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量子力學(xué)的性質(zhì)范文1

關(guān)鍵詞：類(lèi)比教學(xué)法；量子力學(xué)；應(yīng)用探究

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2014）24-0100-02

量子力學(xué)作為描寫(xiě)微觀物質(zhì)結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)與變化規(guī)律的學(xué)科，是現(xiàn)代物理學(xué)的基礎(chǔ)之一，而且在化學(xué)和很多近代技術(shù)中也有廣泛應(yīng)用。量子力學(xué)是在舊量子論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，對(duì)于量子數(shù)大到一定的極限的量子系統(tǒng)，可以用經(jīng)典理論精確描述。量子力學(xué)、經(jīng)典力學(xué)既有區(qū)別也有聯(lián)系，從這些區(qū)別和聯(lián)系入手可以使學(xué)生更加容易理解量子力學(xué)的新知識(shí)。基于此，本文在分析量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)的相似點(diǎn)的基礎(chǔ)上，探究并實(shí)踐了如何讓學(xué)生加深理解的問(wèn)題。將類(lèi)比教學(xué)法應(yīng)用于量子力學(xué)的實(shí)踐教學(xué)當(dāng)中，這樣既可以豐富教學(xué)內(nèi)容，提高學(xué)生積極性，又可以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維，同時(shí)還可以鞏固學(xué)生以前學(xué)過(guò)的經(jīng)典物理學(xué)的相關(guān)知識(shí)，進(jìn)而能提升量子力學(xué)課教學(xué)質(zhì)量。

一、類(lèi)比教學(xué)法

類(lèi)比方法是根據(jù)兩類(lèi)物理現(xiàn)象在某些性質(zhì)的相同或相似處，推斷出這兩類(lèi)物理現(xiàn)象的另一些性質(zhì)也相同或相似的一種邏輯推理方法。類(lèi)比法是專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)，指由一類(lèi)事物所具有的某種屬性，可以推測(cè)與其類(lèi)似的事物也應(yīng)具有這種屬性的推理方法。在我們學(xué)習(xí)一些十分抽象地看不見(jiàn)、摸不著的物理量時(shí)，由于不易理解，我們就拿出一個(gè)大家能看見(jiàn)的且與之很相似的事物來(lái)進(jìn)行對(duì)照學(xué)習(xí)。類(lèi)比方法強(qiáng)調(diào)在分析、發(fā)現(xiàn)不同事物的共同性質(zhì)的基礎(chǔ)上，把一個(gè)事物的屬性轉(zhuǎn)移到另一類(lèi)事物上。類(lèi)比的過(guò)程具有創(chuàng)造性，是科學(xué)家常用的思維方法。

二、量子力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)的相似點(diǎn)及類(lèi)比教學(xué)法的應(yīng)用

物理學(xué)研究的目的是總結(jié)、概括各種不同物質(zhì)在時(shí)空中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并且把這些規(guī)律用數(shù)學(xué)公式表示出來(lái)。量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)的研究對(duì)象不同，而宏觀和微觀物質(zhì)自身性質(zhì)的巨大差異，造成了學(xué)習(xí)量子力學(xué)相比于學(xué)習(xí)經(jīng)典力學(xué)的困難。而另一方面，把量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)類(lèi)比，找到它們之間的共同點(diǎn)，再進(jìn)一步推理，可以更加容易理解量子力學(xué)理論。在處理物體直線運(yùn)動(dòng)或是自由落體運(yùn)動(dòng)時(shí)，我們自然會(huì)想到在（x，y，z）所組成的空間坐標(biāo)系中，根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)學(xué)定律，分析物體的狀態(tài)隨時(shí)間的變化情況。每一時(shí)刻，物體的位置可以用三維空間里的任何一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)表示出來(lái)。為了方便地處理不同物理問(wèn)題，空間直角坐標(biāo)系可以變換成柱坐標(biāo)系、球坐標(biāo)系。處理物體的碰撞時(shí)，把實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系換成質(zhì)心坐標(biāo)系，利用動(dòng)量守恒原理，也可以使表達(dá)式更加簡(jiǎn)單，易于求解。因此，選擇最佳的坐標(biāo)系，可以讓復(fù)雜的問(wèn)題變的簡(jiǎn)單。在微觀世界中，量子力學(xué)仍然需要在恰當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)系中討論物理問(wèn)題。在經(jīng)典力學(xué)中，物體處在某個(gè)狀態(tài)的位置和角動(dòng)量可以被精確的計(jì)算。但是，對(duì)于微觀體系，比如一個(gè)電子在原子中的環(huán)繞原子核運(yùn)動(dòng)，它的位置、動(dòng)量不能同時(shí)精確確定。當(dāng)該電子處于定態(tài)時(shí)，它的能量不會(huì)隨時(shí)間變化，即它的能量守恒。這時(shí)，我們可以把電子放在能量坐標(biāo)系中討論。在數(shù)學(xué)中，希爾伯特空間是歐幾里得空間的一個(gè)推廣，它不再局限于有限維的情形。在量子力學(xué)中，能量坐標(biāo)系被稱(chēng)為能量表象。量子力學(xué)中常見(jiàn)的表象包括：動(dòng)量表象，能量表象，粒子數(shù)表象等。在矩陣力學(xué)中，把狀態(tài)Ψ看成是一個(gè)列向量。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。■的本征函數(shù)u1（x1），u2（x2），u3（x3）…un（xn）就是這個(gè)表象的基矢，相當(dāng)于笛卡爾坐標(biāo)系的單位矢量i，j，k；波函數(shù)a1（t），a2（t）…an（t），是態(tài)矢量Ψ在Q表象中沿基矢方向的“分量”，正如A沿i，j，k三個(gè)方向的分量是（Ax，Ay，Az）一樣；■本征函數(shù)的歸一性，類(lèi)似于幾何坐標(biāo)系的i?ij?jk?k1；而本征函數(shù)的正交性，類(lèi)似于幾何坐標(biāo)系中i?ji?kj?k0[5]。在量子力學(xué)中，■的本征函數(shù)有無(wú)限多，稱(chēng)態(tài)矢量所在空間是無(wú)限維的希爾伯特空間。由此看來(lái)，幾何坐標(biāo)和力學(xué)表象是同一個(gè)概念，只是處理不同的問(wèn)題時(shí)，選擇不同的坐標(biāo)系可以減小復(fù)雜程度。在量子力學(xué)中如果知道了狀態(tài)的波函數(shù)，那么粒子處于空間某點(diǎn)的幾率，以及力學(xué)量的平均值均可求得，因此說(shuō)波函數(shù)完全描述粒子體系的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。而對(duì)于同一個(gè)狀態(tài)，在不同的表象中，有不同的波函數(shù)形式。量子力學(xué)的一種基本假設(shè)是波函數(shù)滿(mǎn)足態(tài)疊加原理：

ψc1ψ1+c2ψ2+K+cnψn （1）

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。Ψn是體系的可能態(tài)，相應(yīng)的概率分別為|ck|2，而且滿(mǎn)足歸一化■c■■1。在經(jīng)典力學(xué)中，伽利略變換可以變換不同的慣性系。量子力學(xué)則借助幺正矩陣來(lái)實(shí)現(xiàn)不同表象之間的變換。那什么是幺正矩陣呢？簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是滿(mǎn)足S+S-1的矩陣稱(chēng)為幺正矩陣，而由幺正矩陣所表示的變化稱(chēng)為幺正變換。所以由一個(gè)表象到另一個(gè)表象的變換是幺正變換。如果以F'表示算符■在B表象中的矩陣，F(xiàn)表示■在A表象中的矩陣，則通過(guò)幺正變換可得：F'S-1FS （2） 也就是說(shuō)力學(xué)量F在A表象中的矩陣左右分別乘幺正矩陣的逆矩陣和原矩陣就可以把力學(xué)量F轉(zhuǎn)換到B表象中去。量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)間的相似點(diǎn)還有很多。量子力學(xué)類(lèi)比教學(xué)法的核心是，注意強(qiáng)調(diào)量子力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)的必然聯(lián)系，引導(dǎo)學(xué)生積極思考、探索量子力學(xué)新知識(shí)的本質(zhì)，把新知識(shí)與已經(jīng)掌握的量子力學(xué)知識(shí)類(lèi)比，深入透徹的理解量子力學(xué)的假設(shè)、定義和公式。

綜上所述，把量子力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)做類(lèi)比，就是要發(fā)掘出、并重點(diǎn)講解它們之間的相似點(diǎn)，讓學(xué)生在這些相似點(diǎn)的基礎(chǔ)上，主動(dòng)的思考分辨量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)的相同和不同。本文以表象為例，把表象變換與數(shù)學(xué)上幾何坐標(biāo)進(jìn)行了類(lèi)比，講述了對(duì)表象及其變換的理解。總之，在講授抽象的量子力學(xué)時(shí)，把它和經(jīng)典物理進(jìn)行類(lèi)比可以幫助學(xué)生更好的理解、掌握新知識(shí)，能起到很好的教學(xué)效果，也有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神。但類(lèi)比法不是萬(wàn)能的，要靈活、恰當(dāng)?shù)貞?yīng)用到位，才能最大程度地發(fā)揮它的積極作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]呂增建.從量子力學(xué)的建立看類(lèi)比思維的創(chuàng)新作用[J].力學(xué)與實(shí)踐，2009，（31）：90-92.

[2]蔡曉烽.物理教學(xué)中的類(lèi)比教學(xué)[J].寧德師專(zhuān)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，22（3）：323-325.

[3]周世勛.量子力學(xué)教程（第二版）[M].北京：高等教育出版社，2009.

[4]曾謹(jǐn)言.量子力學(xué)教程（第二版）[M].北京：科學(xué)出版社，2008.

[5]趙鳳嬌.對(duì)量子力學(xué)中表象及變換的理解[J].硅谷，2011，（23）：17.

[6]郭華.用類(lèi)比方法討論量子力學(xué)問(wèn)題[J].中央民族大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，2（2）：45-50.

量子力學(xué)的性質(zhì)范文2

量子力學(xué)是描述微觀世界結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)與變化規(guī)律的物理科學(xué)。它是20世紀(jì)人類(lèi)文明發(fā)展的一個(gè)重大飛躍，量子力學(xué)的發(fā)展引發(fā)了一系列劃時(shí)代的科學(xué)發(fā)展與技術(shù)發(fā)明，對(duì)人類(lèi)社會(huì)的進(jìn)步作出了重要貢獻(xiàn)。

19世紀(jì)末，正當(dāng)人們?yōu)榻?jīng)典物理取得的重大成就而驚嘆不已的時(shí)候，一系列經(jīng)典理論無(wú)法解釋的現(xiàn)象一個(gè)接一個(gè)地發(fā)現(xiàn)了。德國(guó)物理學(xué)家維恩通過(guò)熱輻射能譜的測(cè)量發(fā)現(xiàn)的熱輻射定理。德國(guó)物理學(xué)家普朗克為了解釋熱輻射能譜提出一個(gè)大膽的假設(shè)：在熱輻射的產(chǎn)生與吸收過(guò)程中能量是以hv為最小單位，一份一份交換的。這個(gè)能量量子化的假設(shè)不僅強(qiáng)調(diào)了熱輻射能量的不連續(xù)性，而且與輻射能量和頻率無(wú)關(guān)由振幅確定的基本概念直接相矛盾，無(wú)法納入任何一個(gè)經(jīng)典范疇。當(dāng)時(shí)只有少數(shù)科學(xué)家認(rèn)真研究這個(gè)問(wèn)題。

著名科學(xué)家愛(ài)因斯坦經(jīng)過(guò)認(rèn)真思考，于1905年提出了光量子說(shuō)。1916年，美國(guó)物理學(xué)家密立根發(fā)表了光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了愛(ài)因斯坦的光量子說(shuō)。

1913年，丹麥物理學(xué)家玻爾為解決盧瑟福原子行星模型的不穩(wěn)定(按經(jīng)典理論，原子中電子繞原子核做圓周運(yùn)動(dòng)要輻射能量，導(dǎo)致軌道半徑縮小直到跌落進(jìn)原子核，與正電荷中和)，提出定態(tài)假設(shè)：原子中的電子并不像行星一樣可以在任意經(jīng)典力學(xué)的軌道上運(yùn)轉(zhuǎn)，穩(wěn)定軌道的作用量fpdq必須為h的整數(shù)倍(角動(dòng)量量子化)，即fpdq=nk，n稱(chēng)之為量子數(shù)。玻爾又提出原子發(fā)光過(guò)程不是經(jīng)典輻射，是電子在不同的穩(wěn)定軌道態(tài)之間的不連續(xù)的躍遷過(guò)程，光的頻率由軌道態(tài)之間的能量差A(yù)E=hy確定，即頻率法則。這樣，玻爾原子理論以它簡(jiǎn)單明晰的圖像解釋了氫原子分立光譜線，并以電子軌道態(tài)直觀地解釋了化學(xué)元素周期表，導(dǎo)致了72號(hào)元素鉛的發(fā)現(xiàn)，在隨后的短短十多年內(nèi)引發(fā)了一系列的重大科學(xué)進(jìn)展。這在物理學(xué)史上是空前的。

由于量子論的深刻內(nèi)涵，以玻爾為代表的哥本哈根學(xué)派對(duì)此進(jìn)行了深入的研究，他們對(duì)對(duì)應(yīng)原理、矩陣力學(xué)、不相容原理、測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系、互補(bǔ)原理、量子力學(xué)的概率解釋等都作出了貢獻(xiàn)。

1923年4月，美國(guó)物理學(xué)家康普頓發(fā)表了X射線被電子散射所引起的頻率變小現(xiàn)象，即康普頓效應(yīng)。按經(jīng)典波動(dòng)理論，靜止物體對(duì)波的散射不會(huì)改變頻率。而愛(ài)因斯坦光量子說(shuō)這是兩個(gè)“粒子”碰撞的結(jié)果。光量子在碰撞時(shí)不僅將能量傳遞而且也將動(dòng)量傳遞給了電子，使光量子說(shuō)得到了實(shí)驗(yàn)的證明。

光不僅僅是電磁波，也是一種具有能量動(dòng)量的粒子。1924年，美籍奧地利物理學(xué)家泡利發(fā)表了“不相容原理”：原子中不能有兩個(gè)電子同時(shí)處于同一量子態(tài)。這一原理解釋了原子中電子的殼層結(jié)構(gòu)。這個(gè)原理對(duì)所有實(shí)體物質(zhì)的基本粒子(通常稱(chēng)之為費(fèi)米子，如質(zhì)子、中子、夸克等)都適用，構(gòu)成了量子統(tǒng)計(jì)力學(xué)——費(fèi)米統(tǒng)計(jì)的基點(diǎn)。為解釋光譜線的精細(xì)結(jié)構(gòu)與反常塞曼效應(yīng)，泡利建議對(duì)于原子中的電子軌道態(tài)，除了已有的與經(jīng)典力學(xué)量(能量、角動(dòng)量及其分量)對(duì)應(yīng)的三個(gè)量子數(shù)之外應(yīng)引進(jìn)第四個(gè)量子數(shù)。這個(gè)量子數(shù)后來(lái)稱(chēng)為“自旋”，是表述基本粒子一種內(nèi)在性質(zhì)的物理量。

1924年，法國(guó)物理學(xué)家德布羅意提出了表達(dá)波粒二象性的愛(ài)因斯坦——德布羅意關(guān)系：E=hv，p=h/波長(zhǎng)，將表征粒子性的物理量能量、動(dòng)量與表征波性的頻率、波長(zhǎng)通過(guò)一個(gè)常數(shù)h相等。

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關(guān)鍵詞：波粒二象性 理解 認(rèn)識(shí) 量子力學(xué)

在近代物理學(xué)中，波粒二象性是一個(gè)具有極高知名度的詞匯。但許多人對(duì)其的了解僅限于表面，對(duì)其本質(zhì)概念、意義、誕生、發(fā)展的了解程度都不高，本文將于此對(duì)這些進(jìn)行一定程度的介紹說(shuō)明。

一、波粒二象性的概念

波粒二象性是一種量子力學(xué)概念，用于描述一種特殊的物質(zhì)特征，即物質(zhì)同時(shí)具有波動(dòng)性和粒子性。最初，這種概念只被用來(lái)詮釋光的特性，但隨著相關(guān)研究的不斷發(fā)展，人們認(rèn)為所有的微觀粒子都具備波粒二象性，該概念的應(yīng)用和研究領(lǐng)域都得到了極大的拓展。

根據(jù)量子力學(xué)理論，微觀粒子均具有波粒二象性，但在通常情況下往往體現(xiàn)為單一性質(zhì)。因?yàn)楫?dāng)微觀粒子體現(xiàn)出波動(dòng)性時(shí)，粒子性會(huì)變得不顯著，相對(duì)的，當(dāng)微觀粒子體現(xiàn)出粒子性時(shí)，波動(dòng)性會(huì)變得不顯著，兩種性質(zhì)何者體現(xiàn)出來(lái)取決于不同的條件。因此，從本質(zhì)上來(lái)看，波粒二象性這種概念也可以看作是在描述微觀粒子的這種特殊行為。

如前文所述，波粒二象性最初是愛(ài)因斯坦為詮釋光的性質(zhì)問(wèn)題所提出的，屬于光量子學(xué)說(shuō)的一部分。根據(jù)該理論，光的構(gòu)成基礎(chǔ)是光子，這是一種光能量子，擁有動(dòng)能與動(dòng)量，因此光雖然在宏觀上會(huì)體現(xiàn)出明顯的波動(dòng)性，但在微觀上則是粒子性更為顯著，即光具有波粒二象性。這種說(shuō)法完美地解釋了光電效應(yīng)，因?yàn)楣怆娦?yīng)中的電子是被光子撞擊出去的，而光子帶有能量，能量值為光頻率與普朗克常數(shù)之積（光電效應(yīng)方程），光子想要擊出電子，攜帶的能量必須達(dá)到一定值。根據(jù)量子化效應(yīng)，電子在接受光子能量時(shí)只能整份接受，所以光子能否把電子擊出取決于每個(gè)光子的單份能量，而不是總能量。雖然光強(qiáng)越高，光子數(shù)量也就越多，但光強(qiáng)對(duì)單份光子的能量并無(wú)影響。因此，最終決定光子能否擊飛電子的是決定單份光子能量的光子頻率，而光子頻率同時(shí)決定了光的顏色。因?yàn)樗{(lán)光比紅光的頻率要高，所以藍(lán)光的單份光子能量更高，這能量會(huì)在與電子撞擊時(shí)整份轉(zhuǎn)移給電子，將電子擊飛，由此就引發(fā)了光電效應(yīng)。紅光的頻率比藍(lán)光低，單份光子能量也低，雖然光強(qiáng)高、光子數(shù)量多，但光子均不足以擊飛電子，所以無(wú)法產(chǎn)生光電效應(yīng)。

二、波粒二象性的研究發(fā)展

1.波粒二象性提出前的相關(guān)研究

光是自然界中非常特殊的一種物質(zhì)，在傳統(tǒng)物理的研究中，人們嘗試通過(guò)光所引發(fā)的現(xiàn)象來(lái)解析光的本質(zhì)，但卻遭遇了很大的困難與分歧。光既能引發(fā)一些只有波才能引發(fā)的現(xiàn)象比如折射、反射、散射等，也能引發(fā)部分只有粒子才能引發(fā)的現(xiàn)象，比如偏振現(xiàn)象、光電效應(yīng)等。直到愛(ài)因斯坦在1905年提出光具有波粒二象性之前，兩派物理學(xué)家已經(jīng)為此爭(zhēng)論了數(shù)百年。在這兩派觀點(diǎn)中，波動(dòng)說(shuō)的理論體系比較完善，能解釋絕大多數(shù)宏觀現(xiàn)象，而且隨著橫波理論與合成波理論的提出，原本波動(dòng)性無(wú)法解釋的偏振現(xiàn)象也得到了解釋?zhuān)虼瞬▌?dòng)說(shuō)在歷史上相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)期里都是解釋光的性質(zhì)的主流學(xué)說(shuō)。但該派理論始終無(wú)法找到光波載體這種波的最基本要素，所以一直不夠完善，光電效應(yīng)發(fā)現(xiàn)后，波動(dòng)說(shuō)的根基更是直接被動(dòng)搖。粒子說(shuō)的理論體系則相對(duì)缺乏完善性，對(duì)光的多種宏觀波動(dòng)性現(xiàn)象都缺乏有力的解釋?zhuān)诓▌?dòng)性理論無(wú)法解釋的多種現(xiàn)象上，粒子說(shuō)都可以做出相當(dāng)完美的詮釋。在這種互有優(yōu)劣的情況下，兩派理論被長(zhǎng)期爭(zhēng)論可以說(shuō)是理所當(dāng)然的。

2.波粒二象性的提出

1887年，光電效應(yīng)被德國(guó)物理學(xué)家赫茲發(fā)現(xiàn)，這種特殊的光效應(yīng)令波動(dòng)說(shuō)與粒子說(shuō)都陷入了一種尷尬的境地。首先，雖然光的波動(dòng)說(shuō)在當(dāng)時(shí)已經(jīng)成為主流，但波動(dòng)說(shuō)完全無(wú)法解釋光電效應(yīng)現(xiàn)象。另一方面，一直以來(lái)都能解釋波動(dòng)說(shuō)無(wú)法解釋的光學(xué)現(xiàn)象的粒子說(shuō)也只能對(duì)光電效應(yīng)做出部分解釋?zhuān)m然根據(jù)粒子說(shuō)理論，可以認(rèn)為光電效應(yīng)中的電子是被光的粒子撞擊出去的，但為什么藍(lán)光可以引發(fā)光電效應(yīng)而紅光不能，這點(diǎn)連粒子說(shuō)也無(wú)法解釋。可以說(shuō)，光電效應(yīng)令兩派學(xué)說(shuō)同時(shí)面臨瓶頸。

在這種情況下，普朗克的能量子理論給了愛(ài)因斯坦極大的啟發(fā)，他以此為基礎(chǔ)提出了光量子的概念，認(rèn)為光能量并非連續(xù)分布，而是分作無(wú)數(shù)份彼此集中的，這樣一來(lái)光就會(huì)同時(shí)具備波動(dòng)性和粒子性，即光具有波粒二象性。該理論幾乎完美地解釋了包括光電效應(yīng)在內(nèi)的所有宏觀與微觀光學(xué)現(xiàn)象，引起了物理學(xué)界的極大震動(dòng)，愛(ài)因斯坦也憑該理論獲得了1921年的諾貝爾獎(jiǎng)。

需要注意的是，愛(ài)因斯坦雖然提出了光的波粒二象性，但在該理論中，無(wú)論是波動(dòng)性還是粒子性都與經(jīng)典物理學(xué)中的概念有一定的差異。換言之，光作為波的性質(zhì)不屬于經(jīng)典波，作為粒子的性質(zhì)也不屬于經(jīng)典粒子。因此，愛(ài)因斯坦所提出的波粒二象性更近似于一種概念上的統(tǒng)一，這也是其在量子力學(xué)中的應(yīng)用基礎(chǔ)。

3.波粒二象性的研究拓展

光的波粒二象性提出后，作為其基礎(chǔ)之一的光電效應(yīng)方程在1916年得到了實(shí)證，此后該概念開(kāi)始在物理學(xué)界得到了廣泛的認(rèn)可，針對(duì)其進(jìn)行的深化和拓展研究也越來(lái)越多。在諸多研究成果中，以德布羅意的研究成果最為顯赫，他針對(duì)波粒二象性理論進(jìn)行逆向思考，對(duì)傳統(tǒng)的實(shí)物微觀粒子進(jìn)行了重詮釋?zhuān)岢鰧?shí)物微觀粒子與光一樣具有波粒二象性，這將波粒二象性從光學(xué)的理論概念拓展到整個(gè)量子力學(xué)領(lǐng)域的理論概念，極大地促進(jìn)了量子力學(xué)的發(fā)展。

結(jié)語(yǔ)：

總體來(lái)說(shuō)，波粒二象性理論為物理學(xué)界的發(fā)展做出了極大貢獻(xiàn)，不僅解釋了光的本質(zhì)，而且奠定了量子力學(xué)的基礎(chǔ)。但近年來(lái)，隨著相對(duì)論量子力學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展，該理論也受到了一定的質(zhì)疑，這會(huì)是未來(lái)的物理學(xué)界極為關(guān)注的一個(gè)問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

[1] 黃志洵. 波粒二象性理論的成就與存留問(wèn)題[J]. 北京廣播學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2000（04）

[2] 孔令文. 論述光的波粒二象性[J]. 邯鄲師專(zhuān)學(xué)報(bào)， 2000（03）

量子力學(xué)的性質(zhì)范文4

在建立科學(xué)理論體系的過(guò)程中，往往需要以一系列巨量的、通常是至為復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)、歸納和演繹工作為基礎(chǔ)。而且人們一般相信科學(xué)知識(shí)就是在這個(gè)基礎(chǔ)上產(chǎn)生和累積起來(lái)的。但只要這種認(rèn)識(shí)活動(dòng)過(guò)程是為一個(gè)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(guò)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?cè)诳疾鞆?fù)雜的科學(xué)認(rèn)識(shí)活動(dòng)時(shí)，可以抽取出高于具體手段的，基本上只屬于人類(lèi)心智與外在世界相聯(lián)絡(luò)的東西，即科學(xué)語(yǔ)言，來(lái)作為認(rèn)識(shí)的中介物。

要說(shuō)明科學(xué)語(yǔ)言何以能成為這樣的中介，需要先對(duì)科學(xué)的認(rèn)識(shí)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(xiě)客觀實(shí)在。這種摹寫(xiě)的認(rèn)識(shí)論前提是一個(gè)外在的、自為的客體和作為其思維對(duì)立面的內(nèi)在的主體間的雙重存在。這一認(rèn)識(shí)論前提在科學(xué)認(rèn)識(shí)方面衍生出一個(gè)更實(shí)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(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)，比如動(dòng)力學(xué)所概括的各種關(guān)系和過(guò)程）。

這一自在的實(shí)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(shí)的根本關(guān)系時(shí)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(shí)際就是關(guān)于具有自明性的實(shí)在的思維重構(gòu)。它必須限于處理自在的實(shí)在，因?yàn)榭茖W(xué)的嚴(yán)格規(guī)范性（主要表現(xiàn)為邏輯性）是由實(shí)在的自明性所保證的，任何超越實(shí)在的描述都會(huì)破壞這種描述的前提。這一點(diǎn)對(duì)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(diǎn)所認(rèn)為的那樣，是來(lái)自思維，也并非如經(jīng)驗(yàn)論觀點(diǎn)所認(rèn)為的來(lái)自具體手段對(duì)經(jīng)驗(yàn)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(shí)在中的，是來(lái)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(shí)活動(dòng)中，不論是一個(gè)思維過(guò)程還是一個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，如果其中缺失了語(yǔ)言過(guò)程，那就什么意義都不會(huì)有。科學(xué)語(yǔ)言與人類(lèi)思維形態(tài)固然有很大的關(guān)系，但是它們可能在一個(gè)很高的層次上有著共同的根源。就認(rèn)識(shí)的高度而言，思維形態(tài)作為人類(lèi)的一種意識(shí)現(xiàn)象，對(duì)它進(jìn)行本質(zhì)的追究，至少目前還不能完全放在客觀實(shí)在的背景上。因此，在科學(xué)認(rèn)識(shí)的層次上，思維形態(tài)完全可以被視為相對(duì)獨(dú)立的東西。而科學(xué)語(yǔ)言則是明確地被置于實(shí)在自身這一背景之中的。這就使我們實(shí)際上可以把科學(xué)語(yǔ)言看作一種知識(shí)，它與系統(tǒng)的科學(xué)知識(shí)具有完全相同的確切性，即它首先是與實(shí)在自身相諧合，然后才以這種特殊性成為思維與對(duì)象之間的中介。這才能保證，既使科學(xué)語(yǔ)言所述說(shuō)的科學(xué)是關(guān)于實(shí)在的確切圖景，又使思維活動(dòng)具備與實(shí)在相聯(lián)絡(luò)的手段。

科學(xué)語(yǔ)言作為一種知識(shí)所具備的上述特殊性，使它成為客觀實(shí)在圖景構(gòu)成的基本要素，或科學(xué)知識(shí)的“基元”。思維形態(tài)不能獨(dú)立地形成知識(shí)，但思維形態(tài)卻提供某種方式，使科學(xué)語(yǔ)言所包含的知識(shí)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(yǔ)言在認(rèn)識(shí)中的中介作用。由于任何事物都必須“觀念地”存乎人的意識(shí)中，才能為人的心智所把握，所以，在這個(gè)意義上，一個(gè)認(rèn)識(shí)過(guò)程就是一個(gè)運(yùn)用語(yǔ)言的過(guò)程。

二、數(shù)學(xué)語(yǔ)言

數(shù)學(xué)語(yǔ)言常常幾乎就是科學(xué)語(yǔ)言的同義詞。但實(shí)際上，科學(xué)語(yǔ)言所指的范圍遠(yuǎn)比數(shù)學(xué)語(yǔ)言的范圍大，否則就不會(huì)出現(xiàn)量子力學(xué)公式的解釋問(wèn)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(duì)科學(xué)的敘錄。只是由于精密推理的要求所導(dǎo)致的語(yǔ)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(shuō)的那種合乎客觀實(shí)在的知識(shí)基元是不同的。將數(shù)學(xué)用作科學(xué)的語(yǔ)言，必須滿(mǎn)足一個(gè)條件，即數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)與實(shí)在的結(jié)構(gòu)相關(guān)，但這一點(diǎn)并不是顯然成立的。

愛(ài)因斯坦曾分析過(guò)數(shù)學(xué)的公理學(xué)本質(zhì)。他說(shuō)，對(duì)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(yàn)知識(shí)的表述，而近代的解釋是，公理是思想的自由創(chuàng)造，它無(wú)須與經(jīng)驗(yàn)知識(shí)或直覺(jué)有關(guān)，而只對(duì)邏輯上的公理有效性負(fù)責(zé)。愛(ài)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(duì)實(shí)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(duì)客體的行為作出斷言，就必須加上這樣一個(gè)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。〔1〕只有這樣，歐幾里德幾何學(xué)才成為對(duì)剛體行為的一種描述。

愛(ài)因斯坦的這種看法與上文對(duì)科學(xué)語(yǔ)言的分析是基本上相通的。它可以說(shuō)明，數(shù)學(xué)為什么會(huì)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(yǔ)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(shí)際上是從思維對(duì)實(shí)在的一些很基本的把握之上增長(zhǎng)起來(lái)的。歐幾里得幾何學(xué)中的“點(diǎn)”、“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(shí)。之所以能用這些概念和它們之間的關(guān)系去描繪實(shí)在，是因?yàn)檫@些“基元”已經(jīng)包含了關(guān)于實(shí)在的信息（如剛體的實(shí)際行為）。

其次，數(shù)學(xué)體系的那種嚴(yán)密性其實(shí)主要是與人類(lèi)思維的屬性有關(guān)，盡管思維的嚴(yán)密性并不是一開(kāi)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(shí)在的自明性來(lái)決定的，是習(xí)得的。這就是說(shuō)，數(shù)學(xué)之所以與實(shí)在的結(jié)構(gòu)相關(guān)，只是因?yàn)閿?shù)學(xué)的基礎(chǔ)確切地說(shuō)來(lái)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(shí)在的自明性同源的。

由此可見(jiàn)，數(shù)學(xué)與自然科學(xué)的不同僅表現(xiàn)在對(duì)于它們的結(jié)果的可靠性（或真實(shí)性）的驗(yàn)證上。也就是說(shuō)，科學(xué)和數(shù)學(xué)同樣作為思維與實(shí)在相互介定的產(chǎn)物，都有可能成為對(duì)實(shí)在結(jié)構(gòu)的某種描述或“偽述”，并且都具有由實(shí)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(shí)性負(fù)責(zé)。

事實(shí)正是如此。數(shù)學(xué)自身并不代表真實(shí)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(shí)在結(jié)構(gòu)的真實(shí)信息所重組。而用于重組實(shí)在圖景的每一個(gè)單元，實(shí)際上是與物理學(xué)的基本知識(shí)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(gè)純粹的形式體系，而對(duì)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(shuō)明了這一點(diǎn)。

三、物理學(xué)語(yǔ)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(yǔ)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(shí)的邏輯起點(diǎn)上，僅當(dāng)認(rèn)識(shí)論關(guān)系上一個(gè)外在的、恒常的（相對(duì)于主體的運(yùn)動(dòng)變化而言）對(duì)象被提煉和廓清時(shí)，才能保證一種僅僅與對(duì)象自身的內(nèi)在規(guī)定性有關(guān)的語(yǔ)言描述系統(tǒng)成為可能。對(duì)此，人類(lèi)憑著最初的直覺(jué)而有了“外部世界”、“空間”、“時(shí)間”、“質(zhì)料”、“運(yùn)動(dòng)”等觀念。顯然，這些觀念并非來(lái)自邏輯的推導(dǎo)或數(shù)學(xué)計(jì)算，它是人類(lèi)世代傳承的關(guān)于世界的知識(shí)的基元。

然后，需要對(duì)客觀實(shí)在進(jìn)行某種方式的剝離，才能使之通過(guò)語(yǔ)言進(jìn)入我們的觀念。一個(gè)客觀實(shí)在，比如說(shuō)，一個(gè)電子，當(dāng)我們說(shuō)“它”的時(shí)候，既指出了它作為離散的一個(gè)點(diǎn)（即它本身），又指出了它身處時(shí)空中的那個(gè)屬性。而后一點(diǎn)很重要，因?yàn)槲覀冋窃趶V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(lái)。

當(dāng)我們按照古希臘人（比如亞里士多德）的方式問(wèn)“它為什么是它”時(shí)，我們正在試圖剝離“它”之所以為“它”的屬性。但這個(gè)屬性因其離散的本質(zhì)，在時(shí)空中必為一個(gè)“奇點(diǎn)”，因而不能得到更多的東西。這說(shuō)明，我們的語(yǔ)言與時(shí)空的廣延性合若符節(jié)，而對(duì)離散性，即時(shí)空中的奇點(diǎn)，則無(wú)法說(shuō)什么。如果我們按照伽利略的方式問(wèn)“它是怎樣的”時(shí)，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(shí)空中呈現(xiàn)為一種結(jié)構(gòu)和過(guò)程。對(duì)此我們有足夠的手段（和語(yǔ)言）進(jìn)行摹寫(xiě)。因?yàn)槲覀兊恼Z(yǔ)言，大多來(lái)自對(duì)時(shí)空中事物的經(jīng)驗(yàn)。我們運(yùn)用語(yǔ)言的主要方式，即邏輯思維，也就是時(shí)空經(jīng)驗(yàn)的抽象和提升。

可見(jiàn)，近現(xiàn)代物理學(xué)語(yǔ)言是一種關(guān)于客觀實(shí)在的時(shí)空形式及過(guò)程的語(yǔ)言，是一種廣延性語(yǔ)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(shí)在的時(shí)空形式及過(guò)程的一個(gè)有效而簡(jiǎn)潔的概括，在于與物理學(xué)在面對(duì)實(shí)在時(shí)有著共同的切入點(diǎn)。

上述討論表明了近現(xiàn)代物理學(xué)語(yǔ)言格式包含著它的基本用法和一個(gè)根深蒂固的傳統(tǒng)，這是由客觀實(shí)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(shí)在的時(shí)空形式及過(guò)程的描述。可以想象，離開(kāi)了這種用法和傳統(tǒng)，“另外的描述”是不可能在這種語(yǔ)言中獲得意義的。而這正是量子力學(xué)碰到的問(wèn)題。

四、量子力學(xué)的語(yǔ)言問(wèn)題

上文說(shuō)明，在描摹實(shí)在時(shí)，人類(lèi)本是缺乏固有的豐富語(yǔ)言的。西方自古希臘以來(lái)，由于主、客體間的某種相互介定而實(shí)現(xiàn)了有關(guān)實(shí)在的時(shí)空形式和過(guò)程的觀念及相應(yīng)的邏輯思維方式。任何一種特定的語(yǔ)言，隨著時(shí)代的變遷和認(rèn)識(shí)的深入，某些概念的含義會(huì)發(fā)生變化，并且還會(huì)產(chǎn)生新的語(yǔ)言基元。有時(shí)，這樣的變化和增長(zhǎng)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(yǔ)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(shí)空形式及過(guò)程的，才能在整體的科學(xué)語(yǔ)言中獲得意義。例如，相對(duì)論放棄了絕對(duì)時(shí)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(shí)空實(shí)在性的描述并與三維空間中的經(jīng)驗(yàn)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(gè)態(tài)躍遷到另一個(gè)態(tài)的中間過(guò)程沒(méi)有時(shí)空形式；客體的時(shí)空形式（波或粒子）取決于實(shí)驗(yàn)安排；在不觀測(cè)的情況下，其時(shí)空形式是空缺的；并且，觀測(cè)所得的客體的時(shí)空形式并不表示客體在觀測(cè)之前的狀態(tài)。這意味著，要么微觀實(shí)在并不總是具有獨(dú)立存在的時(shí)空形式，要么是人類(lèi)無(wú)法從認(rèn)識(shí)的角度構(gòu)成關(guān)于實(shí)在的時(shí)空形式的描述。這兩種選擇都將超出現(xiàn)有的物理學(xué)語(yǔ)言本身，而使經(jīng)典物理學(xué)語(yǔ)言在用于解釋公式和實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)受到限制。

量子力學(xué)的這個(gè)語(yǔ)言問(wèn)題是眾所周知的。波爾試圖通過(guò)互補(bǔ)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(qiáng)調(diào)，即使古典物理學(xué)的語(yǔ)言是不精確的、有局限性的，我們?nèi)匀徊坏貌皇褂眠@種語(yǔ)言，因?yàn)槲覀儧](méi)有別的語(yǔ)言。對(duì)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(cè)和交流的全過(guò)程，是要用古典物理學(xué)來(lái)表達(dá)的。〔2〕

量子力學(xué)的反對(duì)者愛(ài)因斯坦同樣清楚這里的語(yǔ)言問(wèn)題。他把玻爾等人盡力把量子力學(xué)與實(shí)驗(yàn)語(yǔ)言溝通起來(lái)所作的種種附加解釋稱(chēng)之為“綏靖哲學(xué)”（Beruhigunsphilosophie）〔3〕或“文學(xué)”〔4〕，這實(shí)際上指明了互補(bǔ)原理等觀念是在與時(shí)空經(jīng)驗(yàn)相關(guān)的科學(xué)語(yǔ)言之外的。愛(ài)因斯坦拒絕承認(rèn)量子力學(xué)是關(guān)于實(shí)在的完備描述，所以并不以為這些附加解釋會(huì)在將來(lái)成為科學(xué)語(yǔ)言的新的有機(jī)內(nèi)容。

薛定諤和玻姆等人從另一個(gè)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(diǎn)回避了經(jīng)典語(yǔ)言與實(shí)在之間的深刻矛盾，而囿于語(yǔ)言限制并為之作種種辯解。薛定諤說(shuō)：“我只希望了解在原子內(nèi)部發(fā)生了什么事情。我確實(shí)不介意您（指玻爾）選用什么語(yǔ)言去描述它。”〔5〕薛定諤認(rèn)為，為了賦予波函數(shù)一種實(shí)在的解釋?zhuān)环N全新的語(yǔ)言是可以考慮的。他建議將N個(gè)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(duì)象具有連續(xù)的、確定的時(shí)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(duì)應(yīng)于實(shí)在的時(shí)空結(jié)構(gòu)，如果讓幾率成為實(shí)驗(yàn)觀察中首要的東西，就會(huì)讓客觀實(shí)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(yàn)沒(méi)有明顯的聯(lián)系，也成了另一種隱喻，仍然無(wú)法作為一種科學(xué)語(yǔ)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(yǔ)言問(wèn)題上是相似的。他所說(shuō)的“機(jī)械序”〔6〕其實(shí)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(duì)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(shí)在的投影。他以全息攝影和其它一些思想實(shí)驗(yàn)為比喻，試圖將客觀實(shí)在的物質(zhì)形態(tài)、時(shí)空屬性和運(yùn)動(dòng)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(yàn)的描述，也就是一種形而上學(xué)。

這里所說(shuō)的“基礎(chǔ)”指的是，一種全新的語(yǔ)言涉及主客體間完全不同的相互介定。它涉及對(duì)客體的完全不同的剝離方式，也就是說(shuō)，現(xiàn)行科學(xué)語(yǔ)言及其相關(guān)思維方式的整個(gè)基礎(chǔ)都將改變。然而，現(xiàn)實(shí)地說(shuō)，這不是某一具有特定對(duì)象和方法的學(xué)科所能為的。

可見(jiàn)，試圖通過(guò)一種全新的語(yǔ)言來(lái)解決量子力學(xué)的語(yǔ)言問(wèn)題是行不通的。這個(gè)問(wèn)題比通常所能想象的要無(wú)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(wèn)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(shí)相信，它在觀念上的革命也是成功的。其實(shí)，上述語(yǔ)言與實(shí)在圖景的沖突并未解決。量子力學(xué)的種種解釋無(wú)法在科學(xué)語(yǔ)言的基礎(chǔ)上必然過(guò)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(duì)量子力學(xué)“革命性”的程度作審慎的認(rèn)識(shí)。

正統(tǒng)的量子力學(xué)學(xué)者們都意識(shí)到應(yīng)該通過(guò)發(fā)展思維的豐富性來(lái)解決面臨的困難。他們作出的重要努力的一個(gè)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(lèi)的思想和語(yǔ)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。〔7〕測(cè)不準(zhǔn)原理以及其中的廣義坐標(biāo)、廣義動(dòng)量都是為粒子而設(shè)想的，卻又不能描述粒子在時(shí)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(bǔ)原理來(lái)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(jué)所把握，從而進(jìn)入一般知識(shí)的范圍。〔8〕這相當(dāng)于說(shuō)，希望產(chǎn)生新的語(yǔ)言基元。

另一方面，海森堡等人提出，問(wèn)題應(yīng)該通過(guò)放棄“時(shí)空的客觀過(guò)程”這種思想來(lái)解決。〔9〕這又引起了量子力學(xué)的客觀性問(wèn)題。

這些努力在很大程度上是具有保守性的。

我們?cè)嚢蚜孔恿W(xué)與相對(duì)論作比較。相對(duì)論的革命性主要表現(xiàn)在，通過(guò)對(duì)時(shí)間和空間的相對(duì)性的分析，建立起時(shí)間、空間和運(yùn)動(dòng)的協(xié)變關(guān)系，從而了絕對(duì)時(shí)空、絕對(duì)同時(shí)性等舊觀念，并代之以新的時(shí)空觀。重要的是，在這里，絕對(duì)時(shí)空和絕對(duì)同時(shí)性是從理論上作為邏輯必然而排除掉的。四維時(shí)空不變量對(duì)三維空間和一維時(shí)間的性質(zhì)依賴(lài)于觀察者的情形作了簡(jiǎn)潔的概括，既不引起客觀性危機(jī)，又與人類(lèi)的時(shí)空經(jīng)驗(yàn)有著直接關(guān)聯(lián)。相對(duì)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(shí)空?qǐng)D景。它因此而在科學(xué)語(yǔ)言的范圍內(nèi)進(jìn)入了一般知識(shí)。

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?zhuān)挪坏貌环艞墖?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(méi)有構(gòu)成與人類(lèi)的時(shí)空經(jīng)驗(yàn)相關(guān)聯(lián)的自洽的實(shí)在圖景。互補(bǔ)原理和并協(xié)原理并沒(méi)有從理論內(nèi)部挽救出獨(dú)立存在于時(shí)空的客體的概念，又沒(méi)有證明這種概念是不必要的（如相對(duì)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(shí)際上，卻由于這些從理論結(jié)構(gòu)上說(shuō)是附加的解釋超出了關(guān)于實(shí)在的描述，因而破壞了以實(shí)在的自明性為保證的描述的前提。所以它實(shí)際上對(duì)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(guò)渡到關(guān)于個(gè)別客體的時(shí)空形式及過(guò)程的模型，使得它的反對(duì)者指責(zé)說(shuō)這意味著位置和動(dòng)量這樣的兩個(gè)性質(zhì)不能同時(shí)是實(shí)在的。而為了保護(hù)客觀性，它的支持者說(shuō)，粒子圖像和波動(dòng)圖象并不表示客體的變化，而是表示關(guān)于對(duì)象的統(tǒng)計(jì)知識(shí)的變化。〔10〕這在關(guān)于實(shí)在的時(shí)空形式及過(guò)程的科學(xué)語(yǔ)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(shí)在”觀念以便把充滿(mǎn)矛盾的經(jīng)驗(yàn)現(xiàn)象統(tǒng)一起來(lái)。在對(duì)客體的時(shí)空形式作抽象時(shí)，這種方法是有效的。而由于波函數(shù)對(duì)應(yīng)的不是個(gè)別客體的行為，所以大多新的“實(shí)在”幾乎都是形而上學(xué)的構(gòu)想。薛定諤和玻姆的多維實(shí)在、玻姆在闡釋哥本哈根學(xué)派觀點(diǎn)時(shí)提出的那種包含了無(wú)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(shí)在的排斥而又互補(bǔ)的多個(gè)影像。〔12〕這有點(diǎn)象是在物理學(xué)語(yǔ)言中談?wù)摗盎煸被颉疤珮O”一樣，很難說(shuō)對(duì)觀念有積極的建設(shè)。

本文從科學(xué)語(yǔ)言的角度，對(duì)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(duì)論和量子力學(xué)之間作價(jià)值上的優(yōu)劣判斷。也許量子力學(xué)的真正價(jià)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(shí)，赫爾曼提出，在科學(xué)賴(lài)以發(fā)生的文化中，“客體”一詞之所以有意義，正在于它被實(shí)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(yàn)的可能性。〔13〕我們應(yīng)該注意到，赫爾曼所使用的“經(jīng)驗(yàn)”一詞，實(shí)際上是人類(lèi)對(duì)客觀事物的廣延性和分立性的經(jīng)驗(yàn)。這種經(jīng)驗(yàn)是科學(xué)的實(shí)在圖景成立的基礎(chǔ)或真實(shí)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(yǔ)言理想化而創(chuàng)立了邏輯語(yǔ)言以來(lái)，西方的科學(xué)語(yǔ)言就一直是在實(shí)在的廣延性和分立性的介定下發(fā)展起來(lái)的。我們也許可以就此推測(cè)，對(duì)于人的認(rèn)識(shí)而言，世界是廣延優(yōu)勢(shì)的，但如果因此認(rèn)為實(shí)在僅限于廣延性方面，卻是缺乏理由的。廣延性?xún)?yōu)勢(shì)在語(yǔ)言上的表現(xiàn)之一是幾何優(yōu)勢(shì)。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(lái)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(hào)2不是。我們可以用前者表明后者，而不能反過(guò)來(lái)。可是一個(gè)離散的數(shù)量本身究竟是什么呢？它是否與實(shí)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(shì)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(shí)在的無(wú)限可能性向語(yǔ)言的有限性的挑戰(zhàn)，那么問(wèn)題的解決就不單單是語(yǔ)言問(wèn)題，甚至不單單是目前形態(tài)的物理學(xué)的問(wèn)題。它將涉及整個(gè)認(rèn)識(shí)活動(dòng)的基礎(chǔ)。玻爾似乎是深刻地意識(shí)到這一點(diǎn)的。他說(shuō)“要做比這些更多的事情完全是在我們目前的手段之外。”〔14〕他還有一句格言；“同一個(gè)正確的陳述相對(duì)立的必是一個(gè)錯(cuò)誤的陳述；但是同一個(gè)深?yuàn)W的真理相對(duì)立的則可能是另一個(gè)深?yuàn)W的真理。”〔15〕

參考文獻(xiàn)和注釋

〔1〕〔3〕〔4〕《愛(ài)因斯坦文集》第一卷，商務(wù)印書(shū)館，1994，第137、241、304頁(yè)。

〔2〕〔5〕〔9〕〔13〕〔14〕〔15〕海森堡：《原子物理學(xué)的發(fā)展和社會(huì)》，中國(guó)社會(huì)科學(xué)出版社，1985，第141、84、82、131、47、112頁(yè)。

〔6〕玻姆：《卷入——展出的宇宙和意識(shí)》，載于羅嘉昌、鄭家棟主編：《場(chǎng)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(jī)遇的自然哲學(xué)》，商務(wù)印書(shū)館，1964年。

量子力學(xué)的性質(zhì)范文5

多年以前，高科技最牛的美國(guó)就已不把電子計(jì)算機(jī)列為高科技產(chǎn)品了。

但巨高性能計(jì)算機(jī)仍是信息時(shí)代的高科技標(biāo)志物件之一。2012年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)發(fā)給了法國(guó)人塞爾日·阿羅什和美國(guó)人大衛(wèi)·維恩蘭德，這兩位科學(xué)家的研究成果為新一代超級(jí)量子計(jì)算機(jī)的誕生提供了可能性。

惡搞一下：法國(guó)人浪漫，而簡(jiǎn)稱(chēng)美國(guó)人為美人，那么，浪漫人美人=？

文藝范兒的信息

不往濫俗里想，那么，答案就是很文藝化的表達(dá)了。其實(shí)，“信息”最初是相當(dāng)文藝范兒的，而不是20世紀(jì)中期才開(kāi)始熱門(mén)起來(lái)的科技詞匯。

一般認(rèn)為，中文的“信息”一詞出自南唐詩(shī)人李中《暮春懷故人》：“夢(mèng)斷美人沉信息，目穿長(zhǎng)路倚樓臺(tái)。”—— “美眉音信消息全無(wú)啊，夢(mèng)里也夢(mèng)不到你，我獨(dú)自上樓倚欄，望眼欲穿望到長(zhǎng)路盡頭也不見(jiàn)你。”這么拙劣地意譯，也讓人感覺(jué)到深深的思念。

其實(shí)，在李中之前一百多年，與李商隱齊名的唐朝大詩(shī)人杜牧《寄遠(yuǎn)》里就有“信息”了：“塞外音書(shū)無(wú)信息，道旁車(chē)馬起塵埃。”還有比小杜更早的，唐朝詩(shī)人崔備的《清溪路中寄諸公》：“別來(lái)無(wú)信息，可謂井瓶沉。”

宋朝的婉約派大詞人柳永、李清照也用過(guò)“信息”這個(gè)詞。因金兵入侵而流離失所的李清照思念當(dāng)年安樂(lè)的故鄉(xiāng)，心理上把信息的價(jià)格定成了真正的天價(jià)：“不乞隋珠與和璧，只乞鄉(xiāng)關(guān)新信息。”——千年前的唐宋中國(guó)，其高科技雖是世界第一，但信息技術(shù)還是跟現(xiàn)在沒(méi)法比的，要靠驛馬、鴻雁甚至人步行來(lái)傳遞信息，速度慢而效率低，信息珍貴啊。

在地球的西方呢？雖然香農(nóng)1948年就劃時(shí)代地把信息引為數(shù)學(xué)研究的對(duì)象，賦予其新的科學(xué)的涵義；至1956年，“人工智能”術(shù)語(yǔ)也出現(xiàn)了。可最早討論數(shù)據(jù)、信息、知識(shí)與智慧之間關(guān)系的，卻是得過(guò)諾貝爾文學(xué)獎(jiǎng)的大詩(shī)人艾略特（T. S. Eliot；錢(qián)鐘書(shū)故意譯為“愛(ài)利惡德”）。他在1934年的詩(shī)歌“The Rock”中寫(xiě)道：

Where is the Life we have lost in living？

Where is the wisdom we have lost in knowledge？

Where is the knowledge we have lost in information？

Where is the information we have lost in data？

我們迷失于生活中的生命在哪里？

我們迷失于知識(shí)中的智慧在哪里？

我們迷失于信息中的知識(shí)在哪里？

我們迷失于數(shù)據(jù)中的信息在哪里？

盡管第四句是好事者后加的，但詩(shī)人還是直指本質(zhì)地提出了信息暴炸時(shí)代最困擾人的難題：如何不讓我們的生命和智慧都迷失在數(shù)據(jù)中？

量子計(jì)算機(jī)和量子信息技術(shù)，提供了一種讓生命和智慧不要淹沒(méi)在數(shù)據(jù)的海洋中的途徑、工具和可能。

量子與量子計(jì)算機(jī)

量子理論是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大基石之一，為從微觀理解宏觀提供了理論基礎(chǔ)。客觀世界有物質(zhì)、能量?jī)煞N存在形式，物質(zhì)和能量可以互相轉(zhuǎn)換（見(jiàn)愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程），量子理論就是從研究極度微觀領(lǐng)域物質(zhì)的能量入手而建立起來(lái)的。

我們知道，微觀世界中有許多不同于宏觀世界的現(xiàn)象和規(guī)則。經(jīng)典物理學(xué)理論中的能量是連續(xù)變化的，可取任意值，但科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)微觀世界中的很多物理現(xiàn)象無(wú)法解釋。1900年12月14日，普朗克在解釋“黑體輻射”時(shí)提出：像原子是一切物質(zhì)的構(gòu)成單元一樣，“能量子（量子）”是能量的最小單元，原子吸收或發(fā)射能量是一份一份地進(jìn)行的。這是量子物理理論的誕生。

1905年，愛(ài)因斯坦把量子概念引進(jìn)光的傳播過(guò)程，提出“光量子（光子）”的概念，并提出光的“波粒二象性”。1920年代，德布羅意提出“物質(zhì)波”概念，即一切物質(zhì)粒子均有波粒二象性，海森堡等建立了量子矩陣力學(xué)，薛定諤建立了量子波動(dòng)力學(xué)，量子理論進(jìn)入了量子力學(xué)階段。1928年，狄拉克完成了矩陣力學(xué)和波動(dòng)力學(xué)之間的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換，對(duì)量子力學(xué)理論進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)，成功地將相對(duì)論和量子力學(xué)兩大理論體系結(jié)合起來(lái)，使量子理論進(jìn)入量子場(chǎng)論階段。

“量子”詞源拉丁語(yǔ)quantum，意為“某數(shù)量的某事物”。現(xiàn)代物理學(xué)中，某些物理量的變化是以最小的單位跳躍式進(jìn)行的，而不是連續(xù)的，這個(gè)最小的基本單位叫做量子；或者說(shuō)，一個(gè)物理量如果有不可連續(xù)分割的最小的基本單位，則這個(gè)物理量（所有的有形性質(zhì)）是“可量子化的”，或者說(shuō)其物理量的數(shù)值會(huì)是特定的數(shù)值而非任意值。例如，在（休息狀態(tài)）的原子中，電子的能量是可量子化的，這能決定原子的穩(wěn)定和一般問(wèn)題。

雖然量子理論與我們?nèi)粘＝?jīng)驗(yàn)感覺(jué)的世界大不一樣，但量子力學(xué)已經(jīng)在真實(shí)世界應(yīng)用。激光器工作的原理，實(shí)際上就是激發(fā)一個(gè)特定量子散發(fā)能量。現(xiàn)代社會(huì)要處理大量數(shù)據(jù)和信息，需要計(jì)算的機(jī)器（計(jì)算機(jī)）。量子力學(xué)的突破，使瓦格納等于1930年發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體同時(shí)有導(dǎo)體和絕緣體的性質(zhì)，后來(lái)才有了用于電子計(jì)算機(jī)的同時(shí)作為電子信號(hào)放大器和轉(zhuǎn)換器的晶體管，再有了集成電路芯片，今天的一個(gè)尖端芯片可集聚數(shù)十億個(gè)微處理器。

隨著計(jì)算機(jī)科技的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)能耗導(dǎo)致發(fā)熱而影響芯片集成度，限制了計(jì)算速度；能耗源于計(jì)算過(guò)程中的不可逆操作，但計(jì)算機(jī)都可找到對(duì)應(yīng)的可逆計(jì)算機(jī)且不影響運(yùn)算能力。既然都能改為可逆操作，在量子力學(xué)中則可用一個(gè)幺正變換來(lái)表示。1969年，威斯納提出“基于量子力學(xué)的計(jì)算設(shè)備”，豪勒夫等于1970年代論述了“基于量子力學(xué)的信息處理”。1980年代量子計(jì)算機(jī)的理論變得很熱鬧。費(fèi)曼發(fā)現(xiàn)模擬量子現(xiàn)象時(shí)，數(shù)據(jù)量大至無(wú)法用電子計(jì)算機(jī)計(jì)算，在1982年提出用量子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通用計(jì)算以減少運(yùn)算時(shí)間；杜斯于1985年提出量子圖靈機(jī)模型。1994年，數(shù)學(xué)家彼得·秀爾提出量子質(zhì)因子分解算法，因其可破解現(xiàn)行銀行和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的加密，許多人開(kāi)始研究實(shí)際的量子計(jì)算機(jī)。

在物理上，傳統(tǒng)的電子計(jì)算機(jī)可以被描述為對(duì)輸入信號(hào)串行按一定算法進(jìn)行變換的機(jī)器，其算法由機(jī)器內(nèi)部半導(dǎo)體集成邏輯電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，其輸入態(tài)和輸出態(tài)都是傳統(tǒng)信號(hào)（輸入態(tài)和輸出態(tài)都是某一力學(xué)量的本征態(tài)），存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的每個(gè)單元（比特bit）要么是“0”要么是“1”，即在某一時(shí)間僅能存儲(chǔ)4個(gè)二進(jìn)制數(shù)（00、01、10、11）中的一個(gè)。而量子計(jì)算機(jī)靠控制原子或小分子的狀態(tài)，用量子算法運(yùn)算數(shù)據(jù)，輸入態(tài)和輸出態(tài)為一般的疊加態(tài)，其相互之間通常不正交，其中的變換為所有可能的幺正變換；因?yàn)榱孔討B(tài)有疊加性（重疊）和相干性（牽連、糾纏）兩個(gè)本質(zhì)特性，量子比特（量子位qubit）可是“0”或“1”或兩個(gè)“0”或兩個(gè)“1”，即可同時(shí)存儲(chǔ)4個(gè)二進(jìn)制數(shù)（00、01、10、11），實(shí)現(xiàn)量子并行計(jì)算（量子計(jì)算機(jī)對(duì)每一個(gè)疊加分量實(shí)現(xiàn)的變換相當(dāng)于一種傳統(tǒng)計(jì)算，所有傳統(tǒng)計(jì)算同時(shí)完成，并按一定的概率振幅疊加，給出量子計(jì)算機(jī)的輸出結(jié)果），從而呈指數(shù)級(jí)地提高了運(yùn)算能力——一臺(tái)未來(lái)的量子計(jì)算機(jī)3分鐘就能搞定當(dāng)今世界上所有電子計(jì)算機(jī)合起來(lái)100萬(wàn)年才能處理完的數(shù)據(jù)。用量子力學(xué)語(yǔ)言說(shuō)，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)是沒(méi)有用到量子力學(xué)中重疊和牽連特性的一種特殊的量子計(jì)算機(jī)。從理論上講，一個(gè)250量子比特（由250個(gè)原子構(gòu)成）的存儲(chǔ)器，可能存儲(chǔ)2的250次方個(gè)二進(jìn)制數(shù)，比人類(lèi)已知宇宙中的全部原子數(shù)還多。而且，集成芯片制造業(yè)很快將步入16納米的工藝，而量子效應(yīng)將嚴(yán)重影響芯片的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，又因傳統(tǒng)技術(shù)的物理局限性，硅芯片已到盡頭，突破的希望在于量子計(jì)算。

量子世界的死貓活貓與粒子控制

喜好科技的文藝青年可能看過(guò)美劇《生活大爆炸》，其中有那只著名的“薛定諤貓”：一只被關(guān)在黑箱里的貓，箱里有毒藥瓶，瓶上有錘子，錘子由電子開(kāi)關(guān)控制，電子開(kāi)關(guān)由一個(gè)獨(dú)立的放射性原子控制；若原子核衰變放出粒子觸動(dòng)開(kāi)關(guān)，錘落砸瓶放毒，則貓死。薛定諤構(gòu)想的這個(gè)實(shí)驗(yàn)，被引為解釋量子世界的經(jīng)典。而量子理論認(rèn)為，單個(gè)原子的狀態(tài)其實(shí)不是非此即彼，或說(shuō)箱里的原子既衰變又沒(méi)有衰變，表現(xiàn)為一種概率；對(duì)應(yīng)到貓，則是既死又活。若我們不揭開(kāi)蓋子觀察，永遠(yuǎn)也不知道貓的死活，它永遠(yuǎn)處于非死非活的疊加態(tài)。

宏觀態(tài)的確定性，其實(shí)是億萬(wàn)微觀粒子、無(wú)數(shù)種概率的宏觀統(tǒng)計(jì)結(jié)果。微觀粒子通常表現(xiàn)為兩種截然不同的狀態(tài)糾纏一起，一旦用宏觀方法觀察這種量子態(tài)，只要稍一揭開(kāi)箱蓋，疊加態(tài)立即就塌縮了（擾破壞掉），薛定諤貓就突然由量子的又死又活疊加態(tài)變成宏觀的確定態(tài)。用實(shí)驗(yàn)研究量子，首先要捕獲單個(gè)的量子。即若不分離出單個(gè)粒子，則粒子神秘的量子性質(zhì)便會(huì)消失。科學(xué)家們長(zhǎng)期以來(lái)頭疼的是，未找到既不破壞量子態(tài)，又能實(shí)際觀測(cè)它的實(shí)驗(yàn)方法，他們只能在頭腦中進(jìn)行思想實(shí)驗(yàn)，而無(wú)法實(shí)際驗(yàn)證其預(yù)言。

而阿羅什和維恩蘭德的研究，發(fā)明了在保持個(gè)體粒子的量子力學(xué)屬性的情況下對(duì)其進(jìn)行觀測(cè)和操控的方法，則可實(shí)證地說(shuō)出薛定諤貓究竟是死貓還是活貓，而且為研制超級(jí)量子計(jì)算機(jī)帶來(lái)了更大可能，因?yàn)榱孔佑?jì)算機(jī)中最基礎(chǔ)的部分——得到1個(gè)量子比特已獲成功。

光子和原子是量子世界中的兩種基本粒子，光子形成可見(jiàn)光或其他電磁波，原子構(gòu)成物質(zhì)。他們研究光與物質(zhì)間的基本相互作用，方法大同小異：維因蘭德利用光或光子來(lái)捕捉、控制以及測(cè)量帶電原子或者離子。他平行放置兩面極精巧的鏡子，鏡間是真空空腔，溫度接近絕對(duì)零度（約-273℃）。一個(gè)光子進(jìn)入空腔后，在兩鏡面間不斷反射。阿羅什則通過(guò)發(fā)射原子穿過(guò)阱，控制并測(cè)量了捕獲的光子或粒子。他用一系列電極營(yíng)造出一個(gè)電場(chǎng)囚籠，粒子像是被裝進(jìn)碗里的玻璃球；然后用激光冷卻粒子，最終有一個(gè)最冷的粒子停在了碗底。阿羅什在捕獲單個(gè)光子后，引入了特殊的里德伯原子，作為觀測(cè)工具，從而得到光子的數(shù)據(jù)。維因蘭德向碗中發(fā)射激光，通過(guò)觀測(cè)光譜線而得到碗底粒子的數(shù)據(jù)。

2007年以來(lái)，加拿大、美國(guó)、德國(guó)和中國(guó)的科學(xué)家都說(shuō)自己研制出了某種級(jí)別的量子計(jì)算機(jī)，但到今天卻仍無(wú)一個(gè)投入實(shí)用。光鐘更接近現(xiàn)實(shí)，因?yàn)榭刹倏貑蝹€(gè)量子，就能按意愿調(diào)控量子的振蕩（相當(dāng)于鐘擺）頻率，越高越精；目前實(shí)驗(yàn)的光鐘，若從宇宙產(chǎn)生起開(kāi)始計(jì)時(shí)，至今只誤差5秒。光鐘可使衛(wèi)星定位和計(jì)算太空船的位置更精確……

神話般的量子信息技術(shù)

科幻作家克萊頓（著有《侏羅紀(jì)公園》、《失去的世界》等）在科幻小說(shuō)《時(shí)間線》中，曾文藝化地描述量子計(jì)算，用了“量子多宇宙”、“量子泡沫蟲(chóng)洞”、“量子運(yùn)輸”、“量子糾纏態(tài)”、“電子的32個(gè)量子態(tài)”等讓常人倍感高深的說(shuō)法。其中一些如今正在證實(shí)或變現(xiàn)。

如果清朝政府的通信密碼不被日本破譯，那么李鴻章后去日本談判時(shí)就很可能是另外一種結(jié)局，今天也不會(huì)有的問(wèn)題了。目前世界的密碼系統(tǒng)大都采用單項(xiàng)數(shù)學(xué)函數(shù)的方式，應(yīng)用了因數(shù)分解等數(shù)學(xué)原理，例如目前網(wǎng)絡(luò)上常用的密碼算法。秀爾提出的量子算法利用量子計(jì)算的并行性，能輕松破解以大數(shù)因式分解算法為根基的密碼體系。量子算法中，量子搜尋算法等也能分分鐘攻破現(xiàn)有密碼體系。可說(shuō)量子這種技術(shù)在現(xiàn)代軍事上的意義不亞于核彈。但同時(shí)，量子信息技術(shù)也將發(fā)展出一種理論上永遠(yuǎn)無(wú)法破譯的密碼——量子密碼。

保密通信分為加密、接收、解密三個(gè)過(guò)程，密鑰的保密和不被破解至為關(guān)鍵。量子密碼采用量子態(tài)作為密鑰，是不可復(fù)制的，至少在理論上是無(wú)破譯的可能。量子通信是用量子態(tài)的微觀粒子攜帶的量子信息作為加密和解密用的密鑰，其密鑰安全性不再由數(shù)學(xué)計(jì)算，而是由微觀粒子所遵循的物理規(guī)律來(lái)保證，竊密者只有突破物理法則才有可能盜取密鑰（根據(jù)海森堡的測(cè)不準(zhǔn)原理，任何測(cè)量都無(wú)法窮盡量子的所有信息）。而且量子通信中，量子糾纏態(tài)（有共同來(lái)源的兩個(gè)粒子存在著糾纏關(guān)系，似有“心靈感應(yīng)”，無(wú)論距離多遠(yuǎn)，一個(gè)粒子的狀態(tài)發(fā)生變化，另一個(gè)粒子也發(fā)生變化，速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)光速，一旦受擾即不再糾纏。愛(ài)因斯坦稱(chēng)這種發(fā)生機(jī)理至今未解的量子糾纏為“幽靈般的超距作用”）被用于傳輸和保證信息安全，使任何竊密行為都會(huì)擾亂傳送密鑰的量子狀態(tài)，從而留下痕跡。

量子力學(xué)的性質(zhì)范文6

[關(guān)鍵詞]量子體系對(duì)稱(chēng)性守恒定律

一、引言

對(duì)稱(chēng)性是自然界最普遍、最重要的特性。近代科學(xué)表明，自然界的所有重要的規(guī)律均與某種對(duì)稱(chēng)性有關(guān)，甚至所有自然界中的相互作用，都具有某種特殊的對(duì)稱(chēng)性——所謂“規(guī)范對(duì)稱(chēng)性”。實(shí)際上，對(duì)稱(chēng)性的研究日趨深入，已越來(lái)越廣泛的應(yīng)用到物理學(xué)的各個(gè)分支：量子論、高能物理、相對(duì)論、原子分子物理、晶體物理、原子核物理，以及化學(xué)（分子軌道理論、配位場(chǎng)理論等）、生物（DNA的構(gòu)型對(duì)稱(chēng)性等）和工程技術(shù)。

何謂對(duì)稱(chēng)性？按照英國(guó)《韋氏國(guó)際辭典》中的定義：“對(duì)稱(chēng)性乃是分界線或中央平面兩側(cè)各部分在大小、形狀和相對(duì)位置的對(duì)應(yīng)性”。這里講的是人們觀察客觀事物形體上的最直觀特征而形成的認(rèn)識(shí)，也就是所謂的幾何對(duì)稱(chēng)性。

關(guān)于對(duì)稱(chēng)性和守恒定律的研究一直是物理學(xué)中的一個(gè)重要領(lǐng)域，對(duì)稱(chēng)性與守恒定律的本質(zhì)和它們之間的關(guān)系一直是人們研究的重要內(nèi)容。在經(jīng)典力學(xué)中，從牛頓方程出發(fā)，在一定條件下可以導(dǎo)出力學(xué)量的守恒定律，粗看起來(lái)，守恒定律似乎是運(yùn)動(dòng)方程的結(jié)果．但從本質(zhì)上來(lái)看，守恒定律比運(yùn)動(dòng)方程更為基本，因?yàn)樗硎隽俗匀唤绲囊恍┢毡榉▌t，支配著自然界的所有過(guò)程，制約著不同領(lǐng)域的運(yùn)動(dòng)方程．物理學(xué)關(guān)于對(duì)稱(chēng)性探索的一個(gè)重要進(jìn)展是諾特定理的建立，定理指出，如果運(yùn)動(dòng)定律在某一變換下具有不變性，必相應(yīng)地存在一條守恒定律．簡(jiǎn)言之，物理定律的一種對(duì)稱(chēng)性，對(duì)應(yīng)地存在一條守恒定律．經(jīng)典物理范圍內(nèi)的對(duì)稱(chēng)性和守恒定律相聯(lián)系的諾特定理后來(lái)經(jīng)過(guò)推廣，在量子力學(xué)范圍內(nèi)也成立．在量子力學(xué)和粒子物理學(xué)中，又引入了一些新的內(nèi)部自由度,認(rèn)識(shí)了一些新的抽象空間的對(duì)稱(chēng)性以及與之相應(yīng)的守恒定律，這就給解決復(fù)雜的微觀問(wèn)題帶來(lái)好處，尤其現(xiàn)在根據(jù)量子體系對(duì)稱(chēng)性用群論的方法處理問(wèn)題，更顯優(yōu)越。

在物理學(xué)中，尤其是在理論物理學(xué)中，我們所說(shuō)的對(duì)稱(chēng)性指的是體系的拉格朗日量或者哈密頓量在某種變換下的不變性。這些變換一般可分為連續(xù)變換、分立變換和對(duì)于內(nèi)稟參量的變換。每一種變換下的不變性，都對(duì)應(yīng)一種守恒律，意味著存在某種不可觀測(cè)量。例如，時(shí)間平移不變性，對(duì)應(yīng)能量守恒，意味著時(shí)間的原點(diǎn)不可觀測(cè)；空間平移評(píng)議不變性，對(duì)應(yīng)動(dòng)量守恒，意味著空間的絕對(duì)位置不可觀測(cè)；空間旋轉(zhuǎn)不變性，對(duì)應(yīng)角動(dòng)量守恒，意味著空間的絕對(duì)方向不可觀測(cè)，等等。在物理學(xué)中對(duì)稱(chēng)性與守恒定律占著重要地位,特別是三個(gè)普遍的守恒定律——?jiǎng)恿俊⒛芰俊⒔莿?dòng)量守恒，其重要性是眾所周知，并且在工程技術(shù)上也得到廣泛的應(yīng)用。因此，為了對(duì)守恒定律的物理實(shí)質(zhì)有較深刻的理解，必須研究體系的時(shí)空對(duì)稱(chēng)性與守恒定律之間的關(guān)系。

本文將著重討論非相對(duì)論情形下討論量子體系的時(shí)空對(duì)稱(chēng)性與三個(gè)守恒定律的關(guān)系，并在最后給出一些我們常見(jiàn)的對(duì)稱(chēng)變換與守恒定律的簡(jiǎn)單介紹。

二、對(duì)稱(chēng)變換及其性質(zhì)

一個(gè)力學(xué)系統(tǒng)的對(duì)稱(chēng)性就是它的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的不變性，在經(jīng)典力學(xué)里，運(yùn)動(dòng)規(guī)律由拉格朗日函數(shù)決定，因而時(shí)空對(duì)稱(chēng)性表現(xiàn)為拉格朗日函數(shù)在時(shí)空變換下的不變性．在量子力學(xué)里，運(yùn)動(dòng)規(guī)律是薛定諤方程，它決定于系統(tǒng)的哈密頓算符，因此，量子力學(xué)系統(tǒng)的對(duì)稱(chēng)性表現(xiàn)為哈密頓算符的不變性。

對(duì)稱(chēng)變換就是保持體系的哈密頓算符不變的變換．在變換S（例如空間平移、空間轉(zhuǎn)動(dòng)等）下，體系的任何狀態(tài)ψ變?yōu)棣转╯）。

三、對(duì)稱(chēng)變換與守恒量的關(guān)系

經(jīng)典力學(xué)中守恒量就是在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不隨時(shí)間變化的量，從此考慮過(guò)渡到量子力學(xué)，當(dāng)是厄米算符，則表示某個(gè)力學(xué)量，而

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

設(shè)是連續(xù)變換，于是可寫(xiě)成為=1+IλF,λ為一無(wú)窮小參量，當(dāng)λ0時(shí)，為恒等變換。考慮到除時(shí)間反演外，時(shí)空對(duì)稱(chēng)變換都是幺正變換，所以

（8）式中忽略λ的高階小量，由上式看到

即F是厄米算符，F(xiàn)稱(chēng)為變換算符的生成元。由此可見(jiàn)，當(dāng)不是厄米算符時(shí)，與某個(gè)力學(xué)量F相對(duì)應(yīng)。再根據(jù)可得

（10）可見(jiàn)F是體系的一個(gè)守恒量。

從上面的討論說(shuō)明，量子體系的對(duì)稱(chēng)性，對(duì)應(yīng)著力學(xué)量的守恒，下面具體討論時(shí)空對(duì)稱(chēng)性與動(dòng)量、能量、角動(dòng)量守恒。

1.空間平移不變性（空間均勻性）與動(dòng)量守恒。

空間平移不變性就是指體系整體移動(dòng)δr時(shí)，體系的哈密頓算符保持不變．當(dāng)沒(méi)有外場(chǎng)時(shí)，體系就是具有空間平移不變性。

設(shè)體系的坐標(biāo)自r平移到，那么波函數(shù)ψ(r)變換到ψ(s)(r)

2.空間旋轉(zhuǎn)不變性（空間各向同性）與角動(dòng)量守恒

空間旋轉(zhuǎn)不變性就是指體系整體繞任意軸n旋δφ時(shí)，體系的哈密頓算符不變。當(dāng)體系處于中心對(duì)稱(chēng)場(chǎng)或無(wú)外場(chǎng)時(shí)，體系具有空間旋轉(zhuǎn)不變性。

3.時(shí)間平移不變性與能量守恒

時(shí)間平移不變性就是指體系作時(shí)間平移時(shí)，其哈密頓算符不變。當(dāng)體系處于不變外場(chǎng)或沒(méi)有外場(chǎng)時(shí)，體系的哈密頓算符與時(shí)間無(wú)關(guān)（），體系具有時(shí)間平移不變性。

和空間平移討論類(lèi)似，時(shí)間平移算符δt對(duì)波函數(shù)的作用就是使體系從態(tài)變?yōu)闀r(shí)間平移態(tài)：

同樣，將（27）式的右端在T的領(lǐng)域展開(kāi)為泰勒級(jí)數(shù)

四、結(jié)語(yǔ)

從上面的討論我們可以看到，三個(gè)守恒定律都是由于體系的時(shí)空對(duì)稱(chēng)性引起的，這說(shuō)明物質(zhì)運(yùn)動(dòng)與時(shí)間空間的對(duì)稱(chēng)性有著密切的聯(lián)系，并且這三個(gè)守恒定律的確立為后來(lái)認(rèn)識(shí)普遍運(yùn)動(dòng)規(guī)律提供了線索和啟示，曾加了我們對(duì)對(duì)稱(chēng)性和守恒定律的認(rèn)識(shí)．對(duì)稱(chēng)性和守恒定律之間的聯(lián)系，使我們認(rèn)識(shí)到，任何一種對(duì)稱(chēng)性，或者說(shuō)一種拉格朗日或哈密頓的變換不變性，都對(duì)應(yīng)著一種守恒定律和一種不可觀測(cè)量，這一結(jié)論在我們的物理研究中具有極其重要的意義，尤其是在粒子物理學(xué)和物理學(xué)中，重子數(shù)守恒、輕子數(shù)守恒和同位旋守恒等內(nèi)稟參量的守恒在我們的研究中起著重要的作用．下表中我們簡(jiǎn)要給出一些對(duì)稱(chēng)性和守恒律之間的關(guān)系。

參考文獻(xiàn)

［1］戴元本.相互作用的規(guī)范理論，科學(xué)出版社，2005.

［2］張瑞明,鐘志成.應(yīng)用群倫導(dǎo)引.華中理工大學(xué)出版社，2001.

［3］A.W.約什.物理學(xué)中的群倫基礎(chǔ).科學(xué)出版社，1982.

［4］W.顧萊納，B.繆勒.量子力學(xué)：對(duì)稱(chēng)性.北京大學(xué)出版社，2002.

［5］于祖榮.核物理中的群論方法.原子能出版社，1993.

［6］卓崇培，劉文杰.時(shí)空對(duì)稱(chēng)性與守恒定律.人民教育出版社，1982.

［7］曾謹(jǐn)言，錢(qián)伯初.量子力學(xué)專(zhuān)題分析（上冊(cè)）.高等教育出版社，1990.207-208.

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