導(dǎo)語(yǔ)：如何才能寫好一篇量子力學(xué)重要概念，這就需要搜集整理更多的資料和文獻(xiàn)，歡迎閱讀由公務(wù)員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

關(guān)鍵詞： 量子力學(xué) 教學(xué)方法改革 創(chuàng)新思維

量子力學(xué)是研究微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué)，自誕生以來(lái)它就成功地說(shuō)明了原子及分子的結(jié)構(gòu)、固體的性質(zhì)、輻射的吸收與發(fā)射、超導(dǎo)等物理現(xiàn)象。作為物理學(xué)專業(yè)的專業(yè)理論課，量子力學(xué)在物理學(xué)專業(yè)中具有極其重要的地位?，F(xiàn)代物理學(xué)的各個(gè)分支，如高能物理、固體物理、核物理、天體物理和激光物理等都是以量子力學(xué)為基礎(chǔ)，并且已經(jīng)滲透到化學(xué)和生物學(xué)等其他學(xué)科。同時(shí)量子理論還具有巨大的實(shí)用價(jià)值，半導(dǎo)體器件和材料、激光技術(shù)、原子能技術(shù)和超導(dǎo)材料等都是以量子力學(xué)原理為基礎(chǔ)的。

通過(guò)對(duì)量子力學(xué)的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以掌握現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)最重要的基礎(chǔ)理論，還可以提高科學(xué)素質(zhì)和思想素質(zhì)，但是量子力學(xué)中的概念和解決問(wèn)題的方法與經(jīng)典物理有著本質(zhì)的不同。學(xué)生普遍反映量子力學(xué)抽象、枯燥、難理解、抓不住重點(diǎn)，學(xué)習(xí)起來(lái)非常困難。針對(duì)以上問(wèn)題，我對(duì)教學(xué)進(jìn)行了思考和探討，采用了一些切實(shí)可行的措施，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生更好地掌握了量子力學(xué)知識(shí)，同時(shí)培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維。

一、教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題

在量子力學(xué)的教學(xué)過(guò)程中，我發(fā)現(xiàn)以下幾個(gè)問(wèn)題。

1.量子力學(xué)是一門十分抽象的課程，其中許多概念、原理都不好理解，并且量子力學(xué)從概念到解決問(wèn)題的方法跟經(jīng)典物理有著根本性的區(qū)別，但是很多學(xué)生習(xí)慣性地用經(jīng)典的思想去理解量子力學(xué)，這樣就不自覺(jué)地增加了難度。比如“波粒二象性”，經(jīng)典物理認(rèn)為波動(dòng)性和粒子性是互不相關(guān)的、相互獨(dú)立的，而量子力學(xué)認(rèn)為波動(dòng)性和粒子性是微觀粒子同時(shí)具備的兩種屬性。

2.學(xué)習(xí)量子力學(xué)，數(shù)學(xué)知識(shí)是必不可少的。量子力學(xué)中有著繁雜的數(shù)學(xué)知識(shí)，例如，數(shù)學(xué)分析中的微積分，代數(shù)學(xué)中的矩陣論，數(shù)學(xué)物理方程的微分方程，復(fù)變函數(shù)，等等。在教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，不少學(xué)生對(duì)已學(xué)過(guò)的數(shù)學(xué)知識(shí)掌握得不是很牢固，在推導(dǎo)公式的過(guò)程中忘記了公式所描述的物理內(nèi)涵，影響了對(duì)量子力學(xué)知識(shí)的理解。

3.由于量子力學(xué)的課時(shí)緊張，教學(xué)過(guò)程中采用了傳統(tǒng)的教學(xué)模式，由教師到學(xué)生的“單向傳授”的教學(xué)形式。學(xué)生失去了主體地位，只能被動(dòng)地接受知識(shí)，學(xué)習(xí)的興趣和積極性不高，導(dǎo)致教學(xué)效率降低。

二、量子力學(xué)的教學(xué)方法改革

1.采用多種教學(xué)手段相結(jié)合的教學(xué)模式。由于量子力學(xué)的內(nèi)容抽象難懂，又是建立在一系列基本假定的基礎(chǔ)之上，不少學(xué)生很難接受，甚至認(rèn)為這門課程沒(méi)有用處。在量子力學(xué)的教學(xué)過(guò)程中，由單一的教師講授過(guò)渡到板書(shū)、錄像、課件、演示實(shí)驗(yàn)等各種手段相結(jié)合的教學(xué)模式，將圖、文、聲、像等信息有機(jī)地組合在一起，形象、直觀、生動(dòng)，容易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。同時(shí)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，學(xué)生可以享受到本校的教學(xué)資源，還可以突破空間的限制，享受到全國(guó)高水平的教學(xué)資源，從而豐富學(xué)生的資料庫(kù)，也為各學(xué)校的師生討論交流提供一個(gè)很好的平臺(tái)。

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，知識(shí)更新非?？?。在教學(xué)中，教師應(yīng)及時(shí)將與量子力學(xué)相關(guān)的科技前沿和高新技術(shù)引入教學(xué)中，介紹與量子力學(xué)密切相關(guān)的課題，闡明科學(xué)技術(shù)中所蘊(yùn)含的量子力學(xué)原理。如我們?cè)谥v解一維無(wú)限深勢(shì)阱時(shí)，將其與半導(dǎo)體量子阱和超晶格這一科學(xué)前沿相聯(lián)系；在講解隧道效應(yīng)時(shí)，將其與掃描隧道顯微鏡相聯(lián)系，進(jìn)而介紹掃描探針操縱單個(gè)原子的實(shí)驗(yàn)。同時(shí)在教學(xué)中，我們理論聯(lián)系實(shí)際，多介紹量子力學(xué)知識(shí)與材料科學(xué)、生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等其他學(xué)科之間的密切聯(lián)系，重點(diǎn)介紹在材料科學(xué)中的廣泛應(yīng)用，包括新材料設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)新材料、材料成分和結(jié)構(gòu)分析技術(shù)等。通過(guò)這種方式，學(xué)生對(duì)這一部分的知識(shí)有了直觀的認(rèn)識(shí)，從而不再感到量子力學(xué)的學(xué)習(xí)枯燥無(wú)味，同時(shí)也提高了接受新知識(shí)、學(xué)習(xí)新知識(shí)的意識(shí)和能力。

2.結(jié)合數(shù)學(xué)知識(shí)，把物理情境的建立作為教學(xué)的重點(diǎn)。量子力學(xué)可以說(shuō)無(wú)處不數(shù)學(xué)，這門學(xué)科對(duì)高級(jí)數(shù)學(xué)語(yǔ)言的成功運(yùn)用，正是它高深與完美的體現(xiàn)。數(shù)學(xué)雖然加深了物理問(wèn)題的難度，卻維護(hù)了理論的嚴(yán)謹(jǐn)性和科學(xué)性。當(dāng)然這不是要求老師從頭到尾、長(zhǎng)篇冗重地推演計(jì)算，合理地修剪枝杈既能讓學(xué)生抓住重點(diǎn)，又免使學(xué)生感到量子力學(xué)只是數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)。對(duì)于學(xué)習(xí)量子力學(xué)的同學(xué)，可以著重于對(duì)物理概念的剖析和物理圖像的描繪，繞過(guò)數(shù)學(xué)分析難點(diǎn)，通過(guò)簡(jiǎn)化模型、對(duì)稱性考慮、極限情形和特例、量綱分析、數(shù)量級(jí)估計(jì)、概念延拓對(duì)比等得出結(jié)論。定量分析盡量只用簡(jiǎn)單的高數(shù)和微積分、常見(jiàn)的常微分方程，對(duì)復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)可以不做講解，只對(duì)少數(shù)優(yōu)秀生或感興趣的同學(xué)個(gè)別輔導(dǎo)。例如，在求解本征方程時(shí)，只介紹動(dòng)量、定軸轉(zhuǎn)子能量本征值的求解；對(duì)無(wú)限深勢(shì)阱情況，薛定諤方程可類比普通物理中的簡(jiǎn)諧振動(dòng)方程；對(duì)氫原子和諧振子的能量本征值問(wèn)題，只重點(diǎn)介紹思路、方法和結(jié)論，不作詳細(xì)推導(dǎo)。

3.充分應(yīng)用類比法，講述量子力學(xué)。經(jīng)典力學(xué)是量子力學(xué)的極限情況，在教授過(guò)程中，應(yīng)盡可能找到“經(jīng)典”對(duì)應(yīng)，應(yīng)用類比方法講述量子力學(xué)中抽象的概念和物理圖像，有助于正確理解量子力學(xué)的物理圖像。用光的單縫、雙縫衍射、干涉說(shuō)明光的波動(dòng)性，用光電效應(yīng)、康普頓散射說(shuō)明光的粒子性，運(yùn)用這種方法有利于學(xué)生掌握光的波粒二象性。在將量子力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)類比的同時(shí)，還要清楚量子力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)在觀念、概念和方法上的區(qū)別。例如，經(jīng)典力學(xué)用位矢、速度描述物體的狀態(tài)，而量子力學(xué)用波函數(shù)描述系統(tǒng)狀態(tài)；經(jīng)典力學(xué)用牛頓第二定律描述狀態(tài)變化，量子力學(xué)用薛定諤方程描述狀態(tài)的變化。另外對(duì)于量子力學(xué)中的波粒二象性、態(tài)迭加原理、統(tǒng)計(jì)原理等都要與經(jīng)典力學(xué)中的相關(guān)概念區(qū)分開(kāi)來(lái)，類比說(shuō)明，闡明清楚其真正內(nèi)涵。

4.改變傳統(tǒng)教學(xué)模式，采用以學(xué)生為主體的教學(xué)模式。量子力學(xué)的現(xiàn)代教學(xué)多以“教師講授”為主，同時(shí)配合多媒體課件輔助教學(xué)，教學(xué)模式較傳統(tǒng)教學(xué)有所變化，多媒體課件教學(xué)雖然能夠在一定程度上激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，但仍然是“填鴨式”的教學(xué)法，沒(méi)能真正地改變傳統(tǒng)教學(xué)的弊端。因此在教學(xué)過(guò)程中，要避免課堂成為教師的一言堂，鼓勵(lì)學(xué)生提問(wèn)，激發(fā)學(xué)生的逆向思維和非規(guī)范性思維等，通過(guò)創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境使師生互動(dòng)起來(lái)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)量子力學(xué)的積極性，加深學(xué)生對(duì)這門課程的理解。還要組織學(xué)生開(kāi)展相關(guān)課題討論，引導(dǎo)學(xué)生自主能動(dòng)地思考，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

三、結(jié)語(yǔ)

“量子力學(xué)”是物理類專業(yè)基礎(chǔ)課程中教學(xué)的難點(diǎn)和重點(diǎn)，建立新的教學(xué)模式，有利于學(xué)生學(xué)習(xí)、理解和掌握這門課程。

參考文獻(xiàn)：

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［2］周世勛.量子力學(xué)教程［M］.高等教育出版社，1979.

［3］胡響明.淺談量子概念的理解［J］.高等函授學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2004，（2）：29.

篇2

人們通常把愛(ài)因斯坦與玻爾之間關(guān)于如何理解量子力學(xué)的爭(zhēng)論，看成是繼地心說(shuō)與日心說(shuō)之后科學(xué)史上最重要的爭(zhēng)論之一。就像地心說(shuō)與日心說(shuō)之爭(zhēng)改變了人們關(guān)于世界的整個(gè)認(rèn)知圖景一樣，愛(ài)因斯坦與玻爾之間的爭(zhēng)論也蘊(yùn)含著值得深入探討的對(duì)理論意義與概念變化的全新理解以及關(guān)于世界的不同看法。有趣的是，他們倆人雖然都對(duì)量子力學(xué)的早期發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)，但是，愛(ài)因斯坦在最早基于普朗克的量子概念提出并運(yùn)用光量子概念成功地解釋了光電效應(yīng)，以及運(yùn)用能量量子化概念推導(dǎo)出固體比熱的量子論公式之后，卻從量子論的奠基者，變成了量子力學(xué)的最強(qiáng)烈的反對(duì)者，甚至是最尖銳的批評(píng)家。截然相反的是，玻爾在1913年同樣基于普朗克的量子概念提出了半經(jīng)典半量子的氫原子模型之后，卻成為量子力學(xué)的哥本哈根解釋的奠基人。愛(ài)因斯坦對(duì)量子力學(xué)的反對(duì)，不是質(zhì)疑其數(shù)學(xué)形式，而是對(duì)成為主流的量子力學(xué)的哥本哈根解釋深感不滿。這些不滿主要體現(xiàn)在愛(ài)因斯坦與玻爾就量子力學(xué)的基礎(chǔ)性問(wèn)題展開(kāi)的三次大論戰(zhàn)中。他們的第一次論戰(zhàn)是在1927年10月24日至29日在布魯塞爾召開(kāi)的第五屆索爾未會(huì)議上進(jìn)行的。這次會(huì)議由洛倫茲主持，其目的是為討論量子論的意義提供一個(gè)最高級(jí)的論壇。在這次會(huì)議上，愛(ài)因斯坦第一次聽(tīng)到了玻爾的互補(bǔ)性觀點(diǎn)，并試圖通過(guò)分析理想實(shí)驗(yàn)來(lái)駁倒玻爾—海森堡的解釋。這一次論戰(zhàn)以玻爾成功地捍衛(wèi)了互補(bǔ)性詮釋的邏輯無(wú)矛盾性而結(jié)束；第二次大論戰(zhàn)是于1930年10月20日至25日在布魯塞爾召開(kāi)并由朗子萬(wàn)主持的第六屆索爾未會(huì)議上進(jìn)行的。在這次會(huì)議上，關(guān)于量子力學(xué)的基礎(chǔ)問(wèn)題仍然是許多與會(huì)代表所共同關(guān)心的主要論題。愛(ài)因斯坦繼續(xù)設(shè)計(jì)了一個(gè)“光子箱”的理想實(shí)驗(yàn)，試圖從相對(duì)論來(lái)玻爾的解釋。但是，在這個(gè)理想實(shí)驗(yàn)中，愛(ài)因斯坦求助于自己創(chuàng)立的相對(duì)論來(lái)反駁海森堡提出的不確定關(guān)系，反倒被玻爾發(fā)現(xiàn)他的論證本身包含了駁倒自己推論的關(guān)鍵因素而放棄。

當(dāng)這兩個(gè)理想實(shí)驗(yàn)都被玻爾駁倒之后，愛(ài)因斯坦雖然不再懷疑不確定關(guān)系的有效性和量子理論的內(nèi)在自洽性。但是，他對(duì)整個(gè)理論的基礎(chǔ)是否堅(jiān)實(shí)仍然缺乏信任。1931年之后，愛(ài)因斯坦對(duì)量子力學(xué)的哥本哈根解釋的質(zhì)疑采取了新的態(tài)度：不是把理想實(shí)驗(yàn)用作正面攻擊海森堡的不確定關(guān)系的武器，而是試圖通過(guò)設(shè)計(jì)思想實(shí)驗(yàn)導(dǎo)出一個(gè)邏輯悖論，以證明哥本哈根解釋把波函數(shù)理解成是描述單個(gè)系統(tǒng)行為的觀點(diǎn)是不完備的，而不再是證明邏輯上的不一致。在這樣的思想主導(dǎo)下，第三次論戰(zhàn)的焦點(diǎn)就集中于論證量子力學(xué)是不完備的觀點(diǎn)。1935年發(fā)表的EPR論證的文章正是在這種背景下撰寫的。從寫作風(fēng)格上來(lái)看，EPR論證既不是從實(shí)驗(yàn)結(jié)果出發(fā)，也不再是完全借助于思想實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行，而是把概念判據(jù)作為討論的邏輯前提。這樣，EPR論證就把討論量子力學(xué)是否完備的問(wèn)題，轉(zhuǎn)化為討論量子力學(xué)能否滿足文章提供的概念判據(jù)的問(wèn)題。由于這些概念判據(jù)事實(shí)上就是哲學(xué)假設(shè)，這就進(jìn)一步把是否滿足概念判據(jù)的問(wèn)題，推向了潛在地接受什么樣的哲學(xué)假設(shè)的問(wèn)題。例如，EPR論證在文章的一開(kāi)始就開(kāi)門見(jiàn)山地指出：“對(duì)于一種物理理論的任何嚴(yán)肅的考查，都必須考慮到那個(gè)獨(dú)立于任何理論之外的客觀實(shí)在同理論所使用的物理概念之間的區(qū)別。這些概念是用來(lái)對(duì)應(yīng)客觀實(shí)在的，我們利用它們來(lái)為自己描繪出實(shí)在的圖像。為了要判斷一種物理理論成功與否，我們不妨提出這樣兩個(gè)問(wèn)題：（1）“這理論是正確的嗎？”（2）“這理論所作的描述是完備的嗎？”只有在對(duì)這兩個(gè)問(wèn)題都具有肯定的答案時(shí)，這種理論的一些概念才可說(shuō)是令人滿意的?！薄?〕從哲學(xué)意義上來(lái)看，這段開(kāi)場(chǎng)白至少蘊(yùn)含了兩層意思，其一，物理學(xué)家之所以能夠運(yùn)用物理概念來(lái)描繪客觀實(shí)在，是因?yàn)槲锢砀拍钍菍?duì)客觀實(shí)在的表征，由這些表征描繪出的實(shí)在圖像，是可想象的。這是真理符合論的最基本的形式，也反映了經(jīng)典實(shí)在論思想的核心內(nèi)容；其二，如果一個(gè)理論是令人滿意的，當(dāng)且僅當(dāng)，這個(gè)理論既正確，又完備。那么，什么是正確的理論與完備的理論呢？EPR論證認(rèn)為，理論的正確性是由理論的結(jié)論同人的經(jīng)驗(yàn)的符合程度來(lái)判斷的。只有通過(guò)經(jīng)驗(yàn)，我們才能對(duì)實(shí)在作出一些推斷，而在物理學(xué)里，這些經(jīng)驗(yàn)是采取實(shí)驗(yàn)和量度的形式的?！?〕也就是說(shuō)，理論正確與否是根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)判定的，正確的理論就是與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合的理論。但文章接著申明說(shuō)，就量子力學(xué)的情況而言，只討論完備性問(wèn)題。言外之意是，量子力學(xué)是正確的，即與實(shí)驗(yàn)相符合，但不一定是完備的。為了討論完備性問(wèn)題，文章首先不加證論地給出了物理理論的完備性條件：如果一個(gè)物理理論是完備的，那么，物理實(shí)在的每一元素都必須在這個(gè)物理理論中有它的對(duì)應(yīng)量。物理實(shí)在的元素必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)和量度來(lái)得到，而不能由先驗(yàn)的哲學(xué)思考來(lái)確定。基于這種考慮，他們又進(jìn)一步提供了關(guān)于物理實(shí)在的判據(jù)：“要是對(duì)于一個(gè)體系沒(méi)有任何干擾，我們能夠確定地預(yù)測(cè)（即幾率等于1）一個(gè)物理量的值，那末對(duì)應(yīng)于這一物理量，必定存在著一個(gè)物理實(shí)在的元素?！?/p>

文章認(rèn)為，這個(gè)實(shí)在性判據(jù)盡管不可能包括所有認(rèn)識(shí)物理實(shí)在的可能方法，但只要具備了所要求的條件，就至少向我們提供了這樣的一種方法。只要不把這個(gè)判據(jù)看成是實(shí)在的必要條件，而只看成是一個(gè)充足條件，那末這個(gè)判據(jù)同經(jīng)典實(shí)在觀和量子力學(xué)的實(shí)在觀都是符合的。綜合起來(lái)，這兩個(gè)判據(jù)的意思是說(shuō)，如果一個(gè)物理量能夠?qū)?yīng)于一個(gè)物理實(shí)在的元素，那么，這個(gè)物理量就是實(shí)在的；如果一個(gè)物理理論的每一個(gè)物理量都能夠?qū)?yīng)于物理實(shí)在的一個(gè)元素，那么，這個(gè)物理學(xué)理論就是完備的。然而，根據(jù)現(xiàn)有的量子力學(xué)的基本假設(shè)，當(dāng)兩個(gè)物理量（比如，位置X與動(dòng)量P）是不可對(duì)易的量（即，XP≠PX）時(shí)，我們就不可能同時(shí)準(zhǔn)確地得到它們的值，即得到其中一個(gè)物理量的準(zhǔn)確值，就會(huì)排除得到另一個(gè)物理量的準(zhǔn)確值的可能，因?yàn)閷?duì)后一個(gè)物理量的測(cè)量，會(huì)改變體系的狀態(tài)，破壞前者的值。這是海森堡的不確定關(guān)系所要求的。于是，他們得出了兩種選擇：要么，（1）由波動(dòng)函數(shù)所提供的關(guān)于實(shí)在的量子力學(xué)的描述是不完備的；要么，（2）當(dāng)對(duì)應(yīng)于兩個(gè)物理量的算符不可對(duì)易時(shí)，這兩個(gè)物理量就不能同時(shí)是實(shí)在的。他們?cè)谶M(jìn)行了這樣的概念闡述之后，接著設(shè)想了曾經(jīng)相互作用過(guò)的兩個(gè)系統(tǒng)分開(kāi)之后的量子力學(xué)描述，然后，根據(jù)他們給定的判據(jù)，得出量子力學(xué)是不完備的結(jié)論。EPR論證發(fā)表不久，薛定諤在運(yùn)用數(shù)學(xué)觀點(diǎn)分折了EPR論證之后，以著名的“薛定諤貓”的理想實(shí)驗(yàn)為例，提出了一個(gè)不同于EPR論證，但卻支持EPR論證觀點(diǎn)的新的論證進(jìn)路。出乎意料的是，愛(ài)因斯坦卻在1936年6月19日寫給薛定諤的一封信中透露說(shuō)，EPR論文是經(jīng)過(guò)他們?nèi)齻€(gè)人的共同討論之后，由于語(yǔ)言問(wèn)題，由波多爾斯基執(zhí)筆完成的，他本人對(duì)EPR的論證沒(méi)有充分表達(dá)出他自己的真實(shí)觀點(diǎn)表示不滿。從愛(ài)因斯坦在1948年撰寫的“量子力學(xué)與實(shí)在”一文來(lái)看，愛(ài)因斯坦對(duì)量子力學(xué)的不完備性的論證主要集中于量子理論的概率特征與非定域性問(wèn)題。他認(rèn)為，物理對(duì)象在時(shí)空中是獨(dú)立存在的，如果不做出這種區(qū)分，就不可能建立與檢驗(yàn)物理學(xué)定律。因此，量子力學(xué)“很可能成為以后一種理論的一部分，就像幾何光學(xué)現(xiàn)在合并在波動(dòng)光學(xué)里面一樣：相互關(guān)系仍然保持著，但其基礎(chǔ)將被一個(gè)包羅得更廣泛的基礎(chǔ)所加深或代替。”顯然，愛(ài)因斯坦后來(lái)對(duì)量子力學(xué)的不完備性問(wèn)題的論證比EPR論證更具體、更明確。EPR論證中的思想實(shí)驗(yàn)只是隱含了對(duì)非定域性的質(zhì)疑，但沒(méi)有明朗化。但就論證問(wèn)題的哲學(xué)前提而言，愛(ài)因斯坦與EPR論證基本上沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的區(qū)別。因此，本文下面只是從哲學(xué)意義上把EPR論證看成是基于經(jīng)典物理學(xué)的概念體系來(lái)理解量子力學(xué)的一個(gè)例證來(lái)討論，而不準(zhǔn)備專門闡述愛(ài)因斯坦本人的觀點(diǎn)。

二、玻爾的反駁與量子整體性

玻爾在EPR論證發(fā)表后不久很快就以與EPR論文同樣的題目也在《物理學(xué)評(píng)論》雜志上發(fā)表了反駁EPR論證的文章。玻爾在這篇文章中重申并升華了他的互補(bǔ)觀念。玻爾認(rèn)為，EPR論證的實(shí)在性判據(jù)中所講的“不受任何方式干擾系統(tǒng)”的說(shuō)法包含著一種本質(zhì)上的含混不清，是建立在經(jīng)典測(cè)量觀基礎(chǔ)上的一種理想的說(shuō)法。因?yàn)樵诮?jīng)典測(cè)量中，被測(cè)量的對(duì)象與測(cè)量?jī)x器之間的相互作用通?？梢员缓雎圆挥?jì)，測(cè)量結(jié)果或現(xiàn)象被無(wú)歧義地認(rèn)為反映了對(duì)象的某一特性。但是，在量子測(cè)量系統(tǒng)中，不僅曾經(jīng)相互作用過(guò)的兩個(gè)粒子，在空間上彼此分離開(kāi)之后，仍然必須被看成是一個(gè)整體，而且，被測(cè)量的量子系統(tǒng)與測(cè)量?jī)x器之間存在著不可避免的相互作用，這種相互作用將會(huì)在根本意義上影響量子對(duì)象的行為表現(xiàn)，成為獲得測(cè)量結(jié)果或?qū)嶒?yàn)現(xiàn)象的一個(gè)基本條件，從而使人們不可能像經(jīng)典測(cè)量那樣獨(dú)立于測(cè)量手段來(lái)談?wù)撛蝇F(xiàn)象。玻爾把量子現(xiàn)象對(duì)測(cè)量設(shè)置的這種依賴性稱為量子整體性（whole-ness）。

在玻爾看來(lái)，為了明確描述被測(cè)量的對(duì)象與測(cè)量?jī)x器之間的相互作用，希望把對(duì)象與儀器分離開(kāi)來(lái)的任何企圖，都會(huì)違反這種基本的整體性。這樣，在量子測(cè)量中，量子對(duì)象的行為失去了經(jīng)典對(duì)象具有的那種自主性，即量子測(cè)量過(guò)程中所觀察到的量子對(duì)象的行為表現(xiàn)，既屬于量子對(duì)象，也屬于實(shí)驗(yàn)設(shè)置，是兩者相互作用的結(jié)果。因此，在量子測(cè)量中，“觀察”的可能性問(wèn)題變成了一個(gè)突出的認(rèn)識(shí)論問(wèn)題：我們不僅不能離開(kāi)觀察條件來(lái)談?wù)摿孔蝇F(xiàn)象，而且，試圖明確地區(qū)分對(duì)象的自主行為以及對(duì)象與測(cè)量?jī)x器之間的相互作用，不再是一件可能的事情。玻爾指出，“確實(shí)，在每一種實(shí)驗(yàn)設(shè)置中，區(qū)分物理系統(tǒng)的測(cè)量?jī)x器與研究客體的必要性，成為在對(duì)物理現(xiàn)象的經(jīng)典描述與量子力學(xué)的描述之間的原則性區(qū)別?！薄?〕海森堡也曾指出，“在原子物理學(xué)中，不可能再有像經(jīng)典物理學(xué)意義下的那種感知的客觀化可能性。放棄這種客觀化可能性的邏輯前提，是由于我們斷定，在觀察原子現(xiàn)象的時(shí)候，不應(yīng)該忽略觀察行動(dòng)所給予被觀察體系的那種干擾。對(duì)于我們?nèi)粘Ｉ钪信c之打交道的那些重大物體來(lái)說(shuō)，觀察它們時(shí)所必然與之相連的很小一點(diǎn)干擾，自然起不了重要作用?！?/p>

另一方面，作用量子的發(fā)現(xiàn)，揭示了量子世界的不連續(xù)性。這種不連續(xù)性觀念的確立，又相應(yīng)地導(dǎo)致了一系列值得思考的根本問(wèn)題。首先，就經(jīng)典概念的運(yùn)用而言，一旦我們所使用的每一個(gè)概念或詞語(yǔ)，不再以連續(xù)性的觀念為基礎(chǔ)，它們就會(huì)成為意義不明確的概念或詞語(yǔ)。如果我們希望仍然使用這些概念來(lái)描述量子現(xiàn)象，那么，我們所付出的代價(jià)是，限制這些概念的使用范圍和精確度。對(duì)于完備地反映微觀物理實(shí)在的特性而言，描述現(xiàn)象所使用的經(jīng)典概念是既相互排斥又相互補(bǔ)充的。這是玻爾的互補(bǔ)性觀念的精神所在。有鑒于此，玻爾認(rèn)為，EPR論證根本不會(huì)影響量子力學(xué)描述的可靠性，反而是揭示了按照經(jīng)典物理學(xué)中傳統(tǒng)的自然哲學(xué)觀點(diǎn)或經(jīng)典實(shí)在論來(lái)闡述量子測(cè)量現(xiàn)象時(shí)存在的本質(zhì)上的不適用性。他指出：“在所有考慮的這些現(xiàn)象中，我們所處理的不是那種以任意挑選物理實(shí)在的各種不同要素而同時(shí)犧牲其他要素為其特征的一種不完備的描述，而是那種對(duì)于本質(zhì)上不同的一些實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)步驟的合理區(qū)分；……事實(shí)上，在每一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置中對(duì)于物理實(shí)在描述的這一個(gè)或那一個(gè)方面的放棄（這些方面的結(jié)合是經(jīng)典物理學(xué)方法的特征，因而在此意義上它們可以被看作是彼此互補(bǔ)的），本質(zhì)上取決于量子論領(lǐng)域中精確控制客體對(duì)測(cè)量?jī)x器反作用的不可能性；這種反作用也就是指位置測(cè)量時(shí)的動(dòng)量傳遞，以及動(dòng)量測(cè)量時(shí)的位移。正是在這后一點(diǎn)上，量子力學(xué)和普通統(tǒng)計(jì)力學(xué)之間的任何對(duì)比都是在本質(zhì)上不妥當(dāng)?shù)摹还苓@種對(duì)比對(duì)于理論的形式表示可能多么有用。事實(shí)上，在適于用來(lái)研究真正的量子現(xiàn)象的每一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置中，我們不但必將涉及對(duì)于某些物理量的值的無(wú)知，而且還必將涉及無(wú)歧義地定義這些量的不可能性?！逼浯危土孔用枋龅目赡苄远?，玻爾認(rèn)為，我們“位于”世界之中，不可能再像在經(jīng)典物理學(xué)中那樣扮演“上帝之眼”的角色，站在世界之外或從“外部”來(lái)描述世界，不可能獲得作為一個(gè)整體的世界的知識(shí)。玻爾把這種描述的可能性與心理學(xué)和認(rèn)知科學(xué)中對(duì)自我認(rèn)識(shí)的可能性進(jìn)行了類比。在心理學(xué)和認(rèn)知科學(xué)中，知覺(jué)主體本身是進(jìn)行自我意識(shí)的一部分這一事實(shí)，限制了對(duì)自我認(rèn)識(shí)的純客觀描述的可能性。用玻爾形象化的比喻來(lái)說(shuō)，在生活的舞臺(tái)上，我們既是演員，又是觀眾。因此，量子描述的客觀性位于理想化的純客觀描述與純主觀描述之間的某個(gè)地方。

為此，玻爾認(rèn)為，物理學(xué)的任務(wù)不是發(fā)現(xiàn)自然界究竟是怎樣的，而是提供對(duì)自然界的描述。海森堡也曾指出，在原子物理學(xué)領(lǐng)域內(nèi)，“我們又尖銳地碰到了一個(gè)最基本的真理，即在科學(xué)方面我們不是在同自然本身而是在同自然科學(xué)打交道?！睈?ài)因斯坦則堅(jiān)持認(rèn)為，在科學(xué)中，我們應(yīng)當(dāng)關(guān)心自然界在干什么，物理學(xué)家的工作不是告訴人們關(guān)于自然界能說(shuō)些什么。愛(ài)因斯坦的觀點(diǎn)是EPR論證所蘊(yùn)含的。這兩種理論觀之間的分歧，事實(shí)上，不僅是有沒(méi)有必要考慮和闡述包括概念、儀器等認(rèn)知中介的作用的分歧，而且是能否把量子力學(xué)納入到經(jīng)典科學(xué)的思維方式當(dāng)中的分歧。EPR論證以經(jīng)典科學(xué)的方法論與認(rèn)識(shí)論為前提，認(rèn)為正確的科學(xué)理論理應(yīng)是對(duì)自然界的正確反映，認(rèn)知中介對(duì)測(cè)量結(jié)果不會(huì)產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的影響；而玻爾與海森堡則以接受量子測(cè)量帶來(lái)的認(rèn)識(shí)論教益為前提，認(rèn)為量子力學(xué)已經(jīng)失去了經(jīng)典科學(xué)具有的那種概念與物理實(shí)在之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，認(rèn)知中介的設(shè)定成為人類認(rèn)識(shí)微觀世界的基本前提。第三，就主體與客體的關(guān)系問(wèn)題而言，EPR論證認(rèn)為，認(rèn)知主體與客體之間存在著明確的分界線。這意味著，所有的主體都能對(duì)客體進(jìn)行同樣的描述，并且他們描述現(xiàn)象所用的概念與語(yǔ)言是無(wú)歧義的。無(wú)歧義意味著對(duì)概念或語(yǔ)言的意義的理解是一致的。而對(duì)于量子測(cè)量而言，對(duì)客體的描述包含了主體遵守的作為世界組成部分的描述條件的說(shuō)明，從而顯現(xiàn)了一種新的主客體關(guān)系。為此，我們可以把主體與客體之間的關(guān)系劃分為三類：其一，能夠在主體與客體之間劃出分界線，所有的主體對(duì)客體的描述都是相同的，EPR論證屬于此類；其二，能夠在主體與客體之間劃出分界線，但主體對(duì)客體的描述是因人而異的，人們對(duì)藝術(shù)品的欣賞屬于此類；其三，不可能在主體與客體之間劃出分界線，主體對(duì)客體的描述包括了對(duì)測(cè)量條件的描述在內(nèi)，玻爾對(duì)EPR論證的反駁屬于此類。顯然，EPR論證隱含的主客體關(guān)系與玻爾所理解的量子測(cè)量中的主客體關(guān)系之間存在著實(shí)質(zhì)性的差別。EPR論證是沿襲了經(jīng)典實(shí)在論的觀點(diǎn)，而玻爾的觀點(diǎn)代表了他基于量子力學(xué)的形式體系總結(jié)出來(lái)的某種新的認(rèn)識(shí)。在這里，就像不能用歐幾里得幾何的時(shí)空觀來(lái)反對(duì)非歐幾何的時(shí)空觀一樣，我們也不能用經(jīng)典意義上的理論觀反對(duì)量子意義上的理論觀。因此，可以說(shuō)，物理學(xué)家關(guān)于如何理解量子力學(xué)問(wèn)題的爭(zhēng)論，在很大程度上，蘊(yùn)含了他們關(guān)于科學(xué)研究的哲學(xué)假設(shè)之間的爭(zhēng)論。

三、實(shí)驗(yàn)的形而上學(xué)

EPR論證不僅引發(fā)了量子物理學(xué)家關(guān)于物理學(xué)基礎(chǔ)理論問(wèn)題的哲學(xué)討論，而且還創(chuàng)立了“實(shí)驗(yàn)的形而上學(xué)”，提供了物理學(xué)家如何基于形而上學(xué)的觀念之爭(zhēng)，最終探索出通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)其結(jié)論的一個(gè)典型案例。這一過(guò)程與尋找量子論的隱變量解釋的努力聯(lián)系在一起。量子力學(xué)的隱變量解釋的最早方案是德布羅意在1927年提出的“導(dǎo)波”理論。1932年，馮•諾意曼在他的《量子力學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)》一書(shū)中曾根據(jù)量子力學(xué)的概念體系提出了四個(gè)假設(shè)，并且證明，隱變量理論和他的第四個(gè)假設(shè)（即，可加性假設(shè)）相矛盾，認(rèn)為通過(guò)設(shè)計(jì)隱變量的觀念來(lái)把量子理論置于決定論體系之中的任何企圖都注定是失敗的。馮•諾意曼的這一工作在為量子論的隱變量解釋判了死刑的同時(shí)，也極大地支持了量子力學(xué)的哥本哈根解釋。有意思的是，曾是量子力學(xué)的哥本哈根解釋的支持者與傳播者的玻姆，在1951年基于量子力學(xué)的哥本哈根精神出版了至今仍然有影響的《量子理論》一書(shū)，并在書(shū)的結(jié)尾，以EPR論證為基礎(chǔ)，提出了“量子理論同隱變量不相容的一個(gè)證明”之后，從1952年開(kāi)始反而致力于從邏輯上為量子力學(xué)提供一種隱變量解釋的研究。

玻姆闡述隱變量理論的目標(biāo)可以大致概括為兩個(gè)方面，一是試圖用能夠直覺(jué)想象的概念為量子概率和量子測(cè)量提供一種可理解的說(shuō)明，證明為量子論提供一個(gè)決定論的基礎(chǔ)是可行的；二是希望從邏輯上表明，隱變量理論是有可能的，“不論這種理論是多么抽象和‘玄學(xué)’?！辈Ｄ返淖非箫@然是一種信念的支撐，而不是事實(shí)之使然。在這種信念的引導(dǎo)下，玻姆在1952年連續(xù)發(fā)表了兩篇闡述隱變量理論的文章，在這些文章中，他用經(jīng)典方式定義波函數(shù)，假定微觀粒子像經(jīng)典粒子一樣總是具有精確的位置和精確的動(dòng)量，闡述了一種可能的量子論的隱變量解釋，最后，用一個(gè)粒子的兩個(gè)自旋分量代替EPR論證中的坐標(biāo)與動(dòng)量，討論了EPR論證的思想實(shí)驗(yàn)，并運(yùn)用量子場(chǎng)與量子勢(shì)概念解釋了測(cè)量一個(gè)粒子的位置影響第二個(gè)粒子的動(dòng)量的原因。

貝爾在讀了玻姆的文章之后，認(rèn)為有必要重新系統(tǒng)地研究量子力學(xué)的基本問(wèn)題。貝爾試圖解決的矛盾是：如果馮•諾意曼的證明成立，那么，怎么會(huì)有可能建立一個(gè)邏輯上無(wú)矛盾的隱變量理論呢？為了搞明白問(wèn)題，貝爾首先重新剖析了馮•諾意曼的關(guān)于隱變量的不可能性的證明和EPR論證中設(shè)想的思想實(shí)驗(yàn)，然后，抓住了隱變量理論的共同本質(zhì)，于1964年發(fā)表了“關(guān)于EPR悖論”的文章。在這篇文章中，貝爾引述了用自旋函數(shù)來(lái)表述EPR論證的玻姆說(shuō)法，或者說(shuō)，從EPR—玻姆的思想實(shí)驗(yàn)出發(fā)，以轉(zhuǎn)動(dòng)不變的獨(dú)立波函數(shù)描述組合系統(tǒng)的態(tài)，推導(dǎo)出一個(gè)不同于量子力學(xué)預(yù)言的、符合定域隱變量理論的關(guān)于自旋相關(guān)度的不等式，通常稱為貝爾不等式或貝爾定理，然后，用歸謬法了量子力學(xué)的預(yù)言和貝爾不等式相符的可能性，說(shuō)明任何定域的隱變量理論，不論它的變數(shù)的本性是什么，都在某些參數(shù)上同量子力學(xué)相矛盾。貝爾還假設(shè)，如果所進(jìn)行的兩個(gè)測(cè)量在空間上彼此相距甚遠(yuǎn)，那么，沿著一個(gè)磁場(chǎng)方向的測(cè)量，將不會(huì)影響到另一個(gè)測(cè)量結(jié)果。貝爾把這個(gè)假設(shè)稱為“定域性假設(shè)”。從這個(gè)假設(shè)出發(fā)，貝爾指出，如果我們可以從第一個(gè)測(cè)量結(jié)果預(yù)言第二個(gè)測(cè)量結(jié)果，測(cè)量可以沿著任何一個(gè)坐標(biāo)軸來(lái)進(jìn)行，那么，測(cè)量的結(jié)果一定是已經(jīng)預(yù)先確定了的。但是，由于波函數(shù)不對(duì)這種預(yù)先確定的量提供任何描述，所以，這種預(yù)定的結(jié)果一定是通過(guò)決定論的隱變量來(lái)獲得的。貝爾后來(lái)申明說(shuō)，他在“關(guān)于EPR悖論”一文中假設(shè)的是定域性，而不是決定論，決定論是一種推斷，不是一個(gè)假設(shè)，或者說(shuō)，貝爾的這篇文章是從定域性推論出決定論，而不是開(kāi)始于決定論的隱變量。從邏輯前提上來(lái)看，貝爾的假設(shè)更接近于愛(ài)因斯坦的假設(shè)，他們都把“定域性條件”看成是比“決定論前提”更基本的概念。因此，貝爾的工作比馮•諾意曼和玻姆的工作更進(jìn)一步地推進(jìn)了關(guān)于量子力學(xué)的根本特征的理解。貝爾的這篇文章具有劃時(shí)代的意義。它不僅成為20世紀(jì)下半葉物理學(xué)與哲學(xué)研究中引用率最高的文獻(xiàn)之一，而且為進(jìn)一步設(shè)計(jì)具體的實(shí)驗(yàn)來(lái)澄清量子力學(xué)的內(nèi)在本性邁出了決定性的一步。粒子物理學(xué)家斯塔普（HenryStapp）甚至把貝爾定理的提出說(shuō)成是“意義最深遠(yuǎn)的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。”

同EPR論證一樣，貝爾的這一發(fā)現(xiàn)也不是從實(shí)驗(yàn)中總結(jié)出來(lái)的，而是基于哲學(xué)信念的邏輯推理的結(jié)果。此后，量子物理學(xué)界進(jìn)一步推廣貝爾定理的理論研究與具體實(shí)驗(yàn)方案的探索工作并行不悖地開(kāi)展起來(lái)。而這些工作都與EPR論證相關(guān)。就實(shí)驗(yàn)進(jìn)展而言，物理學(xué)界承認(rèn)，阿斯佩克特等人于1982年關(guān)于“實(shí)現(xiàn)EPR-玻姆思想實(shí)驗(yàn)”的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，支持了量子力學(xué)，針對(duì)這樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，貝爾指出：“依我看，首先，人們必定說(shuō)，這些結(jié)果是所預(yù)料到的。因?yàn)樗鼈兣c量子力學(xué)預(yù)示相一致。量子力學(xué)畢竟是科學(xué)的一個(gè)極有成就的科學(xué)分支，很難相信它可能是錯(cuò)誤的。盡管如此，人們還是認(rèn)為，我也認(rèn)為值得做這種非常具體的實(shí)驗(yàn)。這種實(shí)驗(yàn)把量子力學(xué)最奇特的一個(gè)特征分離了出來(lái)。原先，我們只是信賴于旁證。量子力學(xué)從沒(méi)有錯(cuò)過(guò)。但現(xiàn)在我們知道了，即使在這些非?？量痰臈l件下，它也不會(huì)錯(cuò)的?！?/p>

雖然EPR論證的初衷是希望證明量子力學(xué)是不完備的，還沒(méi)有提出量子測(cè)量的非定域性概念，但是，物理學(xué)家則通常運(yùn)用EPR思想實(shí)驗(yàn)的術(shù)語(yǔ)來(lái)討論非定域性問(wèn)題。經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展，具體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果使EPR論證失去了對(duì)量子力學(xué)的挑戰(zhàn)性。一方面，這些實(shí)驗(yàn)證實(shí)了非定域性是所有量子論的一個(gè)基本屬性，要求把在同一個(gè)物理過(guò)程中生成的兩個(gè)相關(guān)粒子永遠(yuǎn)當(dāng)作一個(gè)整體來(lái)對(duì)待，不能分解為兩個(gè)獨(dú)立的個(gè)體，其中，一個(gè)粒子發(fā)生任何變化，另一個(gè)粒子必定同時(shí)發(fā)生相應(yīng)的變化，這種相互影響與它們的空間距離無(wú)關(guān)；另一方面，這些實(shí)驗(yàn)也表明了EPR論證提供的哲學(xué)假設(shè)不再是判斷量子力學(xué)是否完備的有效前提，而是反過(guò)來(lái)提醒我們需要重新思考玻爾在反駁EPR論證的觀點(diǎn)中所蘊(yùn)含的哲學(xué)啟迪?？偠灾珽PR論證盡管是基于哲學(xué)假設(shè)，運(yùn)用思想實(shí)驗(yàn)，來(lái)駁斥量子力學(xué)的完備性，但在客觀上，物理學(xué)家圍繞這一論證的討論，最終在思想實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上出乎意料地發(fā)展出可以具體操作的實(shí)驗(yàn)方案，并且獲得了有效的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這一段歷史發(fā)展不僅證明，無(wú)論在哲學(xué)假設(shè)的問(wèn)題上，還是在物理概念的意義理解的問(wèn)題上，量子力學(xué)都不是對(duì)經(jīng)典物理學(xué)的補(bǔ)充和擴(kuò)展，是一個(gè)蘊(yùn)含有新的哲學(xué)假設(shè)的理論。正是在這種意義上，物理學(xué)家玻恩得出了“理論物理學(xué)是真正的哲學(xué)”的斷言。

四、認(rèn)識(shí)論的思維方式

如前所述，EPR論證—玻姆—貝爾這條發(fā)展主線是把對(duì)物理學(xué)問(wèn)題鑲嵌在哲學(xué)信念中進(jìn)行思考的。這一歷史片斷揭示出，基于哲學(xué)信念的邏輯推理在物理學(xué)的理論研究與實(shí)驗(yàn)研究中起到了積極的認(rèn)知作用。一方面，在這些探索方式中，不論是EPR論證的真理符合論假設(shè)，玻姆的決定論假設(shè)，還是貝爾的定域性假設(shè)，它們的初衷都是希望能夠把量子力學(xué)納入到經(jīng)典物理學(xué)的概念框架或哲學(xué)信念之中。另一方面，檢驗(yàn)貝爾不等式的物理學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)量子力學(xué)的支持和對(duì)貝爾不等式的違背意味著，我們不應(yīng)該依舊固守經(jīng)典物理學(xué)的哲學(xué)假設(shè)來(lái)質(zhì)疑量子力學(xué)，而是應(yīng)該顛倒過(guò)來(lái)，積極主動(dòng)地揭示量子力學(xué)蘊(yùn)含的哲學(xué)思想，以進(jìn)一步明確經(jīng)典物理學(xué)的哲學(xué)假設(shè)的適用范圍。

但是，這種視域的逆轉(zhuǎn)不是簡(jiǎn)單地倡導(dǎo)用量子力學(xué)的哲學(xué)假設(shè)取代經(jīng)典物理學(xué)的哲學(xué)假設(shè)，也不是武斷地主張用玻爾的理論觀替代EPR論證所蘊(yùn)含的理論觀，而是提倡擺脫習(xí)以為常的自然哲學(xué)的思維方式，確立認(rèn)識(shí)論的思維方式。自然哲學(xué)的思維方式是一種本體論化的思維方式。這種思維方式是從古希臘延續(xù)下來(lái)的，追求概念與實(shí)在之間的直接的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，忽視或缺乏對(duì)認(rèn)知過(guò)程中不可避免的認(rèn)知中介和理論框架的考慮。從起源上來(lái)講，這種無(wú)視認(rèn)知中介的本體論化的思維方式，源于常識(shí)，是對(duì)常識(shí)的一種延伸外推與精致化。近代自然科學(xué)的發(fā)展進(jìn)一步強(qiáng)化與鞏固了這種思維方式。EPR論證也是基于這種思維方式使經(jīng)典科學(xué)蘊(yùn)含的哲學(xué)假設(shè)以具體化的判據(jù)形式呈現(xiàn)出來(lái)。然而，與過(guò)去的物理學(xué)理論所不同的是。量子力學(xué)不再是關(guān)于可存在量（beable）的理論，而是關(guān)于可觀察量（observable）的理論，“是理論決定我們的觀察內(nèi)容”這一句話，既是愛(ài)因斯坦創(chuàng)立相對(duì)論的感想，也為海森堡提出不確定關(guān)系提供了觀念啟迪。就理論形式而言，量子力學(xué)的理論描述用的是數(shù)學(xué)語(yǔ)言，而不是日常語(yǔ)言。用數(shù)學(xué)語(yǔ)言描述的微觀世界是一個(gè)多位空間的世界，而我們作為人類，很難直觀地想象這樣的世界，更不可能直接“進(jìn)入”這個(gè)世界來(lái)“觀看”一切。人類感知的這種局限性是原則性的，從而限制了我們對(duì)微觀世界的知識(shí)的全面獲得。用玻爾的話來(lái)說(shuō)，我們對(duì)一個(gè)微觀對(duì)象的最大限度的知識(shí)不可能從單個(gè)實(shí)驗(yàn)中獲得，而只能從既相互排斥又相互補(bǔ)充的實(shí)驗(yàn)安排中獲得。用玻恩的話來(lái)說(shuō)，在量子測(cè)量中，觀察與測(cè)量并不是指自然現(xiàn)象本身，而是一種投影。

篇3

（一）經(jīng)典物理中的粒子與波

在經(jīng)典物理中，一般認(rèn)為波和粒子存在著巨大的差別，那么這兩者之間的不同之處到底在什么地方呢？

在經(jīng)典物理中，一般認(rèn)為粒子是在空間中獨(dú)立離散的存在的物質(zhì)，并且具有一定大小和質(zhì)量，比如電子的質(zhì)量為9.10938215（45）×10-31千克，雖然很小，但是我們可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)間接地測(cè)量出來(lái)。此外，當(dāng)粒子在某一方向上受到力的作用時(shí)，該粒子的速度大小會(huì)發(fā)生改變，也就是說(shuō)，力在此時(shí)起到了阻礙或者加速運(yùn)動(dòng)的作用，改變了粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。而當(dāng)兩個(gè)粒子碰撞時(shí)，會(huì)產(chǎn)生動(dòng)量的交換，若是在非彈性碰撞的條件下，還會(huì)有動(dòng)能的損失。

與粒子不同，波是振動(dòng)的傳播，一般分為兩種，一種是要依靠介質(zhì)而存在的機(jī)械波，另一種為不需要介質(zhì)也可以存在的電磁波，兩者都無(wú)法在空間中占據(jù)一定的體積，因此也沒(méi)有質(zhì)量這個(gè)概念。由于波是一直運(yùn)動(dòng)著的，因此無(wú)法相對(duì)于某一參考系保持相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，雖然波一直在保持運(yùn)動(dòng)，但是其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)又與粒子的運(yùn)動(dòng)存在著非常大的不同。

（二）量子力學(xué)中的波粒二象性

通過(guò)上節(jié)的描述和對(duì)比，我們發(fā)現(xiàn)波和粒子無(wú)論在存在形式還是運(yùn)動(dòng)狀態(tài)上，都存在著明顯的不同，這也就是說(shuō)在經(jīng)典力學(xué)中，波和粒子是完全不同的兩個(gè)物理現(xiàn)象。接下來(lái)我們?cè)賮?lái)討論一下在量子力學(xué)中，波粒二象性在哪些方面體現(xiàn)了粒子的特征，在哪些方面又體現(xiàn)了波的特征。

在量子力學(xué)中，我們認(rèn)為一切可承載能量的載體都是粒子，比如說(shuō)在經(jīng)典物理范圍內(nèi)的粒子，以及在量子力學(xué)中才體現(xiàn)出粒子性來(lái)的光子，此時(shí)的粒子，已不再要求其必須具有一定的體積和質(zhì)量。

由于沒(méi)有絕對(duì)的靜止，所以根據(jù)德布羅意的假設(shè)“實(shí)物粒子也具有波動(dòng)性”可以推知，一切的粒子都存在著波動(dòng)，從而經(jīng)典物理中相對(duì)靜止的觀念不得不被放棄。在量子力學(xué)中，一切的粒子的行為具有了波長(zhǎng)，頻率，但是此時(shí)的動(dòng)量與能量的表達(dá)式為

其中為普朗克常量，這是在經(jīng)典物理中，無(wú)論波還是粒子從未存在過(guò)的，因?yàn)檫@兩個(gè)公式將粒子運(yùn)動(dòng)獨(dú)有而波動(dòng)沒(méi)有的動(dòng)量，波動(dòng)獨(dú)有的而粒子運(yùn)動(dòng)所沒(méi)有的頻率和波長(zhǎng)統(tǒng)一了起來(lái)。由式子（3）可以看到，由于在經(jīng)典物理一般處理的是動(dòng)量比較大的物質(zhì)，而普朗克常量又是一個(gè)很小的數(shù)值，因此其波動(dòng)性沒(méi)能體現(xiàn)出來(lái)。雖然粒子運(yùn)動(dòng)時(shí)具有了波的行為，會(huì)產(chǎn)生干涉和衍射現(xiàn)象，比如勞厄衍射光柵實(shí)驗(yàn)以及戴維遜和湯姆遜利用晶體所做的電子束衍射實(shí)驗(yàn)所驗(yàn)證的那樣，但是，在受到力或者與其他粒子相互作用時(shí)，粒子依然保持著經(jīng)典物理中粒子的特點(diǎn)，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（比如說(shuō)動(dòng)量和能量）依然會(huì)發(fā)生改變，比如在康普頓實(shí)驗(yàn)中我們知道，經(jīng)過(guò)石墨散射后的X射線的波長(zhǎng)會(huì)變長(zhǎng)，能量相應(yīng)的也會(huì)發(fā)生變化，這就使我們不得不放棄經(jīng)典物理中波的傳播速度和頻率不會(huì)改變的法則。

通過(guò)以上討論，我們發(fā)現(xiàn)波粒二象性既沒(méi)有完全采用粒子的全部性質(zhì)，也沒(méi)有全部采用波的全部性質(zhì)，在存在形式上保留了粒子離散性的特點(diǎn)，在運(yùn)動(dòng)形式上保留了波動(dòng)的特點(diǎn)，但是在受力或者與其他粒子相互作用時(shí)又保留了粒子的特點(diǎn)。除了在兩個(gè)經(jīng)典物理概念中各自繼承的概念外，還通過(guò)公式（3）、（4）等概念，擴(kuò)展了我們對(duì)物理學(xué)的認(rèn)識(shí)，公式（3），（4）也是量子力學(xué)超越經(jīng)典物理，并將粒子性質(zhì)與波動(dòng)性質(zhì)統(tǒng)一起來(lái)的關(guān)鍵點(diǎn)。

篇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)，其目的是力圖摹寫客觀實(shí)在。這種摹寫的認(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?？茖W(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?？茖W(xué)語(yǔ)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(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?！?〕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。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?？梢韵胂?，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?！?〕

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，一種全新的語(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?！?〕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，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(méi)有構(gòu)成與人類的時(shí)空經(jīng)驗(yàn)相關(guān)聯(lián)的自洽的實(shí)在圖景?；パa(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?！?0〕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?！?2〕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?！?3〕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。廣延性優(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)?？墒且粋€(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?！薄?4〕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。

篇5

1985年秋天，我免試進(jìn)入南京大學(xué)物理系開(kāi)始本科學(xué)習(xí)，從此與物理結(jié)下不解之緣.我們那一屆南大物理系招了約120人，其中女生16人.進(jìn)校時(shí)就分了專業(yè)，我們晶體物理專業(yè)有20人，其中女生4人.記得剛進(jìn)校時(shí)，系里就安排了幾場(chǎng)報(bào)告會(huì)介紹學(xué)校和物理系的概況.聆聽(tīng)著從1920年以來(lái)南大物理系發(fā)展和不斷壯大的歷史，感悟著從這里走出來(lái)的一位位名家的故事，我這才意識(shí)到自己能進(jìn)入南大物理系學(xué)習(xí)是多么幸運(yùn).

物理系學(xué)生的課程學(xué)習(xí)是緊張的，從力學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)和熱學(xué)等普通物理開(kāi)始，再到理論力學(xué)、量子力學(xué)、電動(dòng)力學(xué)和統(tǒng)計(jì)力學(xué)等理論物理，最后再學(xué)固體物理，一環(huán)套一環(huán)，層層深入.雖說(shuō)基礎(chǔ)物理中的絕大部分概念在中學(xué)已經(jīng)提及，但實(shí)際上到了大學(xué)，需要在新的層次上重新認(rèn)識(shí)和理解諸如動(dòng)量、溫度、熵等基本概念；同時(shí)課程學(xué)習(xí)更是思維方法和習(xí)慣的訓(xùn)練過(guò)程，比如我們通過(guò)力學(xué)的學(xué)習(xí)培養(yǎng)代數(shù)思維，學(xué)會(huì)抓主要矛盾進(jìn)行近似處理，而思維的培養(yǎng)往往比純粹的知識(shí)獲得更為重要.在理論物理中，我對(duì)量子力學(xué)的學(xué)習(xí)最有印象.我們?cè)谙到y(tǒng)學(xué)習(xí)量子力學(xué)之前，有“物理學(xué)史”和“近代物理基礎(chǔ)”作先導(dǎo)課程，對(duì)物質(zhì)波、波粒二象性等概念已有了些許認(rèn)識(shí)，然后有“數(shù)學(xué)物理方法”做數(shù)學(xué)后盾，學(xué)習(xí)量子力學(xué)時(shí)覺(jué)得非常有意思，值得思考的概念多，初想不通的物理過(guò)程也多，但當(dāng)一個(gè)個(gè)貌似困難的問(wèn)題被攻克后，那種興奮和享受真是令人難忘.在量子力學(xué)的學(xué)習(xí)中，我覺(jué)得自己真的是可以學(xué)物理的.從大一到大三，我們絕大部分課是在能容納二百人的大教室上的，記得那時(shí)我們十幾個(gè)女生常常坐在教室的前兩排，這樣除了聽(tīng)課的效果特別好以外，據(jù)說(shuō)還構(gòu)成一道亮麗的風(fēng)景.我們的老師大都很有教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，絲絲入扣，循循善誘，我習(xí)慣于筆頭勤一點(diǎn)，在課堂上跟著老師完成公式推導(dǎo)，課后翻閱一些參考書(shū)進(jìn)一步理解概念，然后做一些習(xí)題，有時(shí)還做一些小論文，大部分課程學(xué)得比較自如.

大學(xué)里物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)讓我們受益匪淺.那時(shí)實(shí)驗(yàn)課大都安排在晚上，每周有兩到三次.每逢有實(shí)驗(yàn)課，大家都早早吃過(guò)晚飯，急匆匆往物理樓趕，然后三三兩兩地等在實(shí)驗(yàn)室的門口，生怕來(lái)遲會(huì)影響當(dāng)晚的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展.實(shí)驗(yàn)時(shí)也都很專注，常常是兩個(gè)人合作，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)時(shí)就分工明確，合作起來(lái)一般都很協(xié)調(diào)，也很愉快.記得起初，我們總以搶先測(cè)得當(dāng)日實(shí)驗(yàn)結(jié)果為榮，實(shí)驗(yàn)時(shí)難免慌慌張張、毛手毛腳；后來(lái)，知道應(yīng)該圍繞實(shí)驗(yàn)?zāi)康模龊妹恳徊秸{(diào)試和測(cè)量；慢慢地，開(kāi)始享受每一次的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，享受對(duì)每一次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的處理與分析……從大一到大三，從普通物理實(shí)驗(yàn)做到近代物理實(shí)驗(yàn)，每每帶著滿臉的興奮離開(kāi)物理樓，按理說(shuō)，忙碌了一個(gè)晚上應(yīng)該也是辛苦的，但大家都樂(lè)此不疲.

（本文原載《物理》2010年第3期，有刪節(jié)）

篇6

隨著高科技的發(fā)展，手機(jī)、筆記本、平板電腦等小型電子設(shè)備在我們的生活中得到了廣泛應(yīng)用，以晶體管為中心的半導(dǎo)體技術(shù)使這些成為可能。固態(tài)晶體管的發(fā)明已成為人類在過(guò)去一個(gè)世紀(jì)中最重要的科技進(jìn)步，其影響力遍及我們生活的各個(gè)方面。

將電子設(shè)備的尺度再降低一個(gè)等級(jí)，就到了納米層次，在納米維度上理解電流的特性越來(lái)越重要。本書(shū)力求對(duì)從宏觀尺度到原子層次的傳輸現(xiàn)象做一個(gè)深入淺出的概述。有兩種方法可以制造納米尺度的設(shè)備，一種是自上而下的方法，這種方法在半導(dǎo)體工業(yè)中已被成功應(yīng)用，另一種是自下而上的方法，這種方法正是目前納米科學(xué)研究的前沿。自下而上的納米技術(shù)并不能完全取代自上而下的技術(shù)，兩者往往相輔相成。但無(wú)論哪種方法，都需要深刻理解納米尺度的傳輸效應(yīng)。

本書(shū)共分為6章：1.量子力學(xué)的基本概念及其與材料電特性的關(guān)系，并從量子力學(xué)角度對(duì)電阻和晶體管中的傳輸效應(yīng)進(jìn)行了解釋；2.從量子力學(xué)角度闡述了電流、電壓和電阻之間的量子特征關(guān)系；3.量子與宏觀區(qū)域的邊界，并介紹了幾何、尺寸和微觀結(jié)構(gòu)是如何影響納米尺度下的阻抗特性的；4.用于在納米尺度下探測(cè)結(jié)構(gòu)電特性的技術(shù)――掃描探針顯微鏡方法；5.電流產(chǎn)生的負(fù)面效應(yīng)――納米線中的熱效應(yīng)和電子遷移，這些負(fù)面效應(yīng)非常重要，因?yàn)槲⑻幚砥髦芯w管的收縮會(huì)造成它們之間的連接體也產(chǎn)生收縮，而納米尺度上小線的回彈性與微米尺度上長(zhǎng)線的回彈性不同；6.分子電子學(xué)，通過(guò)對(duì)這一領(lǐng)域的研究有望實(shí)現(xiàn)新型的電路功能。

本書(shū)可作為量子力學(xué)、掃描探針顯微鏡法和電子傳輸?shù)娜腴T參考書(shū)。

篇7

摘 要：凝聚態(tài)物理學(xué)作為物理學(xué)的一大分支，其研究前景十分廣泛。凝聚態(tài)物理學(xué)是研究凝聚態(tài)物質(zhì)的物理性質(zhì)以及它們的微觀結(jié)構(gòu)的學(xué)科。其通過(guò)分析構(gòu)成凝聚態(tài)物質(zhì)的電子、離子、原子、分子的運(yùn)動(dòng)形態(tài)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從而對(duì)凝聚態(tài)物質(zhì)的物理性質(zhì)進(jìn)行認(rèn)知。凝聚態(tài)物質(zhì)是固體物理學(xué)的一個(gè)拓展方面，研究的物質(zhì)的典型特征之一是其具有多種形態(tài)。同時(shí)，凝聚態(tài)物理學(xué)也為材料研究引入了新的體系。本文就目前凝聚態(tài)物理學(xué)發(fā)展情況，對(duì)其中的基本概念的產(chǎn)生、含義及其發(fā)展進(jìn)行闡述。

關(guān)鍵詞：凝聚態(tài)物理學(xué)；基本概念；特點(diǎn)闡述

凝聚態(tài)物理學(xué)的基本概念需根據(jù)物質(zhì)世界的層次化進(jìn)行闡述效果會(huì)更加明了。作為一門至今仍然擁有豐富生命力的研究學(xué)問(wèn)，凝聚態(tài)物理學(xué)時(shí)時(shí)刻刻影響著我們生活的方方面面。例如，液態(tài)金屬、溶膠、高分子聚合物等等物質(zhì)的研究都和凝聚態(tài)物理學(xué)有著密不可分的聯(lián)系。凝聚態(tài)物理學(xué)發(fā)展歷史和其理論支撐，是對(duì)凝聚態(tài)物理學(xué)的基本概念進(jìn)行闡述的基礎(chǔ)。

一、凝聚態(tài)物理學(xué)發(fā)展歷史

1、物質(zhì)世界層次化

為了對(duì)凝聚態(tài)物理學(xué)基本概念進(jìn)行闡述，首先就需要提到物質(zhì)世界層次化的研究方式?？v觀二十世紀(jì)的物理學(xué)發(fā)展，在二十世紀(jì)初，兩大劃時(shí)代的物理理論突破的出現(xiàn)，拉開(kāi)了宇觀物理學(xué)和微觀物理學(xué)的探究序幕。兩大理論即是相對(duì)論和量子論，相對(duì)論和量子理論是對(duì)傳統(tǒng)物理學(xué)的質(zhì)疑和挑戰(zhàn)。其中，狹義相對(duì)論修正了經(jīng)典物理學(xué)當(dāng)中的電磁學(xué)和力學(xué)之間存在的矛盾；廣義相對(duì)論則是為近代物理學(xué)當(dāng)中的天體運(yùn)行研究做出了巨大的貢獻(xiàn)。量子論的建立正式拉開(kāi)了現(xiàn)代物理學(xué)對(duì)于微觀世界的研究，使得基于原子乃至更小系統(tǒng)的探究成為可能?，F(xiàn)代物理學(xué)的研究方式正是基于這一種將物質(zhì)世界進(jìn)行分層的觀點(diǎn)進(jìn)行的，因?yàn)槲锢韺W(xué)當(dāng)中的理論使用范圍都有區(qū)別。例如，在宏觀世界當(dāng)中，牛頓力學(xué)成立；在微觀世界當(dāng)中，牛頓力學(xué)就難以支撐實(shí)驗(yàn)事實(shí)了。

2、凝聚B物理學(xué)的步步發(fā)展

從科學(xué)家開(kāi)始探索微觀世界開(kāi)始，凝聚態(tài)物理學(xué)就悄然發(fā)展開(kāi)來(lái)。科學(xué)家從原子物理出發(fā)，深入到原子核內(nèi)外空間的研究，為了探索微觀世界粒子的基本特性，建立了多代高能粒子加速器，使得近代微觀物理學(xué)探索出中子、夸克、輕子類的微觀粒子。同時(shí)，近代物理學(xué)的一條研究途徑也是將原子物理作為基本主線。在這條研究主線當(dāng)中，量子力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理學(xué)向結(jié)合，奠定了固定物理學(xué)的基礎(chǔ)。固定物理學(xué)的逐漸發(fā)展擴(kuò)大，演變?yōu)榱四蹜B(tài)物理學(xué)。凝聚態(tài)物理學(xué)的研究發(fā)展從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，從宏觀到微觀。其結(jié)合到其他學(xué)科（材料學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等）共同創(chuàng)新，取得了巨大成果。

二、凝聚態(tài)物理學(xué)的基本概念闡述

1、基本理論

凝聚態(tài)物理學(xué)基本概念中最重要的基礎(chǔ)則是構(gòu)建這門學(xué)科的理論支撐。其基本理論當(dāng)中的核心即是量子物理和經(jīng)典物理。根據(jù)凝聚態(tài)物理學(xué)的發(fā)展歷史來(lái)看，量子物理理論推動(dòng)了凝聚態(tài)物理學(xué)的發(fā)展，使其對(duì)眾多實(shí)驗(yàn)研究成為可能。經(jīng)典物理理論在凝聚態(tài)物理學(xué)中并非一無(wú)是處，仍在一些研究方面起著不可忽視的作用。兩種理論知識(shí)在凝聚態(tài)物理學(xué)當(dāng)中的應(yīng)用都存在著自身的適用范圍，下面對(duì)其進(jìn)行比較說(shuō)明。在中學(xué)物理中我們初步了解到，物質(zhì)粒子具有二象性――粒子與波。在粒子的二象性當(dāng)中，粒子所具有的波動(dòng)性使得量子力學(xué)有別與經(jīng)典力學(xué)。二者的適用范圍的界限通常是一些臨界溫度、直徑、場(chǎng)（電場(chǎng)、磁場(chǎng)）強(qiáng)等方面。

2、凝聚現(xiàn)象

凝聚態(tài)物理學(xué)的基礎(chǔ)概念即是凝聚現(xiàn)象，然而凝聚現(xiàn)象在我們?nèi)粘Ｉ町?dāng)中是隨處可見(jiàn)的。大家都知道，氣體可以凝結(jié)成固體或者是液體，液體和固體之間最明顯的區(qū)別是液體的流動(dòng)性。根據(jù)量子力學(xué)等理論分析，在某些臨界溫度附近，物質(zhì)之間就發(fā)生凝聚現(xiàn)象。發(fā)生凝聚現(xiàn)象的物質(zhì)往往具備一些新的物理性質(zhì)。例如物質(zhì)原有的沸點(diǎn)、導(dǎo)電性、光敏性等發(fā)生改變。

3、凝聚態(tài)物質(zhì)的有序化

根據(jù)中學(xué)物理和化學(xué)的知識(shí)可知，物質(zhì)反應(yīng)在平衡狀態(tài)時(shí)，其系統(tǒng)能量?jī)?nèi)能與熵等因素的影響。系統(tǒng)物質(zhì)內(nèi)能的上升使得系統(tǒng)趨于不穩(wěn)定性，使得熵值增加。當(dāng)溫度下降時(shí)，凝聚態(tài)物質(zhì)則趨于熵值下降和系統(tǒng)穩(wěn)定，研究發(fā)現(xiàn)，凝聚態(tài)物質(zhì)往往是某一種有序結(jié)構(gòu)的物相。大量物質(zhì)粒子所組成的系統(tǒng)表現(xiàn)出來(lái)的直觀特征即是位置序，這也說(shuō)明不同的粒子直接是存在著相互聯(lián)系的。當(dāng)然，也存在著粒子相互作用較弱的情況，其宏觀表現(xiàn)即是粒子無(wú)序分布。在經(jīng)典粒子系統(tǒng)當(dāng)中，使得系統(tǒng)有序化的物理基礎(chǔ)則是粒子和粒子之間的相互作用，這可當(dāng)作是量子力學(xué)當(dāng)中的一個(gè)問(wèn)題處理。根據(jù)中學(xué)知識(shí)我們知道，在量子力學(xué)當(dāng)中，物質(zhì)粒子存在著位置不確定性和動(dòng)量不確定性。根據(jù)上述進(jìn)行總結(jié)，凝聚態(tài)物質(zhì)是空間當(dāng)中的凝聚體，而相對(duì)空間往往是分為兩個(gè)方面。一方面是位置形態(tài)空間，另外的一方面是抽象的動(dòng)量空間。凝聚態(tài)物質(zhì)的有序化在這兩個(gè)空間當(dāng)中的存在形態(tài)極為豐富。

三、研究概念闡述

凝聚態(tài)物理學(xué)當(dāng)中基本的研究概念在于以下幾個(gè)方面。第一是固體電子論。對(duì)固定系統(tǒng)當(dāng)中電子的行為研究是凝聚態(tài)物理學(xué)一直在努力的方向，按照電子行為的相互作用的大小，又將其分為三個(gè)小的區(qū)域。首先是弱關(guān)聯(lián)區(qū)，這個(gè)區(qū)域的研究已經(jīng)取得了巨大進(jìn)展，也是構(gòu)成半導(dǎo)體物理學(xué)的理論基礎(chǔ)。其次是中等關(guān)聯(lián)區(qū)域，主要研究對(duì)象包括的是一般的金屬和強(qiáng)磁性的物質(zhì)，其構(gòu)成了磁鐵學(xué)的物理基礎(chǔ)。強(qiáng)關(guān)聯(lián)區(qū)受能帶理論發(fā)展的影響，目前其研究還有待開(kāi)拓。第二是宏觀量子態(tài)。宏觀量子態(tài)研究當(dāng)中對(duì)某些物質(zhì)的超導(dǎo)現(xiàn)象的研究是一個(gè)重點(diǎn)，一些非常規(guī)的超導(dǎo)體研究也是目前科學(xué)家所努力的方向。第三是納米結(jié)構(gòu)與介觀物理，凝聚態(tài)物理學(xué)對(duì)于一些簡(jiǎn)單物質(zhì)的研究已經(jīng)較為清楚。按照不同物質(zhì)材料的結(jié)構(gòu)尺度進(jìn)行探究是凝聚態(tài)物理學(xué)研究的新方向之一，納米結(jié)構(gòu)和介觀物理需要量子理論進(jìn)行支撐，研究目的主要是為了獲取材料和器件的復(fù)合體，同時(shí)創(chuàng)造出一些具有優(yōu)良性能的物理材料。

四、總結(jié)

凝聚態(tài)物理學(xué)的理論基礎(chǔ)是量子力學(xué)，目前量子力學(xué)的發(fā)展已經(jīng)趨于完備。由于凝聚態(tài)物理學(xué)設(shè)計(jì)大量微觀粒子的研究，其復(fù)雜程度較高，需要研究者從實(shí)驗(yàn)、計(jì)算、推演等方面開(kāi)展研究。凝聚態(tài)物理學(xué)作為一門高新技術(shù)，其研究前景十分廣闊。只要充分結(jié)合其他相關(guān)學(xué)科知識(shí)，加以探究，一定會(huì)取得更加豐碩的研究成果。

參考文獻(xiàn)

[1]馮端，金國(guó)鈞.凝聚態(tài)物理學(xué)中的基本概念[J].物理學(xué)進(jìn)展， 2000， 20（1）：1-21.

篇8

關(guān)鍵詞：科學(xué)史；近代物理；教學(xué)改革；高等教育

中圖分類號(hào)：G642.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2014）50-0072-03

近代物理是高等學(xué)府物理類、化學(xué)類和電子類學(xué)科的一門必修課，通常放在講授完大學(xué)物理之后。大學(xué)物理的內(nèi)容主要是理論力學(xué)、電動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理。近代物理的內(nèi)容主要是相對(duì)論和量子力學(xué)。由于相對(duì)論和量子力學(xué)離我們的日常生活經(jīng)驗(yàn)比較遠(yuǎn)，所以學(xué)起來(lái)比較晦澀難懂。本文介紹了筆者如何通過(guò)講授近代物理知識(shí)和對(duì)應(yīng)的近代物理科學(xué)史相接合，來(lái)提高同學(xué)們對(duì)近代物理的理解和興趣。

一、近代物理科學(xué)史簡(jiǎn)介

近代物理的科學(xué)史是一部十分生動(dòng)活潑的歷史，時(shí)間跨度大概是從1900年到現(xiàn)代。這段時(shí)間可以說(shuō)是十分不平凡和波瀾壯闊的一百多年。這期間發(fā)生了人類歷史上僅有的二次世界大戰(zhàn)，其中涌現(xiàn)的具有極高才華和貢獻(xiàn)的科學(xué)家數(shù)量差不多抵得上人類歷史上前五千年的科學(xué)家數(shù)量總合。而人物傳記作家也多對(duì)他們的人生經(jīng)歷極為感興趣，出了很多關(guān)于他們的傳記[1-3]。另外這些近代物理學(xué)家們很多本身也頗博學(xué)多才，具有良好的文學(xué)才能和修養(yǎng)，因此很多人他們自己也出自傳。這些傳記和自傳都能給《近代物理》課堂上的科學(xué)史教學(xué)提供豐富的素材和參考。相對(duì)論和量子力學(xué)的理論和公式雖然比較高深難懂，但是它們解釋的現(xiàn)象由于跟人們的日常經(jīng)驗(yàn)相悖，所以還是會(huì)引起人們廣泛的興趣。比如時(shí)間和空間是不可分的，物體的動(dòng)量和時(shí)間不能同時(shí)精確測(cè)量，光速是宇宙中最快的速度，這些一般人憑經(jīng)驗(yàn)的確很難理解。進(jìn)而人們也會(huì)對(duì)提出和發(fā)現(xiàn)這些理論的科學(xué)家們（如愛(ài)因斯坦）感興趣。圖1為作者按照時(shí)間順序出場(chǎng)依次在課堂上介紹的量子力學(xué)史上各個(gè)重要的歷史人物。這些科學(xué)人物大多數(shù)彼此交往比較密切，在學(xué)術(shù)上好像切磋和影響，進(jìn)而也加速了思想火花的碰撞和創(chuàng)新性理論的誕生。

在課堂上講述近代物理科學(xué)史的過(guò)程中，還可以幫助同學(xué)們了解在學(xué)術(shù)研究過(guò)程中需要注意的問(wèn)題。比如搞科研不能囿于自己的私密空間，而要鼓勵(lì)多做學(xué)術(shù)交流。學(xué)術(shù)交流的好處是：（1）可以了解最新的研究動(dòng)態(tài)；象在近代物理史上著名的哥本哈根學(xué)派就是個(gè)很好的例子。1921年，在著名量子物理學(xué)家波爾的倡議下，成立了哥本哈根大學(xué)理論物理學(xué)研究所，由此形成哥本哈根學(xué)派。其中波恩、海森堡、泡利以及狄拉克等都是這個(gè)學(xué)派的主要成員。由于哥本哈根學(xué)派提供了很好的學(xué)術(shù)交流環(huán)境和學(xué)術(shù)氛圍，在這個(gè)學(xué)派里鼓勵(lì)發(fā)表不同的觀點(diǎn)，不迷信權(quán)威，所以涌現(xiàn)出了很多重要的量子力學(xué)成果。（2）可以發(fā)現(xiàn)自己的不足；比如愛(ài)因斯坦于1919年在剛開(kāi)始推導(dǎo)廣義相對(duì)論的時(shí)候，在公式里人為增加了一個(gè)常數(shù)項(xiàng)，從而得出他起先所認(rèn)為的靜態(tài)宇宙模型。不過(guò)1922年亞歷山大?弗里德曼摒棄了這個(gè)常數(shù)項(xiàng)，從而得出相應(yīng)的宇宙膨脹理論。比利時(shí)牧師勒梅特應(yīng)用這些解構(gòu)造了宇宙大爆炸的最早模型，模型預(yù)言宇宙是從一個(gè)高溫致密的狀態(tài)演化而來(lái)。到1929年，哈勃等人又用實(shí)際的觀測(cè)證明我們的宇宙的確處于膨脹狀態(tài)。通過(guò)學(xué)術(shù)交流，愛(ài)因斯坦終于接受了宇宙膨脹理論，并承認(rèn)添加宇宙常數(shù)項(xiàng)是他一生中犯下的最大錯(cuò)誤。（3）可以激發(fā)自己的靈感；比如波爾在1911年從丹麥哥本哈根大學(xué)獲得博士學(xué)位后去英國(guó)學(xué)習(xí)，先在劍橋湯姆遜主持的卡文迪許實(shí)驗(yàn)室工作，幾個(gè)月后又去曼徹斯特在盧瑟福的手下搞科研，這使得他對(duì)湯姆遜關(guān)于原子的西瓜模型和盧瑟福的核式原子模型了如指掌，同時(shí)他又很熟悉普朗克和愛(ài)因斯坦的量子學(xué)說(shuō)，這些學(xué)術(shù)交流活動(dòng)激發(fā)了他的靈感，使得他最終于1913年初創(chuàng)造性地把普朗克的量子說(shuō)和盧瑟福的原子核概念結(jié)合起來(lái)，提出了自己的波爾原子模型。（4）可以激勵(lì)自己不斷進(jìn)步和成長(zhǎng)。比如薛定諤在1925年受到愛(ài)因斯坦關(guān)于單原子理想氣體的量子理論和德布羅意的物質(zhì)波的假說(shuō)的啟發(fā)，從經(jīng)典力學(xué)和幾何光學(xué)間的類比提出了對(duì)應(yīng)于波動(dòng)光學(xué)的波動(dòng)力學(xué)方程，從而奠定了波動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)。但是他一開(kāi)始并不清楚他自己建立的波動(dòng)方程中的波具體代表什么物理概念。起初他試圖把波函數(shù)解釋為三維空間中的振動(dòng)，把振幅解釋為電荷密度，把粒子解釋為波包，但他無(wú)法解決“波包擴(kuò)散”的問(wèn)題。最終經(jīng)過(guò)他與波恩的多次學(xué)術(shù)交流，他逐漸認(rèn)識(shí)到波函數(shù)其實(shí)是代表粒子在某時(shí)某個(gè)位置出現(xiàn)的幾率，是一種幾率波。

二、近代物理知識(shí)簡(jiǎn)介

近代物理的知識(shí)主要分為兩大類：相對(duì)論和量子力學(xué)。相對(duì)論分為狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論，內(nèi)容包括伽利略坐標(biāo)系、邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)、洛倫茲變換、閔可夫斯基空間、質(zhì)能關(guān)系式和相對(duì)論能量-動(dòng)量關(guān)系式等。量子力學(xué)知識(shí)包括黑體輻射、光電效應(yīng)、波爾原子模型、康普頓效應(yīng)、德布羅意波、戴維遜和革末實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電子的波動(dòng)性、不確定性原理和薛定諤方程等。這些近代物理理論的公式通常比較復(fù)雜，需要用到高等數(shù)學(xué)的知識(shí)，比如薛定諤方程是一個(gè)偏微分方程，狄拉克方程里包含矩陣。因而對(duì)于近代物理公式的求解就變得十分困難，也不太直觀。圖2羅列了按時(shí)間順序出現(xiàn)的課堂上需要講授的量子力學(xué)公式。

黑體輻射公式描述的是頻譜（單色能密度）u（v，T）和溫度以及頻率的關(guān)系式。光電效應(yīng)是指每種金屬存在截止頻率。當(dāng)照射在金屬上的頻率小于截止頻率時(shí)，不管光強(qiáng)多大，照射時(shí)間多長(zhǎng)，也不會(huì)有光電子產(chǎn)生。而當(dāng)照射在金屬上的頻率大于截止頻率時(shí)，不管光強(qiáng)多小，也會(huì)產(chǎn)生光電子，且響應(yīng)時(shí)間小于1納秒。光電子具有各種初速度，其最大初動(dòng)能與光輻射頻率成線性關(guān)系，而與光輻射強(qiáng)度無(wú)關(guān)。當(dāng)頻率在截止頻率之上時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射出來(lái)的電子數(shù)目即光電流強(qiáng)度與光輻射強(qiáng)度成正比。在光電效應(yīng)理論中，光的能量和光的頻率成正比，光的動(dòng)量和光的波長(zhǎng)成反比。

波爾的原子模型給出了電子在分立軌道上的能量公式。能量和電荷的四次方成正比，跟定態(tài)的平方成反比。電子在定態(tài)具有分立的能量，在定態(tài)運(yùn)動(dòng)時(shí)不輻射電磁能量；但電子可以從一個(gè)定態(tài)能級(jí)躍遷到另一個(gè)能量低的定態(tài)能級(jí)，相應(yīng)于兩個(gè)能級(jí)差的能量將作為光子被釋放出來(lái)。德布羅意公式則是給出了物體的能量和動(dòng)量與其說(shuō)對(duì)應(yīng)的物質(zhì)波的波長(zhǎng)和頻率之間的關(guān)系。動(dòng)量和波長(zhǎng)成反比，而能量和頻率成正比。薛定諤方程精確地給出了物質(zhì)波函數(shù)的表現(xiàn)形式。微觀粒子的量子態(tài)可用波函數(shù)表示。當(dāng)波函數(shù)確定，粒子的任何一個(gè)力學(xué)量及它們的各種可能的測(cè)量值的幾率就完全確定。波函數(shù)跟粒子的質(zhì)量和勢(shì)能相關(guān)。波函數(shù)的自變量中包含空間坐標(biāo)和時(shí)間坐標(biāo)。由于薛定諤方程中出現(xiàn)虛數(shù)i，所以波函數(shù)原則上應(yīng)是復(fù)數(shù)。它同時(shí)滿足能量守恒，是線性的、單值解的。它給出的自由粒子解與簡(jiǎn)單的德布羅意波相一致，滿足因果律。相對(duì)于薛定諤方程之于非相對(duì)論量子力學(xué)，狄拉克方程[4]是相對(duì)論量子力學(xué)的一項(xiàng)描述自旋-1/2粒子的波函數(shù)方程，不帶矛盾地同時(shí)遵守了狹義相對(duì)論與量子力學(xué)兩者的原理，實(shí)則為薛定諤方程的洛倫茲協(xié)變式。這個(gè)方程預(yù)言了反粒子的存在。

三、近代物理科學(xué)史和近代物理知識(shí)的結(jié)合講解

近代物理課如果只是講解近代物理知識(shí)，往往顯得枯燥無(wú)味，難以理解。其實(shí)任何科學(xué)知識(shí)都不是憑空產(chǎn)生的，往往經(jīng)歷了好幾代人的不懈努力，最終從量變到質(zhì)變，導(dǎo)致相對(duì)論或量子力學(xué)的建立。薛定諤方程也不是一蹴而就，而是經(jīng)過(guò)很多科學(xué)家?guī)资甑呐?。如果一開(kāi)始就講解薛定諤方程，同學(xué)們通常很難理解。而如果采用循序漸進(jìn)的方法并結(jié)合科學(xué)史來(lái)講，抽絲剝繭，逐漸揭開(kāi)真理的面紗，那么同學(xué)們不光饒有興趣，而且更容易理解。圖3列出了結(jié)合科學(xué)史和科學(xué)人物的近代物理講解流程。在講解科學(xué)史的過(guò)程中，重點(diǎn)講解科學(xué)人物和他們的研究方法，以及這些近代物理公式是怎么一步步得來(lái)的。通過(guò)近代物理知識(shí)和科學(xué)史的結(jié)合講解，可以啟發(fā)同學(xué)，讓他們了解任何知識(shí)都是建立在前人知識(shí)和研究的基礎(chǔ)上。比如普朗克的黑體輻射公式來(lái)自于瑞利-金斯定律和維恩位移定律的啟發(fā)。瑞利-金斯定律能夠解釋低頻率下的結(jié)果，卻無(wú)法解釋高頻率下的測(cè)量結(jié)果。而維恩位移定律能夠解釋高頻率下的結(jié)果，卻無(wú)法解釋低頻率下的測(cè)量結(jié)果。而普朗克公式是把這兩種定律公式進(jìn)行一下內(nèi)插。通過(guò)這種歷史背景的介紹，同學(xué)們就對(duì)普朗克公式的來(lái)龍去脈知道得一清二楚，對(duì)此公式也就理解得更深刻。普朗克公式其實(shí)一開(kāi)始是一個(gè)不得已而為之的公式，然后普朗克對(duì)此公式進(jìn)行反推，發(fā)現(xiàn)只有認(rèn)為能量是量子化的，才能得出跟實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合的普朗克公式。能量是非連續(xù)而是分立的，即使這個(gè)想法在當(dāng)時(shí)是多么背離人的日常經(jīng)驗(yàn)和驚世駭俗，由于它是唯一的解釋，普朗克也就不得不接受了這個(gè)能量量子化思想。

而能量量子化這個(gè)理論不管在當(dāng)時(shí)看上去多么荒謬，還是有人慧眼識(shí)珠的。5年之后的1905年，愛(ài)因斯坦憑著他對(duì)物理學(xué)的敏銳欣然接受了能量量子化這個(gè)觀點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上解釋了光電效應(yīng)。近代物理的科學(xué)史是一環(huán)扣一環(huán)，十分引人入勝。在課堂上授課時(shí)通過(guò)人物->公式->人物…->公式的順序把所有近代物理的公式合理地銜接起來(lái)，自成一個(gè)整體，同學(xué)們學(xué)習(xí)起來(lái)就會(huì)思路清晰，公式也會(huì)記得牢，進(jìn)而對(duì)公式能活學(xué)活用。普朗克和愛(ài)因斯坦彼此惺惺相惜，而普朗克也是少數(shù)很快發(fā)現(xiàn)愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)論重要性的人之一。在愛(ài)因斯坦發(fā)表光電效應(yīng)的8年之后，波爾也接受了能量量子化這個(gè)觀點(diǎn)，并進(jìn)而創(chuàng)新性地提出了三個(gè)假設(shè)：（1）定態(tài)假設(shè)，即電子只能在一系列分立的軌道上繞核運(yùn)動(dòng)，這些軌道對(duì)應(yīng)確定能量值的穩(wěn)定態(tài)，電子在這些狀態(tài)（軌道）上不輻射電磁波；（2）躍遷假設(shè)，即原子在不同定態(tài)之間躍遷，以電磁輻射形式吸收或發(fā)射能量；（3）角動(dòng)量量子化假設(shè)，即電子軌道角動(dòng)量是分立的，首尾位相相同的環(huán)波才能穩(wěn)定存在。波爾根據(jù)這三種假設(shè)成功推導(dǎo)出了氫原子的光譜公式，和實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全吻合。

接下來(lái)就輪到德布羅意登場(chǎng)。在波爾提出原子模型的10年之后，1923年德布羅意創(chuàng)新性地在他的博士論文里提出了波粒二象性的觀點(diǎn)。以前的量子論觀點(diǎn)都是圍繞光和能量，沒(méi)有觸及實(shí)際的物質(zhì)或粒子。而德布羅意破天荒地提出任何物體都具有波粒二象性，既包括光，也包括電子、原子甚至人體等所有宇宙中的物體。德布羅意當(dāng)時(shí)的博士生導(dǎo)師朗之萬(wàn)不認(rèn)可這個(gè)觀點(diǎn)，但是他比較有責(zé)任心，沒(méi)有直接否決掉德布羅意的博士論文，而是把論文寄給愛(ài)因斯坦定奪。而愛(ài)因斯坦對(duì)物理的理解十分透徹，他馬上承認(rèn)了德布羅意的博士論文的正確性，并且將論文送去柏林科學(xué)院，使此理論在物理學(xué)界廣為傳播。1924年，德布羅意又提出可以用晶體作光柵觀察電子束的衍射來(lái)驗(yàn)證他的波粒二象性理論，因?yàn)殡娮拥牟ㄩL(zhǎng)和晶格間距處于同一個(gè)數(shù)量級(jí)。很快就有人響應(yīng)了德布羅意的實(shí)驗(yàn)設(shè)想，1927年，克林頓?戴維森和雷斯特?革末用電子轟擊鎳晶體，果然發(fā)現(xiàn)電子的衍射圖譜，和布拉格定律預(yù)測(cè)的一模一樣，這證實(shí)了德布羅意的波粒二象性理論正確無(wú)誤。既然電子是一個(gè)波，那就應(yīng)該有個(gè)波動(dòng)方程。所以德布羅意的理論極大地啟發(fā)了海森堡和薛定諤，導(dǎo)致這兩位科學(xué)家同時(shí)在1925年分別發(fā)表了薛定諤方程和矩陣力學(xué)，兩者可以得到同樣的結(jié)果。薛定諤隨后證明，兩者在數(shù)學(xué)上是等效的。薛定諤方程使用微分方程的形式，比矩陣力學(xué)容易理解，所以近代物理的授課一般只講薛定諤方程。薛定諤提出了薛定諤方程之后，又有個(gè)新問(wèn)題，就是此方程不符合相對(duì)論協(xié)變性原理，即物理規(guī)律的形式在任何的慣性參考系中應(yīng)該是相同的。所以需要有另外一個(gè)量子力學(xué)方程來(lái)滿足相對(duì)論。這個(gè)任務(wù)最終是3年之后（即1928年）由狄拉克來(lái)完成的。至此，在講述有趣的近代物理科學(xué)史的同時(shí)同學(xué)們也掌握了豐富的近代物理知識(shí)。

總而言之，在近代物理的教學(xué)過(guò)程中結(jié)合近代物理科學(xué)史進(jìn)行授課，提高了同學(xué)們對(duì)于近代物理知識(shí)的理解和興趣，避免了填鴨式的教育，讓同學(xué)們?cè)谡莆罩R(shí)的同時(shí)更了解了科學(xué)家們科學(xué)的研究方法，“授之以漁不如授之以魚(yú)”。該教改收到了十分良好的效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]格雷克.牛頓傳[M].北京：高等教育出版社，2004.

[2]艾薩克森.愛(ài)因斯坦傳[M].長(zhǎng)沙：湖南科技出版社，2012.

篇9

激光技術(shù)

激光是“由輻射的受激發(fā)射引致的光放大”的縮寫，它是一種民用和軍事應(yīng)用非常廣泛的技術(shù)。但是它的應(yīng)用卻經(jīng)歷了一個(gè)由理論到實(shí)踐的漫長(zhǎng)過(guò)程。1906年，愛(ài)因斯坦利用波耳氫原子理論預(yù)言光子的受激發(fā)射，可以導(dǎo)致一種鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的方式放大光束，但是從理論到應(yīng)用幾乎經(jīng)歷了近60年時(shí)間。

1954年4月初，第一臺(tái)微波激射器誕生了，這是美國(guó)物理學(xué)家湯斯發(fā)明的。微波激射器成功之后，湯斯又決定制作可見(jiàn)光激射器——激光。1960年美國(guó)物理學(xué)家邁曼制作出第一個(gè)可以使用的激光器，這種激光器直到今天還在廣泛使用。

美籍華裔物理學(xué)家朱棣文和法國(guó)的克勞德·科昂-唐努日以及美國(guó)的威廉·菲利普斯三人利用激光冷卻和捕陷方法，可以讓原子冷卻不動(dòng)而被囚。他們?nèi)艘惨虼斯蚕?997年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

超導(dǎo)和超流

超導(dǎo)在1911年就由荷蘭物理學(xué)家昂薩格發(fā)現(xiàn)，但是直到1957年才由三位美國(guó)物理學(xué)家巴丁、庫(kù)珀和斯里弗用量子力學(xué)理論做出正確的解釋。這一理論用他們?nèi)诵盏牡谝粋€(gè)字母，稱之為BCS理論。然而在1986年出現(xiàn)高溫超導(dǎo)以后，用BCS理論無(wú)法解釋高溫超導(dǎo)體的各種性質(zhì)，因此物理學(xué)家還需要進(jìn)一步努力探索，才能全面解決超導(dǎo)理論。

1940年，蘇聯(lián)物理學(xué)家卡皮查發(fā)現(xiàn)了超流現(xiàn)象。例如，在超導(dǎo)狀態(tài)時(shí)的液體可以反抗重力往上流動(dòng)，因此可以從容器內(nèi)部沿器壁內(nèi)部爬到頂端越過(guò)器壁到容器外邊，這被稱為“爬壁”現(xiàn)象。與“爬壁”類似的是氦還有“噴泉”效應(yīng)，即在氦中插入一根細(xì)玻璃管，氦在管內(nèi)液面會(huì)比外面高，當(dāng)玻璃管足夠細(xì)時(shí)，氦可以由細(xì)管里噴出，像公園的噴泉一樣。1940年，蘇聯(lián)物理學(xué)家朗道利用量子力學(xué)理論，解釋了超流產(chǎn)生的原因。他們兩位也因?yàn)檫@一貢獻(xiàn)，先后獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

量子隧道效應(yīng)和種種技術(shù)上的利用

量子力學(xué)里有一個(gè)被實(shí)驗(yàn)證實(shí)的“隧道效應(yīng)”，即粒子可以穿過(guò)經(jīng)典物理看來(lái)不可逾越的勢(shì)壘，到達(dá)勢(shì)壘外面。隧道效應(yīng)最驚人的技術(shù)應(yīng)用就是掃描隧道顯微鏡，它的發(fā)展同其他許多科學(xué)技術(shù)突破一樣，是天才和勤奮、資本與運(yùn)氣的共同產(chǎn)物。1982年，瑞士的羅雷爾和德國(guó)的賓尼希利用掃描隧道顯微鏡（STM），能夠掃描小到原子尺度的一些結(jié)構(gòu)，解決了一個(gè)困擾了科學(xué)界很長(zhǎng)時(shí)間的難題——硅表面原子排列方式。后來(lái)，IBM研究中心的一個(gè)研究小組，利用STM這種移動(dòng)原子的能力，把原子排列成了“IBM”的字樣。

1985年，賓尼希與同事們一起研制了一種新的掃描探測(cè)顯微鏡——原子力顯微鏡（AFM）。AFM現(xiàn)在已經(jīng)成了一種表面分析的標(biāo)準(zhǔn)儀器，是STM的重要補(bǔ)充。

普利西娜小姐

利用激光冷卻技術(shù)可以使得原子或者其他將要研究的粒子在空中飛行的時(shí)候“冷凍”住，然后設(shè)下激光陷阱把原子或粒子捕捉住，并使它們固定在空間某個(gè)地方“囚禁”起來(lái)。1990年2月，西雅圖華盛頓大學(xué)的德默爾特成功地捕捉到一個(gè)正電子，并將它完好地保存達(dá)3個(gè)月之久。他把這個(gè)囚禁起來(lái)的正電子稱為“普利西娜小姐”。這是前所未有的巨大技術(shù)成就，因?yàn)槲覀冎勒?、反粒子相遇，?huì)立即發(fā)生湮滅，化為一縷青煙轉(zhuǎn)變成光子，消失得無(wú)影無(wú)蹤。

納米技術(shù)

納米是一個(gè)長(zhǎng)度單位。1納米是百萬(wàn)分之一毫米，即1毫微米，或10-9米。1納米約有45個(gè)原子串起來(lái)那么長(zhǎng)。形象一點(diǎn)說(shuō)，把1納米長(zhǎng)的物體放在足球上，就好比把一個(gè)足球放在地球上一樣。所以我們用肉眼看不見(jiàn)幾納米長(zhǎng)的物質(zhì)。

當(dāng)物質(zhì)尺寸小到納米級(jí)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)許多人們意料不到的奇異特性，很多在宏觀和微觀的物理規(guī)律不再適用。例如，電學(xué)里的歐姆定律就不適用于納米材料；過(guò)去常常用來(lái)描述原子集體行為的概念也不再適用。這類奇異的特性還很多。到納米級(jí)時(shí)，物質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)（超微顆粒都呈黑色）、熱學(xué)性質(zhì)（熔點(diǎn)降低）、磁學(xué)性質(zhì)（矯頑力增加）以及力學(xué)性質(zhì)（韌性增加）等等都與宏觀狀態(tài)的不同，千奇百怪，讓人眼花繚亂。還有量子力學(xué)中的尺寸效應(yīng)和隧道效應(yīng)，也都改變著納米材料的性質(zhì)，為實(shí)際技術(shù)應(yīng)用帶來(lái)了廣泛的可能性。納米狂飆將橫掃傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)的各個(gè)行業(yè)，讓它們爆發(fā)出巨大的能量。

研究表明，適宜的納米材料（如碳原子構(gòu)成的小管子）可以制造出防護(hù)性能更好的裝甲、更輕的武器和不被雷達(dá)發(fā)現(xiàn)的涂料。還有，“智能灰塵”“武裝蒼蠅”的研究，已經(jīng)不是秘密，這些新型武器能使敵對(duì)方防不勝防。一旦把智能灰塵撒到敵方，其傳感器就能神不知鬼不覺(jué)地執(zhí)行偵察任務(wù)。

總之，納米材料的應(yīng)用范圍沒(méi)有限制，會(huì)引起各行各業(yè)革命性轉(zhuǎn)變。正因?yàn)槿绱?，各?guó)政府都在高度關(guān)注和積極從事這方面的研究和開(kāi)發(fā)。

量子計(jì)算機(jī)

量子力學(xué)中模糊的不確定性還有很多其他的用武之地。美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）的賽斯·羅伊德（Seth Lloyd）就是眾多想要開(kāi)發(fā)量子力學(xué)新用途的科學(xué)家之一，他說(shuō)，“量子力學(xué)十分詭異，但它就是這樣。生活給我們的是個(gè)怪現(xiàn)象，我們是否可以研究出怪用途呢？”羅伊德所謂的怪用途，是指量子計(jì)算機(jī)。

科學(xué)家正在研制的量子計(jì)算機(jī)內(nèi)部是個(gè)金銅質(zhì)裝置，這也許和你家的筆記本電腦不太一樣，但是它們用的是同一種語(yǔ)言，即“二進(jìn)位碼”。電腦語(yǔ)言是由0與1所組成的，稱為“位元”（bit），也就是說(shuō)最小的信息單位是位元。電腦所做的事情就是把信息打碎成最小的位元單位，然后再進(jìn)行快速計(jì)算。量子計(jì)算機(jī)也是以位元為單位來(lái)處理數(shù)據(jù)的，但是與傳統(tǒng)的位元不同，傳統(tǒng)的位元只能是0或1，量子位元?jiǎng)t更有彈性。物體的位置能表示為一個(gè)位元，而如果可以做到同時(shí)處于不同位置的話，我們就得到了一個(gè)量子位元（quantum bit）。

就如電子自旋可以是順時(shí)針與逆時(shí)針的混合體，量子位元也是一種混合體，能既是0又是1，所以量子位元可以“多功處理”，即同時(shí)進(jìn)行多項(xiàng)處理，這樣就能夠以超乎人類大腦所想象的方式進(jìn)行計(jì)算。理論上，量子位元可以由任何一種以量子形式存在的物質(zhì)組成，比如電子或原子。量子計(jì)算機(jī)的核心部分是小型的超導(dǎo)線圈，由納米科技打造，可以同時(shí)雙向運(yùn)作。

篇10

關(guān)鍵詞：凝聚態(tài)物理；關(guān)聯(lián)區(qū)；量子態(tài)；理論方法

中圖分類號(hào)：O469 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

凝聚態(tài)物理學(xué)是當(dāng)今物理學(xué)中最大也是最重要的分支學(xué)科之一，它是從微觀角度出發(fā)，研究凝聚態(tài)物質(zhì)的物理性質(zhì)、微觀結(jié)構(gòu)以及它們之間的關(guān)系，因此建立起既深刻又普遍的理論體系，是當(dāng)前物理學(xué)中最重要、最豐富和最活躍的學(xué)科，在許多學(xué)科領(lǐng)域中的重大成就已在當(dāng)今高新科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中起了關(guān)鍵性作用，為發(fā)展新材料、新器件和新工藝提供了科學(xué)基礎(chǔ)。凝聚態(tài)物理一方面與粒子物理學(xué)在概念上的發(fā)展相互滲透，對(duì)一些最基本的問(wèn)題給出啟示；另一方面為新型材料的研發(fā)和制備提供理論上和實(shí)驗(yàn)上的支持，與工科的技術(shù)學(xué)科銜接構(gòu)成科學(xué)上最有實(shí)用性的拓新領(lǐng)域。那么，當(dāng)今凝聚態(tài)物理主要研究哪些分支內(nèi)容？使用什么樣的理論方法？這些研究在哪些方面有所成就？

一、凝聚態(tài)物理當(dāng)今主要研究的一些分支內(nèi)容

凝聚態(tài)指的是由大量粒子組成且粒子間有很強(qiáng)相互作用的系統(tǒng)。固態(tài)和液態(tài)是最常見(jiàn)的凝聚態(tài)，低溫下的超流態(tài)、超導(dǎo)態(tài)、玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)、磁介質(zhì)中的鐵磁態(tài)、反鐵磁態(tài)等，也都是凝聚態(tài)。凝聚態(tài)物理是屬于偏應(yīng)用的交叉學(xué)科，研究方向和分支很多，基本任務(wù)是闡明微觀結(jié)構(gòu)與物理性質(zhì)的關(guān)系。傳統(tǒng)的凝聚態(tài)物理主要研究半導(dǎo)體、磁學(xué)、超導(dǎo)體等，現(xiàn)今凝聚態(tài)物理學(xué)研究的理論內(nèi)容十分廣泛，以下是其中較活躍的幾個(gè)分支：

1.固體電子論中的關(guān)聯(lián)區(qū)

研究固體中的電子行為，是凝聚態(tài)物理的前身固體物理學(xué)的核心問(wèn)題。按電子間相互作用的大小，固體中電子的行為分成3個(gè)區(qū)域，它們分別是弱關(guān)聯(lián)區(qū)、中等關(guān)聯(lián)區(qū)和強(qiáng)關(guān)聯(lián)區(qū)。弱關(guān)聯(lián)區(qū)的研究基于電子受晶格上離子散射的能帶理論，應(yīng)用于半導(dǎo)體和簡(jiǎn)單金屬，構(gòu)成了半導(dǎo)體物理學(xué)的理論基礎(chǔ)；中等關(guān)聯(lián)區(qū)的研究包括一般金屬和強(qiáng)磁性物質(zhì)，是構(gòu)成鐵磁學(xué)的物理基礎(chǔ)；強(qiáng)關(guān)聯(lián)區(qū)則涉及電子濃度很低的不良金屬，諸如莫脫絕緣體、近藤效應(yīng)、巨磁電阻效應(yīng)等，它們的物理性質(zhì)問(wèn)題尚未得到很好地解決。

現(xiàn)今對(duì)固體電子論的研究比較注重的是強(qiáng)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)。

2.宏觀量子態(tài)

用量子力學(xué)描述宏觀體系的狀態(tài)稱為宏觀量子態(tài)，如超導(dǎo)中電子的庫(kù)珀對(duì)。超導(dǎo)現(xiàn)象是電阻在臨界轉(zhuǎn)變溫度Tc以下突然降為零，磁通全部被斥，成為完全抗磁體，超流現(xiàn)象是當(dāng)液氦（4He）的溫度降到2.17K時(shí)，由正常流體突然轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸幌盗袠O不尋常的性質(zhì)的“超流體”。宏觀量子態(tài)具有典型的量子力學(xué)性質(zhì)，如勢(shì)壘隧道穿越和位相相干等。當(dāng)前量子力學(xué)研究的重要課題是退相干現(xiàn)象和耗散現(xiàn)象。

3.介觀物理與納米結(jié)構(gòu)

介觀是介于宏觀與微觀之間的一種體系，處于介觀的物體的尺寸可以說(shuō)是宏觀的，因而具有宏觀體系的特點(diǎn)；但是由于其中電子運(yùn)動(dòng)的相干性，會(huì)出現(xiàn)一系列新的與量子力學(xué)相位相聯(lián)系的干涉現(xiàn)象，這又與微觀體系相似，故稱“介觀”。介觀物理學(xué)所研究的物質(zhì)尺度和納米科技的研究尺度有很大重合，所以這一領(lǐng)域的研究常被稱為“介觀物理和納米科技”。

為獲取更優(yōu)異的物理性能，凝聚態(tài)物理界從20世紀(jì)中期開(kāi)始注重將材料按特定的結(jié)構(gòu)尺度組織成復(fù)合體，若結(jié)構(gòu)尺度在1nm～100nm范圍內(nèi)，即為納米結(jié)構(gòu)，它在基礎(chǔ)研究中發(fā)揮的重要的作用是：在兩維電子氣中發(fā)現(xiàn)了整數(shù)量子霍爾效應(yīng)、分?jǐn)?shù)量子霍耳效應(yīng)和維格納晶格，在一維導(dǎo)體中驗(yàn)證了盧廷格液體的理論，在一些人工的納米結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)了介觀量子輸運(yùn)現(xiàn)象。在未來(lái)的一段時(shí)期內(nèi)，納米電子學(xué)和自旋電子學(xué)將成為固體電子學(xué)和光子學(xué)的發(fā)展主流。

4.軟物質(zhì)物理學(xué)

1991年被提出的軟物質(zhì)也被稱為復(fù)雜液體，它是介于固體與液體之間的物相，一般由大分子或基團(tuán)組成，諸如液晶、聚合物、膠體、膜、泡沫、顆粒物質(zhì)、生命體系物質(zhì)諸如DNA、細(xì)胞、體液、蛋白質(zhì)等都屬于這類物質(zhì)，它們中大多數(shù)都是有機(jī)物質(zhì)，在原子的尺度上是無(wú)序的，在介觀的尺度上則可能出現(xiàn)某種規(guī)則而有序的結(jié)構(gòu)。軟物質(zhì)在變化過(guò)程中內(nèi)能的變化很微小，熵的變化卻很大，因而其組織結(jié)構(gòu)的變化主要是由熵來(lái)驅(qū)動(dòng)，和內(nèi)能驅(qū)動(dòng)的硬物質(zhì)不同。有機(jī)物質(zhì)中的小分子和聚合物的電子結(jié)構(gòu)與電子性質(zhì)現(xiàn)在正受到重視，因此有機(jī)發(fā)光器件和電子器件正在研制開(kāi)發(fā)中。

二、當(dāng)今凝聚態(tài)物理研究的一些現(xiàn)象及其理論方法

固體物理學(xué)的一個(gè)重要的理論基石為能帶理論，它是建立在單電子近似的基礎(chǔ)上的。而凝聚態(tài)物理學(xué)的概念體系則淵源于相變與臨界現(xiàn)象的理論，植根于相互作用的多粒子理論。凝聚態(tài)物理學(xué)的理論基礎(chǔ)是量子力學(xué)，基本上已經(jīng)完備且成熟。

當(dāng)前常用的一些理論方法：第一性原理（特指密度泛函理論計(jì)算），蒙特-卡洛方法，玻爾茲曼模型，分子動(dòng)力學(xué)模擬，伊辛模型，有效場(chǎng)，平均場(chǎng)等等。

當(dāng)前被研究的一些現(xiàn)象：光譜，超導(dǎo)，霍爾效應(yīng)，弱相互作用，電阻（巨磁電阻，龐磁電阻），磁性研究（磁阻，微磁學(xué)，鐵磁性，巨磁阻抗效應(yīng)，相圖），多向異性，子晶格，態(tài)密度，能隙，強(qiáng)關(guān)聯(lián)、激發(fā)態(tài)，量子通信，冷原子、物理進(jìn)展等等。

第一性原理方法是根據(jù)原子核與電子相互作用及其基本運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，運(yùn)用量子力學(xué)原理從哈密頓量出發(fā)，近似處理后進(jìn)行求解薛定諤方程的方法，它能給出體系的電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)等相關(guān)信息，能描述化學(xué)鍵的斷裂、重組，以及電子的重排而被很多人多熱衷。

蒙特-卡羅方法也被稱統(tǒng)計(jì)模擬方法，是以概率統(tǒng)計(jì)理論為基礎(chǔ)的使用隨機(jī)數(shù)來(lái)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的方法一類數(shù)值計(jì)算方法，它是以事件出現(xiàn)的頻率估算隨機(jī)事件的概率，并將這個(gè)結(jié)果作為問(wèn)題的解。

伊辛模型是描述分子之間有較強(qiáng)相互作用的系統(tǒng)發(fā)生相變情況的模型。通常使用有效場(chǎng)理論、平均場(chǎng)理論和蒙特?卡羅方法來(lái)研究它。

三、當(dāng)今凝聚態(tài)物理研究的一些成就

凝聚態(tài)物理當(dāng)今在器件方面取得的兩方面主要成就是太陽(yáng)能電池和納米器件。在材料方面取得的一些成就有：納米材料，電子陶瓷材料，拓?fù)浣^緣材料，碳材料（石墨烯，石墨炔，碳化鍺薄膜等），復(fù)合熱電材料，自旋液體、超導(dǎo)體，超材料，薄膜材料。

上邊所列的這些成就中，拓?fù)浣^緣體的邊界或表面總是存在導(dǎo)電的邊緣態(tài)，這有望于制造未來(lái)新型電腦芯片等元器件。自旋液體描述物質(zhì)中的一種特殊自旋排布狀態(tài)，材料的作用能支持某些奇異的超導(dǎo)性或?qū)⒁恍┫窳Ｗ右粯訐碛须姾傻膶?shí)體組織起來(lái)。石墨烯是目前發(fā)現(xiàn)的最薄、強(qiáng)度最大、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最強(qiáng)的一種新型納米材料，目前最有潛力的應(yīng)用是成為硅的替代品，制造超微型晶體管，用來(lái)生產(chǎn)未來(lái)的超級(jí)計(jì)算機(jī)，而且它非常適合作為透明電子產(chǎn)品的原料，如透明的觸摸顯示屏、發(fā)光板和太陽(yáng)能電池板。當(dāng)今對(duì)石墨炔衍生物的研究逐漸成為研究熱點(diǎn)，研究者們積極地設(shè)計(jì)可能的石墨炔衍生物并預(yù)測(cè)其物理性質(zhì)。如研究BN摻雜的石墨炔系列結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與電子結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)它的性質(zhì)與硼氮元素?fù)诫s的濃度和位置緊密相關(guān)；N摻雜石墨炔可充當(dāng)氧還原反應(yīng)的無(wú)金屬電催化劑；氟化作用可調(diào)節(jié)石墨炔帶隙寬度，這使得石墨炔在納米電子設(shè)備的使用上使其有靈活性；分別在石墨二炔和α-石墨炔中摻入硅和鍺的結(jié)果是碳硅元素以及碳鍺元素之間可以形成穩(wěn)定的炔鍵結(jié)構(gòu)，并且其帶隙值明顯加寬。總之，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)這些新的碳鍺材料，不僅可以豐富碳相關(guān)材料的數(shù)據(jù)庫(kù)，而且可以為電子設(shè)備、氣體分離薄膜、儲(chǔ)能材料、鋰離子電池電極材料等方面提供可選的對(duì)象。

還有，利用粒子的隧道效應(yīng)可制備隧道結(jié)這類夾層結(jié)構(gòu)，諸如半導(dǎo)體隧道二極管、單電子超導(dǎo)隧道結(jié)、庫(kù)珀對(duì)超導(dǎo)隧道結(jié)。利用與自旋相關(guān)的隧道效應(yīng)，則已制出具有隧道磁電阻的磁存儲(chǔ)器。半導(dǎo)體量子阱已用來(lái)制備快速晶體管和高效激光器。量子點(diǎn)可用以制備微腔激光器和單電子晶體管。利用鐵磁金屬與非磁金屬可制成磁量子阱，呈現(xiàn)巨磁電阻效應(yīng)，可用作存儲(chǔ)器的讀出磁頭等等。

結(jié)論

有人說(shuō)：“沒(méi)有量子力學(xué)就沒(méi)有手機(jī)和電腦，就沒(méi)有現(xiàn)今互聯(lián)網(wǎng)的普及?！睆倪@句話中可以看出更確鑿的事實(shí)：基礎(chǔ)科學(xué)一直是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)和推手，凝聚態(tài)物理在理論上的發(fā)展一方面詮釋客觀物質(zhì)世界存在的現(xiàn)象，一方面又能預(yù)測(cè)人類將能解決的客觀問(wèn)題；而它在實(shí)驗(yàn)上的發(fā)展則是根據(jù)其理論上建立的模型給予驗(yàn)證并因此揭示客觀事物的實(shí)質(zhì)與規(guī)律，且據(jù)此來(lái)建立并整合理論結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)用技術(shù)之間的聯(lián)系，使得這些客觀事物及其規(guī)律最終為人類所利用。

參考文獻(xiàn)