導語：如何才能寫好一篇量子計算的定義，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

關鍵詞：計算機網(wǎng)絡；改進量子進化算法；路由選擇

當今社會是一個數(shù)據(jù)化時代，計算機網(wǎng)絡技術已經(jīng)應用到社會的各個領域。對于在已知網(wǎng)絡的各個節(jié)點的通信需求下，怎樣選擇計算機通信網(wǎng)鏈路的高效路由，這一受到多個條件約束的雜亂非線性規(guī)劃問題，在傳統(tǒng)的數(shù)學理論中尚未得到有效的解決方法。面對這個問題，傳統(tǒng)的算法都存在一定的局限性，計算也比較復雜，在很多條件限制下都難以發(fā)揮其作用，無法給出滿意的解決方案。本文主要是對改進量子進化算法在計算機網(wǎng)絡路由選擇上的應用進行探究。

一、計算機網(wǎng)絡路由選擇意義

傳統(tǒng)的計算機網(wǎng)絡路由的選擇方式主要有爬山法、梯度法、模擬退算法以及列表尋優(yōu)法，但其都具有很大程度上的局限性，受到的限制條件也比較多，不能有效地發(fā)揮其作用。網(wǎng)絡路由選擇的定義主要有：在已有的計算機網(wǎng)絡拓撲和網(wǎng)鏈路通信容量以及各個節(jié)點需求的情況下，對各節(jié)點的網(wǎng)絡路由進行確定，以最大限度縮小互聯(lián)網(wǎng)的時延性。這種路由選擇方式，可在選擇過程中采取一些簡化工作，假設網(wǎng)絡通信節(jié)點的數(shù)據(jù)包完好無缺，不受通信容量影響，報文長度則以實際指數(shù)分布為基準，來進行路由選擇。

二、計算機網(wǎng)絡路由選擇中改進量子進化算法的應用

（一）量子進化算法的概述及算法流程

量子進化算法是由量子計算和進化算法結合而來，其運算方式為，在確定量子矢量的情況下，用量子算法的比特編碼來表示染色體，并以旋轉門和量子非門來進行染色體的更新，據(jù)此讓目標得到最優(yōu)解答。

在進行計算中，可以采用矩形陣表示量子染色體，設其長度為m

量子進化算法流程主要有以下幾個步驟：

首先，將種群Q（t）初始化，設t=0，并測量種群中的每個個體，得到種群的狀態(tài)P（t）；其次，對P（t）的適應度進行評估，將最佳個體狀態(tài)和適應值進行記錄；最后，采用

While非結束狀態(tài)do，

begin

1、t=t+1；

2、對種群進行測量Q（t-1），其狀態(tài)為P（t）；

3、進行P（t）的適應度評估；

4、對Q（t）采用量子門進行更新?lián)Q代，記錄后代種群Q（t+1）；

5、對每個個體的最佳狀態(tài)以及適應值進行記錄。

End

End

（二）旋轉角的優(yōu)化調整

（三）函數(shù)調整優(yōu)化

采用租戶優(yōu)化的辦法可以知道各基因間的相關性不大，基于這一特點對量子位進行定義：

表1 優(yōu)化方案

分析表1的內容可以知道，這種旋轉方案能夠讓搜索結構逐漸走向最優(yōu)化，收斂速度也得到提高，在此表中只列出了第一象限內的 ，其他象限內的 情況可由此進行推斷。

（四）仿真測試

以仿真實驗的方式對以上的分析進行檢驗，與傳統(tǒng)的量子進化算法為比較對象，證明改進量子進化算法在計算機網(wǎng)絡路由的選擇性能存在優(yōu)越性。仿真實驗的結果如圖1；

圖1 改進算法和傳統(tǒng)算法的對比

根據(jù)此圖能夠看到，改進量子進化算法在尋優(yōu)性和收斂性上明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的量子進化算法，在計算機網(wǎng)絡路由選擇的應用中，改進量子進化算法的綜合性能也比傳統(tǒng)的量子進化算法優(yōu)秀。

結束語

計算機網(wǎng)絡路由選擇的改進量子進化算法，是在傳統(tǒng)的量子進化算法的基礎上進行改進的，通過仿真測試可以知道，經(jīng)過改進的量子進化算法在尋優(yōu)搜索和收斂速度上存在一定優(yōu)勢，很好的解決了互聯(lián)網(wǎng)計算機路由在選擇上面臨的約束條件多、雜亂非線性規(guī)劃等問題，很大程度上為互聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)鏈路的最佳路由選擇提供了幫助。

參考文獻

[1]宋明紅，俞華鋒，陳海燕.改進量子進化算法在計算機網(wǎng)絡路由選擇中的應用研究[J].科技通報，2014（01）：170-173.

[2]趙榮香.改進量子進化算法在計算機網(wǎng)絡路由選擇中的應用探究[J].科技傳播，2014（24）：148+152.

篇2

注意教材書（文獻［9］）已有"輻射場"及"能量場"的物理學概念。但囿于理論局限，使得教材書對這種場的描述是靜止的（機械的）、孤立的（與物質世界無必然聯(lián)系的）、無源的（原因不清），因而也是抽象的（沒有物理意義的）。

上已證明，原子中能量量子化的根源是原子核，量子化是原子核自身性質。值得物理學注意的是，原子核這種性質并不孤立存在，它同時還嚴格地規(guī)定著所有外部世界。因而使得電子、原子、分子、物體、天體、宇宙都只能有唯一穩(wěn)態(tài)位置和結構。這就是大自然最基本的內在本質規(guī)律。也就是普適方程即（20）式所揭示的規(guī)律。

那末，具體規(guī)律是什么呢？請看：

4.2 輻射能場（存在）定理

研究表明，輻射能場準確存在可用定理表述。

〖輻射能場定理〗:任何粒子（含場粒子及天體，無例外，下同）在其周圍都形成（存在）一種輻射能場，這種輻射能場可用普朗克常數(shù) ? 和量子數(shù) n＝0,1,2,3… 準確具體描述。在微觀輻射能場表現(xiàn)為量子化，在宏觀則表現(xiàn)為大量粒子的簡并統(tǒng)計結果。

4.3 輻射能場實質

輻射能場實質系以粒子為中心，向周圍空間拋射場粒子流（這里主旨中性場粒子流，對于電磁場當有別論），這種場粒子流經(jīng)電子集約化就成了光子。研究也表明，任何光子包括 X 射線都準確如此。參見（15）式，據(jù)此不難描述任何光子的自身結構。并且可以證明任何光子的靜止（如可能）質量均不為零。認為光子靜止質量為零，還是量子力學根據(jù)"相對論"瞎子摸象猜測結果。

這已表明光子的真實粒子性。并可準確具體證明，所謂波動性實際上是普朗克常數(shù)與量子數(shù)相互作用的一種客觀表象，任何光子都不存在任何物理意義上的波動屬性。

4.4 輻射能場形象

研究表明，輻射能場形象與點光源的光通量完全一致。對于原子核，其輻射能場可用圖（3）準確表示：

圖中箭頭方向表示輻射能流方向，其線密度表示能流密度，n為量子數(shù)。

4.5 輻射能場性質

研究表明，輻射能場實質系以光速拋射場粒子流（粒子上限為中微子），故，輻射能場具有排它性。原子核的輻射能場首先排斥核外所有電子，任何電子也因此未能落到核上，這是事實。所以，電子未能落到核上量子力學的任何解釋都只能是自欺欺人的胡言亂語！也所以，玻爾對電子的擔心完全多余。

需要指出，輻射能場這種排斥作用，通常主要表現(xiàn)為能量形式。相形之下排斥力效應很小，一般可忽略。這與太陽光輻射的能量效應十分明顯，而太陽光的壓力效應十分微小，完全相似。不過在研究宇宙膨脹時，完全不可忽略天體輻射的斥力效應。就是說，"宇宙斥力"存在。然，囿于歷史和理論局限，愛因斯坦在提出宇宙斥力概念后，又不得不自我否定。

4.6 原子核輻射能場數(shù)學表達式

大量研究表明，原子核（質子）的輻射能場數(shù)學表達式準確為：

E ＝ n2·h2 ／ 2mP·r2 ―――――――― (21)

式中 h 為普朗克常數(shù)，n為量子數(shù)，mP為質子質量，距離為r＝0∞，需指出，輻射能場場強 E 具有能量量綱（這是因為使用因子 h 結果），其數(shù)值則為 r處單位面積上的能量。

注意：該式與（64）式有必然聯(lián)系，但物理意義微妙不同，且具有豐富物理內容（略）。

研究還表明，由此電子所得到的原子核輻射能場能量準確地為：

E ＝ n2·?2 ／ 2me·r2 ――――――― (22)

注意：這也就是玻爾量子化條件。

式中 me 為電子質量，不難看出普朗克常數(shù) h＝2π? 緊密地聯(lián)系著質子和電子。

已很明顯，量子力學與玻爾相比，玻爾正確，量子力學謬誤！

并且由（21）、（22）式不難看出，當量子數(shù) n＝0時，E＝0。 需指出，這是物質結構非常狀態(tài)。參見圖（3），在 n＝0 時，原子核沒有了輻射能場，原子核不再有排斥電子的能力。于是，電子必然落到核上。研究表明，這就是宇宙到達最低溫度--宇宙奇點的情況。于是，原子中發(fā)生比核反應還強烈的變化，結果原子爆炸--物質爆炸--宇宙爆炸！這就是宇宙爆炸原因，由此也不難了解宇宙過去。

可悲的是，量子力學竟將量子數(shù) n＝0 也定義為原子的一種穩(wěn)定狀態(tài)?？筛韬簦靠善?？災難，罪過！阿們--

4.7 輻射能場的實驗驗證

4.7.1 太陽的輻射本領已足夠大

目前世界公認太陽發(fā)射本領（文獻[2]）為3.8×1033（爾格/秒），這相當于太陽每秒拋射出質量為 m＝4.2×109(千克) 物質。但如上可知，太陽實際發(fā)射本領遠大于此。因為太陽光僅是輻射能流的一部分，這種能流粒子上限為中微子。

4.7.2 宇宙正在膨脹

宇宙正在膨脹，表明"宇宙斥力"存在，這是宇宙中心輻射能場性質。宇宙正在膨脹恰系宇宙中心輻射能場的客觀真實寫照（或曰照片）。

4.7.3 "太陽風"的存在

文獻 ［10］介紹的"太陽風"正是本文定義的太陽輻射能場，太陽風就是太陽輻射能場的客觀真實寫照。該文獻給出了對太陽風考察的衛(wèi)星實際探測結果（文獻圖示略）。這可謂太陽輻射能場的真實實驗驗證。

4.7.4 第四個驗證是，任何原子中任何電子均未能落到核上，這是事實

不僅如此，人為方法：高能陰極射線、X射線或高能加速器也很難將電子打到原子核上。這絕非因碰撞截面太小，總會有幾率。實際上正是由于原子核具有排它性的輻射能場排斥效應所致。由（22） 式可見，電子得到的原子核排斥能與距離平方成反比例。在核半徑處排斥能十分巨大，以致可忽略靜電引力能。簡單計算表明，電子必須具有200倍C(光速)才可能到達核半徑處。也因此，玻爾對電子的擔心完全多余！

需要指出，對此類問題，量子力學仍會故伎重演--狡辯。但經(jīng)如上及以下分析論證，量子力學純系主觀臆造，對物理學實質問題全然無知，已經(jīng)使得量子力學的狡辯不再有任何效力。

4.7.5 第五個驗證是人們熟悉的，然而又不熟悉的，這就是氣體壓力

量子力學會立即反駁說："氣體壓力來自分子熱運動和碰撞" （文獻[8]）。需指出，這種解釋充其量只能算作表面化非本質解釋，作為哲學或市民語言尚可，但不能作為物理學家語言。在嚴格物理意義上說這種解釋是自欺欺人的。這種解釋實際上并不清楚分子熱運動的實質和根源，更不知溫度對單個分子的意義是什么。量子力學（文獻 [8]）以公開宣稱："對單個分子溫度沒有任何意義"。

這是因為量子力學有一劑靈丹妙藥--波函數(shù)Ψ --量子力學家主觀意識，就可以包治百病。溫度與這靈丹妙藥無任何聯(lián)系，在靈丹妙藥中沒任何位置，所以溫度沒有用處。也所以量子力學結論：對于單個分子，溫度沒有意義。

但是，只要神經(jīng)不錯亂，人人都懂得，既然宏觀溫度是大量分子集體貢獻，怎么能說單個分子沒有貢獻？單個分子又怎能擺脫溫度環(huán)境？這與人對社會貢獻完全一致，能說個人對社會的貢獻沒有意義嗎？！

大量研究已經(jīng)表明，溫度概念同樣也有極為豐富的物理內容。溫度問題同樣也貫穿全部物理世界全部內容。并對此可做如下結論：

普朗克常數(shù) h＝2π? 與量子數(shù) n＝0,1,2,3…好比一對孿生兄弟，他們共同貫穿全部物理世界全部內容，并且，宏觀溫度 T 就是量子數(shù) n＝0,1,2,3… 的照片。

注意，此結論在確切物理意義上正確。

研究還表明：分子熱運動及分子間斥力的實際根源正在于原子（核）間排斥能場相互作用的結果。并可得以下具體結果：

PV＝∑Ei ―――――――――――――――― (23)

式中PV為氣體壓力勢能，Ei為單個氣體分子的輻射能場能量（推導略）。這種嚴格關系唯一證明分子（原子）輻射能場客觀存在。此時并唯有此時輻射能場的排斥力效應也十分明顯，這就是氣體壓力。

第五章 大自然內在本質規(guī)律二

5.1 大自然內在本質規(guī)律之二--潛動能客觀存在

研究還表明，這種規(guī)律正確存在也可用定理表述：

5.2 潛動能定理

〖潛動能定理〗：任何質量為 m 的物體（含場粒子及天體）當以速度 V 運動時，必有潛動能存在。若以符號 T2 表示則為：

T2 ＝ （1/2） mV2 ――――――――――― （24）

可見，潛動能在數(shù)值上與物體經(jīng)典動能（機械動能）相等?，F(xiàn)將經(jīng)典動能定義為顯動能，并以符號 T1 表示之：

T1＝ T2 ＝（1/2） mV2 ―――――――― （25）

那么，可以定義物體運動全動能，以符號 Tm 表示則為：

Tm ＝ T1＋T2 ＝ mV2 ――――――――― （26）

如果，質量 m 以光速 C 運動，其全動能必為：

Tm＝ mC2 ＝ E ――――――――――― （27）

看！這就是遐邇聞名的愛因斯坦質能關系。這已表明，愛因斯坦質能關系只不過是物體（粒子）運動全動能之特例！然而，不僅愛因斯坦本人，而且后人至今都不清楚質能關系的物理意義?？桑?7）式中 E＝mC2 的物理意義是再清楚不過了！

5.3 潛動能的物理意義

研究表明，潛動能普遍客觀存在，實際上它是物體（粒子）運動時的伴隨能量。由于潛在性，低速時或直觀上人們難以發(fā)覺。只有在高速時才明顯表現(xiàn)出來，所以人們至今尚不知曉。

研究表明，潛動能實質也是一種輻射能場，這種場粒子上限亦為中微子，對中微子目前尚不能檢測，這也是人們尚未發(fā)現(xiàn)潛動能的直接原因。

需指出，溫度為 T 的物體當以速度 V 運動時，同時存在輻射能場及潛動能能場，兩種能場分別可測并須分別描述。但是，以下將完全證明原子核的輻射能場實際上就是原子核自旋潛動能。由此也證明潛動能普遍客觀存在。

也所以潛動能的能量效應較其壓力（即動量）效應明顯，尤其當速度V＜＜C 時，人們無法觀測到這種動量效應。然而當物體速度接近光速（VC）時，潛動能的能量效應與動量效應均不可忽略。這時潛動能的能量效應形成愛因斯坦的質能關系事實；而其動量效應則形成"物質波"的事實。這就是"物質波"的本來面目和真實內容。

5.4 潛動能的實驗驗證

5.4.1 回旋加速器的驗證

文獻 [10] 介紹："電子在回旋加速器中，任何瞬間，軌道平均磁場的增量必須是軌道上磁場增量的 2 倍"。即：

dBave ＝2dB ―――――――――――――- （28）

這無疑表明本文如上全動能成立，亦即表明潛動能客觀存在。

5.4.2 電子在加速器中同步輻射光

電子在加速器中同步輻射光能正是電子運動的潛動能，并且，電子同步輻射光的波長 λ為：

λ ＝ h·c／E ―――――――――――――― （29）

注意：式中能量 E 是電子同步輻射光能量，也就是電子的潛動能。

5.4.3 地球的潛動能

地球有潛動能？從沒聽說過！有人說。

不錯，但經(jīng)本文由普適方程已經(jīng)計算出地球確有潛動能：月球的存在給出完全的證明。因為本文對月球的計算表明，普適方程不僅適用于太陽系，而且適于地（球）--月（球）結構。并且，對月球的計算，得出兩個重要結果：①由普適方程計算月球繞地（球）軌道半徑與天文觀測（文獻［2］）的誤差小于1％ ； ②由普適方程計算得出--月球是顆裸星。這已是個奇跡，目前為止任何理論都辦不到！

這種結果無疑表明：

第一，地球所得到的太陽輻射能剛好等于地球軌道動能，也剛好等于地球的潛動能。于是，地球能量處于一種動平衡中。這表明，月球繞地（球）軌道受地球潛動能嚴格支配，亦即受地球軌道動能嚴格支配，亦即受太陽能量嚴格支配。不僅如此，太陽以此嚴格支配著系內所有天體（無例外）的運行（位置、動能、尺寸、質量以及軌道曲線性質）。

第二，地球運動潛動能客觀存在，在數(shù)值上準確等于地球軌道運行動能。故〖潛動能定理〗成立！

第三，"物質波"就是本文所定義的"潛動能"。

第四，普適方程無條件成立！

5.4.4 X射線韌致輻射

周知，X射線韌致輻射最短波長 λmin 為：

λmin ＝ h·c／E －――――――――――― （30）

式中 E 為外加能量，在數(shù)值上等于電子顯動能，也等于潛動能。需要指出的是，電子只能放出潛動能形成所謂的"波長"：λ。而電子的顯動能與宏觀物體的機械動能一樣：只能直接作機械功，不能直接成為輻射能。量子力學對此問題"心不在肝"！

所以，（30）式的真實物理內容是：電子放出潛動能形成所謂波長：λ，這證明潛動能客觀存在?？墒?，量子力學，還有德布羅意，把這稱為"物質波"！

還要注意：由（30）式可見，韌致輻射最短波長 λmin 連續(xù)可變，這已完全表明電子能量連續(xù)可變。再一次證明"量子化"并非電子自身固有屬性。

第六章 物質波及其實質

6.1 究竟物質波是什么

談物質波問題，恰進入量子力學權威領地。作為權威，理應對此做出科學合理解釋。遺憾的是雖經(jīng)近百年發(fā)展量子力學仍滿足于對物理現(xiàn)象作似是而非的猜測，量子力學的"波函數(shù)"概念正是對"物質波"現(xiàn)象的猜測，并強加給電子。

下面考察物質波。

德布羅意"物質波波長"表達式為：

λ ＝ h／p ―――――――――――――――― （31）

該式表示什么物理意義呢？

認真研究表明：雖然 λ 具有長度量綱，但并不表征任何長度物理量，只能表征粒子動量p 的反比量度。之所以具有長度量綱，是因為動量 p 反比量度的單位取 h 的結果。除此之外（31）式不再有其他物理意義，或將其變化如下：

λ＝h／p＝hv／pv＝hv／mv2＝hv／Em ――― （32）

式中 Em＝Tm 為前文定義的粒子運動"全動能"，這表明 λ 亦可表征粒子運動全動能的反比量度，或者說是對潛動能的一種量度。所以可結論：

6.2 物質波實質

第一，"物質波"波長只能表征粒子運動時的動量效應或者潛動能，實質是潛動能的反比量度。除此之外（32）、（31）式不再有其它意義。

第二，"物質波波長"絕不表示粒子有任何物理意義上的"波動"性質！

第三，那又為何將 λ 定義為"波長"呢？研究表明，這還是在于量子力學的特長--富于猜想的結果：看到粒子（光子或電子）的干涉和衍射現(xiàn)象，聯(lián)想宏觀波動（水面波動）的干涉，于是猜想微觀粒子（光子和電子）有一種說不清的波動性質。由此便將 λ 定義為"波長"。殊不知，宏觀波動（水面波動）的干涉與微觀粒子的干涉是完全不同的兩回事。研究表明，水面波動確系水面物質波動。而粒子（光子和電子）的干涉和衍射卻完全是由普朗克常數(shù) ? 與量子數(shù) n (一對孿生兄弟) 共同（技術）表演的結果。并可嚴格準確具體證明:粒子（光子或電子）的干涉條件中的自然數(shù) n＝0,1,2,3… 恰為量子數(shù) n＝0,1,2,3…（略）。這是因為粒子的干涉和衍射現(xiàn)象是粒子與（量子化了的）物質場（輻射能場）相互作用的必然結果。

并且在本文已到達的深度--準確描述場粒子自身結構深度上說，仍未發(fā)現(xiàn)任何粒子有任何內稟波動屬性。這說明根本不存在"物質波"。而德布羅意"物質波"概念恰在于粒子運動"潛動能"的事實。所以，與其說德布羅意發(fā)現(xiàn)了"物質波"，毋寧說他發(fā)現(xiàn)了粒子運動的潛動能。

之所以人們認為粒子具有波動性，客觀原因在于人們對微觀粒子，例如光子，幾乎完全缺乏了解。也因之，目前為止，光子的"波粒二象性"問題仍屬世界公認遺難問題之一！

第七章 普適方程物理意義

7.1 普適方程物理意義

普適方程物理意義可用圖（4）

描述如下：

圖中曲線 ① 就是普適方程 ①

式，這代表大自然一種普遍基本規(guī)

律--相互吸引規(guī)律。式中 T 為

粒子（含天體 ）軌道動能，V 為引

力勢能。動能等與勢能之半，這本是

經(jīng)典物理內容。

曲線 ③ 就是普適方程 ③ 式，

這代表大自然另一種普遍基本規(guī)律

--相互排斥規(guī)律。式中 E 為粒子

（含天體）所得到的由輻射中心來的

輻射（排斥）能。

顯然，曲線 ① 是線性的，即引

力能 V 隨距離 r 呈直線變化；而

排斥能 E（曲線 ③）是雙曲線。故，

兩條曲線必相交，交點為 ②，即普適方程 ② 式（T＝E）。這代表大自然第三種基本規(guī)律--普遍客觀存在規(guī)律--兩種相反作用永恒絕對平衡規(guī)律：既可以是穩(wěn)態(tài)平衡，例如原子和太陽系；又可以是動態(tài)平衡，例如銀河系及宇宙的膨脹（含宇宙爆炸）。并且牛頓力學在大自然中完全好用！量子力學對牛頓力學的非議純屬癔語糊勒！

7.2 普適方程注釋

第一，普適方程物理意義雖很寬廣，但卻真實具體，并不抽象。

第二，普適方程可以直接用來計算原子結構，計算天文結構須要變換（略）。

第三，已不難看出大自然（宇宙萬物）沒有任何東西能夠（可以）逃脫普適方程規(guī)律的支配！所以這里用了"永恒絕對普遍"規(guī)律說法，不僅物理意義，而且哲學意義準確可靠。亦不難看出人類目前為止的哲學理論錯誤（略）！

第四，因此不難理解：普朗克常數(shù)及量子數(shù)好比一對孿生兄弟，他們共同貫穿全部物理世界全部內容！

研究表明，這已構成物理學最基本的定律--物理學奠基定律。以致物理學不得不另辟一章：

第八章 物理學奠基定律

8.1 物理學奠基定律

〖物理學奠基定律〗：普朗克常數(shù) h＝2π? 與量子數(shù) n＝0,1,2,3… 好比一對孿生兄弟，它們同時共同貫穿全部物理世界全部內容，無例外。

篇3

據(jù)來自物理學家組織網(wǎng)的報道，繼去年獲得純度高達5個9（99.9998%）的硅后，美國國家標準與技術研究院的團隊又一次刷新紀錄：他們使用一項相對簡單的技術，生產出了可能是目前純度最高的硅，該材料99.9999%以上的成分為硅28，僅有不到百萬分之一為不確定的同位素硅29。

許多量子計算方案需要同位素純硅，比如用作襯底，在其上嵌入量子位（存儲信息的量子比特）。項目負責人、該研究院物理測量實驗室量子工序和計量學組的喬希?波默羅伊表示，“眼下面臨的真正挑戰(zhàn)是如何讓這種非結晶的高純度硅成為晶片或外延層所使用的硅的形式”，這是構建實用量子信息系統(tǒng)最終所必需的。在這方面他們已經(jīng)取得了一定的成功，能夠讓這種高純度硅生長成為近乎完美的晶體。

要滿足大部分量子計算目的，需要純度至少達99.99%的硅28，但這種硅目前還無法通過可靠的商業(yè)來源獲取。天然非高純度硅中含有大約92%的硅28，另有大約4.7%的同位素硅29。但硅29的存在是量子計算必須克服的一個難題，因為它會導致量子信息的崩潰，也就是量子比特的“退相干”。硅29的含量每減少10倍，相干時間便可延長10倍。為了進一步提純硅28，研究小組采用了一種類似質譜分析的技術。他們先用高壓將自然界中含量豐富的硅烷氣體中的硅原子電離并萃取出來，然后使其通過磁場，這會導致離子的軌道彎曲，而曲率半徑取決于離子的質量，因此硅28和硅29會分離成不同的光束。接著，硅28離子束被引導到一個約1平方厘米的非高純度硅基底上，以方便收集硅28離子。相比其他生產高提純硅的最先進技術，比如旨在利用一個高純度硅28制造的完美球體來定義千克標準的國際阿伏伽德羅項目，這種方法要簡單得多。

不過，無論是經(jīng)典計算還是量子計算，都需要具有規(guī)則晶體結構的高純度硅，這是因為非晶硅充滿懸空鍵、氧分子和其他雜質，導致其電性能不佳。為了獲得晶體硅樣品，研究人員讓硅28在一個加熱到1250攝氏度高溫的非高純度晶體硅襯底上生長，結果這種高純度硅幾乎能夠完美地模仿襯底的結構。他們原本預計這個加熱步驟會降低晶片的純度，但出乎意料的是，當一份樣品被升溫到600攝氏度時，或許是由于真空壓力，其純度竟然提高了10倍，達到了6個9（99.9999%）。這種超高純度的硅可應用于所有采用硅基量子比特的量子系統(tǒng)。

篇4

作為奧地利理論物理學家和量子力學的奠基人之一，埃爾溫·薛定諤曾表示糾纏是量子力學的特殊性質，其也是新興的量子密碼學和量子計算等量子信息技術的關鍵資源。

糾纏的粒子所表現(xiàn)出的相關性，比經(jīng)典物理學定律所允許的更強大也更復雜。如果兩個粒子處于糾纏的量子態(tài)，它們就能完全地定義共同屬性，并以損失自己的個體特性為代價。這就像兩個原本沒有方向的骰子，在處于糾纏態(tài)時，它們將隨機顯示出同樣的朝向；相反，如果它們處于分離的量子態(tài)時，其中每一個都將顯示出自己明確的朝向，因為每個粒子都有自己的特性。通常，我們會認為無論骰子是否糾纏，量子態(tài)的性質至少應是現(xiàn)實的客觀事實，物理學家安東·塞林格教授所帶領的研究團隊現(xiàn)在卻可在實驗中證明，情況并非一直如此。

他們實現(xiàn)了名為“延遲選擇糾纏交換”的“思想實驗”，這項實驗由亞瑟·佩雷斯于2000年提出。在實驗中，兩對糾纏的光子可被生成，每對中的一個光子將被發(fā)送至“維克多”一方。剩下的兩個光子，一個被發(fā)送至“愛麗絲”處，一個被發(fā)送至“鮑勃”處。“維克多”現(xiàn)在能在兩種測量中選擇，如果他決定以被迫的糾纏態(tài)方式測量自己的兩個光子，隨后“愛麗絲”和“鮑勃”的光子對也將變?yōu)榧m纏態(tài)；如果“維克多”選擇單獨測量自己的每一個粒子，“愛麗絲”和“鮑勃”的光子對也將以分離態(tài)收尾。

而現(xiàn)在的量子光學技術能支持研究團隊推遲“維克多”的選擇和測量，并以“愛麗絲”和“鮑勃”對于自身光子的行為作為參考。此次研究的主要作者馬曉松（音譯）解釋說，借助高速的可調諧雙態(tài)分析器和量子隨機數(shù)生成器，無論“愛麗絲”和“鮑勃”的光子是否處于糾纏態(tài)并顯示出量子關聯(lián)，或是處于分離態(tài)并顯示出傳統(tǒng)關聯(lián)，都可以在它們被測量后再做出決定。

篇5

量子隱形傳態(tài)在概念上非常類似于科幻小說中的“星際旅行”，可以利用量子糾纏把量子態(tài)傳輸?shù)竭b遠地點，而無需傳輸載體本身。中國科學技術大學的研究小組在國際上首次成功實現(xiàn)多自由度量子體系的隱形傳態(tài)，成果以封面標題形式發(fā)表于《自然》雜志。

這是科學家們在量子信息實驗研究領域取得的又一重大突破，為發(fā)展可擴展的量子計算和量子網(wǎng)絡技術奠定了堅實的基礎。這一成果的應用，可以從根本上解決國防、金融、政務等領域的信息安全問題，并有望為密碼分析、大數(shù)據(jù)處理和藥物設計等大規(guī)模計算難題提供解決方案。

找到外爾費米子――手機電池一年只充一次電

2015年7月，中國科學院物理研究所宣布成功捕捉到困擾物理學家近一個世紀的“幽靈粒子”――外爾費米子。這是國際上物理學研究的一項重要科學突破，對“拓撲電子學”和“量子計算機”等顛覆性技術的突破具有非常重要的意義。

具有“手性”的外爾費米子的半金屬能實現(xiàn)低能耗的電子傳輸，有望解決當前電子器件小型化和多功能化所面臨的能耗問題。同時，它還可用來制造比現(xiàn)在的超級計算機運行速度更快的量子計算機。

那么，這個“高大上”的發(fā)現(xiàn)對普通人來說具體有什么用呢――它可以解決手機待機時間短的問題，比如，實現(xiàn)手機電池一年充一次電。

揭示埃博拉病毒演化及遺傳多樣性――力戰(zhàn)疫情消解恐慌

中國軍事醫(yī)學科學院及中科院的最新合作研究，揭示出埃博拉病毒演化及遺傳多樣性，加深了對病毒進化特點及傳播動力學的理解，消除了國際社會對埃博拉病毒快速變異的擔憂，將有助于對埃博拉病毒疫苗和治療方案的研發(fā)。

首次測量到反物質間相互作用力――“就像一對戀人一樣”

2015年11月，由包括中國在內的12個國家的52家科研單位組成的STAR合作組首次測量到反質子-反質子間的相互作用力，這種作用力“就像一對戀人一樣”。這一發(fā)現(xiàn)標志著人們對反物質的研究進入了新的篇章。

揭示人類原始生殖細胞基因表達與表觀遺傳調控特征――解開生命延續(xù)密碼

在媽媽肚子里，胎兒必須形成原始生殖細胞并進行性腺發(fā)育，才能保證性成熟后形成正常的和卵子。那么，這類原始生殖細胞與其他細胞有何不同？對此，北京大學研究者的最新研究揭示了原始生殖細胞基因表達調控的一系列關鍵特征，解開了生命延續(xù)的密碼。

發(fā)現(xiàn)東亞最早現(xiàn)代人化石――早期現(xiàn)代人至少8萬年前已出現(xiàn)

中國科學院與英國María Martinón-Torres合作報告了對中國南部湖南省道縣福巖洞的最新發(fā)掘資料。他們先后發(fā)現(xiàn)了47枚人類牙齒化石以及大量動物化石。研究顯示，具有完全現(xiàn)代形態(tài)的人類至少8萬年前已在華南局部地區(qū)出現(xiàn)。

發(fā)現(xiàn)宇宙早期最亮、中心黑洞質量最大天體――探秘宇宙誕生之初

北京大學的研究組與合作者發(fā)現(xiàn)一個距地球128億光年（紅移6.3）、發(fā)光強度是太陽的430萬億倍、中心黑洞質量約為120億太陽質量的超亮類星體。這是目前發(fā)現(xiàn)的宇宙早期最亮的一個類星體。該發(fā)現(xiàn)證實在宇宙年齡只有9億年時，就已形成質量為120億太陽質量的黑洞。

解析細胞炎性壞死的關鍵分子機制――抓獲細胞焦亡的“兇手”

北京生命科學研究所邵峰研究組與合作者研究發(fā)現(xiàn)細胞炎性壞死的“殺手”――GSDMD蛋白。這是20年來首次揭示細胞焦亡的關鍵分子機制，這一研究重新定義了細胞焦亡的概念并開辟了細胞程序性壞死和天然免疫研究的新領域。

碳基高效光解水催化劑――清潔能源的未來之路

蘇州大學的研究組設計構建出一種非金屬碳納米點―氮化碳納米復合材料高效光解水催化劑，實現(xiàn)了可見光下高效的全分解水。該催化劑具有較高的穩(wěn)定性及轉換效率，資源豐富且價廉環(huán)保。相關研究在2015年2月27日的《科學》上。

篇6

關鍵詞：NDQJava2；創(chuàng)新；程序設計；量子成分

中圖分類號：TP311.52

量子程序設計語言NDQJava2處理系統(tǒng)，是借助于NDQJava的經(jīng)典系統(tǒng)，加以相應的量子成分，在NDQJava2的處理系統(tǒng)中，是使用的層層遞進的樹形結構，把語法樹來翻譯成java代碼，更加有利的實現(xiàn)語法的分析。

1認識NDQJava2語言

NDQJava2是在NDQJava的基礎之上，增加了具有量子成分的條件語句、循環(huán)語句、子程序等進化而來，形成的是一種混合式的、結構化的量子程序設計語言。但是由于技術的限制，還沒有真正的量子計算的問世，要進行NDQJava2設計語言，就要在傳統(tǒng)計算機上進行模擬，由于NDQJava2和NDQJava一樣，都是以Java為基礎的，所有要采取從編譯到解釋的過程。在設計中，也遵循著NDQJava的原則：實用、簡明、嚴謹、快速。

量子成分的條件語句，與Java語言的運用相類似，主要是為了解決在NDQJava在書寫時沒有固定的條件控制語句，時常需要在傳統(tǒng)部分與量子部分之間進行切換作業(yè)，影響了程序效果。在NDQJava2的條件語句中，每一個作為變量的量子都能獨立的使用一個使能量子，更加清晰合理。

量子成分的循環(huán)語句，在NDQJava2中會先進行判斷，判斷語句的真?zhèn)危绻C明為真，就進行量子程序表達式的循環(huán)，但如果證明為偽，就會終止循環(huán)。

量子成分的子程序，解決了程序書寫時的重復問題。子程序應用于NDQJava2主要是分為定義、調用這兩個部分，能有效減少語言的重復情況，在出現(xiàn)重復的計算時，就可以把相互重復的部分代碼變?yōu)橐粋€子程序，使程序結構變得更加清晰。

量子成分的異常處理，量子的程序設計語言，與傳統(tǒng)的設計語言有一個很大的不同點，就是量子的變量性質。在量子的語言結構中，引起異常變化的因素非常多，比如：IF語句的使用，在條件滿足的情況下進行，但在條件不滿足的情況下就不能進行，就會引起異常情況，異常處理的模塊就是專門應對這樣的情況。

2NDQJava2系統(tǒng)功能

NDQJava2以其創(chuàng)新的設計，對NDQJava進行系統(tǒng)的優(yōu)化，也是在Java語言的基礎上，進行從編譯到解釋的過程。主要是在詞法分析、程序匯編與解釋、代碼轉換這幾個領域作用突出。

2.1NDQJava2的詞法分析功能

詞法分析功能，是NDQJava2的第一大功能，主要是為了對NDQJava2源程序的單詞進行識別，并形成單詞的序列。由于現(xiàn)在完備的量子技術還沒有真正實現(xiàn)，所以在NDQJava2中就包括傳統(tǒng)和量子兩個部分，本著對已有資源充分利用的原則，把傳統(tǒng)經(jīng)典的部分與量子的部分進行區(qū)別處理。

在傳統(tǒng)經(jīng)典的部分中，使用的是Java處理，量子部分出現(xiàn)的語法都默認為量子成分，自行設計。兩部分別的要創(chuàng)建不同的文件夾進行保存，在運行時要進行判斷為哪種部分，如果為量子部分，就利用量子成分的循環(huán)語句，進行文件的處理，處理后建立起語法樹。如果經(jīng)判斷，為經(jīng)典的部分，就由Java運行。NDQJava2系統(tǒng)中，語言的關鍵字和分解符都有獨特的碼與之一一對應，這就把源程序中所出現(xiàn)的單詞，轉化為單詞序列，而標示符用量過大，無法實現(xiàn)一一對應，為了使用方便，就統(tǒng)一為一種碼。并進行程序設計，需要使用以的下形式：

開始NDQJava2源程序預處理子系統(tǒng)（對多余信息進行刪除）掃描程序（對單詞進行實際識別）單詞序列結束。

2.2NDQJava2的程序匯編與解釋功能

為了實現(xiàn)NDQJava2在傳統(tǒng)計算機上書寫量子的程序，就要設計假設的基本的指令集和匯編的指令集，并使用Java來編寫相應的匯編程序、解釋程序。

NDQJava2中，程序匯編功能是采用的分段匯編，將每一段匯編指令各自進行匯編，再集合起來，形成一個完整的匯編指令，在獲取匯編指令以后需要使用command函數(shù)把指令輸入到量子的匯編系統(tǒng)中，量子的匯編字符串就是command函數(shù)得參數(shù)。匯編字符串被空格分隔為多個子串，指令字符串上的第一個子串，就是操作碼。根據(jù)獲得的操作碼，查找對應的操作數(shù)，生成指令。不同的指令所需要的操作數(shù)也各不相同，最后就需要把操作碼與操作數(shù)進行合并，作為機器的指令向外輸出。

程序的解釋功能，就是對于機器的指令進行逐條的翻譯過程，并執(zhí)行計算。在程序的解釋功能中，經(jīng)過量子的匯編程序處理過的機器指令存入系統(tǒng)中，以指令地址分類，分為單地址和雙地址，單地址的最高操作碼位數(shù)為0，雙地址的最高操作碼位數(shù)為1。以此來獲得準確的操作碼。分析得到的操作碼，調整與之相匹配的量子操作方法，根據(jù)操作數(shù)的兩種分類：寄存器編碼型和數(shù)值型，進行操作數(shù)據(jù)處理，匯集為參數(shù)輸入函數(shù)處理。

2.3NDQJava2的代碼轉換功能

NDQJava2在進行代碼轉換的時候，首先要遵循相應的原則，主要是三方面：第一要確保轉化的正確性，第二是機構程序要清晰、易讀，第三就是要利用自身的Java系統(tǒng)，提高效率。

在進行代碼轉換時，采取樹形的逐層轉換，先轉換低層次的代碼，再由低層次的代碼來轉換高層次的代碼，這就很大程度上保證了完整性和正確性。代碼之間要層級明確，建立起一個明確的結構，每一個量子成分的代碼都要有一個單獨的函數(shù)，各個函數(shù)之間不能在功能上產生交叉和重復。函數(shù)之間可以進行上下級的調用，但不能在同級之間進行調用。在整個NDQJava2系統(tǒng)中，是采用建立語法樹，轉化為以Java語言編寫的指令程序，在運用中，要分析整個語法樹，對每一個量子模塊都進行識別，調用代碼的模塊轉換為函數(shù)，進行處理以達到生成的Java代碼要包含匯編的指令。

經(jīng)過本文的論述，主要是探討了整個NDQJava2的技術理念：即在NDQJava的基礎上，進行的發(fā)展和創(chuàng)新。以及技術的系統(tǒng)功能，可以預見的是量子程序設計語言NDQJava2處理系統(tǒng)已經(jīng)是未來發(fā)展的主流，隨著科技的進步，必將能真正的投入應用之中。

參考文獻：

[1]劉玲,徐家福.量子程序設計語言NDQJava-2[J].軟件學報,2011(2).

篇7

針對水電機組振動故障耦合因素多、故障模式復雜等問題，提出了一種基于量子自適應粒子群優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(QAPSO-BP)的故障診斷模型。在QAPSO-BP算法中，利用量子計算中的疊加態(tài)特性和概率表達特性，增加了種群的多樣性;根據(jù)各粒子的位置與速度信息，實現(xiàn)慣性因子的自適應調節(jié);為避免陷入局部最優(yōu)，在算法中加入變異操作;并以此來訓練BP神經(jīng)網(wǎng)絡，實現(xiàn)網(wǎng)絡的參數(shù)優(yōu)化，進而構建了機組的振動故障診斷模型。仿真實例表明，與粒子群優(yōu)化BP網(wǎng)絡(PSO-BP)法和BP網(wǎng)絡法相比，該算法具有較高的診斷準確度，適用于水電機組振動故障的模式識別。

關鍵詞:

BP神經(jīng)網(wǎng)絡;量子自適應粒子群優(yōu)化算法;水電機組;振動;故障診斷

水電機組的振動包含水力、機械和電磁3個方面，異常振動可能會破壞機組的結構。據(jù)統(tǒng)計，水電機組約有80%的故障都會在振動信號中有所反映［1］。因此，從水電機組的振動信號入手，進而建立相應的模型已成為診斷機組故障的重要手段。鑒于水電機組發(fā)生振動故障的原因復雜多樣，涉及電氣、機械以及水力等多方面的因素，且故障成因與征兆之間呈現(xiàn)復雜的非線性，其故障的模式識別方法就成為研究的熱點及難點［2］。近年來，針對水電機組振動故障診斷技術的研究，相關人員開展了大量工作，成果顯著。如易輝等［3］采用基于相關向量機(RelevanceVectorMachine，RVM)的水電機組故障診斷方法，并根據(jù)訓練樣本的分布情況來自動選取決策結構，提高了診斷的速度和準確性。張孝遠等［4］考慮到故障樣本存在著交疊區(qū)域，提出了基于粗糙集與一對一多類支持向量機結合的診斷方法。賈嶸等［5］采用粒子群算法(ParticleSwarmOptimi-zation，PSO)優(yōu)化支持向量機(SupportVectorMachine，SVM)的故障診斷模型，取得了較好地分類效果。郭鵬程等［6］通過小波分解對水電機組的振動信號波形進行去噪提純，并建立了基于改進BP神經(jīng)網(wǎng)絡的故障診斷模型。顯然，相關研究主要側重于采用支持向量機、神經(jīng)網(wǎng)絡以及諸如粒子群等優(yōu)化算法用于水電機組的振動故障診斷中，但對基于量子粒子群優(yōu)化算法(QuantumParticleSwarmOptimization，QPSO)的機組振動故障診斷技術尚未見報道。PSO算法是美國Kennedy和Eber-hart受鳥類捕食行為的啟發(fā)，于1995年提出的一種智能優(yōu)化算法。作為一種重要的優(yōu)化工具，粒子群優(yōu)化算法已在組合優(yōu)化、系統(tǒng)辨識和神經(jīng)網(wǎng)絡訓練等領域得到廣泛應用［7－9］。但是，同其它優(yōu)化算法一樣，PSO算法也表現(xiàn)出易陷入局部最優(yōu)等問題，這也推動了改進PSO算法的研究，而量子粒子群優(yōu)化算法［10］就是從量子力學角度提出的一種改進模型。它認為粒子具有量子的行為，能夠在整個可行解空間進行搜索，故而具有較強的全局尋優(yōu)能力，已成功應用于風電功率預測及碳酸鹽巖流體識別等領域［11－12］。因此，本文受文獻［13］的啟發(fā)，提出了一種基于量子自適應粒子群優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(QuantumAdaptiveParticleSwarmOptimizedBPNeuralNetwork，QAPSO-BP)的水電機組振動故障診斷模型。首先由量子自適應粒子群算法優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡的權、閾值參數(shù)，再由優(yōu)化后的BP網(wǎng)絡進行故障診斷，最終實現(xiàn)了水電機組振動故障集與征兆集之間的有效映射。

1PSO算法基本原理

在D維搜索空間中有m個粒子組成一個種群，其中第通過計算適應度函數(shù)值，使粒子按照下式來實現(xiàn)速度和位置的更新。

2量子自適應粒子群優(yōu)化算法(QAPSO)

2．1量子編碼QAPSO采用量子位的概率幅對粒子的當前位置進行編碼，其編碼方案為:由此可見，種群中每個粒子的位置xiα和xiβ與優(yōu)化問題的兩個解對應起來，從而擴展了算法的遍歷能力。

2．2狀態(tài)評估對粒子i，由下式來估計與其它粒子的平均距離及平均速率。

2．3參數(shù)自適應調節(jié)慣性因子ω的選取對算法的搜索能力影響很大。在QAPSO算法中，根據(jù)粒子的飛行軌跡差異按式(9)來自適應調整慣性因子。在搜索初期，由式(8)可知，平均軌跡差異的進化因子fc=1，此時ω=0．9。通過賦予ω一個較大值，有利于提高算法的全局尋優(yōu)能力。而在后期階段，賦予一個較小的ω，以增強算法的局部搜索能力。隨著算法搜索的進行，ω按照S型函數(shù)遞減，避免了線性遞減粒子群算法不能適應非線性變化特性的缺陷，從而實現(xiàn)QAPSO算法在全局收斂與局部搜索能力之間的平衡。

2．4變異操作為了增加種群的多樣性，克服粒子的集聚現(xiàn)象，通過所預設的變異概率，對全局最優(yōu)粒子的量子位采用量子非門進行變異操作，以避免算法陷入局部最優(yōu)。其操作過程如下。

2．5QAPSO-BP算法實現(xiàn)步驟QAPSO-BP算法的實現(xiàn)步驟如下［14］:步驟1:確定BP神經(jīng)網(wǎng)絡的拓撲結構。步驟2:初始化量子自適應粒子群，包含粒子數(shù)、空間維數(shù)及最大迭代次數(shù)等，隨機生成粒子速度，根據(jù)式(3)生成粒子位置的初始編碼。步驟3:構建BP神經(jīng)網(wǎng)絡，將各粒子位置向量所對應的量子態(tài)0〉和1〉的概率幅表示為BP網(wǎng)絡初始連接權、閾值的解集合。步驟4:狀態(tài)更新。根據(jù)式(4)～(7)計算粒子的平均軌跡差異，根據(jù)式(8)、(9)調整慣性因子，根據(jù)式(1)、(2)更新粒子的速度和位置。步驟5:適應度評估。若粒子當前位置優(yōu)于自身所記憶的最優(yōu)位置，則更新個體最優(yōu)位置;若當前個體歷史最優(yōu)位置優(yōu)于目前所搜索到的全局最優(yōu)位置，則替換成全局最優(yōu)位置。步驟6:變異操作，根據(jù)式(10)進行變異操作。步驟7:循環(huán)操作。返回步驟4循環(huán)計算，若滿足收斂條件或所預設的最大迭代次數(shù)，則確定BP神經(jīng)網(wǎng)絡的最佳參數(shù)，轉向下一步驟。步驟8:利用優(yōu)化后的BP神經(jīng)網(wǎng)絡對水電機組進行振動故障診斷。

3水電機組振動故障診斷

3．1水電機組的振動故障分析水電機組是一個復雜的動力系統(tǒng)，其故障多以振動的形式表現(xiàn)出來。根據(jù)振動的來源不同，可分為水力振動、機械振動和電磁振動3大類［15］。水力振動:水力振動是由水力和機械相互作用而產生的，主要包含:水力不平衡、導葉和輪葉開口不均、尾水管壓力脈動、尾水管偏心渦帶、轉輪葉片的卡門渦流、轉輪葉片斷裂、間隙射流等。機械振動:機械振動主要是由于機組本身結構性缺陷、或在運行過程中機組部件受損而產生的。主要有:轉動部分質量不平衡、軸線不對中、動靜碰磨、軸承瓦間隙大、導軸承缺陷、聯(lián)結螺絲松動等。電磁振動:電磁振動是由磁通密度分布不均以及磁拉力不平衡等原因產生的。主要包含:繞組匝間短路、定轉子間氣隙不勻、轉子不圓、定子鐵芯松動、負載不平衡等。然而，以上3類振動因素又相互作用。比如，當水電機組受水力因素的影響而導致轉動部分振動時，會造成定轉子間氣隙不均勻，進而產生不對稱磁拉力，反過來又將阻尼或加劇機組轉動部分的振動。由此可見，水電機組振動是水力、機械、電磁共同作用的結果，且多為多故障并發(fā)，致使機組振動信號具有高度的非線性。而量子自適應粒子群優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡算法，既具有量子計算的高度并行性優(yōu)勢，又保留了神經(jīng)網(wǎng)絡的非線性映射能力，可有效應用于水電機組的振動故障診斷中。此外，由于水電機組振動的振頻既有引起設備振動的中低頻，又有因水力因素所產生的渦帶振動等壓力脈動頻率，故而機組振動信號的頻率范圍較廣。鑒于水電機組的振動故障類別與一定的頻率成分相對應，如不平衡故障的一階轉頻能量較大、而不對中故障主要對應于二階轉頻能量等。因此，可通過頻譜分析來提取機組故障數(shù)據(jù)的頻率特征。同時，由于傳統(tǒng)的頻譜分析方法無法對水電機組的振動信號進行有效的分析和處理，故采用小波分析進行振動信號的降噪處理，以去除噪聲信號所在的頻段，并對降噪后的小波系數(shù)進行重構，最終提取出機組振動故障的特征參數(shù)。

3．2應用實例一以貴州索風營水電廠機組故障數(shù)據(jù)［16］為例進行驗證分析。鑒于頻譜分析能夠很好地揭示機組振動故障的特征，以對不同的振動故障加以區(qū)分。而變工況試驗一般是進行定水頭、變轉速試驗，根據(jù)轉速的不同來選取不同的工況點，進而確定水力、機械、電磁3類振源的影響大小［17］。因此，這兩種方法在水電機組的振動故障診斷中較常采用。本文選取水電機組振動頻譜和變工況試驗中的9個特征向量:0．18～0．2f0、1/6～1/2f0、1f0、2f0、3f0(f0為基頻)、50Hz或100Hz頻率、振動與轉速關系、振動與負荷的關系以及振動與勵磁電流的關系為量子自適應粒子群優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡的輸入?yún)?shù)，分別用I1～I9表示。對應的5種故障類型:轉子不對中、轉子不平衡、動靜碰摩、尾水管偏心渦帶和磁極不均勻作為QAPSO-BP模型的輸出參數(shù)，并依次用向量［001］、［010］、［011］、［100］及［101］分別表示，其樣本數(shù)據(jù)見表1。其中樣本1～3為轉子不對中故障，4～6為轉子不平衡故障，7～8為動靜碰摩故障，9～11為尾水管偏心渦帶故障，余下2個樣本為磁極不均勻故障。選擇樣本3、6、10為算法的測試數(shù)據(jù)，其余的為訓練樣本。在利用QAPSO-BP算法進行故障診斷時，主要參數(shù)設置為:網(wǎng)絡結構9－12－3，種群規(guī)模20，迭代次數(shù)30，加速因子c1=c2=2，變異概率pm=0．05。經(jīng)過多次試驗，得出QAPSO-BP和PSO-BP算法的最佳適應度函數(shù)及網(wǎng)絡訓練誤差曲線分別見圖1和圖2。從圖1可知，QAPSO算法在迭代8次左右時，已搜索到全局最優(yōu)解，遠小于PSO算法的29次，尋優(yōu)速度較快。同時，由于適應度函數(shù)選取為網(wǎng)絡輸出均方誤差的倒數(shù)，適應度值越大說明輸出誤差越小。而QAP-SO算法的最大適應度值約為175，高出PSO的59．1%。對于圖2，QAPSO-BP算法在經(jīng)過8次優(yōu)化后，網(wǎng)絡訓練誤差即達到了設定的目標值10－5，而PSO-BP算法需要34次才實現(xiàn)。綜合以上可見，無論是在收斂精度還是收斂速度方面，QAPSO算法都比PSO有著較大的提高。這是因為QAPSO算法通過將量子計算與PSO融合，提高了種群的遍歷性;引入慣性因子自適應調整及變異操作，可以使粒子跳出局部極值點，從而提高了算法的全局尋優(yōu)能力及優(yōu)化效率。將訓練好的QAPSO-BP模型對3組測試樣本進行故障診斷，并與PSO-BP算法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡的輸出進行比較，對比結果見表2。顯然，根據(jù)所預設的網(wǎng)絡輸出向量，QAPSO-BP算法及PSO-BP算法的診斷結果完全正確，而BP網(wǎng)絡誤將不平衡故障定位為不對中故障。同時，經(jīng)計算可知，對于QAPSO-BP算法，其輸出結果的平均絕對誤差為1．05%，低于PSO-BP算法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡的相應值2．54%與21．7%。由此可見，基于QAPSO-BP的水電機組振動故障診斷算法，其診斷結果的準確性較高。

3．3應用實例二為了進一步驗證該算法在水電機組振動故障診斷中的優(yōu)勢，采用文獻［18］數(shù)據(jù)進行分析。該文獻以振動信號頻譜分量的幅值作為特征向量，對應故障分為不對中、不平衡和渦帶偏心3種，其樣本數(shù)據(jù)見表3。利用前12組數(shù)據(jù)對QAPSO-BP模型進行訓練，并定義網(wǎng)絡輸出:［001］、［010］和［100］與3種故障對應。在這里，同樣采用應用實例一中的3種算法進行診斷結果的對比，則對后3組測試樣本的網(wǎng)絡輸出見表4?？梢?，盡管表4中3種算法的診斷結果與機組振動故障的實際類型一致，但是QAPSO-BP模型的輸出結果更接近于所定義的網(wǎng)絡輸出值，其平均絕對誤差僅為2．34%，明顯低于另2種算法的4．30%和8．38%，從而說明了基于QAPSO-BP算法的機組振動故障診斷結果具有一定的普遍性。

4結論

(1)針對粒子群優(yōu)化算法易陷入局部最優(yōu)等問題，將量子計算和PSO結合起來，組成量子自適應粒子群優(yōu)化算法。采用量子位概率幅的編碼機制，擴展了解空間的遍歷性。根據(jù)種群中各粒子的位置與速度信息，對慣性因子進行自適應調節(jié)，實現(xiàn)了QAPSO算法在全局收斂與局部搜索能力之間的平衡。為了便于搜索最優(yōu)解，用量子非門進行變異操作，提高了種群的多樣性。(2)利用QAPSO算法優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡的初始權、閾值參數(shù)，進而構建了水電機組的振動故障診斷模型，并通過兩個實例進行驗證。結果表明，QAPSO-BP算法具有較佳的全局尋優(yōu)能力及優(yōu)化效率，能夠較好地擬合機組征兆域與故障域之間的復雜非線性映射關系，適用于水電機組的振動故障診斷。

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篇8

關鍵詞 宇宙規(guī)律；量子糾纏；時空；基本粒子

中圖分類號O4 文獻標識碼A 文章編號 1674-6708（2014）119-0118-02

1宇宙中的任何事物都具有相互對立的兩面性

在我們的日常生活和工作中，經(jīng)常遇到一些事情，總是引起人們的爭論，各有各的道理，誰也說服不了誰。其實任何事物都具有相互對立的兩面性。正如在《矛盾論》中所說的：事物都是一分為二的。任何事物都有好的一面，同時也有壞的一面。比如核電站，能生產大量的電能造福人類，但也有壞的一面，核變換有大量的輻射物質，對人類有著極大的危害，并且不易清除，留下長期隱患。又如，磁場有吸引力也有斥力；電子有正電子也有負電子；電子有引力同時也會有斥力；電（通過電熱器）能使溫度升高，同時（通過電冰箱）可以使溫度降低；水能載舟，必定也能覆舟；光子也有兩面性，粒性和波性；萬有引力既然有吸引力，必定也有斥力（我在《引起宇宙加速膨脹的斥力分析》已詳細論述，發(fā)表于《中國教育改革研究會》2013年12月）等等，數(shù)不勝數(shù)。因此，任何事物都具有相互對立的兩面性是宇宙的普遍規(guī)律。

2不論微觀或宏觀世界都服從作用與反作用原理

牛頓第三定律：作用力與反作用力大小相等方向相反。但是，有一些人認為牛頓第三定律只適應于宏觀世界，不適用于微觀世界。這個觀點是錯誤的。量子力學、量子糾纏、量子疊加就是反映微觀世界的理論。比如，兩個有某種關聯(lián)的量子，只要其中一個量子，產生某種現(xiàn)象（作用），另一個量子就會產生相同的現(xiàn)象（其實是反作用）。光子量子糾纏也是作用與反作用現(xiàn)象。量子理論在我們日常生活中廣泛應用。因為人體是個小宇宙，因此，量子理論每時每刻用在我們的腦海和身體內的每一個細胞里。思維運動過程就有量子力學疊加和自我糾纏的過程。比如，看書這件事，要用到：提書：體力；看書：眼力；腦力：注意力、分析力等多個力的疊加。又如人的心臟既受到體內的支撐也受到體內上部的輕壓，既受到地球引力作用也受到太陽的引力，是各種力的疊加。

我們知道，宏觀世界是在不斷的作用力和反作用力下創(chuàng)造的。同樣，微觀世界也是在量子糾纏、量子力學疊加，不斷的相互作用下創(chuàng)造的。

因此得出：不論微觀世界或宏觀世界都服從作用與反作用原理。只是他們的作用和反作用的方式不同。

因為宏觀物質是由微觀物質構成的，宏觀物質的作用是微觀物質的集中表現(xiàn)。因此得出：微觀物質的性質決定宏觀物質的性質，宏觀現(xiàn)象是微觀現(xiàn)象的反映。

3 靈魂是什么

我們知道，宇宙由物質（可視）和能量（不可視）組成。人體的正常生活是由什么控制的？為什么能處理得有條有理，完美完善？有人說是自然的選擇。這樣說理是不行的。這歸功于誰？人的體內動作靠什么？靠的是能量。指揮大腦工作的東西又是什么？這就是人們所說的靈魂，當然，我們是看不到靈魂的，因此，靈魂只能是能量了。是無數(shù)能量中的一種，有些人卻把他神化了。有人疑問，能量哪有無數(shù)種？我可數(shù)不出幾個。其實能量的種類要比自然界的物種還要多。比如：頭痛，引起這個原因的能量是什么？腿困了，引起這個原因的能量又是什么呢？它們是不同的能量引起的，所以感覺是不一樣。又如，不同的物種產生的能量是不同的，因為，當我們把他吃下肚子后，產生的作用是不同的。也就是說，能量不同產生的作用也不同。

目前科學上對能量的了解不多，沒有給出各種能量名稱的定義。人體也是由物質構成的，所以人體研究與物理研究不分家。病毒或細菌是實體，真正做功的是病毒或細菌產生的能量。醫(yī)學上所說的病因，說是某病毒或細菌引起，是不夠確切的。只是讓人們能暫時理解。因為能量這東西，在短時期內無法讓人們理解?？赡苓€要相當長的時間。

4 不確定原理在日常生活中的反映

有人認為不確定原理只能用于微觀世界，對宏觀世界不適應。這個觀點是錯誤的。人們在日常生活中有許多事情和動作是不確定的，可以驗證不確定原理。

比如，有些人對某些事情總是矛盾，想做，又不想做，拿不定注意。日常生活中有許多事情是可以確定的。比如，吃飯、睡覺、穿衣、生、老、病死等是確定的。不確定的事多數(shù)是反映在細節(jié)上，比如什么時候吃飯，什么時候睡覺和起床等事情，有時連自己都不確定，更不用說別人如何能計算得出來？

5 時空是彎曲的嗎

時空彎曲是愛因斯坦定義的。由于物體在空間運行，受到天體的引力作用產生彎曲，可以說時空是彎曲的，也可以說時空不是彎曲的，而是由引力（或能量）產生的效應。

比如，在一塊磁鐵的周圍，對鐵屑來說產生了時空彎曲，但對人來說，沒有產生時空彎曲。時空彎曲都是由重力（或能量）產生的，因此，只要我們有足夠能量，可以通過外力作用讓物體（或物質）走直線的。比如，如果我們有足夠的能量或可行的材料，我們可以穿過地心直線去到美國。又如，射出去的炮彈，始終會落到地球上，彈道是彎曲的。所以，時空彎曲定義，既抽象又難以理解。更重要的是“時空彎曲”是由重力（或能量）的作用產生，明顯取代了引力（或能量）的作用，因為引力（或能量）不僅能使物體運行軌道產生彎曲，而且能做功，是推動宇宙運動和發(fā)展的動力。時空彎曲只能解釋物體（或物質）運動產生彎曲，但它不能做功，更不是推動宇宙運動和發(fā)展的動力。因此，時空彎曲的定義是錯誤的。

6 驗證愛因斯坦時間實驗理論

愛因斯坦的時間實驗理論是成立的，也就是說，當運行速度越快時間變得越慢。這只是反映了被實驗者所處于的環(huán)境時間變慢了，但地球人所處的時間沒有變慢。例如：

1985年，一架失蹤了差不多半個世紀的雙擎客機，在新幾內亞的一片森林沼澤內被發(fā)現(xiàn)。令人無法理解的是，這架飛機看來就像它失蹤時一樣簇新，毫無陳舊異變。機身上清晰可辯的標志顯示，這架銀光閃閃的飛機正是48年前由菲律賓馬尼拉飛往民琴哪峨島失蹤的一架客機。

這現(xiàn)象如何解釋呢？這是因為這架飛機在某種能量的作用下，進入了接近光速運行狀態(tài)，其時間變慢了（相當于地球的時間只有幾個小時或幾天時間），同時處于隱身狀態(tài)。這就是人們?yōu)槭裁此阉鞑坏剑⑶液退й檿r一樣毫無陳舊異變的原因。但地球人的時間沒有改變，已經(jīng)過了48年。類似這樣的事情，曾經(jīng)有過多起報道。

7 宇宙空間充滿著能量

我們知道，黑洞是能量的海洋，其能量主要集中在轉速最快、密度最大的橢球環(huán)上。在黑洞邊緣上進行著不斷能變質轉換，有許多能量子無法找到自己的‘配偶’結合成粒子，仍然以能量形式存在，并散發(fā)到宇宙空間，同時，根據(jù)愛因斯坦的質變能轉化公式：E=mc?（其中E為能量，m為轉化為能量的質量，c為光速），并且一個實粒子可產生多個不同的能量子。由于質變能的變換速度極快，而由能變質的速度是相當緩慢的。因此可知，宇宙空間充滿著能量。

宇宙空間沒有真正無的地方，即使探測不到也不能說無。比如，引力（也是一種能量）就充滿宇宙空間；天體的場能是無限延伸的。

8 基本粒子的猜想

組成物質的基本粒子是什么？一直是科學家的研究課題，至今也沒有找到。我們來觀察一個事實：空間中最多的物質是什么？是引力子，并且對任何物質都產生主動的作用；另一方面，能夠構成物體的最基本的原理就是引力和斥力的同時存在。我在發(fā)表于《中國教育改革研究會論叢》的論文《引起宇宙加速膨脹的斥力分析》中說到，引力既有吸引力也有斥力，斥力是產生于波性較強的物質；引力產生于粒性較強的物質。任何物質都有運動質量，只有引力本身沒有。比如，光有波性也有粒性，只有引力對它有作用，作用于他的波性產生光速運動，任何物質對它毫無作用，所以光是恒速的?？赡苡腥苏f光在介質里速度會慢，其實光速不減，是因為它在介質內進行了無數(shù)次折射。另一方面，引力對光的波性作用，使光表現(xiàn)為粒性，我們才能看到光，同時，光才有運動質量。我認為，基本粒子至少要具備以下四個條件：1）這個粒子必須是宇宙中最多的物質；2）這個粒子必須同時具備有引力和斥力的性質（缺一不可，因為，任何物體內部都有引力和斥力）；3）對任何物質都能產生作用，說明它的速度最快，“個子”最?。?）不依賴于其他物質與現(xiàn)象而能單獨存在（因為它是基本粒子，在沒有組成其它物質時，就已經(jīng)存在）。由觀察可知，具備條件的物質只有引力子。因此，可以得出：引力子就是基本粒子。由于引力子是基本粒子，所以由它演化出來的一切物質都同時存在引力和斥力；演化出的物質同時具備有相互對立的兩面性。

參考文獻

篇9

【摘要】 提出一個新概念總偏回歸平方和(Pt， total partial regression sum of squares)，將Pt定義為全部自變量Xi(i=1，2，…，m，m為自變量數(shù)目或個數(shù))的偏回歸平方和Pi之總和。根據(jù)Pi占Pt的比例Ri(Pi／Pt)，進行m+1個回歸方程計算后，可選擇出“較優(yōu)”自變量組合，從而得到一至數(shù)個“較優(yōu)”多元線性回歸模型，以供進一步分析。

【關鍵詞】 偏回歸平方和； 總偏回歸平方和； 多元線性回歸； 變量選擇

1 問題的提出

多元線性回歸在諸多學科中有廣泛應用。在多元線性回歸的實際應用中，考慮的自變量Xi(i=1，2，…，m，m為自變量數(shù)目或個數(shù))經(jīng)常包括所有可能影響因變量Y的因素。在眾多的Xi中，有的對Y有顯著影響，有的影響很小甚至基本無影響。如果把對Y影響小的Xi保留在回歸模型中，不僅增加收集數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)的負擔，使得回歸方程不穩(wěn)定，而且會因Xi的數(shù)目過多而不便于使用。因此，自變量選擇在理論和應用上都十分重要。自變量選擇通常有兩類方法［1~4］：一是全局擇優(yōu)法，可選出全局“最優(yōu)”回歸模型。該法是對自變量各種不同的組合所建立的回歸方程進行比較，進而從全部組合中挑出一個“最優(yōu)”回歸方程。挑選“最優(yōu)”回歸模型的指標一般有R2法、校正R2法、殘差均方和或剩余標準差最小法、Cp統(tǒng)計量法、AIC、BIC及AICC信息量準則等。對于給定的方法和準則，“最優(yōu)”回歸方程應從所有可能回歸子集(共有2m-1個)選出。問題是，根據(jù)不同的方法和準則，選出的“最優(yōu)”回歸模型不一定相同，真正哪個回歸模型“最優(yōu)”，同樣面臨選擇的困難。而且，從所有可能回歸子集中選擇“最優(yōu)”回歸方程，計算量較大或極大(視m值而定)。二是逐步選擇法(包括前進法、后退法和逐步回歸法)。每一種逐步選擇法選出的“最優(yōu)”回歸方程不一定相同。同一種方法，給定的檢驗水準α(0.10，0.05，0.01，0.001)不同，選出的“最優(yōu)”回歸方程亦不同。而且，在確定哪些變量應當添加或者剔除時，采用的統(tǒng)計規(guī)則(顯著性水平或者方差統(tǒng)計值的大小)都有一定的武斷性［5］。筆者認為，從統(tǒng)計學意義上說，真正的最優(yōu)回歸方程是不存在或不可能得到的。與其花費大量的時間和高計算成本而得不到“最優(yōu)”回歸方程，不如少些武斷性，用少量的時間和低計算成本得到1至數(shù)個“較優(yōu)”多元線性回歸模型以供選擇，在實踐中發(fā)揮相似的效果和作用?；谏鲜隹紤]，本研究從偏回歸平方和的概念出發(fā)，提出一個概念總偏回歸平方和(Pt total partial regression sum of squares)，Pt這個概念或術語，作者尚未見文獻報道。借助Pt，我們提出簡便實用的選擇“較優(yōu)”多元線性回歸模型的總偏回歸平方和法。

2 原理與方法

設1個應變量Y與m個自變量Xi(i=1，2，…，m，m為自變量個數(shù))呈線性相關。從多元回歸全模型中取消一個自變量Xi后，回歸平方和U減少的部分，稱為這個自變量Xi對Y的偏回歸平方和(Pi)，即這個自變量Xi對Y的回歸貢獻。關于每個自變量Xi在多元回歸中所起的作用大小，可通過相應Xi的偏回歸平方和Pi來衡量。Pi表明對Y的回歸貢獻。Pi越大，表示相應的Xi在回歸中對Y的作用越大；當Pi很小時，表示相應的Xi在回歸中所起的作用越小?？偲貧w平方和(Pt)表示全部Pi之和，如能計算出每個Pi與Pt之比Ri(Pi／Pt，Ri∈［0，1］)，根據(jù)Ri大小不同，可較快選擇出“較優(yōu)”自變量組合或子集。方法如下：① 估計全模型即包括所有自變量Xi回歸方程的殘差平方和Q：Q=Y’*Y-Y’*X*(X’*X)-1*X’*X② 計算每個自變量Xi的偏回歸平方和Pi［2］：Pi=Qi-Q

(i=1，2，…，m)(1)式(1)中Qi表示自變量Xi不在回歸模型時的殘差平方和，即Y與m-1個自變量X1，…，Xi-1，Xi+1…，Xm的選模型的殘差平方和。Q為包括所有自變量Xi回歸方程即全模型的殘差平方和。至此所計算回歸方程總數(shù)為m+1個。③ 計算總偏回歸平方和Pt ：Pt=ΣPi (i=1，2，…，m)(2)④ 計算各Pi占Pt的比例：Ri=Pi／Pt (Ri∈［0，1］)(3)根據(jù)各Ri大小選擇自變量，選出“較優(yōu)”回歸方程。⑤ 將Ri按由大到小秩序排列，然后計算累積Ri。一般地，可選擇使累積Ri≥095(或085，090，099，需按數(shù)據(jù)的實際情況而定)的自變量組合，作為“較優(yōu)”回歸模型的自變量組合，從而得到所求“較優(yōu)”回歸方程。

3 實例

實例1Hald水泥問題是一多元回歸的經(jīng)典實例，在諸多文獻［4，6］中均有研究，說明存在一些不確定的模型。用本法作變量選擇，結果見表1。

表1 各自變量的偏回歸平方和、總偏回歸平方和及其比例與累積比例（略）

由表1可知，X1和X2的累積Ri為0.9878，而X4與X3對回歸的貢獻是微不足道的，兩者的Ri均不到001，故“較優(yōu)”自變量子集應為X∈{X1，X2}，這個結果與Cp統(tǒng)計量法選出的結果相同。如需選3個自變量進入回歸方程，自變量子集應是X∈{X1，X2，X4}，而不是X∈{X1，X2，X3}，與用最小殘差方差、最小殘差標準差、R2及校正R2選出的結果相一致。但本法僅計算了m+1=5個回歸方程子集便得到與用2m-1=15個回歸方程子集相一致的結論，表明本法計算量明顯減小。本法的結果亦與逐步選擇法(包括前進法、后退法和逐步回歸法)的結果相同。

實例2為了研究正常少年兒童心像面積Y與性別(X1)，年齡(X2)，身高(X3)，體重(X4)，胸圍(X5)的關系，某單位調查了254名男性，267名女性，月齡在30月~178月的正常少年兒童，全部可能的回歸方程的主要結果見文獻［7］，應用本法選擇自變量子集的數(shù)據(jù)見表2。

表2 各自變量的偏回歸平方和、總偏回歸平方和及其比例與累積比例（略）

由表2可知，自變量子集{X1，X3，X4}的累積Ri為0.9795≥0.95，故較優(yōu)自變量子集應為X∈{X1，X3，X4}。如限定選2個自變量，自變量子集應是X∈{X1，X3}，其累積Ri為0.9100≥0.90。如限定選4個自變量，自變量子集應是X∈{X1，X3，X4，X5}，其累積Ri為0.9939≥0.99。本法僅計算了m+1=6個回歸方程子集便得到與用2m-1=31個回歸方程子集相一致的結論，進一步表明本法計算量小，結果可靠。

4 討論

本研究在提出總偏回歸平方和(Pt)概念的基礎上，用Pt法選擇自變量子集，進而優(yōu)選出所需多元回歸模型。本法的變量選擇結果與全局擇優(yōu)法及逐步選擇法的結果基本一致。本法計算量小，簡便實用。本法的不足之處是累積Ri的選擇標準亦有一定的主觀性，標準不同，選出的自變量子集相異。另外，變量較多時，本法雖能選出“較優(yōu)”回歸模型，但不一定是在某一準則下“最優(yōu)”的。這些尚有待進一步研究。

【參考文獻】

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3 柳青，主編中國醫(yī)學統(tǒng)計百科全書(多元統(tǒng)計分冊)第1版北京：人民衛(wèi)生出版社，2004，26~31.

4 黃小蘭比較幾種挑選“最優(yōu)”回歸模型的指標中國衛(wèi)生統(tǒng)計，1988，5(4)：23

5 Quinn GP， Keough MJ(蔣志剛，等譯)生物實驗設計與數(shù)據(jù)分析第1版北京：高等教育出版社，2003，142~148.

篇10

二十世紀即將結，二十一世紀即將來臨，二十世紀是光輝燦爛的一個世紀，是個類社會發(fā)展最迅速的一個世紀，是科學技術發(fā)展最迅速的一個世紀，也是物理學發(fā)展最迅速的一個世紀。在這一百年中發(fā)生了物理學革命，建立了相對信紙和量子力學，完成了從經(jīng)典物理學到現(xiàn)代物理學的轉變。在二十世紀二、三十年代以后，現(xiàn)代物理學在深度和廣度上有了進一步的蓬勃發(fā)展，產生了一系列的新學科的交叉學科、邊緣學科，人類對物質世界的規(guī)律有了更深刻的認識，物理學理論達到了一個新高度，現(xiàn)代物理學達到了成熟的階段。

在此世紀之交的時候，人們自然想展望一下二十一世紀物理學的發(fā)展前景，探索今后物理學發(fā)展的方向。我想談一談我對這個問題的一些看法和觀點。首先，我們來回顧一下上一個世紀之交物理學發(fā)展的情況，把當前的情況與一百年前的情況作比較對于探索二十一世紀物理學發(fā)展的方向是很有幫助的。

一、歷史的回顧

十九世紀末二十世紀初，經(jīng)典物物學的各個分支學科均發(fā)展到了完善、成熟的階段，隨著熱力學和統(tǒng)計力學的建立以及麥克斯韋電磁場理論的建立，經(jīng)典物理學達到了它的頂峰，當時人們以系統(tǒng)的形式描繪出一幅物理世界的清晰、完整的圖畫，幾乎能完美地解釋所有已經(jīng)觀察到的物理現(xiàn)象。由于經(jīng)典物理學的巨大成就，當時不少物理學家產生了這樣一種思想：認為物理學的大廈已經(jīng)建成，物理學的發(fā)展基本上已經(jīng)完成，人們對物理世界的解釋已經(jīng)達到了終點。物理學的一些基本的、原則的問題都已經(jīng)解決，剩下來的只是進一步精確化的問題，即在一些細節(jié)上作一些補充和修正，使已知公式中的各個常數(shù)測得更精確一些。

然而，在十九世紀末二十世紀初，正當物理學家在慶賀物理學大廈落成之際，科學實驗卻發(fā)現(xiàn)了許多經(jīng)典物理學無法解釋的事實。首先是世紀之交物理學的三大發(fā)現(xiàn)：電子、X射線和放射性現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)。其次是經(jīng)典物理學的萬里晴空中出現(xiàn)了兩朵“烏云”：“以太漂移”的“零結果”和黑體輻射的“紫外災難”。[1]這些實驗結果與經(jīng)典物理學的基本概念及基本理論有尖銳的矛盾，經(jīng)典物理學的傳統(tǒng)觀念受到巨大的沖擊，經(jīng)典物理發(fā)生了“嚴重的危機”。由此引起了物理學的一場偉大的革命。愛因斯坦創(chuàng)立了相對論；海林堡、薛定諤等一群科學家創(chuàng)立了量子力學。現(xiàn)代物理學誕生了！

把物理學發(fā)展的現(xiàn)狀與上一個世紀之交的情況作比較，可以看到兩者之間有相似之外，也有不同之處。

在相對論和量子力學建立起來以后，現(xiàn)代物理學經(jīng)過七十多年的發(fā)展，已經(jīng)達到了成熟的階段。人類對物質世界規(guī)律的認識達到了空前的高度，用現(xiàn)有的理論幾乎能夠很好地解釋現(xiàn)在已知的一切物理現(xiàn)象?？梢哉f，現(xiàn)代物理學的大廈已經(jīng)建成。在這一點上，目前有情況與上一個世紀之交的情況很相似。因此，有少數(shù)物理學家認為今后物理學不會有革命性的進展了，物理學的根本性的問題、原則問題都已經(jīng)解決了，今后能做到的只是在現(xiàn)有理論的基礎上在深度和廣度兩方面發(fā)展現(xiàn)代物理學，對現(xiàn)有的理論作一些補充和修正。然而，由于有了一百年前的歷史經(jīng)驗，多數(shù)物理學家并不贊成這種觀點，他們相信物理學遲早會有突破性的發(fā)展。另一方面，雖然在微觀世界和宇宙學領域中有一些物理現(xiàn)象是現(xiàn)代物理學的理論不能很好地解釋的，但是這些矛盾并不是嚴重到了非要徹底改造現(xiàn)有理認紗可的程度。在這方面，目前的情況與上一個世紀之交的情況不同。在上一個世紀之交，經(jīng)典物理學發(fā)生了“嚴重的危機”；而在本世紀之交，現(xiàn)代物理學并無“危機”。因此，我認為目前發(fā)生現(xiàn)代物理學革命的條件似乎尚不成熟。

雖然在微觀世界和宇宙學領域中有一些物理現(xiàn)象是現(xiàn)代物理學的理論不能很好地解釋的，但是這些矛盾并不是嚴重到了非要徹底改造現(xiàn)有理認紗可的程度。在這方面，目前的情況與上一個世紀之交的情況不同。在上一個世紀之交，經(jīng)典物理學發(fā)生了“嚴重的危機”；而在本世紀之交，現(xiàn)代物理學并無“危機”。因此，我認為目前發(fā)生現(xiàn)代物理學革命的條件似乎尚不成熟?？陀^物質世界是分層次的。一般說來，每個層次中的體系都由大量的小體系（屬于下一個層次）構成。從一定意義上說，宏觀與微觀是相對的，宏觀體系由大量的微觀系統(tǒng)構成。物質世界從微觀到宏觀分成很多層次。物理學研究的目的包括：探索各層次的運動規(guī)律和探索各層次間的聯(lián)系。

回顧二十世紀物理學的發(fā)展，是在三個方向上前進的。在二十一世紀，物理學也將在這三個方向上繼續(xù)向前發(fā)展。

1）在微觀方向上深入下去。在這個方向上，我們已經(jīng)了解了原子核的結構，發(fā)現(xiàn)了大量的基本粒子及其運規(guī)律，建立了核物理學和粒子物理學，認識到強子是由夸克構成的。今后可能會有新的進展。但如果要探索更深層次的現(xiàn)象，必須有更強大得多的加速器，而這是非常艱巨的任務，所以我認為近期內在這個方向上難以有突破性的進展。

2）在宏觀方向上拓展開去。1948年美國的伽莫夫提出“大爆炸”理論，當時并未引起重視。1965年美國的彭齊亞斯和威爾遜觀測到宇宙背景輻射，再加上其他的觀測結果，為“大爆炸”理論提供了有力的證據(jù)，從此“大爆炸”理論得到廣泛的支持，1981年日本的佐藤勝彥和美國的古斯同時提出暴脹理論。八十年代以后，英國的霍金[2,3]等人開始論述宇宙的創(chuàng)生，認為宇宙從“無”誕生，今后在這個方向上將會繼續(xù)有所發(fā)展。從根本上來說，現(xiàn)代宇宙學的繼續(xù)發(fā)展有賴于向廣漠的宇宙更遙遠處觀測的新結果，這需要人類制造出比哈勃望遠鏡性能更優(yōu)越得多的、各個波段的太空天文望遠鏡，這是很艱巨的任務。

我個人對于近年來提出的宇宙創(chuàng)生學說是不太信的，并且認為“大爆炸”理論只是對宇宙的一個近似的描述。因為現(xiàn)在的宇宙學研究的只是我們能觀測到的范圍以內的“宇宙”，而我相信宇宙是無限的，在我們這個“宇宙”以外還有無數(shù)個“宇宙”，這些宇宙不是互不相干、各自孤立的，而是互相有影響、有作用的?，F(xiàn)代宇宙學只研究我們這個“宇宙”，當然只能得到近似的結果，把他們的延伸到“宇宙”創(chuàng)生了初及遙遠的未來，則失誤更大。

3）深入探索各層次間的聯(lián)系。

這正是統(tǒng)計物理學研究的主要內容。二十世紀在這方面取得了巨大的成就，先是非平衡態(tài)統(tǒng)計物理學有了得大的發(fā)展，然后建立了“耗散結構”理論、協(xié)同論和突變論，接著混沌論和分形論相繼發(fā)展起來了。近年來把這些分支學科都納入非線性科學的范疇。相信在二十一世紀非線性科學的發(fā)展有廣闊的前景。

上述的物理學的發(fā)展依然現(xiàn)代物理學現(xiàn)有的基本理論的框架內。在下個世紀，物理學的基本理論應該怎樣發(fā)展呢？有一些物理學家在追求“超統(tǒng)一理論”。在這方面，起初是愛因斯坦、海森堡等天才科學家努力探索“統(tǒng)一場論”；直到1967、1968年，美國的溫伯格和巴基斯坦的薩拉姆提出統(tǒng)一電磁力和弱力的“電弱理論”；目前有一些物理學家正在探索加上強力的“大統(tǒng)一理論”以及再加上引力把四種力都統(tǒng)一起來的“超統(tǒng)一理論”，他們的探索能否成功尚未定論。

愛因斯坦當初探索“統(tǒng)一場論”是基于他的“物理世界統(tǒng)一性”的思想[4]，但是他努力探索了三十年，最終沒有成功。我對此有不同的觀點，根據(jù)辯證唯物主義的基本原理，我認為“物質世界是既統(tǒng)一，又多樣化的”。且莫論追求“超統(tǒng)一理論”能否成功，即便此理論完成了，它也不是物理學發(fā)展的終點。因為“在絕對的總的宇宙發(fā)展過程中，各個具體過程的發(fā)展都是相對的，因而在絕對真理的長河中，人們對于在各個一定發(fā)展階段上的具體過程的認識只具有相對的真理性。無數(shù)相對的真理之總和，就是絕對的真理?！薄叭藗冊趯嵺`中對于真理的認識也就永遠沒有完結。”[5]

現(xiàn)代物理學的革命將怎樣發(fā)生呢？我認為可能有兩個方面值得考試：

1）客觀世界可能不是只有四種力。第五、第六……種力究竟何在呢？現(xiàn)在我們不知道。我的直覺是：將來最早發(fā)現(xiàn)的第五種力可能存在于生命現(xiàn)象中。物質構成了生命體之后，其運動和變化實在太奧妙了，我們沒有認識的問題實在太多了，我們今天對于生命科學的認識猶如亞里斯多德時代的人們對于物理學的認識，因此在這方面取得突破性的進展是很可能的。我認為，物理學業(yè)與生命科學的交叉點是二十一世紀物理學發(fā)展的方向之一，與此有關的最關于復雜性研究的非線性科學的發(fā)展。

2）現(xiàn)代物理學理論也只是相對真理，而不是絕對真理。應該通過審思現(xiàn)代物理學理論基礎的不完善性來探尋現(xiàn)代物理學革命的突破口，在下一節(jié)中將介紹我的觀點。

三、現(xiàn)代物理學的理論基礎是完美的嗎？

相對論和量子力學是現(xiàn)代物理學的兩大支柱，這兩大支柱的理論基礎是否十全十美的

呢？我們來審思一下這個問題。

1）對相對論的審思

當年愛因斯坦就是從關于光速和關于時間要領的思考開始，創(chuàng)立了狹義相對論[1]。我們今天探尋現(xiàn)代物理學革命的突破口，也應該從重新審思時空的概念入手。愛因勞動保護坦創(chuàng)立狹義相對論是從講座慣性系中不同地點的兩個“事件”的同時性開始的[4]，他規(guī)定用光信號校正不同地點的兩個時鐘來定義“同時”，這樣就很自然地導出了洛侖茲變換，進一步導致一個四維時空（x，y，z，ict）（c是光速）。為什么愛因勞動保護擔提出用光信號來校正時鐘，而不用別的信號呢？在他的論文中沒有說明這個問題，其實這是有深刻含意的。

時間、空間是物質運動的表現(xiàn)形式，不能脫離物理質運動談論時間、空間，在定義時空時應該說明是關于什么運動的時空?，F(xiàn)代物理學認為超距作用是不存在的，A處發(fā)生的“事件”影響B(tài)處的“事件”必須通過一定的場傳遞過去，傳遞需要一定的時間，時間、空間的定義與這個傳遞速度是密切相關的。如果這種場是電磁場，則電磁相互作用傳遞的速度就是光速。因此，愛因斯坦定義的時空實際上是關于由電磁相互作用引起的物質運動的時空，適用于描述這種運動。

愛因斯坦把他定義的時間應用于所有的物質運動，實際上就暗含了這樣的假設：引力相互作用的傳遞速度也是光速c.但是引力相互作用是否也是以光速傳遞的呢？令引力相互作用的傳遞速度為c＇。至今為止，并無實驗事實證明c＇等于c。愛因斯坦因他的“物質世界統(tǒng)一性”的世界觀而在實際上假定了c=c＇。我持有“物質世界既統(tǒng)一，又多樣化的”以觀點，再加之電磁力和引力的強度在數(shù)量級上相差太多，因此我相相信c＇可能不等于c。工樣，關于由電磁力引起的物質運動的四維時空（x，y，z，ict）和關于由引力引起的運動的時空（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）是不同的。如果研究的問題只涉及一種相互作用，則按照現(xiàn)在的理論建立起來的運動方程的形式不變。例如，愛因斯坦引力場方程的形式不變，只需把常數(shù)c改為c＇。如果研究的問題涉及兩種相互作用，則需要建立新的理論。不過，首要的事情是由實驗事實來判斷c＇和c是否相等；如果不相等，需要導出c＇的數(shù)值。

我在二十多年前開始形成上述觀點，當時測量引力波是眾所矚目的一個熱點，我曾對那些實驗寄予厚望，希望能從實驗結果推算出c＇是否等于c。令人遺憾的是，經(jīng)過長斯的努力引引力波實驗沒有獲得肯定的結果，隨后這項工作冷下去了。根據(jù)愛國斯坦理論預言的引力波是微弱的，如果在現(xiàn)代實驗技術能夠達到的測量靈敏度和準確度之下，這樣弱的引力波應該能夠探測到的話，長期的實驗得不到肯定的結果似乎暗示了害因斯坦理論的缺點。應該從c＇可能不等于c這個角度來考慮問題，如果c＇和c有較大的差異，則可能導出引力波的強度比根據(jù)愛因勞動保護坦理論預言的強度弱得多的結果。

弱力、強力與引力、電磁力有本質的不同，前兩者是短程力，后兩者是長程力。不同的相互作用是通過傳遞不同的媒介粒子而實現(xiàn)的。引力相互作用的傳遞者是引力子；電磁相互作用的傳遞者是光子；弱相互作用的傳遞者是規(guī)范粒子（光子除外）；強相互作用的傳遞者是介子。引力子和光子的靜質量為零，按照愛因斯坦的理論，引力相互作用和電磁相互作用的傳遞速度都是光速。并且與傳遞粒子的靜質量和能量有關，因而其傳遞速度是多種多樣的。

在研究由弱或強相互作用引起的物質運動時，定義慣性系中不同的地點的兩個“事件”的“同時”，是否應該用弱力或強力信號取代光信號呢？我對核物理學和粒子物理學是外行，不想貿然回答這個問題。如果應該用弱力或強力信號取代光信號，那么關于由弱力或強力引起的物質運動的時空和關于由電磁力引起的運動的時空（x，y，z，ict）及關于由引力引起的運動的時空（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）

有很大的不同。設弱或強相互作用的傳遞速度為c＇＇，c＇＇不是常數(shù)，而是可變的，則關于由弱或強力引起的運動的時空為（x＇＇，y＇＇，z＇＇，Ic＇＇t＇＇），時間t＇＇和空間（x＇＇，y＇＇，z＇＇）將是c＇的函數(shù)。然而，很可能應該這樣來考慮問題：關于由弱力引起的運動的時空，在定義中應該以規(guī)范粒子的靜質量取作零時的速度c1取代光速c。由于“電弱理論”把弱力和電磁力統(tǒng)一起來了，因此有可能c1=c，則關于由弱力引起的運動的時空和關于由電磁力引起的運動的時空是相同的，同為（x，y，z，ict）。關于由強力引起的運動的時空，在定義中應該以介子的靜質量取作零（在理論上取作零，在實際上沒有靜質量為零的介子）時的速度c＇＇取代光速c，c＇＇可能不等于c。則關于由強力引起的運動的時空（x＇＇，y＇＇，z＇＇，Ic＇＇t＇＇）不同于（x，y，z，ict）或（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）。無論上述兩種考慮中哪一種是對的，整個物質世界的時空將是高于四維的多維時空。對于由短程力（或只是強力）引起的物質運動，如果時空有了新的一義，就需要建立新的理論，也就是說需要建立新的量子場論、新的核物理學和新的粒子物理學等。如果研究的問題既清及長程力，又涉及短程力（尤其是強力），則更需要建立新的理論。

1）對量子力學的審思

從量子力學發(fā)展到量子場論的時候，遇到了“發(fā)散困難”[6]。1946——1949年間，日本的朝永振一郎、美國的費曼和施溫格提出“重整化”方法，克服了“發(fā)散困難”。但是“重整化”理論仍然存在著邏輯上的缺陷，并沒有徹底克服這一困難。“發(fā)散困難”的一個基本原因是粒子的“固有”能量（靜止能量）與運動能量、相互作用能量合在一起計算[6]，這與德布羅意波在υ=0時的異性。

現(xiàn)在我陷入一個兩難的處境：如果采用傳統(tǒng)的德布羅意關系，就只得接受不合理的德布羅意波奇異性；如果采納修正的德布羅意關系，就必須面對使新的理論滿足相對論協(xié)變性的難題。是否有解決問題的其他途徑呢？我認為這個問題或許還與時間、空間的定義有關?，F(xiàn)在的量子力學理論中時寬人的定義實質上依然是決定論的定義，而不確定原理是微觀世界的一條基本規(guī)律，所以時間、空間都不是嚴格確定的，決定論的時空要領不再適用。在時間或空間的間隔非常小的時候，描寫事情順序的“前”、“后”概念將失去意義。此外，在重新定義時空時還應考慮相關的物質運動的類別。模糊數(shù)學已經(jīng)發(fā)展得相當成熟了，把這個數(shù)學工具用到微觀世界時空的定義中去可能是很值得一試的。

1）在二十一世紀物理學將在三個方向上繼續(xù)向前發(fā)展（1）在微觀方向上深入下去；（2）在宏觀方向上拓展開去；（3）深入探索各層次間的聯(lián)系，進一步發(fā)展非線性科學。

2）可能應該從兩方面去控尋現(xiàn)代物理學革命的突破口。（1）發(fā)現(xiàn)客觀世界中已知的四種力以外的其他力；（2）通過審思相對論和量子力學的理論基礎，重新定義時間、空間，建立新的理論