相對論和量子力學的關(guān)系范文

導語：如何才能寫好一篇相對論和量子力學的關(guān)系，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

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本書共25章：1. 引言；2. 數(shù)學綜述；3. 量子力學的規(guī)則；4. 基本定律與和波動力學間的關(guān)聯(lián)；5.量子力學規(guī)律的進一步說明；6. 一維波動力學的后續(xù)發(fā)展；7. 角動量的理論；8. 三維波動力學：氫原子；9. 對束縛態(tài)問題的時間無關(guān)近似；10. 微擾理論的應用：氫原子的束縛態(tài)；11. 相同粒子；12. 原子的結(jié)構(gòu)；13. 分子；14. 物質(zhì)的穩(wěn)定性；15. 光子；16. 非相對論帶電粒子與輻射間的相互作用；17. 微擾理論中的其它課題；18. 散射；19. 特殊相對論和量子力學：KleinGordon方程；20. 狄拉克方程；21. 相對論自旋-1/2粒子與外部電磁場的相互作用；22. 狄拉克場；23. 相對論電子、正電子和光子之間的相互作用；24. 弱相互作用的量子力學；25. 量子測量問題。每章的結(jié)尾有練習題。書的末尾有3個附錄、引文的出處、參考書目和主題索引。

本書著者Eugene D. Commins是美國加州大學伯克利分校物理系的退休教授，是該校優(yōu)秀的研究生導師。他的主要研究領域是實驗原子物理學。他是美國國家科學院（NAS）院士，美國科學促進會（AAAS）成員，美國物理學會（APS）成員。他曾多次獲得教學獎，包括2005年美國物理學教師協(xié)會頒發(fā)的奧斯卡金獎，這是對有杰出貢獻的物理教師的最高獎。他發(fā)表過不少論著。不幸的是，本書出版后不久，作者去世了（1932-2015）。

本書的內(nèi)容在許多方面與其它的量子力學教科書不同。傳統(tǒng)的量子力學大多是在直角坐標或極坐標中討論或展開量子力學問題，而本書較多地在希爾伯特（Hilbert）矢量空間探索量子力學問題，還利用了與傳統(tǒng)量子力學的對應關(guān)系，數(shù)學工具不同，因此對量子力學各種關(guān)系的表征也不同。本書是物理系大學生和研究生的教科書和參考書。也是物理學家有價值的參考書。

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關(guān)鍵詞：空間；時間；質(zhì)量；能量；科學技術(shù)

物理學是一門既古老又年輕的自然科學，它對現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展起著重要的作用。物理學和其他自然科學一樣，是研究自然界中物質(zhì)運動的客觀規(guī)律的科學。細分起來物理學大致經(jīng)過了四個發(fā)展階段。

1 物理學的發(fā)展過程

1.1 宏觀低速階段

研究宏觀低速的理論是牛頓力學，研究對象為宏觀低速運動的物體。例如：汽車、火車的運動，地球衛(wèi)星的發(fā)射。在牛頓力學中，牛頓認為：質(zhì)量、時間、空間都是絕對的。也就是說，對于時間來講不存在延長和收縮的問題，即時間是在一秒鐘，一秒鐘地或一個小時，一個小時地均勻流失。對于空間和質(zhì)量來講也不存在著變大或變小的問題。牛頓力學的三大定律，就是在這樣的基礎上建立的。

1.2 宏觀高速階段

研究宏觀高速的理論是愛因斯坦的相對論力學，愛因斯坦在1905年發(fā)表了論文相對論力學。愛因斯坦認為空間、質(zhì)量、時間都是相對的。并且找出了動質(zhì)量和靜質(zhì)量之間的關(guān)系：其中m0為靜質(zhì)量；m為動質(zhì)量。

1.3 微觀低速階段

其理論是薛定諤，海森堡兩個創(chuàng)立的量子力學。研究對象為分子、原子、電子、粒子等肉眼所看不見的物質(zhì)。

1.4 微觀高速階段

理論是量子場論，研究對象為宇宙射線，放射性元素。例如“鐳”。量子場論就是粒子通過相互作用而被產(chǎn)生，湮滅或相互轉(zhuǎn)化的規(guī)律。例如：通過對天外射線射向地球宇宙射線的研究發(fā)現(xiàn)“反粒子”，即電子的反粒子正電子。負電子與正電子相互作用湮沒——轉(zhuǎn)化為二個γ光子，例如“閃電”。

2 物理學與工程技術(shù)的關(guān)系

物理學與工程技術(shù)有著密切的關(guān)系，他們之間是相互促進共同發(fā)展的。我們平時常說科學技術(shù)，實際上科學和技術(shù)是兩個不同的概念?？茖W解決理論問題，而技術(shù)解決實際問題?？茖W是發(fā)現(xiàn)自然界當中確實存在的事實，并且建立理論，把這些理論和現(xiàn)象聯(lián)系起來?？茖W主要是探索未知，而技術(shù)是把科學取得的成果和理論應用于實際當中，從而解決實際問題。所以技術(shù)是在理論相對比較成熟的領域里邊工作。科學與工程技術(shù)相互促進的模式主要有以下兩種。

2.1 技術(shù)——物理——技術(shù)

例如：蒸汽機的發(fā)明和蒸汽機在工業(yè)當中的應用形成了第一次工業(yè)革命——熱力學統(tǒng)計物理——蒸汽機效率的提高，內(nèi)燃機，燃氣輪機的發(fā)明。這一次主要是這樣：由于蒸汽機的發(fā)明，在當初工業(yè)應用上，出現(xiàn)了很多應用技術(shù)的問題。例如蒸汽機發(fā)明的初期熱效率很低，大概不到5%。這樣，就對物理提出了很尖銳的問題。那就是熱機的效率最高能達到多少？熱機的效率有沒有上限？上限是多少？再一個就是通過什么樣的方式來提高熱機的效率？由于這些問題就促進了物理學的發(fā)展，正是在這些問題解決的過程當中，逐漸形成和建立了熱力學統(tǒng)計物理。而熱力學統(tǒng)計物理很好地回答了提高熱機效率的途徑，以及提高熱機效率的限度等等這些理論上的問題。

2.2 物理——技術(shù)——物理

例如：

①電磁學——發(fā)電機，電力電器，無線電通信技術(shù)——電磁學；電磁學從庫侖定律的發(fā)現(xiàn)，以及法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應定律，直到1865年麥克斯韋建立電磁學基本理論，這些都是科學家在實驗室里邊逐漸形成的，這都是理論建立的過程，而這些理論應用于實際就發(fā)明了電動機、發(fā)電機等其它電器以及無線電通信技術(shù)，而這些實用技術(shù)的進一步發(fā)展又給電磁學提出來了許多需要解決的實際問題。正是這些問題的逐步解決，使得電磁學更加的完善和在理論上進一步得到了提高。

②量子力學，半導體物理——晶體管超級大規(guī)模集成電路技術(shù)，電子計算機技術(shù)，激光技術(shù)——量子力學，激光物理；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，這種理論應用于解決晶體的問題就形成了半導體技術(shù)，而半導體技術(shù)的進一步發(fā)展就發(fā)明了大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路，而超大規(guī)模集成電路的發(fā)明是產(chǎn)生電子計算機的主要物質(zhì)基礎，而正是由于電子計算機技術(shù)的發(fā)展又向量子力學提出了一些其他更加深刻需要解決的問題，而這些問題的解決就促進了量子力學的進一步發(fā)展和完善。

③狹義相對論，質(zhì)能關(guān)系E=mc2， E=mc2——原子彈及核能的利用——核物理，粒子物理，高能物理；狹義相對論是20世紀初期愛因斯坦建立的一種理論，他是為了解決電磁學等其他物理學科上的一些經(jīng)典物理當中理論上的一些不協(xié)調(diào)和不自恰這樣一種矛盾而提出的一種理論，這種理論當中有一個很重要的理論結(jié)果，那就是質(zhì)能關(guān)系E=mc2，E=mc2。而這種質(zhì)能關(guān)系被我們稱為打開核能寶庫的鑰匙，這一理論結(jié)果的應用直接導致了或者指導了核能的應用，而對于核能的進一步應用又提出了許多新的問題，而這些新問題的進一步解決使得理論更加完善而得到進一步提高，從而形成像核物理，粒子物理，以及高能物理等等，那么實際技術(shù)上問題的解決又進一步促進了物理學的發(fā)展。

3 結(jié)語

應該說物理和技術(shù)有著密切的聯(lián)系，物理原理及理論的初創(chuàng)式開發(fā)和應用都形成了當時的高新技術(shù)，物理學仍然是當代高新技術(shù)的主要源泉。所有新技術(shù)的產(chǎn)生都在物理學中經(jīng)歷了長期醞釀。例如：1909年盧瑟福的粒子散射實驗——40年后的核能利用；1917年愛因斯坦的受激發(fā)射理論——1960年第一臺激光器的誕生等，整個信息技術(shù)的產(chǎn)生、發(fā)展，其硬件部分都是以物理學為基礎的。

參考文獻：

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[3]關(guān)洪.空間：從相對論到 M理論的歷史[M].北京 ：清華大學出版社 ，2004.

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1、相對論是20世紀杰出的物理學家阿爾伯特·愛因斯坦提出的。相對論是關(guān)于時空和引力的理論，依其研究對象的不同可分為狹義相對論和廣義相對論。

2、相對論和量子力學的提出給物理學帶來了革命性的變化，它們共同奠定了現(xiàn)代物理學的基礎。相對論極大地改變了人類對宇宙和自然的“常識性”觀念，提出了“同時的相對性”、“四維時空”、“彎曲時空”等全新的概念。不過近年來，人們對于物理理論的分類有了一種新的認識——以其理論是否是決定論的來劃分經(jīng)典與非經(jīng)典的物理學，即“非經(jīng)典的=量子的”。在這個意義下，相對論仍然是一種經(jīng)典的理論。

3、狹義相對論在狹義相對性原理的基礎上統(tǒng)一了牛頓力學和麥克斯韋電動力學兩個體系，指出它們都服從狹義相對性原理，都是對洛倫茲變換協(xié)變的，牛頓力學只不過是物體在低速運動下很好的近似規(guī)律。廣義相對論又在廣義協(xié)變的基礎上，通過等效原理，建立了局域慣性長與普遍參照系數(shù)之間的關(guān)系，得到了所有物理規(guī)律的廣義協(xié)變形式，并建立了廣義協(xié)變的引力理論，而牛頓引力理論只是它的一級近似。

4、這就從根本上解決了以前物理學只限于慣性系的問題，從邏輯上得到了合理的安排。相對論嚴格地考察了時間、空間、物質(zhì)和運動這些物理學的基本概念，給出了科學而系統(tǒng)的時空觀和物質(zhì)觀，從而使物理學在邏輯上成為完美的科學體系。

（來源：文章屋網(wǎng) ）

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[關(guān)鍵詞]量子體系 對稱性 守恒定律

一、引言

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(guī)律均與某種對稱性有關(guān)，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(guī)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(gòu)型對稱性等）和工程技術(shù)。

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(cè)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(guān)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(zhì)和它們之間的關(guān)系一直是人們研究的重要內(nèi)容。在經(jīng)典力學中，從牛頓方程出發(fā)，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(jié)果．但從本質(zhì)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(guān)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(jīng)典物理范圍內(nèi)的對稱性和守恒定律相聯(lián)系的諾特定理后來經(jīng)過推廣，在量子力學范圍內(nèi)也成立．在量子力學和粒子物理學中，又引入了一些新的內(nèi)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(xiàn)在根據(jù)量子體系對稱性用群論的方法處理問題，更顯優(yōu)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(xù)變換、分立變換和對于內(nèi)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(zhuǎn)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(shù)上也得到廣泛的應用。因此，為了對守恒定律的物理實質(zhì)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(guān)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(guān)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(zhì)

一個力學系統(tǒng)的對稱性就是它的運動規(guī)律的不變性，在經(jīng)典力學里，運動規(guī)律由拉格朗日函數(shù)決定，因而時空對稱性表現(xiàn)為拉格朗日函數(shù)在時空變換下的不變性．在量子力學里，運動規(guī)律是薛定諤方程，它決定于系統(tǒng)的哈密頓算符，因此，量子力學系統(tǒng)的對稱性表現(xiàn)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(zhuǎn)動等）下，體系的任何狀態(tài)ψ變?yōu)棣转╯）。

三、對稱變換與守恒量的關(guān)系

經(jīng)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(xù)變換時，我們就很方便的找到了力學量守恒。

設是連續(xù)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(xiàn)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(jù)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(shù)ψ(r)變換到ψ(s)(r)

2.空間旋轉(zhuǎn)不變性（空間各向同性）與角動量守恒

空間旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(guān)（），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(shù)的作用就是使體系從態(tài)變?yōu)闀r間平移態(tài)：

同樣，將（27）式的右端在T的領域展開為泰勒級數(shù)

四、結(jié)語

從上面的討論我們可以看到，三個守恒定律都是由于體系的時空對稱性引起的，這說明物質(zhì)運動與時間空間的對稱性有著密切的聯(lián)系，并且這三個守恒定律的確立為后來認識普遍運動規(guī)律提供了線索和啟示，曾加了我們對對稱性和守恒定律的認識．對稱性和守恒定律之間的聯(lián)系，使我們認識到，任何一種對稱性，或者說一種拉格朗日或哈密頓的變換不變性，都對應著一種守恒定律和一種不可觀測量，這一結(jié)論在我們的物理研究中具有極其重要的意義，尤其是在粒子物理學和物理學中，重子數(shù)守恒、輕子數(shù)守恒和同位旋守恒等內(nèi)稟參量的守恒在我們的研究中起著重要的作用．下表中我們簡要給出一些對稱性和守恒律之間的關(guān)系。

參考文獻

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篇5

20世紀初期，阿爾伯特?愛因斯坦對牛頓宇宙學說的地位造成了影響深遠的撼動，他向人們展示了宇宙的兩個新特性：一是質(zhì)量可以造成空間的彎曲，二是空間和時間具有內(nèi)在相關(guān)性。他把這一新的概念稱為時空。盡管這一觀點令人震驚，但它的公式和牛頓的方程一樣，連貫并且流暢。

然而，近期一小群研究人員發(fā)現(xiàn)，時空本身具有內(nèi)在的隨機性，這使得牛頓第零定律在小尺度上也不再適用了。

讓我們來探究這一發(fā)現(xiàn)的意義。

首先，什么是時空？你或許還記得在平面幾何當中，如果取兩個點，通過第一個點畫x軸和y軸（也就是把該點當作原點），那么這兩個點之間的距離就是x2+y2的平方根，其中x和y是第二個點的坐標。在三維空間中，對應的距離用x2+y2+z2的平方根表示。這些距離是恒定的，它們的值不會因為坐標的畫法而改變。

那么，如果把時間作為第四維呢？

四維時空中的一個點被稱作一個“事件”：它在空間上的位置由x軸、y軸和z軸確定，在時間上的位置由t確定。那么，兩個“事件”之間的距離是多少？用類推的方法，很容易認為這一距離是x2+y2+z2+t2的平方根，但事實并不是這樣。如果采用不同的坐標系，這一距離就會變化，所以它事實上并不能真的被看作距離。愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，恒定距離是x2+y2+z2-ct2的平方根， 其中c代表光速。如果你采用不同的坐標系，x、y、z和t的值可能發(fā)生變化，x2+y2+z2-ct2的平方根卻不會。

愛因斯坦通過一個絕妙而且高度復雜的邏輯鏈推理得出，引力的實質(zhì)是時空自身的幾何學特性――它的曲率。而這一曲率是質(zhì)量造成的。愛因斯坦說，如果宇宙中沒有質(zhì)量，那么時空就是平坦的，也就是沒有曲率。

想要理解空間的曲率，可以想象一只在球體表面爬行的蟲子。這只蟲子要怎樣才能知道它不是在一個無盡的平面上呢？如果這只蟲子沿一個方向走，它最終會回到最初的地方。或者，如果這只蟲子以正確的角度畫一個坐標軸，它就會發(fā)現(xiàn)從起始點到任一點的距離并不是x2+y2的平方根。這只聰明的蟲子或許就會推導出，自己處在一個曲面上。

因此，曲率影響兩點之間的距離，而質(zhì)量決定曲率。

》 在真空中，粒子和反粒子不斷產(chǎn)生。

這就是愛因斯坦時空概念的要義。但是他的相對論僅僅是20世紀物理學的兩大革命性突破之一，另一項是量子力學。因此，提出這樣的問題就會顯得很自然：量子力學怎樣影響時空的幾何學特性？這是當今物理學試圖解決的最大的問題之一。隨機時空似乎是答案的一部分。

量子力學的核心是海森堡不確定性原理。該原理指出，每個物理系統(tǒng)都一定會具有一些殘余能量，即使是在絕對零度。這一殘余能量被稱為零點能，即使是時空中的真空也具有。在真空中，粒子和反粒子持續(xù)產(chǎn)生，然后互相碰撞使對方湮滅。粒子的突然產(chǎn)生和消失導致真空的零點能隨時間波動。因為能量和質(zhì)量是等效的（E=mc2），質(zhì)量會產(chǎn)生時空彎曲， 真空能量波動會產(chǎn)生時空彎曲的波動，而這會造成時空中兩點之間距離的變化。這就意味著，在小尺度上，時空是隨機而無序的。

如果我們在一個不那么小的范圍里看量子波動，這一區(qū)域內(nèi)的波動傾向于抵消。但是如果我們在一個無限小的范圍里考察這個現(xiàn)象，比如一個點，我們就會發(fā)現(xiàn)無限的能量。這不禁讓人

思考：在什么尺度上才能捕捉到我們感興趣的物理現(xiàn)象？它當然要足夠小，但也不能小到它的能量龐大到無法把握。什么才是這一距離最合適的測量單位呢？

》 普朗克探究了距離的自然單位是什么的問題，這一自然單位應該基于普適常數(shù)。

為了回答這一問題，我們采用普朗克的思考方式。普朗克是量子力學之父，他曾經(jīng)探求過距離的自然單位是什么的問題。所謂自然單位，就是不基于米的仲裁標準。他提出了一種使用普適常數(shù)的自然單位：真空中的光速（c）;表示重力場強度的重力常數(shù)（G）;普朗克常數(shù)（h），該常數(shù)表示粒子能量和頻率之間的關(guān)系。普朗克確定了我們現(xiàn)在知道的普朗克長度lp，數(shù)值為hG/c3的平方根。普朗克長度是一個非常短的距離，大概為10-35米，是一個質(zhì)子直徑的億兆分之一。這個距離太小了，目前無法被測量，或許永遠都無法被測量。

但是普朗克長度具有重要意義。弦理論對點已經(jīng)有了完整的研究，并且認為普朗克長度是已知可能的最小距離。更新的圈量子引力理論提出了相同的說法。極小體積內(nèi)能量被無限放大的問題得以避免，因為根據(jù)這一理論，這種極小體積根本不存在。

普朗克長度還有另外一個重要的應用。相對論指出，身處快速行進的參考系中的觀察者測量的距離會縮短，即所謂的洛倫茲收縮。但是普朗克長度是唯一可以通過c、G和h這樣的常數(shù)推算

出的距離， 所以在任何一個參考系中的測量值都是相同的，不會受到洛倫茲收縮的影響。但這意味著，在這一尺度上，相對論也不適用。我們需要新的理論來解釋這一現(xiàn)象，而隨機時空理論很可能提供了這樣一個解釋。普朗克長度無法因洛倫茲收縮而變短，表明它是長度的一個基本量子，或者說單位。因此，普朗克長度很可能是時空的最小尺寸，比普朗克長度更小的尺寸可以被認為是不存在的。

現(xiàn)在，我們終于可以描述隨機時空了。首先，它是顆粒狀的，尺寸大約相當于普朗克長度。

其次，這些顆粒之間的距離定義并不明確。量子力學指出，一個物體越大，它的量子學特性就越不明顯。因此，我們可以認為時空中某一區(qū)域內(nèi)的質(zhì)量增加，這一區(qū)域的隨機性就越小。（這一點和相對論相似。相對論指出，一個區(qū)域內(nèi)的質(zhì)量越多，它產(chǎn)生的曲率就越高。）隨機時空認為，如果宇宙中沒有質(zhì)量，時空就是平坦的，如同愛因斯坦相對論指出的那樣。但這是完全隨機的，無法被實際確定。如果沒有質(zhì)量，我們還要空間干什么？

第三，在隨機時空理論中，因為在這一尺度上的隨機特性，這些粒子可以隨意飄動，這一點和弦理論以及圈量子引力理論不同。如果把隨機時空中的粒子描述為一盒鵝卵石，隨機性就像輕微晃動這個盒子，讓石子們來回移動。我們希望這些活動的體積元素（鵝卵石）能夠解釋在普朗克長度上相對論不適用的問題。這是因為相對論是一種建立在牛頓第零定律之上的理論，它需要連貫流暢的數(shù)學函數(shù)，但在普朗克長度上，這種流暢的函數(shù)不再適用。

牛頓可能會感到吃驚。 他認為空間和時間是一個沒有特征的空虛，只是讓他的三大運動定律能夠適用的框架，而這也確實見于每天在我們身邊上演著的一切。隨機時空理論卻設定了一個不確定的時空，這個時空超出了連貫流暢的函數(shù)所能描述的范圍。

篇6

人類以新的視野觀察和認識世界

相對論是研究時間、空間、運動這三者關(guān)系的理論體系的總稱，它是這100多年來人類最偉大的兩個理論之一（另一個偉大理論是量子力學）。相對論的偉大是不足以用諾貝爾物理學獎來評價的。如果真有一個上帝的話，上帝過去總是說：“人類一思考，上帝就發(fā)笑?！毕鄬φ撜Q生之后，上帝改口了：“人類一思考，上帝就發(fā)慌?！?/p>

相對論是關(guān)于時空和引力的基本理論，依據(jù)研究的對象不同，分為狹義相對論和廣義相對論。相對論從邏輯思想上統(tǒng)一了經(jīng)典物理學，使經(jīng)典物理學成為一個完美的科學體系。狹義相對論在狹義相對性原理的基礎上統(tǒng)一了牛頓力學和麥克斯韋動力學兩個體系，指出它們都服從狹義相對性原理，都是對洛倫茲變換協(xié)變的，牛頓力學只不過是物體在低速運動下很好的近似規(guī)律。廣義相對論又在廣義協(xié)變的基礎上，通過等效原理，建立了局域慣性場與普遍參照系數(shù)的問題，從邏輯上得到了合理的安排。相對論嚴格考察了時間、空間、物質(zhì)和運動這些物理學的基本概念，給出了科學而系統(tǒng)的時空觀和物質(zhì)觀，從而使物理學在邏輯上成為完美的科學體系。

狹義相對論給出了物體在高速運動下的運動規(guī)律，并提示了質(zhì)量與能量相當，著名的質(zhì)能關(guān)系式，即E=MC2，可以用來計算核反應過程中所釋放的能量，并導致了原子彈的誕生。廣義相對論建立了完善的引力理論，而引力理論主要涉及的是天體。至今，相對論宇宙學進一步發(fā)展，而引力波物理、致密天體物理和黑洞物理這些屬于相對論天體物理學的分支學科都有一定的進展，吸引了許多科學家為之奮斗。

相對論極大地改變了人類對宇宙和自然的“常識性”觀念，提出了“同時的相對性”“四維時空”“彎曲時空”等全新的概念。它發(fā)展了牛頓力學，推動物理學發(fā)展到一個新的高度。一位法國物理學家曾經(jīng)這樣評價愛因斯坦：“在我們這一時代的物理學家中，愛因斯坦將位于最前列。他現(xiàn)在是、將來也還是人類宇宙中最光輝的巨星之一”，“按照我的看法，他也許比牛頓更偉大，因為他對于科學的貢獻，將更加深入地進入人類思想基本要領的結(jié)構(gòu)中?！?/p>

對稱性原理對物理學研究有著十分重要的指導意義，愛因斯坦最善于應用這一原理，整個相對論都是在此基礎上建立起來的。特別是在建立廣義相對論的過程中，愛因斯坦還對原理做了創(chuàng)造性發(fā)展。過去是實驗方程對稱性，但愛因斯坦認為“這個鏈很有趣，如果從洛倫茲對稱性以外的對稱性出發(fā)，推導出方程，再利用它進行實驗，不是更好嗎”？愛因斯坦成功地實現(xiàn)了這個關(guān)系的倒置。他所說的這種新的對稱性就是引力場方程在非歐幾里德空間的協(xié)變。

相對論的建立也把化學和生物學推向了新的高峰。19世紀末，化學領域取得了巨大的成就，但也遇到了巨大的困難。其主要原因是“原子不可分，元素不能變”的觀念根深蒂固。20世紀物理學的這場革命，從根本上改變了化學的基本概念，并使之獲得了很多新的研究方法。由物理學家開創(chuàng)的化學鍵理論，X射線衍射法的運用，推動了結(jié)構(gòu)化學的發(fā)展。20世紀后的化學，主要通過研究電子在分子和原子中的分布和運動，由此更深刻地揭示物質(zhì)的性質(zhì)和化學變化的規(guī)律。

分子生物學創(chuàng)立于20世紀50年代，物理學對其形成和發(fā)展產(chǎn)生了舉足輕重的作用。X射線衍射方法的運用使生物大分子晶體結(jié)構(gòu)分析成為可能。特別是薛定諤于1944年出版的《生命是什么》一書“從思想上喚起生物學革命”。該書在運用統(tǒng)計物理的概念分析生命現(xiàn)象后指出，生命物質(zhì)的運動必然服從已知的物理學定律。這啟發(fā)了人們用物理學的思想和方法探討生命物質(zhì)運動的規(guī)律。

科技和社會產(chǎn)生了諸多變革

100年前，愛因斯坦發(fā)表了具有劃時代意義的5篇物理學論文，奠定了相對論的基礎，并為量子理論的發(fā)展做出了重要貢獻。原子能、晶體管、計算機、激光、納米材料、宇宙飛船、生命科學等20世紀重大的發(fā)明，都是由愛因斯坦開創(chuàng)的近代物理學的結(jié)晶。

相對論和量子力學的建立使人類進入到信息時代。固體物理已有幾個世紀的歷史，直到20世紀初，由于X射線衍射的發(fā)現(xiàn)以及金屬的自由電子論和能帶理論的提出才使其成熟了。20世紀30年代后，量子力學使它成為一門研究固體多種物理性質(zhì)、微觀結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部運動規(guī)律的學科。近年來，固體物理的研究對象由晶體擴展到非晶體和物體的表面，故更名為凝聚態(tài)物理學。半導體材料、磁性材料、納米材料等是它研究的主要對象，這為計算機的誕生和發(fā)展奠定了科學和技術(shù)基礎。 電路板

信息革命始于20世紀40年代，以計算機問世為標志，目前方興未艾。從1904年發(fā)明二極管起，到1946年世界上第一臺電子管計算機研制成功為止，是信息技術(shù)史上的“電子管時期”。1947年隨著半導體晶體管的問世，信息技術(shù)史進入了“晶體管時期”。此后，集成電路的發(fā)明打破了電路與元件分離的傳統(tǒng)觀念，使電子設備微型化。經(jīng)過大規(guī)模集成電路階段后，超大規(guī)模集成電路又在迅猛發(fā)展。而計算機就是由這些物理元件組成的信息處理器。以激光器發(fā)明為標志的光電子技術(shù)，使信息技術(shù)上了一個新臺階。因為采用光子作為信息載體，其響應速度比電子快3個數(shù)量級，也不存在電磁串擾等。待到光子集成電路問世后，計算機的發(fā)展將更迅速，應用前景將更廣闊。前兩次工業(yè)革命延伸的是人的肢體功能，這次革命拓展的是人的大腦功能。因此，信息革命是更深刻的革命。海灣戰(zhàn)爭、科索沃戰(zhàn)爭和伊拉克戰(zhàn)爭就是最有力的證明。

20世紀初愛因斯坦相對論開啟的科技革命和20世紀六七十年代開始的高科技時代，對人類思想文化的影響更是震撼性的。以網(wǎng)絡信息技術(shù)為例，我們由此可窺一斑而知全豹。由于數(shù)字技術(shù)的應用，人類從觀念到生活方式都發(fā)生了天翻地覆的變化。可以說，計算機、信息網(wǎng)絡技術(shù)影響到了當今思想文化的每個角落。姑且不說數(shù)字技術(shù)改變了幾百年來鉛與火的印刷，上千年筆與紙的書寫，現(xiàn)在文化的交流、知識信息的傳播，甚至到了動一下指頭，點擊上網(wǎng)即可實現(xiàn)的地步。這與以前關(guān)山隔阻，需飛越千山萬水，克服重重困難才能達到目的的情況相比，簡直有天壤之別。

相對論與我們的生活息息相關(guān)

盡管大多數(shù)人至今還不知道相對論究竟是怎么回事，但事實上，它早就深刻地影響到整個人類社會，直接或間接地影響了我們每一個人的生活。1919年，愛因斯坦在與兒子埃德瓦的談話中說：“當一只甲蟲在一根彎曲的樹枝上爬行的時候，它并沒有覺察到這根樹枝是彎曲的，我有幸覺察到了甲蟲沒有覺察到的東西?！睈垡蛩固沟倪@一覺察，在其后近100年中改變了整個世界，并且，這種改變現(xiàn)在還在繼續(xù)。

GPS導航系統(tǒng)現(xiàn)在已經(jīng)是一個滿大街都可以看到的常用小電器了，可能每個司機都有一個車載的導航系統(tǒng)，或者手機里裝有一個導航軟件。如果沒有相對論，那么導航系統(tǒng)就會出大問題。愛因斯坦指出：“傳統(tǒng)的時間概念只能在簡單的條件下才能確定，當多種因素暫時聯(lián)系起來的時候，傳統(tǒng)的計時方法就會失去作用?！币驗楦鶕?jù)相對論，衛(wèi)星上的時鐘會比地面上的時鐘走得快，每天大約快38微秒（0.000038秒），如果不校正的話，GPS導航系統(tǒng)每天積累的誤差將超過10千米（這個誤差是垂直方向上的，不是水平方向上的），如果美軍用這個來導航導彈的話，那麻煩就大了。因此，在GPS衛(wèi)星發(fā)射前，要先把其時鐘的走動頻率調(diào)慢100億分之4.465，把10.23兆赫調(diào)為10.22999999543兆赫，這些數(shù)字全靠有了相對論才能那么精確地計算出來。

篇7

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

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

一、歷史的回顧

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

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

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

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

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

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

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

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

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

3）深入探索各層次間的聯(lián)系。

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

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

愛因斯坦當初探索“統(tǒng)一場論”是基于他的“物理世界統(tǒng)一性”的思想[4]，但是他努力探索了三十年，最終沒有成功。我對此有不同的觀點，根據(jù)辯證唯物主義的基本原理，我認為“物質(zhì)世界是既統(tǒng)一，又多樣化的”。且莫論追求“超統(tǒng)一理論”能否成功，即便此理論完成了，它也不是物理學發(fā)展的終點。因為“在絕對的總的宇宙發(fā)展過程中，各個具體過程的發(fā)展都是相對的，因而在絕對真理的長河中，人們對于在各個一定發(fā)展階段上的具體過程的認識只具有相對的真理性。無數(shù)相對的真理之總和，就是絕對的真理?！薄叭藗冊趯嵺`中對于真理的認識也就永遠沒有完結(jié)?！盵5]

現(xiàn)代物理學的革命將怎樣發(fā)生呢？我認為可能有兩個方面值得考試：

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

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

三、現(xiàn)代物理學的理論基礎是完美的嗎？

相對論和量子力學是現(xiàn)代物理學的兩大支柱，這兩大支柱的理論基礎是否十全十美的

呢？我們來審思一下這個問題。

1）對相對論的審思

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

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

愛因斯坦把他定義的時間應用于所有的物質(zhì)運動，實際上就暗含了這樣的假設：引力相互作用的傳遞速度也是光速c.但是引力相互作用是否也是以光速傳遞的呢？令引力相互作用的傳遞速度為c＇。至今為止，并無實驗事實證明c＇等于c。愛因斯坦因他的“物質(zhì)世界統(tǒng)一性”的世界觀而在實際上假定了c=c＇。我持有“物質(zhì)世界既統(tǒng)一，又多樣化的”以觀點，再加之電磁力和引力的強度在數(shù)量級上相差太多，因此我相相信c＇可能不等于c。工樣，關(guān)于由電磁力引起的物質(zhì)運動的四維時空（x，y，z，ict）和關(guān)于由引力引起的運動的時空（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）是不同的。如果研究的問題只涉及一種相互作用，則按照現(xiàn)在的理論建立起來的運動方程的形式不變。例如，愛因斯坦引力場方程的形式不變，只需把常數(shù)c改為c＇。如果研究的問題涉及兩種相互作用，則需要建立新的理論。不過，首要的事情是由實驗事實來判斷c＇和c是否相等；如果不相等，需要導出c＇的數(shù)值。

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

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

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

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

1）對量子力學的審思

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

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

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

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

篇8

關(guān)鍵詞：自然哲學　量子革命　系統(tǒng)辯證法

關(guān)于20世紀科學革命，有人說只須記住三件事：相對論、量子革命和混沌學（系統(tǒng)科學中最突出的新分支）。正是這三大科學革命為人類建構(gòu)全新的自然圖景（也就是新穎的自然哲學）作出了決定性的貢獻。這里所謂自然哲學是指人對自然的哲學反思。自然哲學的中心問題就是基于人與自然的關(guān)系來研究自然本體最一般的性質(zhì)和人類的世界圖景。

一

自然哲學在哲學史上有過兩個全盛時期（古希臘及近代機械論），只是在謝林、黑格爾之后衰落了。由于20世紀三大科學革命的強大影響，自然哲學正在當代復興起來，這是十分令人鼓舞的。我們先從三大科學革命說起。

首先要提到的是相對論革命對改造人類世界圖景的貢獻。在1905年的狹義相對論中，時空性質(zhì)依賴于參照系等概念是對“觀察無關(guān)性”的經(jīng)典信念的初次沖擊；1915年的廣義相對論把引力場（它具有整體全息相關(guān)性）確立為新的“獨立的實在”，這是對牛頓的實體觀的又一次打擊。接著要論述的是量子革命，它比相對論革命更為深刻地改變著人類的世界圖景。因為1925年以后所創(chuàng)建的量子力學進一步使笛卡兒與牛頓以來的主客絕對二分原則、實體主義原則乃至嚴格決定論原則都受到猛烈沖擊。最后要強調(diào)的是系統(tǒng)科學革命。20世紀中葉以來近半個世紀系統(tǒng)科學的蓬勃發(fā)展表明，從總體上說，系統(tǒng)自然觀集中體現(xiàn)了當代自然圖景的精華，因此系統(tǒng)自然觀幾乎成了當代自然科學的世界圖景的代名詞，貝塔朗菲稱之為“一種新的自然哲學”。20年代所出現(xiàn)的懷特海的“機體論哲學”則是這種自然哲學之先聲。

當代的系統(tǒng)自然觀借助于維納的控制論(1949)、貝塔朗菲的一般系統(tǒng)論(1948)、普利高津的耗散結(jié)構(gòu)論(1969)和哈肯的協(xié)同學(1971)等理論復活了亞里士多德的機體論和內(nèi)在目的論的自然哲學?！?〕控制論通過對“動物（即生命系統(tǒng)）和機器（即非生命系統(tǒng)）的通用規(guī)律”的研究表明，自動機器通過反饋調(diào)節(jié)機制可以表現(xiàn)出與神經(jīng)控制同樣的合目的性或規(guī)律。[1]維納在《控制論》中對牛頓的嚴格決定論進行了深刻有力的批判，肯定了統(tǒng)計力學家吉布斯把偶然性引進到科學中來的重大的方法論意義，并突破了目的論與機械論之間的兩極對立。莫諾在《偶然性與必然性——略論現(xiàn)代生物學的自然哲學》(1971)一書中，則用生物微觀控制論表明，借助于生物化學和分子生物學層次的反饋機制以及微觀-宏觀相互作用，完全偶然的基因突變最終可以納入物種進化的必然軌道；耗散結(jié)構(gòu)論表明，在遠離平衡態(tài)條件下開放系統(tǒng)可以通過非線性正反饋機制的作用表現(xiàn)出有序化和合目的性；協(xié)同學還進一步發(fā)現(xiàn)序參量是整個自組織過程的主宰如此等等。總之，所有這些自動機器和自組織理論都表明，無須超自然的神力和神秘的“生命力”，自然系統(tǒng)也象自動機一樣可以憑借內(nèi)在機制的作用呈現(xiàn)合目的性。從這個特定意義上說，認為宇宙＝巨大的超級自動機的“機械論”是對的，而非神學性的宇宙“內(nèi)在目的論”也是對的。從歷史上看，牛頓的機械論自然哲學是對亞里士多德的目的論自然哲學的否定。現(xiàn)在，我們的立足于系統(tǒng)科學的新自然哲學則應看作一種“否定之否定”。它是對機械論與目的論自然哲學的更高的辯證綜合。

當代自然哲學（它以系統(tǒng)自然觀及其系統(tǒng)辯證法為核心或靈魂）最有革命性的一個方面，也許表現(xiàn)在反嚴格決定論和對偶然性客觀意義的新認識。直到現(xiàn)在為止，一般人都相信“近似決定論”：只要近似知道一個系統(tǒng)的運行規(guī)律和初始條件就可以足夠好地計算出系統(tǒng)的近似行為?？墒腔煦鐚W中著名的“蝴蝶效應”，即系統(tǒng)演化進程對初始條件的敏感依賴性，卻斷然否決了牛頓-拉普拉斯決定論的任何翻版（如“近似決定論”）的有效性。美國氣象學家洛侖茲在1961年發(fā)現(xiàn)，實際上長期天氣預報是不可能的。因為即使對于嚴格確定的氣象方程組，初始條件的小誤差，也會導致災難性的后果。諸如珞珈山的蝴蝶拍拍翅膀那樣的初始小擾動，經(jīng)由地球大氣系統(tǒng)中的逐級放大，最終可能在南美洲引起大風暴。這種由決定論引出來的混沌，對經(jīng)典觀念的打擊是毀滅性的?；煦绺锩訌姴⑸罨肆孔痈锩?。

通過量子力學、分子生物學、協(xié)同學乃至混沌學的研究，現(xiàn)代科學家越來越認識到，偶然性在自然界具有不容忽視的本體論地位，以及研究偶然性的內(nèi)在機制的重要性。為恩格斯贊同過的黑格爾關(guān)于“必然性自己規(guī)定自己為偶然性，……偶然性又寧可說是絕對的必然性”（〔2〕，第562—563頁）的辯證論斷，得到最新自然科學的支持。正如馬克斯·玻恩在《關(guān)于因果與機遇的自然哲學》(1951)中所注意到的，量子世界是由因果與機遇聯(lián)合統(tǒng)治的，其中機遇是有規(guī)則的。同樣，在哈肯的協(xié)同學演化方程（如福克-普朗克方程和郎之萬方程）中，決定論力項與隨機力項是共同起作用的。在混沌理論中，混沌本是由決定論規(guī)律引出的內(nèi)在的無序和不規(guī)則性，然而對混沌吸引子的相空間圖解研究卻表明，即使混沌也有精細結(jié)構(gòu)，其中機遇也是有規(guī)則的，偶然性與必然性相互作用的深層非線性機制是可以認識的。從量子力學到系統(tǒng)科學的研究表明，概率統(tǒng)計定律是比嚴格決定論定律更好的認識工具，但原有的“大數(shù)定律”與“統(tǒng)計平均值”等概念對于描述偶然性已經(jīng)顯得太粗糙了，非線性數(shù)學該出陣參戰(zhàn)了。因為唯有借助于非線性數(shù)學才可能認清偶然性起作用的深層結(jié)構(gòu)機制。

當代自然哲學中的系統(tǒng)整體論思想也是相當有革命性的。自從歐幾里得、阿基米德以來，“整體＝部分和”的公理已經(jīng)成為背景知識不可缺少的一部分。這一觀念也是牛頓的機械論自然哲學的一個基本要素（它與實體主義、還原主義相協(xié)調(diào)）。然而，一般系統(tǒng)論中的貝塔朗菲原理“整體不等于各部分簡單相加的總和”，卻斷然取消了歐幾里得的公理，以整體論取代了機械論的還原主義。量子力學中的全域相關(guān)性和粒子物理學中的新奇現(xiàn)象（“基本”粒子分割到一定限度，將出現(xiàn)“部分大于整體”的佯謬）以及生態(tài)系統(tǒng)的整體關(guān)聯(lián)性（卡普拉《轉(zhuǎn)折點》，1989）都支持貝塔朗菲的系統(tǒng)整體觀。

總之，以現(xiàn)代物理學與系統(tǒng)科學為代表的當代科學革命已經(jīng)引起了人類自然圖景的根本變革，人們有理由期待一種浸透著量子力學辯證法和系統(tǒng)科學辯證法精神的全新的自然哲學的出現(xiàn)。

二

現(xiàn)在我們轉(zhuǎn)入當代自然哲學的主要疑難及其可能解法的討論。

鑒于機械論自然哲學所遇到的困難，當代自然哲學所要討論的主要問題可以歸結(jié)如下：1.自然本體的性質(zhì)問題。物理實在究竟是孤立的實體還是依賴于系統(tǒng)場境的存在？“潛在”是否也是物理實在的基本形態(tài)之一？究竟是否存在終極實在？2.物理實在所遵循的規(guī)律究竟是決定論還是非決定論的？自然系統(tǒng)究竟是必然性還是偶然性所支配的？偶然性應當具有怎么樣的本體論地位（是否應當有）？3.所謂“觀察者侵入物理事件”的實質(zhì)是什么？主客二分的合理界限是什么？4.系統(tǒng)整體論與還原主義孰是孰非？5.目的論的新解釋問題。自然系統(tǒng)本身能有目的性嗎？能代替上帝作為選擇主體的地位嗎？目的論是否真與機械論勢不兩立？它又如何與神學劃清界線？下面我們將依次詳細分析這些問題：

1.自然本體或物理實在的性質(zhì)問題。

牛頓機械論自然哲學的本體論或?qū)嵲谟^的要害就在于實體主義。一切物理實在被認為都有實體性、實存性，自然被等同于實體的集合（簡單相加的總和），一種在絕對空間構(gòu)架中的機械性的存在物。然而，在新的原子科學中，從前認為不容置疑的“實體實存”原則已經(jīng)失效。明確的電子“軌道”或光子“路徑”等經(jīng)典性觀念在量子力學中是不允許的。電子實際上以“電子云”方式存在著，它并沒有絕對分明的輪廓，而且只是或然地顯現(xiàn)出來。如“測不準關(guān)系”所要求的，電子的位置與相應的動量具有天生的不確定性，決不可能同時有確定的值，因而人們決不可能同時測量到其確定的值。所有這些事實，如果從牛頓的經(jīng)典本體論的眼光來看簡直是不可理解的，因為“潛在性”觀念完全沒有地位。

實際上，現(xiàn)代物理學家海森伯在批判牛頓機械論實在觀的基礎上，確實發(fā)展了一種全新的、更廣義的“潛在”實在觀。他根據(jù)量子力學事實總結(jié)出，潛在是介于可能與現(xiàn)實之間的物理實在的新型式，它被認為特別適用于微觀客體。海森伯尖銳地指出：“在量子論中顯示的實在概念的變化，并不是過去的簡單的繼續(xù)，而卻象是現(xiàn)代科學結(jié)構(gòu)的真正破裂?！保ā?〕，第2頁）“幾率波的概念是牛頓以來理論物理學中全新的東西。……它是亞里士多德哲學中‘潛在’(potentia)這個老概念的定量表述。它引入了某種介乎實際的事件和事件的觀念之間的東西，這是正好介乎可能性和實在性之間的一種新奇的物理實在。”（〔3〕，第11頁）“事件并不一定是確定的，而是可能發(fā)生或傾向于發(fā)生的事情便構(gòu)成了宇宙中的實在”。（〔4〕，第177頁）

總之，海森伯認為量子理論意味著實在觀念的革命，牛頓機械論的實在觀念已經(jīng)失效。他舉例說，幾率波、量子態(tài)、電子軌道等都與統(tǒng)計期望值相關(guān)聯(lián)，表示傾向性的、潛在的物理實在，這是物理實在的新形式。

現(xiàn)代粒子物理學的新假說把潛在性觀念發(fā)展到海森伯本人始料所不及的程度。喬弗利·丘(Geoffrey Chew)著名的粒子靴絆學說[2]，斷然否定了終極實體的可能性，揭示了自然本體的自助的、生成的本性。按照我的看法，它使系統(tǒng)實在論與系統(tǒng)辯證法完全本體論化了！由于任何粒子都可以充當基礎粒子，用以構(gòu)成其他粒子，因此說穿了沒有任何一種粒子是真正的“基本粒子”，這就是所謂“基本粒子并不基本”。從根本上說，自然界不可能還原到任何一種或幾種終極的實體。說一個質(zhì)子可以由中子和π介子所構(gòu)成，或者說它是由Λ超子和K介子所構(gòu)成，或者說它是由兩個核子和一個反核子所構(gòu)成，甚至說是由場的連續(xù)質(zhì)所構(gòu)成。所有這一切可能性是同樣真實地存在的。應當說，所有這些陳述都同樣地正確又同樣地不完善。因為真實世界等于所有這些潛在的“可能世界”互相疊加的總和。借用日本物理學家武谷三男的話來說：“作為終極要素的實體——基本粒子本身也是相互流動地相互轉(zhuǎn)化的。這件革了以前的物質(zhì)觀，顯示了辯證邏輯的正確性?！保ā?〕，第28頁）

我們的進一步的問題是：作為自然本體的物理實在究竟是否可以歸結(jié)為互相孤立的實體？還是從本質(zhì)上說只能是依賴系統(tǒng)場境的整體全息相關(guān)的存在？在對著名的EPR假想[3]的實驗檢驗中所表現(xiàn)出來的量子關(guān)聯(lián)（即遠距粒子之間的整體相關(guān)性）很好地回答了這一問題。正如美國科學哲學家西莫尼(A.Shimony)所指出：“我們生活在一個實驗結(jié)果正在開始闡明哲學問題的非凡時代”。而今最新實驗結(jié)果表明，兩個相隔幾米且又沒有彼此傳遞信息機制的實體可能被相互糾結(jié)在一起，即它們的行為可以有極顯著的相關(guān)性，以致對其中一個實體進行測量將瞬時地影響到另一個實體的測量結(jié)果。這個新奇的實驗結(jié)果斷然否定了愛因斯坦等人(EPR)的預設（即“空間上遠隔的客體的實在狀態(tài)必定是彼此獨立的”），卻符合量子力學的系統(tǒng)整體觀。正如玻爾所注意到的，量子現(xiàn)象是作為整體而存在的，其中所反映出來的內(nèi)在關(guān)聯(lián)是不可消解的。量子現(xiàn)象的整體性不允許人們對它作機械的切割并把這種切割物認作它自身。因此我們有理由說，量子力學的整體實在觀是與系統(tǒng)整體觀相通的，量子辯證法與系統(tǒng)辯證法相互滲透，量子革命與系統(tǒng)科學革命相互支持。因此，作為科學革命的結(jié)晶，新自然哲學主張，物理實在的部分性質(zhì)取決于整體，取決于系統(tǒng)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，從根本上說，自然本體是整體全息相關(guān)的存在。

2.決定論與非決定論疑難，偶然性的本體論地位問題。

從前認為不容置疑的機械論自然哲學的“嚴格決定論”預設，如今在新的原子科學中也已經(jīng)失效。人們向來認為，自然科學和“自然科學唯物主義”有一個不可動搖的支柱：這就是嚴格決定論。對自然科學的這種見解，最典型地表現(xiàn)在拉普拉斯杜撰的那個精靈故事中，據(jù)說這個精靈（超智慧者）知道世界現(xiàn)況的一切決定因素，因而能夠無歧義地得出世界在過去或未來的其他一切狀態(tài)。這個被后人稱作“拉普拉斯妖”的理想實驗正是嚴格決定論的化身。可是，現(xiàn)在在微觀領域里發(fā)現(xiàn)了與這種嚴格決定論原則相違背的種種反常事實。簡略地說，熱學與分子物理學的研究表明，氣體分子運動是包含不確定性的自然進程，由于初始條件捉摸不定，單個分子的運動狀態(tài)成為純粹的偶然事件。分子運動論乃至統(tǒng)計力學的建立表明，概率統(tǒng)計定律也是自然描述不可缺少的一種基本形式。

強調(diào)概率統(tǒng)計定律重要性的科學思想反映到自然哲學中去，就成為“統(tǒng)計決定論”。其要旨可概括如下：對于一些包含不確定性的自然過程，雖然嚴格決定論不能直接應用，但若應用統(tǒng)計方法研究大量單個偶然事件的平均行為，卻可以找出明顯的統(tǒng)計規(guī)律性。換句話說，這些自然過程在統(tǒng)計平均意義上仍是決定論性的。這是決定論的弱化形式之一。

統(tǒng)計決定論的科學基礎在于經(jīng)典統(tǒng)計力學。統(tǒng)計力學的基本出發(fā)點則在于，認為盡管大量分子的集團行為滿足統(tǒng)計規(guī)律，但從底層基礎而言，單個分子（單個過程）仍遵守牛頓定律，滿足嚴格決定論。這樣，統(tǒng)計決定論并不把不確定性歸因于基礎規(guī)律的不同，而是把它歸因于初始條件的難以捉摸（即人類知識的不完備性）。因此，統(tǒng)計決定論只是嚴格決定論的補充形式。

然而，將概率統(tǒng)計觀點真正貫徹到底，最終導致量子物理學的興起，而測不準關(guān)系的發(fā)現(xiàn)則使嚴格決定論淪為無意義的空想。

在現(xiàn)代科學家中第一個對“非完全決定論”（即under-determinism，這個詞的不恰當?shù)奶娲~是indeterminism，即非決定論）有十分清醒認識的是哥廷根學派的馬克斯·玻恩。他在名著《關(guān)于因果和機遇的自然哲學》中對非完全決定論作了比其他量子物理學家（如玻爾、海森伯等）更為系統(tǒng)和透徹的分析。通過對玻恩文本的適當解釋、調(diào)整與轉(zhuǎn)譯，我們可以提煉出對當代自然哲學極有價值的內(nèi)容和決定論／非決定論問題的辯證解?！?〕

非完全決定論的最主要或最有特色的一種表現(xiàn)形式，是與量子力學相應的概率決定論。其要點如下：(1)單個（量子）過程內(nèi)在地是幾率性的、非決定性質(zhì)的；(2)“自然界同時受到因果律和機遇律的某種混合方式的支配。”（〔8〕，第9頁）(3)機遇律是自然律的終極形式，偶然性有規(guī)則，“它們是用數(shù)學上的概率論表述出來的?！保ā?〕，第7頁）

關(guān)于自然界究竟是由必然性還是偶然性所支配的，是決定論性還是非決定論性的那個爭論，波普有一個著名的比喻：“云和鐘”?！霸啤本褪翘焐系脑?，代表極端不確定性，它非常不規(guī)則、毫無秩序又有點難以預測；“鐘”就是家家都有的時鐘，代表高度的確定性，它非常有規(guī)則、有秩序又是高度可預測的。這是兩個不同的極端，一端變化莫測，另一端高度精確。一般的自然事物往往處在這兩個極端之間。波普用“所有的云都是鐘”（當然也可以說“所有自然事物都是鐘”）表示決定論，用“所有的鐘都是云”（當然也可以說“所有自然事物都是云”）表示非決定論。波普終于認識到，人類理性需要的是“處于完全的偶然性和完全的決定論之間的某種中間物，即處于完全的云和完善的鐘之間的某種中間物?！保ā?〕，第239—240頁）這種完全的偶然論（非決定論）和完全的決定論的中間物，我們可以恰當?shù)胤Q作“非完全決定論”，它意味著對偶然性與必然性、因果與機遇的某種辯證綜合，這就是當代自然哲學對這一爭論所作的正確解。以上我們是借用M.玻恩與波普的話，經(jīng)校正、轉(zhuǎn)譯納入自己的概念框架，并用以闡發(fā)自己的“非完全決定論”觀點。〔7〕

現(xiàn)代生物學和生物微觀控制論也為非完全決定論提供新的佐證。莫諾在其名著《偶然性與必然性（略論現(xiàn)代生物學的自然哲學）》中，從分子生物學的材料出發(fā)，有力地抨擊了嚴格決定論，并為恢復偶然性在自然哲學中的本體論地位付出極大的努力。莫諾是這樣說的：

當偶然事件——因為它總是獨一無二的，所以本質(zhì)上是無法預測的——一旦摻入了DNA的結(jié)構(gòu)之中，就會被機械而忠實地進行復制和轉(zhuǎn)錄，……從純粹偶然性的范圍中被延伸出來以后，偶然性事件也就進入了必然性的范圍，進入了相互排斥、不可調(diào)和的確定性的范圍了。因為自然選擇就是在宏觀水平上、在生物體的水平上起作用的。自然選擇能夠獨自從一個噪聲源泉中譜寫出生物界的全部樂曲。（著重號為引者所加）（〔9〕，第88頁）

莫諾這段話應當看作關(guān)于生物自然界的非完全決定論，關(guān)于極小幾率的偶然事件向極嚴格規(guī)律轉(zhuǎn)化過程的生動說明。特別是最后那句話是說明生物界的偶然性與必然性的相互聯(lián)系、相互作用方式的絕妙比喻。當然，由于莫諾有時十分不恰當?shù)貙栏駴Q定論與辯證唯物論混為一談，應當注意他的言論本身具有兩重性。（〔10〕，第324頁）

非完全決定論的內(nèi)容還由于系統(tǒng)科學的興起而得到了進一步豐富和加強。有人因之稱作系統(tǒng)決定論。其要旨可概括如下：

一般的自然界的復雜系統(tǒng)（在自然哲學中姑且撇開社會系統(tǒng)），不能由它的構(gòu)成要素和子系統(tǒng)通過簡單相加和線性因果鏈無歧義地決定其整體功能和行為。但系統(tǒng)的存在與演化仍有相當確定的規(guī)律可循，機遇與因果共同決定著系統(tǒng)的存在和發(fā)展，因而系統(tǒng)在整體上仍有決定性。

具體地說，系統(tǒng)演化的主要機理就在于機遇性漲落、反饋和非線性作用。人們常喜歡將借助于系統(tǒng)科學特有的資料所認識的辯證法，稱作“系統(tǒng)辯證法”。系統(tǒng)科學從自己的角度闡明了因果與機遇、決定性與隨機性的辯證法：自組織系統(tǒng)作為遠離平衡態(tài)的開放系統(tǒng)，以偶然的隨機的漲落為誘導，通過正反饋和非線性放大，某一漲落在矛盾競爭之中取得支配地位，成為序參量，于是使系統(tǒng)的演化納入必然的軌道，建立時空、功能上的新的有序狀態(tài)。系統(tǒng)辯證法與矛盾辯證法在自組織動力學機制的解釋上是高度一致的：當自組織系統(tǒng)處于不穩(wěn)定點時，系統(tǒng)內(nèi)部矛盾全面展開并有所激化，與各種子系統(tǒng)及其要素的局部耦合關(guān)系和運動特性相聯(lián)系的模式和參量都異?；钴S，各種參量的漲落此起彼伏，它們都蘊含著一定的結(jié)構(gòu)與組織的胚芽，為了建立自己的獨立模式并爭奪對全局的支配權(quán)，它們之間進行激烈的競爭與對抗，時而“又聯(lián)合又斗爭”，最后才選拔出作為主導模式的序參量。非完全決定論在協(xié)同學的描述系統(tǒng)演化的數(shù)學方程中也得到反映。如郎之萬方程（描述布朗運動的）和?？?普朗克方程中，概率論描述與因果性描述共處于一體，隨機作用項與決定論作用項被綜合在一起，偶然性與必然性因子被綜合在一起。從自然哲學看，它們體現(xiàn)了機遇律與因果律的辯證綜合。

3.物理事件與觀察的關(guān)系、主體-客體相互作用問題。

從前認為不容置疑的“客觀事件與任何觀測無關(guān)”的自然哲學信條，如今在新的原子科學中同樣也正在失效。正如海森伯所指出，經(jīng)典物理學的真正核心，也就是物理事件在時間、空間上的客觀進程與任何觀測無關(guān)的信念，由于許多量子實驗的發(fā)現(xiàn)而受到?jīng)_擊。而現(xiàn)代物理學的真正力量就存在于自然界為我們提供的那些新的思想方法之中。因此，再指望用新實驗去發(fā)現(xiàn)與觀測無關(guān)的“純客觀事件”或不依賴于觀察者和相關(guān)參照系的“絕對時間”，就無異于指望極地探險家在南極圈尚未勘查過的地方會發(fā)現(xiàn)“世界盡頭”，那只能是不切實際的幻想。（〔4〕，第4頁和第9頁）對原子、電子那樣的客體的任何一次射線照射或觀測都足以破壞其初始狀態(tài)，而且由于或然性和不可逆性，這種狀態(tài)不可恢復。

玻爾為量子力學所作的“互補性詮釋”中一個最基本的思想是：觀察者（主體）與被觀察者（客體）之間的嚴格劃界是不可能的，因為在實際過程中兩者處在緊密相連的相互作用之中。無論是純粹的“主體”即可以）“無干擾”地進行觀察的觀察者）或是純粹的“客體”（可以絕對隔絕外界作用而界定被觀察系統(tǒng)的孤立狀態(tài)）概念都只是經(jīng)典物理學所作的理想化，而這兩種理想化既是相互補充又是相互排斥的。〔11〕這就是玻爾著名的“我們既是觀眾（觀察者），又是演員（被觀察者）”辯證論斷的真實含義。

實際上，從當代自然哲學的眼光看，這是很自然的：人（觀察者）本來就是自然（被觀察者）不可分割的一部分，我們只能用一種內(nèi)在化的眼光來看待自然，而不可能象上帝那樣用完全超脫的外在化眼光看自然，這就是問題的癥結(jié)所在。

正如羅森菲爾德所指出，所謂“觀察者介入原子事件進程”的局勢，容易產(chǎn)生科學事實的客觀性被敗壞的假象，因此我們必須與機械論和不可救藥的唯心主義劃清界線。羅森菲爾德本人正是以辯證法為武器在與機械論和唯心主義劃界的過程中闡明了觀察者與物理事件的辯證關(guān)系的客觀性質(zhì)。（〔12〕，第140頁）海森伯說得很分明：“量子論并不包含真正的主觀特征，它并不引進物理學家的精神作為原子事件的一部分”。（〔3〕，第22頁）可見，“客體行為與觀測有關(guān)”原則并不意味著我們可以拋棄客觀實在而接受主觀主義。

4.系統(tǒng)整體實在觀問題。在闡述以上各個問題的過程中，我們實際上已經(jīng)闡明了整體實在觀的基本觀點：“整體不同于各部分機械相加的總和”。自然本體是依賴于系統(tǒng)場境的存在、處在相對相關(guān)中的存在，是整體全息相關(guān)的實在。正如D.玻姆所指出的，按照量子概念，世界是作為統(tǒng)一的不可分割的整體而存在的，其中即使是每個部分內(nèi)在的性質(zhì)（波或粒子）也在一定程度上依賴于場境。其實，人本身就是自然的產(chǎn)物，自然不可分割的一部分，人只能作為參與者并在相互作用過程中用內(nèi)在化的觀點來理解自然本體。只是在系統(tǒng)及其諸要素之間的相互作用可以忽視的情況下，還原主義才是近似地有效的。

5.自然本體目的性的（自組織解釋）問題。簡單地說，當代自然哲學的目的論觀是亞里士多德內(nèi)在目的論的復活和發(fā)展，是現(xiàn)代系統(tǒng)科學目的論觀的升華。宇宙象是一個有機統(tǒng)一的整體，自然系統(tǒng)（包括生命系統(tǒng)和非生命自組織系統(tǒng)）的結(jié)構(gòu)、功能和演化過程的合目的性可以通過自然本身的自組織機制的作用得到合理解釋?！?〕

例如，自然選擇的實質(zhì)問題是由生物哲學所提出的一個重要問題。按照生物控制論的初步解答，關(guān)于生物進化的自然選擇機制實質(zhì)上就是一種以偶然的突變?yōu)樗夭?，通過反饋調(diào)節(jié)的最優(yōu)化控制機制。艾根的超循環(huán)理論則進一步明確，在大分子的自組織階段，在生化反應的超循環(huán)中選擇價值高的突變不斷通過過濾和正反饋放大，形成功能性的組織，強化、優(yōu)化并向更高水平進化。這里，一方面自然選擇表現(xiàn)為自然本身的純物質(zhì)性的有規(guī)則的相互作用過程，但它不同于牛頓的機械因果性模式，因為其中突變與選擇機制、機遇與因果是辯證地聯(lián)合起作用的；另一方面，盡管它排除了自然神力的干預，卻仍然是合目的性的過程，因為它有自引導的、自動調(diào)節(jié)的功能（使物種或分子擬種適應環(huán)境）。這樣，按系統(tǒng)辯證法重新解釋過的合理的目的論又能與神學劃清界線。

三

正如我們已經(jīng)看到的，20世紀早期的相對論量子論革命向統(tǒng)治思想界長達二三百年之久的機械論自然哲學，提出了全面的詰難和挑戰(zhàn)，并給予毀滅性的打擊。當代自然哲學正是在克服舊自然哲學的危機，在回答新興自然科學所提出的詰難和挑戰(zhàn)的過程中逐步建立起來的。20世紀中葉以來以系統(tǒng)科學群為代表的新興科學的迅速發(fā)展，豐富了當代自然哲學的內(nèi)涵，加速了人類自然圖景革新的步伐。

總起來說，當代自然哲學的核心觀點，可以簡要地重新概括如下：

1.自然本體是依賴于系統(tǒng)場境的、在關(guān)系中生成的、流動的實在，作為孤立實體的終極實在根本不存在，“潛在”是物理實在的一種新形式；2.自然系統(tǒng)遵循非完全決定論（即決定論與非決定論的中間物），它是由因果與機遇聯(lián)合統(tǒng)治的，此兩者互斥又互補。偶然性的本體論地位是：它是自然本體本質(zhì)中的一個規(guī)定、一個方面和一個要素。偶然性存在精細的非線性作用機制（由混沌革命所發(fā)現(xiàn)！）。3.物理事件與觀測有關(guān)，人作為自然系統(tǒng)的一分子只能用參與者的身分和內(nèi)在化的觀點來觀察自然，絕對的主客二分只是不切實際的幻想；4.系統(tǒng)整體觀在總體上比還原主義更為合理，不過為了進行精細的研究，有節(jié)制的還原主義仍是必不可少的和有啟發(fā)力的，兩者其實是互斥又互補的。5.自然系統(tǒng)的合目的性可以按自組織觀點得到最合理的解釋，目的論與機械論也是互斥又互補的。

最后，我們所要強調(diào)的是偶然性的恰當?shù)谋倔w論地位問題。迄今仍有不少讀者受過時的哲學教科書的影響，把偶然性當作一種外在的、主觀的、局部的、非本質(zhì)的和不穩(wěn)定的或暫時的東西。其實這種看法有違辯證法的本意，可以毫不客氣地說它屬于機械論的范疇。通過對量子辯證法與系統(tǒng)辯證法的研究，我們可以十分有把握地說：機遇或偶然性在本體論中恰恰是一種內(nèi)在的、固有的、普遍的、本質(zhì)的和永久性的成分。借用列寧論“假象”的話來說，偶然性是“本質(zhì)的一個規(guī)定、一個方面和一個環(huán)節(jié)”，是“本質(zhì)自身在自身中的表現(xiàn)”。機遇與偶然性是客觀的并且具有自己的非常獨特的規(guī)律。在新自然哲學中，我們不能再滿足于把偶然性看作必然性的“補充形式”的外在化理解，而要比以往任何時候都更加清醒地認識到，機遇與因果相互聯(lián)結(jié)、相互滲透，辯證地融為一體。在非完全決定論中，偶然性恢復了它本來應有的本體論地位，機遇與因果，偶然性與必然性以幾率或統(tǒng)計性乃至“混沌吸引子”為中介辯證地聯(lián)結(jié)在一起。在相空間中混沌吸引子的精巧的無窮嵌套的自相似結(jié)構(gòu)，精確而形象地展示出系統(tǒng)演化過程中機遇與因果如何聯(lián)合起作用的深層非線性機制，進一步豐富了對自然本體辯證內(nèi)涵的認識。

應當說，這是量子辯證法與系統(tǒng)辯證法對矛盾辯證法的一項貢獻，它們本應是相得益彰的。

參考文獻

〔1〕桂起權(quán)：《目的論自然哲學之復活》，載“自然辯證法研究”1995(7)，并收入?yún)菄⒅骶帯蹲匀徽軐W》一書，中國社科出版社1994年版。

〔2〕《馬克思恩格斯全集》第20卷。

〔3〕海森伯：《物理學與哲學》商務印書館1984年版。

〔4〕海森伯：《嚴密自然科學基礎近年來的變化》上海譯文出版社1978年版。

〔5〕《武谷三男物理學方法論論文集》商務印書館1975年版。

〔6〕波普：《客觀知識》，上海譯文出版社1987年版。

〔7〕桂起權(quán)：《非完全決定論：因果與機遇的辯證綜合》，載“科學技術(shù)與辯證法”1991(2)。

〔8〕玻恩：《關(guān)于因果和機遇的自然哲學》商務印書館1964年版。

〔9〕莫諾：《偶然性與必然性（略論現(xiàn)代生物學的自然哲學）》，上海人民出版社1977年版。

〔10〕桂起權(quán)：《科學思想的源流》武漢大學出版社1994年版。

〔11〕桂來權(quán)《析量子力學中的辯證法思想—玻爾互補性構(gòu)架之真諦》，載“哲學研究”1994(10)。

〔12〕羅森菲爾德：《量子革命》商務印書館1991年版。

注釋：

[1]正是在這一意義上，梁實秋在《遠東英漢大辭典》中，將控制論(cybernetics)譯作神經(jīng)機械學。

篇9

手機給我們帶來的便捷當然是頂呱呱的。要說手機這玩意能耐，那是沒的說。這小小玩意既是順風耳，也是千里眼，既能打電話也可以發(fā)短信，既能攝影又能照相，既可寫來也能畫，既能上網(wǎng)瀏覽又能打游戲，當然還會哄著你看新聞查資料聽音樂做錄音，更有視頻對話導航定位等等千奇百怪的功能，也畢恭畢敬地等你寵幸備用。

應該說，手機使用起來要多方便就有多方便，老少爺們姑娘娃兒，拿起來就可以操作。能達到如此便捷的水準，我們無論如何都要對手機設計者們心存一份感激之情。正是眾多設計者鍥而不舍，不遺余力地創(chuàng)新打造、潛心研發(fā)，不斷將高精尖科學技術(shù)濃縮進這個小小的方塊，才使得大眾能充分享受到現(xiàn)代科技所帶來的種種澤惠。光說手機大小，僅僅十幾年，設計者們變戲法似地，把過去的大哥大磚頭微縮成了掌上寶，既超輕超薄、整屏高清，還具有微型電腦的種種功能。

不要小看這小小的手中玩物，我們打起電話或者搗鼓起來看似簡單，而在這簡單背后，實際上是大量的系統(tǒng)工程在給予支持。單說通電話一項，就得有六大系統(tǒng)共同摻和：通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)、地面雷達發(fā)射接收系統(tǒng)、中繼站、程控交換系統(tǒng)、基站無線電微波覆蓋系統(tǒng)、手機收發(fā)終端系統(tǒng)。這些還只是表面看得見摸得著的內(nèi)容，而這些系統(tǒng)肚子里面的科學理論，毫無疑問都是頂尖的，比如當今最偉大的二個科學理論——相對論和量子力學，就在其中發(fā)揮了領跑作用。

相對論里一個很重要結(jié)論說，高速飛行航天器上的時鐘跟地面比會走得慢些。這個慢的數(shù)字雖然極小極小，但長年累月的積累，就會產(chǎn)生蝴蝶效應——一只蝴蝶翅膀的扇動可能引來暴風雨，那么全球定位系統(tǒng)就會差之千里了，也即衛(wèi)星找不到地球之家，地面雷達尋不著衛(wèi)星了。因此這極小的時差就必須用相對論來修正。而龐大的衛(wèi)星通信系統(tǒng)和數(shù)以億計的手機之間，存在著極其復雜的互聯(lián)關(guān)系，為消除它們之間的纏繞，這就需要運用量子力學的概率理論進行模糊處理。怎么樣，這些道道夠味了吧。

篇10

關(guān)鍵詞：大學生；量子物理；物理學史

作者簡介：丁艷麗（1979-），女，回族，遼寧遼陽人，沈陽化工大學數(shù)理系，講師；母繼榮（1964-），女，河北樂亭人，沈陽化工大學數(shù)理系，副教授。（遼寧　沈陽　110142）

中圖分類號：G642.0?????文獻標識碼：A?????文章編號：1007-0079（2012）35-0067-02

量子力學是反映微觀粒子（分子、原子、原子核、基本粒子等）運動規(guī)律的理論。[1]它是20世紀初在大量實驗事實和舊量子論基礎上建立起來的，是人們認識和理解微觀世界的基礎。量子物理和相對論的成就使得物理學從經(jīng)典物理學發(fā)展到現(xiàn)代物理學，奠定了現(xiàn)代自然科學的主要基礎。量子力學的發(fā)現(xiàn)引發(fā)了一系列劃時代的科學發(fā)現(xiàn)與技術(shù)發(fā)明，對人類社會的進步作出了重要貢獻。通過量子物理的教學，有利于培養(yǎng)大學生的科學素質(zhì)、科學思維方法和科研能力，培養(yǎng)學生的探索精神、創(chuàng)新精神、科學思維能力以及辯證唯物主義的科學觀。另外，量子物理是處于發(fā)展中的理論，怎樣將量子論和廣義相對論（引力作用）統(tǒng)一起來仍是困擾人們的問題?！跋依碚摗钡奶岢鍪谷藗兛吹搅讼Ｍㄟ^這部分的教學可以培養(yǎng)學生的橫、縱向思維和不斷追求科學真理的精神。因此，在大學物理的教學中應適當增加量子物理的教學內(nèi)容。由于量子物理里好多概念、思想和宏觀世界里的完全不同，叫人無法理解，以致量子論的奠基人之一玻爾（Niels Bohr）都要說：“如果誰不為量子論而感到困惑，那他就是沒有理解量子論。”[2]那么怎樣讓學生在輕松愉快的狀態(tài)下學好量子物理呢？在教學過程中適當引入物理學史有利于學生掌握其核心，既培養(yǎng)了學生的學習興趣，又有利于實現(xiàn)啟發(fā)式教學，而非純粹的概念和公式的教學。下面主要從幾個方面闡述物理學史在大學生學習中的重要作用。

一、非物理專業(yè)大學生學習量子物理的需要

即使是物理專業(yè)的學生，多數(shù)人在學習量子物理時一直如在云里霧里，雖然知道微觀粒子的波粒二象性，也知道不確定原理，了解原子的軌道理論，但是卻不知道為什么這樣。這一方面是由于量子物理里好多概念、思想和宏觀世界里的完全不同。另一方面，學生沒有掌握量子物理的核心，沒有從整體上把握量子物理的基石。一些教材對這部分的介紹也較少。如果在教學中能夠引入量子物理的發(fā)展史，不僅能吸引學生的注意力，調(diào)動學生的學習興趣，還有利于學生理解量子物理的概念和思想，使學生能夠身臨其境地感受到那場史詩般壯麗的革命，深刻體會量子論的偉大，有利于學生辯證唯物主義觀的形成。而非物理專業(yè)的學生與物理專業(yè)的學生相比，在學習量子物理時難度更大。這是由于物理專業(yè)的學生開設了許多物理專業(yè)課，如原子分子物理、物理學史等課程，為量子物理的學習奠定了基礎。而非物理專業(yè)的學生沒有前期的知識鋪墊，對知識的掌握難度增大。如果能適當加入量子發(fā)展史的介紹，不僅降低了學生學習難度，還激發(fā)了學生學習興趣，這就更突顯出物理學史在大學物理教學中的重要作用。

從整體上介紹量子物理的發(fā)展史可以使學生掌握量子物理的核心，從整體上把握量子物理的基石，即波恩的概率解釋、海森堡的不確定性原理和玻爾的互補原理。[2]這三大核心原理中，前兩者摧毀了經(jīng)典世界的因果性理論，互補原理和不確定原理又合力搗毀了世界的客觀性和客觀實在性理論。一些實驗和理論斗爭的介紹不僅可以吸引學生的學習興趣，還可以培養(yǎng)學生的科學思維方法。19世紀末20世紀初，好多物理學家認為物理學大廈已經(jīng)基本建成，后輩的工作只是做些細枝末節(jié)的修補和完善。但當時物理學天空漂浮著兩朵小烏云，一朵是“以太的絕對參考系”，另一朵是“黑體輻射的紫外線災難”。前者導致了相對論的建立，后者導致了量子物理的建立。

對量子物理三大基石的掌握，即波恩的概率解釋、海森堡的不確定性和玻爾的“互補原理”是量子物理的三大支柱。大學所學的量子物理學是基于這三個支柱的。這就像數(shù)學中的公理一樣，對于大學生而言不能去討論為什么，只能是是什么。

二、大學生素質(zhì)教育的需要

大學物理的量子部分教學不同于物理專業(yè)學生的量子物理教學。大學物理教學的目的主要是增強學生分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)學生科學的思維方法、辯證唯物主義觀等素質(zhì)教育，重在方法而非純理論教學。因此，大學物理的教學目的與任務是使學生對物理學的基本概念、基本理論和基本方法有比較系統(tǒng)的認識和正確的理解，為進一步學習打下堅實的基礎。更為重要的是，在大學物理課程的各個教學環(huán)節(jié)中，都應在傳授知識的同時注重培養(yǎng)學生分析問題和解決問題能力，注重培養(yǎng)學生科研探索精神和辯證唯物主義世界觀的形成。量子物理發(fā)展史的介紹和講解有助于培養(yǎng)學生這方面的能力。

1.辯證唯物主義世界觀的培養(yǎng)

在大學物理的教學過程中融入物理學史的內(nèi)容有利于培養(yǎng)學生的辯證唯物主義世界觀。如關(guān)于光的本性的爭論持續(xù)了300年，光的波動理論和微粒理論艱苦卓絕地斗爭了300年。量子論就是在這種斗爭中逐漸建立起來的。托馬斯·楊的雙縫干涉實驗、菲涅爾的圓盤衍射等實驗形象的描述可使學生體會到光的波動性；而光電效應實驗、康普頓的X射線散射實驗等實驗的介紹可使學生深刻體會光的粒子性；德布羅意電子波及實物粒子波理論的介紹及戴維遜和革末關(guān)于電子的實驗，電子通過鎳塊時展現(xiàn)了X射線衍射圖案，證明了電子具有波動性，由此人們認識到了光及實物粒子的波粒二象性。這部分的教學可使學生領悟到看似毫不相干的量實際上存在著深刻的聯(lián)系，波動性和粒子性原來是不可分割的一個整體。就像漫畫中教皇善與惡的兩面，雖然在每個確定的時刻只有一面能夠體現(xiàn)出來，但它們確實集中在一個人的身上。從中學生們可以深刻體會到任何事物都存在兩面性，人們要辯證地看待問題。這部分歷史的簡單介紹還可以使學生深刻體會到人們對真理的認識是隨著科技的發(fā)展而不斷完善的過程，也是一個艱苦長期的斗爭過程。對光的波粒二象性的認識有利于培養(yǎng)學生辯證唯物主義世界觀。

2.分析問題和解決問題能力的培養(yǎng)

在大學物理的教學過程中適當引入一些實驗的描述或利用多媒體等手段演示實驗過程有利于培養(yǎng)學生的分析能力和解決能力。對康普頓實驗的講解分析可以培養(yǎng)學生的分析問題和解決問題的能力，尤其是康普頓的分析過程，而非純理論上的推導分析。康普頓在研究X射線被自由電子散射的時候發(fā)現(xiàn)一個奇怪的現(xiàn)象：散射出來的X射線分成兩個部分，一部分和原來的入射射線波長相同，而另一部分卻比原來的射線波長要長，具體的大小和散射角存在著函數(shù)關(guān)系。如果運用通常的波動理論，散射應該不會改變?nèi)肷涔獾牟ㄩL才對。但是怎么解釋多出來的那一部分波長變長的射線呢？康普頓苦苦思索，試圖從經(jīng)典理論中尋找答案，卻撞得頭破血流。終于有一天，他作了一個破釜沉舟的決定，引入光量子的假設，把X射線看作能量為hν的光子束的集合。這個假定馬上讓他看到了曙光，眼前豁然開朗：那一部分波長變長的射線是因為光子和電子碰撞所引起的。光子像普通的小球那樣，不僅帶有能量，還具有動量。當它和電子相撞，便將自己的能量交換一部分給電子。這樣一來，光子的能量下降，根據(jù)公式E=hν，E下降導致ν下降，頻率變小，便是波長變大。這樣，X射線被自由電子散射的問題得到完美的解決。然后再進行理論推導，根據(jù)動量和能量守恒解決該問題，這樣不僅使學生印象深刻，還鍛煉了物理思維能力。

3.求實精神的培養(yǎng)

通過大學物理量子史部分的教學，介紹科學家嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度、勇于追求真理的精神，培養(yǎng)學生追求真理的勇氣、嚴謹求實的科學態(tài)度和刻苦鉆研的作風。

4.科學觀察和思維能力的培養(yǎng)

在教學的過程中適當融入量子發(fā)展史的內(nèi)容有利于培養(yǎng)學生科學觀察和思維能力。如玻爾的互補原理的提出過程。當海森堡完成“不確定原理”后向玻爾請教，兩人就“不確定原理”是從粒子性而來還是波動性而來展開了論戰(zhàn)，從而提出了互補原理：波和粒子在同一時刻是互斥的，但它們卻在一個更高的層次上統(tǒng)一在一起，作為電子的兩面性被納入一個整體概念中。這就是玻爾的“互補原理”。它連同波恩的概率解釋、海森堡的不確定性共同構(gòu)成了量子論“哥本哈根解釋”的核心，至今仍然深刻地影響人們對于整個宇宙的終極認識。講解過程中應形象生動地描述海森堡和玻爾的討論過程及他的思維過程，使學生有種身臨其境的感覺，從而培養(yǎng)科學觀察和思維的能力。在教學過程中適當介紹思維實驗有利于培養(yǎng)學生的思維能力及科學分析能力。如海森堡不確定性原理的提出過程就借助了思維實驗及1935年愛因斯坦提出EPR思維實驗等。[3]

5.創(chuàng)新意識的培養(yǎng)

通過學學物理學的研究方法、量子物理的發(fā)展史以及物理學家的成長經(jīng)歷等，引導學生樹立科學的世界觀，激發(fā)學生的求知熱情、探索精神、創(chuàng)新欲望以及敢于向舊觀念挑戰(zhàn)的精神。如普朗克能量子假設的提出體現(xiàn)了敢于向舊觀念、權(quán)威學家挑戰(zhàn)的精神。而創(chuàng)新意識對一個學生來說是非常重要的，對社會生產(chǎn)力的發(fā)展也起著重要作用的。

6.科學美感的培養(yǎng)

以麥克斯韋方程組為例，描述麥氏方程所表現(xiàn)出的深刻、對稱、優(yōu)美，使得每一個科學家都陶醉在其中，玻爾茲曼情不自禁地引用歌德的詩句“難道是上帝寫的這些嗎？”描述麥克斯韋方程組的美。[2]一直到今天，麥氏方程組仍然被公認為科學美的典范。許多偉大的科學家都為它的魅力折服，并受它深深的影響，有著對于科學美的堅定信仰，甚至認為：對于一個科學理論來說，簡潔優(yōu)美要比實驗數(shù)據(jù)的準確來得更為重要。依此引導學生認識物理學所具有的明快簡潔、均衡對稱、奇異相對、和諧統(tǒng)一等美學特征，培養(yǎng)學生的科學審美觀，使學生學會用美學的觀點欣賞和發(fā)掘科學的內(nèi)在規(guī)律，逐步增強認識和掌握自然科學規(guī)律的能力。

7.科學探索精神的培養(yǎng)

物理學在追求著大統(tǒng)一。許多科學家獻身于這項偉大的事業(yè)，比如弦理論的提出。講述其發(fā)展過程可激發(fā)學生的科學探索精神。

三、科學發(fā)展的需要

科學發(fā)展到今天，是建立在前人取得成就的基礎上的。牛頓都說：“我站在了巨人的肩上?！币允窞殍b，才能少走彎路。物理學發(fā)展到今天只剩下了最后一個分歧，但也很可能是最難以調(diào)和和統(tǒng)一的分歧，即量子物理和引力理論。只有了解和掌握了前輩所創(chuàng)造的財富，才能找到解決物理大統(tǒng)一的有效道路，才能實現(xiàn)物理學的夢想。這需要幾代人的共同努力，可能需要幾十年甚至幾百年才有可能實現(xiàn)。很多人正在為之不斷努力，這也是人們不斷追求的科學理想。

大學生量子物理的學習需要適當引入物理學史，這既有利于學生學好大學物理，培養(yǎng)學生的辯證唯物主義世界觀、分析問題和解決解決問題的能力、求實精神、科學觀察和思維的能力、創(chuàng)新意識及科學探索精神，又有助于啟發(fā)式教學。

參考文獻：

[1]周世勛.量子力學教程[M].第1版.北京：高等教育出版社，2002.

[2]曹天元.上帝擲骰子么：量子物理史話[M].沈陽：遼寧教育出版社，