量子力學(xué)存在的問題精選(九篇)
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第1篇：量子力學(xué)存在的問題范文
量子力學(xué)課程是工科電類專業(yè)的一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程。通過該課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生初步掌握量子力學(xué)的基本原理和基本方法，認(rèn)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(xué)課程教學(xué)質(zhì)量的好壞直接影響后續(xù)的如“固體物理學(xué)”、“半導(dǎo)體物理學(xué)”、“集成電路工藝原理”、“量子電子學(xué)”、“納米電子學(xué)”、“微電子技術(shù)”等課程的學(xué)習(xí)。
量子力學(xué)課程的學(xué)習(xí)要求學(xué)生具有良好的數(shù)學(xué)和物理基礎(chǔ)，對學(xué)生的邏輯思維能力和空間想象能力等要求較高，因此要學(xué)好量子力學(xué)，在我們教學(xué)的過程中，需要充分發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和積極性。同時，隨著科學(xué)日新月異的發(fā)展，對量子力學(xué)課程的教學(xué)也不斷提出新的要求。如何充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和能動性，切實提高量子力學(xué)課程的教學(xué)質(zhì)量和教師的教學(xué)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(xué)改革和教學(xué)實踐中，本著高校應(yīng)用型人才的培養(yǎng)需求，強調(diào)量子力學(xué)基本原理、基本思維方法的訓(xùn)練，結(jié)合物理學(xué)史，充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性；充分利用熟知軟件，理解物理圖像，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)主動性；結(jié)合現(xiàn)代科學(xué)知識，強調(diào)理論在實踐中的應(yīng)用，取得了良好的教學(xué)效果。
目前工科電類專業(yè)普遍感覺量子力學(xué)課程難學(xué)，其主要原因在于：第一，量子力學(xué)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(yīng)，而學(xué)習(xí)量子力學(xué)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(xué)的概念與規(guī)律抽象，應(yīng)用的數(shù)學(xué)知識比較多，公式推導(dǎo)復(fù)雜，計算困難；第三，雖然量子力學(xué)問題接近實際，但要學(xué)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(xué)者都感到量子力學(xué)課程枯燥無味、晦澀難懂，而且隨著學(xué)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(xué)生在掌握扎實的基礎(chǔ)知識的同時，跟上時代的步伐，了解科學(xué)的前沿，以適應(yīng)新世紀(jì)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(xué)史激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣
興趣是最好的老師，在大學(xué)物理中，談到了19世紀(jì)末物理學(xué)所遇到的“兩朵烏云”，光電效應(yīng)和紫外災(zāi)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(yīng)，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(xué)的第三朵烏云“原子的線狀光譜，”玻爾提出了關(guān)于氫原子的量子假設(shè)，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(xué)家的努力，建立了一套嶄新的理論體系-量子力學(xué)。在教學(xué)的過程中，適當(dāng)穿插量子力學(xué)的發(fā)展歷史以及偉大科學(xué)家的傳記故事，避免了量子力學(xué)課程“全是數(shù)學(xué)的推導(dǎo)”的現(xiàn)狀，這樣激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)熱情，通過對偉大科學(xué)家的介紹，培養(yǎng)刻苦鉆研的精神。實踐表明，這樣的教學(xué)模式大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性。
3 結(jié)合熟知軟件化抽象為形象
量子力學(xué)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(xué)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(xué)生常用的軟件之一，簡單易學(xué)卻功能強大，幾乎每位同學(xué)都非常熟練，我們充分利用這一點，將Excell軟件應(yīng)用到量子力學(xué)的教學(xué)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(yán)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(xué)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(yīng)該相等）和經(jīng)典能級的比較（經(jīng)典的能量分布應(yīng)該是連續(xù)的函數(shù)），通過學(xué)生的自我參與，充分激發(fā)了學(xué)生的求知欲望；從簡單的作圖，學(xué)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(dāng)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(xué)生熟知的軟件，直觀的再現(xiàn)了物理圖像，學(xué)生會進(jìn)一步來深刻思考這個結(jié)論的由來，傳統(tǒng)的教學(xué)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(biāo)準(zhǔn)條件，一步一步推導(dǎo)下來，這樣的教學(xué)模式有很多學(xué)生由于數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)較為薄弱，推導(dǎo)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(xué)習(xí)，而通過學(xué)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(xué)，最大限度的使學(xué)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(xué)的效果。
4 結(jié)合科學(xué)發(fā)展前沿拓寬學(xué)生視野
在課程的教學(xué)中，除了注重理論基礎(chǔ)知識的講解和基礎(chǔ)知識的應(yīng)用以外，還需介紹量子力學(xué)學(xué)科前沿發(fā)展的一些動態(tài)。結(jié)合教師的教學(xué)科研工作，將國內(nèi)外反映量子力學(xué)方面的一些最新的成果融入到課程的教學(xué)之中，推薦和鼓勵學(xué)生閱讀反映這類問題的優(yōu)秀網(wǎng)站、科研文章，使學(xué)生了解量子力學(xué)學(xué)科的發(fā)展前沿，從而達(dá)到拓寬學(xué)生視野，培養(yǎng)學(xué)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(xué)科，其基礎(chǔ)理論就是量子力學(xué)的應(yīng)用，了解了這些發(fā)展，學(xué)生會反過來進(jìn)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(yīng)，通過對實驗結(jié)果的理解，學(xué)生會進(jìn)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(jìn)制0和1相對應(yīng)，這也正是量子計算機的基本原理，通過學(xué)生的主動學(xué)習(xí)，從而達(dá)到提高教學(xué)質(zhì)量的目的。另外我們還要介紹量子力學(xué)在近代物理學(xué)、化學(xué)、材料學(xué)、生命學(xué)等交叉學(xué)科中的應(yīng)用，拓寬學(xué)生的視野。
第2篇：量子力學(xué)存在的問題范文
在建立科學(xué)理論體系的過程中，往往需要以一系列巨量的、通常是至為復(fù)雜的實驗、歸納和演繹工作為基礎(chǔ)。而且人們一般相信科學(xué)知識就是在這個基礎(chǔ)上產(chǎn)生和累積起來的。但只要這種認(rèn)識活動過程是為一個協(xié)調(diào)一致的目標(biāo)所固有，只要它真正屬于科學(xué)研究自我累進(jìn)的進(jìn)程，則不論其如何復(fù)雜，仍只是過程性的，而不從根本上規(guī)定科學(xué)的性質(zhì)、程序，乃至結(jié)論。這就使我們在考察復(fù)雜的科學(xué)認(rèn)識活動時，可以抽取出高于具體手段的，基本上只屬于人類心智與外在世界相聯(lián)絡(luò)的東西，即科學(xué)語言，來作為認(rèn)識的中介物。
要說明科學(xué)語言何以能成為這樣的中介，需要先對科學(xué)的認(rèn)識結(jié)構(gòu)加以分析。
作為一種形式化理論的近現(xiàn)代科學(xué)，其目的是力圖摹寫客觀實在。這種摹寫的認(rèn)識論前提是一個外在的、自為的客體和作為其思維對立面的內(nèi)在的主體間的雙重存在。這一認(rèn)識論前提在科學(xué)認(rèn)識方面衍生出一個更實用的前提，就是把客體看作是一種自在的“像”或者“結(jié)構(gòu)”（包括動態(tài)結(jié)構(gòu)，比如動力學(xué)所概括的各種關(guān)系和過程）。
這一自在的實在具有由它的“自明性”所保證的嚴(yán)格規(guī)范性。這種自明性只在涉及存在與意識的根本關(guān)系時才可能引起懷疑。而科學(xué)是以承認(rèn)這種自明性為前提的。因此科學(xué)實際就是關(guān)于具有自明性的實在的思維重構(gòu)。它必須限于處理自在的實在，因為科學(xué)的嚴(yán)格規(guī)范性（主要表現(xiàn)為邏輯性）是由實在的自明性所保證的，任何超越實在的描述都會破壞這種描述的前提。這一點對稍后關(guān)于量子力學(xué)的討論非常重要。
上述分析表明，科學(xué)的嚴(yán)格規(guī)范性并非如有唯理論傾向的觀點所認(rèn)為的那樣，是來自思維，也并非如經(jīng)驗論觀點所認(rèn)為的來自具體手段對經(jīng)驗表象的操作，也并不象當(dāng)代某些科學(xué)哲學(xué)家所認(rèn)為的純粹出于主體間的共同約定。科學(xué)的最高規(guī)范是存在在客觀實在中的，是來自客體的自明性。一切具體手段只是以這種規(guī)范為目標(biāo)而去企及它。
在科學(xué)認(rèn)識活動中，不論是一個思維過程還是一個實驗過程，如果其中缺失了語言過程，那就什么意義都不會有。科學(xué)語言與人類思維形態(tài)固然有很大的關(guān)系，但是它們可能在一個很高的層次上有著共同的根源。就認(rèn)識的高度而言，思維形態(tài)作為人類的一種意識現(xiàn)象，對它進(jìn)行本質(zhì)的追究，至少目前還不能完全放在客觀實在的背景上。因此，在科學(xué)認(rèn)識的層次上，思維形態(tài)完全可以被視為相對獨立的東西。而科學(xué)語言則是明確地被置于實在自身這一背景之中的。這就使我們實際上可以把科學(xué)語言看作一種知識，它與系統(tǒng)的科學(xué)知識具有完全相同的確切性，即它首先是與實在自身相諧合，然后才以這種特殊性成為思維與對象之間的中介。這才能保證，既使科學(xué)語言所述說的科學(xué)是關(guān)于實在的確切圖景，又使思維活動具備與實在相聯(lián)絡(luò)的手段。
科學(xué)語言作為一種知識所具備的上述特殊性，使它成為客觀實在圖景構(gòu)成的基本要素，或科學(xué)知識的“基元”。思維形態(tài)不能獨立地形成知識，但思維形態(tài)卻提供某種方式，使科學(xué)語言所包含的知識基元獲得某種特定的加成和組合，從而構(gòu)成一種系統(tǒng)化的理論。這就是語言在認(rèn)識中的中介作用。由于任何事物都必須“觀念地”存乎人的意識中，才能為人的心智所把握，所以，在這個意義上，一個認(rèn)識過程就是一個運用語言的過程。
二、數(shù)學(xué)語言
數(shù)學(xué)語言常常幾乎就是科學(xué)語言的同義詞。但實際上，科學(xué)語言所指的范圍遠(yuǎn)比數(shù)學(xué)語言的范圍大，否則就不會出現(xiàn)量子力學(xué)公式的解釋問題。在自然科學(xué)發(fā)生以前，數(shù)學(xué)所起的作用也還不是后世的那種對科學(xué)的敘錄。只是由于精密推理的要求所導(dǎo)致的語言理想化，才推進(jìn)了數(shù)學(xué)的應(yīng)用。但歸根究底，數(shù)學(xué)與前面說的那種合乎客觀實在的知識基元是不同的。將數(shù)學(xué)用作科學(xué)的語言，必須滿足一個條件，即數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)與實在的結(jié)構(gòu)相關(guān)，但這一點并不是顯然成立的。
愛因斯坦曾分析過數(shù)學(xué)的公理學(xué)本質(zhì)。他說，對一條幾何學(xué)公理而言，古老的解釋是，它是自明的，是某一先驗知識的表述，而近代的解釋是，公理是思想的自由創(chuàng)造，它無須與經(jīng)驗知識或直覺有關(guān)，而只對邏輯上的公理有效性負(fù)責(zé)。愛因斯坦因此指出，現(xiàn)代公理學(xué)意義上的數(shù)學(xué)，不能對實在客體作出任何斷言。如果把歐幾里德幾何作現(xiàn)代公理學(xué)意義上的理解，那么，要使幾何學(xué)對客體的行為作出斷言，就必須加上這樣一個命題：固體之間的可能的排列關(guān)系，就象三維歐幾里德幾何里的形體的關(guān)系一樣?！?〕只有這樣，歐幾里德幾何學(xué)才成為對剛體行為的一種描述。
愛因斯坦的這種看法與上文對科學(xué)語言的分析是基本上相通的。它可以說明，數(shù)學(xué)為什么會一貫作為科學(xué)的抽象和敘錄工具，或者它為什么看上去似乎具有作為科學(xué)語言的“先天”合理性。
首先，作為科學(xué)的推理和記載工具的數(shù)學(xué)，實際上是從思維對實在的一些很基本的把握之上增長起來的。歐幾里得幾何學(xué)中的“點”、“直線”這樣一些概念本身就是我們以某種方式看世界的知識。之所以能用這些概念和它們之間的關(guān)系去描繪實在，是因為這些“基元”已經(jīng)包含了關(guān)于實在的信息（如剛體的實際行為）。
其次，數(shù)學(xué)體系的那種嚴(yán)密性其實主要是與人類思維的屬性有關(guān)，盡管思維的嚴(yán)密性并不是一開始就注入了數(shù)學(xué)之中。如前所述，思維的嚴(yán)密性是由實在的自明性來決定的，是習(xí)得的。這就是說，數(shù)學(xué)之所以與實在的結(jié)構(gòu)相關(guān)，只是因為數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)確切地說來自這種結(jié)構(gòu)；而數(shù)學(xué)體系的自洽性是思維的翻版，因而是與實在的自明性同源的。
由此可見，數(shù)學(xué)與自然科學(xué)的不同僅表現(xiàn)在對于它們的結(jié)果的可靠性（或真實性）的驗證上。也就是說，科學(xué)和數(shù)學(xué)同樣作為思維與實在相互介定的產(chǎn)物，都有可能成為對實在結(jié)構(gòu)的某種描述或“偽述”，并且都具有由實在的自明性所規(guī)定的嚴(yán)密性。但數(shù)學(xué)基本上只為邏輯自治負(fù)責(zé)，而科學(xué)卻僅僅為描述的真實性負(fù)責(zé)。
事實正是如此。數(shù)學(xué)自身并不代表真實的世界。它要成為物理學(xué)的敘錄，就必須為物理學(xué)關(guān)于實在結(jié)構(gòu)的真實信息所重組。而用于重組實在圖景的每一個單元，實際上是與物理學(xué)的基本知識相一致的。如果在幾何光學(xué)中，歐幾里德幾何學(xué)不被“光線”及其傳播行為有關(guān)的概念重組，它就只是一個純粹的形式體系，而對光線的行為“不能作出斷言”。非歐幾何在現(xiàn)代物理學(xué)中的應(yīng)用也同樣說明了這一點。
三、物理學(xué)語言
雖然物理學(xué)是嚴(yán)格數(shù)學(xué)化的典范，但物理學(xué)語言的歷史卻比數(shù)學(xué)應(yīng)用于物理學(xué)的歷史要久遠(yuǎn)得多。
在認(rèn)識的邏輯起點上，僅當(dāng)認(rèn)識論關(guān)系上一個外在的、恒常的（相對于主體的運動變化而言）對象被提煉和廓清時，才能保證一種僅僅與對象自身的內(nèi)在規(guī)定性有關(guān)的語言描述系統(tǒng)成為可能。對此，人類憑著最初的直覺而有了“外部世界”、“空間”、“時間”、“質(zhì)料”、“運動”等觀念。顯然，這些觀念并非來自邏輯的推導(dǎo)或數(shù)學(xué)計算，它是人類世代傳承的關(guān)于世界的知識的基元。
然后，需要對客觀實在進(jìn)行某種方式的剝離，才能使之通過語言進(jìn)入我們的觀念。一個客觀實在，比如說，一個電子，當(dāng)我們說“它”的時候，既指出了它作為離散的一個點（即它本身），又指出了它身處時空中的那個屬性。而后一點很重要，因為我們正是在廣延中才把握了它的存在，即從“它”與“其它”的關(guān)系中“找”出它來。
當(dāng)我們按照古希臘人（比如亞里士多德）的方式問“它為什么是它”時，我們正在試圖剝離“它”之所以為“它”的屬性。但這個屬性因其離散的本質(zhì)，在時空中必為一個“奇點”，因而不能得到更多的東西。這說明，我們的語言與時空的廣延性合若符節(jié)，而對離散性，即時空中的奇點，則無法說什么。如果我們按照伽利略的方式問“它是怎樣的”時，我們正是在描繪它與廣延有關(guān)的性質(zhì)，即它與其它的關(guān)系。這在時空中呈現(xiàn)為一種結(jié)構(gòu)和過程。對此我們有足夠的手段（和語言）進(jìn)行摹寫。因為我們的語言，大多來自對時空中事物的經(jīng)驗。我們運用語言的主要方式，即邏輯思維，也就是時空經(jīng)驗的抽象和提升。
可見，近現(xiàn)代物理學(xué)語言是一種關(guān)于客觀實在的時空形式及過程的語言，是一種廣延性語言。幾何學(xué)之所以在科學(xué)史上扮演著至為重要的角色，首先不在于它的嚴(yán)格的形式化，而在于它是關(guān)于實在的時空形式及過程的一個有效而簡潔的概括，在于與物理學(xué)在面對實在時有著共同的切入點。
上述討論表明了近現(xiàn)代物理學(xué)語言格式包含著它的基本用法和一個根深蒂固的傳統(tǒng)，這是由客觀實在和復(fù)雜的歷史因素所規(guī)定的。至為關(guān)鍵的是，它必須而且只是關(guān)于實在的時空形式及過程的描述?？梢韵胂?，離開了這種用法和傳統(tǒng)，“另外的描述”是不可能在這種語言中獲得意義的。而這正是量子力學(xué)碰到的問題。
四、量子力學(xué)的語言問題
上文說明，在描摹實在時，人類本是缺乏固有的豐富語言的。西方自古希臘以來，由于主、客體間的某種相互介定而實現(xiàn)了有關(guān)實在的時空形式和過程的觀念及相應(yīng)的邏輯思維方式。任何一種特定的語言，隨著時代的變遷和認(rèn)識的深入，某些概念的含義會發(fā)生變化，并且還會產(chǎn)生新的語言基元。有時，這樣的變化和增長是革命性的。但不可忽視的是，任何有革命性的新觀念首先必須在與傳統(tǒng)語言的關(guān)系中獲得意義，才能成為“革命性的”。在自然科學(xué)中，一種新理論不論提出多么“新”的描述，它都必須仍然是關(guān)于時空形式及過程的，才能在整體的科學(xué)語言中獲得意義。例如，相對論放棄了絕對時空、進(jìn)而放棄了粒子的觀念，但代之而起的那種連續(xù)區(qū)概念仍然是時空實在性的描述并與三維空間中的經(jīng)驗有著直接聯(lián)系。
量子力學(xué)的情況則不同。微觀粒子從一個態(tài)躍遷到另一個態(tài)的中間過程沒有時空形式；客體的時空形式（波或粒子）取決于實驗安排；在不觀測的情況下，其時空形式是空缺的；并且，觀測所得的客體的時空形式并不表示客體在觀測之前的狀態(tài)。這意味著，要么微觀實在并不總是具有獨立存在的時空形式，要么是人類無法從認(rèn)識的角度構(gòu)成關(guān)于實在的時空形式的描述。這兩種選擇都將超出現(xiàn)有的物理學(xué)語言本身，而使經(jīng)典物理學(xué)語言在用于解釋公式和實驗結(jié)果時受到限制。
量子力學(xué)的這個語言問題是眾所周知的。波爾試圖通過互補原理和并協(xié)原理把這種限制本身上升為新觀念的基礎(chǔ)。他多次強調(diào)，即使古典物理學(xué)的語言是不精確的、有局限性的，我們?nèi)匀徊坏貌皇褂眠@種語言，因為我們沒有別的語言。對科學(xué)理論的理解，意味著在客觀地有規(guī)律地發(fā)生的事情上，取得一致看法。而觀測和交流的全過程，是要用古典物理學(xué)來表達(dá)的?！?〕
量子力學(xué)的反對者愛因斯坦同樣清楚這里的語言問題。他把玻爾等人盡力把量子力學(xué)與實驗語言溝通起來所作的種種附加解釋稱之為“綏靖哲學(xué)”（Beruhigunsphilosophie）〔3〕或“文學(xué)”〔4〕，這實際上指明了互補原理等觀念是在與時空經(jīng)驗相關(guān)的科學(xué)語言之外的。愛因斯坦拒絕承認(rèn)量子力學(xué)是關(guān)于實在的完備描述，所以并不以為這些附加解釋會在將來成為科學(xué)語言的新的有機內(nèi)容。薛定諤和玻姆等人從另一個角度作出的考慮，反映了他們以為玻爾、海森堡、泡利和玻恩等人的觀點回避了經(jīng)典語言與實在之間的深刻矛盾，而囿于語言限制并為之作種種辯解。薛定諤說：“我只希望了解在原子內(nèi)部發(fā)生了什么事情。我確實不介意您（指玻爾）選用什么語言去描述它?！薄?〕薛定諤認(rèn)為，為了賦予波函數(shù)一種實在的解釋，一種全新的語言是可以考慮的。他建議將N個粒子組成的體系的波函數(shù)解釋為3N維空間中的波群，而所謂“粒子”則是干涉波的共振現(xiàn)象，從而徹底拋棄“粒子”的概念，使量子力學(xué)方程描述的對象具有連續(xù)的、確定的時空狀態(tài)。
固然，幾率波的解釋使得理論的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)不能對應(yīng)于實在的時空結(jié)構(gòu)，如果讓幾率成為實驗觀察中首要的東西，就會讓客觀實在在描述中成了一種“隱喻”。然而薛定諤的解釋由于與三維空間中的經(jīng)驗沒有明顯的聯(lián)系，也成了另一種隱喻，仍然無法作為一種科學(xué)語言而獲得充分的意義。
玻姆的隱序觀念與薛定諤的解釋在語言問題上是相似的。他所說的“機械序”〔6〕其實就是以笛卡爾坐標(biāo)為代表的關(guān)于廣延性空間的描述。這種描述由于經(jīng)典物理學(xué)的某些限定而表現(xiàn)出明顯的局限性。玻姆認(rèn)為量子力學(xué)并未對這種序作出真正的挑戰(zhàn)，在一定程度上指出了量子力學(xué)的保守性。他企圖建立一種“隱序物理學(xué)”，將量子解釋為多維實在的投影。他以全息攝影和其它一些思想實驗為比喻，試圖將客觀實在的物質(zhì)形態(tài)、時空屬性和運動形式作全新的構(gòu)造。但由于其基礎(chǔ)的薄弱，仍然只是導(dǎo)致了另一種脫離經(jīng)驗的描述，也就是一種形而上學(xué)。
這里所說的“基礎(chǔ)”指的是，一種全新的語言涉及主客體間完全不同的相互介定。它涉及對客體的完全不同的剝離方式，也就是說，現(xiàn)行科學(xué)語言及其相關(guān)思維方式的整個基礎(chǔ)都將改變。然而，現(xiàn)實地說，這不是某一具有特定對象和方法的學(xué)科所能為的。
可見，試圖通過一種全新的語言來解決量子力學(xué)的語言問題是行不通的。這個問題比通常所能想象的要無可奈何得多。
五、量子力學(xué)何種程度上是“革命性”的
量子力學(xué)固然在解決微觀客體的問題方面，是迄今最成功的理論，然而這種應(yīng)用上的重要性使人們有時相信，它在觀念上的革命也是成功的。其實，上述語言與實在圖景的沖突并未解決。量子力學(xué)的種種解釋無法在科學(xué)語言的基礎(chǔ)上必然過渡到那種非因果、非決定論觀念所暗示的宇宙圖景。這就使我們有必要對量子力學(xué)“革命性”的程度作審慎的認(rèn)識。
正統(tǒng)的量子力學(xué)學(xué)者們都意識到應(yīng)該通過發(fā)展思維的豐富性來解決面臨的困難。他們作出的重要努力的一個方面是提出了很多與經(jīng)典物理學(xué)不同的新觀念，并希望這些新觀念能逐漸溶入人類的思想和語言。其中玻恩用大量的論述建議幾率的觀念應(yīng)該取代嚴(yán)格因果律的概念?！?〕測不準(zhǔn)原理以及其中的廣義坐標(biāo)、廣義動量都是為粒子而設(shè)想的，卻又不能描述粒子在時空中的行為，薛定諤認(rèn)為應(yīng)該放棄受限制的舊概念，而玻爾卻認(rèn)為不能放棄，可以用互補原理來解決。玻爾還希望，波函數(shù)這樣的“新的不變量”將逐漸被人的直覺所把握，從而進(jìn)入一般知識的范圍?！?〕這相當(dāng)于說，希望產(chǎn)生新的語言基元。
另一方面，海森堡等人提出，問題應(yīng)該通過放棄“時空的客觀過程”這種思想來解決?！?〕這又引起了量子力學(xué)的客觀性問題。
這些努力在很大程度上是具有保守性的。
我們試把量子力學(xué)與相對論作比較。相對論的革命性主要表現(xiàn)在，通過對時間和空間的相對性的分析，建立起時間、空間和運動的協(xié)變關(guān)系，從而了絕對時空、絕對同時性等舊觀念，并代之以新的時空觀。重要的是，在這里，絕對時空和絕對同時性是從理論上作為邏輯必然而排除掉的。四維時空不變量對三維空間和一維時間的性質(zhì)依賴于觀察者的情形作了簡潔的概括，既不引起客觀性危機，又與人類的時空經(jīng)驗有著直接關(guān)聯(lián)。相對論排除了物理學(xué)內(nèi)部由于歷史和偶然因素形成的一些含混概念，并給出了更加準(zhǔn)確明晰的時空圖景。它因此而在科學(xué)語言的范圍內(nèi)進(jìn)入了一般知識。
量子力學(xué)的情況則不同。它的保守性主要表現(xiàn)在：
第一，嚴(yán)格因果律并不是從理論的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中邏輯地排除的。只是為了保護(hù)幾率波解釋，才不得不放棄嚴(yán)格因果律，這只是一種人為地避免邏輯矛盾的處理。
第二，不完全連續(xù)性、非完全決定論等觀念并沒有構(gòu)成與人類的時空經(jīng)驗相關(guān)聯(lián)的自洽的實在圖景?；パa原理和并協(xié)原理并沒有從理論內(nèi)部挽救出獨立存在于時空的客體的概念，又沒有證明這種概念是不必要的（如相對論之于“以太”那樣）。因此，量子力學(xué)的有關(guān)哲學(xué)解釋看似拋棄舊觀念，建立新觀念，實際上，卻由于這些從理論結(jié)構(gòu)上說是附加的解釋超出了關(guān)于實在的描述，因而破壞了以實在的自明性為保證的描述的前提。所以它實際上對觀念的豐富和發(fā)展所作的貢獻(xiàn)是有限的。
第三，量子力學(xué)內(nèi)在地不能過渡到關(guān)于個別客體的時空形式及過程的模型，使得它的反對者指責(zé)說這意味著位置和動量這樣的兩個性質(zhì)不能同時是實在的。而為了保護(hù)客觀性，它的支持者說，粒子圖像和波動圖象并不表示客體的變化，而是表示關(guān)于對象的統(tǒng)計知識的變化。〔10〕這在關(guān)于實在的時空形式及過程的科學(xué)語言中，多少有不可知論的味道。
第四，人們必須習(xí)慣地設(shè)想一種新的“實在”觀念以便把充滿矛盾的經(jīng)驗現(xiàn)象統(tǒng)一起來。在對客體的時空形式作抽象時，這種方法是有效的。而由于波函數(shù)對應(yīng)的不是個別客體的行為，所以大多新的“實在”幾乎都是形而上學(xué)的構(gòu)想。薛定諤和玻姆的多維實在、玻姆在闡釋哥本哈根學(xué)派觀點時提出的那種包含了無限潛在可能性的“第三客體”〔11〕，都屬于這種構(gòu)想。玻恩也曾表示，量子力學(xué)描述的是同一實在的排斥而又互補的多個影像。〔12〕這有點象是在物理學(xué)語言中談?wù)摗盎煸被颉疤珮O”一樣，很難說對觀念有積極的建設(shè)。
本文從科學(xué)語言的角度，對量子力學(xué)尤其是它的哲學(xué)基礎(chǔ)的保守性作出一些分析，這并不是在相對論和量子力學(xué)之間作價值上的優(yōu)劣判斷。也許量子力學(xué)的真正價值恰恰在于它所碰到的困難是根本性的。
海森堡等人與新康德主義哲學(xué)家G·赫爾曼進(jìn)行討論時，赫爾曼提出，在科學(xué)賴以發(fā)生的文化中，“客體”一詞之所以有意義，正在于它被實質(zhì)、因果律等范疇所規(guī)定，放棄這些范疇和它們的決定作用，就是在總體上不承認(rèn)經(jīng)驗的可能性?！?3〕我們應(yīng)該注意到，赫爾曼所使用的“經(jīng)驗”一詞，實際上是人類對客觀事物的廣延性和分立性的經(jīng)驗。這種經(jīng)驗是科學(xué)的實在圖景成立的基礎(chǔ)或真實性的保證，邏輯是它的抽象和提升。
在本文的前三節(jié)已經(jīng)談到，自從古希臘人力圖把日常語言理想化而創(chuàng)立了邏輯語言以來，西方的科學(xué)語言就一直是在實在的廣延性和分立性的介定下發(fā)展起來的。我們也許可以就此推測，對于人的認(rèn)識而言，世界是廣延優(yōu)勢的，但如果因此認(rèn)為實在僅限于廣延性方面，卻是缺乏理由的。廣延性優(yōu)勢在語言上的表現(xiàn)之一是幾何優(yōu)勢。西方傳統(tǒng)中的代數(shù)學(xué)思想是代數(shù)幾何化，即借助空間想象來理解數(shù)的。不論畢達(dá)哥拉斯定理還是笛卡爾坐標(biāo)都一樣。直角三角形的斜邊是直觀的，而根號2不是。我們可以用前者表明后者，而不能反過來?？墒且粋€離散的數(shù)量本身究竟是什么呢？它是否與實在的另一方面或另一部分（非廣延的）相應(yīng)？也許在微觀領(lǐng)域里不再是廣延優(yōu)勢而量子力學(xué)的困難與此有關(guān)？
如果量子力學(xué)面臨的是實在的無限可能性向語言的有限性的挑戰(zhàn)，那么問題的解決就不單單是語言問題，甚至不單單是目前形態(tài)的物理學(xué)的問題。它將涉及整個認(rèn)識活動的基礎(chǔ)。玻爾似乎是深刻地意識到這一點的。他說“要做比這些更多的事情完全是在我們目前的手段之外?！薄?4〕他還有一句格言；“同一個正確的陳述相對立的必是一個錯誤的陳述；但是同一個深奧的真理相對立的則可能是另一個深奧的真理。”〔15〕
參考文獻(xiàn)和注釋
〔1〕〔3〕〔4〕《愛因斯坦文集》第一卷，商務(wù)印書館，1994，第137、241、304頁。
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〔6〕玻姆：《卷入——展出的宇宙和意識》，載于羅嘉昌、鄭家棟主編：《場與有——中外哲學(xué)的比較與融通（一）》，東方出版社，1994年。
〔7〕玻恩：《關(guān)于因果和機遇的自然哲學(xué)》，商務(wù)印書館，1964年。
〔8〕〔12〕玻恩：《我這一代的物理學(xué)》，商務(wù)印書館，1964，第65、192頁。
第3篇：量子力學(xué)存在的問題范文
關(guān)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(xué)基金項目“量子概率的哲學(xué)研究”（16BZX022）
中圖分類號：N03 文獻(xiàn)標(biāo)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(guān)系的一個方面。
人類通過感性經(jīng)驗認(rèn)知的時空，稱作經(jīng)驗時空；以科學(xué)原理和科學(xué)方法指導(dǎo)認(rèn)知的時空是科學(xué)時空；牛頓時空、狹義相對論時空、廣義相對論時空、量子力學(xué)時空，是經(jīng)驗時空的科學(xué)提升和科學(xué)發(fā)展，稱作物理時空①。物理時空是科學(xué)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(xué)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”?！氨倔w時空”是復(fù)數(shù)的②，因此，人類實質(zhì)生活在復(fù)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(rèn)識的簡化③。
主體、客體、觀察信號是人類認(rèn)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(rèn)知中的影響。當(dāng)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(dá)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(xué)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(xué)建構(gòu)之中，客觀描述物理現(xiàn)象，是物理學(xué)家的重要工作。一般，哲學(xué)認(rèn)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(dǎo)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(xiàn)；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(xué)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(guān)系沒有變，主體對客體的描述是客觀的。那么是否主體對認(rèn)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(xué)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(rèn)知領(lǐng)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(xué)（或相對論力學(xué)）到量子力學(xué)，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(xué)基礎(chǔ)討論的熱點。量子力學(xué)必須有自己的客觀描述量子現(xiàn)象的時空⑥。
量子力學(xué)時空是閔氏時空的復(fù)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(guān)系等價⑧。量子力學(xué)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(guān)聯(lián)。突變無須時間，導(dǎo)致因果鏈斷裂，與因果關(guān)聯(lián)的相互作用也被刪除，由此引進(jìn)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(xué)新表現(xiàn)；當(dāng)能量、動量和相互作用變得連續(xù)，宏觀時序得到恢復(fù)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(xué)應(yīng)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(rèn)知，不同的認(rèn)知層次有不同的時空對應(yīng)，復(fù)數(shù)時空更為本質(zhì)。人們不應(yīng)該將所有領(lǐng)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(dāng)然，新的實驗事實又將告訴人們，理論及其對應(yīng)的時空應(yīng)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(xué)認(rèn)知與物理學(xué)描述
時空是哲學(xué)的基本概念，也是物理學(xué)的基本概念。哲學(xué)認(rèn)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(rèn)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(xué)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(rèn)為，事物運動的本質(zhì)是空間和時間的直接統(tǒng)一。休謨認(rèn)為，時、空上的接近和先后關(guān)系與因果性直接相關(guān)。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(yīng)用{11}。
哲學(xué)具有啟示作用，但時空概念如果不與人的社會實踐、科學(xué)實驗、科學(xué)理論及其數(shù)學(xué)物理方法相聯(lián)系，就只能停留在形而上，無法上升為科學(xué)理論概念。
物理學(xué)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(guān)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(biāo)系，一般參照物被抽象成點，它就是坐標(biāo)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(biāo)系中的運動及其相關(guān)規(guī)律，這就是物理學(xué)。由此，“時空是物質(zhì)的存在形式”的哲學(xué)認(rèn)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(rèn)知與人類的社會實踐、科學(xué)實驗、科學(xué)進(jìn)步直接相關(guān)，離不開物理和數(shù)學(xué)方法的應(yīng)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(xué)所依托的幾何學(xué)，在牛頓力學(xué)、狹義相對論、廣義相對論中得到了充分應(yīng)用。由此，幾何學(xué)被賦予了物理意義。從牛頓力學(xué)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(guān)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(xué)不同，從牛頓力學(xué)（相對論力學(xué)）到量子力學(xué)，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(rèn)識、時空融為一體，主觀納入客觀，模糊主客關(guān)系。雙4維時空量子力學(xué)基礎(chǔ)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(rèn)為，第二種方法將主觀認(rèn)識不加區(qū)分地“融入時空”，有損客觀性、科W性，量子力學(xué)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(xué)對物體運動狀態(tài)的描述，理應(yīng)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(yīng)的物理時空，牛頓力學(xué)時空應(yīng)該是兩者的綜合，而不應(yīng)該只是參照物的時空。但是，牛頓力學(xué)中光速無窮大，在討論物體運動時，又假設(shè)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(dāng)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(guān)。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(biāo)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(biāo)系時空特性的影響，就是抽掉人的參與對時空認(rèn)知的影響{15}。牛頓力學(xué)時空與物體運動及觀察者無關(guān)，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(xué)的、永遠(yuǎn)流逝的時間絕對不變{16}。哲學(xué)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(rèn)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(guān)。牛頓力學(xué)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(rèn)為影響很小，可以忽略不計。牛頓力學(xué)是“物理本體=物理實體”的力學(xué){17}。這與宏觀經(jīng)驗和科學(xué)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(xué)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(guān)。
牛頓時空是均勻平直時空，相對勻速運動坐標(biāo)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(rèn)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(rèn)以太及絕對坐標(biāo)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(rèn)識危機，屬19世紀(jì)末20世紀(jì)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(rèn)知物體時空特征的信號{19}；通過參照物到坐標(biāo)系的抽象，論證靜、動坐標(biāo)系K與K′“同時性”不同，靜、動坐標(biāo)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(biāo)系時空框架的屬性，還原質(zhì)點模型，建立相對論力學(xué)。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(xué)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(xué)缺少相對論不可直接觀察的靜能（m0c2，m0c）對應(yīng)物，物理本體=物理實體，哲學(xué)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(yīng)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(yīng)的物理實體?！拔锢肀倔w”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(yīng)物）。它可以認(rèn)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(jìn)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(xué)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(jìn)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(xué)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(xué)中波動性和粒子性不能集物體于一身，量子力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)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(xué)的研究領(lǐng)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(yīng)該與牛頓、相對論時空有所區(qū)別。而量子力學(xué)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(lǐng)域、觀察信號和研究“對象”變了。量子力學(xué)必須有自己對應(yīng)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(xué)就是為實現(xiàn)這一目標(biāo)應(yīng)運而生的。
現(xiàn)有量子力學(xué)“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(xué)中的點模型相關(guān)。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(rèn)識、客觀描述量子現(xiàn)象。
可以公認(rèn)，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(xué)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(rèn)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(rèn)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(rèn)識上的困惑，似乎量子力學(xué)描述失去了客觀實在性。這也是量子力學(xué)當(dāng)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(xiàn)”；（二）建立適合量子力學(xué)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(xué)時空自身的屬性。
雙4維時空量子力學(xué)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(fù)時空W（x，k），且將“釋放的空間自由度――曲率k”作為雙4維復(fù)時空的虛部坐標(biāo)；（三）4維曲率坐標(biāo)將量子力學(xué)賦予微觀客體自身的概率屬性變成量子力學(xué)復(fù)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(shè)）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(xué)處理類似表象變換{22}。
簡言之，傳統(tǒng)量子力學(xué)，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(rèn)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(xué)，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(biāo)，仍然是從客觀到客觀，描述時空變成了復(fù)時空，曲率坐標(biāo)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(fù)空間。ω0是常數(shù)，它的變化只與自身坐標(biāo)系時間t0相關(guān)，全空間分布（物理本體所在空間）。設(shè)建在“靜態(tài)”場物質(zhì)球上的坐標(biāo)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(fù)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(biāo)系的速度，慣性系間的坐標(biāo)變換，隱藏速度突變――“超光速”概念，因為，連續(xù)變化會引進(jìn)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(xué)中的不同本征態(tài)。這是相對論中的情形{24}。
但是，量子力學(xué)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(yīng)一慣性系），通過本征態(tài)突變躍遷假設(shè)（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(xué)時空，破壞了原有的因果關(guān)系。疊加量子態(tài)的存在，是“違背”因果律在量子力學(xué)中的新表現(xiàn)。
量子力學(xué)時空顯然不是牛頓、狹義相對論時空，但量子力學(xué)卻誤認(rèn)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(dāng)然會帶來不可調(diào)和的認(rèn)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(xué)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(yīng)，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(xué)，量子力學(xué)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(xué)的不同，關(guān)鍵在于認(rèn)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(guān)，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(xué)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(rèn)知。我們預(yù)言，物質(zhì)波有通訊應(yīng)用價值{25}，但與量子力學(xué)非定域性無關(guān)。
《雙4維復(fù)時空量子力學(xué)基礎(chǔ)――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(xué)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(yīng)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(chǔ)引起了人們的特別關(guān)注，波函數(shù)的物理本質(zhì)，量子力學(xué)的非定域性討論十分熱烈?！傲孔蝇F(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(xué)家甚至認(rèn)為：“客觀世界很有可能并不存在”。世界是人臆造出來的？科學(xué)實在論者當(dāng)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(fù)時空量子力學(xué)基礎(chǔ)――量子概率的時空起源》值得關(guān)注{28}。雙4維復(fù)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(fù)數(shù)空間，數(shù)學(xué)沒有那么復(fù)雜，而物理學(xué)基礎(chǔ)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(guān)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(guān)系：牛頓力學(xué)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(xué)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(xué)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(xué)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(yīng)的運動方程，并搭起非線性空間與線性空間的相互聯(lián)絡(luò)通道。
注釋：
① 趙國求：《雙4維時空量子力學(xué)基礎(chǔ)》，湖北科學(xué)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(xué)基礎(chǔ)》，湖北科學(xué)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(dāng)中。 辯證唯物主義認(rèn)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(xué)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(xué)出版社2012年版，第29頁；趙國求：《雙4維時空量子力學(xué)基礎(chǔ)》，湖北科學(xué)技術(shù)出版社2016年版，第178頁。
{11} 馮契：《哲學(xué)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(xué)的困惑》，李泳譯，湖南科學(xué)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(rèn)知物?，F(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(rèn)知世界使用的探測信號。
{16} 參見伊?牛頓：《自然哲學(xué)之?dāng)?shù)學(xué)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(xué)》，上?？茖W(xué)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(xué)出版社1979年版；愛因斯坦等：《物理學(xué)的進(jìn)化》，周肇威譯，上?？茖W(xué)技術(shù)出版社1964年版。
{20} 坂田昌一：《坂田昌一科學(xué)哲學(xué)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(xué)基礎(chǔ)》，湖北科學(xué)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(xué)描述》，
《現(xiàn)代物理》2013年第5期；趙國求、李康、吳國林：《量子力學(xué)曲率詮釋論綱》，《武漢理工大學(xué)學(xué)報》（社會科學(xué)版）2013年第1期。
{28} 曹天予：《當(dāng)代科學(xué)哲學(xué)中的庫恩挑戰(zhàn)》，《中國社會科學(xué)報》2016年5月31日。
第4篇：量子力學(xué)存在的問題范文
關(guān)鍵詞：空間；時間；質(zhì)量；能量；科學(xué)技術(shù)
物理學(xué)是一門既古老又年輕的自然科學(xué)，它對現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展起著重要的作用。物理學(xué)和其他自然科學(xué)一樣，是研究自然界中物質(zhì)運動的客觀規(guī)律的科學(xué)。細(xì)分起來物理學(xué)大致經(jīng)過了四個發(fā)展階段。
1 物理學(xué)的發(fā)展過程
1.1 宏觀低速階段
研究宏觀低速的理論是牛頓力學(xué)，研究對象為宏觀低速運動的物體。例如：汽車、火車的運動，地球衛(wèi)星的發(fā)射。在牛頓力學(xué)中，牛頓認(rèn)為：質(zhì)量、時間、空間都是絕對的。也就是說，對于時間來講不存在延長和收縮的問題，即時間是在一秒鐘，一秒鐘地或一個小時，一個小時地均勻流失。對于空間和質(zhì)量來講也不存在著變大或變小的問題。牛頓力學(xué)的三大定律，就是在這樣的基礎(chǔ)上建立的。
1.2 宏觀高速階段
研究宏觀高速的理論是愛因斯坦的相對論力學(xué)，愛因斯坦在1905年發(fā)表了論文相對論力學(xué)。愛因斯坦認(rèn)為空間、質(zhì)量、時間都是相對的。并且找出了動質(zhì)量和靜質(zhì)量之間的關(guān)系：其中m0為靜質(zhì)量；m為動質(zhì)量。
1.3 微觀低速階段
其理論是薛定諤，海森堡兩個創(chuàng)立的量子力學(xué)。研究對象為分子、原子、電子、粒子等肉眼所看不見的物質(zhì)。
1.4 微觀高速階段
理論是量子場論，研究對象為宇宙射線，放射性元素。例如“鐳”。量子場論就是粒子通過相互作用而被產(chǎn)生，湮滅或相互轉(zhuǎn)化的規(guī)律。例如：通過對天外射線射向地球宇宙射線的研究發(fā)現(xiàn)“反粒子”，即電子的反粒子正電子。負(fù)電子與正電子相互作用湮沒——轉(zhuǎn)化為二個γ光子，例如“閃電”。
2 物理學(xué)與工程技術(shù)的關(guān)系
物理學(xué)與工程技術(shù)有著密切的關(guān)系，他們之間是相互促進(jìn)共同發(fā)展的。我們平時常說科學(xué)技術(shù)，實際上科學(xué)和技術(shù)是兩個不同的概念。科學(xué)解決理論問題，而技術(shù)解決實際問題?？茖W(xué)是發(fā)現(xiàn)自然界當(dāng)中確實存在的事實，并且建立理論，把這些理論和現(xiàn)象聯(lián)系起來?？茖W(xué)主要是探索未知，而技術(shù)是把科學(xué)取得的成果和理論應(yīng)用于實際當(dāng)中，從而解決實際問題。所以技術(shù)是在理論相對比較成熟的領(lǐng)域里邊工作?？茖W(xué)與工程技術(shù)相互促進(jìn)的模式主要有以下兩種。
2.1 技術(shù)——物理——技術(shù)
例如：蒸汽機的發(fā)明和蒸汽機在工業(yè)當(dāng)中的應(yīng)用形成了第一次工業(yè)革命——熱力學(xué)統(tǒng)計物理——蒸汽機效率的提高，內(nèi)燃機，燃?xì)廨啓C的發(fā)明。這一次主要是這樣：由于蒸汽機的發(fā)明，在當(dāng)初工業(yè)應(yīng)用上，出現(xiàn)了很多應(yīng)用技術(shù)的問題。例如蒸汽機發(fā)明的初期熱效率很低，大概不到5%。這樣，就對物理提出了很尖銳的問題。那就是熱機的效率最高能達(dá)到多少？熱機的效率有沒有上限？上限是多少？再一個就是通過什么樣的方式來提高熱機的效率？由于這些問題就促進(jìn)了物理學(xué)的發(fā)展，正是在這些問題解決的過程當(dāng)中，逐漸形成和建立了熱力學(xué)統(tǒng)計物理。而熱力學(xué)統(tǒng)計物理很好地回答了提高熱機效率的途徑，以及提高熱機效率的限度等等這些理論上的問題。
2.2 物理——技術(shù)——物理
例如：
①電磁學(xué)——發(fā)電機，電力電器，無線電通信技術(shù)——電磁學(xué)；電磁學(xué)從庫侖定律的發(fā)現(xiàn)，以及法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)定律，直到1865年麥克斯韋建立電磁學(xué)基本理論，這些都是科學(xué)家在實驗室里邊逐漸形成的，這都是理論建立的過程，而這些理論應(yīng)用于實際就發(fā)明了電動機、發(fā)電機等其它電器以及無線電通信技術(shù)，而這些實用技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展又給電磁學(xué)提出來了許多需要解決的實際問題。正是這些問題的逐步解決，使得電磁學(xué)更加的完善和在理論上進(jìn)一步得到了提高。
②量子力學(xué)，半導(dǎo)體物理——晶體管超級大規(guī)模集成電路技術(shù)，電子計算機技術(shù)，激光技術(shù)——量子力學(xué)，激光物理；量子力學(xué)是20世紀(jì)初期為了解決物理上的一些疑難問題而建立起來的一種理論，這種理論應(yīng)用于解決晶體的問題就形成了半導(dǎo)體技術(shù)，而半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展就發(fā)明了大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路，而超大規(guī)模集成電路的發(fā)明是產(chǎn)生電子計算機的主要物質(zhì)基礎(chǔ)，而正是由于電子計算機技術(shù)的發(fā)展又向量子力學(xué)提出了一些其他更加深刻需要解決的問題，而這些問題的解決就促進(jìn)了量子力學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展和完善。
③狹義相對論，質(zhì)能關(guān)系E=mc2， E=mc2——原子彈及核能的利用——核物理，粒子物理，高能物理；狹義相對論是20世紀(jì)初期愛因斯坦建立的一種理論，他是為了解決電磁學(xué)等其他物理學(xué)科上的一些經(jīng)典物理當(dāng)中理論上的一些不協(xié)調(diào)和不自恰這樣一種矛盾而提出的一種理論，這種理論當(dāng)中有一個很重要的理論結(jié)果，那就是質(zhì)能關(guān)系E=mc2，E=mc2。而這種質(zhì)能關(guān)系被我們稱為打開核能寶庫的鑰匙，這一理論結(jié)果的應(yīng)用直接導(dǎo)致了或者指導(dǎo)了核能的應(yīng)用，而對于核能的進(jìn)一步應(yīng)用又提出了許多新的問題，而這些新問題的進(jìn)一步解決使得理論更加完善而得到進(jìn)一步提高，從而形成像核物理，粒子物理，以及高能物理等等，那么實際技術(shù)上問題的解決又進(jìn)一步促進(jìn)了物理學(xué)的發(fā)展。
3 結(jié)語
應(yīng)該說物理和技術(shù)有著密切的聯(lián)系，物理原理及理論的初創(chuàng)式開發(fā)和應(yīng)用都形成了當(dāng)時的高新技術(shù)，物理學(xué)仍然是當(dāng)代高新技術(shù)的主要源泉。所有新技術(shù)的產(chǎn)生都在物理學(xué)中經(jīng)歷了長期醞釀。例如：1909年盧瑟福的粒子散射實驗——40年后的核能利用；1917年愛因斯坦的受激發(fā)射理論——1960年第一臺激光器的誕生等，整個信息技術(shù)的產(chǎn)生、發(fā)展，其硬件部分都是以物理學(xué)為基礎(chǔ)的。
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[3]關(guān)洪.空間：從相對論到 M理論的歷史[M].北京 ：清華大學(xué)出版社 ，2004.
第5篇：量子力學(xué)存在的問題范文
【關(guān)鍵詞】量子模型 最優(yōu)組合選擇 金融投資
一、引言
金融市場是一個龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)，對金融市場的研究的歷史已經(jīng)很長，過去的金融學(xué)家認(rèn)為金融市場是一個隨機市場過程，在這種隨機環(huán)境下，如何進(jìn)行最優(yōu)的資源配置，以實現(xiàn)最有效的目標(biāo)，獲得高效、方便實用的投資組合，不管對于個人投資者還是大型的金融投資機構(gòu)都是必不可少的。隨著經(jīng)濟全球一體化步伐的加快，可以投資的資產(chǎn)種類日益繁多，交易方式也日趨多樣化，這些都會對最后預(yù)期的總財富產(chǎn)生一定的影響。因此，當(dāng)金融市場的這種不確定環(huán)境變得越來越復(fù)雜的時候，人們對投資組合選擇的深入研究，才具有更加重要的理論意義和現(xiàn)實意義。
19世紀(jì)初，Bachelier就開始研究金融市場的理論體系。但是金融市場系統(tǒng)的理論研究是從20世紀(jì)50年代初期開始的，1952年Markowitz發(fā)表了資產(chǎn)組合選擇理論，1964年Sharpe建立了資產(chǎn)定價模型，之后1973年Black和Scholes與Merton期權(quán)定價理論以及1976年Ross的套利定價理論等，他們所應(yīng)有的工具基本上是經(jīng)典理論中的一些方法，之后現(xiàn)資組合的研究大部分都是圍繞Markowitz投資組合理論而展開的。隨后量子理論從不同角度被引進(jìn)到金融問題的研究中來。1998年Ilinksi采用量子場理論來描述了金融市場的動態(tài)變化，他運用場理論推導(dǎo)了資產(chǎn)價格和資金流動的速度隨時間演化的方程。之后，Schaden做了進(jìn)一步的研究，他他運用市場投資者持有的總資產(chǎn)數(shù)和總現(xiàn)金作為基矢來構(gòu)造金融市場的狀態(tài)空間，金融市場的不確定性由態(tài)矢迭加原理來刻畫。然后，陳澤乾教授從量子力學(xué)的角度用Maxwell-Boltzm統(tǒng)計重新推導(dǎo)了著名Cox-Ross-Rubinstei期權(quán)定價公式，還用量子力學(xué)中的Bose-Einstein統(tǒng)計得到了一個全新的期權(quán)定價公式。這些都表明在理論上存在著關(guān)于金融市場的和諧的“量子理論”――量子金融。
二、單期資本市場中量子模型下的最優(yōu)組合問題
在數(shù)學(xué)上，量子是用復(fù)Hilbert空間來描述的，假設(shè)單期金融市場遵循某種量子統(tǒng)計規(guī)律，可由量子概率空間（Cn，ρ，B+S）來描述，其中ρ代表一個定態(tài)，B代表無風(fēng)險資產(chǎn)，S代表風(fēng)險資產(chǎn)。假設(shè)該金融市場有d+1種長期證券，其中第0種證券為無風(fēng)險證券，另外d種證券為風(fēng)險證券，一般情況下，我們把這個金融市場經(jīng)濟記為（B，S）市場，其中S=（S1，S2，…，Sd）。
假定單期資本市場（B，S）是由一種無風(fēng)險的證券價格B=（B0，B1）和d種風(fēng)險證券價格S=（S0，S1）構(gòu)成的，其中B0>0，S0>0，并且B1=B0R，S1=S0A，R>0，A是一個自伴算符列，且Aj滿足Ak=■λjkEjk，k=1，2，…，d，Ejk是Ak取值λjk的投影算子。
下面我們就來運用馬科維茨資產(chǎn)組合理論來研究量子金融市場的最優(yōu)組合選擇問題。
假設(shè)投資者投資于風(fēng)險證券的比例為ωj（j=1，2，…，d），根據(jù)馬科維茨模型中的假設(shè)條件，我們可以寫出約束條件：ω0=1-ωT1，其中1=（1，1，…，1）T。若給定收益b，其期望收益為：ωT（μ-R1）=b-R
風(fēng)險資產(chǎn)組合的方差為：σ2（ωTA）=ωT∑ω
金融市場中的投資者所要求的最優(yōu)投資資產(chǎn)組合必須要滿足下面條件之一：
（1）在預(yù)期收益水平確定的條件下即ωT（μ-R1）=b-R，求使得風(fēng)險最小的ω。
（2）在風(fēng)險水平確定的情況下σ2（ωTA）=ωT∑ω=σ，求使得收益最大的ω。
這兩個線性規(guī)劃問題是等價的，都能得到最優(yōu)的投資組合選擇。下面對條件（1）用數(shù)學(xué)語言表示出來：min■ωT∑ω
s.t. ωT（μ-R1）=b-R
對ω求偏導(dǎo)數(shù)得：ωb=■ （1）
此時，資產(chǎn)組合的方差為：σ2（ωTA）=■
（1）式可以表示為在（b，σ）平面上的兩條直線，但是向下傾斜的直線是沒有研究價值的，因為金融市場中理性的投資者根本不可能選擇在同等風(fēng)險下收益較小的證券投資組合。因此（1）式可以變形為下述直線：b=R+σ■ （2）
（2）式表明，如果量子金融市場存在無風(fēng)險的資產(chǎn)，且在證券組合投資收益為b的條件下，風(fēng)險最小的投資組合的風(fēng)險為σ，則（b，σ）滿足（2）式，即（b，σ）在一條直線上。換句話說，在這種條件下，滿足最小方差的證券組合是存在的，與之相對應(yīng)的證券組合就是最小方差證券組合。
綜上所述，如果在量子金融市場中存在無風(fēng)險資產(chǎn)時，那么在給定證券組合收益的情況下，我們所求得的最小方差證券組合，其標(biāo)準(zhǔn)方差與收益滿足同一直線方程。這一直線的經(jīng)濟意義很明顯，單個資產(chǎn)或組合資產(chǎn)的期望收益率由風(fēng)險測度指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)差來決定;風(fēng)險越大收益率越高，風(fēng)險越小收益率越低。因此，我們不能輕易下結(jié)論說隨即模型完全可以反映金融市場的不確定性，在一個量子金融概率空間中，我們用自算符來描述金融資產(chǎn)的價格變化，也許更符合金融市場資產(chǎn)價格的演化規(guī)律，從而讓我們的金融投資組合選擇更加精確，更加合理有效。
參考文獻(xiàn)：
[1]Feynman R P等著，張邦固等譯.量子力學(xué)與路徑積分[M].科學(xué)出版社，1986.
[2]李樹德.量子金融（英文版）[M].世界圖書出版社，2000.
第6篇：量子力學(xué)存在的問題范文
一、凝聚態(tài)物理的重要性
凝聚態(tài)物理主要從兩個方面體現(xiàn)其重要性：一方面體現(xiàn)為與相鄰學(xué)科（如粒子物理學(xué)）之間在概念、方法、技術(shù)等方面的滲透，促進(jìn)材料科學(xué)、能源科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等交叉學(xué)科的發(fā)展，并日益顯現(xiàn)出其強大的發(fā)展?jié)摿ΑＡ硪环矫鏋檠邪l(fā)和制備新型材料提供了強有力的理論數(shù)據(jù)和實驗支持，同時也為開發(fā)和拓展新領(lǐng)域提供了極具實用性的科學(xué)理論依據(jù)。
二、凝聚態(tài)物理的主要研究方向
隨著交叉學(xué)科的發(fā)展和技術(shù)需求的提高，凝聚物理的研究范圍更加廣闊，技術(shù)要求更加精密。凝聚態(tài)物理的主要研究方向有以下幾種。
1.軟物質(zhì)物理學(xué)
軟物質(zhì)概念于1991年提出，也稱為復(fù)雜液體。軟物質(zhì)一般是由大分子或基團(tuán)組成的，介于固體和液體之間的物相。一些常?的物質(zhì)，如液晶、膠體、膜，生命體系物質(zhì)諸如蛋白質(zhì)、DNA、細(xì)胞等，都屬于軟物質(zhì)。和由內(nèi)能驅(qū)動的硬物質(zhì)不同，軟物質(zhì)的組織結(jié)構(gòu)變化主要由熵驅(qū)動，變化過程中內(nèi)能的變化很微小。
2.宏觀量子態(tài)
宏觀量子態(tài)是指用量子力學(xué)來描述宏觀體系的狀態(tài)，如超導(dǎo)中的電子庫珀對。宏觀量子態(tài)具有典型的量子力學(xué)性質(zhì)，當(dāng)前宏觀量子態(tài)領(lǐng)域研究的重點為耗散現(xiàn)象和退相干現(xiàn)象。
3.介觀物理與納米結(jié)構(gòu)
介觀是指介于宏觀和微觀之間的體系。介觀物理學(xué)所研究的物質(zhì)大小與納米科技的研究尺度有很大重合，所以這一研究方向也常稱之為“介觀物質(zhì)和納米科技”。
4.固體電子論中的關(guān)聯(lián)區(qū)
凝聚態(tài)物理的前身――固體物理學(xué)研究的核心問題，就是固體中的電子行為。固體中的電子行為可根據(jù)電子間相互作用的大小分為三個區(qū)域，分別是強關(guān)聯(lián)區(qū)、中等關(guān)聯(lián)區(qū)和弱關(guān)聯(lián)區(qū)。現(xiàn)今研究固體電子論的大部分學(xué)者研究方向都是強關(guān)聯(lián)系統(tǒng)。
三、凝聚態(tài)物理的主要研究現(xiàn)象及其理論依據(jù)
目前凝聚態(tài)物理的主要研究現(xiàn)象有超導(dǎo)、光譜、弱相互作用、磁性研究（微磁學(xué)、鐵磁學(xué)、相圖、磁阻、巨磁阻抗效應(yīng)等）、多向異性、子晶格、態(tài)密度、能隙、強關(guān)聯(lián)、激發(fā)態(tài)、量子通信、冷原子、霍爾效應(yīng)等。
凝聚態(tài)物理所用的理論依據(jù)主要源于相變與臨界現(xiàn)象的理論，成熟完備的量子力學(xué)則是其堅定可靠的理論基石，在這兩種理論之下，凝聚態(tài)物理根植于相互作用的多粒子理論。凝聚態(tài)物理的前身――固體物理學(xué)中的一個重要理論依據(jù)是能帶理論。目前來說一些常用的理論方法有很多，比如蒙特?卡洛方法、波爾茨曼模型、分子動力學(xué)模擬、伊辛模型、有效場、平均場，等等。
四、目前凝聚態(tài)物理研究取得的一些成就
第7篇：量子力學(xué)存在的問題范文
【關(guān)鍵詞】記憶 認(rèn)知 量子認(rèn)知
人類認(rèn)知領(lǐng)域和量子力學(xué)的相似性源于：調(diào)查對象與調(diào)查過程的不可分離性。我們無法在原子行為和與之有交互作用的測量儀器之間給出清晰的分界，儀器定義了原子行為出現(xiàn)的條件。在心理學(xué)中，通過調(diào)查個體的情緒認(rèn)知狀態(tài)來反映個體狀態(tài)；社會科學(xué)中，通過觀察個體在選擇中的偏好來反映他的偏好。量子力學(xué)，特別是它的數(shù)學(xué)形式體系，旨在應(yīng)對認(rèn)識論的挑戰(zhàn)：我們怎樣才能了解一個隨我們對它的了解而改變的系統(tǒng)。本文在承認(rèn)神經(jīng)元層次物理作用的同時，將傳統(tǒng)物理力學(xué)無法解釋的部分帶進(jìn)了量子理論范疇。
一、認(rèn)知整體是不斷建構(gòu)的
大腦記憶的形成基礎(chǔ)是對外界信息的接收，即對原始意識信息的感知。這些意識信息是記憶形成的必要條件。對于意識信息如何在大腦中被存儲，已成為研究記憶形成的關(guān)鍵。在量子認(rèn)知的模型中，記憶存儲被看成是一種量子存儲。對可存儲的意識信息而言，量子計算存儲更符合意識信息片段式接收模式，以及大腦對信息的存儲龐雜性和低耗能的要求；量子糾纏可以解釋意識信息的容錯性和不確定性；眾多生物科學(xué)研究的結(jié)果為大腦中量子活動產(chǎn)生的可能性提供了支持。
微觀粒子行為所表現(xiàn)出來的概率性、不確定性與人類認(rèn)知、決策有相似之處，它的運動極易被情景影響。認(rèn)知信息并不處于一個固定的狀態(tài)，它受到不同時間、不同地點等外界環(huán)境因素的影響，在認(rèn)知的進(jìn)化過程中不斷進(jìn)行修正與豐富，同時，個體的內(nèi)省式觀察也是影響認(rèn)知信息變化的重要因素。當(dāng)下情境的記憶受到相關(guān)記憶點的糾纏影響，各時間點的記憶共同構(gòu)成了當(dāng)下提取出的記憶信息，因此在這個意義上各時間點的記憶是一個完整的整體。而認(rèn)知整體在相關(guān)情境以及提取過程中不斷重新建構(gòu)，對過去信息的回憶作為整體認(rèn)知信息的部分具有整體的特征。
二、第一進(jìn)程影響下的認(rèn)知
認(rèn)知系統(tǒng)在量子認(rèn)知中被認(rèn)為是多種概率性可能的組合，認(rèn)知變量在被測量前不需要賦值，而賦值也僅僅是一種可能性，當(dāng)且僅當(dāng)觀察者測量的時候系統(tǒng)才會從組合態(tài)坍縮為單一態(tài)。這就像薛定諤的貓，雖然測量之前是無序的混亂狀態(tài)，但這些不確定在一定的概率下卻是最終結(jié)果的必要條件，有序和規(guī)律來自無序。測量的主體無法是系統(tǒng)本身，否則系統(tǒng)確定則與量子的不確定性相違背。因此測量來自系統(tǒng)之外，超越系統(tǒng)，是絕對自由的，稱為第一進(jìn)程（process 1）。馮紐曼將第一進(jìn)程視為個體意識中為達(dá)成某種特定回饋的意向，代表人類的心靈，量子物理被認(rèn)為是用以解釋連接心靈與物理世界的通道。心靈是絕對自由的，但人卻不能成為神，這是受到量子芝諾效應(yīng)[ 量子力學(xué)認(rèn)為測量會改變被測量的系統(tǒng)。古希臘哲學(xué)家芝諾曾提出一個飛矢不動的悖論，根據(jù)這個悖論，在量子測量中當(dāng)觀測頻繁到一定程度時量子體系會表現(xiàn)出芝諾效應(yīng)，一個系統(tǒng)被連續(xù)不斷的測量，那么它將是不變的、不衰減的。圖靈認(rèn)為，“假如一個系統(tǒng)處于某種特征狀態(tài)之下，現(xiàn)在每秒對這個系統(tǒng)進(jìn)行N次測量，那么即便這個狀態(tài)是不穩(wěn)定的，當(dāng)N趨向無窮大的時候，系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化的概率是零，也就是測量可以消除運動”。]的限制。物理學(xué)家E.C.G.Sudarshan 和R.Misra將量子測量中類似矢不動悖論的現(xiàn)象被稱為“量子芝諾效應(yīng)”。根據(jù)量子芝諾效應(yīng)，測量的次數(shù)達(dá)到無窮多時，測量結(jié)果的概率性將消除。
僅規(guī)定“是”“否”兩個答案，其中“是”是期待回饋，個體僅提出問題，答案根據(jù)指定統(tǒng)計規(guī)律自然選擇。回答者不設(shè)定答案，而是根據(jù)提問逐漸形成答案。在測量過程中已經(jīng)確定的意識狀態(tài)不會因自由意志再發(fā)生變化，前后問題的回答必須保持邏輯一致性。假設(shè)某一提問得到“是”，接著在原始狀態(tài)“是”演變的連續(xù)性時間尺度上進(jìn)行相似的快速提問，根據(jù)量子動態(tài)規(guī)則，這些提問的答案很大可能上為“是”。在缺乏這種一系列快速的意向性提問時，原始狀態(tài)將迅速轉(zhuǎn)化為不同狀態(tài)。在這個例子中，量子隨機性的加入使意識的意向有效性被消除，無序形成了有序，即提問的不確定最終將答案確定下來。在這些答案的統(tǒng)計變化中量子規(guī)律形成強力趨勢消除了問題選擇帶來的有效影響。在此，個體控制著問題的提出，對答案進(jìn)行測量的問題即第一進(jìn)程，那么我們可以假設(shè)心理因素對物理世界具有潛在的影響力。
馮紐曼認(rèn)為一個人的經(jīng)驗生活是一連串的意識經(jīng)驗，個體所經(jīng)歷過的經(jīng)驗事實會轉(zhuǎn)變?yōu)橐庾R信息存儲于大腦。個體經(jīng)歷過的經(jīng)驗自我是意識經(jīng)驗的一部分，經(jīng)驗自我為意識的關(guān)注焦點提供了背景支持。他區(qū)分了第一進(jìn)程干預(yù)和機械化的第二進(jìn)程，第二進(jìn)程在沒有第一進(jìn)程干預(yù)時影響物理系統(tǒng)的演化。第二進(jìn)程提出了對經(jīng)典理論的量子化過程，它在沒有任何觀察系統(tǒng)的干預(yù)下對物理系統(tǒng)的演化進(jìn)行具體說明。依據(jù)確定的第二進(jìn)程機械化演化的人體的大腦必然會在持續(xù)演化中產(chǎn)生存在大量重疊和沖突的模糊行為模板，而非一個單一的清晰界定的行為模板。第一進(jìn)程從這些混亂的可能性中提取出一對非此即彼的可能性，分別被稱為“是”和“否”。如果答案為“是”并且包含一個可形成對問題快速重新界定的積極評價因素，那么量子芝諾效應(yīng)可以將這個積極評價轉(zhuǎn)變?yōu)榉e極行動。對量子芝諾效應(yīng)性質(zhì)的應(yīng)用會促進(jìn)物種生存。由這個量子模型所引起的意識作用力的物理功效可以合理地解釋我們的大腦怎樣及為何會以可以利用量子芝諾效應(yīng)的方式進(jìn)化。
第二進(jìn)程下大腦產(chǎn)生未經(jīng)個體意向性參與引導(dǎo)的混亂信息，個體無法決定這些信息的產(chǎn)生，下一個意識產(chǎn)生之前無法對頭腦中的信息做出預(yù)測。心靈在審視自我意識時，正如對這些信息進(jìn)行測量，不同審視角度決定不同意識的產(chǎn)生，不斷進(jìn)行相同角度的審視則可能得出同樣的意識。個體可以決定產(chǎn)生怎樣的意識，大腦中存在不為主體所知的絕對自由意識。在主體觀測之前并不能自我表征，意念投射的方向決定了意識產(chǎn)生的種類，大腦會集中處理所需信息，排除干擾信息，意向是意識的能量來源。在被主體意向投射之前各類信息混沌自處，提取后的模糊信息只有在不斷進(jìn)行有意向性的測量后才能最終確定下來。人類生活環(huán)境的復(fù)雜性使個體無法預(yù)知自身未來的具體意識，被經(jīng)驗環(huán)境所決定的個體又可以控制自身意識，這樣個體將察覺到的意識當(dāng)作世界本身。
三、結(jié)語
人類認(rèn)知的量子模型為人類認(rèn)知和人類行為打開了全新的視角。首先，它引起對認(rèn)知的整體模型的研究：認(rèn)知不可以被完全分解為它的最簡組成部分，而是以整合系統(tǒng)運作。再者，這意味著人類認(rèn)知是不斷進(jìn)化的，受到同外部世界的交互作用以及其內(nèi)部作用（如內(nèi)?。┑某掷m(xù)影響。這樣就為我們研究認(rèn)知提供了一個內(nèi)在語境的、可塑性的模型，它不具有確定的特征，而是在與環(huán)境的交互作用中逐漸形成。量子力學(xué)成功解釋了微觀系統(tǒng)中的一些問題，用量子力學(xué)的概念和形式為認(rèn)知研究的發(fā)展提供了新的可能和啟發(fā)是人類認(rèn)知過程中的巨大進(jìn)步。
【參考文獻(xiàn)】
[1]Daniel L. Scharcter.The Seven Sins of Memory：how the mind forgets and remembers[M].Mariner Books，2002：272.
第8篇：量子力學(xué)存在的問題范文
[關(guān)鍵詞]計算材料學(xué)；綜合教學(xué)；課程起源
[中圖分類號] G40-011 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2016）08-0155-02
一、前言
計算材料學(xué)是一門正快速發(fā)展的材料科學(xué)與計算機科學(xué)交叉的新興學(xué)科，它能夠利用相應(yīng)計算方法對材料的組成、結(jié)構(gòu)、性能進(jìn)行設(shè)計與模擬；廣泛涉及材料、物理、計算機、數(shù)學(xué)、化學(xué)等多門學(xué)科。[1]可以說，計算材料學(xué)是材料學(xué)理論和實驗的橋梁連接。[2]學(xué)習(xí)計算材料學(xué)能讓學(xué)生進(jìn)行模擬實驗，使學(xué)生養(yǎng)成在制備材料前從理論上設(shè)計新材料并預(yù)測其性質(zhì)的良好思路。
作為材料類專業(yè)的重要課程，我們在教學(xué)過程中存在著不少的問題：1.具有計算材料學(xué)研究背景的師資力量欠缺；2.授課方法單一、枯燥，課堂效果不好；3.實踐條件的欠缺很難保證教學(xué)效果。為了提高計算材料學(xué)課程的教學(xué)質(zhì)量，使學(xué)生更好地掌握材料設(shè)計和性能預(yù)測的基本能力，我們結(jié)合存在的問題和教學(xué)改革的實踐，對計算材料學(xué)的課程教學(xué)提出一些改革方法。
二、了解起源，培養(yǎng)興趣
計算材料學(xué)是一門十分抽象、理論性極強的課程，書中理論眾多并伴隨著數(shù)不清的陌生的符號、公式和注釋，這往往讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中望而卻步。傳統(tǒng)的計算材料學(xué)教學(xué)通常是讓學(xué)生在課后反復(fù)操練習(xí)題，以至可以靈活應(yīng)用這些公式定律來解題。結(jié)果不言而喻，學(xué)生往往知其然，而不知其所以然，很難提起學(xué)習(xí)的興趣。因此，授之以魚，還得授之以漁，在教學(xué)過程中追本溯源，將理論的來龍去脈講述清楚，教給學(xué)生創(chuàng)造的思維和方法顯得更為重要。
計算材料學(xué)不僅蘊含著復(fù)雜的變量、方程和實驗方法等知識，而且還充滿了疑問，這些疑問把學(xué)生帶入充滿曲折的探索之旅。所以，在計算材料教學(xué)中將課程重點和難點融為一體，可以在不知不覺中起到“潤物細(xì)無聲”的獨特效果。
計算材料學(xué)課程教改的目標(biāo)是轉(zhuǎn)變教學(xué)理念，讓學(xué)生懂得計算模擬的起源、材料計算設(shè)計的基本方法和基本內(nèi)容以及與之相關(guān)的計算材料的前沿知識，引入與之相關(guān)的計算模擬案例介紹，從而使其具有一定的理論素養(yǎng)，培養(yǎng)其科學(xué)的態(tài)度、方法和精神。
三、引入拋錨式教學(xué)模式，提高課堂質(zhì)量
拋錨式教學(xué)也稱實例式教學(xué)，是由美國溫特貝爾特大學(xué)匹波迪教育學(xué)院開發(fā)的一種教學(xué)模式。其要求學(xué)生在某種類型個案的實際環(huán)境中去感受和體驗問題，而不是聽經(jīng)驗的間接介紹和講解。真實的感受案例或情境，可以激發(fā)學(xué)生興趣，引導(dǎo)學(xué)生觀察和思考，形成一種探索與研究的習(xí)慣。
根據(jù)課程的特點，適當(dāng)選擇講述一些有關(guān)課程的起源與發(fā)展的案例，使其自然地融入課堂。再結(jié)合教材內(nèi)容“見縫插針”，讓學(xué)生理解重要定理、公式是怎么來的，為什么要這么命名，相關(guān)定理、公式背后都有哪些有趣、有意義的故事，使學(xué)生產(chǎn)生一種情景記憶，而不是死記硬背，從而引導(dǎo)學(xué)生對知識點進(jìn)行深入的學(xué)習(xí)和挖掘。
以本課程中的量子力學(xué)基礎(chǔ)為例，詳細(xì)介紹量子力學(xué)的發(fā)展歷程可以讓學(xué)生更好地理解量子力學(xué)的基本意義和它對于學(xué)好計算材料學(xué)的重要作用。如利用信息技術(shù)創(chuàng)設(shè)一個量子力學(xué)發(fā)展歷程的故事或一段經(jīng)歷，用一根主線將求解量子力學(xué)波函數(shù)問題融入情境故事或經(jīng)歷中，使學(xué)生趟著主線求解復(fù)雜的問題。見表1：[3] [4]
圍繞相關(guān)原理、公式如不確定性原理、薛定諤方程等，開發(fā)可共享的經(jīng)驗，展開教學(xué)活動，使學(xué)生掌握態(tài)矢量、波粒二象性和量子測量等概念知識，老師在學(xué)生獲得概念知識的初始階段需要提供較多的指導(dǎo)。創(chuàng)造機會使學(xué)生擁有更多的自進(jìn)行獨立探究或小組探究，圍繞求解薛定諤方程所做的近似求解思想和方法，查找或探究相關(guān)的隱藏或缺失的信息。
運用知識作為問題求解的工具。學(xué)生運用相關(guān)定理、公式中隱含的信息或線索，積極制訂解決問題的計劃。為此，學(xué)生需要先探究一些問題，以確定輔助解決整個問題的補充信息。教師們應(yīng)該根據(jù)實際情況，將計算材料軟件如CASTEP、VASP和Abinit等引入教學(xué)中，使學(xué)生有接觸解決實際問題的工具的機會。同時，教師們更需要了解學(xué)生的理解能力、決策能力和推理能力，從而更好地為學(xué)生的問題求解提供“腳手架”。
制訂一套整合相關(guān)原理、公式的教學(xué)方案。引導(dǎo)學(xué)生們閱讀更多學(xué)科知識的內(nèi)容，共同探究相關(guān)的故事，使學(xué)生們沉浸在相關(guān)的模擬情境中，從而加深對概念知識的理解并整合不同學(xué)生的概念知識，在潛移默化中培養(yǎng)學(xué)生的知識遷移能力。
共同分享所學(xué)內(nèi)容。學(xué)生們將他們對相關(guān)原理、公式問題和拓展性問題探究結(jié)果呈現(xiàn)出來，從不同角度探討解決綜合問題的策略，深層次地理解學(xué)習(xí)內(nèi)容，從而為學(xué)習(xí)共同體作出貢獻(xiàn)。[4]
四、以史為鑒，培養(yǎng)科學(xué)精神
科學(xué)精神包括探索精神、求真精神、民主精神、實踐精神和懷疑批判精神等等。中國的應(yīng)試教育使得廣大學(xué)生太相信書本和教師，摧殘了學(xué)生批判性思維能力，因此在教學(xué)中可結(jié)合一些計算材料學(xué)的歷史，加強學(xué)生批判思維能力的培養(yǎng)。
例如，在計算材料學(xué)課堂中引入愛因斯坦對薛定諤、德布羅意等的觀點提出質(zhì)疑的案例。[5]
愛因斯坦在1924年對泡利反對連續(xù)區(qū)理論的觀點上發(fā)表示了“完全的因果性”的看法，針對玻爾關(guān)于輻射的波動在本質(zhì)上是幾率波的假設(shè)而評論：“玻爾關(guān)于輻射的意見是很有趣的。但是，我決不愿意被迫放棄嚴(yán)格的因果性，將對它進(jìn)行更強有力的保衛(wèi)。我覺得完全不能容忍這樣的想法，即認(rèn)為電子受到輻射的照射，不僅它的跳躍時刻，而且它的方向都由它自己的自由意志去選擇?！?/p>
愛因斯坦對“量子力學(xué)僅可建立在可觀察量的基礎(chǔ)上”這一觀點也提出異議。1926年春天，他在海森堡的一次談話中，提出了“是理論決定我們能夠觀察到的東西”的觀點。
通過學(xué)習(xí)計算材科料學(xué)史，可以引導(dǎo)學(xué)生去發(fā)現(xiàn)和認(rèn)識公式、方程的產(chǎn)生。如引導(dǎo)學(xué)生思考：從薛定諤方程產(chǎn)生到解決過程中真正創(chuàng)造了些什么？哪些思想、方法代表著薛定諤方程相對于以往的實質(zhì)進(jìn)步？科學(xué)工作者在求解薛定諤方程遇到瓶頸時，成功創(chuàng)造了近似求解的方法，這種方法可以從微擾理論到變分理論再到密度泛函理論，這不僅體現(xiàn)了量子力學(xué)理論的一大進(jìn)步，更體現(xiàn)科學(xué)工作者對尋求真理的孜孜不倦的精神。[6]通過對計算材料科學(xué)史的學(xué)習(xí)，可以鍛煉學(xué)生的創(chuàng)造性思維，同時學(xué)習(xí)薛定諤為追求真理，而百折不撓、義無反顧、獻(xiàn)身科學(xué)的精神，感受薛定諤治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、剛正真誠、淡泊名利的風(fēng)范和人格魅力。
五、結(jié)論
計算材料學(xué)作為一門新興科學(xué)，是材料類專業(yè)人才培養(yǎng)中的重要基礎(chǔ)課程。然而在教學(xué)過程中由于師資力量薄弱、教學(xué)方法單一、研究對象復(fù)雜、實踐條件有限等問題，使學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣低下、教學(xué)效果不明顯。我們在教學(xué)過程中應(yīng)運用科學(xué)發(fā)展過程中蘊藏的豐富的教育資源，通過講授學(xué)科起源、發(fā)展以及應(yīng)用的案例，使學(xué)生了解知識的形成過程，同時引入拋錨式教學(xué)模式將一個個真實生動的科學(xué)形象，融入日常課堂教學(xué)之中，從而提高課堂教學(xué)質(zhì)量。同時，應(yīng)有意識地加強計算材料學(xué)發(fā)展史的講授，使知識、原理和規(guī)律變得生動而鮮活，更使學(xué)生的科學(xué)思想、科研方法、科學(xué)精神、科學(xué)態(tài)度和科學(xué)素養(yǎng)等得到熏陶和培養(yǎng)。
[ 注 釋 ]
[1] 張躍，谷景華，尚家香.計算材料學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：航空航天大學(xué)出版社，2007.
[2] （德）D?羅伯，項金鐘，吳興惠.計算材料學(xué)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.
[3] 許良英.愛因斯坦文集[M].北京：商務(wù)印書館，1977（1）.
[4] （美）J?梅拉H?雷琴堡.量子理論的歷史發(fā)展[M].北京：科學(xué)出版社，1990.
第9篇：量子力學(xué)存在的問題范文
關(guān)鍵詞:經(jīng)典相對論;宇宙學(xué);量子引力;概念解釋;形而上學(xué)
正如巴特菲爾德和厄爾曼編撰的《物理學(xué)哲學(xué)》一書所言，近半個世紀(jì)以來，物理學(xué)哲學(xué)充滿活力有兩個重要的原因，第一是與所分析的科學(xué)哲學(xué)的形成期相關(guān)，第二則是近半個世紀(jì)以來物理學(xué)自身的研究有關(guān)。也正因此，在物理學(xué)哲學(xué)發(fā)展的進(jìn)程中，其研究的論題和研究方法也隨著科學(xué)哲學(xué)和物理學(xué)自身的論題和方法進(jìn)行著改變。在很長一個歷史時期內(nèi)，物理學(xué)哲學(xué)曾經(jīng)關(guān)注經(jīng)驗物理學(xué)領(lǐng)域，物理學(xué)哲學(xué)的探討與對客觀性、真理性以及科學(xué)合理性的辯護(hù)分不開。而在當(dāng)前宇宙學(xué)、量子引力發(fā)展的前沿時刻，《物理學(xué)哲學(xué)》一書體現(xiàn)了當(dāng)代物理學(xué)哲學(xué)研究的新特點。本書與以往物理學(xué)哲學(xué)書籍最大的不同之處就在于，在以往物理學(xué)哲學(xué)著作往往重點討論統(tǒng)計物理學(xué)、相對論和量子力學(xué)的哲學(xué)問題的基礎(chǔ)上，增加了新的領(lǐng)域:“這些支柱的結(jié)合”———量子引力，并運用決定論和對稱性這兩個“能架起聯(lián)結(jié)物理學(xué)理論間(甚至三大支柱間)鴻溝的橋梁”的主題，把最終的討論由具體引向一般，從而讓我們看到兩個結(jié)論:第一，物理學(xué)哲學(xué)和物理學(xué)之間并不存在清晰的界限。第二，物理學(xué)概念的復(fù)雜化，想要借由物理學(xué)去豐富哲學(xué)，并非容易。本文主要就書中的“經(jīng)典相對論”、“宇宙學(xué)中的哲學(xué)問題”和“量子引力”等內(nèi)容進(jìn)行分析，指出它們所揭示的物理學(xué)概念解釋的新特征以及物理學(xué)理論理解的新特征。
一相對論、宇宙學(xué)和量子引力哲學(xué)概要
巴特菲爾德在引言中指出，數(shù)學(xué)的相對論者在不斷深化我們對廣義相對論基礎(chǔ)的理解。大衛(wèi)•馬拉蒙特的“經(jīng)典相對論”［1］一文就明顯具有這樣的特點，并不討論經(jīng)典相對論的歷史發(fā)展及其實驗依據(jù)，而是以微分幾何的語言，從概念和形式化的角度對相對論的結(jié)構(gòu)以及相對論引發(fā)的一些基礎(chǔ)問題進(jìn)行了分析和討論。首先從描述相對時空的結(jié)構(gòu)開始，相對論的彎曲時空是一類幾何模型(M，gab)表示的相對時空，其中M為一個平滑的連續(xù)的四維流形，gab是M中的一個平滑的半黎曼度規(guī)。其中每個模型都代表一個與理論的約束條件相容的可能世界。M可以解釋為世界中點事件的流形，而gab的解釋則關(guān)乎四個物理學(xué)解釋性原理，由點粒子和光線的行為決定，由此把引力和時空幾何效應(yīng)等同起來。當(dāng)粒子只受到引力作用時，它的軌跡為彎曲時空的測地線。而任何質(zhì)量粒子的加速度即偏離測地線的軌跡，由引力以外的力決定。馬拉蒙特詳細(xì)地描述了gab的解釋性原理和限定條件。在此基礎(chǔ)上分析了本征時間、某一點的空間時間分解及粒子動力學(xué)、物質(zhì)場、愛因斯坦方程、類時曲線的匯與“公共空間”、基靈場與守恒量等內(nèi)容。經(jīng)典相對論中所有發(fā)生的事件都可以用物質(zhì)場F表示，為時空流形M中的一個或者多個平滑張量或旋量，滿足包含gab的場方程。Tab為與F相關(guān)的能量－動量場，時空的彎曲受物質(zhì)分布的影響，任意區(qū)域的時空度規(guī)和物質(zhì)場會發(fā)生動力學(xué)相互作用，遵循愛因斯坦方程。在專題討論部分，關(guān)于閔可夫斯基時空中的相對同時性的地位，試圖還原愛因斯坦定義同時性對標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系選擇的特定背景;關(guān)于牛頓引力理論的幾何化，將引力化的牛頓理論與愛因斯坦相對論進(jìn)行了結(jié)構(gòu)上的對比;關(guān)于時空的整體“因果結(jié)構(gòu)”，關(guān)注了什么程度上時空的整體幾何結(jié)構(gòu)能夠從其“因果結(jié)構(gòu)”中得到?！坝钪嬲軐W(xué)中的問題”［2］的作者是喬治•F．R．埃利斯。宇宙學(xué)哲學(xué)的部分在書中起著承上啟下的作用，因為一方面，宇宙學(xué)哲學(xué)的研究基于愛因斯坦廣義相對論引力理論時空曲率和宇宙的演化由物質(zhì)決定的思想，用廣義相對論描述宇宙遠(yuǎn)古時期之后的演化;另一方面，由于在黑洞以及宇宙大爆炸初期物質(zhì)高密度狀態(tài)下無法忽略引力問題，因而無法避免引力理論?？偟膩碚f，整篇文章把當(dāng)代宇宙學(xué)看作是觀測宇宙學(xué)、物理宇宙學(xué)、天文宇宙學(xué)與各種形式的量子宇宙學(xué)共生共長、互惠互補的綜合理論系統(tǒng)，想要給出一個“描繪真實宇宙起源和演化的理論”。主要內(nèi)容分為兩大部分，第一部分為宇宙學(xué)概論，包括基本理論、熱大爆炸、宇宙觀測、因果和可視世界、理論的發(fā)展、暴脹、極早期宇宙、一致性模型等內(nèi)容，并澄清了關(guān)于宇宙暴脹和超光速等問題的一些誤解。在埃利斯看來，“宇宙學(xué)正在由一種猜測性的事業(yè)向真正的科學(xué)轉(zhuǎn)變，這不僅帶來了與科學(xué)革命相近的多種哲學(xué)問題，也使得其他哲學(xué)問題更加緊迫，例如關(guān)于宇宙學(xué)中的說明和方法等問題。”因此文章第二部分進(jìn)行的問題討論圍繞這些說明和方法問題展開，討論了宇宙的唯一性、宇宙在空間和時間上的巨大尺度、早期宇宙中的無約束能量、宇宙起源的解釋問題、作為背景存在的宇宙、宇宙學(xué)明確的哲學(xué)基礎(chǔ)、有關(guān)人類的問題:生命的精細(xì)調(diào)節(jié)、多元宇宙存在的可能性和存在的本質(zhì)等九大問題。在此過程中，埃利斯提出了34個論點，關(guān)涉到這9個問題的方方面面，包括人擇原理和多重宇宙存在的可能性等。這些論述關(guān)乎幾何學(xué)、物理學(xué)和哲學(xué)，它們構(gòu)成了宇宙學(xué)面面臨的哲學(xué)問題的環(huán)境及其與局域物理學(xué)之間的關(guān)系。埃利斯期望通過這一系列討論改變?nèi)藗冋J(rèn)為宇宙學(xué)只不過是確定一些物理參數(shù)的簡單看法?！傲孔右Α保?］一文的作者是卡羅爾•羅韋利，內(nèi)容大致可分為四個方面。第一，量子引力的研究方法，包括早期的歷史和方向、目前的主要嘗試性理論等。量子引力的早期思想可以概括為“用一個理論來描述引力的量子特性”。期間出現(xiàn)的第一種方法是羅森菲爾德等人的“協(xié)變化”方法，通過引入一個虛構(gòu)的“平坦空間”來考慮周圍度規(guī)的微小漲落，并且運用電磁場中的方法來對這些波進(jìn)行量子化;第二種是伯格曼等人的“正則化”方法，研究和量子化整個廣義相對論的哈密頓函數(shù)，而不只是量子化其圍繞平坦空間的線性化函數(shù);第三種是米斯納等人的路徑積分方法。目前主要的嘗試性理論主要介紹了基于協(xié)變化方法發(fā)展起來的弦理論和基于正則化方法發(fā)展起來的圈量子引力理論以及它們之間的爭論。第二，關(guān)于量子引力研究方法論問題。指出量子引力研究的理由包括經(jīng)驗數(shù)據(jù)的缺乏和對引力是否應(yīng)當(dāng)量子化的思索。分析了當(dāng)前量子引力研究中的各種態(tài)度以及科學(xué)知識的累積性和科學(xué)哲學(xué)的影響。第三，空間和時間的本質(zhì)，包括廣義相對論的物理意義、背景無關(guān)性、時間的本質(zhì)等。第四，與其他未決問題之間的關(guān)系，包括統(tǒng)一、量子引力學(xué)的解釋宇宙學(xué)常數(shù)、量子宇宙學(xué)等等。這些章節(jié)的詳細(xì)內(nèi)容不是本文的重點，我們想要做的，是分析作者的研究方式所代表的當(dāng)代物理學(xué)哲學(xué)研究的視野和方法的轉(zhuǎn)變。本書的研究方式明顯地具有兩個特征:第一個特征關(guān)乎物理學(xué)概念的解釋:物理學(xué)的概念解釋脫離不開數(shù)學(xué)形式化下的整體系統(tǒng);第二個特征關(guān)乎新的物理學(xué)理論的理解:在理論的發(fā)展中處處顯示物理學(xué)和形而上學(xué)的交織統(tǒng)一。這兩個特征與這些物理學(xué)研究領(lǐng)域?qū)嶒灆z驗的缺乏以及理論構(gòu)造的特征密切相關(guān)。
二物理學(xué)概念解釋的新特征:數(shù)學(xué)形式化整體系統(tǒng)中的關(guān)聯(lián)解釋
巴特菲爾德相信當(dāng)前基本物理學(xué)中的基礎(chǔ)問題會為物理學(xué)哲學(xué)提供從最為有趣且最為重要的問題，而我們關(guān)注的是本書處理這些基礎(chǔ)問題的方式。雖然從章節(jié)上來看，物理哲學(xué)的論題被劃分為若干個領(lǐng)域，但從內(nèi)容上，完全可以看到作者的用心，站在當(dāng)代數(shù)學(xué)物理學(xué)發(fā)展的高度用整體微分幾何等數(shù)學(xué)語言對物理學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行重新形式化和解釋，每一章節(jié)的緊密聯(lián)系使得物理學(xué)作為一個整體系統(tǒng)得以呈現(xiàn)。其中對每一個物理概念解釋的細(xì)節(jié)，正是物理學(xué)哲學(xué)追求的基礎(chǔ)問題的答案?？梢哉f，概念解釋居于本書的核心地位，物理學(xué)哲學(xué)解釋問題的最重要的方式就是處理當(dāng)代物理學(xué)中的概念和解釋問題。
(一)物理學(xué)概念的解釋:我們理解世界的基礎(chǔ)
物理學(xué)的發(fā)展時時刻刻影響著人們對世界的理解方式，其途徑就是物理學(xué)概念的解釋。經(jīng)典物理學(xué)、相對論和量子力學(xué)曾極大地改變我們對世界的看法，它們在經(jīng)驗上的有效性曾經(jīng)強化過我們對科學(xué)理論客觀性和真理性的觀點，也曾讓很多物理學(xué)家追求理論的實用性而認(rèn)為有些基礎(chǔ)性的問題毫無意義。但當(dāng)前宇宙學(xué)和量子引力理論的提出，使人們重新注視廣義相對論和量子力學(xué)的不相容性的時候，從廣義相對論以來的一些基礎(chǔ)性問題和哲學(xué)問題得以重新復(fù)興。相對論為我們宇宙的時空結(jié)構(gòu)確定了一類幾何模型，其中每個模型都代表了一個與理論的約束條件相融的可能世界或區(qū)域。而我們對時空的理解涉及整體時空結(jié)構(gòu)和愛因斯坦方程的約束條件等等。宇宙學(xué)和量子引力的研究則讓我們明白，改變我們對空間和時間的理解的廣義相對論是在可以忽略引力的量子特性時對引力進(jìn)行描述的場理論，那么真正的空間和時間的本質(zhì)又是如何呢?我們對宇宙起源的理解繞不開量子引力方法的嘗試，但這種嘗試要受到很多約束，比如成熟量子引力理論的缺乏、量子力學(xué)基礎(chǔ)問題，比如測量問題、波函數(shù)的塌縮問題等?，F(xiàn)在人們期望得到的成功量子引力的路徑基于目前理論的發(fā)展，比如惠勒－德維特方程和宇宙波函數(shù)思想、來自弦論思想的高維時空方法，或者圈量子引力的應(yīng)用等。但這些問題是否能真正解決宇宙起源的問題卻并沒有確切的答案，比如維蘭金的創(chuàng)生虛無的真理論的理解要依賴于量子場論的精致框架和粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型等很多結(jié)構(gòu)，而這些基礎(chǔ)本身也是需要解釋的。可以說，我們理解世界的基礎(chǔ)就在于我們用于理解它的那些概念的意義。
(二)概念解釋的新特點:數(shù)學(xué)形式化下整體系統(tǒng)中的關(guān)聯(lián)解釋
巴特菲爾德在經(jīng)典力學(xué)的辛約化中指出，經(jīng)典力學(xué)的核心理論原理已經(jīng)被歐拉、拉格朗日、哈密頓和雅可比等改寫，“我們已經(jīng)認(rèn)不出來了，因此對它們的哲學(xué)反思也發(fā)生了變化?！币虼艘胄翈缀?、李代數(shù)等語言對理論進(jìn)行形式化，旨在利用辛約化理論使連續(xù)對稱和守恒量之間產(chǎn)生聯(lián)系的特征，從理論結(jié)構(gòu)上顯現(xiàn)經(jīng)典力學(xué)與量子物理學(xué)的聯(lián)系，這是運用數(shù)學(xué)形式化系統(tǒng)展現(xiàn)物理學(xué)理論的對稱性本質(zhì)。相對論、宇宙學(xué)和量子引力哲學(xué)部分，情況也是如此。整本書是站在當(dāng)代數(shù)學(xué)發(fā)展的高度，運用拓?fù)鋵W(xué)、群理論和微分幾何等重新形式化物理學(xué)的整個體系，并對其概念進(jìn)行剖析的一個過程。而對基本問題的理解，則建立在概念剖析的基礎(chǔ)之上。在這些文章中，理論發(fā)展的歷史狀況和實驗成果，只是系統(tǒng)闡釋整個理論概念和解釋的背景而已。作者們的重點則放在用數(shù)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展和物理學(xué)理論形式化的訴求，促進(jìn)對物理學(xué)理論結(jié)構(gòu)的探索，進(jìn)而把論題轉(zhuǎn)化為對其哲學(xué)問題的探討。理論的形式化體系、概念結(jié)構(gòu)和物理學(xué)解釋是有機地結(jié)合在一起的。在牛頓引力的幾何化中，也是站在當(dāng)代物理學(xué)和數(shù)學(xué)發(fā)展的高度，重新形式化作為相對論弱場近似的牛頓理論，得到與廣義相對論類似的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，正是在這個意義上，才能夠好地發(fā)現(xiàn)兩個理論在何種條件和何種程度上是相符的，又在何種條件和何種程度上是區(qū)別的。在這個形式化的整體系統(tǒng)中，對于物理概念的解釋不再是孤立的解釋，而是站在理論的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)的高度，成為一個整體系統(tǒng)中的關(guān)聯(lián)解釋。這在很大程度上突出了物理學(xué)哲學(xué)中語義分析方法的重要性，因為沒有完全獨立的概念，物理學(xué)的概念定義之間互相依賴，只有在一個系統(tǒng)的語義結(jié)構(gòu)中才能理解概念的意義。如普斯洛斯在這套愛思唯爾哲學(xué)手冊的《一般科學(xué)哲學(xué)》一書中所言:“理論解釋的唯一方式就是把它嵌入到同類概念的框架中，并嘗試著解開它們的相互關(guān)聯(lián)?！保?］
(三)舊概念重新解釋的意義:還原理論創(chuàng)立過
程中概念選擇的特定背景在物理學(xué)的發(fā)展中，每一次理論創(chuàng)新和進(jìn)步都伴隨著新概念的提出或舊概念的重新解釋，站在理論發(fā)展的角度考慮，這樣的解釋會讓我們更好地理解物理學(xué)理論的提出、發(fā)展和變遷的合理性。比如蒙特在經(jīng)典相對論一文中對閔可夫斯基時空環(huán)境下相對同時性關(guān)系的重新考慮。蒙特指出，當(dāng)相對于一個四維速度矢量將一點上的矢量分解為“時間”和“空間”分量進(jìn)行討論時，我們理所當(dāng)然地相信包含正交性的相對同時性的標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)同。在解釋這種認(rèn)同的理由時，根據(jù)方便在閔可夫斯基時空結(jié)構(gòu)即狹義相對論體系下進(jìn)行分析。他援引霍華德•斯坦的論述，指出采用相對同時性的標(biāo)準(zhǔn)(ε=1/2)的慣例是需要特定背景的。在他們看來，愛因斯坦是為了解決我們無法檢測到地球相對于以太的運動而采取的解決方案，以一種特定的方式(ε=1/2)來思考同時性，但如果并非從愛因斯坦最初的思路來考慮，而是從一個成功理論的高度來理解它，把相對論視為是針對時空結(jié)構(gòu)不變性的論述時，其意義就完全不同了。這在很大程度上還原了愛因斯坦對同時性做出的“定義”中挑選出來的這種標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系的實質(zhì)，它可能并非一種自然的存在，而是理論選擇的特定需要，還原這個過程，對我們更好地理解理論和概念的本質(zhì)有著重要的意義。
(四)新理論的概念澄清:科學(xué)進(jìn)步的必然現(xiàn)象
物理學(xué)史上每一個新理論的誕生都會引起舊的概念的澄清，量子引力就是個很典型的例子。量子引力是對空間和時間本質(zhì)的探索，它引導(dǎo)我們重新思考關(guān)于時間、空間、“在某處”、運動和因果觀測者的地位等很多問題。作為試圖把廣義相對論和量子理論結(jié)合的理論，我們需要以歷史的眼光重新追問。我們都知道，廣義相對論改變了我們對牛頓獨立于物質(zhì)運動的絕對空間和時間的理解。量子力學(xué)則用我們關(guān)于運動的一般性理論替代了經(jīng)典力學(xué)，并改變了物質(zhì)、場和因果性的觀念。但量子力學(xué)的外在時間變量和量子場論靜止的背景時空都是和廣義相對論不相容的。而廣義相對論中引力場被假設(shè)為一個經(jīng)典決定論的動力學(xué)場，無法處理小尺度引力的量子特性。因此，想要把二者進(jìn)行結(jié)合的量子引力就遇到了困難。正因為如此，羅韋利直言盡管基礎(chǔ)物理學(xué)在經(jīng)驗上有效，但它正處于一種深刻的概念混亂的狀態(tài)。雖然20世紀(jì)后半葉，物理學(xué)注重實用而忽略了這些基本問題，但量子引力告訴我們這些基本問題必須得到新的答案。但問題的澄清并沒有一條唯一明確的路可以走，超弦理論和圈量子引力在假設(shè)、成就、具體結(jié)果以及概念框架上都有著顯著的不同，但它們都有自己的代價，弦理論的思想基礎(chǔ)是為了消除廣義相對論的微擾量子化的困難，保留了量子場論的基本概念結(jié)構(gòu)，其代價之一是放棄廣義相對論的廣義協(xié)變性。圈量子引力植根于描述廣義相對論的協(xié)變性，但它的代價是忽略了理論的不完備性，放棄了幺正性、時間演化、基本層次上的龐加萊不變性以及物理學(xué)對象是在空間中局域化的且在時空中演化的概念?？梢钥闯龅氖?，新理論澄清概念的過程是科學(xué)理論進(jìn)步的必然現(xiàn)象，而這一過程是通過分析在描述世界結(jié)構(gòu)時所產(chǎn)生的概念上的困難來對以往科學(xué)的研究框架予以質(zhì)疑或辯護(hù)，這涉及的是對世界本質(zhì)更深刻的哲學(xué)和形而上的思考。
三物理學(xué)理解的新特征:物理學(xué)和形而上學(xué)的交織統(tǒng)一
