El famoso científico francés Poincaré señaló:
"El científico estudia la naturaleza porque obtiene placer de ella... Me refiero al orden armonioso arraigado en todas las partes de la naturaleza, la capacidad de razón pura para La belleza inherente del agarre Debido a que tanto la simplicidad como la inmensidad son hermosas, priorizamos la búsqueda de hechos simples y vastos, por lo que perseguimos las enormes órbitas de las estrellas y usamos microscopios para explorar la extraña pequeñez (que también es una especie); de inmensidad). Rastrear los restos del pasado en el tiempo geológico (que nos atrae por su lejanía), estas actividades nos traen alegría."
La búsqueda de la belleza de la armonía y el establecimiento de las tres leyes del movimiento planetario
En 1543, Copérnico propuso la teoría heliocéntrica, que marcó el comienzo de las ciencias naturales modernas.
El astrónomo alemán Johannes Kepler (1571-1630) quedó impactado por la simplicidad y la belleza simétrica del sistema cósmico de Copérnico. Hizo todo lo posible para defender la teoría heliocéntrica y perfeccionarla.
Kepler estaba profundamente influenciado por los pitagóricos y Platón. Creía que las estrellas en el cielo tocarían una música armoniosa cuando siguieran una órbita determinada, y que el universo entero sería un movimiento armonioso. Sólo se comprende mediante la contemplación inteligente, no mediante el oído.
Kepler estudió con el famoso astrónomo danés Tycho. Tycho observó diligentemente los fenómenos astronómicos durante 30 años y acumuló una gran cantidad de datos precisos, pero no aceptó la teoría de Copérnico sobre el movimiento de la Tierra. compromiso: los planetas orbitaban alrededor del sol, y el sol guiaba a los planetas a orbitar la tierra. Quería usar esto para explicar los fenómenos observados, pero cuanto más explicaba, más confuso se volvía.
Cuando Tycho murió en 1601, dejó una gran cantidad de valiosos datos de observación a Kepler.
Cuando Kepler recopiló los datos, descubrió que siempre había una desviación entre la posición de Mercurio calculada en base a la órbita circular perfecta diseñada y los datos de observación, aunque esta desviación era muy pequeña, sólo 8 minutos de arco. , él no no lo ignoró. Especuló que las órbitas circulares perfectas combinadas de los planetas podrían no ser realistas.
Kepler estudió por primera vez la órbita de Marte, que tiene la mayor cantidad de datos observados. Después del procesamiento matemático de una gran cantidad de datos, descubrió que la órbita de Marte no es un círculo perfecto alrededor del sol, sino un. elipse, y el sol está exactamente en la elipse en un foco.
Después de determinar la órbita de Marte, Kepler también descubrió que las líneas (radiales) que conectan Marte y el Sol barrían áreas iguales en tiempos iguales, es decir, las velocidades rasantes de Marte orbitando alrededor del Sol eran iguales. .
Kepler estudió la relación entre la distancia de un planeta al sol y el período de su revolución. Usó la distancia de la Tierra al Sol como unidad para calcular la distancia entre los planetas y el Sol. Tabuló las distancias y períodos de revolución de los planetas que se conocían en ese momento, y luego hizo varios cálculos entre un gran número. de números Después de innumerables fracasos y muchos cálculos complicados y repetidos, finalmente se descubrió que el cuadrado del período T del planeta que orbita alrededor del sol es proporcional al cubo del radio largo a de la órbita del planeta, es decir, a. 3 /T 2 es una constante; para dos Para planetas, a 1 3 /T 1 2 =a 2 3 /T 2 2. Ésta es la tercera ley del movimiento planetario.
Estos maravillosos exponentes "2" y "3" hicieron a Kepler extremadamente feliz: ¡su deseo más profundo y la simplicidad estructural inherente a la naturaleza eran tan consistentes!
En "La Armonía del Universo" publicado en 1619, Kepler desarrolló las tres leyes del movimiento planetario. Al hablar de la tercera ley, escribió:
La tercera ley de. El movimiento planetario se conoce como la "Ley de la Armonía".
Kepler demostró que la relación rítmica proporcional entre los períodos y distancias de Mercurio, Venus, la Tierra, Marte, Saturno y Júpiter sigue las leyes de la armonía, escribió en "Cosmic Harmony" en forma de partituras musicales. , los cambios en la velocidad angular de seis planetas entre el afelio y el perihelio se compusieron en un "concierto planetario". ¡La búsqueda de una belleza armoniosa en la estructura del universo hizo que la música se convirtiera en la forma de Kepler de explorar el mundo!
La firme creencia de que el sistema copernicano está lleno de belleza armoniosa señaló la dirección del pensamiento teórico de Kepler. Su hábil uso de herramientas matemáticas para expresar esta belleza armoniosa le permitió abstraer y generalizar con éxito. Formó las fórmulas; para los tres movimientos principales de los planetas, y fue conocido como el "legislador del cielo" y entró en la historia de la ciencia.
Explorando la belleza de las matemáticas y el descubrimiento del positrón
En la década de 1920, el físico británico P. A. M. Dirac (1902-1984) se dedicó a estudiar la mecánica cuántica relativista para revelar la Reglas de movimiento de partículas microscópicas que se mueven a alta velocidad.
Quiere establecer una ecuación de onda que sea linealmente relativista tanto para las coordenadas temporales como espaciales.
Inspirándose en la “matriz de Pauli” propuesta por el físico austriaco Pauli en la teoría cuántica, extendió la matriz de 2 filas y 2 columnas a una matriz de 4 filas y 4 columnas, obteniendo así el electrón relativista. ecuación, esta ecuación es lineal para los componentes relativistas de cuatro vectores del momento y la energía.
Esta ecuación de ondas de electrones, más tarde conocida como "ecuación de Dirac", tiene una forma matricial de 4 filas y 4 columnas. Al estudiar la distribución del nivel de energía de los átomos de hidrógeno, puede dar la estructura fina de los átomos. El espín del electrón se deriva libremente como 1/2; muchas propiedades del movimiento a alta velocidad de las partículas deducidas mediante esta ecuación se han confirmado en experimentos; unifica hechos experimentales importantes en la mecánica cuántica; originalmente independiente.
Pero también hay problemas con la ecuación de Dirac. La matriz que describe el movimiento interno de los electrones tiene 4 filas y 4 columnas, pero siempre y cuando se utilice una matriz de 2 filas y 2 columnas. dos estados de espín de los electrones observados, es decir, los estados dados por la ecuación son el doble de los requeridos para describir la situación experimental, y se encuentra que la mitad de los estados son estados de energía negativa de los electrones (estados en los que el La energía de los electrones es negativa), y no existe un límite inferior para este valor de energía negativa. Es decir, la energía se puede liberar infinitamente y la ecuación de Dirac encuentra el llamado "desastre de energía negativa".
¿Deberíamos excluir el increíble estado de energía negativa, o deberíamos aceptarlo para mantener la perfección de la ecuación? Dirac eligió valientemente lo último e hizo suposiciones audaces sobre la imagen física de los estados energéticos negativos.
En primer lugar, revolucionó el concepto de "vacío" y planteó la hipótesis de que el vacío es un "mar lleno de electrones de energía negativa".
El estado de vacío no es un vacío absoluto sin nada, sino un "océano de electrones" compuesto por electrones en estado de energía negativa. En todo el mar de electrones, todas las cantidades observables, como la carga, la masa y el momento, no puede ser cero.
Entonces, pensó más. Dado que el mar completamente lleno de electrones de energía negativa es equivalente a un vacío, ¿qué significa saltar de un electrón del mar de electrones? Entonces habrá un electrón en estado de energía positiva y un hueco en estado de energía negativa.
Él cree que los electrones excitados en estado de energía positiva son electrones ordinarios, que llevan una unidad de carga negativa, y el agujero que queda en el mar de electrones después de que el electrón se excita tiene un valor negativo menos, con. una energía positiva. Inicialmente pensó que se trataba de un "protón", pero este extraño "protón" tenía una masa mucho más pequeña, ¡lo cual era inimaginable!
Partiendo de la idea de la belleza de la simetría, Dirac señaló que desde un punto de vista matemático, la masa de este extraño "protón" con energía positiva debe ser igual a la masa del electrón, proponiendo así audazmente la hipótesis de la "antimateria":
Este extraño "protón" es el antielectrón en el vacío, es decir, el positrón. También propuso un concepto completamente nuevo de simetría absoluta de la electricidad. cargos.
Dirac predijo teóricamente la existencia de positrones en la naturaleza. Señaló que los positrones y los electrones negativos pueden ser producidos en el vacío por fotones; cuando los positrones y los electrones negativos chocan, serán aniquilados y se convertirán en fotones.
¡En 1932, el físico estadounidense Anderson descubrió el positrón predicho por Dirac mientras estudiaba los rayos cósmicos!
El descubrimiento del positrón causó sensación en el mundo de la física. Esto inspiró a la gente a buscar antipartículas de otras partículas.
La gente se da cuenta gradualmente de que todos los tipos de partículas elementales tienen sus correspondientes antipartículas. Esta es una ley universal de la naturaleza. La distribución de los signos de carga en la naturaleza también es simétrica. se está volviendo cada vez más popular.
Dirac creía firmemente que la belleza matemática es un criterio para elegir teorías físicas. Si una ecuación física no es matemáticamente bella, marca una deficiencia y necesita mejora.
Al repasar sus descubrimientos, señaló:
En 1933, Dirac recibió el Premio Nobel de Física.
Defendiendo la belleza de la simetría y proponiendo el modelo de los quarks
El físico estadounidense M. Gell-Mann (1929-2019) lleva mucho tiempo comprometido con la investigación de cuestiones de vanguardia en alta -física de la energía. En la década de 1950, se descubrieron cientos de partículas elementales. Clasifique estas partículas, descubra las conexiones intrínsecas entre sus propiedades, estudie las propiedades y estructuras de estas partículas elementales y busque grupos que sean más "básicos" que las partículas elementales. es un punto caliente en la investigación de la física de altas energías.
Gell-Mann está convencido de que la simetría de las leyes físicas es una de las leyes más universales de la naturaleza. La llamada simetría significa que todos los procesos materiales en la naturaleza existen o producen sus aspectos correspondientes, que se manifiestan. como fenómenos idénticos, simétricos en forma, consistentes en naturaleza, repetición en estructura, etc. En realidad, la simetría refleja la armonía de las conexiones y leyes internas que existen en la naturaleza.
Gell-Mann creía que todas las partículas elementales podían clasificarse según las diferentes simetrías que poseían.
En 1961, Gell-Mann propuso el "Método Óctuple: Una Teoría de la Simetría de Acción Fuerte" basado en la idea de simetría.
Señaló que las partículas que interactúan fuertemente deberían satisfacer la simetría SU(3), que matemáticamente corresponde al grupo SU(3). Hay una representación de 8 dimensiones en el grupo SU(3). El método óctuple significa que cada 8 partículas con propiedades similares se pueden llenar en la representación de 8 dimensiones del grupo SU(3). Dividió las partículas elementales que interactúan fuertemente con propiedades similares en una familia y creía que cada familia debería tener 8 miembros.
Según los resultados experimentales de aquella época, había una familia de partículas elementales con sólo 7 miembros, y basándose en esto, Gell-Mann predijo audazmente que habría una nueva partícula sin descubrir (. 1962), resultó que en el experimento se encontró esta nueva partícula elemental, el mesón η°.
De manera similar, predijo la existencia de otra nueva partícula llamada negativa de Wermig (escrito Ω-). En un simposio en Ginebra en 1962, señaló un espacio en la tabla de clasificación de partículas colgada en la pared y dijo:
"Si mi teoría es correcta, entonces debería haber una banda aquí. Las cargadas negativamente Esta partícula tiene aproximadamente el doble de masa que un protón. También podríamos llamarla partícula Ω, pero aún no ha sido descubierta”
En enero de 1964, el Laboratorio Bluhaven de Estados Unidos. encontró rastros de la descomposición de partículas omega en miles de fotografías en la cámara de burbujas.
¡La predicción de Gell-Mann finalmente se hizo realidad!
Los sucesivos descubrimientos de los mesones η° y las partículas Ω confirmaron la exactitud de la teoría de Gell-Mann y la eficacia del método de simetría en la teoría de partículas elementales, estableciendo así el papel del método de simetría en la estudio de partículas elementales posición importante.
Debería haber una familia más básica en el esquema de simetría óctuple - según la teoría de simetría SU (3), hay una representación básica tridimensional - debería haber 3 partículas en esta familia, y solo tiene cargas unitarias con cargas fraccionarias, es decir, 2/3, -1/3, -1/3. Sin embargo, nunca se han observado cargas fraccionarias y Gell-Mann inicialmente abandonó esta familia de tres partículas.
Después de una profunda reflexión, Gell-Mann finalmente las admitió, porque no ser observadas no significa que no existan. Creía firmemente que la ley de simetría debía ser una ley universal.
Llamó a estas tres partículas "quarks" y utilizó tres quarks para combinarlos en hadrones como protones y neutrones. Este es el famoso modelo de quarks.
Los físicos diseñaron muchos experimentos para encontrar estos quarks libres con cargas fraccionarias, pero cualquier intento de expulsarlos de los hadrones fracasó.
A pesar de esto, la mayoría de los físicos creen que los quarks existen y son partículas más fundamentales que forman algunas otras partículas elementales, porque los resultados del modelo de quarks concuerdan bien con una serie de hechos experimentales. El modelo de quarks se ha desarrollado en el futuro y ahora sus miembros se han ampliado de 3 a 6.
En 1969, Gell-Mann ganó el Premio Nobel de Física por sus "contribuciones a la clasificación e interacción de partículas elementales". Dijo en su discurso en la ceremonia de premiación:
"Para mí, el estudio de esas leyes es inseparable del amor por la naturaleza en sus muy diferentes manifestaciones. La belleza de las leyes fundamentales de las ciencias naturales se revela por el estudio de las partículas y el universo, en mi opinión, está relacionado con la suavidad de los patos salvajes saltando en los puros lagos suecos..."
Bueno para inspirarse en el amplio campo estético de la naturaleza
Búsqueda La comprensión del orden, la regularidad, la armonía y la unidad del mundo es el elevado objetivo de la exploración científica. Una serie de actividades importantes de la ciencia, incluido el descubrimiento de hechos científicos, el establecimiento de principios científicos, la evaluación de teorías científicas, etc., se presentan todas como actividades estéticas y encarnan el espíritu de perfección científica.
Al igual que Kepler, Dirac y Gell-Mann, muchos científicos destacados son representantes del espíritu de excelencia científica.
Einstein persiguió la unidad de la naturaleza y la armonía del mundo. La teoría especial de la relatividad que estableció unificó el tiempo, el espacio, la materia y el movimiento separados en la mecánica newtoniana, la teoría general de la relatividad unificó la masa inercial; masa gravitacional, el movimiento del sistema no inercial y el movimiento del sistema inercial están unificados.
Bohr propuso el concepto de niveles de energía atómica y la teoría de las órbitas de los electrones basándose en la ley de cambios ordenados y armoniosos en la relación de las líneas espectrales de los átomos de hidrógeno.
Heisenberg descubrió que los niveles de energía de los átomos en estado estacionario pueden disponerse en una forma matricial simétrica y hermosa, y estableció la mecánica matricial.
Los científicos consumados saben inspirarse en el campo estético infinitamente amplio que proporciona la naturaleza. A través de la apariencia de la belleza, observan la relación armoniosa y el orden solemne detrás de la naturaleza y se dan cuenta de las omnipresentes leyes objetivas de ella. El poder de la naturaleza, y considera que revelar esta ley universal, es decir, la verdad científica, es su tarea sagrada y el reino espiritual más elevado.
El espíritu de perfección científica hace que su pensamiento sea como un águila volando alto, batiendo las alas de la conciencia lógica y la conciencia estética, elevándose para apreciar el paisaje infinito de la cima racional de la naturaleza.