導(dǎo)語：如何才能寫好一篇量子力學(xué)中的基本假設(shè)，這就需要搜集整理更多的資料和文獻(xiàn)，歡迎閱讀由公務(wù)員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

內(nèi)容簡介：共分光和光的傳播，幾何光學(xué)成像，干涉，衍射，變換光學(xué)與全息照相，偏振，光與物質(zhì)的相互作用、光的量子性等七章和兩個(gè)附錄。

2、《量子力學(xué)教程》，作者：周世勛。

內(nèi)容簡介：包括緒論、波函數(shù)和薛定諤方程、量子力學(xué)中的力學(xué)量、態(tài)和力學(xué)量的表象、微擾理論、散射、自旋與全同粒子等七章。書中在闡述表象理論的基礎(chǔ)時(shí)，引入了近代文獻(xiàn)通用的狄喇克符號(hào)，還通過線性諧振子的例子介紹了占有數(shù)表象。

3、《量子力學(xué)》，作者：高守恩、楊建宋。

篇2

關(guān)鍵詞:量子力學(xué);量子測量;偏振

中圖分類號(hào):O413．1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1000-0712(2016)03-0005-03

量子力學(xué)是近代物理學(xué)的基礎(chǔ)，并且其應(yīng)用領(lǐng)域已延伸至化學(xué)、生物等許多交叉學(xué)科當(dāng)中，這一課程已成為當(dāng)今大學(xué)生物理教學(xué)中一個(gè)極為重要的組成部分．由于量子力學(xué)主要是描述微觀世界結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)與變化規(guī)律的學(xué)科，微小尺度下的許多自然現(xiàn)象與人們?nèi)粘Ｉ罱?jīng)驗(yàn)相距甚遠(yuǎn)，量子力學(xué)的概念有悖于人們的直覺，難以被初學(xué)者接受．如果在教學(xué)中能夠結(jié)合具體的物理實(shí)驗(yàn)，從現(xiàn)象到本質(zhì)引導(dǎo)學(xué)生思考，就可以使抽象的量子概念落實(shí)到對具體實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的歸納總結(jié)上來．偏振光實(shí)驗(yàn)是一個(gè)現(xiàn)象直觀而且學(xué)生容易操作的普通物理實(shí)驗(yàn)，在學(xué)生掌握的已有知識(shí)基礎(chǔ)上，進(jìn)行新內(nèi)容的教學(xué)，符合初學(xué)者的認(rèn)知規(guī)律．利用光的偏振現(xiàn)象來闡述量子力學(xué)基本概念已被一些國內(nèi)外經(jīng)典教材采納，如物理學(xué)大師狄拉克所著的《量子力學(xué)原理》［1］，費(fèi)因曼所著的《費(fèi)因曼物理學(xué)講義》［2］，曾謹(jǐn)言教授所著的《量子力學(xué)卷1》［3］，趙凱華、羅蔚茵教授合著的《量子物理》［4］等教材．在本文中，筆者結(jié)合自己的教學(xué)體驗(yàn)，著重從可觀測量和測量的角度來考慮問題，在以上經(jīng)典教材的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步整理和挖掘光子偏振所能體現(xiàn)的量子力學(xué)基本概念．從量子力學(xué)的角度對偏振實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析，使同學(xué)們對態(tài)空間、量子力學(xué)表象、波函數(shù)統(tǒng)計(jì)解釋、態(tài)疊加原理等量子力學(xué)概念有一個(gè)直觀形象的認(rèn)識(shí)，領(lǐng)會(huì)量子力學(xué)若干基本假定的內(nèi)涵思想．最后，從量子角度分析了一個(gè)有趣的偏振光實(shí)驗(yàn)，加深學(xué)生對量子力學(xué)基本概念的理解，并展示了量子力學(xué)的奇妙特性．

1偏振光實(shí)驗(yàn)的經(jīng)典解釋

如圖1(a)所示，沿著光線傳播的方向，順次擺放兩個(gè)偏振片P1、P2．光束經(jīng)過P1后變?yōu)榕c其透振方向一致且光強(qiáng)為I0的偏振光．兩偏振片P1和P2的透振方向之間夾角為θ，由馬呂斯定律可知，透過偏振片P2的光的強(qiáng)度為I0cos2θ．按照經(jīng)典的光學(xué)理論，此現(xiàn)象可理解如下:在一個(gè)與光傳播方向垂直的平面內(nèi)選定一個(gè)xy平面直角坐標(biāo)系，這里為了描述問題的方便，選定x軸沿P2的透振方向．如圖1(b)所示，透過偏振片P1的光電場矢量E可分解為兩個(gè)分量:沿x方向振動(dòng)的電場矢量Ex和沿y方向振動(dòng)的電場矢量Ey．偏振光照射到P2偏振片時(shí)，投影到y(tǒng)方向的電場矢量被吸收，投影到x方向的電場矢量透過，振幅增加了一個(gè)常數(shù)因子cosθ，因而強(qiáng)度變?yōu)樵瓉淼腸os2θ倍，這正是馬呂斯定律所給出的結(jié)果．

2偏振光實(shí)驗(yàn)體現(xiàn)的量子力學(xué)概念

下面我們由偏振光的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象出發(fā)，引出量子態(tài)、態(tài)空間等量子概念，并用量子力學(xué)的語言來描述單個(gè)光子與偏振片發(fā)生相互作用的過程，討論在多個(gè)光子情況下的量子行為與馬呂斯定律的一致性．

2．1量子態(tài)

從實(shí)驗(yàn)得知，當(dāng)線偏振光用于激發(fā)光電子時(shí)，激發(fā)出的光電子分布有一個(gè)優(yōu)越的方向(與光偏振方向有關(guān))，根據(jù)光電效應(yīng)，每個(gè)電子的發(fā)射對應(yīng)吸收一個(gè)光子，可見，光的偏振性質(zhì)是與它的粒子性質(zhì)緊密聯(lián)系的，人們必須把線偏振光看成是在同一方向上偏振的許多光子組成，這樣我們可以說單個(gè)光子處在某個(gè)偏振態(tài)上．沿x方向偏振的光束里，每個(gè)光子處在|x〉偏振態(tài)，沿y方向偏振的光束中，每個(gè)光子處在|y〉偏振態(tài)．假設(shè)我們在實(shí)驗(yàn)中把光的強(qiáng)度降到足夠低，以至于光子是一個(gè)一個(gè)到達(dá)偏振片的．在圖1所示的例子中，通過P1偏振片的光子處在沿P1透振方向的偏振態(tài)上，如果P2與P1透振方向一致(θ=0)，則此光子完全透過P2，如果P2與P1透振方向正交(θ=π/2)，則被完全吸收．如果P1與P2透振方向之間角度介于兩者之間，會(huì)是一種什么樣的情形，會(huì)不會(huì)有部分光子被吸收，部分光子透過的情況發(fā)生，但是實(shí)驗(yàn)上從來沒有觀察到部分光子的情形，只存在兩種可能的情況:光子變到量子態(tài)|y〉，被整個(gè)吸收;或變到量子態(tài)|x〉，完全透過．下面我們用量子力學(xué)的語言來描述單個(gè)光子與偏振片發(fā)生相互作用的過程，引入量子測量、態(tài)空間、表象、態(tài)疊加原理、波函數(shù)統(tǒng)計(jì)解釋等量子概念．

2．2量子測量、態(tài)空間、表象

單個(gè)光子與偏振片發(fā)生相互作用的過程，可以看成是一個(gè)量子測量的過程，偏振片作為一個(gè)測量裝置，迫使光子的偏振態(tài)在透振方向和與其相垂直的方向上作出選擇，測量的結(jié)果只有兩個(gè)，透過或被吸收，透過光子的偏振方向與透振方向一致，被吸收光子的偏振方向與透振方向垂直，可見光子經(jīng)過測量后只可能處在兩種偏振狀態(tài)，這正是量子特性的反應(yīng)．在量子力學(xué)中，針對一個(gè)具體的量子體系，對某一力學(xué)量進(jìn)行測量，測量后得到的值是這一力學(xué)量的本征值，我們稱它為本征結(jié)果，相應(yīng)的量子態(tài)坍縮到此本征結(jié)果所對應(yīng)的本征態(tài)上，所有可能的本征態(tài)則構(gòu)成一組正交、規(guī)一、完備的本征函數(shù)系，此本征函數(shù)系足以展開這個(gè)量子體系的任何一個(gè)量子態(tài)．很自然，我們在這里把經(jīng)過偏振片測量后，所得到的兩種可能測量結(jié)果(透過或吸收)作為本征結(jié)果，它們分別對應(yīng)的兩種偏振狀態(tài)，此兩種偏振狀態(tài)可以作為正交、規(guī)一、完備的函數(shù)系，組成一個(gè)完備的態(tài)空間，任何偏振態(tài)都可以按照這兩種偏振態(tài)來展開，展開系數(shù)給出一個(gè)具體的表示，這就涉及到量子力學(xué)表象問題．在量子力學(xué)中，如果要具體描述一個(gè)量子態(tài)通常要選擇一個(gè)表象，表象的選取依據(jù)某一個(gè)力學(xué)量(或力學(xué)量完備集)的本征值(或各力學(xué)量本征值組合)所對應(yīng)的本征函數(shù)系，本征函數(shù)系作為正交、規(guī)一、完備的基矢組可以用來展開任何一個(gè)量子態(tài)，展開系數(shù)的排列組合給出某一個(gè)量子態(tài)在具體表象中的表示．結(jié)合我們的例子，組成基矢組的兩種偏振狀態(tài)取決于和光子發(fā)生相互作用的偏振片，具體說來是由偏振片的透振方向決定．在具體分析問題時(shí)，為了處理問題的方便，光子與哪一個(gè)偏振片發(fā)生相互作用，在數(shù)學(xué)形式上，就把光子的偏振狀態(tài)按照此偏振片所決定的基矢組展開，這涉及到怎么合理選擇表象的問題．

2．3態(tài)疊加原理、波函數(shù)統(tǒng)計(jì)解釋

以上簡單的試驗(yàn)也可以作為一個(gè)形象的例子來說明量子力學(xué)中的態(tài)疊加原理．態(tài)疊加原理的一種表述為［5］:設(shè)系統(tǒng)有一組完備集態(tài)函數(shù){φi}，i=1，2，．．．，t，則系統(tǒng)中的任意態(tài)|ψ〉，可以由這組態(tài)函數(shù)線性組合(疊加)而成(1)另一種描述為:如果{φi}，i=1，2，．．．，t是體系可以實(shí)現(xiàn)的狀態(tài)(波函數(shù))，則它們的任何線性疊加式總是表示體系可以實(shí)現(xiàn)的狀態(tài)．在我們的例子中，任何一個(gè)偏振片所對應(yīng)的透振態(tài)和吸收態(tài)構(gòu)成完備集態(tài)函數(shù)，任何一個(gè)偏振態(tài)都能夠在以此偏振片透振方向所決定的基矢組中展開，參照圖1所示，通過偏振片P1的偏振態(tài)可以在以偏振片P2透振方向所決定的基矢組{|x〉，［y)}中表示為(2)相反，|x〉、|y〉基矢的任意疊加態(tài)也都是光子可能實(shí)現(xiàn)的偏振態(tài)．量子力學(xué)還假定，當(dāng)物理體系處于疊加態(tài)式(1)時(shí)，可以認(rèn)為體系處于φi量子態(tài)的概率為|ci|2．從前面的分析我們知道，當(dāng)用偏振片P2對偏振態(tài)|P1〉進(jìn)行測量時(shí)，此狀態(tài)隨機(jī)地坍縮到|x〉偏振態(tài)或|y〉偏振態(tài)，坍縮到|x〉偏振態(tài)的概率為cos2θ，也就是單個(gè)光子透過偏振片的概率，多次統(tǒng)計(jì)的結(jié)果恰好與馬呂斯定律相對應(yīng)，這充分體現(xiàn)了波函數(shù)的概率統(tǒng)計(jì)解釋．

3典型例子

在教學(xué)中我們可以引入一個(gè)有趣形象的例子，進(jìn)一步加深對量子力學(xué)基本概念的理解．如圖2(a)所示，一束光入射到兩個(gè)順序排列的偏振片上，偏振片P3的透振方向相對于偏振片P1的透振方向順時(shí)針轉(zhuǎn)過90°角，我們不妨在一個(gè)與光傳播方向垂直的平面內(nèi)選定一個(gè)xy平面直角坐標(biāo)系，P1的透振方向沿x軸，P3的透振方向沿y軸．光通過偏振片P1后變成光強(qiáng)為I0的偏振光，偏振方向與偏振片P1透振方向平行，但與P3的透振方向垂直，則光完全被偏振片P3吸收，不能透過．下面我們將看到一個(gè)有趣的現(xiàn)象，在偏振片P1和偏振片P3間插入一個(gè)偏振片P2，其透振方向在P1和P3之間，這時(shí)光竟可以透過P3偏振片．對此試驗(yàn)，我們可由馬呂斯定律給出經(jīng)典的解釋．我們不妨設(shè)P2的透振方向相對于P1順時(shí)針轉(zhuǎn)過45°角，通過偏振片P1后，變?yōu)楣鈴?qiáng)是I0的偏振光，且偏振方向與P1透振方向一致;再通過偏振片P2后，光強(qiáng)變?yōu)镮0/2，偏振方向沿順時(shí)針轉(zhuǎn)過45°角，與偏振片P2透振方向一致;最后通過偏振片P3后，光強(qiáng)進(jìn)一步減弱為I0/4，偏振方向又沿順時(shí)針改變45°角，與偏振片P3透振方向一致．可以看到一個(gè)有趣的現(xiàn)象，雖然介于偏振片P1和P2間的光束其偏振方向與偏振片P3的透振方向正交，但最后透過偏振片P3的光束其偏振方向卻恰恰沿偏振片P3的透振方向，這正是中間偏振片P2所起的作用．下面用我們前面分析偏振光與偏振片相互作用過程中，所建立起來的量子概念給出具體解釋．取直角坐標(biāo)系xy，x軸沿偏振片P1的透振方向，基矢組為{|x〉，［y)};由偏振片P2的透振方向所決定的基矢組為{|x'〉，［y')}，其透振方向沿x'方向，如圖3所示，兩組基矢之間的關(guān)系可表示為(3)由偏振片P3所決定的基矢組仍為{|x〉，|y〉}，不過透過的光子處在|y〉基矢態(tài)．光子透過偏振片P1后，其偏振狀態(tài)處在|x〉態(tài)，由式(3)，此狀態(tài)可以按P2的基矢組展開為(4)根據(jù)式(4)，經(jīng)過P2偏振片的測量，光子有1/2的概率坍縮到|x'〉態(tài)，光子透過P2，有1/2的概率坍縮到|y'〉態(tài)，光子被吸收．由式(3)，|x'〉態(tài)在由偏振片P3所決定的基矢組同樣展開為3的測量下，偏振狀態(tài)發(fā)生改變，有1/2的概率坍縮到|y〉態(tài)，透過偏振片，有1/2的概率坍縮到|x〉態(tài)，被偏振片吸收，總體來說透過偏振片P1的光子有1/4的概率透過偏振片P3，與經(jīng)典的馬呂斯定律相一致．特別注意到光子透過偏振片P1后，狀態(tài)為|x〉態(tài)，與|y〉態(tài)正交，沒有|y〉態(tài)的組分，但光子透過偏振片P3后卻正處在|y〉態(tài)，這充分體現(xiàn)了測量可以使量子態(tài)改變的量子假定，展示了量子測量的奇妙特性．

4總結(jié)

結(jié)合對偏振光實(shí)驗(yàn)的量子解釋，我們分析了若干重要的量子力學(xué)概念．但嚴(yán)格說來，光子的問題不屬于量子力學(xué)問題，只有在量子場論中才能處理．采用光子的偏振情形來討論某些量子概念，理論上雖稍欠嚴(yán)謹(jǐn)，但如上文所述，確實(shí)能夠直觀形象地反映量子力學(xué)中的若干基本假定，使抽象的量子力學(xué)概念落實(shí)到對具體實(shí)驗(yàn)的分析中來，易于被初學(xué)者接受，我們不妨在學(xué)生開始學(xué)習(xí)量子力學(xué)時(shí)引入此例，有助于學(xué)生理解抽象的量子概念，領(lǐng)會(huì)量子力學(xué)的思維方式．

參考文獻(xiàn):

［1］狄拉克．量子力學(xué)原理［M］．北京:科學(xué)出版社，1966．

［2］費(fèi)因曼．費(fèi)因曼物理學(xué)講義［M］．上海:上海科學(xué)出版社，2005．

［3］曾謹(jǐn)言．量子力學(xué)卷1．［M］．北京:科學(xué)出版社，2006．

［4］趙凱華，羅蔚茵．量子物理［M］．北京:高等教育出版社，2001．

篇3

摘要：量子力學(xué)與相對論一起被認(rèn)為是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大基本支柱。隨著數(shù)字媒體業(yè)的迅猛發(fā)展，當(dāng)今世界已進(jìn)入信息風(fēng)暴的時(shí)代，媒體與藝術(shù)的高結(jié)合性與訴求性使人們不得不用科學(xué)的眼光重新審視。本文從兩種科學(xué)理論出發(fā)，闡述媒體與藝術(shù)的科學(xué)特性，同時(shí)將科學(xué)的研究方法融入媒體與藝術(shù)的研究當(dāng)中，提出傳播擴(kuò)展粒度的新觀念，有助于判定數(shù)字媒介擴(kuò)展空間量的大小。

關(guān)鍵詞：量子力學(xué)；相對論；媒體；傳播擴(kuò)展粒度；藝術(shù)；科學(xué)

隨著媒體業(yè)的迅猛發(fā)展，當(dāng)今世界已進(jìn)入信息風(fēng)暴的時(shí)代，媒體與藝術(shù)的高結(jié)合性與訴求性使人們不得不用科學(xué)的眼光重新審視。清華大學(xué)是中國最重要的高等學(xué)府之一，同時(shí)也是國家核心研究機(jī)構(gòu)。在清華大學(xué)設(shè)有“藝術(shù)科學(xué)中心媒體實(shí)驗(yàn)室”，將藝術(shù)與科學(xué)的融合視為21世紀(jì)高等教育的重要命題。由此可見，對媒體、藝術(shù)與科學(xué)三者的融合研究具在時(shí)代價(jià)值。

目前研究者們依托于前沿的科學(xué)理論和技術(shù)成果，在數(shù)字媒體方向不斷創(chuàng)新，采用新的藝術(shù)技法和表達(dá)媒介，彰顯人文關(guān)懷與藝術(shù)反思，表現(xiàn)出鮮明的生態(tài)文化特征和信息文化特征。[1] 在探求媒體、藝術(shù)、科學(xué)三者之間的關(guān)系以及未來的發(fā)展趨勢時(shí)，很多專家學(xué)者從技術(shù)應(yīng)用的角度進(jìn)行推測與分析。本文另辟蹊徑，從物理學(xué)兩大基本理論――量子力學(xué)與相對論出發(fā)，將科學(xué)的研究方法融入“大媒體”、“大藝術(shù)”的研究當(dāng)中，提出傳播擴(kuò)展粒度的新觀念。

1 科學(xué)與媒體的分類與特性

（1）兩大科學(xué)基本支柱。1）量子力學(xué)。量子力學(xué)是描寫微觀物質(zhì)的一種物理學(xué)理論。馬克斯?普朗克在1900年提出能量量子化假設(shè)。假定電磁波的發(fā)射和吸收不是連續(xù)的，而是一份一份地進(jìn)行的，計(jì)算的結(jié)果才能和試驗(yàn)結(jié)果相符。量子力學(xué)測量時(shí)假設(shè)的顯態(tài)與實(shí)際微觀體系中的隱態(tài)，造就了量子力學(xué)的前提。2）相對論。在狹義相對論中，愛因斯坦將空間與時(shí)間聯(lián)系起來。認(rèn)為物理的現(xiàn)實(shí)世界由時(shí)空坐標(biāo)t和空間坐標(biāo)x、y、z組成的，構(gòu)成了四維的明可夫基里平直時(shí)空。在相對論中，用四維方式考察現(xiàn)實(shí)世界，能量與動(dòng)量構(gòu)成一個(gè)不可分割的整體――四維動(dòng)量，自然界一些看似毫不相干的量之間可能存在深刻的聯(lián)系。

（2）媒體的分類與特性。1）媒體分類。從技術(shù)角度分類，可以分為感覺媒體、表示媒體、呈現(xiàn)媒體、存儲(chǔ)媒體、傳輸媒體。按照感覺器官來分可以分為視覺媒體、聽覺媒體、視聽媒體。媒體按照使用媒介的不同可以分為數(shù)字媒體和傳統(tǒng)媒體。[2]2）媒體特性。數(shù)字媒體和傳統(tǒng)媒體共有的特性均具有傳播性。數(shù)字媒體較之傳統(tǒng)媒體又具有交互性，例如游戲及動(dòng)態(tài)網(wǎng)站與受眾間的交互性信息傳遞。同時(shí)藝術(shù)與技術(shù)的結(jié)合，打造了1+1≠1的效果。相對于傳統(tǒng)媒體，數(shù)字媒體不但具有共同的社會(huì)屬性，更具有個(gè)性。例如一些網(wǎng)上的個(gè)以及可以按照個(gè)性定制的交互式服務(wù)。另外數(shù)字媒體相對比較環(huán)保綠色，同一時(shí)間段內(nèi)覆蓋面積更大、受眾更多、相對成本更低廉、單位性價(jià)比更高、更容易共享和傳播、藝術(shù)形態(tài)更多樣。數(shù)字媒體帶給人們?nèi)碌纳罘绞?，改變了人的思維和生活的方式。

2 媒體、藝術(shù)與科學(xué)的關(guān)系

（1）媒體、藝術(shù)與科學(xué)是密不可分、相互滲透的。媒體是藝術(shù)與科學(xué)的承載。而數(shù)字媒體平臺(tái)與網(wǎng)絡(luò)又是建立在迅速發(fā)展的科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)之上。當(dāng)利用技術(shù)手段搭建的平臺(tái)在運(yùn)營的過程中，根據(jù)受眾的需求又有藝術(shù)的訴求。藝術(shù)離不開科學(xué)，沒有媒體與科學(xué)對藝術(shù)的詮釋，藝術(shù)只是一句空談。例如音樂的展現(xiàn)需要有播放的平臺(tái)、相關(guān)設(shè)備及環(huán)境、錄音技術(shù)手段的支持；優(yōu)美的圖畫需要紙張等媒介以及繪畫技法來表現(xiàn)；震撼清晰的畫面需要高質(zhì)量的播放平臺(tái)與優(yōu)良的制作技術(shù)。

（2）藝術(shù)與科學(xué)是相通的。有人說：每個(gè)人都是天生的藝術(shù)家。藝術(shù)來源于生活，是人感官的享受?？茖W(xué)來源于自然，是人類探求真理的結(jié)晶，電影、電視、游戲等均是藝術(shù)與科學(xué)技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。

（3）借助媒體，藝術(shù)與科學(xué)的發(fā)展是相互促進(jìn)的。隨著物質(zhì)文明與精神文明的發(fā)展，人類在精神世界的訴求急于尋求實(shí)現(xiàn)的平臺(tái)與途徑。社會(huì)觀念的變革、人類思想的解放、對美好事物的追求促進(jìn)科學(xué)技術(shù)的更新發(fā)展。與此同時(shí)，科學(xué)技術(shù)的變革反作用于藝術(shù)理念的提升，使人們站在一個(gè)新的平臺(tái)上審視藝術(shù)。十報(bào)告中指出“促進(jìn)文化和科技融合，發(fā)展新型文化業(yè)態(tài)，提高文化產(chǎn)業(yè)規(guī)?；?、集約化、專業(yè)化水平。”充分體現(xiàn)了三者間的關(guān)系。[3] 媒體、藝術(shù)與科學(xué)在當(dāng)今“信息風(fēng)暴”的時(shí)代是相互促進(jìn)、相互滲透的。

3 媒體、藝術(shù)的科學(xué)性論述

量子理論與相對理論較好的詮釋了媒體、藝術(shù)的科學(xué)性。

3.1 量子力學(xué)與相對論在藝術(shù)創(chuàng)造中的體現(xiàn)

（1）蒙太奇方法的時(shí)空轉(zhuǎn)換。蒙太奇方法是常用的視頻信息流的組建方法。但因?yàn)槊總€(gè)人的關(guān)注點(diǎn)不同，針對同樣的素材，利用蒙太奇方法產(chǎn)生的效應(yīng)也不同。針對大多數(shù)人的認(rèn)知習(xí)慣，蒙太奇方法是有共同點(diǎn)的，所產(chǎn)生的主觀認(rèn)知理解也是一樣的。而對于某種特定人群可能并沒有意義或者對其釋義根本是相對的。相對于主觀來講，找到最美的表現(xiàn)瞬間是重要的。例如，在《猜火車》電影中“廁所撿物品”的鏡頭，主人公將頭伸入骯臟的廁所中，而畫面中出現(xiàn)的卻是主人公在臆想中的漂亮“海洋”里遨游。這是時(shí)空的轉(zhuǎn)換，是視覺環(huán)境的強(qiáng)烈對比，同時(shí)也是蒙太奇手法的運(yùn)用，是相對論的體現(xiàn)。

篇4

Abstract： Starting from the origin of the word "atoms"， this paper demonstrates the materialist view of the material and the evolution from material to physicalism in the process of human development by the time sequence of the development process of science and technology. This paper expounds the connotation and characteristics of contemporary physicalism. Compared with the engineering education of engineering postgraduate students， it analyzes the important positions of physicalism and engineering philosophical thought in the postgraduate education.

關(guān)鍵詞： 研究生教育;唯物主義;物理主義

Key words： postgraduate education; materialism; physicalism

中圖分類號(hào)：B0-0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2015）04-0325-02

0 引言

如何界定物質(zhì)與意識(shí)二者的主客關(guān)系歷來是唯物主義與唯心主義渭涇之分的界河。辯證唯物主義物質(zhì)本體論認(rèn)為世界根源是物質(zhì)，世間的一切都要?dú)w于物質(zhì)。各種看上去似乎非物質(zhì)的事物，如：生命、意識(shí)、道德、社會(huì)等表象，本質(zhì)都為物質(zhì)，它們的存在皆依附于物質(zhì)的存在，性質(zhì)由物質(zhì)所決定[1]。辯證唯物主義是以物質(zhì)為核心的一元論科學(xué)，是近代哲學(xué)理論的精髓之一[2]。唯心主義認(rèn)為物質(zhì)及其屬性只是一種表象，不具有第一性，真正實(shí)在的是非物質(zhì)的，物質(zhì)世界的存在依賴于某種獨(dú)立存在的心靈[3]?？陀^唯心主義代表人物柏拉圖認(rèn)為“真正實(shí)在的某種抽象非物質(zhì)屬性或結(jié)構(gòu)的存在不依賴于時(shí)空，可以是永恒不變的形式或共相”，而主觀唯心主義典型代表貝克萊則認(rèn)為“物質(zhì)世界的存在依賴于某種獨(dú)立存在的心靈”。上世紀(jì)中葉，經(jīng)過實(shí)證主義和行為主義大潮洗滌，唯心主義已黯然失色，悄然離去。

1 唯物主義與物理主義

“原子”這一概念源于古希臘自然哲學(xué)家留基波和德謨克利特，他們提出的原子論代表了唯物主義對于物質(zhì)本性的一種主要理論觀點(diǎn)――辯證唯物主義世界觀。辯證唯物主義者認(rèn)為世間一切都是物質(zhì)的――物質(zhì)本體論。物質(zhì)由原子構(gòu)成，而原子是一些微小的粒子，是最小單元，它們在不停地運(yùn)動(dòng)著。這些微粒不會(huì)消亡也不會(huì)再生、它們具有一定的質(zhì)量、占據(jù)時(shí)空、靠原子間的碰撞聚集形成宏觀物體――“原子旋渦”學(xué)。然而，二十世紀(jì)初，隨著科學(xué)家對原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)的深入，厄內(nèi)斯特?盧瑟福提出原子結(jié)構(gòu)理論并發(fā)表最重要的科學(xué)文章：在《哲學(xué)研究》上發(fā)表兩篇《物質(zhì)對α、β粒子的散射和原子的結(jié)構(gòu)》（1911）、《原子的結(jié)構(gòu)》（1914），這種觀點(diǎn)被徹底顛覆[4，5]。同時(shí)，伴隨著電子、質(zhì)子、中子、光子、聲子、輕子、介子和中微子等不斷地相繼被發(fā)現(xiàn)，人們發(fā)現(xiàn)粒子是可再分的，并將基本粒子歸于四大類：夸克、輕子、規(guī)范玻色子和希格斯粒子，成功建立了粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型，在數(shù)百種眾多的基本粒子中除光子、中微子、電子、質(zhì)子等少數(shù)粒子性能穩(wěn)定與壽命長外，其它都瞬息即逝，粒子也可消亡[6]。辯證唯物主義的物質(zhì)觀受到猛烈沖擊與撼動(dòng)，從而，促使人類以全新的視角重新審視物質(zhì)。

20世紀(jì)50年代，人類開始研究時(shí)間非對稱理論，玻耳茲曼格子方法得到推廣應(yīng)用。量子力學(xué)、宇宙學(xué)、耗散結(jié)構(gòu)、混沌等物理學(xué)初露，1964年貝爾建立一套定域?qū)嵲谡摬⒌玫截悹柌坏仁剑绹锢韺W(xué)家萊格特2003年建立一套非定域?qū)嵲谡?，并推證得到萊格特不等式。量子力學(xué)公設(shè)與經(jīng)典物理學(xué)有著本質(zhì)的不同，它給予概率基礎(chǔ)地位。玻爾指出：“量子理論精髓，可以用量子公設(shè)表示”。量子力學(xué)以薛定諤方程為基礎(chǔ)，核心是幾率因果性和物理實(shí)在問題，用主量子數(shù)n、角量子數(shù)I、磁量子數(shù)m、自旋量子數(shù)ms等四個(gè)量子態(tài)概念表征微觀體系狀態(tài)，深化了人們對物理實(shí)在的理解。基于現(xiàn)代物理學(xué)理論，無論物質(zhì)以何種形式存在，辯證唯物主義提到的物質(zhì)將不再是唯一實(shí)在的。在現(xiàn)代物理學(xué)沖擊下，傳統(tǒng)物質(zhì)觀變得不甚一擊，此時(shí)，唯物主義者已難以給出“物質(zhì)”精準(zhǔn)定義。恩格斯指出：“隨著自然科學(xué)領(lǐng)域中每一個(gè)劃時(shí)代的發(fā)現(xiàn)，唯物主義也必然要改變自己的形式”。為此“物理主義”應(yīng)運(yùn)而生，唯物主義遞升為物理主義。物理主義規(guī)避了唯物主義者面對的難題，承繼著唯物主義傳遞的火炬，繼續(xù)與唯心主義抗衡。“物理主義”被視為唯物主義在當(dāng)代的發(fā)展，是唯物主義最新翻版，最新形式。物理主義者視自己為唯物主義繼承人，發(fā)揚(yáng)了唯物主義。

2 物理主義的掘起

所謂物理主義是從心靈哲學(xué)中發(fā)展起來的一種形而上學(xué)的觀點(diǎn)[7]，最早由紐拉特和卡爾納普在1930年將“物理主義”一詞引入哲學(xué)領(lǐng)域，并將其視為一個(gè)語義學(xué)論點(diǎn)。物理主義的核心是“一切都是物理的”。目前，存在十多個(gè)版本的物理主義，包括：先天物理主義、后天物理主義、戴維森的非還原物理主義、還原式物理主義等。嚴(yán)格地講，物理主義僅僅是關(guān)于心靈或心身關(guān)系的一個(gè)形而上學(xué)的綱領(lǐng)。物理主義哲學(xué)家希望通過物理方法證明現(xiàn)實(shí)世界的物理特性一定會(huì)決定現(xiàn)實(shí)世界相對應(yīng)的意識(shí)感受特性。各種版本的物理主義都是對心理―物理關(guān)系的一種解答[8]。在眾多的版本中，本體論自然主義具有最強(qiáng)音。本體論是一種追求“本質(zhì)”，“真理”的哲學(xué)理論。如：對原子結(jié)構(gòu)的闡釋應(yīng)用的是量子場中粒子本體論及規(guī)范場論中的規(guī)范玻色子。自然主義認(rèn)為自然科學(xué)方法是最可靠的、也是唯一可靠的認(rèn)識(shí)世界的方法。將物理主義看成自然主義，主要根源是大多數(shù)的物理主義者同時(shí)也是自然主義者。馬克思的所謂自然主義是指用自然界及其規(guī)律來解釋一切的學(xué)說[9]。

物理主義存在兩大論證：方法論自然主義和因果閉合性。

方法論自然主義觀點(diǎn)認(rèn)為世界根據(jù)自然規(guī)律運(yùn)動(dòng)，人類可以根據(jù)自然規(guī)律去認(rèn)識(shí)世界，這種認(rèn)知無須涉及超自然的力量。使用方法論假設(shè)可觀察的自然現(xiàn)象只能由自然原因來解釋，而不假設(shè)超自然能力是否存在，因此也不接受超自然的解釋。佩洛克提醒人們要注意區(qū)分方法論自然主義與形而上學(xué)自然主義，后者是一種唯物主義的無神論觀念，它認(rèn)為自然就是人們所見到的那樣，不以上帝或人們的意志為轉(zhuǎn)移。佩洛克指出：方法論的自然主義并沒有承諾直接表明世界中存在著什么，而是作為承諾去尋求一組有關(guān)理解世界的可靠途徑的方法，典型的是自然科學(xué)的方法，直接去關(guān)注這些方法能夠發(fā)現(xiàn)什么。

18世紀(jì)，康德提出了太陽系起源的星云學(xué)說，原子論和元素論開創(chuàng)了化學(xué)實(shí)驗(yàn)的科研模式，最終建立了現(xiàn)代原子學(xué)說。熱質(zhì)說和以太說引領(lǐng)了熱力學(xué)、光學(xué)和電磁波理論的發(fā)展。量子規(guī)范場論和粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的成功，標(biāo)志著理論物理學(xué)的建立。達(dá)爾文的進(jìn)化論、牛頓的能量守恒定律、德國生物學(xué)家M.J.施萊登和T.A.H.施萬提出的細(xì)胞學(xué)說、托馬斯―摩爾根創(chuàng)建的現(xiàn)代基因?qū)W說，這些自然科學(xué)結(jié)論在一定程度上揭示了自然界在特定領(lǐng)域中的普遍存在的內(nèi)在規(guī)律，從而證明物理科學(xué)理論是一個(gè)封閉系統(tǒng)[10]。早在1970年斯泰因已指出：“量子場論是形而上學(xué)研究的當(dāng)代焦點(diǎn)”。薛定諤方程只適用于封閉量子系統(tǒng)，量子態(tài)遵循決定論的演化。凝聚態(tài)物理學(xué)的自發(fā)性對稱破缺概念啟示人類，心靈是一種隨對稱性降低、復(fù)雜性增加和自組織發(fā)展而突現(xiàn)的高級性質(zhì)。20世紀(jì)理論物理學(xué)的兩大進(jìn)展，廣義相對論的創(chuàng)立和量子力學(xué)的興起，從兩個(gè)不同的角度對經(jīng)典物理學(xué)發(fā)起挑戰(zhàn)，廣義相對論重創(chuàng)了粒子或場所處的經(jīng)典時(shí)空概念，量子力學(xué)否定了經(jīng)典物質(zhì)概念。若將宇宙作為一整體研究，量子力學(xué)適用范圍受到制約，出現(xiàn)了邊界效應(yīng)，量子力學(xué)與廣義相對論對“黑洞―萬有引力”現(xiàn)象的解釋相悖論，為此，需要建立新的“量子引力”理論，包括大爆炸和弦理論。這就是物理主義的因果閉合性的典型表現(xiàn)。

3 研究生教育中“物理主義”滲透

工科研究生教學(xué)中觸及的“物理主義”概念繁雜、精深，如何在教學(xué)中向?qū)W生滲透“物理主義”概念、思維及方法，如何培養(yǎng)學(xué)生的懷疑批判精神，培養(yǎng)學(xué)生的工程哲學(xué)理念與思想，是每位研究生導(dǎo)師的必修課。

工程哲學(xué)思想的起源可追溯到19世紀(jì)早期至20世紀(jì)中葉，“工程哲學(xué)”概念通常是指建立在技術(shù)哲學(xué)基礎(chǔ)上的一種新的哲學(xué)語義詞。工程哲學(xué)主要涉及工程本體論、工程知識(shí)、工程倫理、工程設(shè)計(jì)、工程教育等內(nèi)容，這些知識(shí)在工科研究生教學(xué)中舉足輕重，研究生導(dǎo)師必須清楚理解、掌握并深入研究，才能更好的指導(dǎo)學(xué)生。

工科碩士研究生畢業(yè)后多數(shù)從事工程技術(shù)工作或工程活動(dòng)，所謂工程技術(shù)工作或工程活動(dòng)是通過某個(gè)群體或個(gè)體的勞動(dòng)創(chuàng)造使用價(jià)值的過程。工程活動(dòng)包含微觀、中觀、宏觀三個(gè)層次[11]，微觀層次涉及工程設(shè)計(jì)人員、工程項(xiàng)目和工程企業(yè)，中觀層次涉及產(chǎn)業(yè)、集群、區(qū)域，宏觀層次涉及國家乃至全球工程整體，需要多維度的組織與管理。針對這一現(xiàn)象，工科碩士研究生在校的工程教育問題尤為重要，主要是工程學(xué)科專業(yè)課程設(shè)置的科學(xué)性、適用性、前瞻性、工程學(xué)位審定的合理性與公允性等。工程設(shè)計(jì)是工科研究生主要訓(xùn)煉項(xiàng)目，涉及不同工程領(lǐng)域中不同設(shè)計(jì)方法的講授、工程設(shè)計(jì)思維的培養(yǎng)及訓(xùn)煉、工程設(shè)計(jì)能力的實(shí)踐鍛煉等，導(dǎo)師應(yīng)當(dāng)從具體的案例分析入手對上述各問題進(jìn)行闡述，在教授過程中伴隨著物理主義思想的“滲透”。

參考文獻(xiàn)：

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[11]李伯聰.工程的三個(gè)層次：微觀中觀和宏觀[J].自然辯證法通訊，2011，23（3）：25-31.

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篇5

假如地球完全由質(zhì)子構(gòu)成，而月球完全由電子構(gòu)成，那會(huì)如何？

這是一個(gè)頗具破壞性的假設(shè)場景。

你的想象也許是，電子月球沿軌道繞著質(zhì)子地球運(yùn)轉(zhuǎn)，有點(diǎn)像一個(gè)巨大無比的氫原子。在某種程度上，這種假設(shè)模型是有意義的。畢竟事實(shí)就是如此，電子繞著質(zhì)子轉(zhuǎn)，衛(wèi)星繞著行星轉(zhuǎn)。而且，這種行星的類原子模型曾一度非常流行，盡管很快科學(xué)家就證明它對理解原子沒什么幫助。（這種模型在20世紀(jì)20年代就已經(jīng)基本被淘汰，但我在六年級的科學(xué)課上，還自己動(dòng)手繪制過這樣一幅精致的透視圖。）

如果將兩個(gè)電子放在一起，二者會(huì)相互排斥，努力飛離對方。電子帶負(fù)電荷，電荷間的斥力強(qiáng)于它們間的引力約20個(gè)數(shù)量級。

如果將1052個(gè)電子放到一起構(gòu)成一個(gè)月球，它們間的斥力之強(qiáng)可想而知。事實(shí)上，強(qiáng)大的斥力將使每個(gè)電子都被難以想象的巨大能量猛力推開。

在本文假設(shè)的這種場景下，上文所說的那種行星模型更是大錯(cuò)特錯(cuò)。月球不會(huì)環(huán)繞地球，因?yàn)樗鼈冎g幾乎無法相互影響。（我的意思是，此處現(xiàn)實(shí)中的月球被替換成一個(gè)與其質(zhì)量和大小都相當(dāng)?shù)?、由電子組成的球體，質(zhì)子地球的情況與此相同。其實(shí)還有其他解釋，但這不影響最終的結(jié)果。）企圖相互分離的斥力將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于它們之間的引力。

如果我們暫時(shí)忽略廣義相對論（當(dāng)然我們不能完全否定它，總還是要回到廣義相對論的），就能計(jì)算得出這樣的結(jié)論：電子間相互排斥的能量能夠?qū)⑺鼈兊乃俣燃涌斓浇咏馑伲ǖ粫?huì)超過光速。此情景下我們姑且忽略廣義相對論，但狹義相對論仍要遵守）。加速粒子達(dá)到這樣的高速并不罕見，一臺(tái)桌面粒子加速器就可以將電子加速到接近光速。但是，本文假設(shè)的月球的能量大大超過普通加速器所能達(dá)到的級別，要比普朗克能量還高出幾個(gè)數(shù)量級，即使是最大的加速器，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到這個(gè)能量水平。換句話說，這里提出的這個(gè)問題，已經(jīng)超出目前的物理學(xué)水平，進(jìn)入更高級別的理論領(lǐng)域，比如量子引力和弦理論領(lǐng)域了。

我聯(lián)系了辛迪?基勒博士，她是玻爾研究所的一位弦理論學(xué)家。我向她解釋了本文的假設(shè)場景，她也談了談她的想法。

基勒博士同意我們的觀點(diǎn)，即我們不能寄希望于計(jì)算出每個(gè)電子攜帶的能量，以此來解決這個(gè)問題，因?yàn)檫@遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了目前已有加速器所能進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)范圍?！拔也幌嘈艈蝹€(gè)粒子的能量能超出普朗克能量。目前觀測到的最大能量來自宇宙射線，大約超過大型強(qiáng)子對撞機(jī)的106倍，但這仍然小于普朗克能量。作為一名弦理論學(xué)家，我想說，任何事情都有可能發(fā)生，但事實(shí)究竟是怎樣的，我們確實(shí)一無所知?！?/p>

幸運(yùn)的是，故事遠(yuǎn)沒有結(jié)束。你還記得嗎，我們最初假設(shè)忽略廣義相對論不計(jì)。那么，在一個(gè)非常非常特殊的情況下，引入廣義相對論會(huì)使問題變得易于解決。

在這種情形下，存在巨大的潛在能量――所有電子爆炸時(shí)產(chǎn)生的能量。這一能量將使時(shí)空發(fā)生扭曲，如同大質(zhì)量扭曲時(shí)空一樣。（如果我們讓能量爆炸，電子以光速相互遠(yuǎn)離，我們將會(huì)看到，能量實(shí)際上表現(xiàn)為質(zhì)量的形式，電子相應(yīng)地獲得了質(zhì)量。）那么電子月球具有的巨大能量，將大致相當(dāng)于整個(gè)可觀測宇宙的總質(zhì)量和能量。

當(dāng)整個(gè)宇宙的質(zhì)量和能量都集中在我們假設(shè)的這個(gè)（相對較小的）月球上時(shí)，它將嚴(yán)重地扭曲時(shí)空，其力度之強(qiáng)，足以克服1052個(gè)電子相互間的斥力。

基勒博士說：“是的，這其實(shí)就是黑洞?！钡⒎瞧胀ㄒ饬x上的黑洞，而是帶有大量電荷的黑洞。（質(zhì)子地球也是這種類型的黑洞，只是所帶電荷數(shù)要比電子月球少。因?yàn)榈厍蛸|(zhì)量那么多的質(zhì)子所帶的電荷少于月球質(zhì)量電子所帶的電荷，所以盡管質(zhì)量懸殊，結(jié)果卻不會(huì)受到多大影響。）因此，相應(yīng)的反應(yīng)式也有所不同，并不是標(biāo)準(zhǔn)的施瓦茨西爾德半徑（施瓦德西爾茨半徑是所有具重力的質(zhì)量間的臨界半徑。在天文學(xué)上，當(dāng)一個(gè)天體的半徑低于施瓦茨半徑時(shí)，就會(huì)成為黑洞――譯者注）。這樣，我們就需要求助雷斯勒- 諾德斯特洛姆度規(guī)（雷斯勒- 諾德斯特洛姆度規(guī)是廣義相對論中描述靜態(tài)球?qū)ΨQ帶電物體的引力場的度規(guī)，是廣義相對論的一個(gè)著名的精確解。具有這種度規(guī)形式的黑洞被稱為雷斯勒- 諾德斯特洛姆黑洞――譯者注）。

在某種意義上，雷斯勒-諾德斯特洛姆度規(guī)將電荷的內(nèi)在力量比作重力的外拉力。如果電荷向外的斥力足夠大，黑洞外緣的事件視界很可能完全消失。這樣一來，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)裸奇點(diǎn)，這是一個(gè)密度無限大的東西，光都無法從中逃脫。

一旦你假設(shè)存在這樣一個(gè)裸奇點(diǎn)，從某種層面講，物理學(xué)就已經(jīng)瓦解了。在這種情況下，量子力學(xué)和廣義相對論給出的答案近乎荒謬，而且是不同意義上的荒謬。有人認(rèn)為，物理學(xué)法則不允許這種情況發(fā)生。正如基勒博士所說：“沒人會(huì)喜歡存在裸奇點(diǎn)這一事實(shí)?！?/p>

在電子月球的例子中，這些電子間的斥力如此之大，以致月心引力足夠強(qiáng)，那么奇點(diǎn)就會(huì)形成黑洞。不過，這個(gè)黑洞從某種層面來說并不普通，它將是一個(gè)與可觀測宇宙同樣大小的黑洞。（一個(gè)與可觀測宇宙同樣大小的黑洞，直徑可以達(dá)到138億光年。宇宙的年齡大概是138億年，因此有人認(rèn)為我們的宇宙就是一個(gè)黑洞。但事實(shí)并非如此。）

如此巨大的黑洞是否會(huì)使我們的宇宙崩塌呢？這很難說。答案取決于我們怎么處理暗能量這個(gè)概念。然而，究竟如何理解暗能量，沒有人能給出確定的回答。

但是，至少目前來看，我們的臨近星系是安全的。黑洞的引力影響只能以光速向外擴(kuò)散，我們周圍的宇宙對這一可笑的電子月球?qū)嶒?yàn)仍舊渾然不知。

延伸閱讀

馬克斯?普朗克，德國著名的物理學(xué)家和量子力學(xué)的重要?jiǎng)?chuàng)始人，與愛因斯坦并稱為20世紀(jì)最重要的兩大物理學(xué)家。

大約1894年起，普朗克開始研究黑體輻射問題，發(fā)現(xiàn)了普朗克輻射定律，并在論證過程中提出能量子概念和普朗克常數(shù)，成為微觀物理學(xué)中最基本的概念和極為重要的普適常量。1900年12月14日，普朗克在德國物理學(xué)會(huì)上報(bào)告了這一發(fā)現(xiàn)，成為量子論誕生和新物理學(xué)革命宣告開始的偉大時(shí)刻。由于這一發(fā)現(xiàn)，普朗克獲得了1918年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

篇6

原子物理學(xué)是研究原子結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)規(guī)律及相互作用的學(xué)科，是物理學(xué)專業(yè)的基礎(chǔ)課程，也是核類專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，上承經(jīng)典物理學(xué)，下接量子力學(xué)和原子核物理等重要課程。相比經(jīng)典物理學(xué)課程原子物理學(xué)有很大差別，首先，原子物理學(xué)課程不像普通物理學(xué)課程從基本物理概念和物理規(guī)律出發(fā)進(jìn)行嚴(yán)密的理論運(yùn)算推導(dǎo)得到更普遍的基礎(chǔ)理論，而是遵循從實(shí)踐出發(fā)―理論模型建立―實(shí)踐檢驗(yàn)的認(rèn)識(shí)過程，應(yīng)用更多的是總結(jié)、歸納的方法；其次，研究對象是微觀體系，而學(xué)生對微觀現(xiàn)象缺乏直觀的感性認(rèn)識(shí)。正是由于這些差異，大部分學(xué)生在學(xué)習(xí)中感覺原子物理學(xué)知識(shí)點(diǎn)凌亂，理不清頭緒，導(dǎo)致不能鞏固和深化所學(xué)知識(shí)。因此，在教學(xué)中如何激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生把握課程主線，認(rèn)識(shí)原子運(yùn)動(dòng)規(guī)律，形成新概念，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)能力、思維能力、研究能力等成為原子物理學(xué)教學(xué)中需要探討的問題。本文針對褚圣麟先生教材《原子物理學(xué)》的教學(xué)淺談個(gè)人教學(xué)過程中的認(rèn)識(shí)。

1 學(xué)習(xí)興趣的培養(yǎng)

學(xué)習(xí)興趣指一個(gè)人對學(xué)習(xí)的一種積極的認(rèn)識(shí)傾向與情緒狀態(tài)。學(xué)生對某一學(xué)科有興趣，就會(huì)持續(xù)地專心致志地鉆研它，從而提高學(xué)習(xí)效果。學(xué)習(xí)興趣既是學(xué)習(xí)的原因，又是學(xué)習(xí)的結(jié)果。由此，培養(yǎng)學(xué)生最初的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)學(xué)生在學(xué)習(xí)中找到樂趣，由被動(dòng)的學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)、好學(xué)、樂學(xué)，在培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力過程中具有重要的意義。如何培養(yǎng)學(xué)生對原子物理學(xué)學(xué)習(xí)的興趣，筆者從教學(xué)實(shí)踐中總結(jié)如下幾個(gè)方面。

1.1 結(jié)合物理學(xué)史增強(qiáng)學(xué)習(xí)內(nèi)容的趣味性

原子物理發(fā)展史料豐富，若將史料運(yùn)用于原子物理教學(xué)中，將起到事半功倍的效果。在授課中將原子物理學(xué)發(fā)展史融入知識(shí)的傳授可增強(qiáng)學(xué)習(xí)的趣味性。如電子發(fā)現(xiàn)最早進(jìn)行試驗(yàn)的并不是湯姆遜，試驗(yàn)結(jié)果最精確的也不是湯姆遜，但湯姆遜是第一個(gè)敢于突破常規(guī)認(rèn)識(shí)而提出新粒子是電子的人，這一簡介讓學(xué)生明白科學(xué)研究中要尊重科學(xué)事實(shí)，敢于突破傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)；講述量子化概念提出時(shí)介紹普朗克為解釋黑體輻射提出量子化概念的歷程，由于這一嶄新理論與經(jīng)典理論的沖突，普朗克本人也不是特別堅(jiān)決，此后他曾試圖放棄量子論，用經(jīng)典物理學(xué)方法重新解決黑體輻射問題，但均未成功，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)科學(xué)發(fā)展中開創(chuàng)性革新的不易。可以說原子物理的發(fā)展中，充滿對已有思想觀念的顛覆和新思想的建立，這些都需要科學(xué)懷疑和批判精神，充分說明科學(xué)無絕對權(quán)威，科學(xué)懷疑精神和獨(dú)立思考是科學(xué)進(jìn)步的動(dòng)力。通過物理學(xué)史的介紹，能在課堂上吸引學(xué)生的注意，使課堂氣氛活躍，激發(fā)學(xué)生對原子物理學(xué)的興趣，在輕松快樂的氛圍中學(xué)習(xí)，同時(shí)學(xué)習(xí)科學(xué)的批判精神，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力。

1.2 結(jié)合課程內(nèi)容介紹原子物理學(xué)中的難題激發(fā)學(xué)生鉆研興趣

好奇心和探索欲望是科學(xué)研究的原動(dòng)力，在教學(xué)中通過介紹課本中出現(xiàn)而尚未完全認(rèn)識(shí)明白的物理概念、物理問題，能極大激發(fā)學(xué)生的認(rèn)識(shí)和探索欲望，教師可引導(dǎo)學(xué)生對相關(guān)問題的研究現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研并匯報(bào)，在這一過程中既能促進(jìn)學(xué)生了解學(xué)科的研究前沿，也能使學(xué)生加深對基本物理概念、原理的認(rèn)識(shí)，同時(shí)有助于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和初步的科研能力。在原子物理學(xué)教材中有不少世界性的難題，如，在索末菲橢圓軌道理論和相對論效應(yīng)中提出的精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)所包含的物理含義、數(shù)值為什么剛好約為1/137；為解釋光譜精細(xì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生而引人的電子自旋的概念人們是否已經(jīng)完全認(rèn)識(shí)清楚等，這些問題在教學(xué)中可充分利用，調(diào)動(dòng)學(xué)生的探索欲望，激發(fā)學(xué)生的鉆研興趣。

1.3 結(jié)合物理學(xué)發(fā)展前沿介紹激發(fā)學(xué)生研究興趣

原子是從宏觀到微觀的第一個(gè)層次，物質(zhì)世界各個(gè)層次的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)變化相互聯(lián)系、相互影響，很多其他重要學(xué)科和技術(shù)的發(fā)展以原子物理為基礎(chǔ)，在課程教學(xué)中結(jié)合課程內(nèi)容穿插原子物理學(xué)與相關(guān)學(xué)科的交叉及原子物理學(xué)發(fā)展的前沿介紹，可激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和鉆研熱情。如講述α粒子散射實(shí)驗(yàn)時(shí)，介紹原子碰撞研究方法已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)重要的研究方向，涉及各種基本粒子與原子和分子碰撞的物理過程等；講述激光原理時(shí)，介紹激光技術(shù)的發(fā)展及其對原子物理學(xué)發(fā)展的促進(jìn)，介紹我國激光領(lǐng)域研究的國際地位等。學(xué)科前沿的介紹能幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)學(xué)習(xí)本學(xué)科的社會(huì)意義及其與個(gè)人的關(guān)系，有助于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的社會(huì)責(zé)任感。

2 把握課程主線

原子物理學(xué)的內(nèi)容不像經(jīng)典物理學(xué)具有嚴(yán)密的邏輯體系，因此在教學(xué)中拎?課程的主線有助于學(xué)生系統(tǒng)的掌握課程的知識(shí)內(nèi)容。對原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)發(fā)展，課程以光譜分析法為主線：從原子光譜規(guī)律出發(fā)，原子光譜規(guī)律的變化可以反映出原子內(nèi)部能級的特點(diǎn)，進(jìn)而探究原子內(nèi)部的作用及其規(guī)律。對原子內(nèi)部作用的認(rèn)識(shí)，課程以量子力學(xué)中的角動(dòng)量概念為主線：從玻爾氫原子理論的角動(dòng)量量子化假設(shè)的提出，到單電子的軌道角動(dòng)量與自旋角動(dòng)量的耦合解釋精細(xì)結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生，及兩個(gè)電子體系的LS耦合和JJ耦合等，并進(jìn)一步明確角動(dòng)量與磁矩概念的對應(yīng)，角動(dòng)量耦合的本質(zhì)是粒子間電磁相互作用，自旋和軌道運(yùn)動(dòng)的相互作用引起原子能級的分裂和塞曼效應(yīng)能級分裂在本質(zhì)上是相同的。

3 講清基本概念

篇7

一、物理化學(xué)課程在課程體系中的地位

物理化學(xué)在兩階段工科化學(xué)(化工類)課程體系中處于樞紐地位。第一階段由化學(xué)原理(基礎(chǔ)物理化學(xué))、無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)等課程組成?；瘜W(xué)原理作為理論教學(xué)內(nèi)容,在對中學(xué)化學(xué)知識(shí)總結(jié)提煉上升到理性認(rèn)識(shí)高度的基礎(chǔ)上,對后繼無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)作為應(yīng)用教學(xué)內(nèi)容提供理論基礎(chǔ)。第二階段由物理化學(xué)加后繼專業(yè)或?qū)I(yè)基礎(chǔ)課程、選修課程組成。物理化學(xué)作為理論教學(xué)內(nèi)容,既將先前所學(xué)無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)等知識(shí)從理性上加以認(rèn)識(shí)提高,又為后繼課程提供理論基礎(chǔ)。[2]在專業(yè)教育的范疇內(nèi),物理化學(xué)是工科,尤其是化工、冶金、輕工等各專業(yè)必備的化學(xué)理論基礎(chǔ),它銜接基礎(chǔ)理論和相關(guān)的專業(yè)課程,是一門專業(yè)基礎(chǔ)課程。

二、物理化學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容

物理化學(xué)提供應(yīng)用于所有化學(xué)以及相關(guān)領(lǐng)域的基本概念和原理,嚴(yán)格和詳細(xì)地闡釋化學(xué)中普適的核心概念,以數(shù)學(xué)模型提供定量的預(yù)測。因此,物理化學(xué)是分析化學(xué)、無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)和生物化學(xué)課程,以及其他相關(guān)前沿課題的概念的理論基礎(chǔ)?？傮w而言,物理化學(xué)理論課程可能涉及的教學(xué)內(nèi)容如下:[3]

1.熱力學(xué)與平衡

標(biāo)準(zhǔn)熱力學(xué)函數(shù)(焓、熵、吉氏函數(shù)等)及其應(yīng)用。熵的微觀解釋?；瘜W(xué)勢在化學(xué)和相平衡中的應(yīng)用。非理想系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)、活度、德拜-休克爾極限公式。吉布斯相律、相平衡、相圖。電化學(xué)池的熱力學(xué)。

2.氣體分子運(yùn)動(dòng)學(xué)說

麥克斯韋-玻耳茲曼分布。碰撞頻率、隙流速度。能量均分定律、熱容。傳遞過程、擴(kuò)散系數(shù)、黏度。

3.化學(xué)動(dòng)力學(xué)

反應(yīng)速率的微分和積分表達(dá)式。弛豫過程。微觀可逆性。反應(yīng)機(jī)理與速率方程。穩(wěn)定態(tài)近似。碰撞理論、絕對速率理論、過渡狀態(tài)理論。同位素效應(yīng)。分子反應(yīng)動(dòng)力學(xué)含分子束、反應(yīng)軌跡和激光。

4.量子力學(xué)

薛定諤方程的假定和導(dǎo)出。算符和矩陣元素。勢箱中的粒子。簡諧振子。剛性轉(zhuǎn)子、角動(dòng)量。氫原子、類氫離子波函數(shù)。自旋、保里原理。近似方法。氦原子。氫分子離子、氫分子、雙原子分子。LCAO方法。計(jì)算化學(xué)。量子化學(xué)應(yīng)用。

5.光譜

光-物質(zhì)相互作用、偶極選律。線型分子的轉(zhuǎn)動(dòng)光譜。振動(dòng)光譜。光譜項(xiàng)。原子和分子的電子光譜。磁共振譜。拉曼光譜、多光子選律。激光。

6.統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)

系綜。配分函數(shù)表示的標(biāo)準(zhǔn)熱力學(xué)函數(shù)。原子、剛性轉(zhuǎn)子、諧振子的配分函數(shù)。愛因斯坦晶體、德拜晶體。

7.跨學(xué)科的應(yīng)用

生物物理化學(xué)、材料化學(xué)、環(huán)境化學(xué)、藥學(xué)、大氣化學(xué)等。物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程培養(yǎng)學(xué)生用物理化學(xué)原理聯(lián)系定量模型與觀察到的化學(xué)現(xiàn)象的能力,深化學(xué)生對模型定性假設(shè)和局限的理解,鍛煉他們采用模型定量預(yù)測化學(xué)現(xiàn)象的基本技能。

學(xué)生應(yīng)能記錄正確的測量值,估算原始數(shù)據(jù)的誤差。學(xué)生需要理解電子儀器的原理和使用方法,操作現(xiàn)代儀器測量物理性質(zhì)和化學(xué)變化,積累用這些儀器解決實(shí)驗(yàn)問題的經(jīng)驗(yàn)。物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)應(yīng)含有結(jié)合若干實(shí)驗(yàn)方法和理論概念的綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。適用于工科化學(xué)(化工類)課程體系的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容大體如下:

1.熱化學(xué)實(shí)驗(yàn)

計(jì)算機(jī)聯(lián)用測定無機(jī)鹽溶解熱。計(jì)算機(jī)聯(lián)用測定有機(jī)物燃燒熱。溫度滴定法測定弱酸離解熱。差熱分析。

2.相平衡化學(xué)平衡實(shí)驗(yàn)

不同外壓下液體沸點(diǎn)的測定。環(huán)己烷-乙醇恒壓氣液平衡相圖繪制。液-固平衡相圖繪制。凝固點(diǎn)下降法測定物質(zhì)摩爾質(zhì)量。沸點(diǎn)升高法測定物質(zhì)摩爾質(zhì)量。熱重分析。氨基甲酸銨分解平衡常數(shù)的測定。

3.表面化學(xué)實(shí)驗(yàn)

溶液表面張力測定。沉降法測定粒度分布。BET容量法測定固體比表面積。

4.化學(xué)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)

量氣法測定過氧化氫催化分解反應(yīng)速率系數(shù)。蔗糖轉(zhuǎn)化反應(yīng)速率系數(shù)測定。酯皂化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。一氧化碳催化氧化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。甲酸液相氧化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程式的建立。可燃?xì)?氧氣-氮?dú)馊当O限的測定。計(jì)算機(jī)聯(lián)用研究BZ化學(xué)振蕩反應(yīng)。

5.電化學(xué)實(shí)驗(yàn)

強(qiáng)電解質(zhì)溶液無限稀釋摩爾電導(dǎo)的測定。離子遷移數(shù)測定。原電池反應(yīng)電動(dòng)勢及其溫度系數(shù)的測定。金屬鈍化曲線測定。

6.結(jié)構(gòu)化學(xué)實(shí)驗(yàn)

磁化率測定。分子介電常數(shù)和偶極矩的測定。

三、面向?qū)I(yè)的物理化學(xué)教學(xué)內(nèi)容建設(shè)

當(dāng)然,一個(gè)工科類專業(yè)的物理化學(xué)教學(xué)不可能也不必要包含上列的所有內(nèi)容。因此,各學(xué)科專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)根據(jù)專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)和規(guī)格,在已經(jīng)或即將公布的各學(xué)科專業(yè)的指導(dǎo)性專業(yè)規(guī)范中,制訂了包括物理化學(xué)在內(nèi)的化學(xué)課程教學(xué)基本內(nèi)容作為最低要求。如化學(xué)工程與工藝專業(yè)的規(guī)范(研究型)中規(guī)定:物理化學(xué)可分為兩部分,物理化學(xué)(I)主要內(nèi)容為化學(xué)熱力學(xué)和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等,作為化工主干課的基礎(chǔ),應(yīng)注意與化工熱力學(xué)課程和化學(xué)反應(yīng)工程課程的銜接和分界(一些內(nèi)容可在化工熱力學(xué)課程和化學(xué)反應(yīng)工程課程中展開,以加強(qiáng)工程背景);物理化學(xué)(II)主要內(nèi)容為溶液理論、統(tǒng)計(jì)力學(xué)、量子力學(xué)等方面的概要以及近展等。各專業(yè)的物理化學(xué)教學(xué)基本內(nèi)容充分體現(xiàn)了本專業(yè)的學(xué)科特點(diǎn),是在保障人才培養(yǎng)質(zhì)量的前提下,兼顧國內(nèi)各相關(guān)學(xué)校的教學(xué)條件提出的基本要求。因此,它體現(xiàn)的是該專業(yè)人才的知識(shí)體系的共性。由于各校的學(xué)科背景和教學(xué)條件的優(yōu)勢不同,要培養(yǎng)具有特色的專業(yè)人才,需要在教學(xué)中研究如何在滿足各專業(yè)的教學(xué)基本內(nèi)容要求的基礎(chǔ)上開展物理化學(xué)教學(xué)。我們認(rèn)為在教學(xué)內(nèi)容建設(shè)中應(yīng)堅(jiān)持貫徹下列原則,才能切實(shí)發(fā)揮物理化學(xué)這一門專業(yè)基礎(chǔ)課程的作用。[4]

1.承前啟后,發(fā)揮樞紐作用。了解授課對象的先修和后繼課程與物理化學(xué)的聯(lián)系,深化化學(xué)原理課程中的物理化學(xué)理論,介紹其在后繼專業(yè)課程中的應(yīng)用,以開闊視野并兼顧系統(tǒng)性和趣味性。

2.少而精和博而通。傳統(tǒng)的基礎(chǔ)內(nèi)容要突出重點(diǎn),講深講透,體現(xiàn)學(xué)科框架;選擇介紹相關(guān)前沿的內(nèi)容以擴(kuò)大知識(shí)面。

3.提倡內(nèi)容側(cè)重的多樣化。針對不同專業(yè)時(shí)要不拘一格,倡導(dǎo)內(nèi)容側(cè)重的多樣化;即便面對同一專業(yè),內(nèi)容側(cè)重亦應(yīng)有寬松的選擇余地。

4.體現(xiàn)工科特色,強(qiáng)調(diào)應(yīng)用性和實(shí)踐性。引入研究型實(shí)踐項(xiàng)目,使學(xué)生加深對理論的理解,提高應(yīng)用水平。

四、建設(shè)物理化學(xué)教學(xué)內(nèi)容的措施

華東理工大學(xué)物理化學(xué)教研室在國家精品課程和國家級教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)過程中,以提高專業(yè)人才的教育質(zhì)量為目標(biāo),采取了一系列措施,提高物理化學(xué)課程的教學(xué)水平和質(zhì)量,促進(jìn)相關(guān)專業(yè)的課程體系建設(shè)。

1.根據(jù)授課專業(yè)的先修、后繼課程,研讀相關(guān)教材,如化學(xué)工程與工藝專業(yè)的現(xiàn)代基礎(chǔ)化學(xué)、化工熱力學(xué)、化工原理、化學(xué)反應(yīng)工程、化工過程分析與合成教材,了解其改革動(dòng)向和內(nèi)容變革,并且請有關(guān)學(xué)科的學(xué)術(shù)帶頭人做物理化學(xué)在學(xué)科領(lǐng)域應(yīng)用介紹的報(bào)告,提出教學(xué)內(nèi)容改革建議。這樣做的結(jié)果一方面可以避免教學(xué)內(nèi)容上不必要的重復(fù),另一方面可以合理地選擇教學(xué)內(nèi)容側(cè)重,實(shí)現(xiàn)化學(xué)基礎(chǔ)課程與專業(yè)課程的合理銜接。

2.編寫教材和教學(xué)參考書,保障教學(xué)基本內(nèi)容的教學(xué)質(zhì)量,介紹物理化學(xué)學(xué)科發(fā)展、在交叉領(lǐng)域的應(yīng)用;介紹溶液模型、線性自由能關(guān)系等半經(jīng)驗(yàn)方法,以銜接后繼課程。近年來編寫或修訂出版了《物理化學(xué)參考》、《物理化學(xué)》(第五版)、《物理化學(xué)導(dǎo)讀》、《物理化學(xué)釋疑》、《物理化學(xué)教學(xué)與學(xué)習(xí)指南》。開展教學(xué)研討,提高教師隊(duì)伍的學(xué)識(shí)水平和在教學(xué)中貫徹少而精、博而通教學(xué)思想的能力。

3.制作相關(guān)前沿課題和理論應(yīng)用實(shí)例,如“正、負(fù)離子混合表面活性劑雙水相系統(tǒng)及其微觀結(jié)構(gòu)”、“溫室氣體CO2的捕集和封存(CCS)技術(shù)”、“復(fù)雜材料的微相平衡和結(jié)構(gòu)演化的數(shù)學(xué)模擬”、“離子液體的合成、性質(zhì)和應(yīng)用”等教學(xué)素材,進(jìn)行教學(xué)資源的儲(chǔ)備。

4.由科學(xué)研究項(xiàng)目提煉研究型教學(xué)實(shí)驗(yàn),如“界面上聚乳酸PLA膜的結(jié)構(gòu)特性研究”、“生物柴油中脂肪酸甲酯的GC-MS測定”、“MCM-41介孔氧化硅材料的合成和表征”等;形成各類研究性課題,如“生物柴油的制備及性能檢測”、“Gem-ini表面活性劑連接基團(tuán)對合成硅基介孔材料結(jié)構(gòu)的影響”等。

篇8

關(guān)鍵詞：物理；定律；哲學(xué)

物理的核心是定律，本人就物理定律中的哲學(xué)談?wù)劥譁\看法，以饗讀者。

力學(xué)中牛頓有三個(gè)定律都包涵哲學(xué)原理：

牛頓最初提出的第二定律，就是動(dòng)量定理：作用在質(zhì)點(diǎn)上合外力的沖量等于質(zhì)點(diǎn)動(dòng)量的增量。其實(shí)這就是辯證唯物主義的因果律。辯證唯物主義的因果律認(rèn)為：宇宙狀態(tài)的變化都是其前宇宙狀態(tài)積累的結(jié)果，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變都是其前運(yùn)動(dòng)狀態(tài)積累（沖量）的結(jié)果。其實(shí)，反映辯證唯物主義的因果律的定律（理）還有動(dòng)能定理、功能原理、角動(dòng)量定理等。

牛頓第一定律指出了物體不受力的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。得到牛頓第一定律的過程，實(shí)質(zhì)是量變到質(zhì)變的過程。假設(shè)物體受力逐漸減小到0（量變），則物體的運(yùn)動(dòng)從變速運(yùn)動(dòng)變到勻速運(yùn)動(dòng)（質(zhì)變）。

牛頓第三定律指出：作用力和反作用力總是大小相等、方向相反，作用在同一直線上，存在著對立的傾向，但它們又是性質(zhì)相同，同時(shí)存在，同時(shí)消失，有作用力必有反作用力，這又表現(xiàn)了統(tǒng)一性。

牛頓三個(gè)定律都有哲學(xué)內(nèi)涵，萬有引力定律又反映了萬事萬物總是相聯(lián)系（吸引）的哲學(xué)思想，因此，整個(gè)力學(xué)充滿了哲學(xué)。

辯證唯物主義認(rèn)為：內(nèi)容和形式相互依賴，不可分割。電磁場中的高斯定理就是辯證唯物主義的這種思想的體現(xiàn)。靜電場真空中的高斯定理表述為：通過任一閉合曲面的電通量，等于該曲面所包圍的所有電荷的代數(shù)和除以ε0。

高斯定理反映了曲面上的積分與曲面內(nèi)的關(guān)系。磁場中高斯定理也同樣反映這種辯證關(guān)系。

電磁場中的高斯定理是麥克斯韋方程組的兩個(gè)方程，其實(shí)麥克斯韋方程組中另兩個(gè)定理也同樣反映了“內(nèi)容和形式相互依賴，不可分割”的關(guān)系，即邊界線上（形式）與邊界線內(nèi)（內(nèi)容）物理量的關(guān)系。麥克斯韋方程組概括了電磁學(xué)的基本規(guī)律，因此，整個(gè)電磁學(xué)充滿了哲學(xué)，庫侖定律也反映了事物（電荷）間的聯(lián)系（作用）的哲學(xué)思想。

力學(xué)和電學(xué)定律中有哲學(xué)，物理學(xué)其他定律中也有哲學(xué)。能量守恒和轉(zhuǎn)化定律反映物質(zhì)運(yùn)動(dòng)不滅性的哲學(xué)思維。

篇9

關(guān)鍵詞：基本粒子；標(biāo)準(zhǔn)模型；認(rèn)識(shí)

一、基本粒子

首先我們介紹一下這一理論的基本“磚塊”，即我們所在的世界的基本構(gòu)成元素：基本粒子。在標(biāo)準(zhǔn)模型中，共有61種基本粒子，實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)證實(shí)存在的有60種。根據(jù)粒子的自旋――一種內(nèi)稟的角動(dòng)量，可以分為費(fèi)米子和玻色子兩類。費(fèi)米子（fermion）是自旋為1/2的奇數(shù)倍的粒子的統(tǒng)稱，包括以下兩類：夸克和輕子。玻色子（boson）是自旋為1/2的偶數(shù)倍的粒子的統(tǒng)稱，分為規(guī)范玻色子和Higgs玻色子兩種。在SM中，夸克被視為強(qiáng)子的組成成分。強(qiáng)子是所有的受到強(qiáng)相互作用影響的亞原子粒子，包括重子和介子兩類。為解釋上世紀(jì)40年代以來發(fā)現(xiàn)的數(shù)百種強(qiáng)子的性質(zhì)規(guī)律，物理學(xué)家默里?蓋爾曼和喬治?茨威格于1964年各自獨(dú)立提出了夸克模型，認(rèn)為重子由三個(gè)夸克或三個(gè)反夸克組成，自旋總是1/2的奇數(shù)倍，即它們是費(fèi)米子。它們包括人們比較熟悉的組成原子核的質(zhì)子和中子以及一般鮮為人知的超子（比如Δ、Λ、Σ、Ξ和Ω），這些超子一般比核子重，而且壽命非常短。而介子由一對正反夸克組成，這一對夸克可以不同味，其自旋總是1/2的偶數(shù)倍。1934年，日本物理學(xué)家湯川秀樹預(yù)測了介子的存在，用來作為核力的載體，還給出了這個(gè)介子的質(zhì)量范圍。1947年，英國的物理學(xué)家鮑威爾在宇宙射線中發(fā)現(xiàn)了一種粒子，帶單位正電荷或負(fù)電荷，質(zhì)量是電子的273倍，與核子有很強(qiáng)的相互作用，平均壽命2.60310×10-8秒，正是湯川秀樹所預(yù)測的介子，叫做π介子。后來發(fā)現(xiàn)共有三種，分別帶一個(gè)正負(fù)電荷和零電荷。

SM認(rèn)為，電磁相互作用和弱相互作用來源于宇宙早期能量極高時(shí)的同一種相互作用，稱為“電弱相互作用”。當(dāng)宇宙能量降低到一定程度時(shí)，電弱相互作用的對稱性出現(xiàn)自發(fā)破缺，傳播電弱相互作用的媒介粒子一部分獲得質(zhì)量，力程變短，耦合常數(shù)變小，分化出弱相互作用；另一部分媒介粒子即光子，成為電磁相互作用媒介粒子，分化出電磁相互作用。按照這一思路，人們可以期望在更遠(yuǎn)的宇宙早期，宇宙能量更高時(shí)候，電弱相互作用與萬有引力相互作用也是同一種相互作用，隨著能量降低而出現(xiàn)了對稱性的自發(fā)破缺從而分化出不同的相互作用。這一方面的工作當(dāng)下還在進(jìn)行中，并已經(jīng)取得了一定的成果，人們對宇宙已經(jīng)有了更新的認(rèn)識(shí)。

二、理論工具

下面來簡單介紹一下描述SM所用的數(shù)學(xué)理論工具。

SM中，由于涉及到高能物理過程，比如粒子對撞過程，會(huì)有粒子產(chǎn)生湮滅現(xiàn)象。處理這樣的過程，描述微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的量子力學(xué)理論就不能適用了。而且高能對撞的粒子對撞速度往往接近光速，所以理論工具必須具有相對論的性質(zhì)。這些特點(diǎn)最終導(dǎo)致了量子場論進(jìn)而規(guī)范場論的誕生。下面簡單回顧一下理論的歷史進(jìn)展過程。

1925年，馬克思?玻恩和帕斯卡?約當(dāng)考慮量子躍遷所發(fā)出的光譜強(qiáng)度的計(jì)算問題，成為量子場論的發(fā)端。第二年，馬克思?玻恩、沃納?海森堡和帕斯卡?約當(dāng)運(yùn)用正則量子化的方法，獲得了忽略極化和源項(xiàng)的自由電磁場的量子理論。1927年，保羅?狄拉克給出了這個(gè)問題的第一個(gè)自洽的解決方案，對當(dāng)時(shí)人們唯一知道的經(jīng)典場“電磁場”進(jìn)行了量子化，物質(zhì)的質(zhì)量僅被視為場的平方項(xiàng)之系數(shù)，并不具備實(shí)質(zhì)物理意義。同一年，約當(dāng)將對場的正則量子化方法推廣到量子力學(xué)中的波函數(shù)，并稱之為二次量子化。1928年，約當(dāng)和Eugene Wigner發(fā)現(xiàn)泡利不相容原理要求對電子場的量子化需要采用滿足一定關(guān)系（反對易關(guān)系）的產(chǎn)生和湮滅算符。產(chǎn)生湮滅算符可以用來描述粒子的產(chǎn)生和湮滅過程。1954年，楊振寧和米爾斯提出楊-米爾斯理論（又稱規(guī)范場理論），在應(yīng)用于弱相互作用以及強(qiáng)相互作用研究時(shí)遇到困難：由于規(guī)范理論的規(guī)范對稱性要求規(guī)范玻色子不能帶有任何質(zhì)量，這與實(shí)驗(yàn)中的觀測結(jié)果并不符合。1961年，格拉肖提出弱電統(tǒng)一模型，但沒有解決零質(zhì)量規(guī)范粒子的困難。1964年，英國的科學(xué)家希格斯提出一種克服規(guī)范場粒子零靜止質(zhì)量困難的方法。他引入了一種標(biāo)量粒子（后來被稱為Higgs粒子），這種粒子的引入，使方程出現(xiàn)對稱性的真空自發(fā)破缺，可以使與被破缺的規(guī)范對稱性相對應(yīng)的規(guī)范場獲得靜止質(zhì)量。1967年，溫伯格和薩拉姆在格拉肖弱電統(tǒng)一原始模型的基礎(chǔ)上，發(fā)展和完備了弱電統(tǒng)一規(guī)范理論，在實(shí)驗(yàn)與理論的互進(jìn)上取得豐碩成果，SM趨于成熟完備，“Standard Model”一詞即是由溫伯格首次提出使用。該理論以夸克模型為結(jié)構(gòu)載體，在弱電統(tǒng)一理論以及量子色動(dòng)力學(xué)（QCD）的基礎(chǔ)上逐步建立和發(fā)展起來。格拉肖等人被稱為標(biāo)準(zhǔn)模型的奠基人。一個(gè)基本觀點(diǎn)是，在量子場論中，每一種粒子都對應(yīng)有一個(gè)場存在，粒子被視為場的激發(fā)態(tài)。比如，對應(yīng)光子，有電磁場，光子是電磁場的一個(gè)激發(fā)態(tài)。粒子之間的相互作用，比如對撞，由粒子場的耦合拉格朗日量來表示。數(shù)學(xué)表達(dá)出來，即是場與場的乘積。不同的粒子的耦合拉格朗日量有不同的對稱變換性質(zhì)。根據(jù)拉格朗日量求得粒子滿足的運(yùn)動(dòng)方程后，可以得到粒子對撞產(chǎn)生的新的粒子的質(zhì)量等性質(zhì)。于是可以用于預(yù)言各種粒子對撞過程會(huì)發(fā)生的現(xiàn)象，同實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較驗(yàn)證所猜測的拉格朗日量的正確與否。

三、取得的成就

標(biāo)準(zhǔn)模型的建立過程，也是理論與實(shí)驗(yàn)相互印證取舍的過程，理論預(yù)言的粒子不斷被發(fā)現(xiàn)，證實(shí)了理論的成功之處。如今SM中除與引力作用有關(guān)的引力子之外的61種基本粒子中，只剩下Higgs粒子一種尚待確切證實(shí)。

四、標(biāo)準(zhǔn)模型面臨的問題

標(biāo)準(zhǔn)模型仍然有許多疑難問題沒有解決。在SM中，物質(zhì)和反物質(zhì)是對稱的，但在已知的宇宙中，物質(zhì)比反物質(zhì)多很多。這一問題是SM無法回答的。SM沒有對重力給出描述，也沒能為宇宙開始時(shí)的宇宙膨脹找出一個(gè)機(jī)制。在SM中，中微子沒有質(zhì)量，理論假設(shè)宇宙中只有左旋中微子。如果中微子質(zhì)量非零，它們的行進(jìn)速度就會(huì)小于光速，理論上可以超越一顆中微子，以至可以選擇一個(gè)令這顆中微子運(yùn)動(dòng)方向顛倒而自旋不變的參考系，導(dǎo)致它變?yōu)橛倚?。物理學(xué)家為此修定標(biāo)準(zhǔn)模型，加入更多自由參數(shù)以準(zhǔn)許中微子帶質(zhì)量。新模型仍叫標(biāo)準(zhǔn)模型。在宇宙學(xué)中，暗物質(zhì)、暗能量一直是個(gè)巨大的謎團(tuán)，SM無法解決這一疑難。于是，對SM做出修正勢所必然。在眾多SM的擴(kuò)展中，超對稱理論應(yīng)者眾多。它提出SM中的每一種基本粒子都有一個(gè)大質(zhì)量、超對稱的伙伴。超對稱粒子被視為暗物質(zhì)的一個(gè)來源。目前，世界上許多的小組正在這一領(lǐng)域攻堅(jiān)克難。

五、評述

在粒子物理的學(xué)習(xí)研究過程中，我們被告知SM只是一個(gè)唯象的理論，也就是它只關(guān)注實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的現(xiàn)象，發(fā)展理論來做出解釋以及預(yù)言。比如，對于新粒子的存在預(yù)言，理論中可以給出其質(zhì)量、自旋、荷電等性質(zhì)，但它無法給出粒子的產(chǎn)生原因以及產(chǎn)生過程的詳盡描述。我們說，它不是一個(gè)最基礎(chǔ)的理論，但可以有助于我們對粒子、對于場有更基礎(chǔ)的、更本質(zhì)的理解。此外，精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)仍然是個(gè)未解之謎，SM對此無能為力，這一切也說明了SM不是一個(gè)最終的可以回答所有關(guān)于宇宙的疑問的理論。在認(rèn)識(shí)世界本原的道路上，我們?nèi)匀淮笥锌蔀椤?/p>

參考文獻(xiàn)：

[1]W.N.Cottingham.粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型導(dǎo)論[M].北京：世界圖書出版公司，2010.

[2]張肇西.粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型[J].物理教學(xué)，1999，（09）.

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[關(guān)鍵詞]三本院校 固體物理 教學(xué)模式

[中圖分類號(hào)]O48-42 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

一、引言

固體物理學(xué)是研究固體的微觀結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、物理性質(zhì)及其相互關(guān)系的一門學(xué)科[1]。從歷史上看，固體物理學(xué)的研究引發(fā)了晶體管、激光器等多項(xiàng)重大發(fā)明，并由此催生了微電子技術(shù)、激光技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、光通訊技術(shù)等一系列高新技術(shù)。這些新技術(shù)把人類的歷史推進(jìn)到了原子時(shí)代、信息時(shí)代、空間時(shí)代[2]。因此它不僅是物理系所有專業(yè)中的一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，也是微電子學(xué)專業(yè)非常重要的專業(yè)主干課。

固體物理學(xué)的起點(diǎn)是學(xué)生已有了熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理、量子力學(xué)的基礎(chǔ)[1]。但是對于三本院校的學(xué)生來說，他們的專業(yè)基礎(chǔ)相對薄弱，這樣勢必會(huì)增加學(xué)生的心理負(fù)擔(dān)，使固體物理教學(xué)很難達(dá)到預(yù)期效果。為了講授這門課程，讓學(xué)生對固體物理知識(shí)的理解和掌握達(dá)到教學(xué)目的的要求，就成為教研室與授課教師必須經(jīng)常研究和探討的問題。筆者結(jié)合三本院校學(xué)生的實(shí)際情況，針對在固體物理課程教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)的問題淺談一些自己的看法和見解。

二、三本院校中固體物理學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀

在大眾化教育的形勢下，普通高校生源的知識(shí)結(jié)構(gòu)及基本素質(zhì)有了很大的變化[3]，特別是三本院校的學(xué)生。三本院校的學(xué)生學(xué)習(xí)固體物理過程中存在以下問題。

1.基礎(chǔ)薄弱：三本院校的學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)較薄弱，更無熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理、量子力學(xué)基礎(chǔ)，使這門課程的學(xué)習(xí)變得更加難以理解和把握，導(dǎo)致學(xué)生興趣不高。

2.學(xué)習(xí)質(zhì)量差：以往在教學(xué)的過程中，教師比較注重知識(shí)的傳授而忽視了對學(xué)生學(xué)習(xí)方法的培養(yǎng)，并且對三本院校的學(xué)生來說，學(xué)習(xí)方法不當(dāng)，缺乏積極性，導(dǎo)致學(xué)習(xí)質(zhì)量差。

3.教學(xué)內(nèi)容抽象：現(xiàn)有的固體物理教學(xué)基本上以教師講解學(xué)生聽課的模式為主，教學(xué)內(nèi)容較多而且抽象枯燥，提不起學(xué)生興趣。

4.教學(xué)方法單一：傳統(tǒng)的教學(xué)方法往往習(xí)慣于以注入式灌輸知識(shí)，且過于注重理論和書本的內(nèi)容，缺乏對固體物理實(shí)際應(yīng)用的介紹，不利于培養(yǎng)學(xué)生學(xué)以致用及創(chuàng)新能力。

綜上所述，在教學(xué)環(huán)節(jié)中探求新的教學(xué)方法，采用新的教學(xué)手段，保證和提高課堂教學(xué)質(zhì)量刻不容緩。

三、三本院校有效教學(xué)的探討

針對三本院校學(xué)生的知識(shí)基礎(chǔ)和心理特點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生對固體物理的興趣，至關(guān)重要。

1.選擇適合三本院校學(xué)生特點(diǎn)的教學(xué)內(nèi)容： 目前的固體物理教材一般都以詳細(xì)的理論分析為主，數(shù)學(xué)推導(dǎo)較多。對三本院校學(xué)生來說，這樣的教材仍然存在部分內(nèi)容過于深?yuàn)W的問題，特別是與量子力學(xué)有關(guān)的內(nèi)容，學(xué)生較難掌握。因此教師在授課時(shí)不應(yīng)照本宣科，應(yīng)將某些偏重于繁瑣數(shù)學(xué)推導(dǎo)的問題簡化。

2.引入前沿課題：采用穿插式方法引入前沿內(nèi)容?？梢允箤W(xué)生們“滲透式”地了解有關(guān)前沿進(jìn)展，從而可以拓寬學(xué)生們的視野，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)固體物理的興趣[4]。

3.讓學(xué)生充分參與教學(xué)：盡量讓學(xué)生直接參與到教學(xué)活動(dòng)中，在思想上變被動(dòng)接受為主動(dòng)參與，加深對抽象概念的理解。第一，盡量把抽象的概念提取到宏觀或熟知的知識(shí)點(diǎn)中；通過熟知的知識(shí)來提問，引出抽象的結(jié)論。如：原子結(jié)合成晶體會(huì)釋放能量，可通過水凝結(jié)成冰的過程來進(jìn)行提問講解；原子結(jié)合成晶體過程中會(huì)出現(xiàn)吸引力和排斥力，可舉例Na離子和Cl離子的結(jié)合過程進(jìn)行提問講解。第二，講解課程的重點(diǎn)難點(diǎn)后，通過例題及習(xí)題講解的個(gè)別互動(dòng)，充分引導(dǎo)、挖掘?qū)W生的思維并使其他學(xué)生理解。

4.采用板書和多媒體相結(jié)合的教學(xué)模式：第一，固體物理中，許多抽象理論及晶體結(jié)構(gòu)可采用動(dòng)畫和圖示效果以多媒體的形式呈現(xiàn)給學(xué)生。不但能使學(xué)生在視覺上直觀的感受其物理過程所發(fā)生的變化，還能進(jìn)一步加深對該過程中一些物理量的理解。如晶體結(jié)構(gòu)可用圖形展示使學(xué)生通過視覺的感受加深空間上的理解，使抽象具體化；如點(diǎn)缺陷的形成、一維單原子晶格的振動(dòng)、晶體的對稱性等，傳統(tǒng)的教學(xué)中只能用靜態(tài)的圖像去展示，學(xué)生不易理解其變化過程，利用Flas完全可以把演化過程動(dòng)態(tài)的展示出來，從而調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。第二，板書具有思路清晰、邏輯性強(qiáng)、能給學(xué)生充分的思考時(shí)間，加深對概念理論理解的特點(diǎn)。固體物理中，許多的公式、理論都需盡可能地采用板書的教學(xué)模式，其加強(qiáng)了教師和學(xué)生互動(dòng)的同時(shí)，又充分體現(xiàn)了教師利用板書對學(xué)生的啟發(fā)和引導(dǎo)的過程。因此，只有將教師在課堂中的主導(dǎo)作用與多媒體技術(shù)的輔助作用結(jié)合起來才能獲得良好的教學(xué)效果。

5.以科學(xué)史話激勵(lì)的教學(xué)模式：這種教學(xué)模式就是將物理學(xué)史的內(nèi)容有機(jī)地揉人固體物理教學(xué)中，將所教授內(nèi)容中涉及的科學(xué)家的簡介、有關(guān)此教學(xué)內(nèi)容的發(fā)明、發(fā)現(xiàn)經(jīng)歷、趣聞逸事，簡明扼要地介紹給學(xué)生，既能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又能起到教書育人的作用。如固體物理學(xué)中X射線衍射與晶體結(jié)構(gòu)時(shí)，可簡明地介紹其科學(xué)史話：晶體點(diǎn)陣?yán)碚撎岢鰰r(shí)是一種非常超前的理論，當(dāng)時(shí)沒有實(shí)驗(yàn)手段能證明它。1895年倫琴發(fā)現(xiàn)X射線，1899年哈加和溫德觀測到X射線通過幾nm的縫隙后稍有擴(kuò)展而估計(jì)它的波長數(shù)量極約為10-10m。1912年勞厄（Laue）產(chǎn)生了一個(gè)極妙的想法： 假設(shè)晶體確實(shí)是點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，就可作為天然光柵使X射線發(fā)生衍射. 但這種新穎的想法卻受到包括倫琴本人在內(nèi)的一些人嘲笑，并與勞厄打賭，限期一月。勞厄用ZnS屢試不成，交給兩個(gè)研究生。就在他們感到山窮水盡，進(jìn)行最后一次實(shí)驗(yàn)時(shí)，抱著試試看的心理將感光底片從晶體側(cè)面移到后面，衍射圖案出現(xiàn)了。這不僅證明了X射線是波長極短的光波，意義更為重大的是開創(chuàng)了一門新學(xué)科——X射線晶體學(xué)，晶體微觀結(jié)構(gòu)的玄妙之門從此逐漸向人類敞開了。眾里尋她千百度，驀然回首，那人卻在，燈火闌珊處，科學(xué)研究的成功往往在再堅(jiān)持幾步。

四、結(jié)束語

三本院校是我國高等教育加快發(fā)展的新產(chǎn)物，也是我國高等教育大眾化的一種制度創(chuàng)新，從其教育模式的特點(diǎn)及人才培養(yǎng)的目標(biāo)來看，學(xué)生基礎(chǔ)薄弱，在課程教學(xué)上應(yīng)與普通本科有所不同。固體物理作為微電子學(xué)專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，針對在教學(xué)過程中存在的一些問題，，筆者以培養(yǎng)學(xué)生興趣為目的從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法及教學(xué)手段上探討了教學(xué)模式。

[參考資料]

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[2]賀慶麗，楊濤，董慶彥.物理基地班固體物理課程的教學(xué)改革實(shí)踐[J].高等理科教育，2003年第2期（總第48期）：88

[3]姜黎霞，母小云.應(yīng)用型本科院校大學(xué)物理課程教學(xué)模式探討.北京聯(lián)合大學(xué)基礎(chǔ)部中外教育研究，2009年6月，NO.6：18