量子力學特征精選(九篇)

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第1篇：量子力學特征范文

圖景。

一、量子力學突破了經典科學的機械決定論，遵循因果加統計的非機械決定論

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

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

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

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

二、量子力學使得科學認識方法由還原論轉化為整體論

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

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

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

三、量子力學使得科學思維方式由追求簡單性發展到探索復雜性

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

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

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

四、量子力學使科學活動中主客體分離邁向主客互動

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

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

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

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[摘要]20世紀三次物理學革命之一的量子力學突破了經典科學的機械決定論，使之轉化為非機械決定論；使得科學認識方法由還原論轉化為整體論；使得科學思維方式由追求簡單性到探索復雜性；確立了科學活動中主客體互動關系。

關鍵詞：量子力學；經典科學世界圖景；

參考文獻：

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

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

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

第2篇：量子力學特征范文

本書分成三大部分共15章：第一部分 引言，包括第1-4章：1.量子生物學：引言；2.用開放量子系統來探討生物系統；3.廣義Frster共振能的轉換；4.多維電子光譜的原理。第二部分 在微生物光合成能量轉換中的量子效應，包括第5-7章：5.顏料―蛋白質復合物的結構、函數和量子動力學；6.量子相干性的直接觀測；7.在環境輔助下的量子輸運。第三部分 高級生物體中的量子效應及其應用，包括第8-15章：8.光合作用中激發能的轉換及能量守恒；9.蛋白質中的電子傳輸：根據量子力學的隧道效應，生物體內的電子能直接穿過蛋白質的骨架，這種電子隧道是生物體內能量傳遞的主要途徑；10.用于鳥類導航的化學指南針；11.視網膜的量子生物學；12.嗅覺的量子振動效應；13.從某個視角來看生物體系中可能出現的糾纏；14.仿生量子材料的設計和應用；15.碳納米管中的相干激發。本書目錄的后面有各章作者的簡介。書的末尾有參考書目和主題索引。

本書第一編著Masoud Mohseni是谷歌公司資深的研究科學家，他開發了以量子動力學為理論基礎的機器學習算法。他在研究量子輸運、量子測量以及開放量子體系在生物學中的應用方面做出了突出貢獻。

本書是一本適合物理系、生物系和化學系高年級大學生以及研究生用來了解量子力學在生物學中應用的理想的參考書，也是對量子生物學感興趣的青年科學家和博士后的有益參考書。

第3篇：量子力學特征范文

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

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

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

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

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

二、對稱變換及其性質

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

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

三、對稱變換與守恒量的關系

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

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

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

（8）式中忽略λ的高階小量，由上式看到

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

（10）可見F是體系的一個守恒量。

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

1.空間平移不變性（空間均勻性）與動量守恒。

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

設體系的坐標自r平移到，那么波函數ψ(r)變換到ψ(s)(r)

2.空間旋轉不變性（空間各向同性）與角動量守恒

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

3.時間平移不變性與能量守恒

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

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

同樣，將（27）式的右端在T的領域展開為泰勒級數

四、結語

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，這說明物質運動與時間空間的對稱性有著密切的聯系，并且這三個守恒定律的確立為后來認識普遍運動規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，重子數守恒、輕子數守恒和同位旋守恒等內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系。

參考文獻

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［8］李政道.場論與粒子物理（上冊）.科學出版社，1980.112-119.

第4篇：量子力學特征范文

【關鍵詞】量子計算；量子計算機；量子算法；量子信息處理

1、引言

在人類剛剛跨入21山_紀的時刻，！日_界科技的重大突破之一就是量子計算機的誕生。德國科學家已在實驗室研制成功5個量子位的量子計算機，而美國LosAlamos國家實驗室正在進行7個量子位的量子計算機的試驗。它預示著人類的信息處理技術將會再一次發生巨大的飛躍，而研究面向量子計算機以量子計算為基礎的量子信息處理技術已成為一項十分緊迫的任務。

2、子計算的物理背景

任何計算裝置都是一個物理系統。量子計算機足根據物理系統的量子力學性質和規律執行計算任務的裝置。量子計算足以量子計算目L為背景的計算。是在量了力。4個公設（postulate）下做出的代數抽象。Feylllilitn認為，量子足一種既不具有經典耗子性，亦不具有經典渡動性的物理客體（例如光子）。亦有人將量子解釋為一種量，它反映了一些物理量（如軌道能級）的取值的離散性。其離散值之問的差值（未必為定值）定義為量子。按照量子力學原理，某些粒子存在若干離散的能量分布。稱為能級。而某個物理客體（如電子）在另一個客體（姻原子棱）的離散能級之間躍遷（transition。粒子在不同能量級分布中的能級轉移過程）時將會吸收或發出另一種物理客體（如光子），該物理客體所攜帶的能量的值恰好是發生躍遷的兩個能級的差值。這使得物理“客體”和物理“量”之問產生了一個相互溝通和轉化的橋梁；愛因斯坦的質能轉換關系也提示了物質和能量在一定條件下是可以相互轉化的因此。量子的這兩種定義方式是對市統并可以相互轉化的。量子的某些獨特的性質為量了計算的優越性提供了基礎。

3、量子計算機的特征

量子計算機，首先是能實現量子計算的機器，是以原子量子態為記憶單元、開關電路和信息儲存形式，以量子動力學演化為信息傳遞與加工基礎的量子通訊與量子計算，是指組成計算機硬件的各種元件達到原子級尺寸，其體積不到現在同類元件的1%。量子計算機是一物理系統，它能存儲和處理關于量子力學變量的信息。量子計算機遵從的基本原理是量子力學原理：量子力學變量的分立特性、態迭加原理和量子相干性。信息的量子就是量子位，一位信息不是0就是1，量子力學變量的分立特性使它們可以記錄信息：即能存儲、寫入、讀出信息，信息的一個量子位是一個二能級（或二態）系統，所以一個量子位可用一自旋為1/2的粒子來表示，即粒子的自旋向上表示1，自旋向下表示0；或者用一光子的兩個極化方向來表示0和1；或用一原子的基態代表0第一激發態代表1。就是說在量子計算機中，量子信息是存儲在單個的自旋’、光子或原子上的。對光子來說，可以利用Kerr非線性作用來轉動一光束使之線性極化，以獲取寫入、讀出；對自旋來說，則是把電子（或核）置于磁場中，通過磁共振技術來獲取量子信息的讀出、寫入；而寫入和讀出一個原子存儲的信息位則是用一激光脈沖照射此原子來完成的。量子計算機使用兩個量子寄存器，第一個為輸入寄存器，第二個為輸出寄存器。函數的演化由幺正演化算符通過量子邏輯門的操作來實現。單量子位算符實現一個量子位的翻轉。兩量子位算符，其中一個是控制位，它確定在什么情況下目標位才發生改變；另一個是目標位，它確定目標位如何改變；翻轉或相位移動。還有多位量子邏輯門，種類很多。要說清楚量子計算，首先看經典計算。經典計算機從物理上可以被描述為對輸入信號序列按一定算法進行交換的機器，其算法由計算機的內部邏輯電路來實現。經典計算機具有如下特點：

a）其輸入態和輸出態都是經典信號，用量子力學的語言來描述，也即是：其輸入態和輸出態都是某一力學量的本征態。如輸入二進制序列0110110，用量子記號，即10110110>。所有的輸入態均相互正交。對經典計算機不可能輸入如下疊加Cl10110110>+C2I1001001>。

b）經典計算機內部的每一步變換都將正交態演化為正交態，而一般的量子變換沒有這個性質，因此，經典計算機中的變換（或計算）只對應一類特殊集。

相應于經典計算機的以上兩個限制，量子計算機分別作了推廣。量子計算機的輸入用一個具有有限能級的量子系統來描述，如二能級系統（稱為量子比特），量子計算機的變換（即量子計算）包括所有可能的幺正變換。因此量子計算機的特點為：

a）量子計算機的輸入態和輸出態為一般的疊加態，其相互之間通常不正交；

b）量子計算機中的變換為所有可能的幺正變換。得出輸出態之后，量子計算機對輸出態進行一定的測量，給出計算結果。由此可見，量子計算對經典計算作了極大的擴充，經典計算是一類特殊的量子計算。量子計算最本質的特征為量子疊加性和相干性。量子計算機對每一個疊加分量實現的變換相當于一種經典計算，所有這些經典計算同時完成，并按一定的概率振幅疊加起來，給出量子計算的輸出結果。這種計算稱為量子并行計算，量子并行處理大大提高了量子計算機的效率，使得其可以完成經典計算機無法完成的工作，這是量子計算機的優越性之一。

4、量子計算機的應用

量子計算機驚人的運算能使其能夠應用于電子、航空、航人、人文、地質、生物、材料等幾乎各個學科領域，尤其是信息領域更是迫切需要量子計算機來完成大量數據處理的工作。信息技術與量子計算必然走向結合，形成新興的量子信息處理技術。目前，在信息技術領域有許多理論上非常有效的信息處理方法和技術，由于運算量龐大，導致實時性差，不能滿足實際需要，因此制約了信息技術的發展。量子計算機自然成為繼續推動計算速度提高，進而引導各個學科全面進步的有效途徑之一。在目前量子計算機還未進入實際應用的情況下，深入地研究量子算法是量子信息處理領域中的主要發展方向，其研究重點有以下三個方面；

（1）深刻領悟現有量子算法的木質，從中提取能夠完成特定功能的量子算法模塊，用其代替經典算法中的相應部分，以便盡可能地減少現有算法的運算量；

（2）以現有的量子算法為基礎，著手研究新型的應用面更廣的信息處理量子算法；

（3）利用現有的計算條件，盡量模擬量子計算機的真實運算環境，用來驗證和開發新的算法。

5、量子計算機的應用前景

目前經典的計算機可以進行復雜計算，解決很多難題。但依然存在一些難解問題，它們的計算需要耗費大量的時間和資源，以致在宇宙時間內無法完成。量子計算研究的一個重要方向就是致力于這類問題的量子算法研究。量子計算機首先可用于因子分解。因子分解對于經典計算機而言是難解問題，以至于它成為共鑰加密算法的理論基礎。按照Shor的量子算法，量子計算機能夠以多項式時間完成大數質因子的分解。量子計算機還可用于數據庫的搜索。1996年，Grover發現了未加整理數據庫搜索的Grover迭代量子算法。使用這種算法，在量子計算機上可以實現對未加整理數據庫Ⅳ的平方根量級加速搜索，而且用這種加速搜索有可能解決經典上所謂的NP問題。量子計算機另一個重要的應用是計算機視覺，計算機視覺是一種通過二維圖像理解三維世界的結構和特性的人工智能。計算機視覺的一個重要領域是圖像處理和模式識別。由于圖像包含的數據量很大，以致不得不對圖像數據進行壓縮。這種壓縮必然會損失一部分原始信息。

作者簡介：

第5篇：量子力學特征范文

關鍵詞：布朗運動 量子力學 物質場 波動函數

引子：這篇論文是洗衣服時出現的一些現象，讓我很好奇，所以我開始了對布朗運動的研究。

布朗運動：懸浮微粒永不停息地做無規則運動的現象（說明一下：永不停息是不存在的，長時間或較長時間，人們是可以接受的），很對不起大家，剛開始就要括號說明，只是現在的定義，真是永不停息。布朗運動的例子特別多，大家很容易見到，如把一把泥土扔到水里攪合攪合，或在無風的情況下對著陽光觀察空氣中的塵粒等等，現在這些類似運動都稱為布朗運動。

1827年，植物學家R·布朗首先提出發現這種運動。在他之后的很長時間，人們對布朗運動進行了大量的實驗、觀察。最后古伊在1888-1895期間對布朗運動提出自己的認識：

布朗運動并不是分子運動，而是從分子運動導出的一些結果能向我們提供直接和可見的證據，說明對熱本質假設的正確性。按照這樣的觀點，這一現象的研究承擔了對分子物理學的重要作用。

古伊的文獻產生過重要的影響，后來貝蘭（我們第一個實驗測量原子大小的人）把布朗運動正確解釋的來源歸于古伊。實話實說，古伊的文獻太重要了，在我看來：一語中的。太對了，古伊是歸納總結的天才，也是真正從實驗的角度來解釋布朗運動的第一人。

古伊的話有三個重點：

一、布朗運動不是分子運動。

二、說明熱本質假設的正確性(下面會專門論述熱的本質問題）。

三、利用分子布朗運動的結果來承擔對分子物理學的研究。

1905年愛因斯坦根據分子運動論的原理提出布朗運動理論，同時期的斯莫羅霍夫斯基作出同樣的成果。

愛因斯坦在論文中指出：按照熱的分子運動論，由于熱的分子運動大小可以用顯微鏡看見的物體懸浮在液體中，必定會發生大小可以用顯微鏡觀測到的運動，可能這里所討論的運動就是布朗運動，觀測這種運動和預期的規律性，就可能精確測量原子的大小，反之證明熱分子運動的預言就不正確。這些是愛因斯坦的研究成果。

現在人們認為這是對布朗運動的根源及其規律性的最終解釋，我認為不是。這是愛因斯坦成功的利用布朗運動的原則創造性提出熱分子運動論，利用這一理論可以測量分子原子的大小，把布朗運動近似為熱分子運動論。或許是天意，愛因斯坦的論文我怎么看都有絕對論的意思。“有大小可以用顯微鏡看見的物體懸浮在液體，必定會發生大小可以用顯微鏡觀測到的運動”。運動的絕對性，不過這里他說的是發生相對于物質本身的運動，可能這是相對論的名稱來源吧。我的評價：初級的絕對論。在絕對論中只要有物質存在就有物質運動，運動是絕對的。愛因斯坦的熱分子運動論：舍本取末，換句話說他把布朗運動等同于分子運動了，認為熱分子運動引起了的不規則運動，就是觀察到的布朗運動。既然相對論是初級的絕對論，我今天提出絕對論，那么所有愛因斯坦做過的事情，我可能都要去做一遍。布朗運動不是熱分子運動，但是可以引起熱分子運動，愛因斯坦的成果只是利用了布朗運動引起的熱分子運動，他沒有分析布朗運動的根源：物質為什么會存在布朗運動。當顯微鏡越來越清晰的時候，愛因斯坦的擴散統計方程就不能適用了。

現在隨著科學的不斷進步，量子理論對真空漲落的認識不斷加深，量子理論也對布朗運動的根源給出自己的看法，同樣今天絕對論也給出自己對布朗運動的認識：

一、布朗運動不是分子運動，或者說不是單個粒子間的運動。

二、布朗運動是一個由點到面，再由面到點的運動形式。

三、布朗運動是與波動函數有關的物質運動的一個特性。

布朗運動不是分子的運動或者說不是單個粒子之間的運動，為什么這么說呢：一滴水融入大海永不干涸（永字應為長時間，不過人們習慣認識，所以沒有改為長時間）大海洶涌澎湃，一盤水很容易平靜。相比之下，為什么有如此巨大反差：物質場運動的疊加效應，滴水穿石的道理也是如此。

簡單的一滴水為什么能夠融入大海呢？正像洗衣服為什么能把衣服洗干凈，洗不干凈會在衣服干后留下許多漬跡一樣。液體的形態對物質運動產生了如何的影響呢？這是我們應該思考的問題，這里我引入二個概念：物質場與波動函數。

說一下自己的看法：一滴水的運動比如一個粒子的運動，大海是一個物質場，一盆水也是一個物質場，同樣一滴水也可是一個物質場，那么一個電子也可是一個物質場，也就是說一個量子可以看作是一個物質場，量子的運動可以當成物質場在運動。

其實為了研究布朗運動，引入物質場這個概念，把物質現實中的存在狀態看成是一個物質場的存在，相信大家能夠理解。把物質形態存在的狀態不去看它把當成一個獨立的物質場存在，比如一塊鐵、一塊鋼、一塊磚，我們都把它當成一個獨立的物質場存在，那么這個物質場中的電子、原子、質子等粒子都是這物質場的一部分，那么這物質場中的一切物質都應是這物質場的一部分。

一個統一的物質場。對于運動而言，物質場有整體的運動，也有物質場的內部運動：質子、電子、中子等微粒之間的運動，比如我用力去拿一件東西，我的全部身體都在運動，手的運動和身體內部的運動時截然不同的，但作為一個整體，我把東西拿了起來，而東西作為一個完整的物質場表現是被我拿了起來，整個的分子、原子、電子構成的物質場共同被我拿了起來。

諸如這些運動是整體的完整的物質場，對另一個完整的物質場的作用，牛頓力學已經很好的應用到多個方面，宏觀物理研究的物體很明確，運動也很明顯，都可以準確測量計算。為什么這里一定要強調完整的物質場呢？一滴水進入了大海之后，這一滴水的完整物質場依然存在，而變成大海的物質場一部分，這一滴水所有的運動，所有的信息都變成了大海物質場的一部分，大海的每一滴水都是一個完整的物質場，但都是大海物質場的一部分，大海有每一滴水的信息 ，但當空氣蒸發水蒸氣時，大海不會單獨讓哪一個完整的小水滴去蒸發，而是大海整個的一個物質場在做蒸發這件事，與個體的物質場的狀態關系不大。

可能從小水滴到大海大家覺得不直觀，在量子力學把電子看成小水滴，把一個物質粒子看成大海，或者幾公斤的金屬板看成大海，相信這樣我們的科學人士都能夠理解。

光電效應的原理：把光子看成一個物質場，把金屬板看成一個物質場，光照到金屬板上，放出電子（當然需要一個極限頻率）是一個物質場對另一個物質場的反應，那么釋放的電子是物質場的整體行為，不是單個電子吸收能量而釋放出來。極限頻率，用水吸收80卡的熱量才能變成水蒸氣來說明吧，80米的水位永遠流不出100米的大壩。每個物質場都有自己的固有頻率，超過這個頻率的東西來破壞它，這個物質場就發生變化用大錘去打東西，物質會反應不同的。

另一個問題：固體微粒之間結合很好，但是一個個的原子又是相互隔開，可是這一個個原子又構成統一的物體。為什么？：波動函數，物質的特性是一個個小的原子共同表現出的特性，兩塊鐵融化后能夠形成一塊鐵，人類有無數的合金材料以及其它合成物質，為什么這些材料表現出了原來不同的特性呢，物質場的特性為什么變化呢？

物質的特性變化了，那么每一個小的物質場的特性也會變化。一般情況下原子不可能變，合金狀態的原子也未變，那么什么變化了呢？量子的運動方式變化了，也就是電子和質子以及其它的微粒運動形式變化了，整個的物質場的量子波動函數變化了。

波動函數是為了形象說明布郎運動的本質引入的一個物質特征，一個物質場的波動函數體現物質作布郎運動的能力，也體現了物質場內部物質運動能力。波動函數是物質場與物質場之間結合（疊加）能力的一種體現。一個物質場中會有很多不同的波動函數如：分子之間，原子之間，電子之間，質子之間，原子于分子之間，電子與原子核之間，質子與中子之間等等許許多多的量子之間。波動函數是物質運動的一種能力的體現。

當然這個概念也很符合量子力學的波動方程的需要，那就是所有的物質場都有自己的波動函數，而且不止一個。當波動函數達到一定數值，物質場之間既可融合。這樣雖然原子之間的距離是分開的，但是電子之間的物質場卻可以是融合在一起的（當然還有比電子更小物質，那它們的物質場更會融在一起）

波動函數越高，物質融合的越快，反之越慢，諸如擴散現象，滲透等等，固體之間的波動函數低，所以最好融化或鍛打成液態式的結合，需要外部的力量加大它的波動函數。波動函數是物質作布郎運動的一種能力，我更愿意認為波動函數是物質運動的一種能力（在絕對論中運動是物質的生命）。與物質本身的溫度有關，與外界的干涉有關。例如：加熱氣體，溶液或用力攪拌溶液等等會增波動函數值。（下面我們還要專門研究熱的本質問題）

用一個方程式來表達吧。

H值=H℃溫度+Hoi外部干涉，H：波動函數。其實我的波動函數和量子力學中的的物質波不是完全相同。

波動函數是物質場的特性，是物質生命能力的一種體現。表現在粒子上，粒子就具有波動性，同時物質運動一定需要能量的，也一定出現物質的波動。所以不是粒子具有波粒二象性，而是物質場具有波動函數。就象一整鐵的內部具有輕微的布郎運動，也就是說這塊鐵的所有原子、分子、電子等等一切粒子都在做一定的布郎運動。所有的粒子都具有這塊鐵的物質特性。也就是所有的粒子都有自己相應的波動函數。這與這塊鐵的運動和外界條件都有關系。就比如大海是所有的水滴和水中的懸浮物體構成一個統一的物質場，是所有的物質場的疊加效應，如果你取出一滴水，那么這一滴水就不屬于大海了，它和大海就毫不相干了，完全是不同的物質場了。

說到這些，大家可能會樂了，我也很樂的：這就是我們量子力學上著名的不確定原理和測不準原理，因為你要對這一個量子測量，那你就要破壞這個粒子在物質場的狀態，你永遠不能無法精確測量一個量子系統。因為你測量一滴水的結果就會脫離大海這個物質場。這一滴水在大海里就和大海一樣大，除非有測大海一樣大的儀器，否則無法測量這一滴水在大海中運行狀態。但是我們可以運用統計學對整個的物質場的運動進行統計。我們可以計算大海每天蒸發了多少噸的水，但不可以說是那一噸水。

其實量子力學碰到的最大問題，不是實驗不能證明。而是無法說明粒子為什么不可測，而且無法確定位置，因為任何一個物質場都是一個面，一個量子只是一個點，而運動和變化是物質場與物質場之間發生的，與單個的粒子運動關系不大。當然也不能說一點沒有，就象人與人打架一樣，是兩個物質場在運動，打在手上，而全身都難受，手痛得最厲害。是整個物質場在對外界的物質場共同的感受。可不是只是手不舒服，所以我們能夠精確地確認各個量子運動疊加之后統計結果（宏觀物理），但我們不能很精確一個物質場內部的那一小點起作用。物質是整體運行的，當外部的物質變化時內部的物質也會有相應變化的，量子運行方式會發生一些改變。

量子力學從來沒有從一個面去研究物體，只注重了一個點，而經典物理只注意宏觀物理現象的規律性，也就是注意面了。

量子力學注重研究了物質場的內部運動：單個粒子的運動（點）。經典物理學：牛頓力學，相對論只注重了物質場與物質場的外部運動（面）。

而布郎運動是把物質場的內部和外部運動結合一起的表現運動，是點到面，再面到點全過程，所以對布郎運動的研究也是一個科學研究物質運動史的一個縮影。

人對事物的認識總是漸近的，按照絕對論的原則，弧立的事情是不存在的，所有的系統都是宇宙整體的一部分，所有的運動都是宇宙生命的一種體現。

現在用量子理論中的概念說明熱的本質問題：熱量只是能量的一種表現形式。熱的來源一般是：化學反應，物理作用（包括核反應），能量轉化。等等的這一切源于：量子運行方式的改變。量子運行只會一個場，一個場的變化，也就是說量子運動只可123456 不會連續不斷 沒有0.1，0.2，0.3，0.4等等。量子的運行方式改變只可這個場直接到那個場，要么吸收一定能量，要么釋放一定能量。水分子或者是固態，或是氣態，液態，沒有中間的狀態。能量有許多表現形式，而熱量是能量的一種表現形式，所以我們可以測定溫度等等現象。量子運行方式改變了，物質的特性也就改變了。燒火做飯，木柴變成灰燼，原子一個不少，電子一個不少，可是它們之間的運行方式改變了，能量或釋放了或吸收了，物質也就變化了。

第6篇：量子力學特征范文

量子計算機的秘密武器：疊加和糾纏

一方面，量子效應對現代電子學來說非常重要，它能使晶體管變得非常小；但另一方面，量子效應也是一個惹人討厭的“調皮鬼”，由于電子的位置并非確定不變，它能讓晶體管內的電子簡單地從一個地方消失并在另外一個地方再次出現，這樣會使得電流泄漏出來，導致信號衰減。

不過，有些科學家卻從中看到了機會。他們認為，量子尺度上發生的一些詭異事件可以被利用起來，讓人們能以一種全新且更快的方式進行計算并發送信息，至少從理論上而言，這些信息不可能被攔截。幾個對此感興趣的科研團體希望建造出量子計算機，以解決目前的計算機無法解決的問題，諸如找出幾百位數的質因子或將大的數據庫一網打盡等等。這些研究計劃和成果都在AAAS的年度大會上得到了展示。

這些科學家們努力的核心是量子疊加和量子糾纏這兩種量子力學現象。普通的數字計算機以位的形式操縱信息，位的值要么是1，要么是0。在計算機內，不同的電流電壓分別表示1和0，這同電子的電荷有關。電荷是所有電子的固定特征，每個電子的電荷數目是一樣的。但是，電子也擁有其他特征，比如自旋，自旋的方向可以表示為“向上”、“向下”或者模糊不清的“既向上又向下”。這種既向上又向下的狀態就被稱為疊加，疊加能被用來構建量子力學中的位量子位（量子比特）。

與此同時，糾纏使粒子捆綁在一起以增加更多量子位。在量子機器中，每增加一個量子位會讓它能同時進行的操作翻番，這就是量子計算機之所以擁有強大計算能力的“秘訣”。比如，2個相互糾纏的量子位可以進行4個操作；3個量子位可以進行8個操作，等等，依此類推。那么，一個擁有300個量子位的計算機能同時執行的操作數就比可見宇宙中的原子數還多。

疊加和糾纏并不穩定

然而，不幸的是，這樣的機器對我們來說仍是“羚羊掛角，無跡可尋”。糾纏和疊加都是非常精細的活，即使最輕微的擾動都會導致“量子位”失去這種相干性，讓它們的神奇屬性消失殆盡。為了建造出一臺能工作的量子計算機，量子位將不得不變得更加靈活，更容易恢復相干性，但迄今為止，這方面的進步一直不大。

1995年，科學家們首次在實驗室內實現了量子計算，從那時起，有科研團隊已經設法讓14個量子位發生了糾纏。這項紀錄的保持者是來自德國因斯布魯克的一個科研團隊，他們使用了一個名為離子陷阱的設備，并讓以處于不同能量狀態的銣原子的疊加形式而存在的量子位在其間發生了糾纏。而加拿大滑鐵盧大學的雷蒙德·拉弗莫和同事則設法使用同樣的技巧讓12個量子位發生了糾纏，讓特定的原子在名為組氨酸的氨基酸單分子內發生了糾纏，組氨酸的特征使它非常適合這樣的實驗。

這些方法存在的問題是，它們并不容易進行升級和擴展。離子陷阱位于大的真空室內，不能輕易地收縮。另外，一個組氨酸分子包含的適合原子數量也有限，因此，科學家們一直在搜尋更實用的量子位。

各出奇招制造穩定的量子位

一種有潛力解決這一問題的方法是在半導體內蝕刻量子位。查爾斯·馬庫斯以前是哈佛大學的教授，現在是哥本哈根大學的教授，他一直試圖使用電子自旋做到這一點。單電子制造的量子位很快會失去相干性，因此，他的研究團隊決定使用兩個電子制造出一個量子位，他們將其稱為“量子點”，這是一塊細小的半導體晶體（馬庫斯使用的半導體是砷化鎵）。當兩個這樣的量子點相互靠近時，能讓一個電子陷入一個量子點內以彈出并同另一個量子點內相鄰的電子相結合，兩個電子自旋的這種疊加就產生了量子位。

迄今為止，馬庫斯團隊已設法讓4個這樣的量子位結合在一起，而且，使用了一套靈敏的技巧將其壽命延伸至10微秒，這一時間足以用來執行簡單的代數操作，代數操作是計算的命脈。他們希望使用硅或碳，進一步延長其壽命，硅或碳的原子核對糾纏電子的干擾比砷化鎵要小。

另外，美國加州大學圣巴巴拉分校的約翰·馬提尼斯和同事試圖從超導電路打造出量子位。在超導體內，電子并不會單獨旅行，相反，因為復雜的量子力學原因，它們會成雙成對地出現（也因為同樣的原因，這對電子之間不會有電阻）。當它們成雙成對旅行時，這對電子的行為就像單個粒子一樣，這就出現了疊加傾向。例如，這個“超粒子”實際上一次能朝兩個方向移動，當這對電子移動時，它們就制造出了一個磁場。接著，制造一個超導閉環，科學家們就得到了一個能同時朝上和朝下的磁場，馬提尼斯團隊現在已設法讓5個這樣的超導量子位發生了糾纏。

馬提尼斯團隊還使用一套名為共振腔的設備，將信息從電路傳送到單個光子并將光子捕獲在一個空腔內，并持續幾微秒。換句話說，他們已經制造出了一個量子存儲設備。幾微秒聽起來很短暫，但足以執行很多基本操作。

前路漫漫任重而道遠

所有上述方法面臨的問題是，他們賴以依靠的量子狀態非常脆弱，很容易出現錯誤。一種確保他們能用量子位進行計算的方法是用幾個量子位而非僅用一個量子位來對同樣的信息進行編碼。因此，馬庫斯、馬提尼斯以及拉夫莫不得不在他們的系統中建立一些多余的量子位。這樣，對于每個計算所需要的每一個“邏輯”量子位來說，都存在著幾個其他的物理量子位，所有這些量子位都需要被糾纏在一起。

微軟公司研究中心的米歇爾·弗里德曼正試圖另辟蹊徑來解決這一問題，他和同事正在建造他們稱為拓撲量子計算機的機器，這臺機器在一層名為銻化銦的奇異材料上方使用了一個超導體。當朝這套系統施加電壓時，整個系統就變成了一個能以疊加狀態而存在的量子系統。

弗里德曼的量子位與馬提尼斯的量子位的不同之處在于，它們對干涉反應的方式不同。在馬提尼斯的量子系統中，刺激一個超導電路中的任何電子，整個系統都會失去相干性。然而，弗里德曼的設計對這樣的本地破壞活動“刀槍不入”，因為它采用一種特殊的方式讓能量遍布于整個銻化銦上。迄今為止，微軟公司的團隊還沒有制造出一個起作用的量子位，但他們希望很快能做到，他們也正在尋找其他材料來重復同樣的實驗。

第7篇：量子力學特征范文

這種新發現的粒子是威爾費米子的表親，也是標準量子場論的粒子之一。該項研究由普林斯頓大學物理系副教授B.安德烈?百奈威、瑞士蘇黎世聯邦技術研究所的馬提亞?特耶羅和阿列克謝?索盧亞諾夫以及中國科學院物理研究所的戴希牽頭，團隊成員有普林斯頓大學博士后研究助理王志軍和瑞士蘇黎世聯邦技術研究所博士后研究助理吳全勝，以及瑞士蘇黎世聯邦技術研究所的研究生多米尼克?格萊琴。

研究人員稱，85年前量子理論剛起步時，物理學家赫爾曼?威爾未能發現這種粒子，是因為它的存在違反了洛倫茲對稱的基本原則。

相對量子場理論描繪了我們宇宙中的粒子，該理論結合了量子力學和愛因斯坦的相對論。依據這一理論，固體是由原子形成的，原子是由電子圍繞原子核運動構成的。因為絕對數量的電子之間互相作用，所以根本不可能利用量子力學理論完全解決固體中多電子運動的難題。

我們關于物質的現有知識都源于一個簡化的觀點：固體中的電子都被描述成一種特殊的、不與其他粒子相互作用的粒子――準粒;而在等效磁場中，由帶電實體創造的叫離子和電子。這些準粒子被稱作布洛赫電子，也是費米子。

正如電子是物質宇宙中的一種基本粒子，我們可以將布洛赫電子看作固體中的基本粒子。換言之，對它們自己的基本粒子來說，晶體本身就成了“宇宙”。

近年來，研究人員發現這種“物質宇宙”可以承載相對量子場論中的所有粒子，并在這種物質中發現了三種準粒子：狄拉克費米子、馬約拉納費米子和威爾費米子。盡管在長時間的實驗中兩種粒子還是不見蹤影，但是這也為利用相對較低的費用在這些凝聚態晶體中進行小規模實驗、模擬量子場理論的某些特定預測開拓了路徑。

百奈威說：“如果一個人的想象力能夠更進一步，就會想知道那些相對量子場理論尚不知曉的粒子是否可以出現在凝聚態的物體中。”按照這些研究人員的說法，有理由相信這是有可能的。

由量子場理論描述出來的宇宙是受到特定規則集和對稱性（即洛倫茲對稱）嚴格約束的，這是高能粒子的特征。然而洛倫茲對稱并不適用于凝聚態物體，因為固體中典型電子的運轉速度比光速慢很多，這就使凝聚態物體物理學成為低能理論。

索盧亞諾夫說：“可能會有人想，某些物質中的非相對基本粒子是否有可能不符合洛倫茲對稱的原則。”

這項研究的成果給了這個問題一個肯定的答案。這項工作開始于2014年11月，當時索盧亞諾夫和戴希正在拜訪普林斯頓大學的百奈威，他們的討論轉向了磁場定金屬那些前所未有的、奇怪的運轉狀態（研究結論發表于《自然》雜志2014年第514期，201頁至208頁）。實驗物理學家已經在一些物質中觀察到了這種行為，但是還要做很多工作才能確定它的確是跟一種新型粒子聯系在一起的。

研究人員發現，雖然相對論只允許存在一種威爾費米子，但是在凝聚態固體中，可能存在兩種完全不同的威爾費米子。標準的I型費米子在零點能下有兩種存在狀態，這和電子只能高速地向上或者向下旋轉相似。這種威爾費米子存在于相對場論中，也是在保持洛倫茲不變性的情況下唯一被允許存在的費米子。

新近預測出的Ⅱ型威爾費米子在零點能下有一個熱力動力學數量的存在狀態。它有費米面。它的費米面其實是外來的，在費米面中，它和觸點一起出現在電子和電洞口袋之間，賦予Ⅱ型威爾費米子一種有限密度的狀態，也就打破了洛倫茲對稱性。

這項發現開啟了許多新的方向。大多數正常金屬處于磁場中時電阻率都會增大，這個已知的作用也被廣泛應用于當代科技。普林斯頓大學和英國皇家物理學會北京分會的兩組實驗成果顯示，如果電場和磁場作用于同一方向，電阻率其實可以減小。這種作用被稱為負縱向磁電阻。包含Ⅱ型威爾費米子的物質有著混合的運行狀態：若它和磁場方向相同，則和正常金屬一樣電阻率增大;若方向不同，則可以像在威爾半金屬中一樣電阻率減小。這也提供了許多潛在的應用于材料研發的可能。

研究人員稱：“更引人入勝的是能在其他凝聚態系統中發現更多的基本粒子。還有什么別的粒子隱藏在這些‘物質宇宙’中呢？其實，存在于物質中的那些令人意想不到的費米子才剛剛開始‘浮出水面’呢！”

延伸閱讀

恩利克?費米，美籍意大利著名物理學家，1938年諾貝爾物理學獎得主。費米領導一個研究小組在芝加哥大學建立了人類第一臺可控核反應堆，人類從此邁入原子能時代。

第8篇：量子力學特征范文

關鍵詞：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，沈陽化工大學數理系，講師；母繼榮（1964-），女，河北樂亭人，沈陽化工大學數理系，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典物理學發展到現代物理學，奠定了現代自然科學的主要基礎。量子力學的發現引發了一系列劃時代的科學發現與技術發明，對人類社會的進步作出了重要貢獻。通過量子物理的教學，有利于培養大學生的科學素質、科學思維方法和科研能力，培養學生的探索精神、創新精神、科學思維能力以及辯證唯物主義的科學觀。另外，量子物理是處于發展中的理論，怎樣將量子論和廣義相對論（引力作用）統一起來仍是困擾人們的問題。“弦理論”的提出使人們看到了希望，通過這部分的教學可以培養學生的橫、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，既培養了學生的學習興趣，又有利于實現啟發式教學，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、非物理專業大學生學習量子物理的需要

即使是物理專業的學生，多數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展史，不僅能吸引學生的注意力，調動學生的學習興趣，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。而非物理專業的學生與物理專業的學生相比，在學習量子物理時難度更大。這是由于物理專業的學生開設了許多物理專業課，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展史的介紹，不僅降低了學生學習難度，還激發了學生學習興趣，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基本建成，后輩的工作只是做些細枝末節的修補和完善。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、大學生素質教育的需要

大學物理的量子部分教學不同于物理專業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，培養學生科學的思維方法、辯證唯物主義觀等素質教育，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節中，都應在傳授知識的同時注重培養學生分析問題和解決問題能力，注重培養學生科研探索精神和辯證唯物主義世界觀的形成。量子物理發展史的介紹和講解有助于培養學生這方面的能力。

1.辯證唯物主義世界觀的培養

在大學物理的教學過程中融入物理學史的內容有利于培養學生的辯證唯物主義世界觀。如關于光的本性的爭論持續了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于電子的實驗，電子通過鎳塊時展現了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

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現一個奇怪的現象：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關系。如果運用通常的波動理論，散射應該不會改變入射光的波長才對。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

通過大學物理量子史部分的教學，介紹科學家嚴謹的治學態度、勇于追求真理的精神，培養學生追求真理的勇氣、嚴謹求實的科學態度和刻苦鉆研的作風。

4.科學觀察和思維能力的培養

在教學的過程中適當融入量子發展史的內容有利于培養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，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.創新意識的培養

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

6.科學美感的培養

以麥克斯韋方程組為例，描述麥氏方程所表現出的深刻、對稱、優美，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，簡潔優美要比實驗數據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、和諧統一等美學特征，培養學生的科學審美觀，使學生學會用美學的觀點欣賞和發掘科學的內在規律，逐步增強認識和掌握自然科學規律的能力。

7.科學探索精神的培養

物理學在追求著大統一。許多科學家獻身于這項偉大的事業，比如弦理論的提出。講述其發展過程可激發學生的科學探索精神。

三、科學發展的需要

科學發展到今天，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。”以史為鑒，才能少走彎路。物理學發展到今天只剩下了最后一個分歧，但也很可能是最難以調和和統一的分歧，即量子物理和引力理論。只有了解和掌握了前輩所創造的財富，才能找到解決物理大統一的有效道路，才能實現物理學的夢想。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。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、創新意識及科學探索精神，又有助于啟發式教學。

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，

第9篇：量子力學特征范文

第谷用畢生精力，在布拉格天文臺觀測了大量天文數據資料.第谷死后，將這些天文資料都留給了開普勒.你看表格中的數據，是不是有些凌亂？但是開普勒堅信一定可以找到行星運動數值上的簡單關系，因為物理學是符合簡單美的觀念已經深深地刻在他的腦海中.經過多年的艱苦工作，他終于發現了行星運動的三大定律，其中第三條定律的數學表達式是T2=D3（式中T代表行星繞太陽一周經過的時間，即公轉周期，D代表行星離開太陽的距離）.當你從如此凌亂無序的數據中發現如此簡潔的公式，使繁星浩淼的宇宙頓時變得清晰時，象這種“哲學領悟、物理直覺和數學技巧最驚人的組合”的公式，難道你還沒有體驗到它的簡單美嗎？

如果地球表面的重力加速度不是9.8米/秒2，而是一個隨時變化的數值，那么世界將會變得怎么樣呢？一會兒腳被大地粘住，挪動不得；一會兒又捷步如飛，想停也停不下來；說不定什么時候，漫天飛舞的樹葉真的像鉛球砸破了你的腦門.果真如此的話，人們的生存就成了問題.然而這樣的情況是不會發生的，因為地球的重力加速度在是球表面的任何地方都是相同的，約等于9.8米/秒2.顯然9.8就不是一個簡單的數字了，它從某個方面反映了自然的和諧與平衡，讓人覺得奇妙與神秘.其實，物理常數也是開啟自然規律的鑰匙，如萬有引力是經典物理的標志；普朗克常數是量子物理的符號，等等.

是的，物理中的每一條定理、定律或公式，甚至一個常數，雖然形式極其簡單，但讓人一看就能領會其中的內涵，便能體會到其中的簡潔美.因為科學家們似乎總是用周圍濃縮的公式和定理來表現他們高水平的美感的.難怪阿基米德發現鑒別皇冠是否摻假的方法時，竟然著身子跳出浴盆.因為他沉浸在科學的發現之中，體驗到物理中的美.

對稱總是和美聯系在一起的.楊振寧在諾貝爾物理獎獲獎演說中也深感對對稱力量的欽佩.事實上，自然原則的內在對稱性成為一個具有規范意義的美學標準.你看平面鏡中的像與物關于鏡面對稱；萬有引力與庫侖定律在形式上對稱，而麥克斯韋方程組更是自然科學美的力作，美學上真正完美的對稱科學作品.象這樣形式上對稱的物理客體或物理原理是無法統計的，其對稱之美也是無法用語言能表述到位的.

抽象對稱性在科學研究中更為普遍與重要.1820年丹麥物理學家奧斯特發現了電流的磁效應，即電可以轉變為磁.在對稱性思想的指引下，英國年輕的物理學家法拉第堅信：既然電可以轉化為磁，那么磁也一定可以轉化為電.隨后他開始了長達10年的艱辛工作，并在1831年驗證了他自己的天才預言，發現了電磁感應原理，成為十九世紀最偉大的發現之一，也為后來發明發電機，使人類對能源的利用從化石時代進入電氣時代做好了理論上的準備.當法拉第在皇家協會展示他的發電機時，一位貴婦人問：“這玩意兒能有什么用呢？”法拉第回答：“你不應當問剛出生的嬰兒有什么出息，誰能料到他長大后會怎么樣？”如此巧妙的回答，實在對科學的寧馨兒的由衷贊美，也是對自然界內在和諧的崇高禮贊.

數學對稱性又稱數學變換不變性，其基本思想是，每一個變換不變性都包含不變量和變換式兩個要素.這里的不變量泛指在變換中保持不變的物理量、物理定律等.如牛頓定律在伽俐略變換中具有不變性.從牛頓到愛因斯坦都認為物理學的理論對于空間-時間變換必須是不變的.洛侖茲變換的不變性導致統計力學與量子力學；相空間變換的不變性導致廣義相對論.

狄拉克是20世紀一位偉大的物理學家.他在當時提出了一個描寫電子運動的方程，這個方程形式上對稱、優美，并和實驗結果非常符合.但是方程的對稱卻帶來了一個當時令人意外的情形：原子中正負電荷間存在著一個與核外電子的質量、電量相等而電性卻相反的“正電子”.如果堅持這個方程就必須承認這個當時看來子烏虛有的“正電子”的存在，必然會遭到許多物理學家的反對.是放棄還是堅持？狄拉克毫不猶豫地選擇了后者.幾年后，實驗證實了“正電子”的存在，并完全符合狄拉克的預言.

千姿百態的自然是普遍聯系的，反映物質世界的物理規律也是豐富多彩、和諧統一的.物理學中各種理論內部以及各部分之間的現象、概念與規律等卻是互相矛盾的，表現出自洽和諧美.物理高級理論對低級理論的包含，或者說低級理論與高級理論在某些特定條件下的結論一致，比如當物質的速度遠小于光速時，相對論力學就還原為牛頓經典力學.而當h O 時量子力學就回到了經典力學，物理就表現出對應和諧美.量子力學是通過兩條途徑發展起來的，一條是在玻爾思想的影響下，把微觀過程當作粒子來處理，描繪出一幅以粒子性為根本特征的圖象；另一條是在愛因斯坦思想影響下建立的以波動性為核心特征的理論，描繪出了以波動性為特征的物理圖象，這兩種表述都能從某個方面說明粒子的特征，但是卻互不包含，而量子力學理論詮釋的關鍵在于把彼此排斥的波動性和粒子性兩種描述協調起來，用粒子和它出現的概率來描述微觀客體的波粒二象性.將互補又互斥的物理規律統一起來，表現出物理學的互補和諧美.