量子力學特征范文

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篇1

關鍵詞 意識 量子測量 波函數塌縮 神經活動

中圖分類號：B80-05 文獻標識碼：A DOI：10.16400/ki.kjdkz.2015.11.074

On the Inner Relation between Quantum Mechanics and Consciousness

CHEN Si

（Department of Psychology， Jianghan University， Wuhan， Hubei 430056）

Abstract Consciousness and quantum mechanics are closely related with each other. In the research of quantum mechanics， consciousness is the premise of measurement process which can cause the wave function collapse and influence the description of the physical objects. In the research of consciousness ，the traditional research way which based on the classical mechanics confront the dilemma， the quantum mechanics could provide a new approach for explaining the consciousness in a different perspective， the quantum theories about the consciousness can be divided into three kinds.

Key words consciousness; quantum measurement; wave function collapse; neural activities

意識與量子力學原本分屬于兩個完全不同的學科，前者是心靈哲學與認知科學研究的對象，后者是物理學的前沿領域。隨著意識問題在當代科學背景下，已經成為了哲學、心理學、物理學和認知神經科學等分科科學共同關注的焦點，意識問題的跨學科特征也日益突顯。運用不同的學科方法來解釋和說明意識問題，成為一種研究的必然趨勢。許多的心靈哲學家和物理學家認為，意識和量子力學之間有著密切的關系。他們主張，不僅量子力學需要意識的參與以保證描述物理世界的完整性，意識研究也需要引入量子力學來突破現有的困境。

1 意識在量子力學中的位置

意識在量子力學中的作用主要表現兩個方面，一是在量子測量中，意識作為測量過程的初始條件，由始至終地影響著對物理對象的描述，二是意識引發波函數塌縮理論。

第一，意識與量子測量。經典力學認為，只要在測量過程中，具備明確的初始值，根據一系列基本粒子的初始位置和速度，就可以實現對事件的準確預測，揭示出世界的真實狀態，并且，其測量結果不會受到觀察者意識的影響。因此，就某種程度而言，經典力學中觀察者的行為同樣是被決定和可準確預測的，觀察者的心靈與觀察者本身的原子構成的經典態被視為相等同。但是，在量子測量的過程中，這種測量過程和結果的客觀嚴格決定性和確定性會發生改變。依據標準的量子力學思考，以玻爾、海森堡等人為代表的哥本哈根學派認為，測量和觀察在描述物理實在的過程中具有十分重要的作用。在量子測量的過程中，測量的結果會表現出一定的不確定性，即每一次的測量結果都不相同。這種不確定性主要來自觀察者的意識和測量工具在每一次測量過程中所產生的差異性影響?！傲孔恿W并不描述物理實在本身，而是描述物理實在出現的概率，而這種概率取決于觀察者的觀察。”①量子力學的產生從根本上改變了觀察者在測量過程中的地位。

測量問題研究的是一個處于經典態的觀察者是怎樣在一個量子世界里存在的問題，量子世界描述了不同態的疊加，但是人類主體對世界的知覺和描述卻屬于宏觀層次上的經典態。所以，在維格納、斯塔普（Henry Stapp）等物理學家看來，人類主體對經典世界的經驗為什么以及怎樣從量子世界中突現中出來，是量子理論要解決的根本問題之一。在量子理論中，人與微觀領域的物質和能量同處于一個測量過程，觀察者的意識會對測量的結果產生直接的影響，使測量結果表現出一種主客體不可分割的特征，正如海森堡所說，“自然科學不是自然界本身，而是人和自然界關系的一部分，因而就依順于人。”②量子力學所揭示出的物理實在以幾率波的形式呈現，并且只有在觀察者的意識參與到測量過程進行觀察時才會出現。在測量過程中，觀察者的意識是量子力學所描述的物理實在本身的基本前提，自始至終都決定著測量的結果。因此，量子理論不是關于描述客觀物理實在本身的知識，它從一開始就包含了觀察者意識這一因素。量子理論實際上是由人類主體意識通過對物理對象的觀察得到、并經過認知加工的知識。但是在經典力學中，情況則恰恰相反，人類主體同測量過程和測量結果截然分離，有意識的主體與客體對象之間有明確的邊界。

第二，意識引發塌縮理論。馮?諾依曼在其1932年的著作《量子力學的數學基礎》中首次提出“意識引發塌縮”理論（consciousness cause collapse proposal，簡稱CCCP），受到維格納和斯塔普的支持。該理論認為，“測量”僅僅發生在有意識的觀察者和波函數相互作用的基礎上，所以僅從量子力學的角度來描述世界是不完整的，一個完整、科學、系統的描述應該包含意識狀態對量子力學的影響，而塌縮就是在有意識的觀察者的心靈同其它系統的糾纏中發生的。“量子力學的規律是正確的，但是有一個系統有可能要用量子力學來說明，這個系統就是整個物質世界。有一個不在量子力學之內的外部的觀察者，這個觀察者就是人類（和動物）的心靈，它在大腦上執行測量并導致波函數的塌縮?！雹鄢诌@種觀點的哲學家和物理學家，如查爾默斯（David Chalmers）和洛克伍德（Michael Lockwood）認為，“塌縮動力學為交互論說明敞開了大門”。④同時，他們也認為意識能夠從某種復雜的大腦物理狀態中突現出來，從而具有引發波函數塌縮的因果效力。

當然，“意識引發塌縮”理論實際上還面臨許多問題。例如，意識引發塌縮是在什么時候發生的？是否僅在有意識的觀察者參與的測量過程中，意識才會引發塌縮？根據現有的宇宙知識，早期宇宙的量子狀態并不是一個意識的本征態（eigenstate），在宇宙產生的最初的三分鐘里，也沒有一個有意識的觀察者在觀察一切的發生。如果宇宙最初的那個狀態是根據薛定諤所提出的規律而演化出的早期宇宙狀態，那么一個與有意識的觀察者的存在相關聯的本征態就不可能產生。第一次的塌縮需要有意識的觀察者出現才能產生，但是有意識的觀察者的出現則需要更早狀態的塌縮才能產生，塌縮與有意識觀察者出現的先后順序問題的不確定，直接導致意識引發塌縮不可能開始的結論。盡管，“意識引發塌縮”理論受到了許多科學性和哲學家的支持，但是他們并沒有為該觀點提供一種可靠的論證。并且，這一理論和作為主流說明的多世界理論相悖。多世界理論認為，波函數是對于整個宇宙的完備描述，它是一種基本的物理實體，從不塌縮;并且，量子測量不需要意識的參與，把意識引入到物理說明中，只會使實在論遭遇到危機。

盡管對于意識在量子力學中的位置尚無定論，但是已經有越來越多的物理學家和哲學家參與到這一爭論中去，比如維格納、斯塔普、查爾默斯等人，他們關于意識在量子力學研究中的作用的積極討論，已經表明，意識是量子力學研究中不可忽視的一個重要問題。

2 量子力學視域中的意識研究

早期的量子力學研究者如普朗克、玻爾、薛定諤等人主張，意識研究應該引入量子隨機性來解決與決定論之間的矛盾，此后，量子力學視域中的意識研究開始興起。我們將首先說明為什么意識研究要引入量子力學，然后論述用量子力學研究意識的三條主要路徑。

2.1 為什么意識研究需要引入量子力學

還原的唯物主義的觀點以經典力學的決定論、還原論等原則為立論的基礎。決定論認為，質點是真正的實在，只要給出質點的位置和動量，那么，依據一定的初始值，自然和人的行為就可以被準確地預測。還原論主張，一切高級運動形式都可以還原為低級、基本的活動形式，把這種方法運用到意識研究中就是把意識這種大腦的高級活動形式還原為最基本的大腦神經活動，以達到揭示意識本質的目的。傳統的意識研究建立在這種理論基礎之上，而意識問題的關鍵在于，意識的主觀特征該如何進行有效的還原，并且使被還原為神經活動的意識仍然能夠具有說明主觀感受的完備性呢？這一問題被查爾默斯稱為著名的“意識困難問題”。

“在經典力學中沒有任何支持‘感受’存在的邏輯上的依據。它是一個理性封閉的概念系統，它的原則只有在決定事物的位置和運動的時候起作用，這個系統局限于一個狹小的數學框架內，不涉及任何現象性的性質。”⑤這就是說，在以經典力學為基礎的認識論框架內，并沒有人的主觀感受的存在地位，經典力學以排除意識問題來實現自身體系的完整性。一種排除了意識存在地位的理論如何能夠解決意識問題？這顯然是令人懷疑的。

因此，彭羅斯（Roger Penrose）、斯塔普等物理學家認為，如果對意識的研究仍局限在經典力學的框架內，意識問題永遠不可能得到解決，我們必須在一個全新的框架內說明意識和大腦活動之間的關系，而量子力學的引入，能夠為我們提供新的研究視角。

2.2 量子力學視域中意識研究的三條路徑

意識是由大腦神經活動基于某種動力學而實現的過程，由于它涉及到微觀層面的化學和電子現象，因此，對它的描述必然要涉及到量子理論。從而，我們可以把意識看成是一個發生在大腦微觀世界中的特殊的量子力學現象。持這種觀點的物理學家和心靈哲學家認為，“意識是一種對神經反射的直接認識，這種神經反射是通過已知的量子事件突然實現的?！雹薷鶕壳暗难芯浚孔恿W對意識的說明可以分為三條路徑。

第一條路徑是運用相關的量子力學概念，如量子疊加、塌縮等原理與意識活動進行類比來達到說明意識的目的。在說明的過程中，不需要涉及復雜的運算，也不需要將具體的概念運用到具體的情境中。這種方式的說明僅僅是一種概念上相似性的類比，因此本質上不是對意識過程的科學表征，并不能真正揭示意識的本質。

第二條路徑是運用具體的量子力學概念來揭示神經生理學的過程。通過這條途徑，量子力學對意識的相關特征做出了說明。

第一，用玻色―愛因斯坦凝聚態說明意識的高度整合性。個體在反觀當下的意識狀態的時候，大腦中會呈現一幅統一和諧的意識場景。例如，當某人在上課的時候，因為聽到窗外的音樂而想起了某部電視劇的情節、大腦中會浮現電視劇的場景和人物、甚至是當時的天氣，同時，他的耳邊又傳來老師的講課聲，同時他的右手正在做著筆記。于是，他所有的感官都被調動起來，在大腦中形成了一幅統一但富有情節跳躍性的場景。這幅場景完整且豐富，個體無法把它自行分割，也就是說，大腦中所呈現的統一和諧的意識場景不能被分割成他正在聽音樂或者他正在做筆記這些構成意識內容的元素而獨立存在。同時，隨著老師的突然提問，他形成的意識場景被打破，繼而思考老師提問的意識場景，或者隨著窗外音樂聲的停止，他的意識場景轉換成了另一幅圖像呈現在大腦中。不論意識的內容如何改變，他的意識狀態總是統一且不可分割的整體。

玻色―愛因斯坦凝聚態是一種全新的物質狀態，即不同活動水平的原子在溫度極低的條件下會凝聚在一起而具有統一的特征。當這些原子處于靜止狀態時，它們以無序的方式排列，一旦它們受到外界的刺激，并且細胞的能量因刺激而達到某個臨界水平時，它們就會一致性地被激活。這種神經元的激活能夠波及整個大腦，并產生一致的量子電場。玻色―愛因斯坦凝聚態的過程機制恰好能夠說明，分布在不同腦區且活動水平各異的神經元活動怎樣能夠協同行動，以支持一個完整統一的意識場景的產生。

第二，用測不準原理說明思維的量子化特征。EEG （Electro Encephalo Gram）實驗已經證實，思維過程在本質上具有量子化的特征。思維過程與量子過程的變化有諸多相同點。例如，當一個人在回憶多年前，在某節印象深刻的課堂上被老師提問自己所做的回答時，大腦中許多與當時場景相關的模糊要素都處在被調動的潛在狀態中，例如當時的天氣、情緒狀態、問題的內容、他的回答、同學們的反應等。當他把注意力刻意集中到其中一個記憶片段，如當時回答問題的緊張狀態上，準備仔細回想和再現曾經回答過的內容時，他會發現在回憶的過程中常常會遇到困難。對當時所回答內容的記憶會變得不如刻意集中注意力之前那樣清晰和完整，甚至試圖回憶起來的思路也會消失而被其它的思路所取代。在未刻意回憶時本來清晰完整的回答，反而在集中注意力之后變得模糊，甚至原先的回憶思路也被打亂，最終導致意識場景發生改變。這一特征能夠用海森堡在1927年所提出的“測不準原理”來說明。

“測不準原理”表明，一個微觀粒子的物理量，如位置和動量、時間與能量等不可能同時具有確定的數值，如果在一對物理量中，其中一個量的值越確定，那么另一個量的值就越難以確定。就思維的特征而言，被刻意關注的回憶類似于電子的二象性中的粒子性而具有“位置”，在刻意集中注意力之前的潛伏性的整體思路，就像電子的二象性中的波而具有“動量”。兩者不能同時清晰或者同時確定，而只能確定一個。

第三條路徑是一種關于量子力學的普遍性理論，其代表人物是玻姆（David Bohm）和斯塔普。玻姆等人提出一種“新實在論”的觀點。他們認為，意識和物質不是兩個根本性的實在，物質和意識只是從隱序的基本實在中投射到顯序中的投射物。斯塔普持類似的觀點，并提出了建立在過程本體論上的意識觀點，即最本質的實在元素是現實場合（actual occasion），而不是物質或者心靈?，F實場合可以把心理的和物理的特征緊密地聯系起來。這樣，心物直接互動的觀點就被他在更為深層次的基礎上提出的心物關聯的約束集合（constraint set）所取代。

3 結論

量子力學與意識看似毫不相關，但實際上卻是一對具有多重內在關聯性的奇妙的搭檔，兩者的交叉研究極大地拓展了彼此的理論視域，其背后的形而上學基礎是一種交互二元論。從交互二元論的角度出發，意識被賦予了引發波函數塌縮的因果效力，并作為一種測量過程的初始條件由始至終影響著對物理對象的客觀描述。并且，意識研究中量子力學的引入，突破了長期以來用經典力學規律說明意識問題所遭遇到的瓶頸，為意識的高度整合性等特征提供了有力的科學說明。隨著交叉學科的縱深發展，意識與量子力學的內在關聯性將會得到更多的揭示。

注釋

① 鄭榮雙.形而上學心理學[M].上海：上海教育出版社，2008：117.

② 金尚年.量子力學的物理基礎和哲學背景[M].上海：復旦大學出版社，2007：95.

③ Zvi Schreiber. The Nine Lives of Schroedingers's Cat[J].1995.http：///abs/quant-ph/9501014.

篇2

關鍵詞：量子力學；經典科學世界圖景；非機械決定論；整體論；復雜性；主客體互動

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

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

經典科學基本上是指由培根、牛頓、笛卡兒等開創的，近三百年內發展起來的一整套觀點、方法、學說。經典科學世界圖景的最大特征是機械論和還原論，片面強調分解而忽視綜合。以玻爾、海森伯、玻恩、泡利、諾伊曼等為代表的哥本哈根學派的量子力學理論三部曲：統計解釋—測不準原理—互補原理所反映的主要觀點是：微觀粒子的各種力學量（位置、動量、能量等）的出現都是幾率性的；量子力學對微觀粒子運動的幾率性描述是完備的，對幾率性的原因不需要也不可能有更深的解釋；決定論不適用于量子力學領域；儀器的作用同觀察對象具有不可分割性，確立了科學活動中主客體互動關系。[1]量子力學的發展從根本上改變了經典科學世界

圖景。

一、量子力學突破了經典科學的機械決定論，遵循因果加統計的非機械決定論

經典力學是關于機械運動的科學，機械運動是自然界最簡單也是最普遍的運動。說它最簡單，因為機械運動比較容易認識，牛頓等人又采取高度簡化的方法研究力學，獲得了空前成功；說它最普遍，因為機械力學有廣泛的用途，容易把它絕對化。[2]機械決定論是建立在經典力學的因果觀之上，解釋原因和結果的存在方式和聯系方式的理論。機械決定論認為因和果之間的聯系具有確定性，無論從因到果的軌跡多么復雜，沿著軌跡尋找總能確定出原因或結果；機械決定論的核心在于只要初始狀態一定，則未來狀態可以由因果法則進行準確預測。[3]其實，機械決定論僅僅適用于宏觀物體，而對于微觀領域以及客觀世界中大量存在的偶然現象的研究就產生了統計決定論。[4]

量子力學是對經典物理學在微觀領域的一次革命。量子力學所揭示的微觀世界的運動規律以及以玻爾為代表的哥本哈根學派對量子力學的理解，同物理學機械決定論是根本相悖的。[5]按照量子理論，微觀粒子運動遵守統計規律，我們不能說某個電子一定在什么地方出現，而只能說它在某處出現的幾率有多大。

玻恩的統計解釋指出，因果性是表示事件關系之中一種必然性觀念，而機遇則恰恰相反地意味著完全不確定性，自然界同時受到因果律和機遇律的某種混合方式的支配。在量子力學中，幾率性是基本概念，統計規律是基本規律。物理學原理的方向發生了質的改變：統計描述代替了嚴格的因果描述，非機械決定論代替了機械決定論的統治。

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

二、量子力學使得科學認識方法由還原論轉化為整體論

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

量子力學認為整體與部分的劃分只有相對意義，整體的特征絕非部分的疊加，而是部分包含著整體。部分作為一個單元，具有與整體同等甚至還要大的復雜性。部分不僅與周圍環境發生一定的外在聯系，同時還要表現出“主體性”，可將自身的內在聯系傳遞到周邊，并直接參與整體的變化。因而，部分與整體呈現了有機的自覺因果關系。在特定的臨界狀態，部分的少許變化將引起整體的突變。[6]

波粒二象性是微觀世界的本質特征，也是量子論、量子力學理論思想的靈魂。用經典觀點來看，也就是按照還原論的思想，粒子與波毫無共同之處，二者難以形成直觀的統一圖案，這是經典物理學通過部分還原認識整體的方法，是“向上的原因”?？墒俏⒂^粒子在某些實驗條件下，只表現波動性；而在另一些實驗條件下，只表現粒子性。這兩種實驗結果不能同時在一次實驗中出現。于是，玻爾的互補原理就在客觀上揭示了微觀世界的矛盾和我們關于微觀世界認識的矛盾，并試圖尋找一種解決矛盾的方法，這就是微觀粒子既具有粒子性又具有波動性，即波粒二象性。這就是整體論觀點強調的“向下的原因”，即從整體到部分。同樣，海森伯的測不準原理說明不能同時測量微觀粒子的動量和位置，這也說明絕不能把宏觀物體的可觀測量簡單盲目地還原到微觀。由此我們可以看出，造成經典科學觀與現代科學觀認識論和方法論不同的根本在于思考和觀察問題的層面不同。經典科學一味地強調外在聯系觀，而量子力學則更強調關注事物內部的有機聯系。所以，量子力學把內在聯系作為原因從根本上動搖了還原論觀點。

三、量子力學使得科學思維方式由追求簡單性發展到探索復雜性

從經典科學思維方式來看，世界在本質上是簡單的。牛頓就說過，自然界喜歡簡單化，而不喜歡用什么多余的原因以夸耀自己。追求簡單性是經典科學奮斗的目標，也是推動它獲取成功的動力。開普勒以三條簡明的定律揭示了看似復雜的太陽系行星運動，牛頓更是用單一的萬有引力說明了千變萬化的天體行為。因而現代科學是用簡單性解釋復雜性，這就隱去了自然界的豐富多樣性。

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

在現代科學中，牛頓的經典力學成了相對論的低速現象的特例，成為非線性科學中交互作用近似為零的情況，在量子力學中是測不準關系可以忽略時的理論表述。復雜性的提出并不是要消滅簡單性，而是為了打破簡單性獨占的一統地位。復雜性是把簡單性作為一個特例包含其中，正如莫蘭所說的，復雜性是簡單性和復雜性的統一。復雜性比簡單性更基本，可能性比現實性更基本，演化比存在更基本。[7]今天的科學思維方式，不是以現實來限制可能，而是從可能中選擇現實；不是以既存的實體來確定演化，而是在演化中認識和把握實體。復雜性主張考察被研究對象的復雜性，在對其作出層次與類別上的區分之后再進行溝通，而不是僅僅限于孤立和分離，它強調的是一種整體的協同。

四、量子力學使科學活動中主客體分離邁向主客互動

經典科學思維方式的一個指導觀念就是，認為科學應該客觀地、不附加任何主觀成分地獲取“照本來樣子的”世界知識。玻爾告訴人們，根本不存在所謂的“真實”，除非你首先描述測量物理量的方式，否則談論任何物理量都是沒有意義的！測量，這一不被經典物理學考慮的問題，在面對量子世界如此微小的測量對象時，成為一個難以把握的手段。因為研究者的介入對量子世界產生了致命的干擾，使得測量中充滿了不確定性。在海森伯看來，在我們的研究工作由宏觀領域進入微觀領域時，我們就會遇到一個矛盾：我們的觀測儀器是宏觀的，可是研究對象卻是微觀的；宏觀儀器必然要對微觀粒子產生干擾，這種干擾本身又對我們的認識產生了干擾；人只能用反映宏觀世界的經典概念來描述宏觀儀器所觀測到的結果，可是這種經典概念在描述微觀客體時又不能不加以限制。這突破了經典科學完全可以在不影響客體自然存在的狀態下進行觀測的假定，從而建立了科學活動中主客體互動的關系。

例如，關于光到底是粒子還是波，辯論了三百多年。玻爾認為這完全取決于我們如何去觀察它。一種實驗安排，人們可以看到光的波現象；另一種實驗安排，人們又可以看到光的粒子現象。但就光子這個整體概念而言，它卻表現出波粒二象性。因此，海森伯就說，我們觀測的不是自然本身，而是由我們用來探索問題的方法所揭示的自然。[8]

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

參考文獻：

[1]林德宏.科學思想史[M].第2版.南京：江蘇科學技術出版社，2004：270-271.

[2]郭奕玲，沈慧君.物理學史[M].第2版.北京：清華大學出版社，1993：1-2.

[3]劉敏，董華.從經典科學到系統科學[J].科學管理研究，2006，24(2)：44-47.

[4]宋偉.因果性、決定論與科學規律[J].自然辯證法研究，1995,11(9)：25-30.

[5]彭桓武.量子力學80壽誕[J].大學物理，2006，25(8)：1-2.

[6]疏禮兵，姜巍.近現代科學觀的演進及其啟示[J].科學管理研究，2004,22(5)：56-58.

篇3

關鍵詞 量子物理；現代信息技術；關系；原理應用

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

量子物理是人們認識微觀世界結構和運動規律的科學，它的建立帶來了一系列重大的技術應用，使社會生產和生活發生了巨大的變革。量子世界的奇妙特性在提高運算速度、確保信息安全、增大信息容量等方面發揮重要的作用，基于量子物理基本原理的量子信息技術已成為當前各國研究與發展的重要科學技術領域。

隨著世界電子信息技術的迅猛發展，以微電子技術為基礎的信息技術即將達到物理極限，同時信息安全、隱私問題等越來越突出。2013年5月美國“棱鏡門”事件的爆發，引發了對保護信息安全的高度重視，將成為推動量子物理科學與現代信息技術的交融和相互促進發展的契機。因此，充分認識量子物理學的基本原理在現代信息技術中發展的基礎地位與作用，是促進現代信息技術發展的前提，也是豐富和發展量子物理學的需要。

1 量子物理基本原理

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

2）量子不可克隆定理。在量子力學中，不能實現對各未知量子態的精確復制，因為要復制單個量子就只能先作測量，而測量必然改變量子的狀態，無法獲得與初始量子態完全相同的復制態。

3）態疊加原理。若量子力學系統可能處于和描述的態中，那么態中的線性疊加態也是系統的一個可能態。如果一個量子事件能夠用兩個或更多可分離的方式來實現，那么系統的態就是每一可能方式的同時迭加。

4）量子糾纏原理。是指微觀世界里，有共同來源的兩個微觀粒子之間存在著糾纏關系，不管它們距離多遠，只要一個粒子狀態發生變化，另一個粒子狀態隨即發生相應變化。換言之，存在糾纏關系的粒子無論何時何地，都能“感應”對方狀態的變化。

2 量子物理與現代信息技術的關系

2.1 量子物理是現代信息技術的基礎與先導

物理學一直是整個科學技術領域中的帶頭學科并成為整個自然科學的基礎，成為推動整個科學技術發展的最主要的動力和源泉。量子力學是20世紀初期為了解決物理上的一些疑難問題而建立起來的一種理論，它不僅解釋了微觀世界里的許多現象、經驗事實，而且還開拓了一系列新的技術領域，直接導致了原子能、半導體、超導、激光、計算機、光通訊等一系列高新技術產業的產生和發展?？梢哉f，從電話的發明到互聯網絡的實時通信，從晶體管的發明到高速計算機技術的成熟，量子物理開辟了一種全新的信息技術，使人類進人信息化的新時代，因此，量子物理學是現代信息技術發展的主要源泉，而且隨著現代科學技術的飛速發展，量子物理學的先導和基礎作用將更加顯著和重要。

2.2 量子物理為現代信息技術的持續發展提供新的原理和方法

現代信息技術本質上是應用了量子力學基本原理的經典調控技術，隨著世界科學技術的迅猛發展，以經典物理學為基礎的信息技術即將達到物理極限。因此，現代信息技術的突破，實現可持續發展必須借助于新的原理和新的方法。量子力學作為原子層次的動力學理論，經過飛速發展，已向其他自然科學的各學科領域以及高新技術全面地延伸，量子信息技術就是量子物理學與信息科學相結合產生的新興學科，它為信息科學技術的持續發展提供了新的原理和方法，使信息技術獲得了活力與新特性，量子信息技術也成為當今世界各國研究發展的熱點領域。因此，未來的信息技術將是應用到諸如量子態、相位、強關聯等深層次量子特性的量子調控技術，充分利用量子物理的新性質開發新的信息功能，突破現代信息技術的物理極限。

2.3 現代信息技術對量子物理學發展的影響

量子信息技術應用量子力學原理和方法來研究信息科學，從而開發出現經典信息無法做到的新信息功能，反過來，現代信息技術的發展大大地豐富了量子物理學的研究內容，也將不斷地影響量子物理學的研究方法，有力地將量子理論推向更深層次的發展階段，使人類對自然界的認識更深刻、更本質。近年來，隨著量子信息技術領域研究的不斷深入，量子信息技術的發展也使量子物理學研究取得了不少成果，如量子關聯、基于熵的不確定關系、量子開放系統環境的控制等問題研究取得了巨大進展。

3 基于量子物理學原理的量子信息技術

基于量子物理原理和方法的量子信息技術成為21世紀信息技術發展的方向，也是引領未來科技發展的重要領域。當前量子物理學的基本原理已經在量子密碼術、量子通信、量子計算機等方面得到充分的理論論證和一定的實踐應用。

3.1 量子計算機——量子疊加原理

經典計算機建立在經典物理學基礎上，遵循普通物理學電學原理的邏輯計算方式，即用電位高低表示0和1以進行運算，因此，經典計算機只能靠以縮小芯片布線間距，加大其單位面積上的數據處理量來提高運算速度。而量子計算遵循量子力學規律進行高速數學和邏輯運算、存儲及處理量子信息。計算方式是建立在微觀量子物理學關于量子具有波粒兩重性和雙位雙旋特性的基礎上，量子算法的中心思想是利用量子態的疊加態與糾纏態。在量子效應的作用下，量子比特可以同時處于0和1兩種相反的狀態（量子疊加），這使量子計算機可以同時進行大量運算，因此，量子計算的并行處理，使量子計算機實現了最快的計算速度。未來，基于量子物理原理的量子計算機，不僅運算速度快，存儲量大、功耗低，而且體積會大大縮小。

3.2 量子通信——量子糾纏原理

量子通信是一種利用量子糾纏效應進行信息傳遞的新型通信方式。量子通信主要涉及：量子密碼通信、量子遠程傳態和量子密集編碼等。從信息學上理解，量子通信是利用量子力學的量子態隱形傳輸或者其他基本原理，以量子系統特有屬性及量子測量方法，完成兩地之間的信息傳遞；從物理學上講，量子通信是采用量子通道來傳送量子信息，利用量子效應實現的高性能通信方式，突破現代通信物理極限。量子力學中的糾纏性與非定域性可以保障量子通信中的絕對安全的量子通信，保證量子信息的隱形傳態，實現遠距離信息轉輸。所以，與現代通信技術相比，量子通信具有巨大的優越性，具有保密性強、大容量、遠距離傳輸等特點，量子通信創建了新的通信原理和方法。

3.3 量子密碼——不可克隆定理

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

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

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

4 結論

量子物理是現代信息技術誕生的基礎，是現代信息技術突破物理極限，實現持續發展的動力與源泉?；诹孔游锢韺W的原理、特性，如量子疊加原理、量子糾纏原理、海森堡測不準原理和不可克隆定理等，使得量子計算機具有巨大的并行計算能力，提供功能更強的新型運算模式；量子通信可以突破現代信息技術的物理極限，開拓出新的信息功能；量子密碼絕對的安全性和不可檢測性，實現了絕對的保密通信。隨著量子物理學理論在信息技術中的深入應用，量子信息技術將開拓出后莫爾時代的新一代的信息技術。

參考文獻

[1]陳楓.量子通信：劃時代的嶄新技術[N].報，2011.

[2]曾謹言.量子物理學百年回顧[J].北京大學物理學科90年專題特約專稿，2003（10）.

[3]李應真，吳斌.物理學是當代高新技術的主要源泉[J].學術論壇，2012.

[4]董新平，楊綱.量子信息原理及其進展[J].許昌學院學報，2007.

[5]周正威，陳巍，孫方穩，項國勇，李傳鋒.量子信息技術縱覽[J].中國科學，2012（17）.

[6]郭光燦.量子信息技術[J].中國科學院院刊，2002（5）.

[7]朱煥東、黃春暉.量子密碼技術及其應用[J].國外電子測量技術，2006（12）.

篇4

【關鍵詞】量子;通信;技術;發展

對量子信息進行研究是將量子力學作為研究基礎，根據量子并行、糾纏以及不可克隆特性，探索量子編碼、計算、傳輸的可能性，以新途徑、思路、概念打破原有的芯片極限。從本質來說：量子信息是在量子物理觀念上引發的效應。它的優勢完全來源于量子并行，量子糾纏中的相干疊加為量子通訊提供了依據，量子密碼更多的取決于波包塌縮。理論上，量子通信能夠實現通信過程，最初是通過光纖實現的，由于光纖會受到自身與地理條件限制，不能實現遠距離通信，所以不利于全球化。到1993年，隱形傳輸方式被提出，通過創建脫離實物的量子通信，用量子態進行信息傳輸，這就是原則上不能破譯的技術。但是，我們應該看到，受環境噪聲影響，量子糾纏會隨著傳輸距離的拉長效果變差。

一、量子通信技術

（一）量子通信定義

到目前為止，量子通信依然沒有準確的定義。從物力角度來看，它可以被理解為物力權限下，通過量子效應進行性能較高的通信;從信息學來看，量子通信是在量子力學原理以及量子隱形傳輸中的特有屬性，或者利用量子測量完成信息傳輸的過程。

從量子基本理論來看，量子態是質子、中子、原子等粒子的具體狀態，可以代表粒子旋轉、能量、磁場和物理特性，它包含量子測不準原理和量子糾纏，同時也是現代物理學的重點。量子糾纏是來源一致的一對微觀粒子在量子力學中的糾纏關系，同時這也是通過量子進行密碼傳遞的基礎。Heisenberg測不準原理作為力學基本原理，是同一時刻用相同精度對量子動量以及位置的測量，但是只能精確測定其中的一樣結果。

（二）量子通信原理

量子通信素來具有速度快、容量大、保密性好等特征，它的過程就是量子力學原理的展現。從最典型的通信系統來說具體包含：量子態、量子測量容器與通道，擁有量子效應的有：原子、電子、光子等，它們都可以作為量子通信的信號。在這過程中，由于光信號擁有一定的傳輸性，所以常說的量子通信都是量子光通信。分發單光子作為實施量子通信空間的依據，利用空間技術能夠實現空間量子的全球化通信，并且克服空間鏈路造成的距離局限。

利用糾纏量子中的隱形量子傳輸技術作為未來量子通信的核心，它的工作原理是：利用量子力學，由兩個光子構成糾纏光子，不管它們在宇宙中距離多遠，都不能分割狀態。如果只是單獨測量一個光子情況，可能會得到完全隨機的測量結果;如果利用海森堡的測不準原理進行測量，只要測量一個光子狀態，縱使它已經發生變化，另一個光子也會出現類似的變化，也就是塌縮。根據這一研究成果，Alice利用隨機比特，隨機轉換已有的量子傳輸狀態，在多次傳輸中，接受者利用量子信道接收;在對每個光子進行測量時，同時也隨機改變了自己的基，一旦兩人的基一樣，一對互補隨機數也就產生。如果此時竊聽者竊聽，就會破壞糾纏光子對，Alice與Bob也就發覺，所以運用這種方式進行通信是安全的。

（三）量子密碼技術

從Heisenberg測不準原理我們可以知道，竊聽不可能得到有效信息，與此同時，竊聽量子信號也將會留下痕跡，讓通信方察覺。密碼技術通過這一原理判別是否存在有人竊取密碼信息，保障密碼安全。而密鑰分配的基本原理則來源于偏振，在任意時刻，光子的偏振方向都擁有一定的隨機性，所以需要在糾纏光子間分設偏振片。如果光子偏振片與偏振方向夾角較小時，通過濾光器偏振的幾率很大，反之偏小。尤其是夾角為90度時，概率為0;夾角為45度時，概率是0.5，夾角是0度時，概率就是1;然后利用公開渠道告訴對方旋轉方式，將檢測到的光子標記為1，沒有檢測到的填寫0，而雙方都能記錄的二進制數列就是密碼。對于半路監聽的情況，在設置偏振片的同時，偏振方向的改變，這樣就會讓接受者與發送者數列出現差距。

（四）量子通信的安全性

從典型的數字通信來說：對信息逐比特，并且完全加密保護，這才是實質上的安全通信。但是它不能完全保障信息安全，在長度有限的密文理論中，經不住窮舉法影響。同時，偽隨機碼的周期性，在重復使用密鑰時，理論上能夠被解碼，只是周期越長，解碼破譯難度就會越大。如果將長度有限的隨機碼視為密鑰，長期使用雖然也會具有周期特征，但是不能確保安全性。

從傳統的通信保密系統來看，使用的是線路加密與終端加密整合的方式對其保護。電話保密網，是在話音終端上利用信息通信進行加密保護，而工作密鑰則是偽隨機碼。

二、量子通信應用與發展

和傳統通信相比，量子通信具有很多優勢，它具有良好的抗干擾能力，并且不需要傳統信道，量子密碼安全性很高，一般不能被破譯，線路時延接近0，所以具有很快的傳輸速度。目前，量子通信已經引起很多軍方和國家政府的關注。因為它能建立起無法破譯的系統，所以一直是日本、歐盟、美國科研機構發展與研究的內容。

在城域通信分發與生成系統中，通過互聯量子路由器，不僅能為任意量子密碼機構成量子密碼，還能為成對通信保密機利用，它既能用于逐比特加密，也能非實時應用。在嚴格的專網安全通信中，通過以量子分發系統和密鑰為支撐，在城域范疇，任何兩個用戶都能實現逐比特密鑰量子加密通信，最后形成安全性有保障的通信系統。在廣域高的通信網絡中，受傳輸信道中的長度限制，它不可能直接創建出廣域的通信網絡。如果分段利用量子密鑰進行實時加密，就能形成安全級別較高的廣域通信。它的缺點是，不能全程端與端的加密，加密節點信息需要落地，所以存在安全隱患。目前，隨著空間光信道量子通信的成熟，在天基平臺建立好后，就能實施范圍覆蓋，從而拓展量子信道傳輸。在這過程中，一旦量子中繼與存儲取得突破，就能進一步拉長量子信道的輸送距離，并且運用到更寬的領域。例如：在潛安全系統中，深海潛艇與岸基指揮一直是公認的世界難題，只有運用甚長波進行系統通信，才能實現幾百米水下通信，如果只是使用傳統的加密方式，很難保障安全性，而利用量子隱形和存儲將成為開辟潛通的新途徑。

三、結束語

量子技術的應用與發展，作為現代科學與物理學的進步標志之一，它對人類發展以及科學建設都具有重要作用。因此，在實際工作中，必須充分利用通信技術，整合國內外發展經驗，從各方面推進量子通信技術發展。

參考文獻

[1]徐啟建，金鑫，徐曉帆等.量子通信技術發展現狀及應用前景分析[J].中國電子科學研究院學報，2009，4（5）：491-497.

篇5

[關鍵詞]量子體系、對稱性、守恒定律

一、關于對稱性和守恒定律的研究

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

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

關于對稱性和守恒定律的研究一直是物理學中的一個重要領域，對稱性與守恒定律的本質和它們之間的關系一直是人們研究的重要內容。在經典力學中，從牛頓方程出發，在一定條件下可以導出力學量的守恒定律，粗看起來，守恒定律似乎是運動方程的結果．但從本質上來看，守恒定律比運動方程更為基本，因為它表述了自然界的一些普遍法則，支配著自然界的所有過程，制約著不同領域的運動方程．物理學關于對稱性探索的一個重要進展是諾特定理的建立，定理指出，如果運動定律在某一變換下具有不變性，必相應地存在一條守恒定律．簡言之，物理定律的一種對稱性，對應地存在一條守恒定律．經典物理范圍內的對稱性和守恒定律相聯系的諾特定理后來經過推廣，在量子力學范圍內也成立．在量子力學和粒子物理學中，又引入了一些新的內部自由度,認識了一些新的抽象空間的對稱性以及與之相應的守恒定律，這就給解決復雜的微觀問題帶來好處，尤其現在根據量子體系對稱性用群論的方法處理問題，更顯優越。

在物理學中，尤其是在理論物理學中，我們所說的對稱性指的是體系的拉格朗日量或者哈密頓量在某種變換下的不變性。這些變換一般可分為連續變換、分立變換和對于內稟參量的變換。每一種變換下的不變性，都對應一種守恒律，意味著存在某種不可觀測量。例如，時間平移不變性，對應能量守恒，意味著時間的原點不可觀測；空間平移評議不變性，對應動量守恒，意味著空間的絕對位置不可觀測；空間旋轉不變性，對應角動量守恒，意味著空間的絕對方向不可觀測，等等。在物理學中對稱性與守恒定律占著重要地位,特別是三個普遍的守恒定律——動量、能量、角動量守恒，其重要性是眾所周知，并且在工程技術上也得到廣泛的應用。因此，為了對守恒定律的物理實質有較深刻的理解，必須研究體系的時空對稱性與守恒定律之間的關系。

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

二、對稱變換及其性質

一個力學系統的對稱性就是它的運動規律的不變性，在經典力學里，運動規律由拉格朗日函數決定，因而時空對稱性表現為拉格朗日函數在時空變換下的不變性．在量子力學里，運動規律是薛定諤方程，它決定于系統的哈密頓算符，因此，量子力學系統的對稱性表現為哈密頓算符的不變性。

對稱變換就是保持體系的哈密頓算符不變的變換．在變換S（例如空間平移、空間轉動等）下，體系的任何狀態ψ變為ψ（s）。

三、對稱變換與守恒量的關系

經典力學中守恒量就是在運動過程中不隨時間變化的量，從此考慮過渡到量子力學，當是厄米算符，則表示某個力學量，而

然而,當不是厄米算符,則就不表示力學量.但是，若為連續變換時，我們就很方便的找到了力學量守恒。

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

（8）式中忽略λ的高階小量，由上式看到

即F是厄米算符，F稱為變換算符的生成元。由此可見，當不是厄米算符時，與某個力學量F相對應。再根據可得

（10）可見F是體系的一個守恒量。

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

1.空間平移不變性（空間均勻性）與動量守恒。

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

設體系的坐標自r平移到，那么波函數ψ(r)變換到ψ(s)(r)

2.空間旋轉不變性（空間各向同性）與角動量守恒

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

3.時間平移不變性與能量守恒

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

和空間平移討論類似，時間平移算符δt對波函數的作用就是使體系從態變為時間平移態：

同樣，將（27）式的右端在T的領域展開為泰勒級數

篇6

關鍵詞： 微磁學 交換作用 經典交換作用

1.引言

在真實的磁化過程中，交換作用能、磁各向異性能和靜磁能中任何一項都不能忽略。如果這些能量項作為微擾加入海森堡哈密頓量中，然后用量子力學的方法求解，那就是最為理想的了。但是，實際上即使不附加其他能量項，也必須做粗略的近似才能求解。所以，微磁學應運而生，它沒有顧及量子力學，忽略了物質的原子本性，而采用介質的經典物理方法處理問題，這種經典理論是與M（T）的量子理論（忽略了靜磁作用）并行發展起來的，它起源于1935年Landau和Lishitz關于兩個反方向磁疇間疇壁結構的論文及1940―1941年W.F.Jr.Brwon的幾篇論文。Brwon將此經典理論命名為“微磁學”，此理論忽略了原子理論的微觀性質，用宏觀的觀點討論問題并認為材料是連續的。因而，采用了經典矢量來代替自旋，并且在“連續介質”的極限下，為了使其能與麥克斯韋方程組一起使用，采用了一項經典的能量項來代替量子力學中的交換作用能。本文主要考慮交換作用能經典的代替項，并通過分析，討論它的適用性與局限性。

2.何為“交換作用”

在順磁體中，其原子磁矩只與外磁場相互這樣。而在鐵磁體中情況卻不相同，其原子的自旋之間存在著相互作用，每個自旋都力圖使其他自旋沿著它的方向取向，自旋間的相互作用來源于自旋的量子力學性質，交換作用沒有經典的對應物，是量子力學中電子波函數的重疊引起的。這些自旋之間存在著一種力，這種力試圖使所有的自旋平行排列，這就是所謂的交換作用，可以用自旋和自旋之間的交換作用能表示，交換作用能正比于•

ε=-′J

其中，求和符號旁邊的分號表示求和時排除i=j，因為能與自旋發生作用，除此之外，此式遍及材料中所有的原子自旋。系數J稱為交換積分。系數的正負是這樣定義的，如果J為正，則自旋平行取向，如果J為負，則自旋反平行取向，分別意味著鐵磁性耦合與反鐵磁耦合。

對于交換積分J，目前尚不能根據基本原理計算出，只能假設給出哈密頓量，而J作為一個參量，其數值由理論與某些實驗（通常是居里溫度）值的比較來確定。

3.“經典”的交換作用

“交換作用”是一種非?！岸坛獭钡淖饔昧?，它只能在鄰，也可能在次近鄰自旋之間產生作用，而對較遠的自旋沒有作用，將自旋算符近似地用經典矢量表示，則交換作用能有〈1〉式給出，如果只能是最鄰近自旋之間的J不等于零，則：

ε=-′J•=-JScosφ

其中，φ為自旋和之間的夾角。

可以預期，相鄰自旋之間的夾角“總”是很小的，因為交換作用是極短程的作用力，不允許產生大的夾角。當φ很小時?？梢约僭O每個平面上有幾個自旋，這些平面相互平行，此時則有：

ε=JSφ

在計算中將所有自旋相互平行的狀態作為參考狀態，減去參考狀態的能量即得到上述表示式。這意味著重新定義了交換作用能的零點。但是，不必擔心，只要互相一致，重新定義是合理的。

如圖1所示，設為平行于局域自旋方程的單位矢量，在小角度的場合，|φ|≈|-|。需指出，這一定義也意味著平行于磁化強度矢量的局部方向。不僅定義在格點上，而且是一個連續變量，其泰勒級數展開的一級近似為：

|-|=|（•）|

其中，是從格點i到格點j的位置矢徑

將〈4〉式代入〈3〉式，則得：

ε=JS•［（•）］

上式中的第二個求和遍及格點i到所有鄰近的位置矢徑，例如對晶格常數為a的簡單立方晶格，需要六個位置矢徑S=a（±1，±1，±）求和。對于三種立方晶格很容易求和，計算表明三種立方晶格的表達式相同，只是系數因子不同。

將對i的求和變換為對整個鐵磁體求積分，則立方晶體交換作用能的表達式為：

ε=?蘩wd?，w=1/2C［（m）+（m）+（m）］

其中C=c

上式中，a為晶胞棱邊的長度，c為常數，其數值對于簡單立方，體心立方，面心立方分別為1，2和4。

4.交換作用與“經典”的交換作用

前面已經提到，交換作用沒有經典的對應物，是量子力學中電子波函數的重疊引起的。實際的交換能量論即〈1〉式來源于庫侖作用，因為它應用了反映pauli不相容原理的行列式。根據pauli不相容原理，兩個相同自旋的電子不能處于同一個位置，因此，它們的重疊就比經典電子的重疊?。ㄔ斍閰⒁娢墨I1），因為交換能量項的主要特征是其積分中包含了對自旋波函數的求和，因自旋波函數是彼此正交的，如果自旋不平行取向，則積分為零。所以，這一項能量實際上表征了兩個自旋爬行取向，以及反爬行取向的兩個姿態的能量“岔值”，其作用在于力圖使自旋彼此平行取向（或者反平行取向，這取決于交換積分的正負）。

但是，在“經典”的交換作用中，恰恰忽略了交換作用最為重要的一點，即電子的自旋波函數，而是以經典的矢量來代替自旋。而這一變化，促使了經典的能量論代替了量子力學的交換作用能，這一變化，使得交換能量的計算顯得更加簡捷方便，也便于解決目前考慮到量子力學性質時難以解決的問題，比如，對三種立方晶格即（簡單立方，體心立方，面心立方）交換作用能的積分，以及對兩個反方向磁疇間疇壁結構的求解問題等。

可是，既然經典交換作用已經忽略了物質的原子本性，不以經典矢量來代替自旋。那么，我們在利用經典交換作用解決問題時，就必須忽略它帶來的局限性和一些限制。

5.經典交換作用的應用和限制

在上一節中已經提到，經典交換能量式為：

ε=JS•［（•）］

其對三種立方晶格交換作用能的表達式為：

ε=?蘩wd?，w=1/2C［（m）+（m）+（m）］

其中C=c

a為晶胞棱邊的長度，c為常數，而對六角密堆晶體，譬如能對Si的體積同樣給出〈6〉式，只是系數C不同，其值為：

C=

其中a為最鄰近原子間的距離。

對于低對稱性的晶體，〈6〉式需做某種修改。不多對于大多數有實際意義的情況，可以認為這一表達式仍然是交換作用的很好近似，比如連續介質的假設是物理真實的很好近似一樣。將常數C看作是材料的一個物理參數，其數值可以通過理論計算結果及測量數據的擬合而求得。當然，如果已知交換積分J，那么從理論表達式〈7〉和〈8〉也可求出常數C。

不過，J與溫度有關?？拷永餃囟萒的J值不再適用于微磁學計算，因為微磁學往往適用于室溫附近。通常用鐵磁共振實驗可以較準確地測出交換常數C，對于鐵和鎳，其數量級C≈2×10erg/cm。

對于解決晶體中磁化強度矢量的方向隨空間位置變化的問題〈6〉式給出的交換作用能量是非常有用的工具。假設磁化強度矢量的數值在晶體內處處相同，且等于M（T），再均勻磁化，即晶體各點的磁化強度矢量均平行取向時，磁化強度的微商為零。交換作用能隨磁化強度矢量的空間變化率的增大而增加，正如所預期的，交換作用能力圖避免磁化強度矢量隨位置的急劇變化。

但是，交換作用能的使用是有其限制的，我們絕不能在超出其有效的近似范圍去應用它。它主要有以下限制。

5.1與材料是連續的基本假設有關

如果所涉及的任何特征長度都遠大于晶胞的尺寸，則材料是連續的，這個假設是合理的。但是，事先并不能完全保證這一點，不過，必須牢記，如果某個微磁學計算中涉及以長度為量綱的參數，只有在這些參數的數值遠大于晶格常數是結果才是可信的。

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5.2溫度不能太高

將格點上的自旋變為連續變量時，的數值在整個晶體內便自動的變為一個常數。同時實驗證實，磁疇中的數值是材料常數M（T），只與溫度有關，格點上具有固定自旋的圖像對于實際材料并不是一種很好的近似（參見文獻1）。下式給出的實驗事實

||=M（T）

只有在較大的體積中求平均時才正確，而當漲落足以使從一點到另一點有差別時，在每個點上（9）式就不滿足了。因為缺乏更好的模型，微磁學理論仍假設〈6〉式到處成立。因此，這個理論不能應用于居里點附近，因為居里點附近很小的“局部”場都會改變的數值。

同時對此理論來做必要的修改前，不能應用于高溫。如果假設尚不清楚，不過已有一些推行此理論的嘗試，其中取得重大步驟的是Minnaja（參見文獻2），他證明在存在熱漲落的情況下，應該用下列交換作用能密度的表達式代替〈6〉式。

w=［（m）+（m）+（m）］

其中，M為矢量的數值，是位置的函數。但是，這一理論仍存在問題，沒有用確定值的另一關系式代替（9）式，因而這部分工作尚未完成。另外在“成核問題”（Nucleation）的研究中（9）式是可以忽略的。

5.3這些近似只適用于相鄰自旋間“小夾角的情況”

不過，由于交換作用力是極短程的作用力，一般地講：相鄰自旋間的夾角預期是很小的。但是，這一普遍的規則并不排除一些非尋常情況下的例外，譬如在材料拐角處，由于其他能量項的制約磁化強度必須翻轉方向，如果以為〈6〉式是嚴格正確的，那么，形式上自旋夾角的不連續躍變會使交換作用能變為無窮大。因此，不能認為〈6〉式是嚴格成立的，因為它畢竟是〈2〉式的近似表達式。而自旋躍變時，〈2〉式并不趨于無窮大?！?〉式總是有限的，而取近似的結果導致無窮大。這意味著這種近似方法不適用此特殊情況，應該采用別的方法進行研究。

6．結語

雖然經典的交換作用的使用存在諸多限制，在應對一些特殊情況時，問題也的確存在。但不可否認的是，對于大多數的問題，目前來說，別無選擇，只能采用〈6〉式。對于特殊的問題，我們就需采用一些特殊的技術。因而，在沒有找到更好的辦法之前，經典的交換作用不失為一種很好的方法。

參考文獻：

［1］A.Aharoni.鐵磁學性理論導論［M］.蘭州：蘭州大學出版社.

［2］Minnaja.N（1970）.Micromagaetics at high temperature.phy.s.Rev.B.1，1151-9.

［3］鐘文定.鐵磁學（中）［M］.北京：科學出版社，1998.

篇7

1.發現外爾費米子

2015年2月16日，中國科學院物理所與普林斯頓大學的兩個獨立團隊先后宣布，在一種特殊晶體中發現了外爾費米子。1929年，德國物理學家外爾提出，狄拉克方程無質量的解描述的是一對具有相反“手性”的新粒子，即外爾費米子。

多年來，研究者一直未能在實驗中發現這種粒子，后來凝聚態物理的發展讓物理學家得以在特殊晶體中尋找外爾費米子。理論計算表明，特殊晶體內的電子態符合無質量、具有手性的特征，即存在相當于外爾費米子的準粒子，而進一步的實驗證實了這個預言。

外爾費米子的性質使其在新型電子器件開發和拓撲量子計算等領域有著廣泛的應用前景。

2015年4月24日，中山大學黃軍就團隊在《蛋白質與細胞》雜志上稱，他們運用基因組編輯技術在無法發育成胎兒的異常人類胚胎中刪除并修復了與地中海貧血癥有關的HBB基因。這篇曾因倫理等問題被《自然》、《科學》拒稿的論文，引發了廣泛的爭論。

這些爭論直接促成了2015年12月的“人類基因編輯國際峰會”。在此次會議上，20多個國家的參會科學家一致認為，以“定制嬰兒”為目的改變人類胚胎或生殖細胞基因組是不負責任的，但不應排除以其他目的在胚胎層面進行基因組編輯的可能性。

3.大腦中的淋巴系統

2015年6月1日，弗吉尼亞大學醫學院的神經科學家稱，他們在小鼠硬腦膜上發現兩根與外周免疫系統直接相連的淋巴管，而人類的硬腦膜上很可能也存在類似結構。

這一發現在改寫教科書的同時，也顛覆了科學界對神經-免疫系統相互作用的認識，將對腦部給藥以及自閉癥、阿爾茨海默病、多發性硬化癥等多種與免疫和炎癥相關的神經系統疾病的研究與治療產生重要影響。

4.“新視野”號飛掠冥王星

2015年7月14日，美國航空航天局的“新視野”號探測器在經過9年時間的漫長跋涉后，終于抵達并近距離飛掠了它的目的地――冥王星。在此期間，“新視野”號通過搭載的科學儀器采集了大量數據，并在之后不斷傳送回地球。

冥王星曾被當作行星中的一員，也是柯伊伯帶天體的代表?？乱敛畮祗w遠離太陽，化學成分的演化很緩慢，可能還保存著與太陽系誕生以及生命起源相關的線索，但由于它們距離地球非常遙遠，此前天文學家對其了解非常有限。

5.量子力學的“超距作用”

量子力學最讓人迷惑的特性之一，就是它可以容許相隔甚遠的兩個粒子發生瞬時的相互作用，對一個粒子進行觀測會同時影響另一個粒子，且不受光速的限制。

2015年8月24日，荷蘭代爾夫特理工大學的團隊宣布，他們設計并進行了迄今為止最嚴格的實驗，證明了量子力學的“超距作用”是真實的。這一新發現可促進量子加密技術的研究。

6.火星上存在液態水

2015年9月28日，美國航空航天局召開會，宣布火星勘測軌道飛行器（MRO）發現了火星存在流動液態水的有力證據。利用MRO上的成像光譜儀，研究者在有神秘條紋的火星山坡上探測到了水合礦物的特征信號。這些暗色條紋會隨時間的推移反復消失和出現――在溫暖的季節，這些條紋顏色會加深并顯現出來，而在較冷的季節則消失不見。

這一發現增進了人類對火星的了解，有助于研究生命形成的條件。

篇8

立足大背景　尋求新發展

量子信息物理，顧名思義，這是一個由信息科學與量子力學學科交叉產生的、全新的研究方向。

“這門學科的出現有其重要的意義?！贝藓榻B，“根據摩爾(Moore)定律，每18個月，計算機微處理器的速度就會增長一倍，其中單位面積(或體積)上集成的元件數目也會相應地增加?？梢灶A見，在不久的將來，芯片元件就會達到它能以經典方式工作的極限尺度。因此，如何突破這種尺度極限是當代信息科學所面臨的一個重大科學問題。量子信息的研究就是充分利用量子物理基本原理的研究成果，發揮量子相干特性的強大作用，探索以全新的方式進行計算、編碼和信息傳輸的可能性，為突破芯片極限提供新概念、新思路和新途徑?！薄傲孔恿W與信息科學結合，不僅充分顯示了學科交叉的重要性，而且量子信息的最終物理實現，會導致信息科學觀念和模式的重大變革?！贝藓f。

時至今日，量子信息技術的發展不僅引起了學術界的關注，各發達國家也針對其制定了本國的研究發展規劃，以期搶占未來信息科技的制高點，并投入大量人力、物力用于支撐該領域的基礎性、前瞻性的研究。我國也于2006年9月了國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006-2020年)，將以量子調控技術為代表的量子信息技術的研究納入到基礎研究重大科學研究計劃當中。正如《綱要》中所描述的那樣：“以微電子為基礎的信息技術將達到物理極限，對信息科技發展提出了嚴峻的挑戰，人類必須尋求新出路，而以量子效應為基礎的新的信息手段初露端倪，并正在成為發達國家激烈競爭的焦點。量子調控就是探索新的量子現象，發展量子信息學、關聯電子學、量子通信、受限小量子體系及人工帶隙系統，構建未來信息技術理論基礎，具有明顯的前瞻性，有可能在20～30年后對人類社會經濟發展產生難以估量的影響。”崔海濤團隊的研究項目就是在這一大背景下展開，致力于解決量子信息技術中關鍵的、基礎性的問題，并對相關實驗技術的發展產生重要的理論指導作用。

緊扣量子糾纏　順通量子信息

細看崔海濤的研究履歷，其關鍵詞便是“量子糾纏”。

“如果說量子信息主要是基于量子力學的相干特征、重構密碼、計算和通訊的基本原理，那么，量子糾纏在其中發揮的是非常重要而且非?；镜淖饔??！痹诙嗄甑膶W習和研究過程中，崔海濤認識到，一方面，許多重要的量子信息技術都需要量子糾纏的參與才能實現，例如，量子遠程傳態、量子保密通訊、量子密鑰分發等；另一方面，由于量子體系與其他自由度的相互作用，這種作用最終導致體系的自由度與其他自由度的量子糾纏，由于環境選擇的結果，量子體系的相干性質會逐漸消失，此即所謂退相干過程。退相干是實現量子信息過程所面臨的最大障礙，如何有效克服退相干，延長量子體系的相干時間是當前量子信息技術研究的前沿課題?！熬褪沁@樣奇特的物理性質，物理學家們對它的理解至今也非常有限，這嚴重制約了量子信息技術的發展，因此，建立對量子糾纏普遍的物理理解已經成為當今量子信息領域最為急迫需要解決的問題之一?！?/p>

如何建立對多體量子態糾纏的普遍理解?如何在具體的物理系統中制備糾纏的量子多體態?看上去，只要解決了這兩個問題，量子糾纏就不再是瓶頸，然而，真的如此簡單么?“最直觀的做法是將兩體糾纏的理解推廣到多體。但經事實證明，這種推廣具有很大的局限，因為量子多體態的糾纏具有遠比兩體糾纏更為豐富的內容?！苯又?，崔海濤進行了舉例說明，“在3量子比特中，存在兩個隨機定域操作與經典通訊操作下不等價的三體糾纏態；GHZ態和W態。它們都是真正的三體糾纏態，卻表現出完全不同的糾纏性質。對于GHZ態，任意一個或兩個量子比特的約化密度矩陣都是單位陣；而W態，通過對任一量子比特的測量，可以得到其他兩個量子比特的最大糾纏態。4個量子比特情況就更為復雜，迄今為止也沒有一個完整的分類。”

直觀推廣不成，崔海濤又開始考慮換角度鉆研。他認為，多體糾纏的度量應該包括兩方面的內容：糾纏模式(pattern)和糾纏強度(intensity)。糾纏強度即糾纏的大小，現已有一些比較好的度量方式，如幾何糾纏；糾纏模式則是指對應多體糾纏的分類。而伴隨著糾纏模式，又出現了一個新的問題――多體態不同糾纏模式表示什么樣的物理意義?“因為這涉及到如何在實驗室中制備不同的多體糾纏。不同的糾纏模式必然對應完全不同的物理性質，SLOCC不等價關系的存在也限制了從‘最大糾纏態’得到其他任意糾纏態的可能。對于不同的糾纏模式，我們需要不同的物理系統(Hamilton量)來制備。這些系統之間又是怎樣的關系呢?”

為了解惑，在國家自然科學基金項目“幾何相與量子糾纏的理論研究”和“多體系統中的量子糾纏及其幾何分類的理論研究”的支持下，崔海濤帶領研究團隊在此研究方向上刻苦鉆研多年，并取得了一些深刻的認識。通過附加對稱性的要求，例如，量子態的平移不變性質，他們發現完全可以普遍地建立這些多體糾纏態間的等價關系。而且，經進一步研究發現，這些等價關系可以通過態的幾何性質很好地區分。也就是說，不等價的多體糾纏對應體系的不同幾何結構。更為重要的是，這些幾何結構可以通過幾何相物理地加以描述。多體糾纏中的非平庸幾何結構的發現并不是孤立的，聯系最近凝聚態體系中相關幾何效應的發現，有理由相信他們之間存在某種形式的聯系。相關的研究工作正在進行中。

事實上，圍繞多體系統中的幾何相與量子糾纏的理論問題，崔海濤自攻讀博士期間就產生了濃厚的興趣。特別是近5年來，陸續發表了一些高水平的學術成果，并主持承擔了一些科研項目。迄今為止共發表學術論文22篇，均為SCI收錄，論文總引用次數137次，他引超過80次。其中，有7篇文章發表在國際權威物理學期刊“Physical Review A”上。2007年發表在“Physics Letter A”上的論文“A Study on the suddendeath of entanglement”已被引用60次(他引57次)，其他論文亦有不同程度的引用。

對于熱愛這項研究的崔海濤來說，這種對未知科學世界的探索是他甘之如飴的興趣和追求，也是他情愿腳踏實地“做一輩子的職業”。

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：

[1]楊志廣，彭鵬，石曉明，周凱.如何激發學生學習結構化學的興趣[J].教育教學論壇，2014，（20）：118-120.

[2]令狐文生，董華平.結構化學課程建設的實踐與思考[J].教育教學論壇，2011，（35）：214-215.

[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

美國著名社會學家、馬里蘭大學社會系杰出教授喬治?瑞澤爾曾在其代表作《社會的麥當勞化》一書中分析指出，工業經濟時代，最為典型的特征是四大特性，即追求效率、可量化、可預測、可控制。符合四大特性將得出最大產出。

事實上，無論是經濟學及經濟實踐領域，還是依照經濟學理念進行“再造”的其他學科和領域，喬治?瑞澤爾所說的“麥當勞化”四大特性應用都非常廣泛。追求效率的意義自不待言，可量化則需要啟動最為精細的細化，可預測、可控制意味著需要實行標準化、均一化。

現代社會中的“科學管理”，本質上是以“麥當勞化”為內核的。由此形成的管理科學，可以有效控制管理成本，短平快地復制管理體系。這樣的管理，要求管理者和管理對象服從“麥當勞化”，謝絕個性，排斥創新，拒絕變化。當然也因此出現了哲學家所稱的“異化”問題。

不光是商業管理領域，教育、公共管理等其他許多方面，早就出現了對“麥當勞化”的猛烈抨擊，一些學者甚至認為，“現代病”、“城市病”、“文明病”的內核就源于此。批評評歸批評，讓人頓為沮喪的是，批評者往往難以拿出令人信服的解決方案。

美國組織管理領域前沿大師和思想家、哈佛大學博士、非營利組織柏卡納研究所（TheBerkana Institute）聯合創始人瑪格麗特?惠特利，2014年獲得了國際領導力協會頒發的“終身成就獎”?，敻覃愄?惠特利所著的《領導力與新科學》一書，是從近幾十年來量子力學等新科學的深入發展拓展深化了人對世間萬物的認識角度，揭示指出“科學管理”、“麥當勞化”不符合事物演進發展的規律和科學定律。

自然秩序永恒的定律在于變化，這也因此使無序很大程度上會成為新秩序的源頭。依照量子理論，事物的準確預測是不可能的，只能使用更為確切的術語：可能性。“在亞原子層次上，如果不干涉事物的生成，或者更準確地說，如果不參與事物的生成，就觀察不到任何東西”。

《領導力與新科學》將牛頓開啟的近代科學作為某種意義上的批判對象。牛頓、笛卡爾等近代科學巨匠雖然沒有直接描述“麥當勞化”，卻開啟了將整體簡化為部分，并進一步分割的做法。在組織管理上，人們習慣于對結構和組織進行設計，廣泛收集組織，用先進的數學方法進行決策，建立不斷優化的精細模型，納入和分析更多的變量，提出更加精確的分析方法?，敻覃愄?惠特利指出，在牛頓式的組織中，界限無處不在，角色和責任都劃分得很清楚，這給人一種非?？煽康母杏X。

實際上，在傳統的管理秩序下，管理陳規要想發揮作用，常常也免不了個體、群體在流程中作出調整，適應環境需要靈活調整行為，都有“自組織”的經歷。有意思的是，管理科學、領導科學在強調其“科學性”一面的同時，也將無法回避藝術性的一面。

量子力學揭示的世界，不是人們誤認為的確定的、僵化的世界。世界不是一臺機器，人更不是機器，有關世界與人、人與人的關系和聯系，以及事物的預測和控制，人們一直以來就錯了。20世紀30年代，天文學家詹姆斯?金斯就曾指出，“與其說世界看起來像是一個大機器，不如說其更像一位偉大的思想家”――量子世界，人們不需要精準的描述和細分任務，而要學會如何推動進程。依照量子理論，在系統內的局部開展行動，能夠深入到系統的內部，參與到所有同步發生的復雜事物之中，因而需要更加關注相關性，而不是狹義、簡單意義上的因果性。這些都是互聯網時代的重要特性。