量子力学的含义
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量子力学的含义范文第1篇
关键词：物理本体；物理实体；量子现象；主观；客观
基金项目：国家社会科学基金项目“量子概率的哲学研究”（16BZX022）
中图分类号：N03 文献标识码：A 文章编号：1003-854X（2017）06-0054-06
一、引言
时间和空间是人类所有经验的背景。除去存在的事物，时间、空间什么也不是，不存在只有一件事物的时间、空间，时空是事物之间相互关系的一个方面。
人类通过感性经验认知的时空，称作经验时空；以科学原理和科学方法指导认知的时空是科学时空；牛顿时空、狭义相对论时空、广义相对论时空、量子力学时空，是经验时空的科学提升和科学发展，称作物理时空①。物理时空是科学时空。描述现象实体的时空是现象时空，经验时空、物理时空、科学时空均是现象时空。而未经观察的“自在实体（物理本体）”所在时空，称为“本体时空”。“本体时空”是复数的②，因此，人类实质生活在复数时空中 。作为自然人，观察者存在于“本体时空”，实时空是人类对时空认识的简化③。
主体、客体、观察信号是人类认知自然的三大基本要素④。一般“现象对观察者的主观依赖性”有其客观原因，体现观察信号的自然属性对观察者在认知中的影响。当把现象对观察者的主观依赖性转化为时空的属性后，就可以达到客观描述物质世界⑤。所谓客观描述就是理论计算与经验及科学实验结果相符。
考虑观察信号的客观作用并纳入时空理论的科学建构之中，客观描述物理现象，是物理学家的重要工作。一般，哲学认知中没有明晰“观察信号中介作用”的客观地位，不管“机械反映论”，还是“能动反映论”，都自动将其融入“反映论”理论体系，尤其是前者，往往容易导致主观唯心主义的滋生。
狭义相对论用光对时，考虑了光对建立时空的贡献；牛顿时空是对时信号速度c趋于无穷大的极限情态；考虑引力场对建立时空的影响，引力时空是弯曲的，狭义相对论的平直时空是它的局域特例。从牛顿力学到狭义相对论再到广义相对论，时空发生了变化，但主体与描述对象的关系没有变，主体对客体的描述是客观的。那么是否主体对认知对象完全没有主观影响？如果有，它如何产生，又如何消解，实现客观描述物质世界？经典力学中，人类的处理方法是通过揭示“现象对观察者的主观依赖性”及其产生机理，在不同认知领域区分描述中可以忽略的和不可忽略的，能忽略的舍弃，不能忽略的转化成时空的属性，实现客观描述；而从牛顿力学（或相对论力学）到量子力学，时空没有变化，描述对象具有波粒二象性，“量子现象的主观依赖性”更为突出。如何消解“量子现象对观察者的主观依赖性”，实现量子现象的客观描述，一直是量子力学基础讨论的热点。量子力学必须有自己的客观描述量子现象的时空⑥。
量子力学时空是闵氏时空的复数拓展和推广⑦，由此可以实现客观描述量子世界。它与相对论时空有交集，也有异域。有因必有果，反之亦然，时间与因果关系等价⑧。量子力学中的非定域性，与能量、动量量子化及量子态的突变性相关联。突变无须时间，导致因果链断裂，与因果关联的相互作用也被删除，由此引进了类空间隔。平行并存量子态的出现，是不遵从因果律的量子力学新表现；当能量、动量和相互作用变得连续，宏观时序得到恢复时，回到相对论时空，量子测量中“量子态和时空的坍缩”⑨ 是不同物理时空的转换，希尔伯特空间只是它们的共同数学应用空间⑩。
时空不是绝对的，相对时空有更广阔的含义，人类需要扩大对时空概念的认知，不同的认知层次有不同的时空对应，复数时空更为本质。人们不应该将所有领域的物理实体归于某一时空描述，或者用一种时空的性质去否定另一种时空的存在。还是爱因斯坦说得好：是理论告诉我们能够观察到什么。当然，新的实验事实又将告诉人们，理论及其对应的时空应该如何修改和发展。理论不同时空不同，时空具有建构特征。
二、时空的哲学认知与物理学描述
时空是哲学的基本概念，也是物理学的基本概念。哲学认为，时间和空间是物质的存在形式，既不存在没有时空的物质，也不存在没有物质的时空。笛卡尔指出，空间是事物的广延性，时间是事物的持续性；康德认为，时空是感性材料的先天直观形式；牛顿提出时间和空间是彼此分离，绝对不变的，强调数学的时间自我均匀流逝；莱布尼茨说，空间是现象的共存序列，时间与运动相联系；黑格尔认为，事物运动的本质是空间和时间的直接统一。休谟认为，时、空上的接近和先后关系与因果性直接相关。中国的“宇”和“宙”就是空间和时间概念，它是把三维空间和一维时间概念同宇宙密切联系在一起的最早应用{11}。
哲学具有启示作用，但时空概念如果不与人的社会实践、科学实验、科学理论及其数学物理方法相联系，就只能停留在形而上，无法上升为科学理论概念。
物理学中，空间从测量和描述物体及其运动的位置、形状、方向中抽象出来；时间则从描述物体运动的持续性、周期性，以及事件发生的顺序、因果性中抽象出来；空间和时间的性质，主要从物体运动及其相互作用的各种关系和度量中表现出来。描述物体的运动，先选定参照物，并在参照物上建立一个坐标系，一般参照物被抽象成点，它就是坐标系的原点；假定被描述物体的形体结构对讨论的问题（或对参照物的时空）没有影响，将物体抽象成质点，讨论质点在坐标系中的运动及其相关规律，这就是物理学。由此，“时空是物质的存在形式”的哲学认知也就转化为人类可操作的具体物理理论描述。
可见，时空的认知与人类的社会实践、科学实验、科学进步直接相关，离不开物理和数学方法的应用。笛卡尔平直空间、闵可夫斯基空间、黎曼空间都已作为物理学所依托的几何学，在牛顿力学、狭义相对论、广义相对论中得到了充分应用。由此，几何学被赋予了物理意义。从牛顿力学到狭义相对论再到广义相对论，时空发生了变化，但描述对象与观察者之间的关系没有变，描述是客观的，并且描述对象都可抽象成经典的粒子，采用质点模型。量子力学不同，从牛顿力学（相对论力学）到量子力学，描述量子现象的时空没有变化{12}，物理模型没有变，但量子现象对观察者有明显的主观依赖性，难以客观描述微观量子现象。深入分析，解决的办法有两种，一是更换物理模型的同时也改变物理时空，消除“量子现象对观察者的主观依赖性”，实现客观描述微观量子客体；二是改变时空的同时，保留“量子现象对观察者的主观依赖性”，将本体、认识、时空融为一体，主观纳入客观，模糊主客关系。双4维时空量子力学基础采用了第一种方法。通过场物质球模型，把点模型隐藏的空间自由度释放出来；在改变物理模型的同时，也改变了描述时空；将不是点的微观客体自身的空间分布特性，转化为描述空间的属性，客观描述量子客体。我们认为，第二种方法将主观认识不加区分地“融入时空”，有损客观性、科W性，量子力学时空必须是描述客观世界的时空。物理时空需要建构。
三、牛顿绝对时空中“现象对观察者的主观依赖性”及其“消解”
众所周知，物理学对物体运动状态的描述，理应包含参照物和被描述物体自身的时空特征，而参照物和物体自身的时空特征，必须通过观察发现。观察需要观测信号，物体运动状态及其时空特征必然带有观测信号的烙印{13}。
“物理本体”不可直接观察，我们观察到的是“物理实体”{14}。参照物与研究对象都有自己对应的物理时空，牛顿力学时空应该是两者的综合，而不应该只是参照物的时空。但是，牛顿力学中光速无穷大，在讨论物体运动时，又假设研究对象的时空结构对讨论的问题没有影响，忽略不计，于是，研究对象抽象成了质点，整个理论体系就只有与参照物联系的时空了。
任何具体物体都不会是质点。当用信号去观察它时，物体自身的时空特征与物体的运动状态与观察信号的性质、强弱和传播速度相关。质点模型忽略物体自身的几何形象及其变化，忽略运动及观察信号对物体自身时空特征的影响，参照物也不例外。在从参照物到坐标系的抽象中，抽掉运动及观察信号对参照物时空特性的影响，就是抽掉物体运动及观察信号对坐标系时空特性的影响，就是抽掉人的参与对时空认知的影响{15}。牛顿力学时空与物体运动及观察者无关，绝对不变，基于绝对不动的以太之上。所以，牛顿可以把时间和空间从物质运动中分离出来，时间和空间也彼此分割，空间绝对不变，数学的、永远流逝的时间绝对不变{16}。哲学的时空演变成了可操作的物理时空。这是宏观低速运动对时空的简化与抽象，理论与宏观经验及计算相符。
相互作用实在论认为，现实世界是人参与的世界，对一个研究对象的观察，离不开主体、客体、观察信号三个基本要素。参照物和观察对象的运动和变化及其时空属性，与观察信号的性质相关。牛顿力学中，不是没有现象对观察主体的依赖性，而是在理论的建立中认为影响很小，可以忽略不计。牛顿力学是“物理本体=物理实体”的力学{17}。这与宏观经验和科学实验相符，在宏观低速运动层次实现了主客二分，理论被看作是对客观实在的描述。牛顿力学中，物质告诉时空如何搭建描述背景，时空告诉物质如何在背景中运动。二者构成背景相关。
牛顿时空是均匀平直时空，相对匀速运动坐标系间的变换是伽利略变换。物理定律在伽利略换下具有协变性，相对性原理成立。
四、狭义相对论中“现象对观察者的主观依赖性”及其“消解”
狭义相对论建立之前，洛伦兹就认为高速运动中物体长度在运动方向发生收缩{18}。这是他站在牛顿时空立场，承认以太及绝对坐标系的存在对洛伦兹变换所作的解释。描述时空没有变，“现象对观察者出现了主观依赖性”。自然现象失去了客观性，这是一次认识危机，属19世纪末20世纪初两朵乌云之一。
狭义相对论不同，它考虑宏观高速运动中观察信号对物体时空特征的影响。爱因斯坦在“火车对时”实验中，他用“光”作为观察、记录、认知物体时空特征的信号{19}；通过参照物到坐标系的抽象，论证静、动坐标系K与K′“同时性”不同，静、动坐标系运动方向时空测量单位发生了变化；将洛伦兹所称“运动物体自身运动方向上的长度收缩”演变成坐标系时空框架的属性，还原质点模型，建立相对论力学。实现了观察者对观察对象的客观描述。
狭义相对论中质点的动量、能量、位置和时间都有确定值，质点的运动具有确定的轨迹，这一点与牛顿力学相同。
狭义相对论时空的另一重要物理意义是揭示了“物理本体”的客观实在性。
牛顿力学缺少相对论不可直接观察的静能（m0c2，m0c）对应物，物理本体=物理实体，哲学上的抽象时空直接过渡到牛顿物理时空。
狭义相对论不一样，每一个物体都有一个不可直接观察的静能（m0c2，m0c）对应物，它在任何静止参考系中都是不变量，是物理实体背后的物理本体，物理本体不变，变的是mc2、mc对应的物理实体。“物理本体”既不是形而上的（物自体），也不是形而下的（物体），是形而中的（静能对应物）。它可以认知、可以理论建构，但又不可直接观察。相对于牛顿，爱因斯坦相对论揭示了“物理本体”的真实存在性。“客观物质世界”不是思维的产物。
狭义相对论中，物质告诉时空在运动方向如何修正测量单位，时空告诉物质如何长度收缩、时间减缓。时空具有相对性。
狭义相对论时空虽然也是均匀平直时空，但由于有上述“相对时空”的出现，时空度规与欧氏时空度规有明显区别，所以称为赝欧氏时空。
但狭义相对论仍然是只考虑光及光速的有限性对建立时空的影响，没有考虑引力作用对建立时空的影响。如果考虑引力对时空的影响又如何呢？
五、广义相对论中“现象对观察者的主观依赖性”及其“消解”
广义相对论中有水星近日点进动问题和光走曲线的讨论。站在牛顿平直时空的立场，观察结果与理论计算不符。这不是仪器的精度不够，也不是操作失误，而是理论本身的问题。因为，牛顿力学也好，狭义相对论也好，讨论引力问题，引力场对参照物和研究对象时空属性的影响都没有计入其中，而留在观察者对“现象”的观察、判断之中，出现宇观大尺度“现象对观察者的主观依赖性”。如果考虑引力场使时空发生弯曲，利用弯曲时空计算水星近日点进动和光走曲线现象，“现象对观察者的主观依赖性”就变成时空的属性。“现象对观察者的主观依赖性”就得到了“消解”，观察现象与理论结果就取得了一致。这里，物质使时空弯曲，时空告诉物质如何在弯曲时空中运动。广义相对论实现了观察者对观察对象的客观描述。
广义相对论时空是弯曲的，时空度规是变化的。
六、量子力学中“现象对观察者的主观依赖性”及其“消解”
微观客体具有波粒二象性，同一个电子，通过双缝表现为波，而打在屏幕上又表现为粒子，电子集波和粒子于一身，“量子现象对观察者的主观依赖性”更为突出。经典力学中波动性和粒子性不能集物体于一身，量子力学与经典力学表现出深刻的矛盾。矛盾的产生，可能是描述微观现象的时空出了问题。量子力学的研究领域是微观世界，研究对象是微观客体，不是经典的粒子，用以观察的信号也不是连续的光，而是量子化了的光，通过光信号建立的时空应该与牛顿、相对论时空有所区别。而量子力学使用的还是牛顿时空、狭义相对论时空，时空没有变，物理模型没有变，而研究领域、观察信号和研究“对象”变了。量子力学必须有自己对应的时空，将“量子现象对观察者的主观依赖性”，转化为描述时空的属性，实现客观描述量子现象！ 双4维时空量子力学就是为实现这一目标应运而生的。
现有量子力学“量子现象对观察者的主观依赖性”之所以难以消解，与量子力学中的点模型相关。许多量子现象与点模型隐藏的空间自由度有直接联系，但点模型忽略了这些自由度对产生微观量子现象的作用和影响。我们必须将隐藏的空g自由度还原于时空，才可能正确地认识、客观描述量子现象。
可以公认，微观客体不是点{20}，是一个有形客体，有一定的空间分布，不存在确定于某点的空间位置，这是客观事实。理论上，牛顿时空几何点位置是确定的，量子力学使用的是质点模型，0 维，位置也是确定的，牛顿时空可以精确描述质点的运动。那么微观客体空间分布的不确定性如何处理？人们只好转而认为点粒子在其“空间分布”区域位置具有概率属性。微观客体自身空间分布的客观实在性在量子世界转化成了一种主观认知，赋予了微观客体“内禀”的概率属性，其运动产生概率分布，或称其为概率波。
这是一个认识上的困惑，似乎量子力学描述失去了客观实在性。这也是量子力学当今的困境。解决困难的方法是：（一）更换点模型，释放点模型隐藏的自由度，展示“这些自由度对产生微观现象的贡献”；（二）建立适合量子力学自身的时空，将释放的自由度植入其中，让“量子现象对观察者的主观依赖性”变成量子力学时空自身的属性。
双4维时空量子力学的办法是：（一）用“转动场物质球”模型取代“质点”模型，释放点模型隐藏的空间自由度；（二）将4维实时空M4（x）拓展到双4维复时空W（x，k），且将“释放的空间自由度――曲率k”作为双4维复时空的虚部坐标；（三）4维曲率坐标将量子力学赋予微观客体自身的概率属性变成量子力学复时空的几何属性，场物质球自身的旋转与运动产生物质波――物理波。
“场物质球”与“物质波”（类似对偶性假设）既是同一物理实在的两种不同描述方式，更是微观客体粒子性和波动性的统一，曲率的大小表示粒子性，曲率的变化表示波动性。场物质球的物质密度是曲率k的函数，因此，物质波既是场物质球的结构波又是场物质密度波。物质波不是传播能量，而是传播场物质球的结构或物质密度变化，可映射成实时空M4（x）的概率分布{21}，与实验结果相一致。
这样，点模型中“量子现象对观察者的主观依赖性”通过“释放的自由度”转变为时空W（x，k）的属性，物质波传播其中，量子现象是物质波所为。
研究表明，是量子测量引入的连续作用，使双4维时空W（x，k）全域转换到实时空M4（x），波动形态转变成粒子形态（“相变”），球模型转换成点模型，概率属性内在其中，物质波自动映射成概率波，数学处理类似表象变换{22}。
简言之，传统量子力学，微观客体简化成质点，描述时空不变，人的主观意识介入其中，将其空间分布特性――位置不确定性，变成点粒子的概率属性，实现描述对象从客观到主观认知的转变，具有位置不确定性的点粒子，其运动产生概率波；双4维时空量子力学，微观客体简化成场物质球，“空间分布具体化为几何曲率”，空间分布特性变成曲率坐标，仍然是从客观到客观，描述时空变成了复时空，曲率坐标在其虚部，场物质球的运动产生物质波――物理波。通过量子测量，物质波映射成概率波，球模型演变成点模型，显示概率属性，时空内在自动转换，量子现象对观察者的主观依赖性消解在建构的时空理论中。具体论证方法是：
将静态场物质球写成自旋波动形式：Ψ0=е■，描述在复空间。ω0是常数，它的变化只与自身坐标系时间t0相关，全空间分布（物理本体所在空间）。设建在“静态”场物质球上的坐标系为K0，观察微观客体从静止开始作蛩僭硕，由洛伦兹变换：
微观客体的运动速度不同，平面波相位不同。复相空间kμxμ即为物质波所在时空。物质波是物理波。
自由微观客体的速度就是建在其上惯性坐标系的速度，惯性系间的坐标变换，隐藏速度突变――“超光速”概念，因为，连续变化会引进引力场破坏线性空间。不同惯性系中平面波之间，相位不同，类似量子力学中的不同本征态。这是相对论中的情形{24}。
但是，量子力学建立其理论体系时，把上述不同惯性系中的平面波（不同本征态，每一本征态则对应一惯性系），通过本征态突变跃迁假设（量子分割），切断因果联系，形成同一时空中“同时”并存的本征态的叠加。态的跃迁不需要时间，“超光速”（非定域），将类空间隔引入量子力学时空，破坏了原有的因果关系。叠加量子态的存在，是“违背”因果律在量子力学中的新表现。
量子力学时空显然不是牛顿、狭义相对论时空，但量子力学却误认为量子跃迁引起的时空性质的变化是牛顿、狭义相对论时空中的特征，这当然会带来不可调和的认知矛盾。
同一微观客体，不同本征态“同时”并存的物理状态，从整体看，是洛伦兹协变性在量子力学中的新表现。突变区“超光速”，是类空空间，“不遵从”因果律；释放光子的运动在类光空间；而本征态自身在类时空间，微观客体运动速度不能超过光速，需保持因果律，物质波讨论的就是这一部分，就像相对论讨论类时空间物理一样。量子纠缠态将涉及到上述三种不同性质物理空间量子态的转换，有完全合理的物理机制，不需要思维的特殊作用。不过，相对论长度收缩效应，将以物质波波长在运动方向上的收缩来体现。有了双4维时空量子力学，量子力学与相对论就是相容的，光锥图分析一样适用。
相对论与量子力学的不同，关键在于认知层次发生了变化，光由连续场演变成了量子场。而我们用来观察世界的光信号直接与时空相关，光的物理性质的变化，必然带来物理空间性质的变化，带来物理模型的变化，带来量子力学时空W（x，k）与相对论时空M4（x）之间的区别，带来对物质波――物理波的全新认知。我们预言，物质波有通讯应用价值{25}，但与量子力学非定域性无关。
《双4维复时空量子力学基础――量子概率的时空起源》的理论实践表明，我们的工作是可取的{26}。结论是，量子力学中，物质告诉时空如何具有概率属性，时空告诉物质如何作概率运动。量子现象对观察者的主观依赖性消解在对应的时空理论之中，实现了观察者对量子现象的客观描述。
双4维时空是描述量子现象的物理时空，时空度规，无论实数部分，还是虚数部分，都是平直的{27}。
近年来，由于量子通讯技术的飞速发展，量子纠缠的物理基础引起了人们的特别关注，波函数的物理本质，量子力学的非定域性讨论十分热烈。“量子现象对观察者的主观依赖性”更是讨论的核心。人们甚至被量子现象的奇异性迷惑了，特别是，有科学家甚至认为：“客观世界很有可能并不存在”。世界是人臆造出来的？科学实在论者当然不能赞成！更加深入的探讨，我们将另文讨论。
按照曹天予的评论，《双4维复时空量子力学基础――量子概率的时空起源》值得关注{28}。双4维复时空与弦论、圈论比较，最大优点是将时空拓展、推广到了复数空间，数学没有那么复杂，而物理学基础却更加坚实、清晰。
七、结论与讨论
1.“现象对观察者的主观依赖性”普遍存在于人与自然的关系之中，融入时空的只能是物理实体对时空有影响的部分，时空具有建构特征。
2. 物质运动与时空的关系：牛顿力学中，物质告诉时空如何搭建运动背景，时空告诉物质如何在背景上运动；狭义相对论中，物质告诉时空如何修正测量单位，时空告诉物质如何在运动方向长度收缩、时间减缓；广义相对论中，物质告诉时空如何弯曲，时空告诉物质如何在弯曲时空中运动；量子力学中，物质告诉时空如何具有概率属性，时空告诉物质如何作概率运动。
3. 量子力学时空是平直的，其方程是线性的，而广义相对论时空是弯曲的，其方程是非线性的{29}。量子力学与广义相对论的统一，不能机械地凑合，它们的统一，必须从改变时空的性质做起，建立相应的运动方程，并搭起非线性空间与线性空间的相互联络通道。
注释：
① 赵国求：《双4维时空量子力学基础》，湖北科学技术出版社2016年版，第5页；Cao Tian Yu， From Current Algebra to Quantum Chromodynamics： A Case for Structural Realism， Cambridge： Cambridge University Press， 2010， pp.202-241.
② Rocher Edouard， Noumenon： Elementaryentity of a Newmechanics， J. Math. Phys.， 1972， 13（12）， pp.1919-1925.
③④⑥⑦⑩{13}{15}{17}{21}{22}{24}{25}{27} w国求：《双4维时空量子力学基础》，湖北科学技术出版社2016年版，第5、105、9、147、179、94、133―136、106、151、151、159、152、149页。
⑤ 主观与客观：“客观”，观察者外在于被观察事物；“主观”，观察者参与到被观察事物当中。 辩证唯物主义认为主观和客观是对立的统一，客观不依赖于主观而独立存在，主观能动地反映客观。
⑧ L・斯莫林：《通向量子引力的三条途径》，李新洲等译，上海科学技术出版社2003年版，第29―33页。
⑨ 张永德：《量子菜根谭》，清华大学出版社2012年版，第29页；赵国求：《双4维时空量子力学基础》，湖北科学技术出版社2016年版，第178页。
{11} 冯契：《哲学大辞典》，上海辞书出版社2001年版，第1579―1582页。
{12} 参见L・斯莫林：《物理学的困惑》，李泳译，湖南科学技术出版社2008年版。
{14} 相互作用实在论中的基本概念：（1）物质：外在世界的本原。（2）基本相互作用：遍指自然力，有引力，电磁、强、弱等力。（3）自在实体：指未经观察的“自然客体”（相互作用实在论中，自在实体作为物理研究对象时称物理本体）。（4）现象实体：经过观察，系统的、稳定的、深刻反映事物本质的理性认知物。现象则表现自在实体非本质的一面。（相互作用实在论中，现象实体作为物理研究对象时称物理实体）。（5）观测信号：人类认知世界使用的探测信号。
{16} 参见伊・牛顿：《自然哲学之数学原理宇宙体系》，武汉出版社1996年版。
{18} 参见倪光炯等：《近代物理学》，上海科学技术出版社1980年版。
{19} 参见A・爱因斯坦：《相对论的意义》，科学出版社1979年版；爱因斯坦等：《物理学的进化》，周肇威译，上海科学技术出版社1964年版。
{20} 坂田昌一：《坂田昌一科学哲学论文集》，安度译，知识出版社2001年版，第140页。
{23} 参见Guo Qiu Zhao， Describe Quantum Mechanics in Dual 4d Complex Space-Time and the Ontological Basis of Wave Function， Journal of Modern Physics， 2014， 5（16）， p.1684；赵国求：《双4维时空量子力学基础》，湖北科学技术出版社2016年版，第149页。
{26} 参见Guo Qiu Zhao， Describe Quantum Mechanics in Dual 4d Complex Space-Time and the Ontological Basis of Wave Function， Journal of Modern Physics， 2014， 5（16）， p.1684；赵国求：《双4维时空量子力学描述》，
《现代物理》2013年第5期；赵国求、李康、吴国林：《量子力学曲率诠释论纲》，《武汉理工大学学报》（社会科学版）2013年第1期。
{28} 曹天予：《当代科学哲学中的库恩挑战》，《中国社会科学报》2016年5月31日。
量子力学的含义范文第2篇
【关键词】超弦/M理论/圈量子引力/哲学反思
【正文】
本文分四部分。首先明确什么是量子引力？其次给出当代量子引力发展简史，更次概述当代量子引力研究主要成果，最后探讨量子引力的一些哲学反思。
一、什么是量子引力？
当代基础物理学中最大的挑战性课题，就是把广义相对论与量子力学协调起来[1]。这个问题的研究，将会引起我们关于空间、时间、相互作用（运动）和物质结构诸观念的深刻变革，从而实现20世纪基础物理学所提出的空间时间观念的量子革命。
广义相对论是经典的相对论性引力场理论，量子力学是量子物理学的核心。凡是研究广义相对论和量子力学相互结合的理论，就称为量子引力理论，简称量子引力。探讨量子引力卓有成效的理论，主要有两种形式。第一，是把广义相对论进行量子化，正则量子引力属于此种。第二，是对一个不同于广义相对论的经典理论进行量子化，而广义相对论则作为它的低能极限，超弦／M理论则属于这种。
圈(Loop)量子引力[2]是当前正则量子引力的流行形式。正则量子引力是只有引力作用时的量子引力，和超弦／M理论相比，它不包括其它不同作用。它的基本概念是应用标准量子化手续于广义相对论，而广义相对论则写成正则的即Hamiltonian形式。正则量子引力根据历史发展大体上可分为朴素量子引力和圈量子引力。粗略来说，前者发生于1986年前，后者发生于1986年后。朴素量子引力由于存在着紫外发散的重正化困难，从而圈量子引力发展成为当前正则量子引力的代表。
超弦／M理论的目的，在于提供己知四种作用即引力和强、弱、电作用统一的量子理论。理论的基本实体不是点粒子，而是1维弦、2维简单膜和多维brane（广义膜）的延展性物质客体。超弦是具有超对称性的弦，它不意味着表示单个粒子或单种作用，而是通过弦的不同振动模式表示整个粒子谱系列。
圈量子引力和超弦／M理论之外，当代量子引力还有其它不同方案。例如，Euclidean量子引力、拓扑场论、扭量理论、非对易几何等。
二、当代量子引力研究进展
我们主要给出超弦／M理论和圈量子引力研究的重大进展。
1.超弦／M理论方面[3]
弦理论简称弦论，虽然在20纪70年代中期，已经知道其中自动包含引力现象，但因存在一些困难，只是到80年代中期才取得突破性进展。
1)80年代超弦理论
弦论发展可粗略分为早期弦理论（70年代）、超弦理论（80年代）和M理论（90年代）三个时期。我们从80年代超弦理论开始，简述其研究进展。
1981年，M·Green和J.Schwarz提出一种崭新的超对称弦理论，简称超弦理论，认为弦具有超对称性质，弦的特征长度已不再是强子的尺度（～10[-13]厘米），而是Planck尺度（～10[-33]厘米）。
1984年，Green和Schwarz证明[4]，当规范群取为SO(32)时，超弦I型的杨－Mills反常消失，4粒子开弦圈图是有限的。
1985年，D.Gross，J.Harvey[5]等4人提出10维杂化弦概念，这种弦是由D=26的玻色弦和D=10超弦混合而成。杂化弦有E[，8]×E[，8]和SO(32)两种。
同年，P.Candlas，G.Horowitz，A.Strominger和E.Witten[6]对10维杂化弦E[，8]×E[，8]的额外空间6维进行紧致化，最重要的一类为Calabi－丘流形。但是这类流形总数多到数百万个，应该根据什么原则来选取作为我们世界的C－丘流形，至今还不清楚，虽然近10多年来，这方面的努力从来未中断过。
1986年，提出建立超弦协变场论问题，促进了对非微扰超弦理论的探讨。在诸种探讨方案中，以E.Witten的非对易几何最为突出[7]。
同年，人们详细地研究了超弦唯象学，例如E[，6]以下如何破缺及相应的物理学，对紧致空间已不限于C－丘流形，还包括轨形(Orbifold)、倍集空间等。
人们常把1984-86年期间对超弦研究的突破，称为第一次超弦革命。在此期间建立了超弦的五种相互独立的10维理论，而且是微扰的。它们是I型、IIA型、IIB型、杂化E[，8]×E[，8]型和SO(32)型。
2)90年代M理论
经过80年代末期和90年代初期，对超弦理论的对偶性、镜对称及拓扑改变等的研究，到1995年五种超弦微扰理论的统一性问题获得重大突破，从此第二次超弦革命开始出现。
1995年，Witten在南加州大学举行的95年度弦会议上发表演讲，点燃起第二次超弦革命。Witten根据诸种超弦间的对偶性及其在不同弦真空中的关联，猜测存在某一个根本理论能够把它们统一起来，这个根本理论Witten取名为M理论。这一年内Witten、P.Horava、A.Dabhulkar等人，给出ⅡA型弦和M理论间的关系[8]、I型弦和杂化SO(32)型弦间的关系、杂化弦E[，8]×E[，8]型和M理论间的关系等。
1996年，J.Polchinski、P.Townscend、C.Baches等人认识到D-branes的重要性。积极进行D-branes动力学研究[9]，取得一定成果。同年，A.Strominger、C.Vafe应用D-brane思想，计算了黑洞这种极端情形的熵和面积关系[10]，得到了和Bekenstein-Hawking的熵－面积的相同表示式。G.Callon、J.Maldacena对具有不同角动量与电荷的黑洞所计算的结果指出，黑洞遵从量子力学的一般原理。G.Collins探讨了量子黑洞信息损失问题。
1997年，T.Banks、J.Susskind等人提出矩阵弦理论，研究了M理论和矩阵模型间的联系和区别。
同年，Maldacena提出AdS/CFT对偶性[11]，即一种Anti-de Sitter空间中的IIB型超弦及其边界上的共形场论之间的对偶性假设，人们称为Maldacena猜测。这个猜测对于我们世界的Randall-Sundrum膜模型的提出及Hawking确立果壳中宇宙的思想，都有不少的启示。
2.圈量子引力方面[12]
1)二十世纪80年代
1982年，印度物理学家A.Sen在Phys.Rev.和Phys.Lett.上相继发表两篇文章，把广义相对论引力场方程表述成简单而精致的形式。
1986年，A.Ashtekar研究了Sen提出的方程，认为该方程已经表述了广义相对论的核心内容。一年后，他给出了广义相对论新的流行形式，从而对于在Planck标度的空间时间几何量，可以进行具体计算，并作出精确的数量性预言。这种表述是此后正则量子引力进一步发展的关键。
同年，T.Jacobson和L.Smolin求出Wilson圈解。在引进经典Ashtekar变量后，他们在圈为光滑且非自相交情形下，求出了正则量子引力的WDW方程解。此后，他们又找到了即使在圈相交情况下的更多解。
1987年，由于Hamiltonian约束的Wilson圈解的发现，C.Revolli和Smolin引进观测量的经典Possion代数的圈表示，并使微分同胚约束用纽结(knot)态完全解出。
1988年，V.Husain等人用纽结理论(knot theory)，研究了量子约束方程的精确解及诸解间的关系，从而认为纽结理论支配引力场的物理量子态。同年，Witten引进拓朴量子场论(TQFT)的概念。
2)二十世纪90年代
1990年，Rovelli和Smolin指出，对于在大尺度几何近似变为平直时态的研究，可以预言Planck尺度空间具有几何断续性。对于编织的这些态，在微观很小尺度上具有“聚合物”的类似结构，可以看作为J.Wheeler时空泡沫的形式化。
1993年，J.Iwasaki和Rovelli探讨了量子引力中引力子的表示，引力子显示为时空编织纤维的拓朴修正。
1994年，Rovelli和Smolin第一次计算了面积算子和体积算子的本征值[13]，得出它们的本征谱为断续的重大结论。此后不久，物理学者曾用多种不同方法证明和推广这个结论，指出在Planck标度，空间面积和体积的本征谱，确实具有分立性。
1995年，Rovelli和Smolin利用自旋网络基[14]，解决了关于用圈基所长期存在的不完备性困难。此后不久，自旋网络形式体系，便由J.Baez彻底阐明。
1996年，Rovelli应用K.Krasnov观念，从圈量子引力基本上导出了黑洞熵的Bekenstein-Hawking公式[15]。
1998年，Smolin研究圈和弦间的相似性，开始探讨圈量子引力和弦论的统一问题。
三、当代量子引力理论主要成就
1.超弦／M理论方面
1)弦及brane概念的提出
广义相对论中的奇性困难、量子场论中的紫外发散本质、朴素量子引力中的重正化问题，看来都起源于理论的纯粹几何的点模型。超弦理论提出轻子、夸克、规范粒子等微观粒子都是延伸在空间的一个区域中，它们都是1维的广延性物质，类似于弦状，其特征长度为Planck长度。M理论更推广了弦的概念，认为粒子类似于多维的brane，其线度大小为Planck长度。为简单起见，我们把brane也称作膜。超弦／M理论中，用有限大小的微观粒子替代粒子物理标准模型中纯粹几何的点粒子，这是极为重要且富有成效的革命性观念。
2)五种微扰超弦理论
这五种超弦的不同在于未破缺的超对称荷的数目和所具有的规范群。I型有N=1超对称性，含有开弦和闭弦，开弦零模描述杨－Mills场，闭弦零模描述超引力。ⅡA型有N=2超对称性，旋量为Majorana-Weyl旋量，不具有手征性，自动无反常，只含有闭弦，零模描述N=2超引力。IIB型同样有N=2超对称性，具有手征性。杂化弦是由左旋D=10超弦和左旋D=26玻色弦杂化而成，只包含可定向闭弦，有手征性和N=1超对称性，可以描述引力及杨－Mills作用。
3)超弦唯象学
从唯象学角度来看，杂化弦型是重要的，E[，8]×E[，8]是由紧致16维右旋坐标场(26-10=16)而产生的，即由16维内部空间紧致化而得到，也就是说在紧致化后得到D=10，N=1，E[，8]×E[，8]的超弦理论。
但是迄今为止，物理学根据实验认定我们的现实空间是三维的，时间是一维的，把四维时空(D=4)作为我们的现实时空。因此我们必须把10维时空紧致化得到低能有效四维理论，为此人们认为从D=10维理论出发，通过紧致化有
M[10]M[4]×K
此中K为C－丘流形，此内部紧致空间维数为10-4=6，M[4]为Minkowski空间，从而得到4维Minkowski空间低能有效理论。其重要结论有：
(1)由D=10，E[，8]×E[，8]超弦理论（M[10]中规范群为E[，8]×E[，8]）紧致化为D=4，E[，6]×E[，8]、N=1超对称理论。
(2)夸克和轻子的代数Ng完全由K流形的拓朴性质决定：为Euler示性数χ，系拓朴不变量。
(3)对称破缺问题。已知超弦四维有效理论为N=1，规范群为E[，6]×E[，8]的超对称杨—Mills理论，现实模型要求破缺。首先由第二个E[，8]进行超对称破缺，然后对大统一群E[，6]已进行破缺，从而引力作用在E[，8]中，弱、电、强作用在E[，6]中，实现了四种作用的统一。
4)T和S′对偶性
尽管五种超弦理论在广义相对论和量子力学统合上，取得了不少进展，但是五种超弦理论则是相互独立的，理论却是微扰的。尽管在超弦唯象学中，原则上－丘流形K一旦固定下来，在D=4时空中所有零质量费米子和玻色子（包括Higgs粒子）就会被确定下来，但是－丘真空态总数则可多到数百万个，应该根据什么原则来选取－丘真空态，目前还不清楚。T对偶性和S对偶性的提出，正是五种超弦理论融通的主要桥梁。
在M理论的孕育过程中，对偶性起了重要作用。弦论中存在着一种在大小紧致空间之间的对偶性。例如ⅡA型弦在某一半径为R[，A]的圆周上紧致化和ⅡB型在另一半径为R[，8]的圆周上紧致化，两者是等效的，则有关系R[，B]=(m[2，s]R[，A])[-1]。于是当R[，A]从无穷大变到零时，R[，B]从零变到无穷大。这给出了ⅡA弦和ⅡB弦之间的联系。两种杂化弦E[，8]×E[，8]和SO(32)也存在类似联系，尽管在技术性细节上有些差别，但本质上却是同样的。
A.Sen证明，在超对称理论中，必然存在着既带电荷又带磁荷的粒子。当这一猜测推广到弦论后，它被称作为S对偶性。S对偶性是强耦合与弱耦合间的对称性，由于耦合强度对应于膨胀子场，杂化弦SO(32)和I型弦可通过各自的膨胀子连系起来。
5)M理论和五种超弦、11维超引力间的联系
M理论作为10维超弦理论的11维扩展，包含了各种各样维数的brane，弦和二维膜只是它的两种特殊情况。M理论的最终目标，是用一个单一理论来描述已知的四种作用。M理论成功的标志，在于把量子力学和广义相对论的新理论框架中相容起来。
附图
上面给出五种超弦理论、11维超引力和M理论相容的一个框架示意图[16]，即M理论网络。此网络揭示了五种超弦理论、11维超引力都是单一M理论的特殊情形。当然至今M理论的具体形式仍未给出，它还处于初级阶段。
6)推导量子黑洞的熵－面积公式。
在某些情形下，D-branes可以解释成黑洞，或者说是黑branes，其经典意义是任何物质（包括光在内）都不能从中逃逸出的客体。于是开弦可以看成是具有一部分隐藏在黑branes之内的闭弦。Hawking认为黑洞并不完全是黑的，它可以辐射出能量。黑洞有熵，熵是用量子态来衡量一个系统的无序程度。在M理论之前，如何计算黑洞量子态数目是没有能力的。Strominger和Vafa利用D-brane方法，计算了黑－branes中的量子态数目，发现计算所得的的熵－面积公式，和Hawking预言的精确一致，即Bekenstein-Hawking公式，这无疑是M理论的一个卓越成就。
对于具有不同角动量和电荷的黑洞所计算结果指出，黑洞遵从量子力学的一般原理，这说明黑洞和量子力学是十分融洽的。
2.圈量子引力方面
1)Hamiltonian约束的精确解。
圈量子引力惊人结果之一，是可以求出Hamiltonian约束的精确解。其关键在于Hamiltonian约束的作用量，只是在s－纽结的结点处不等于零。所以不具有结点的s－纽结，才是量子Einstein动力学求出的物理态。但是这些解的物理诠释，至今还是模糊不清的。
其它的多种解也已求得，特别是联系连络表示的陈－Simons项和圈表示中的Jones多项式解，J.Pullin已经详细研究过。Witten用圈变换把这两种解联系起来。
2)时间演化问题
人们试图通过求解Hamiltonian约束，获得在概念上是很好定义的、并排除冻结时间形式来描述量子引力场的时间演化。一种选择是研究和某些物质变量相耦合的引力自由度随时间演化，这种探讨会导致物理Hamiltonian的试探性定义的建立，并在强耦合微扰展开中，对S纽结态间的跃迁振幅逐级进行考查。
3)杨－Mills理论的重正化问题
T.Thiemann把含有费米子圈的量子引力，探索性地推广到杨－Mills理论进行研究。他指出在量子Hamiltonian约束中，杨－Mills项可以严格形式给出定义。在这个探索中，紫外发散看来不再出现，从而强烈支持在量子引力中引进自然切割，即可摆脱传统量子场论的紫外发散困难。
4)面积和体积量度的断续性
圈量子引力最著名的物理成果，是给出了在Planck标度的空间几何量具有分立性的论断。例如面积
此中lp是Planck长度，j[，i]是第i个半整数。体积也有类似的量子化公式。
这个结论表明对应于测量的几何量算子，特别是面积算子和体积算子具有分立的本征值谱。根据量子力学，这意味着理论所预言的面积和体积的物理测量必定产生量子化的结果。由于最小的本征值数量级是Planck标度，这说明没有任何途径可以观测到比Planck标度更小的面积（～10[-66]厘米[2]）和体积（～10[-99]厘米[3]）。从此可见，空间由类似于谐振子振动能量的量子所构成，其几何量本征谱具有复杂结构。
5)推导量子黑洞的熵－面积公式
已知Schwarzchild黑洞熵S和面积A的关系，是Bekenstein和Hawking所给出，其公式为：
附图
这里k是Boltzman常量，是Planck常量，G[，N]为牛顿引力常量，c为光速。对这个关系式的深层理解和由物理本质上加以推导，M理论已经作过，现在我们看下圈量子引力的结果。
应用圈量子引力，通过统计力学加以计算，Krasnov和Rovelli导出
附图
此处γ为任意常数，β是实数(～1/4π)，显然如果取γ＝β，则由式(3)即可得到式(2)。这就是说，从圈量子引力所得出的黑洞熵－面积关系式，在相差一个常数值因子上和Bekenstein-Hawking熵－面积公式是相容的。
Bekenstein-Hawking熵公式的推导，对圈量子引力理论是一个重大成功，尽管这个事实的精确含义目前还在议论，而且γ的意义也还不够清楚。
四、量子引力理论的哲学反思
我们从空间和时间的断续性、运动（相互作用）基本规律的统一性、物质结构基本单元的存在性三个方面进行哲学探讨。
1.空间和时间的断续性
当代基础物理学的核心问题，是在Planck标度破除空间时间连续性的经典观念，而代之以断续性的量子绘景。量子引力理论对空间分立性的揭示和论证，看来是最为成功的。
超弦／M理论认为，我们世界是由弦和brane构成的。根据弦论中给出的新的不确定性关系，弦必然有位置的模糊性，其线度存在一有限小值，弦、膜、或brane的线度是Planck长度，从而一维空间是量子化的。由此推知，面积和体积也应该是量子化的。二维面积量子的数量级为10[-66]厘米[2]，三维体积量子的数量级为10[-99]厘米[3]等。
对于圈量子引力，其最突出的物理成果是具体导出了计算面积和体积的量子化公式。粗略说来，面积的数量级是Planck长度lp的二次方，体积的数量级是lp的三次方。这就令人信服地论证了在Planck标度，面积和体积具有断续性或分立性，从而根本上否定了空间在微观上为连续性的经典观念。
依据空间和时间量度的量子性，芝诺悖论就是不成立的，阿基里斯在理论上也完全可以追上在他前面的乌龟。类似的，《庄子·天下》篇中的“一尺之捶，日取其半，万世不竭”这个论断在很小尺度上显然也是不成立的。古代哲学中这两个难题的困人之处，从空间时间断续性来看，是由于预先设定了空间和时间的度量，始终是连续变化的经典性质。实际上在微观领域，空间和时间存在着不可分的基本单元。
2.运动（相互作用）基本规律的统一性
20世纪基础物理学巨大成功之一，就是建立了粒子物理学的标准模型，理论上它是筑基于量子规范场论的。这个模型给出了夸克、轻子层次强、弱、电作用的SU(3)×SU(2)×U(1)规范群结构，在一定程度上统一了强、弱、电三种相互作用的规律。但是它不含有引力作用。
超弦／M理论的探讨，在于构建包含引力在内的四种作用统一的物理理论。传递不同相互作用的粒子如光子（电磁作用）、弱玻色子（弱作用）、胶子（强作用）和引力子（引力作用），对应于弦的各种不同振动模式，夸克、轻子层次粒子间的作用，就是弦间的相互作用。在Planck标度，超弦／M理论是四种基本作用统一理论的最佳侯选者，也就是所说的万物理论(Theory of everything)的最佳侯选者。
在Planck时期，物质运动或四种作用基本规律的统一性，正是反映了我们宇宙在众多复杂性中所显现的一种基本简单性。
3.物质微观结构的基本单元的存在性[17]
世界是由物质构成的，物质通常是有结构的，但是物质结构在层次上是否具有基本单元，即德谟克利特式的“原子”是否存在？这是一个长期反复争论而又常新的课题。当代几种不同的量子引力，尽管对某些问题存在着不同的见解，但是关于这个问题从实质上来看，却给出了一致肯定的回答。
超弦／M理论认为，构成我们世界的物质微观基本单元是具有广延性的弦和brane，并非所谓的只有位置没有大小的数学抽象点粒子。粒子物理学标准模型中的粒子，都是弦或brane的激发。弦和brane的线度是有限短的Planck长度，它们正是构成我们世界的物质基本单元，即德谟克利特式的“原子”，这是超弦／M理论为现今所有粒子提供的本体性统一。
圈量子引力给出了在Planck标度面积和体积的量子化性质，即断续的本征值谱，面积和体积分别存在着最小值。由于在圈量子引力中，脱离引力场的背景空间是不存在的，而引子场是物质的一种形态，因此脱离物质的纯粹空间也就是不存在的。空间体积和面积的不连续性和基本单元的存在，正是物质微观结构的断续性和基本单元的存在性的最有力论据。
总之，超弦／M理论和圈量子引力从不同的侧面，对量子引力的本质和规律作出了一定的揭示，它们在Planck标度领域一致地得出了空间量子化和物质微观结构基本单元存在的结论。这无疑是人们在20世纪末期对我们世界空间时间经典观念的重大突破，也是广义相对论和量子力学统合的成果；同时更是哲学上关于空间和时间是物质存在的客观形式，没有无物质的空间和时间，也没有无空间和时间的物质学说的一曲凯歌！
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量子力学的含义范文第3篇
关键词原子物理；物理学史；教学；科学思维
1引言
原子物理是物理学专业学生必修的一门专业基础课。与其他理论性抽象性较强的学科不同，原子物理课程介绍的对象为微观结构，微观体系具有其特定的规律而且不能直接观测，所以不具有宏观物体运动的直观性，必须借助实验手段，因此教学中有大量的实验介绍。与其他学科一样，理论的建立都必须以实验为基础并遵从“实验—理论—实验”的发展原则。在原子物理的教学中一直以来侧重于通过实验现象的分析，发展理论模型，揭示原子结构及运动规律，揭示其微观结构及本质运动规律。通过物理学史的引入，介绍物理学家的实验构想，实验结果与分析可以更加清晰地让学生看到科学探索的过程：在实验过程中发现更多新信息归纳总结推测修正理论然后再在实践中加以检验。实际教学中结合物理学史的讲授能够极大地激发学生的学习兴趣，同时也从中看到实验与理论是怎样相互推进完善我们对原子世界的认知。诺奖辈出的近代物理发展史贯穿整个原子物理学，本文将着重以α粒子散射实验、玻尔氢原子模型和康普顿散射实验为例讨论原子物理教学与物理学史的结合并分析其优势。
2α粒子散射实验教学过程与物理学史的结合
原子物理学发展处于经典物理完善与量子概念提出的这段革命性时期，具有丰富的史料,在教学中结合物理学史，将极大地提升教学效果，这不仅有利于本课程的教学，也将对学科乃至科学思维方法的培养都具有积极意义。将原子物理学发展史融入知识的传授过程中可增强学习的趣味性。例如在讲授卢瑟福核式结构模型[1-2]前分析当时人们对原子的认识。原子是中性，不带电，汤姆孙（J.J.Thomson）发现了电子并由此提出了葡萄干布丁模型。然后此处，电子的发现也经历了一个曲折的科学发展过程。早在1811年阿伏伽德罗（A.Avogadrao）提出的假说中隐含常数NA，联系到电荷存在最小单位，到1833年法拉第（M.Fara-day）提出电解定律并推得1mol任何原子单价离子永远带有相同电量，直至1874年，斯通尼（G.J.Stoney）才明确提出“电子”这一名词来命名电荷最小单位。由实验现象到理论推测，这只是微观世界探索路上的一小步。23年以后，1897年，汤姆孙通过放电管阴极射线偏转真正从实验上确定了电子的存在，成为“最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人”。然而，这“理所当然”的结果也不是唾手可得的。首先，人们对阴极射线的研究已有数十年历史，由于真空度不高，很多伟大的物理学家在类似的实验中并未发现阴极射线的偏转，错误地认为阴极射线不带电，真理被掩盖在射线管的低真空环境中。另一方面，在1890年，休斯脱（A.Schuster）研究氢放电管中阴极射线偏转时算得荷质比是千倍以上，他不敢相信自己的测量结果，认为这是荒谬的，真理又一次败给“固有”观念。在与汤姆孙发现电子的同年，德国考夫曼（W.Kaufman）在类似的实验中测得比汤姆孙还要精确的荷质比，但他没有勇气发表这些结果。这些都是真理都碰到鼻子尖上还没有得到真理的人。可见，科学探索过程不是一帆风顺的，通过这些扩展和背景知识介绍让学生认识到科学研究要严谨，忠于客观事实，勇于突破传统观念。接下来在卢瑟福α粒子散射实验中，汤姆孙葡萄干布丁模型的失败、核式结构的成功，这部分的教学中可以让学生看到实验与理论两手并行，设计实验验证理论，新的实验现象修正理论，原子物理这一门学科的发展，充满了对固有观念的颠覆，带着怀疑和批判的精神进一步验证，由此一步一步接近真理，学生们可以真切地体会科学家们通过用客观事实来修正和进一步完善理论的科学思维方法。除了对知识点本身的介绍，结合物理学史的讲授能够在课堂上吸引和牵动更多学生思考，激发学习兴趣，培养基本的科学素养。
3玻尔氢原子模型教学过程与物理学史的结合
在玻尔模型的讲解中也可以通过对著名物理学家们对“量子”概念的认识理解过程以及介绍1927年第五届索尔维会议，很好地让学生了解近代物理发展的精彩一幕。这样可以有效避开传统的灌输逻辑思维方法的教学，通过介绍物理学家的认知过程、思想斗争、学术辩论，让学生看到知识的构建过程，更加深刻领悟物理学研究的思想方法。如1900年普朗克（M.Planck）“勉强”地发表了著名的量子假说，作为经典物理的大师，普朗克不得不抛弃能量是连续的传统经典物理概念，导出了与实验完全符合的黑体辐射经验公式。并且因为量子理论的创立而获得诺贝尔物理学奖。普朗克本人是如此地不喜欢自己提出的量子概念，很想把量子说纳入经典轨道，但十余年的斗争终败，最后在各种经典解释一一碰壁后他才真正理解量子的深刻含义。由此可以再次让学生看到，科学研究确实不仅需要勇气挑战经典，还要学会改变固有观念和思维方式。物理理论的萌芽、发展和完善，这个复杂的过程中学生能够深切地体会其中的曲折艰辛。在介绍玻尔氢原子模型的部分，可以引入玻尔与爱因斯坦的世纪之争。玻尔1885年出生于丹麦，在哥本哈根大学学习物理期间发展和完善了汤姆孙和洛伦兹的研究方法，并且创造性地把普朗克提出的量子假说应用于卢瑟福的核式结构模型，非常完美地解释了困惑物理学家们近30年的光谱实验。玻尔作为哥本哈根学派的创始人，不仅成功地解释了氢原子光谱，还提出互补原理和哥本哈根诠释来解释量子力学。在玻尔成立的哥本哈根大学理论物理学研究所还诞生了大量杰出优秀的物理学家，是当时世界上最重要最活跃的学术中心。玻尔与爱因斯坦的世纪之争因为对物理学发展具有极为重要的作用而被载入史册。在第五届索尔维会议中，爱因斯坦质疑海森堡的不确定性原理，并抛出了“上帝不会掷骰子”的观点，而玻尔反驳“爱因斯坦，不要告诉上帝怎么做”。爱因斯坦对测不准关系和量子力学的几率解释极为不满，认为量子力学不完备，并提出一个思想实验来反驳测不准关系。但这正好被玻尔用分析场的可测性证明了量子场论的无矛盾条件。爱因斯坦提出了很多问题，找到很多矛盾，但都被玻尔一一攻破，反而更加全面地证明自己的正确性，阐明了量子力学的原理。两位伟大的科学家一直在争斗，但玻尔十分尊重爱因斯坦的挑战，爱因斯坦的批评和挑战也促进了大家对微观理论的认识。正所谓真理越辩越明，索尔维会议上玻尔与爱因斯坦的世纪争辩的介绍不仅更能提升学生对物理研究过程的了解和对科学发展的认识，同时有利于正确看待学术讨论、争议、合作，培养学术精神和正确的价值观。另一方面通过介绍以玻尔为中心的哥本哈根学派的工作，可以展开极为丰富的信息，这对激发学生兴趣给学生以启迪、联系专业学科可以起到更加积极的作用。此外，在教学过程中由玻尔理论到索末菲理论再到第三章介绍的量子理论电子云概念的提出，从介绍氢原子到类氢离子再到最外层只有一个电子的碱金属，单电子原子到双电子原子再到多电子原子，每一个部分都是物理学发展坚实的脚印，让学生看到，实际上现有的物理知识无一不是通过无数的曲折反复由简到繁升华高度概括得到的精华，这样的教学过程将更有益于渗透物理思想和学习科学思维的方法，从而树立科学的世界观[3]。
4康普顿散射实验教学过程与物理学史的结合
科学发展实验与理论两手并行，例如1923年美国物理学家康普顿（pton）在研究X射线与物质散射的实验中证明了X射线的粒子性，完满地解释了光量子说，人类对光的本性的认识在实验中完满。这是一个漫长曲折的过程，从17世纪末开始，牛顿提出的“微粒说”认为光是微小的粒子，而惠更斯提出了与之相对立的“波动说”，人们对光的认识局限在当时所能观测的有限的实验现象中，加之牛顿崇高的威望使得“微粒说”一度占领统治地位。一百年后，托马斯•杨通过光的干涉实验验证了惠更斯原理，“波动说”开始充满生机。到了19世纪中叶，麦克斯韦提出“电磁说”，由此光的波动理论占据主导地位。但很快因为波动理论认为光的传播需要介质，这难以解释宇宙中光的传播，“波动说”又身陷囹圄，而且“波动说”在光电效应面前苍白而无力。1905年，爱因斯坦提出“光量子说”成功解释了光电效应，这样几经曲折，康普顿散射实验终结了人们对于“光量子说”的怀疑，最终认识到光具有波粒二象性，粒子与波动完美统一。康普顿散射实验这个漂亮的句号可以启发学生认识到人们对于客观事物的认知总存在历史局限性，前人们经历了从无知到多角度多方面看实物，从相对真理到越来越接近绝对真理的过程。
5小结
在原子物理这门课程的教学过程中充满了革命性创新性的故事，联系物理学史开放性的教学，对于培养学生不拘泥思维，敢想敢干勇于创新将起到积极的促进作用。物理教学中，特别是原子物理课程教学中扒开死气沉沉的公式，充分利用物理学史资料，呈现真实的历史不仅可以充实和丰富课堂内容，开阔学生视野，活跃课堂气氛，培养学生学习兴趣，更重要的是可以让学生对专业学科展开立体的联系，知识不再是单一的点，还可以连成线，展开为面，知识是立体的，充满生命力的，向各方面生长的。综上，原子物理教学过程中紧密结合科学事例的历史，将更有利于激发学生学习兴趣，深入探索实验现象，积极动脑思考物理本质，培养科学思维方法。知识的多寡不是我们教学中所追求的终极目标，探索精神的培养，对物理本质的全面理解以及建立正确的科学思维方法，树立正确的科学观才是充满生命力的有活力的教学。
参考文献
[1]杨福家.原子物理学[M].北京:高等教育出版社.
[2]褚圣麟.原子物理学[M].北京:高等教育出版社.
量子力学的含义范文第4篇
固体物理学是凝聚态物理和材料物理专业的必备基础课，它融合了普通物理、热力学与统计物理、量子力学等多学科的知识。也是因为知识面广、量大、深奥难懂，在教学过程中，学生普遍反映较难掌握这门课程。如何取舍教学内容、如何深入浅出地讲解基础知识点、如何改变教学手段和教学形式提高学生的学习和应用能力等，这些都是教学中遇到的主要问题。作者从数年的教学中总结了一些心得体会，希望对这门课的教学有所借鉴作用。
一、多媒体与三维模型的应用
固体物理学是一门研究固体的微观结构、组成固体的粒子（原子、离子、电子等）之间的相互作用与规律，并在此基础上阐明固体宏观性质的学科。因此，固体的微观结构是这门课程的基础。许多固体物理学的教材，例如黄昆等的《固体物理学》经典教材，开篇即讨论晶体的结构。但对晶体结构的理解，特别是对三维的晶体结构的理解，需要学生较好的空间想象能力。由于晶格的周期平移不变性，理想晶格可以通过原胞或单胞的周期平移、重复而得到。那么，如何选取合适的原胞或单胞？原胞的形状如何？原胞内有多少个原子？单胞内的各个原子是否等价？在教学过程中，许多学生对这些问题一时不能很好理解。
随着计算机的普及和利用，多媒体教室普遍存在，并被广泛使用。多媒体教学手段的利用，有助于学生对固体微观结构的理解。例如，可以通过视频或PowerPoint文件，可以直观地展示晶体的微观结构、原胞的选取、原胞的形状等。与传统板书相比，利用多媒体呈现并分析固体的微观结构以及晶体的结构特征，对教师而言，更加省时、省力；几何关系的表达也更为准确，便于学生的理解。此外，若能结合三维的原子实物模型，那么，固体的微观结构将能更为直观地展现在学生眼前。多媒体与三维模型的应用对于学生理解固体的微观结构、晶格的周期性、原胞、晶体的对称性等基础概念很有好处。
当然，多媒体教学也存在着一定的局限性。例如，在公式的推导、基础概念的讲解等方面，板书其实更受学生的欢迎。与多媒体教学相比，板书的节奏慢，师生间可以有较多的互动；学生相对容易跟上教师思考问题、解决问题的步伐，学生也能有较充分的时间来理解各个知识点、梳理要点以及做笔记等。因此，多媒体教学还需适当地与传统板书相结合才能达到较好的教学效果。
二、教学内容的取舍
由于固体物理学融合了普通物理、热力学与统计物理、量子力学、晶体学等多学科的知识，其知识面广、量大，在有限的学时里，不可能面面俱到地讨论固体物理学所涉及的所有知识点。因此，实际教学中可以结合本专业的特色，有选择地取舍部分教学内容。例如，侧重固体热学性质的专业可以考虑以晶格振动等内容为主；而侧重微电子的专业则可以考虑以能带理论、半导体中的电子等内容为主。当然，一些多个领域都涉及到的基础知识也应是这门课程不可缺少的一部分内容。
固体的微观结构和结合方式是固体物理学的基础，因此，晶体的结构和晶体的结合等知识点应是这门课程的基础知识之一。考虑到理想晶格由原子实和电子组成，晶格的运动主要在晶格振动等部分讨论；而电子的运动主要在能带理论等部分讨论，具体还可以分为金属中电子的运动和半导体中电子的运动等部分。尽管这原子实和电子的运动实际上相互联系，但很多时候，可以分别侧重讨论。此外，实际晶体也并非理想晶体；实际晶体除了有边界之外，也常含有缺陷。但在许多情况下，晶格的振动、电子的运动和缺陷的影响依然可以依据实际情况分别讨论，并得到与实际较为符合的理论结果。因此，晶格振动、能带理论和缺陷等知识点之间相对独立，或可根据各专业的实际情况取舍部分教学内容。
在许多固体物理学的教材中，例如黄昆等的《固体物理学》教材和阎守胜的《固体物理基础》教材，密度泛函理论并没有被提到。事实上，密度泛函理论是一个被广泛使用的基础理论，它是凝聚态物理前言研究的有效手段之一，也是材料设计的一种有效方法。教学过程中，教师可以结合各专业的实际情况介绍一些密度泛函理论的基础知识。同时，还可以介绍一些最新的相关研究进展，以拓展学生的知识面、提高学生的学习兴趣。
三、模块化的教学形式
如前所述，固体物理学中的许多知识点间相对独立；基于这门课程的特征，教师在教学过程中可以考虑模块化的教学形式，以子课题的形式将相应内容呈现给学生。可能的模块如：讨论晶体的结构和晶体的结合方式的基础模块――晶体的结构与结合；讨论晶体中原子实运动的模块――晶格振动；讨论晶体中电子运动的模块――能带理论；讨论实际晶体中可能存在的缺陷的模块――晶体的缺陷等；其中，能带理论部分还可分为：近自由电子模型、紧束缚模型、赝势方法等数个部分。这样做首先有利于教学内容的取舍；其次，有利于学生对各知识点的理解、有利于学生梳理清楚各个知识点之间的关系。
此外，固体物理学是凝聚态物理前沿研究的基础之一；其基础知识、理论推导、实验背景以及处理问题的方式方法等，都是开展凝聚态物理研究的基础。而模块化教学，以课题研究的形式提出问题、解决问题，将教学内容以问题为导向呈现给学生，这有助于培养学生的学习能力和解决实际问题的能力。而且，课题研究的教学模式，既是在教授学生知识，也是在开展科研，有助于提高学生对科研的认识、有助于培养学生的科研能力。这种课题研究的模块化教学形式还可以结合基于原始问题的教学来开展。
四、基于原始问题的教学
所谓原始问题，可简单理解为：现实生活中实际存在的、未被抽象加工或简化的问题。于克明教授、邢教授等人详细探讨了原始物理问题的诸多方面；此外，周武雷教授等人还讨论了原始物理问题含义的界定等相关问题，并呼吁将基于原始物理问题的教学实践引入大学物理的教学中。这应是个值得提倡的建议，毕竟现实生活中遇到的具体问题都是原始问题。与传统的习题不同，原始问题未被抽象、加工或简化。学生处理实际问题的第一步便是将问题适当简化，这也是学生需要学习的一种能力。
事实上，合理的模型简化是各种理论的基础，也是实际应用或科研必不可少的一种能力。例如，讨论晶格热容的爱因斯坦模型和德拜模型，尽管模型简单，但它们数十年来是我们讨论、分析相应问题的基础。今天，那些被写进教科书的基础理论，在当时、在理论刚被提出时，都是为了原始问题的解决。下面以晶体热容为例，稍加详述。
问题的背景：根据经典的热力学理论，晶体的定体摩尔热容是个与温度无关的常数。实验发现晶体的热容在高温下确实接近于常数，但是晶体的热容在低温下并不是个常数，其与温度的三次方成比例关系。
问题的提出：理论预言与实验观测为何不相符？如何解释实验现象？20世纪初刚刚发展起来的量子力学是否能解释这个实验现象？这些问题在爱因斯坦的年代应该都是前言的科研问题。
问题的简化：（1）不考虑边界、缺陷、杂质等的影响，将实际晶体抽象为理想晶体；（2）基于绝热近似，不考虑电子的具体空间分布，将原子当作一个整体，原子―原子间存在相互作用；（3）基于近邻近似，只考虑近邻原子间的相互作用；（4）基于简谐近似，将原子间的相互作用势在原子的平衡位置作泰勒级数展开，并保留到二阶项。
问题的解决：基于上面的模型简化，写出描述原子运动的牛顿第二定律，并求解方程组，这些方程组与相互独立的简谐振子的运动方程组相对应。结合量子力学，得到体系的能量本征值；写出晶格振动总能的表达式，继而给出由晶格振动贡献的晶格热容的表达式。由于晶格热容的表达式复杂，很难直接与实验结果对比，因此引入进一步的简化和近似――爱因斯坦模型或德拜模型。
这种提出问题、分析问题、解决问题的方式与做前言科学研究的方式相接近，既能提高学生对科研的认识、培养学生的科研能力，又能培养学生理论联系实际、解决实际问题的能力。
五、小结
针对固体物理学这门课程的一些特点，本文从教学手段、教学内容和教学形式等方面提出了一些教学改革的心得体会。教学手段上，可以利用多媒体和三维模型等教学手段，以便让学生更容易理解固体的微观结构。教学内容上，可以针对专业特色，有选择地取舍部分章节。而模块化的教学形式，可以将相对独立的知识点以子课题的形式呈现给学生，既能帮助学生梳理知识点，又能让学生对课题研究有所认识。最后，通过课题研究的教学形式、理论联系实际的讨论分析以及基于原始问题的教学，培养学生学习和应用的能力。
致谢：感谢上海高校外国留学生英语授课示范性课程《英文大学物理》建设项目的资助。
参考文献：
[1]黄昆，韩汝琦.固体物理学[M].北京：高等教育出版社，1988.
[2]阎守胜.固体物理基础[M].第二版.北京：北京大学出版社，2003.
[3]谢希德，陆栋.固体能带理论[M].上海：复旦大学出版社，2007.
[4]冯端，金国钧.凝聚态物理学[M].北京：高等教育出版社，2003.
[5]陈志远，熊钢，易伟松.多媒体技术应用于固体物理教学的探讨[J].咸宁师专学报2002，22（6）：53-55.
[6]梁先庆，何小荣.固体物理学课程教学研究与探讨[J].广西物理，2011，32（3）：47-49.
量子力学的含义范文第5篇
关键词:物理常数;光速;普朗克常数
基本物理常数是物理学中的一些普适常数，是人类在探索客观世界基本运动规律的过程中提出和确定的基本物理常量。这些常数与自然科学的各个分支有着密切的关系，在科学理论的提出和科学试验的 发展 中起着很重要的作用。基本物理常数包括牛顿引力常数g、真空中的光速c、普朗克常数h、基本电荷e、 电子 静止质量me、阿伏伽德罗常数na等。
物理学中许多新领域的开辟以及重大物理理论的创立，往往与相关基本物理常数的发现或准确测定密切相关。基本物理常数描绘和反映了物理世界的基本性质和特征，它们为不同领域的区分提供了定量的标准。基本物理常数的测定及其精度的不断提高，经历了漫长的 历史 时期，生动地反映了实验技术和测量方法的发展与更新，现在，许多基本物理常数的精度已达10-6量级，有的甚至达到10-8～10-10量级。本文限于篇幅，仅以光速c和普朗克常数h为例来说明。
光速是光波的传播速度，原与声波、水波等的传播速度类似，并不具有任何“特殊的”的地位。但细分析起来，光速也似乎确有一些特殊之处。其一是光速的数值非常大，远非其他各种波动速度所能比拟；其二是光波可以在真空中传播，而其他波动则离开了相应的弹性介质便不复存在，由此引来了关于以太（假想的弹性介质）的种种争论。
1865年麦克斯韦建立了电磁场方程组，证明了电磁波的存在，并推导出了电磁波的速度c等于电流的电磁单位与静电单位之比。1849年斐索用实验测出光在空气中的传播速度为c =3.14858×108米/秒。分属光学和电磁学的不相及的两个传播速度c电磁波与c光波之间出乎意料的惊人相符，使麦克斯韦立即意识到光波就是电磁波。于是，以c为桥梁把以前认为彼此无关的光学与电磁学统一了起来。同时，由于电磁波传播依赖的是电磁场的内在联系，无需任何弹性介质，使得“以太”的存在和不存在没有什么差别，不需要强加在它身上种种性质。至此，光速c的地位陡然升高。
麦克斯韦电磁场理论揭示了电磁场运动变化的规律，统一了光学与电磁学，开创了物理学的新时代。但同时它也提出了新的更深刻的问题：麦克斯韦方程组只适用于某个特殊的惯性系还是适用于一切惯性系。如果麦克斯韦方程组只适用于某个特殊的惯性系，则不仅违背相对性原理，且该惯性系就是牛顿的绝对空间，地球相对它运动将受到以太风的吹拂，然而试图探测其影响的michelson-mor1ey实验却得出了否定的结果。如果麦克斯韦方程组适用于一切惯性系，则根据伽利略变换得出的经典速度合成规律，在不同惯性系中的光速应不同，甚至会出现违背因果关系的超光速现象，也难以解释。总之，对于麦克斯韦电磁场理论，伽利略变换和相对性原理之间存在着不可调和的深刻矛盾。直至1905年einstein以相对性原理和光速不变原理为前提，并借助洛伦兹变换方程建立起狭义相对论之后，这一切矛盾和困惑才最终得以解决。
由此可见，真空中的光速c从光波的速度上升为一切电磁波的传播速度之后，又进一步成为一切实际物体和信号速度的上限，并且在任何惯性系中c的取值都相同。c作为基本物理常数，提供了不可逾越的速度界限，从根本上否定了一切超距作用，成为相对论和新时空观的鲜明标志，同时又成为是否需要考虑相对论效应的定量判断标准。
1900年普朗克为解释黑体辐射，提出谐振子能量不连续的大胆假设。1905年einstein为解释光电效应，把能量子假设推广到电磁波，提出“光量子”。1924年德布罗意通过粒子与波的对比，假设微观粒子也具有波动性，也就是波粒二象性，设其动量为p，则其德布洛依波长由下式绝定：pλ=h，这里h是一常量，叫普朗克常数，h几乎处处出现，它宣告物理学新的研究领域——量子物理学诞生了。
量子物 理学 的进展表明，普朗克常数h是量子物理学的重要常数，凡是涉及量子效应的一切物理量都与它有关，h不仅必然成为微观粒子运动特征的定量标准，而且成为划分量子物理与经典物理的定量界限（正如c是划分相对论与非相对论的定量界限一样）。如果物理体系具有作用量纲的物理量与h可相比拟，则该体系的行为必须在量子力学的框架内描述；反之，如果物理体系具有作用量纲的物理量远大于h，则经典物理学的 规律 就在足够的精确度对该体系有效。普朗克常数h的深刻含义和重要地位，使之得以跻身基本物理常数之列。
普朗克常数h的一个意外而有趣的含义在于，它是一个直接关系到宇宙存在形式的基本常数。宇宙中广泛存在着有形的物质与辐射，其间的能量交换（如物体发光或吸收光）遵从一条物理原理，即能量按自由度均分。如果不存在普朗克常数，即若h=0，则表明辐射与有形物质之间的能量交换可任意进行。由于辐射的自由度与频率的平方成正比，随着频率增高，辐射自由度在数量上是没有上限的。因此，辐射通过与有形物质的能量交换，将不断地从有形物质中吸取能量，最终导致有形物质的毁灭。于是，整个宇宙只剩下辐射，没有原子、分子，没有气体、液体、固体等，生命与人类当然无从谈及。幸而普朗克常数h不为零，辐射的能量是不连续的，存在着ε=hv的能量台阶，波长越短频率越高的辐射其能量台阶越高，在与有形物质的能量交换中越不起作用，相应的辐射自由度冻结，从而使有形物质与幅射的能量交换受到限制，两者才能达到平衡，我们这个宇宙才能以当今丰富多采的形式存在下去。
下面介绍一下近代精确测量c和h的方法。
测量真空中光速的精确方法是，直接测量激光的频率ν和真空波长λ，由两者乘积得出真空光c。1972年，通过测量甲烷谱线的频率与真空波长，得出真空中光速为c＝299792458±1.2米/秒。1983年第17届国际计量大会规定新的米定义为：“米是1/299792458秒的时间间隔内光在真空中行程的长度。”由于光速是定义，不确定度为零，从此不再需要任何测量，结束了300多年精密测量c的 历史 。
h首先由普朗克给出，普朗克利用黑体辐射位移定律中的wien常数b与k（boltzmann常数）、c、h的关系，由b、k、c算出h，用实验方法测定h则始于millikan，他利用光电效应的实验得出h，近代精确测定h的方法是利用josephson效应，这是超导体的一种量子效应。
1900年，thomson在 总结 以往几百年的物理学时指出：“在已经基本建成的 科学 大厦中，后辈物理学家似乎只要做一些零碎的修补工作就行了；但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令人不安的乌云。”这两朵乌云就是当时无法解释的黑体辐射和michel-son—morley实验，正是它们引起了物理学的深刻变革，导致量子力学和相对论的诞生，与此同时出现了两个基本物理常数h和c。
参考 文献
[1] [美]威切曼著，复旦大学物理系译，《量子物理学》，科学出版社，1978年
