量子力學(xué)的認(rèn)識和理解精選(九篇)

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第1篇：量子力學(xué)的認(rèn)識和理解范文

【關(guān)鍵詞】量子力學(xué)；實驗教學(xué)；改革

中圖分類號：041 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-0278（2013）04-193-01

一、引言

作為現(xiàn)代物理學(xué)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的理論基礎(chǔ)，量子力學(xué)將物質(zhì)的波動性與粒子性統(tǒng)一起來，是研究微觀粒子運動規(guī)律的物理學(xué)分支學(xué)科。很多教師在上課時只著重于講授理論體系本身的知識，往往忽略了理論和實驗的緊密聯(lián)系，從而導(dǎo)致它的實驗建設(shè)一直是本課程建設(shè)的薄弱環(huán)節(jié)。充分考慮到該門課程的性質(zhì)和特點，我們在教學(xué)中借鑒了工科教學(xué)的模式重點圍繞“培養(yǎng)學(xué)生物理應(yīng)用的慣性意識與掌握量子力學(xué)基本概念和規(guī)律”的目標(biāo)開展了三類不依賴于儀器設(shè)備和環(huán)境條件的實驗，以切實貫徹“德育為先、能力為重”和“育人為本”的原則。

二、量子力學(xué)的實驗教學(xué)

為了讓學(xué)生從思想上接受并理解量子觀念，在學(xué)習(xí)中透過復(fù)雜的數(shù)學(xué)計算深入理解量子力學(xué)的概念和規(guī)律，并能主動積極地思考、解決相關(guān)問題，我們構(gòu)建了由思想、演示與創(chuàng)新性實驗組成的課內(nèi)課外教學(xué)平臺，以輔助量子力學(xué)的理論教學(xué)過程。

思想實驗，又稱“假想實驗”，是人類按照科學(xué)研究的實驗過程在頭腦中進行的發(fā)現(xiàn)和獲取科學(xué)事實與自然規(guī)律的邏輯思維活動，是自然科學(xué)家和哲學(xué)家經(jīng)常使用的一種十分有效的研究方法。由于不會受到主客觀條件及儀器設(shè)備的操作限制，思想實驗可以為學(xué)生的思維互動啟發(fā)提供有利的平臺。事實上，在量子力學(xué)建立與發(fā)展的過程中，很多思想實驗都起到了重要的推動作用。例如作為量子力學(xué)的創(chuàng)始人之一，奧地利物理學(xué)家埃爾溫?薛定諤提出了著名的“薛定諤之貓”的思想實驗，它將量子理論微觀領(lǐng)域中原子核衰變的量子不確定性與宏觀領(lǐng)域中貓的生死聯(lián)系在了一起，充分體現(xiàn)了量子力學(xué)的奇異性。通過在課堂教學(xué)中講授諸如此類的思想實驗可以給學(xué)生提供一個動腦“做”理論的機會，這樣不僅可以使學(xué)生從理性的角度接受量子力學(xué)的基本思想并深入理解量子力學(xué)的基本概念和基本理論，還可以激發(fā)他們對課程的學(xué)習(xí)興趣，在無形中培養(yǎng)他們的理性思維、邏輯思維、創(chuàng)新意識和推理能力。

演示實驗，即教師在課堂上借助視頻、計算機模擬等手段演示實驗過程，展示物理現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生觀察、思考、分析并得出結(jié)論的過程。量子力學(xué)的建立離不開很多重要實驗的支撐，如黑體輻射、光電效應(yīng)等。其中一些實驗由于條件及經(jīng)費的限制目前無法在實驗室開展，所以我們可以充分利用豐富的網(wǎng)絡(luò)資源及Matlab等數(shù)學(xué)軟件構(gòu)建演示實驗的平臺，給學(xué)生提供一個動眼“做”理論的機會。一方面，通過播放演示實驗的視頻重現(xiàn)實驗過程，加強引導(dǎo)學(xué)生對實驗的條件、思路和方法等進行思考和分析，培養(yǎng)學(xué)生的實驗素養(yǎng)和強化他們的實驗技能，幫助他們增加感性認(rèn)識，使他們體會科學(xué)的發(fā)展過程，克服抽象的物理圖景給他們帶來的困擾。另一方面，通過利用數(shù)學(xué)軟件實現(xiàn)對量子力學(xué)課程中一些問題的靜、動態(tài)數(shù)值模擬，將抽象的量子力學(xué)結(jié)果形象直觀化，幫助學(xué)生透過復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)深入、形象地認(rèn)識微觀粒子的特征，使他們深入理解量子力學(xué)的基本原理和基本概念，提高他們運用物理思想進行綜合分析的能力。

知識的獲得是為了更好地服務(wù)于實踐，因此為了讓學(xué)生能將量子力學(xué)中所學(xué)到的基本理論運用于實踐，我們在該門課程的教學(xué)中還開設(shè)了創(chuàng)新性實驗，為學(xué)生提供動手“做”理論的機會。首先教師在課堂的教學(xué)中始終貫徹科研促教學(xué)的思想，有意識地結(jié)合具體的教學(xué)內(nèi)容進行近代物理前沿知識的滲透。然后鼓勵學(xué)生根據(jù)自己的實際情況與興趣并結(jié)合畢業(yè)論文自由組合選擇相應(yīng)的小課題在教師的指導(dǎo)下進行專題研究，同時對于一些學(xué)生在平時教學(xué)過程中反映出來的理解上比較模糊或難以理解的部分定期組織專題討論。該類實驗的開設(shè)為學(xué)生提供了實踐的自由發(fā)揮空間，可以初步培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)理分析能力與結(jié)合自己的興趣自我發(fā)現(xiàn)問題并解決與專業(yè)相關(guān)領(lǐng)域?qū)嶋H問題的能力及撰寫科研論文的能力，同時還增強了學(xué)生對量子力學(xué)課程學(xué)習(xí)的興趣和團結(jié)協(xié)作精神。

第2篇：量子力學(xué)的認(rèn)識和理解范文

論文摘要：針對鄭州輕工業(yè)學(xué)院量子力學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀，結(jié)合“量子力學(xué)”的課程特點，立足于提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探索精神及創(chuàng)新能力，簡要介紹了近年來在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段和考核方法等方面進行的一些改革嘗試。

論文關(guān)鍵詞：量子力學(xué)；教學(xué)改革；物理思想

“量子力學(xué)”是20世紀(jì)物理學(xué)對科學(xué)研究和人類文明進步的兩大標(biāo)志性貢獻之一，已經(jīng)成為物理學(xué)專業(yè)及部分工科專業(yè)最重要的基礎(chǔ)課程之一，是學(xué)習(xí)“固體物理”、“材料科學(xué)”、“材料物理與化學(xué)”和“激光原理”等課程的重要基礎(chǔ)。通過這門課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能熟練掌握量子力學(xué)的基本概念和基本理論，具備利用量子力學(xué)理論分析問題和解決問題的能力。同時，這門課程對培養(yǎng)學(xué)生的探索精神和創(chuàng)新意識及科學(xué)素養(yǎng)亦具有十分重要的意義。然而，“量子力學(xué)”本身是一門非常抽象的課程，眾多學(xué)生談“量子”色變，教學(xué)效果可想而知。如何激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)本課程的熱情，充分調(diào)動學(xué)生的積極性和主動性，提高量子力學(xué)的教學(xué)水平和教學(xué)質(zhì)量，已經(jīng)成為擺在教師面前的重要課題。近年來，筆者在借鑒前人經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合鄭州輕工業(yè)學(xué)院（以下簡稱“我?！保┙虒W(xué)實際，在“量子力學(xué)”的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法方面做了一些有益的改革嘗試，取得了較好的效果。

一、“量子力學(xué)”教學(xué)內(nèi)容的改革

量子力學(xué)理論與學(xué)生長期以來接觸到的經(jīng)典物理體系相去甚遠，尤其是處理問題的思路和手段與經(jīng)典物理截然不同，但它們之間又不無關(guān)聯(lián)，許多量子力學(xué)中的基本概念和基本理論是類比經(jīng)典物理中的相關(guān)內(nèi)容得出的。因此，在“量子力學(xué)”教學(xué)中，一方面需要學(xué)生摒棄在經(jīng)典物理學(xué)習(xí)中形成的固有觀念和認(rèn)識，另一方面在學(xué)習(xí)某些基本概念和基本理論時又要求學(xué)生建立起與經(jīng)典物理之間的聯(lián)系以形成較為直觀的物理圖像，這種思維上的沖突導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)這門課程時困惑不堪。此外，這門課程理論性較強，眾多學(xué)生陷于煩瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)之中，導(dǎo)致學(xué)習(xí)興趣缺失。針對以上教學(xué)中發(fā)現(xiàn)的問題，筆者對“量子力學(xué)”課程的教學(xué)內(nèi)容作了一些有益的調(diào)整。

1.理清脈絡(luò)，強化知識背景

從經(jīng)典物理所面臨的困難出發(fā)，到半經(jīng)典半量子理論的形成，最終到量子理論的建立，對量子力學(xué)的發(fā)展脈絡(luò)進行細致的、實事求是的分析，特別是對量子理論早期的概念發(fā)展有一個準(zhǔn)確清晰的理解，弄清楚到底哪些概念和原理是已經(jīng)證明為正確并得到公認(rèn)的，還存在哪些不完善的地方。這樣一方面可使學(xué)生對量子力學(xué)中基本概念和基本理論的形成和建立的科學(xué)歷史背景有一深刻了解，有助于學(xué)生理清經(jīng)典物理與量子理論之間的界限和區(qū)別，加深他們對這些基本概念和基本理論的理解；另一方面，可使學(xué)生對蘊藏在這一歷程中的智慧火花和科學(xué)思維方法有一全面的了解，有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識及科學(xué)素養(yǎng)。比如：對于玻爾理論，由于對量子化假設(shè)很難用已經(jīng)成形的經(jīng)典理論來解釋，學(xué)生往往會覺得不可思議，難以理解。為此，在講解這部分內(nèi)容時，很有必要介紹一下玻爾理論產(chǎn)生的歷史背景，告訴學(xué)生在玻爾的量子化假設(shè)之前就已經(jīng)出現(xiàn)了普朗克的量子論和愛因斯坦的光量子概念，且大量關(guān)于原子光譜的實驗數(shù)據(jù)也已經(jīng)被掌握，之前盧瑟福提出的簡單行星模型卻與經(jīng)典物理理論及實驗事實存在嚴(yán)重背離。為了解決這些問題，玻爾理論才應(yīng)運而生。在用量子力學(xué)求解氫原子定態(tài)波函數(shù)時，還可以通過定態(tài)波函數(shù)的概率分布圖，向?qū)W生介紹所謂的玻爾軌道并不是真實存在的，只是電子出現(xiàn)幾率比較大的區(qū)域。通過這樣講述，學(xué)生可以清晰地體會到玻爾理論的承上啟下的作用，而又不至于將其與量子力學(xué)中的概念混為一談。

2.重在物理思想，壓縮數(shù)學(xué)推導(dǎo)

在物理學(xué)研究中，數(shù)學(xué)只是用來表述物理思想并在此基礎(chǔ)上進行邏輯演算的工具，教師不能將深刻的物理思想淹沒在復(fù)雜的數(shù)學(xué)形式之中。因此，在教學(xué)過程中，教師要著重于加強基本概念和基本理論的講授，把握這些概念和理論中所蘊含的物理實質(zhì)。對一些涉及繁難數(shù)學(xué)推導(dǎo)的內(nèi)容，在教學(xué)中刻意忽略具體數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程，著重于使學(xué)生掌握其中的思想方法。例如：在一維線性諧振子問題的教學(xué)中，對于數(shù)學(xué)方面的問題，只要求學(xué)生能正確寫出薛定諤方程、記住其結(jié)論即可，重點放在該類問題所蘊含的物理意義及對現(xiàn)成結(jié)論的應(yīng)用上。這樣，學(xué)生就不會感到枯燥無味，而能始終保持較高的學(xué)習(xí)熱情。

二、教學(xué)方法改革

傳統(tǒng)的“填鴨式”教學(xué)法把課堂變成了教師的“一言堂”，使得學(xué)生在教學(xué)活動中始終處于被動接受地位，極大地壓制了學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性，十分不利于知識的獲取以及對學(xué)生創(chuàng)新能力及科學(xué)思維的培養(yǎng)。而且，“量子力學(xué)”這門課程本身實驗基礎(chǔ)薄弱、理論性較強，物理圖像不夠直觀，一味采取灌輸式教學(xué)，學(xué)生勢必感到枯燥，甚至厭煩。長期以往，學(xué)習(xí)積極性必然受挫，學(xué)習(xí)效果自然大打折扣。為了提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)其學(xué)習(xí)的積極性，培養(yǎng)其科學(xué)探索精神及創(chuàng)新能力，筆者在教學(xué)方法上進行了一些有益的探索。

1.發(fā)揮學(xué)生主體作用

除卻必要的教學(xué)內(nèi)容講解外，每節(jié)課都留出一定的師生互動時間。教師通過創(chuàng)設(shè)問題情景，引導(dǎo)學(xué)生進行研究討論，或者針對已講授內(nèi)容，使學(xué)生對已學(xué)內(nèi)容進行復(fù)習(xí)、總結(jié)、辨析，以加深理解；或者針對未講授內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)新知識的興趣（比如，在講授完一維無限深方勢阱和一維線性諧振子這兩個典型的束縛態(tài)問題后就可引導(dǎo)學(xué)生思考“非束縛態(tài)下微觀粒子又將表現(xiàn)出什么樣的行為”），這樣學(xué)生就會積極地預(yù)習(xí)下節(jié)內(nèi)容；或者選擇一些有代表性的習(xí)題，讓學(xué)生提出不同的解決辦法，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。對于在課堂上不能解決的問題，積極鼓勵學(xué)生利用圖書館及網(wǎng)絡(luò)資源等尋求解決，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探索精神。此外，還可使學(xué)生自由組合，挑選他們感興趣的與課程有關(guān)的題目進行討論、調(diào)研并完成小組論文，這一方面激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)積極性，另一方面使其接受初步的科研訓(xùn)練，一舉兩得。 轉(zhuǎn)貼于

2.注重構(gòu)建物理圖像

在實際教學(xué)中著重注意物理圖像的構(gòu)建，使學(xué)生對一些難以理解的概念和理論形成較為直觀的印象，從而形成深刻的記憶和理解。例如：借助電子束衍射實驗，通過三個不同的實驗過程（強電子束、弱電子束及弱電子束長時間曝光），即可為實物粒子的波粒二象性構(gòu)建出一幅清晰的物理圖像；借助電子束衍射實驗圖像，再以光波類比電子波，即可凝練出波函數(shù)的統(tǒng)計解釋；借助電子雙縫衍射實驗圖像，可使學(xué)生更易接受和理解態(tài)疊加原理；借助解析幾何中的坐標(biāo)系，可很好地為學(xué)生建立起表象的物理圖像。盡管這其中光波和電子波、坐標(biāo)系和表象這些概念之間有本質(zhì)上的區(qū)別，但借助這些學(xué)生已經(jīng)熟知和深刻理解的概念，可使學(xué)生非常容易地接受和理解量子力學(xué)中難以言明的概念和理論，同時，也可使學(xué)生掌握這種物理圖像的構(gòu)建能力，對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維具有非常積極地作用。

三、教學(xué)手段和考核方式改革

1.課程教學(xué)采用多種先進的教學(xué)方式

如安排小組討論課，對難于理解的概念和規(guī)律進行討論。先是各小組內(nèi)討論，再是小組間辯論，最后老師對各小組討論和辯論的觀點進行評述和指正。例如，在講到微觀粒子的波函數(shù)時，有的學(xué)生認(rèn)為是全部粒子組成波函數(shù)，有的學(xué)生認(rèn)為是經(jīng)典物理學(xué)的波。這些問題的討論激發(fā)了學(xué)生的求知欲望，從而進一步激發(fā)了學(xué)生對一些不易理解的概念和量子原理進行深入理解，直至最后充分理解這些內(nèi)容。另外課程作業(yè)布置小論文，邀請國內(nèi)外專家開展系列量子力學(xué)講座等都是不錯的方式。

2.堅持研究型教學(xué)方式

把課程教學(xué)和科研相結(jié)合，在教學(xué)過程中針對教學(xué)內(nèi)容，吸取科研中的研究成果，通過結(jié)合最新的科研動態(tài)，向?qū)W生講授在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用以培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。在量子力學(xué)誕生后，作為現(xiàn)代物理學(xué)的兩大支柱之一的現(xiàn)代物理學(xué)的每一個分支及相關(guān)的邊緣學(xué)科都離不開量子力學(xué)這個基礎(chǔ)，量子理論與其他學(xué)科的交叉越來越多。例如：基本粒子、原子核、原子、分子、凝聚態(tài)物理到中子星、黑洞各個層次的研究以量子力學(xué)為基礎(chǔ)；量子力學(xué)在通信和納米技術(shù)中的應(yīng)用；量子理論在生物學(xué)中的應(yīng)用；量子力學(xué)與正在研究的量子計算機的關(guān)系等，在教學(xué)中適當(dāng)?shù)卮┎暹@些知識，擴大學(xué)生的知識面，消除學(xué)生對量子力學(xué)的片面認(rèn)識，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和主動性。

3.利用量子力學(xué)課程將人文教育與專業(yè)教學(xué)相結(jié)合

量子力學(xué)從誕生到發(fā)展的物理學(xué)史所包含的創(chuàng)新思維是迄今為止哪一門學(xué)科都難以比擬的。在19世紀(jì)末至20世紀(jì)初，經(jīng)典物理學(xué)晴空萬里，然而黑體輻射、光電效應(yīng)、原子光譜等物理現(xiàn)象的實驗結(jié)果嚴(yán)重沖擊經(jīng)典物理學(xué)理論，讓經(jīng)典物理學(xué)陷入危機四伏的境地。1900年，德國物理學(xué)家普朗克創(chuàng)造性地引入了能量子的概念，成功地解釋了黑體輻射現(xiàn)象，量子概念誕生。1905年，愛因斯坦進一步完善了量子化觀念，指出能量不僅在吸收和輻射時是不連續(xù)的（普朗克假設(shè)），而且在物質(zhì)相互作用中也是不連續(xù)的。1913年，玻爾將量子化概念引入到原子中，成功解釋了有近30年歷史的巴爾末經(jīng)驗光譜公式。泡利突破玻爾半經(jīng)典、半量子論的局限，給予了令玻爾理論不安的反常塞曼效應(yīng)以合理解釋。1924年，德布羅意突破普朗克能量子觀念提出微觀粒子具有波粒二象性，開始與經(jīng)典理論分庭抗禮。和學(xué)生一起重溫量子力學(xué)史的發(fā)展之路，在教學(xué)過程中展現(xiàn)量子力學(xué)數(shù)學(xué)形式之美，使學(xué)生在科學(xué)海洋中得到美的享受，從精神上熏陶他們的創(chuàng)新精神。

4.考試方式改革

在本課程的教學(xué)中采用了教考分離，通過小考題的形式復(fù)習(xí)章節(jié)內(nèi)容，根據(jù)學(xué)生的實際水平適當(dāng)輔導(dǎo)答疑，注重學(xué)生對量子力學(xué)基礎(chǔ)知識理解的考核。對于評價系統(tǒng)的建立，其中平時成績（包括作業(yè)、討論、綜合表現(xiàn)等）占30％，期末考試占70％。從實施的效果來看，督促了學(xué)生的學(xué)習(xí)，收到了較好的效果，受到學(xué)生的歡迎。

第3篇：量子力學(xué)的認(rèn)識和理解范文

關(guān)鍵詞:量子力學(xué);量子測量;偏振

中圖分類號:O413．1 文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:1000-0712(2016)03-0005-03

量子力學(xué)是近代物理學(xué)的基礎(chǔ)，并且其應(yīng)用領(lǐng)域已延伸至化學(xué)、生物等許多交叉學(xué)科當(dāng)中，這一課程已成為當(dāng)今大學(xué)生物理教學(xué)中一個極為重要的組成部分．由于量子力學(xué)主要是描述微觀世界結(jié)構(gòu)、運動與變化規(guī)律的學(xué)科，微小尺度下的許多自然現(xiàn)象與人們?nèi)粘Ｉ罱?jīng)驗相距甚遠，量子力學(xué)的概念有悖于人們的直覺，難以被初學(xué)者接受．如果在教學(xué)中能夠結(jié)合具體的物理實驗，從現(xiàn)象到本質(zhì)引導(dǎo)學(xué)生思考，就可以使抽象的量子概念落實到對具體實驗現(xiàn)象的歸納總結(jié)上來．偏振光實驗是一個現(xiàn)象直觀而且學(xué)生容易操作的普通物理實驗，在學(xué)生掌握的已有知識基礎(chǔ)上，進行新內(nèi)容的教學(xué)，符合初學(xué)者的認(rèn)知規(guī)律．利用光的偏振現(xiàn)象來闡述量子力學(xué)基本概念已被一些國內(nèi)外經(jīng)典教材采納，如物理學(xué)大師狄拉克所著的《量子力學(xué)原理》［1］，費因曼所著的《費因曼物理學(xué)講義》［2］，曾謹(jǐn)言教授所著的《量子力學(xué)卷1》［3］，趙凱華、羅蔚茵教授合著的《量子物理》［4］等教材．在本文中，筆者結(jié)合自己的教學(xué)體驗，著重從可觀測量和測量的角度來考慮問題，在以上經(jīng)典教材的基礎(chǔ)上，進一步整理和挖掘光子偏振所能體現(xiàn)的量子力學(xué)基本概念．從量子力學(xué)的角度對偏振實驗現(xiàn)象進行分析，使同學(xué)們對態(tài)空間、量子力學(xué)表象、波函數(shù)統(tǒng)計解釋、態(tài)疊加原理等量子力學(xué)概念有一個直觀形象的認(rèn)識，領(lǐng)會量子力學(xué)若干基本假定的內(nèi)涵思想．最后，從量子角度分析了一個有趣的偏振光實驗，加深學(xué)生對量子力學(xué)基本概念的理解，并展示了量子力學(xué)的奇妙特性．

1偏振光實驗的經(jīng)典解釋

如圖1(a)所示，沿著光線傳播的方向，順次擺放兩個偏振片P1、P2．光束經(jīng)過P1后變?yōu)榕c其透振方向一致且光強為I0的偏振光．兩偏振片P1和P2的透振方向之間夾角為θ，由馬呂斯定律可知，透過偏振片P2的光的強度為I0cos2θ．按照經(jīng)典的光學(xué)理論，此現(xiàn)象可理解如下:在一個與光傳播方向垂直的平面內(nèi)選定一個xy平面直角坐標(biāo)系，這里為了描述問題的方便，選定x軸沿P2的透振方向．如圖1(b)所示，透過偏振片P1的光電場矢量E可分解為兩個分量:沿x方向振動的電場矢量Ex和沿y方向振動的電場矢量Ey．偏振光照射到P2偏振片時，投影到y(tǒng)方向的電場矢量被吸收，投影到x方向的電場矢量透過，振幅增加了一個常數(shù)因子cosθ，因而強度變?yōu)樵瓉淼腸os2θ倍，這正是馬呂斯定律所給出的結(jié)果．

2偏振光實驗體現(xiàn)的量子力學(xué)概念

下面我們由偏振光的實驗現(xiàn)象出發(fā)，引出量子態(tài)、態(tài)空間等量子概念，并用量子力學(xué)的語言來描述單個光子與偏振片發(fā)生相互作用的過程，討論在多個光子情況下的量子行為與馬呂斯定律的一致性．

2．1量子態(tài)

從實驗得知，當(dāng)線偏振光用于激發(fā)光電子時，激發(fā)出的光電子分布有一個優(yōu)越的方向(與光偏振方向有關(guān))，根據(jù)光電效應(yīng)，每個電子的發(fā)射對應(yīng)吸收一個光子，可見，光的偏振性質(zhì)是與它的粒子性質(zhì)緊密聯(lián)系的，人們必須把線偏振光看成是在同一方向上偏振的許多光子組成，這樣我們可以說單個光子處在某個偏振態(tài)上．沿x方向偏振的光束里，每個光子處在|x〉偏振態(tài)，沿y方向偏振的光束中，每個光子處在|y〉偏振態(tài)．假設(shè)我們在實驗中把光的強度降到足夠低，以至于光子是一個一個到達偏振片的．在圖1所示的例子中，通過P1偏振片的光子處在沿P1透振方向的偏振態(tài)上，如果P2與P1透振方向一致(θ=0)，則此光子完全透過P2，如果P2與P1透振方向正交(θ=π/2)，則被完全吸收．如果P1與P2透振方向之間角度介于兩者之間，會是一種什么樣的情形，會不會有部分光子被吸收，部分光子透過的情況發(fā)生，但是實驗上從來沒有觀察到部分光子的情形，只存在兩種可能的情況:光子變到量子態(tài)|y〉，被整個吸收;或變到量子態(tài)|x〉，完全透過．下面我們用量子力學(xué)的語言來描述單個光子與偏振片發(fā)生相互作用的過程，引入量子測量、態(tài)空間、表象、態(tài)疊加原理、波函數(shù)統(tǒng)計解釋等量子概念．

2．2量子測量、態(tài)空間、表象

單個光子與偏振片發(fā)生相互作用的過程，可以看成是一個量子測量的過程，偏振片作為一個測量裝置，迫使光子的偏振態(tài)在透振方向和與其相垂直的方向上作出選擇，測量的結(jié)果只有兩個，透過或被吸收，透過光子的偏振方向與透振方向一致，被吸收光子的偏振方向與透振方向垂直，可見光子經(jīng)過測量后只可能處在兩種偏振狀態(tài)，這正是量子特性的反應(yīng)．在量子力學(xué)中，針對一個具體的量子體系，對某一力學(xué)量進行測量，測量后得到的值是這一力學(xué)量的本征值，我們稱它為本征結(jié)果，相應(yīng)的量子態(tài)坍縮到此本征結(jié)果所對應(yīng)的本征態(tài)上，所有可能的本征態(tài)則構(gòu)成一組正交、規(guī)一、完備的本征函數(shù)系，此本征函數(shù)系足以展開這個量子體系的任何一個量子態(tài)．很自然，我們在這里把經(jīng)過偏振片測量后，所得到的兩種可能測量結(jié)果(透過或吸收)作為本征結(jié)果，它們分別對應(yīng)的兩種偏振狀態(tài)，此兩種偏振狀態(tài)可以作為正交、規(guī)一、完備的函數(shù)系，組成一個完備的態(tài)空間，任何偏振態(tài)都可以按照這兩種偏振態(tài)來展開，展開系數(shù)給出一個具體的表示，這就涉及到量子力學(xué)表象問題．在量子力學(xué)中，如果要具體描述一個量子態(tài)通常要選擇一個表象，表象的選取依據(jù)某一個力學(xué)量(或力學(xué)量完備集)的本征值(或各力學(xué)量本征值組合)所對應(yīng)的本征函數(shù)系，本征函數(shù)系作為正交、規(guī)一、完備的基矢組可以用來展開任何一個量子態(tài)，展開系數(shù)的排列組合給出某一個量子態(tài)在具體表象中的表示．結(jié)合我們的例子，組成基矢組的兩種偏振狀態(tài)取決于和光子發(fā)生相互作用的偏振片，具體說來是由偏振片的透振方向決定．在具體分析問題時，為了處理問題的方便，光子與哪一個偏振片發(fā)生相互作用，在數(shù)學(xué)形式上，就把光子的偏振狀態(tài)按照此偏振片所決定的基矢組展開，這涉及到怎么合理選擇表象的問題．

2．3態(tài)疊加原理、波函數(shù)統(tǒng)計解釋

以上簡單的試驗也可以作為一個形象的例子來說明量子力學(xué)中的態(tài)疊加原理．態(tài)疊加原理的一種表述為［5］:設(shè)系統(tǒng)有一組完備集態(tài)函數(shù){φi}，i=1，2，．．．，t，則系統(tǒng)中的任意態(tài)|ψ〉，可以由這組態(tài)函數(shù)線性組合(疊加)而成(1)另一種描述為:如果{φi}，i=1，2，．．．，t是體系可以實現(xiàn)的狀態(tài)(波函數(shù))，則它們的任何線性疊加式總是表示體系可以實現(xiàn)的狀態(tài)．在我們的例子中，任何一個偏振片所對應(yīng)的透振態(tài)和吸收態(tài)構(gòu)成完備集態(tài)函數(shù)，任何一個偏振態(tài)都能夠在以此偏振片透振方向所決定的基矢組中展開，參照圖1所示，通過偏振片P1的偏振態(tài)可以在以偏振片P2透振方向所決定的基矢組{|x〉，［y)}中表示為(2)相反，|x〉、|y〉基矢的任意疊加態(tài)也都是光子可能實現(xiàn)的偏振態(tài)．量子力學(xué)還假定，當(dāng)物理體系處于疊加態(tài)式(1)時，可以認(rèn)為體系處于φi量子態(tài)的概率為|ci|2．從前面的分析我們知道，當(dāng)用偏振片P2對偏振態(tài)|P1〉進行測量時，此狀態(tài)隨機地坍縮到|x〉偏振態(tài)或|y〉偏振態(tài)，坍縮到|x〉偏振態(tài)的概率為cos2θ，也就是單個光子透過偏振片的概率，多次統(tǒng)計的結(jié)果恰好與馬呂斯定律相對應(yīng)，這充分體現(xiàn)了波函數(shù)的概率統(tǒng)計解釋．

3典型例子

在教學(xué)中我們可以引入一個有趣形象的例子，進一步加深對量子力學(xué)基本概念的理解．如圖2(a)所示，一束光入射到兩個順序排列的偏振片上，偏振片P3的透振方向相對于偏振片P1的透振方向順時針轉(zhuǎn)過90°角，我們不妨在一個與光傳播方向垂直的平面內(nèi)選定一個xy平面直角坐標(biāo)系，P1的透振方向沿x軸，P3的透振方向沿y軸．光通過偏振片P1后變成光強為I0的偏振光，偏振方向與偏振片P1透振方向平行，但與P3的透振方向垂直，則光完全被偏振片P3吸收，不能透過．下面我們將看到一個有趣的現(xiàn)象，在偏振片P1和偏振片P3間插入一個偏振片P2，其透振方向在P1和P3之間，這時光竟可以透過P3偏振片．對此試驗，我們可由馬呂斯定律給出經(jīng)典的解釋．我們不妨設(shè)P2的透振方向相對于P1順時針轉(zhuǎn)過45°角，通過偏振片P1后，變?yōu)楣鈴娛荌0的偏振光，且偏振方向與P1透振方向一致;再通過偏振片P2后，光強變?yōu)镮0/2，偏振方向沿順時針轉(zhuǎn)過45°角，與偏振片P2透振方向一致;最后通過偏振片P3后，光強進一步減弱為I0/4，偏振方向又沿順時針改變45°角，與偏振片P3透振方向一致．可以看到一個有趣的現(xiàn)象，雖然介于偏振片P1和P2間的光束其偏振方向與偏振片P3的透振方向正交，但最后透過偏振片P3的光束其偏振方向卻恰恰沿偏振片P3的透振方向，這正是中間偏振片P2所起的作用．下面用我們前面分析偏振光與偏振片相互作用過程中，所建立起來的量子概念給出具體解釋．取直角坐標(biāo)系xy，x軸沿偏振片P1的透振方向，基矢組為{|x〉，［y)};由偏振片P2的透振方向所決定的基矢組為{|x'〉，［y')}，其透振方向沿x'方向，如圖3所示，兩組基矢之間的關(guān)系可表示為(3)由偏振片P3所決定的基矢組仍為{|x〉，|y〉}，不過透過的光子處在|y〉基矢態(tài)．光子透過偏振片P1后，其偏振狀態(tài)處在|x〉態(tài)，由式(3)，此狀態(tài)可以按P2的基矢組展開為(4)根據(jù)式(4)，經(jīng)過P2偏振片的測量，光子有1/2的概率坍縮到|x'〉態(tài)，光子透過P2，有1/2的概率坍縮到|y'〉態(tài)，光子被吸收．由式(3)，|x'〉態(tài)在由偏振片P3所決定的基矢組同樣展開為3的測量下，偏振狀態(tài)發(fā)生改變，有1/2的概率坍縮到|y〉態(tài)，透過偏振片，有1/2的概率坍縮到|x〉態(tài)，被偏振片吸收，總體來說透過偏振片P1的光子有1/4的概率透過偏振片P3，與經(jīng)典的馬呂斯定律相一致．特別注意到光子透過偏振片P1后，狀態(tài)為|x〉態(tài)，與|y〉態(tài)正交，沒有|y〉態(tài)的組分，但光子透過偏振片P3后卻正處在|y〉態(tài)，這充分體現(xiàn)了測量可以使量子態(tài)改變的量子假定，展示了量子測量的奇妙特性．

4總結(jié)

結(jié)合對偏振光實驗的量子解釋，我們分析了若干重要的量子力學(xué)概念．但嚴(yán)格說來，光子的問題不屬于量子力學(xué)問題，只有在量子場論中才能處理．采用光子的偏振情形來討論某些量子概念，理論上雖稍欠嚴(yán)謹(jǐn)，但如上文所述，確實能夠直觀形象地反映量子力學(xué)中的若干基本假定，使抽象的量子力學(xué)概念落實到對具體實驗的分析中來，易于被初學(xué)者接受，我們不妨在學(xué)生開始學(xué)習(xí)量子力學(xué)時引入此例，有助于學(xué)生理解抽象的量子概念，領(lǐng)會量子力學(xué)的思維方式．

參考文獻:

［1］狄拉克．量子力學(xué)原理［M］．北京:科學(xué)出版社，1966．

［2］費因曼．費因曼物理學(xué)講義［M］．上海:上?？茖W(xué)出版社，2005．

［3］曾謹(jǐn)言．量子力學(xué)卷1．［M］．北京:科學(xué)出版社，2006．

［4］趙凱華，羅蔚茵．量子物理［M］．北京:高等教育出版社，2001．

第4篇：量子力學(xué)的認(rèn)識和理解范文

這是一部對于量子力學(xué)教科書很有價值的補充教材。它對當(dāng)代物理學(xué)的一般理論框架給出了獨特的介紹。這種介紹的焦點集中于概念性的、認(rèn)識論的和本體論的各個方面的問題。通過追求如下一些問題的答案來發(fā)展理論：什么使物質(zhì)實體一旦形成則既不會坍縮也不會急劇膨脹？什么使得由不“占據(jù)空間”的客體（例如粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型中的夸克和膠子）組成的“占據(jù)空間”的客體成為穩(wěn)定的？如此表現(xiàn)出的物質(zhì)的穩(wěn)定性成為為什么物理學(xué)定律具有它們現(xiàn)有的特殊形式的理由。這些問題是本書關(guān)注的中心問題，作者認(rèn)為這個問題的部分答案是：量子力學(xué)。

全書共分3部分23章。第1部分，概述，主要介紹通向薛定諤方程的兩種途徑：歷史的途徑和費曼的路徑積分方法。為理解相關(guān)的理論概念，簡略地介紹了一些必要的數(shù)學(xué)，包括狹義相對論等，力求讓讀者熟悉基礎(chǔ)。含第1-7章：1.概率：基本概念和定理；2. “舊”量子論的簡略歷史；3. 數(shù)學(xué)的一些插敘；4，“新”量子論的簡略歷史；5. 通向薛定諤的費曼途徑（第一階段）；6. 狹義相對論簡介；7. 通向薛定諤的費曼途徑（第二階段）。第2部分：深度探討，從穩(wěn)定客體的存在導(dǎo)出量子力學(xué)的數(shù)學(xué)形式。含第8-15章：8. 為什么要量子力學(xué)； 9. 經(jīng)典的力：效果； 10. 經(jīng)典的力：原因；11. 再談量子力學(xué)；12. 自旋；13. 復(fù)合系統(tǒng)； 14. 量子統(tǒng)計； 15. 相對論粒子。第三部分：含義，含第16-23章：16. 缺陷； 17. 評價策略；18. 量子世界空間的方方面面； 19. 微觀世界； 20. 物質(zhì)問題； 21. 表現(xiàn)形式；22. 為什么物理定律恰是如此；23. 量子（quanta）和吠檀多（vedanta）（古代印度哲學(xué)中一直發(fā)展至今的唯心主義理論）。書末尾有一個附錄，給出了挑選的一些習(xí)題的解答。

本書是作者多年來在印度給大學(xué)生講授側(cè)重于哲學(xué)的當(dāng)代物理學(xué)課程的基礎(chǔ)上形成的。本書包括某些概念上新的陳述，盡量做到使這種陳述自成完整的體系，而且盡可能的簡單，以適合廣泛的讀者使用。

這是一部從哲學(xué)觀點討論現(xiàn)代物理學(xué)諸方面問題的專著，作者敘述的內(nèi)容范圍非常廣泛，但已經(jīng)盡可能地簡略。對于從事理論物理的教學(xué)及相關(guān)方面的研究人員是一本很好的參考書。

第5篇：量子力學(xué)的認(rèn)識和理解范文

1、薛定諤的貓是物理學(xué)家薛定諤提出的一個實驗，從宏觀尺度闡述微觀尺度的量子疊加原理的問題。這項實驗旨在論證量子力學(xué)對微觀粒子世界超乎常理的認(rèn)識和理解，量子不確定性無法預(yù)知微觀粒子未來的狀態(tài)。

2、打個比喻，注意是比喻，并不是完全一樣，只是為了好理解，是比喻!!你在太空站里拋了個硬幣，于是這個硬幣一直在空中旋轉(zhuǎn)，這時我們可以說它是“正面態(tài)”與“反面態(tài)”的疊加態(tài)。然后你啪地一下把它拍在桌子上，可能是正面也可能是反面。概率是50%和50%。

3、在量子力學(xué)的相關(guān)實驗里，你沒辦法預(yù)測實驗的結(jié)果，但是你能預(yù)測得到某個結(jié)果的概率。就像上面的硬幣，你不知道是正面還是反面，但是你知道得到正面的概率是50%。拋硬幣其實只是個過程，你不能說硬幣同時是正面和反面，而疊加態(tài)是一種態(tài)，它可以是兩種基態(tài)的疊加狀態(tài)。

（來源：文章屋網(wǎng) ）

第6篇：量子力學(xué)的認(rèn)識和理解范文

[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(xué)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(yīng)用到物理學(xué)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(xué)（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(yīng)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(rèn)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(xué)中的一個重要領(lǐng)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(xué)中，從牛頓方程出發(fā)，在一定條件下可以導(dǎo)出力學(xué)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(lǐng)域的運動方程．物理學(xué)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(yīng)地存在一條守恒定律．簡言之，物理定律的一種對稱性，對應(yīng)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(xué)范圍內(nèi)也成立．在量子力學(xué)和粒子物理學(xué)中，又引入了一些新的內(nèi)部自由度，認(rèn)識了一些新的抽象空間的對稱性以及與之相應(yīng)的守恒定律，這就給解決復(fù)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(xué)中，尤其是在理論物理學(xué)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(xué)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(yīng)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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)，當(dāng)是厄米算符，則表示某個力學(xué)量，而

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

設(shè)是連續(xù)變換，于是可寫成為=1+IλF，λ為一無窮小參量，當(dāng)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(dāng)不是厄米算符時，與某個力學(xué)量F相對應(yīng)。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(yīng)著力學(xué)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(dāng)沒有外場時，體系就是具有空間平移不變性。

設(shè)體系的坐標(biāo)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(dāng)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(dāng)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(lǐng)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(rèn)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(rèn)識．對稱性和守恒定律之間的聯(lián)系，使我們認(rèn)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(yīng)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(xué)和物理學(xué)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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［7］曾謹(jǐn)言，錢伯初.量子力學(xué)專題分析 （上冊）.高等教育出版社，1990.207-208.

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

第7篇：量子力學(xué)的認(rèn)識和理解范文

關(guān)鍵詞：布朗運動 量子力學(xué) 物質(zhì)場 波動函數(shù)

引子：這篇論文是洗衣服時出現(xiàn)的一些現(xiàn)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(guī)則運動的現(xiàn)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(xiàn)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(fēng)的情況下對著陽光觀察空氣中的塵粒等等，現(xiàn)在這些類似運動都稱為布朗運動。

1827年，植物學(xué)家R·布朗首先提出發(fā)現(xiàn)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(rèn)識：

布朗運動并不是分子運動，而是從分子運動導(dǎo)出的一些結(jié)果能向我們提供直接和可見的證據(jù)，說明對熱本質(zhì)假設(shè)的正確性。按照這樣的觀點，這一現(xiàn)象的研究承擔(dān)了對分子物理學(xué)的重要作用。

古伊的文獻產(chǎn)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(jié)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(zhì)假設(shè)的正確性(下面會專門論述熱的本質(zhì)問題）。

三、利用分子布朗運動的結(jié)果來承擔(dān)對分子物理學(xué)的研究。

1905年愛因斯坦根據(jù)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(fā)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(yù)期的規(guī)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(yù)言就不正確。這些是愛因斯坦的研究成果。

現(xiàn)在人們認(rèn)為這是對布朗運動的根源及其規(guī)律性的最終解釋，我認(rèn)為不是。這是愛因斯坦成功的利用布朗運動的原則創(chuàng)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?；蛟S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(fā)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(fā)生相對于物質(zhì)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(zhì)存在就有物質(zhì)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(rèn)為熱分子運動引起了的不規(guī)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(zhì)為什么會存在布朗運動。當(dāng)顯微鏡越來越清晰的時候，愛因斯坦的擴散統(tǒng)計方程就不能適用了。

現(xiàn)在隨著科學(xué)的不斷進步，量子理論對真空漲落的認(rèn)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(rèn)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(shù)有關(guān)的物質(zhì)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(yīng)為長時間，不過人們習(xí)慣認(rèn)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(zhì)場運動的疊加效應(yīng)，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(tài)對物質(zhì)運動產(chǎn)生了如何的影響呢？這是我們應(yīng)該思考的問題，這里我引入二個概念：物質(zhì)場與波動函數(shù)。

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(zhì)場，一盆水也是一個物質(zhì)場，同樣一滴水也可是一個物質(zhì)場，那么一個電子也可是一個物質(zhì)場，也就是說一個量子可以看作是一個物質(zhì)場，量子的運動可以當(dāng)成物質(zhì)場在運動。

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

一個統(tǒng)一的物質(zhì)場。對于運動而言，物質(zhì)場有整體的運動，也有物質(zhì)場的內(nèi)部運動：質(zhì)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(nèi)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(zhì)場表現(xiàn)是被我拿了起來，整個的分子、原子、電子構(gòu)成的物質(zhì)場共同被我拿了起來。

諸如這些運動是整體的完整的物質(zhì)場，對另一個完整的物質(zhì)場的作用，牛頓力學(xué)已經(jīng)很好的應(yīng)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(zhǔn)確測量計算。為什么這里一定要強調(diào)完整的物質(zhì)場呢？一滴水進入了大海之后，這一滴水的完整物質(zhì)場依然存在，而變成大海的物質(zhì)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(zhì)場的一部分，大海的每一滴水都是一個完整的物質(zhì)場，但都是大海物質(zhì)場的一部分，大海有每一滴水的信息 ，但當(dāng)空氣蒸發(fā)水蒸氣時，大海不會單獨讓哪一個完整的小水滴去蒸發(fā)，而是大海整個的一個物質(zhì)場在做蒸發(fā)這件事，與個體的物質(zhì)場的狀態(tài)關(guān)系不大。

可能從小水滴到大海大家覺得不直觀，在量子力學(xué)把電子看成小水滴，把一個物質(zhì)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(xué)人士都能夠理解。

光電效應(yīng)的原理：把光子看成一個物質(zhì)場，把金屬板看成一個物質(zhì)場，光照到金屬板上，放出電子（當(dāng)然需要一個極限頻率）是一個物質(zhì)場對另一個物質(zhì)場的反應(yīng)，那么釋放的電子是物質(zhì)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(zhì)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(zhì)場就發(fā)生變化用大錘去打東西，物質(zhì)會反應(yīng)不同的。

另一個問題：固體微粒之間結(jié)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(gòu)成統(tǒng)一的物體。為什么？：波動函數(shù)，物質(zhì)的特性是一個個小的原子共同表現(xiàn)出的特性，兩塊鐵融化后能夠形成一塊鐵，人類有無數(shù)的合金材料以及其它合成物質(zhì)，為什么這些材料表現(xiàn)出了原來不同的特性呢，物質(zhì)場的特性為什么變化呢？

物質(zhì)的特性變化了，那么每一個小的物質(zhì)場的特性也會變化。一般情況下原子不可能變，合金狀態(tài)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(zhì)子以及其它的微粒運動形式變化了，整個的物質(zhì)場的量子波動函數(shù)變化了。

波動函數(shù)是為了形象說明布郎運動的本質(zhì)引入的一個物質(zhì)特征，一個物質(zhì)場的波動函數(shù)體現(xiàn)物質(zhì)作布郎運動的能力，也體現(xiàn)了物質(zhì)場內(nèi)部物質(zhì)運動能力。波動函數(shù)是物質(zhì)場與物質(zhì)場之間結(jié)合（疊加）能力的一種體現(xiàn)。一個物質(zhì)場中會有很多不同的波動函數(shù)如：分子之間，原子之間，電子之間，質(zhì)子之間，原子于分子之間，電子與原子核之間，質(zhì)子與中子之間等等許許多多的量子之間。波動函數(shù)是物質(zhì)運動的一種能力的體現(xiàn)。

當(dāng)然這個概念也很符合量子力學(xué)的波動方程的需要，那就是所有的物質(zhì)場都有自己的波動函數(shù)，而且不止一個。當(dāng)波動函數(shù)達到一定數(shù)值，物質(zhì)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(zhì)場卻可以是融合在一起的（當(dāng)然還有比電子更小物質(zhì)，那它們的物質(zhì)場更會融在一起）

波動函數(shù)越高，物質(zhì)融合的越快，反之越慢，諸如擴散現(xiàn)象，滲透等等，固體之間的波動函數(shù)低，所以最好融化或鍛打成液態(tài)式的結(jié)合，需要外部的力量加大它的波動函數(shù)。波動函數(shù)是物質(zhì)作布郎運動的一種能力，我更愿意認(rèn)為波動函數(shù)是物質(zhì)運動的一種能力（在絕對論中運動是物質(zhì)的生命）。與物質(zhì)本身的溫度有關(guān)，與外界的干涉有關(guān)。例如：加熱氣體，溶液或用力攪拌溶液等等會增波動函數(shù)值。（下面我們還要專門研究熱的本質(zhì)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(shù)。其實我的波動函數(shù)和量子力學(xué)中的的物質(zhì)波不是完全相同。

波動函數(shù)是物質(zhì)場的特性，是物質(zhì)生命能力的一種體現(xiàn)。表現(xiàn)在粒子上，粒子就具有波動性，同時物質(zhì)運動一定需要能量的，也一定出現(xiàn)物質(zhì)的波動。所以不是粒子具有波粒二象性，而是物質(zhì)場具有波動函數(shù)。就象一整鐵的內(nèi)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(zhì)特性。也就是所有的粒子都有自己相應(yīng)的波動函數(shù)。這與這塊鐵的運動和外界條件都有關(guān)系。就比如大海是所有的水滴和水中的懸浮物體構(gòu)成一個統(tǒng)一的物質(zhì)場，是所有的物質(zhì)場的疊加效應(yīng)，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(zhì)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(xué)上著名的不確定原理和測不準(zhǔn)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(zhì)場的狀態(tài)，你永遠不能無法精確測量一個量子系統(tǒng)。因為你測量一滴水的結(jié)果就會脫離大海這個物質(zhì)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(tài)。但是我們可以運用統(tǒng)計學(xué)對整個的物質(zhì)場的運動進行統(tǒng)計。我們可以計算大海每天蒸發(fā)了多少噸的水，但不可以說是那一噸水。

其實量子力學(xué)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(zhì)場都是一個面，一個量子只是一個點，而運動和變化是物質(zhì)場與物質(zhì)場之間發(fā)生的，與單個的粒子運動關(guān)系不大。當(dāng)然也不能說一點沒有，就象人與人打架一樣，是兩個物質(zhì)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(zhì)場在對外界的物質(zhì)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(rèn)各個量子運動疊加之后統(tǒng)計結(jié)果（宏觀物理），但我們不能很精確一個物質(zhì)場內(nèi)部的那一小點起作用。物質(zhì)是整體運行的，當(dāng)外部的物質(zhì)變化時內(nèi)部的物質(zhì)也會有相應(yīng)變化的，量子運行方式會發(fā)生一些改變。

量子力學(xué)從來沒有從一個面去研究物體，只注重了一個點，而經(jīng)典物理只注意宏觀物理現(xiàn)象的規(guī)律性，也就是注意面了。

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

而布郎運動是把物質(zhì)場的內(nèi)部和外部運動結(jié)合一起的表現(xiàn)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(xué)研究物質(zhì)運動史的一個縮影。

人對事物的認(rèn)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(tǒng)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(xiàn)。

現(xiàn)在用量子理論中的概念說明熱的本質(zhì)問題：熱量只是能量的一種表現(xiàn)形式。熱的來源一般是：化學(xué)反應(yīng)，物理作用（包括核反應(yīng)），能量轉(zhuǎn)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(xù)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(tài)，或是氣態(tài)，液態(tài)，沒有中間的狀態(tài)。能量有許多表現(xiàn)形式，而熱量是能量的一種表現(xiàn)形式，所以我們可以測定溫度等等現(xiàn)象。量子運行方式改變了，物質(zhì)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(zhì)也就變化了。

第8篇：量子力學(xué)的認(rèn)識和理解范文

關(guān)鍵詞:計算科學(xué)計算工具圖靈模型量子計算

1計算的本質(zhì)

抽象地說,所謂計算,就是從一個符號串f變換成另一個符號串g。比如說,從符號串12+3變換成15就是一個加法計算。如果符號串f是x2,而符號串g是2x,從f到g的計算就是微分。定理證明也是如此,令f表示一組公理和推導(dǎo)規(guī)則,令g是一個定理,那么從f到g的一系列變換就是定理g的證明。從這個角度看,文字翻譯也是計算,如f代表一個英文句子,而g為含意相同的中文句子,那么從f到g就是把英文翻譯成中文。這些變換間有什么共同點？為什么把它們都叫做計算？因為它們都是從己知符號(串)開始,一步一步地改變符號(串),經(jīng)過有限步驟,最后得到一個滿足預(yù)先規(guī)定的符號(串)的變換過程。

從類型上講,計算主要有兩大類:數(shù)值計算和符號推導(dǎo)。數(shù)值計算包括實數(shù)和函數(shù)的加減乘除、冪運算、開方運算、方程的求解等。符號推導(dǎo)包括代數(shù)與各種函數(shù)的恒等式、不等式的證明,幾何命題的證明等。但無論是數(shù)值計算還是符號推導(dǎo),它們在本質(zhì)上是等價的、一致的,即二者是密切關(guān)聯(lián)的,可以相互轉(zhuǎn)化,具有共同的計算本質(zhì)。隨著數(shù)學(xué)的不斷發(fā)展,還可能出現(xiàn)新的計算類型。

2遠古的計算工具

人們從開始產(chǎn)生計算之日,便不斷尋求能方便進行和加速計算的工具。因此,計算和計算工具是息息相關(guān)的。

早在公元前5世紀(jì),中國人已開始用算籌作為計算工具,并在公元前3世紀(jì)得到普遍的采用,一直沿用了二千年。后來,人們發(fā)明了算盤,并在15世紀(jì)得到普遍采用,取代了算籌。它是在算籌基礎(chǔ)上發(fā)明的,比算籌更加方便實用,同時還把算法口訣化,從而加快了計算速度。

3近代計算系統(tǒng)

近代的科學(xué)發(fā)展促進了計算工具的發(fā)展:在1614年,對數(shù)被發(fā)明以后,乘除運算可以化為加減運算,對數(shù)計算尺便是依據(jù)這一特點來設(shè)計。1620年,岡特最先利用對數(shù)計算尺來計算乘除。1850年,曼南在計算尺上裝上光標(biāo),因此而受到當(dāng)時科學(xué)工作者,特別是工程技術(shù)人員廣泛采用。機械式計算器是與計算尺同時出現(xiàn)的,是計算工具上的一大發(fā)明。帕斯卡于1642年發(fā)明了帕斯卡加法器。在1671年,萊布尼茨發(fā)明了一種能作四則運算的手搖計算器,是長1米的大盒子。自此以后,經(jīng)過人們在這方面多年的研究,特別是經(jīng)過托馬斯、奧德內(nèi)爾等人的改良后,出現(xiàn)了多種多樣的手搖計算器,并風(fēng)行全世界。

4電動計算機

英國的巴貝奇于1834年,設(shè)計了一部完全程序控制的分析機,可惜礙于當(dāng)時的機械技術(shù)限制而沒有制成,但已包含了現(xiàn)代計算的基本思想和主要的組成部分了。此后,由于電力技術(shù)有了很大的發(fā)展,電動式計算器便慢慢取代以人工為動力的計算器。1941年,德國的楚澤采用了繼電器,制成了第一部過程控制計算器,實現(xiàn)了100多年前巴貝奇的理想。

5電子計算機

20世紀(jì)初,電子管的出現(xiàn),使計算器的改革有了新的發(fā)展,美國賓夕法尼亞大學(xué)和有關(guān)單位在1946年制成了第一臺電子計算機。電子計算機的出現(xiàn)和發(fā)展,使人類進入了一個全新的時代。它是20世紀(jì)最偉大的發(fā)明之一,也當(dāng)之無愧地被認(rèn)為是迄今為止由科學(xué)和技術(shù)所創(chuàng)造的最具影響力的現(xiàn)代工具。

在電子計算機和信息技術(shù)高速發(fā)展過程中,因特爾公司的創(chuàng)始人之一戈登·摩爾(GodonMoore)對電子計算機產(chǎn)業(yè)所依賴的半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展作出預(yù)言:半導(dǎo)體芯片的集成度將每兩年翻一番。事實證明,自20世紀(jì)60年代以后的數(shù)十年內(nèi),芯片的集成度和電子計算機的計算速度實際是每十八個月就翻一番,而價格卻隨之降低一倍。這種奇跡般的發(fā)展速度被公認(rèn)為“摩爾定律”。

6“摩爾定律”與“計算的極限”

人類是否可以將電子計算機的運算速度永無止境地提升?傳統(tǒng)計算機計算能力的提高有沒有極限?對此問題,學(xué)者們在進行嚴(yán)密論證后給出了否定的答案。如果電子計算機的計算能力無限提高,最終地球上所有的能量將轉(zhuǎn)換為計算的結(jié)果——造成熵的降低,這種向低熵方向無限發(fā)展的運動被哲學(xué)界認(rèn)為是禁止的,因此,傳統(tǒng)電子計算機的計算能力必有上限。

而以IBM研究中心朗道(R.Landauer)為代表的理論科學(xué)家認(rèn)為到21世紀(jì)30年代,芯片內(nèi)導(dǎo)線的寬度將窄到納米尺度(1納米=10-9米),此時,導(dǎo)線內(nèi)運動的電子將不再遵循經(jīng)典物理規(guī)律——牛頓力學(xué)沿導(dǎo)線運行,而是按照量子力學(xué)的規(guī)律表現(xiàn)出奇特的“電子亂竄”的現(xiàn)象,從而導(dǎo)致芯片無法正常工作;同樣,芯片中晶體管的體積小到一定臨界尺寸(約5納米)后,晶體管也將受到量子效應(yīng)干擾而呈現(xiàn)出奇特的反常效應(yīng)。

哲學(xué)家和科學(xué)家對此問題的看法十分一致:摩爾定律不久將不再適用。也就是說,電子計算機計算能力飛速發(fā)展的可喜景象很可能在21世紀(jì)前30年內(nèi)終止。著名科學(xué)家,哈佛大學(xué)終身教授威爾遜(EdwardO.Wilson)指出:“科學(xué)代表著一個時代最為大膽的猜想(形而上學(xué))。它純粹是人為的。但我們相信,通過追尋“夢想—發(fā)現(xiàn)—解釋—夢想”的不斷循環(huán),我們可以開拓一個個新領(lǐng)域,世界最終會變得越來越清晰,我們最終會了解宇宙的奧妙。所有的美妙都是彼此聯(lián)系和有意義的?！盵論/文/網(wǎng)LunWenNet/Com]

7量子計算系統(tǒng)

量子計算最初思想的提出可以追溯到20世紀(jì)80年代。物理學(xué)家費曼RichardP.Feynman曾試圖用傳統(tǒng)的電子計算機模擬量子力學(xué)對象的行為。他遇到一個問題:量子力學(xué)系統(tǒng)的行為通常是難以理解同時也是難以求解的。以光的干涉現(xiàn)象為例,在干涉過程中,相互作用的光子每增加一個,有可能發(fā)生的情況就會多出一倍,也就是問題的規(guī)模呈指數(shù)級增加。模擬這樣的實驗所需的計算量實在太大了,不過,在費曼眼里,這卻恰恰提供一個契機。因為另一方面,量子力學(xué)系統(tǒng)的行為也具有良好的可預(yù)測性:在干涉實驗中,只要給定初始條件,就可以推測出屏幕上影子的形狀。費曼推斷認(rèn)為如果算出干涉實驗中發(fā)生的現(xiàn)象需要大量的計算,那么搭建這樣一個實驗,測量其結(jié)果,就恰好相當(dāng)于完成了一個復(fù)雜的計算。因此,只要在計算機運行的過程中,允許它在真實的量子力學(xué)對象上完成實驗,并把實驗結(jié)果整合到計算中去,就可以獲得遠遠超出傳統(tǒng)計算機的運算速度。

在費曼設(shè)想的啟發(fā)下,1985年英國牛津大學(xué)教授多伊奇DavidDeutsch提出是否可以用物理學(xué)定律推導(dǎo)出一種超越傳統(tǒng)的計算概念的方法即推導(dǎo)出更強的丘奇——圖靈論題。費曼指出使用量子計算機時,不需要考慮計算是如何實現(xiàn)的,即把計算看作由“神諭”來實現(xiàn)的:這類計算在量子計算中被稱為“神諭”(Oracle)。種種跡象表明:量子計算在一些特定的計算領(lǐng)域內(nèi)確實比傳統(tǒng)計算更強,例如,現(xiàn)代信息安全技術(shù)的安全性在很大程度上依賴于把一個大整數(shù)(如1024位的十進制數(shù))分解為兩個質(zhì)數(shù)的乘積的難度。這個問題是一個典型的“困難問題”,困難的原因是目前在傳統(tǒng)電子計算機上還沒有找到一種有效的辦法將這種計算快速地進行。目前,就是將全世界的所有大大小小的電子計算機全部利用起來來計算上面的這個1024位整數(shù)的質(zhì)因子分解問題,大約需要28萬年,這已經(jīng)遠遠超過了人類所能夠等待的時間。而且,分解的難度隨著整數(shù)位數(shù)的增多指數(shù)級增大,也就是說如果要分解2046位的整數(shù),所需要的時間已經(jīng)遠遠超過宇宙現(xiàn)有的年齡。而利用一臺量子計算機,我們只需要大約40分鐘的時間就可以分解1024位的整數(shù)了。

8量子計算中的神諭

人類的計算工具,從木棍、石頭到算盤,經(jīng)過電子管計算機,晶體管計算機,到現(xiàn)在的電子計算機,再到量子計算。筆者發(fā)現(xiàn)這其中的過程讓人思考:首先是人們發(fā)現(xiàn)用石頭或者棍棒可以幫助人們進行計算,隨后,人們發(fā)明了算盤,來幫助人們進行計算。當(dāng)人們發(fā)現(xiàn)不僅人手可以搬動“算珠”,機器也可以用來搬動“算珠”,而且效率更高,速度更快。隨后,人們用繼電器替代了純機械,最后人們用電子代替了繼電器。就在人們改進計算工具的同時,數(shù)學(xué)家們開始對計算的本質(zhì)展開了研究,圖靈機模型告訴了人們答案。

量子計算的出現(xiàn),則徹底打破了這種認(rèn)識與創(chuàng)新規(guī)律。它建立在對量子力學(xué)實驗的在現(xiàn)實世界的不可計算性。試圖利用一個實驗來代替一系列復(fù)雜的大量運算。可以說。這是一種革命性的思考與解決問題的方式。

因為在此之前,所有計算均是模擬一個快速的“算盤”,即使是最先進的電子計算機的CPU內(nèi)部,64位的寄存器(register),也是等價于一個有著64根軸的二進制算盤。量子計算則完全不同,對于量子計算的核心部件,類似于古代希臘中的“神諭”,沒有人弄清楚神諭內(nèi)部的機理,卻對“神諭”內(nèi)部產(chǎn)生的結(jié)果深信不疑。人們可以把它當(dāng)作一個黑盒子,人們通過輸入,可以得到輸出,但是對于黑盒子內(nèi)部發(fā)生了什么和為什么這樣發(fā)生確并不知道。

9“神諭”的挑戰(zhàn)與人類自身的回應(yīng)

人類的思考能力,隨著計算工具的不斷進化而不斷加強。電子計算機和互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn),大大加強了人類整體的科研能力,那么,量子計算系統(tǒng)的產(chǎn)生,會給人類整體帶來更加強大的科研能力和思考能力,并最終解決困擾當(dāng)今時代的量子“神諭”。不僅如此,量子計算系統(tǒng)會更加深刻的揭示計算的本質(zhì),把人類對計算本質(zhì)的認(rèn)識從牛頓世界中擴充到量子世界中。

如果觀察歷史,會發(fā)現(xiàn)人類文明不斷增多的“發(fā)現(xiàn)”已經(jīng)構(gòu)成了我們理解世界的“公理”,人們的公理系統(tǒng)在不斷的增大,隨著該系統(tǒng)的不斷增大,人們認(rèn)清并解決了許多問題。人類的認(rèn)識模式似乎符合下面的規(guī)律:

“計算工具不斷發(fā)展—整體思維能力的不斷增強—公理系統(tǒng)的不斷擴大—舊的神諭被解決—新的神諭不斷產(chǎn)生”不斷循環(huán)。

無論量子計算的本質(zhì)是否被發(fā)現(xiàn),也不會妨礙量子計算時代的到來。量子計算是計算科學(xué)本身的一次新的革命,也許許多困擾人類的問題,將會隨著量子計算機工具的發(fā)展而得到解決,它將“計算科學(xué)”從牛頓時代引向量子時代,并會給人類文明帶來更加深刻的影響。

參考文獻

[1]M.A.NielsenandI.L.Chuang,QuantumComputationandQuantumInformation[M].CambridgeUniversityPress,2000.

第9篇：量子力學(xué)的認(rèn)識和理解范文

關(guān)鍵詞：大學(xué)生；量子物理；物理學(xué)史

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

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

量子力學(xué)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(jì)初在大量實驗事實和舊量子論基礎(chǔ)上建立起來的，是人們認(rèn)識和理解微觀世界的基礎(chǔ)。量子物理和相對論的成就使得物理學(xué)從經(jīng)典物理學(xué)發(fā)展到現(xiàn)代物理學(xué)，奠定了現(xiàn)代自然科學(xué)的主要基礎(chǔ)。量子力學(xué)的發(fā)現(xiàn)引發(fā)了一系列劃時代的科學(xué)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(xué)，有利于培養(yǎng)大學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)、科學(xué)思維方法和科研能力，培養(yǎng)學(xué)生的探索精神、創(chuàng)新精神、科學(xué)思維能力以及辯證唯物主義的科學(xué)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?，通過這部分的教學(xué)可以培養(yǎng)學(xué)生的橫、縱向思維和不斷追求科學(xué)真理的精神。因此，在大學(xué)物理的教學(xué)中應(yīng)適當(dāng)增加量子物理的教學(xué)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?！盵2]那么怎樣讓學(xué)生在輕松愉快的狀態(tài)下學(xué)好量子物理呢？在教學(xué)過程中適當(dāng)引入物理學(xué)史有利于學(xué)生掌握其核心，既培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又有利于實現(xiàn)啟發(fā)式教學(xué)，而非純粹的概念和公式的教學(xué)。下面主要從幾個方面闡述物理學(xué)史在大學(xué)生學(xué)習(xí)中的重要作用。

一、非物理專業(yè)大學(xué)生學(xué)習(xí)量子物理的需要

即使是物理專業(yè)的學(xué)生，多數(shù)人在學(xué)習(xí)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(xué)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(xué)中能夠引入量子物理的發(fā)展史，不僅能吸引學(xué)生的注意力，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還有利于學(xué)生理解量子物理的概念和思想，使學(xué)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(xué)生辯證唯物主義觀的形成。而非物理專業(yè)的學(xué)生與物理專業(yè)的學(xué)生相比，在學(xué)習(xí)量子物理時難度更大。這是由于物理專業(yè)的學(xué)生開設(shè)了許多物理專業(yè)課，如原子分子物理、物理學(xué)史等課程，為量子物理的學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)。而非物理專業(yè)的學(xué)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(dāng)加入量子發(fā)展史的介紹，不僅降低了學(xué)生學(xué)習(xí)難度，還激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，這就更突顯出物理學(xué)史在大學(xué)物理教學(xué)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(xué)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(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還可以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維方法。19世紀(jì)末20世紀(jì)初，好多物理學(xué)家認(rèn)為物理學(xué)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(dāng)時物理學(xué)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(zāi)難”。前者導(dǎo)致了相對論的建立，后者導(dǎo)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(xué)所學(xué)的量子物理學(xué)是基于這三個支柱的。這就像數(shù)學(xué)中的公理一樣，對于大學(xué)生而言不能去討論為什么，只能是是什么。

二、大學(xué)生素質(zhì)教育的需要

大學(xué)物理的量子部分教學(xué)不同于物理專業(yè)學(xué)生的量子物理教學(xué)。大學(xué)物理教學(xué)的目的主要是增強學(xué)生分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)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(xué)。因此，大學(xué)物理的教學(xué)目的與任務(wù)是使學(xué)生對物理學(xué)的基本概念、基本理論和基本方法有比較系統(tǒng)的認(rèn)識和正確的理解，為進一步學(xué)習(xí)打下堅實的基礎(chǔ)。更為重要的是，在大學(xué)物理課程的各個教學(xué)環(huán)節(jié)中，都應(yīng)在傳授知識的同時注重培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題能力，注重培養(yǎng)學(xué)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(xué)生這方面的能力。

1.辯證唯物主義世界觀的培養(yǎng)

在大學(xué)物理的教學(xué)過程中融入物理學(xué)史的內(nèi)容有利于培養(yǎng)學(xué)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(xué)生體會到光的波動性；而光電效應(yīng)實驗、康普頓的X射線散射實驗等實驗的介紹可使學(xué)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(rèn)識到了光及實物粒子的波粒二象性。這部分的教學(xué)可使學(xué)生領(lǐng)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(xué)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(xué)生深刻體會到人們對真理的認(rèn)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(rèn)識有利于培養(yǎng)學(xué)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(xué)物理的教學(xué)過程中適當(dāng)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(xué)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(xué)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(dǎo)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(yīng)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(shè)，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(dāng)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(dǎo)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(dǎo)，根據(jù)動量和能量守恒解決該問題，這樣不僅使學(xué)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(xué)物理量子史部分的教學(xué)，介紹科學(xué)家嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、勇于追求真理的精神，培養(yǎng)學(xué)生追求真理的勇氣、嚴(yán)謹(jǐn)求實的科學(xué)態(tài)度和刻苦鉆研的作風(fēng)。

4.科學(xué)觀察和思維能力的培養(yǎng)

在教學(xué)的過程中適當(dāng)融入量子發(fā)展史的內(nèi)容有利于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)觀察和思維能力。如玻爾的互補原理的提出過程。當(dāng)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(rèn)識。講解過程中應(yīng)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(xué)生有種身臨其境的感覺，從而培養(yǎng)科學(xué)觀察和思維的能力。在教學(xué)過程中適當(dāng)介紹思維實驗有利于培養(yǎng)學(xué)生的思維能力及科學(xué)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(xué)學(xué)物理學(xué)的研究方法、量子物理的發(fā)展史以及物理學(xué)家的成長經(jīng)歷等，引導(dǎo)學(xué)生樹立科學(xué)的世界觀，激發(fā)學(xué)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(shè)的提出體現(xiàn)了敢于向舊觀念、權(quán)威學(xué)家挑戰(zhàn)的精神。而創(chuàng)新意識對一個學(xué)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(xué)美感的培養(yǎng)

以麥克斯韋方程組為例，描述麥?zhǔn)戏匠趟憩F(xiàn)出的深刻、對稱、優(yōu)美，使得每一個科學(xué)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?zhǔn)戏匠探M仍然被公認(rèn)為科學(xué)美的典范。許多偉大的科學(xué)家都為它的魅力折服，并受它深深的影響，有著對于科學(xué)美的堅定信仰，甚至認(rèn)為：對于一個科學(xué)理論來說，簡潔優(yōu)美要比實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確來得更為重要。依此引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識物理學(xué)所具有的明快簡潔、均衡對稱、奇異相對、和諧統(tǒng)一等美學(xué)特征，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)審美觀，使學(xué)生學(xué)會用美學(xué)的觀點欣賞和發(fā)掘科學(xué)的內(nèi)在規(guī)律，逐步增強認(rèn)識和掌握自然科學(xué)規(guī)律的能力。

7.科學(xué)探索精神的培養(yǎng)

物理學(xué)在追求著大統(tǒng)一。許多科學(xué)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(xué)生的科學(xué)探索精神。

三、科學(xué)發(fā)展的需要

科學(xué)發(fā)展到今天，是建立在前人取得成就的基礎(chǔ)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(xué)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(xué)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(xué)理想。

大學(xué)生量子物理的學(xué)習(xí)需要適當(dāng)引入物理學(xué)史，這既有利于學(xué)生學(xué)好大學(xué)物理，培養(yǎng)學(xué)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(xué)觀察和思維的能力、創(chuàng)新意識及科學(xué)探索精神，又有助于啟發(fā)式教學(xué)。

參考文獻：

[1]周世勛.量子力學(xué)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，