量子力學基本概念的發(fā)展精選(九篇)
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第1篇：量子力學基本概念的發(fā)展范文
量子力學課程是工科電類專業(yè)的一門非常重要的專業(yè)基礎課程。通過該課程的學習，使學生初步掌握量子力學的基本原理和基本方法，認識微觀世界的物理圖像以及微觀粒子的運動規(guī)律，了解宏觀世界與微觀世界的內(nèi)在聯(lián)系和本質(zhì)的區(qū)別。量子力學課程教學質(zhì)量的好壞直接影響后續(xù)的如“固體物理學”、“半導體物理學”、“集成電路工藝原理”、“量子電子學”、“納米電子學”、“微電子技術(shù)”等課程的學習。
量子力學課程的學習要求學生具有良好的數(shù)學和物理基礎，對學生的邏輯思維能力和空間想象能力等要求較高，因此要學好量子力學，在我們教學的過程中，需要充分發(fā)揮學生的學習主動性和積極性。同時，隨著科學日新月異的發(fā)展，對量子力學課程的教學也不斷提出新的要求。如何充分激發(fā)學生的學習興趣，充分調(diào)動學生的學習主動性和能動性，切實提高量子力學課程的教學質(zhì)量和教師的教學水平，已經(jīng)成為擺在高校教師目前的一項重要課題。
該課程組在近幾年的教學改革和教學實踐中，本著高校應用型人才的培養(yǎng)需求，強調(diào)量子力學基本原理、基本思維方法的訓練，結(jié)合物理學史，充分激發(fā)學生的學習積極性；充分利用熟知軟件，理解物理圖像，激發(fā)學生學習主動性；結(jié)合現(xiàn)代科學知識，強調(diào)理論在實踐中的應用，取得了良好的教學效果。
1 當前的現(xiàn)狀及存在的主要問題
目前工科電類專業(yè)普遍感覺量子力學課程難學，其主要原因在于：第一，量子力學它是一門全新的課程理論體系，其基本理論思想與解決問題的方法都沒有經(jīng)典的對應，而學習量子力學必須完全脫離以前在頭腦中根深蒂固的“經(jīng)典”的觀念；第二，量子力學的概念與規(guī)律抽象，應用的數(shù)學知識比較多，公式推導復雜，計算困難；第三，雖然量子力學問題接近實際，但要學生理解和解決問題，還需要一個過程；由于上述問題的存在，使初學者都感到量子力學課程枯燥無味、晦澀難懂，而且隨著學科知識的飛速發(fā)展，知識的更新周期空前縮短，在有限的課時情況下，如何使學生在掌握扎實的基礎知識的同時，跟上時代的步伐，了解科學的前沿，以適應新世紀人才培養(yǎng)的需求，是擺在我們教育工作者面前的巨大挑戰(zhàn)。
2 結(jié)合物理學史激發(fā)學生學習興趣
興趣是最好的老師，在大學物理中，談到了19世紀末物理學所遇到的“兩朵烏云”，光電效應和紫外災難，1900年，普朗克提出了能量子的概念，解決了黑體輻射的問題；后來，愛因斯坦在普朗克的啟發(fā)下，提出了光量子的概念，解釋了光電效應，并提出了光的波粒二象性；德布羅意又在愛因斯坦的啟發(fā)下，大膽的提出實物粒子也具有波粒二象性；對于物理學的第三朵烏云“原子的線狀光譜，”玻爾提出了關于氫原子的量子假設，解釋了氫原子的結(jié)構(gòu)以及線狀光譜的實驗。后來還有薛定諤、海森堡、狄拉克等偉大的物理學家的努力，建立了一套嶄新的理論體系-量子力學。在教學的過程中，適當穿插量子力學的發(fā)展歷史以及偉大科學家的傳記故事，避免了量子力學課程“全是數(shù)學的推導”的現(xiàn)狀，這樣激發(fā)學生的學習興趣和學習熱情，通過對偉大科學家的介紹，培養(yǎng)刻苦鉆研的精神。實踐表明，這樣的教學模式大大提高了學生的學習主動性。
3 結(jié)合熟知軟件化抽象為形象
量子力學內(nèi)容抽象，對一些典型的結(jié)論，可以用軟件模擬的方式實現(xiàn)物理圖像的重現(xiàn)。很多軟件如matlab、c語言等很多學生不是很熟練，而且編程較難，結(jié)合物理結(jié)論作圖較為困難；Excell是學生常用的軟件之一，簡單易學卻功能強大，幾乎每位同學都非常熟練，我們充分利用這一點，將Excell軟件應用到量子力學的教學過程中，取得了良好的效果。
如在一維無限深勢阱中，我們用解析法嚴格求解得到了波函數(shù)和能級的方程。而波函數(shù)的模方表示幾率密度。我們要求學生用Excell作圖，這樣得到粒子阱中的幾率分布，通過與經(jīng)典幾率的比較（經(jīng)典粒子在阱中各處出現(xiàn)的幾率應該相等）和經(jīng)典能級的比較（經(jīng)典的能量分布應該是連續(xù)的函數(shù)），通過學生的自我參與，充分激發(fā)了學生的求知欲望；從簡單的作圖，學生深刻理解了微觀粒子的運動狀態(tài)的波函數(shù)；微觀粒子的能量不再是連續(xù)的，而是量子化了的能級，當n趨于無窮大時微觀趨向于經(jīng)典的結(jié)果，即經(jīng)典是量子的極限情況；通過學生熟知的軟件，直觀的再現(xiàn)了物理圖像，學生會進一步來深刻思考這個結(jié)論的由來，傳統(tǒng)的教學中，我們先講薛定諤方程，然后再解這個方程，再利用邊界條件和波函數(shù)的標準條件，一步一步推導下來，這樣的教學模式有很多學生由于數(shù)學的基礎較為薄弱，推導過程又比較繁瑣，因此會逐步對課程失去了興趣，這也直接影響了后面章節(jié)的學習，而通過學生親自作圖實現(xiàn)的物理圖像，改變了傳統(tǒng)的“填鴨式”教學，最大限度的使學生參與到課程中，這樣的效果也將事半功倍了，大大提高了教學的效果。
4 結(jié)合科學發(fā)展前沿拓寬學生視野
在課程的教學中，除了注重理論基礎知識的講解和基礎知識的應用以外，還需介紹量子力學學科前沿發(fā)展的一些動態(tài)。結(jié)合教師的教學科研工作，將國內(nèi)外反映量子力學方面的一些最新的成果融入到課程的教學之中，推薦和鼓勵學生閱讀反映這類問題的優(yōu)秀網(wǎng)站、科研文章，使學生了解量子力學學科的發(fā)展前沿，從而達到拓寬學生視野，培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的目的。例如近年興起并迅速發(fā)展起來的量子信息、量子通訊、量子計算機等學科，其基礎理論就是量子力學的應用，了解了這些發(fā)展，學生會反過來進一步理解課程中如量子態(tài)、自旋等概念，量子態(tài)和自旋本身就是非常抽象的物理概念，他們沒有經(jīng)典的對應，通過對實驗結(jié)果的理解，學生會進一步理解用態(tài)矢來表示一個量子態(tài)，由于電子的自旋只有兩個取向，正好與計算機存儲中二進制0和1相對應，這也正是量子計算機的基本原理，通過學生的主動學習，從而達到提高教學質(zhì)量的目的。另外我們還要介紹量子力學在近代物理學、化學、材料學、生命學等交叉學科中的應用，拓寬學生的視野。
第2篇：量子力學基本概念的發(fā)展范文
關鍵詞： 量子力學 教學方法改革 創(chuàng)新思維
量子力學是研究微觀粒子運動規(guī)律的科學，自誕生以來它就成功地說明了原子及分子的結(jié)構(gòu)、固體的性質(zhì)、輻射的吸收與發(fā)射、超導等物理現(xiàn)象。作為物理學專業(yè)的專業(yè)理論課，量子力學在物理學專業(yè)中具有極其重要的地位。現(xiàn)代物理學的各個分支，如高能物理、固體物理、核物理、天體物理和激光物理等都是以量子力學為基礎，并且已經(jīng)滲透到化學和生物學等其他學科。同時量子理論還具有巨大的實用價值，半導體器件和材料、激光技術(shù)、原子能技術(shù)和超導材料等都是以量子力學原理為基礎的。
通過對量子力學的學習，學生可以掌握現(xiàn)代科學技術(shù)最重要的基礎理論，還可以提高科學素質(zhì)和思想素質(zhì)，但是量子力學中的概念和解決問題的方法與經(jīng)典物理有著本質(zhì)的不同。學生普遍反映量子力學抽象、枯燥、難理解、抓不住重點，學習起來非常困難。針對以上問題，我對教學進行了思考和探討，采用了一些切實可行的措施，提高了學生的學習興趣，使學生更好地掌握了量子力學知識，同時培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新思維。
一、教學過程中存在的問題
在量子力學的教學過程中，我發(fā)現(xiàn)以下幾個問題。
1.量子力學是一門十分抽象的課程，其中許多概念、原理都不好理解，并且量子力學從概念到解決問題的方法跟經(jīng)典物理有著根本性的區(qū)別，但是很多學生習慣性地用經(jīng)典的思想去理解量子力學，這樣就不自覺地增加了難度。比如“波粒二象性”，經(jīng)典物理認為波動性和粒子性是互不相關的、相互獨立的，而量子力學認為波動性和粒子性是微觀粒子同時具備的兩種屬性。
2.學習量子力學，數(shù)學知識是必不可少的。量子力學中有著繁雜的數(shù)學知識，例如，數(shù)學分析中的微積分，代數(shù)學中的矩陣論，數(shù)學物理方程的微分方程，復變函數(shù)，等等。在教學過程中發(fā)現(xiàn)，不少學生對已學過的數(shù)學知識掌握得不是很牢固，在推導公式的過程中忘記了公式所描述的物理內(nèi)涵，影響了對量子力學知識的理解。
3.由于量子力學的課時緊張，教學過程中采用了傳統(tǒng)的教學模式，由教師到學生的“單向傳授”的教學形式。學生失去了主體地位，只能被動地接受知識，學習的興趣和積極性不高，導致教學效率降低。
二、量子力學的教學方法改革
1.采用多種教學手段相結(jié)合的教學模式。由于量子力學的內(nèi)容抽象難懂，又是建立在一系列基本假定的基礎之上，不少學生很難接受，甚至認為這門課程沒有用處。在量子力學的教學過程中，由單一的教師講授過渡到板書、錄像、課件、演示實驗等各種手段相結(jié)合的教學模式，將圖、文、聲、像等信息有機地組合在一起，形象、直觀、生動，容易激發(fā)學生的學習興趣。同時，通過網(wǎng)絡技術(shù)，學生可以享受到本校的教學資源，還可以突破空間的限制，享受到全國高水平的教學資源，從而豐富學生的資料庫，也為各學校的師生討論交流提供一個很好的平臺。
隨著科學技術(shù)的迅速發(fā)展，知識更新非常快。在教學中，教師應及時將與量子力學相關的科技前沿和高新技術(shù)引入教學中，介紹與量子力學密切相關的課題，闡明科學技術(shù)中所蘊含的量子力學原理。如我們在講解一維無限深勢阱時，將其與半導體量子阱和超晶格這一科學前沿相聯(lián)系；在講解隧道效應時，將其與掃描隧道顯微鏡相聯(lián)系，進而介紹掃描探針操縱單個原子的實驗。同時在教學中，我們理論聯(lián)系實際，多介紹量子力學知識與材料科學、生命科學、環(huán)境科學等其他學科之間的密切聯(lián)系，重點介紹在材料科學中的廣泛應用，包括新材料設計、開發(fā)新材料、材料成分和結(jié)構(gòu)分析技術(shù)等。通過這種方式，學生對這一部分的知識有了直觀的認識，從而不再感到量子力學的學習枯燥無味，同時也提高了接受新知識、學習新知識的意識和能力。
2.結(jié)合數(shù)學知識，把物理情境的建立作為教學的重點。量子力學可以說無處不數(shù)學，這門學科對高級數(shù)學語言的成功運用，正是它高深與完美的體現(xiàn)。數(shù)學雖然加深了物理問題的難度，卻維護了理論的嚴謹性和科學性。當然這不是要求老師從頭到尾、長篇冗重地推演計算，合理地修剪枝杈既能讓學生抓住重點，又免使學生感到量子力學只是數(shù)學公式的推導。對于學習量子力學的同學，可以著重于對物理概念的剖析和物理圖像的描繪，繞過數(shù)學分析難點，通過簡化模型、對稱性考慮、極限情形和特例、量綱分析、數(shù)量級估計、概念延拓對比等得出結(jié)論。定量分析盡量只用簡單的高數(shù)和微積分、常見的常微分方程，對復雜的數(shù)學推導可以不做講解，只對少數(shù)優(yōu)秀生或感興趣的同學個別輔導。例如，在求解本征方程時，只介紹動量、定軸轉(zhuǎn)子能量本征值的求解；對無限深勢阱情況，薛定諤方程可類比普通物理中的簡諧振動方程；對氫原子和諧振子的能量本征值問題，只重點介紹思路、方法和結(jié)論，不作詳細推導。
3.充分應用類比法，講述量子力學。經(jīng)典力學是量子力學的極限情況，在教授過程中，應盡可能找到“經(jīng)典”對應，應用類比方法講述量子力學中抽象的概念和物理圖像，有助于正確理解量子力學的物理圖像。用光的單縫、雙縫衍射、干涉說明光的波動性，用光電效應、康普頓散射說明光的粒子性，運用這種方法有利于學生掌握光的波粒二象性。在將量子力學與經(jīng)典力學類比的同時，還要清楚量子力學與經(jīng)典力學在觀念、概念和方法上的區(qū)別。例如，經(jīng)典力學用位矢、速度描述物體的狀態(tài)，而量子力學用波函數(shù)描述系統(tǒng)狀態(tài)；經(jīng)典力學用牛頓第二定律描述狀態(tài)變化，量子力學用薛定諤方程描述狀態(tài)的變化。另外對于量子力學中的波粒二象性、態(tài)迭加原理、統(tǒng)計原理等都要與經(jīng)典力學中的相關概念區(qū)分開來，類比說明，闡明清楚其真正內(nèi)涵。
4.改變傳統(tǒng)教學模式，采用以學生為主體的教學模式。量子力學的現(xiàn)代教學多以“教師講授”為主，同時配合多媒體課件輔助教學，教學模式較傳統(tǒng)教學有所變化，多媒體課件教學雖然能夠在一定程度上激發(fā)學生的學習興趣，但仍然是“填鴨式”的教學法，沒能真正地改變傳統(tǒng)教學的弊端。因此在教學過程中，要避免課堂成為教師的一言堂，鼓勵學生提問，激發(fā)學生的逆向思維和非規(guī)范性思維等，通過創(chuàng)設問題情境使師生互動起來，提高學生學習量子力學的積極性，加深學生對這門課程的理解。還要組織學生開展相關課題討論，引導學生自主能動地思考，激發(fā)學生的學習興趣。
三、結(jié)語
“量子力學”是物理類專業(yè)基礎課程中教學的難點和重點，建立新的教學模式，有利于學生學習、理解和掌握這門課程。
參考文獻：
［1］曾謹言.量子力學［M］.科學出版社，1997.
［2］周世勛.量子力學教程［M］.高等教育出版社，1979.
［3］胡響明.淺談量子概念的理解［J］.高等函授學報（自然科學版），2004，（2）：29.
第3篇：量子力學基本概念的發(fā)展范文
關鍵詞：物理本體；物理實體；量子現(xiàn)象；主觀；客觀
基金項目：國家社會科學基金項目“量子概率的哲學研究”（16BZX022）
中圖分類號：N03 文獻標識碼：A 文章編號：1003-854X（2017）06-0054-06
一、引言
時間和空間是人類所有經(jīng)驗的背景。除去存在的事物，時間、空間什么也不是，不存在只有一件事物的時間、空間，時空是事物之間相互關系的一個方面。
人類通過感性經(jīng)驗認知的時空，稱作經(jīng)驗時空；以科學原理和科學方法指導認知的時空是科學時空；牛頓時空、狹義相對論時空、廣義相對論時空、量子力學時空，是經(jīng)驗時空的科學提升和科學發(fā)展，稱作物理時空①。物理時空是科學時空。描述現(xiàn)象實體的時空是現(xiàn)象時空，經(jīng)驗時空、物理時空、科學時空均是現(xiàn)象時空。而未經(jīng)觀察的“自在實體（物理本體）”所在時空，稱為“本體時空”。“本體時空”是復數(shù)的②，因此，人類實質(zhì)生活在復數(shù)時空中 。作為自然人，觀察者存在于“本體時空”，實時空是人類對時空認識的簡化③。
主體、客體、觀察信號是人類認知自然的三大基本要素④。一般“現(xiàn)象對觀察者的主觀依賴性”有其客觀原因，體現(xiàn)觀察信號的自然屬性對觀察者在認知中的影響。當把現(xiàn)象對觀察者的主觀依賴性轉(zhuǎn)化為時空的屬性后，就可以達到客觀描述物質(zhì)世界⑤。所謂客觀描述就是理論計算與經(jīng)驗及科學實驗結(jié)果相符。
考慮觀察信號的客觀作用并納入時空理論的科學建構(gòu)之中，客觀描述物理現(xiàn)象，是物理學家的重要工作。一般，哲學認知中沒有明晰“觀察信號中介作用”的客觀地位，不管“機械反映論”，還是“能動反映論”，都自動將其融入“反映論”理論體系，尤其是前者，往往容易導致主觀唯心主義的滋生。
狹義相對論用光對時，考慮了光對建立時空的貢獻；牛頓時空是對時信號速度c趨于無窮大的極限情態(tài)；考慮引力場對建立時空的影響，引力時空是彎曲的，狹義相對論的平直時空是它的局域特例。從牛頓力學到狹義相對論再到廣義相對論，時空發(fā)生了變化，但主體與描述對象的關系沒有變，主體對客體的描述是客觀的。那么是否主體對認知對象完全沒有主觀影響？如果有，它如何產(chǎn)生，又如何消解，實現(xiàn)客觀描述物質(zhì)世界？經(jīng)典力學中，人類的處理方法是通過揭示“現(xiàn)象對觀察者的主觀依賴性”及其產(chǎn)生機理，在不同認知領域區(qū)分描述中可以忽略的和不可忽略的，能忽略的舍棄，不能忽略的轉(zhuǎn)化成時空的屬性，實現(xiàn)客觀描述；而從牛頓力學（或相對論力學）到量子力學，時空沒有變化，描述對象具有波粒二象性，“量子現(xiàn)象的主觀依賴性”更為突出。如何消解“量子現(xiàn)象對觀察者的主觀依賴性”，實現(xiàn)量子現(xiàn)象的客觀描述，一直是量子力學基礎討論的熱點。量子力學必須有自己的客觀描述量子現(xiàn)象的時空⑥。
量子力學時空是閔氏時空的復數(shù)拓展和推廣⑦，由此可以實現(xiàn)客觀描述量子世界。它與相對論時空有交集，也有異域。有因必有果，反之亦然，時間與因果關系等價⑧。量子力學中的非定域性，與能量、動量量子化及量子態(tài)的突變性相關聯(lián)。突變無須時間，導致因果鏈斷裂，與因果關聯(lián)的相互作用也被刪除，由此引進了類空間隔。平行并存量子態(tài)的出現(xiàn)，是不遵從因果律的量子力學新表現(xiàn)；當能量、動量和相互作用變得連續(xù)，宏觀時序得到恢復時，回到相對論時空，量子測量中“量子態(tài)和時空的坍縮”⑨ 是不同物理時空的轉(zhuǎn)換，希爾伯特空間只是它們的共同數(shù)學應用空間⑩。
時空不是絕對的，相對時空有更廣闊的含義，人類需要擴大對時空概念的認知，不同的認知層次有不同的時空對應，復數(shù)時空更為本質(zhì)。人們不應該將所有領域的物理實體歸于某一時空描述，或者用一種時空的性質(zhì)去否定另一種時空的存在。還是愛因斯坦說得好：是理論告訴我們能夠觀察到什么。當然，新的實驗事實又將告訴人們，理論及其對應的時空應該如何修改和發(fā)展。理論不同時空不同，時空具有建構(gòu)特征。
二、時空的哲學認知與物理學描述
時空是哲學的基本概念，也是物理學的基本概念。哲學認為，時間和空間是物質(zhì)的存在形式，既不存在沒有時空的物質(zhì)，也不存在沒有物質(zhì)的時空。笛卡爾指出，空間是事物的廣延性，時間是事物的持續(xù)性；康德認為，時空是感性材料的先天直觀形式；牛頓提出時間和空間是彼此分離，絕對不變的，強調(diào)數(shù)學的時間自我均勻流逝；萊布尼茨說，空間是現(xiàn)象的共存序列，時間與運動相聯(lián)系；黑格爾認為，事物運動的本質(zhì)是空間和時間的直接統(tǒng)一。休謨認為，時、空上的接近和先后關系與因果性直接相關。中國的“宇”和“宙”就是空間和時間概念，它是把三維空間和一維時間概念同宇宙密切聯(lián)系在一起的最早應用{11}。
哲學具有啟示作用，但時空概念如果不與人的社會實踐、科學實驗、科學理論及其數(shù)學物理方法相聯(lián)系，就只能停留在形而上，無法上升為科學理論概念。
物理學中，空間從測量和描述物體及其運動的位置、形狀、方向中抽象出來；時間則從描述物體運動的持續(xù)性、周期性，以及事件發(fā)生的順序、因果性中抽象出來；空間和時間的性質(zhì)，主要從物體運動及其相互作用的各種關系和度量中表現(xiàn)出來。描述物體的運動，先選定參照物，并在參照物上建立一個坐標系，一般參照物被抽象成點，它就是坐標系的原點；假定被描述物體的形體結(jié)構(gòu)對討論的問題（或?qū)⒄瘴锏臅r空）沒有影響，將物體抽象成質(zhì)點，討論質(zhì)點在坐標系中的運動及其相關規(guī)律，這就是物理學。由此，“時空是物質(zhì)的存在形式”的哲學認知也就轉(zhuǎn)化為人類可操作的具體物理理論描述。
可見，時空的認知與人類的社會實踐、科學實驗、科學進步直接相關，離不開物理和數(shù)學方法的應用。笛卡爾平直空間、閔可夫斯基空間、黎曼空間都已作為物理學所依托的幾何學，在牛頓力學、狹義相對論、廣義相對論中得到了充分應用。由此，幾何學被賦予了物理意義。從牛頓力學到狹義相對論再到廣義相對論，時空發(fā)生了變化，但描述對象與觀察者之間的關系沒有變，描述是客觀的，并且描述對象都可抽象成經(jīng)典的粒子，采用質(zhì)點模型。量子力學不同，從牛頓力學（相對論力學）到量子力學，描述量子現(xiàn)象的時空沒有變化{12}，物理模型沒有變，但量子現(xiàn)象對觀察者有明顯的主觀依賴性，難以客觀描述微觀量子現(xiàn)象。深入分析，解決的辦法有兩種，一是更換物理模型的同時也改變物理時空，消除“量子現(xiàn)象對觀察者的主觀依賴性”，實現(xiàn)客觀描述微觀量子客體；二是改變時空的同時，保留“量子現(xiàn)象對觀察者的主觀依賴性”，將本體、認識、時空融為一體，主觀納入客觀，模糊主客關系。雙4維時空量子力學基礎采用了第一種方法。通過場物質(zhì)球模型，把點模型隱藏的空間自由度釋放出來；在改變物理模型的同時，也改變了描述時空；將不是點的微觀客體自身的空間分布特性，轉(zhuǎn)化為描述空間的屬性，客觀描述量子客體。我們認為，第二種方法將主觀認識不加區(qū)分地“融入時空”，有損客觀性、科W性，量子力學時空必須是描述客觀世界的時空。物理時空需要建構(gòu)。
三、牛頓絕對時空中“現(xiàn)象對觀察者的主觀依賴性”及其“消解”
眾所周知，物理學對物體運動狀態(tài)的描述，理應包含參照物和被描述物體自身的時空特征，而參照物和物體自身的時空特征，必須通過觀察發(fā)現(xiàn)。觀察需要觀測信號，物體運動狀態(tài)及其時空特征必然帶有觀測信號的烙印{13}。
“物理本體”不可直接觀察，我們觀察到的是“物理實體”{14}。參照物與研究對象都有自己對應的物理時空，牛頓力學時空應該是兩者的綜合，而不應該只是參照物的時空。但是，牛頓力學中光速無窮大，在討論物體運動時，又假設研究對象的時空結(jié)構(gòu)對討論的問題沒有影響，忽略不計，于是，研究對象抽象成了質(zhì)點，整個理論體系就只有與參照物聯(lián)系的時空了。
任何具體物體都不會是質(zhì)點。當用信號去觀察它時，物體自身的時空特征與物體的運動狀態(tài)與觀察信號的性質(zhì)、強弱和傳播速度相關。質(zhì)點模型忽略物體自身的幾何形象及其變化，忽略運動及觀察信號對物體自身時空特征的影響，參照物也不例外。在從參照物到坐標系的抽象中，抽掉運動及觀察信號對參照物時空特性的影響，就是抽掉物體運動及觀察信號對坐標系時空特性的影響，就是抽掉人的參與對時空認知的影響{15}。牛頓力學時空與物體運動及觀察者無關，絕對不變，基于絕對不動的以太之上。所以，牛頓可以把時間和空間從物質(zhì)運動中分離出來，時間和空間也彼此分割，空間絕對不變，數(shù)學的、永遠流逝的時間絕對不變{16}。哲學的時空演變成了可操作的物理時空。這是宏觀低速運動對時空的簡化與抽象，理論與宏觀經(jīng)驗及計算相符。
相互作用實在論認為，現(xiàn)實世界是人參與的世界，對一個研究對象的觀察，離不開主體、客體、觀察信號三個基本要素。參照物和觀察對象的運動和變化及其時空屬性，與觀察信號的性質(zhì)相關。牛頓力學中，不是沒有現(xiàn)象對觀察主體的依賴性，而是在理論的建立中認為影響很小，可以忽略不計。牛頓力學是“物理本體=物理實體”的力學{17}。這與宏觀經(jīng)驗和科學實驗相符，在宏觀低速運動層次實現(xiàn)了主客二分，理論被看作是對客觀實在的描述。牛頓力學中，物質(zhì)告訴時空如何搭建描述背景，時空告訴物質(zhì)如何在背景中運動。二者構(gòu)成背景相關。
牛頓時空是均勻平直時空，相對勻速運動坐標系間的變換是伽利略變換。物理定律在伽利略換下具有協(xié)變性，相對性原理成立。
四、狹義相對論中“現(xiàn)象對觀察者的主觀依賴性”及其“消解”
狹義相對論建立之前，洛倫茲就認為高速運動中物體長度在運動方向發(fā)生收縮{18}。這是他站在牛頓時空立場，承認以太及絕對坐標系的存在對洛倫茲變換所作的解釋。描述時空沒有變，“現(xiàn)象對觀察者出現(xiàn)了主觀依賴性”。自然現(xiàn)象失去了客觀性，這是一次認識危機，屬19世紀末20世紀初兩朵烏云之一。
狹義相對論不同，它考慮宏觀高速運動中觀察信號對物體時空特征的影響。愛因斯坦在“火車對時”實驗中，他用“光”作為觀察、記錄、認知物體時空特征的信號{19}；通過參照物到坐標系的抽象，論證靜、動坐標系K與K′“同時性”不同，靜、動坐標系運動方向時空測量單位發(fā)生了變化；將洛倫茲所稱“運動物體自身運動方向上的長度收縮”演變成坐標系時空框架的屬性，還原質(zhì)點模型，建立相對論力學。實現(xiàn)了觀察者對觀察對象的客觀描述。
狹義相對論中質(zhì)點的動量、能量、位置和時間都有確定值，質(zhì)點的運動具有確定的軌跡，這一點與牛頓力學相同。
狹義相對論時空的另一重要物理意義是揭示了“物理本體”的客觀實在性。
牛頓力學缺少相對論不可直接觀察的靜能（m0c2，m0c）對應物，物理本體=物理實體，哲學上的抽象時空直接過渡到牛頓物理時空。
狹義相對論不一樣，每一個物體都有一個不可直接觀察的靜能（m0c2，m0c）對應物，它在任何靜止參考系中都是不變量，是物理實體背后的物理本體，物理本體不變，變的是mc2、mc對應的物理實體。“物理本體”既不是形而上的（物自體），也不是形而下的（物體），是形而中的（靜能對應物）。它可以認知、可以理論建構(gòu)，但又不可直接觀察。相對于牛頓，愛因斯坦相對論揭示了“物理本體”的真實存在性。“客觀物質(zhì)世界”不是思維的產(chǎn)物。
狹義相對論中，物質(zhì)告訴時空在運動方向如何修正測量單位，時空告訴物質(zhì)如何長度收縮、時間減緩。時空具有相對性。
狹義相對論時空雖然也是均勻平直時空，但由于有上述“相對時空”的出現(xiàn)，時空度規(guī)與歐氏時空度規(guī)有明顯區(qū)別，所以稱為贗歐氏時空。
但狹義相對論仍然是只考慮光及光速的有限性對建立時空的影響，沒有考慮引力作用對建立時空的影響。如果考慮引力對時空的影響又如何呢？
五、廣義相對論中“現(xiàn)象對觀察者的主觀依賴性”及其“消解”
廣義相對論中有水星近日點進動問題和光走曲線的討論。站在牛頓平直時空的立場，觀察結(jié)果與理論計算不符。這不是儀器的精度不夠，也不是操作失誤，而是理論本身的問題。因為，牛頓力學也好，狹義相對論也好，討論引力問題，引力場對參照物和研究對象時空屬性的影響都沒有計入其中，而留在觀察者對“現(xiàn)象”的觀察、判斷之中，出現(xiàn)宇觀大尺度“現(xiàn)象對觀察者的主觀依賴性”。如果考慮引力場使時空發(fā)生彎曲，利用彎曲時空計算水星近日點進動和光走曲線現(xiàn)象，“現(xiàn)象對觀察者的主觀依賴性”就變成時空的屬性。“現(xiàn)象對觀察者的主觀依賴性”就得到了“消解”，觀察現(xiàn)象與理論結(jié)果就取得了一致。這里，物質(zhì)使時空彎曲，時空告訴物質(zhì)如何在彎曲時空中運動。廣義相對論實現(xiàn)了觀察者對觀察對象的客觀描述。
廣義相對論時空是彎曲的，時空度規(guī)是變化的。
六、量子力學中“現(xiàn)象對觀察者的主觀依賴性”及其“消解”
微觀客體具有波粒二象性，同一個電子，通過雙縫表現(xiàn)為波，而打在屏幕上又表現(xiàn)為粒子，電子集波和粒子于一身，“量子現(xiàn)象對觀察者的主觀依賴性”更為突出。經(jīng)典力學中波動性和粒子性不能集物體于一身，量子力學與經(jīng)典力學表現(xiàn)出深刻的矛盾。矛盾的產(chǎn)生，可能是描述微觀現(xiàn)象的時空出了問題。量子力學的研究領域是微觀世界，研究對象是微觀客體，不是經(jīng)典的粒子，用以觀察的信號也不是連續(xù)的光，而是量子化了的光，通過光信號建立的時空應該與牛頓、相對論時空有所區(qū)別。而量子力學使用的還是牛頓時空、狹義相對論時空，時空沒有變，物理模型沒有變，而研究領域、觀察信號和研究“對象”變了。量子力學必須有自己對應的時空，將“量子現(xiàn)象對觀察者的主觀依賴性”，轉(zhuǎn)化為描述時空的屬性，實現(xiàn)客觀描述量子現(xiàn)象！ 雙4維時空量子力學就是為實現(xiàn)這一目標應運而生的。
現(xiàn)有量子力學“量子現(xiàn)象對觀察者的主觀依賴性”之所以難以消解，與量子力學中的點模型相關。許多量子現(xiàn)象與點模型隱藏的空間自由度有直接聯(lián)系，但點模型忽略了這些自由度對產(chǎn)生微觀量子現(xiàn)象的作用和影響。我們必須將隱藏的空g自由度還原于時空，才可能正確地認識、客觀描述量子現(xiàn)象。
可以公認，微觀客體不是點{20}，是一個有形客體，有一定的空間分布，不存在確定于某點的空間位置，這是客觀事實。理論上，牛頓時空幾何點位置是確定的，量子力學使用的是質(zhì)點模型，0 維，位置也是確定的，牛頓時空可以精確描述質(zhì)點的運動。那么微觀客體空間分布的不確定性如何處理？人們只好轉(zhuǎn)而認為點粒子在其“空間分布”區(qū)域位置具有概率屬性。微觀客體自身空間分布的客觀實在性在量子世界轉(zhuǎn)化成了一種主觀認知，賦予了微觀客體“內(nèi)稟”的概率屬性，其運動產(chǎn)生概率分布，或稱其為概率波。
這是一個認識上的困惑，似乎量子力學描述失去了客觀實在性。這也是量子力學當今的困境。解決困難的方法是：（一）更換點模型，釋放點模型隱藏的自由度，展示“這些自由度對產(chǎn)生微觀現(xiàn)象的貢獻”；（二）建立適合量子力學自身的時空，將釋放的自由度植入其中，讓“量子現(xiàn)象對觀察者的主觀依賴性”變成量子力學時空自身的屬性。
雙4維時空量子力學的辦法是：（一）用“轉(zhuǎn)動場物質(zhì)球”模型取代“質(zhì)點”模型，釋放點模型隱藏的空間自由度；（二）將4維實時空M4（x）拓展到雙4維復時空W（x，k），且將“釋放的空間自由度――曲率k”作為雙4維復時空的虛部坐標；（三）4維曲率坐標將量子力學賦予微觀客體自身的概率屬性變成量子力學復時空的幾何屬性，場物質(zhì)球自身的旋轉(zhuǎn)與運動產(chǎn)生物質(zhì)波――物理波。
“場物質(zhì)球”與“物質(zhì)波”（類似對偶性假設）既是同一物理實在的兩種不同描述方式，更是微觀客體粒子性和波動性的統(tǒng)一，曲率的大小表示粒子性，曲率的變化表示波動性。場物質(zhì)球的物質(zhì)密度是曲率k的函數(shù)，因此，物質(zhì)波既是場物質(zhì)球的結(jié)構(gòu)波又是場物質(zhì)密度波。物質(zhì)波不是傳播能量，而是傳播場物質(zhì)球的結(jié)構(gòu)或物質(zhì)密度變化，可映射成實時空M4（x）的概率分布{21}，與實驗結(jié)果相一致。
這樣，點模型中“量子現(xiàn)象對觀察者的主觀依賴性”通過“釋放的自由度”轉(zhuǎn)變?yōu)闀r空W（x，k）的屬性，物質(zhì)波傳播其中，量子現(xiàn)象是物質(zhì)波所為。
研究表明，是量子測量引入的連續(xù)作用，使雙4維時空W（x，k）全域轉(zhuǎn)換到實時空M4（x），波動形態(tài)轉(zhuǎn)變成粒子形態(tài)（“相變”），球模型轉(zhuǎn)換成點模型，概率屬性內(nèi)在其中，物質(zhì)波自動映射成概率波，數(shù)學處理類似表象變換{22}。
簡言之，傳統(tǒng)量子力學，微觀客體簡化成質(zhì)點，描述時空不變，人的主觀意識介入其中，將其空間分布特性――位置不確定性，變成點粒子的概率屬性，實現(xiàn)描述對象從客觀到主觀認知的轉(zhuǎn)變，具有位置不確定性的點粒子，其運動產(chǎn)生概率波；雙4維時空量子力學，微觀客體簡化成場物質(zhì)球，“空間分布具體化為幾何曲率”，空間分布特性變成曲率坐標，仍然是從客觀到客觀，描述時空變成了復時空，曲率坐標在其虛部，場物質(zhì)球的運動產(chǎn)生物質(zhì)波――物理波。通過量子測量，物質(zhì)波映射成概率波，球模型演變成點模型，顯示概率屬性，時空內(nèi)在自動轉(zhuǎn)換，量子現(xiàn)象對觀察者的主觀依賴性消解在建構(gòu)的時空理論中。具體論證方法是：
將靜態(tài)場物質(zhì)球?qū)懗勺孕▌有问剑害?=е■，描述在復空間。ω0是常數(shù)，它的變化只與自身坐標系時間t0相關，全空間分布（物理本體所在空間）。設建在“靜態(tài)”場物質(zhì)球上的坐標系為K0，觀察微觀客體從靜止開始作蛩僭碩，由洛倫茲變換：
微觀客體的運動速度不同，平面波相位不同。復相空間kμxμ即為物質(zhì)波所在時空。物質(zhì)波是物理波。
自由微觀客體的速度就是建在其上慣性坐標系的速度，慣性系間的坐標變換，隱藏速度突變――“超光速”概念，因為，連續(xù)變化會引進引力場破壞線性空間。不同慣性系中平面波之間，相位不同，類似量子力學中的不同本征態(tài)。這是相對論中的情形{24}。
但是，量子力學建立其理論體系時，把上述不同慣性系中的平面波（不同本征態(tài)，每一本征態(tài)則對應一慣性系），通過本征態(tài)突變躍遷假設（量子分割），切斷因果聯(lián)系，形成同一時空中“同時”并存的本征態(tài)的疊加。態(tài)的躍遷不需要時間，“超光速”（非定域），將類空間隔引入量子力學時空，破壞了原有的因果關系。疊加量子態(tài)的存在，是“違背”因果律在量子力學中的新表現(xiàn)。
量子力學時空顯然不是牛頓、狹義相對論時空，但量子力學卻誤認為量子躍遷引起的時空性質(zhì)的變化是牛頓、狹義相對論時空中的特征，這當然會帶來不可調(diào)和的認知矛盾。
同一微觀客體，不同本征態(tài)“同時”并存的物理狀態(tài)，從整體看，是洛倫茲協(xié)變性在量子力學中的新表現(xiàn)。突變區(qū)“超光速”，是類空空間，“不遵從”因果律；釋放光子的運動在類光空間；而本征態(tài)自身在類時空間，微觀客體運動速度不能超過光速，需保持因果律，物質(zhì)波討論的就是這一部分，就像相對論討論類時空間物理一樣。量子糾纏態(tài)將涉及到上述三種不同性質(zhì)物理空間量子態(tài)的轉(zhuǎn)換，有完全合理的物理機制，不需要思維的特殊作用。不過，相對論長度收縮效應，將以物質(zhì)波波長在運動方向上的收縮來體現(xiàn)。有了雙4維時空量子力學，量子力學與相對論就是相容的，光錐圖分析一樣適用。
相對論與量子力學的不同，關鍵在于認知層次發(fā)生了變化，光由連續(xù)場演變成了量子場。而我們用來觀察世界的光信號直接與時空相關，光的物理性質(zhì)的變化，必然帶來物理空間性質(zhì)的變化，帶來物理模型的變化，帶來量子力學時空W（x，k）與相對論時空M4（x）之間的區(qū)別，帶來對物質(zhì)波――物理波的全新認知。我們預言，物質(zhì)波有通訊應用價值{25}，但與量子力學非定域性無關。
《雙4維復時空量子力學基礎――量子概率的時空起源》的理論實踐表明，我們的工作是可取的{26}。結(jié)論是，量子力學中，物質(zhì)告訴時空如何具有概率屬性，時空告訴物質(zhì)如何作概率運動。量子現(xiàn)象對觀察者的主觀依賴性消解在對應的時空理論之中，實現(xiàn)了觀察者對量子現(xiàn)象的客觀描述。
雙4維時空是描述量子現(xiàn)象的物理時空，時空度規(guī)，無論實數(shù)部分，還是虛數(shù)部分，都是平直的{27}。
近年來，由于量子通訊技術(shù)的飛速發(fā)展，量子糾纏的物理基礎引起了人們的特別關注，波函數(shù)的物理本質(zhì)，量子力學的非定域性討論十分熱烈。“量子現(xiàn)象對觀察者的主觀依賴性”更是討論的核心。人們甚至被量子現(xiàn)象的奇異性迷惑了，特別是，有科學家甚至認為：“客觀世界很有可能并不存在”。世界是人臆造出來的？科學實在論者當然不能贊成！更加深入的探討，我們將另文討論。
按照曹天予的評論，《雙4維復時空量子力學基礎――量子概率的時空起源》值得關注{28}。雙4維復時空與弦論、圈論比較，最大優(yōu)點是將時空拓展、推廣到了復數(shù)空間，數(shù)學沒有那么復雜，而物理學基礎卻更加堅實、清晰。
七、結(jié)論與討論
1.“現(xiàn)象對觀察者的主觀依賴性”普遍存在于人與自然的關系之中，融入時空的只能是物理實體對時空有影響的部分，時空具有建構(gòu)特征。
2. 物質(zhì)運動與時空的關系：牛頓力學中，物質(zhì)告訴時空如何搭建運動背景，時空告訴物質(zhì)如何在背景上運動；狹義相對論中，物質(zhì)告訴時空如何修正測量單位，時空告訴物質(zhì)如何在運動方向長度收縮、時間減緩；廣義相對論中，物質(zhì)告訴時空如何彎曲，時空告訴物質(zhì)如何在彎曲時空中運動；量子力學中，物質(zhì)告訴時空如何具有概率屬性，時空告訴物質(zhì)如何作概率運動。
3. 量子力學時空是平直的，其方程是線性的，而廣義相對論時空是彎曲的，其方程是非線性的{29}。量子力學與廣義相對論的統(tǒng)一，不能機械地湊合，它們的統(tǒng)一，必須從改變時空的性質(zhì)做起，建立相應的運動方程，并搭起非線性空間與線性空間的相互聯(lián)絡通道。
注釋：
① 趙國求：《雙4維時空量子力學基礎》，湖北科學技術(shù)出版社2016年版，第5頁；Cao Tian Yu， From Current Algebra to Quantum Chromodynamics： A Case for Structural Realism， Cambridge： Cambridge University Press， 2010， pp.202-241.
② Rocher Edouard， Noumenon： Elementaryentity of a Newmechanics， J. Math. Phys.， 1972， 13（12）， pp.1919-1925.
③④⑥⑦⑩{13}{15}{17}{21}{22}{24}{25}{27} w國求：《雙4維時空量子力學基礎》，湖北科學技術(shù)出版社2016年版，第5、105、9、147、179、94、133―136、106、151、151、159、152、149頁。
⑤ 主觀與客觀：“客觀”，觀察者外在于被觀察事物；“主觀”，觀察者參與到被觀察事物當中。 辯證唯物主義認為主觀和客觀是對立的統(tǒng)一，客觀不依賴于主觀而獨立存在，主觀能動地反映客觀。
⑧ L?斯莫林：《通向量子引力的三條途徑》，李新洲等譯，上海科學技術(shù)出版社2003年版，第29―33頁。
⑨ 張永德：《量子菜根譚》，清華大學出版社2012年版，第29頁；趙國求：《雙4維時空量子力學基礎》，湖北科學技術(shù)出版社2016年版，第178頁。
{11} 馮契：《哲學大辭典》，上海辭書出版社2001年版，第1579―1582頁。
{12} 參見L?斯莫林：《物理學的困惑》，李泳譯，湖南科學技術(shù)出版社2008年版。
{14} 相互作用實在論中的基本概念：（1）物質(zhì)：外在世界的本原。（2）基本相互作用：遍指自然力，有引力，電磁、強、弱等力。（3）自在實體：指未經(jīng)觀察的“自然客體”（相互作用實在論中，自在實體作為物理研究對象時稱物理本體）。（4）現(xiàn)象實體：經(jīng)過觀察，系統(tǒng)的、穩(wěn)定的、深刻反映事物本質(zhì)的理性認知物。現(xiàn)象則表現(xiàn)自在實體非本質(zhì)的一面。（相互作用實在論中，現(xiàn)象實體作為物理研究對象時稱物理實體）。（5）觀測信號：人類認知世界使用的探測信號。
{16} 參見伊?牛頓：《自然哲學之數(shù)學原理宇宙體系》，武漢出版社1996年版。
{18} 參見倪光炯等：《近代物理學》，上海科學技術(shù)出版社1980年版。
{19} 參見A?愛因斯坦：《相對論的意義》，科學出版社1979年版；愛因斯坦等：《物理學的進化》，周肇威譯，上海科學技術(shù)出版社1964年版。
{20} 坂田昌一：《坂田昌一科學哲學論文集》，安度譯，知識出版社2001年版，第140頁。
{23} 參見Guo Qiu Zhao， Describe Quantum Mechanics in Dual 4d Complex Space-Time and the Ontological Basis of Wave Function， Journal of Modern Physics， 2014， 5（16）， p.1684；趙國求：《雙4維時空量子力學基礎》，湖北科學技術(shù)出版社2016年版，第149頁。
{26} 參見Guo Qiu Zhao， Describe Quantum Mechanics in Dual 4d Complex Space-Time and the Ontological Basis of Wave Function， Journal of Modern Physics， 2014， 5（16）， p.1684；趙國求：《雙4維時空量子力學描述》，
《現(xiàn)代物理》2013年第5期；趙國求、李康、吳國林：《量子力學曲率詮釋論綱》，《武漢理工大學學報》（社會科學版）2013年第1期。
{28} 曹天予：《當代科學哲學中的庫恩挑戰(zhàn)》，《中國社會科學報》2016年5月31日。
第4篇：量子力學基本概念的發(fā)展范文
關鍵詞：微電子；半導體物理；教學質(zhì)量；教學方法
作者簡介：湯乃云（1976-），女，江蘇鹽城人，上海電力學院計算機與信息工程學院，副教授。（上海200090）
基金項目：本文系上海自然科學基金（編號：B10ZR1412400）、上海市科技創(chuàng)新行動計劃地方院校能力建設項目（編號：10110502200）的研究成果。
中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2012）13-0059-02
隨著半導體和集成電路的迅猛發(fā)展，微電子技術(shù)已經(jīng)滲透到電子信息學科的各個領域，電子、通信、控制等諸多學科都融合了微電子科學的基礎知識。[1]作為微電子技術(shù)的理論基礎，半導體物理研究、半導體材料和器件的基本性能和內(nèi)在機理是研究集成電路工藝、設計及應用的重要理論基礎；作為微電子學相關專業(yè)的特色課程及后續(xù)課程的理論基礎，“半導體物理”的教學直接影響了后續(xù)專業(yè)理論及實踐的教學。目前，對以工程能力培養(yǎng)為目標的微電子類相關專業(yè)，如電子科學與技術(shù)、微電子、集成電路設計等，均強調(diào)培養(yǎng)學生的電路設計能力，注重學生的工程實踐能力的培養(yǎng)，在課程設置及教學上輕視基礎理論課程。由于“半導體物理”的理論較為深奧，知識點多，涉及范圍廣，理論推導復雜，學科性很強，對于學生的數(shù)學物理的基礎要求較高。對于沒有固體物理、量子力學、統(tǒng)計物理等基礎知識背景的微電子學專業(yè)的學生來說，在半導體物理的學習和理解上都存在一定的難度。因此需要針對目前教學過程中存在的問題與不足，優(yōu)化和整合教學內(nèi)容，探索形象化教學手段，結(jié)合科技發(fā)展熱點問題，激發(fā)學生的學習興趣，提高半導體物理課程的教學質(zhì)量。
一、循序漸進，有增有減，構(gòu)建合理的教學內(nèi)容
目前，國內(nèi)微電子專業(yè)大部分選用了電子工業(yè)出版社劉恩科等編寫的《半導體物理學》，[2]教材知識內(nèi)容體系完善，涉及內(nèi)容范圍廣、知識點多、理論推導復雜、學科交叉性強。該教材的學習需要學生有扎實的固體物理、量子力學、統(tǒng)計物理以及數(shù)學物理方法等多門前置學科的基礎知識。但是在以培養(yǎng)工程技術(shù)人員為目標的微電子學類專業(yè)中，國內(nèi)大部分高校均未開設量子力學、統(tǒng)計物理學及固體物理學等相應的前置課程。學生缺少相應固體物理、統(tǒng)計物理與量子力學等背景知識，沒有掌握相關理論基礎，對半導體物理的學習感到頭緒繁多，難以理解，容易產(chǎn)生畏學和厭學情緒。
在課程教學中教師必須根據(jù)學生的數(shù)理基礎，把握好課程的內(nèi)容安排，抓住重點和難點，對原有的教材進行補充更新，注意將部分量子力學、統(tǒng)計物理學、固體物理學等相關知識融合貫穿在教學中，避免學生在認識上產(chǎn)生跳躍。例如在講解導體晶格結(jié)構(gòu)內(nèi)容前，可以增加2-3個學時的量子力學和固體物理學中基礎知識，讓學生在課程開展前熟悉晶體的結(jié)構(gòu)，了解晶格、晶胞、晶向、晶面、晶格常數(shù)等基本概念，掌握晶向指數(shù)、晶面指數(shù)的求法，了解微觀粒子的基本運動規(guī)律。在講解半導體能帶結(jié)構(gòu)前，增加兩個學時量子力學知識，使學生了解粒子的波粒二象性，掌握晶體中薛定諤方程及其求解的基本方法。在進行一些復雜的公式推導時，隨時復習或補充一些重要的高等數(shù)學定理及公式，如泰勒級數(shù)展開等。這些都是學習“半導體物理學”必備的知識，只有在透徹理解這些基本概念的前提下，才能對半導體課程知識進行深入地學習和掌握。
另一方面，對于微電子學專業(yè)來講，側(cè)重培養(yǎng)學生的工程意識，“半導體物理”課程中的部分教學內(nèi)容對于工科本科學生來說過于艱深，因此在滿足本學科知識的連貫性、系統(tǒng)性與后續(xù)專業(yè)課需要的前提下，大量刪減了涉及艱深物理理論及復雜數(shù)學公式推導的內(nèi)容，如在講述載流子在電場中的加速以及散射時，可忽略載流子熱運動速度的區(qū)別及各向異性散射效應，即玻耳茲曼方程的引入，推導及應用可省略不講。
二、豐富教學手段，施行多樣化教學方法，使教學形象化
半導體物理的特點是概念多、理論多、物理模型抽象，不易理解，如非平衡載流子的一維飄移和擴散，載流子的各種復合機理，金屬和半導體接觸的能帶圖等。這些物理概念和理論模型單一從課本上學習，學生會感覺內(nèi)容枯燥，缺少直觀性和形象性，學習起來比較困難。為了讓學生能較好地掌握這些模型和理論，需要采用多樣化的教學方法，充分利用PPT、Flash等多媒體軟件、實物模型、生產(chǎn)錄像等多種信息化教學手段，模擬微觀過程，使教學信息具體化，邏輯思維形象化，增強教學的直觀性和主動性。同時，教師除開展啟發(fā)式、討論式等教學方法調(diào)動學生學習的主動性、積極性外，[3，4]還可以應用類比方法幫助他們理解物理概念或模型。如講半導體材料中的缺陷及躍遷機制時，為了幫助學生理解，可以做一個類比：將階梯教師里單位面積的座位數(shù)比做晶格各能級上的電子能態(tài)密度，把學生當作電子，一個學生坐在某一排的某個座位上，即認為這個電子被晶格束縛。當有外來學生進入教室，在教室過道上走動時，可類比為間隙式缺陷；而當外來學生取代現(xiàn)有學生的座位時，可類比為填隙式缺陷等等。通過類比，學生對半導體內(nèi)部的點缺陷的概念的理解就清楚形象多了。
三、結(jié)合微電子行業(yè)領域的迅速發(fā)展，以市場為導向，培養(yǎng)學生興趣
微電子技術(shù)的發(fā)展歷史，實際上就是固體物理與半導體物理不斷發(fā)展和創(chuàng)新的過程，[5]1947年發(fā)明點接觸型晶體管、1948年發(fā)明結(jié)型場效應晶體管以及以后的硅平面工藝、集成電路、CMOS技術(shù)、半導體隨機存儲器、CPU、非揮發(fā)存儲器等微電子領域的重大發(fā)明，都與一系列的固體物理、[6]半導體物理及材料科學的重大突破有關。縱觀微電子工業(yè)的發(fā)展，究竟是哪些半導體理論推動了微電子技術(shù)的發(fā)展，哪些科學家推導并得出了這些理論？他們在理論推導的同時遇到了哪些困難？這些理論規(guī)律又起源于哪些實驗？到了21世紀，也就是今后50年微電子技術(shù)的發(fā)展趨勢和主要的創(chuàng)新領域，[5，6]即以硅基CMOS電路為主流工藝，系統(tǒng)芯片SOC（System On A Chip）為發(fā)展重點，量子電子器件和以分子（原子）自組裝技術(shù)為基礎的納米電子學；[7]與其他學科的結(jié)合誕生新的技術(shù)增長點，如MEMS，DNA Chip等，也都于半導體科學相關。這些新的微電子發(fā)展趨勢主要涉及半導體物理中的哪些知識？涉及哪些領域等？
針對以上問題，教師在講授半導體物理的基礎上，對教材進行補充更新。在保持基礎知識體系完整性的同時，避免面面俱到，刪減課本中一些不必要的內(nèi)容，大量加入近幾十年來發(fā)展成熟的新理論、新知識，突出研究熱點問題，力求做到基礎性和前瞻性的緊密結(jié)合，使學生在掌握基礎知識的同時對微電子發(fā)展歷史中半導體技術(shù)的發(fā)展趨勢有一個清晰地認識，讓學生能從中掌握事物的本質(zhì)，促進思維的發(fā)展，形成技能；同時注重與信息化技術(shù)相結(jié)合，將近幾年半導體技術(shù)的最新研究成果，如太陽能電池等半導體光伏發(fā)電技術(shù)在國家綠色能源戰(zhàn)略上的地位，半導體光電探測器在國家航天戰(zhàn)略上的應用等，使學生能及時掌握半導體技術(shù)前沿發(fā)展趨勢。將這些問題分成若干個相關的專題分派給學生，學生自行查閱和搜集資料，他們在課堂上講述該專題，教師加以引導和幫助。這種方式不僅充分調(diào)動課堂氣氛，加深他們對所學知識的理解，同時也讓學生學習了半導體物理課程在微電子專業(yè)中課程體系的作用，在科學意識上加深了半導體物理課程的重要性，激發(fā)學習興趣和欲望。
同時，為幫助學生了解學術(shù)前沿，培養(yǎng)專業(yè)興趣，還可邀請校內(nèi)外的專家做講座，學生可以利用課余時間，根據(jù)自己的興趣選擇聽取，加深對半導體物理課程的了解，培養(yǎng)專業(yè)學習興趣。
四、總結(jié)
總之，“半導體物理學”是微電子技術(shù)專業(yè)重要的專業(yè)基礎課，為后續(xù)專業(yè)課程的學習打下理論基礎。在“半導體物理”教學過程中，應積極采用現(xiàn)代化教學手段提高學生積極性，在教學過程中合理安排教學內(nèi)容，與時俱進引入科技熱點，削弱傳統(tǒng)的課本知識與市場需求的鴻溝，培養(yǎng)適應社會需求的微電子人才。
參考文獻：
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第5篇：量子力學基本概念的發(fā)展范文
自從 Thompson 于100多年前發(fā)現(xiàn)了作為第一個基本粒子的電子以來，粒子物理逐漸成為現(xiàn)代科學的前沿，受到了普遍的關注，吸引了越來越多的實驗家和理論家投入其中。他們企圖發(fā)現(xiàn)物質(zhì)的最深層結(jié)構(gòu)，探究這些最基本組分之間的作用力，并致力于這些作用力的統(tǒng)一描述的實驗和理論研究。粒子物理實驗家和理論家們當前還面對許多需要進一步努力解決的難題。比如，到底有多少代夸克和輕子存在？費米子質(zhì)量是怎么來的？“上帝的粒子”Higgs粒子究竟有沒有？CP破壞來源是什么？為什么物質(zhì)與反物質(zhì)如此的不平衡？引力怎樣才能與其它相互作用統(tǒng)一起來？
本書不僅涵蓋了幾乎所有重要的基本概念和最新的發(fā)展，還詳細地介紹了天體物理學、宇宙學與粒子物理之間的新的交叉學科，即所謂的天體粒子物理學的基本知識。
本書的兩位作者（兄弟二人）都是巴基斯坦著名的理論粒子物理學家、諾獎得主Salam 的學生，從事粒子物理研究幾十年。本書是他們在世界多所大學講授粒子物理的講義發(fā)展而成的。第1版出版于1992年，2000年出版了第2版，對于原書做了很多修改和補充。本書是2012年出版的第3版。它對于原書做了大量的更新和擴充。有7章徹底改寫了。添加了許多新的內(nèi)容和大量習題。
全書內(nèi)容共分成18章：1. 導論； 2. 散射和粒子的相互作用； 3. 時空對稱性；4. 內(nèi)部對稱性；5. U-群和SU（3）；6. SU（6）和夸克模型；7. 色、規(guī)范原理和量子色動力學；8. 重味； 9. 重夸克等效理論； 10. 弱相互作用；11. 強子弱流的性質(zhì)和手征對稱性；12. 中微子； 13. 弱電統(tǒng)一； 14. 深度非彈性散射； 15.重味的弱衰變； 16. 粒子的混合與CP-破壞； 17. 大統(tǒng)一、超對稱和弦； 18. 宇宙學和天體粒子物理學。書末有兩個附錄，分別簡要地介紹了量子場論和重整化群與運行耦合常數(shù)的基本知識。
本書對于粒子物理的介紹非常豐富，推導很詳細，而且盡量不用形式化的量子場論而更多地依靠量子力學知識。因此適合于廣泛的讀者，諸如高能物理、粒子物理、原子核物理學、天文學和天體粒子物理學等領域的研究生和研究人員，選做粒子物理的教材和重要的參考書。
第6篇：量子力學基本概念的發(fā)展范文
關鍵詞：熱力學與統(tǒng)計物理 教學內(nèi)容 教學方法 考核方式 材料物理專業(yè)
中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）07（c）-0170-02
材料物理專業(yè)是材料科學與物理學的一個交叉學科，專業(yè)特點要求在課程設置上既有材料科學方面的課程又要有物理類課程。安徽工業(yè)大學材料物理專業(yè)于2003年開始進行籌劃建設，2005年實現(xiàn)了首次招生。經(jīng)過幾年的探索、規(guī)劃和實踐，基本完成了專業(yè)定位和課程體系設置[1]，正逐步完善專業(yè)建設。現(xiàn)階段，保留了量子力學，熱力學與統(tǒng)計物理（以下簡稱熱統(tǒng)）和固體物理學作為本專業(yè)的物理類必修課程。其中，熱力學與統(tǒng)計物理是一門重要的專業(yè)基礎課，無論對后續(xù)的物理類還是材料類課程的學習都起到承上啟下的知識連接作用。本課程的設置目的使學生能夠熟練掌握熱力學和統(tǒng)計力學的基本原理和研究方法，逐步建立分析微觀世界的思路和方法，訓練學生嚴格的邏輯思維能力，培養(yǎng)演繹推理能力，提高解決具體問題的能力。
1 熱力學與統(tǒng)計物理課程教學中存在的主要問題
熱統(tǒng)課程內(nèi)容由熱力學和統(tǒng)計物理兩部分組成。其中，熱力學是研究熱現(xiàn)象的宏觀理論，它從若干經(jīng)驗定律出發(fā)，通過嚴密的邏輯演繹方法，最終給出系統(tǒng)的宏觀熱性質(zhì)；而統(tǒng)計物理則是研究熱現(xiàn)象的微觀理論，它從微觀粒子的力學規(guī)律出發(fā)，加上統(tǒng)計假設，獲得系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)。從內(nèi)容上來看，熱統(tǒng)課程的理論性強，教學內(nèi)容繁雜。尤其，在當前高校推行素質(zhì)教育和培養(yǎng)應用型人才的指導下，基礎理論課課程教學學時均有不同程度的壓縮。我校熱統(tǒng)課程安排為40個學時，由此帶來了教學學識少和教學內(nèi)容多的嚴重矛盾。我們根據(jù)我校材料物理專業(yè)特色方向和后續(xù)課程，在熱統(tǒng)教學內(nèi)容上做出了適當?shù)恼{(diào)整。
現(xiàn)行的熱統(tǒng)教材理論性強，較適合理科生使用，缺乏較合適的工科材料類學生使用的熱統(tǒng)教材。在組織教學中，我們以汪志誠編寫的《熱力學?統(tǒng)計物理（第四版）》作為主要參考教材[2]，同時綜合了多本經(jīng)典教材，如：胡承正編著的《熱力學與統(tǒng)計物理學》，包景東編著的《熱力學與統(tǒng)計物理簡明教程》等[3～4]。根據(jù)我校材料物理專業(yè)培養(yǎng)目標和專業(yè)特色方向，本著“先進、有效、有用”的原則，對熱統(tǒng)課程的教學內(nèi)容應該進行認真清理與重構(gòu)，形成適合本校實際的課程講義。
在教學方法和考核方式上也應根據(jù)我校實際進行相應的改革。熱統(tǒng)課程是一個理論性強的課程，其中的物理概念抽象，物理公式繁雜。安徽工業(yè)大學材料物理專業(yè)是在工科背景下成立并發(fā)展起來的，學生的數(shù)理基礎相對薄弱，在學習的過程中會有些吃力。長期的教學實踐告訴我們，如果采取傳統(tǒng)的灌輸式教學方法，只能使熱統(tǒng)課堂教學枯燥無味，學生被動的接受知識，失去了學習興趣，甚至對后續(xù)的專業(yè)課學習產(chǎn)生抵觸情緒。另外，傳統(tǒng)的閉卷考試常造成學生不重視平時的學習過程，期末復習只看教學課件，期待老師劃重點，搞突擊記憶。
針對上述現(xiàn)狀，我們嘗試著進行了教學內(nèi)容，教學方法和考核方式的改革和實踐。
2 教學內(nèi)容的改革
2.1 優(yōu)化教學內(nèi)容
熱統(tǒng)課程的熱力學部分與先修課程，如大學物理、物理化學和工程化學基礎的部分內(nèi)容重復率較高。我們在充分了解本專業(yè)學生的先修課程和后續(xù)課程的教學內(nèi)容后，對與其他課程有交叉重疊的部分進行了壓縮和刪減。比如：熱力學部分的熱力學基本定律，熱力學函數(shù)，化學平衡條件，理想氣體的化學平衡等都在先修課程里面作為重點內(nèi)容進行講授的。在實際教學時，只作復習性的簡述或以學生自學的方式完成。但為保證熱力學基本概念與規(guī)律的嚴格性與系統(tǒng)性，對重要的基本概念和定律還是進行重點講解。通過這樣的調(diào)整，節(jié)省了熱力學部分的教學學時，加大了統(tǒng)計物理部分的學時講授。統(tǒng)計物理是從宏觀系統(tǒng)的微觀結(jié)構(gòu)入手，從內(nèi)容上與量子力學和固體物理課程聯(lián)系緊密，也為后續(xù)的計算材料學課程，甚至可為本科畢業(yè)論文工作提供前期的知識準備。在統(tǒng)計物理教學部分，將在先修課程中學習過的麥克斯韋速度分布率和能均分定理略講；固體的熱容量的德拜理論是固體物理課程的重點教學內(nèi)容，在熱統(tǒng)教學中，這部分只簡單提及。經(jīng)過這樣的教學內(nèi)容優(yōu)化后，節(jié)省了課時，加強了課程之間的聯(lián)系，提高了教學效率。
2.2 適當引入材料學科前沿內(nèi)容
創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)要求課程內(nèi)容要體現(xiàn)先進性和現(xiàn)代化。通過合理的補充與熱統(tǒng)課程相關的材料學和物理學最新的學術(shù)成就與進展，有意識的突出課程的廣度，豐富和具體化基本理論內(nèi)容。增加學科前沿內(nèi)容，我們從兩個方面進行。一方面是在講授基礎理論知識的同時，引入與該知識密切相關的科學技術(shù)發(fā)展的介紹。例如：在對溫度和溫標作復習簡述的時候，介紹測溫儀表和測溫技術(shù)。電阻溫度計，熱電偶測溫技術(shù)，紅外測溫技術(shù)等在后續(xù)的材料類課程學習，課程設計和實驗及畢業(yè)論文工作是非常重要的一部分。在講授氣體的節(jié)流和膨脹過程一節(jié)時，介紹了獲得低溫的技術(shù)，以及與低溫有關的材料性能的變化，超導電現(xiàn)象的發(fā)展歷史及科研現(xiàn)狀等；在講授單元系的相變時，加強了對二級相變和臨界現(xiàn)象的講授，介紹了磁性材料，超導材料，超流體等方面的最新研究進展；在統(tǒng)計物理部分，介紹玻色-愛因斯坦凝聚的新進展，講授統(tǒng)計物理部分的金屬中的自由電子時，適當介紹計算材料學和計算物理方面的研究現(xiàn)狀等。另一方面是通過鼓勵學生現(xiàn)場聽取相關的學術(shù)報告，或者觀看相關報告的視頻。通過前沿知識的適當引進，開闊了學生的視野，激發(fā)了學生的學習和科研興趣，獲得了較好的教學效果。
2.3 注重理論聯(lián)系實際
材料類專業(yè)是應用性很強的專業(yè)，要求熱統(tǒng)課程教學內(nèi)容要體現(xiàn)實用性，加強理論與實際的聯(lián)系。我們鼓勵學生通過本科生科研訓練計劃（SRTP）和大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃的方式參與相關教師的課題研究，或者開設課程設計和實驗。如在講授相變的章節(jié)時，為了讓學生加深對二級相變的理解，開設了高溫超導轉(zhuǎn)變的實驗，巨磁電阻材料的相變實驗等。組織學生參觀學校相關的實驗室，如參觀計算材料實驗室，使學生了解相圖的理論計算方法，第一性原理計算及材料設計方法。經(jīng)過這樣的訓練，學生對物理概念有了深入的理解，提高學生的應用能力，研究能力和創(chuàng)新能力。
3 教學方法和考核方式的改革
3.1 學生為主體，教師為主導
在組織課堂教學時，認真貫徹以學生為主體，教師為主導的教學思想，加強師生互動，爭取使學生由被動接受知識變?yōu)橹鲃犹剿髦R。在課前，給學生預留思考題進行課前預習，讓學生帶著問題去聽課，做到有的放矢。在組織教學時，對重點章節(jié)進行精講，適時開展物理基本概念和基本問題的討論，啟發(fā)學生思考和推理。對相對容易理解的章節(jié)組織學生自學，或者制作成ppt課件，在課堂上講解，教師在做總結(jié)式講授。課后，要求學生獨立完成作業(yè)和習題，以期加深對基本概念的理解和應用。
3.2 重物理思想 簡化數(shù)學推導
在組織教學的過程中，重點講解基本概念，突出物理思想。借助于多媒體教學，對于較抽象、難理解的概念和原理，可通過制作圖文并茂的課件，或者觀看相關視頻的方式，使抽象的概念形象化，增強學生的感性認識。適當補充基本概念辨析題和思考題以促進學生對基本概念的深入理解和掌握。對于必要的數(shù)學推導，使用板書的方式進行詳解和推導，留給學生足夠的時間思考并跟上教師的思路。
3.3 考核方式的改革
考核是教學過程的主要環(huán)節(jié)之一，應具有實用性和針對性，并能體現(xiàn)學生的綜合素質(zhì)。我們在考核方面，加大了平時成績的比例，增加了課堂回答問題，課堂討論，撰寫科研小論文等環(huán)節(jié)的考核。在期末的閉卷考試中，減少死記硬背的概念題和公式，把考核重點放在學生對基本物理概念的理解和基本理論知識的實際應用上。
4 實踐效果
在教學實踐中逐步形成了適合我校材料物理專業(yè)實際的熱統(tǒng)課程講義。實踐證明，改革措施在緩解授課學時與教學內(nèi)容的矛盾，拓寬學生知識面等方面效果顯著。尤其，熱統(tǒng)課程作為材料物理專業(yè)的前期先修基礎課，對后續(xù)的課程學習起著承上啟下的重要作用。通過上述的教學改革后，學生的學習積極性大大提高，熱愛本專業(yè)的學習，踴躍參加SRTP和大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的計劃，甚至部分同學提前加入教師團隊的課題組，對未來的工作或者繼續(xù)深造充滿信心。
參考文獻
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第7篇：量子力學基本概念的發(fā)展范文
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。現(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。可以說，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。”“人們在實踐中對于真理的認識也就永遠沒有完結(jié)。”[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，與此有關的最關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于光速和關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，關于由電磁力引起的物質(zhì)運動的四維時空（x，y，z，ict）和關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，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，那么關于由弱力或強力引起的物質(zhì)運動的時空和關于由電磁力引起的運動的時空（x，y，z，ict）及關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，則關于由弱力引起的運動的時空和關于由電磁力引起的運動的時空是相同的，同為（x，y，z，ict）。關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。現(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
第8篇：量子力學基本概念的發(fā)展范文
關鍵詞：Gaussian程序；教學實踐；應用教學
中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）27-0162-02
Gaussian程序起源于上世紀七八十年代，當時計算機硬件條件很差，只能計算比較簡單的分子，且計算級別較低，所以幾乎不能應用于解決化學問題。隨著計算機硬件技術(shù)的發(fā)展和計算方法的不斷優(yōu)化改良，到上世紀八九十年代，人們已經(jīng)逐漸可以借助量子化學計算程序去對實驗中的化學體系進行模擬和研究。值得一提的是，1998年諾貝爾化學獎授予科恩和波普爾，以表彰他們在理論化學領域做出的重大貢獻。他們的工作使實驗和理論能夠共同協(xié)力探討分子體系的性質(zhì)，引起整個化學領域經(jīng)歷一場革命的變化，使化學不再是一門純粹的實驗科學。其中，波普爾正是Gaussian程序的原創(chuàng)者之一，此次得獎也是為Gaussian程序在世界范圍內(nèi)被接受和認可奠定了基礎。Gaussian的版本從上世紀開始有Gaussian 70、Gaussian 80、Gaussian 90、Gaussian 98等一系列程序。進入21世紀，隨著Gaussian 98、Gaussian 03、Gaussian 09[1]等版本的持續(xù)更新和改進，Gaussian程序的功能也越來越強大，應用范圍也越來越廣。目前，Gaussian的主要功能包括：過渡態(tài)能量和結(jié)構(gòu)、反應路徑、熱力學性質(zhì)、分子軌道、鍵和反應能量、原子電荷和電勢、核磁性質(zhì)、紅外和拉曼光譜、振動頻率、極化率和超極化率等，計算不僅可以對具體體系的基態(tài)進行計算，還可以對其激發(fā)態(tài)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)進行研究。另外，它還可以用來預測周期體系的能量、結(jié)構(gòu)和分子軌道。因此，Gaussian可以作為功能強大的工具，用于研究許多化學領域的課題，例如取代基的影響，化學反應機理，勢能曲面和激發(fā)能等。該程序近年來的高速發(fā)展和廣泛應用使其成為化學學科的科研教學人員必須掌握的工具之一。目前國內(nèi)很多知名高校和科研院所都已經(jīng)開展了Gaussian程序應用這門課程，并且作為相關專業(yè)本科生和研究生的必修課程。鑒于此，我院于2014年也開展了Gaussian程序應用作為研究生選修課程，這對于提高我院研究生專業(yè)素養(yǎng)和科研水平具有重要的意義。
一、Gaussian程序應用的參考教材選取
有很多關于Gaussian程序應用方面的書籍，包括中文的和英文的。針對這門課來說，我選擇的參考教材主要是Foresman和Frisch編著的《Exploring chemistry with electronic structure methods》[2]以及可在Gaussian官網(wǎng)下載的與其配套的例子。該書分為三個部分，分別是基本概念和技術(shù)（包括第一章計算模型、第二章單點能計算、第三章幾何優(yōu)化、第四章 頻率分析）、計算化學方法（包括第五章基族的影響、第六章理論方法的選擇、第七章高精度計算）和應用部分（包括第八章研究反應和反應性、第九章激發(fā)態(tài)、第十章溶液中的反應）。我選擇此書的出發(fā)點是：它的內(nèi)容從基礎到應用、從淺至深地介紹了Gaussian程序的主要功能和應用。書中的例子涉及分子能量和結(jié)構(gòu)研究、過渡態(tài)的能量和結(jié)構(gòu)研究、化學鍵以及反應的能量、振動頻率、分子軌道、偶極矩和多極矩、原子電荷和電勢、紅外和拉曼光譜、核磁、極化率和超極化率、熱力學性質(zhì)、IRC反應途徑等計算，另外還舉例模擬了在氣相和溶液中的體系、模擬基態(tài)和激發(fā)態(tài)分子的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)。這些具體例子能夠幫助從事化學及其相關領域的科研工作人員、教師和研究生等從不同的視角把握分子模型設計和計算模擬的策略、原則和方法，從而能夠讓研究人員全面了解Gaussian程序計算的模擬方法和應用實例。
二、Gaussian教學內(nèi)容的選取
Gaussian程序主要是以分子力學和量子力學等為理論依據(jù)，借助計算機模擬進行化學問題研究的一門交叉學科。該課程教學涉及內(nèi)容多、范圍廣，這就要求學生具有良好的數(shù)學、計算化學、結(jié)構(gòu)化學、物理化學、有機化學、無機化學和計算機科學等眾多專業(yè)知識的積累。學習這門課有助于拓寬學生的知識面，培養(yǎng)學生綜合多種學科知識，解決實際復雜的化學問題的能力。然而這門課理論概念抽象，學生理解起來非常困難，教學難度也較大。選修這門課的學生主要來自物理化學專業(yè)和有機化學專業(yè)。對于物理化學專業(yè)的學生來說，他們的結(jié)構(gòu)化學、計算化學和物理化學知識基礎較好，這門課的學習不是非常困難。然而對于有機化學專業(yè)的學生來說，這門課學起來就比較困難了，因為他們的計算化學、結(jié)構(gòu)化學和計算機科學知識比較薄弱。如何將抽象的化學知識簡單化，形象化，幫助學生理解復雜的有機反應機理，提高學習積極性，這對老師的教學方法和方式有很高的要求。
針對不同化學專業(yè)學生的特點和他們將來要從事的職業(yè)，我更加注重實踐教學而不是抽象概念的講解和公式的推導。對于量子化學計算中涉及的一些算法學生只需了解，如果有學生對于基礎知識非常感興趣，我建議他們?nèi)ヂ犃孔恿W和結(jié)構(gòu)化學課程。在課堂上，我重點講解Gaussian程序的常用計算方法、思路和一些典型案例，以及如何運用這些方法解決科研中碰到的實際問題。比如講解什么是半經(jīng)驗計算、什么是Hartree-Fock近似、什么是密度泛函理論、什么是分子力學算法等，講解他們的區(qū)別以及在不同情況下如何選擇不同的算法。此外，我還重點講解基于量化計算的分子結(jié)構(gòu)（包括穩(wěn)定態(tài)和過渡態(tài)）的優(yōu)化，分子光譜的計算和反應機理研究。這些內(nèi)容對于化學專業(yè)的學生來說都是非常有意義的，可以幫助他們后續(xù)的科研工作。為了激發(fā)學生的學習興趣，調(diào)動學生的自主性，讓學生積極參與到課堂的專題實驗交流活動，提高課堂教學的效果，我會教學生使用一些軟件圖形界面如Gaussview等，直接生動地展示和分析一些分子的三維結(jié)構(gòu)，將抽象的化學分子通過色彩鮮艷的三維立體形象界面予以展示，并教會他們?nèi)绾问褂肎aussview建立分子模型和分析計算結(jié)果。在用Gaussview軟件建立模型的過程中，我首先對主工具欄里邊的元素工具和環(huán)工具等建模工具做了講解，然后再對編輯工具即鍵長、鍵角和二面角工具做了使用演示，另外還講了加H工具和原子消除工具的使用。事實上，上述的這幾個工具如果能掌握好，學生們基本上就能根據(jù)所學化學知識來建立相應的分子的三維結(jié)構(gòu)模型。隨后，在課堂上我再演示如何用鼠標操作來旋轉(zhuǎn)、移動、縮放和疊加結(jié)構(gòu)，如何用鼠標操作來改變分子的顯示形式和顏色，如何查看結(jié)果如能量數(shù)據(jù)，以及如何顯示分子的原子電荷和分子軌道性質(zhì)等。等學生基本掌握了Gaussview的模型建立和結(jié)果分析工具，我會給他們講解如何將分子模型通過設置不同的關鍵詞來提交相應任務給Gaussian程序去執(zhí)行，如結(jié)構(gòu)優(yōu)化的關鍵詞是OPT，頻率計算的關鍵詞是FREQ等。由于Gaussian的功能強大，授課時間有限，我們只介紹一些基本操作和簡單例子給學生。例如讓學生對鄰位、間位和對位的二取代苯進行在不同計算級別（如HF/6-31G（d，p）水平下）進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化模擬，然后對其能量比較分析哪個異構(gòu)體在氣相和液相下最穩(wěn)定。對于反應機理，我會讓學生通過尋找一些簡單的常見化學反應如Diels-Alder反應、SN2親核取代反應的過渡態(tài)的構(gòu)型來加深對反應通道的理解，通過IRC計算直觀的看出化學反應中分子結(jié)構(gòu)的變化。此外，我還會講一些實例介紹光譜的預測，比如首先我們會在基態(tài)下用DFT方法優(yōu)化發(fā)光分子的結(jié)構(gòu)，然后對其進行TDDFT計算來預測其紫外吸收光譜和熒光光譜等發(fā)光性質(zhì)，從而為功能分子的設計提供便利。最后，根據(jù)本院實際科研需要，我們會適當進行一些應用教學來滿足不同專業(yè)學生的需求。
三、開展Gaussian程序應用課程的前景展望
自然科學發(fā)展的歷史和規(guī)律表明，多學科的優(yōu)勢交叉促進了最基本的微觀過程和最復雜的宏觀過程的統(tǒng)一認識。在這個信息大爆炸的時代，Gaussian這一量子化學計算程序應運而生并被廣泛認可和應用。它既要求使用者有一定的量子力學等數(shù)理基礎來理解計算流程，而且要求他們對于化學問題有深刻認識和獨特見解，屬于一門高度交叉的新興方法和工具，涉及應用化學、理論化學和計算機科學等眾多領域。目前，Gaussian程序已經(jīng)成為理論化學計算中的常規(guī)方法之一，開展此門課程可以使科學研究人將其用于未來的反應機理研究、反應的立體和化學選擇性的解釋、化合物結(jié)構(gòu)及其光譜等性質(zhì)預測，并可指導設計小分子催化劑甚至新型催化反應，減少實驗上的盲目性和偶然性，從而達到節(jié)省人力、物力和財力的最終目的。
理論計算化學在近幾十年來取得了實質(zhì)性進展，已從根本上改變了人們對于化學只是一門實驗科學的認知，它已經(jīng)成為化學學科的一個重要組成部分。我國的理論計算研究發(fā)展迅速，化學學科正處于從單純實驗到以實驗和理論計算相輔相成轉(zhuǎn)變的關鍵時期，從專業(yè)發(fā)展的角度而言，開展理論計算化學相關課程如Gaussian程序應用具有非常廣闊的應用前景和發(fā)展空間。
參考文獻：
第9篇：量子力學基本概念的發(fā)展范文
20世紀后半葉，物理學在此前建立起來的狹義相對論、量子力學、量子電動力學、統(tǒng)計物理和許多重要物理實驗基礎上，以前所未有的速度發(fā)展著。許多物理學的分支學科，如原子、分子物理、原子核物理、固體物理、等離子體物理以及粒子物理等，都得到極大發(fā)展。與此同時，科學發(fā)展的另一個重要特征是學科間相互滲透和交叉綜合。物理學和其他學科相互滲透，產(chǎn)生了一系列交叉學科和邊緣學科，如化學物理、生物物理、大氣物理、海洋物理、地球物理等等。物理學的新概念、新理論和新的實驗方法向其他學科轉(zhuǎn)移，促成各學科的發(fā)展并成為其組成部分。
20世紀后半葉，新技術(shù)特別是高新技術(shù)發(fā)展之快也是前所未有的。高技術(shù)包含的科學知識高度密集，綜合性極高，如紅外和紅外成像技術(shù)、激光技術(shù)、計算技術(shù)、信息技術(shù)、航天技術(shù)、生物技術(shù)等等，都無一例外地與物理學等學科的基本概念、基本理論和基本實驗方法密切相關，其發(fā)展在很大程度上依賴包括物理學在內(nèi)的各學科的發(fā)展。
現(xiàn)代軍事科學技術(shù)的知識密集性、綜合性極高，處于科學技術(shù)的前沿，近幾年來的局部戰(zhàn)爭向人們展示，現(xiàn)代戰(zhàn)爭在相當大程度上是高新技術(shù)的較量。現(xiàn)代軍事科學技術(shù)離不開物理學和物理學的新成就，如紅外夜視、激光制導、激光雷達、三相彈等都與物理學原理和物理學實驗技術(shù)密切相關。
這一切都表明，在科學技術(shù)發(fā)展的進程中，物理學不但在歷史上曾經(jīng)是處于主導地位的，在20世紀是處于主導地位的，而且毫無疑問，21世紀物理學在科學技術(shù)發(fā)展中也必將處于主導地位，它的作用將會更加突出。
大學物理課是一門重要基礎課，它的作用一方面是為學生較系統(tǒng)地打好必要的物理基礎，另一方面是使學生初步學習科學的思維方法和研究方法，這些都起著增強適應能力、開闊劉義洪盈贅大爭物雙教爭敬沮思路、激發(fā)探索和創(chuàng)新精神、提高人才素質(zhì)的重要作用。學好大學物理，不僅對學生在校學習十分重要，而且對學生畢業(yè)后的工作和在工作中進一步學習新理論、新知識、新技術(shù)、不斷更新知識，都將發(fā)生深遠的影響。物理課的這一作用，特別為許多專家、教授、高級工程技術(shù)專家所強調(diào)。
我國工科大學物理的學時一直少于理科。因此，目前實施的教學內(nèi)容，主要是傳統(tǒng)物理課內(nèi)容在給定學時范圍內(nèi)一再精選后形成的。總的來講，工科大學生的物理基礎較薄弱，物理知識面也較窄，特別是近代物理和現(xiàn)代工程技術(shù)有關的物理基礎和現(xiàn)代工程技術(shù)方面的新知識更顯薄弱。如我們的課程基本要求中沒有物性學、分子、原子核、粒子等內(nèi)容;沒有偏振光干涉、核磁共振、穆斯堡爾效應等內(nèi)容;量子物理、統(tǒng)計物理等近代物理基礎的基本概念、基本理論和知識甚為薄弱。這些內(nèi)容，工科一般專業(yè)在后續(xù)課中多不再涉及，而它們恰恰是當今學習新理論、新知識和新技術(shù)所要涉及的，有些甚至已成為當今高新技術(shù)的組成部分。在這個意義上講，大學物理課內(nèi)容“老的多、新的少”。因此，更新內(nèi)容，加強現(xiàn)代物理和現(xiàn)代工程技術(shù)有關知識，特別是有關基礎知識，是工科物理教學改革必須面向的首要問題。
二、工科物理課教學改革
工科大學物理課程的教學改革是很復雜的，也是很困難的，不可能一嗽而就。應該堅持以下原則:不應改變物理課作為基礎課的地位和作用，應著力研究現(xiàn)代高級工程技術(shù)人才應具備什么樣的物理基礎;要重點研究如何處理好經(jīng)典物理和近代物理及有關近代內(nèi)容的關系;應在培養(yǎng)學生科學思維方法和分析問題、解決問題能力上加大力度，與研究教學內(nèi)容改革的同時，還必須系統(tǒng)地研究教學方法、考試方法等教學環(huán)節(jié)的改革。
工科大學物理課內(nèi)容改革的重點在于加強物理學基礎(包括經(jīng)典物理基礎和近代物理基礎)，同時適當?shù)亟榻B反映現(xiàn)代物理和現(xiàn)代工程技術(shù)的新知識，擴大學生的知識面，在整個教學過程中提高學生分析及解決問題的能力和獨立獲取知識的能力。由于工科物理課程教學時數(shù)少，只靠課程內(nèi)容和體系本身改革回旋余地小，改革要將課內(nèi)課外、理論教學與實驗教學、課與課間關系諸方面綜合考慮。
（一)課程教學內(nèi)容改革，應以物理課程教學基本要求為依據(jù)。在保證經(jīng)典的前提下，進一步精選經(jīng)典物理內(nèi)容，突出教學內(nèi)容及能力培養(yǎng)，避免過分強調(diào)系統(tǒng)性和嚴密性等，在整個經(jīng)典物理教學過程中應貫徹加強近代思想;在近代物理基礎的基本要求部分，加強量子力學和統(tǒng)計物理基礎知識，以利于學生在校和離校后進一步學習新理論、新知識和新技術(shù);加強現(xiàn)代工程技術(shù)物理基礎專題，這部分內(nèi)容應側(cè)重物理原理，而不要停留在科普水平上，上述三部分內(nèi)容的講授學時，分別約占總學時的58%、27%和15%。
(二)開設物理類和技術(shù)類專題選修課(或講座)。物理類選修課:如現(xiàn)代物理導論、混沌、原子和分子物理、核物理、天體物理、等離子體物理、凝聚態(tài)物理、嫡和信息、傅里葉光學、非線性光學、非線性力學等、技術(shù)類選修課:如現(xiàn)代工程技術(shù)專題、激光技術(shù)、光散射技術(shù)、全息技術(shù)、穆斯堡爾譜學、核磁共振技術(shù)、薄膜技術(shù)、換能器、紅外技術(shù)、低溫和超導等。選修課應著重物理概念、物理思想和方法，不追求數(shù)學嚴密性，不過分強調(diào)系統(tǒng)性和完整性。
(三)教學手段改革是教學改革的重要組成部分。粉筆加教鞭不適應改革的需要已經(jīng)成為人們的共識。近幾年來，有許多院校在多媒體輔助教學上做了大量的工作。實踐證明，把多媒體技術(shù)應用于教學可以改變信息的包裝形式，在計算機上把圖、文、聲、像集成在一起，提高教學內(nèi)容的表現(xiàn)力和感染力，能調(diào)動學生主動運用多種感觀積極參與多媒體的活動，使學生由知識的被動接受轉(zhuǎn)為主動發(fā)現(xiàn)。同時，這也為教學研究提供了有力工具，為教學的順暢實施與高效提供了可靠的技術(shù)保障。在提高認識的基礎上，加大這方面的資金投人，多媒體輔助教學必將成為21世紀教學手段的主體。而多媒體輔助教學軟件也應向智能化方向發(fā)展。1997年n月6日，中國物理學會正式宣布中國物理教育網(wǎng)建立。這就為網(wǎng)上教學和科研提供了方便，物理教育工作者應充分利用這一有利條件，從網(wǎng)上獲取信息服務于教學。名校、名師更應在網(wǎng)上傳播自己的教法和經(jīng)驗，使大家受益。
