量子力學中的基本假設范文

導語：如何才能寫好一篇量子力學中的基本假設，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。

篇1

內容簡介：共分光和光的傳播，幾何光學成像，干涉，衍射，變換光學與全息照相，偏振，光與物質的相互作用、光的量子性等七章和兩個附錄。

2、《量子力學教程》，作者：周世勛。

內容簡介：包括緒論、波函數和薛定諤方程、量子力學中的力學量、態和力學量的表象、微擾理論、散射、自旋與全同粒子等七章。書中在闡述表象理論的基礎時，引入了近代文獻通用的狄喇克符號，還通過線性諧振子的例子介紹了占有數表象。

3、《量子力學》，作者：高守恩、楊建宋。

篇2

關鍵詞:量子力學;量子測量;偏振

中圖分類號:O413．1 文獻標識碼:A 文章編號:1000-0712(2016)03-0005-03

量子力學是近代物理學的基礎，并且其應用領域已延伸至化學、生物等許多交叉學科當中，這一課程已成為當今大學生物理教學中一個極為重要的組成部分．由于量子力學主要是描述微觀世界結構、運動與變化規律的學科，微小尺度下的許多自然現象與人們日常生活經驗相距甚遠，量子力學的概念有悖于人們的直覺，難以被初學者接受．如果在教學中能夠結合具體的物理實驗，從現象到本質引導學生思考，就可以使抽象的量子概念落實到對具體實驗現象的歸納總結上來．偏振光實驗是一個現象直觀而且學生容易操作的普通物理實驗，在學生掌握的已有知識基礎上，進行新內容的教學，符合初學者的認知規律．利用光的偏振現象來闡述量子力學基本概念已被一些國內外經典教材采納，如物理學大師狄拉克所著的《量子力學原理》［1］，費因曼所著的《費因曼物理學講義》［2］，曾謹言教授所著的《量子力學卷1》［3］，趙凱華、羅蔚茵教授合著的《量子物理》［4］等教材．在本文中，筆者結合自己的教學體驗，著重從可觀測量和測量的角度來考慮問題，在以上經典教材的基礎上，進一步整理和挖掘光子偏振所能體現的量子力學基本概念．從量子力學的角度對偏振實驗現象進行分析，使同學們對態空間、量子力學表象、波函數統計解釋、態疊加原理等量子力學概念有一個直觀形象的認識，領會量子力學若干基本假定的內涵思想．最后，從量子角度分析了一個有趣的偏振光實驗，加深學生對量子力學基本概念的理解，并展示了量子力學的奇妙特性．

1偏振光實驗的經典解釋

如圖1(a)所示，沿著光線傳播的方向，順次擺放兩個偏振片P1、P2．光束經過P1后變為與其透振方向一致且光強為I0的偏振光．兩偏振片P1和P2的透振方向之間夾角為θ，由馬呂斯定律可知，透過偏振片P2的光的強度為I0cos2θ．按照經典的光學理論，此現象可理解如下:在一個與光傳播方向垂直的平面內選定一個xy平面直角坐標系，這里為了描述問題的方便，選定x軸沿P2的透振方向．如圖1(b)所示，透過偏振片P1的光電場矢量E可分解為兩個分量:沿x方向振動的電場矢量Ex和沿y方向振動的電場矢量Ey．偏振光照射到P2偏振片時，投影到y方向的電場矢量被吸收，投影到x方向的電場矢量透過，振幅增加了一個常數因子cosθ，因而強度變為原來的cos2θ倍，這正是馬呂斯定律所給出的結果．

2偏振光實驗體現的量子力學概念

下面我們由偏振光的實驗現象出發，引出量子態、態空間等量子概念，并用量子力學的語言來描述單個光子與偏振片發生相互作用的過程，討論在多個光子情況下的量子行為與馬呂斯定律的一致性．

2．1量子態

從實驗得知，當線偏振光用于激發光電子時，激發出的光電子分布有一個優越的方向(與光偏振方向有關)，根據光電效應，每個電子的發射對應吸收一個光子，可見，光的偏振性質是與它的粒子性質緊密聯系的，人們必須把線偏振光看成是在同一方向上偏振的許多光子組成，這樣我們可以說單個光子處在某個偏振態上．沿x方向偏振的光束里，每個光子處在|x〉偏振態，沿y方向偏振的光束中，每個光子處在|y〉偏振態．假設我們在實驗中把光的強度降到足夠低，以至于光子是一個一個到達偏振片的．在圖1所示的例子中，通過P1偏振片的光子處在沿P1透振方向的偏振態上，如果P2與P1透振方向一致(θ=0)，則此光子完全透過P2，如果P2與P1透振方向正交(θ=π/2)，則被完全吸收．如果P1與P2透振方向之間角度介于兩者之間，會是一種什么樣的情形，會不會有部分光子被吸收，部分光子透過的情況發生，但是實驗上從來沒有觀察到部分光子的情形，只存在兩種可能的情況:光子變到量子態|y〉，被整個吸收;或變到量子態|x〉，完全透過．下面我們用量子力學的語言來描述單個光子與偏振片發生相互作用的過程，引入量子測量、態空間、表象、態疊加原理、波函數統計解釋等量子概念．

2．2量子測量、態空間、表象

單個光子與偏振片發生相互作用的過程，可以看成是一個量子測量的過程，偏振片作為一個測量裝置，迫使光子的偏振態在透振方向和與其相垂直的方向上作出選擇，測量的結果只有兩個，透過或被吸收，透過光子的偏振方向與透振方向一致，被吸收光子的偏振方向與透振方向垂直，可見光子經過測量后只可能處在兩種偏振狀態，這正是量子特性的反應．在量子力學中，針對一個具體的量子體系，對某一力學量進行測量，測量后得到的值是這一力學量的本征值，我們稱它為本征結果，相應的量子態坍縮到此本征結果所對應的本征態上，所有可能的本征態則構成一組正交、規一、完備的本征函數系，此本征函數系足以展開這個量子體系的任何一個量子態．很自然，我們在這里把經過偏振片測量后，所得到的兩種可能測量結果(透過或吸收)作為本征結果，它們分別對應的兩種偏振狀態，此兩種偏振狀態可以作為正交、規一、完備的函數系，組成一個完備的態空間，任何偏振態都可以按照這兩種偏振態來展開，展開系數給出一個具體的表示，這就涉及到量子力學表象問題．在量子力學中，如果要具體描述一個量子態通常要選擇一個表象，表象的選取依據某一個力學量(或力學量完備集)的本征值(或各力學量本征值組合)所對應的本征函數系，本征函數系作為正交、規一、完備的基矢組可以用來展開任何一個量子態，展開系數的排列組合給出某一個量子態在具體表象中的表示．結合我們的例子，組成基矢組的兩種偏振狀態取決于和光子發生相互作用的偏振片，具體說來是由偏振片的透振方向決定．在具體分析問題時，為了處理問題的方便，光子與哪一個偏振片發生相互作用，在數學形式上，就把光子的偏振狀態按照此偏振片所決定的基矢組展開，這涉及到怎么合理選擇表象的問題．

2．3態疊加原理、波函數統計解釋

以上簡單的試驗也可以作為一個形象的例子來說明量子力學中的態疊加原理．態疊加原理的一種表述為［5］:設系統有一組完備集態函數{φi}，i=1，2，．．．，t，則系統中的任意態|ψ〉，可以由這組態函數線性組合(疊加)而成(1)另一種描述為:如果{φi}，i=1，2，．．．，t是體系可以實現的狀態(波函數)，則它們的任何線性疊加式總是表示體系可以實現的狀態．在我們的例子中，任何一個偏振片所對應的透振態和吸收態構成完備集態函數，任何一個偏振態都能夠在以此偏振片透振方向所決定的基矢組中展開，參照圖1所示，通過偏振片P1的偏振態可以在以偏振片P2透振方向所決定的基矢組{|x〉，［y)}中表示為(2)相反，|x〉、|y〉基矢的任意疊加態也都是光子可能實現的偏振態．量子力學還假定，當物理體系處于疊加態式(1)時，可以認為體系處于φi量子態的概率為|ci|2．從前面的分析我們知道，當用偏振片P2對偏振態|P1〉進行測量時，此狀態隨機地坍縮到|x〉偏振態或|y〉偏振態，坍縮到|x〉偏振態的概率為cos2θ，也就是單個光子透過偏振片的概率，多次統計的結果恰好與馬呂斯定律相對應，這充分體現了波函數的概率統計解釋．

3典型例子

在教學中我們可以引入一個有趣形象的例子，進一步加深對量子力學基本概念的理解．如圖2(a)所示，一束光入射到兩個順序排列的偏振片上，偏振片P3的透振方向相對于偏振片P1的透振方向順時針轉過90°角，我們不妨在一個與光傳播方向垂直的平面內選定一個xy平面直角坐標系，P1的透振方向沿x軸，P3的透振方向沿y軸．光通過偏振片P1后變成光強為I0的偏振光，偏振方向與偏振片P1透振方向平行，但與P3的透振方向垂直，則光完全被偏振片P3吸收，不能透過．下面我們將看到一個有趣的現象，在偏振片P1和偏振片P3間插入一個偏振片P2，其透振方向在P1和P3之間，這時光竟可以透過P3偏振片．對此試驗，我們可由馬呂斯定律給出經典的解釋．我們不妨設P2的透振方向相對于P1順時針轉過45°角，通過偏振片P1后，變為光強是I0的偏振光，且偏振方向與P1透振方向一致;再通過偏振片P2后，光強變為I0/2，偏振方向沿順時針轉過45°角，與偏振片P2透振方向一致;最后通過偏振片P3后，光強進一步減弱為I0/4，偏振方向又沿順時針改變45°角，與偏振片P3透振方向一致．可以看到一個有趣的現象，雖然介于偏振片P1和P2間的光束其偏振方向與偏振片P3的透振方向正交，但最后透過偏振片P3的光束其偏振方向卻恰恰沿偏振片P3的透振方向，這正是中間偏振片P2所起的作用．下面用我們前面分析偏振光與偏振片相互作用過程中，所建立起來的量子概念給出具體解釋．取直角坐標系xy，x軸沿偏振片P1的透振方向，基矢組為{|x〉，［y)};由偏振片P2的透振方向所決定的基矢組為{|x'〉，［y')}，其透振方向沿x'方向，如圖3所示，兩組基矢之間的關系可表示為(3)由偏振片P3所決定的基矢組仍為{|x〉，|y〉}，不過透過的光子處在|y〉基矢態．光子透過偏振片P1后，其偏振狀態處在|x〉態，由式(3)，此狀態可以按P2的基矢組展開為(4)根據式(4)，經過P2偏振片的測量，光子有1/2的概率坍縮到|x'〉態，光子透過P2，有1/2的概率坍縮到|y'〉態，光子被吸收．由式(3)，|x'〉態在由偏振片P3所決定的基矢組同樣展開為3的測量下，偏振狀態發生改變，有1/2的概率坍縮到|y〉態，透過偏振片，有1/2的概率坍縮到|x〉態，被偏振片吸收，總體來說透過偏振片P1的光子有1/4的概率透過偏振片P3，與經典的馬呂斯定律相一致．特別注意到光子透過偏振片P1后，狀態為|x〉態，與|y〉態正交，沒有|y〉態的組分，但光子透過偏振片P3后卻正處在|y〉態，這充分體現了測量可以使量子態改變的量子假定，展示了量子測量的奇妙特性．

4總結

結合對偏振光實驗的量子解釋，我們分析了若干重要的量子力學概念．但嚴格說來，光子的問題不屬于量子力學問題，只有在量子場論中才能處理．采用光子的偏振情形來討論某些量子概念，理論上雖稍欠嚴謹，但如上文所述，確實能夠直觀形象地反映量子力學中的若干基本假定，使抽象的量子力學概念落實到對具體實驗的分析中來，易于被初學者接受，我們不妨在學生開始學習量子力學時引入此例，有助于學生理解抽象的量子概念，領會量子力學的思維方式．

參考文獻:

［1］狄拉克．量子力學原理［M］．北京:科學出版社，1966．

［2］費因曼．費因曼物理學講義［M］．上海:上?？茖W出版社，2005．

［3］曾謹言．量子力學卷1．［M］．北京:科學出版社，2006．

［4］趙凱華，羅蔚茵．量子物理［M］．北京:高等教育出版社，2001．

篇3

摘要：量子力學與相對論一起被認為是現代物理學的兩大基本支柱。隨著數字媒體業的迅猛發展，當今世界已進入信息風暴的時代，媒體與藝術的高結合性與訴求性使人們不得不用科學的眼光重新審視。本文從兩種科學理論出發，闡述媒體與藝術的科學特性，同時將科學的研究方法融入媒體與藝術的研究當中，提出傳播擴展粒度的新觀念，有助于判定數字媒介擴展空間量的大小。

關鍵詞：量子力學；相對論；媒體；傳播擴展粒度；藝術；科學

隨著媒體業的迅猛發展，當今世界已進入信息風暴的時代，媒體與藝術的高結合性與訴求性使人們不得不用科學的眼光重新審視。清華大學是中國最重要的高等學府之一，同時也是國家核心研究機構。在清華大學設有“藝術科學中心媒體實驗室”，將藝術與科學的融合視為21世紀高等教育的重要命題。由此可見，對媒體、藝術與科學三者的融合研究具在時代價值。

目前研究者們依托于前沿的科學理論和技術成果，在數字媒體方向不斷創新，采用新的藝術技法和表達媒介，彰顯人文關懷與藝術反思，表現出鮮明的生態文化特征和信息文化特征。[1] 在探求媒體、藝術、科學三者之間的關系以及未來的發展趨勢時，很多專家學者從技術應用的角度進行推測與分析。本文另辟蹊徑，從物理學兩大基本理論――量子力學與相對論出發，將科學的研究方法融入“大媒體”、“大藝術”的研究當中，提出傳播擴展粒度的新觀念。

1 科學與媒體的分類與特性

（1）兩大科學基本支柱。1）量子力學。量子力學是描寫微觀物質的一種物理學理論。馬克斯?普朗克在1900年提出能量量子化假設。假定電磁波的發射和吸收不是連續的，而是一份一份地進行的，計算的結果才能和試驗結果相符。量子力學測量時假設的顯態與實際微觀體系中的隱態，造就了量子力學的前提。2）相對論。在狹義相對論中，愛因斯坦將空間與時間聯系起來。認為物理的現實世界由時空坐標t和空間坐標x、y、z組成的，構成了四維的明可夫基里平直時空。在相對論中，用四維方式考察現實世界，能量與動量構成一個不可分割的整體――四維動量，自然界一些看似毫不相干的量之間可能存在深刻的聯系。

（2）媒體的分類與特性。1）媒體分類。從技術角度分類，可以分為感覺媒體、表示媒體、呈現媒體、存儲媒體、傳輸媒體。按照感覺器官來分可以分為視覺媒體、聽覺媒體、視聽媒體。媒體按照使用媒介的不同可以分為數字媒體和傳統媒體。[2]2）媒體特性。數字媒體和傳統媒體共有的特性均具有傳播性。數字媒體較之傳統媒體又具有交互性，例如游戲及動態網站與受眾間的交互性信息傳遞。同時藝術與技術的結合，打造了1+1≠1的效果。相對于傳統媒體，數字媒體不但具有共同的社會屬性，更具有個性。例如一些網上的個以及可以按照個性定制的交互式服務。另外數字媒體相對比較環保綠色，同一時間段內覆蓋面積更大、受眾更多、相對成本更低廉、單位性價比更高、更容易共享和傳播、藝術形態更多樣。數字媒體帶給人們全新的生活方式，改變了人的思維和生活的方式。

2 媒體、藝術與科學的關系

（1）媒體、藝術與科學是密不可分、相互滲透的。媒體是藝術與科學的承載。而數字媒體平臺與網絡又是建立在迅速發展的科學技術基礎之上。當利用技術手段搭建的平臺在運營的過程中，根據受眾的需求又有藝術的訴求。藝術離不開科學，沒有媒體與科學對藝術的詮釋，藝術只是一句空談。例如音樂的展現需要有播放的平臺、相關設備及環境、錄音技術手段的支持；優美的圖畫需要紙張等媒介以及繪畫技法來表現；震撼清晰的畫面需要高質量的播放平臺與優良的制作技術。

（2）藝術與科學是相通的。有人說：每個人都是天生的藝術家。藝術來源于生活，是人感官的享受?？茖W來源于自然，是人類探求真理的結晶，電影、電視、游戲等均是藝術與科學技術結合的產物。

（3）借助媒體，藝術與科學的發展是相互促進的。隨著物質文明與精神文明的發展，人類在精神世界的訴求急于尋求實現的平臺與途徑。社會觀念的變革、人類思想的解放、對美好事物的追求促進科學技術的更新發展。與此同時，科學技術的變革反作用于藝術理念的提升，使人們站在一個新的平臺上審視藝術。十報告中指出“促進文化和科技融合，發展新型文化業態，提高文化產業規?；?、集約化、專業化水平?！背浞煮w現了三者間的關系。[3] 媒體、藝術與科學在當今“信息風暴”的時代是相互促進、相互滲透的。

3 媒體、藝術的科學性論述

量子理論與相對理論較好的詮釋了媒體、藝術的科學性。

3.1 量子力學與相對論在藝術創造中的體現

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

篇4

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

關鍵詞： 研究生教育;唯物主義;物理主義

Key words： postgraduate education; materialism; physicalism

中圖分類號：B0-0 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2015）04-0325-02

0 引言

如何界定物質與意識二者的主客關系歷來是唯物主義與唯心主義渭涇之分的界河。辯證唯物主義物質本體論認為世界根源是物質，世間的一切都要歸于物質。各種看上去似乎非物質的事物，如：生命、意識、道德、社會等表象，本質都為物質，它們的存在皆依附于物質的存在，性質由物質所決定[1]。辯證唯物主義是以物質為核心的一元論科學，是近代哲學理論的精髓之一[2]。唯心主義認為物質及其屬性只是一種表象，不具有第一性，真正實在的是非物質的，物質世界的存在依賴于某種獨立存在的心靈[3]?？陀^唯心主義代表人物柏拉圖認為“真正實在的某種抽象非物質屬性或結構的存在不依賴于時空，可以是永恒不變的形式或共相”，而主觀唯心主義典型代表貝克萊則認為“物質世界的存在依賴于某種獨立存在的心靈”。上世紀中葉，經過實證主義和行為主義大潮洗滌，唯心主義已黯然失色，悄然離去。

1 唯物主義與物理主義

“原子”這一概念源于古希臘自然哲學家留基波和德謨克利特，他們提出的原子論代表了唯物主義對于物質本性的一種主要理論觀點――辯證唯物主義世界觀。辯證唯物主義者認為世間一切都是物質的――物質本體論。物質由原子構成，而原子是一些微小的粒子，是最小單元，它們在不停地運動著。這些微粒不會消亡也不會再生、它們具有一定的質量、占據時空、靠原子間的碰撞聚集形成宏觀物體――“原子旋渦”學。然而，二十世紀初，隨著科學家對原子內部結構認識的深入，厄內斯特?盧瑟福提出原子結構理論并發表最重要的科學文章：在《哲學研究》上發表兩篇《物質對α、β粒子的散射和原子的結構》（1911）、《原子的結構》（1914），這種觀點被徹底顛覆[4，5]。同時，伴隨著電子、質子、中子、光子、聲子、輕子、介子和中微子等不斷地相繼被發現，人們發現粒子是可再分的，并將基本粒子歸于四大類：夸克、輕子、規范玻色子和希格斯粒子，成功建立了粒子物理標準模型，在數百種眾多的基本粒子中除光子、中微子、電子、質子等少數粒子性能穩定與壽命長外，其它都瞬息即逝，粒子也可消亡[6]。辯證唯物主義的物質觀受到猛烈沖擊與撼動，從而，促使人類以全新的視角重新審視物質。

20世紀50年代，人類開始研究時間非對稱理論，玻耳茲曼格子方法得到推廣應用。量子力學、宇宙學、耗散結構、混沌等物理學初露，1964年貝爾建立一套定域實在論并得到貝爾不等式，美國物理學家萊格特2003年建立一套非定域實在論，并推證得到萊格特不等式。量子力學公設與經典物理學有著本質的不同，它給予概率基礎地位。玻爾指出：“量子理論精髓，可以用量子公設表示”。量子力學以薛定諤方程為基礎，核心是幾率因果性和物理實在問題，用主量子數n、角量子數I、磁量子數m、自旋量子數ms等四個量子態概念表征微觀體系狀態，深化了人們對物理實在的理解?；诂F代物理學理論，無論物質以何種形式存在，辯證唯物主義提到的物質將不再是唯一實在的。在現代物理學沖擊下，傳統物質觀變得不甚一擊，此時，唯物主義者已難以給出“物質”精準定義。恩格斯指出：“隨著自然科學領域中每一個劃時代的發現，唯物主義也必然要改變自己的形式”。為此“物理主義”應運而生，唯物主義遞升為物理主義。物理主義規避了唯物主義者面對的難題，承繼著唯物主義傳遞的火炬，繼續與唯心主義抗衡?！拔锢碇髁x”被視為唯物主義在當代的發展，是唯物主義最新翻版，最新形式。物理主義者視自己為唯物主義繼承人，發揚了唯物主義。

2 物理主義的掘起

所謂物理主義是從心靈哲學中發展起來的一種形而上學的觀點[7]，最早由紐拉特和卡爾納普在1930年將“物理主義”一詞引入哲學領域，并將其視為一個語義學論點。物理主義的核心是“一切都是物理的”。目前，存在十多個版本的物理主義，包括：先天物理主義、后天物理主義、戴維森的非還原物理主義、還原式物理主義等。嚴格地講，物理主義僅僅是關于心靈或心身關系的一個形而上學的綱領。物理主義哲學家希望通過物理方法證明現實世界的物理特性一定會決定現實世界相對應的意識感受特性。各種版本的物理主義都是對心理―物理關系的一種解答[8]。在眾多的版本中，本體論自然主義具有最強音。本體論是一種追求“本質”，“真理”的哲學理論。如：對原子結構的闡釋應用的是量子場中粒子本體論及規范場論中的規范玻色子。自然主義認為自然科學方法是最可靠的、也是唯一可靠的認識世界的方法。將物理主義看成自然主義，主要根源是大多數的物理主義者同時也是自然主義者。馬克思的所謂自然主義是指用自然界及其規律來解釋一切的學說[9]。

物理主義存在兩大論證：方法論自然主義和因果閉合性。

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

18世紀，康德提出了太陽系起源的星云學說，原子論和元素論開創了化學實驗的科研模式，最終建立了現代原子學說。熱質說和以太說引領了熱力學、光學和電磁波理論的發展。量子規范場論和粒子物理標準模型的成功，標志著理論物理學的建立。達爾文的進化論、牛頓的能量守恒定律、德國生物學家M.J.施萊登和T.A.H.施萬提出的細胞學說、托馬斯―摩爾根創建的現代基因學說，這些自然科學結論在一定程度上揭示了自然界在特定領域中的普遍存在的內在規律，從而證明物理科學理論是一個封閉系統[10]。早在1970年斯泰因已指出：“量子場論是形而上學研究的當代焦點”。薛定諤方程只適用于封閉量子系統，量子態遵循決定論的演化。凝聚態物理學的自發性對稱破缺概念啟示人類，心靈是一種隨對稱性降低、復雜性增加和自組織發展而突現的高級性質。20世紀理論物理學的兩大進展，廣義相對論的創立和量子力學的興起，從兩個不同的角度對經典物理學發起挑戰，廣義相對論重創了粒子或場所處的經典時空概念，量子力學否定了經典物質概念。若將宇宙作為一整體研究，量子力學適用范圍受到制約，出現了邊界效應，量子力學與廣義相對論對“黑洞―萬有引力”現象的解釋相悖論，為此，需要建立新的“量子引力”理論，包括大爆炸和弦理論。這就是物理主義的因果閉合性的典型表現。

3 研究生教育中“物理主義”滲透

工科研究生教學中觸及的“物理主義”概念繁雜、精深，如何在教學中向學生滲透“物理主義”概念、思維及方法，如何培養學生的懷疑批判精神，培養學生的工程哲學理念與思想，是每位研究生導師的必修課。

工程哲學思想的起源可追溯到19世紀早期至20世紀中葉，“工程哲學”概念通常是指建立在技術哲學基礎上的一種新的哲學語義詞。工程哲學主要涉及工程本體論、工程知識、工程倫理、工程設計、工程教育等內容，這些知識在工科研究生教學中舉足輕重，研究生導師必須清楚理解、掌握并深入研究，才能更好的指導學生。

工科碩士研究生畢業后多數從事工程技術工作或工程活動，所謂工程技術工作或工程活動是通過某個群體或個體的勞動創造使用價值的過程。工程活動包含微觀、中觀、宏觀三個層次[11]，微觀層次涉及工程設計人員、工程項目和工程企業，中觀層次涉及產業、集群、區域，宏觀層次涉及國家乃至全球工程整體，需要多維度的組織與管理。針對這一現象，工科碩士研究生在校的工程教育問題尤為重要，主要是工程學科專業課程設置的科學性、適用性、前瞻性、工程學位審定的合理性與公允性等。工程設計是工科研究生主要訓煉項目，涉及不同工程領域中不同設計方法的講授、工程設計思維的培養及訓煉、工程設計能力的實踐鍛煉等，導師應當從具體的案例分析入手對上述各問題進行闡述，在教授過程中伴隨著物理主義思想的“滲透”。

參考文獻：

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[7]張志林.物理主義是形而上學嗎？[J].自然辯證法通訊，2013，35（03）：7-12.

[8]劉玲.物理主義應當如何回應知識論證？[J].哲學研究，2011（10）：86-93.

[9]劉琳.馬克思《資本論》及手稿中的自然主義哲學批判[J].生產力研究，2012（09）：12-14.

[10]愛因斯坦，英費爾德.物理學的進化[M].周肇威，譯.上海：上?？茖W技術出版社，1962.

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

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篇5

假如地球完全由質子構成，而月球完全由電子構成，那會如何？

這是一個頗具破壞性的假設場景。

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

如果將兩個電子放在一起，二者會相互排斥，努力飛離對方。電子帶負電荷，電荷間的斥力強于它們間的引力約20個數量級。

如果將1052個電子放到一起構成一個月球，它們間的斥力之強可想而知。事實上，強大的斥力將使每個電子都被難以想象的巨大能量猛力推開。

在本文假設的這種場景下，上文所說的那種行星模型更是大錯特錯。月球不會環繞地球，因為它們之間幾乎無法相互影響。（我的意思是，此處現實中的月球被替換成一個與其質量和大小都相當的、由電子組成的球體，質子地球的情況與此相同。其實還有其他解釋，但這不影響最終的結果。）企圖相互分離的斥力將遠遠大于它們之間的引力。

如果我們暫時忽略廣義相對論（當然我們不能完全否定它，總還是要回到廣義相對論的），就能計算得出這樣的結論：電子間相互排斥的能量能夠將它們的速度加快到接近光速（但不會超過光速。此情景下我們姑且忽略廣義相對論，但狹義相對論仍要遵守）。加速粒子達到這樣的高速并不罕見，一臺桌面粒子加速器就可以將電子加速到接近光速。但是，本文假設的月球的能量大大超過普通加速器所能達到的級別，要比普朗克能量還高出幾個數量級，即使是最大的加速器，也遠遠達不到這個能量水平。換句話說，這里提出的這個問題，已經超出目前的物理學水平，進入更高級別的理論領域，比如量子引力和弦理論領域了。

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

基勒博士同意我們的觀點，即我們不能寄希望于計算出每個電子攜帶的能量，以此來解決這個問題，因為這遠遠超出了目前已有加速器所能進行的實驗范圍?！拔也幌嘈艈蝹€粒子的能量能超出普朗克能量。目前觀測到的最大能量來自宇宙射線，大約超過大型強子對撞機的106倍，但這仍然小于普朗克能量。作為一名弦理論學家，我想說，任何事情都有可能發生，但事實究竟是怎樣的，我們確實一無所知?！?/p>

幸運的是，故事遠沒有結束。你還記得嗎，我們最初假設忽略廣義相對論不計。那么，在一個非常非常特殊的情況下，引入廣義相對論會使問題變得易于解決。

在這種情形下，存在巨大的潛在能量――所有電子爆炸時產生的能量。這一能量將使時空發生扭曲，如同大質量扭曲時空一樣。（如果我們讓能量爆炸，電子以光速相互遠離，我們將會看到，能量實際上表現為質量的形式，電子相應地獲得了質量。）那么電子月球具有的巨大能量，將大致相當于整個可觀測宇宙的總質量和能量。

當整個宇宙的質量和能量都集中在我們假設的這個（相對較小的）月球上時，它將嚴重地扭曲時空，其力度之強，足以克服1052個電子相互間的斥力。

基勒博士說：“是的，這其實就是黑洞?！钡⒎瞧胀ㄒ饬x上的黑洞，而是帶有大量電荷的黑洞。（質子地球也是這種類型的黑洞，只是所帶電荷數要比電子月球少。因為地球質量那么多的質子所帶的電荷少于月球質量電子所帶的電荷，所以盡管質量懸殊，結果卻不會受到多大影響。）因此，相應的反應式也有所不同，并不是標準的施瓦茨西爾德半徑（施瓦德西爾茨半徑是所有具重力的質量間的臨界半徑。在天文學上，當一個天體的半徑低于施瓦茨半徑時，就會成為黑洞――譯者注）。這樣，我們就需要求助雷斯勒- 諾德斯特洛姆度規（雷斯勒- 諾德斯特洛姆度規是廣義相對論中描述靜態球對稱帶電物體的引力場的度規，是廣義相對論的一個著名的精確解。具有這種度規形式的黑洞被稱為雷斯勒- 諾德斯特洛姆黑洞――譯者注）。

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

一旦你假設存在這樣一個裸奇點，從某種層面講，物理學就已經瓦解了。在這種情況下，量子力學和廣義相對論給出的答案近乎荒謬，而且是不同意義上的荒謬。有人認為，物理學法則不允許這種情況發生。正如基勒博士所說：“沒人會喜歡存在裸奇點這一事實。”

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

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

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

延伸閱讀

馬克斯?普朗克，德國著名的物理學家和量子力學的重要創始人，與愛因斯坦并稱為20世紀最重要的兩大物理學家。

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

篇6

原子物理學是研究原子結構、運動規律及相互作用的學科，是物理學專業的基礎課程，也是核類專業重要的專業基礎課程，上承經典物理學，下接量子力學和原子核物理等重要課程。相比經典物理學課程原子物理學有很大差別，首先，原子物理學課程不像普通物理學課程從基本物理概念和物理規律出發進行嚴密的理論運算推導得到更普遍的基礎理論，而是遵循從實踐出發―理論模型建立―實踐檢驗的認識過程，應用更多的是總結、歸納的方法；其次，研究對象是微觀體系，而學生對微觀現象缺乏直觀的感性認識。正是由于這些差異，大部分學生在學習中感覺原子物理學知識點凌亂，理不清頭緒，導致不能鞏固和深化所學知識。因此，在教學中如何激發學生的學習興趣，引導學生把握課程主線，認識原子運動規律，形成新概念，進而培養學生自學能力、思維能力、研究能力等成為原子物理學教學中需要探討的問題。本文針對褚圣麟先生教材《原子物理學》的教學淺談個人教學過程中的認識。

1 學習興趣的培養

學習興趣指一個人對學習的一種積極的認識傾向與情緒狀態。學生對某一學科有興趣，就會持續地專心致志地鉆研它，從而提高學習效果。學習興趣既是學習的原因，又是學習的結果。由此，培養學生最初的學習興趣，促進學生在學習中找到樂趣，由被動的學習轉變為主動學習、好學、樂學，在培養學生的自學能力過程中具有重要的意義。如何培養學生對原子物理學學習的興趣，筆者從教學實踐中總結如下幾個方面。

1.1 結合物理學史增強學習內容的趣味性

原子物理發展史料豐富，若將史料運用于原子物理教學中，將起到事半功倍的效果。在授課中將原子物理學發展史融入知識的傳授可增強學習的趣味性。如電子發現最早進行試驗的并不是湯姆遜，試驗結果最精確的也不是湯姆遜，但湯姆遜是第一個敢于突破常規認識而提出新粒子是電子的人，這一簡介讓學生明白科學研究中要尊重科學事實，敢于突破傳統認識；講述量子化概念提出時介紹普朗克為解釋黑體輻射提出量子化概念的歷程，由于這一嶄新理論與經典理論的沖突，普朗克本人也不是特別堅決，此后他曾試圖放棄量子論，用經典物理學方法重新解決黑體輻射問題，但均未成功，讓學生認識科學發展中開創性革新的不易?？梢哉f原子物理的發展中，充滿對已有思想觀念的顛覆和新思想的建立，這些都需要科學懷疑和批判精神，充分說明科學無絕對權威，科學懷疑精神和獨立思考是科學進步的動力。通過物理學史的介紹，能在課堂上吸引學生的注意，使課堂氣氛活躍，激發學生對原子物理學的興趣，在輕松快樂的氛圍中學習，同時學習科學的批判精神，培養學生創新能力。

1.2 結合課程內容介紹原子物理學中的難題激發學生鉆研興趣

好奇心和探索欲望是科學研究的原動力，在教學中通過介紹課本中出現而尚未完全認識明白的物理概念、物理問題，能極大激發學生的認識和探索欲望，教師可引導學生對相關問題的研究現狀進行調研并匯報，在這一過程中既能促進學生了解學科的研究前沿，也能使學生加深對基本物理概念、原理的認識，同時有助于培養學生的實踐能力和初步的科研能力。在原子物理學教材中有不少世界性的難題，如，在索末菲橢圓軌道理論和相對論效應中提出的精細結構常數所包含的物理含義、數值為什么剛好約為1/137；為解釋光譜精細結構產生而引人的電子自旋的概念人們是否已經完全認識清楚等，這些問題在教學中可充分利用，調動學生的探索欲望，激發學生的鉆研興趣。

1.3 結合物理學發展前沿介紹激發學生研究興趣

原子是從宏觀到微觀的第一個層次，物質世界各個層次的結構和運動變化相互聯系、相互影響，很多其他重要學科和技術的發展以原子物理為基礎，在課程教學中結合課程內容穿插原子物理學與相關學科的交叉及原子物理學發展的前沿介紹，可激發學生學習興趣和鉆研熱情。如講述α粒子散射實驗時，介紹原子碰撞研究方法已經發展成為一個重要的研究方向，涉及各種基本粒子與原子和分子碰撞的物理過程等；講述激光原理時，介紹激光技術的發展及其對原子物理學發展的促進，介紹我國激光領域研究的國際地位等。學科前沿的介紹能幫助學生認識學習本學科的社會意義及其與個人的關系，有助于激發學生學習的社會責任感。

2 把握課程主線

原子物理學的內容不像經典物理學具有嚴密的邏輯體系，因此在教學中拎?課程的主線有助于學生系統的掌握課程的知識內容。對原子結構的認識發展，課程以光譜分析法為主線：從原子光譜規律出發，原子光譜規律的變化可以反映出原子內部能級的特點，進而探究原子內部的作用及其規律。對原子內部作用的認識，課程以量子力學中的角動量概念為主線：從玻爾氫原子理論的角動量量子化假設的提出，到單電子的軌道角動量與自旋角動量的耦合解釋精細結構的產生，及兩個電子體系的LS耦合和JJ耦合等，并進一步明確角動量與磁矩概念的對應，角動量耦合的本質是粒子間電磁相互作用，自旋和軌道運動的相互作用引起原子能級的分裂和塞曼效應能級分裂在本質上是相同的。

3 講清基本概念

篇7

一、物理化學課程在課程體系中的地位

物理化學在兩階段工科化學(化工類)課程體系中處于樞紐地位。第一階段由化學原理(基礎物理化學)、無機化學、有機化學、分析化學等課程組成?；瘜W原理作為理論教學內容,在對中學化學知識總結提煉上升到理性認識高度的基礎上,對后繼無機化學、有機化學作為應用教學內容提供理論基礎。第二階段由物理化學加后繼專業或專業基礎課程、選修課程組成。物理化學作為理論教學內容,既將先前所學無機化學、有機化學等知識從理性上加以認識提高,又為后繼課程提供理論基礎。[2]在專業教育的范疇內,物理化學是工科,尤其是化工、冶金、輕工等各專業必備的化學理論基礎,它銜接基礎理論和相關的專業課程,是一門專業基礎課程。

二、物理化學課程的教學內容

物理化學提供應用于所有化學以及相關領域的基本概念和原理,嚴格和詳細地闡釋化學中普適的核心概念,以數學模型提供定量的預測。因此,物理化學是分析化學、無機化學、有機化學和生物化學課程,以及其他相關前沿課題的概念的理論基礎。總體而言,物理化學理論課程可能涉及的教學內容如下:[3]

1.熱力學與平衡

標準熱力學函數(焓、熵、吉氏函數等)及其應用。熵的微觀解釋?；瘜W勢在化學和相平衡中的應用。非理想系統、標準狀態、活度、德拜-休克爾極限公式。吉布斯相律、相平衡、相圖。電化學池的熱力學。

2.氣體分子運動學說

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

3.化學動力學

反應速率的微分和積分表達式。弛豫過程。微觀可逆性。反應機理與速率方程。穩定態近似。碰撞理論、絕對速率理論、過渡狀態理論。同位素效應。分子反應動力學含分子束、反應軌跡和激光。

4.量子力學

薛定諤方程的假定和導出。算符和矩陣元素。勢箱中的粒子。簡諧振子。剛性轉子、角動量。氫原子、類氫離子波函數。自旋、保里原理。近似方法。氦原子。氫分子離子、氫分子、雙原子分子。LCAO方法。計算化學。量子化學應用。

5.光譜

光-物質相互作用、偶極選律。線型分子的轉動光譜。振動光譜。光譜項。原子和分子的電子光譜。磁共振譜。拉曼光譜、多光子選律。激光。

6.統計熱力學

系綜。配分函數表示的標準熱力學函數。原子、剛性轉子、諧振子的配分函數。愛因斯坦晶體、德拜晶體。

7.跨學科的應用

生物物理化學、材料化學、環境化學、藥學、大氣化學等。物理化學實驗課程培養學生用物理化學原理聯系定量模型與觀察到的化學現象的能力,深化學生對模型定性假設和局限的理解,鍛煉他們采用模型定量預測化學現象的基本技能。

學生應能記錄正確的測量值,估算原始數據的誤差。學生需要理解電子儀器的原理和使用方法,操作現代儀器測量物理性質和化學變化,積累用這些儀器解決實驗問題的經驗。物理化學實驗應含有結合若干實驗方法和理論概念的綜合實驗教學內容。適用于工科化學(化工類)課程體系的物理化學實驗教學內容大體如下:

1.熱化學實驗

計算機聯用測定無機鹽溶解熱。計算機聯用測定有機物燃燒熱。溫度滴定法測定弱酸離解熱。差熱分析。

2.相平衡化學平衡實驗

不同外壓下液體沸點的測定。環己烷-乙醇恒壓氣液平衡相圖繪制。液-固平衡相圖繪制。凝固點下降法測定物質摩爾質量。沸點升高法測定物質摩爾質量。熱重分析。氨基甲酸銨分解平衡常數的測定。

3.表面化學實驗

溶液表面張力測定。沉降法測定粒度分布。BET容量法測定固體比表面積。

4.化學動力學實驗

量氣法測定過氧化氫催化分解反應速率系數。蔗糖轉化反應速率系數測定。酯皂化反應動力學。一氧化碳催化氧化反應動力學。甲酸液相氧化反應動力學方程式的建立。可燃氣-氧氣-氮氣三元系爆炸極限的測定。計算機聯用研究BZ化學振蕩反應。

5.電化學實驗

強電解質溶液無限稀釋摩爾電導的測定。離子遷移數測定。原電池反應電動勢及其溫度系數的測定。金屬鈍化曲線測定。

6.結構化學實驗

磁化率測定。分子介電常數和偶極矩的測定。

三、面向專業的物理化學教學內容建設

當然,一個工科類專業的物理化學教學不可能也不必要包含上列的所有內容。因此,各學科專業教學指導委員會根據專業的培養目標和規格,在已經或即將公布的各學科專業的指導性專業規范中,制訂了包括物理化學在內的化學課程教學基本內容作為最低要求。如化學工程與工藝專業的規范(研究型)中規定:物理化學可分為兩部分,物理化學(I)主要內容為化學熱力學和反應動力學等,作為化工主干課的基礎,應注意與化工熱力學課程和化學反應工程課程的銜接和分界(一些內容可在化工熱力學課程和化學反應工程課程中展開,以加強工程背景);物理化學(II)主要內容為溶液理論、統計力學、量子力學等方面的概要以及近展等。各專業的物理化學教學基本內容充分體現了本專業的學科特點,是在保障人才培養質量的前提下,兼顧國內各相關學校的教學條件提出的基本要求。因此,它體現的是該專業人才的知識體系的共性。由于各校的學科背景和教學條件的優勢不同,要培養具有特色的專業人才,需要在教學中研究如何在滿足各專業的教學基本內容要求的基礎上開展物理化學教學。我們認為在教學內容建設中應堅持貫徹下列原則,才能切實發揮物理化學這一門專業基礎課程的作用。[4]

1.承前啟后,發揮樞紐作用。了解授課對象的先修和后繼課程與物理化學的聯系,深化化學原理課程中的物理化學理論,介紹其在后繼專業課程中的應用,以開闊視野并兼顧系統性和趣味性。

2.少而精和博而通。傳統的基礎內容要突出重點,講深講透,體現學科框架;選擇介紹相關前沿的內容以擴大知識面。

3.提倡內容側重的多樣化。針對不同專業時要不拘一格,倡導內容側重的多樣化;即便面對同一專業,內容側重亦應有寬松的選擇余地。

4.體現工科特色,強調應用性和實踐性。引入研究型實踐項目,使學生加深對理論的理解,提高應用水平。

四、建設物理化學教學內容的措施

華東理工大學物理化學教研室在國家精品課程和國家級教學團隊建設過程中,以提高專業人才的教育質量為目標,采取了一系列措施,提高物理化學課程的教學水平和質量,促進相關專業的課程體系建設。

1.根據授課專業的先修、后繼課程,研讀相關教材,如化學工程與工藝專業的現代基礎化學、化工熱力學、化工原理、化學反應工程、化工過程分析與合成教材,了解其改革動向和內容變革,并且請有關學科的學術帶頭人做物理化學在學科領域應用介紹的報告,提出教學內容改革建議。這樣做的結果一方面可以避免教學內容上不必要的重復,另一方面可以合理地選擇教學內容側重,實現化學基礎課程與專業課程的合理銜接。

2.編寫教材和教學參考書,保障教學基本內容的教學質量,介紹物理化學學科發展、在交叉領域的應用;介紹溶液模型、線性自由能關系等半經驗方法,以銜接后繼課程。近年來編寫或修訂出版了《物理化學參考》、《物理化學》(第五版)、《物理化學導讀》、《物理化學釋疑》、《物理化學教學與學習指南》。開展教學研討,提高教師隊伍的學識水平和在教學中貫徹少而精、博而通教學思想的能力。

3.制作相關前沿課題和理論應用實例,如“正、負離子混合表面活性劑雙水相系統及其微觀結構”、“溫室氣體CO2的捕集和封存(CCS)技術”、“復雜材料的微相平衡和結構演化的數學模擬”、“離子液體的合成、性質和應用”等教學素材,進行教學資源的儲備。

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

篇8

關鍵詞：物理；定律；哲學

物理的核心是定律，本人就物理定律中的哲學談談粗淺看法，以饗讀者。

力學中牛頓有三個定律都包涵哲學原理：

牛頓最初提出的第二定律，就是動量定理：作用在質點上合外力的沖量等于質點動量的增量。其實這就是辯證唯物主義的因果律。辯證唯物主義的因果律認為：宇宙狀態的變化都是其前宇宙狀態積累的結果，運動狀態的改變都是其前運動狀態積累（沖量）的結果。其實，反映辯證唯物主義的因果律的定律（理）還有動能定理、功能原理、角動量定理等。

牛頓第一定律指出了物體不受力的運動狀態。得到牛頓第一定律的過程，實質是量變到質變的過程。假設物體受力逐漸減小到0（量變），則物體的運動從變速運動變到勻速運動（質變）。

牛頓第三定律指出：作用力和反作用力總是大小相等、方向相反，作用在同一直線上，存在著對立的傾向，但它們又是性質相同，同時存在，同時消失，有作用力必有反作用力，這又表現了統一性。

牛頓三個定律都有哲學內涵，萬有引力定律又反映了萬事萬物總是相聯系（吸引）的哲學思想，因此，整個力學充滿了哲學。

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

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

電磁場中的高斯定理是麥克斯韋方程組的兩個方程，其實麥克斯韋方程組中另兩個定理也同樣反映了“內容和形式相互依賴，不可分割”的關系，即邊界線上（形式）與邊界線內（內容）物理量的關系。麥克斯韋方程組概括了電磁學的基本規律，因此，整個電磁學充滿了哲學，庫侖定律也反映了事物（電荷）間的聯系（作用）的哲學思想。

力學和電學定律中有哲學，物理學其他定律中也有哲學。能量守恒和轉化定律反映物質運動不滅性的哲學思維。

篇9

關鍵詞：基本粒子；標準模型；認識

一、基本粒子

首先我們介紹一下這一理論的基本“磚塊”，即我們所在的世界的基本構成元素：基本粒子。在標準模型中，共有61種基本粒子，實驗上已經證實存在的有60種。根據粒子的自旋――一種內稟的角動量，可以分為費米子和玻色子兩類。費米子（fermion）是自旋為1/2的奇數倍的粒子的統稱，包括以下兩類：夸克和輕子。玻色子（boson）是自旋為1/2的偶數倍的粒子的統稱，分為規范玻色子和Higgs玻色子兩種。在SM中，夸克被視為強子的組成成分。強子是所有的受到強相互作用影響的亞原子粒子，包括重子和介子兩類。為解釋上世紀40年代以來發現的數百種強子的性質規律，物理學家默里?蓋爾曼和喬治?茨威格于1964年各自獨立提出了夸克模型，認為重子由三個夸克或三個反夸克組成，自旋總是1/2的奇數倍，即它們是費米子。它們包括人們比較熟悉的組成原子核的質子和中子以及一般鮮為人知的超子（比如Δ、Λ、Σ、Ξ和Ω），這些超子一般比核子重，而且壽命非常短。而介子由一對正反夸克組成，這一對夸克可以不同味，其自旋總是1/2的偶數倍。1934年，日本物理學家湯川秀樹預測了介子的存在，用來作為核力的載體，還給出了這個介子的質量范圍。1947年，英國的物理學家鮑威爾在宇宙射線中發現了一種粒子，帶單位正電荷或負電荷，質量是電子的273倍，與核子有很強的相互作用，平均壽命2.60310×10-8秒，正是湯川秀樹所預測的介子，叫做π介子。后來發現共有三種，分別帶一個正負電荷和零電荷。

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

二、理論工具

下面來簡單介紹一下描述SM所用的數學理論工具。

SM中，由于涉及到高能物理過程，比如粒子對撞過程，會有粒子產生湮滅現象。處理這樣的過程，描述微觀粒子運動規律的量子力學理論就不能適用了。而且高能對撞的粒子對撞速度往往接近光速，所以理論工具必須具有相對論的性質。這些特點最終導致了量子場論進而規范場論的誕生。下面簡單回顧一下理論的歷史進展過程。

1925年，馬克思?玻恩和帕斯卡?約當考慮量子躍遷所發出的光譜強度的計算問題，成為量子場論的發端。第二年，馬克思?玻恩、沃納?海森堡和帕斯卡?約當運用正則量子化的方法，獲得了忽略極化和源項的自由電磁場的量子理論。1927年，保羅?狄拉克給出了這個問題的第一個自洽的解決方案，對當時人們唯一知道的經典場“電磁場”進行了量子化，物質的質量僅被視為場的平方項之系數，并不具備實質物理意義。同一年，約當將對場的正則量子化方法推廣到量子力學中的波函數，并稱之為二次量子化。1928年，約當和Eugene Wigner發現泡利不相容原理要求對電子場的量子化需要采用滿足一定關系（反對易關系）的產生和湮滅算符。產生湮滅算符可以用來描述粒子的產生和湮滅過程。1954年，楊振寧和米爾斯提出楊-米爾斯理論（又稱規范場理論），在應用于弱相互作用以及強相互作用研究時遇到困難：由于規范理論的規范對稱性要求規范玻色子不能帶有任何質量，這與實驗中的觀測結果并不符合。1961年，格拉肖提出弱電統一模型，但沒有解決零質量規范粒子的困難。1964年，英國的科學家希格斯提出一種克服規范場粒子零靜止質量困難的方法。他引入了一種標量粒子（后來被稱為Higgs粒子），這種粒子的引入，使方程出現對稱性的真空自發破缺，可以使與被破缺的規范對稱性相對應的規范場獲得靜止質量。1967年，溫伯格和薩拉姆在格拉肖弱電統一原始模型的基礎上，發展和完備了弱電統一規范理論，在實驗與理論的互進上取得豐碩成果，SM趨于成熟完備，“Standard Model”一詞即是由溫伯格首次提出使用。該理論以夸克模型為結構載體，在弱電統一理論以及量子色動力學（QCD）的基礎上逐步建立和發展起來。格拉肖等人被稱為標準模型的奠基人。一個基本觀點是，在量子場論中，每一種粒子都對應有一個場存在，粒子被視為場的激發態。比如，對應光子，有電磁場，光子是電磁場的一個激發態。粒子之間的相互作用，比如對撞，由粒子場的耦合拉格朗日量來表示。數學表達出來，即是場與場的乘積。不同的粒子的耦合拉格朗日量有不同的對稱變換性質。根據拉格朗日量求得粒子滿足的運動方程后，可以得到粒子對撞產生的新的粒子的質量等性質。于是可以用于預言各種粒子對撞過程會發生的現象，同實驗結果進行比較驗證所猜測的拉格朗日量的正確與否。

三、取得的成就

標準模型的建立過程，也是理論與實驗相互印證取舍的過程，理論預言的粒子不斷被發現，證實了理論的成功之處。如今SM中除與引力作用有關的引力子之外的61種基本粒子中，只剩下Higgs粒子一種尚待確切證實。

四、標準模型面臨的問題

標準模型仍然有許多疑難問題沒有解決。在SM中，物質和反物質是對稱的，但在已知的宇宙中，物質比反物質多很多。這一問題是SM無法回答的。SM沒有對重力給出描述，也沒能為宇宙開始時的宇宙膨脹找出一個機制。在SM中，中微子沒有質量，理論假設宇宙中只有左旋中微子。如果中微子質量非零，它們的行進速度就會小于光速，理論上可以超越一顆中微子，以至可以選擇一個令這顆中微子運動方向顛倒而自旋不變的參考系，導致它變為右旋。物理學家為此修定標準模型，加入更多自由參數以準許中微子帶質量。新模型仍叫標準模型。在宇宙學中，暗物質、暗能量一直是個巨大的謎團，SM無法解決這一疑難。于是，對SM做出修正勢所必然。在眾多SM的擴展中，超對稱理論應者眾多。它提出SM中的每一種基本粒子都有一個大質量、超對稱的伙伴。超對稱粒子被視為暗物質的一個來源。目前，世界上許多的小組正在這一領域攻堅克難。

五、評述

在粒子物理的學習研究過程中，我們被告知SM只是一個唯象的理論，也就是它只關注實驗中出現的現象，發展理論來做出解釋以及預言。比如，對于新粒子的存在預言，理論中可以給出其質量、自旋、荷電等性質，但它無法給出粒子的產生原因以及產生過程的詳盡描述。我們說，它不是一個最基礎的理論，但可以有助于我們對粒子、對于場有更基礎的、更本質的理解。此外，精細結構常數仍然是個未解之謎，SM對此無能為力，這一切也說明了SM不是一個最終的可以回答所有關于宇宙的疑問的理論。在認識世界本原的道路上，我們仍然大有可為。

參考文獻：

[1]W.N.Cottingham.粒子物理學標準模型導論[M].北京：世界圖書出版公司，2010.

[2]張肇西.粒子物理標準模型[J].物理教學，1999，（09）.

篇10

[關鍵詞]三本院校 固體物理 教學模式

[中圖分類號]O48-42 [文獻標識碼]A

一、引言

固體物理學是研究固體的微觀結構、運動狀態、物理性質及其相互關系的一門學科[1]。從歷史上看，固體物理學的研究引發了晶體管、激光器等多項重大發明，并由此催生了微電子技術、激光技術、計算機技術、光通訊技術等一系列高新技術。這些新技術把人類的歷史推進到了原子時代、信息時代、空間時代[2]。因此它不僅是物理系所有專業中的一門非常重要的專業基礎課，也是微電子學專業非常重要的專業主干課。

固體物理學的起點是學生已有了熱力學與統計物理、量子力學的基礎[1]。但是對于三本院校的學生來說，他們的專業基礎相對薄弱，這樣勢必會增加學生的心理負擔，使固體物理教學很難達到預期效果。為了講授這門課程，讓學生對固體物理知識的理解和掌握達到教學目的的要求，就成為教研室與授課教師必須經常研究和探討的問題。筆者結合三本院校學生的實際情況，針對在固體物理課程教學實踐中發現的問題淺談一些自己的看法和見解。

二、三本院校中固體物理學教學現狀

在大眾化教育的形勢下，普通高校生源的知識結構及基本素質有了很大的變化[3]，特別是三本院校的學生。三本院校的學生學習固體物理過程中存在以下問題。

1.基礎薄弱：三本院校的學生基礎知識較薄弱，更無熱力學與統計物理、量子力學基礎，使這門課程的學習變得更加難以理解和把握，導致學生興趣不高。

2.學習質量差：以往在教學的過程中，教師比較注重知識的傳授而忽視了對學生學習方法的培養，并且對三本院校的學生來說，學習方法不當，缺乏積極性，導致學習質量差。

3.教學內容抽象：現有的固體物理教學基本上以教師講解學生聽課的模式為主，教學內容較多而且抽象枯燥，提不起學生興趣。

4.教學方法單一：傳統的教學方法往往習慣于以注入式灌輸知識，且過于注重理論和書本的內容，缺乏對固體物理實際應用的介紹，不利于培養學生學以致用及創新能力。

綜上所述，在教學環節中探求新的教學方法，采用新的教學手段，保證和提高課堂教學質量刻不容緩。

三、三本院校有效教學的探討

針對三本院校學生的知識基礎和心理特點，培養學生對固體物理的興趣，至關重要。

1.選擇適合三本院校學生特點的教學內容： 目前的固體物理教材一般都以詳細的理論分析為主，數學推導較多。對三本院校學生來說，這樣的教材仍然存在部分內容過于深奧的問題，特別是與量子力學有關的內容，學生較難掌握。因此教師在授課時不應照本宣科，應將某些偏重于繁瑣數學推導的問題簡化。

2.引入前沿課題：采用穿插式方法引入前沿內容?？梢允箤W生們“滲透式”地了解有關前沿進展，從而可以拓寬學生們的視野，激發學生學習固體物理的興趣[4]。

3.讓學生充分參與教學：盡量讓學生直接參與到教學活動中，在思想上變被動接受為主動參與，加深對抽象概念的理解。第一，盡量把抽象的概念提取到宏觀或熟知的知識點中；通過熟知的知識來提問，引出抽象的結論。如：原子結合成晶體會釋放能量，可通過水凝結成冰的過程來進行提問講解；原子結合成晶體過程中會出現吸引力和排斥力，可舉例Na離子和Cl離子的結合過程進行提問講解。第二，講解課程的重點難點后，通過例題及習題講解的個別互動，充分引導、挖掘學生的思維并使其他學生理解。

4.采用板書和多媒體相結合的教學模式：第一，固體物理中，許多抽象理論及晶體結構可采用動畫和圖示效果以多媒體的形式呈現給學生。不但能使學生在視覺上直觀的感受其物理過程所發生的變化，還能進一步加深對該過程中一些物理量的理解。如晶體結構可用圖形展示使學生通過視覺的感受加深空間上的理解，使抽象具體化；如點缺陷的形成、一維單原子晶格的振動、晶體的對稱性等，傳統的教學中只能用靜態的圖像去展示，學生不易理解其變化過程，利用Flas完全可以把演化過程動態的展示出來，從而調動學生學習的積極性。第二，板書具有思路清晰、邏輯性強、能給學生充分的思考時間，加深對概念理論理解的特點。固體物理中，許多的公式、理論都需盡可能地采用板書的教學模式，其加強了教師和學生互動的同時，又充分體現了教師利用板書對學生的啟發和引導的過程。因此，只有將教師在課堂中的主導作用與多媒體技術的輔助作用結合起來才能獲得良好的教學效果。

5.以科學史話激勵的教學模式：這種教學模式就是將物理學史的內容有機地揉人固體物理教學中，將所教授內容中涉及的科學家的簡介、有關此教學內容的發明、發現經歷、趣聞逸事，簡明扼要地介紹給學生，既能提高學生的學習興趣，又能起到教書育人的作用。如固體物理學中X射線衍射與晶體結構時，可簡明地介紹其科學史話：晶體點陣理論提出時是一種非常超前的理論，當時沒有實驗手段能證明它。1895年倫琴發現X射線，1899年哈加和溫德觀測到X射線通過幾nm的縫隙后稍有擴展而估計它的波長數量極約為10-10m。1912年勞厄（Laue）產生了一個極妙的想法： 假設晶體確實是點陣結構，就可作為天然光柵使X射線發生衍射. 但這種新穎的想法卻受到包括倫琴本人在內的一些人嘲笑，并與勞厄打賭，限期一月。勞厄用ZnS屢試不成，交給兩個研究生。就在他們感到山窮水盡，進行最后一次實驗時，抱著試試看的心理將感光底片從晶體側面移到后面，衍射圖案出現了。這不僅證明了X射線是波長極短的光波，意義更為重大的是開創了一門新學科——X射線晶體學，晶體微觀結構的玄妙之門從此逐漸向人類敞開了。眾里尋她千百度，驀然回首，那人卻在，燈火闌珊處，科學研究的成功往往在再堅持幾步。

四、結束語

三本院校是我國高等教育加快發展的新產物，也是我國高等教育大眾化的一種制度創新，從其教育模式的特點及人才培養的目標來看，學生基礎薄弱，在課程教學上應與普通本科有所不同。固體物理作為微電子學專業重要的專業基礎課，針對在教學過程中存在的一些問題，，筆者以培養學生興趣為目的從教學內容、教學方法及教學手段上探討了教學模式。

[參考資料]

[1]曹全喜，雷天民，黃云霞，李桂芳.固體物理學基礎.西安：西安電子科技大學出版社.2008：

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

[3]姜黎霞，母小云.應用型本科院校大學物理課程教學模式探討.北京聯合大學基礎部中外教育研究，2009年6月，NO.6：18