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對(duì)量子力學(xué)的理解范文

時(shí)間:2023-12-29 10:37:42

序論:在您撰寫對(duì)量子力學(xué)的理解時(shí),參考他人的優(yōu)秀作品可以開闊視野,小編為您整理的7篇范文,希望這些建議能夠激發(fā)您的創(chuàng)作熱情,引導(dǎo)您走向新的創(chuàng)作高度。

對(duì)量子力學(xué)的理解

第1篇

關(guān)鍵詞:量子力學(xué);經(jīng)典科學(xué)世界圖景;非機(jī)械決定論;整體論;復(fù)雜性;主客體互動(dòng)

Abstract: As one of three revolutions of physics in 20th century, quantum mechanics has greatly transformed the world view of classical science in many aspects. Quantum mechanics breaks though the mechanical determinism in classical science, transforming it into nonmechanical determinism; it changes scientific cognitive process from the theory of reductionism to the theory of wholism; it shifts the way of thinking from pursuing simplicity to exploring the complexity; it also establishes the interaction between subject and object in scientific researches.

Key words: quantum mechanics; world view of classical science; nonmechanical determinism; wholism; complexity; interaction between subject and object

經(jīng)典科學(xué)基本上是指由培根、牛頓、笛卡兒等開創(chuàng)的,近三百年內(nèi)發(fā)展起來的一整套觀點(diǎn)、方法、學(xué)說。經(jīng)典科學(xué)世界圖景的最大特征是機(jī)械論和還原論,片面強(qiáng)調(diào)分解而忽視綜合。以玻爾、海森伯、玻恩、泡利、諾伊曼等為代表的哥本哈根學(xué)派的量子力學(xué)理論三部曲:統(tǒng)計(jì)解釋—測(cè)不準(zhǔn)原理—互補(bǔ)原理所反映的主要觀點(diǎn)是:微觀粒子的各種力學(xué)量(位置、動(dòng)量、能量等)的出現(xiàn)都是幾率性的;量子力學(xué)對(duì)微觀粒子運(yùn)動(dòng)的幾率性描述是完備的,對(duì)幾率性的原因不需要也不可能有更深的解釋;決定論不適用于量子力學(xué)領(lǐng)域;儀器的作用同觀察對(duì)象具有不可分割性,確立了科學(xué)活動(dòng)中主客體互動(dòng)關(guān)系。[1]量子力學(xué)的發(fā)展從根本上改變了經(jīng)典科學(xué)世界

圖景。

一、量子力學(xué)突破了經(jīng)典科學(xué)的機(jī)械決定論,遵循因果加統(tǒng)計(jì)的非機(jī)械決定論

經(jīng)典力學(xué)是關(guān)于機(jī)械運(yùn)動(dòng)的科學(xué),機(jī)械運(yùn)動(dòng)是自然界最簡(jiǎn)單也是最普遍的運(yùn)動(dòng)。說它最簡(jiǎn)單,因?yàn)闄C(jī)械運(yùn)動(dòng)比較容易認(rèn)識(shí),牛頓等人又采取高度簡(jiǎn)化的方法研究力學(xué),獲得了空前成功;說它最普遍,因?yàn)闄C(jī)械力學(xué)有廣泛的用途,容易把它絕對(duì)化。[2]機(jī)械決定論是建立在經(jīng)典力學(xué)的因果觀之上,解釋原因和結(jié)果的存在方式和聯(lián)系方式的理論。機(jī)械決定論認(rèn)為因和果之間的聯(lián)系具有確定性,無論從因到果的軌跡多么復(fù)雜,沿著軌跡尋找總能確定出原因或結(jié)果;機(jī)械決定論的核心在于只要初始狀態(tài)一定,則未來狀態(tài)可以由因果法則進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。[3]其實(shí),機(jī)械決定論僅僅適用于宏觀物體,而對(duì)于微觀領(lǐng)域以及客觀世界中大量存在的偶然現(xiàn)象的研究就產(chǎn)生了統(tǒng)計(jì)決定論。[4]

量子力學(xué)是對(duì)經(jīng)典物理學(xué)在微觀領(lǐng)域的一次革命。量子力學(xué)所揭示的微觀世界的運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及以玻爾為代表的哥本哈根學(xué)派對(duì)量子力學(xué)的理解,同物理學(xué)機(jī)械決定論是根本相悖的。[5]按照量子理論,微觀粒子運(yùn)動(dòng)遵守統(tǒng)計(jì)規(guī)律,我們不能說某個(gè)電子一定在什么地方出現(xiàn),而只能說它在某處出現(xiàn)的幾率有多大。

玻恩的統(tǒng)計(jì)解釋指出,因果性是表示事件關(guān)系之中一種必然性觀念,而機(jī)遇則恰恰相反地意味著完全不確定性,自然界同時(shí)受到因果律和機(jī)遇律的某種混合方式的支配。在量子力學(xué)中,幾率性是基本概念,統(tǒng)計(jì)規(guī)律是基本規(guī)律。物理學(xué)原理的方向發(fā)生了質(zhì)的改變:統(tǒng)計(jì)描述代替了嚴(yán)格的因果描述,非機(jī)械決定論代替了機(jī)械決定論的統(tǒng)治。

經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)雖然也提出了幾率的概念,但未能從根本上動(dòng)搖嚴(yán)格決定論,量子力學(xué)的沖擊則使機(jī)械決定論的大廈坍塌了。量子力學(xué)揭示并論證了人們對(duì)微觀世界的認(rèn)識(shí)具有不可避免的隨機(jī)性,它不遵循嚴(yán)格的因果律。任何微觀事件的測(cè)定都要受到測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系的限定,不可能確切地知道它們的位置和動(dòng)量、時(shí)間和能量,只能描述和預(yù)言微觀對(duì)象的可能的行為。因此,量子力學(xué)必須是幾率的、統(tǒng)計(jì)的。而且,隨著認(rèn)識(shí)的發(fā)展,人們發(fā)現(xiàn)量子統(tǒng)計(jì)的隨機(jī)性,不是由于我們知識(shí)和手段的不完備性造成的,而是由微觀世界本身的必然性(主客體相互作用)所注定。

二、量子力學(xué)使得科學(xué)認(rèn)識(shí)方法由還原論轉(zhuǎn)化為整體論

還原論作為一種認(rèn)識(shí)方法,是指把高級(jí)運(yùn)動(dòng)形式歸結(jié)為低級(jí)運(yùn)動(dòng)形式,用研究低級(jí)運(yùn)動(dòng)形式所得出的結(jié)論代替對(duì)高級(jí)運(yùn)動(dòng)形式的本質(zhì)認(rèn)識(shí)的觀點(diǎn)。它用已分析得出的客觀世界中的主要的、穩(wěn)定的觀點(diǎn)和規(guī)律去解釋、說明要研究的對(duì)象。其目的是簡(jiǎn)化、縮小客體的多樣性。這種方法在人類認(rèn)識(shí)處于初級(jí)水平上無疑是有效的。如牛頓將開普勒和伽利略的定律成功地還原為他的重力定律。但是還原論形而上學(xué)的本質(zhì),以及完全還原是不可能的,決定了還原論不能揭示世界的全貌。

量子力學(xué)認(rèn)為整體與部分的劃分只有相對(duì)意義,整體的特征絕非部分的疊加,而是部分包含著整體。部分作為一個(gè)單元,具有與整體同等甚至還要大的復(fù)雜性。部分不僅與周圍環(huán)境發(fā)生一定的外在聯(lián)系,同時(shí)還要表現(xiàn)出“主體性”,可將自身的內(nèi)在聯(lián)系傳遞到周邊,并直接參與整體的變化。因而,部分與整體呈現(xiàn)了有機(jī)的自覺因果關(guān)系。在特定的臨界狀態(tài),部分的少許變化將引起整體的突變。[6]

波粒二象性是微觀世界的本質(zhì)特征,也是量子論、量子力學(xué)理論思想的靈魂。用經(jīng)典觀點(diǎn)來看,也就是按照還原論的思想,粒子與波毫無共同之處,二者難以形成直觀的統(tǒng)一圖案,這是經(jīng)典物理學(xué)通過部分還原認(rèn)識(shí)整體的方法,是“向上的原因”??墒俏⒂^粒子在某些實(shí)驗(yàn)條件下,只表現(xiàn)波動(dòng)性;而在另一些實(shí)驗(yàn)條件下,只表現(xiàn)粒子性。這兩種實(shí)驗(yàn)結(jié)果不能同時(shí)在一次實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)。于是,玻爾的互補(bǔ)原理就在客觀上揭示了微觀世界的矛盾和我們關(guān)于微觀世界認(rèn)識(shí)的矛盾,并試圖尋找一種解決矛盾的方法,這就是微觀粒子既具有粒子性又具有波動(dòng)性,即波粒二象性。這就是整體論觀點(diǎn)強(qiáng)調(diào)的“向下的原因”,即從整體到部分。同樣,海森伯的測(cè)不準(zhǔn)原理說明不能同時(shí)測(cè)量微觀粒子的動(dòng)量和位置,這也說明絕不能把宏觀物體的可觀測(cè)量簡(jiǎn)單盲目地還原到微觀。由此我們可以看出,造成經(jīng)典科學(xué)觀與現(xiàn)代科學(xué)觀認(rèn)識(shí)論和方法論不同的根本在于思考和觀察問題的層面不同。經(jīng)典科學(xué)一味地強(qiáng)調(diào)外在聯(lián)系觀,而量子力學(xué)則更強(qiáng)調(diào)關(guān)注事物內(nèi)部的有機(jī)聯(lián)系。所以,量子力學(xué)把內(nèi)在聯(lián)系作為原因從根本上動(dòng)搖了還原論觀點(diǎn)。

三、量子力學(xué)使得科學(xué)思維方式由追求簡(jiǎn)單性發(fā)展到探索復(fù)雜性

從經(jīng)典科學(xué)思維方式來看,世界在本質(zhì)上是簡(jiǎn)單的。牛頓就說過,自然界喜歡簡(jiǎn)單化,而不喜歡用什么多余的原因以夸耀自己。追求簡(jiǎn)單性是經(jīng)典科學(xué)奮斗的目標(biāo),也是推動(dòng)它獲取成功的動(dòng)力。開普勒以三條簡(jiǎn)明的定律揭示了看似復(fù)雜的太陽(yáng)系行星運(yùn)動(dòng),牛頓更是用單一的萬有引力說明了千變?nèi)f化的天體行為。因而現(xiàn)代科學(xué)是用簡(jiǎn)單性解釋復(fù)雜性,這就隱去了自然界的豐富多樣性。

量子力學(xué)初步揭示了客觀世界的復(fù)雜性。經(jīng)典科學(xué)的簡(jiǎn)單性是與把物理世界理想化相聯(lián)系的。經(jīng)典物理學(xué)所研究的是理想的物質(zhì)客體。它不但用理想化的“質(zhì)點(diǎn)”、“剛體”、“理想氣體”來描述物體,而且把研究對(duì)象的條件理想化,使研究的視野僅僅局限于人們自己制定的范圍之內(nèi)。而客觀世界并不是如此,特別是進(jìn)入微觀領(lǐng)域,微觀粒子運(yùn)動(dòng)的幾率性、隨機(jī)性;觀測(cè)對(duì)象和觀測(cè)主體不可分割性等都足以說明自然界本身并不是我們想象的那么簡(jiǎn)單。

在現(xiàn)代科學(xué)中,牛頓的經(jīng)典力學(xué)成了相對(duì)論的低速現(xiàn)象的特例,成為非線性科學(xué)中交互作用近似為零的情況,在量子力學(xué)中是測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系可以忽略時(shí)的理論表述。復(fù)雜性的提出并不是要消滅簡(jiǎn)單性,而是為了打破簡(jiǎn)單性獨(dú)占的一統(tǒng)地位。復(fù)雜性是把簡(jiǎn)單性作為一個(gè)特例包含其中,正如莫蘭所說的,復(fù)雜性是簡(jiǎn)單性和復(fù)雜性的統(tǒng)一。復(fù)雜性比簡(jiǎn)單性更基本,可能性比現(xiàn)實(shí)性更基本,演化比存在更基本。[7]今天的科學(xué)思維方式,不是以現(xiàn)實(shí)來限制可能,而是從可能中選擇現(xiàn)實(shí);不是以既存的實(shí)體來確定演化,而是在演化中認(rèn)識(shí)和把握實(shí)體。復(fù)雜性主張考察被研究對(duì)象的復(fù)雜性,在對(duì)其作出層次與類別上的區(qū)分之后再進(jìn)行溝通,而不是僅僅限于孤立和分離,它強(qiáng)調(diào)的是一種整體的協(xié)同。

四、量子力學(xué)使科學(xué)活動(dòng)中主客體分離邁向主客互動(dòng)

經(jīng)典科學(xué)思維方式的一個(gè)指導(dǎo)觀念就是,認(rèn)為科學(xué)應(yīng)該客觀地、不附加任何主觀成分地獲取“照本來樣子的”世界知識(shí)。玻爾告訴人們,根本不存在所謂的“真實(shí)”,除非你首先描述測(cè)量物理量的方式,否則談?wù)撊魏挝锢砹慷际菦]有意義的!測(cè)量,這一不被經(jīng)典物理學(xué)考慮的問題,在面對(duì)量子世界如此微小的測(cè)量對(duì)象時(shí),成為一個(gè)難以把握的手段。因?yàn)檠芯空叩慕槿雽?duì)量子世界產(chǎn)生了致命的干擾,使得測(cè)量中充滿了不確定性。在海森伯看來,在我們的研究工作由宏觀領(lǐng)域進(jìn)入微觀領(lǐng)域時(shí),我們就會(huì)遇到一個(gè)矛盾:我們的觀測(cè)儀器是宏觀的,可是研究對(duì)象卻是微觀的;宏觀儀器必然要對(duì)微觀粒子產(chǎn)生干擾,這種干擾本身又對(duì)我們的認(rèn)識(shí)產(chǎn)生了干擾;人只能用反映宏觀世界的經(jīng)典概念來描述宏觀儀器所觀測(cè)到的結(jié)果,可是這種經(jīng)典概念在描述微觀客體時(shí)又不能不加以限制。這突破了經(jīng)典科學(xué)完全可以在不影響客體自然存在的狀態(tài)下進(jìn)行觀測(cè)的假定,從而建立了科學(xué)活動(dòng)中主客體互動(dòng)的關(guān)系。

例如,關(guān)于光到底是粒子還是波,辯論了三百多年。玻爾認(rèn)為這完全取決于我們?nèi)绾稳ビ^察它。一種實(shí)驗(yàn)安排,人們可以看到光的波現(xiàn)象;另一種實(shí)驗(yàn)安排,人們又可以看到光的粒子現(xiàn)象。但就光子這個(gè)整體概念而言,它卻表現(xiàn)出波粒二象性。因此,海森伯就說,我們觀測(cè)的不是自然本身,而是由我們用來探索問題的方法所揭示的自然。[8]

量子力學(xué)的發(fā)展表明,不存在一個(gè)客觀的、絕對(duì)的世界。唯一存在的,就是我們能夠觀測(cè)到的世界。物理學(xué)的全部意義,不在于它能夠描述出自然“是什么”,而在于它能夠明確,關(guān)于自然我們能夠“說什么”。

參考文獻(xiàn)

[1]林德宏. 科學(xué)思想史[M].第2版.南京:江蘇科學(xué)技術(shù)出版社,2004:270-271.

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

[3]劉敏,董華. 從經(jīng)典科學(xué)到系統(tǒng)科學(xué)[J].科學(xué)管理研究,2006,24(2):44-47.

[4]宋偉.因果性、決定論與科學(xué)規(guī)律[J].自然辯證法研究,1995,11(9):25-30.

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

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

第2篇

關(guān)鍵詞:量子力學(xué);經(jīng)典科學(xué)世界圖景;非機(jī)械決定論;整體論;復(fù)雜性;主客體互動(dòng)

Abstract:Asoneofthreerevolutionsofphysicsin20thcentury,quantummechanicshasgreatlytransformedtheworldviewofclassicalscienceinmanyaspects.Quantummechanicsbreaksthoughthemechanicaldeterminisminclassicalscience,transformingitintononmechanicaldeterminism;itchangesscientificcognitiveprocessfromthetheoryofreductionismtothetheoryofwholism;itshiftsthewayofthinkingfrompursuingsimplicitytoexploringthecomplexity;italsoestablishestheinteractionbetweensubjectandobjectinscientificresearches.

Keywords:quantummechanics;worldviewofclassicalscience;nonmechanicaldeterminism;wholism;complexity;interactionbetweensubjectandobject

經(jīng)典科學(xué)基本上是指由培根、牛頓、笛卡兒等開創(chuàng)的,近三百年內(nèi)發(fā)展起來的一整套觀點(diǎn)、方法、學(xué)說。經(jīng)典科學(xué)世界圖景的最大特征是機(jī)械論和還原論,片面強(qiáng)調(diào)分解而忽視綜合。以玻爾、海森伯、玻恩、泡利、諾伊曼等為代表的哥本哈根學(xué)派的量子力學(xué)理論三部曲:統(tǒng)計(jì)解釋—測(cè)不準(zhǔn)原理—互補(bǔ)原理所反映的主要觀點(diǎn)是:微觀粒子的各種力學(xué)量(位置、動(dòng)量、能量等)的出現(xiàn)都是幾率性的;量子力學(xué)對(duì)微觀粒子運(yùn)動(dòng)的幾率性描述是完備的,對(duì)幾率性的原因不需要也不可能有更深的解釋;決定論不適用于量子力學(xué)領(lǐng)域;儀器的作用同觀察對(duì)象具有不可分割性,確立了科學(xué)活動(dòng)中主客體互動(dòng)關(guān)系。[1]量子力學(xué)的發(fā)展從根本上改變了經(jīng)典科學(xué)世界圖景。

一、量子力學(xué)突破了經(jīng)典科學(xué)的機(jī)械決定論,遵循因果加統(tǒng)計(jì)的非機(jī)械決定論

經(jīng)典力學(xué)是關(guān)于機(jī)械運(yùn)動(dòng)的科學(xué),機(jī)械運(yùn)動(dòng)是自然界最簡(jiǎn)單也是最普遍的運(yùn)動(dòng)。說它最簡(jiǎn)單,因?yàn)闄C(jī)械運(yùn)動(dòng)比較容易認(rèn)識(shí),牛頓等人又采取高度簡(jiǎn)化的方法研究力學(xué),獲得了空前成功;說它最普遍,因?yàn)闄C(jī)械力學(xué)有廣泛的用途,容易把它絕對(duì)化。[2]機(jī)械決定論是建立在經(jīng)典力學(xué)的因果觀之上,解釋原因和結(jié)果的存在方式和聯(lián)系方式的理論。機(jī)械決定論認(rèn)為因和果之間的聯(lián)系具有確定性,無論從因到果的軌跡多么復(fù)雜,沿著軌跡尋找總能確定出原因或結(jié)果;機(jī)械決定論的核心在于只要初始狀態(tài)一定,則未來狀態(tài)可以由因果法則進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。[3]其實(shí),機(jī)械決定論僅僅適用于宏觀物體,而對(duì)于微觀領(lǐng)域以及客觀世界中大量存在的偶然現(xiàn)象的研究就產(chǎn)生了統(tǒng)計(jì)決定論。[4]

量子力學(xué)是對(duì)經(jīng)典物理學(xué)在微觀領(lǐng)域的一次革命。量子力學(xué)所揭示的微觀世界的運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及以玻爾為代表的哥本哈根學(xué)派對(duì)量子力學(xué)的理解,同物理學(xué)機(jī)械決定論是根本相悖的。[5]按照量子理論,微觀粒子運(yùn)動(dòng)遵守統(tǒng)計(jì)規(guī)律,我們不能說某個(gè)電子一定在什么地方出現(xiàn),而只能說它在某處出現(xiàn)的幾率有多大。

玻恩的統(tǒng)計(jì)解釋指出,因果性是表示事件關(guān)系之中一種必然性觀念,而機(jī)遇則恰恰相反地意味著完全不確定性,自然界同時(shí)受到因果律和機(jī)遇律的某種混合方式的支配。在量子力學(xué)中,幾率性是基本概念,統(tǒng)計(jì)規(guī)律是基本規(guī)律。物理學(xué)原理的方向發(fā)生了質(zhì)的改變:統(tǒng)計(jì)描述代替了嚴(yán)格的因果描述,非機(jī)械決定論代替了機(jī)械決定論的統(tǒng)治。

經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)雖然也提出了幾率的概念,但未能從根本上動(dòng)搖嚴(yán)格決定論,量子力學(xué)的沖擊則使機(jī)械決定論的大廈坍塌了。量子力學(xué)揭示并論證了人們對(duì)微觀世界的認(rèn)識(shí)具有不可避免的隨機(jī)性,它不遵循嚴(yán)格的因果律。任何微觀事件的測(cè)定都要受到測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系的限定,不可能確切地知道它們的位置和動(dòng)量、時(shí)間和能量,只能描述和預(yù)言微觀對(duì)象的可能的行為。因此,量子力學(xué)必須是幾率的、統(tǒng)計(jì)的。而且,隨著認(rèn)識(shí)的發(fā)展,人們發(fā)現(xiàn)量子統(tǒng)計(jì)的隨機(jī)性,不是由于我們知識(shí)和手段的不完備性造成的,而是由微觀世界本身的必然性(主客體相互作用)所注定。

二、量子力學(xué)使得科學(xué)認(rèn)識(shí)方法由還原論轉(zhuǎn)化為整體論

還原論作為一種認(rèn)識(shí)方法,是指把高級(jí)運(yùn)動(dòng)形式歸結(jié)為低級(jí)運(yùn)動(dòng)形式,用研究低級(jí)運(yùn)動(dòng)形式所得出的結(jié)論代替對(duì)高級(jí)運(yùn)動(dòng)形式的本質(zhì)認(rèn)識(shí)的觀點(diǎn)。它用已分析得出的客觀世界中的主要的、穩(wěn)定的觀點(diǎn)和規(guī)律去解釋、說明要研究的對(duì)象。其目的是簡(jiǎn)化、縮小客體的多樣性。這種方法在人類認(rèn)識(shí)處于初級(jí)水平上無疑是有效的。如牛頓將開普勒和伽利略的定律成功地還原為他的重力定律。但是還原論形而上學(xué)的本質(zhì),以及完全還原是不可能的,決定了還原論不能揭示世界的全貌。

量子力學(xué)認(rèn)為整體與部分的劃分只有相對(duì)意義,整體的特征絕非部分的疊加,而是部分包含著整體。部分作為一個(gè)單元,具有與整體同等甚至還要大的復(fù)雜性。部分不僅與周圍環(huán)境發(fā)生一定的外在聯(lián)系,同時(shí)還要表現(xiàn)出“主體性”,可將自身的內(nèi)在聯(lián)系傳遞到周邊,并直接參與整體的變化。因而,部分與整體呈現(xiàn)了有機(jī)的自覺因果關(guān)系。在特定的臨界狀態(tài),部分的少許變化將引起整體的突變。[6]

波粒二象性是微觀世界的本質(zhì)特征,也是量子論、量子力學(xué)理論思想的靈魂。用經(jīng)典觀點(diǎn)來看,也就是按照還原論的思想,粒子與波毫無共同之處,二者難以形成直觀的統(tǒng)一圖案,這是經(jīng)典物理學(xué)通過部分還原認(rèn)識(shí)整體的方法,是“向上的原因”??墒俏⒂^粒子在某些實(shí)驗(yàn)條件下,只表現(xiàn)波動(dòng)性;而在另一些實(shí)驗(yàn)條件下,只表現(xiàn)粒子性。這兩種實(shí)驗(yàn)結(jié)果不能同時(shí)在一次實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)。于是,玻爾的互補(bǔ)原理就在客觀上揭示了微觀世界的矛盾和我們關(guān)于微觀世界認(rèn)識(shí)的矛盾,并試圖尋找一種解決矛盾的方法,這就是微觀粒子既具有粒子性又具有波動(dòng)性,即波粒二象性。這就是整體論觀點(diǎn)強(qiáng)調(diào)的“向下的原因”,即從整體到部分。同樣,海森伯的測(cè)不準(zhǔn)原理說明不能同時(shí)測(cè)量微觀粒子的動(dòng)量和位置,這也說明絕不能把宏觀物體的可觀測(cè)量簡(jiǎn)單盲目地還原到微觀。由此我們可以看出,造成經(jīng)典科學(xué)觀與現(xiàn)代科學(xué)觀認(rèn)識(shí)論和方法論不同的根本在于思考和觀察問題的層面不同。經(jīng)典科學(xué)一味地強(qiáng)調(diào)外在聯(lián)系觀,而量子力學(xué)則更強(qiáng)調(diào)關(guān)注事物內(nèi)部的有機(jī)聯(lián)系。所以,量子力學(xué)把內(nèi)在聯(lián)系作為原因從根本上動(dòng)搖了還原論觀點(diǎn)。

三、量子力學(xué)使得科學(xué)思維方式由追求簡(jiǎn)單性發(fā)展到探索復(fù)雜性

從經(jīng)典科學(xué)思維方式來看,世界在本質(zhì)上是簡(jiǎn)單的。牛頓就說過,自然界喜歡簡(jiǎn)單化,而不喜歡用什么多余的原因以夸耀自己。追求簡(jiǎn)單性是經(jīng)典科學(xué)奮斗的目標(biāo),也是推動(dòng)它獲取成功的動(dòng)力。開普勒以三條簡(jiǎn)明的定律揭示了看似復(fù)雜的太陽(yáng)系行星運(yùn)動(dòng),牛頓更是用單一的萬有引力說明了千變?nèi)f化的天體行為。因而現(xiàn)代科學(xué)是用簡(jiǎn)單性解釋復(fù)雜性,這就隱去了自然界的豐富多樣性。

量子力學(xué)初步揭示了客觀世界的復(fù)雜性。經(jīng)典科學(xué)的簡(jiǎn)單性是與把物理世界理想化相聯(lián)系的。經(jīng)典物理學(xué)所研究的是理想的物質(zhì)客體。它不但用理想化的“質(zhì)點(diǎn)”、“剛體”、“理想氣體”來描述物體,而且把研究對(duì)象的條件理想化,使研究的視野僅僅局限于人們自己制定的范圍之內(nèi)。而客觀世界并不是如此,特別是進(jìn)入微觀領(lǐng)域,微觀粒子運(yùn)動(dòng)的幾率性、隨機(jī)性;觀測(cè)對(duì)象和觀測(cè)主體不可分割性等都足以說明自然界本身并不是我們想象的那么簡(jiǎn)單。

在現(xiàn)代科學(xué)中,牛頓的經(jīng)典力學(xué)成了相對(duì)論的低速現(xiàn)象的特例,成為非線性科學(xué)中交互作用近似為零的情況,在量子力學(xué)中是測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系可以忽略時(shí)的理論表述。復(fù)雜性的提出并不是要消滅簡(jiǎn)單性,而是為了打破簡(jiǎn)單性獨(dú)占的一統(tǒng)地位。復(fù)雜性是把簡(jiǎn)單性作為一個(gè)特例包含其中,正如莫蘭所說的,復(fù)雜性是簡(jiǎn)單性和復(fù)雜性的統(tǒng)一。復(fù)雜性比簡(jiǎn)單性更基本,可能性比現(xiàn)實(shí)性更基本,演化比存在更基本。[7]今天的科學(xué)思維方式,不是以現(xiàn)實(shí)來限制可能,而是從可能中選擇現(xiàn)實(shí);不是以既存的實(shí)體來確定演化,而是在演化中認(rèn)識(shí)和把握實(shí)體。復(fù)雜性主張考察被研究對(duì)象的復(fù)雜性,在對(duì)其作出層次與類別上的區(qū)分之后再進(jìn)行溝通,而不是僅僅限于孤立和分離,它強(qiáng)調(diào)的是一種整體的協(xié)同。

四、量子力學(xué)使科學(xué)活動(dòng)中主客體分離邁向主客互動(dòng)

經(jīng)典科學(xué)思維方式的一個(gè)指導(dǎo)觀念就是,認(rèn)為科學(xué)應(yīng)該客觀地、不附加任何主觀成分地獲取“照本來樣子的”世界知識(shí)。玻爾告訴人們,根本不存在所謂的“真實(shí)”,除非你首先描述測(cè)量物理量的方式,否則談?wù)撊魏挝锢砹慷际菦]有意義的!測(cè)量,這一不被經(jīng)典物理學(xué)考慮的問題,在面對(duì)量子世界如此微小的測(cè)量對(duì)象時(shí),成為一個(gè)難以把握的手段。因?yàn)檠芯空叩慕槿雽?duì)量子世界產(chǎn)生了致命的干擾,使得測(cè)量中充滿了不確定性。在海森伯看來,在我們的研究工作由宏觀領(lǐng)域進(jìn)入微觀領(lǐng)域時(shí),我們就會(huì)遇到一個(gè)矛盾:我們的觀測(cè)儀器是宏觀的,可是研究對(duì)象卻是微觀的;宏觀儀器必然要對(duì)微觀粒子產(chǎn)生干擾,這種干擾本身又對(duì)我們的認(rèn)識(shí)產(chǎn)生了干擾;人只能用反映宏觀世界的經(jīng)典概念來描述宏觀儀器所觀測(cè)到的結(jié)果,可是這種經(jīng)典概念在描述微觀客體時(shí)又不能不加以限制。這突破了經(jīng)典科學(xué)完全可以在不影響客體自然存在的狀態(tài)下進(jìn)行觀測(cè)的假定,從而建立了科學(xué)活動(dòng)中主客體互動(dòng)的關(guān)系。

例如,關(guān)于光到底是粒子還是波,辯論了三百多年。玻爾認(rèn)為這完全取決于我們?nèi)绾稳ビ^察它。一種實(shí)驗(yàn)安排,人們可以看到光的波現(xiàn)象;另一種實(shí)驗(yàn)安排,人們又可以看到光的粒子現(xiàn)象。但就光子這個(gè)整體概念而言,它卻表現(xiàn)出波粒二象性。因此,海森伯就說,我們觀測(cè)的不是自然本身,而是由我們用來探索問題的方法所揭示的自然。[8]

量子力學(xué)的發(fā)展表明,不存在一個(gè)客觀的、絕對(duì)的世界。唯一存在的,就是我們能夠觀測(cè)到的世界。物理學(xué)的全部意義,不在于它能夠描述出自然“是什么”,而在于它能夠明確,關(guān)于自然我們能夠“說什么”。

參考文獻(xiàn):

[1]林德宏.科學(xué)思想史[M].第2版.南京:江蘇科學(xué)技術(shù)出版社,2004:270-271.

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

[3]劉敏,董華.從經(jīng)典科學(xué)到系統(tǒng)科學(xué)[J].科學(xué)管理研究,2006,24(2):44-47.

[4]宋偉.因果性、決定論與科學(xué)規(guī)律[J].自然辯證法研究,1995,11(9):25-30.

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

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

第3篇

圖景。

一、量子力學(xué)突破了經(jīng)典科學(xué)的機(jī)械決定論,遵循因果加統(tǒng)計(jì)的非機(jī)械決定論

經(jīng)典力學(xué)是關(guān)于機(jī)械運(yùn)動(dòng)的科學(xué),機(jī)械運(yùn)動(dòng)是自然界最簡(jiǎn)單也是最普遍的運(yùn)動(dòng)。說它最簡(jiǎn)單,因?yàn)闄C(jī)械運(yùn)動(dòng)比較容易認(rèn)識(shí),牛頓等人又采取高度簡(jiǎn)化的方法研究力學(xué),獲得了空前成功;說它最普遍,因?yàn)闄C(jī)械力學(xué)有廣泛的用途,容易把它絕對(duì)化。[2]機(jī)械決定論是建立在經(jīng)典力學(xué)的因果觀之上,解釋原因和結(jié)果的存在方式和聯(lián)系方式的理論。機(jī)械決定論認(rèn)為因和果之間的聯(lián)系具有確定性,無論從因到果的軌跡多么復(fù)雜,沿著軌跡尋找總能確定出原因或結(jié)果;機(jī)械決定論的核心在于只要初始狀態(tài)一定,則未來狀態(tài)可以由因果法則進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。[3]其實(shí),機(jī)械決定論僅僅適用于宏觀物體,而對(duì)于微觀領(lǐng)域以及客觀世界中大量存在的偶然現(xiàn)象的研究就產(chǎn)生了統(tǒng)計(jì)決定論。[4]

量子力學(xué)是對(duì)經(jīng)典物理學(xué)在微觀領(lǐng)域的一次革命。量子力學(xué)所揭示的微觀世界的運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及以玻爾為代表的哥本哈根學(xué)派對(duì)量子力學(xué)的理解,同物理學(xué)機(jī)械決定論是根本相悖的。[5]按照量子理論,微觀粒子運(yùn)動(dòng)遵守統(tǒng)計(jì)規(guī)律,我們不能說某個(gè)電子一定在什么地方出現(xiàn),而只能說它在某處出現(xiàn)的幾率有多大。

玻恩的統(tǒng)計(jì)解釋指出,因果性是表示事件關(guān)系之中一種必然性觀念,而機(jī)遇則恰恰相反地意味著完全不確定性,自然界同時(shí)受到因果律和機(jī)遇律的某種混合方式的支配。在量子力學(xué)中,幾率性是基本概念,統(tǒng)計(jì)規(guī)律是基本規(guī)律。物理學(xué)原理的方向發(fā)生了質(zhì)的改變:統(tǒng)計(jì)描述代替了嚴(yán)格的因果描述,非機(jī)械決定論代替了機(jī)械決定論的統(tǒng)治。

經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)雖然也提出了幾率的概念,但未能從根本上動(dòng)搖嚴(yán)格決定論,量子力學(xué)的沖擊則使機(jī)械決定論的大廈坍塌了。量子力學(xué)揭示并論證了人們對(duì)微觀世界的認(rèn)識(shí)具有不可避免的隨機(jī)性,它不遵循嚴(yán)格的因果律。任何微觀事件的測(cè)定都要受到測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系的限定,不可能確切地知道它們的位置和動(dòng)量、時(shí)間和能量,只能描述和預(yù)言微觀對(duì)象的可能的行為。因此,量子力學(xué)必須是幾率的、統(tǒng)計(jì)的。而且,隨著認(rèn)識(shí)的發(fā)展,人們發(fā)現(xiàn)量子統(tǒng)計(jì)的隨機(jī)性,不是由于我們知識(shí)和手段的不完備性造成的,而是由微觀世界本身的必然性(主客體相互作用)所注定。

二、量子力學(xué)使得科學(xué)認(rèn)識(shí)方法由還原論轉(zhuǎn)化為整體論

還原論作為一種認(rèn)識(shí)方法,是指把高級(jí)運(yùn)動(dòng)形式歸結(jié)為低級(jí)運(yùn)動(dòng)形式,用研究低級(jí)運(yùn)動(dòng)形式所得出的結(jié)論代替對(duì)高級(jí)運(yùn)動(dòng)形式的本質(zhì)認(rèn)識(shí)的觀點(diǎn)。它用已分析得出的客觀世界中的主要的、穩(wěn)定的觀點(diǎn)和規(guī)律去解釋、說明要研究的對(duì)象。其目的是簡(jiǎn)化、縮小客體的多樣性。這種方法在人類認(rèn)識(shí)處于初級(jí)水平上無疑是有效的。如牛頓將開普勒和伽利略的定律成功地還原為他的重力定律。但是還原論形而上學(xué)的本質(zhì),以及完全還原是不可能的,決定了還原論不能揭示世界的全貌。

量子力學(xué)認(rèn)為整體與部分的劃分只有相對(duì)意義,整體的特征絕非部分的疊加,而是部分包含著整體。部分作為一個(gè)單元,具有與整體同等甚至還要大的復(fù)雜性。部分不僅與周圍環(huán)境發(fā)生一定的外在聯(lián)系,同時(shí)還要表現(xiàn)出“主體性”,可將自身的內(nèi)在聯(lián)系傳遞到周邊,并直接參與整體的變化。因而,部分與整體呈現(xiàn)了有機(jī)的自覺因果關(guān)系。在特定的臨界狀態(tài),部分的少許變化將引起整體的突變。[6]

波粒二象性是微觀世界的本質(zhì)特征,也是量子論、量子力學(xué)理論思想的靈魂。用經(jīng)典觀點(diǎn)來看,也就是按照還原論的思想,粒子與波毫無共同之處,二者難以形成直觀的統(tǒng)一圖案,這是經(jīng)典物理學(xué)通過部分還原認(rèn)識(shí)整體的方法,是“向上的原因”??墒俏⒂^粒子在某些實(shí)驗(yàn)條件下,只表現(xiàn)波動(dòng)性;而在另一些實(shí)驗(yàn)條件下,只表現(xiàn)粒子性。這兩種實(shí)驗(yàn)結(jié)果不能同時(shí)在一次實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)。于是,玻爾的互補(bǔ)原理就在客觀上揭示了微觀世界的矛盾和我們關(guān)于微觀世界認(rèn)識(shí)的矛盾,并試圖尋找一種解決矛盾的方法,這就是微觀粒子既具有粒子性又具有波動(dòng)性,即波粒二象性。這就是整體論觀點(diǎn)強(qiáng)調(diào)的“向下的原因”,即從整體到部分。同樣,海森伯的測(cè)不準(zhǔn)原理說明不能同時(shí)測(cè)量微觀粒子的動(dòng)量和位置,這也說明絕不能把宏觀物體的可觀測(cè)量簡(jiǎn)單盲目地還原到微觀。由此我們可以看出,造成經(jīng)典科學(xué)觀與現(xiàn)代科學(xué)觀認(rèn)識(shí)論和方法論不同的根本在于思考和觀察問題的層面不同。經(jīng)典科學(xué)一味地強(qiáng)調(diào)外在聯(lián)系觀,而量子力學(xué)則更強(qiáng)調(diào)關(guān)注事物內(nèi)部的有機(jī)聯(lián)系。所以,量子力學(xué)把內(nèi)在聯(lián)系作為原因從根本上動(dòng)搖了還原論觀點(diǎn)。

三、量子力學(xué)使得科學(xué)思維方式由追求簡(jiǎn)單性發(fā)展到探索復(fù)雜性

從經(jīng)典科學(xué)思維方式來看,世界在本質(zhì)上是簡(jiǎn)單的。牛頓就說過,自然界喜歡簡(jiǎn)單化,而不喜歡用什么多余的原因以夸耀自己。追求簡(jiǎn)單性是經(jīng)典科學(xué)奮斗的目標(biāo),也是推動(dòng)它獲取成功的動(dòng)力。開普勒以三條簡(jiǎn)明的定律揭示了看似復(fù)雜的太陽(yáng)系行星運(yùn)動(dòng),牛頓更是用單一的萬有引力說明了千變?nèi)f化的天體行為。因而現(xiàn)代科學(xué)是用簡(jiǎn)單性解釋復(fù)雜性,這就隱去了自然界的豐富多樣性。

量子力學(xué)初步揭示了客觀世界的復(fù)雜性。經(jīng)典科學(xué)的簡(jiǎn)單性是與把物理世界理想化相聯(lián)系的。經(jīng)典物理學(xué)所研究的是理想的物質(zhì)客體。它不但用理想化的“質(zhì)點(diǎn)”、“剛體”、“理想氣體”來描述物體,而且把研究對(duì)象的條件理想化,使研究的視野僅僅局限于人們自己制定的范圍之內(nèi)。而客觀世界并不是如此,特別是進(jìn)入微觀領(lǐng)域,微觀粒子運(yùn)動(dòng)的幾率性、隨機(jī)性;觀測(cè)對(duì)象和觀測(cè)主體不可分割性等都足以說明自然界本身并不是我們想象的那么簡(jiǎn)單。

在現(xiàn)代科學(xué)中,牛頓的經(jīng)典力學(xué)成了相對(duì)論的低速現(xiàn)象的特例,成為非線性科學(xué)中交互作用近似為零的情況,在量子力學(xué)中是測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系可以忽略時(shí)的理論表述。復(fù)雜性的提出并不是要消滅簡(jiǎn)單性,而是為了打破簡(jiǎn)單性獨(dú)占的一統(tǒng)地位。復(fù)雜性是把簡(jiǎn)單性作為一個(gè)特例包含其中,正如莫蘭所說的,復(fù)雜性是簡(jiǎn)單性和復(fù)雜性的統(tǒng)一。復(fù)雜性比簡(jiǎn)單性更基本,可能性比現(xiàn)實(shí)性更基本,演化比存在更基本。[7]今天的科學(xué)思維方式,不是以現(xiàn)實(shí)來限制可能,而是從可能中選擇現(xiàn)實(shí);不是以既存的實(shí)體來確定演化,而是在演化中認(rèn)識(shí)和把握實(shí)體。復(fù)雜性主張考察被研究對(duì)象的復(fù)雜性,在對(duì)其作出層次與類別上的區(qū)分之后再進(jìn)行溝通,而不是僅僅限于孤立和分離,它強(qiáng)調(diào)的是一種整體的協(xié)同。

四、量子力學(xué)使科學(xué)活動(dòng)中主客體分離邁向主客互動(dòng)

經(jīng)典科學(xué)思維方式的一個(gè)指導(dǎo)觀念就是,認(rèn)為科學(xué)應(yīng)該客觀地、不附加任何主觀成分地獲取“照本來樣子的”世界知識(shí)。玻爾告訴人們,根本不存在所謂的“真實(shí)”,除非你首先描述測(cè)量物理量的方式,否則談?wù)撊魏挝锢砹慷际菦]有意義的!測(cè)量,這一不被經(jīng)典物理學(xué)考慮的問題,在面對(duì)量子世界如此微小的測(cè)量對(duì)象時(shí),成為一個(gè)難以把握的手段。因?yàn)檠芯空叩慕槿雽?duì)量子世界產(chǎn)生了致命的干擾,使得測(cè)量中充滿了不確定性。在海森伯看來,在我們的研究工作由宏觀領(lǐng)域進(jìn)入微觀領(lǐng)域時(shí),我們就會(huì)遇到一個(gè)矛盾:我們的觀測(cè)儀器是宏觀的,可是研究對(duì)象卻是微觀的;宏觀儀器必然要對(duì)微觀粒子產(chǎn)生干擾,這種干擾本身又對(duì)我們的認(rèn)識(shí)產(chǎn)生了干擾;人只能用反映宏觀世界的經(jīng)典概念來描述宏觀儀器所觀測(cè)到的結(jié)果,可是這種經(jīng)典概念在描述微觀客體時(shí)又不能不加以限制。這突破了經(jīng)典科學(xué)完全可以在不影響客體自然存在的狀態(tài)下進(jìn)行觀測(cè)的假定,從而建立了科學(xué)活動(dòng)中主客體互動(dòng)的關(guān)系。

例如,關(guān)于光到底是粒子還是波,辯論了三百多年。玻爾認(rèn)為這完全取決于我們?nèi)绾稳ビ^察它。一種實(shí)驗(yàn)安排,人們可以看到光的波現(xiàn)象;另一種實(shí)驗(yàn)安排,人們又可以看到光的粒子現(xiàn)象。但就光子這個(gè)整體概念而言,它卻表現(xiàn)出波粒二象性。因此,海森伯就說,我們觀測(cè)的不是自然本身,而是由我們用來探索問題的方法所揭示的自然。[8]

量子力學(xué)的發(fā)展表明,不存在一個(gè)客觀的、絕對(duì)的世界。唯一存在的,就是我們能夠觀測(cè)到的世界。物理學(xué)的全部意義,不在于它能夠描述出自然“是什么”,而在于它能夠明確,關(guān)于自然我們能夠“說什么”。

[摘要]20世紀(jì)三次物理學(xué)革命之一的量子力學(xué)突破了經(jīng)典科學(xué)的機(jī)械決定論,使之轉(zhuǎn)化為非機(jī)械決定論;使得科學(xué)認(rèn)識(shí)方法由還原論轉(zhuǎn)化為整體論;使得科學(xué)思維方式由追求簡(jiǎn)單性到探索復(fù)雜性;確立了科學(xué)活動(dòng)中主客體互動(dòng)關(guān)系。

關(guān)鍵詞:量子力學(xué);經(jīng)典科學(xué)世界圖景;

參考文獻(xiàn):

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

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

第4篇

關(guān)鍵詞: 基矢;希爾伯特空間;波函數(shù);態(tài)疊加原理;表象;表象變換

中圖分類號(hào):O413 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1671-7597(2011)1210017-01

1 表象的引入并給出表象定義

1.1 表象的引入

一般文獻(xiàn)中常用到坐標(biāo)表象,動(dòng)量表象,能量表象,粒子數(shù)表象等詞,實(shí)際上涉及到態(tài)的表象,力學(xué)量的表象,應(yīng)注意所用的表象的意義。

量子力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)在描述物理體系的方法上截然不同,其根本原因在于微觀體系的運(yùn)動(dòng)規(guī)律具有不確定性和統(tǒng)計(jì)規(guī)律,德布羅意的波粒二象性學(xué)說引導(dǎo)人們找到了描述微觀體系狀態(tài)的恰當(dāng)方法,根據(jù)統(tǒng)計(jì)詮釋,波函數(shù)作為一個(gè)復(fù)合函數(shù)本身并沒有物理意義,如果知道了波函數(shù),粒子處于空間某點(diǎn)的幾率,力學(xué)量的平均值均可求得,因此說波函數(shù)完全描述粒子體系的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),量子力學(xué)的另一種基本假設(shè)滿足態(tài)疊加原理:

(1)

是體系的可能態(tài), 為發(fā)現(xiàn)體系處于相應(yīng)的本征態(tài)的概率滿足:

此式的物理意義是量子體系的一般狀態(tài)是所有本征態(tài)的線性疊加。

某一力學(xué)量的本征函數(shù)系所構(gòu)成的希爾伯特空間就構(gòu)成了這一力學(xué)量的表象,在量子力學(xué)中研究不同問題需要采用相應(yīng)的表象,就如同經(jīng)典物理學(xué)中適當(dāng)選取坐標(biāo)系研究具體問題一樣,表象變換就是Hilert空間中的“坐標(biāo)變換”,是量子力學(xué)中一個(gè)最基本問題。

1.2 表象的定義

關(guān)于表象的定義有許多種,比如用能量就是能量表象,用動(dòng)量就是動(dòng)量表象,這種說法比較通俗易懂。

假設(shè)體系的狀態(tài)在坐標(biāo)表象中用波函數(shù) 描寫,而知道動(dòng)量的本征函數(shù)組成完全系,由量子力學(xué)展開公式得 ,設(shè) 是歸一化波函數(shù),則由歸一化條件很容易證明 ,

是在 所描寫的狀態(tài)中,測(cè)量粒子位置,所得結(jié)果在 范圍內(nèi)的幾率;而 是在同一狀態(tài)中,測(cè)量粒子動(dòng)量,所得結(jié)果在

范圍的幾率,由上可見,當(dāng) 已知, 就完全確定;反之,

已知, 就完全確定,所以, 描寫的是同一狀態(tài)

是這個(gè)狀態(tài)在坐標(biāo)表象下的波函數(shù),而 是同一狀態(tài)在動(dòng)量表象的波函數(shù)。

2 關(guān)于表象及其變換的理解

在經(jīng)典物理中,不同坐標(biāo)系之間可以互相變換,例如,直角坐標(biāo)系(x,y,z)和球坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系:

;而量子力學(xué)中不同表象間也可以進(jìn)行相互變換,如某一力學(xué)量的表象可以表示一個(gè)n行1列矩陣,而力學(xué)量在某一具體表象下對(duì)應(yīng)于某個(gè)矩陣,這是一個(gè)厄米矩陣,如某一力學(xué)量在一自身表象下是由該力學(xué)量本值所構(gòu)成的對(duì)角矩陣,力學(xué)量在不同表象下的矩陣形式是不同的。

2.1 從幾何坐標(biāo)的角度來理解表象及其變換

我們知道量子態(tài)可以在各種表象中表示,只需將該態(tài)波函數(shù)用該表象的本征函數(shù)系展開,在量子力學(xué)中,把狀態(tài) 看成一個(gè)態(tài)矢量,選擇一個(gè)特定的Q表象,就相當(dāng)于選取一個(gè)特定的坐標(biāo)系,在量子力學(xué)中, 的本征函數(shù)有無限多,稱態(tài)矢量所在的空間是無限維的希爾伯特空間,我們知道在矢量中,一個(gè)矢量在不同坐標(biāo)系中的展開可以相互轉(zhuǎn)換,而量子力學(xué)則借助么正矩陣來實(shí)現(xiàn)不同表象間的變換。

量在兩個(gè)基底下坐標(biāo)間的關(guān)系X=MY。

2.2 從物理的角度來理解表象及其變換

在經(jīng)典力學(xué)中,描述一個(gè)物體力學(xué)性質(zhì)的物理量,無非是它的位移、速度、加速度、動(dòng)量和能量等,我們常用坐標(biāo)來表示質(zhì)點(diǎn)的位置,為方便起見,設(shè)物體在一維空間中運(yùn)動(dòng),某時(shí)刻位于x處,由于經(jīng)典力學(xué)遵循牛頓運(yùn)動(dòng)定律,這是一種精確的因果關(guān)系,即只要給定宇宙中每個(gè)粒子的初始速度,它在以后所有時(shí)刻的行為,就都由牛頓運(yùn)動(dòng)定律確定,所以,若已知 ,只要通過微分 和 ,就可以得到其它精確的物理量,當(dāng)然,如果已知速度 ,加速度 ,動(dòng)量 和動(dòng)能 等,實(shí)際上,經(jīng)典力學(xué)通過微分積分這樣的關(guān)系,實(shí)現(xiàn)了物理量之間的相互轉(zhuǎn)化。

而量子理論與經(jīng)典理論暗示的物質(zhì)本性之間有著本質(zhì)的差別,尤其是微觀粒子的波粒二象性,使得量子理論中完全決定論不再適用,因此,在量子力學(xué)中,物理體系的表示法是抽象化的,表象就是表示物理體系狀態(tài)的函數(shù),并且這個(gè)函數(shù)用什么物理量來表示的問題,同時(shí)在量子力學(xué)中,各物理量之間也存在著一定的關(guān)系,使得我們也可以用其它的物理量來表示體系的狀態(tài)函數(shù)這就是表象變換,量子理論的不完全確定性,使得量子態(tài)并不像經(jīng)典力學(xué)那樣具有確定物理量,如動(dòng)量、坐標(biāo)等,而只能給出力學(xué)量的幾率分布。

3 總結(jié)

量子力學(xué)之所以難理解,一方面是由于它的描述方法的特殊,導(dǎo)致許多結(jié)論與我們的經(jīng)驗(yàn)常識(shí)嚴(yán)重抵觸,另一方面就在于表象及表象變換的抽象,波函數(shù)的疊加原理是表象及表象變換的基礎(chǔ),要正確理解表象就要求我們深入理解波函數(shù)及波函數(shù)的疊加原理,選擇一種表象,就相當(dāng)于選擇了一組基矢,由于微觀粒子具有波粒二象性,物理量的可測(cè)量值只作為一種潛在的可能性而存在,這使得經(jīng)典理論的完全決定性不再適用,而只能采用一種抽象的表示法表象來表述物理體系的行為,并通過么正變換來實(shí)現(xiàn)不同表象間的變換。

參考文獻(xiàn):

[1]周世勛,量子力學(xué)教程[M].北京:高等教育出版社,1979.

[2]劉連濤,理論物理簡(jiǎn)明教程[J].上海:華中師范大學(xué)大學(xué)出版社,1979.

[3]玻姆,量子理論[M].北京:商務(wù)印書館,1982.

[4]宋鶴山,量子力學(xué)[M].北京:大連理工出版社,2004.

[5]曾謹(jǐn)言,量子力學(xué)(第四版)[M].北京:科學(xué)出版社,2007.

第5篇

課程改革倡導(dǎo)的創(chuàng)新思維觀念,無疑會(huì)引導(dǎo)教學(xué)方式的改變,教師隨著學(xué)生學(xué)習(xí)方式的改變,重新建立一套創(chuàng)新教學(xué)模式,學(xué)生自主學(xué)習(xí),形成探究式學(xué)習(xí)方法,即從學(xué)科或現(xiàn)實(shí)生活中選擇正確探究目標(biāo)。在探究過程中,運(yùn)用實(shí)驗(yàn)操作、信息收集與處理、表達(dá)與交流等方式,解決問題,從而培養(yǎng)他們的創(chuàng)新思維與實(shí)踐能力。 ¬

創(chuàng)新教育要求我們?cè)谝荒昙?jí)語(yǔ)文教學(xué)中,教師應(yīng)有的放矢的培養(yǎng)學(xué)生――創(chuàng)新思維,激發(fā)學(xué)生的探索興趣,引導(dǎo)學(xué)生樂學(xué)、活學(xué)、會(huì)學(xué),引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)語(yǔ)言,積累語(yǔ)言,運(yùn)用語(yǔ)言,為培養(yǎng)新型人才打好基礎(chǔ)。下面,結(jié)合《哪座房子最漂亮》一課教學(xué),談?wù)剛€(gè)人的粗淺認(rèn)識(shí)。 ¬

一、設(shè)置懸念,激情趣生

引發(fā)興趣,是激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)的良好開端,每一個(gè)孩子對(duì)新生事物極易產(chǎn)生好奇心,一旦疑意設(shè)置起來,他們往往會(huì)得到結(jié)論,回去積極認(rèn)真的探求。如我在教學(xué)《哪座房子最漂亮》時(shí)(人教版一年級(jí)下冊(cè)第4課)我首先讓學(xué)生想一想:隨著我們生活水平的不斷提高,家家都蓋起了新房子,你知道誰家的房子最漂亮嗎?學(xué)生們馬上會(huì)爭(zhēng)先恐后搶著發(fā)言,我抓住契機(jī),鼓勵(lì)同學(xué)們總結(jié)和歸納新課題,然后我說:啊!有這么多漂亮的新房子,那么哪座房子最漂亮呢?讓我們趕快來讀課文去看看漂亮的房子吧!此時(shí),學(xué)生會(huì)迫不及待的翻開書帶著濃厚的興趣認(rèn)真的研讀起來,此時(shí)把“要你知足”演變成“我要知足”,學(xué)生的求知欲望被激發(fā)起來。 ¬

一、 巧用教材,培養(yǎng)想象

想象是創(chuàng)新之源、時(shí)間告訴我們想象的越豐富,對(duì)文章的深層含義的理解就越有創(chuàng)見,因此,新課改教學(xué)要求我們充分挖掘教材想象因素作為一個(gè)重要內(nèi)容是有理論依據(jù)的。我在教《哪座房子最漂亮》這篇文時(shí),我抓住學(xué)生這樣一句話引導(dǎo)學(xué)生想象:課文是怎樣寫這個(gè)小村莊的?大家分分圍坐一起,熱烈的討論著,辨別著,補(bǔ)充著,同時(shí)有的學(xué)生用簡(jiǎn)筆畫畫出漂亮的房子??梢哉f,學(xué)生們展開了想象的翅膀,已飛進(jìn)了課文的意境之中。 ¬

三、大膽質(zhì)疑,主動(dòng)探究 ¬

“學(xué)起于思,思源于疑。”學(xué)生有了疑問,才能進(jìn)一步去思考、無分析、去求索。教學(xué)時(shí),盡量避免學(xué)生機(jī)械的去接受知識(shí),而是引導(dǎo)學(xué)生大膽質(zhì)疑,并且引導(dǎo)學(xué)生逐步提高質(zhì)疑水平。當(dāng)學(xué)生有了疑問后,引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)去探索,教師不直接給與肯定或否定的答案?給學(xué)生有充分的思考和實(shí)踐機(jī)會(huì)。如讀完《哪座房子最漂亮》后,有的學(xué)生問:為什么我們的小學(xué)堂最漂亮呢?我讓學(xué)習(xí)好的學(xué)生回答,再讓大家一起認(rèn)定。最后,這名同學(xué)的問題得到圓滿解決,而且還促進(jìn)了其他同學(xué)的思維。 ¬

四、發(fā)散思維,求異創(chuàng)新 ¬

第6篇

量子力學(xué)是近代物理的兩大支柱之一,它的建立是20世紀(jì)劃時(shí)代的成就之一,可以毫不夸張地說沒有量子力學(xué)的建立,就沒有人類的現(xiàn)代物質(zhì)文明[1]。大批優(yōu)秀的物理學(xué)家對(duì)原子物理的深入研究打開了量子力學(xué)的大門,這一人類新的認(rèn)知很快延伸并運(yùn)用到很多物理學(xué)領(lǐng)域,并且,導(dǎo)致了很多物理分支的誕生,如:核物理、粒子物理、凝聚態(tài)物理和激光物理等[2]。量子力學(xué)在近代物理中的地位如此之重,所以成為物理專業(yè)學(xué)生最重要的課程之一。但在實(shí)際教學(xué)過程中,學(xué)生普遍感到量子力學(xué)太過抽象、難以掌握。如何改革教學(xué)內(nèi)容,將量子力學(xué)的基本觀點(diǎn)由淺入深,使學(xué)生易于理解;如何改革教學(xué)手段,培養(yǎng)學(xué)生興趣,使學(xué)生由被動(dòng)學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)。這是量子力學(xué)教學(xué)中遇到的主要問題。作者從幾年的教學(xué)中摸索到一些經(jīng)驗(yàn),供大家參考。

一、教學(xué)內(nèi)容和方法的改革

傳統(tǒng)的本科量子力學(xué)教學(xué)一般包括了三大部分:第一部分是關(guān)于粒子的波粒二象性,正是因?yàn)槲⒂^粒子同時(shí)具有波動(dòng)性和粒子性,才造成了一些牛頓力學(xué)無法解釋的新現(xiàn)象,例如測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系、量子隧道效應(yīng)等等;第二部分是介紹量子力學(xué)的基本原理,這部分是量子力學(xué)的核心內(nèi)容,如波函數(shù)的統(tǒng)計(jì)解釋、態(tài)疊加原理、電子自旋等;第三部分是量子力學(xué)的一些應(yīng)用,如定態(tài)薛定諤方程的求解,微擾方法。以上三個(gè)部分相互聯(lián)系構(gòu)成了量子力學(xué)的整體框架[3]。隨著量子力學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展,產(chǎn)生了很多新的現(xiàn)象和成果。例如量子通訊、量子計(jì)算機(jī)等等。許多學(xué)生對(duì)量子力學(xué)的興趣就是從這些點(diǎn)點(diǎn)滴滴的新成果中得到的。如果我們?nèi)园磦鹘y(tǒng)的內(nèi)容授課,學(xué)生學(xué)完了這門課程發(fā)現(xiàn)感興趣的那點(diǎn)東西完全沒有接觸到,就會(huì)對(duì)所學(xué)的量子力學(xué)感到懷疑,而且極大地挫傷了學(xué)習(xí)自然科學(xué)的興趣。所以作者建議在教學(xué)過程中適當(dāng)添加一些量子力學(xué)的新成果和新現(xiàn)象,來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[4]。在教學(xué)方法上也應(yīng)該按照量子力學(xué)的特點(diǎn)有所改革。由于量子力學(xué)的許多觀點(diǎn)和經(jīng)典力學(xué)完全不同,如果我們還是按照經(jīng)典力學(xué)的方法來講,就會(huì)引起學(xué)生思維上的混亂,所以建議從一開始就建立全新的量子觀點(diǎn)。例如軌道是一經(jīng)典概念,在講授玻爾的氫原子模型時(shí)仍然采用了軌道的概念,但在講到后面又說軌道的概念是不對(duì)的,這樣學(xué)生就會(huì)懷疑老師講錯(cuò)誤的內(nèi)容教給了他們,形成邏輯上的混亂。我們應(yīng)該從一開始就建立量子的觀點(diǎn),淡化軌道的概念,這樣學(xué)生更容易接受。

二、重視緒論課的教學(xué)

興趣是最好的老師。作為量子力學(xué)課程的第一節(jié)課,緒論課的講授效果對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)量子力學(xué)的興趣影響很大,所以緒論課直接影響到學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)量子力學(xué)這門課程的態(tài)度。當(dāng)然很多學(xué)生非常重視這門課程,但學(xué)這門課的主要目的是為將來參加研究生入學(xué)考試,僅僅只是在行動(dòng)上重視,而沒有從思想上重視起來。如何使這部分學(xué)生從被動(dòng)的學(xué)習(xí)量子力學(xué)變?yōu)橹鲃?dòng)地學(xué)習(xí),這就要從第一節(jié)課開始培養(yǎng)。在上緒論課時(shí)作者主要通過以下幾點(diǎn)來抓住學(xué)生的興趣。首先列舉早期與量子力學(xué)相關(guān)的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。諾貝爾獎(jiǎng)得主歷來都是萬眾矚目的人物,學(xué)生當(dāng)然也會(huì)有所關(guān)心,而且這些諾貝爾獎(jiǎng)獲得者的主要工作在量子力學(xué)這門課程中都會(huì)一一介紹,這樣一方面通過舉例子的方法強(qiáng)調(diào)了量子力學(xué)在自然科學(xué)中的重要地位,另一方面為學(xué)生探索什么樣的工作才可以拿到諾貝爾獎(jiǎng)留下懸念。抓住學(xué)生興趣的第二個(gè)主要方法是列舉一些量子力學(xué)中奇特的現(xiàn)象,激發(fā)學(xué)生探索奧秘的動(dòng)力,例如波粒二象性帶來的“穿墻術(shù)”、量子通訊、如何測(cè)量太陽(yáng)表面溫度等等,這些都很能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)量子力學(xué)的興趣。綜上所述,緒論課的教學(xué)在整個(gè)教學(xué)過程中至關(guān)重要,是引導(dǎo)學(xué)生打開量子力學(xué)廣闊天地的一把鑰匙。

三、重視物理學(xué)史的引入

隨著量子力學(xué)學(xué)習(xí)的深入,學(xué)生會(huì)接觸到越來越多的數(shù)學(xué)公式以及數(shù)學(xué)物理方法的內(nèi)容,雖然學(xué)生會(huì)對(duì)量子力學(xué)的博大精深以及人類認(rèn)知能力驚嘆不已,但在學(xué)習(xí)過程中感覺越來越枯燥乏味。并且,學(xué)生學(xué)習(xí)量子力學(xué)的興趣和信息在這個(gè)時(shí)候受到很大的考驗(yàn),想要把豐碩的量子力學(xué)成果以及博大精深的內(nèi)涵傳達(dá)給學(xué)生,就得在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。實(shí)際上,很多學(xué)生對(duì)量子力學(xué)的發(fā)展史有很濃厚的興趣,甚至成為學(xué)生閑聊的素材,因此,在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候講述量子力學(xué)發(fā)展史可以增加學(xué)生學(xué)習(xí)量子力學(xué)的學(xué)習(xí)興趣和熱情。在講授過程中,可以結(jié)合教學(xué)內(nèi)容,融入量子力學(xué)發(fā)展史中的名人逸事和照片,如:索爾維會(huì)議上的大量有趣爭(zhēng)論和物理學(xué)界智慧之腦的“明星照”,或用簡(jiǎn)單的方法用板書的形式推導(dǎo)量子力學(xué)公式。例如在講到黑體輻射時(shí),作者講到普朗克僅僅用了插值的方法,就給出了一個(gè)完美的黑體輻射公式。而插值的方法普通的本科生都能熟練掌握,這一方面鼓勵(lì)學(xué)生:看起來很高深的學(xué)問,其實(shí)都是由很簡(jiǎn)單的一系列知識(shí)組成,我們每個(gè)人都有可能在科學(xué)的發(fā)展過程中做出自己的貢獻(xiàn);另一方面教導(dǎo)學(xué)生,不要看不起很細(xì)微的東西,偉大的成就往往就是從這些地方開始。在講到普朗克為了自己提出的理論感到后悔,甚至想盡一切的辦法推翻自己的理論時(shí),告訴學(xué)生科研的道路并不是一帆風(fēng)順的,堅(jiān)持自己的信念有時(shí)候比學(xué)習(xí)更多的知識(shí)還要重要。在講到德布羅意如何從一個(gè)紈绔子弟成長(zhǎng)為諾貝爾獎(jiǎng)獲得者;在講到薛定諤如何在不被導(dǎo)師重視的條件下建立了波動(dòng)力學(xué);在講到海森堡如何為了重獲玻爾的青睞,而建立了測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系;在講到烏倫貝爾和古茲米特兩個(gè)年輕人如何大膽“猜測(cè)”,提出了電子自旋假設(shè),這些學(xué)生都聽得津津有味。這些小故事不僅讓學(xué)生從中掌握的量子力學(xué)的基本觀點(diǎn)和發(fā)展過程,而且對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的思維方法和科研品質(zhì)都有很大幫助。

四、教學(xué)手段的改革

量子力學(xué)中有很多比較抽象原理、概念、推導(dǎo)過程和現(xiàn)象,這增加了學(xué)生理解的難度。而且在授課過程中有大量的公式推導(dǎo)過程,非常的枯燥。所以在教學(xué)過程中穿插一些多媒體的教學(xué)形式,多媒體的應(yīng)用能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)的不足,比如:把瞬間的過程隨意地延長(zhǎng)和縮短,把復(fù)雜的難以用語(yǔ)言描述的過程用動(dòng)畫或圖片的形式分解成詳細(xì)的直觀的步驟表達(dá)清楚[5]。相對(duì)于經(jīng)典物理來說,量子力學(xué)課程的實(shí)驗(yàn)并不多,在講解康普頓散射、史特恩-蓋拉赫等實(shí)驗(yàn)時(shí),可以運(yùn)用多媒體技術(shù),采用圖形圖像的形式模擬實(shí)驗(yàn)的全過程。用合適的教學(xué)軟件對(duì)真實(shí)情景再現(xiàn)和模擬,讓學(xué)生多冊(cè)觀察模擬實(shí)驗(yàn)的全過程。量子力學(xué)的一些東西不容易用語(yǔ)言表達(dá)清楚,在頭腦中想象也不是簡(jiǎn)單的事情,多媒體的應(yīng)用可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)的這塊短板,形象地模擬實(shí)驗(yàn),幫助學(xué)生理解和記憶。比如電子衍射的實(shí)驗(yàn),我們不僅可以用語(yǔ)言和書本上的圖片描述這個(gè)過程,還可以通過多媒體用動(dòng)畫的形式表現(xiàn)出來,讓電子通過動(dòng)畫的形式一個(gè)一個(gè)打到屏幕上,形成一個(gè)一個(gè)單獨(dú)的點(diǎn)來顯示出電子的粒子性;在快進(jìn)的形式描述足夠長(zhǎng)時(shí)間之后的情況,也就是得出電子的衍射圖樣,從而給出電子波動(dòng)性的結(jié)論和波函數(shù)的統(tǒng)計(jì)解釋,經(jīng)過這樣的教學(xué)形式,相信學(xué)生能夠更加深刻地理解微觀粒子的波粒二象性[6]。但在具體授課過程中不能完全地依賴于多媒體教學(xué),例如在公式的推導(dǎo)過程中,傳統(tǒng)的板書就非常接近人本身的思維模式,容易讓學(xué)生掌握,如果用多媒體一帶而過,往往效果非常的不好。所以教學(xué)過程中應(yīng)該傳統(tǒng)教學(xué)和多媒體教學(xué)并重,對(duì)于一些現(xiàn)象的東西多媒體表現(xiàn)更為出色;而一些理論方面的東西傳統(tǒng)的板書更為有利,兩者相互結(jié)合可以大大提高教學(xué)效率,增強(qiáng)課堂教學(xué)效果和調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性[7]。

五、加強(qiáng)教學(xué)過程的管理

第7篇

無論是對(duì)于大學(xué)生還是研究生,量子力學(xué)都是一門最基本的課程。它以極其驚人的精確程度解釋微觀世界的各種現(xiàn)象,對(duì)它的深刻理解和廣泛應(yīng)用,產(chǎn)生了給我們的世界帶來革命變革的各種高新技術(shù)。量子力學(xué)語(yǔ)言今日已經(jīng)成為物理學(xué)家們?nèi)粘1夭豢缮俚闹匾涣鞴ぞ?。然而,絕大多數(shù)物理學(xué)家都深知,對(duì)于量子力學(xué)基礎(chǔ)的理解存在著難以克服的困難,甚至使人們產(chǎn)生了這樣一種印象,即該理論迄今仍然缺少真正令人滿意并信服的理論形式。

許多量子力學(xué)教科書闡述量子力學(xué)的理論形式,并將其用來理解原子、分子、流體和固體的性質(zhì),處理輻射與物質(zhì)的相互作用,使我們對(duì)于周圍的物理世界有更深刻的理解。還有一些教科書闡明這一學(xué)科的發(fā)展歷史,指出量子力學(xué)經(jīng)歷了哪些步驟才達(dá)到了現(xiàn)代形式。

本書對(duì)為避免由正統(tǒng)解釋量子力學(xué)概念的困難而找出的各種替代形式,給出了清晰而客觀的闡述,仔細(xì)地介紹了各種解釋的邏輯性和自洽性。作者力求全面和寬泛地評(píng)述對(duì)于量子力學(xué)中許多看似難以解釋、哲學(xué)上矛盾和違反直覺的奇妙行為,從而使讀者對(duì)于我們當(dāng)前對(duì)該理論的理解有更全面的認(rèn)識(shí)。

全書共分成11章:1.歷史回顧;2.目前狀況,剩余的概念困難; 3.愛因斯坦、波多爾斯基和羅森定理;4.Bell定理; 5.更多的定理;6.量子糾纏; 7.量子糾纏的應(yīng)用;8.量子測(cè)量; 9.實(shí)驗(yàn):在真實(shí)時(shí)間看到的量子扁縮; 10.各種各樣的解釋; 11.附:量子力學(xué)的基本數(shù)學(xué)工具。書末還有11個(gè)附錄,對(duì)于正文內(nèi)容做出一些數(shù)學(xué)與物理的延伸和補(bǔ)充。

本書作者長(zhǎng)期從事量子力學(xué)的教學(xué)與研究,他與Claude CohenTannoudji 及Bernard Diu 合作撰寫的《量子力學(xué)》(Quantum Mechanics)是一部非常著名的教科書,在世界范圍內(nèi)有深遠(yuǎn)的影響。他在本書中探索了量子力學(xué)與生俱來的基本問題和困難,描述并比較了各種各樣的解釋,討論了這些解釋的成功之處和依然存在的問題。對(duì)于那些想要知道量子力學(xué)所面對(duì)的問題的更多細(xì)節(jié)但又不具備該學(xué)科專門知識(shí)的物理和數(shù)學(xué)的研究人員,本書是理想的參考書;而對(duì)于那些對(duì)量子物理及其奇特行為感興趣的科學(xué)哲學(xué)家也應(yīng)該很有吸引力;對(duì)于想要更進(jìn)一步鉆研量子力學(xué)的物理系和科學(xué)哲學(xué)系的大學(xué)生和研究生以及希望擴(kuò)大自己量子力學(xué)知識(shí)的理論物理學(xué)家,本書提供了難得的和非常有參考價(jià)值的豐富資源。