量子力學的含義范文
時間：2023-12-18 17:56:31
導語：如何才能寫好一篇量子力學的含義，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
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展，并很快融合其他學科，發展建立了量子化學、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展，也許會對21世紀人類的物質文明有更深遠的影響[1]。
地處西部地區的貴州省，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線，從中可知：自2009年起二本線已經低于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，其生源質量相對較低。同時，在物理學（師范）專業大部分學生畢業后的出路主要是中學教師、事業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、注重學生能力培養的觀念的深入，各門課程的教學時數被壓縮，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。以下本人結合從2005至10級《量子力學》的教學經驗，談一下教學方面的思考。
二、依據學生情況，合理安排教學內容
1.根據班級的基礎區別化對待，微調課程內容?？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驗，對后續教學應有小的調整。在備課時，通過微調教學內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的反饋，了解該班學生的學習狀態，再根據班級學習狀況的不同，進行后續課程內容的微調。教學中注重量子力學基本概念、規律和物理思想的展開，降低教學內容的深度，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.照顧班內大多數，適當降低數學推導難度。對于教學過程中將要碰到的數學問題，可采取提前布置作業的方法，讓學生主動去復習，再輔以教師課堂講解復習，以解決學生因為數學基礎差而造成的理解困難。同時，可以通過補充相關數學知識，細化推導過程，降低推導難度來解決。比如：在講解態和力學量的表象時[2]，要求學生提前復習線性代數中矩陣特征值、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學知識，這對理解算符本征方程的本征值和本征函數起了很大的推動作用。
3.注重量子論思想的培養。量子論的出現，推動了哲學的發展，給傳統的時空觀、物質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就顯得尤為重要。為了完成從經典理論到量子理論思維模式的轉變，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。而發生在眼下的事件，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，提高量子力學在現實生活中出現的機會，同時引導學生利用基本原理解釋現實問題，從而培養學生理論聯系實際的能力。
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》。該書采用二維網格圖形和動畫技術，形象地表述量子力學的基本內容，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合，再輔以數學工具模擬，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深入人心經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態時，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有效運行的關鍵環節，它對教和學雙方都具有激發新動機的作用。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，在動態交流中建立良好的教學模式，及時調整自己的教學行為。利用好課程結束前5分鐘，進行本次課程主要內容的回顧，及時反饋總結。通過及時批改課后作業，了解整個班級相關知識及解題方法的掌握情況。依據反饋信息，對后續課程進行修訂。
通過雙方的反饋信息，教師可以根據學生學習中的反饋信息分析、判定學生學習的效果，學生也可以根據教師的反饋，分析自己的學習效率，檢測自己的學習態度、水平和效果。同時，學生學習行為活動和結果的反饋是教師自我調控和對整個教學過程進行有效調控的依據[6]。
四、結論
量子力學作為傳統的“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量下降、學生學習意愿不高的現狀，造成了教師教學難度進一步增大。要增強學生的學習興趣，提高教學質量，教師不僅要遵循高等教育的教學規律，不斷加強自身的學術水平，講課技能，適時調整教學內容，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.量子力學教學與創新人才培養[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.
篇2
關鍵詞：量子密鑰分發 相位調制 偏振編碼 B92協議
中圖分類號：TN911 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）01（c）-0005-02
量子保密通信的安全性是由量子力學的基本定理決定的。實際中的基于強衰減弱光脈沖[1，2]的量子密鑰分發實驗系統主要有兩種類型：（1）基于相位調制的編碼系統[3，4]。相位調制的編碼實驗系統主要有基于兩個Mach-Zehnder干涉儀的實驗系統[3]和基于Michelson干涉儀的“即插即用系統”[4]以及國內華東師范大學作的利用Sagnac環實現量子密鑰分發的實驗系統[5]。基于Michelson干涉儀的“即插即用系統”和利用Sagnac環的實驗系統，光子要在光纖中來回走兩次，從而影響了長距離傳輸，我們提出的編碼/解碼方案僅使光子在光纖中單次傳播，理論上講要比基于Michelson干涉儀和Sagnac環的編碼系統的傳輸距離長一倍。（2）基于偏振編碼的實驗系統[7～9]。基于偏振編碼的實驗系統由于存在光纖的偏振模色散、雙折射等效應，使光子在傳輸過程中不能保持原有的偏振態，從而引起誤碼。況且在原來的偏振編碼的實驗系統中存在著各自的弊端，如有的使用的是光電開關，由于光電開關的響應速度慢且不利于高速編碼，有的是使用了多個激光器，因造價昂貴而在實際的實驗系統中很少使用。這兩種類型的實驗系統都存在著各自的不足，很難實現快速、長距離而低誤碼率的編碼。
本文提出的相位調制偏振編碼和相位調制偏振解碼的方法，結合了以上兩種方法的優點，通過對相位的精確補償恢復光子的偏振態，從而降低了誤碼率。文中用量子力學算符來描述光學器件，態函數的變化來描述光子偏振態的變化，這樣可以直觀的描述編碼解碼的過程。采用兩非正交量子態來編碼解碼，與文獻[6]的編碼系統相比用一只偏振片代替了一只偏振分束器，而且節省了一只價格昂貴的單光子探測器和一只半波片，另外，在實際的實驗過程中能使數據的采集處理簡便許多。
1 兩非正交態的相位調制偏振編碼、解碼器
1.1 兩非正交偏振態的相位調制偏振編碼器
相位調制偏振編碼器的結構同文獻[6]的一樣，從激光器發出的光脈沖經過衰減器的強衰減變成單光子脈沖以與軸成45°夾角的方向進入偏振分束器，進入偏振器的光子的偏振態用態函數描述為：
經過相位調制偏振編碼器后的光子的態函數表示為：
式中：
為相位調制偏振編碼器的算符表示。
我們對（2）式分析，可知當相位調制器的控制電壓分別為0和（為相位調制器的半波電壓）兩種電壓時。相位調制器分別產生，的相位變化，從而可得到如下兩種偏振態的光。
（1）當0時，出射光的偏振態：，即沿45°的線偏振光。
（2）當時，出射光的偏振態：
，即為右旋圓偏振光。
由于，可見和是非正交的。由此可見當輸入電壓分別為0和時，編碼器輸出兩個非正交的量子態。
1.2 兩非正交量子態的相位調制偏振解碼器
由B92量子密鑰分發協議的要求可知兩非正交量子態的解碼器的作用是提供135°線偏振和左旋的圓偏振兩種非正交的偏振檢偏器，它有一個量子編碼器和一個線性起偏器構成，如圖1所示，我們把圖中的同于前面編碼器的那部分叫做相位調制解碼部分。相位調制解碼部分和偏振器以及后面的單光子探測器的整一部分的構成叫做解碼器。
在解碼器中相位調制解碼部分用算符表示為：
在兩非正交態的量子解碼器中，偏振器的算符表示為：
式中的角為偏振器的晶軸與軸的夾角。
由量子力學的基本知識，我們可求出算符的本征值及對應的本征態。
（1）當1時（物理含義是光可以全部通過偏振器），對應的本征矢量是：
也就是處于|1>態光子能100%的通過偏振器被偏振器后的單光子探測器探測到。
（2）當（物理含義是光全部被偏振器吸收），對應的本征矢量是：
即處于態的光子不能通過偏振器，在偏振器后的單光子探測器不可能探測到處于這種態的光子。若光子處于其他的態，單光子可以幾率性的被偏振器后的單光子探測器探測到。
基于以上的討論我們來討論解碼器的工作過程。
（1）當0時，由B92編碼協議，假設此時不可能探測到45°的線偏振光，即此時解碼器提供135°的檢測基，在偏振器后探測到光子的幾率為0，即經過相位調制偏振解碼部分后的量子態在起偏器的本征態上的投影為0，可得下式。
探測到右旋圓偏振光的幾率為：
由（4）（5）及我們得到135°檢測基時的解碼器算符
（2）由B92密鑰分發協議，此時解碼器應提供左旋圓偏振光檢測基，單光子探測器探測到右旋圓偏振光幾率應為，即右旋圓偏振光經過相位調制偏振解碼部分后的對應態在態上的投影為0
由上式得到。
當時，對應的解碼器的算符是：
由以上的討論我們知道，當時，單光子探測器探測不到45°線偏振態的光子，只能以的幾率探測到處于右旋圓偏振態的光子。當時，單光子探測器探測不到處于右旋偏振態的光子只能以50%的幾率探測到處于45°線偏振態的光子，符合B92編碼協議。
2 兩非正交態量子密鑰分配系統
首先，Alice用隨機發生器產生0和兩種電壓，位相調制器則分別產生0和的相位變化，根據前面的分析可知，兩非正交態量子編碼器的輸出光的偏振態分別為45°線偏振和右旋圓偏振光。在同一時鐘內Bob用隨機發生器產生0和兩種電壓，則量子解碼器可以分別產生135°線偏振和左旋圓偏振兩種非正交偏振態檢偏基，對Alice發送的光子的偏振態進行檢測。然后，Alice和 Bob共同約定：以代表二進制的0，以代表二進制的1。最后，Bob僅告訴Alice在哪些時鐘內測量到光子，不是告訴測量基，二者就可得到共享的密鑰。
3 結論
運用量子力學的原理來描述光學器件和光子的偏振狀態，文中從理論上描述了基于B92協議的兩非正交態的量子密鑰分發過程，最后給出了B92協議的量子密鑰分發系統，利用相位調制來實現偏振編碼/偏振解碼，提高了編碼效率。利用這種編碼方案可以實施對光子的相位和偏振補償，恢復光子原有的偏振狀態。
參考文獻
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①基金項目：大學生科技創新項目（SCX12085）、華南農業大學校長基金（K08229）和國家自然科學基金（No.11204089）的資助。
篇3
對于這個問題，我們還可以從另一角度提出：“現在”是什么？我們說只有現在的事物才是存在的，過去的不再存在，未來的尚未存在。但是在物理學上，沒有任何事物與“現在”這個概念相對應。讓我們比較一下“現在”和“這里”這兩個概念，后者指定了說話者的位置。對身處不同位置的兩個人來講，“這里”指兩個不同的地方。因此，“這里”的含義取決于說話者的位置?！斑@里”這個概念用術語來說叫作“指示詞”。“現在”是指使用該詞時所指的那一刻，因此也屬于指示詞。
沒有人會說“這里”的事物存在，而不在“這里”的事物不存在。那么為什么我們會說“現在”的事物存在，而不處于“現在”的事物就不存在呢？“現在”究竟是客觀的、流動性的、讓事物延續存在的概念，還是和“這里”這個觀念一樣，只是存在于我們大腦中的主觀反應？
這似乎是個深奧的問題，但是在現代物理學中，已經成為一個亟待解決的問題。愛因斯坦的狹義相對論表明，“現在”這一概念也是主觀的。物理學家已得出結論，“現在”對整個宇宙普遍適用的觀點是說不通的。愛因斯坦在其摯友米歇爾?貝索去世后，給米歇爾的妹妹寫了一封感人的信，信中說：“他只是比我稍早一點離開了這個奇怪的世界，這并沒有什么，對我們這些篤信物理學的人來說，過去、現在與未來沒有什么區別，只不過是一種持久并固有的幻覺。”
不管是不是幻覺，我們該如何解釋時間在流逝這一事實呢？時間流逝對所有人來說都顯而易見。我們的思想和話語存在于時間里，我們的語言結構需要這個有著“現在”、“過去”和“未來”的時間。德國哲學家馬丁?海德格爾強調我們“生活在時間里”，但我們有沒有可能不用“時間流逝”來描述世界？
一些哲學家，包括海德格爾的忠實追隨者，都認為物理學無法描述現實生活中最基本的方面，他們將物理學看成是一種誤導性的知識而加以排斥。但是，我們已經意識到有時直覺并不準確。如果我們一直堅信這種不準確的直覺，就會仍舊認為地球是平的，太陽繞著地球轉。我們的直覺源于有限的經驗。當我們拋開直覺再深入一些，就會發現地球并非我們看到的那樣：地球是圓的，在我們腳下地球的另一面，人們腳朝上，頭朝下。
盡管這看起來很生動，但我們體驗的時間流逝并不一定反映基本的現實世界?？墒侨绻皇?，那么時間又來自何處？
我認為，從某種層面上看，答案就在于時間和熱量之間的密切聯系。只有熱量流動時，我們才能發覺過去和未來的差別。熱量與概率（即利用統計學計算出的大量粒子的運動）相關，而概率又與這樣一個事實相關，即我們與世界其他地方的相互作用不能涵蓋現實中的每個細節。時間流逝的觀念源于物理學，但它的出現并不是為了精確描述事物，而是出現在統計學和熱力學的情境中。這可能是解開時間之謎的鑰匙?？陀^來講，“現在”和“這里”一樣，并不是一種客觀存在，而是主觀存在，但是世界內部微觀的相互作用促使一個系統中（如我們自己）發生某些臨時現象，這一系統只是以無數變量為媒介進行交互。
我們的記憶和意識都是建立在這些統計學計算出來的現象之上的。對某種假想的超智慧生命而言，時間不會流逝。正如愛因斯坦描繪的那樣，整個宇宙是一幢由過去、現在和未來組成的大樓。但由于我們的意識存在局限性，我們只能對世界有著模糊的認識，認為自己活在時間里，因此也就產生了時間流逝的觀念。
這樣的解釋還不夠清楚，還有很多問題有待深入理解?！皶r間”處在各種復雜難題的中心，這些難題是由重力、量子力學和熱力學交錯在一起引起的。目前還沒有一種理論能夠整合我們了解這個世界所需的這三方面的基本知識。
值得欣慰的是，霍金的計算結果為解決這些問題提供了一絲線索，也有助于我們找出關于時間本質的更深層次的答案。霍金運用量子力學理論證明了黑洞是有溫度的：它們總是熱的，就像火爐一樣散發熱量。沒有人觀測到過這種熱量，因為它極其微弱，但是霍金的計算結果令人信服，而且該結果已被通過多種方法證實，人們已廣泛接受黑洞有熱量這一事實。
篇4
【關鍵詞】思想實驗科學素養
利用科學發展史知識對于培養學生的科學素養具有重要的意義，如何利用科學史中的有關思想實驗史料來培養學生的科學素養是個值得研究的問題，對于思想實驗，有些老師往往只重視了思想實驗的知識功能，對于其豐富的思想內涵則較少進行挖掘，特別是它對于培養學生科學素養的意義。本文試圖對此進行探討。
1什么是思想實驗
根據中國大百科全書可知，思想實驗 （thought experiment）是一種按照實驗程序設計的并在思維中進行的特殊論證方法。它既不同于真實實驗，也有別于形式邏輯的推理。是按照假想的實驗手段和步驟，進行思維推理，得出合乎邏輯的結果。在物理學發展的歷史過程中伽利略、愛因斯坦等許多科學大師都曾經借助思想實驗延伸其理論的觸角。
從科學思想實驗發展的歷史，我們可以看到思想實驗主要特點。
1.1 可操作性。思想實驗不是實際進行的實驗，但是它是按照實驗的格式展開的，是可操作的。
1.2 嚴密的邏輯性。思想實驗的操作過程，既是想象自由展開的過程，又是邏輯運動的過程。在這中間，邏輯起著主導作用，它引導、控制著想象，保證想象既是豐富的．又不是胡思亂想。
1.3 高度的創造性?？茖W家做思想實驗的目的，是為了揭示事物內部的規律性。因此其探索是前無先例的，帶有高度的創造性。
2什么是科學素養
科學素養（scientific literacy）概念的形成與發展經歷了長期的演進過程，并且隨著科學技術的發展和變革，概念的含義也將不斷變化。本文采用以下觀點?？茖W素養的基本要素包括以下幾個方面。
一是科學知識與技能，是人們在科學實踐中獲得的關于客觀世界的各種事物的本質及規律性的認識程度和實際操作本領。
二是科學方法與能力，是人們在認識和改造客觀世界的實踐中總結出來的，并能在實踐中正確運用的思維和行為方式，以及把握事物本質的策略與熟練程度。
三是科學行為與習慣。科學習慣是長期積累和科學行為的定型。
四是科學精神、態度與價值觀?？茖W精神是指人所具有的科學的意識、思維活動和一般心理狀態，其中以推動并指引一個人采取決定和行動的科學的原則、信念和標準組成的科學價值觀為核心?？茖W態度則指個體在科學價值觀的支配下，對某一對象所持的評論和行為傾向。
我國在制定中學"科學"標準時，認為科學素養還應該涉及科學、技術與社會的關系方面。這些都是科學素養所包含的重要內容。
3利用思想實驗培養學生的科學素養的途徑
思想實驗可以對所研究的過程設想出真實實驗暫時不可能或原則上不可能達到的實驗條件，進行邏輯論證。在這個過程中，不僅包含有豐富的科學知識與技能，體現了物理學研究事物的方式與方法，而且也蘊含著人類認識事物，研究事物時所伴隨的豐富的科學精神和人文精神。這些對于提高學生的科學素養都是具有重要意義的，都是值得挖掘與充分利用的。
3.1 挖掘科學史中思想實驗提高學生科學素養
伽利略是第一位思想實驗大師，他重視實驗對理論的檢驗作用，但由于外部環境的惡劣、實驗條件的簡陋以及哲學思想的影響，因此思想實驗是一個常用的方法，并依此獲得許多重要的發現與結論。
重力作用下的落體運動在伽利略的力學中占據著中心位置，他在關于落體運動的討論中仍然運用了他早先提出的"落體佯謬"，對亞里士多德的落體定律提出詰難，然后逐步顯示出他的研究的全部豐富內容，在這個思想實驗中，他已把早先所說的密度相同而大小不同的物體改變成重量不同的物體。對話是這樣進行的：
"如果讓兩塊石頭（其中之一的重量十倍于另一塊的重量）同時從比如說100腕尺高處落下，那么這兩塊石頭下落的速率便會不同，那較重的石塊落到地面時，另一塊石頭只不過下落了10腕尺。"
"如果我們取天然速率不同的兩個物體，顯而易見，如果把那兩個物體連接在一起，速率較大的那個物體將會因受到速率較小物體的影響其速率要減慢一些，而速率較小的物體將因受到速率較大的物體的影響其速率要快一些?！?，如果這是對的話，并假定一塊大石頭以8的速率運動，而一塊較小的石塊以4的速率運動，那么把二者連在一起，這兩塊石頭將以小于8的速率運動；但兩塊連在一起的石頭當然比先前以8的速率運動的更重?？梢?，較重的物體反而比較輕的物體運動的慢，而這個效應同你的設想是相反的。"
這個佯謬不僅揭示了亞里士多德理論的破綻和邏輯混亂，同時也表明了，運用這種思想實驗的推理法，比起永遠可能被人挑剔的真實實驗，有時會更有說服力的一個包含著錯誤的理論。
在這個過程中，不僅說明了重力作用下的落體運動規律，而且體現了物理學研究問題的方法，如認真觀察現象，提出要研究的問題，并對問題提出猜想與假設，然后進行論證。更蘊含了豐富的科學精神與科學態度，對于前人的觀點不是盲目的接受，而是具有懷疑精神，敢于提出問題，實事求是地面對科學并勇于堅持。這些都是科學素養的范疇，因此，從物理學的重大發現中吸取營養，對提高學生的科學素養是大有裨益的。
3.2利用物理學方法中的思想實驗提高學生科學素養
如果所設想的條件是完全理想化的，如絕對真空、絕對光滑等，在這種條件下所進行的論證稱為理想實驗法，它是思想實驗的一種重要形式。
這一部分在中學的物理教學中涉及的知識很多。如牛頓運動定律等。真正代表近代科學方法論精神的伽利略與牛頓。伽利略最先倡導并實踐了實驗加數學的方法，但是他所謂的實驗并不是培根意義上的觀察實驗，而是理想化實驗。地球上的任何力學實驗都不能避免摩擦力的影響，但是認識基本的力學規律，又要從觀念上排除這種摩擦力，這就需要全新的概念體系來支撐將做得實驗，包括設計、實施和解釋實驗結果，只有這種理想化的實驗才可能與數學處理相配套。伽利略的研究程序可以分為三個階段：直觀分解、數學演繹、實驗證明。牛頓在吸收前人經驗的基礎上做了進一步完善，牛頓的方法可以稱之為"歸納-演繹"法，并且認為演繹的結果必須重新訴諸實驗確證。牛頓運動定律就是這些過程的直接結果。
牛頓運動定律不僅內容上說明了自然界的重要定律，他的研究方法、研究思想同樣也具有重要的價值。它是以觀察和實驗中了解到的資料作為出發點，把自然現象合理簡化并建立起恰當的物理模型；運用思想實驗，即在絕對簡化理想條件下，運用思維中的邏輯演繹推理導出某種科學結論，再去接受科學實踐的檢驗的過程。
從這個研究的過程本身我們可以發現其中不僅包括科學知識，而且還涉及一種比較完善的物理學的研究方法，這對后人進行進一步的研究具有重要的借鑒意義。發現過程本身也暗含了牛頓對于科學的濃厚興趣和科學探究的整個過程。這些都是培養科學素養的重要素材，應該給予充分利用。
3.3利用現代物理學研究中的思想實驗部分提高學生科學素養
新課程強調科學與社會，技術的聯系，必須看到，現代科技已經逐漸滲透到了我們生活的方方面面，因此需要學生對于現代物理學有些初步的認識。如中學物理課本加入了關于愛因斯坦的相對論和一些量子力學的簡單介紹。但是現代物理學的研究，無論在微觀還是宏觀上越來越多地進入了不能完全直接靠實驗證實或證偽的領域。相對論和量子力學是現代物理學的兩大支柱，其中都包含有豐富思想實驗的部分。
1961年諾貝爾物理學獎獲得者美國物理學家霍夫斯塔斯曾說過："我相信任何一個喜歡自然的人都應該學習量子力學，并不是他的數學而是他的思想"。進入21世紀，無論是中學生或者是全體公民都應該不同程度的知道一點什么是量子力學，量子力學的基本概念，基本思想，量子力學有什么作用，已經起到了什么作用，這些都是很必要的。
使學生能了解科學與技術的區別與聯系，初步認識科學推動技術進步、技術又促進科學發展的相互關系，初步認識社會需求是科學技術發展的強大動力等科學、技術與社會的關系。同時能使學生增長見識，激起學生的好奇心，培養科學精神。這也是培養學生科學素養的一個重要方面。
4進行思想實驗教學時的注意事項
4．1 處理好思想實驗與真實實驗的關系
思想實驗是一種理性的思維活動。但不是脫離實際的主觀臆想，而是以實踐為基礎．按照實驗的格式操作展開，對實際過程做出更深入一層的抽象分析，其推理過程是以一定的邏輯法則為根據的。而這些邏輯法則，都是從長期的社會實踐中總結出來且為實踐所證實了的。
思想實驗和真實實驗又是緊密聯系和互補的。科學中的理論、規律是從大量實驗事實中總結概括出來的，科學中的假設、爭論也有賴于真實實驗的驗證。
有時兩者往往密不可分地穿插在一起，真實實驗為思想實驗提供經驗材料，思想實驗對經驗材料進行理性加工，并為真實實驗提供理論指導。從伽利略發現落體定律和慣性定律的活動中，可以明顯地看到這一點。
4．2不能忽略物理學史中被證實為錯誤的思想實驗
在科學研究中，通過再多的科學實驗都不能完全證實一個理論，這是歸納法的本質所決定的，但是一個否定例證就足以證偽一個理論。在物理學的思想實驗中，有的已被否定，但不能因此就貶低它的作用，那些被證偽的思想實驗往往是一個新理論產生的重要基石，如伽利略在給出著名的"落體佯謬"的最初說法時，他所說的是同樣材料而不同大小的物體，并非指所有的物體，其前提是錯誤的，結論也是有局限性的，但是他的過程本身是非常有意義的，為他后來得出普遍的結論提供了重要的基礎。這些過程都是需要進一步挖掘的，這樣才能讓學生明白科學研究的真實過程，對于培養學生的科學素養是具有豐富的教育意義的。
4．3 思想實驗是一種相對獨立的科學方法
在科學研究中，思想實驗能夠成為一種不替代的科學方法，是由于思想實驗以其科學思維的嚴密性、精確性補充了真實實驗的不足。比如，驗證廣義相對論的某些實驗條件，或者某些條件在任何時代都不能被滿足，比如，驗證牛頓第一定律所需要的無摩擦力的平面。但是，這些條件在邏輯上是可以實現的，這樣，人們可以避開實際的技術困難。在思維中把這些條件制作出來，或者對現在條件進行理想化抽象，在想象中實現這些條件。進而在頭腦中展開類似于真實實驗的"仿真"過程，推斷被研究事物的內部規律。
必須看到，思想實驗中包含有豐富的思想內涵，有利于進行積極的科學文化教育，而且思想實驗作為一種科學方法將在更廣闊的領域中應用。
參考文獻
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篇5
關鍵詞:物理常數;光速;普朗克常數
基本物理常數是物理學中的一些普適常數，是人類在探索客觀世界基本運動規律的過程中提出和確定的基本物理常量。這些常數與自然科學的各個分支有著密切的關系，在科學理論的提出和科學試驗的發展中起著很重要的作用?；疚锢沓蛋ㄅｎD引力常數G、真空中的光速C、普朗克常數h、基本電荷e、電子靜止質量Me、阿伏伽德羅常數Na等。
物理學中許多新領域的開辟以及重大物理理論的創立，往往與相關基本物理常數的發現或準確測定密切相關?；疚锢沓得枥L和反映了物理世界的基本性質和特征，它們為不同領域的區分提供了定量的標準?；疚锢沓档臏y定及其精度的不斷提高，經歷了漫長的歷史時期，生動地反映了實驗技術和測量方法的發展與更新，現在，許多基本物理常數的精度已達10-6量級，有的甚至達到10-8～10-10量級。本文限于篇幅，僅以光速C和普朗克常數h為例來說明。
光速是光波的傳播速度，原與聲波、水波等的傳播速度類似，并不具有任何“特殊的”的地位。但細分析起來，光速也似乎確有一些特殊之處。其一是光速的數值非常大，遠非其他各種波動速度所能比擬；其二是光波可以在真空中傳播，而其他波動則離開了相應的彈性介質便不復存在，由此引來了關于以太（假想的彈性介質）的種種爭論。
1865年麥克斯韋建立了電磁場方程組，證明了電磁波的存在，并推導出了電磁波的速度C等于電流的電磁單位與靜電單位之比。1849年斐索用實驗測出光在空氣中的傳播速度為C=3.14858×108米/秒。分屬光學和電磁學的不相及的兩個傳播速度C電磁波與C光波之間出乎意料的驚人相符，使麥克斯韋立即意識到光波就是電磁波。于是，以C為橋梁把以前認為彼此無關的光學與電磁學統一了起來。同時，由于電磁波傳播依賴的是電磁場的內在聯系，無需任何彈性介質，使得“以太”的存在和不存在沒有什么差別，不需要強加在它身上種種性質。至此，光速C的地位陡然升高。
麥克斯韋電磁場理論揭示了電磁場運動變化的規律，統一了光學與電磁學，開創了物理學的新時代。但同時它也提出了新的更深刻的問題：麥克斯韋方程組只適用于某個特殊的慣性系還是適用于一切慣性系。如果麥克斯韋方程組只適用于某個特殊的慣性系，則不僅違背相對性原理，且該慣性系就是牛頓的絕對空間，地球相對它運動將受到以太風的吹拂，然而試圖探測其影響的Michelson-Mor1ey實驗卻得出了否定的結果。如果麥克斯韋方程組適用于一切慣性系，則根據伽利略變換得出的經典速度合成規律，在不同慣性系中的光速應不同，甚至會出現違背因果關系的超光速現象，也難以解釋?？傊?，對于麥克斯韋電磁場理論，伽利略變換和相對性原理之間存在著不可調和的深刻矛盾。直至1905年Einstein以相對性原理和光速不變原理為前提，并借助洛倫茲變換方程建立起狹義相對論之后，這一切矛盾和困惑才最終得以解決。
由此可見，真空中的光速C從光波的速度上升為一切電磁波的傳播速度之后，又進一步成為一切實際物體和信號速度的上限，并且在任何慣性系中C的取值都相同。C作為基本物理常數，提供了不可逾越的速度界限，從根本上否定了一切超距作用，成為相對論和新時空觀的鮮明標志，同時又成為是否需要考慮相對論效應的定量判斷標準。
1900年普朗克為解釋黑體輻射，提出諧振子能量不連續的大膽假設。1905年Einstein為解釋光電效應，把能量子假設推廣到電磁波，提出“光量子”。1924年德布羅意通過粒子與波的對比，假設微觀粒子也具有波動性，也就是波粒二象性，設其動量為p，則其德布洛依波長由下式絕定：pλ=h，這里h是一常量，叫普朗克常數，h幾乎處處出現，它宣告物理學新的研究領域——量子物理學誕生了。
量子物理學的進展表明，普朗克常數h是量子物理學的重要常數，凡是涉及量子效應的一切物理量都與它有關，h不僅必然成為微觀粒子運動特征的定量標準，而且成為劃分量子物理與經典物理的定量界限（正如C是劃分相對論與非相對論的定量界限一樣）。如果物理體系具有作用量綱的物理量與h可相比擬，則該體系的行為必須在量子力學的框架內描述；反之，如果物理體系具有作用量綱的物理量遠大于h，則經典物理學的規律就在足夠的精確度對該體系有效。普朗克常數h的深刻含義和重要地位，使之得以躋身基本物理常數之列。
普朗克常數h的一個意外而有趣的含義在于，它是一個直接關系到宇宙存在形式的基本常數。宇宙中廣泛存在著有形的物質與輻射，其間的能量交換（如物體發光或吸收光）遵從一條物理原理，即能量按自由度均分。如果不存在普朗克常數，即若h=0，則表明輻射與有形物質之間的能量交換可任意進行。由于輻射的自由度與頻率的平方成正比，隨著頻率增高，輻射自由度在數量上是沒有上限的。因此，輻射通過與有形物質的能量交換，將不斷地從有形物質中吸取能量，最終導致有形物質的毀滅。于是，整個宇宙只剩下輻射，沒有原子、分子，沒有氣體、液體、固體等，生命與人類當然無從談及。幸而普朗克常數h不為零，輻射的能量是不連續的，存在著ε=hv的能量臺階，波長越短頻率越高的輻射其能量臺階越高，在與有形物質的能量交換中越不起作用，相應的輻射自由度凍結，從而使有形物質與幅射的能量交換受到限制，兩者才能達到平衡，我們這個宇宙才能以當今豐富多采的形式存在下去。
下面介紹一下近代精確測量C和h的方法。
測量真空中光速的精確方法是，直接測量激光的頻率ν和真空波長λ，由兩者乘積得出真空光C。1972年，通過測量甲烷譜線的頻率與真空波長，得出真空中光速為c＝299792458±1.2米/秒。1983年第17屆國際計量大會規定新的米定義為：“米是1/299792458秒的時間間隔內光在真空中行程的長度?！庇捎诠馑偈嵌x，不確定度為零，從此不再需要任何測量，結束了300多年精密測量C的歷史。
h首先由普朗克給出，普朗克利用黑體輻射位移定律中的Wien常數b與k（Boltzmann常數）、C、h的關系，由b、k、C算出h，用實驗方法測定h則始于Millikan，他利用光電效應的實驗得出h，近代精確測定h的方法是利用Josephson效應，這是超導體的一種量子效應。
1900年，Thomson在總結以往幾百年的物理學時指出：“在已經基本建成的科學大廈中，后輩物理學家似乎只要做一些零碎的修補工作就行了；但是，在物理學晴朗天空的遠處，還有兩朵令人不安的烏云?！边@兩朵烏云就是當時無法解釋的黑體輻射和Michel-son—MOrley實驗，正是它們引起了物理學的深刻變革，導致量子力學和相對論的誕生，與此同時出現了兩個基本物理常數h和C。
參考文獻
[1][美]威切曼著，復旦大學物理系譯，《量子物理學》，科學出版社，1978年
篇6
【關鍵詞】光速不變;單鏈式;定向振蕩
1.引言
物理學是一門研究物質運動變化規律的科學，牛頓從宏觀物體的運動變化中總結出了三大運動定律，創立了經典力學，成為物理學的開山鼻祖。麥克斯韋研究電場和磁場運動變化的規律，在前人的基礎上總結出了電磁場理論。愛因斯坦研究光運動變化的規律，在麥克耳孫和莫雷的干涉實驗以及光行差實驗等的基礎上，發現了光速不變原理，并創立了相對論。
普朗克通過研究黑體輻射中不同頻率的電磁波運動變化的規律，發明了量了論，后來的物理學家們在此基礎上發展出了量子力學和量子電動力學，創建并完善了標準模型理論。很多物理學家窮其一生，試圖把相對論和量子理論結合起來，建立大統一理論。然而，相對論和量子理論就像一頭大象的鼻子和尾巴，它們不但形象各異，而且總是各朝一方，即便免強拼湊在一起也并不是一頭完整的大象。
2.相對論和量子理論的局限
愛因斯坦是在光速不變原理的基礎上創立相對論的，但愛因斯坦并不能解釋光速為何不變。一些相對論專家說光速不變是四維時空的一種自然表現，這種說法有點牽強。四維時空觀是愛因斯坦在研究有關光速不變的實驗后形成的一種觀念，這些實驗都只涉及到光波，至今為止，人類還沒有辦法把一些實物粒子，如電子、原子、分子等，加速到光速， 也就不知道這些實物粒子的速度能不能達到或超過光速。我們不能因為還沒有辦法把一個電子加速到光速就斷定電子的速度不能達到光速，人類目前還做不到的事情并不意味著未來的人類也做不到，未來總是充滿各種可能性的。既然我們還沒有法辦把實物粒子加速到光速，我們就無法知道光速不變原理是否適用于實物粒子，還是只適用于光子，更無法知道光速不變原理是否適用于宏觀的物體。
光速不變原理提出，在每個慣性系中，真空中的光速各向同性，與光源的運動無關，也與光的頻率無關。一艘在水面上靜止或勻速運動的船可以作為一個慣性系，倘若這艘船 永不停息地做毫無規則可言的運動，船的速度和方向總是在不停地變化，那么，這艘船就不能作為慣性系了.在微觀世界中，每一個物質粒子如電子、原子、分子等，都在永不停息地做毫無規則可言的運動，沒有一個粒子相對于另一個粒子是靜止或勻速運動的，只有粒子本身相對于粒子是靜止的，用來描述宏觀世界的慣性系在微觀層次上根本就不存在。我們都知道，激發光的是電荷，吸收或反射光的也是電荷，我們之所以能夠看見光，就是因為光驅動了我們視覺神經中的電荷。我們不可能選擇一個電荷來做慣性參考系，而電荷激發出的光必須與另一個電荷相互作用才能被觀察到。愛因斯坦從宏觀的角度來研究光運動變化的規律，認為從光源激發出的光傳到物體上的過程就像從大炮發射出的炮彈射到物體上的過程一樣，這是錯誤的。光的本質是在電荷之間傳播的電場力波（即電磁波）。要想弄清楚光速不變的真正原因，就必須弄清楚電場力的產生機理和傳遞方式。
相對論和量子理論都認為光是從光源發射出去的一種物質，就像炮彈從大炮中發射出去那樣，之所以得出這樣的觀點，是因為相對論和量子理論的創立者們都沒有認識到，一個電荷和它的電場實際上是一個獨立于其它電荷和電場的具有無限延伸性的不可分割的整體。我們不可能把一個電荷從它的電場中分離出來，一個電荷無論如何運動，這個電荷的電場都不會脫離這個電荷被發射出去，一個電荷的電量是恒定不變的。從本質上來講，一個電荷的電場是由無數與電荷有關聯的物質在宇宙空間中延綿分布形成的一個具有無限廣延性的不可分割的物質體系，光速不變是是電荷的電場具有無限廣延性的一種表現[1]。
電荷電場的廣延性與引力場的廣延性類似。兩個物體之間，無論距離有多遠，它們都處在對方的引力場中，都受到對方的引力作用。同樣地，兩個電荷之間無論距離多遠，它們都處在對方的電場中，都受到電場力的作用。量子理論認為，引力是質點間互相交換引力子產生的，電場力則是電荷之間互相交換光子產生的。這種觀點并不正確。假設有N個質點與質點A的距離相等，質點A與這N個質點同時有引力作用，即質點A有N個引力子同時與這N個質點交換。當與質點A距離相等的質點增加到2N個時，質點A就必須擁有2N個引力子同時與這2N個質點交換。無論與質點A的距離相等的質點增加到多少個，質點A與這些質點之間都同時存在引力相互作用。以此類推，任何一個質點都同時擁有無窮多個引力子，顯然，這是錯誤的。
電荷電場的廣延性使得任何一個電荷都可以同時與無數個電荷產生電場力，假如電場力是電荷之間互相交換光子產生的，那么，每一個電荷都必須同時擁有無數個光子，顯然，這是不正確的。
無論是相對論還是量子理論，都沒能正確地解釋電場力的產生機理。
電場力是電荷和它的電場原來的平衡狀態被引入電場中的電荷打破，導致構成該電荷電場的所有物質都有以引入該電荷電場中的電荷為中心重新分布的趨勢產生的一種力，是大量構成電荷本身電場的物質對電荷直接產生的力。任何一個電荷受到的電場力都是通過構成該電荷本身電場的物質來傳給電荷的，而電荷的電場是隨著電荷一起運動的。在沒有外力的作用下，或是合外力等于零的情況下，電荷和它自身的電場總能保持步調一致的運動狀態，這時，可認為電荷和它的電場是相對靜止的。從宏觀的角度來看，在每一個慣性系中，每一個電荷和它的電場都可以保持步調一致的運動狀態，每一個電荷相對于它的電場都是靜止的，這必然導致在每一個慣性系中，每一個電荷接收到的電場力波即光波在真空中的速度各向同性，即光速不變。
由上述可知，電荷電場的廣延性是我們觀察到的真空中的光速恒定不變的原因。
3.定向振蕩電流與單鏈式電磁波
與引力波類似，電磁波本質上并不是從波源中發射出的一種物質，而是在電荷之間傳播的電場力波。無論是電場還是磁場，或是交替變化的電磁場，都是通過電荷或電流的運動變化來表現的。麥克斯韋首次提出了位移電流的概念，并預言了電磁波的一種形式――雙鏈式。但受到當時條件的限制，麥克斯韋沒能預言出電磁波的另一種形式――單鏈式。只有引入“定向振蕩”這個全新的物理概念才能夠形象地描述單鏈式電磁波。在現代漢語詞典中，振蕩的含義有兩種，一種指振動;另一種指電流的周期性變化。電流的周期性變化可分為兩種，一種是電流的大小和方向都做周期性變化的，叫做雙向振蕩;另一種是電流的方向恒定不變，電流的大小做周期性變化的，叫做定向振蕩，也稱單向振蕩。雙向振蕩電流激發出的是雙鏈式電磁波，雙鏈式電磁波在空間中傳播時產生的位移電流都是雙向振蕩的位移電流，即位移電流的大小和方向都是周期性變化的。雙向振蕩的位移電流產生的感應磁場也是雙向振蕩的，即磁場的大小和方向都做周期性變化的。雙鏈式電磁波在傳播過程中遇到導體，會使導體受到一個場強大小和方向都做周期性變化的雙向振蕩的感應磁場的作用，產生同頻率雙向振蕩的感應電流。
有的單向振蕩電流激發出的是雙鏈式電磁波，比如交流和恒流混合形成的單向振蕩電流。有的單向振蕩電流則能夠激發出單鏈式電磁波，比如將高頻交流經過特殊的整流后形成的單向振蕩電流。[2]
單鏈式電磁波在空間中傳播時產生的位移電流都是單向振蕩的位移電流，即位移電流的方向恒定不變，位移電流的大小做周期性變化的。單向振蕩的位移電流產生的感應磁場也都是單向振蕩的，即磁場方向恒定不變，場強大小做周期性變化的。單向振蕩磁場也稱定向振蕩磁場。
單鏈式電磁波在傳播過程中遇到導體，會使導體受到一個磁場方向恒定不變，場強大小做周期性變化的定向振蕩的感應磁場的作用，產生同頻率定向振蕩的感應電流。
讓兩列時間相差T/2（T表示定向振蕩電流定向振蕩的一個周期）的等幅同頻率的超高頻單鏈式電磁波經過等長的路徑后疊加，便可在空間中合成超低頻定向振蕩的無源 的磁場。因為這種定向振蕩磁場是無源的，且只能表現出單個磁極的力學效應，因此叫做磁單極量子，也稱單極光子。[3]將通恒定電流的導體放置在由兩列時間相差T/2的超高頻單鏈式電磁波經過等長的路徑后疊加形成的超低頻定向振蕩磁場中，導體就會產生大小和方向都不變的電磁力。因為這種電磁力是由空間中無源的定向振蕩磁場對恒定電流產生的，可驅動引擎前進。這就是能夠進行星際躍遷的光速飛船所采用的大推力量子引擎技術的原理。[4]
4.結語
相對論和量子理論是20世紀物理學取得的兩項重大的成果，這兩項理論的創立極大地促進了科學技術的發展和人類文明的進步。但是，相對論和量子理論即是現代物理學的兩大支柱，也是橫旦在人類面前的兩座大山。這兩座大山都高聳入云，看似不可逾越。很多人望而卻步，只得拜倒在山腳下，只有少數不畏艱險的勇者敢去翻越。這些勇者有的迷失在山中，有的跌入了深淵，誰能夠第一個翻越過去，誰就會成為新大陸的發現者，人類文明史也將因此翻開嶄新的一頁。
參考文獻
[1]李昌穎.引力場與靜電場的廣延性與超光速原理[J].電子世界，2014.
[2]李昌穎.光分解與光振蕩形式變換的探究[J].電子世界，2014.
篇7
應該如何來理解玻姆對于“序”的所作的分析呢?我們不妨先來看看玻姆對直線中“相似的差異和差異的相似”所作的解釋，如圖1所示。
在圖1中，從線段A到線段G中，線段A與線段B之間長度和方向相同，但位置不同，同樣的情況也存在于線段B與線段C之間，以及線段C與線段D之間，以此類推，直到線段F和線段G。這就是說，各相鄰線段之間既存在著長度和方向的相同，同時又存在著位置的不同，呈現出“相似性”和“差異性”的共存，或說“相似的差異和差異的相似”。用“比率”來對其進行表達就是:A:B=B:C=C:D=D:E=E，F=F，G。而且，玻姆認為，由于每個線段只有位置是不相同的，那么，在上述直線中，它們的“比率”也是相等的。
為了從更深層面來解釋“相似的差異和差異的相似”，玻姆還詳細考察了曲線中的“序”。具體見圖2}m:3。
在圖2中，曲線AJ由三條方向和位置不同的線段(ABCD } EFG } HI J)所組成，而且在每一條線段中，又存在著方向和長度相同但位置不同的短線。那么，線段ABCD中的“序”，用“比率”對其進行表達，即:A，Bm一B，C。其中，51代表沿線段ABCD方向上的“比率”，稱之為“第一類相似”。相對應地，用“比率”來描述線段EFG和HIJ，則可以分別表達為:E } F 5z=F } G和H，I ss=I : J。其中，S}和S:分別代表沿線段EFG和線段HIJ方向上的“比率”，稱之為“第二類相似”和“第三類相似”。在玻姆看來，與圖1中線段A到G之間僅僅存在單一相同的“序”不同，在圖2曲線AJ中，則存在著兩個級別的“序”，分別是:線段ABCD}EFG和HIJ內部的“序”，玻姆稱之為第一級別的序;曲線AJ三個線段ABCD ,EFG和HIJ之間的“序”，玻姆稱之為第二級別的序。而且，在曲線AJ中，第二級別的序之間也存在著“相似的差異和差異的相似”，用“比率”來表達，即:51，52=52:5:。
通過以上兩個例子，玻姆向我們詳細解釋了“序”所具有的“相似的差異和差異的相似”的普遍性特征。在玻姆看來，只要是序，它都離不開“相似性”和“差異性”，無論是詞義上的序、功能上的序、指稱上的序甚至是“有序”和“無序”，都是“相似中有差異”和“差異中有相似”。玻姆說:“要依據一條普適定律來表達自然過程序的某個基本特征，實際上就是斷言，對于該過程的整體來說有意義的基本差別是什么，以及什么是這些差別中相應的相似性。ysy z然而，玻姆對序所作的普遍意義上的解釋是從何而來的呢?如果深人分析，我們就會發現，它是基于對物理學史發展和演化規律的概括和總結?？梢哉f，玻姆的“序”觀念有著深刻的歷史淵源。
篇8
1引導興趣的傾向性興趣的傾向性是指興趣所指向的具體內容和對象。在化學競賽輔導中要激發學生的學習興趣,必須注意給學生提供興趣的需要基礎,讓學生不僅對化學或涉及化學的知識感到好奇,而且要讓學生感覺到學習這種知識是社會實踐的需要[2]。因此,在化學競賽輔導中要精心設計問題,并利用化學的特點———實驗來營造學習氣氛。
1.1注重思考性恰到好處地創設“認識沖突”情境,使學生產生強烈的求知欲。如在學習磷元素知識時可提出這樣一個問題:“‘鬼火’的科學解釋是什么?”學生七嘴八舌地討論開,課堂氣氛一下就活躍起來,若再從中點撥,不久結論就出來了?！肮砘稹逼鋵嵕褪恰傲谆稹?磷是生命元素,動物的骨骼和牙齒都含有磷元素,尸體腐爛發生復雜的物理、化學和生物變化,釋放出少量的PH3氣體。PH3在空氣中能夠自燃,出現暗淡的藍綠色火焰,微風吹到哪里,它就飄到哪里燃燒。在PH3生成的同時,往往還有P2H4生成,P2H4比PH3更活潑,是更具自燃性的氣體。相關反應的化學方程式為:P4+3KOH+3H2OΔ3KH2PO2+PH32PH3+4O2P2O5+3H2O3P4+8KOH+8H2OΔ8KH2PO2+2P2H42P2H4+7O22P2O5+4H2O這樣一來,有關磷的性質和相關化學方程式,學生就會樂意去記并記牢。又如,學習鐵的化合物知識時,可以請同學思考這個問題:“為什么燒磚時不噴水生成的是紅磚,而噴水則生成青磚?”這個問題與生活中所遇到的事物有關,學生很感興趣。燒磚用的是粘土,粘土的主要成分是含水硅酸鋁(xAl2O3?ySiO2?nH2O),此外還含有一些雜質,如鐵質礦物,常以褐鐵礦[主要成分為Fe2O3?2Fe(OH)3]、黃鐵礦(主要成分為FeS2)、菱鐵礦(主要成分為FeCO3)或赤鐵礦(主要成分為Fe2O3)形式存在。磚坯在高溫窯中煅燒,當有充足的氧氣存在時,則所有的含鐵化合物轉化為Fe2O3。根據鐵含量的多少,將顯現淺紅色至深紅色。如果磚坯燒到一定程度時,從窯頂向下噴適量的水,則產生大量的水蒸氣與灼燒的焦炭反應,生成CO和H2。CO和H2能夠把Fe2O3還原成Fe3O4甚至FeO,因此磚顯青灰色。
1.2體現直觀性在教室的地面灑上十幾顆干燥的三碘化氮小顆粒,當學生進入教室時,干燥的三碘化氮被人踩著,發出“噗噗”的響聲,使他們感到仿佛進入了一個神秘的地雷陣。由于沒有思想準備,學生往往會嚇一跳,但同時也覺得十分有趣,腦子里自然產生許多為什么。這時給學生時間討論,引導學生觀察爆炸物的顏色(黑色)、爆炸時的現象(紫色蒸氣)、聞到的氣味(刺激性氣味),最后告訴學生:濃氨水與碘片反應時,可生成一種黑色不溶于水的固體(NI3?NH3)———三碘化氮與氨的加合物。有關制備的化學方程式為5NH3+3I2=NI3?NH3+3NH4INI3?NH3在暗處和用氨潤濕時是穩定的,干燥時受到壓力會按下列反應爆炸性分解:2NI3?NH3=N2+3I2+2NH3此時可趁勢從中引出碘三離子(I3-)、疊氮酸離子(N3-)、氫疊氮酸(HN3)的結構,并與學生交流。借著學生興趣濃厚,進一步介紹化學上“C3H3”的含義(Clearhead清晰的頭腦,Cleverhands靈巧的雙手,Cleanhabit潔凈的習慣)。正如陶行知認為的那樣“學與樂不可分”,整個教學過程不僅使學生處于主動活躍之中,而且給后續課程的學習打下良好的基礎,可取得令人滿意的效果。
1.3強調實驗性化學實驗具有獨特的激發學生興趣的屬性。如果把實驗處理成照方抓藥的驗證性實驗來教學,啟發性、探索性不強,會抑制學生學習的興趣。在化學競賽輔導中,可創造條件讓學生自己動手做一些家庭小實驗和設計實驗,這是讓學生動手動腦、培養多方面能力的過程,常常會產生別有洞天的實驗現象和心理感覺,學生興趣盎然。例如,在學習“鹵族元素”內容時,可建議學生用毛筆沾米湯在白紙上寫字,字跡干后便不見痕跡,此時若涂上碘酒就立即顯出深藍色的字,這便驗證了碘單質遇淀粉顯藍色的事實。另外,在學習“原電池”這一節后,要求學生自行設計一個原電池,結果學生制作出了“土豆電池”、“番茄電池”等。教師可以利用周末時間和學生一起做“廢電池再生”的實驗,具體做法如下:取2節廢電池用電珠試驗證明電池己廢舊無用,然后用鐵釘在廢電池上部鑿幾個小孔,深度為電池高度的3/4左右,用滴管(也可用廢棄的塑料眼藥水瓶)吸取鹽酸,將滴管尖端小孔內,然后慢慢將鹽酸加入,最后將點著的蠟燭斜持,滴上蠟燭油封口。再用小電珠試驗,電珠重新發光。實驗設計給學生創造了一個良好的學習氛圍和最佳的學習心境,大大地激發了學生的學習興趣。即使是“失敗實驗”,幫助學生分析實驗失敗的原因再實驗,也是一個深刻的實事求是精神的鍛煉機會。經過“失敗———成功”的多次反復,對學生的震撼力深刻、持久。在這一過程中,學生獲得了化學知識,培養了能力,促進了身心發展,培養了良好的意志品質和實事求是、勇于探索的精神。
2維持興趣的穩定性
興趣的穩定性,也稱興趣的持久性,是指興趣的穩定程度和持續性。興趣的穩定性對一個人的學習、工作很重要。不穩定的興趣,不僅會影響知識的深入掌握,而且會導致浮夸、不踏實、懼怕困難等性格的形成。只有穩定而持久的興趣,才能促使學生系統地學習某一門知識,把某一項工作堅持到底,并取得成就。培養學生的學習興趣,穩定性是關鍵的一環。在激起學生的學習興趣后,為幫助學生順利克服在學習中遇到的困難,并在克服困難的過程中使興趣得到進一步的發展,逐漸形成穩定的興趣,應當注意學生意識傾向的正確引導[2]。在化學競賽輔導中,可應用我國化學史上的重大發明成果和我國近代化學工業的巨大發展以及與國外化學工業發展水平的差距來激發學生的民族自尊心和自信心,激發學生的愛國主義熱情和責任感,將他們的好奇心轉化為樹立奮斗目標的個性心理,鞏固學生興趣的持久性。例如,在學習“碳酸鹽”內容時,首先強調碳酸鈉在化學工業上的突出重要性,簡單介紹國外發明的氨堿法(索爾維法),然后話題一轉,重點介紹我國化學家侯德榜發明的聯合制堿法(侯氏制堿法)。強調侯氏制堿法保留了氨堿法的優點,在資源的利用上比氨堿法優越,是制堿工業的重大突破,有極其重要的經濟意義。指出侯氏制堿法是我國化學家在純堿工業上做出的重大貢獻,這一發明在國際上引起很大反響,侯德榜也因此獲得英國化學工程學會和美國機械學會榮譽會員的稱號。這樣的擴展講解能激發學生的自豪感。又如,在學習有機化學時,可以讓學生先找出用中國人命名的有機化學反應———“黃鳴龍還原法”,然后告訴學生這個方法是我國化學家對凱西納-華爾夫還原法的重大改良,已為國際廣泛應用,寫入各國有機化學教科書中,是我國化學家對有機化學做出的卓越貢獻。通過這樣的引導,學生的學習動力增加,學習的目的更加明確。
3拓展興趣的廣闊性
爾用經典力學的離心力等于向心力的基本原理,結合普朗克的量子論,并賦予角動量以量子化條件來描述微觀粒子———氫原子的核外電子運動狀態,從而計算出電子的運動速度、軌道半徑以及量子化的能量公式,很好地解釋氫光譜的實驗現象。同時也指出玻爾理論有局限性(雖然引進了普朗克的量子論,但還是應用經典力學來計算電子的運動速度、軌道半徑,沒有反映微觀粒子運動的本質規律,如測不準原理),勢必被后來發展起來的量子力學和量子化學所取代。在學習“氫鍵”時,指出具有方向性和飽和性的氫鍵是構建蛋白質高級結構(蜷曲、折疊等)的重要因素之一,對生物高分子的高級結構有重要意義;在學習“離子晶體的堆積-填隙模型”時,指出這個模型把正負離子看成是具有一定半徑的剛性球,運用數學的空間幾何知識推導出堆積球和填隙球的幾何制約關系,由此計算離子的空間利用率。這樣有助于學生真正理解各學科之間的相互滲透和必然聯系。通過對一些科學家(例如:拉瓦錫、玻爾、黃子卿、邢其毅等)的事跡介紹,使學生清楚興趣廣闊的重要性,使學生知道這些科學家正因為興趣廣泛、博覽群書,善于從不同角度觀察、思考問題,緊密聯系自己的中心興趣,才能攻克一個又一個的科學難關[2]。興趣的廣闊性有利于擴大思維領域,激發創造能力,使學生在學習活動中富于聯想、富于想象,變機械被動地接受知識為主動地、靈活地學習知識,從而促使學生多種能力的形成。
篇9
關鍵詞：世界;可知性;闡釋
思維與存在的同一性是一個古老的哲學問題，世界是可知的，抑或不可知?不同的哲學家有不同的解釋。這種種解釋推動著人們對這一問題的思索，但很難令人信服地說已有一個相對合理完滿的答案。本文試圖通過對這一闡釋歷史過程的演進的分析，揭示這一問題的內涵及解決之道。
一 本體論闡釋
近代哲學以前，對世界可知性問題的闡釋，是構建在獨立于人之外的世界本體的預設基礎之上的.人們追問的問題是:世界是否可知?如果可知，其理據何在?世界是否徹底可知?如果不是徹底可知，其界限何在?古希臘人最早提出了思維與存在的同一性問題.巴門尼德認為，“能被思維者和能存在者是同一的”[1]，蘇格拉底、柏拉圖都堅信人類的心靈、靈魂可以把握事物的本質，得到真正的知識.但懷疑論者指出，人類的理解力只能把握現象中已有的東西，一切理性的東西都離不開感覺經驗.人是依賴感覺去把握存在的，而感覺的主觀性、不確定性說明思維并不能絕對地反映存在。因此高爾吉亞認為即使有物存在，也不可知。盡管人心可以設想關于實在的觀念，但這種觀念畢竟不等同于實在本身。形而上學借經驗類比推測超驗的實在，從思想觀念推證存在本質，根源在于對絕對確定性的追求。事實上，對確證性的渴望只能以或然性的假設而告終。
近代唯理論和經驗論都肯定思維與存在的同一性，但為認識可靠性的基礎是理性還是經驗而爭論不休。休謨認為，“我們憑什么論證能夠證明人心中的知覺是由和它們相似(如果這是可能的)而實際完全差異的一些外物所引起的呢?”[2]事實上，人的認識只能建立在經驗基礎上，它不能超出經驗。但經驗的證據有兩重性:一方面，作為知識來源的原始經驗是可靠的，只真不假;另一方面，由原始經驗出發做出的經驗推理是可錯的，它只能提供或然性的知識，不具有普遍必然性。也就是說，原始經驗的可靠性決定了它可以作為一切科學認識唯一牢固的基礎，經驗推理的不確定性決定了經驗體系范圍是有限的，它不能達到終極的原則。
休謨認為，在經驗范圍之內的事情是可知的，超出經驗的事情是不可知的。只有將認識限制在合理的范圍內，才能反對一切獨斷的迷信。休謨劃分可知與不可知界限的做法給康德以深刻啟示。在思維與存在同一性問題上，關鍵問題不在于思維和存在是否同一，在何基礎上同一的問題，而是思維和存在同一性的界限問題，或者說“我們能認識什么”的問題。在康德看來，理性以其先天知識形式在綜合統一后天感覺材料中創造自己的認識對象———自然界，從而獲得知識的有效性;但理性為自然所立的法只適用于現象界，而不適用于作為現象基礎的物自體，因而人只能認識現象而不能認識物自體，物自體存在而不可知。這一思想遭到黑格爾的嚴厲抨擊。黑格爾認為，給認識的有效性劃定一個范圍，認為認識只能把握有限相對的事物，至于絕對無限的東西則被否認或推到不可知的領域，實際上就否認了思維與存在的同一性?？档滦味蠈W的錯誤在于割裂了現象與本質、有限與無限、相對與絕對、實在和概念的有機的辯證的統一。在黑格爾看來，存在即思維，沒有思維以外的客觀存在，思維是存在的本質，存在是思維的內容;思維與存在的同一不是絕對的，僵死的，而是一個矛盾發展的過程，是由自在到自為，由有限到無限，由相對到絕對，由直觀的多樣性到多樣性的統一，由表面的現象到深刻的本質的過程。作為認識不是一成不變的，而是一個由感性直觀到思維概念的發展，是一個越來越深入地把握對象真理性的過程。
黑格爾試圖通過揭示思維和存在的辯證性質克服認識的界限問題，從而最終解決思維和存在的同一性或者說認識的可知性問題，但由于其客觀唯心主義基礎，這種分析仍不盡合理。黑格爾預設絕對精神，把認識看作是對絕對知識愈來愈全面的把握，依然是構建在主客二分，絕對本質的先驗預設的本體論基礎之上的。現代科學如量子力學等科學的最新發展都證明，“絕對精神”，事物的絕對全面的本質是不存在的，假定客觀世界獨立于觀察者，并且不受主體對它的認識所影響，即有一個自在自為的客觀世界和獨立于認識對象之外的“超然觀察者”，這是不成立的，世界可知性問題要求新的闡釋。
二 語言論闡釋
現代西方哲學在現代科學的基礎上，排斥作為傳統認識論基礎的主客、心物、思有的二元分立，實現了“語言學的轉向”。他們認為，語言是存在的家，世界只有進入語言，才能表現為人的世界;世界的視域就是語言的視域，我們都是在語言中認知，世界可知性問題可以歸結為語言論問題。胡塞爾認為，傳統的本體論闡釋的一個根本缺點是沒有考慮認識如何可能的問題。既然我們關于世界的一切知識都是通過認識獲得的，那么在對認識的可能性問題反思之前就不能認為世界是可知的。人們要問:意識之外是否存在獨立于意識之外的對象?意識如何能越出自己達到對象，何從知道由認識所描述的對象與事物本身狀態相符合?認識的主體在認識對象過程中究竟起什么作用?胡塞爾反思的結果是追溯到語言研究，認知之所以可能，在于意識自身建構的意義，意義指向語言，語言規定了認知理解的限度。維特根斯坦則直接把世界可知還是不可知轉換為世界可說還是不可說的問題。在他看來，世界概念并不僅僅包含現實世界，更重要的是包含一切邏輯上的可能世界，“世界是事實的總和，而不是事物的總和”[3]，現實世界只是邏輯上的可能世界中的一種而已。
一旦有了這種對世界的清晰認識，我們就可以用邏輯來分析語言命題，發現語言表達中潛在的邏輯形式，并以此確定語言的界限或者說認識的界限.也就是說，我們描述世界的語言限制著我們對世界的認知，語言的界限和世界的界限是同一的。所謂能夠說的東西是指語言命題在一定邏輯架構中可以真實地表達事實。用來述說事物的語言基本單位是命題，一個命題作為一個邏輯圖像說某些事情，它有確定的含義，命題的含義在于它是一個可能事態的圖像，一經分析，普通語言就顯示出邏輯形式。真命題就是描述存在結構的命題，存在事態的總和構成事實，真命題的總和形成科學;世界作為事實的總和，語言邏輯保證只要能說的都能說清楚。所謂不能說的東西，是指對象世界不能用語言表達的東西。一切能夠表達的東西都能用邏輯形式加以描述，但邏輯是有限度的，不可能表達一切東西，如邏輯形式的地位，哲學本質，生命意義和對世界的神秘感覺都是不可說的。這些東西不可說，但理智本性卻總想說出它們，傳統形而上學錯誤正是試圖說出這些不可說的對象。因此，維特根斯坦告訴我們必須在語言中劃清界限，“凡是能夠說的東西，都能說清楚，凡是不能談論的，就應該保持沉默?！盵4]但是能夠說的東西是什么樣的對象世界?這演變為當代語言哲學中的實在論與反實在論之爭。實在論者認為對象世界是獨立于人的存在而存在的，語言陳述的真假與主體的認識能力無關，科學理論是表述客觀世界的，決定科學陳述真假的，不是人的主觀感覺，也不是人們的內心結構或語言，而是外在的世界，語句的真假值取決于該命題和該命題所描述的外在世界是否一致;反實在論者則認為認知活動是一種構造和想象，“人們總是通過這樣或那樣的概念的透鏡來了解自然，而且這些概念框架以及嵌在框架之內的語言，可能給我們所認知的事場染上一種不可避免的色彩”。[5]人們沒有理由相信語言解釋反映了真實世界，語句的真假值總是和認知者的價值系統，語言架構甚至個人興趣密切相關。
如此，世界可知性問題的闡釋集中在以下的問題上:可知的世界是什么?世界可知的理據是什么?或者說世界在什么意義上是可知的?哲學在實踐基礎上對此進行了科學的分析。
三 實踐論闡釋
哲學認為，世界可知性問題本質上不是一個理論問題而是一個實踐問題。馬克思指出:“人的思維是否具有客觀的真理性，這并不是一個理論的問題，而是一個實踐的問題。人應該在實踐中證明自己思維的真理性，即自已思維的現實性和力量?！盵6]也就是說，世界是在實踐的意義上才是可知的。首先，在馬克思的世界觀里，世界既不是舊唯物主義的無人的本原的自然界，也不是人的主觀世界或語言世界，而是現實的實踐的世界，是人化的自然。作為對象的客觀性是屬人的客觀性，因為一切對象都是人的本質力量的對象化，是主體的對象性存在物，“對象如何對它說來成為他的對象，這取決于對象的性質以及與之相適應的本質力量的性質。因為正是這種關系的規定性形成了一種特殊的、現實的肯定?！盵7]只有當物按人的方式同人發生關系時，我們才能在實踐上按人的方式同物發生關系。正因為對象本身具有屬人的性質，所以對對象的真理性認識是可能的，“理論的對立本身的解決，只有通過實踐的方式，只有借助于人的實踐力量，才是可能的。因此，這種對立的解決絕不只是認識的任務，而是一個現實生活的任務?！盵8]正是因為對象世界是人的實踐活動的世界，所以實踐是認識對象形成的基礎，實踐又是對對象認識的基礎。換言之，實踐作為認識的基礎，是相對于認識對象和對對象的認識統一而言的。我們在認知對象時，對象已經是我們的感覺的對象性存在，用馬克思的話講，就是屬人化的了。這樣，在認識、實踐和認識對象這三項中都滲透著主觀性(實踐性)，那種認為認識的結果可以達到對世界本來面目完全把握的可知論只是一種理想。人的生命存在的既定形式和人與對象的特定關系，決定了在認識范圍內的世界只是一個我們自己的世界，從而也決定了我們認識的程度和可知的性質。思維對存在的反映是在實踐基礎上主體和客體的相互作用，是思維在實踐基礎上與存在的同一性。這種同一既依賴于主體的反映形式和建構，也依賴于對象世界的客觀信息。也就是說，作為與人活動無關的純粹自然界，不是人的實踐性存在的內容，也就無庸去討論它的同一性可知性問題;我們不應該去尋求對世界的不同解釋，“問題在于改變世界”;作為實踐活動的對象世界是可知的，思維與存在在實踐基礎上是同一的，正因如此，我們才能改造世界。
篇10
關鍵詞:萊布尼茨;真空;時空觀
萊布尼茨生活于被科學史家譽為“天才的世紀”的17世紀,與開普勒、伽利略、笛卡爾、帕斯卡、波義耳、牛頓等科學巨匠處于科學史上的同一個時代。萊布尼茨不僅是一位偉大的數學家和哲學家,而且是近代一位(也許是唯一一位)可比肩亞里士多德的百科全書式學者。他在自然科學以外的其它人類理智領域,比他同時代的其他科學巨匠取得了更多的成就。他被譽為德國的科學、哲學之父,還在神學、技術發明、法學、歷史學、語言學、政治學等諸多領域都有著堪稱同時代一流的建樹。西方的一位學者曾這樣評價:“萊布尼茨可能是近代世界最全面的天才,……觸及了現代知識的幾乎每一個分支。他是最后一位希望掌握現代知識的所有領域,并且是百科全書式人物的人?！币苍S正因為萊布尼茨所涉及的研究領域過于寬泛、龐雜,他的許多研究成果的重要價值在相當長時間內未得到重視,譬如他對真空問題的研究。盡管由于當時的客觀條件所限,萊布尼茨在真空研究中更多的依靠科學的猜測和哲學的思辨,但其結論竟與200多年后的科學大師愛因斯坦、狄拉克等人對真空研究的成果暗合,確是令人不得不感嘆其思想之天才。
1“真空問題”的歷史脈絡
對真空問題的研究及爭論可追溯到古希臘。德謨克利特等原子論者認為,世界是由原子和虛空構成的,提出了真空這一命題;而亞里士多德則認為,宇宙中充滿了“以太”,因而真正的虛空是不存在的,他的名言是“大自然厭惡真空”。這可以說是人類對真空問題探討和爭論的源頭,并一直延續至今。
不過,在這里有一點必須指出,真空的概念是有歧義的,有所謂“物理真空”和“哲學真空(或稱形而上學真空)”之分,而“物理真空”又有“經典真空”與“量子真空”之別。歷史上對真空概念不同時期也各有側重,古希臘的真空概念更多是哲學意義上的,偏向于“虛空”、“虛無”的含義;17世紀的真空概念是“物理真空”和“哲學真空”兩者兼而有之;而現代的真空概念更多地是指“物理真空”。當然,“物理真空”和“哲學真空”的概念區分并不是完全清晰的,也無法成為在該領域嚴格區分科學問題和形而上學問題的依據,真空問題依然是(也許會永遠是)科學、形而上學糾纏在一起的一個前沿領域。
17世紀的真空研究與笛卡爾有很大的關系。實際上,人們對自然的看法總是首先基于自身的日常經驗。對于物質與空間的關系也不例外。按照常規思維,人們很自然地把空間想像為一個巨大、不動的空房子,物質就是被一件件搬到這座房子里的東西,因而空間必然是先于物質存在的。這樣,空無一物的真空就是可能的。這就是所謂的絕對空間的觀念。于是有人就想像地球到太陽間的地帶是真空。但笛卡爾不這么認為。在他看來,空間與物質不可分,空間只存在于已有某些物質的地方,是物質的存在才使空間得以存在;空無一物的真空是不存在的。他說:“實際上,我們無法想像一個空無一物的容器,一如無法想像一個沒有谷的山:這將意味著無需廣延就能設想容器的內容,或者無需實體就能設想廣延:確實,沒有什么東西能夠不具有廣延?！敝劣谛请H間的地帶,笛卡爾認為不是真空,而是充滿了物質的,這種物質就是以太。笛卡爾從以太演繹出了他的宇宙學說。
笛卡爾否認真空存在的學說受到了托里拆利、帕斯卡等人的強有力挑戰。他們兩人分別做的“托里拆利實驗”、“真空實驗”使人們“眼見為實”地相信實驗中水銀柱上方的玻璃管中存在著一段真空。近代原子論者及牛頓學派也都相信真空的存在。從那時起,贊成真空存在一派似乎占了上風。
2萊布尼茨“相對時空”與牛頓“絕對時空”的對立
萊布尼茨是笛卡爾之后否認真空存在的代表人物,為此他與堅持真空存在的牛頓學派發生了激烈的爭論。他認為,真空即是虛無。牛頓學派的克拉克就曾指責笛卡爾和萊布尼茨把真空與虛無等同了起來。克拉克認為,沒有物質的空間無疑是一無所有的空間,但并不表示空間本身也被消除了。在克拉克看來,“如果廣延是物質的本質,那么物質就等同于空間本身;由此可以推出,物質必然是無處不在的、無限的和永恒的,并且它們是既不能被創造,也不能回歸虛無,這是荒謬的?！币簿褪钦f,依牛頓學派,笛卡爾和萊布尼茨的錯誤之癥結就在于把空間與物質等同了起來。
我們知道,經典力學大廈賴以建立的基石是牛頓的絕對時空觀,其精要可概括為“時空獨立于物質而存在”。萊布尼茨明確反對牛頓的絕對時空觀。他曾寫道:“我把空間看作某種純粹相對的東西,就像時間一樣;看作一種并存的秩序,正如時間是一種接續的秩序一樣。因為以可能性來說,空間標志著同時存在事物的一種秩序,只要這些事物一起存在,而不必涉及它們特殊的存在方式;當我們看到幾件事物在一起時,我們就察覺到事物彼此之間的這種秩序?！痹谶@里,萊布尼茨把空間看作是一種“并存的秩序”;把時間看作是“接續的秩序”。所謂“并存的秩序”、“接續的秩序”,更通俗的理解即為一種關系,即相對時空觀。
萊布尼茨認為,空間、時間本身不是如牛頓理論所言是絕對的、實在的存在。時空與物質及其運動密不可分,離開了物質就無所謂空間,同樣離開了物質的運動也就無所謂時間?？臻g并不是邏輯上先于和獨立于物質存在的容器。他認為,物質在邏輯上先于空間的存在,并以空間的形式排列,空間只不過是一種關系,除此之外沒有什么空間存在。因而萊布尼茨認為,牛頓理論中的絕對空間是不存在的,一個物體僅能改變其與另一物體的相對位置,它不能改變其在絕對空間中的位置,因為空間是非實在的,除了物體間的位置關系,不存在絕對意義上的參照系,也即不存在所謂的絕對空間本身。時間也是如此,除了是事件之間的關系外,它什么都不是,也就不存在絕對時間。由于反對絕對空間和絕對時間,萊布尼茨自然也反對牛頓理論中的絕對運動概念。與他的相對空間觀念對應,他認為,運動也不過只是一個物體相對于另一個物體的位置變化,因此,運動根本不是什么絕對的東西,它只存在于關系之中。也即,那種依托于不動的絕對空間背景之上的絕對運動根本是不存在的,任何物體的運動必然與其它物體的運動相關。與以上的這些觀點相關聯,萊布尼茨自然否認虛空的存在,因為他是反對原子論的,同時他認為空間既可以被充滿也可以是空的這種觀念是無法接受的。
3萊布尼茨對真空研究的現代價值
針對真空存在派的托里拆利、帕斯卡等人的一系列科學實驗,萊布尼茨也試圖從更多科學的角度及“物理真空”的方面去否定真空。他指出,托里拆利實驗中水銀柱上方玻璃管中的那段根本就不是真空,那里不過是排除了粗大的物質,但仍充滿了精細的物質,如光線仍可透過進入其內。因而,他認定其中并不是真空,因為光也是物質。萊布尼茨還為此作了一個形象的比喻。他說容器就好比是一個滿是細孔的箱子,將它放到水里,箱子里有魚和其他粗大的東西,把這些粗大的東西拿掉,這箱子里仍然還是充滿水的。萊布尼茨實際上在這里是通俗講解了笛卡爾的充滿以太的宇宙模型。因而,萊布尼茨認為空的空間不過是一種想象。
20世紀初物理學革命后,人們開始重新審視真空問題,愛因斯坦和狄拉克分別基于相對論和量子力學對真空進行了研究,愛因斯坦認為真空是“廣義相對論的以太”;而狄拉克把真空看作是“量子場的基態”。這樣,這兩位20世紀的物理學大師就為現代真空研究奠定了“真空不空”這一基本結論框架。實際上,不管是在愛因斯坦還是在狄拉克那里,真空都被當成是宇宙背景。應該說,萊布尼茨的上述關于真空的看法今天看來在某種程度上是正確的,它正與現代的愛因斯坦和狄拉克的把真空看作是宇宙背景的理論暗合,的確是天才性的猜測。但由于萊布尼茨實證研究力度不夠,牛頓學派對萊布尼茨的上述論證深不以為然,因而也不可能改變牛頓學派關于真空的觀點。不過,萊布尼茨的相對時空的理念及對真空的研究成果給20世紀物理學革命中擯棄牛頓的絕對時空提供了思想資源。此外,他在與牛頓學派有關真空問題的爭論中,還廣泛涉及了近代科學中一些非常重要的概念,如原子、以太、引力、物質等,實際上為后世留下了極其寶貴的思想遺產,寫下了科學思想史上璀璨的一頁。
當然,愛因斯坦和狄拉克的上述真空概念也是屬于“物理真空”層面,只是再歸細類的話,愛因斯坦的屬于“經典真空”,狄拉克的屬于“量子真空”。因而,像任何其他“物理真空”的概念一樣,它們也逃脫不掉似胡攪蠻纏的“哲學真空”的追問:既然真空是空無一物,也就是無,那又何來真空的概念?即是宇宙背景那還是真空嗎?真空的宇宙背景到底是什么?當然,對立者也可反問:真空什么也不是,但什么也不是的東西經過確定就真的不存在嗎?實際上有關真空的此類問題在古希臘愛利亞學派的巴門尼德提出他的關于“存在”與“非存在”的學說時就存在著,后世的不同僅僅在表述方式上。而有關真空問題的研究將會繼續(甚至可能永遠是)如萊布尼茨與牛頓學派論爭的那樣是一個科學問題與形而上學問題糾纏在一起的獨特領域。因為,如果認為真空被愛因斯坦和狄拉克認定為宇宙背景而似已得到解決不再是問題的話,那么,人類的理性必然會再去追問似“無中生有”的宇宙誕生機制以及那個宇宙“奇點”到底是什么。這實際上就是真空問題的另一個版本。
參考文獻
1漢姆普西耳.理性的時代——17世紀哲學家(陳嘉明譯).北京:光明日報出版社,1989:142～143
2柯瓦雷.牛頓研究(張卜天譯).北京:北京大學出版社,2003:164
