量子力學存在的問題范文

導語：如何才能寫好一篇量子力學存在的問題，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

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本書的主要目的，就是要證明這樣的替代物是存在的，它與50年前人們討論的所謂唯象隨機量子力學以及隨機零點場理論密切相關。這是一種漲落場，屬于經典Maxwell方程的解，但是在零溫下有非零平均能。作者們認為量子化源于經典物理與這種零點場漲落緊密聯系的深刻隨機過程，而量子力學的基本理論建筑在第一原理的基礎上，這個原理揭示從更深層次的隨機過程引發的涌現（Emergency，或譯突現）現象的量子化。

作者們在本書所呈現的理論觀點是經過長時間的努力尋找而獲得的答案。長期以來，科研人員試圖尋找答案的以下問題：哪些概念對量子力學的發展起重要作用；是什么為這些概念提供了物理基礎；量子力學背后的物理學的最新發現中，有哪些對這些問題的回答形成了綜合的和自洽的新的理論框架。

作者認為任何物質系統都是一個開放系統，它們永久地接觸隨機零點輻射場，并與其達到平衡狀態。從這個基礎出發，導出量子力學形式體系的核心以及非相對論QED的相對論修正，同時揭示了基本的物理機制。本書打開了通向進一步探索并揭示物理的新大門。讀者會看到，這一任務遠沒有結束，仍存在很多問題沒有考察到，期待進一步研究。

本書闡明了量子理論一些核心特點的根源，諸如原子的穩定性，電子自旋，量子漲落、量子非定域性和糾纏。這里發展的理論重新確認了諸如實在性、因果性、局域性和客觀性等基本的科學原理

全書內容共分10章：1.量子力學：某些問題；2.唯象隨機方法：通向量子力學的簡捷途徑；3.普朗克分布，漲落零點場的一個必然推論；4.通向薛定諤方程的漫長旅途；5.通向海森伯量子力學之路；6.超越薛定諤方程；7.解開量子糾纏； 8.量子力學的因果性、非定域性和糾纏； 10.零點場波（和）物質。

本書適合熟悉量子力學的最基本概念和結果的讀者閱讀。其內容適用于從事理論物理、數學物理、實驗物理、量子化學和物理哲學的研究人員、研究生和教師參考。

丁亦兵，教授

（中國科學院大學）

Ding Yibing，Professor

（The University，CAS）Ignatios Antoniadis et al

Supersymmetry After the

Higgs Discovery

2014

http：///book/

10.1007/978-3-662-44172-5

篇2

關鍵詞: 《量子力學》 物理圖像 創新思維 培養

《量子力學》是物理學專業重要的專業基礎課程,其教學質量的高低不僅影響到其他后續課程的學習,而且直接影響到物理學專業人才培養目標的實現。衡量物理教學的質量標準應該有三個維度,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,我們往往過多地重視第一維度,而忽視第二、第三個維度。在量子力學教學中,我們結合量子力學及其發展歷史所涵含的豐富的物理思想與方法,開展了學生創新思維能力培養的教學實踐研究。

一、創新型、應用型人才培養目標的要求

考慮到培養21世紀需要的應用型人才目標的要求,而且結合新建本科院校的課程設置的特點,《量子力學》課程的教學方法和教學體系建設應從以下兩方面著手:一方面,著重量子力學概念、規律和物理思想的展現,使學生在知識層面上夠用并且能用,并注意科學人文精神的闡發,為進行物理素質教育與物理教學研究提供量子力學方面的科學素養,如勇于創新、科學、嚴謹等。另一方面,培養學生建立正確的量子力學概念和物理圖像,掌握基本規律,廣泛了解量子力學在推動技術進步方面的作用,開拓思路,培養學生應用物理規律解決應用技術問題的能力。

二、《量子力學》教學中創新意識及創新能力的培養

根據應用型人才培養的目標,我們一直致力于探索一套合適的物理學專業量子力學課程教學的共享數字化教學體系,創建完整的教學資源,力求使學生在學習這門課程的同時受到實踐能力和創新能力的培養。相應措施主要體現在以下三個方面。

(一)創造實驗情景,以實驗和實踐為基礎深化量子力學的原理。

由于量子力學主要研究微觀粒子的運動規律,理論太抽象,許多量子現象和日常的生活經驗不符合甚至相違背,因此在教學中教師必須強調量子力學首先是一門試驗性的科學,應從實驗事實去推理分析,不直接與主觀經驗聯系,并時時將新的概念和結論與經典物理學的結果作比較,使學生能正確理解量子力學的基本概念,從而學會處理具體問題的方法,掌握量子力學的精髓。在講述量子力學基本內容的時候,尋找合適的接口與量子力學原理在實際生產中的應用相聯系。通過這兩方面的著重討論,學生能感受到量子力學的抽象原理是實實在在的、來源于實踐又回到實踐中得到檢驗的、正確的理論。

量子力學實驗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現的理想實驗,一類是在高水平的實驗室中可以實現的科學研究實驗,一類是我們讓學生自己動手做的有關教學的基礎性實驗。但無論何種實驗,我們都可以利用多媒體技術在課堂上將其生動形象的展現出來,讓學生不僅深刻認識到實驗在量子力學發展中的重要作用,而且培養用實驗發現問題和驗證假說的能力。例如在講解物質粒子的波粒二象性時,我們用多媒體課件演示單電子衍射實驗。單電子發射時,在熒屏上出現一個亮點,說明電子的粒子性;再發射大量電子,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,使學生能更快地理解所學的知識,且加深了學生的認知印象,大大提高了學習效率。

(二)充分利用現代媒體的作用,激發學生的創造興趣。

以電腦和互聯網為代表的信息技術已演變為繼傳統媒體后的“現代媒體”?，F代媒體將為教學過程提供新的教學手段,并為培養創新人才奠定了技術基礎。通過網絡技術,學生可以突破傳統教學的時空限制,不但可以享受本校教學資源,而且可以享受到全國高水平的教學資源,從而實現優質教學資源的共享,也為各學校的師生討論交流提供了一個很好的平臺。

對于《量子力學》這樣一門抽象的理論課,多媒體技術將圖、文、聲、像等各種教學信息有機的組合在一起,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現。多媒體豐富的表現力不僅能打破人類視覺上的樊籬,使得學生從科學與藝術相融的視覺信息中感知抽象、復雜的理論,而且能引發學生無限的遐想,極大地激發了他們的想象力。學生的思維高度活躍從而激發創新火花。

(三)密切結合當前的科技前沿和高新技術,將量子力學知識應用于實踐。

量子力學在各學科中已經有很多成功的應用并催生了許多交叉學科及現代高新技術的產生。在教學中,教師應盡可能進行知識的滲透和遷移,及時將當前與量子力學相關的科技前沿和高新技術引入到教學中,一些知識可以作為簡單的介紹,也可以就某個方面詳細分析,闡明其量子力學原理。例如量子力學與非線性科學的關系,量子理論在耗散系統、納米技術、分子生物學中的應用,量子力學與正在研究的量子計算機、量子保密通信的關系,等等。在教學中教師適當地穿插這些知識,既不會花費太多的時間,又能使教學更生動、易于理解,而且可使學生開拓視野,活躍思維,激發興趣。這樣學生不僅可以學到運用基礎理論指導科學研究的方法,而且可以克服原有的“量子力學就是一種純理論的學科”的片面認識。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現代科學的前沿相聯系;在講解隧道效應時,將其與掃描隧道顯微鏡相聯系,進而可以介紹掃描探針操縱單個原子的實驗。我們通過這種方式使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。

參考文獻:

[1]曾謹言.量子力學教學與創新人才培養[J].物理,2000,(7).

[2]錢伯初.我的教學生涯[C].2003.

[3]謝希德.創造學習的新思路[N].人民日報,1998-12-25,(10).

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量子力學解釋遇到的困難，通常包括：數學形式的抽象、明顯的非決定論；測量的不可逆性；測量中觀察者的作用；制備與測量的區分；在相隔遙遠的客體之間的關聯；波粒二象性的疑團等等。將近一個世紀以來，已經發展出幾十種解釋，各有優劣，爭論異常激烈。其中長期以來占據統治地位的是由波爾和海森堡于1927年提出并逐漸發展起來的所謂哥本哈根解釋，幾乎成為了標準解釋。這種解釋的最大問題在于它的“反實在性”，因而受到許多質疑和反對。本書所建議的“交易解釋”（TI）正是針對這一要害建立的。它是1986年由J.G.Cramer 受到WheelerFeynman的光吸收理論啟發而首創的。其基本觀點認為一個量子事件是由于超前波與推遲波的一種“牽手”，完成一種“交易”形成的。它明顯是一種非定域的解釋，與最近關于檢驗Bell不等式的實驗自洽，同時又能夠滿足相對論的協變性和因果規律。本書作者接受并推廣了這種解釋，在書中詳細地把這種解釋與哥本哈根解釋進行了比較，特別強調了對于所謂的一些佯謬的不同處理。這種解釋最大的優勢在于可以把量子力學波函數解釋為在空間真實傳播的物理的波，而不是像哥本哈根解釋中認為的只是人們知識的數學表示。它對于波函數的復數特性以及所謂的“扁縮”給出了清楚的理解。同時對于量子力學解釋與量子力學實驗檢驗的關系進行了深入的討論。作者認為這種解釋會給量子力學解釋長期存在的許多難題的解決提供希望。

全書內容分成9章：1.導言：量子特性；2.示意圖對版圖；3.原始的TI：基礎；4.新的TI：可能主義者交易解釋（PTI）；5.挑戰、答復和應用；6.PTI和相對論；7.PTI中可能性的形而上學；8.PTI 和“時空”；9.后記：超越視覺。

本書是一部關于量子力學解釋問題的學術專著，代表了當前有一定影響的一派主張，當然也有不少對于該觀點的質疑，因此，尚不能認為是一種完整的成熟觀點。讀懂該書需要有較高深的量子力學知識基礎和對于各種量子力學解釋的深入了解。對于物理學和自然科學的哲學問題感興趣的研究人員和研究生，這是一部值得一讀的參考書。

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近年來，許多人著書立說，認為當代物理學與東方哲學(包括中國與印度)之間存在著某種相似性。在本文中，作者將著重討論它與中國哲學，特別是易哲學的共同點。易哲學主要源出于《易傳》，該書是約在公元前3世紀編成的，傳統的看法是由儒家編纂的，但從它的內容來看應該推測是由道家編纂的。

簡單地把量子力學與易哲學做直接的類比，只能給出它們之間相同性的膚淺描述。為了把這種無定形的直覺變成為一種有價值的、具有透徹性的思想，必須要在本體論的層面上對二者進行深入的分析比較。本文作者試圖在這一工作的基礎上，融合量子力學與易哲學這兩方面的思想成果，建立起一個嶄新的哲學觀，這一哲學觀將會較好地對量子力學做出哲學上的詮釋，同時也包含對易經哲學中的主要哲學思想進行科學化與形式化的轉變。

2 量子力學的本體論表述

2.1 玻爾的哲學觀

從經典物理學到量子力學，這一過渡對物理學觀念產生了深遠的影響?，F在人們已清楚地認識到，經典物理學的原理僅適用于有限的范圍，而且只是一種近似。經典力學的標準哲學詮釋混淆了物理的現象與本體論的概念，并且與量子力學是不相容的。

尼爾斯·玻爾是在量子論出現時期的一位偏好哲學的著名物理學家。他對量子理論引起的哲學問題進行過深刻思考。玻爾關于量子力學的哲學觀既深刻又有局限性，這源于他的方法學。他的方法學的中心部分是關于物理學概念體系的分析。他尖銳地指出，西方本體論的概念是對經驗現象產生的概念體系的不適當的外推。玻爾的哲學觀的局限在于，他的方法學過份強調了物理學中的經驗基礎而忽視了他分析中暴露出的量子力學含有的思想體系的內涵。

在他著名的科莫演講中，玻爾陳述了量子論的基礎：或許可以用所謂“量子假設”來表述，即一個基本的不連續性或更確切地說是分立性，存在于任何原子過程中。這對經典理論來說是完全陌生的，這一分界以普朗克的量子運動為標志。據此，他做出以下結論：量子假設表明，有關原子現象的任何觀察，都不可避免地包含觀察者與觀察媒介的相互作用。

2．2 相互作用原理

當然，玻爾自己很小心地避開了本體論的話題，也拒絕提出任何本體的假設，因為這樣的假設違背了他的方法論的原則。雖然如此，因為上面說過量子力學包涵著新的思想材料，我們可以看見他的立場很含蓄地贊成了本體實體的存在。這是因為他的立場既要把觀察描述成一種相互作用又要把在不同實驗條件下對同一被觀察物得出的現象的描述，作為對這一被觀察物的互補性的信息。

需要一種新的本體論的原則，來描述本體與現象之間的關系。這個原則可取之于兩個來源，一個是玻爾對觀察與相互作用的觀念；另一個是假設現象是本體與觀測儀器相互作用的結果。這導致了相互作用原理：

現象是由于本體與觀測媒介相互作用的結果。

相互作用原理將全面的現實分為兩個領域：一個領域是本體現實，它與實驗媒介相互作用，這一現實是獨立存在于相互作用之外的；另一領域是指相互作用的結果，這是被稱為現象的現實，相互作用使得這一現實可以被實驗所感覺到。從這一理解出發，本體論的中心問題是探索這一本體現實的性質。

2．3 通向本體論的三個步驟

建立量子力學的本體論哲學體系可以分為三個步驟。第一個步驟是給出這一概念的形式化的數學結構。薛定諤方程中的波函數概念是量子力學的中心形式化概念。玻恩的幾率詮釋符合了使波包與實驗統一起來的需求，但是創造一個本體論的獨立實在的概念需要完全不同的方法。由于薛定諤方程可以用來描述觀測之間的真實變化過程，而符合薛氏方程的波包的量子力學的干涉有物質的結果，所以本文作者認為，薛氏方程所描述的波包概念是一個比較合適的用以建立本體論概念的形式化概念。

第二步，我們必須考慮，假如有實體滿足該描述，為了真正的存在，它們還要滿足什么樣的其他條件。在目前情形下，我們必須考慮波包應具有怎樣的本體性的性質才能得以存在，這即是說一個單獨的波包不能做一個本體實體，我們必須考慮要加上怎樣更多的性質去構成一個完備的本體實體。這一考慮的結果將會給波包一個實在性的詮釋。具有波包的數學結構的真實存在，將與我們通常所認為的自然實體有著截然的不同。這一詮釋需要一個全新的概念體系的框架。因此，詮釋的問題，便是在波包的數學結構基礎上，創造一個全新的范疇體系，來表達一個合適的本體實體概念。這一概念必須承認，實體在孤立時是非局域性的，而當與一個實驗媒介發生系列相互作用后，便會成為局域的。根據這一要求，本文作者提出一個新的概念就是“雙波包”的概念。雙波包由正弦元波包與相調節子波包構成。這些概念將在下一章節里加以闡明。

第三步，是要建立一個普遍的哲學體系，使我們能夠理解現實的一切，它將包含而又超出我們一開始所討論的所有科學問題。這將導致對精神一類性質的問題的哲學探索，以及對雙波包體系的哲學上的思考。后一問題是本文的主要重點，并將在“3”討論，出于適當的動機，將在“2．5”對精神和意識問題做出一個粗略的描述。

2．4 雙波包

本體實體必須是某種真實波包，從而波包的形式體系可以用來描述它。構成這一波包的波可以認為是一組單色正弦元波。這樣的波包是量子力學的群包的本體論的詮釋。它所組成的各個單色正弦波不是真正的本體實體，但是為了構成真實的波包，它們必須具有一種似實非實的存在性質。它們沒有現象上的存在，是因為它們自己本身不能有量子力學的干涉從而產生局域化而被觀測到。可以說本體實體的原料不是正弦波而是正弦波之間的量子力學的干涉。

構成這波包的波，必然有很復雜的相互關聯，這樣波與波之間的干涉才能建立并保持下來。進一步，它們還必須具有一些特別的性質來造成它們的粒子現象。如果粒子現象是由于波包里的波之間的干涉被重新調節而形成的一個極限小結構，那么，這就可以用相關聯的重新調節來解釋群包的塌縮，就是粒子的出現。所以，在波包形成與塌縮時，便會通過相關聯來建立或調節構成波之間的干涉。

在量子力學中，沒有任何力可以在波包中調節一個單獨的元波。所有的量子力學的力都表現于不可分割的基本粒子之間，不表現于一個基本粒子之內。因此，本文作者認為本體性的干涉實際上是通過一種比量子力學的力更復雜精巧的調節來實現。借鑒電磁相互作用與強相互作用中的光子與膠子概念，可以把這些干涉相應地解釋為一種本體性的實體，即所謂的相調節子，因為它調節正弦元波的相位。

為構成一個波包，一大群的相調節子必須一齊配合起作用。所以，我們提出這大群調制子構成一個調節波包。沒有相調節子來調節一群正弦元波，這群正弦元波就不能構成一個波包。因此正弦波包的存在依靠著相調節子波包的作用。所以本文作者認為，一個基本的本體實體，是由一對雙波包構成的，它包含密切相關的正弦元波包與相調節子波包。雙波包概念是建立在形式化量子理論基礎上的本體論的中心概念。

2．5 精神與意識

相互作用原理和雙波包的本體論提供了一個基礎，可以用來建立一個關于意識的解釋性體系，而這一點用其他的量子論詮釋是無法達到的。首先，我們利用相互作用原理把意識經驗解釋為本體現實與經驗媒介、我們的感官相互作用的結果。這樣的相互作用的概念是由相調制波包的相互作用的概念擴展而來的。其次，雙波包的本體論讓我們可以假定相互作用是相調節子波包，而非量子力學的群波包。因此，意識是本體實體的相調節子與人類的器官的相互作用結果。意識現象與它的相應本體現實分子的關系，與物質實體與它的相應本體現實分子的關系類似。當然，在進入相互作用中的本體現實分子的性質必須被詮釋為如下兩種不同的情形：進入物理作用的是正弦元波包，它是量子力學的群波包，可用薛定諤方程描述；有意識現象做結果的是相調節子波包，它不能用量子力學來描述。但是只是通過量子力學概念體系就能夠發揮這個概念。在這兩個范圍內相互作用必然有性質上的不同。在物質的方面相互作用是波包的塌縮。在意識的方面，可以類似地稱之為相調節子波包的塌縮?？墒怯捎谖覀儧]有一個關于相調節子波包的決定性概念，這樣說必然依舊相對地不明朗。無論怎樣，這種概念在區分相互作用的來源與結果上有著重要的用處，正像在量子力學中一樣。正如物質實體是現象，意識也是現象。它是本體實體與人類的器官的相互作用的結果，就像量子力學的粒子是本體實體與觀察媒介的相互作用的結果一樣。

現在，我們有了一個關于精神哲學的全新的概念體系。我們可以稱其最高范疇為相調節子領域中的“心”或“靈”，它相應于傳統上西方哲學對心與靈的理解。但我們必須注意，傳統的解釋有嚴重缺陷，因為人們把關于心和靈的本體的因素與意識的現象的因素混淆在一塊了?，F象的因素必須從本體論概念中抽出來，歸到現象性的自我，即意識。心或靈概念中剩下的本體論的內容應該被詮釋為一個相調節子波包系統。進一步地，相調節子除在解釋量子力學的現實詮釋上有重要作用外，它既給心以自然詮釋也使心的概念自然化，并將它擴大到整個自然界。

總之，量子力學的雙波包本體論使本體實體與現象實體之間有了本質上的區分?，F象實體是本體實體與經驗媒介相互作用的結果。本體實體與現象實體，都各有兩個領域?，F象實體的兩個領域是意識和物質實體。本體實體的兩個領域是物質的正弦元波包和非物質的相調節子波包。

3 中國的本體論與量子力學

3．1 雙波包的本體論與西方本體論概念

現在我們必須把我們的注意力轉向建立一個解釋現實的普遍的哲學概念體系。縱觀西方哲學概念，沒有類似雙波包理論的。西方哲學有二元論的傳統，其中以笛卡爾為最。但是二元論與這里提到的雙波包的二元性有根本上的不同。在二元論中，物質與精神兩個領域是截然隔離的。這就是說，物質與精神這兩個領域中的每一個別的實體，都有著獨立的本體的存在。但是在雙波包理論中，正弦元波包與相調節子波包只能互相關聯地存在以構成獨立存在的真實波包。在這里要強調，由邏輯觀點來說正弦元波包與調節子波包是先于存在的，但它們本身不是這一本體論的真實存在，僅僅是構成真實存在的某種前提性的東西。

3．2 雙波包本體論與陰陽

笛卡爾的二元論深刻地影響了現代西方哲學和科學，但雙波包本體論與它在結構上是完全不相同的。與雙波包類似的本體論卻主導了中國哲學近2000年，這就是易哲學。這種哲學根源于陰陽的原理；陰陽是《易經》中有關變化過程的東西。在陰陽及其變化的觀念基礎上形成了《易傳》的宇宙論體系，這是此后所有哲學的基礎，也是此后大多數儒家的本體論的基礎。

陰陽的概念，來源于對自然現象中呈現的對立兩方面的觀察，并認為這是自然界存在與運行的基本動力。例如，男人與女人的對立被認為是產生生命與維系自然物種的力量。光與暗、熱與冷代表循環變化的動力。當《易經》演變成為一個哲學體系時，陰與陽便成為本體論上的二元性的宇宙的原則。

這就是雙波包與陰陽之間的類同之處。純的陰與陽可以被認為是正弦元波與相調節子波。正弦元波與相調節子波單獨地并不構成真實的存在，只有它們的混合交織才能構成波包，波包又構成雙波包，就是構成真實實體。這十分近似于對陰陽的本體論解釋的原理。陰和陽并不單獨構成真實世界。自然中沒有任何東西是純陰或純陽的。所有存在之物都是陰與陽相互交織的雜交體。本體現實是由兩個不同的似實非實的領域組成，這兩個領域的成分本身又不是真實的實體。這一命題是兩者比擬的核心；但這抽象命題在兩種不同的體系中卻有著兩種不同的具體內容。

3．3 復雜性的兩個層次

在《易經》體系里，八卦(經卦)有三爻，六十四卦(別卦)有六爻，別卦由兩經卦組成，這是另外一項類比的根據。在雙波包本體論與《易經》哲學中，真實存在的基本成分都是由兩個部分組成：一個雙波包包含了正弦元波包和相調節子波包，而一個有六爻的別卦是由二個有三爻的經卦組成的。這便產生了兩個層次上的現象的復雜性，在《易經》中這一點被十分清楚地闡明了。把這一點應用到雙波包情形上，對于一個深刻的哲學問題會產生十分有趣的觀點。

《易經》把現實組成描述為兩個階段，其中基本的具體物象是由有三爻的經卦結構揭示出的，而事件以及關于變化運動的規律是由有六爻的別卦的結構揭示出的。《易傳·系辭傳(下)》說：“八卦成列，象在其中矣。因而重之，爻在其中矣?！?/p>

從雙波包實在論的觀點看，不同程度的復雜性的區分是十分有意義的。但是把這種區分看成是現象與變化之間的不同是錯誤的。最好是區分兩個不同層次的復雜性的現象的領域，每一個層次又包含了相應的變化規則。

在20世紀，好多西方哲學家試圖將意識現象歸并到物質現象，兩個層次的復雜性對這個歸并方案導致了一個既新穎又深刻的觀點。這一方案對西方的唯物論哲學家們一直是一個難于應付的問題?！艾F象”這個概念，在普通語言中，比在經典物理學中，是豐富多了。現象的本質在物理上處理為位置與動量這些東西，但是對某種層次的現象的徹底性的分析，并不適合去解釋有目的的行為與主觀經驗這類現象。

使復雜性的層次性原理適應雙波包理論的概念體系便會產生以下的解釋。正弦元波包與物理中的物質聯系在一起，相調節子波包與意識聯系在一起。物理學的原理僅僅是作用在整個現象范圍的一部分；而作用在這個有限的物理范圍的原理比之作用在整個現象現實的原理要有限得多。任何包含人在內的變化必須包含相調節子對正弦元波的影響。這表明，物理只是現象現實的一部分的描述，在目的性可以被概括進描述之前需要引伸到相調節子范圍。

雙波包理論與易哲學的兩種復雜性的二層次的原理有兩個重要不同的地方。第一，組成《易經》的六爻別卦與兩個三爻的經卦的性質是一樣的，但是，組成雙波包的兩個成分是不同的，互補性的。第二，在《易經》的體系中陰陽的互相交織組成三爻經卦，經卦是獨立的真正的現象，陰陽是現象界的原始原料，可是，在雙波包理論中，正弦元波包與相調節子波包不是真正現象，只是現象界的原始原料，現象界是由它們的交織構成的。

3.4 關于自然概念的含義

自然的含義在西方科學中與在易哲學中是不同的，在西方物理學中，自然是與能測量的自然屬性聯系在一起的，例如位置與動量，所以意識與目的的范疇被完全排斥在外。西方方法學的優點在于分離測量過程，這使得科學得以誕生。它的缺點是丟棄了現實中的一個十分重要的部分。

孕育了科學的哲學背景現在卻成了它的絆腳石，因為它使科學與一個包括意識在內的全面世界不能相容。量子力學把經典物理的物質的本體論粉碎了。我們應當更進一步，希望能在量子力學的體系中發掘出能包含目的性在內的關于自然的觀念?！兑捉洝返囊环N方法做到了這一點，難以為西方的想象力所接受。雙波包的本體論也做到了這一點，它是以科學哲學的理論方式來敘述的。

基于這一觀點，可以得出結論：自然的概念應該包含目的性。物理學不包含它的原因在于它是限制于雙波包的正弦波包的范圍。雙波包的哲學體系的相調節子波包卻潛在的蘊涵了目的性的因素。這樣自然化目的性的結果相似于《易經》的自然概念?？墒窃谝捉浀捏w系中，三爻的經卦跟六爻的別卦都有目的性，不過是兩個層次的。物理學的偉大成就證明自然界有一個非目的性的層次。這表明，在這個方面雙波包理論的二層次的結構比《易經》優越。

3．5 道的三個層面

關于自然的廣義概念中，易經哲學強調一種整體性的原理，其中一個抽象的單一的自然的規則“道”可以在自然界中不同的實體與結構中有不同的表現。《易傳·說卦》中說：“是以立天之道，曰陰與陽。立地之道，曰柔與剛。立人之道，曰仁與義?！钡赖娜齻€自然層面可以解釋為，一個統一的規則概括了物理、生命和目的性過程。這一點與西方的觀念截然不同。西方哲學家對此進退兩難：要么把目的性現象看成是物理過程(唯物主義)；要么把物理過程看成是目的性現象(唯心主義)；要么認為二者是完全地不相容(二元論)。為了把這一統一的原理引進現代的西方科學框架中，需要對非決定論與目的性做出新的解釋，這將給予它們一個共同的基礎核心。

3.6 非決定論

雙波包的本體理論既可以把自然的概念由物質現象擴大到意識現象，也可以對非決定論提出新的解釋。在量子力學中，從決定論轉換到非決定論，不會給出更深的哲學意義。

這是因為，量子力學不過是簡單的而已。如果能給出一個物理上的解釋，一個選擇可以怎樣從一些可能性中做出，那么在量子力學觀念上這將不是非決定論了?？墒窍嗾{節子的假設提出選擇過程在量子力學描述的領域之外受到影響。

在雙波包中，正弦元波包領域與相調節子波包領域在本體論上是截然分開的。相調節子波包對一個事件的影響，從本體論上而言，是在量子力學描述范圍之外的。所以，這樣講并不矛盾：在物理上是非決定論的，但在更廣的整個現實范圍里卻遵從某一選擇。在這一意義上，物理現實只是本體的現實的一個部分而量子力學是它的完全性描述。這意味著，量子力學在玻爾與愛因斯坦爭論的意義上是完全的，因為在它的范圍內它是完整的；但在一個本體論的意義上說，它又是不完全的，因為它只是描述了本體現實的一個部分而已。

在單個粒子的量子體系中，選擇由相調節子波包所決定，它從由波函數塌縮而致的可能性中做出選擇，而這一塌縮過程在標準的量子力學看來是純隨機的。在兩個粒子的情形中，例如在貝爾實驗中所描述的那樣，兩個粒子的量子力學的干涉糾纏在一起以至兩個事件的結果是相干的。這兩個粒子的相調節波包也糾纏在一起了，這是一些相調節波包構成復雜組織的根據。在更復雜的系統中，相調節子波包之間的相互關聯變得更強，逐漸地導致了生命、行為、意識和目的性。在更復雜的系統中，選擇變得更復雜，更有效。量子力學的可能的觀察結果的選擇變為完全目的性的自由意志過程。這需要建立一系列的新概念，量子力學的選擇是其中一個極端，自由意志是另一極端。這一系列新生的概念可以延伸至

包括意識與目的性，覆蓋所有層次，而且必須在雙波包的基礎上給它們自然的詮釋。

3．7 目的性概念的廣義化

在這一詮釋下，相調節子在十分復雜的物理體系中于不同層次上發生作用。第一，它們有著純物理的功能，用以調節正弦元波構成真實實在，也作為最基本的選擇。第二，在包含生命在內的十分復雜的物理體系中，從無生命物質到生物體的構成過程，是一個更高級的規則；這是由相互關聯的相調節子所構成的(關于所有的有關的物理粒子)。最后，考慮到人類行為的適應性和意識以及目的性的出現，更高級的相調節子過程必須構造出來。

在現代科學思想體系中，關于現象過程的三個層面的特性可以概括為一個單一的普遍的規則，它實現并應用在不同的形式中：物質實體的存在與穩定；生命從物質中演化出來；目的性行為從生命中產生出來。除了語言上的不同外，這一規則與道的三個層面的特性有共同之處，它們都給出了自然的一個圖景，并且都強調一個單一的規則作用在不同的體系中，體現出不同的特性。

篇5

關鍵詞：布朗運動 量子力學 物質場 波動函數

引子：這篇論文是洗衣服時出現的一些現象，讓我很好奇，所以我開始了對布朗運動的研究。

布朗運動：懸浮微粒永不停息地做無規則運動的現象（說明一下：永不停息是不存在的，長時間或較長時間，人們是可以接受的），很對不起大家，剛開始就要括號說明，只是現在的定義，真是永不停息。布朗運動的例子特別多，大家很容易見到，如把一把泥土扔到水里攪合攪合，或在無風的情況下對著陽光觀察空氣中的塵粒等等，現在這些類似運動都稱為布朗運動。

1827年，植物學家R·布朗首先提出發現這種運動。在他之后的很長時間，人們對布朗運動進行了大量的實驗、觀察。最后古伊在1888-1895期間對布朗運動提出自己的認識：

布朗運動并不是分子運動，而是從分子運動導出的一些結果能向我們提供直接和可見的證據，說明對熱本質假設的正確性。按照這樣的觀點，這一現象的研究承擔了對分子物理學的重要作用。

古伊的文獻產生過重要的影響，后來貝蘭（我們第一個實驗測量原子大小的人）把布朗運動正確解釋的來源歸于古伊。實話實說，古伊的文獻太重要了，在我看來：一語中的。太對了，古伊是歸納總結的天才，也是真正從實驗的角度來解釋布朗運動的第一人。

古伊的話有三個重點：

一、布朗運動不是分子運動。

二、說明熱本質假設的正確性(下面會專門論述熱的本質問題）。

三、利用分子布朗運動的結果來承擔對分子物理學的研究。

1905年愛因斯坦根據分子運動論的原理提出布朗運動理論，同時期的斯莫羅霍夫斯基作出同樣的成果。

愛因斯坦在論文中指出：按照熱的分子運動論，由于熱的分子運動大小可以用顯微鏡看見的物體懸浮在液體中，必定會發生大小可以用顯微鏡觀測到的運動，可能這里所討論的運動就是布朗運動，觀測這種運動和預期的規律性，就可能精確測量原子的大小，反之證明熱分子運動的預言就不正確。這些是愛因斯坦的研究成果。

現在人們認為這是對布朗運動的根源及其規律性的最終解釋，我認為不是。這是愛因斯坦成功的利用布朗運動的原則創造性提出熱分子運動論，利用這一理論可以測量分子原子的大小，把布朗運動近似為熱分子運動論?；蛟S是天意，愛因斯坦的論文我怎么看都有絕對論的意思?！坝写笮】梢杂蔑@微鏡看見的物體懸浮在液體，必定會發生大小可以用顯微鏡觀測到的運動”。運動的絕對性，不過這里他說的是發生相對于物質本身的運動，可能這是相對論的名稱來源吧。我的評價：初級的絕對論。在絕對論中只要有物質存在就有物質運動，運動是絕對的。愛因斯坦的熱分子運動論：舍本取末，換句話說他把布朗運動等同于分子運動了，認為熱分子運動引起了的不規則運動，就是觀察到的布朗運動。既然相對論是初級的絕對論，我今天提出絕對論，那么所有愛因斯坦做過的事情，我可能都要去做一遍。布朗運動不是熱分子運動，但是可以引起熱分子運動，愛因斯坦的成果只是利用了布朗運動引起的熱分子運動，他沒有分析布朗運動的根源：物質為什么會存在布朗運動。當顯微鏡越來越清晰的時候，愛因斯坦的擴散統計方程就不能適用了。

現在隨著科學的不斷進步，量子理論對真空漲落的認識不斷加深，量子理論也對布朗運動的根源給出自己的看法，同樣今天絕對論也給出自己對布朗運動的認識：

一、布朗運動不是分子運動，或者說不是單個粒子間的運動。

二、布朗運動是一個由點到面，再由面到點的運動形式。

三、布朗運動是與波動函數有關的物質運動的一個特性。

布朗運動不是分子的運動或者說不是單個粒子之間的運動，為什么這么說呢：一滴水融入大海永不干涸（永字應為長時間，不過人們習慣認識，所以沒有改為長時間）大海洶涌澎湃，一盤水很容易平靜。相比之下，為什么有如此巨大反差：物質場運動的疊加效應，滴水穿石的道理也是如此。

簡單的一滴水為什么能夠融入大海呢？正像洗衣服為什么能把衣服洗干凈，洗不干凈會在衣服干后留下許多漬跡一樣。液體的形態對物質運動產生了如何的影響呢？這是我們應該思考的問題，這里我引入二個概念：物質場與波動函數。

說一下自己的看法：一滴水的運動比如一個粒子的運動，大海是一個物質場，一盆水也是一個物質場，同樣一滴水也可是一個物質場，那么一個電子也可是一個物質場，也就是說一個量子可以看作是一個物質場，量子的運動可以當成物質場在運動。

其實為了研究布朗運動，引入物質場這個概念，把物質現實中的存在狀態看成是一個物質場的存在，相信大家能夠理解。把物質形態存在的狀態不去看它把當成一個獨立的物質場存在，比如一塊鐵、一塊鋼、一塊磚，我們都把它當成一個獨立的物質場存在，那么這個物質場中的電子、原子、質子等粒子都是這物質場的一部分，那么這物質場中的一切物質都應是這物質場的一部分。

一個統一的物質場。對于運動而言，物質場有整體的運動，也有物質場的內部運動：質子、電子、中子等微粒之間的運動，比如我用力去拿一件東西，我的全部身體都在運動，手的運動和身體內部的運動時截然不同的，但作為一個整體，我把東西拿了起來，而東西作為一個完整的物質場表現是被我拿了起來，整個的分子、原子、電子構成的物質場共同被我拿了起來。

諸如這些運動是整體的完整的物質場，對另一個完整的物質場的作用，牛頓力學已經很好的應用到多個方面，宏觀物理研究的物體很明確，運動也很明顯，都可以準確測量計算。為什么這里一定要強調完整的物質場呢？一滴水進入了大海之后，這一滴水的完整物質場依然存在，而變成大海的物質場一部分，這一滴水所有的運動，所有的信息都變成了大海物質場的一部分，大海的每一滴水都是一個完整的物質場，但都是大海物質場的一部分，大海有每一滴水的信息 ，但當空氣蒸發水蒸氣時，大海不會單獨讓哪一個完整的小水滴去蒸發，而是大海整個的一個物質場在做蒸發這件事，與個體的物質場的狀態關系不大。

可能從小水滴到大海大家覺得不直觀，在量子力學把電子看成小水滴，把一個物質粒子看成大海，或者幾公斤的金屬板看成大海，相信這樣我們的科學人士都能夠理解。

光電效應的原理：把光子看成一個物質場，把金屬板看成一個物質場，光照到金屬板上，放出電子（當然需要一個極限頻率）是一個物質場對另一個物質場的反應，那么釋放的電子是物質場的整體行為，不是單個電子吸收能量而釋放出來。極限頻率，用水吸收80卡的熱量才能變成水蒸氣來說明吧，80米的水位永遠流不出100米的大壩。每個物質場都有自己的固有頻率，超過這個頻率的東西來破壞它，這個物質場就發生變化用大錘去打東西，物質會反應不同的。

另一個問題：固體微粒之間結合很好，但是一個個的原子又是相互隔開，可是這一個個原子又構成統一的物體。為什么？：波動函數，物質的特性是一個個小的原子共同表現出的特性，兩塊鐵融化后能夠形成一塊鐵，人類有無數的合金材料以及其它合成物質，為什么這些材料表現出了原來不同的特性呢，物質場的特性為什么變化呢？

物質的特性變化了，那么每一個小的物質場的特性也會變化。一般情況下原子不可能變，合金狀態的原子也未變，那么什么變化了呢？量子的運動方式變化了，也就是電子和質子以及其它的微粒運動形式變化了，整個的物質場的量子波動函數變化了。

波動函數是為了形象說明布郎運動的本質引入的一個物質特征，一個物質場的波動函數體現物質作布郎運動的能力，也體現了物質場內部物質運動能力。波動函數是物質場與物質場之間結合（疊加）能力的一種體現。一個物質場中會有很多不同的波動函數如：分子之間，原子之間，電子之間，質子之間，原子于分子之間，電子與原子核之間，質子與中子之間等等許許多多的量子之間。波動函數是物質運動的一種能力的體現。

當然這個概念也很符合量子力學的波動方程的需要，那就是所有的物質場都有自己的波動函數，而且不止一個。當波動函數達到一定數值，物質場之間既可融合。這樣雖然原子之間的距離是分開的，但是電子之間的物質場卻可以是融合在一起的（當然還有比電子更小物質，那它們的物質場更會融在一起）

波動函數越高，物質融合的越快，反之越慢，諸如擴散現象，滲透等等，固體之間的波動函數低，所以最好融化或鍛打成液態式的結合，需要外部的力量加大它的波動函數。波動函數是物質作布郎運動的一種能力，我更愿意認為波動函數是物質運動的一種能力（在絕對論中運動是物質的生命）。與物質本身的溫度有關，與外界的干涉有關。例如：加熱氣體，溶液或用力攪拌溶液等等會增波動函數值。（下面我們還要專門研究熱的本質問題）

用一個方程式來表達吧。

H值=H℃溫度+Hoi外部干涉，H：波動函數。其實我的波動函數和量子力學中的的物質波不是完全相同。

波動函數是物質場的特性，是物質生命能力的一種體現。表現在粒子上，粒子就具有波動性，同時物質運動一定需要能量的，也一定出現物質的波動。所以不是粒子具有波粒二象性，而是物質場具有波動函數。就象一整鐵的內部具有輕微的布郎運動，也就是說這塊鐵的所有原子、分子、電子等等一切粒子都在做一定的布郎運動。所有的粒子都具有這塊鐵的物質特性。也就是所有的粒子都有自己相應的波動函數。這與這塊鐵的運動和外界條件都有關系。就比如大海是所有的水滴和水中的懸浮物體構成一個統一的物質場，是所有的物質場的疊加效應，如果你取出一滴水，那么這一滴水就不屬于大海了，它和大海就毫不相干了，完全是不同的物質場了。

說到這些，大家可能會樂了，我也很樂的：這就是我們量子力學上著名的不確定原理和測不準原理，因為你要對這一個量子測量，那你就要破壞這個粒子在物質場的狀態，你永遠不能無法精確測量一個量子系統。因為你測量一滴水的結果就會脫離大海這個物質場。這一滴水在大海里就和大海一樣大，除非有測大海一樣大的儀器，否則無法測量這一滴水在大海中運行狀態。但是我們可以運用統計學對整個的物質場的運動進行統計。我們可以計算大海每天蒸發了多少噸的水，但不可以說是那一噸水。

其實量子力學碰到的最大問題，不是實驗不能證明。而是無法說明粒子為什么不可測，而且無法確定位置，因為任何一個物質場都是一個面，一個量子只是一個點，而運動和變化是物質場與物質場之間發生的，與單個的粒子運動關系不大。當然也不能說一點沒有，就象人與人打架一樣，是兩個物質場在運動，打在手上，而全身都難受，手痛得最厲害。是整個物質場在對外界的物質場共同的感受?？刹皇侵皇鞘植皇娣晕覀兡軌蚓_地確認各個量子運動疊加之后統計結果（宏觀物理），但我們不能很精確一個物質場內部的那一小點起作用。物質是整體運行的，當外部的物質變化時內部的物質也會有相應變化的，量子運行方式會發生一些改變。

量子力學從來沒有從一個面去研究物體，只注重了一個點，而經典物理只注意宏觀物理現象的規律性，也就是注意面了。

量子力學注重研究了物質場的內部運動：單個粒子的運動（點）。經典物理學：牛頓力學，相對論只注重了物質場與物質場的外部運動（面）。

而布郎運動是把物質場的內部和外部運動結合一起的表現運動，是點到面，再面到點全過程，所以對布郎運動的研究也是一個科學研究物質運動史的一個縮影。

人對事物的認識總是漸近的，按照絕對論的原則，弧立的事情是不存在的，所有的系統都是宇宙整體的一部分，所有的運動都是宇宙生命的一種體現。

現在用量子理論中的概念說明熱的本質問題：熱量只是能量的一種表現形式。熱的來源一般是：化學反應，物理作用（包括核反應），能量轉化。等等的這一切源于：量子運行方式的改變。量子運行只會一個場，一個場的變化，也就是說量子運動只可123456 不會連續不斷 沒有0.1，0.2，0.3，0.4等等。量子的運行方式改變只可這個場直接到那個場，要么吸收一定能量，要么釋放一定能量。水分子或者是固態，或是氣態，液態，沒有中間的狀態。能量有許多表現形式，而熱量是能量的一種表現形式，所以我們可以測定溫度等等現象。量子運行方式改變了，物質的特性也就改變了。燒火做飯，木柴變成灰燼，原子一個不少，電子一個不少，可是它們之間的運行方式改變了，能量或釋放了或吸收了，物質也就變化了。

篇6

[關鍵詞]量子計算 量子通信 通信效率 安全通信

中圖分類號：TN918 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）09-0128-01

引言

隨著科學技術的飛速發展，量子信息學逐漸得到人們的關注與重視，在近代物理學、計算機科學等領域都有所涉及。通過量子力學的基礎，不斷的發展與延伸。量子信息學，是量子力學與信息科學相結合的產物，是以量子力學的態疊加原理為基礎，研究信息處理的一門新興前沿科學。包括量子密碼術、量子通信、量子計算機等幾個方面。我們在這里，著重的了解一些量子通信。

一、 量子通信協議概念

1，量子通信協議定義

量子通信系統的基本部件包括量子態發生器、量子通道和量子測量裝置。按其所傳輸的信息是經典還是量子而分為兩類。前者主要用于量子密鑰的傳輸，后者則可用于量子隱形傳態和量子糾纏的分發。其中隱形傳送是指脫離實物的一種“完全”的信息傳送。可以想象：先提取原物的所有信息，然后將這些信息傳送到接收地點，接收者依據這些信息，選取與構成原物完全相同的基本單元，制造出原物完美的復制品。實際上是一種對于通信地保密性的傳輸。是一種在理論上可以保證通信絕對安全的一種通信方式。由于量子力學中的不確定性原理，是不允許精確地提取原物的全部信息，因此長期以來，隱形傳送不過是一種幻想而已。

2，量子通信與光通信的區別

量子通信與光通信的區別，在于在通信中用的光的強度是不同的。光通信一般采用是強光，包括無線電、微波、光纜、電纜等具體形式。通過偏振或相位等的調制方式來實現。量子通信討論的是光子級別的很弱的光，通過對光子態的調制，但是主要利用了光子的特性，量子態不可克隆原理和海森堡不確定性關系。這也是區別于光通信的重點。

二、量子通信基本方式

量子通信在量子力學原理的基礎上，通過量子態編碼和攜帶信息進行加工處理，將信息進行傳遞。只要包括：量子隱形傳態、量子密鑰分發等，下面主要介紹這兩個組成部分：

1，量子隱形傳態

量子隱形傳態，又稱量子遙傳、量子隱形傳輸。經由經典通道和EPR 通道傳送未知量子態。利用分散量子纏結與一些物理訊息的轉換來傳送量子態至任意距離的位置的技術。它傳輸是量子態攜帶的量子信息。想要實現量子隱形傳態，要求接收方和發送方擁有一對共享的EPR對，即BELL態（貝爾態）。發送方對他的一半EPR對與發送的信息所在的粒子進行結合，而接收方所有的另一半EPR對將在瞬間坍縮為另一狀態。根據這條信息，接收方對自己所擁有的另一半EPR對做相應幺正變換即可恢復原本信息。到乙地，根據這些信息，在乙地構造出原量子態的全貌。量子隱形傳態大致可以這樣描述：準備一對糾纏光子對，一個光子發送給有原始量子態（即第三個光子）的甲方，另一個光子發送給要復制第三光子的量子態的乙方。甲方讓收到的一個光子與第三光子相互干涉（“再糾纏”），再隨機選取偏振片的方向測量干涉的結果，將測量方向與結果通過普通信道告訴乙方；乙方據此選擇相應的測量方向測量他收到的光子，就能使該光子處于第三光子的量子態。

量子隱形傳態作為量子通信中最簡單的一種，是實現全球量子通信網絡的可行性的前提研究。它的存在與應用，可以完全的保證用戶的信息安全，通信保密，同時如果出現有人竊聽的現象，將會及時的進行信息的改變，保證內容的“獨一無二”。

2，量子密鑰分發

量子密鑰分發以量子物理與信息學為基礎，是量子密碼研究方向中不可缺少的重要部分。被認為是安全性最高的加密方式，實現絕對安全的密碼體制。當然這只是理論上的內容，在現實生活中還是有一定的差距。只是理論上具有無條件的安全性。1969年提出用量子力學的理論知識進行加密信息處理。到了1984年，第一次提出量子密鑰分發協議，即BB84協議。隨后又提出B92協議。2007年，中國科學技術大學院士潘建偉小組在國際上首次實現百公里量級的誘騙態量子密鑰分發，解決了非理想單光子源帶來的安全漏洞。后又與美國斯坦福大學聯合開發了國際上迄今為止最先進的室溫通信波段單光子探測器――基于周期極化鈮酸鋰波導的上轉換探測器。解決了現實環境中單光子探測系統易被黑客攻擊的安全隱患。保證了非理想光源系統的安全性。生成量子密鑰大致為：準備一批糾纏光子對，一個光子發送給發信方，另一個光子發送給收信方。測量光子極化方向的偏振片的方位約定好兩種。兩人每次測量一個光子時選擇的方向都是隨機的，但要記錄下每次選擇的方向，當然也要記錄下每次測量的結果，有光子通過偏振片就記1，無光子通過則記0。通過普通信道兩人交換測量方向的記錄，那些測量方向不一致的測量結果的記錄都舍去不要，剩下的那些測量方向相同所對應的測量結果，兩人應一致，這一致的記錄就可作為兩人共同的密鑰。

總結

經典通信較光量子通信相比，量子通信具有傳統通信方式所不具備的絕對安全特性。具有保密性強、大容量、遠距離傳輸等特點。量子通信不僅在軍事、國防等領域具有重要的作用，而且會極大地促進國民經濟的發展。逐漸走進人們的日常生活。為了讓量子通信從理論走到現實，從上世紀90年代開始，國內外科學家做了大量的研究工作。自1993年美國IBM的研究人員提出量子通信理論以來，美國國家科學基金會和國防高級研究計劃局都對此項目進行了深入的研究，歐盟在1999年集中國際力量致力于量子通信的研究，研究項目多達12個，日本郵政省把量子通信作為21世紀的戰略項目。我國從上世紀80年代開始從事量子光學領域的研究，近幾年來，中國科學技術大學的量子研究小組在量子通信方面取得了突出的成績。

參考文獻

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[5]宋斌 - 空間量子通信技術發展現狀《移動信息》 - 2015.

篇7

量子計算機的秘密武器：疊加和糾纏

一方面，量子效應對現代電子學來說非常重要，它能使晶體管變得非常?。坏硪环矫?，量子效應也是一個惹人討厭的“調皮鬼”，由于電子的位置并非確定不變，它能讓晶體管內的電子簡單地從一個地方消失并在另外一個地方再次出現，這樣會使得電流泄漏出來，導致信號衰減。

不過，有些科學家卻從中看到了機會。他們認為，量子尺度上發生的一些詭異事件可以被利用起來，讓人們能以一種全新且更快的方式進行計算并發送信息，至少從理論上而言，這些信息不可能被攔截。幾個對此感興趣的科研團體希望建造出量子計算機，以解決目前的計算機無法解決的問題，諸如找出幾百位數的質因子或將大的數據庫一網打盡等等。這些研究計劃和成果都在AAAS的年度大會上得到了展示。

這些科學家們努力的核心是量子疊加和量子糾纏這兩種量子力學現象。普通的數字計算機以位的形式操縱信息，位的值要么是1，要么是0。在計算機內，不同的電流電壓分別表示1和0，這同電子的電荷有關。電荷是所有電子的固定特征，每個電子的電荷數目是一樣的。但是，電子也擁有其他特征，比如自旋，自旋的方向可以表示為“向上”、“向下”或者模糊不清的“既向上又向下”。這種既向上又向下的狀態就被稱為疊加，疊加能被用來構建量子力學中的位量子位（量子比特）。

與此同時，糾纏使粒子捆綁在一起以增加更多量子位。在量子機器中，每增加一個量子位會讓它能同時進行的操作翻番，這就是量子計算機之所以擁有強大計算能力的“秘訣”。比如，2個相互糾纏的量子位可以進行4個操作；3個量子位可以進行8個操作，等等，依此類推。那么，一個擁有300個量子位的計算機能同時執行的操作數就比可見宇宙中的原子數還多。

疊加和糾纏并不穩定

然而，不幸的是，這樣的機器對我們來說仍是“羚羊掛角，無跡可尋”。糾纏和疊加都是非常精細的活，即使最輕微的擾動都會導致“量子位”失去這種相干性，讓它們的神奇屬性消失殆盡。為了建造出一臺能工作的量子計算機，量子位將不得不變得更加靈活，更容易恢復相干性，但迄今為止，這方面的進步一直不大。

1995年，科學家們首次在實驗室內實現了量子計算，從那時起，有科研團隊已經設法讓14個量子位發生了糾纏。這項紀錄的保持者是來自德國因斯布魯克的一個科研團隊，他們使用了一個名為離子陷阱的設備，并讓以處于不同能量狀態的銣原子的疊加形式而存在的量子位在其間發生了糾纏。而加拿大滑鐵盧大學的雷蒙德·拉弗莫和同事則設法使用同樣的技巧讓12個量子位發生了糾纏，讓特定的原子在名為組氨酸的氨基酸單分子內發生了糾纏，組氨酸的特征使它非常適合這樣的實驗。

這些方法存在的問題是，它們并不容易進行升級和擴展。離子陷阱位于大的真空室內，不能輕易地收縮。另外，一個組氨酸分子包含的適合原子數量也有限，因此，科學家們一直在搜尋更實用的量子位。

各出奇招制造穩定的量子位

一種有潛力解決這一問題的方法是在半導體內蝕刻量子位。查爾斯·馬庫斯以前是哈佛大學的教授，現在是哥本哈根大學的教授，他一直試圖使用電子自旋做到這一點。單電子制造的量子位很快會失去相干性，因此，他的研究團隊決定使用兩個電子制造出一個量子位，他們將其稱為“量子點”，這是一塊細小的半導體晶體（馬庫斯使用的半導體是砷化鎵）。當兩個這樣的量子點相互靠近時，能讓一個電子陷入一個量子點內以彈出并同另一個量子點內相鄰的電子相結合，兩個電子自旋的這種疊加就產生了量子位。

迄今為止，馬庫斯團隊已設法讓4個這樣的量子位結合在一起，而且，使用了一套靈敏的技巧將其壽命延伸至10微秒，這一時間足以用來執行簡單的代數操作，代數操作是計算的命脈。他們希望使用硅或碳，進一步延長其壽命，硅或碳的原子核對糾纏電子的干擾比砷化鎵要小。

另外，美國加州大學圣巴巴拉分校的約翰·馬提尼斯和同事試圖從超導電路打造出量子位。在超導體內，電子并不會單獨旅行，相反，因為復雜的量子力學原因，它們會成雙成對地出現（也因為同樣的原因，這對電子之間不會有電阻）。當它們成雙成對旅行時，這對電子的行為就像單個粒子一樣，這就出現了疊加傾向。例如，這個“超粒子”實際上一次能朝兩個方向移動，當這對電子移動時，它們就制造出了一個磁場。接著，制造一個超導閉環，科學家們就得到了一個能同時朝上和朝下的磁場，馬提尼斯團隊現在已設法讓5個這樣的超導量子位發生了糾纏。

馬提尼斯團隊還使用一套名為共振腔的設備，將信息從電路傳送到單個光子并將光子捕獲在一個空腔內，并持續幾微秒。換句話說，他們已經制造出了一個量子存儲設備。幾微秒聽起來很短暫，但足以執行很多基本操作。

前路漫漫任重而道遠

所有上述方法面臨的問題是，他們賴以依靠的量子狀態非常脆弱，很容易出現錯誤。一種確保他們能用量子位進行計算的方法是用幾個量子位而非僅用一個量子位來對同樣的信息進行編碼。因此，馬庫斯、馬提尼斯以及拉夫莫不得不在他們的系統中建立一些多余的量子位。這樣，對于每個計算所需要的每一個“邏輯”量子位來說，都存在著幾個其他的物理量子位，所有這些量子位都需要被糾纏在一起。

微軟公司研究中心的米歇爾·弗里德曼正試圖另辟蹊徑來解決這一問題，他和同事正在建造他們稱為拓撲量子計算機的機器，這臺機器在一層名為銻化銦的奇異材料上方使用了一個超導體。當朝這套系統施加電壓時，整個系統就變成了一個能以疊加狀態而存在的量子系統。

弗里德曼的量子位與馬提尼斯的量子位的不同之處在于，它們對干涉反應的方式不同。在馬提尼斯的量子系統中，刺激一個超導電路中的任何電子，整個系統都會失去相干性。然而，弗里德曼的設計對這樣的本地破壞活動“刀槍不入”，因為它采用一種特殊的方式讓能量遍布于整個銻化銦上。迄今為止，微軟公司的團隊還沒有制造出一個起作用的量子位，但他們希望很快能做到，他們也正在尋找其他材料來重復同樣的實驗。

篇8

關鍵詞：黑體輻射；康普頓效應；微攏理論；波動性；粒子性

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2012）09-0066-02

一、人類對光的本性認識的發展過程

光的本性問題是貫穿在光學發展中的一個根本問題。正是這種對光的本性的探討有力地推動了光學以及整個物理學的發展。人們對光的本性的認識，從光是“物質的微粒流”，經歷了光是“以太的振動”，光是電磁波到光是波粒二象性的統一等各個認識階段。這一認識歷程從牛頓和惠更斯之爭算起到現在其間經歷了三百多年。人們遵循實驗—假設—理論—實驗這條途徑，逐步達到了對光的本性的認識，這一認識揭示了物質世界光和電磁的統一，光的波動性和微粒性的統一。

在大學本科層次的光學教學中，光與物質相互作用的黑體輻射和康普頓效應是光學課程最主要的內容之一。但其內容比較抽象，學生對它的理解比較困難，因此不易講解，并且一部分教師和學生在理解過程中存在一些概念的錯誤和混淆。下面筆者以光學課程中的一些經典問題為例，研究在光學教學中存在的一些敏感問題。

二、光微粒說法中的兩個問題

1.黑體輻射。眾所周知，普朗克公式在近代物理的發展中占有極其重要的地位，它不僅奠定了量子論的基礎，而且解決了基爾霍夫定律所提出的普適函數問題，成為黑體輻射理論最基本的公式，并且由其可導出黑體輻射的其他定律。普朗克公式通常可表示為：

?籽（v，T）=■■ （1.1）

其中，hv為能量子，c為光速，T為溫度，k為玻爾茲曼常數，v為電磁波頻率，h是普朗克常量，其值為：h=6.63×10-34J.s。普朗克輻射定律的建立，不僅解決了物理學中的所謂“紫災”問題，同時對于黑體輻射找到了一個既適用于長波區，又適用于短波區的統一公式；更偉大的意義在于他提出了能量量子化的概念，即能量是不連續的，存在著能量的最小單元（能量子hν），物體輻射或吸收能量是這最小單元的整數倍，而且是一份一份地按不連續的方式進行的。這就為量子物理和發展奠定了基礎。

普朗克的能量子輻射理論很好解決了經典理論不能解釋的黑體輻射問題，能量子概念也極大地沖擊了傳統理論認為能量是連續的信念，它不僅為量子物理學的誕生奠定了堅實的基礎，同時也使愛因斯坦受到極大啟發，愛因斯坦就是在發展了能量子理論。

2.康普頓效應?？灯疹D效應是表明光具有粒子性的另一個現象。這現象首先是由康普頓于1922～1923年間發現的。當波長很短的X射線通過某種物質時，散射光中除了有原有波長?姿0的X射線外，還有較長波長?姿的X射線的散射現象稱為康普頓效應。對同一散射物質，波長的改變與散射角的關系為：

?姿'-?姿=?姿■（1-cos?茲） （1.2）

圖1 康普頓散射的動量關系

其中，?姿和?姿'分別為x射線在散射前后的波長， ?茲為散射角，m0為電子的靜止質量，可見在康普頓效應中，當x光的光子與“自由電子”碰撞后，光子將沿某一方向（θ角）散射。同時，碰撞過程中把一部分能量傳遞給“自由電子”，因此光子因能量減少而波長變大，即波長發生改變。

三、微粒說法的量子解釋

這個理論是從光粒子所獲得的唯一性和實驗方法，本文探討上述問題，想借助波動的經典理論和量子力學相結合的微擾理論，來進行研究。了原子系統的改變在光的作用下，原子體系的變化情況，用量子力學方法來討論。兩個理論探討，用電磁波理論描述中光波的有關探討。

1.康普頓效應問題。康普頓效應，是指X射線的光子，跟物質相互作用，在這一過程中，會失去能量，這樣的波長就會變長。光的粒子性的證明式（1.2）作為理論依據的證明性很強。還可以通過波動，利用電子相互作用的入射和散射光，用量子力學描述電子該式，如圖2

（a）康普頓散射的能級圖 （b）康普頓散射的位相關系

圖2康普頓散射

電子從基發態k躍遷到激發態g，這時入射和散亂光分別表示為：

E0（t，■）=cos2?仔c/?姿t-■·■ （1.4）

Es（t，■）=cos2?仔c/?姿't-■·■ （1.5）

其中■=2?仔/?姿，■'=2?仔/?姿'，E0為自由電子波，W是由因散亂生的動能。

ES是受擾動的電子的波，即從基發態k，到激發態g。

該擾動過程隨時間變化產生的，這樣（1.4）、（1.5）作用二級微擾，得出能量守恒定律。

設由體系的哈密頓量而得到的n級近似方程：

i?捩■C■■（t）=■H'■（t）e■Cgk（n-1）（t） （1.6）

則二級微擾方程為：

i?捩■C■■（t）=■H'■（t）e■Cgk（1）（t） （1.7）

其中C■■（t）=■■e■H'gk（t）dt,wgk=■，

C（2）■■（t）=■■H'gk（t）e■C（i）gk（t）dt

設kg（≠g）躍遷幾率為P（2）gk，則可表示為：

P（2）gk=?啄c/?姿-c/?姿'-W/h （1.8）

由上式（1.8）可得以下的能量守恒定律：

（hc/?姿）-（hc/?姿'）=W （1.9）

篇9

關鍵詞：結構化學；創新精神；高等教育；教育改革

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）02-0083-02

結構化學是高等院?；瘜W、材料等相關專業的一門專業基礎課，是理論化學的一個重要分支。它是探究原子、分子、晶體結構的微觀結構，原子和分子中電子的運動規律，及原子和分子結構和性質之間關系的一門科學[1-3]。開設結構化學課程的目的是使相關專業的學生對微觀世界的結構和運動規律有所了解，初步掌握結構與性質的相互關系；從而使學生更進一步地從更深的層次上理解其他化學相關的專業課程，包括無機化學、有機化學、分析化學、物理化學等。

一、結構化學課程的特點

結構化學這門課程特點明顯，如下：（1）綜合程度高；（2）理論性強；（3）內容抽象。由于這一系列的特點，初學者在開始接觸這門課程時，常有聽“天書”無從下手的感覺；作者在教學過程中也因此遇到了一些問題。下面將遇到的問題做一概括：

1.綜合程度高。結構化學這門課程不是建立在經典力學體系下的課程，而是一門以量子力學為基礎的課程[4]。因此在此門課程的學習開始，就要求學生們鞏固好大一、大二所學的四大化學（無機化學、有機化學、分析化學、物理化學）課程以及其他學過的化學理論基礎知識，并在腦海中建立起一套完善的量子力學體系。此外量子力學論還是近代物理的重要組成部分，因此同學還要兼備一定的物理知識基礎。只有綜合掌握了物理和化學的相關基礎知識后，才能從本質上理解微觀化學領域各個粒子的結構與性能的特征，學懂結構化學這門課程。由此可見，該課程不管是教還是學，兩方面都存在著較大的難度。

2.理論性強。結構化學授課困難的一個重要原因就是課本中含有大量的公式推導過程，復雜的數學模型和大段的文字敘述求解過程。公式推導過程用到比較多的包括微積分、線性代數等高等數學知識。而高等數學方面向來是化學專業學生們的弱點，一步步的推導過程枯燥乏味，讓學生感覺云里霧里般，進而忙于應付求解過程忽略了公式中各個變量的深層次含義。

3.內容抽象。微觀粒子的結構和運動規律是結構化學的主要研究內容，而看不見摸不著的微觀粒子的運動給同學們學的過程帶來了一定的困難，文字敘述無法直觀表達，只能靠學生的憑空想象。因此這門課程對學生的邏輯思維能力和空間想象能力都有較高的要求。

二、結構化學課程授課過程中存在的問題及改革建議

本文作者根據自己多年的教學授課經驗，結合學生課后的反饋意見，對改革結構化學的教學方式提出了一些建議，旨在激發學生的學習興趣充分調動學生的學習積極性，活躍課堂氣氛提高課上學生的吸收率。

1.重視引導。結構化學是一門化學專業類的理論基礎課，學生們看到教材上大段的文字敘述還有繁雜的數學公式推導過程，往往還沒有開始學習就對此門課程失去了興趣。所以，在上第一節課的時候就應對學生進行正確的引導，在緒論課上給大家講述一些結構化學發展史。首先便是1900年，普朗克提出了量子假說，勇敢地打破了能量必須連續變化的經典理論，規定了以間斷形式存在的能量，電磁場中的能量和物質交換間的能量，能量子的大小同輻射頻率成正比，用普朗克常數作為二者之間的比例常數，從而得出黑體輻射能量分布公式，完美地詮釋了黑體輻射現象。其次在1905年，愛因斯坦意識到了量子化概念在微觀領域的重要性，引進了光子的概念，從而解釋了光電效應，開啟了量子力學的新篇章。學生們在聽故事的同時，會不知不覺地克服恐懼心理，激發學習的興趣。最后順著教學大綱的思路，引導大家用量子力學體系的思維去思考分析結構化學中所遇到的問題，讓同學們處于愉快的氣氛中，帶著笑容下課。

2.充分利用多媒體教學手段輔助教學。結構化學在教學內容上涉及一些相對抽象的模型，如原子軌道形狀、多原子分子的組合方式、配位化合物的配位形式、晶體的點陣結構等都涉及原子和分子的空間排布規律，這些內容要求學生具備較強的空間想象能力。傳統的板書教學方式很難將結構化學中較為抽象的理論以直觀的形式表現給同學們，大段大段的純文字描述也使得學生感到晦澀難懂。多媒體技術可以將授課內容動態化、立體化[5]，絕大多數的分子、晶體結構都可以用3D軟件結合FLASH等做成可360°觀看，任意縮放、平移、旋轉的模型，同學們可任意角度觀看，有利于鞏固加深記憶。

3.注重理論與實際的聯系。由于結構化學是一門理論基礎學科，因此學生們理解起來可能會有一定的難度，容易學過即忘，在教學過程中應讓學生通過理論聯系實際中所熟知或已學過的現象，通過類比的方法鞏固加深記憶。比如，在講晶體的宏觀對稱性時，聯系大自然，啟發學生思考：大自然雖然講究對稱美，但為什么很少有五邊形和七邊形的物體呢？由此引入晶體的空間點陣結構、對稱元素、對稱操作的概念并對對稱軸次加以證明，得出結論：晶體結構中的對稱軸次只允許存在1、2、3、4、6這五種不存在5和7，這與大自然世界的對稱美是相呼應的。而講到離域鍵的共軛效應時，以堿性條件下酚酞會變成紅色為例，結合學生高中所學知識讓學生理解酚酞變色的根本原因，主要過程是酚酞與堿性溶液發生反應，形成了離域鍵，產生了共軛效應，酚酞-堿性溶液體系能量下降，能級間隔變小，光譜偏移至可見光區，因此我們看到無色的酚酞變成了紅色。通過這種由外至內、循序漸進的引導方式使學生轉變對結構化學這門課程的印象，說明這門課程不是憑空想象漫無邊際地研究我們用不到的東西，而是服務于實踐，解釋著實踐中所遇到的問題，從而使他們樹立起學習信心，增加學習動力，真正做到課上講過的東西當堂就吸收理解掌握。

4.弱化公式推導。結構化學教學的目的就是讓同學們理解掌握結論和推導過程中各符號的物理意義及這些符號在化學中起到了什么樣的作用，有什么應用。結構化學中的公式推導過程用到的高等數學的課程知識比較多，包括微積分的多重積分求解，線性代數中的行列式求值等。而數學功底普遍是化學專業學生們的弱項，大部分所用到的數學知識又都是在大一學習的可能已經被忘到了腦后，因此在講述結構化學課本中的公式時應盡可能弱化公式推導過程，強化學生對整體大局和結論的理解，不再單獨強調詳細的求解過程。因此在講到公式部分時，首先要明確每個符號所代表的物理意義，從本質上理解結構化學這門課程，引導學生們如何去解決問題，解決問題后又能得出怎樣的結論，所得結論的實際意義是什么，然后再回到研究數學推導求解過程上。讓學生抓住該課程的主線厘清學習這門課程的基本思路，順著大綱學下去，把握住主要的大方向，這樣繼續向后面章節學習就不會出現斷層。反之如果從數學公式推導出發，進行煩瑣的化簡計算，就容易忽略需要解決的問題的主體，不知道這些純數學求解過程是要干什么，得出的結果有什么意義，事倍功半。

5.科學的完善考核機制?？荚囀墙虒W活動不可缺少的一部分，也是衡量教師授課成果和學生掌握課程情況的主要方法?，F代大學是以培養綜合創新型人才為目的的，因此在教學考核過程中，應該用科學的、多元的方式去綜合評價每個學生，拒絕一考定終身的制度，取代傳統的單一閉卷考試方法，轉變學生們認為只要死記硬背課本就能取得好成績的慣性思維。將最終成績定為三部分之和，其中，平時成績占30%；期中成績30%；期末成績40%。平時成績的30%包括課堂表現（10%）、習題作業（10%）和專業課小論文（10%）。課堂上教師有針對性地提出問題并根據學生的回答情況給出分數，既能隨時掌握學生們的學習狀況還能根據學生們的整體掌握情況隨時調整課程安排。有利于增強師生課上的互動、改變課堂沉悶的授課氛圍，培養學生們獨立自主的思考問題，討論問題，解決問題的能力，同時還可以鍛煉他們的語言表達能力和應變能力。課后的習題作業主要是引導學生正確地復習所學內容。專業小論文則偏重于考查學生查閱相關文獻、獲取知識的能力。這樣靈活的考試機制有利于引導學生改變突擊復習期末考試的方法，樹立正確的學習觀，從平時開始做到課后即復習，查漏補缺，也只有這樣才能真正達到結構化學的教學目的。

根據筆者多年來對結構化學課程改革的摸索，使用上述方法學生們學習結構化學課程的積極性明顯提高，課堂氣氛也活躍起來了，學生們愛聽了，授課效率明顯提高。

總之，結構化學是一門其中理論在實際生活中接觸較少，學習的知識內容相對抽象，老師和同學們在教與學的過程都感到較為困難的理論基礎課。教師們應精心備課，認真設計教學內容，研究課程改革，由淺入深的教學，消除學生們對課程的恐懼心理。通過一系列的改革過程，改變課堂環境，活躍課堂氣氛，讓學生體會到獨立自主創新和團隊合作精神的重要性，培養他們對問題分析和解決的能力；最后引入科學合理的考核機制對學生進行綜合評價，引導學生樹立正確的學習觀，不斷充實結構化學理論基礎知識，提高主動獲取知識、綜合運用知識的能力，培養多能創新型優秀人才。

參考文獻：

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[3]韓波.結構化學教學實踐與初探――引導啟發式教學[J].科技信息，2013，（25）：218，259.

篇10

二十世紀即將結，二十一世紀即將來臨，二十世紀是光輝燦爛的一個世紀，是個類社會發展最迅速的一個世紀，是科學技術發展最迅速的一個世紀，也是物理學發展最迅速的一個世紀。在這一百年中發生了物理學革命，建立了相對信紙和量子力學，完成了從經典物理學到現代物理學的轉變。在二十世紀二、三十年代以后，現代物理學在深度和廣度上有了進一步的蓬勃發展，產生了一系列的新學科的交叉學科、邊緣學科，人類對物質世界的規律有了更深刻的認識，物理學理論達到了一個新高度，現代物理學達到了成熟的階段。

在此世紀之交的時候，人們自然想展望一下二十一世紀物理學的發展前景，探索今后物理學發展的方向。我想談一談我對這個問題的一些看法和觀點。首先，我們來回顧一下上一個世紀之交物理學發展的情況，把當前的情況與一百年前的情況作比較對于探索二十一世紀物理學發展的方向是很有幫助的。

一、歷史的回顧

十九世紀末二十世紀初，經典物物學的各個分支學科均發展到了完善、成熟的階段，隨著熱力學和統計力學的建立以及麥克斯韋電磁場理論的建立，經典物理學達到了它的頂峰，當時人們以系統的形式描繪出一幅物理世界的清晰、完整的圖畫，幾乎能完美地解釋所有已經觀察到的物理現象。由于經典物理學的巨大成就，當時不少物理學家產生了這樣一種思想：認為物理學的大廈已經建成，物理學的發展基本上已經完成，人們對物理世界的解釋已經達到了終點。物理學的一些基本的、原則的問題都已經解決，剩下來的只是進一步精確化的問題，即在一些細節上作一些補充和修正，使已知公式中的各個常數測得更精確一些。

然而，在十九世紀末二十世紀初，正當物理學家在慶賀物理學大廈落成之際，科學實驗卻發現了許多經典物理學無法解釋的事實。首先是世紀之交物理學的三大發現：電子、X射線和放射性現象的發現。其次是經典物理學的萬里晴空中出現了兩朵“烏云”：“以太漂移”的“零結果”和黑體輻射的“紫外災難”。[1]這些實驗結果與經典物理學的基本概念及基本理論有尖銳的矛盾，經典物理學的傳統觀念受到巨大的沖擊，經典物理發生了“嚴重的危機”。由此引起了物理學的一場偉大的革命。愛因斯坦創立了相對論；海林堡、薛定諤等一群科學家創立了量子力學。現代物理學誕生了！

把物理學發展的現狀與上一個世紀之交的情況作比較，可以看到兩者之間有相似之外，也有不同之處。

在相對論和量子力學建立起來以后，現代物理學經過七十多年的發展，已經達到了成熟的階段。人類對物質世界規律的認識達到了空前的高度，用現有的理論幾乎能夠很好地解釋現在已知的一切物理現象?？梢哉f，現代物理學的大廈已經建成。在這一點上，目前有情況與上一個世紀之交的情況很相似。因此，有少數物理學家認為今后物理學不會有革命性的進展了，物理學的根本性的問題、原則問題都已經解決了，今后能做到的只是在現有理論的基礎上在深度和廣度兩方面發展現代物理學，對現有的理論作一些補充和修正。然而，由于有了一百年前的歷史經驗，多數物理學家并不贊成這種觀點，他們相信物理學遲早會有突破性的發展。另一方面，雖然在微觀世界和宇宙學領域中有一些物理現象是現代物理學的理論不能很好地解釋的，但是這些矛盾并不是嚴重到了非要徹底改造現有理認紗可的程度。在這方面，目前的情況與上一個世紀之交的情況不同。在上一個世紀之交，經典物理學發生了“嚴重的危機”；而在本世紀之交，現代物理學并無“危機”。因此，我認為目前發生現代物理學革命的條件似乎尚不成熟。

雖然在微觀世界和宇宙學領域中有一些物理現象是現代物理學的理論不能很好地解釋的，但是這些矛盾并不是嚴重到了非要徹底改造現有理認紗可的程度。在這方面，目前的情況與上一個世紀之交的情況不同。在上一個世紀之交，經典物理學發生了“嚴重的危機”；而在本世紀之交，現代物理學并無“危機”。因此，我認為目前發生現代物理學革命的條件似乎尚不成熟。客觀物質世界是分層次的。一般說來，每個層次中的體系都由大量的小體系（屬于下一個層次）構成。從一定意義上說，宏觀與微觀是相對的，宏觀體系由大量的微觀系統構成。物質世界從微觀到宏觀分成很多層次。物理學研究的目的包括：探索各層次的運動規律和探索各層次間的聯系。

回顧二十世紀物理學的發展，是在三個方向上前進的。在二十一世紀，物理學也將在這三個方向上繼續向前發展。

1）在微觀方向上深入下去。在這個方向上，我們已經了解了原子核的結構，發現了大量的基本粒子及其運規律，建立了核物理學和粒子物理學，認識到強子是由夸克構成的。今后可能會有新的進展。但如果要探索更深層次的現象，必須有更強大得多的加速器，而這是非常艱巨的任務，所以我認為近期內在這個方向上難以有突破性的進展。

2）在宏觀方向上拓展開去。1948年美國的伽莫夫提出“大爆炸”理論，當時并未引起重視。1965年美國的彭齊亞斯和威爾遜觀測到宇宙背景輻射，再加上其他的觀測結果，為“大爆炸”理論提供了有力的證據，從此“大爆炸”理論得到廣泛的支持，1981年日本的佐藤勝彥和美國的古斯同時提出暴脹理論。八十年代以后，英國的霍金[2,3]等人開始論述宇宙的創生，認為宇宙從“無”誕生，今后在這個方向上將會繼續有所發展。從根本上來說，現代宇宙學的繼續發展有賴于向廣漠的宇宙更遙遠處觀測的新結果，這需要人類制造出比哈勃望遠鏡性能更優越得多的、各個波段的太空天文望遠鏡，這是很艱巨的任務。

我個人對于近年來提出的宇宙創生學說是不太信的，并且認為“大爆炸”理論只是對宇宙的一個近似的描述。因為現在的宇宙學研究的只是我們能觀測到的范圍以內的“宇宙”，而我相信宇宙是無限的，在我們這個“宇宙”以外還有無數個“宇宙”，這些宇宙不是互不相干、各自孤立的，而是互相有影響、有作用的。現代宇宙學只研究我們這個“宇宙”，當然只能得到近似的結果，把他們的延伸到“宇宙”創生了初及遙遠的未來，則失誤更大。

3）深入探索各層次間的聯系。

這正是統計物理學研究的主要內容。二十世紀在這方面取得了巨大的成就，先是非平衡態統計物理學有了得大的發展，然后建立了“耗散結構”理論、協同論和突變論，接著混沌論和分形論相繼發展起來了。近年來把這些分支學科都納入非線性科學的范疇。相信在二十一世紀非線性科學的發展有廣闊的前景。

上述的物理學的發展依然現代物理學現有的基本理論的框架內。在下個世紀，物理學的基本理論應該怎樣發展呢？有一些物理學家在追求“超統一理論”。在這方面，起初是愛因斯坦、海森堡等天才科學家努力探索“統一場論”；直到1967、1968年，美國的溫伯格和巴基斯坦的薩拉姆提出統一電磁力和弱力的“電弱理論”；目前有一些物理學家正在探索加上強力的“大統一理論”以及再加上引力把四種力都統一起來的“超統一理論”，他們的探索能否成功尚未定論。

愛因斯坦當初探索“統一場論”是基于他的“物理世界統一性”的思想[4]，但是他努力探索了三十年，最終沒有成功。我對此有不同的觀點，根據辯證唯物主義的基本原理，我認為“物質世界是既統一，又多樣化的”。且莫論追求“超統一理論”能否成功，即便此理論完成了，它也不是物理學發展的終點。因為“在絕對的總的宇宙發展過程中，各個具體過程的發展都是相對的，因而在絕對真理的長河中，人們對于在各個一定發展階段上的具體過程的認識只具有相對的真理性。無數相對的真理之總和，就是絕對的真理?！薄叭藗冊趯嵺`中對于真理的認識也就永遠沒有完結?！盵5]

現代物理學的革命將怎樣發生呢？我認為可能有兩個方面值得考試：

1）客觀世界可能不是只有四種力。第五、第六……種力究竟何在呢？現在我們不知道。我的直覺是：將來最早發現的第五種力可能存在于生命現象中。物質構成了生命體之后，其運動和變化實在太奧妙了，我們沒有認識的問題實在太多了，我們今天對于生命科學的認識猶如亞里斯多德時代的人們對于物理學的認識，因此在這方面取得突破性的進展是很可能的。我認為，物理學業與生命科學的交叉點是二十一世紀物理學發展的方向之一，與此有關的最關于復雜性研究的非線性科學的發展。

2）現代物理學理論也只是相對真理，而不是絕對真理。應該通過審思現代物理學理論基礎的不完善性來探尋現代物理學革命的突破口，在下一節中將介紹我的觀點。

三、現代物理學的理論基礎是完美的嗎？

相對論和量子力學是現代物理學的兩大支柱，這兩大支柱的理論基礎是否十全十美的

呢？我們來審思一下這個問題。

1）對相對論的審思

當年愛因斯坦就是從關于光速和關于時間要領的思考開始，創立了狹義相對論[1]。我們今天探尋現代物理學革命的突破口，也應該從重新審思時空的概念入手。愛因勞動保護坦創立狹義相對論是從講座慣性系中不同地點的兩個“事件”的同時性開始的[4]，他規定用光信號校正不同地點的兩個時鐘來定義“同時”，這樣就很自然地導出了洛侖茲變換，進一步導致一個四維時空（x，y，z，ict）（c是光速）。為什么愛因勞動保護擔提出用光信號來校正時鐘，而不用別的信號呢？在他的論文中沒有說明這個問題，其實這是有深刻含意的。

時間、空間是物質運動的表現形式，不能脫離物理質運動談論時間、空間，在定義時空時應該說明是關于什么運動的時空?，F代物理學認為超距作用是不存在的，A處發生的“事件”影響B處的“事件”必須通過一定的場傳遞過去，傳遞需要一定的時間，時間、空間的定義與這個傳遞速度是密切相關的。如果這種場是電磁場，則電磁相互作用傳遞的速度就是光速。因此，愛因斯坦定義的時空實際上是關于由電磁相互作用引起的物質運動的時空，適用于描述這種運動。

愛因斯坦把他定義的時間應用于所有的物質運動，實際上就暗含了這樣的假設：引力相互作用的傳遞速度也是光速c.但是引力相互作用是否也是以光速傳遞的呢？令引力相互作用的傳遞速度為c＇。至今為止，并無實驗事實證明c＇等于c。愛因斯坦因他的“物質世界統一性”的世界觀而在實際上假定了c=c＇。我持有“物質世界既統一，又多樣化的”以觀點，再加之電磁力和引力的強度在數量級上相差太多，因此我相相信c＇可能不等于c。工樣，關于由電磁力引起的物質運動的四維時空（x，y，z，ict）和關于由引力引起的運動的時空（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）是不同的。如果研究的問題只涉及一種相互作用，則按照現在的理論建立起來的運動方程的形式不變。例如，愛因斯坦引力場方程的形式不變，只需把常數c改為c＇。如果研究的問題涉及兩種相互作用，則需要建立新的理論。不過，首要的事情是由實驗事實來判斷c＇和c是否相等；如果不相等，需要導出c＇的數值。

我在二十多年前開始形成上述觀點，當時測量引力波是眾所矚目的一個熱點，我曾對那些實驗寄予厚望，希望能從實驗結果推算出c＇是否等于c。令人遺憾的是，經過長斯的努力引引力波實驗沒有獲得肯定的結果，隨后這項工作冷下去了。根據愛國斯坦理論預言的引力波是微弱的，如果在現代實驗技術能夠達到的測量靈敏度和準確度之下，這樣弱的引力波應該能夠探測到的話，長期的實驗得不到肯定的結果似乎暗示了害因斯坦理論的缺點。應該從c＇可能不等于c這個角度來考慮問題，如果c＇和c有較大的差異，則可能導出引力波的強度比根據愛因勞動保護坦理論預言的強度弱得多的結果。

弱力、強力與引力、電磁力有本質的不同，前兩者是短程力，后兩者是長程力。不同的相互作用是通過傳遞不同的媒介粒子而實現的。引力相互作用的傳遞者是引力子；電磁相互作用的傳遞者是光子；弱相互作用的傳遞者是規范粒子（光子除外）；強相互作用的傳遞者是介子。引力子和光子的靜質量為零，按照愛因斯坦的理論，引力相互作用和電磁相互作用的傳遞速度都是光速。并且與傳遞粒子的靜質量和能量有關，因而其傳遞速度是多種多樣的。

在研究由弱或強相互作用引起的物質運動時，定義慣性系中不同的地點的兩個“事件”的“同時”，是否應該用弱力或強力信號取代光信號呢？我對核物理學和粒子物理學是外行，不想貿然回答這個問題。如果應該用弱力或強力信號取代光信號，那么關于由弱力或強力引起的物質運動的時空和關于由電磁力引起的運動的時空（x，y，z，ict）及關于由引力引起的運動的時空（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）

有很大的不同。設弱或強相互作用的傳遞速度為c＇＇，c＇＇不是常數，而是可變的，則關于由弱或強力引起的運動的時空為（x＇＇，y＇＇，z＇＇，Ic＇＇t＇＇），時間t＇＇和空間（x＇＇，y＇＇，z＇＇）將是c＇的函數。然而，很可能應該這樣來考慮問題：關于由弱力引起的運動的時空，在定義中應該以規范粒子的靜質量取作零時的速度c1取代光速c。由于“電弱理論”把弱力和電磁力統一起來了，因此有可能c1=c，則關于由弱力引起的運動的時空和關于由電磁力引起的運動的時空是相同的，同為（x，y，z，ict）。關于由強力引起的運動的時空，在定義中應該以介子的靜質量取作零（在理論上取作零，在實際上沒有靜質量為零的介子）時的速度c＇＇取代光速c，c＇＇可能不等于c。則關于由強力引起的運動的時空（x＇＇，y＇＇，z＇＇，Ic＇＇t＇＇）不同于（x，y，z，ict）或（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）。無論上述兩種考慮中哪一種是對的，整個物質世界的時空將是高于四維的多維時空。對于由短程力（或只是強力）引起的物質運動，如果時空有了新的一義，就需要建立新的理論，也就是說需要建立新的量子場論、新的核物理學和新的粒子物理學等。如果研究的問題既清及長程力，又涉及短程力（尤其是強力），則更需要建立新的理論。

1）對量子力學的審思

從量子力學發展到量子場論的時候，遇到了“發散困難”[6]。1946——1949年間，日本的朝永振一郎、美國的費曼和施溫格提出“重整化”方法，克服了“發散困難”。但是“重整化”理論仍然存在著邏輯上的缺陷，并沒有徹底克服這一困難。“發散困難”的一個基本原因是粒子的“固有”能量（靜止能量）與運動能量、相互作用能量合在一起計算[6]，這與德布羅意波在υ=0時的異性。

現在我陷入一個兩難的處境：如果采用傳統的德布羅意關系，就只得接受不合理的德布羅意波奇異性；如果采納修正的德布羅意關系，就必須面對使新的理論滿足相對論協變性的難題。是否有解決問題的其他途徑呢？我認為這個問題或許還與時間、空間的定義有關?，F在的量子力學理論中時寬人的定義實質上依然是決定論的定義，而不確定原理是微觀世界的一條基本規律，所以時間、空間都不是嚴格確定的，決定論的時空要領不再適用。在時間或空間的間隔非常小的時候，描寫事情順序的“前”、“后”概念將失去意義。此外，在重新定義時空時還應考慮相關的物質運動的類別。模糊數學已經發展得相當成熟了，把這個數學工具用到微觀世界時空的定義中去可能是很值得一試的。

1）在二十一世紀物理學將在三個方向上繼續向前發展（1）在微觀方向上深入下去；（2）在宏觀方向上拓展開去；（3）深入探索各層次間的聯系，進一步發展非線性科學。

2）可能應該從兩方面去控尋現代物理學革命的突破口。（1）發現客觀世界中已知的四種力以外的其他力；（2）通過審思相對論和量子力學的理論基礎，重新定義時間、空間，建立新的理論

3）由于現代物理學尚未發生“危機”，因此目前發生現代物理學革命的條件也許還不成熟，物理學的發展和物理學革命都有賴于在物理實驗和對客觀物質世界的觀測中獲得新的結果，實驗和觀測是發展物理學的量重要手段，這是我們要關注的首要問題。然而，科學的發展和物理學的發展有本身的邏輯，符合客觀規律的、有真知灼見的思維也是一個關鍵。