量子力學的認識精選(九篇)

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第1篇：量子力學的認識范文

人們通常把愛因斯坦與玻爾之間關于如何理解量子力學的爭論，看成是繼地心說與日心說之后科學史上最重要的爭論之一。就像地心說與日心說之爭改變了人們關于世界的整個認知圖景一樣，愛因斯坦與玻爾之間的爭論也蘊含著值得深入探討的對理論意義與概念變化的全新理解以及關于世界的不同看法。有趣的是，他們倆人雖然都對量子力學的早期發(fā)展做出了重要貢獻，但是，愛因斯坦在最早基于普朗克的量子概念提出并運用光量子概念成功地解釋了光電效應，以及運用能量量子化概念推導出固體比熱的量子論公式之后，卻從量子論的奠基者，變成了量子力學的最強烈的反對者，甚至是最尖銳的批評家。截然相反的是，玻爾在1913年同樣基于普朗克的量子概念提出了半經(jīng)典半量子的氫原子模型之后，卻成為量子力學的哥本哈根解釋的奠基人。愛因斯坦對量子力學的反對，不是質(zhì)疑其數(shù)學形式，而是對成為主流的量子力學的哥本哈根解釋深感不滿。這些不滿主要體現(xiàn)在愛因斯坦與玻爾就量子力學的基礎性問題展開的三次大論戰(zhàn)中。他們的第一次論戰(zhàn)是在1927年10月24日至29日在布魯塞爾召開的第五屆索爾未會議上進行的。這次會議由洛倫茲主持，其目的是為討論量子論的意義提供一個最高級的論壇。在這次會議上，愛因斯坦第一次聽到了玻爾的互補性觀點，并試圖通過分析理想實驗來駁倒玻爾—海森堡的解釋。這一次論戰(zhàn)以玻爾成功地捍衛(wèi)了互補性詮釋的邏輯無矛盾性而結(jié)束；第二次大論戰(zhàn)是于1930年10月20日至25日在布魯塞爾召開并由朗子萬主持的第六屆索爾未會議上進行的。在這次會議上，關于量子力學的基礎問題仍然是許多與會代表所共同關心的主要論題。愛因斯坦繼續(xù)設計了一個“光子箱”的理想實驗，試圖從相對論來玻爾的解釋。但是，在這個理想實驗中，愛因斯坦求助于自己創(chuàng)立的相對論來反駁海森堡提出的不確定關系，反倒被玻爾發(fā)現(xiàn)他的論證本身包含了駁倒自己推論的關鍵因素而放棄。

當這兩個理想實驗都被玻爾駁倒之后，愛因斯坦雖然不再懷疑不確定關系的有效性和量子理論的內(nèi)在自洽性。但是，他對整個理論的基礎是否堅實仍然缺乏信任。1931年之后，愛因斯坦對量子力學的哥本哈根解釋的質(zhì)疑采取了新的態(tài)度：不是把理想實驗用作正面攻擊海森堡的不確定關系的武器，而是試圖通過設計思想實驗導出一個邏輯悖論，以證明哥本哈根解釋把波函數(shù)理解成是描述單個系統(tǒng)行為的觀點是不完備的，而不再是證明邏輯上的不一致。在這樣的思想主導下，第三次論戰(zhàn)的焦點就集中于論證量子力學是不完備的觀點。1935年發(fā)表的EPR論證的文章正是在這種背景下撰寫的。從寫作風格上來看，EPR論證既不是從實驗結(jié)果出發(fā)，也不再是完全借助于思想實驗來進行，而是把概念判據(jù)作為討論的邏輯前提。這樣，EPR論證就把討論量子力學是否完備的問題，轉(zhuǎn)化為討論量子力學能否滿足文章提供的概念判據(jù)的問題。由于這些概念判據(jù)事實上就是哲學假設，這就進一步把是否滿足概念判據(jù)的問題，推向了潛在地接受什么樣的哲學假設的問題。例如，EPR論證在文章的一開始就開門見山地指出：“對于一種物理理論的任何嚴肅的考查，都必須考慮到那個獨立于任何理論之外的客觀實在同理論所使用的物理概念之間的區(qū)別。這些概念是用來對應客觀實在的，我們利用它們來為自己描繪出實在的圖像。為了要判斷一種物理理論成功與否，我們不妨提出這樣兩個問題：（1）“這理論是正確的嗎？”（2）“這理論所作的描述是完備的嗎？”只有在對這兩個問題都具有肯定的答案時，這種理論的一些概念才可說是令人滿意的?！薄?〕從哲學意義上來看，這段開場白至少蘊含了兩層意思，其一，物理學家之所以能夠運用物理概念來描繪客觀實在，是因為物理概念是對客觀實在的表征，由這些表征描繪出的實在圖像，是可想象的。這是真理符合論的最基本的形式，也反映了經(jīng)典實在論思想的核心內(nèi)容；其二，如果一個理論是令人滿意的，當且僅當，這個理論既正確，又完備。那么，什么是正確的理論與完備的理論呢？EPR論證認為，理論的正確性是由理論的結(jié)論同人的經(jīng)驗的符合程度來判斷的。只有通過經(jīng)驗，我們才能對實在作出一些推斷，而在物理學里，這些經(jīng)驗是采取實驗和量度的形式的?！?〕也就是說，理論正確與否是根據(jù)實驗結(jié)果來判定的，正確的理論就是與實驗結(jié)果相吻合的理論。但文章接著申明說，就量子力學的情況而言，只討論完備性問題。言外之意是，量子力學是正確的，即與實驗相符合，但不一定是完備的。為了討論完備性問題，文章首先不加證論地給出了物理理論的完備性條件：如果一個物理理論是完備的，那么，物理實在的每一元素都必須在這個物理理論中有它的對應量。物理實在的元素必須通過實驗和量度來得到，而不能由先驗的哲學思考來確定?；谶@種考慮，他們又進一步提供了關于物理實在的判據(jù)：“要是對于一個體系沒有任何干擾，我們能夠確定地預測（即幾率等于1）一個物理量的值，那末對應于這一物理量，必定存在著一個物理實在的元素?！?/p>

文章認為，這個實在性判據(jù)盡管不可能包括所有認識物理實在的可能方法，但只要具備了所要求的條件，就至少向我們提供了這樣的一種方法。只要不把這個判據(jù)看成是實在的必要條件，而只看成是一個充足條件，那末這個判據(jù)同經(jīng)典實在觀和量子力學的實在觀都是符合的。綜合起來，這兩個判據(jù)的意思是說，如果一個物理量能夠?qū)谝粋€物理實在的元素，那么，這個物理量就是實在的；如果一個物理理論的每一個物理量都能夠?qū)谖锢韺嵲诘囊粋€元素，那么，這個物理學理論就是完備的。然而，根據(jù)現(xiàn)有的量子力學的基本假設，當兩個物理量（比如，位置X與動量P）是不可對易的量（即，XP≠PX）時，我們就不可能同時準確地得到它們的值，即得到其中一個物理量的準確值，就會排除得到另一個物理量的準確值的可能，因為對后一個物理量的測量，會改變體系的狀態(tài)，破壞前者的值。這是海森堡的不確定關系所要求的。于是，他們得出了兩種選擇：要么，（1）由波動函數(shù)所提供的關于實在的量子力學的描述是不完備的；要么，（2）當對應于兩個物理量的算符不可對易時，這兩個物理量就不能同時是實在的。他們在進行了這樣的概念闡述之后，接著設想了曾經(jīng)相互作用過的兩個系統(tǒng)分開之后的量子力學描述，然后，根據(jù)他們給定的判據(jù)，得出量子力學是不完備的結(jié)論。EPR論證發(fā)表不久，薛定諤在運用數(shù)學觀點分折了EPR論證之后，以著名的“薛定諤貓”的理想實驗為例，提出了一個不同于EPR論證，但卻支持EPR論證觀點的新的論證進路。出乎意料的是，愛因斯坦卻在1936年6月19日寫給薛定諤的一封信中透露說，EPR論文是經(jīng)過他們?nèi)齻€人的共同討論之后，由于語言問題，由波多爾斯基執(zhí)筆完成的，他本人對EPR的論證沒有充分表達出他自己的真實觀點表示不滿。從愛因斯坦在1948年撰寫的“量子力學與實在”一文來看，愛因斯坦對量子力學的不完備性的論證主要集中于量子理論的概率特征與非定域性問題。他認為，物理對象在時空中是獨立存在的，如果不做出這種區(qū)分，就不可能建立與檢驗物理學定律。因此，量子力學“很可能成為以后一種理論的一部分，就像幾何光學現(xiàn)在合并在波動光學里面一樣：相互關系仍然保持著，但其基礎將被一個包羅得更廣泛的基礎所加深或代替。”顯然，愛因斯坦后來對量子力學的不完備性問題的論證比EPR論證更具體、更明確。EPR論證中的思想實驗只是隱含了對非定域性的質(zhì)疑，但沒有明朗化。但就論證問題的哲學前提而言，愛因斯坦與EPR論證基本上沒有實質(zhì)性的區(qū)別。因此，本文下面只是從哲學意義上把EPR論證看成是基于經(jīng)典物理學的概念體系來理解量子力學的一個例證來討論，而不準備專門闡述愛因斯坦本人的觀點。

二、玻爾的反駁與量子整體性

玻爾在EPR論證發(fā)表后不久很快就以與EPR論文同樣的題目也在《物理學評論》雜志上發(fā)表了反駁EPR論證的文章。玻爾在這篇文章中重申并升華了他的互補觀念。玻爾認為，EPR論證的實在性判據(jù)中所講的“不受任何方式干擾系統(tǒng)”的說法包含著一種本質(zhì)上的含混不清，是建立在經(jīng)典測量觀基礎上的一種理想的說法。因為在經(jīng)典測量中，被測量的對象與測量儀器之間的相互作用通?？梢员缓雎圆挥?，測量結(jié)果或現(xiàn)象被無歧義地認為反映了對象的某一特性。但是，在量子測量系統(tǒng)中，不僅曾經(jīng)相互作用過的兩個粒子，在空間上彼此分離開之后，仍然必須被看成是一個整體，而且，被測量的量子系統(tǒng)與測量儀器之間存在著不可避免的相互作用，這種相互作用將會在根本意義上影響量子對象的行為表現(xiàn)，成為獲得測量結(jié)果或?qū)嶒灛F(xiàn)象的一個基本條件，從而使人們不可能像經(jīng)典測量那樣獨立于測量手段來談論原子現(xiàn)象。玻爾把量子現(xiàn)象對測量設置的這種依賴性稱為量子整體性（whole-ness）。

在玻爾看來，為了明確描述被測量的對象與測量儀器之間的相互作用，希望把對象與儀器分離開來的任何企圖，都會違反這種基本的整體性。這樣，在量子測量中，量子對象的行為失去了經(jīng)典對象具有的那種自主性，即量子測量過程中所觀察到的量子對象的行為表現(xiàn)，既屬于量子對象，也屬于實驗設置，是兩者相互作用的結(jié)果。因此，在量子測量中，“觀察”的可能性問題變成了一個突出的認識論問題：我們不僅不能離開觀察條件來談論量子現(xiàn)象，而且，試圖明確地區(qū)分對象的自主行為以及對象與測量儀器之間的相互作用，不再是一件可能的事情。玻爾指出，“確實，在每一種實驗設置中，區(qū)分物理系統(tǒng)的測量儀器與研究客體的必要性，成為在對物理現(xiàn)象的經(jīng)典描述與量子力學的描述之間的原則性區(qū)別?！薄?〕海森堡也曾指出，“在原子物理學中，不可能再有像經(jīng)典物理學意義下的那種感知的客觀化可能性。放棄這種客觀化可能性的邏輯前提，是由于我們斷定，在觀察原子現(xiàn)象的時候，不應該忽略觀察行動所給予被觀察體系的那種干擾。對于我們?nèi)粘Ｉ钪信c之打交道的那些重大物體來說，觀察它們時所必然與之相連的很小一點干擾，自然起不了重要作用?！?/p>

另一方面，作用量子的發(fā)現(xiàn)，揭示了量子世界的不連續(xù)性。這種不連續(xù)性觀念的確立，又相應地導致了一系列值得思考的根本問題。首先，就經(jīng)典概念的運用而言，一旦我們所使用的每一個概念或詞語，不再以連續(xù)性的觀念為基礎，它們就會成為意義不明確的概念或詞語。如果我們希望仍然使用這些概念來描述量子現(xiàn)象，那么，我們所付出的代價是，限制這些概念的使用范圍和精確度。對于完備地反映微觀物理實在的特性而言，描述現(xiàn)象所使用的經(jīng)典概念是既相互排斥又相互補充的。這是玻爾的互補性觀念的精神所在。有鑒于此，玻爾認為，EPR論證根本不會影響量子力學描述的可靠性，反而是揭示了按照經(jīng)典物理學中傳統(tǒng)的自然哲學觀點或經(jīng)典實在論來闡述量子測量現(xiàn)象時存在的本質(zhì)上的不適用性。他指出：“在所有考慮的這些現(xiàn)象中，我們所處理的不是那種以任意挑選物理實在的各種不同要素而同時犧牲其他要素為其特征的一種不完備的描述，而是那種對于本質(zhì)上不同的一些實驗裝置和實驗步驟的合理區(qū)分；……事實上，在每一個實驗裝置中對于物理實在描述的這一個或那一個方面的放棄（這些方面的結(jié)合是經(jīng)典物理學方法的特征，因而在此意義上它們可以被看作是彼此互補的），本質(zhì)上取決于量子論領域中精確控制客體對測量儀器反作用的不可能性；這種反作用也就是指位置測量時的動量傳遞，以及動量測量時的位移。正是在這后一點上，量子力學和普通統(tǒng)計力學之間的任何對比都是在本質(zhì)上不妥當?shù)摹还苓@種對比對于理論的形式表示可能多么有用。事實上，在適于用來研究真正的量子現(xiàn)象的每一個實驗裝置中，我們不但必將涉及對于某些物理量的值的無知，而且還必將涉及無歧義地定義這些量的不可能性?！逼浯?，就量子描述的可能性而言，玻爾認為，我們“位于”世界之中，不可能再像在經(jīng)典物理學中那樣扮演“上帝之眼”的角色，站在世界之外或從“外部”來描述世界，不可能獲得作為一個整體的世界的知識。玻爾把這種描述的可能性與心理學和認知科學中對自我認識的可能性進行了類比。在心理學和認知科學中，知覺主體本身是進行自我意識的一部分這一事實，限制了對自我認識的純客觀描述的可能性。用玻爾形象化的比喻來說，在生活的舞臺上，我們既是演員，又是觀眾。因此，量子描述的客觀性位于理想化的純客觀描述與純主觀描述之間的某個地方。

為此，玻爾認為，物理學的任務不是發(fā)現(xiàn)自然界究竟是怎樣的，而是提供對自然界的描述。海森堡也曾指出，在原子物理學領域內(nèi)，“我們又尖銳地碰到了一個最基本的真理，即在科學方面我們不是在同自然本身而是在同自然科學打交道?！睈垡蛩固箘t堅持認為，在科學中，我們應當關心自然界在干什么，物理學家的工作不是告訴人們關于自然界能說些什么。愛因斯坦的觀點是EPR論證所蘊含的。這兩種理論觀之間的分歧，事實上，不僅是有沒有必要考慮和闡述包括概念、儀器等認知中介的作用的分歧，而且是能否把量子力學納入到經(jīng)典科學的思維方式當中的分歧。EPR論證以經(jīng)典科學的方法論與認識論為前提，認為正確的科學理論理應是對自然界的正確反映，認知中介對測量結(jié)果不會產(chǎn)生實質(zhì)性的影響；而玻爾與海森堡則以接受量子測量帶來的認識論教益為前提，認為量子力學已經(jīng)失去了經(jīng)典科學具有的那種概念與物理實在之間的一一對應關系，認知中介的設定成為人類認識微觀世界的基本前提。第三，就主體與客體的關系問題而言，EPR論證認為，認知主體與客體之間存在著明確的分界線。這意味著，所有的主體都能對客體進行同樣的描述，并且他們描述現(xiàn)象所用的概念與語言是無歧義的。無歧義意味著對概念或語言的意義的理解是一致的。而對于量子測量而言，對客體的描述包含了主體遵守的作為世界組成部分的描述條件的說明，從而顯現(xiàn)了一種新的主客體關系。為此，我們可以把主體與客體之間的關系劃分為三類：其一，能夠在主體與客體之間劃出分界線，所有的主體對客體的描述都是相同的，EPR論證屬于此類；其二，能夠在主體與客體之間劃出分界線，但主體對客體的描述是因人而異的，人們對藝術品的欣賞屬于此類；其三，不可能在主體與客體之間劃出分界線，主體對客體的描述包括了對測量條件的描述在內(nèi)，玻爾對EPR論證的反駁屬于此類。顯然，EPR論證隱含的主客體關系與玻爾所理解的量子測量中的主客體關系之間存在著實質(zhì)性的差別。EPR論證是沿襲了經(jīng)典實在論的觀點，而玻爾的觀點代表了他基于量子力學的形式體系總結(jié)出來的某種新的認識。在這里，就像不能用歐幾里得幾何的時空觀來反對非歐幾何的時空觀一樣，我們也不能用經(jīng)典意義上的理論觀反對量子意義上的理論觀。因此，可以說，物理學家關于如何理解量子力學問題的爭論，在很大程度上，蘊含了他們關于科學研究的哲學假設之間的爭論。

三、實驗的形而上學

EPR論證不僅引發(fā)了量子物理學家關于物理學基礎理論問題的哲學討論，而且還創(chuàng)立了“實驗的形而上學”，提供了物理學家如何基于形而上學的觀念之爭，最終探索出通過實驗檢驗其結(jié)論的一個典型案例。這一過程與尋找量子論的隱變量解釋的努力聯(lián)系在一起。量子力學的隱變量解釋的最早方案是德布羅意在1927年提出的“導波”理論。1932年，馮•諾意曼在他的《量子力學的數(shù)學基礎》一書中曾根據(jù)量子力學的概念體系提出了四個假設，并且證明，隱變量理論和他的第四個假設（即，可加性假設）相矛盾，認為通過設計隱變量的觀念來把量子理論置于決定論體系之中的任何企圖都注定是失敗的。馮•諾意曼的這一工作在為量子論的隱變量解釋判了死刑的同時，也極大地支持了量子力學的哥本哈根解釋。有意思的是，曾是量子力學的哥本哈根解釋的支持者與傳播者的玻姆，在1951年基于量子力學的哥本哈根精神出版了至今仍然有影響的《量子理論》一書，并在書的結(jié)尾，以EPR論證為基礎，提出了“量子理論同隱變量不相容的一個證明”之后，從1952年開始反而致力于從邏輯上為量子力學提供一種隱變量解釋的研究。

玻姆闡述隱變量理論的目標可以大致概括為兩個方面，一是試圖用能夠直覺想象的概念為量子概率和量子測量提供一種可理解的說明，證明為量子論提供一個決定論的基礎是可行的；二是希望從邏輯上表明，隱變量理論是有可能的，“不論這種理論是多么抽象和‘玄學’。”玻姆的追求顯然是一種信念的支撐，而不是事實之使然。在這種信念的引導下，玻姆在1952年連續(xù)發(fā)表了兩篇闡述隱變量理論的文章，在這些文章中，他用經(jīng)典方式定義波函數(shù)，假定微觀粒子像經(jīng)典粒子一樣總是具有精確的位置和精確的動量，闡述了一種可能的量子論的隱變量解釋，最后，用一個粒子的兩個自旋分量代替EPR論證中的坐標與動量，討論了EPR論證的思想實驗，并運用量子場與量子勢概念解釋了測量一個粒子的位置影響第二個粒子的動量的原因。

貝爾在讀了玻姆的文章之后，認為有必要重新系統(tǒng)地研究量子力學的基本問題。貝爾試圖解決的矛盾是：如果馮•諾意曼的證明成立，那么，怎么會有可能建立一個邏輯上無矛盾的隱變量理論呢？為了搞明白問題，貝爾首先重新剖析了馮•諾意曼的關于隱變量的不可能性的證明和EPR論證中設想的思想實驗，然后，抓住了隱變量理論的共同本質(zhì)，于1964年發(fā)表了“關于EPR悖論”的文章。在這篇文章中，貝爾引述了用自旋函數(shù)來表述EPR論證的玻姆說法，或者說，從EPR—玻姆的思想實驗出發(fā)，以轉(zhuǎn)動不變的獨立波函數(shù)描述組合系統(tǒng)的態(tài)，推導出一個不同于量子力學預言的、符合定域隱變量理論的關于自旋相關度的不等式，通常稱為貝爾不等式或貝爾定理，然后，用歸謬法了量子力學的預言和貝爾不等式相符的可能性，說明任何定域的隱變量理論，不論它的變數(shù)的本性是什么，都在某些參數(shù)上同量子力學相矛盾。貝爾還假設，如果所進行的兩個測量在空間上彼此相距甚遠，那么，沿著一個磁場方向的測量，將不會影響到另一個測量結(jié)果。貝爾把這個假設稱為“定域性假設”。從這個假設出發(fā)，貝爾指出，如果我們可以從第一個測量結(jié)果預言第二個測量結(jié)果，測量可以沿著任何一個坐標軸來進行，那么，測量的結(jié)果一定是已經(jīng)預先確定了的。但是，由于波函數(shù)不對這種預先確定的量提供任何描述，所以，這種預定的結(jié)果一定是通過決定論的隱變量來獲得的。貝爾后來申明說，他在“關于EPR悖論”一文中假設的是定域性，而不是決定論，決定論是一種推斷，不是一個假設，或者說，貝爾的這篇文章是從定域性推論出決定論，而不是開始于決定論的隱變量。從邏輯前提上來看，貝爾的假設更接近于愛因斯坦的假設，他們都把“定域性條件”看成是比“決定論前提”更基本的概念。因此，貝爾的工作比馮•諾意曼和玻姆的工作更進一步地推進了關于量子力學的根本特征的理解。貝爾的這篇文章具有劃時代的意義。它不僅成為20世紀下半葉物理學與哲學研究中引用率最高的文獻之一，而且為進一步設計具體的實驗來澄清量子力學的內(nèi)在本性邁出了決定性的一步。粒子物理學家斯塔普（HenryStapp）甚至把貝爾定理的提出說成是“意義最深遠的科學發(fā)現(xiàn)?！?/p>

同EPR論證一樣，貝爾的這一發(fā)現(xiàn)也不是從實驗中總結(jié)出來的，而是基于哲學信念的邏輯推理的結(jié)果。此后，量子物理學界進一步推廣貝爾定理的理論研究與具體實驗方案的探索工作并行不悖地開展起來。而這些工作都與EPR論證相關。就實驗進展而言，物理學界承認，阿斯佩克特等人于1982年關于“實現(xiàn)EPR-玻姆思想實驗”的實驗結(jié)果，支持了量子力學，針對這樣的實驗結(jié)果，貝爾指出：“依我看，首先，人們必定說，這些結(jié)果是所預料到的。因為它們與量子力學預示相一致。量子力學畢竟是科學的一個極有成就的科學分支，很難相信它可能是錯誤的。盡管如此，人們還是認為，我也認為值得做這種非常具體的實驗。這種實驗把量子力學最奇特的一個特征分離了出來。原先，我們只是信賴于旁證。量子力學從沒有錯過。但現(xiàn)在我們知道了，即使在這些非常苛刻的條件下，它也不會錯的?！?/p>

雖然EPR論證的初衷是希望證明量子力學是不完備的，還沒有提出量子測量的非定域性概念，但是，物理學家則通常運用EPR思想實驗的術語來討論非定域性問題。經(jīng)過40多年的發(fā)展，具體的實驗結(jié)果使EPR論證失去了對量子力學的挑戰(zhàn)性。一方面，這些實驗證實了非定域性是所有量子論的一個基本屬性，要求把在同一個物理過程中生成的兩個相關粒子永遠當作一個整體來對待，不能分解為兩個獨立的個體，其中，一個粒子發(fā)生任何變化，另一個粒子必定同時發(fā)生相應的變化，這種相互影響與它們的空間距離無關；另一方面，這些實驗也表明了EPR論證提供的哲學假設不再是判斷量子力學是否完備的有效前提，而是反過來提醒我們需要重新思考玻爾在反駁EPR論證的觀點中所蘊含的哲學啟迪?？偠灾?，EPR論證盡管是基于哲學假設，運用思想實驗，來駁斥量子力學的完備性，但在客觀上，物理學家圍繞這一論證的討論，最終在思想實驗的基礎上出乎意料地發(fā)展出可以具體操作的實驗方案，并且獲得了有效的實驗結(jié)果。這一段歷史發(fā)展不僅證明，無論在哲學假設的問題上，還是在物理概念的意義理解的問題上，量子力學都不是對經(jīng)典物理學的補充和擴展，是一個蘊含有新的哲學假設的理論。正是在這種意義上，物理學家玻恩得出了“理論物理學是真正的哲學”的斷言。

四、認識論的思維方式

如前所述，EPR論證—玻姆—貝爾這條發(fā)展主線是把對物理學問題鑲嵌在哲學信念中進行思考的。這一歷史片斷揭示出，基于哲學信念的邏輯推理在物理學的理論研究與實驗研究中起到了積極的認知作用。一方面，在這些探索方式中，不論是EPR論證的真理符合論假設，玻姆的決定論假設，還是貝爾的定域性假設，它們的初衷都是希望能夠把量子力學納入到經(jīng)典物理學的概念框架或哲學信念之中。另一方面，檢驗貝爾不等式的物理學實驗結(jié)果對量子力學的支持和對貝爾不等式的違背意味著，我們不應該依舊固守經(jīng)典物理學的哲學假設來質(zhì)疑量子力學，而是應該顛倒過來，積極主動地揭示量子力學蘊含的哲學思想，以進一步明確經(jīng)典物理學的哲學假設的適用范圍。

但是，這種視域的逆轉(zhuǎn)不是簡單地倡導用量子力學的哲學假設取代經(jīng)典物理學的哲學假設，也不是武斷地主張用玻爾的理論觀替代EPR論證所蘊含的理論觀，而是提倡擺脫習以為常的自然哲學的思維方式，確立認識論的思維方式。自然哲學的思維方式是一種本體論化的思維方式。這種思維方式是從古希臘延續(xù)下來的，追求概念與實在之間的直接的一一對應關系，忽視或缺乏對認知過程中不可避免的認知中介和理論框架的考慮。從起源上來講，這種無視認知中介的本體論化的思維方式，源于常識，是對常識的一種延伸外推與精致化。近代自然科學的發(fā)展進一步強化與鞏固了這種思維方式。EPR論證也是基于這種思維方式使經(jīng)典科學蘊含的哲學假設以具體化的判據(jù)形式呈現(xiàn)出來。然而，與過去的物理學理論所不同的是。量子力學不再是關于可存在量（beable）的理論，而是關于可觀察量（observable）的理論，“是理論決定我們的觀察內(nèi)容”這一句話，既是愛因斯坦創(chuàng)立相對論的感想，也為海森堡提出不確定關系提供了觀念啟迪。就理論形式而言，量子力學的理論描述用的是數(shù)學語言，而不是日常語言。用數(shù)學語言描述的微觀世界是一個多位空間的世界，而我們作為人類，很難直觀地想象這樣的世界，更不可能直接“進入”這個世界來“觀看”一切。人類感知的這種局限性是原則性的，從而限制了我們對微觀世界的知識的全面獲得。用玻爾的話來說，我們對一個微觀對象的最大限度的知識不可能從單個實驗中獲得，而只能從既相互排斥又相互補充的實驗安排中獲得。用玻恩的話來說，在量子測量中，觀察與測量并不是指自然現(xiàn)象本身，而是一種投影。

第2篇：量子力學的認識范文

關鍵詞： 量子力學 教學方法改革 創(chuàng)新思維

量子力學是研究微觀粒子運動規(guī)律的科學，自誕生以來它就成功地說明了原子及分子的結(jié)構(gòu)、固體的性質(zhì)、輻射的吸收與發(fā)射、超導等物理現(xiàn)象。作為物理學專業(yè)的專業(yè)理論課，量子力學在物理學專業(yè)中具有極其重要的地位。現(xiàn)代物理學的各個分支，如高能物理、固體物理、核物理、天體物理和激光物理等都是以量子力學為基礎，并且已經(jīng)滲透到化學和生物學等其他學科。同時量子理論還具有巨大的實用價值，半導體器件和材料、激光技術、原子能技術和超導材料等都是以量子力學原理為基礎的。

通過對量子力學的學習，學生可以掌握現(xiàn)代科學技術最重要的基礎理論，還可以提高科學素質(zhì)和思想素質(zhì)，但是量子力學中的概念和解決問題的方法與經(jīng)典物理有著本質(zhì)的不同。學生普遍反映量子力學抽象、枯燥、難理解、抓不住重點，學習起來非常困難。針對以上問題，我對教學進行了思考和探討，采用了一些切實可行的措施，提高了學生的學習興趣，使學生更好地掌握了量子力學知識，同時培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新思維。

一、教學過程中存在的問題

在量子力學的教學過程中，我發(fā)現(xiàn)以下幾個問題。

1.量子力學是一門十分抽象的課程，其中許多概念、原理都不好理解，并且量子力學從概念到解決問題的方法跟經(jīng)典物理有著根本性的區(qū)別，但是很多學生習慣性地用經(jīng)典的思想去理解量子力學，這樣就不自覺地增加了難度。比如“波粒二象性”，經(jīng)典物理認為波動性和粒子性是互不相關的、相互獨立的，而量子力學認為波動性和粒子性是微觀粒子同時具備的兩種屬性。

2.學習量子力學，數(shù)學知識是必不可少的。量子力學中有著繁雜的數(shù)學知識，例如，數(shù)學分析中的微積分，代數(shù)學中的矩陣論，數(shù)學物理方程的微分方程，復變函數(shù)，等等。在教學過程中發(fā)現(xiàn)，不少學生對已學過的數(shù)學知識掌握得不是很牢固，在推導公式的過程中忘記了公式所描述的物理內(nèi)涵，影響了對量子力學知識的理解。

3.由于量子力學的課時緊張，教學過程中采用了傳統(tǒng)的教學模式，由教師到學生的“單向傳授”的教學形式。學生失去了主體地位，只能被動地接受知識，學習的興趣和積極性不高，導致教學效率降低。

二、量子力學的教學方法改革

1.采用多種教學手段相結(jié)合的教學模式。由于量子力學的內(nèi)容抽象難懂，又是建立在一系列基本假定的基礎之上，不少學生很難接受，甚至認為這門課程沒有用處。在量子力學的教學過程中，由單一的教師講授過渡到板書、錄像、課件、演示實驗等各種手段相結(jié)合的教學模式，將圖、文、聲、像等信息有機地組合在一起，形象、直觀、生動，容易激發(fā)學生的學習興趣。同時，通過網(wǎng)絡技術，學生可以享受到本校的教學資源，還可以突破空間的限制，享受到全國高水平的教學資源，從而豐富學生的資料庫，也為各學校的師生討論交流提供一個很好的平臺。

隨著科學技術的迅速發(fā)展，知識更新非?？?。在教學中，教師應及時將與量子力學相關的科技前沿和高新技術引入教學中，介紹與量子力學密切相關的課題，闡明科學技術中所蘊含的量子力學原理。如我們在講解一維無限深勢阱時，將其與半導體量子阱和超晶格這一科學前沿相聯(lián)系；在講解隧道效應時，將其與掃描隧道顯微鏡相聯(lián)系，進而介紹掃描探針操縱單個原子的實驗。同時在教學中，我們理論聯(lián)系實際，多介紹量子力學知識與材料科學、生命科學、環(huán)境科學等其他學科之間的密切聯(lián)系，重點介紹在材料科學中的廣泛應用，包括新材料設計、開發(fā)新材料、材料成分和結(jié)構(gòu)分析技術等。通過這種方式，學生對這一部分的知識有了直觀的認識，從而不再感到量子力學的學習枯燥無味，同時也提高了接受新知識、學習新知識的意識和能力。

2.結(jié)合數(shù)學知識，把物理情境的建立作為教學的重點。量子力學可以說無處不數(shù)學，這門學科對高級數(shù)學語言的成功運用，正是它高深與完美的體現(xiàn)。數(shù)學雖然加深了物理問題的難度，卻維護了理論的嚴謹性和科學性。當然這不是要求老師從頭到尾、長篇冗重地推演計算，合理地修剪枝杈既能讓學生抓住重點，又免使學生感到量子力學只是數(shù)學公式的推導。對于學習量子力學的同學，可以著重于對物理概念的剖析和物理圖像的描繪，繞過數(shù)學分析難點，通過簡化模型、對稱性考慮、極限情形和特例、量綱分析、數(shù)量級估計、概念延拓對比等得出結(jié)論。定量分析盡量只用簡單的高數(shù)和微積分、常見的常微分方程，對復雜的數(shù)學推導可以不做講解，只對少數(shù)優(yōu)秀生或感興趣的同學個別輔導。例如，在求解本征方程時，只介紹動量、定軸轉(zhuǎn)子能量本征值的求解；對無限深勢阱情況，薛定諤方程可類比普通物理中的簡諧振動方程；對氫原子和諧振子的能量本征值問題，只重點介紹思路、方法和結(jié)論，不作詳細推導。

3.充分應用類比法，講述量子力學。經(jīng)典力學是量子力學的極限情況，在教授過程中，應盡可能找到“經(jīng)典”對應，應用類比方法講述量子力學中抽象的概念和物理圖像，有助于正確理解量子力學的物理圖像。用光的單縫、雙縫衍射、干涉說明光的波動性，用光電效應、康普頓散射說明光的粒子性，運用這種方法有利于學生掌握光的波粒二象性。在將量子力學與經(jīng)典力學類比的同時，還要清楚量子力學與經(jīng)典力學在觀念、概念和方法上的區(qū)別。例如，經(jīng)典力學用位矢、速度描述物體的狀態(tài)，而量子力學用波函數(shù)描述系統(tǒng)狀態(tài)；經(jīng)典力學用牛頓第二定律描述狀態(tài)變化，量子力學用薛定諤方程描述狀態(tài)的變化。另外對于量子力學中的波粒二象性、態(tài)迭加原理、統(tǒng)計原理等都要與經(jīng)典力學中的相關概念區(qū)分開來，類比說明，闡明清楚其真正內(nèi)涵。

4.改變傳統(tǒng)教學模式，采用以學生為主體的教學模式。量子力學的現(xiàn)代教學多以“教師講授”為主，同時配合多媒體課件輔助教學，教學模式較傳統(tǒng)教學有所變化，多媒體課件教學雖然能夠在一定程度上激發(fā)學生的學習興趣，但仍然是“填鴨式”的教學法，沒能真正地改變傳統(tǒng)教學的弊端。因此在教學過程中，要避免課堂成為教師的一言堂，鼓勵學生提問，激發(fā)學生的逆向思維和非規(guī)范性思維等，通過創(chuàng)設問題情境使師生互動起來，提高學生學習量子力學的積極性，加深學生對這門課程的理解。還要組織學生開展相關課題討論，引導學生自主能動地思考，激發(fā)學生的學習興趣。

三、結(jié)語

“量子力學”是物理類專業(yè)基礎課程中教學的難點和重點，建立新的教學模式，有利于學生學習、理解和掌握這門課程。

參考文獻：

［1］曾謹言.量子力學［M］.科學出版社，1997.

［2］周世勛.量子力學教程［M］.高等教育出版社，1979.

［3］胡響明.淺談量子概念的理解［J］.高等函授學報（自然科學版），2004，（2）：29.

第3篇：量子力學的認識范文

關鍵詞：量子力學；教學探索；普通高校

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）50-0212-02

一、概論

量子力學從建立伊始就得到了迅速的發(fā)展，并很快融合其他學科，發(fā)展建立了量子化學、分子生物學等眾多新興學科。曾謹言曾說過，量子力學的進一步發(fā)展，也許會對21世紀人類的物質(zhì)文明有更深遠的影響[1]。

地處西部地區(qū)的貴州省，基礎教育水平相對落后。表1列出了2005年到2012年來的貴州省高考二本理科錄取分數(shù)線，從中可知：自2009年起二本線已經(jīng)低于60%的及格線，并呈顯越來越低的趨勢。對于地方性新升本的普通本科學校來講，其生源質(zhì)量相對較低。同時，在物理學（師范）專業(yè)大部分學生畢業(yè)后的出路主要是中學教師、事業(yè)單位一般工作人員及公務員，對量子力學的直接需求并不急切。再加上量子力學的“曲高和寡”，學生長期以來形成學之無用的觀念，學習意愿很低。在課時安排上，隨著近年教育改革的推進，提倡重視實習實踐課程、注重學生能力培養(yǎng)的觀念的深入，各門課程的教學時數(shù)被壓縮，量子力學課程課時從72壓縮至54學時，課時被壓縮25%。

總之，在學校生源質(zhì)量逐年下降、學生學習意愿逐年降低，且課時量大幅減少的情況下，教師的教學難度進一步增大。以下本人結(jié)合從2005至10級《量子力學》的教學經(jīng)驗，談一下教學方面的思考。

二、依據(jù)學生情況，合理安排教學內(nèi)容

1.根據(jù)班級的基礎區(qū)別化對待，微調(diào)課程內(nèi)容?？紤]到我校學生的實際情況和需要，教學難度應與重點院校學生有差別。同時，通過前一屆的教學積累經(jīng)驗，對后續(xù)教學應有小的調(diào)整。在備課時，通過微調(diào)教學內(nèi)容來適應學習基礎和能力不同的學生。比如，通過課堂教學及作業(yè)的反饋，了解該班學生的學習狀態(tài)，再根據(jù)班級學習狀況的不同，進行后續(xù)課程內(nèi)容的微調(diào)。教學中注重量子力學基本概念、規(guī)律和物理思想的展開，降低教學內(nèi)容的深度，注重面上的擴展，進行全方位拓寬、覆蓋，特別是降低困難題目在解題方面要求，幫助學生克服學習的畏難心理。

2.照顧班內(nèi)大多數(shù)，適當降低數(shù)學推導難度。對于教學過程中將要碰到的數(shù)學問題，可采取提前布置作業(yè)的方法，讓學生主動去復習，再輔以教師課堂講解復習，以解決學生因為數(shù)學基礎差而造成的理解困難。同時，可以通過補充相關數(shù)學知識，細化推導過程，降低推導難度來解決。比如：在講解態(tài)和力學量的表象時[2]，要求學生提前復習線性代數(shù)中矩陣特征值、特征向量求解及特征向量的斯密特正交化方法。使學生掌握相關的數(shù)學知識，這對理解算符本征方程的本征值和本征函數(shù)起了很大的推動作用。

3.注重量子論思想的培養(yǎng)。量子論的出現(xiàn)，推動了哲學的發(fā)展，給傳統(tǒng)的時空觀、物質(zhì)觀等帶來了巨大的沖擊，舊的世界觀在它革命性的沖擊下分崩離析，新的世界觀逐漸形成。量子力學給出了一套全新的思維模式和解決問題的方法，它的思維模式跟人們的直覺和常識格格不入，一切不再連續(xù)變化，而是以“量子”的模式一份一份的增加或減少。地方高校的學生數(shù)學基礎較差，不愿意動手推導，學習興趣較低，量子力學的教學，對學生量子論思維方式的培養(yǎng)就顯得尤為重要。為了完成從經(jīng)典理論到量子理論思維模式的轉(zhuǎn)變，概念的思維方式是基礎、是重中之重。通過教師的講解，使學生理解量子力學的思考方式，并把經(jīng)典物理中機械唯物主義的絕對的觀念和量子力學中的概率的觀念相聯(lián)系起來，在生活中能夠利用量子力學的思維方式思考問題，從而達到學以致用的目的。

4.跟蹤科學前沿，隨時更新科研進展?？茖W是不斷向前發(fā)展的，而教材自從編好之后多年不再變化，致使本領域的最新研究成果，不能在教材中得到及時體現(xiàn)。而發(fā)生在眼下的事件，最新的東西才是學生感興趣的。因此，我們可以利用學生的這種心理，通過跟蹤科學前沿，及時補充量子力學進展到教學內(nèi)容中的方式，來提高學習量子力學的興趣。教師利用量子力學基本原理解釋當下最具轟動性的科技新聞，提高量子力學在現(xiàn)實生活中出現(xiàn)的機會，同時引導學生利用基本原理解釋現(xiàn)實問題，從而培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際的能力。

三、更新教學手段，提高教學效率

1.拓展手段，量子力學可視化。早在上世紀90年代初，兩位德國人就編制完成了名為IQ的量子力學輔助教學軟件，并在此基礎上出版了《圖解量子力學》。該書采用二維網(wǎng)格圖形和動畫技術，形象地表述量子力學的基本內(nèi)容，推動了量子力學可視化的前進。近幾年計算機運算速度的迅速提高，將計算物理學方法和動畫技術相結(jié)合，再輔以數(shù)學工具模擬，應用到量子力學教學的輔助表述上，使量子力學可視化。通過基本概念和原理形象逼真的表述，學生理解起來必將更加輕松，其理解能力也會得到提高。

2.適當引入英語詞匯。在一些漢語解釋不是特別清楚的概念上，可以引入英文的原文，使學生更清晰的理解原理所表述的含義。例如，在講解測不準關系時，初學者往往覺得它很難理解。由于這個原理和已經(jīng)深入人心經(jīng)典物理概念格格不入，因此初學者往往缺乏全面、正確的認識。有學生根據(jù)漢語的字面意思認為，測量了才有不確定度，不測量就不存在不確定。這時教師引入英文“Uncertainty principle”可使學生通過英文原意“不確定原理”知道，這個原理與“測量”這個動作的實施與否并沒有絕對關系，也就是說并不是測量了力學量之間才有不確定度，不測量就不存在，而是源于量子力學中物質(zhì)的波粒二象性的基本原理。

3.提出問題，引導學生探究。對于學習能力較強的學生，適當引入思考題，并指導他們解決問題，從而使學生得到基本的科研訓練。比如，在講解氫原子一級斯塔克效應時，提到“通常的外電場強度比起原子內(nèi)部的電場強度來說是很小的”[2]。這時引入思考題：當氫原子能級主量子數(shù)n增大時，微擾論是否還適用？在哪種情況下可以使用，精確度為多少？當確定精度要求后，微擾論在討論較高激發(fā)態(tài)時，這個n能達到多少？學生通過對問題的主動探索解決，將進一步熟悉微擾論這個近似方法的基本過程，理解這種近似方法的精神。這樣不僅可以加深學生對知識點的理解，還可以得到基本的科研訓練，從而引導學生走上科研的道路。

4.師生全面溝通，及時教學反饋。教學反饋是教學系統(tǒng)有效運行的關鍵環(huán)節(jié)，它對教和學雙方都具有激發(fā)新動機的作用。比如：通過課堂提問及觀察學生表情變化的方式老師能夠及時掌握學生是否理解教師所講的內(nèi)容，若不清楚可以當堂糾正。由此建立起良好的師生互動，改變單純的灌輸式教學，在動態(tài)交流中建立良好的教學模式，及時調(diào)整自己的教學行為。利用好課程結(jié)束前5分鐘，進行本次課程主要內(nèi)容的回顧，及時反饋總結(jié)。通過及時批改課后作業(yè)，了解整個班級相關知識及解題方法的掌握情況。依據(jù)反饋信息，對后續(xù)課程進行修訂。

通過雙方的反饋信息，教師可以根據(jù)學生學習中的反饋信息分析、判定學生學習的效果，學生也可以根據(jù)教師的反饋，分析自己的學習效率，檢測自己的學習態(tài)度、水平和效果。同時，學生學習行為活動和結(jié)果的反饋是教師自我調(diào)控和對整個教學過程進行有效調(diào)控的依據(jù)[6]。

四、結(jié)論

量子力學作為傳統(tǒng)的“難課”，一直是學生感到學起來很困難的課程。特別是高校大擴招的背景下，很多二本高校都面臨著招生生源質(zhì)量下降、學生學習意愿不高的現(xiàn)狀，造成了教師教學難度進一步增大。要增強學生的學習興趣，提高教學質(zhì)量，教師不僅要遵循高等教育的教學規(guī)律，不斷加強自身的學術水平，講課技能，適時調(diào)整教學內(nèi)容，采取與之相對應的教學手段，還需要做好教學反饋，加強與學生的溝通交流，了解學生的真實想法，并有針對性的引入與生活、現(xiàn)實相關的事例，提高學生學習量子力學的興趣。

參考文獻：

[1]曾謹言.量子力學教學與創(chuàng)新人才培養(yǎng)[J].物理，2000，（29）：436.

[2]周世勛，陳灝.量子力學教程[M].高等教育出版社，2009：101.

[3]楊林.氫原子電子概率分布可視化及其性質(zhì)研究[J].綏化學院學報，2009，（29）：186.

[4]常少梅.利用Mathematica研究量子力學中氫原子問題[J].科技信息，2011，（26）：012.

[5]喻力華，劉書龍，陳昌勝，項林川.氫原子電子云的三維空間可視化[J].物理通報，2011，（3）：9.

第4篇：量子力學的認識范文

關鍵詞 量子力學 教學改革 創(chuàng)新能力 研究性教學

中圖分類號：G643.0 文獻標識碼：A DOI：10.16400/ki.kjdks.2015.07.017

Graduate Education Course Advanced Quantum Mechanics Teaching Reform

HU Ping， PENG Zhihua， GUO Ping， HU Jiwen

（College of Mathematics and Science， University of South China， Hengyang， Hu'nan 451001）

Abstract Postgraduate both the learning process to deepen the knowledge of the process is scientific ability， knowledge of scientific basis. From Graduate Teaching Mode existing problems， discusses the necessity of quantum mechanics graduate students in higher education， research teaching model introduced in the teaching process， improve the quality of teaching so that students master the basic principles of quantum mechanics， based on general ability， innovation ability has been greatly improved.

Key words Quantum Mechanics; teaching reform; innovative ability; research teaching

自上個世紀80年初期恢復研究生教育，我國的研究生教育進入了蓬勃發(fā)展的時期。①隨著我國高等教育的發(fā)展，研究生教育規(guī)模的也迅速擴大，研究生教育質(zhì)量已成為一個全社會關注的焦點問題。我國研究生的素質(zhì)關系到國家的未來發(fā)展，研究生教育是為國家培養(yǎng)現(xiàn)代化建設、發(fā)展科技培養(yǎng)高水平、高層次人才;研究生教育是我國站上世界知識經(jīng)濟高點的重要支持;同時也是高校實現(xiàn)由教學型向研究型轉(zhuǎn)變的重要基礎。研究生教育不同于本科生教育，研究生教育不僅包含課程教學，同時包含了社會實踐、學位論文等諸多環(huán)節(jié)。②然而作為科研能力、自主創(chuàng)新能力發(fā)展的基礎――課程教學不僅要傳授知識，更重要的是要指導研究生思考，是提高研究生培養(yǎng)質(zhì)量的根本。

研究生教學質(zhì)量是整個研究生教育的一個重要部分，如何合理利用現(xiàn)有教學資源條件，使得研究生教學質(zhì)量能夠穩(wěn)步提高，則成為研究生管理的首要解決問題之一。自上個世紀80年代以來，高等教育改革逐漸興起，其主要目標就是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，教育界越來越多地關注教學方法創(chuàng)新研究。首先，研究性教學，是一種能有效引導學生主動探究、培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的教學方式，引起全世界各地的教育及其相關部門的關注。目前，教育部實施研究生科研創(chuàng)新項目研究計劃， 現(xiàn)在全國已有100多所大學參加這項計劃。其次，在過去的幾十年中，國內(nèi)外在總結(jié)以前高等教育成果與不足的基礎上，以培養(yǎng)創(chuàng)新型人才為教育主要目標，對原有的傳統(tǒng)高等教育模式進行了改革。

自從20世紀50年代美國施瓦布教授首先提出學生的學習過程和科學家的研究過程是一致的以來，研究性學習引起了人們的廣泛關注，提出了各種相關的理論。③④⑤ 然而，現(xiàn)在國內(nèi)的高校課堂教學大部分都是基于傳統(tǒng)教學模式：教師教學――課堂講授為主的教學模式。而研究性學習，則主要是以研究問題為基礎、由學生主動提出問題、并設計解決方案、解決問題，并在這一過程中獲得知識、培養(yǎng)相應的能力，基于此中方式來展開教學與研究的教學模式在國內(nèi)現(xiàn)有的教學理念與教學資源條件下，應用并不廣泛。尤其是在相對較為抽象難懂的理工類課程如量子力學課程教學中應用更是甚少。⑥研究生教育主要是培養(yǎng)學生的科研能力與素養(yǎng)，首先要在“研究”的培養(yǎng)上下功夫，而研究生課程教學正好提供了這一平臺。在本文中主要以高等量子力學課程教學為主要研究內(nèi)容，探討如何進行課堂教學改革。

自1978年國內(nèi)恢復研究生招生制度以來，高等量子力學就被列為物理系各專業(yè)研究生必修的學位課程之一，同時高等量子力學也是報考博士研究生的考試科目之一，在原來本科階段“量子力學”的基礎上進行深化和拓展，主要是提供學生在后學研究工作中要用的一些知識和方法。量子理論已經(jīng)成為解決物理學、生命科學、信息科學和材料科學等理論問題的關鍵。

量子力學作為一門微觀物理課程，與經(jīng)典物理學相比，有一個很明顯的差異：其中很多理論很難與日常生活和經(jīng)驗對應，涉及的理論、概念非常抽象，同時涉及非常多的數(shù)學知識，如（線性代數(shù)、Hilbert 空間、群論、數(shù)學物理方法和復變函數(shù)等），內(nèi)容繁多，知識結(jié)構(gòu)廣泛，使得學生理解起來有非常大的困難，同時容易誘使學生陷入復雜繁瑣的計算，而失去對量子力學學習的興趣。目前，從我校物理系碩士研究生的實際情況來看，學生的量子力學知識水平參差不齊，有的學生以前沒有學習過量子力學，有的學生學量子力學學時非常短，同時每個研究方向?qū)α孔恿W的需求也不盡相同。 因此，量子力學成為教師公認難教的課程、學生公認難學的課程。 高等量子力學的教學效果將直接影響學生以后的科學研究創(chuàng)新能力與論文水平。為了培養(yǎng)研究生日后的科研能力，我們主要從教學內(nèi)容和教學方法上進行了改革探討。

在教學內(nèi)容上，結(jié)合本校教學時限（48學時）和本校學生的特點、學生的研究方向，主要目標是將量子力學的知識應用到其它領域，避免冗長的理論計算，激發(fā)學生的創(chuàng)新熱情。重點學習量子力學的形式理論、微擾理論、對稱性和守恒定律、量子散射理論等。

在教學方法上，根據(jù)學生的知識基礎和教學內(nèi)容的特點，改變傳統(tǒng)的教學方式，采用學生為主的教學方式。傳統(tǒng)的教學方式主要是以教師講授為主的灌輸式、填充式，由于量子力學本身的特點，這些教學方法對量子力學的教學實效非常有限。一方面，一個主角的表演使得本身比較枯燥的量子力學課堂毫無生氣，學生面對復雜繁瑣的數(shù)學推導，思維跟不上教師的節(jié)奏，學生的學習熱情下降。另一方面，學生本身的角色沒有改變，自主學習、自主思考沒有可鍛煉的平臺。教師考慮到自然科學的特點，一定要從知識的傳承角度出發(fā)，這樣教師要去貫徹啟發(fā)式的教學方式。學生學一門課，學的是前人從實踐中總結(jié)出來的間接知識。一個好的教師，應當引導學生設身處地去思考，自己是否也能根據(jù)一定的實驗現(xiàn)象，通過分析和推理去得出前人已認識到的規(guī)律？自然科學中任何一個新的概念和原理，總是在舊概念和原理與新的實驗現(xiàn)象的矛盾中誕生的。⑦作為教師，要充分利用新舊理論的矛盾提出問題，讓學生思考問題，并設計一套完成的解決方案。在量子力學的課堂教學中，筆者結(jié)合實際情況，主要采取的是學生講授為主、教師輔導的方式。盡管學生對量子力學知識的理解有限，但是一方面可以促使學生在課前預習;另一方面學生為了準備一堂課，要查閱相關資料，這樣就可以極大地提高學生查找資料的能力，拓展學生知識面。作為教師，從學生講授中也可以得到一些啟發(fā)，諸如學生對一個問題理解的切入點與教師理解的不同，從而教師可以調(diào)整日后的課堂教學，使得課堂教學的內(nèi)容從抽象化為通俗。

將科學研究融入到課堂教學，也是實現(xiàn)課堂教學改革的有效方式之一。研究生不僅要學習知識，更要的是做科學研究，寓教于研同樣可以提高教學效果。在課題教學中，針對一個主題，在講授基本知識的同時，更多的引入與之相關的前沿知識，并要求學生設計相關的問題，展開調(diào)查研究，以論文、學術報告的方式提交研究成果。通過此種方式，研究生的科學研究能力得到鍛煉，創(chuàng)新思維能力得到培養(yǎng)，符合我們培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的目標。

本文結(jié)合本校研究生的實際情況以及量子力學學科特色，我們主要從從教學內(nèi)容、教學方法兩方面探討高等量子力學課程的教學改革。隨著我國高等教育的發(fā)展，研究生課程教學改革還有待進一步地深化，這樣才能提升我國研究生教育的整體水平，為祖國的發(fā)展培養(yǎng)更多的人才，日益增強國家的綜合國力。

本文得到南華大學教學改革研究課題，2014XJG49;南華大學研究生教學改革研究項目 資助

注釋

① 周萍.量子力學研究性教學[J]. 中國科教創(chuàng)新導， 2011（17）： 89-90

② 高芬.美國高校研究生教學中的“教”與“學”――以美國馬薩諸塞大學阿默斯特分校教育學院為例[J].學位與研究生教育，2011（3）：73-77.

③ 沈元華.設計性、研究性物理實驗介紹[J].物理實驗，2004（2）：33-37.

④ 顧沛.把握研究性教學、推進課堂教學方法改革[J].中國高等教育研究，2009， （7） ：3 1-33 .

⑤ 陳興文，白日霞，李敏.開展研究性教學培養(yǎng)大學生創(chuàng)新能力[J].黑龍江教育：高教研究與評估，2009（1）：123-125.

第5篇：量子力學的認識范文

【關鍵詞】 血漿蛋白分離;自動控制;純度;多聚體

人血白蛋白（HAS）具有維持血管內(nèi)膠體滲透壓，結(jié)合并轉(zhuǎn)運體內(nèi)各種脂肪酸、激素、離子以及多種藥物的重要生物學功能［1］，已廣泛應用各種低白蛋白血癥或創(chuàng)傷性休克。自從1946年Cohn和他的同事們發(fā)表了低溫乙醇（Cohn 6法）分離白蛋白以來［2］，相隔十年Nitschmann和Kistler于1954年又提出了另一種改變的低溫乙醇分離血漿蛋白方法［3］，該改良方法簡化了操作，縮短了生產(chǎn)周期，提高了血漿白蛋白的回收率（當時的最大收率為2.5g/100ml血漿），降低了乙醇的消耗，是目前國際上普遍使用的方法之一。低溫乙醇法的最大優(yōu)點是適應工業(yè)化、自動化的生產(chǎn)要求，為了充分發(fā)揮該工藝的潛能，適應GMP管理的要求，不斷提高血漿蛋白制品的內(nèi)在質(zhì)量，增加收獲量，在不改變原來基本工藝路線的前提下，我們于2004年末實現(xiàn)了低溫乙醇血漿蛋白分離工藝系統(tǒng)的自控（包括溫度控制、加液控制、自動清洗等）。

通過血漿蛋白分離工藝實現(xiàn)自控后，使批處理的血漿能力增加了一倍，工藝操作更加符合GMP管理的要求，血漿蛋白能充分有效的混合反應，蛋白分離的五個控制因素：反應液溫度、pH值、離子強度、酒精濃度和蛋白濃度得到了嚴格、準確的控制，避免了人為操作的誤差，經(jīng)過連續(xù)4年人血白蛋白的質(zhì)量指標的綜合分析評價，實現(xiàn)自控后，人血白蛋白的純度、收獲率均有明顯的提高；多聚體有明顯地下降，其他指標（如鉀離子含量、吸光度等）與自控前無明顯差異，均在質(zhì)量標準范圍之內(nèi)。

1 材料與方法

1．1 材料

1．1．1 人血白蛋白樣品（2003年～2006年上半年期間制備的人血白蛋白檢定樣品） 由蘭州生物制品研究所血液制劑室提供。

1．1．2 儀器設備 分光光度計（日立3400型）；電泳儀（DYY-Ⅲ2型，北京六一儀器廠）；掃描儀（BECKMAN CSDS -200型）；液相色譜儀（SP8800，USA）；火焰光度計（CORNING 480型，USA）。

1．2 方法

1．2．1 純度測定 純度測定按《中華人民共和國藥典》2005年版三部（附錄ⅣA）規(guī)定進行［4］。

1．2．2 吸光度測定 吸光度測定按《中華人民共和國藥典》2005年版三部（附錄ⅡA）規(guī)定進行［4］，用生理熱氯化鈉溶液將人血白蛋白樣品含量稀釋至10g/L，按紫外分光光度計法，在波長403nm處測定吸光度。

1．2．3 鉀離子含量的測定 鈉、鉀離子含量的測定按《中華人民共和國藥典》2005年版三部（附錄Ⅶ Ⅰ）（附錄Ⅶ J）規(guī)定進行［4］。

1．2．4 多聚體含量測定 多聚體含量測定按《中華人民共和國藥典》2005年版三部（附錄Ⅵ Q）規(guī)定進行［4］。

2 結(jié)果

2．1 人血白蛋白質(zhì)量指標的比較 通過對2004～2006年共77批人血白蛋白的檢測結(jié)果表明，血漿蛋白分離工藝實現(xiàn)自控前與自控后其人血白蛋白的純度、多聚體均有明顯地差異，工藝實現(xiàn)自控后，其中人血白蛋白純度平均提高0.25%，多聚體平均下降0.72%，其他指標（如鈉、鉀離子含量、吸光度）均無明顯變化，結(jié)果見表1。表1 人血白蛋白質(zhì)量指標檢測結(jié)果比較

2．2 人血白蛋白的收獲率的比較 根據(jù)2003年～2006年上半年連續(xù)共153批人血白蛋白統(tǒng)計數(shù)字分析，自動化控制前后人血白蛋白收獲率也有明顯差異，實現(xiàn)自控后，人血白蛋白分裝前收獲率均有明顯提高，提高的比率為0.02g/100ml血漿。結(jié)果見表2。表2 人血白蛋白收獲率的比較

3 討論

在血漿蛋白的分離過程中，各種成分的有效分離、回收、提純是至關重要的環(huán)節(jié)，在采用低溫乙醇法生產(chǎn)人血白蛋白過程中，影響人血白蛋白的5個重要生產(chǎn)工藝參數(shù)：反應液溫度、pH值、乙醇濃度、離子強度和蛋白濃度，其中任何一個參數(shù)的改變都會影響到白蛋白的分離效果，甚至影響制品質(zhì)量。

盡管低溫乙醇血漿蛋白分離工藝已延用多年，但由于自動化程度不高，大部分工序均為人工操作，眾多技術指標均靠經(jīng)驗和手工控制，如乙醇、緩沖液的滴加，設備的清洗，制品反應溫度的控制和反應液計量等，且不說工作人員勞動強度大，操作時人為的因素造成的誤差（操作誤差、計量誤差、溫度控制誤差等）嚴重影響著制品的質(zhì)量和收獲率，形成較大的批間差，未能充分發(fā)揮低溫乙醇血漿蛋白分離的諸多優(yōu)勢［5］，通過實現(xiàn)自動化控溫、稱重、加液和自動清洗，從而實現(xiàn)了設備狀態(tài)的自動控制，減少了血漿蛋白分離過程中手工操作的誤差，有效地控制了制品制備過程中的微生物污染，降低熱原質(zhì)。通過自動化控制，使得血漿蛋白分離過程中嚴格控制的五個控制因素（反應液溫度、乙醇濃度、離子強度、pH值和蛋白濃度）有機結(jié)合并得到準確的控制，使得整個血漿蛋白分離過程趨于理想狀態(tài)，使被分離的制品各項質(zhì)量指標更加趨于穩(wěn)定，工藝特點得以最大限度的發(fā)揮，更加符合GMP管理要求，從而獲得較好的社會效益和經(jīng)濟效益?？傊?，血漿蛋白分離工藝實現(xiàn)自動化后，為進一步全面提高血漿蛋白的質(zhì)量和收率，增加制品安全性、有效性、穩(wěn)定性、均一性，為充分挖掘低溫乙醇血漿蛋白分離工藝的潛力奠定了堅實的基礎。

參考文獻

1 王憬惺.血液制品學.北京:人民衛(wèi)生出版社，1998，74：57.

2 Cohn E J，Strong LE，Huges WL，et al. Preparation and properties of serum and plasma proteins IV A system for the separation into fractions of the protein and lipoprotein components of biological tissues and fluids.Amer Chem Soc，1946，68:459-475.

3 Kistler P， Nitschmann H. Large scale production of human plasma fractions. Eight years experience with the alcohol fractionation procedure of Nitschmann， Kistler and Lergier. Vox Sang，1962， 7:414-424.

4 國家藥典委員會編.人血白蛋白.中華人民共和國藥典（2005年版，三部）.北京：化學工業(yè)出版社，附錄20-27.

第6篇：量子力學的認識范文

關鍵詞：薛定諤貓，坍塌，波函數(shù)，態(tài)疊加

中圖分類號： S829.3 文獻標識碼：A文章編號：

在宏觀現(xiàn)實生活中，貓是我們再也熟悉不過的動物了，對于一只活潑亂跳的貓，我們對它最客觀的評價是“它是活的”；而對于一只已經(jīng)停止呼吸的貓，我們只能說“它是死的”；然而貓的狀態(tài)真的只有這兩種狀態(tài)嗎？是否存在一種半死半活的貓呢？我們不妨去微觀世界尋找答案。

量子力學的奠基人之一埃爾文·薛定諤在很早以前就已經(jīng)注意到了量子力學的迭加問題在宏觀上的體現(xiàn)，他提出了貓可能處于一種死活未定的狀態(tài)之中，這個較有趣的悖論被稱作貓的悖論。

薛定諤設想了一個關于輻射原子和貓相互作用的實驗，一只貓被關在內(nèi)部設有“機關”的鐵箱內(nèi)，要保證此裝置不會對貓產(chǎn)生干擾，在鐵箱內(nèi)貓碰不著的地方，放一小瓶氰化鉀，把一小塊放射性元素鐳放入蓋勒計數(shù)器中，它非常小，使它的量控制在一小時之內(nèi)，任何一個鐳原子產(chǎn)生或者不產(chǎn)生衰變。如果衰變，計數(shù)管便會放電同時釋放一重錘，進而擊碎一個盛有劇毒的氰化鉀小瓶，因此，這只貓必然會毒死。但是，若是在這段時間上原子沒有發(fā)生衰變呢這只貓還會安然無恙的。所以這只貓在箱子中，到底處于一個什么狀態(tài)呢？無人可以給出一個準確的答案。

在日常生活中，我們非常清楚，那只貓會非死即活，然而在未打開箱子之前，我們并不能預測它是處于什么狀態(tài)。這時我們也只能用幾率來說明它可能處于某個狀態(tài)，這就是很讓人費解，我們不禁會這樣想：真的會有半死半活的貓嗎？讓我們回到量子力學的角度去剖析這個問題，根據(jù)量子力學薛定諤方程，箱內(nèi)的兩個系統(tǒng)處于兩種波函數(shù)疊加的狀態(tài)，一種是“活貓”的狀態(tài)、另一種是“死貓”的狀態(tài)，這兩種狀態(tài)都是真實存在的。但是是一個又活又死的貓，究竟是什么意思呢？想必也只有那只關在箱子里貓它自己知道它是死還是活吧。

傳統(tǒng)的哥本哈根解釋是從一個不同的角度來看這些概率。它說，從效果上看，這兩個波函數(shù)都同樣的不真實。當我們往箱子里觀看時，它們當中中有一個固化為現(xiàn)實。我們可以注意到這種解釋的前提條件是箱子會打開時，整個系統(tǒng)的波函數(shù)會發(fā)生坍塌，然而你卻不能想象為在有人觀察之前，屋子里有一只死貓，或者僅僅是一只活貓。因此，如何定義一個“有意識”的觀察者呢？要選擇已經(jīng)毒死或還活著的貓嗎？我們又如何知道那只貓的死活呢？在量子概率性與我們所認為真實性之間的分界線又在何處呢？從量子角度出發(fā)電子設備是由原子和分子構(gòu)成的，所以檢測器不能使波函數(shù)坍塌；但是貓或者人也是由分子和原子構(gòu)成的，那么我們?yōu)槭裁茨苣?？我們不禁會問一個系統(tǒng)成為“真實的”能夠使波函數(shù)發(fā)生坍塌之前應該包含多少分子呢？

埃弗雷特的解釋接受了整個量子方面的表面價值，接受了兩個波函數(shù)的事實，但它們位于不同的兩個世界中，也就是說，如果一個量子體系處于n個量子態(tài)的迭加，該宇宙就會分裂成n個相同的宇宙。這個詮釋的優(yōu)點是：薛定諤方程始終成立，波函數(shù)從不坍縮，由此它簡化了基本理論。它的問題是：設想過于離奇，付出的代價是這些平行的世界全都是同樣真實的。然而多宇宙論也是受到質(zhì)疑的，假設每發(fā)生一次測量，宇宙就會分裂一次，但是什么是一次測量呢？我們怎樣對宇宙進行測量呢?而且多宇宙論也是不能被檢測的，我們意識在某一時刻局限于一個宇宙，怎么能證實或否定其它宇宙的存在呢？而多世界理論是目前無法證實、但也無法證偽的理論，自這個理論被提出以來，就爭論不休，直到現(xiàn)在也沒有誰能更好的詮釋多宇宙的存在。

20世紀最偉大的兩位量子力學思想家，約翰·馮·諾依曼和尤金·魏格納也對這個問題進行了大量的思考，他們認為觀察者的意識在波函數(shù)的坍縮中起著關鍵作用，聽起來就像精神支配物質(zhì)的思想一樣，馮·諾依曼設計了一個無止境的測量裝置鏈，每一個裝置都觀察著前一個裝置，但是沒有一個測量裝置帶來波函數(shù)的“縮編”，只有測量結(jié)果進入某人意識之中時，量子邊緣態(tài)才會實現(xiàn)坍縮，因此僅用一些記錄裝置來裝備實驗室是不夠的，除非有意識的人在那個箱子里觀察現(xiàn)象。如果讓“魏格納的朋友”也在那個箱子里，觀察貓所處的狀態(tài)會怎樣？我們可以問他原子是否衰變了？貓是否還活著？可是誰又忍心讓自己的朋友去冒那個險呢？假若原子真的衰變了，貓也死了，可是同樣在箱子里的人會怎樣，我們都可想而知了，如果實驗真的可以這樣做的話，誰又肯去做那個“替罪羊”呢？所以薛定諤貓實驗依然是一個假想實驗，如果是世界上唯一的非量子力學部分都是靠意識產(chǎn)生的，那么為什么不同的觀察者對觀察到的物理世界看法一致呢？又讓我們想到了，愛因斯坦的疑問，在我們不去看月亮的時候，月亮是否會存在呢？

我們不禁疑惑“不就是一只假想的貓嗎？我們需要這樣的錙銖必較嗎？”這也許就是我們與科學家的不同了，針對一個困惑我們的問題，我們可能會選擇“敬而遠之”，然而科學家們則會究其因果。我們對于這個問題也許就把它當做了一個沒有答案的謎語，而那些作為科學事業(yè)的探索者們卻潛心挖掘歸根溯源的謎底。他們稱，薛定諤的貓不僅僅具有理論研究的意義，而且也具有應用的潛能，例如，多粒子的薛定諤貓態(tài)系統(tǒng)可以作為未來高容錯量子計算機核心部分，也可以用來制造靈敏的傳感器。同時薛定諤貓的研究對于哲學領域也有了進一步的認識，有人認為自我意識可能與更微觀的量子力學規(guī)律有著千絲萬縷的聯(lián)系？還有人提出思維中的頓悟，會不會與不確定的態(tài)疊加有關呢？在生命的長河中,起源、變異、衰老等等這些內(nèi)部的奧秘會不會也受著量子力學微觀世界的影響呢？

參考文獻：

[1]愛因斯坦的靈魂——量子糾纏之謎 郭光燦、高山/著 北京理工大學出版社

[2]物理之謎 楊宗書 文匯出版社

[3]尋找薛定諤的貓 [英] 約翰·R·格利賓/著 張廣才、許愛國等譯 海南出版社

[4]量子力學的世界 （日）片山泰久 /著 遼寧人民出版社

[5]原子中的幽靈 [英]戴維斯 布朗合編 易心結(jié)譯 洪定國校 湖南科學技術出版社

第7篇：量子力學的認識范文

[關鍵詞]：計算科學　計算工具　圖靈模型　量子計算

中圖分類號：TP301

文獻標識碼：A　文章編號：1003-8809(2010)-09-0004-01

1、“摩爾定律”與“計算的極限”

人類是否可以將電子計算機的運算速度永無止境地提升?傳統(tǒng)計算機計算能力的提高有沒有極限?對此問題，學者們在進行嚴密論證后給出了否定的答案。如果電子計算機的計算能力無限提高，最終地球上所有的能量將轉(zhuǎn)換為計算的結(jié)果――造成熵的降低，這種向低熵方向無限發(fā)展的運動被哲學界認為是禁止的，因此，傳統(tǒng)電子計算機的計算能力必有上限。

而以IBM研究中心朗道(R.Landauer)為代表的理論科學家認為到21世紀30年代，芯片內(nèi)導線的寬度將窄到納米尺度(1納米=10-9米)，此時，導線內(nèi)運動的電子將不再遵循經(jīng)典物理規(guī)律――牛頓力學沿導線運行，而是按照量子力學的規(guī)律表現(xiàn)出奇特的“電子亂竄”的現(xiàn)象，從而導致芯片無法正常工作；同樣，芯片中晶體管的體積小到一定臨界尺寸(約5納米)后，晶體管也將受到量子效應干擾而呈現(xiàn)出奇特的反常效應。

哲學家和科學家對此問題的看法十分一致：摩爾定律不久將不再適用。也就是說，電子計算機計算能力飛速發(fā)展的可喜景象很可能在21世紀前30年內(nèi)終止。著名科學家，哈佛大學終身教授威爾遜(EdwardO.Wilson)指出：“科學代表著一個時代最為大膽的猜想(形而上學)。它純粹是人為的。但我們相信，通過追尋“夢想―發(fā)現(xiàn)―解釋―夢想”的不斷循環(huán)，我們可以開拓一個個新領域，世界最終會變得越來越清晰，我們最終會了解宇宙的奧妙。所有的美妙都是彼此聯(lián)系和有意義的?！盵論/文/網(wǎng)LunWenNe#Com]

2、量子計算系統(tǒng)

量子計算最初思想的提出可以追溯到20世紀80年代。物理學家費曼RichardP.Feynman曾試圖用傳統(tǒng)的電子計算機模擬量子力學對象的行為。他遇到一個問題：量子力學系統(tǒng)的行為通常是難以理解同時也是難以求解的。以光的干涉現(xiàn)象為例，在干涉過程中，相互作用的光子每增加一個，有可能發(fā)生的情況就會多出一倍，也就是問題的規(guī)模呈指數(shù)級增加。模擬這樣的實驗所需的計算量實在太大了，不過，在費曼眼里，這卻恰恰提供一個契機。因為另一方面，量子力學系統(tǒng)的行為也具有良好的可預測性：在干涉實驗中，只要給定初始條件，就可以推測出屏幕上影子的形狀。費曼推斷認為如果算出干涉實驗中發(fā)生的現(xiàn)象需要大量的計算，那么搭建這樣一個實驗，測量其結(jié)果，就恰好相當于完成了一個復雜的計算。因此，只要在計算機運行的過程中，允許它在真實的量子力學對象上完成實驗，并把實驗結(jié)果整合到計算中去，就可以獲得遠遠超出傳統(tǒng)計算機的運算速度。

在費曼設想的啟發(fā)下，1985年英國牛津大學教授多伊奇DavidDeutsch提出是否可以用物理學定律推導出一種超越傳統(tǒng)的計算概念的方法即推導出更強的丘奇――圖靈論題。費曼指出使用量子計算機時，不需要考慮計算是如何實現(xiàn)的，即把計算看作由“神諭”來實現(xiàn)的：這類計算在量子計算中被稱為“神諭”(Oracle)。種種跡象表明：量子計算在一些特定的計算領域內(nèi)確實比傳統(tǒng)計算更強，例如，現(xiàn)代信息安全技術的安全性在很大程度上依賴于把一個大整數(shù)(如1024位的十進制數(shù))分解為兩個質(zhì)數(shù)的乘積的難度。這個問題是一個典型的“困難問題”，困難的原因是目前在傳統(tǒng)電子計算機上還沒有找到一種有效的辦法將這種計算快速地進行。目前，就是將全世界的所有大大小小的電子計算機全部利用起來來計算上面的這個1024位整數(shù)的質(zhì)因子分解問題，大約需要28萬年，這已經(jīng)遠遠超過了人類所能夠等待的時間。而且，分解的難度隨著整數(shù)位數(shù)的增多指數(shù)級增大，也就是說如果要分解2046位的整數(shù)，所需要的時間已經(jīng)遠遠超過宇宙現(xiàn)有的年齡。而利用一臺量子計算機，我們只需要大約40分鐘的時間就可以分解1024位的整數(shù)了。

3、量子計算中的神諭

人類的計算工具，從木棍、石頭到算盤，經(jīng)過電子管計算機，晶體管計算機，到現(xiàn)在的電子計算機，再到量子計算。筆者發(fā)現(xiàn)這其中的過程讓人思考：首先是人們發(fā)現(xiàn)用石頭或者棍棒可以幫助人們進行計算，隨后，人們發(fā)明了算盤，來幫助人們進行計算。當人們發(fā)現(xiàn)不僅人手可以搬動“算珠”，機器也可以用來搬動“算珠”，而且效率更高，速度更快。隨后，人們用繼電器替代了純機械，最后人們用電子代替了繼電器。就在人們改進計算工具的同時，數(shù)學家們開始對計算的本質(zhì)展開了研究，圖靈機模型告訴了人們答案。

量子計算的出現(xiàn)，則徹底打破了這種認識與創(chuàng)新規(guī)律。它建立在對量子力學實驗的在現(xiàn)實世界的不可計算性。試圖利用一個實驗來代替一系列復雜的大量運算?？梢哉f，這是一種革命性的思考與解決問題的方式。

因為在此之前，所有計算均是模擬一個快速的“算盤”，即使是最先進的電子計算機的CPU內(nèi)部，64位的寄存器(register)，也是等價于一個有著64根軸的二進制算盤。量子計算則完全不同，對于量子計算的核心部件，類似于古代希臘中的“神諭”，沒有人弄清楚神諭內(nèi)部的機理，卻對“神諭”內(nèi)部產(chǎn)生的結(jié)果深信不疑。人們可以把它當作一個黑盒子，人們通過輸入，可以得到輸出，但是對于黑盒子內(nèi)部發(fā)生了什么和為什么這樣發(fā)生確并不知道。

4、“神諭”的挑戰(zhàn)與人類自身的回應人類的思考能力

隨著計算工具的不斷進化而不斷加強。電子計算機和互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，大大加強了人類整體的科研能力，那么，量子計算系統(tǒng)的產(chǎn)生，會給人類整體帶來更加強大的科研能力和思考能力，并最終解決困擾當今時代的量子“神諭”。不僅如此，量子計算系統(tǒng)會更加深刻的揭示計算的本質(zhì)，把人類對計算本質(zhì)的認識從牛頓世界中擴充到量子世界中。

如果觀察歷史，會發(fā)現(xiàn)人類文明不斷增多的“發(fā)現(xiàn)”已經(jīng)構(gòu)成了我們理解世界的“公理”，人們的公理系統(tǒng)在不斷的增大，隨著該系統(tǒng)的不斷增大，人們認清并解決了許多問題。人類的認識模式似乎符合下面的規(guī)律：

第8篇：量子力學的認識范文

2000多年前的物理學，中國、古希臘都有研究，但是真正意義上的精確科學，也就是說用數(shù)學、微積分這樣的精確科學，實際上是在中世紀即在15世紀16世紀的時候，也就是牛頓、伽利略的時代，開創(chuàng)了物理學精確科學的先河，此后物理學得到了很大發(fā)展，后來的熱學、電磁學、聲學、連續(xù)介質(zhì)動力學等問題也在十七、十八、十九三個世紀取得了很大發(fā)展。現(xiàn)在就從牛頓、伽利略時代起談談物理學的發(fā)展與人類的文明進步的關系。

一、工業(yè)革命前的人類文明

工業(yè)革命前的物理學雖然在漫長的歷史進程中不斷發(fā)展，但是并沒有給人類帶來生產(chǎn)力上的巨大改變，人類還處于刀耕火種的農(nóng)業(yè)時代，那是的生產(chǎn)力很低下，人們的生活水平上千年來沒有真正的突破。

二、人類的機械化時代

牛頓力學的建立和熱力學的發(fā)展導致了第一次工業(yè)革命

1665年夏，年僅23的牛頓因英國爆發(fā)瘟疫而避居鄉(xiāng)下，他一生最重要的成果，幾乎所有的重要數(shù)學物理思想多誕生與不這個時期。在他45歲時，劃時代的偉大巨著《自然哲學之數(shù)學原理》出版，奠定了整個經(jīng)典物理學的基礎，并對其他自然科學的發(fā)展產(chǎn)生了不可磨滅的推動和影響。

三、人類的電氣化時代

經(jīng)典電磁學是研究宏觀電磁現(xiàn)象和客觀物體的電磁性質(zhì)。人們很早就接觸到電和磁的現(xiàn)象，并知道磁棒有南北兩極。在18世紀，發(fā)現(xiàn)電荷有兩種：正電荷和負電荷。不論是電荷還是磁極都是同性相斥，異性相吸，作用力的方向在電荷之間或磁極之間的連接線上，力的大小和它們之間的距離的平方成反比。在這兩點上和萬有引力很相似。18世紀末發(fā)現(xiàn)電荷能夠流動，這就是電流。但長期沒有發(fā)現(xiàn)電和磁之間的聯(lián)系。

19世紀前期，奧斯特發(fā)現(xiàn)電流可以使小磁針偏轉(zhuǎn)。而后安培發(fā)現(xiàn)作用力的方向和電流的方向，以及磁針到通過電流的導線的垂直線方向相互垂直。不久之后，法拉第又發(fā)現(xiàn)，當磁棒插入導線圈時，導線圈中就產(chǎn)生電流。這些實驗表明，在電和磁之間存在著密切的聯(lián)系。法拉第用過的線圈

電和磁之間的聯(lián)系被發(fā)現(xiàn)后，人們認識到電磁力的性質(zhì)在一些方面同萬有引力相似。為此法拉第引進了力線的概念，認為電流產(chǎn)生圍繞著導線的磁力線，電荷向各個方向產(chǎn)生電力線，并在此基礎上產(chǎn)生了電磁場的概念。

19世紀下半葉，麥克斯韋總結(jié)宏觀電磁現(xiàn)象的規(guī)律，并引進位移電流的概念。這個概念的核心思想是：變化著的電場能產(chǎn)生磁場；變化著的磁場也能產(chǎn)生電場。在此基礎上他提出了一組偏微分方程來表達電磁現(xiàn)象的基本規(guī)律。這套方程稱為麥克斯韋方程組，磁學的基本方程。麥克斯韋的電磁理論預言了電磁波的存在，其傳播速度等于光速。于是人們認識到麥克斯韋的電磁理論正確地反映了宏觀電磁現(xiàn)象的規(guī)律，肯定了光也是一種電磁波。該理論實現(xiàn)了物理學的第三次綜合，即電、磁、光的綜合。

四、人類的高科技時代

人類社會發(fā)展到今天，已進入信息時代、核能時代、新材料時代和太空時代，也就是說進入了高科技時代。而這一切的基礎是20世紀物理學革命的產(chǎn)物――相對論和量子力學。

19世紀，經(jīng)典物理學的成就到達了頂峰?？墒?，世紀末的邁克爾遜-莫雷實驗和黑體輻射實驗形成了物理學萬里晴空中的“兩朵烏云”；而電子、X射線和放射性等新發(fā)現(xiàn)，使經(jīng)典物理學遇到了極大的困難。有的物理學家呼喚：“我們?nèi)匀辉谄诖诙€牛頓?！毙枰奕说臅r代造就了巨人。這第二個牛頓便是愛因斯坦。

1905年，愛因斯坦以“同時”的相對性為突破口，提出了“光速不變原理”和物理規(guī)律在慣性系中不變的“相對性原理”，導出了洛侖茲變換，從而驅(qū)散了第一朵“烏云”。這就是狹義相對論。在此基礎上，他又得到的質(zhì)能相當?shù)耐普揈=mc2，預示了原子能利用的可能。

1913～1916年，愛因斯坦從引力場中一切物體具有相同的加速度得到啟發(fā)，提出了“加速參照系與引力場等效”和物理規(guī)律在非慣性系中不變的“相對性原理”，從而得到了引力場方程。這就是廣義相對論。他預言，光線從太陽旁邊通邊時會發(fā)生彎曲。1919年，英國天文學家愛丁頓以全日蝕觀測證實了這一預言，從而開創(chuàng)了現(xiàn)代天文學的新紀元。愛因斯坦也因此名噪全球。

1900年，普朗克為驅(qū)散第二朵“烏云”，提出了“能量子”假設，量子論誕生了。1905年，愛因斯坦在此基礎上提出“光量子”假說，用光的波粒二象性成功地解釋了“光電效變”。同年，他把量子概念用點陣振動來解釋固體比熱。1912年，愛因斯坦又由量子概念提出了光化學當量定律。1916年，他由玻爾的原子理論提出了自發(fā)發(fā)射和受激發(fā)射的概念，孕育了激光技術。此后，對量子力學的建立作出重要貢獻的著名物理學家還有：1923年提出實物粒子也具有波粒二象性的德布羅意，1925年建立量子力學的矩陣力學體系的玻恩和海森伯等，1926年建立量子力學的波動方程的薛定諤。同年，玻恩給出了波函數(shù)的統(tǒng)計詮釋，海森伯提出反映微觀世界特性的“不確定度關系”。量子力學揭示了微觀世界的基本規(guī)律，為原子物理學、固體物理學、核物理學和粒子物理學的發(fā)展奠定了理論基礎。它是20世紀物理學革命的。

第9篇：量子力學的認識范文

作者：[英]布萊恩?考克斯 /

安德魯?科恩

譯者：李劍龍 / 葉泉志

考克斯教授在英國曼徹斯特大學研究粒子物理學，曾是一名頗有名氣的搖滾樂隊鍵盤手。本書由BBC同名紀錄片改編，當書里提到一種物理現(xiàn)象時，它總是會先帶你去領略地球上的一處瑰麗的奇觀，比如地熱谷的間歇泉、東非大草原或者納米布沙漠。在你贊嘆不已時，作者把話題一轉(zhuǎn)，告訴你這些景色背后的物理規(guī)律，跟宇宙的起源和命運息息相關。宇宙深處那些看不見摸不著的深奧道理，從來沒有用如此壯美如此引人入勝的方式展現(xiàn)過。

《隱藏的現(xiàn)實》

作者：[美]B.格林

譯者：李劍龍 / 權偉龍 / 田苗

本文作者是哥倫比亞大學的物理教授，一位資深的超弦理論研究者，也是PBS一系列科學紀錄片的明星主持人。這本書系統(tǒng)地講解了9種科學上可能成立的“平行宇宙理論”，讓你深刻體會到理論物理學家那種“我就喜歡你看不慣平行宇宙又不得不和我一起求證它的樣子”的N瑟勁兒。平行宇宙的理論大都已經(jīng)觸及人類知識和未知的邊界，科幻作家愛死了這個概念，但讀過這本書后你不得不承認，科學理論本身就是一件非?？苹玫氖虑?。

《巫師、外星人和星艦》

作者：[美]查爾斯?阿德勒

譯者：雒城

科幻作家動動嘴，工程技術跑斷腿。這本書講的就是一位物理學家如何從工程技術的角度解構(gòu)《哈利?波特》、飛行車的能耗、太空殖民地的生態(tài)與能源、太空電梯的工程可行性、太陽系外存在生命的可能等科幻問題。霍金曾說，如果他的書中每加入一個公式，讀者就會減少一半兒。而這本有著花哨題目的科普書，恰恰存在大量的物理公式。不用擔心，即使跳過那些公式，你也完全能理解作者想要表達的物理知識。只不過，用任何自然語言描述物理規(guī)律都是霧里看花，不如公式表達的清晰。放心，所有公式都在中學物理的范圍內(nèi)。

《那些古怪又讓人憂心的問題》

作者：[美]蘭道爾?門羅

譯者：朱君璽

所有的科幻都始于一個假設性的提問：“如果這樣，那么會怎樣（What if）？”作者門羅是前NASA的程序員兼機器人專家，擁有物理學博士學位，從小生活在一個工程師的家庭。不同的學科經(jīng)歷加上自己的漫畫天賦，使得他特別擅長提出并解釋那些一般人想都不敢想、想也想不出答案的極端問題。比如，全地球的人站在同一個地方一起跳一下，會怎樣？用多少激光筆可以把月亮照亮？以0.9倍光速將棒球丟出去，會發(fā)生什么？看完這本書之后，你很難克制想親自做實驗一試的沖動――前提是你真的搞得到那些稀奇古怪的設備。

《上帝擲骰子嗎――量子物理史話》

作者：曹天元

垡蛩固褂肓孔恿ρР斗半生，到死也不肯接受這一套“怪異”的理論，然而今天的我們時時刻刻都在應用甚至依賴量子力學的成果（不然你離開電腦或手機試試？）。然而即使是重點大學物理系的高年級學生都會懾于它的艱澀難懂，發(fā)出“量子力學量力學”的哀號，至于普通讀者嘛……而《上帝擲骰子嗎？》正是這樣一本“小白救星”――它把量子力學的發(fā)展歷程講得如偵探小說一樣動人心魄，并將大量難以理解的抽象概念化作生活中的常見事物。就算讀完本書你對量子力學依然似懂非懂（大概率事件），也一定會對物理學家們?nèi)绾握J識和理解世界的方式留下非常深刻的印象。

《電子，電子！誰來拯救摩爾定律？》