用“剃刀”统统剃掉从他的思想我们可以看出，他指示我们，应当用尽量少的假设和简单地理论，简单明晰的表达科学理论奥卡姆是从科学理论角度明确提出简单性原理的第一人，随着科学理论的不断发展，这一思想被不断的深化和明确，对建立简单性这一基本原理奠定了基础1.2简单性原理思想的基本形成伟大的英国物理学家牛顿在建立力学体系时曾有专门论述理论方法问题的说明，在谈到相应的法则时，第一条就是简单性原则，即“除那些真实而已足够说明其现象者外，不必再去寻求自然界事物的其他原因”2这说明牛顿已明确建立理论体系应具

10、有逻辑上的简单性这一思想由此可见，牛顿建立的力学体系原理和定律是很少的牛顿力学以简单的形式概括了天体和地面的力学运动，从表面看，开普勒的三大定律和伽利略的自由落体运动并不复杂，但牛顿力学却从简单性的思想出发，总结了开普勒和伽利略的理论，首次实现了天体运动和地面运动的统一由此，牛顿力学就显得比开普勒和伽利略的理论更深刻，形式更美20世纪初，爱因斯坦根据此前的物理学发展状况及对简单性的认识，提出了逻辑简单性思想，并对简单性思想作出明确的定义，“我们所谓的简单性，并不是指学生在精通这门体系时产生的困难最小，而是指这体系所包含的彼此独立的假设或公理最少”5 爱因斯坦认为简单性并不是单纯的理论难易程度，

11、而是要求用尽可能少的理论对事物做出尽可能具体的描述1905年爱因斯坦仅用三个假设就完成了对洛伦兹变换的推导，而在此之前洛伦兹本人用了十个假设才得出这个推论爱因斯坦也曾说过：“我们可以用某些简单的普遍适用的法则来认识客观实际”，“客观世界中的深层次的朴素关系可以用简单的逻辑概念加以阐释和理解”6他还指出，物理学理论的目的，就是用尽可能少的假说去建立理论概括体系物理学家的任务就是从各种复杂的物理现象中找出物理学的简单本质，他们的动力正是爱因斯坦这种简单性的理念正是在这种理念的坚持下，“爱因斯坦致力于牛顿的统一力学和麦克斯韦的电动力学，创造性的将时间和空间统一为时空，将质量，动量和能量结合为质能张量

12、，为我们描绘出了一副相对论图景”7可以说爱因斯坦一生成就的基础就是简单性原理思想的成功运用，他利用简单性思想经过不断的单纯演绎，形成了新的物理学体系爱因斯坦正是通过简单性原理的思想取得了辉煌的成就，开辟了物理学发展的新篇章从奥卡姆到牛顿，后经过爱因斯坦等人的阐述，人们对简单性的认识逐渐系统化，并形成了他们独特的认识观点，但不论他们的观点如何变化，基本上都是把理论的简单性看成是一种认识世界的方法、约定。2物理学中简单性原理的应用从简单性的发展历程，我们可以看到，人类对于简单性的应用已经有很长的时间，并对物理学的发展发挥过重要作用，随着社会的发展，将会进一步显示出它的价值2.1简单性原理在物理思想

13、中的应用简单性原理是一种重要的物理思想，对于物理思想的提出与论证具有重要价值。首先，关于物理理论，具有最简形式、较强逻辑性的理论通常应用的范围更广泛，所含的信息多，更受物理学家喜爱我们知道，物理上所形成的理论必须是以某种形式的符号，语言或数字表示出来，这种表示必须准确，而且在表示出来的理论中，能用简洁恰当的语言把它的内容完整的表达出来，形成一种形式去传达和交流，这样才能成为经典的物理理论。如果在理论中不遵循简单性原理，那么语言表述就会拖沓累赘，最终被淘汰。尽管牛顿和莱布尼茨同时创立了微积分，但我们现在所用的微积分均为莱布尼茨所创，牛顿只是顶着创始人的头衔，这就是因为牛顿的理论表述不如莱布尼茨简

14、洁，明了正因为这个原因，莱布尼茨的微积分一直沿用至今其次，简单性原理是衡量物理理论的标准金尚年曾在自然哲学的演化中将简单性原理理解为两层含义，一方面他认为自然界本身具有简单性、和谐性，因而研究它们本质与规律的方法也应是简单的；另一方面说用多种方法解决同一问题得到相同的结论，则应选用那简单的方法，简单来说就是科学中正确的东西都是简单的亚里士多德曾说过“简洁是真理的标志” 5 ，他相信，理论过程的途径是最简单的爱因斯坦也曾主张，“物理学中真实的东西一定是逻辑上最简单的”5因此，判定一条理论是否正确，就看它在逻辑上是不是最简单的所以说简单性原理就是促使物理理论接近客观真理的根本方法论原则，这也正是爱

15、因斯坦坚定不移的坚持简单性原理的根本目的所在而且，物理学家广泛运用最简化的理想模型进行分析论证思想譬如，牛顿的万有引力定律的发现，爱因斯坦的相对论，伽利略的惯性定理都应用了最简单的理想化模型，这些模型在现实中都是不存在的，只能在理想状态下进行，排开表面现象和非人为因素的影响才能实现 最后，物理学中广泛应用统一性的思想，将复杂的思想简单化爱因斯坦是大量运用这种思想的第一人，他将光的波动性和粒子性结合在一起，形成了波粒二象性理论，同时他的相对论首次将时空，物质，引力完美结合，实现了物理学的一次重大突破牛顿的力学定律首次实现了天体运动和地面运动的统一，形成了现在的经典力学体系麦克斯韦完成了电和磁的完

16、美结合，电磁学这一物理分科随之产生而现代物理学正在完成自然界四种相互作用的统一，向粒子物理学的统一逐步迈进2.2简单性原理在物理公式中的应用 对于物理学来说，除了对理论的不断追求外，对数学化的要求也越来越高，物理学简单性的一个重要特征就是，“描述物理规律的数学形式尽可能简单和想赢得方程数目尽量的少，基本定律的形式越来越注重形式美和简单”2而且，往往在总结公式时，简单的数学公式更有可能接近真实麦克斯韦方程组被认为世界上最伟大的方程，他将过去人们认为互不相关的电、磁和光的现象用形式上及其简单，对称，优美的四个方程统一到一个理论体系当中，形成了著名的麦克斯韦的电磁学方程组，这是世界上最伟大的公式，在

17、我们如今的大学课本中我们不难找到，真空中的麦克斯韦的电磁学方程组写作：微分形式 （1）它指明了电磁场运动变化的一般规律, 揭示了电和磁转化的对称美,以优美的数学形式反映出了电磁场的内在统一性任何看得懂这四个公式的人都会不禁为它的优美而感到惊讶后来,麦克斯韦对这组方程组进行了推导，仅靠简单的纸上演算就从中预测了电磁波的存在爱因斯坦曾经导出的物体质量与能量关系满足智能关系的公式： （2）这个公式揭示了物体的质量和能量之间的正比关系，当系统的质量变化时，能量向对应的变化降低一个系统的能量，它的质量也会对应的减少，形象的说明了物体的质量随能量的变化关系从而证明了在相对论力学中，物体的质量和能量是相互联

18、系的，但在此之前的经典力学中的质量和能量却是独立的这一发现也导致了20世纪智能守恒定律的发现仅仅只用了几个符号，就把物理学中杂乱纷呈的现象整理出一种井然有序的规律，由此可见，优美的数学形式是众多物理学家的追寻，激励他们不断突破现象的束缚，做出更加完美和简单地数学形式开普勒也在这一方面有自己的独到认识，他认为哥白尼的日心说并非完美，日心说虽然对天体运动理论的美学研究有了一定程度的满足，但却没有反映出宇宙数的和谐型，它应该更简单，更美在这种认识下，他整理了第谷的观察资料，以期在哥白尼的行星轨道间寻找一种数学和谐，尝试了十几种想象路径与观测不一致后又完全否定它们之后，终于冲破哥白尼日心说的束缚，得出

19、著名的开普勒第一定律：轨道不仅可以看做椭圆，太阳居于其一个焦点上在此基础上，开普勒经过长期的计算研究，相继得出开普勒第二，第三定律，使哥白尼的理论从对行星与太阳的普遍描述转变到了一个准确的数学公式：待添加的隐藏文字内容1 （3） 当我们明白开普勒是从前人大量凌乱而又复杂的观测资料中找到“T”与“R”的关系，我们就不得不称赞这一公式的简洁和优美类似的例子不胜枚举，从牛顿万有引力到哈密顿等人的分析力学，从哈勃定律到爱因斯坦的相对论方程，无一不显示出物理学中数学简单性的趋势纵观物理学史，我们不难看出，当某一物理理论在不具备实验数据支持的情形时，我们首选的依据就是数学简单性与逻辑简单性而且，数学简单性

20、更具有形式美，所以更得物理学家信赖就像狄拉克相对性电子理论的成功，正是归结于他对数学简单性的信赖随着物理学的发展，数学的简单性将会以自身的实用性与优美性得到广大物理学家的青睐与尝试 3 结 论 总之，简单性原理是物理学中一种重要的方法原理，它有利于建立物理假说和物理理论体系，或者说，简单性原理为物理学的研究发展提供了一种探索方向我们相信，随着物理学的不断发展，人类认识的不断深入，简单性原理必将成为一种信念，引领着物理学家们不断探索，以更简洁更真更美的形式去揭示自然地奥秘，以此引发物理学领域的又一次飞跃参考文献1 彭加勒.科学的价值M.李醒导译.北京光明日报出版社,1988.1142 朱星昨，刘树勇.从物理学史看简单性原则的发展.J首都师范大学学报（自然科学版）.2005.12.第26卷.第4期3 吴维煊. 毕达哥拉斯“万物皆数”思想蕴含的理性特征J.广东第二师范学院学报.2012.104 叶秀山，傅乐安.西方著名哲学家评传M .济南:山东人民出版社.1984.5035 胡化凯.为何要坚持逻辑简单性原则.J大自然探索.1996.第四期。第15卷6 许良英编译.爱因斯坦文集.第一卷M.北京:商务印书馆.19767 胡研.理论体系中简单性的含义J .重庆大学硕士学位论文.2005Application of the simple principle in physics