導(dǎo)語：如何才能寫好一篇量子力學(xué)的認(rèn)識，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

關(guān)鍵詞: 《量子力學(xué)》 物理圖像 創(chuàng)新思維 培養(yǎng)

《量子力學(xué)》是物理學(xué)專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程,其教學(xué)質(zhì)量的高低不僅影響到其他后續(xù)課程的學(xué)習(xí),而且直接影響到物理學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。衡量物理教學(xué)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該有三個(gè)維度,一是知識與技能維度,二是物理思想和方法論維度,三是物理品格維度。過去的教學(xué),我們往往過多地重視第一維度,而忽視第二、第三個(gè)維度。在量子力學(xué)教學(xué)中,我們結(jié)合量子力學(xué)及其發(fā)展歷史所涵含的豐富的物理思想與方法,開展了學(xué)生創(chuàng)新思維能力培養(yǎng)的教學(xué)實(shí)踐研究。

一、創(chuàng)新型、應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)的要求

考慮到培養(yǎng)21世紀(jì)需要的應(yīng)用型人才目標(biāo)的要求,而且結(jié)合新建本科院校的課程設(shè)置的特點(diǎn),《量子力學(xué)》課程的教學(xué)方法和教學(xué)體系建設(shè)應(yīng)從以下兩方面著手:一方面,著重量子力學(xué)概念、規(guī)律和物理思想的展現(xiàn),使學(xué)生在知識層面上夠用并且能用,并注意科學(xué)人文精神的闡發(fā),為進(jìn)行物理素質(zhì)教育與物理教學(xué)研究提供量子力學(xué)方面的科學(xué)素養(yǎng),如勇于創(chuàng)新、科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?。另一方?培養(yǎng)學(xué)生建立正確的量子力學(xué)概念和物理圖像,掌握基本規(guī)律,廣泛了解量子力學(xué)在推動技術(shù)進(jìn)步方面的作用,開拓思路,培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用物理規(guī)律解決應(yīng)用技術(shù)問題的能力。

二、《量子力學(xué)》教學(xué)中創(chuàng)新意識及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

根據(jù)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的目標(biāo),我們一直致力于探索一套合適的物理學(xué)專業(yè)量子力學(xué)課程教學(xué)的共享數(shù)字化教學(xué)體系,創(chuàng)建完整的教學(xué)資源,力求使學(xué)生在學(xué)習(xí)這門課程的同時(shí)受到實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。相應(yīng)措施主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面。

(一)創(chuàng)造實(shí)驗(yàn)情景,以實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐為基礎(chǔ)深化量子力學(xué)的原理。

由于量子力學(xué)主要研究微觀粒子的運(yùn)動規(guī)律,理論太抽象,許多量子現(xiàn)象和日常的生活經(jīng)驗(yàn)不符合甚至相違背,因此在教學(xué)中教師必須強(qiáng)調(diào)量子力學(xué)首先是一門試驗(yàn)性的科學(xué),應(yīng)從實(shí)驗(yàn)事實(shí)去推理分析,不直接與主觀經(jīng)驗(yàn)聯(lián)系,并時(shí)時(shí)將新的概念和結(jié)論與經(jīng)典物理學(xué)的結(jié)果作比較,使學(xué)生能正確理解量子力學(xué)的基本概念,從而學(xué)會處理具體問題的方法,掌握量子力學(xué)的精髓。在講述量子力學(xué)基本內(nèi)容的時(shí)候,尋找合適的接口與量子力學(xué)原理在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用相聯(lián)系。通過這兩方面的著重討論,學(xué)生能感受到量子力學(xué)的抽象原理是實(shí)實(shí)在在的、來源于實(shí)踐又回到實(shí)踐中得到檢驗(yàn)的、正確的理論。

量子力學(xué)實(shí)驗(yàn)從可操作的層面上可大致分為三類,一類是僅存在于人們想象中或目前還不能實(shí)現(xiàn)的理想實(shí)驗(yàn),一類是在高水平的實(shí)驗(yàn)室中可以實(shí)現(xiàn)的科學(xué)研究實(shí)驗(yàn),一類是我們讓學(xué)生自己動手做的有關(guān)教學(xué)的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)。但無論何種實(shí)驗(yàn),我們都可以利用多媒體技術(shù)在課堂上將其生動形象的展現(xiàn)出來,讓學(xué)生不僅深刻認(rèn)識到實(shí)驗(yàn)在量子力學(xué)發(fā)展中的重要作用,而且培養(yǎng)用實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)問題和驗(yàn)證假說的能力。例如在講解物質(zhì)粒子的波粒二象性時(shí),我們用多媒體課件演示單電子衍射實(shí)驗(yàn)。單電子發(fā)射時(shí),在熒屏上出現(xiàn)一個(gè)亮點(diǎn),說明電子的粒子性;再發(fā)射大量電子,屏幕上出衍射條紋,說明了電子的波動性。這樣,難以講解清楚的知識變得生動活潑,使學(xué)生能更快地理解所學(xué)的知識,且加深了學(xué)生的認(rèn)知印象,大大提高了學(xué)習(xí)效率。

(二)充分利用現(xiàn)代媒體的作用,激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造興趣。

以電腦和互聯(lián)網(wǎng)為代表的信息技術(shù)已演變?yōu)槔^傳統(tǒng)媒體后的“現(xiàn)代媒體”。現(xiàn)代媒體將為教學(xué)過程提供新的教學(xué)手段,并為培養(yǎng)創(chuàng)新人才奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù),學(xué)生可以突破傳統(tǒng)教學(xué)的時(shí)空限制,不但可以享受本校教學(xué)資源,而且可以享受到全國高水平的教學(xué)資源,從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的共享,也為各學(xué)校的師生討論交流提供了一個(gè)很好的平臺。

對于《量子力學(xué)》這樣一門抽象的理論課,多媒體技術(shù)將圖、文、聲、像等各種教學(xué)信息有機(jī)的組合在一起,直觀、形象、生動,即使對那些比較抽象,難以理解的理論和日?？床坏交蚺臄z不到的情景,也可以通過三維動畫虛擬實(shí)現(xiàn)。多媒體豐富的表現(xiàn)力不僅能打破人類視覺上的樊籬,使得學(xué)生從科學(xué)與藝術(shù)相融的視覺信息中感知抽象、復(fù)雜的理論,而且能引發(fā)學(xué)生無限的遐想,極大地激發(fā)了他們的想象力。學(xué)生的思維高度活躍從而激發(fā)創(chuàng)新火花。

(三)密切結(jié)合當(dāng)前的科技前沿和高新技術(shù),將量子力學(xué)知識應(yīng)用于實(shí)踐。

量子力學(xué)在各學(xué)科中已經(jīng)有很多成功的應(yīng)用并催生了許多交叉學(xué)科及現(xiàn)代高新技術(shù)的產(chǎn)生。在教學(xué)中,教師應(yīng)盡可能進(jìn)行知識的滲透和遷移,及時(shí)將當(dāng)前與量子力學(xué)相關(guān)的科技前沿和高新技術(shù)引入到教學(xué)中,一些知識可以作為簡單的介紹,也可以就某個(gè)方面詳細(xì)分析,闡明其量子力學(xué)原理。例如量子力學(xué)與非線性科學(xué)的關(guān)系,量子理論在耗散系統(tǒng)、納米技術(shù)、分子生物學(xué)中的應(yīng)用,量子力學(xué)與正在研究的量子計(jì)算機(jī)、量子保密通信的關(guān)系,等等。在教學(xué)中教師適當(dāng)?shù)卮┎暹@些知識,既不會花費(fèi)太多的時(shí)間,又能使教學(xué)更生動、易于理解,而且可使學(xué)生開拓視野,活躍思維,激發(fā)興趣。這樣學(xué)生不僅可以學(xué)到運(yùn)用基礎(chǔ)理論指導(dǎo)科學(xué)研究的方法,而且可以克服原有的“量子力學(xué)就是一種純理論的學(xué)科”的片面認(rèn)識。如我們在講解一維無限深勢阱時(shí),將其與半導(dǎo)體量子阱和超晶格這一現(xiàn)代科學(xué)的前沿相聯(lián)系;在講解隧道效應(yīng)時(shí),將其與掃描隧道顯微鏡相聯(lián)系,進(jìn)而可以介紹掃描探針操縱單個(gè)原子的實(shí)驗(yàn)。我們通過這種方式使學(xué)生對這一部分的知識有了直觀的認(rèn)識,從而不再感到量子力學(xué)的學(xué)習(xí)枯燥無味。

參考文獻(xiàn):

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篇2

關(guān)鍵詞：量子力學(xué)；經(jīng)典科學(xué)世界圖景；非機(jī)械決定論；整體論；復(fù)雜性；主客體互動

Abstract:Asoneofthreerevolutionsofphysicsin20thcentury,quantummechanicshasgreatlytransformedtheworldviewofclassicalscienceinmanyaspects.Quantummechanicsbreaksthoughthemechanicaldeterminisminclassicalscience,transformingitintononmechanicaldeterminism;itchangesscientificcognitiveprocessfromthetheoryofreductionismtothetheoryofwholism;itshiftsthewayofthinkingfrompursuingsimplicitytoexploringthecomplexity;italsoestablishestheinteractionbetweensubjectandobjectinscientificresearches.

Keywords:quantummechanics;worldviewofclassicalscience;nonmechanicaldeterminism;wholism;complexity;interactionbetweensubjectandobject

經(jīng)典科學(xué)基本上是指由培根、牛頓、笛卡兒等開創(chuàng)的，近三百年內(nèi)發(fā)展起來的一整套觀點(diǎn)、方法、學(xué)說。經(jīng)典科學(xué)世界圖景的最大特征是機(jī)械論和還原論，片面強(qiáng)調(diào)分解而忽視綜合。以玻爾、海森伯、玻恩、泡利、諾伊曼等為代表的哥本哈根學(xué)派的量子力學(xué)理論三部曲：統(tǒng)計(jì)解釋—測不準(zhǔn)原理—互補(bǔ)原理所反映的主要觀點(diǎn)是：微觀粒子的各種力學(xué)量（位置、動量、能量等）的出現(xiàn)都是幾率性的；量子力學(xué)對微觀粒子運(yùn)動的幾率性描述是完備的，對幾率性的原因不需要也不可能有更深的解釋；決定論不適用于量子力學(xué)領(lǐng)域；儀器的作用同觀察對象具有不可分割性，確立了科學(xué)活動中主客體互動關(guān)系。[1]量子力學(xué)的發(fā)展從根本上改變了經(jīng)典科學(xué)世界

圖景。

一、量子力學(xué)突破了經(jīng)典科學(xué)的機(jī)械決定論，遵循因果加統(tǒng)計(jì)的非機(jī)械決定論

經(jīng)典力學(xué)是關(guān)于機(jī)械運(yùn)動的科學(xué)，機(jī)械運(yùn)動是自然界最簡單也是最普遍的運(yùn)動。說它最簡單，因?yàn)闄C(jī)械運(yùn)動比較容易認(rèn)識，牛頓等人又采取高度簡化的方法研究力學(xué)，獲得了空前成功；說它最普遍，因?yàn)闄C(jī)械力學(xué)有廣泛的用途，容易把它絕對化。[2]機(jī)械決定論是建立在經(jīng)典力學(xué)的因果觀之上，解釋原因和結(jié)果的存在方式和聯(lián)系方式的理論。機(jī)械決定論認(rèn)為因和果之間的聯(lián)系具有確定性，無論從因到果的軌跡多么復(fù)雜，沿著軌跡尋找總能確定出原因或結(jié)果；機(jī)械決定論的核心在于只要初始狀態(tài)一定，則未來狀態(tài)可以由因果法則進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測。[3]其實(shí)，機(jī)械決定論僅僅適用于宏觀物體，而對于微觀領(lǐng)域以及客觀世界中大量存在的偶然現(xiàn)象的研究就產(chǎn)生了統(tǒng)計(jì)決定論。[4]

量子力學(xué)是對經(jīng)典物理學(xué)在微觀領(lǐng)域的一次革命。量子力學(xué)所揭示的微觀世界的運(yùn)動規(guī)律以及以玻爾為代表的哥本哈根學(xué)派對量子力學(xué)的理解，同物理學(xué)機(jī)械決定論是根本相悖的。[5]按照量子理論，微觀粒子運(yùn)動遵守統(tǒng)計(jì)規(guī)律，我們不能說某個(gè)電子一定在什么地方出現(xiàn)，而只能說它在某處出現(xiàn)的幾率有多大。

玻恩的統(tǒng)計(jì)解釋指出，因果性是表示事件關(guān)系之中一種必然性觀念，而機(jī)遇則恰恰相反地意味著完全不確定性，自然界同時(shí)受到因果律和機(jī)遇律的某種混合方式的支配。在量子力學(xué)中，幾率性是基本概念，統(tǒng)計(jì)規(guī)律是基本規(guī)律。物理學(xué)原理的方向發(fā)生了質(zhì)的改變：統(tǒng)計(jì)描述代替了嚴(yán)格的因果描述，非機(jī)械決定論代替了機(jī)械決定論的統(tǒng)治。

經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)雖然也提出了幾率的概念，但未能從根本上動搖嚴(yán)格決定論，量子力學(xué)的沖擊則使機(jī)械決定論的大廈坍塌了。量子力學(xué)揭示并論證了人們對微觀世界的認(rèn)識具有不可避免的隨機(jī)性，它不遵循嚴(yán)格的因果律。任何微觀事件的測定都要受到測不準(zhǔn)關(guān)系的限定，不可能確切地知道它們的位置和動量、時(shí)間和能量，只能描述和預(yù)言微觀對象的可能的行為。因此，量子力學(xué)必須是幾率的、統(tǒng)計(jì)的。而且，隨著認(rèn)識的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)量子統(tǒng)計(jì)的隨機(jī)性，不是由于我們知識和手段的不完備性造成的，而是由微觀世界本身的必然性（主客體相互作用）所注定。

二、量子力學(xué)使得科學(xué)認(rèn)識方法由還原論轉(zhuǎn)化為整體論

還原論作為一種認(rèn)識方法，是指把高級運(yùn)動形式歸結(jié)為低級運(yùn)動形式，用研究低級運(yùn)動形式所得出的結(jié)論代替對高級運(yùn)動形式的本質(zhì)認(rèn)識的觀點(diǎn)。它用已分析得出的客觀世界中的主要的、穩(wěn)定的觀點(diǎn)和規(guī)律去解釋、說明要研究的對象。其目的是簡化、縮小客體的多樣性。這種方法在人類認(rèn)識處于初級水平上無疑是有效的。如牛頓將開普勒和伽利略的定律成功地還原為他的重力定律。但是還原論形而上學(xué)的本質(zhì)，以及完全還原是不可能的，決定了還原論不能揭示世界的全貌。

量子力學(xué)認(rèn)為整體與部分的劃分只有相對意義，整體的特征絕非部分的疊加，而是部分包含著整體。部分作為一個(gè)單元，具有與整體同等甚至還要大的復(fù)雜性。部分不僅與周圍環(huán)境發(fā)生一定的外在聯(lián)系，同時(shí)還要表現(xiàn)出“主體性”，可將自身的內(nèi)在聯(lián)系傳遞到周邊，并直接參與整體的變化。因而，部分與整體呈現(xiàn)了有機(jī)的自覺因果關(guān)系。在特定的臨界狀態(tài)，部分的少許變化將引起整體的突變。[6]

波粒二象性是微觀世界的本質(zhì)特征，也是量子論、量子力學(xué)理論思想的靈魂。用經(jīng)典觀點(diǎn)來看，也就是按照還原論的思想，粒子與波毫無共同之處，二者難以形成直觀的統(tǒng)一圖案，這是經(jīng)典物理學(xué)通過部分還原認(rèn)識整體的方法，是“向上的原因”?？墒俏⒂^粒子在某些實(shí)驗(yàn)條件下，只表現(xiàn)波動性；而在另一些實(shí)驗(yàn)條件下，只表現(xiàn)粒子性。這兩種實(shí)驗(yàn)結(jié)果不能同時(shí)在一次實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)。于是，玻爾的互補(bǔ)原理就在客觀上揭示了微觀世界的矛盾和我們關(guān)于微觀世界認(rèn)識的矛盾，并試圖尋找一種解決矛盾的方法，這就是微觀粒子既具有粒子性又具有波動性，即波粒二象性。這就是整體論觀點(diǎn)強(qiáng)調(diào)的“向下的原因”，即從整體到部分。同樣，海森伯的測不準(zhǔn)原理說明不能同時(shí)測量微觀粒子的動量和位置，這也說明絕不能把宏觀物體的可觀測量簡單盲目地還原到微觀。由此我們可以看出，造成經(jīng)典科學(xué)觀與現(xiàn)代科學(xué)觀認(rèn)識論和方法論不同的根本在于思考和觀察問題的層面不同。經(jīng)典科學(xué)一味地強(qiáng)調(diào)外在聯(lián)系觀，而量子力學(xué)則更強(qiáng)調(diào)關(guān)注事物內(nèi)部的有機(jī)聯(lián)系。所以，量子力學(xué)把內(nèi)在聯(lián)系作為原因從根本上動搖了還原論觀點(diǎn)。

三、量子力學(xué)使得科學(xué)思維方式由追求簡單性發(fā)展到探索復(fù)雜性

從經(jīng)典科學(xué)思維方式來看，世界在本質(zhì)上是簡單的。牛頓就說過，自然界喜歡簡單化，而不喜歡用什么多余的原因以夸耀自己。追求簡單性是經(jīng)典科學(xué)奮斗的目標(biāo)，也是推動它獲取成功的動力。開普勒以三條簡明的定律揭示了看似復(fù)雜的太陽系行星運(yùn)動，牛頓更是用單一的萬有引力說明了千變?nèi)f化的天體行為。因而現(xiàn)代科學(xué)是用簡單性解釋復(fù)雜性，這就隱去了自然界的豐富多樣性。

量子力學(xué)初步揭示了客觀世界的復(fù)雜性。經(jīng)典科學(xué)的簡單性是與把物理世界理想化相聯(lián)系的。經(jīng)典物理學(xué)所研究的是理想的物質(zhì)客體。它不但用理想化的“質(zhì)點(diǎn)”、“剛體”、“理想氣體”來描述物體，而且把研究對象的條件理想化，使研究的視野僅僅局限于人們自己制定的范圍之內(nèi)。而客觀世界并不是如此，特別是進(jìn)入微觀領(lǐng)域，微觀粒子運(yùn)動的幾率性、隨機(jī)性；觀測對象和觀測主體不可分割性等都足以說明自然界本身并不是我們想象的那么簡單。

在現(xiàn)代科學(xué)中，牛頓的經(jīng)典力學(xué)成了相對論的低速現(xiàn)象的特例，成為非線性科學(xué)中交互作用近似為零的情況，在量子力學(xué)中是測不準(zhǔn)關(guān)系可以忽略時(shí)的理論表述。復(fù)雜性的提出并不是要消滅簡單性，而是為了打破簡單性獨(dú)占的一統(tǒng)地位。復(fù)雜性是把簡單性作為一個(gè)特例包含其中，正如莫蘭所說的，復(fù)雜性是簡單性和復(fù)雜性的統(tǒng)一。復(fù)雜性比簡單性更基本，可能性比現(xiàn)實(shí)性更基本，演化比存在更基本。[7]今天的科學(xué)思維方式，不是以現(xiàn)實(shí)來限制可能，而是從可能中選擇現(xiàn)實(shí)；不是以既存的實(shí)體來確定演化，而是在演化中認(rèn)識和把握實(shí)體。復(fù)雜性主張考察被研究對象的復(fù)雜性，在對其作出層次與類別上的區(qū)分之后再進(jìn)行溝通，而不是僅僅限于孤立和分離，它強(qiáng)調(diào)的是一種整體的協(xié)同。

四、量子力學(xué)使科學(xué)活動中主客體分離邁向主客互動

經(jīng)典科學(xué)思維方式的一個(gè)指導(dǎo)觀念就是，認(rèn)為科學(xué)應(yīng)該客觀地、不附加任何主觀成分地獲取“照本來樣子的”世界知識。玻爾告訴人們，根本不存在所謂的“真實(shí)”，除非你首先描述測量物理量的方式，否則談?wù)撊魏挝锢砹慷际菦]有意義的！測量，這一不被經(jīng)典物理學(xué)考慮的問題，在面對量子世界如此微小的測量對象時(shí)，成為一個(gè)難以把握的手段。因?yàn)檠芯空叩慕槿雽α孔邮澜绠a(chǎn)生了致命的干擾，使得測量中充滿了不確定性。在海森伯看來，在我們的研究工作由宏觀領(lǐng)域進(jìn)入微觀領(lǐng)域時(shí)，我們就會遇到一個(gè)矛盾：我們的觀測儀器是宏觀的，可是研究對象卻是微觀的；宏觀儀器必然要對微觀粒子產(chǎn)生干擾，這種干擾本身又對我們的認(rèn)識產(chǎn)生了干擾；人只能用反映宏觀世界的經(jīng)典概念來描述宏觀儀器所觀測到的結(jié)果，可是這種經(jīng)典概念在描述微觀客體時(shí)又不能不加以限制。這突破了經(jīng)典科學(xué)完全可以在不影響客體自然存在的狀態(tài)下進(jìn)行觀測的假定，從而建立了科學(xué)活動中主客體互動的關(guān)系。

例如，關(guān)于光到底是粒子還是波，辯論了三百多年。玻爾認(rèn)為這完全取決于我們?nèi)绾稳ビ^察它。一種實(shí)驗(yàn)安排，人們可以看到光的波現(xiàn)象；另一種實(shí)驗(yàn)安排，人們又可以看到光的粒子現(xiàn)象。但就光子這個(gè)整體概念而言，它卻表現(xiàn)出波粒二象性。因此，海森伯就說，我們觀測的不是自然本身，而是由我們用來探索問題的方法所揭示的自然。[8]

量子力學(xué)的發(fā)展表明，不存在一個(gè)客觀的、絕對的世界。唯一存在的，就是我們能夠觀測到的世界。物理學(xué)的全部意義，不在于它能夠描述出自然“是什么”，而在于它能夠明確，關(guān)于自然我們能夠“說什么”。

參考文獻(xiàn)：

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篇3

關(guān)鍵詞：量子力學(xué) 量子力學(xué)發(fā)展 質(zhì)子和粒子

前言：量子力學(xué)是對牛頓物理學(xué)的根本否定。l9世紀(jì)末正當(dāng)人們?yōu)榻?jīng)典物理取得重大成就歡呼的時(shí)候，一系列經(jīng)典理論無法解釋的現(xiàn)象一個(gè)接一個(gè)地發(fā)現(xiàn)了。在經(jīng)典力學(xué)時(shí)期，物理學(xué)所探討的主要是那些描述用比較直接的試驗(yàn)研究就可以接觸到的物理現(xiàn)象的定律和理論。在宏觀和慢速的世界中，牛頓定律和麥克斯韋電磁理論是很好的自然定律。而對于發(fā)生在原子和粒子這樣小的物體中的物理現(xiàn)象，經(jīng)典物理學(xué)就顯得無能為力，很多現(xiàn)象沒法解釋。

1.量子力學(xué)的起源

量子論起源于經(jīng)典物理學(xué)體系中出現(xiàn)的反常的經(jīng)驗(yàn)問題，以及相伴隨的概念問題。量子力學(xué)的發(fā)展主要?dú)w功于四位物理學(xué)家。德國的海森伯于1926年作出了量子力學(xué)理論的第一種表述。利用矩陣力學(xué)的理論，求得描述原子內(nèi)部電子行為的一些可觀察量的正確數(shù)值。接著，奧地利的薛定諤發(fā)表了波動力學(xué)，是量子力學(xué)的另一種數(shù)學(xué)表述。同年，德國的伯恩對上述兩種數(shù)學(xué)表述作出可以接受的物理解釋，并首先使用“量子力學(xué)”這個(gè)名詞。1928年，英國的狄拉克又把上面的理論加以推廣，并與狹義相對論結(jié)合起來。

量子力學(xué)是對牛頓物理學(xué)的根本否定。牛頓認(rèn)為物質(zhì)是由粒子組成的，粒子是一個(gè)實(shí)體，量子力學(xué)認(rèn)為粒子是波，波是無邊無際的。牛頓認(rèn)為宇宙是一部機(jī)器，可以把研究對象分成幾部分，然后對每一部分進(jìn)行研究。量子力學(xué)認(rèn)為自然界是深深地連通著的，一定不能把微觀體系看成是由可以分開的部分組成的。因?yàn)閮蓚€(gè)粒子從實(shí)體看可以分開，從波的角度他們是糾纏在一起的。牛頓認(rèn)為宇宙是可以預(yù)言的，而量子力學(xué)認(rèn)為，自然界在微觀層次上是由隨機(jī)性和機(jī)遇支配的。牛頓認(rèn)為自然界的變化是連續(xù)的，量子力學(xué)認(rèn)為自然界的變化是以不連續(xù)的方式發(fā)生的。

2.量子力學(xué)的形成

2.1 量子假說的提出

1900年l2月14日，德國物理學(xué)家普朗克在柏林德國物理學(xué)會一次會議上提出了黑體輻射定律的推導(dǎo)，這一天被認(rèn)為是量子力學(xué)理論的誕辰日。在推導(dǎo)輻射強(qiáng)度作為波長和絕對溫度函數(shù)的理論表達(dá)式時(shí)，普朗克假設(shè)構(gòu)成腔壁的原子的行經(jīng)像極小電磁振子，各振子均有一個(gè)振蕩的特征頻率。振子發(fā)射電磁能量于空腔中，并自空腔中吸收電磁能量，因此可以由在輻射平衡狀態(tài)的振子的特性而推出空腔輻射的特性。而關(guān)于原子的振子，普朗克作了兩項(xiàng)

根本的假設(shè)，現(xiàn)簡述如下：

① 振子不能為“任何能量”，只能為：

（1）

式中：為振子頻率，為常數(shù)（現(xiàn)稱為普朗克常數(shù)），只能為整數(shù)（現(xiàn)稱為量子數(shù)），（1）式斷言振子的能量只能是一份一份的，而不能是連續(xù)的，即振子能量是量子化的。

②振子并不連續(xù)放射能量，僅能以“跳躍”方式放射，或稱“量子式”放射。當(dāng)振子自一量狀態(tài)改變至另一態(tài)時(shí)，即放出能量量子。因此，當(dāng)改變一個(gè)單位時(shí)，放射之能量為：

只要振子仍在同一量子狀態(tài)，則既不放射能量也不吸收能量。

2.2 愛因斯坦利用量子假說揭開光電效應(yīng)之謎

愛因斯坦根據(jù)普朗克的量子假設(shè)推理認(rèn)為：如果一個(gè)振動電荷的能量是量子化的，那么它的能量變化只能是從一個(gè)允許的能量瞬時(shí)地躍遷到另一個(gè)允許的能量，因?yàn)楦静辉试S它具有任何中間的能量值。而能量守恒就意味著，發(fā)射出的輻射必須是以一股瞬時(shí)的輻射進(jìn)發(fā)的形式從振動電荷產(chǎn)生出來，而不是電磁波理論所預(yù)言的長時(shí)間的連續(xù)波。愛因斯坦得出結(jié)論：輻射永遠(yuǎn)以一個(gè)個(gè)小包、小粒子的形式出現(xiàn)，但不是象質(zhì)子、電子那樣的實(shí)物粒子。這些新粒子是輻射構(gòu)成的；它們是可見光粒子、紅外光粒子、 射線粒子等等。這些輻射粒子叫做光子。光子和實(shí)物粒子不同：它們永遠(yuǎn)以光速運(yùn)動；它們的靜止質(zhì)量為零；振動的帶電粒子產(chǎn)生光子。

3.量子力學(xué)的宇宙觀

在原子的量子理論的探討中，從對氫原子的研究中發(fā)現(xiàn)，氫原子有無數(shù)個(gè)量子態(tài)。而電子多于一個(gè)的原子有更復(fù)雜的量子態(tài)，這些量子態(tài)都從求解適合于該特定原子的薛定諤方程，并且要求其場剛好環(huán)繞原子核產(chǎn)生駐波而求得。由于這些量子態(tài)的每一個(gè)都是有特定頻率的駐波，并且波的頻率和它的能量相聯(lián)系，預(yù)期每個(gè)量子態(tài)只有一個(gè)特殊的能量。這就是說，預(yù)期任何一個(gè)態(tài)的能量不會有任何量子不確定性?？梢詫γ總€(gè)態(tài)的能量大小作合理的猜測。由于質(zhì)子作用于電子的力是吸引力，要把一個(gè)電子向外拖到離原子核更遠(yuǎn)的地方就必須做功。因此電子離原子核越遠(yuǎn)，電子的電磁能量就越高。

量子理論的中心思想是，一切東西都由不可預(yù)言的粒子構(gòu)成，但這些粒子的統(tǒng)計(jì)行為遵循一種可以預(yù)言的波動圖樣。1927年，德國物理學(xué)家海森伯發(fā)現(xiàn)，這種波粒二象性意味著，微觀世界具有一種內(nèi)稟的，可以量化的不確定性。量子理論的最大特點(diǎn)也許是它的不確定性。量子不確定的實(shí)質(zhì)是，完全相同的物理情況將導(dǎo)致不同的結(jié)果。哥本哈根學(xué)派解釋的結(jié)論是，微觀事件真的是不可預(yù)言的。而且，當(dāng)我們說一個(gè)微觀粒子的位置是不確定的時(shí)候，意思并不僅僅是我們?nèi)狈τ嘘P(guān)其位置的知識。相反，意思是這個(gè)粒子的確沒有確定的位置

結(jié)語：量子力學(xué)在低速、微觀的現(xiàn)象范圍內(nèi)具有普遍適用的意義。它是現(xiàn)代物理學(xué)基礎(chǔ)之一，在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中的表面物理、半導(dǎo)體物理、凝聚態(tài)物理、粒子物理、低溫超導(dǎo)物理、量子化學(xué)以及分子生物學(xué)等學(xué)科的發(fā)展中，都有重要的理論意義。量子力學(xué)的產(chǎn)生和發(fā)展標(biāo)志著人類認(rèn)識自然實(shí)現(xiàn)了從宏觀世界向微觀世界的重大飛躍。

參考文獻(xiàn)

[1] 曾謹(jǐn)言.量子力學(xué)導(dǎo)論[M].2版.北京大學(xué)出版社，2OOO.

篇4

關(guān)鍵詞：物理本體；物理實(shí)體；量子現(xiàn)象；主觀；客觀

基金項(xiàng)目：國家社會科學(xué)基金項(xiàng)目“量子概率的哲學(xué)研究”（16BZX022）

中圖分類號：N03 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-854X（2017）06-0054-06

一、引言

時(shí)間和空間是人類所有經(jīng)驗(yàn)的背景。除去存在的事物，時(shí)間、空間什么也不是，不存在只有一件事物的時(shí)間、空間，時(shí)空是事物之間相互關(guān)系的一個(gè)方面。

人類通過感性經(jīng)驗(yàn)認(rèn)知的時(shí)空，稱作經(jīng)驗(yàn)時(shí)空；以科學(xué)原理和科學(xué)方法指導(dǎo)認(rèn)知的時(shí)空是科學(xué)時(shí)空；牛頓時(shí)空、狹義相對論時(shí)空、廣義相對論時(shí)空、量子力學(xué)時(shí)空，是經(jīng)驗(yàn)時(shí)空的科學(xué)提升和科學(xué)發(fā)展，稱作物理時(shí)空①。物理時(shí)空是科學(xué)時(shí)空。描述現(xiàn)象實(shí)體的時(shí)空是現(xiàn)象時(shí)空，經(jīng)驗(yàn)時(shí)空、物理時(shí)空、科學(xué)時(shí)空均是現(xiàn)象時(shí)空。而未經(jīng)觀察的“自在實(shí)體（物理本體）”所在時(shí)空，稱為“本體時(shí)空”?！氨倔w時(shí)空”是復(fù)數(shù)的②，因此，人類實(shí)質(zhì)生活在復(fù)數(shù)時(shí)空中 。作為自然人，觀察者存在于“本體時(shí)空”，實(shí)時(shí)空是人類對時(shí)空認(rèn)識的簡化③。

主體、客體、觀察信號是人類認(rèn)知自然的三大基本要素④。一般“現(xiàn)象對觀察者的主觀依賴性”有其客觀原因，體現(xiàn)觀察信號的自然屬性對觀察者在認(rèn)知中的影響。當(dāng)把現(xiàn)象對觀察者的主觀依賴性轉(zhuǎn)化為時(shí)空的屬性后，就可以達(dá)到客觀描述物質(zhì)世界⑤。所謂客觀描述就是理論計(jì)算與經(jīng)驗(yàn)及科學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。

考慮觀察信號的客觀作用并納入時(shí)空理論的科學(xué)建構(gòu)之中，客觀描述物理現(xiàn)象，是物理學(xué)家的重要工作。一般，哲學(xué)認(rèn)知中沒有明晰“觀察信號中介作用”的客觀地位，不管“機(jī)械反映論”，還是“能動反映論”，都自動將其融入“反映論”理論體系，尤其是前者，往往容易導(dǎo)致主觀唯心主義的滋生。

狹義相對論用光對時(shí)，考慮了光對建立時(shí)空的貢獻(xiàn)；牛頓時(shí)空是對時(shí)信號速度c趨于無窮大的極限情態(tài)；考慮引力場對建立時(shí)空的影響，引力時(shí)空是彎曲的，狹義相對論的平直時(shí)空是它的局域特例。從牛頓力學(xué)到狹義相對論再到廣義相對論，時(shí)空發(fā)生了變化，但主體與描述對象的關(guān)系沒有變，主體對客體的描述是客觀的。那么是否主體對認(rèn)知對象完全沒有主觀影響？如果有，它如何產(chǎn)生，又如何消解，實(shí)現(xiàn)客觀描述物質(zhì)世界？經(jīng)典力學(xué)中，人類的處理方法是通過揭示“現(xiàn)象對觀察者的主觀依賴性”及其產(chǎn)生機(jī)理，在不同認(rèn)知領(lǐng)域區(qū)分描述中可以忽略的和不可忽略的，能忽略的舍棄，不能忽略的轉(zhuǎn)化成時(shí)空的屬性，實(shí)現(xiàn)客觀描述；而從牛頓力學(xué)（或相對論力學(xué)）到量子力學(xué)，時(shí)空沒有變化，描述對象具有波粒二象性，“量子現(xiàn)象的主觀依賴性”更為突出。如何消解“量子現(xiàn)象對觀察者的主觀依賴性”，實(shí)現(xiàn)量子現(xiàn)象的客觀描述，一直是量子力學(xué)基礎(chǔ)討論的熱點(diǎn)。量子力學(xué)必須有自己的客觀描述量子現(xiàn)象的時(shí)空⑥。

量子力學(xué)時(shí)空是閔氏時(shí)空的復(fù)數(shù)拓展和推廣⑦，由此可以實(shí)現(xiàn)客觀描述量子世界。它與相對論時(shí)空有交集，也有異域。有因必有果，反之亦然，時(shí)間與因果關(guān)系等價(jià)⑧。量子力學(xué)中的非定域性，與能量、動量量子化及量子態(tài)的突變性相關(guān)聯(lián)。突變無須時(shí)間，導(dǎo)致因果鏈斷裂，與因果關(guān)聯(lián)的相互作用也被刪除，由此引進(jìn)了類空間隔。平行并存量子態(tài)的出現(xiàn)，是不遵從因果律的量子力學(xué)新表現(xiàn)；當(dāng)能量、動量和相互作用變得連續(xù)，宏觀時(shí)序得到恢復(fù)時(shí)，回到相對論時(shí)空，量子測量中“量子態(tài)和時(shí)空的坍縮”⑨ 是不同物理時(shí)空的轉(zhuǎn)換，希爾伯特空間只是它們的共同數(shù)學(xué)應(yīng)用空間⑩。

時(shí)空不是絕對的，相對時(shí)空有更廣闊的含義，人類需要擴(kuò)大對時(shí)空概念的認(rèn)知，不同的認(rèn)知層次有不同的時(shí)空對應(yīng)，復(fù)數(shù)時(shí)空更為本質(zhì)。人們不應(yīng)該將所有領(lǐng)域的物理實(shí)體歸于某一時(shí)空描述，或者用一種時(shí)空的性質(zhì)去否定另一種時(shí)空的存在。還是愛因斯坦說得好：是理論告訴我們能夠觀察到什么。當(dāng)然，新的實(shí)驗(yàn)事實(shí)又將告訴人們，理論及其對應(yīng)的時(shí)空應(yīng)該如何修改和發(fā)展。理論不同時(shí)空不同，時(shí)空具有建構(gòu)特征。

二、時(shí)空的哲學(xué)認(rèn)知與物理學(xué)描述

時(shí)空是哲學(xué)的基本概念，也是物理學(xué)的基本概念。哲學(xué)認(rèn)為，時(shí)間和空間是物質(zhì)的存在形式，既不存在沒有時(shí)空的物質(zhì)，也不存在沒有物質(zhì)的時(shí)空。笛卡爾指出，空間是事物的廣延性，時(shí)間是事物的持續(xù)性；康德認(rèn)為，時(shí)空是感性材料的先天直觀形式；牛頓提出時(shí)間和空間是彼此分離，絕對不變的，強(qiáng)調(diào)數(shù)學(xué)的時(shí)間自我均勻流逝；萊布尼茨說，空間是現(xiàn)象的共存序列，時(shí)間與運(yùn)動相聯(lián)系；黑格爾認(rèn)為，事物運(yùn)動的本質(zhì)是空間和時(shí)間的直接統(tǒng)一。休謨認(rèn)為，時(shí)、空上的接近和先后關(guān)系與因果性直接相關(guān)。中國的“宇”和“宙”就是空間和時(shí)間概念，它是把三維空間和一維時(shí)間概念同宇宙密切聯(lián)系在一起的最早應(yīng)用{11}。

哲學(xué)具有啟示作用，但時(shí)空概念如果不與人的社會實(shí)踐、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、科學(xué)理論及其數(shù)學(xué)物理方法相聯(lián)系，就只能停留在形而上，無法上升為科學(xué)理論概念。

物理學(xué)中，空間從測量和描述物體及其運(yùn)動的位置、形狀、方向中抽象出來；時(shí)間則從描述物體運(yùn)動的持續(xù)性、周期性，以及事件發(fā)生的順序、因果性中抽象出來；空間和時(shí)間的性質(zhì)，主要從物體運(yùn)動及其相互作用的各種關(guān)系和度量中表現(xiàn)出來。描述物體的運(yùn)動，先選定參照物，并在參照物上建立一個(gè)坐標(biāo)系，一般參照物被抽象成點(diǎn)，它就是坐標(biāo)系的原點(diǎn)；假定被描述物體的形體結(jié)構(gòu)對討論的問題（或?qū)⒄瘴锏臅r(shí)空）沒有影響，將物體抽象成質(zhì)點(diǎn)，討論質(zhì)點(diǎn)在坐標(biāo)系中的運(yùn)動及其相關(guān)規(guī)律，這就是物理學(xué)。由此，“時(shí)空是物質(zhì)的存在形式”的哲學(xué)認(rèn)知也就轉(zhuǎn)化為人類可操作的具體物理理論描述。

可見，時(shí)空的認(rèn)知與人類的社會實(shí)踐、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、科學(xué)進(jìn)步直接相關(guān)，離不開物理和數(shù)學(xué)方法的應(yīng)用。笛卡爾平直空間、閔可夫斯基空間、黎曼空間都已作為物理學(xué)所依托的幾何學(xué)，在牛頓力學(xué)、狹義相對論、廣義相對論中得到了充分應(yīng)用。由此，幾何學(xué)被賦予了物理意義。從牛頓力學(xué)到狹義相對論再到廣義相對論，時(shí)空發(fā)生了變化，但描述對象與觀察者之間的關(guān)系沒有變，描述是客觀的，并且描述對象都可抽象成經(jīng)典的粒子，采用質(zhì)點(diǎn)模型。量子力學(xué)不同，從牛頓力學(xué)（相對論力學(xué)）到量子力學(xué)，描述量子現(xiàn)象的時(shí)空沒有變化{12}，物理模型沒有變，但量子現(xiàn)象對觀察者有明顯的主觀依賴性，難以客觀描述微觀量子現(xiàn)象。深入分析，解決的辦法有兩種，一是更換物理模型的同時(shí)也改變物理時(shí)空，消除“量子現(xiàn)象對觀察者的主觀依賴性”，實(shí)現(xiàn)客觀描述微觀量子客體；二是改變時(shí)空的同時(shí)，保留“量子現(xiàn)象對觀察者的主觀依賴性”，將本體、認(rèn)識、時(shí)空融為一體，主觀納入客觀，模糊主客關(guān)系。雙4維時(shí)空量子力學(xué)基礎(chǔ)采用了第一種方法。通過場物質(zhì)球模型，把點(diǎn)模型隱藏的空間自由度釋放出來；在改變物理模型的同時(shí)，也改變了描述時(shí)空；將不是點(diǎn)的微觀客體自身的空間分布特性，轉(zhuǎn)化為描述空間的屬性，客觀描述量子客體。我們認(rèn)為，第二種方法將主觀認(rèn)識不加區(qū)分地“融入時(shí)空”，有損客觀性、科W性，量子力學(xué)時(shí)空必須是描述客觀世界的時(shí)空。物理時(shí)空需要建構(gòu)。

三、牛頓絕對時(shí)空中“現(xiàn)象對觀察者的主觀依賴性”及其“消解”

眾所周知，物理學(xué)對物體運(yùn)動狀態(tài)的描述，理應(yīng)包含參照物和被描述物體自身的時(shí)空特征，而參照物和物體自身的時(shí)空特征，必須通過觀察發(fā)現(xiàn)。觀察需要觀測信號，物體運(yùn)動狀態(tài)及其時(shí)空特征必然帶有觀測信號的烙印{13}。

“物理本體”不可直接觀察，我們觀察到的是“物理實(shí)體”{14}。參照物與研究對象都有自己對應(yīng)的物理時(shí)空，牛頓力學(xué)時(shí)空應(yīng)該是兩者的綜合，而不應(yīng)該只是參照物的時(shí)空。但是，牛頓力學(xué)中光速無窮大，在討論物體運(yùn)動時(shí)，又假設(shè)研究對象的時(shí)空結(jié)構(gòu)對討論的問題沒有影響，忽略不計(jì)，于是，研究對象抽象成了質(zhì)點(diǎn)，整個(gè)理論體系就只有與參照物聯(lián)系的時(shí)空了。

任何具體物體都不會是質(zhì)點(diǎn)。當(dāng)用信號去觀察它時(shí)，物體自身的時(shí)空特征與物體的運(yùn)動狀態(tài)與觀察信號的性質(zhì)、強(qiáng)弱和傳播速度相關(guān)。質(zhì)點(diǎn)模型忽略物體自身的幾何形象及其變化，忽略運(yùn)動及觀察信號對物體自身時(shí)空特征的影響，參照物也不例外。在從參照物到坐標(biāo)系的抽象中，抽掉運(yùn)動及觀察信號對參照物時(shí)空特性的影響，就是抽掉物體運(yùn)動及觀察信號對坐標(biāo)系時(shí)空特性的影響，就是抽掉人的參與對時(shí)空認(rèn)知的影響{15}。牛頓力學(xué)時(shí)空與物體運(yùn)動及觀察者無關(guān)，絕對不變，基于絕對不動的以太之上。所以，牛頓可以把時(shí)間和空間從物質(zhì)運(yùn)動中分離出來，時(shí)間和空間也彼此分割，空間絕對不變，數(shù)學(xué)的、永遠(yuǎn)流逝的時(shí)間絕對不變{16}。哲學(xué)的時(shí)空演變成了可操作的物理時(shí)空。這是宏觀低速運(yùn)動對時(shí)空的簡化與抽象，理論與宏觀經(jīng)驗(yàn)及計(jì)算相符。

相互作用實(shí)在論認(rèn)為，現(xiàn)實(shí)世界是人參與的世界，對一個(gè)研究對象的觀察，離不開主體、客體、觀察信號三個(gè)基本要素。參照物和觀察對象的運(yùn)動和變化及其時(shí)空屬性，與觀察信號的性質(zhì)相關(guān)。牛頓力學(xué)中，不是沒有現(xiàn)象對觀察主體的依賴性，而是在理論的建立中認(rèn)為影響很小，可以忽略不計(jì)。牛頓力學(xué)是“物理本體=物理實(shí)體”的力學(xué){17}。這與宏觀經(jīng)驗(yàn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)相符，在宏觀低速運(yùn)動層次實(shí)現(xiàn)了主客二分，理論被看作是對客觀實(shí)在的描述。牛頓力學(xué)中，物質(zhì)告訴時(shí)空如何搭建描述背景，時(shí)空告訴物質(zhì)如何在背景中運(yùn)動。二者構(gòu)成背景相關(guān)。

牛頓時(shí)空是均勻平直時(shí)空，相對勻速運(yùn)動坐標(biāo)系間的變換是伽利略變換。物理定律在伽利略換下具有協(xié)變性，相對性原理成立。

四、狹義相對論中“現(xiàn)象對觀察者的主觀依賴性”及其“消解”

狹義相對論建立之前，洛倫茲就認(rèn)為高速運(yùn)動中物體長度在運(yùn)動方向發(fā)生收縮{18}。這是他站在牛頓時(shí)空立場，承認(rèn)以太及絕對坐標(biāo)系的存在對洛倫茲變換所作的解釋。描述時(shí)空沒有變，“現(xiàn)象對觀察者出現(xiàn)了主觀依賴性”。自然現(xiàn)象失去了客觀性，這是一次認(rèn)識危機(jī)，屬19世紀(jì)末20世紀(jì)初兩朵烏云之一。

狹義相對論不同，它考慮宏觀高速運(yùn)動中觀察信號對物體時(shí)空特征的影響。愛因斯坦在“火車對時(shí)”實(shí)驗(yàn)中，他用“光”作為觀察、記錄、認(rèn)知物體時(shí)空特征的信號{19}；通過參照物到坐標(biāo)系的抽象，論證靜、動坐標(biāo)系K與K′“同時(shí)性”不同，靜、動坐標(biāo)系運(yùn)動方向時(shí)空測量單位發(fā)生了變化；將洛倫茲所稱“運(yùn)動物體自身運(yùn)動方向上的長度收縮”演變成坐標(biāo)系時(shí)空框架的屬性，還原質(zhì)點(diǎn)模型，建立相對論力學(xué)。實(shí)現(xiàn)了觀察者對觀察對象的客觀描述。

狹義相對論中質(zhì)點(diǎn)的動量、能量、位置和時(shí)間都有確定值，質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動具有確定的軌跡，這一點(diǎn)與牛頓力學(xué)相同。

狹義相對論時(shí)空的另一重要物理意義是揭示了“物理本體”的客觀實(shí)在性。

牛頓力學(xué)缺少相對論不可直接觀察的靜能（m0c2，m0c）對應(yīng)物，物理本體=物理實(shí)體，哲學(xué)上的抽象時(shí)空直接過渡到牛頓物理時(shí)空。

狹義相對論不一樣，每一個(gè)物體都有一個(gè)不可直接觀察的靜能（m0c2，m0c）對應(yīng)物，它在任何靜止參考系中都是不變量，是物理實(shí)體背后的物理本體，物理本體不變，變的是mc2、mc對應(yīng)的物理實(shí)體?！拔锢肀倔w”既不是形而上的（物自體），也不是形而下的（物體），是形而中的（靜能對應(yīng)物）。它可以認(rèn)知、可以理論建構(gòu)，但又不可直接觀察。相對于牛頓，愛因斯坦相對論揭示了“物理本體”的真實(shí)存在性?！翱陀^物質(zhì)世界”不是思維的產(chǎn)物。

狹義相對論中，物質(zhì)告訴時(shí)空在運(yùn)動方向如何修正測量單位，時(shí)空告訴物質(zhì)如何長度收縮、時(shí)間減緩。時(shí)空具有相對性。

狹義相對論時(shí)空雖然也是均勻平直時(shí)空，但由于有上述“相對時(shí)空”的出現(xiàn)，時(shí)空度規(guī)與歐氏時(shí)空度規(guī)有明顯區(qū)別，所以稱為贗歐氏時(shí)空。

但狹義相對論仍然是只考慮光及光速的有限性對建立時(shí)空的影響，沒有考慮引力作用對建立時(shí)空的影響。如果考慮引力對時(shí)空的影響又如何呢？

五、廣義相對論中“現(xiàn)象對觀察者的主觀依賴性”及其“消解”

廣義相對論中有水星近日點(diǎn)進(jìn)動問題和光走曲線的討論。站在牛頓平直時(shí)空的立場，觀察結(jié)果與理論計(jì)算不符。這不是儀器的精度不夠，也不是操作失誤，而是理論本身的問題。因?yàn)?，牛頓力學(xué)也好，狹義相對論也好，討論引力問題，引力場對參照物和研究對象時(shí)空屬性的影響都沒有計(jì)入其中，而留在觀察者對“現(xiàn)象”的觀察、判斷之中，出現(xiàn)宇觀大尺度“現(xiàn)象對觀察者的主觀依賴性”。如果考慮引力場使時(shí)空發(fā)生彎曲，利用彎曲時(shí)空計(jì)算水星近日點(diǎn)進(jìn)動和光走曲線現(xiàn)象，“現(xiàn)象對觀察者的主觀依賴性”就變成時(shí)空的屬性。“現(xiàn)象對觀察者的主觀依賴性”就得到了“消解”，觀察現(xiàn)象與理論結(jié)果就取得了一致。這里，物質(zhì)使時(shí)空彎曲，時(shí)空告訴物質(zhì)如何在彎曲時(shí)空中運(yùn)動。廣義相對論實(shí)現(xiàn)了觀察者對觀察對象的客觀描述。

廣義相對論時(shí)空是彎曲的，時(shí)空度規(guī)是變化的。

六、量子力學(xué)中“現(xiàn)象對觀察者的主觀依賴性”及其“消解”

微觀客體具有波粒二象性，同一個(gè)電子，通過雙縫表現(xiàn)為波，而打在屏幕上又表現(xiàn)為粒子，電子集波和粒子于一身，“量子現(xiàn)象對觀察者的主觀依賴性”更為突出。經(jīng)典力學(xué)中波動性和粒子性不能集物體于一身，量子力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)表現(xiàn)出深刻的矛盾。矛盾的產(chǎn)生，可能是描述微觀現(xiàn)象的時(shí)空出了問題。量子力學(xué)的研究領(lǐng)域是微觀世界，研究對象是微觀客體，不是經(jīng)典的粒子，用以觀察的信號也不是連續(xù)的光，而是量子化了的光，通過光信號建立的時(shí)空應(yīng)該與牛頓、相對論時(shí)空有所區(qū)別。而量子力學(xué)使用的還是牛頓時(shí)空、狹義相對論時(shí)空，時(shí)空沒有變，物理模型沒有變，而研究領(lǐng)域、觀察信號和研究“對象”變了。量子力學(xué)必須有自己對應(yīng)的時(shí)空，將“量子現(xiàn)象對觀察者的主觀依賴性”，轉(zhuǎn)化為描述時(shí)空的屬性，實(shí)現(xiàn)客觀描述量子現(xiàn)象！ 雙4維時(shí)空量子力學(xué)就是為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)應(yīng)運(yùn)而生的。

現(xiàn)有量子力學(xué)“量子現(xiàn)象對觀察者的主觀依賴性”之所以難以消解，與量子力學(xué)中的點(diǎn)模型相關(guān)。許多量子現(xiàn)象與點(diǎn)模型隱藏的空間自由度有直接聯(lián)系，但點(diǎn)模型忽略了這些自由度對產(chǎn)生微觀量子現(xiàn)象的作用和影響。我們必須將隱藏的空g自由度還原于時(shí)空，才可能正確地認(rèn)識、客觀描述量子現(xiàn)象。

可以公認(rèn)，微觀客體不是點(diǎn){20}，是一個(gè)有形客體，有一定的空間分布，不存在確定于某點(diǎn)的空間位置，這是客觀事實(shí)。理論上，牛頓時(shí)空幾何點(diǎn)位置是確定的，量子力學(xué)使用的是質(zhì)點(diǎn)模型，0 維，位置也是確定的，牛頓時(shí)空可以精確描述質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動。那么微觀客體空間分布的不確定性如何處理？人們只好轉(zhuǎn)而認(rèn)為點(diǎn)粒子在其“空間分布”區(qū)域位置具有概率屬性。微觀客體自身空間分布的客觀實(shí)在性在量子世界轉(zhuǎn)化成了一種主觀認(rèn)知，賦予了微觀客體“內(nèi)稟”的概率屬性，其運(yùn)動產(chǎn)生概率分布，或稱其為概率波。

這是一個(gè)認(rèn)識上的困惑，似乎量子力學(xué)描述失去了客觀實(shí)在性。這也是量子力學(xué)當(dāng)今的困境。解決困難的方法是：（一）更換點(diǎn)模型，釋放點(diǎn)模型隱藏的自由度，展示“這些自由度對產(chǎn)生微觀現(xiàn)象的貢獻(xiàn)”；（二）建立適合量子力學(xué)自身的時(shí)空，將釋放的自由度植入其中，讓“量子現(xiàn)象對觀察者的主觀依賴性”變成量子力學(xué)時(shí)空自身的屬性。

雙4維時(shí)空量子力學(xué)的辦法是：（一）用“轉(zhuǎn)動場物質(zhì)球”模型取代“質(zhì)點(diǎn)”模型，釋放點(diǎn)模型隱藏的空間自由度；（二）將4維實(shí)時(shí)空M4（x）拓展到雙4維復(fù)時(shí)空W（x，k），且將“釋放的空間自由度――曲率k”作為雙4維復(fù)時(shí)空的虛部坐標(biāo)；（三）4維曲率坐標(biāo)將量子力學(xué)賦予微觀客體自身的概率屬性變成量子力學(xué)復(fù)時(shí)空的幾何屬性，場物質(zhì)球自身的旋轉(zhuǎn)與運(yùn)動產(chǎn)生物質(zhì)波――物理波。

“場物質(zhì)球”與“物質(zhì)波”（類似對偶性假設(shè)）既是同一物理實(shí)在的兩種不同描述方式，更是微觀客體粒子性和波動性的統(tǒng)一，曲率的大小表示粒子性，曲率的變化表示波動性。場物質(zhì)球的物質(zhì)密度是曲率k的函數(shù)，因此，物質(zhì)波既是場物質(zhì)球的結(jié)構(gòu)波又是場物質(zhì)密度波。物質(zhì)波不是傳播能量，而是傳播場物質(zhì)球的結(jié)構(gòu)或物質(zhì)密度變化，可映射成實(shí)時(shí)空M4（x）的概率分布{21}，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。

這樣，點(diǎn)模型中“量子現(xiàn)象對觀察者的主觀依賴性”通過“釋放的自由度”轉(zhuǎn)變?yōu)闀r(shí)空W（x，k）的屬性，物質(zhì)波傳播其中，量子現(xiàn)象是物質(zhì)波所為。

研究表明，是量子測量引入的連續(xù)作用，使雙4維時(shí)空W（x，k）全域轉(zhuǎn)換到實(shí)時(shí)空M4（x），波動形態(tài)轉(zhuǎn)變成粒子形態(tài)（“相變”），球模型轉(zhuǎn)換成點(diǎn)模型，概率屬性內(nèi)在其中，物質(zhì)波自動映射成概率波，數(shù)學(xué)處理類似表象變換{22}。

簡言之，傳統(tǒng)量子力學(xué)，微觀客體簡化成質(zhì)點(diǎn)，描述時(shí)空不變，人的主觀意識介入其中，將其空間分布特性――位置不確定性，變成點(diǎn)粒子的概率屬性，實(shí)現(xiàn)描述對象從客觀到主觀認(rèn)知的轉(zhuǎn)變，具有位置不確定性的點(diǎn)粒子，其運(yùn)動產(chǎn)生概率波；雙4維時(shí)空量子力學(xué)，微觀客體簡化成場物質(zhì)球，“空間分布具體化為幾何曲率”，空間分布特性變成曲率坐標(biāo)，仍然是從客觀到客觀，描述時(shí)空變成了復(fù)時(shí)空，曲率坐標(biāo)在其虛部，場物質(zhì)球的運(yùn)動產(chǎn)生物質(zhì)波――物理波。通過量子測量，物質(zhì)波映射成概率波，球模型演變成點(diǎn)模型，顯示概率屬性，時(shí)空內(nèi)在自動轉(zhuǎn)換，量子現(xiàn)象對觀察者的主觀依賴性消解在建構(gòu)的時(shí)空理論中。具體論證方法是：

將靜態(tài)場物質(zhì)球?qū)懗勺孕▌有问剑害?=е■，描述在復(fù)空間。ω0是常數(shù)，它的變化只與自身坐標(biāo)系時(shí)間t0相關(guān)，全空間分布（物理本體所在空間）。設(shè)建在“靜態(tài)”場物質(zhì)球上的坐標(biāo)系為K0，觀察微觀客體從靜止開始作蛩僭碩，由洛倫茲變換：

微觀客體的運(yùn)動速度不同，平面波相位不同。復(fù)相空間kμxμ即為物質(zhì)波所在時(shí)空。物質(zhì)波是物理波。

自由微觀客體的速度就是建在其上慣性坐標(biāo)系的速度，慣性系間的坐標(biāo)變換，隱藏速度突變――“超光速”概念，因?yàn)?，連續(xù)變化會引進(jìn)引力場破壞線性空間。不同慣性系中平面波之間，相位不同，類似量子力學(xué)中的不同本征態(tài)。這是相對論中的情形{24}。

但是，量子力學(xué)建立其理論體系時(shí)，把上述不同慣性系中的平面波（不同本征態(tài)，每一本征態(tài)則對應(yīng)一慣性系），通過本征態(tài)突變躍遷假設(shè)（量子分割），切斷因果聯(lián)系，形成同一時(shí)空中“同時(shí)”并存的本征態(tài)的疊加。態(tài)的躍遷不需要時(shí)間，“超光速”（非定域），將類空間隔引入量子力學(xué)時(shí)空，破壞了原有的因果關(guān)系。疊加量子態(tài)的存在，是“違背”因果律在量子力學(xué)中的新表現(xiàn)。

量子力學(xué)時(shí)空顯然不是牛頓、狹義相對論時(shí)空，但量子力學(xué)卻誤認(rèn)為量子躍遷引起的時(shí)空性質(zhì)的變化是牛頓、狹義相對論時(shí)空中的特征，這當(dāng)然會帶來不可調(diào)和的認(rèn)知矛盾。

同一微觀客體，不同本征態(tài)“同時(shí)”并存的物理狀態(tài)，從整體看，是洛倫茲協(xié)變性在量子力學(xué)中的新表現(xiàn)。突變區(qū)“超光速”，是類空空間，“不遵從”因果律；釋放光子的運(yùn)動在類光空間；而本征態(tài)自身在類時(shí)空間，微觀客體運(yùn)動速度不能超過光速，需保持因果律，物質(zhì)波討論的就是這一部分，就像相對論討論類時(shí)空間物理一樣。量子糾纏態(tài)將涉及到上述三種不同性質(zhì)物理空間量子態(tài)的轉(zhuǎn)換，有完全合理的物理機(jī)制，不需要思維的特殊作用。不過，相對論長度收縮效應(yīng)，將以物質(zhì)波波長在運(yùn)動方向上的收縮來體現(xiàn)。有了雙4維時(shí)空量子力學(xué)，量子力學(xué)與相對論就是相容的，光錐圖分析一樣適用。

相對論與量子力學(xué)的不同，關(guān)鍵在于認(rèn)知層次發(fā)生了變化，光由連續(xù)場演變成了量子場。而我們用來觀察世界的光信號直接與時(shí)空相關(guān)，光的物理性質(zhì)的變化，必然帶來物理空間性質(zhì)的變化，帶來物理模型的變化，帶來量子力學(xué)時(shí)空W（x，k）與相對論時(shí)空M4（x）之間的區(qū)別，帶來對物質(zhì)波――物理波的全新認(rèn)知。我們預(yù)言，物質(zhì)波有通訊應(yīng)用價(jià)值{25}，但與量子力學(xué)非定域性無關(guān)。

《雙4維復(fù)時(shí)空量子力學(xué)基礎(chǔ)――量子概率的時(shí)空起源》的理論實(shí)踐表明，我們的工作是可取的{26}。結(jié)論是，量子力學(xué)中，物質(zhì)告訴時(shí)空如何具有概率屬性，時(shí)空告訴物質(zhì)如何作概率運(yùn)動。量子現(xiàn)象對觀察者的主觀依賴性消解在對應(yīng)的時(shí)空理論之中，實(shí)現(xiàn)了觀察者對量子現(xiàn)象的客觀描述。

雙4維時(shí)空是描述量子現(xiàn)象的物理時(shí)空，時(shí)空度規(guī)，無論實(shí)數(shù)部分，還是虛數(shù)部分，都是平直的{27}。

近年來，由于量子通訊技術(shù)的飛速發(fā)展，量子糾纏的物理基礎(chǔ)引起了人們的特別關(guān)注，波函數(shù)的物理本質(zhì)，量子力學(xué)的非定域性討論十分熱烈?！傲孔蝇F(xiàn)象對觀察者的主觀依賴性”更是討論的核心。人們甚至被量子現(xiàn)象的奇異性迷惑了，特別是，有科學(xué)家甚至認(rèn)為：“客觀世界很有可能并不存在”。世界是人臆造出來的？科學(xué)實(shí)在論者當(dāng)然不能贊成！更加深入的探討，我們將另文討論。

按照曹天予的評論，《雙4維復(fù)時(shí)空量子力學(xué)基礎(chǔ)――量子概率的時(shí)空起源》值得關(guān)注{28}。雙4維復(fù)時(shí)空與弦論、圈論比較，最大優(yōu)點(diǎn)是將時(shí)空拓展、推廣到了復(fù)數(shù)空間，數(shù)學(xué)沒有那么復(fù)雜，而物理學(xué)基礎(chǔ)卻更加堅(jiān)實(shí)、清晰。

七、結(jié)論與討論

1.“現(xiàn)象對觀察者的主觀依賴性”普遍存在于人與自然的關(guān)系之中，融入時(shí)空的只能是物理實(shí)體對時(shí)空有影響的部分，時(shí)空具有建構(gòu)特征。

2. 物質(zhì)運(yùn)動與時(shí)空的關(guān)系：牛頓力學(xué)中，物質(zhì)告訴時(shí)空如何搭建運(yùn)動背景，時(shí)空告訴物質(zhì)如何在背景上運(yùn)動；狹義相對論中，物質(zhì)告訴時(shí)空如何修正測量單位，時(shí)空告訴物質(zhì)如何在運(yùn)動方向長度收縮、時(shí)間減緩；廣義相對論中，物質(zhì)告訴時(shí)空如何彎曲，時(shí)空告訴物質(zhì)如何在彎曲時(shí)空中運(yùn)動；量子力學(xué)中，物質(zhì)告訴時(shí)空如何具有概率屬性，時(shí)空告訴物質(zhì)如何作概率運(yùn)動。

3. 量子力學(xué)時(shí)空是平直的，其方程是線性的，而廣義相對論時(shí)空是彎曲的，其方程是非線性的{29}。量子力學(xué)與廣義相對論的統(tǒng)一，不能機(jī)械地湊合，它們的統(tǒng)一，必須從改變時(shí)空的性質(zhì)做起，建立相應(yīng)的運(yùn)動方程，并搭起非線性空間與線性空間的相互聯(lián)絡(luò)通道。

注釋：

① 趙國求：《雙4維時(shí)空量子力學(xué)基礎(chǔ)》，湖北科學(xué)技術(shù)出版社2016年版，第5頁；Cao Tian Yu， From Current Algebra to Quantum Chromodynamics： A Case for Structural Realism， Cambridge： Cambridge University Press， 2010， pp.202-241.

② Rocher Edouard， Noumenon： Elementaryentity of a Newmechanics， J. Math. Phys.， 1972， 13（12）， pp.1919-1925.

③④⑥⑦⑩{13}{15}{17}{21}{22}{24}{25}{27} w國求：《雙4維時(shí)空量子力學(xué)基礎(chǔ)》，湖北科學(xué)技術(shù)出版社2016年版，第5、105、9、147、179、94、133―136、106、151、151、159、152、149頁。

⑤ 主觀與客觀：“客觀”，觀察者外在于被觀察事物；“主觀”，觀察者參與到被觀察事物當(dāng)中。 辯證唯物主義認(rèn)為主觀和客觀是對立的統(tǒng)一，客觀不依賴于主觀而獨(dú)立存在，主觀能動地反映客觀。

⑧ L?斯莫林：《通向量子引力的三條途徑》，李新洲等譯，上?？茖W(xué)技術(shù)出版社2003年版，第29―33頁。

⑨ 張永德：《量子菜根譚》，清華大學(xué)出版社2012年版，第29頁；趙國求：《雙4維時(shí)空量子力學(xué)基礎(chǔ)》，湖北科學(xué)技術(shù)出版社2016年版，第178頁。

{11} 馮契：《哲學(xué)大辭典》，上海辭書出版社2001年版，第1579―1582頁。

{12} 參見L?斯莫林：《物理學(xué)的困惑》，李泳譯，湖南科學(xué)技術(shù)出版社2008年版。

{14} 相互作用實(shí)在論中的基本概念：（1）物質(zhì)：外在世界的本原。（2）基本相互作用：遍指自然力，有引力，電磁、強(qiáng)、弱等力。（3）自在實(shí)體：指未經(jīng)觀察的“自然客體”（相互作用實(shí)在論中，自在實(shí)體作為物理研究對象時(shí)稱物理本體）。（4）現(xiàn)象實(shí)體：經(jīng)過觀察，系統(tǒng)的、穩(wěn)定的、深刻反映事物本質(zhì)的理性認(rèn)知物?，F(xiàn)象則表現(xiàn)自在實(shí)體非本質(zhì)的一面。（相互作用實(shí)在論中，現(xiàn)象實(shí)體作為物理研究對象時(shí)稱物理實(shí)體）。（5）觀測信號：人類認(rèn)知世界使用的探測信號。

{16} 參見伊?牛頓：《自然哲學(xué)之?dāng)?shù)學(xué)原理宇宙體系》，武漢出版社1996年版。

{18} 參見倪光炯等：《近代物理學(xué)》，上?？茖W(xué)技術(shù)出版社1980年版。

{19} 參見A?愛因斯坦：《相對論的意義》，科學(xué)出版社1979年版；愛因斯坦等：《物理學(xué)的進(jìn)化》，周肇威譯，上?？茖W(xué)技術(shù)出版社1964年版。

{20} 坂田昌一：《坂田昌一科學(xué)哲學(xué)論文集》，安度譯，知識出版社2001年版，第140頁。

{23} 參見Guo Qiu Zhao， Describe Quantum Mechanics in Dual 4d Complex Space-Time and the Ontological Basis of Wave Function， Journal of Modern Physics， 2014， 5（16）， p.1684；趙國求：《雙4維時(shí)空量子力學(xué)基礎(chǔ)》，湖北科學(xué)技術(shù)出版社2016年版，第149頁。

{26} 參見Guo Qiu Zhao， Describe Quantum Mechanics in Dual 4d Complex Space-Time and the Ontological Basis of Wave Function， Journal of Modern Physics， 2014， 5（16）， p.1684；趙國求：《雙4維時(shí)空量子力學(xué)描述》，

《現(xiàn)代物理》2013年第5期；趙國求、李康、吳國林：《量子力學(xué)曲率詮釋論綱》，《武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)》（社會科學(xué)版）2013年第1期。

{28} 曹天予：《當(dāng)代科學(xué)哲學(xué)中的庫恩挑戰(zhàn)》，《中國社會科學(xué)報(bào)》2016年5月31日。

篇5

關(guān)鍵詞 量子物理；現(xiàn)代信息技術(shù)；關(guān)系；原理應(yīng)用

中圖分類號：O41 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2013）15-0001-02

量子物理是人們認(rèn)識微觀世界結(jié)構(gòu)和運(yùn)動規(guī)律的科學(xué)，它的建立帶來了一系列重大的技術(shù)應(yīng)用，使社會生產(chǎn)和生活發(fā)生了巨大的變革。量子世界的奇妙特性在提高運(yùn)算速度、確保信息安全、增大信息容量等方面發(fā)揮重要的作用，基于量子物理基本原理的量子信息技術(shù)已成為當(dāng)前各國研究與發(fā)展的重要科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。

隨著世界電子信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，以微電子技術(shù)為基礎(chǔ)的信息技術(shù)即將達(dá)到物理極限，同時(shí)信息安全、隱私問題等越來越突出。2013年5月美國“棱鏡門”事件的爆發(fā)，引發(fā)了對保護(hù)信息安全的高度重視，將成為推動量子物理科學(xué)與現(xiàn)代信息技術(shù)的交融和相互促進(jìn)發(fā)展的契機(jī)。因此，充分認(rèn)識量子物理學(xué)的基本原理在現(xiàn)代信息技術(shù)中發(fā)展的基礎(chǔ)地位與作用，是促進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展的前提，也是豐富和發(fā)展量子物理學(xué)的需要。

1 量子物理基本原理

1）海森堡測不準(zhǔn)原理。在量子力學(xué)中，任何兩組不可同時(shí)測量的物理量是共扼的，滿足互補(bǔ)性。在進(jìn)行測量時(shí)，對其中一組量的精確測量必然導(dǎo)致另一組量的完全不確定，只能精確測定兩者之一。

2）量子不可克隆定理。在量子力學(xué)中，不能實(shí)現(xiàn)對各未知量子態(tài)的精確復(fù)制，因?yàn)橐獜?fù)制單個(gè)量子就只能先作測量，而測量必然改變量子的狀態(tài)，無法獲得與初始量子態(tài)完全相同的復(fù)制態(tài)。

3）態(tài)疊加原理。若量子力學(xué)系統(tǒng)可能處于和描述的態(tài)中，那么態(tài)中的線性疊加態(tài)也是系統(tǒng)的一個(gè)可能態(tài)。如果一個(gè)量子事件能夠用兩個(gè)或更多可分離的方式來實(shí)現(xiàn)，那么系統(tǒng)的態(tài)就是每一可能方式的同時(shí)迭加。

4）量子糾纏原理。是指微觀世界里，有共同來源的兩個(gè)微觀粒子之間存在著糾纏關(guān)系，不管它們距離多遠(yuǎn)，只要一個(gè)粒子狀態(tài)發(fā)生變化，另一個(gè)粒子狀態(tài)隨即發(fā)生相應(yīng)變化。換言之，存在糾纏關(guān)系的粒子無論何時(shí)何地，都能“感應(yīng)”對方狀態(tài)的變化。

2 量子物理與現(xiàn)代信息技術(shù)的關(guān)系

2.1 量子物理是現(xiàn)代信息技術(shù)的基礎(chǔ)與先導(dǎo)

物理學(xué)一直是整個(gè)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中的帶頭學(xué)科并成為整個(gè)自然科學(xué)的基礎(chǔ)，成為推動整個(gè)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的最主要的動力和源泉。量子力學(xué)是20世紀(jì)初期為了解決物理上的一些疑難問題而建立起來的一種理論，它不僅解釋了微觀世界里的許多現(xiàn)象、經(jīng)驗(yàn)事實(shí)，而且還開拓了一系列新的技術(shù)領(lǐng)域，直接導(dǎo)致了原子能、半導(dǎo)體、超導(dǎo)、激光、計(jì)算機(jī)、光通訊等一系列高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)生和發(fā)展。可以說，從電話的發(fā)明到互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)通信，從晶體管的發(fā)明到高速計(jì)算機(jī)技術(shù)的成熟，量子物理開辟了一種全新的信息技術(shù)，使人類進(jìn)人信息化的新時(shí)代，因此，量子物理學(xué)是現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展的主要源泉，而且隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，量子物理學(xué)的先導(dǎo)和基礎(chǔ)作用將更加顯著和重要。

2.2 量子物理為現(xiàn)代信息技術(shù)的持續(xù)發(fā)展提供新的原理和方法

現(xiàn)代信息技術(shù)本質(zhì)上是應(yīng)用了量子力學(xué)基本原理的經(jīng)典調(diào)控技術(shù)，隨著世界科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，以經(jīng)典物理學(xué)為基礎(chǔ)的信息技術(shù)即將達(dá)到物理極限。因此，現(xiàn)代信息技術(shù)的突破，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展必須借助于新的原理和新的方法。量子力學(xué)作為原子層次的動力學(xué)理論，經(jīng)過飛速發(fā)展，已向其他自然科學(xué)的各學(xué)科領(lǐng)域以及高新技術(shù)全面地延伸，量子信息技術(shù)就是量子物理學(xué)與信息科學(xué)相結(jié)合產(chǎn)生的新興學(xué)科，它為信息科學(xué)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展提供了新的原理和方法，使信息技術(shù)獲得了活力與新特性，量子信息技術(shù)也成為當(dāng)今世界各國研究發(fā)展的熱點(diǎn)領(lǐng)域。因此，未來的信息技術(shù)將是應(yīng)用到諸如量子態(tài)、相位、強(qiáng)關(guān)聯(lián)等深層次量子特性的量子調(diào)控技術(shù)，充分利用量子物理的新性質(zhì)開發(fā)新的信息功能，突破現(xiàn)代信息技術(shù)的物理極限。

2.3 現(xiàn)代信息技術(shù)對量子物理學(xué)發(fā)展的影響

量子信息技術(shù)應(yīng)用量子力學(xué)原理和方法來研究信息科學(xué)，從而開發(fā)出現(xiàn)經(jīng)典信息無法做到的新信息功能，反過來，現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展大大地豐富了量子物理學(xué)的研究內(nèi)容，也將不斷地影響量子物理學(xué)的研究方法，有力地將量子理論推向更深層次的發(fā)展階段，使人類對自然界的認(rèn)識更深刻、更本質(zhì)。近年來，隨著量子信息技術(shù)領(lǐng)域研究的不斷深入，量子信息技術(shù)的發(fā)展也使量子物理學(xué)研究取得了不少成果，如量子關(guān)聯(lián)、基于熵的不確定關(guān)系、量子開放系統(tǒng)環(huán)境的控制等問題研究取得了巨大進(jìn)展。

3 基于量子物理學(xué)原理的量子信息技術(shù)

基于量子物理原理和方法的量子信息技術(shù)成為21世紀(jì)信息技術(shù)發(fā)展的方向，也是引領(lǐng)未來科技發(fā)展的重要領(lǐng)域。當(dāng)前量子物理學(xué)的基本原理已經(jīng)在量子密碼術(shù)、量子通信、量子計(jì)算機(jī)等方面得到充分的理論論證和一定的實(shí)踐應(yīng)用。

3.1 量子計(jì)算機(jī)——量子疊加原理

經(jīng)典計(jì)算機(jī)建立在經(jīng)典物理學(xué)基礎(chǔ)上，遵循普通物理學(xué)電學(xué)原理的邏輯計(jì)算方式，即用電位高低表示0和1以進(jìn)行運(yùn)算，因此，經(jīng)典計(jì)算機(jī)只能靠以縮小芯片布線間距，加大其單位面積上的數(shù)據(jù)處理量來提高運(yùn)算速度。而量子計(jì)算遵循量子力學(xué)規(guī)律進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算、存儲及處理量子信息。計(jì)算方式是建立在微觀量子物理學(xué)關(guān)于量子具有波粒兩重性和雙位雙旋特性的基礎(chǔ)上，量子算法的中心思想是利用量子態(tài)的疊加態(tài)與糾纏態(tài)。在量子效應(yīng)的作用下，量子比特可以同時(shí)處于0和1兩種相反的狀態(tài)（量子疊加），這使量子計(jì)算機(jī)可以同時(shí)進(jìn)行大量運(yùn)算，因此，量子計(jì)算的并行處理，使量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了最快的計(jì)算速度。未來，基于量子物理原理的量子計(jì)算機(jī)，不僅運(yùn)算速度快，存儲量大、功耗低，而且體積會大大縮小。

3.2 量子通信——量子糾纏原理

量子通信是一種利用量子糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息傳遞的新型通信方式。量子通信主要涉及：量子密碼通信、量子遠(yuǎn)程傳態(tài)和量子密集編碼等。從信息學(xué)上理解，量子通信是利用量子力學(xué)的量子態(tài)隱形傳輸或者其他基本原理，以量子系統(tǒng)特有屬性及量子測量方法，完成兩地之間的信息傳遞；從物理學(xué)上講，量子通信是采用量子通道來傳送量子信息，利用量子效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的高性能通信方式，突破現(xiàn)代通信物理極限。量子力學(xué)中的糾纏性與非定域性可以保障量子通信中的絕對安全的量子通信，保證量子信息的隱形傳態(tài)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離信息轉(zhuǎn)輸。所以，與現(xiàn)代通信技術(shù)相比，量子通信具有巨大的優(yōu)越性，具有保密性強(qiáng)、大容量、遠(yuǎn)距離傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，量子通信創(chuàng)建了新的通信原理和方法。

3.3 量子密碼——不可克隆定理

經(jīng)典密碼是以數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，通過經(jīng)典信號實(shí)現(xiàn)，在密鑰傳送過程中有可能被竊聽且不被覺察，故經(jīng)典密碼的密鑰不安全。量子密碼是一種以現(xiàn)代密碼學(xué)和量子力學(xué)為基礎(chǔ)，利用量子物理學(xué)方法實(shí)現(xiàn)密碼思想和操作的新型密碼體制，通過量子信號實(shí)現(xiàn)。量子密碼主要基于量子物理中的測不準(zhǔn)原理、量子不可克隆定理等，通信雙方在進(jìn)行保密通信之前，首先使用量子光源，依照量子密鑰分配協(xié)議在通信雙方之間建立對稱密鑰，再使用建立起來的密鑰對明文進(jìn)行加密，通過公開的量子信道，完成安全密鑰分發(fā)。因此量子密碼技術(shù)能夠保證：

1）絕對的安全性。對輸運(yùn)光子線路的竊聽會破壞原通訊線路之間的相互關(guān)系，通訊會被中斷，且合法的通信雙方可覺察潛在的竊聽者并采取相應(yīng)的措施。

2）不可檢測性。無論破譯者有多么強(qiáng)大的計(jì)算能力，都會在對量子的測量過程中改變量子的狀態(tài)而使得破譯者只能得到一些毫無意義的數(shù)據(jù)。因此，量子不可克隆定理既是量子密碼安全性的依靠，也給量子信息的提取設(shè)置了不可逾越的界限，即無條件安全性和對竊聽者的可檢測性成為量子密碼的兩個(gè)基本特征。

4 結(jié)論

量子物理是現(xiàn)代信息技術(shù)誕生的基礎(chǔ)，是現(xiàn)代信息技術(shù)突破物理極限，實(shí)現(xiàn)持續(xù)發(fā)展的動力與源泉。基于量子物理學(xué)的原理、特性，如量子疊加原理、量子糾纏原理、海森堡測不準(zhǔn)原理和不可克隆定理等，使得量子計(jì)算機(jī)具有巨大的并行計(jì)算能力，提供功能更強(qiáng)的新型運(yùn)算模式；量子通信可以突破現(xiàn)代信息技術(shù)的物理極限，開拓出新的信息功能；量子密碼絕對的安全性和不可檢測性，實(shí)現(xiàn)了絕對的保密通信。隨著量子物理學(xué)理論在信息技術(shù)中的深入應(yīng)用，量子信息技術(shù)將開拓出后莫爾時(shí)代的新一代的信息技術(shù)。

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篇6

[關(guān)鍵詞]量子體系對稱性守恒定律

一、引言

對稱性是自然界最普遍、最重要的特性。近代科學(xué)表明，自然界的所有重要的規(guī)律均與某種對稱性有關(guān)，甚至所有自然界中的相互作用，都具有某種特殊的對稱性——所謂“規(guī)范對稱性”。實(shí)際上，對稱性的研究日趨深入，已越來越廣泛的應(yīng)用到物理學(xué)的各個(gè)分支：量子論、高能物理、相對論、原子分子物理、晶體物理、原子核物理，以及化學(xué)（分子軌道理論、配位場理論等）、生物（DNA的構(gòu)型對稱性等）和工程技術(shù)。

何謂對稱性？按照英國《韋氏國際辭典》中的定義：“對稱性乃是分界線或中央平面兩側(cè)各部分在大小、形狀和相對位置的對應(yīng)性”。這里講的是人們觀察客觀事物形體上的最直觀特征而形成的認(rèn)識，也就是所謂的幾何對稱性。

關(guān)于對稱性和守恒定律的研究一直是物理學(xué)中的一個(gè)重要領(lǐng)域，對稱性與守恒定律的本質(zhì)和它們之間的關(guān)系一直是人們研究的重要內(nèi)容。在經(jīng)典力學(xué)中，從牛頓方程出發(fā)，在一定條件下可以導(dǎo)出力學(xué)量的守恒定律，粗看起來，守恒定律似乎是運(yùn)動方程的結(jié)果．但從本質(zhì)上來看，守恒定律比運(yùn)動方程更為基本，因?yàn)樗硎隽俗匀唤绲囊恍┢毡榉▌t，支配著自然界的所有過程，制約著不同領(lǐng)域的運(yùn)動方程．物理學(xué)關(guān)于對稱性探索的一個(gè)重要進(jìn)展是諾特定理的建立，定理指出，如果運(yùn)動定律在某一變換下具有不變性，必相應(yīng)地存在一條守恒定律．簡言之，物理定律的一種對稱性，對應(yīng)地存在一條守恒定律．經(jīng)典物理范圍內(nèi)的對稱性和守恒定律相聯(lián)系的諾特定理后來經(jīng)過推廣，在量子力學(xué)范圍內(nèi)也成立．在量子力學(xué)和粒子物理學(xué)中，又引入了一些新的內(nèi)部自由度,認(rèn)識了一些新的抽象空間的對稱性以及與之相應(yīng)的守恒定律，這就給解決復(fù)雜的微觀問題帶來好處，尤其現(xiàn)在根據(jù)量子體系對稱性用群論的方法處理問題，更顯優(yōu)越。

在物理學(xué)中，尤其是在理論物理學(xué)中，我們所說的對稱性指的是體系的拉格朗日量或者哈密頓量在某種變換下的不變性。這些變換一般可分為連續(xù)變換、分立變換和對于內(nèi)稟參量的變換。每一種變換下的不變性，都對應(yīng)一種守恒律，意味著存在某種不可觀測量。例如，時(shí)間平移不變性，對應(yīng)能量守恒，意味著時(shí)間的原點(diǎn)不可觀測；空間平移評議不變性，對應(yīng)動量守恒，意味著空間的絕對位置不可觀測；空間旋轉(zhuǎn)不變性，對應(yīng)角動量守恒，意味著空間的絕對方向不可觀測，等等。在物理學(xué)中對稱性與守恒定律占著重要地位,特別是三個(gè)普遍的守恒定律——?jiǎng)恿俊⒛芰?、角動量守恒，其重要性是眾所周知，并且在工程技術(shù)上也得到廣泛的應(yīng)用。因此，為了對守恒定律的物理實(shí)質(zhì)有較深刻的理解，必須研究體系的時(shí)空對稱性與守恒定律之間的關(guān)系。

本文將著重討論非相對論情形下討論量子體系的時(shí)空對稱性與三個(gè)守恒定律的關(guān)系，并在最后給出一些我們常見的對稱變換與守恒定律的簡單介紹。

二、對稱變換及其性質(zhì)

一個(gè)力學(xué)系統(tǒng)的對稱性就是它的運(yùn)動規(guī)律的不變性，在經(jīng)典力學(xué)里，運(yùn)動規(guī)律由拉格朗日函數(shù)決定，因而時(shí)空對稱性表現(xiàn)為拉格朗日函數(shù)在時(shí)空變換下的不變性．在量子力學(xué)里，運(yùn)動規(guī)律是薛定諤方程，它決定于系統(tǒng)的哈密頓算符，因此，量子力學(xué)系統(tǒng)的對稱性表現(xiàn)為哈密頓算符的不變性。

對稱變換就是保持體系的哈密頓算符不變的變換．在變換S（例如空間平移、空間轉(zhuǎn)動等）下，體系的任何狀態(tài)ψ變?yōu)棣转╯）。

三、對稱變換與守恒量的關(guān)系

經(jīng)典力學(xué)中守恒量就是在運(yùn)動過程中不隨時(shí)間變化的量，從此考慮過渡到量子力學(xué)，當(dāng)是厄米算符，則表示某個(gè)力學(xué)量，而

然而,當(dāng)不是厄米算符,則就不表示力學(xué)量.但是，若為連續(xù)變換時(shí)，我們就很方便的找到了力學(xué)量守恒。

設(shè)是連續(xù)變換，于是可寫成為=1+IλF,λ為一無窮小參量，當(dāng)λ0時(shí)，為恒等變換?？紤]到除時(shí)間反演外，時(shí)空對稱變換都是幺正變換，所以

（8）式中忽略λ的高階小量，由上式看到

即F是厄米算符，F(xiàn)稱為變換算符的生成元。由此可見，當(dāng)不是厄米算符時(shí)，與某個(gè)力學(xué)量F相對應(yīng)。再根據(jù)可得

可見F是體系的一個(gè)守恒量。

從上面的討論說明，量子體系的對稱性，對應(yīng)著力學(xué)量的守恒，下面具體討論時(shí)空對稱性與動量、能量、角動量守恒。

1.空間平移不變性（空間均勻性）與動量守恒。

空間平移不變性就是指體系整體移動δr時(shí)，體系的哈密頓算符保持不變．當(dāng)沒有外場時(shí)，體系就是具有空間平移不變性。

設(shè)體系的坐標(biāo)自r平移到，那么波函數(shù)ψ(r)變換到ψ(s)(r)

2.空間旋轉(zhuǎn)不變性（空間各向同性）與角動量守恒

空間旋轉(zhuǎn)不變性就是指體系整體繞任意軸n旋δφ時(shí)，體系的哈密頓算符不變。當(dāng)體系處于中心對稱場或無外場時(shí)，體系具有空間旋轉(zhuǎn)不變性。

3.時(shí)間平移不變性與能量守恒

時(shí)間平移不變性就是指體系作時(shí)間平移時(shí)，其哈密頓算符不變。當(dāng)體系處于不變外場或沒有外場時(shí)，體系的哈密頓算符與時(shí)間無關(guān)（），體系具有時(shí)間平移不變性。

和空間平移討論類似，時(shí)間平移算符δt對波函數(shù)的作用就是使體系從態(tài)變?yōu)闀r(shí)間平移態(tài)：

同樣，將（27）式的右端在T的領(lǐng)域展開為泰勒級數(shù)

四、結(jié)語

從上面的討論我們可以看到，三個(gè)守恒定律都是由于體系的時(shí)空對稱性引起的，這說明物質(zhì)運(yùn)動與時(shí)間空間的對稱性有著密切的聯(lián)系，并且這三個(gè)守恒定律的確立為后來認(rèn)識普遍運(yùn)動規(guī)律提供了線索和啟示，曾加了我們對對稱性和守恒定律的認(rèn)識．對稱性和守恒定律之間的聯(lián)系，使我們認(rèn)識到，任何一種對稱性，或者說一種拉格朗日或哈密頓的變換不變性，都對應(yīng)著一種守恒定律和一種不可觀測量，這一結(jié)論在我們的物理研究中具有極其重要的意義，尤其是在粒子物理學(xué)和物理學(xué)中，重子數(shù)守恒、輕子數(shù)守恒和同位旋守恒等內(nèi)稟參量的守恒在我們的研究中起著重要的作用．下表中我們簡要給出一些對稱性和守恒律之間的關(guān)系。

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篇7

關(guān)鍵詞：量子力學(xué) 教學(xué)研究 哲學(xué)思想

“大學(xué)之道，在明明德，在親民，在止于至善?！睖毓手?，止于至善，提高當(dāng)代大學(xué)生的哲學(xué)素養(yǎng)、人文情懷和科學(xué)素養(yǎng)，是素質(zhì)教育的要求之一。以牛頓運(yùn)動三定律、電磁理論和熱力學(xué)及統(tǒng)計(jì)物理學(xué)為基礎(chǔ)的經(jīng)典力學(xué)誕生于17世紀(jì)，成功地解釋了大量物理學(xué)現(xiàn)象，取得了輝煌的科學(xué)成就，曾經(jīng)被人們信奉為客觀真理。在19世紀(jì)末20世紀(jì)初，人類以巨大的熱情來研究原子核和放射現(xiàn)象，導(dǎo)致了兩大理論成果的誕生：量子理論和相對論。隨后，激光器、二極管、三極管、集成電路、互聯(lián)網(wǎng)、移動通信、登月等等，這些輝煌的成就促使人類邁進(jìn)了信息時(shí)代。運(yùn)動著的電子――一個(gè)小小的微觀粒子，卻促使人類文明進(jìn)入了電子信息時(shí)代。事實(shí)表明，現(xiàn)代信息技術(shù)的理論基礎(chǔ)是物理學(xué)，信息的產(chǎn)生、發(fā)送、接收和處理，都是由一個(gè)個(gè)物理的系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，因此信息世界的物理體系歸根結(jié)底要受到物理定律的制約?，F(xiàn)在人們明白了，經(jīng)典物理理論僅適用于宏觀低速運(yùn)動的物體的場合，而對于微觀小尺度下、接近于光速運(yùn)動的粒子的運(yùn)動規(guī)律誤差會變得很大，必須使用相對論和量子理論來描述。而經(jīng)典物理理論僅僅是量子理論和相對論在低速宏觀范圍下的良好近似。

量子理論是二十世紀(jì)最偉大的發(fā)現(xiàn)之一。量子理論的形成和發(fā)展，是整個(gè)物理學(xué)發(fā)展中最值得書寫的，也是對青年大學(xué)生最具有啟發(fā)意義的過程，在此期間包括了愛因斯坦的奇跡年（1905年）。梳理和探究整個(gè)過程中所包含的科學(xué)思維，科學(xué)方法，科學(xué)理論，科學(xué)素養(yǎng)……都是值得我們?nèi)ヌ剿鳌⑷ド钏?、去挖掘的?/p>

一、對青年大學(xué)生物質(zhì)觀和運(yùn)動觀的進(jìn)一步加深具有重要意義

科學(xué)技術(shù)發(fā)展到21世紀(jì)，人類對于物質(zhì)世界的認(rèn)識進(jìn)入到了納米尺度。材料學(xué)科的研究中出現(xiàn)了很多量子效應(yīng)。量子理論中的許多不同于經(jīng)典力學(xué)的物理現(xiàn)象顛覆性地發(fā)展了經(jīng)典力學(xué)的思維，拓寬了人類認(rèn)識物質(zhì)世界的視野，使人們對運(yùn)動的本質(zhì)有了更進(jìn)一步的了解。隨著人類認(rèn)識的不斷深入和材料尺寸的不斷縮小，電子運(yùn)動的量子效應(yīng)愈加明顯。現(xiàn)在人們已經(jīng)明白了，電子既是一種微觀粒子，同時(shí)也是一種波，這就是所謂的波粒二象性。與經(jīng)典物理現(xiàn)象不同的是，微觀粒子的諸多物理量之間受到量子規(guī)律的束縛，其中之一便是著名的不確定性原理，例如時(shí)間與能量之間、動量與位置之間等。此外，另一個(gè)有趣的現(xiàn)象是電子的勢壘貫穿效應(yīng)，即能量小于勢壘高度的電子或者其它微觀粒子可以以一定的幾率，越過勢壘，運(yùn)動到勢壘的右邊去。盡管一個(gè)理性的人對這種解釋可能不滿意，但是我們必須明白“隧穿”僅僅是我們?yōu)榱死斫獾姆奖愣鴺?gòu)造的一個(gè)東西，除非人們對量子世界的認(rèn)識更進(jìn)一步。我們唯一能確定的是當(dāng)滿足一定條件的時(shí)候，隧穿效應(yīng)就會發(fā)生。

二、對青年大學(xué)生思維拓展與創(chuàng)新具有重要的啟發(fā)意義

量子理論是描述微觀粒子運(yùn)動規(guī)律的理論，其概念體系與研究宏觀現(xiàn)象及其規(guī)律的經(jīng)典物理學(xué)有很大的不同。量子理論的出現(xiàn)，是人類對物質(zhì)世界認(rèn)識日益深化的結(jié)果，為其他自然學(xué)科的發(fā)展開辟了廣闊的前景。從培養(yǎng)研究型科學(xué)人才的角度來說，量子理論是與現(xiàn)代科學(xué)研究聯(lián)系最緊密的課程之一。這對當(dāng)代青年大學(xué)生提出了更高、更嚴(yán)格的要求。

第一，必須尊重客觀世界的運(yùn)動規(guī)律，堅(jiān)持創(chuàng)新思維，深刻認(rèn)識微觀世界的規(guī)律。規(guī)律是物質(zhì)在運(yùn)動過程中表現(xiàn)出來的必然的、穩(wěn)定的、永恒的聯(lián)系，任何事物之間都有聯(lián)系，都是矛盾的對立統(tǒng)一體，這就需要在實(shí)際的學(xué)習(xí)探索中抓住主要矛盾以及矛盾的主要方面。同時(shí)，矛盾具有特殊性，內(nèi)因是事物發(fā)展的根據(jù)，決定著事物發(fā)展的方向和主要性質(zhì)，外因是事物發(fā)展的次要因素。在實(shí)際的處理過程中要區(qū)別對待。

第二，注意量變到質(zhì)變的積累。量變是指事物單純數(shù)量上的增加或減少，事物保持其質(zhì)的穩(wěn)定性。質(zhì)變是指事物根本性質(zhì)的變化，“量變質(zhì)變新的量變”是事物發(fā)展的基本規(guī)律。注意收集數(shù)據(jù)，逐步地總結(jié)規(guī)律。任何重大的發(fā)現(xiàn)，都有一個(gè)辛苦的積累過程，面對紛繁雜蕪的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如何去偽存真，由表及里，層層剖析？這需要尊重客觀規(guī)律，逐漸挖掘深層次的信息，切勿急于求成或者違背客觀規(guī)律。這方面在量子理論的發(fā)展過程中體現(xiàn)得尤為重要。

第三，量子理論是開放的理論，對量子理論的爭論一直在繼續(xù)。量子理論過去的成功并不意味著它是一個(gè)徹底完善的物理學(xué)理論。自量子理論誕生以來，關(guān)于量子理論的思想基礎(chǔ)和基本問題的爭論，從來就沒有停止過。人們對于量子理論本身的完備性及其一些基本觀念的理解，甚至持有截然不同的觀點(diǎn)。其他的理論也是在不斷地爭論中不斷完善。

三、量子力學(xué)中的數(shù)學(xué)思想及其知識框架

量子力學(xué)中主要的數(shù)學(xué)知識，主要是Hilbert內(nèi)積空間，這是學(xué)生在學(xué)完微積分初步、線性代數(shù)以及概率論后需要掌握的、在工程領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的一門數(shù)學(xué)學(xué)科，也是對空間解析幾何的推廣和延伸。其中包括了對前面提到的幾門學(xué)科的綜合應(yīng)用，例如量子力學(xué)中的力學(xué)量，用線性算符來描述，則必須是厄米的；用海森堡的矩陣力學(xué)表示，則要求該矩陣的本征值和平均值均為實(shí)數(shù)；還有，在計(jì)算不同物理量表象的矩陣元時(shí)，要用到定積分的運(yùn)算；而不同表象之間的變換，需要用到矩陣變換；此外，在講到微擾論和變分法時(shí)，還需要進(jìn)一步的用到更多的數(shù)學(xué)知識。這些數(shù)學(xué)學(xué)科分支的交叉出現(xiàn)，足以讓學(xué)生對該門課程的進(jìn)一步學(xué)習(xí)產(chǎn)生畏懼心理。如何消除和轉(zhuǎn)變學(xué)生的這種畏懼心理，這就要求教師在課堂上增強(qiáng)授課的趣味性。事實(shí)上，一部量子力學(xué)的發(fā)展史，包含了太多的啟迪、方法、思維和科學(xué)研究的因素，因利勢導(dǎo)，重視基礎(chǔ)知識的講解，將所有涉及到的數(shù)學(xué)知識及其發(fā)展史，生動地傳授給學(xué)生。筆者經(jīng)過近五年的課堂教學(xué)，認(rèn)為對當(dāng)前的大學(xué)本科學(xué)生，倘能在授課中能做到這一點(diǎn)，那么，學(xué)習(xí)《量子力學(xué)》的意義就達(dá)到了。

結(jié)論：以量子理論為核心的量子物理無疑是本世紀(jì)最深刻、最有成就的科學(xué)理論之一。它不僅代表了人類對微觀世界基本認(rèn)識的革命性進(jìn)步，而且?guī)砹嗽S多劃時(shí)代的技術(shù)創(chuàng)新，直接推動了社會生產(chǎn)力的發(fā)展，從根本上改變了人類的物質(zhì)生活。讓學(xué)生在不斷的思考和探索中，體會到學(xué)習(xí)和思考的快樂；對學(xué)生的世界觀、物質(zhì)觀以及運(yùn)動觀的進(jìn)一步深入，具有重要的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]格雷厄姆•法米羅,涂泓等譯.天地有大美之現(xiàn)代科學(xué)之偉大方程,世界圖書出版社,2008

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[3]曾謹(jǐn)言.量子力學(xué).科學(xué)出版社,2010,4

[4]伯特蘭•羅素.西方哲學(xué)史.中國商業(yè)出版社,第1版,2009,1

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2015年7月14日，美國航空航天局的“新視野”號探測器，在經(jīng)過9年時(shí)間的漫長跋涉后，終于抵達(dá)并近距離飛掠了它的目的地――冥王星。這是人類首次近距離觀測冥王星，是空間探索歷程上的里程碑事件。

冥王星曾被當(dāng)作行星的一員，也是柯伊伯帶天體的代表?？乱敛畮祗w遠(yuǎn)離太陽，化學(xué)成分的演化很緩慢，可能還保存著與太陽系誕生以及生命起源相關(guān)的線索，但由于它們距離地球非常遙遠(yuǎn)，此前天文學(xué)家對其了解非常有限。“新視野”號的探索，可以幫助天文學(xué)家更好地認(rèn)識冥王星及其衛(wèi)星的地質(zhì)地貌以及冥王星的大氣成分，更深入地了解遙遠(yuǎn)的柯伊伯帶，進(jìn)一步尋找關(guān)于太陽系與生命起源的線索。

火星上存在液態(tài)水被證實(shí)

2015年9月28日，美國航空航天局宣布，火星勘測軌道飛行器（MRO）發(fā)現(xiàn)了火星存在流動液態(tài)水的有力證據(jù)。利用MRO上的成像光譜儀，研究者在有神秘條紋的火星山坡上探測到了水合礦物的特征信號。這些暗色的條紋會隨著時(shí)間推移反復(fù)消失和出現(xiàn)――在溫暖的季節(jié)，這些條紋顏色會加深顯現(xiàn)出來，而在較冷的季節(jié)則消失不見。

MRO搭載了6個(gè)科學(xué)儀器，從2006年開始一直在探測火星，這次的發(fā)現(xiàn)就是多個(gè)探測器合作并堅(jiān)持多年探測的結(jié)果。

巴黎氣候大會

2015年12月12日，“聯(lián)合國氣候變化框架公約”第21次締約方會議在巴黎閉幕。會議最后通過的協(xié)議在上百個(gè)國家之間達(dá)成共識，各國需共同應(yīng)對氣候變化，使全球平均氣溫的上升幅度不超過前工業(yè)時(shí)期的2℃，如果有可能還將繼續(xù)提高目標(biāo)，盡量把氣候增溫控制在1.5℃以內(nèi)。

在協(xié)議的約定下，各方將以“自主貢獻(xiàn)”的方式參與全球應(yīng)對氣候變化行動。這次會議達(dá)成的協(xié)議，將直接影響全球在2015年之后的中長期減排任務(wù)，各國將大量使用清潔能源替代化石燃料，大幅降低二氧化碳的排放量，從而減少人類活動對氣候增溫的影響。

量子力學(xué)“超距作用”首次得到嚴(yán)格檢驗(yàn)

量子力學(xué)最讓人迷惑的奇異性之一，就是它可以允許相隔甚遠(yuǎn)的兩個(gè)粒子發(fā)生瞬時(shí)的相互作用，對一個(gè)粒子進(jìn)行觀測會同時(shí)影響另一個(gè)粒子，不受光速的限制。眾所周知，愛因斯坦痛恨量子力學(xué)這種“幽靈般的相互作用”，因此提出“隱變量理論”，認(rèn)為粒子的性質(zhì)在測量前就被一種“隱變量”事先決定，只是人類還沒有找到它。

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Deep Beauty

2011，472pp

Hardback

ISBN9781107005709

Hans Halvorson編著

本書起源于2007年10月3-4日在新澤西州普林斯頓，由普林斯頓大學(xué)和約翰·坦普爾頓基金會（JTF）組辦的“深度的美：數(shù)學(xué)新方法和理解量子世界基礎(chǔ)的探究”主題研討會。會議從世界各地邀請了一批杰出的哲學(xué)家和科學(xué)家參會演講，會后演講者把他們的思想發(fā)展整理成為該書。

沒有什么科學(xué)理論能比量子理論引起更多的迷惑和困惑。起初在1900年，量子理論的發(fā)展忽冷忽熱，直到1932年馮諾依曼發(fā)表了他的開創(chuàng)性的經(jīng)典著作《量子力學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)》，量子力學(xué)才找到了與其相容的數(shù)學(xué)理論框架。物理學(xué)本來是幫助我們認(rèn)識理解世界的，但是量子理論把世界搞得更加難懂。這個(gè)困惑源自于我們嘗試想把量子理論和廣義相對論統(tǒng)一起來。量子力學(xué)所帶來的困惑不僅引起人們心里的不安，而且阻礙著物理學(xué)本身的發(fā)展。那么，我們?nèi)绾巫龀鲇^念上的創(chuàng)新呢？我們?nèi)绾握业揭粋€(gè)新的視角讓之前所有迷惑的現(xiàn)象通通變得合理可行，甚至是結(jié)構(gòu)美麗的。在光輝的歷史傳統(tǒng)中，從哲學(xué)家康德（Immanuel Kant）到哲學(xué)數(shù)學(xué)家弗雷格（Gottlob Frege）和布羅威爾（L. E. J. Brouwer），數(shù)學(xué)科學(xué)創(chuàng)造了許多新概念，碩果累累。因此，本書的切入點(diǎn)在于認(rèn)同數(shù)學(xué)的創(chuàng)造性發(fā)展能夠推動人類觀念的進(jìn)步，促使我們理解當(dāng)今的物理理論，尤其是量子理論，進(jìn)而推動了物理學(xué)的進(jìn)步。

本書內(nèi)容分為三個(gè)部分，共12章：第一部分超越希爾伯特空間的范式，含第1-6章：范疇理論：1.N-范疇物理學(xué)的歷史前傳；2.宇宙的進(jìn)程和它的一些假象；3.拓?fù)渌梗═opos）方法在基礎(chǔ)物理學(xué)中的應(yīng)用；4.存在化（Daseinisation）的物理解釋；5.經(jīng)典和量子的可觀察量；6.波爾化（Bohrification）。第二部分超越希爾伯特空間范式：算子代數(shù)，含第7-8章：7.小題大做：引人注目的相對論真空狀態(tài)；8.愛因斯坦遇見馮諾依曼：代數(shù)量子場論中的局部性和可控的獨(dú)立性。第三部分希爾伯特空間框架含第9-12章：9.量子理論及其超越：糾纏態(tài)是特殊的嗎？；10.馮諾依曼對“沒有隱藏的變量”的證明是荒謬的嗎？11.廣義概率論的葉理狀（Foliable）可控制結(jié)構(gòu)；12.強(qiáng)的自由意志定理。

本書側(cè)重于方法論，從多個(gè)角度闡述新思想，尤其是新的數(shù)學(xué)概念，旨在引入新的觀念幫助我們理解當(dāng)代物理學(xué)及其未來的發(fā)展。書中作者都是物理學(xué)、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的頂尖專家，有數(shù)學(xué)家（Conway，de Groote，Kochen，Spitters），物理學(xué)家（Baez，Coecke，Dring，Heunen，Isham，Landsman，Lauda，Summers），理論物理學(xué)家（Brukner，Dakic，Hardy）和哲學(xué)家（Bub，Redéi）。

本書適合數(shù)學(xué)、物理學(xué)和科學(xué)哲學(xué)領(lǐng)域相關(guān)的研究人員閱讀。

陳濤，

博士生

（中國傳媒大學(xué)理學(xué)院）

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[關(guān)鍵詞]物理學(xué)理論 計(jì)算機(jī)技術(shù) 量子計(jì)算機(jī)

中圖分類號：O4-39 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）27-0198-01

一、近代物理學(xué)理論的發(fā)展與現(xiàn)代物理學(xué)理論

現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展即為19世紀(jì)至今，是現(xiàn)代物理學(xué)理論發(fā)展不斷壯大的時(shí)期。

當(dāng)力學(xué)，熱力學(xué)，統(tǒng)計(jì)學(xué)，電磁學(xué)都發(fā)展的很完善時(shí)，有“兩個(gè)不穩(wěn)定因素”打破了物理界的當(dāng)時(shí)的境況，推動了物理學(xué)的變革。第一個(gè)是邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)，即在實(shí)驗(yàn)中沒測到“以太風(fēng)”，也就是說不存在真正的參考系，光速與光源運(yùn)動無關(guān)，光速各向同性。第二個(gè)是黑體輻射實(shí)驗(yàn)，用經(jīng)典物理學(xué)理論無法解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

20世紀(jì)初，愛因斯坦打破了傳統(tǒng)的物理學(xué)理論，提出了俠義相對論，徹底了之前牛頓提出的絕對時(shí)空觀的理論。十年后又創(chuàng)立了廣義相對論，闡述了萬有引力的實(shí)質(zhì)。

物理學(xué)界的第二個(gè)穩(wěn)定因素――黑體輻射實(shí)驗(yàn)，通過普朗克，愛因斯坦，玻爾等一大批物理學(xué)家的努力下，量子力學(xué)應(yīng)時(shí)誕生了。隨著薛定諤波動方程解釋物質(zhì)與波的關(guān)系，量子力學(xué)愈來愈趨于完善。

量子力學(xué)與相對論力學(xué)在現(xiàn)代物理學(xué)理論發(fā)展中是不可忽略的偉大成就。這兩個(gè)的研究的對象也發(fā)生了改變，由低速到高速，宏觀到微觀等，物理學(xué)理論也日趨成熟。

二物理學(xué)理論是計(jì)算機(jī)誕生的基礎(chǔ)

物理學(xué)作為理論基礎(chǔ)：隨著微積分、力學(xué)三大定律、萬有引力定律，經(jīng)典光學(xué)理論的建立，總所周知的一位偉大的物理學(xué)家――牛頓的整個(gè)力學(xué)的體系也完美的呈現(xiàn)于人們眼中。一對天才數(shù)學(xué)家布爾和德莫根歷經(jīng)無數(shù)次的推演證明，挖掘出了數(shù)理邏輯中那閃耀著最亮的光輝――布爾代數(shù)：電磁理論則是偉大的物理學(xué)家法拉第和麥克斯文創(chuàng)立的！而微觀領(lǐng)域上的量子力學(xué)經(jīng)由多位物理學(xué)家――德布羅意、玻爾、愛因斯坦、海森伯、薛定諤建立;還有電子三極管經(jīng)過無數(shù)次實(shí)驗(yàn)也被德弗雷斯發(fā)明出來了。

上世紀(jì)40年代，200多位的專家研制小組由美國國防部任命的莫奇利和?？颂仡I(lǐng)導(dǎo)著并且克服了無數(shù)困難，兩年中堅(jiān)持的開發(fā)創(chuàng)新，人類第一臺計(jì)算機(jī)――ENIAC（1946）在賓夕法尼亞大學(xué)研制成功！這不僅是第一臺電子管數(shù)字積分計(jì)算機(jī)更是人類文明進(jìn)步的一大步。

隨著第一臺計(jì)算機(jī)的成功研制的第二年，一種不僅小而且安全可靠，又不會變熱，結(jié)構(gòu)也什么簡單的晶體管在美國的科學(xué)家巴丁等人研制出來。德克薩斯一器和仙童公司也緊跟著飛速發(fā)展的科技的步伐，在1953年成功的生產(chǎn)出了首個(gè)集成電路。次年，得克薩斯儀器公司首先的宣布他們擁有了集成電路的生產(chǎn)線，這意味著集成電路可以大量的投入生產(chǎn)和使用，然后TRADIC――首臺晶體管計(jì)算機(jī)誕生了，這個(gè)在體積上要小很多的計(jì)算機(jī)就誕生了。

伴隨著集成電路的出現(xiàn)，第三代計(jì)算機(jī)則是誕生在60年代中期。同樣是由IBM公司生產(chǎn)出的IBN600系列計(jì)算機(jī)成為了第三代計(jì)算機(jī)的代表產(chǎn)品。早一些的INTEL8080CPU的晶體管集成度超過5000管/片，1977年在一個(gè)小小的硅片上就可包含幾萬個(gè)管子。

隨著時(shí)間的推移，以大比例的集成電路當(dāng)作邏輯元件和存儲器的第四代計(jì)算機(jī)也向著微型或巨型改。計(jì)算機(jī)的處理器也由8086不停地在轉(zhuǎn)化，到了我們熟知的奔騰系列。

不管是計(jì)算機(jī)的理論基礎(chǔ)還是硬件設(shè)施，其實(shí)都是以物理學(xué)理論為根本的。物理學(xué)理論與計(jì)算機(jī)技術(shù)在未來的日子里互相補(bǔ)益，會不斷的推動科學(xué)向前飛速發(fā)展的。

三、計(jì)算機(jī)零件應(yīng)用的物理學(xué)理論

液晶屏，一聽名字就可以想象得到它是以液晶材料為基本組件的。實(shí)際上液晶屏就是把液晶材料填充于兩塊平行板之間，并且利用電壓來改變其材料內(nèi)部的分子排列情況，控制遮光與透光以顯示明暗不同，鱗次櫛比的圖案。如果想要顯示彩色的圖案時(shí)，只要把帶著三元色的濾光層加入到兩塊平行板之間就可以了。液晶屏的廣泛應(yīng)用還因?yàn)槠涔氖值牡?，?yīng)用電池的電子產(chǎn)品都可以配置液晶屏。由于液晶介于固態(tài)與液態(tài)之間，那么就可以既體現(xiàn)固態(tài)晶體所有的光學(xué)特性，還可以表現(xiàn)出液態(tài)的流動特性?？偨Y(jié)液晶的物理特性可歸納為：粘性、彈性和其極化性。

目前的CPU一般就是包括三個(gè)部分：基板、核心、針腳。大家都知道有一種電腦的硬件的組成的基本單位十分的重要，就是晶體管，而CPU的主要的組成也是晶體管。AMD主流CPU內(nèi)核在早期的Palomino核心和Thoroughbred-B核心的配備，通常采用3750萬個(gè)晶體管，而Barton核心使用了5400萬個(gè)晶體管，核心Opteron處理器使用多達(dá)1.06億個(gè)晶體管;。因此，實(shí)際上說的CPU核心構(gòu)成的最基本單位就是晶體管的的芯數(shù)，針腳。所說的基板通常是印刷電路板，它承載著核心與針腳。然后該晶體管通過電路連接，成為一個(gè)不可或缺的整體，然后可以去分成不同的執(zhí)行單元，每個(gè)單元又可以去處理不同的數(shù)據(jù)，這樣有秩序的完成每個(gè)任務(wù)，才會準(zhǔn)確而快速，這也是CPU為何擁有如此強(qiáng)大的處理能力的原因。

其實(shí)還有很多的零件都運(yùn)用了大量的物理學(xué)理論。下面向大家介紹一下比較先進(jìn)的計(jì)算機(jī)――量子計(jì)算機(jī)。

四、簡介量子計(jì)算機(jī)

從物理觀點(diǎn)看，計(jì)算機(jī)是一個(gè)物理系統(tǒng).計(jì)算過程是一個(gè)物理過程。量子計(jì)算機(jī)是一個(gè)量子力學(xué)系統(tǒng)，量子計(jì)算過程就是這個(gè)量子力學(xué)系統(tǒng)內(nèi)量子態(tài)的演化過程。

量子計(jì)算機(jī)以量子力學(xué)建立邏輯體系，與量子計(jì)算機(jī)有關(guān)的量子力學(xué)的原理，即量子狀態(tài)的主要性質(zhì)包括：狀態(tài)疊加、干涉性、狀態(tài)變化、糾纏、不可復(fù)制性與不確定性。

量子計(jì)算機(jī)具有學(xué)術(shù)價(jià)值和產(chǎn)業(yè)價(jià)值不可估量。對人類的文明，它實(shí)際上是一個(gè)很大的進(jìn)步，我認(rèn)為最主要的方面則是它的工業(yè)價(jià)值。最直接的應(yīng)用各種各樣的量子算法，他就可以用于商用化。

可以回想機(jī)器在20年前的悲慘境況和現(xiàn)在的春分得意，利用機(jī)器學(xué)習(xí)是很難在工業(yè)部門查找數(shù)值，因?yàn)橛?jì)算能力的時(shí)候真的很爛。然后還要測試幾個(gè)月，誰還有時(shí)間來調(diào)整參數(shù)啊。而這兩十年間，計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)不斷的優(yōu)化下，機(jī)器學(xué)習(xí)強(qiáng)大了好多倍。想想看，如果我們比今天的計(jì)算能力更強(qiáng)大，我們無法想象一個(gè)強(qiáng)大的AI強(qiáng)量子任務(wù)不是指日可待？而當(dāng)每家每戶都有一個(gè)量子計(jì)算機(jī)，互聯(lián)網(wǎng)將演變成什么形式？總之，商業(yè)量子計(jì)算機(jī)將是未來科技的發(fā)動機(jī)，就像蒸汽機(jī)是工業(yè)文明的象征，量子計(jì)算機(jī)的前景值得我們期待！

我國科技飛速發(fā)展的今天，我們不難發(fā)現(xiàn)現(xiàn)代生活已經(jīng)步入了一個(gè)電子的天堂，計(jì)算機(jī)將會發(fā)揮它不可估量的價(jià)值，而作文計(jì)算機(jī)技術(shù)的支架――物理學(xué)理論也在不斷的發(fā)展著，這就要求我們在緊跟著的腳步，努力研究，發(fā)現(xiàn)問題、認(rèn)識問題、解決問題，逐漸的將我們國力壯大，2020年全面建成小康社會。

參考文獻(xiàn)

[1] 王炳根.百年物理學(xué)發(fā)展的回顧與未來的展望[J].南平師專學(xué)報(bào). 1997，04：11-14.