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[11]NARAYANAN A， MOORE M. Quantuminspired genetic algorithms [C]// ICEC96： Proceedings of the 1996 IEEE International Conference on Evolutionary Computation. Washington， DC： IEEE Computer Society， 1996： 61-66.

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關(guān)鍵詞：數(shù)字水??；獨(dú)立分量分析；小波分析

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044(2010)20-5584-02

An Algorithm of Digital Watermarking Based on ICA

ZHAO Wei, CHEN Wei-jie, CHEN Ren-an

(Chengyi College of Jimei University, Xiamen 361021, China)

Abstract: An algorithm of digital watermarking based on Independent Component Analysis (ICA) is proposed to improve the robustness of digital watermarking. Firstly, At first the original image is decomposed by DWT, then the approximation image is embedded with pre-processed watermark. The watermark is abstracted resorting to Fast Independent Component Analysis (FastICA). The results of emulation under Matlab have demonstrated that the proposed approach is robust against common signal processing such as JPEG compression, noise, cropping and so on.

Key words: digital watermarking; ICA; DWT

1 概述

隨著計算機(jī)和Internet的普及數(shù)字產(chǎn)品的復(fù)制和傳播變得越來越方便。這就使得數(shù)字產(chǎn)品的信息安全問題日益突出。如何有效地防止數(shù)據(jù)的非法復(fù)制和鑒別數(shù)字媒體的知識產(chǎn)權(quán)，成為亟待解決的問題。數(shù)字水印技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生成為研究的熱點(diǎn)，是版權(quán)保護(hù)的有效方法[1-2]。水印的魯棒性是衡量水印算法性能的一個重要指標(biāo)，水印在經(jīng)受大量有意或無意的攻擊和失真之后，應(yīng)該仍然能夠提取出水印或者能夠證明水印的存在。

數(shù)字水印技術(shù)按水印嵌入的位置分為空間域算法和變換域算法?？臻g域算法是將水印直接嵌入到原始圖像的空間域上，該算法運(yùn)算速度快，但魯棒性較差。變換域算法是將水印嵌入到原始圖圖像的變換域（DCT域、DFT域、DWT域、ICA域等）上，該算法具有較強(qiáng)的魯棒性。小波變換因其很好地匹配人類視覺系統(tǒng)特性及與JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)相兼容，因此在數(shù)字水印上有著廣泛的應(yīng)用。

獨(dú)立分量分析（ICA）[3]是一種基于高階統(tǒng)計量的信號分析方法，它可以找到隱含在數(shù)據(jù)中的獨(dú)立分量,已廣泛應(yīng)用于信號處理領(lǐng)域，在圖像處理方面的應(yīng)用有：圖像特征提取、圖像去噪、人臉識別和檢測、圖像分離、圖像水印和遙感圖像處理等，并且取得了令人滿意的結(jié)果[4]。

2 獨(dú)立分量分析

獨(dú)立分量分析以非高斯源信號為研究對象，在對它們作統(tǒng)計獨(dú)立假設(shè)條件下，將觀測到的多路混合信號變換到相互獨(dú)立的方向上，使經(jīng)過變換所得到的各個分量之間不僅正交，而且相互獨(dú)立。

ICA的數(shù)學(xué)模型為：假設(shè)n個相互獨(dú)立的源信號s=[s1,s2,…sn]T經(jīng)過線性系統(tǒng)A混合后得到m個觀測信號x=[x1,x2,…xm]T，即：x=As。ICA的3個基本假設(shè)如下：1、m≥n，通常令m=n即混合矩陣A為滿秩矩陣；2、源信號s的各個分量之間相互統(tǒng)計獨(dú)立；3、源信號s的各分量最多只允許有一個是高斯分布的。

ICA是在s和A未知并在以上三個假設(shè)的條件下，僅通過觀測信號x將源信號s估計出來的一種算法。因此ICA的問題可視為求解一個解混矩陣w,使得y=wx=wAs=Gs=的各分量盡可能相互獨(dú)立，并把y作為源信號s的估計。

常用的ICA算法有：非線性去相關(guān)算法、最大似然算法、Jutten-Herault算法以及FastICA[5]算法。FastICA算法因其具有較快的收斂速度，而成為目前ICA使用的主流算法。

3 算法分析

本文提出了一種基于獨(dú)立分量分析(ICA)的數(shù)字水印算法,即將預(yù)處理過的水印嵌入到圖像的小波低頻子圖得到含水印的圖像，采用FastICA算法提取水印，并對提取出的水印進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑鰪?qiáng)處理。仿真實(shí)驗(yàn)表明，該算法具有較強(qiáng)的魯棒性。

3.1 水印預(yù)處理

為了對提高水印的魯棒性和隱蔽性，在水印嵌入前先對水印進(jìn)行過采樣和置亂等預(yù)處理。過采樣即將原始水印按自身進(jìn)行復(fù)制擴(kuò)展。為了提高水印的安全性及隱蔽性，采用Arnold置亂算法將水印置亂成難以辨認(rèn)的圖像，并將置亂頻率f作為密鑰k1用于還原水印圖像。

3.2 水印嵌入算法

原始圖像經(jīng)過小波變換后，主要能量集中在低頻子圖，細(xì)節(jié)部分集中在高頻子圖。為了提高水印的魯棒性，嵌入算法（如圖1所示）將水印圖像嵌入到二級小波分解的低頻子圖，具體流程如下：1）將水印圖像w進(jìn)行過采樣和Arnold置亂處理，得到處理過的水印圖像w2；2）將原始圖像S進(jìn)行二級小波分解，并把低頻子圖LL2作為密鑰k2保存起來，用于提取水印；3）將w2嵌入到LL2，即LL2'=LL2+α×w2，其中α為嵌入強(qiáng)度；4）進(jìn)行逆小波變換即可得到含水印信息的圖像S1；

圖1 水印嵌入算法 圖2 水印提取算法

3.3 水印提取算法

水印提取算法（如圖2所示）采用獨(dú)立分量分析技術(shù)從受攻擊圖S2中提取出水印信息，并通過還原和增強(qiáng)處理，獲得效果良好的水印圖像。提取算法的具體流程如下：

1）將受攻擊的圖像進(jìn)行二級小波分解，得到低頻子圖LL2”；2）將LL2”與密鑰k2視為兩個觀測信號，利用FastICA算法進(jìn)行分離變量，得到水印圖像w3；3）利用密鑰k1對w3進(jìn)行置亂還原，得到w4；4）將w4中各位置上的水印進(jìn)行加權(quán)平均，各位置上水印的權(quán)重相同，得到w5；5）對w5進(jìn)行平滑和二值化等增強(qiáng)處理，即可得到效果良好的水印圖像w’。

4 算法仿真

本文采用256×256大小的Lena圖像作為原始圖像S(如圖3所示)，采用36×36大小的二值圖像(漢字“水”)作為水印，在Matlab下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。水印嵌入強(qiáng)度α=0.1，含水印的圖像S1與S的峰值信噪比(PSNR)為42.9548。由圖3可見，人眼不易察覺S與S1間存在差異，說明這種嵌入算法具有較高的隱蔽性。水印及其預(yù)處理圖像如圖4所示，經(jīng)過擴(kuò)展及預(yù)處理后水印信息人眼根本無法辨別，因而使得水印具有較高的安全性。

對含水印的圖像S1進(jìn)行常用的攻擊實(shí)驗(yàn)(中值濾波、高斯濾波、鹽攻擊、裁減攻擊)，得到受攻擊圖S2(如圖5所示)。表1列出了受攻擊圖S2與原始圖像S的PSNR值。提取出的水印圖像如圖6所示。

圖5 常見攻擊獲得的圖像 圖6 從常見攻擊中提取的水印圖像

表1 本算法對常見方式攻擊的魯棒性檢測

采用JPEG壓縮方式對含水印圖像S1進(jìn)行攻擊，源圖像與攻擊后的圖像的PSNR值如表2所示，提取出的水印圖像如圖7所示，其中Q為品質(zhì)因子。

表2 本算法對JPEG壓縮的魯棒性檢測

5 結(jié)束語

本文提出的一種基于獨(dú)立分量分析的數(shù)字水印算法，具有如下特點(diǎn)：1）由于采用獨(dú)立分量分析，水印提取過程中不需要原始水印參與；2）水印嵌入在二級小波變換的低頻子圖，具有較強(qiáng)的魯棒性；3）水印預(yù)處理階段采用過采樣和置亂處理，提高了水印的抗攻擊性和安全性；4）水印提取后的增強(qiáng)處理，使得提取出的水印效果良好。仿真實(shí)驗(yàn)表明，該算法對JPEG攻擊及常見的攻擊方式具有較強(qiáng)的魯棒性。

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篇3

關(guān)鍵詞：貝葉斯網(wǎng)；結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)；量子遺傳算法；K2算法；拓?fù)湫蛄?；量子計?/p>

中圖分類號：TP181

0引言

不確定性問題知識表示和推理是人工智能領(lǐng)域中的一個研究熱點(diǎn)，貝葉斯網(wǎng)（BayesianNetwork，BN）是處理該問題的一個非常重要的理論模型。近年來，隨著搜索技術(shù)的發(fā)展和數(shù)據(jù)挖掘的興起，貝葉斯網(wǎng)結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛興趣。到目前為止，人們已經(jīng)提出了一些學(xué)習(xí)貝葉斯網(wǎng)結(jié)構(gòu)的方法，其中基于蟻群算法[1]、遺傳算法[2-4]和粒子群算法[5]的貝葉斯網(wǎng)結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)是比較新的一些實(shí)用而有效的方法。例如，基于蟻群算法的貝葉斯網(wǎng)結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)算法I ACO B[1]首先用0階條件獨(dú)立性測試發(fā)現(xiàn)一些潛在的條件——獨(dú)立知識并用之壓縮搜索空間，然后利用改進(jìn)的啟發(fā)函數(shù)使蟻群算法的搜索能力得到提高。文獻(xiàn)[5]提出了一種新的基于粒子群的學(xué)習(xí)貝葉斯網(wǎng)結(jié)構(gòu)的算法——C PSO B，該算法利用定義的規(guī)則鏈模型度量拓?fù)湫蛄袃?yōu)劣，有利于發(fā)現(xiàn)較高質(zhì)量的拓?fù)湫蛄?；然后通過給粒子位置可選擇更新的粒子群優(yōu)化算法加上動態(tài)權(quán)重系數(shù)，提高了算法的搜索性能。這兩種算法都取得了比較好的成果，但是它們在學(xué)習(xí)貝葉斯網(wǎng)結(jié)構(gòu)時仍存在求解精度不高、收斂速度慢等不足。

量子計算是20世紀(jì)90年代被提出的。由于它是以微觀世界為物理研究基礎(chǔ)，所以量子計算具有了經(jīng)典計算無可比擬的優(yōu)越性。在量子理論中，量子信息的豐富性、量子計算的并行性和量子態(tài)的疊加性等特性，使量子計算具有了明顯的優(yōu)勢。將經(jīng)典的搜索算法與量子計算相結(jié)合是改善上述不足的一種研究思路。到目前為止，已出現(xiàn)了一些與量子相結(jié)合的搜索算法[6-11]，如量子進(jìn)化算法[6-7]、量子遺傳算法[8-10]和量子粒子群算法[11]等。本文提出了一種基于拓?fù)湫蛄泻土孔舆z傳算法的貝葉斯網(wǎng)結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)算法（BayesianNetworkStructureLearningAlgorithmbasedonTopologicalOrderandQuantumGeneticAlgorithm，T&QGA B）。為了提高搜索的效率，新算法首先利用量子計算的優(yōu)勢，設(shè)計出基于量子染色體的拓?fù)湫蛄猩刹呗?；然后通過采用帶上下界的自適應(yīng)量子變異策略，增強(qiáng)了種群的多樣性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與新近提出的I ACO B算法[1]和C PSO B算法[5]相比，新算法在求解精度和收斂速度兩方面都有明顯提高。

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注意教材書（文獻(xiàn)［9］）已有"輻射場"及"能量場"的物理學(xué)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(jī)械的）、孤立的（與物質(zhì)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(zhì)。值得物理學(xué)注意的是，原子核這種性質(zhì)并不孤立存在，它同時還嚴(yán)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(jié)構(gòu)。這就是大自然最基本的內(nèi)在本質(zhì)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：

2輻射能場（存在）定理

研究表明，輻射能場準(zhǔn)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(zhǔn)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(jié)果。

3輻射能場實(shí)質(zhì)

輻射能場實(shí)質(zhì)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(dāng)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(zhǔn)確如此。參見（15）式，據(jù)此不難描述任何光子的自身結(jié)構(gòu)。并且可以證明任何光子的靜止（如可能）質(zhì)量均不為零。認(rèn)為光子靜止質(zhì)量為零，還是量子力學(xué)根據(jù)"相對論"瞎子摸象猜測結(jié)果。

這已表明光子的真實(shí)粒子性。并可準(zhǔn)確具體證明，所謂波動性實(shí)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輻射能場形象

研究表明，輻射能場形象與點(diǎn)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(zhǔn)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)。

5輻射能場性質(zhì)

研究表明，輻射能場實(shí)質(zhì)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(shí)。所以，電子未能落到核上量子力學(xué)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(dān)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(yīng)很小，一般可忽略。這與太陽光輻射的能量效應(yīng)十分明顯，而太陽光的壓力效應(yīng)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(yīng)。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。

6原子核輻射能場數(shù)學(xué)表達(dá)式

大量研究表明，原子核（質(zhì)子）的輻射能場數(shù)學(xué)表達(dá)式準(zhǔn)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(zhì)子質(zhì)量，距離為r＝0∞，需指出，輻射能場場強(qiáng)E具有能量量綱（這是因?yàn)槭褂靡蜃觝結(jié)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(nèi)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(zhǔn)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(zhì)量，不難看出普朗克常數(shù)h＝2π?緊密地聯(lián)系著質(zhì)子和電子。

已很明顯，量子力學(xué)與玻爾相比，玻爾正確，量子力學(xué)謬誤！

并且由（21）、（22）式不難看出，當(dāng)量子數(shù)n＝0時，E＝0。需指出，這是物質(zhì)結(jié)構(gòu)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(dá)最低溫度--宇宙奇點(diǎn)的情況。于是，原子中發(fā)生比核反應(yīng)還強(qiáng)烈的變化，結(jié)果原子爆炸--物質(zhì)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(xué)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?？可泣乎？災(zāi)難，罪過！阿們--

7輻射能場的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

7.1太陽的輻射本領(lǐng)已足夠大

目前世界公認(rèn)太陽發(fā)射本領(lǐng)（文獻(xiàn)[2]）為3.8×1033（爾格/秒），這相當(dāng)于太陽每秒拋射出質(zhì)量為m＝2×109(千克)物質(zhì)。但如上可知，太陽實(shí)際發(fā)射本領(lǐng)遠(yuǎn)大于此。因?yàn)樘柟鈨H是輻射能流的一部分，這種能流粒子上限為中微子。

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(zhì)。宇宙正在膨脹恰系宇宙中心輻射能場的客觀真實(shí)寫照（或曰照片）。

7.3"太陽風(fēng)"的存在

文獻(xiàn)［10］介紹的"太陽風(fēng)"正是本文定義的太陽輻射能場，太陽風(fēng)就是太陽輻射能場的客觀真實(shí)寫照。該文獻(xiàn)給出了對太陽風(fēng)考察的衛(wèi)星實(shí)際探測結(jié)果（文獻(xiàn)圖示略）。這可謂太陽輻射能場的真實(shí)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

7.4第四個驗(yàn)證是，任何原子中任何電子均未能落到核上，這是事實(shí)

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(shí)際上正是由于原子核具有排它性的輻射能場排斥效應(yīng)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(dá)核半徑處。也因此，玻爾對電子的擔(dān)心完全多余！

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

7.5第五個驗(yàn)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(xué)會立即反駁說："氣體壓力來自分子熱運(yùn)動和碰撞"（文獻(xiàn)[8]）。需指出，這種解釋充其量只能算作表面化非本質(zhì)解釋，作為哲學(xué)或市民語言尚可，但不能作為物理學(xué)家語言。在嚴(yán)格物理意義上說這種解釋是自欺欺人的。這種解釋實(shí)際上并不清楚分子熱運(yùn)動的實(shí)質(zhì)和根源，更不知溫度對單個分子的意義是什么。量子力學(xué)（文獻(xiàn)[8]）以公開宣稱："對單個分子溫度沒有任何意義"。

這是因?yàn)榱孔恿W(xué)有一劑靈丹妙藥--波函數(shù)Ψ--量子力學(xué)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(xué)結(jié)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(xiàn)，怎么能說單個分子沒有貢獻(xiàn)？單個分子又怎能擺脫溫度環(huán)境？這與人對社會貢獻(xiàn)完全一致，能說個人對社會的貢獻(xiàn)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(nèi)容。溫度問題同樣也貫穿全部物理世界全部內(nèi)容。并對此可做如下結(jié)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(nèi)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(jié)論在確切物理意義上正確。

研究還表明：分子熱運(yùn)動及分子間斥力的實(shí)際根源正在于原子（核）間排斥能場相互作用的結(jié)果。并可得以下具體結(jié)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(dǎo)略）。這種嚴(yán)格關(guān)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(yīng)也十分明顯，這就是氣體壓力。

第五章大自然內(nèi)在本質(zhì)規(guī)律二

5.1大自然內(nèi)在本質(zhì)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(zhì)量為m的物體（含場粒子及天體）當(dāng)以速度V運(yùn)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(jī)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(yùn)動全動能，以符號Tm表示則為：

Tm＝T1＋T2＝mV2―――――――――（26）

如果，質(zhì)量m以光速C運(yùn)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(zhì)能關(guān)系。這已表明，愛因斯坦質(zhì)能關(guān)系只不過是物體（粒子）運(yùn)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(zhì)能關(guān)系的物理意義。可（27）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(shí)際上它是物體（粒子）運(yùn)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(shí)質(zhì)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(dāng)以速度V運(yùn)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(shí)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(yīng)較其壓力（即動量）效應(yīng)明顯，尤其當(dāng)速度V＜＜C時，人們無法觀測到這種動量效應(yīng)。然而當(dāng)物體速度接近光速（VC）時，潛動能的能量效應(yīng)與動量效應(yīng)均不可忽略。這時潛動能的能量效應(yīng)形成愛因斯坦的質(zhì)能關(guān)系事實(shí)；而其動量效應(yīng)則形成"物質(zhì)波"的事實(shí)。這就是"物質(zhì)波"的本來面目和真實(shí)內(nèi)容。

5.4潛動能的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

5.1回旋加速器的驗(yàn)證

文獻(xiàn)[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。

5.2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(yùn)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。

5.3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?yàn)楸疚膶υ虑虻挠嬎惚砻?，普適方程不僅適用于太陽系，而且適于地（球）--月（球）結(jié)構(gòu)。并且，對月球的計算，得出兩個重要結(jié)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(xiàn)［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(jié)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(yán)格支配，亦即受地球軌道動能嚴(yán)格支配，亦即受太陽能量嚴(yán)格支配。不僅如此，太陽以此嚴(yán)格支配著系內(nèi)所有天體（無例外）的運(yùn)行（位置、動能、尺寸、質(zhì)量以及軌道曲線性質(zhì)）。

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

第三，"物質(zhì)波"就是本文所定義的"潛動能"。

第四，普適方程無條件成立！

5.4X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(jī)械動能一樣：只能直接作機(jī)械功，不能直接成為輻射能。量子力學(xué)對此問題"心不在肝"！

所以，（30）式的真實(shí)物理內(nèi)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?？墒牵孔恿W(xué)，還有德布羅意，把這稱為"物質(zhì)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(zhì)波及其實(shí)質(zhì)

6.1究竟物質(zhì)波是什么

談物質(zhì)波問題，恰進(jìn)入量子力學(xué)權(quán)威領(lǐng)地。作為權(quán)威，理應(yīng)對此做出科學(xué)合理解釋。遺憾的是雖經(jīng)近百年發(fā)展量子力學(xué)仍滿足于對物理現(xiàn)象作似是而非的猜測，量子力學(xué)的"波函數(shù)"概念正是對"物質(zhì)波"現(xiàn)象的猜測，并強(qiáng)加給電子。

下面考察物質(zhì)波。

德布羅意"物質(zhì)波波長"表達(dá)式為：

λ＝h／p――――――――――――――――（31）

該式表示什么物理意義呢？

認(rèn)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?yàn)閯恿縫反比量度的單位取h的結(jié)果。除此之外（31）式不再有其他物理意義，或?qū)⑵渥兓缦拢?/p>

λ＝h／p＝hv／pv＝hv／mv2＝hv／Em―――（32）

式中Em＝Tm為前文定義的粒子運(yùn)動"全動能"，這表明λ亦可表征粒子運(yùn)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(jié)論：

6.2物質(zhì)波實(shí)質(zhì)

第一，"物質(zhì)波"波長只能表征粒子運(yùn)動時的動量效應(yīng)或者潛動能，實(shí)質(zhì)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(zhì)波波長"絕不表示粒子有任何物理意義上的"波動"性質(zhì)！

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(xué)的特長--富于猜想的結(jié)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(zhì)。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(zhì)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(shù)）表演的結(jié)果。并可嚴(yán)格準(zhǔn)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?yàn)榱Ｗ拥母缮婧脱苌洮F(xiàn)象是粒子與（量子化了的）物質(zhì)場（輻射能場）相互作用的必然結(jié)果。

并且在本文已到達(dá)的深度--準(zhǔn)確描述場粒子自身結(jié)構(gòu)深度上說，仍未發(fā)現(xiàn)任何粒子有任何內(nèi)稟波動屬性。這說明根本不存在"物質(zhì)波"。而德布羅意"物質(zhì)波"概念恰在于粒子運(yùn)動"潛動能"的事實(shí)。所以，與其說德布羅意發(fā)現(xiàn)了"物質(zhì)波"，毋寧說他發(fā)現(xiàn)了粒子運(yùn)動的潛動能。

之所以人們認(rèn)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(rèn)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(nèi)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(diǎn)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(xué)在大自然中完全好用！量子力學(xué)對牛頓力學(xué)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(shí)具體，并不抽象。

第二，普適方程可以直接用來計算原子結(jié)構(gòu)，計算天文結(jié)構(gòu)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(xué)意義準(zhǔn)確可靠。亦不難看出人類目前為止的哲學(xué)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(nèi)容！

研究表明，這已構(gòu)成物理學(xué)最基本的定律--物理學(xué)奠基定律。以致物理學(xué)不得不另辟一章：

第八章物理學(xué)奠基定律

8.1物理學(xué)奠基定律

〖物理學(xué)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(nèi)容，無例外。

8.2奠基注釋

大量研究表明，這不是簡單推廣。該定律普遍永恒絕對全天候成立！世界上找不到脫離這種定律的東西，人類的靈魂也不例外。因此，也沒有能脫離〖物理學(xué)奠基定律〗的物理學(xué)。所以這叫〖物理學(xué)奠基定律〗，名副其實(shí)也！

第九章量子力學(xué)的猜測

上述可見，量子力學(xué)對一些基本物理學(xué)問題要么似是而非，要么一無所知，儼然卻夸夸其談。甚者竟反科學(xué)之道建立了【測不準(zhǔn)原理】，于是使得科學(xué)陷于惡性循環(huán)不解之中。這就是目前科學(xué)活生生的現(xiàn)實(shí)！

現(xiàn)總結(jié)量子力學(xué)對科學(xué)的種種似是而非的猜測：

量子力學(xué)猜測一：（目前）試驗(yàn)電離能＝原子真實(shí)能級

量子力學(xué)猜測二：原子結(jié)構(gòu)不同殼層K,L,M,N…中電子的量子數(shù)分別為n＝0,1,2,3…

量子力學(xué)猜測三：粒子（物質(zhì)）具有（一種朦朧的）波動屬性

量子力學(xué)猜測四："物質(zhì)波"①是軌跡波；②是幾率波；③是彌撒物質(zhì)波包

量子力學(xué)猜測五：費(fèi)米子（電子、質(zhì)子）的自旋量皆為（1/2）?

量子力學(xué)猜測六：電子具有反常磁矩屬性（閉著眼睛摸大象）（以下準(zhǔn)確計算證明）

量子力學(xué)猜測七：物質(zhì)世界是測不準(zhǔn)的，且不可能測準(zhǔn)的，并由此建立一種反科學(xué)的理論──【測不準(zhǔn)原理】

等等，僅舉與本文有關(guān)七例。

以上及以下討論充分證明《量子力學(xué)》完全錯誤，一無是處！并可對物理學(xué)做如下結(jié)論。

第十章物理學(xué)正論

10.1世界是粒子的（含場粒子及天體）。但任何粒子都不存在任何物理意義上的內(nèi)稟波動屬性。

10.2粒子能量是量子化的（包括天體）。但實(shí)際上根本不存在什么"量子"，即使將"量子"理解為"能量子"也不科學(xué)。（量子力學(xué)純屬虛構(gòu)?。?/p>

10.3普朗克常數(shù)?及量子數(shù)n已給出并將給出全部物理世界準(zhǔn)確信息，它們共同貫穿全部物理世界全部內(nèi)容。

10.4任何粒子（含天體，電子，無例外）均不具反常磁矩內(nèi)稟屬性（以下給出具體計算嚴(yán)格證明）。

10.5物質(zhì)世界是可測的，并完全可測準(zhǔn)的，其準(zhǔn)確程度完全取決于普朗克常數(shù)h＝2π?的準(zhǔn)確度。

10.6電子、質(zhì)子、中子都是經(jīng)典粒子。附錄中嚴(yán)格證明（這種證明本身就是物理學(xué)一種奇跡，量子力學(xué)望塵莫及）。

10.7目前為止，世界是經(jīng)典的。所以，量子力學(xué)所謂超脫經(jīng)典實(shí)際就是超脫科學(xué)！

以下附錄是對全文的嚴(yán)格、具體證明。

第十一章附錄：粒子及其磁矩問題

粒子物理問題，由于缺少直觀經(jīng)驗(yàn)，這給人們正確認(rèn)識造成極大困難。然而量子力學(xué)的出現(xiàn)并沒有幫助人們解決困難，反而給人們本來有限的認(rèn)識能力又設(shè)置了人為的更難以逾越的障礙，這就是【測不準(zhǔn)原理】。并把人們的認(rèn)識能力禁錮在量子力學(xué)謬誤之中。

目前為止的實(shí)驗(yàn)，已經(jīng)驗(yàn)證粒子具有磁矩。但對粒子磁矩問題，量子力學(xué)由于缺乏了解，又為了"符合"試驗(yàn)，經(jīng)常自覺不自覺混淆，有時偷換，普朗克常數(shù)的物理概念。這已使得量子力學(xué)對粒子磁矩問題的描述嚴(yán)重有詐！

以下用CGS和高斯單位制具體討論：

11.1粒子磁矩問題的實(shí)驗(yàn)表達(dá)式

文獻(xiàn)[10]中，粒子磁矩表達(dá)通式如下：

g＝nh／μ0H＝ω?／μ0H―――――――（33）

研究表明，該式可謂經(jīng)驗(yàn)公式，因由試驗(yàn)而來，應(yīng)當(dāng)是正確表達(dá)式。

然而問題在于，量子力學(xué)對實(shí)驗(yàn)表達(dá)式的真實(shí)物理意義及實(shí)驗(yàn)的真實(shí)物理過程并不清楚。對表達(dá)式的理解也有錯誤，因而得出完全錯誤的結(jié)果和結(jié)論。

對于電子，（33）式可變?yōu)椋?/p>

ge＝ωe?/μBH――――――――――――（34）

式中g(shù)e＝1.0011596被量子力學(xué)定義為電子的"反常磁矩"值，ωe為電子自旋磁矩在磁場中進(jìn)動角頻。并有：

μB＝γe?＝（e／2meC）?―――――――（35）

其中γe＝e／2meC――――――――――――(36)

那么有g(shù)e＝（ωe?/?H）÷γe――――――――(37)

可簡為ge＝ωe/γeH―――――――――――（38）

這就是量子力學(xué)基本思路，并由此得出電子自旋磁矩錯誤結(jié)果。又將這種錯誤勇敢地推廣到其它粒子和其他情況，這就錯上加錯。

需要指出，根據(jù)教科書概念，（36）式為電子軌道回旋比。量子力學(xué)又認(rèn)為電子自旋回旋比為軌道回旋比的2倍，這是由于認(rèn)為（實(shí)際是猜測）電子自旋量為（1/2）?的必然結(jié)果。也得出電子的朗德因子為2的結(jié)果，這是完全錯誤的（見下）。

以下討論給出完全的證明：電子純系經(jīng)典粒子，并且其荷質(zhì)比絕對均勻。

那么，對于這樣的經(jīng)典粒子--電子來說，不管其角動量如何變化其軌道回旋比與自旋回旋比永遠(yuǎn)相等（只要建立均勻荷質(zhì)比的經(jīng)典粒子模型，立即可證，略）。

考慮到量子力學(xué)錯誤因素在內(nèi)，不影響以上及以下討論。研究表明（38）式對電子仍然準(zhǔn)確成立。

但量子力學(xué)錯誤主要表現(xiàn)在：

11.2量子力學(xué)所犯經(jīng)典錯誤

量子力學(xué)所犯經(jīng)典錯誤一：將g定義為磁矩"反常"因子。這表明量子力學(xué)缺乏了解又理論貧乏，犯指導(dǎo)方向錯誤。以下將給出g因子的真實(shí)物理意義和內(nèi)容。

量子力學(xué)所犯經(jīng)典錯誤二：認(rèn)為費(fèi)米子（電子、質(zhì)子）的自旋量皆為（1/2）?，這是狄拉克根據(jù)量子力學(xué)計算的錯誤結(jié)果：實(shí)際上是與作為能量單位的?簡單呼應(yīng)導(dǎo)出結(jié)果，沒有物理意義。因而是完全錯誤的。

量子力學(xué)所犯經(jīng)典錯誤三：量子力學(xué)自覺不自覺混淆并濫用普朗克常數(shù)?的物理概念并偷換之，這叫偷換概念。注意，（37）式中分線上下都有?項(xiàng)。由（33）式可知：

nhω?＝E――――――――――――――（39）

這里?分明表示能量E的單位，這就是（37）式分線上面之?。而（37）式分線下面之?卻是角動量的單位。兩種完全不同的物理概念不容混淆，雖然它們的數(shù)值和量綱完全一致。

稱職的物理學(xué)家在未有把握之前不會輕易消去?項(xiàng)。然而量子力學(xué)卻毫不顧忌這么做了，那末所得結(jié)果必有詐！

量子力學(xué)所犯經(jīng)典錯誤四：以下將證明量子力學(xué)完全不了解粒子磁矩實(shí)驗(yàn)的真實(shí)物理過程以及（33）、（38）式的真實(shí)物理意義。

那么，電子磁矩實(shí)驗(yàn)真實(shí)物理內(nèi)容是什么呢？現(xiàn)將（34）式變化如下：

ωe＝（ge·H／?）μB――――――――――（40）

注意，式中μB為玻爾磁子，系作為磁矩的單位出現(xiàn)，為常數(shù)；而?則作為能量的單位出現(xiàn)，亦為常數(shù)；因子ge也是常數(shù)。

那么，（40）式明確表明：ωe與H成正比，而與電子真實(shí)角動量無關(guān)（注意式中無有角動量物理量）。也就是說，無論電子真實(shí)角動量是多少，（40）式中的ωe都保持不變。

或者由（38）式得：

ωe＝ge·H·γe―――――――――――（41）

式中g(shù)e及γe均為常數(shù)，該式仍然表明ωe只與H成正比，與電子真實(shí)角動量無關(guān)。并請注意，這種認(rèn)識上的差異將產(chǎn)生完全不同的結(jié)論。

由此可結(jié)論：由于粒子磁矩進(jìn)動實(shí)驗(yàn)結(jié)果與粒子真實(shí)角動量這種無關(guān)性（注意：與實(shí)驗(yàn)無關(guān)，并非理論無關(guān)），因而這種試驗(yàn)就不能直接測得任何粒子真實(shí)磁矩。因?yàn)橥耆喾?，粒子真?shí)磁矩直接與角動量緊密（理論）相關(guān)（只要建立經(jīng)典粒子模型立即可證）。并且研究表明，這一結(jié)論對任何粒子都成立。

然而，量子力學(xué)卻由此直接得出"電子自旋磁矩"μe：

μe＝ge·μB―――――――――――――（42）

注意：這種結(jié)果，①偷換了常數(shù)?概念；②假定電子自旋量為（1/2）?；③并不了解ge因子的真實(shí)物理意義，因而是完全錯誤的結(jié)果。

然而，（41）式是有功勞的，它已經(jīng)揭示出粒子磁矩問題的本質(zhì)規(guī)律（量子力學(xué)全然不知）。并且，這種規(guī)律的正確性可用下述Ⅳ條磁矩定理表述。

11.3粒子磁矩定理Ⅰ

〖粒子磁矩定理Ⅰ〗:任何粒子（含場粒子及天體，下同）的磁矩問題都是經(jīng)典問題，不存在任何非經(jīng)典問題。

顯然，此定理的證明，不可能立竿以畢。但是，本文如下仍將給出完全的證明！

這定理的證明本身就已是物理學(xué)奇跡之一。這已表明量子力學(xué)完全無聊！

11.4粒子磁矩定理Ⅱ

〖粒子磁矩定理Ⅱ〗：任何磁矩進(jìn)動試驗(yàn)都不能直接測得任何粒子的真實(shí)磁矩。但玻爾磁子除外。

其實(shí)，上述討論已經(jīng)給出定理Ⅱ的證明。這是由于實(shí)驗(yàn)磁矩進(jìn)動角頻(ω)與粒子真實(shí)角動量(L)無關(guān)，而粒子真實(shí)磁矩(μ)卻與粒子真實(shí)角動量(L)緊密直接相關(guān)（不可開膠）！

然而，量子力學(xué)竟然由實(shí)驗(yàn)直接得出粒子的磁矩結(jié)果。那么，這種結(jié)果必不真實(shí)，嚴(yán)重有詐！這表明，量子力學(xué)先天不足，后天空虛，已養(yǎng)成寄生性和猜測性。所謂寄生旨在寄生于經(jīng)典物理，經(jīng)典物理已清的，量子力學(xué)也清楚，并夸其談而娓動聽；經(jīng)典物理未清的，量子力學(xué)也一無所知，不得不依賴對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行猜測--并美其名曰"符合"試驗(yàn)。

11.5粒子磁矩問題理論表達(dá)式

研究表明，為了要得到粒子真實(shí)磁矩，就必須建立磁矩問題的理論表達(dá)式。量子力學(xué)對此完全無能。本文大量研究，現(xiàn)給出粒子磁矩問題的準(zhǔn)確理論表達(dá)式如下：

Kφ＝ω·L／μ·H――――――――――（43）

或?yàn)橛懻摲奖阕優(yōu)椋?/p>

ω＝Kφ·μ·H／L――――――――――（44）

注意，這種理論表達(dá)式的正確性，可用粒子磁矩定理Ⅲ表述如下：

11.6粒子磁矩定理Ⅲ

〖粒子磁矩定理Ⅲ〗：任何粒子（同上）不管公轉(zhuǎn)還是自旋（旋轉(zhuǎn)軸須平行），其磁矩在磁場中進(jìn)動角頻ω與粒子磁矩μ成正比，與外加磁場強(qiáng)度H成正比，與粒子角動量L成反比。其比例為常數(shù)。

若用符號Kφ表示這個常數(shù)，那么有：

Kφ＝1.0011596――――――――――――(45)

研究表明，Kφ為物質(zhì)與物質(zhì)場相互作用常數(shù)，并且這是所有粒子（含天體）的共性問題，絕非任何粒子（例如電子）所特有。任何粒子，無例外，都不具反常磁矩內(nèi)稟屬性，以下給出完全的證明。

研究還表明，理論表達(dá)式即（43）、（44）式具有普遍意義，對所有粒子（含天體）任何情況（公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)）都準(zhǔn)確適用。并都將得到與實(shí)驗(yàn)完全相符的結(jié)果。

這一事實(shí)完全表明：

第一，粒子磁矩問題是共性問題。

第二，粒子磁矩問題確系經(jīng)典問題。這表明〖粒子磁矩定理Ⅰ〗成立（以下還將證明）。

11.7電子及其磁矩

作為物理學(xué)者，在將（34）式變?yōu)椋?8）式時不應(yīng)忘記兩件事：

11.7.1物理學(xué)者不應(yīng)忘記第一件事

第一件事：由于混淆并（偷）更換常數(shù)?物理概念的結(jié)果，使得（38）式具有了完全特殊的意義。在于，（38）式卻反映且唯能反映電子基態(tài)軌道磁矩真實(shí)情況。這是由于唯基態(tài)電子軌道運(yùn)動角動量為?，也方可與作為能量單位的?相消。這么做的結(jié)果，使得磁矩實(shí)驗(yàn)只能直接測得電子基態(tài)軌道運(yùn)動真實(shí)磁矩，且在數(shù)值上等于玻爾磁子μB：

μB＝ωe·?/ge·H――――――――――（46）

需指出，這是所有磁矩進(jìn)動試驗(yàn)所能測得的唯一真實(shí)磁矩。除此之外任何粒子任何情況（公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)）的真實(shí)磁矩都不可能由磁矩進(jìn)動實(shí)驗(yàn)直接得出（只要建立經(jīng)典模型立即可證）！

（46）式也可由（34）式直接導(dǎo)出，但物理意義完全不同：在（34）式中，μB系作為磁矩的單位出現(xiàn)，為常數(shù)，?則作為能量的單位出現(xiàn)；而（46）式中μB則是電子基態(tài)軌道真實(shí)磁矩，而?為電子基態(tài)軌道運(yùn)動真實(shí)角動量。

11.7.2電子快報

電子快報：

研究表明，（46）式又有引伸的重要物理意義（可謂物理學(xué)今古奇觀）：在于由電子自旋的實(shí)驗(yàn)竟然得出電子軌道運(yùn)動的真實(shí)磁矩μB；反而無論如何也不能直接測得電子的自旋真實(shí)磁矩。就是說，將電子自旋試驗(yàn)參數(shù)（自旋進(jìn)動角頻ωe、自旋試驗(yàn)場強(qiáng)H、自旋因子ge）代入（46）式，居然得出電子基態(tài)軌道運(yùn)動真實(shí)磁矩μB！并且計算也表明，對其它軌道磁矩（38）式也適用。這便是值得物理學(xué)家注意的"電子快報"！于是有：

11.7.3電子磁矩問題的表達(dá)通式

因此，可以構(gòu)造電子磁矩問題的表達(dá)通式：

μe＝ωe·Le／ge·H――――――――（47）

式中μe既表示電子的自旋磁矩，也表示軌道磁矩，Le則為對應(yīng)的角動量。

11.7.4電子磁矩問題表達(dá)通式的應(yīng)用

例一：用電子磁矩表達(dá)通式即（47）式求解電子軌道角動量為L2＝2?時的軌道磁矩μ2

解：將L2＝2?代入（47）式有：

μ2＝ωeLe／geH＝ωeL2／geH＝ωe·2?／geH＝2（ωe?／geH）

＝2μB（正確）

研究表明，對電子自旋（47）式當(dāng)然成立，因?yàn)椋?4）～（38）式是系由自旋試驗(yàn)而來。只要將電子自旋真實(shí)角動量代入（47）式便得電子自旋真實(shí)磁矩（以下給出結(jié)果）。

11.7.5莊嚴(yán)事實(shí)

莊嚴(yán)事實(shí)：

由電子自旋試驗(yàn)得到的結(jié)果即（38）式，卻完全適用于電子任何情況（包括自旋各種狀態(tài)，也包括軌道公轉(zhuǎn)各種情況）。這已充分證明〖粒子磁矩定理Ⅲ〗成立，同時證明〖粒子磁矩定理Ⅰ〗也成立。如果電子不是經(jīng)典粒子，（47）式絕不會成立。

11.7.6一條真理

一條真理：

上述莊嚴(yán)事實(shí)展示一條真理，即下式成立：

ω自／ω公＝ωe／ωB1――――――（48）

式中用ω自表示電子自旋磁矩進(jìn)動角頻，亦即ωe；而ω公表示電子軌道磁矩進(jìn)動角頻，亦即ωB。研究表明這是〖粒子磁矩定理Ⅲ〗及〖粒子磁矩定理Ⅰ〗的必然結(jié)果！以下還將對(48)式進(jìn)一步證明。

這種結(jié)果，唯一表明電子純系經(jīng)典粒子，因?yàn)橹挥薪?jīng)典的荷電粒子模型（并且荷質(zhì)比均勻）才有（48）式結(jié)果（只要建立經(jīng)典模型立即可證，略）。

11.7.7量子力學(xué)錯誤結(jié)果

然而，量子力學(xué)卻得出與（48）式相悖的錯誤結(jié)果：

ωe／ωB＝μe／μB＝ge＝1.0011596―――（49）

顯然，量子力學(xué)完全不知常數(shù)ge的真實(shí)物理意義。更不知：〖粒子磁矩定理Ⅱ〗已無余地地指出，任何磁矩進(jìn)動試驗(yàn)都不可能直接測得任何粒子的真實(shí)磁矩！然而，量子力學(xué)卻直接得出（42）、（49）式結(jié)果。所以這種結(jié)果必不真實(shí)，嚴(yán)重有詐！也顯然，這種結(jié)果純系根據(jù)實(shí)驗(yàn)比值瞎子摸象。又美其名曰"符合"試驗(yàn)，多荒唐！

11.7.8物理學(xué)者不應(yīng)忘記第二件事--荷質(zhì)比均勻問題

第二件事：電子（作為粒子）自身內(nèi)部結(jié)構(gòu)各點(diǎn)微荷質(zhì)比是否均勻？如果微荷質(zhì)比均勻，則（34）～（38）式均成立，反之都不成立。

這問題，只要建立經(jīng)典模型立即可證（略）。同樣可證明，如果粒子內(nèi)部微荷質(zhì)比不均勻?qū)壍拦D(zhuǎn)磁矩影響甚微，可忽略；但對自旋磁矩影響顯著，不可忽視（研究表明質(zhì)子和中子正是這種情況）。然而，量子力學(xué)一律忽視！

以下對荷質(zhì)比作定量討論，需要定義。

微荷質(zhì)比的定義：將粒子內(nèi)部結(jié)構(gòu)各點(diǎn)的真實(shí)荷質(zhì)比定義為微荷質(zhì)比，用符號q／m表之。

那么，如果粒子自身內(nèi)部結(jié)構(gòu)各點(diǎn)微荷質(zhì)比點(diǎn)點(diǎn)相同，即：

q／m＝常數(shù)―――――――――――（50）

則被定義為：粒子自身內(nèi)部結(jié)構(gòu)荷質(zhì)比均勻。

否則謂荷質(zhì)比不均勻。

顯然，此類問題量子力學(xué)顯得力所不及。但值得慶幸的是，對電子來說大量研究表明（50）式準(zhǔn)確成立。也正因如此，才允許（否則不允許）進(jìn)行（35）～（38）式變換，才有（48）式結(jié)果。否則（48）式不會成立，也不會有（47）是正確結(jié)果。

此外，本文應(yīng)用普適方程已準(zhǔn)確推出電子自身內(nèi)部結(jié)構(gòu)（繁瑣，略），這種結(jié)構(gòu)也準(zhǔn)確表明電子內(nèi)部結(jié)構(gòu)各點(diǎn)微荷質(zhì)比點(diǎn)點(diǎn)相同。且有：

q／m＝常數(shù)＝e／me―――――――（51）

那么，以下〖粒子磁矩定理Ⅳ〗給（48）式以嚴(yán)格證明。

11.8粒子磁矩定理Ⅳ

〖粒子磁矩定理Ⅳ〗：任何粒子（同上）只要是經(jīng)典的，如果（50）式成立，不管公轉(zhuǎn)還是自旋下式總成立：

ω1/ω2＝q1／m1÷q2／m2－―――――（52）

式中q1／m1、q2／m2分別表示兩種情況下的粒子平均荷質(zhì)比；ω1、ω2分別表示兩種情況下磁矩進(jìn)動角頻；下表"1"、"2"表示兩種情況：其中包括兩種粒子情況m1、m2，或者兩種電荷q1、q2情況，或者表示同一粒子兩種試驗(yàn)條件，或者表示自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)兩種情況。

這表明（52）式的廣泛適應(yīng)性。它也表明粒子磁矩問題的共性，同時也表明離子磁矩問題的經(jīng)典性。

只要建立經(jīng)典模型，〖粒子磁矩定理Ⅳ〗立即可證（略）。需指出，〖粒子磁矩定理Ⅳ〗既可由理論表達(dá)式推導(dǎo)證明（略），也可由實(shí)驗(yàn)表達(dá)式推導(dǎo)（略）。

那么，將（52）式應(yīng)用于電子的自旋與公轉(zhuǎn)兩種情況，則有：

ω1／ω2＝ω自／ω公＝ωe／ωB

＝q1／m1÷q2／m2――――――（53）

式中下標(biāo)"1"表示電子自旋情況，下標(biāo)"2"表示電子公轉(zhuǎn)情況。于是：

q1／m1q2／m2e／me

那么有：ω自／ω公ωe／ωB1―――――――（54）

這表明（48）式成立，亦即表明電子自身內(nèi)部荷質(zhì)比均勻。

這再一次證明了電子問題的經(jīng)典性質(zhì)。如果電子不是經(jīng)典粒子（54）式絕不成立。

至此，上述四條磁矩定理嚴(yán)格證畢。

那么，這就在事實(shí)上徹底打破了《量子力學(xué)》關(guān)于電子理論問題的神話--鬼話。

并且至此，已完全、充分、確切地證明了量子力學(xué)純系偽科學(xué)（非任何偏見）。在哲學(xué)及物理學(xué)意義上說，此結(jié)論都嚴(yán)格準(zhǔn)確。

11.9粒子磁矩理論表達(dá)式的應(yīng)用

11.9.1用理論表達(dá)式計算電子軌道磁矩

例二，應(yīng)用粒子磁矩理論表達(dá)式即（43）式求解電子基態(tài)軌道運(yùn)動角動量為L1＝?時的軌道磁矩μB

解：由（43）及（54）式得

Kφ＝ωBL1／μBH＝ωe?/μBH――――（55）

那么μB＝ωe?/KφH―――――――――――（56）

式中Kφ＝ge（數(shù)值相等但物理意義不同）。顯然，該式與（46）式等價。所以（56）式結(jié)果正確。這表明本文磁矩理論表達(dá)式正確成立。

也顯然，對于其它軌道磁矩理論表達(dá)式都成立（略）。

那么，（55）式是一個很有用的式子，他好比粒子磁矩問題杠桿，由它可導(dǎo)出所有粒子所有情況（公轉(zhuǎn)和自傳）的真實(shí)磁矩。

11.9.2用理論表達(dá)式計算電子自旋真實(shí)磁矩

例三，用粒子磁矩理論表達(dá)式求解電子自旋真實(shí)磁矩:μe

解：將磁矩理論表達(dá)式用于電子自旋則有

Kφ＝ωeLe/μeH―――――――――――（57）

聯(lián)立（55）、（57）二式則有

μe＝（ωeLe／ωB?）μB――――――（58）

由〖粒子磁矩定理Ⅳ〗及（48）式知：ωe＝ωB，故有：

μe＝（Le／?）μB―――――――――――（59）

只要將電子真實(shí)自旋角動量：Le

Le＝(1/401.16764)?―――――――――（60）

（這是本文大量研究結(jié)果，推導(dǎo)繁瑣，略）代入（59）式便得電子自旋真實(shí)磁矩：μe

μe＝(1/401.16764)μB――――――――（61）

可有人不敢相信這(61)式結(jié)果。但是，（59）式必正確！

那么，為何量子力學(xué)猜測電子自旋量為（1/2）?，又能與實(shí)驗(yàn)"相符"呢？這是由于磁矩實(shí)驗(yàn)表達(dá)式即（34）～（38）式與電子真實(shí)角動量無關(guān)，不管電子真實(shí)角動量是多少，（34）與（38）二式總自洽成立。因此，量子力學(xué)詭稱符合實(shí)驗(yàn)，實(shí)屬欺詐！

下面考察質(zhì)子。

11.10質(zhì)子及其真實(shí)磁矩

考察質(zhì)子磁矩立刻出現(xiàn)困難：卻乏質(zhì)子有關(guān)數(shù)據(jù)。

11.10.1質(zhì)子結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)

不過不要緊，本文大量研究已經(jīng)給出質(zhì)子自身結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確描述，并在幾方面都與實(shí)驗(yàn)完全相符。這種描述給出如下兩個重要結(jié)果：

第一，質(zhì)子自旋真實(shí)角動量以LP表示,則為：

LP＝h＝2π?＝6.6260755×10－27(爾格妙)―――（62）

第二，質(zhì)子自旋理論半徑以rP表示，則為：

rP＝1.324100×10－13（cm）――――――（63）

這兩項(xiàng)結(jié)果推導(dǎo)繁瑣，但以下仍將給出出其不意令人嘆為觀止的證明。

仿照電子，對質(zhì)子做如下計算：

EP＝n2LP2/2mPrP2＝n2h2/2mPrP2―――（64）

式中mP為質(zhì)子質(zhì)量，n為量子數(shù)。將（63）、（62）式代入得：

EP＝n2×7.5163935×10－4（爾格）――――（65）

注意：式中數(shù)字恰為質(zhì)子自旋動能，現(xiàn)以符號TP1表示：

TP1＝（1/2）mP·C2

＝7.5163935×10－4（爾格）――――――（66）

那么，據(jù)潛動能定理，質(zhì)子必有潛動能，以TP2表示：

TP2＝TP1＝（1/2）mP·C2

＝7.5163935×10－4(爾格)―――（67）

那么，質(zhì)子必有全動能以EPm表示：

EPm＝TP1＋TP2＝mP·C2

＝1.5032787×10－3（爾格）―――――（68）

這就是聞名遐邇的愛因斯坦"質(zhì)能關(guān)系"式：

E＝mC2――――――――――――――――（69）

這表明質(zhì)子自旋速度恰為光速C，那么質(zhì)子自旋角動量若以符號LP表示必為：

LP＝mP·C·rP＝6.6260755×10－27(爾格妙)

＝h＝2π?―――――――――――――（70）

如上計算表明，（63）、（62）二式必需同時成立。如果LP、rP中一項(xiàng)不成立，則上述計算都不成立。這可謂對質(zhì)子結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)初步證明，以下還將證明。

11.10.2質(zhì)子世界

注意，（64）式有著極為豐富的物理內(nèi)容?，F(xiàn)將其變化如下

E＝n2h2/2mPr2――――――――――――（71）

這就是質(zhì)子輻射能場準(zhǔn)確數(shù)學(xué)表達(dá)式，式中r＝rP∞為距離，E的量綱為能量，但其數(shù)值為在r處單位面積上的能量，即能場強(qiáng)度。當(dāng)距離從∞收縮至rP時，能量E恰為EP即（65）式，且此時質(zhì)能關(guān)系式E＝mC2成立。這說明質(zhì)子活動（自旋）范圍為rP（自旋半徑），亦即（63）式成立。

上述可見，質(zhì)子世界的（作用）范圍為r＝0∞。其中0rP為質(zhì)子內(nèi)部結(jié)構(gòu)世界，而rP∞為質(zhì)子（或原子核）的外部作用世界。

11.10.3量子化的根源

注意，（64）式及（71）式能量都是量子化的，并且，這就是世界量子化的真實(shí)根源！這是質(zhì)子（原子核）的內(nèi)稟屬性。也并且，原子核（質(zhì)子）以此嚴(yán)格規(guī)定并支配著所有外部世界：核外所有電子、原子、分子、晶體、固體、液體、氣體、天體、宇宙的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，以及宇宙的歷程。這些也都是大自然內(nèi)在本質(zhì)規(guī)律。

11.10.4質(zhì)子與普適常數(shù)

根據(jù)經(jīng)典物理，現(xiàn)將質(zhì)子電荷庫侖自舉能用Epe表示，則：

Epe＝e2/2rP＝8.7296129×10－7（爾格）―――（72）

那么有：

EPm／Epe＝1722.0451＝Φ―――――――（73）

這也就是正文中的普適常數(shù)Φ之值，參見（15）式。式中EPm為質(zhì)子全動能，即（68）式?？梢?，普適常數(shù)Φ還嚴(yán)格規(guī)定著質(zhì)子。

注意：（15）式與（73）式是完全不同的計算，然而竟得出完全相同的結(jié)果，即普適常數(shù)Φ之值。這種令人嘆為觀止的結(jié)果，已完全表明本文對質(zhì)子的計算無誤。以上質(zhì)子數(shù)據(jù)都成立。

11.10.5質(zhì)子與反常磁矩

作如下計算：

（TP1＋TP2）／TP1＝1.0011614――――――（74）

這就是試驗(yàn)測得的"反常磁矩值"。注意文獻(xiàn)［10］介紹："試驗(yàn)測得電子反常磁矩值為1.0011609(±0.0000024)"。

再做如下計算：

1＋1÷（Φ/2）＝1＋2/Φ＝1.0011614―――（75）

這就是普適常數(shù)Φ與反常磁矩的關(guān)系。

上述計算已經(jīng)表明：

第一，謂反常磁矩值并非為電子所特有，而是物質(zhì)間相互作用常數(shù)，為任何粒子（包括天體）所共有。

第二，本文關(guān)于質(zhì)子結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的計算準(zhǔn)確無誤。

11.10.6質(zhì)子的真實(shí)磁矩

有了上述準(zhǔn)備，現(xiàn)在繼續(xù)考察質(zhì)子磁矩。但又出現(xiàn)困難：質(zhì)子內(nèi)部結(jié)構(gòu)微荷質(zhì)比是否均勻？不過不要緊：可以先假定其荷質(zhì)比均勻，然后在研究處理。

那么，如果質(zhì)子荷質(zhì)比均勻，亦即假定（50）式對質(zhì)子成立，就可將〖粒子磁矩定理Ⅳ〗應(yīng)用于質(zhì)子和電子兩種粒子。必有：

ω1／ω2＝ωe／ωP＝q1／m1÷q2／m2＝e／me÷e／mP

＝mP／me―――――――――――（76）

式中用下標(biāo)"1"表示電子，下標(biāo)"2"表示質(zhì)子，所以有：

ωe／ωP＝mP／me―――――――――――（77）

該式右端為質(zhì)子與電子的質(zhì)量之比，為：

mP／me＝1836.1528―――――――――――（78）

而（77）式左端，實(shí)驗(yàn)（文獻(xiàn)[12]）已經(jīng)測得：

ωe/ωP＝658.210688―――――――――（79）

然而，量子力學(xué)（文獻(xiàn)［12］）錯誤地推薦此值為：

ωe／ωP＝μe／μP＝658.210688―――――（80）

顯然，這是錯誤結(jié)果：第一因?yàn)?，上述〖粒子磁矩定理Ⅱ〗已無余地地指出，任何磁矩進(jìn)動實(shí)驗(yàn)都不可能直接測得任何粒子的真實(shí)磁矩；第二因?yàn)?，試?yàn)實(shí)際測得的數(shù)據(jù)是ω而不μ，

這表明（79）式正確無誤，而（80）式錯誤。

回頭再看，（77）式并不成立！究其原因恰在于：假設(shè)不合理。原來質(zhì)子自身結(jié)構(gòu)荷質(zhì)比并不均勻！然而，不均勻程度如何？需作如下計算：

mP／me÷ωe/ωP＝1836.1528/658.201688

＝2.7896125――――（81）

注意：這就是質(zhì)子內(nèi)部結(jié)構(gòu)荷質(zhì)比不均勻程度。因?yàn)槿绻少|(zhì)比均勻，（77）式必成立（據(jù)磁矩定理Ⅳ）！而事實(shí)不成立，恰在于質(zhì)子的荷質(zhì)比不均勻（唯一原因）。故，（81）式準(zhǔn)確表征質(zhì)子荷質(zhì)比不均勻程度。

若以符號gP表示質(zhì)子荷質(zhì)比不均勻因子（即不均程度），則有：

gP＝mP／me÷ωe/ωP＝2.7896125――――（82）

大量研究表明，此種關(guān)系對任何粒子都準(zhǔn)確成立。

于是粒子荷質(zhì)比不均因子（以符號g表示）的表達(dá)通式為：

g＝m／me÷ωe/ω―――――――――――（83）

顯然，這里的荷質(zhì)不均因子與教科書中（文獻(xiàn)［4］）朗德因子數(shù)值相近，但物理意義完全不同。若以符號g''''表示朗德因子，則有：

Kφ＝g''''／g＝1.0011596――――――――（84）

研究表明，（84）式對所有粒子都準(zhǔn)確成立。那么，對質(zhì)子則有：

Kφ＝gP''''/gP＝2.79284386/2.7896125

＝1.0011596――――――（85）

看！質(zhì)子也有了"反常磁矩值"：1.0011596。這種計算，再次打破了量子力學(xué)關(guān)于電子的神話--鬼話。

所以研究表明，Kφ＝1.0011596為物質(zhì)與物質(zhì)場相互作用常數(shù)（參見〖粒子磁矩定理Ⅲ〗），為任何粒子（包括天體）所共有。并不為電子所特有，因而不能表征磁矩"反常"。

那么，將磁矩理論表達(dá)式，即（43）式用于質(zhì)子：

Kφ＝ωP·LP/μP·H―――――――――（86）

聯(lián)立（55）、（86）二式有：

μP＝（ωP·LP／ωe·?）μB―――――――（87）

將（70）、（79）二式代入得；

μP＝(2π／658.210688)μB

＝8.8528430×10－23（爾格／高斯）―――（88）

這就是質(zhì)子自旋真實(shí)磁矩！這是質(zhì)子磁矩的第一種算法。用這種算法可以算得任何粒子的真實(shí)磁矩，下面介紹另種算法。

11.11粒子磁矩另一種算法

大量研究，下面給出粒子磁矩另種算法表達(dá)通式：

μ＝g·γ·L――――――――――――――（89）

研究表明，該式對所有粒子的磁矩都準(zhǔn)確適用。雖然教科書中也有一模一樣的公式，但物理意義大相徑庭！

這里，L為粒子真實(shí)角動量；γ為所謂的回旋比，但對荷質(zhì)比不均勻的粒子，γ已不再能表征真實(shí)回旋比，而只能表征平均荷質(zhì)比概念；g則為荷質(zhì)比不均因子，它表征粒子內(nèi)部荷質(zhì)比不均勻程度，為無量綱常數(shù)，可由實(shí)驗(yàn)測定，也可理論推導(dǎo)。并且有：

gg''''/Kφ―――――――――――――――（90）

式中g(shù)''''為教科書中的"朗德因子"。研究表明（89）、（90）二式對任何粒子（含天體），不管公轉(zhuǎn)還是自轉(zhuǎn)都嚴(yán)格成立。

11.11.1電子磁矩另一種算法

對于電子，（90）式變?yōu)椋?/p>

ge＝ge''''/Kφ＝1.0011596/1.00115961―――（91）

這里，電子的ge1，表征電子內(nèi)部結(jié)構(gòu)各點(diǎn)荷質(zhì)比絕對均勻。并再次證明電子確系經(jīng)典粒子。那么，以上所有計算均有效！

11.11.2用另種算法計算電子軌道磁矩

例四，用（89）式求解電子軌道角動量為L3＝3?時的軌道磁矩μ3

解：對于電子，ge1，γe＝e／（2meC），并將L3＝3?代入（89）式有

μ3＝（e／2meC）×3?＝3μB(正確)

11.11.3用另種算法計算電子自旋磁矩

例五，用（89）式求解電子自旋磁矩:μe

解:對于電子,ge1，γe＝e／（2meC），代入（89）式得

μe＝（e／2meC）Le＝（Le／?）μB―――（92）

此結(jié)果與（59）式全同，正確。

11.11.4質(zhì)子和中子磁矩的另種算法略……

11.12結(jié)語

綜上述可見：

第一，Ⅳ條〖磁矩定理〗完全是經(jīng)典的。

第二，電子、質(zhì)子、中子完全遵從Ⅳ條〖磁矩定理〗，這已無可辯駁地證明：電子、質(zhì)子、中子完全是經(jīng)典粒子。《量子力學(xué)》純屬主觀臆造！

第三，本文《物理學(xué)正論》成立。

參考文獻(xiàn)

[1]理論物理《量子力學(xué)》-----------吳大猷著（臺灣）

[2]《物理量和天體物理量》-----------艾倫著（英）

[3]《關(guān)于氦原子的計算》-----------黃崇圣著（成都科技大學(xué)學(xué)報1980.6）

[4]《原子物理學(xué)》----------------諸圣麟著

[5]《氦原子光譜，兼談原子結(jié)構(gòu)》-----朱正擁著（鐵嶺師專學(xué)報1986.4）

[6]《18個元素的原子結(jié)構(gòu)計算》------張奎元著（鐵嶺衛(wèi)校?？?988.1）

[7]《36個元素的原子結(jié)構(gòu)計算》------陶寶元著（鐵嶺教育學(xué)院院刊1989.1-2）

[8]《物理學(xué)》(教材)---------------復(fù)旦大學(xué)編

[9]《電動力學(xué)》------------------郭碩鴻著

[10]《物理大辭典》-----------------臺灣版

篇5

量子力學(xué)完美地解釋了在各種尺度之下物質(zhì)的行為，在所有物質(zhì)科學(xué)中是最成功的理論，但也是最詭異的理論。

在量子領(lǐng)域里，粒子似乎可以同時出現(xiàn)在兩個地方，信息傳遞速度可以比光速快，而貓可以同時既是死的又是活的！物理學(xué)家已經(jīng)對這些量子世界中吊詭的事情困惑了90年，但他們現(xiàn)在還是一籌莫展。當(dāng)演化論和宇宙論已經(jīng)成為一般知識時，量子理論仍然讓人認(rèn)為是奇特的異常事物；盡管在設(shè)計電子產(chǎn)品時，它是很棒的操作手冊，此外就沒什么用處了。由于人們對于量子理論的意義有著深度混淆，便繼續(xù)加深一種印象：量子理論想急切傳達(dá)的深奧道理，與日常生活無關(guān)，而且因?yàn)檫^于怪異，以至于一點(diǎn)也不重要。

在2001年，有個研究團(tuán)隊(duì)開始發(fā)展一種模型，或許可以去除量子物理的吊詭之處，至少也會讓這些吊詭不那么令人不安。這個模型被稱為量子貝氏主義，它重新思考波函數(shù)的意義。

在正統(tǒng)量子理論中，一個物體（例如電子）可用波函數(shù)來表示，也就是說波函數(shù)是一種用來描述物體性質(zhì)的數(shù)學(xué)式子。如果你想預(yù)測電子的行為，只需推導(dǎo)出它的波函數(shù)如何隨時間變化，計算的結(jié)果可以給你電子具有某種性質(zhì)（例如電子位于某處）的概率。但是如果物理學(xué)家進(jìn)一步假設(shè)波函數(shù)是真實(shí)的事物，麻煩就來了。

量子貝氏主義結(jié)合了量子理論與概率理論，認(rèn)為波函數(shù)不是客觀實(shí)在的事物；反之，它主張把波函數(shù)作為使用手冊，是觀察者對于周遭（量子）世界做出適當(dāng)判斷的數(shù)學(xué)工具。明確一點(diǎn)講，觀察者了解一件事：自己的行為與抉擇會無可避免地以無法預(yù)測的方式影響被觀測系統(tǒng)，因此用波函數(shù)來指明自己判斷量子系統(tǒng)具有某種特定性質(zhì)的概率大小。另一個觀察者也用波函數(shù)來描述他所看到的世界，對于同一量子系統(tǒng)而言，可能會得到完全不同的結(jié)論。觀察者的人數(shù)有多少，一個系統(tǒng)（一個事件）可能擁有不同的波函數(shù)就有多少。在觀察者相互溝通、并且修正了各自的波函數(shù)以涵蓋新得到的知識之后，一個有條理的世界觀就浮現(xiàn)了。

最近才轉(zhuǎn)而接受量子貝氏主義的美國康奈爾大學(xué)理論物理學(xué)家摩明這么說：“在此觀點(diǎn)之下，波函數(shù)或許是‘我們所發(fā)現(xiàn)最有威力的抽象概念’?！?/p>

波函數(shù)不是真實(shí)的事物，這種想法早在20世紀(jì)30年代就出現(xiàn)了，那時量子力學(xué)創(chuàng)建者之一的尼爾斯·波爾在其文章中已經(jīng)這么說。他認(rèn)為量子理論僅僅是計算工具，即量子論只是“純符號性”的架構(gòu)而已，而波函數(shù)是工具的一部分。量子貝氏主義是第一個為波耳的主張找到數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的模型，它把量子理論與貝氏統(tǒng)計結(jié)合起來。貝氏統(tǒng)計是一門有200年歷史的統(tǒng)計學(xué)，這門學(xué)問把“概率”定義成某種類似“主觀信念”的事物。一旦新信息出現(xiàn)，我們的主觀信念也必須跟著更新。針對如何更新，貝氏統(tǒng)計定下了明確的數(shù)學(xué)規(guī)則。量子貝氏主義把波函數(shù)解釋成一種會依據(jù)貝氏統(tǒng)計規(guī)則來更新的主觀信念，如此一來，量子貝氏主義的鼓吹者相信神秘的量子力學(xué)吊詭就消失了。

以電子為例，每當(dāng)我們偵測到一個電子，就會發(fā)現(xiàn)它一定是位于某個位置；但是當(dāng)我們不去看它，則電子的波函數(shù)可能是散開的，代表了電子在某一時刻處于不同地方的可能性；如果我們再去看它，又會看到電子出現(xiàn)在某一個位置。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)說法，觀測促使波函數(shù)在一瞬間“崩陷”而集中于某一個位置之上。

空間各處的崩陷發(fā)生于同一時刻，這種情形似乎違背了“局域性原理”（即物體的任何改變一定是由其附近的另一物體所引起的），如此一來就會引發(fā)一些如愛因斯坦稱為“鬼魅般的超距作用”的困惑。

量子力學(xué)一誕生，物理學(xué)家就知道“波函數(shù)的崩陷”是這個理論深深困擾人的一項(xiàng)特點(diǎn)。這個令人不安的謎促使物理學(xué)家發(fā)展出各種量子力學(xué)的詮釋，但是都沒能完全成功。

然而量子貝氏主義說量子力學(xué)根本沒有任何詭異之處。波函數(shù)崩陷只是表示觀察者依據(jù)新信息，忽然且不連續(xù)地更新了他原先分配的概率，就好像醫(yī)生依據(jù)新的計算機(jī)斷層掃描結(jié)果，而修正了對癌癥病人病況的判斷。量子系統(tǒng)并沒有經(jīng)歷什么奇怪、不可解釋的變化，改變的是（觀察者選用的）波函數(shù)，波函數(shù)呈現(xiàn)的是觀察者個人的期待。

篇6

英國《新科學(xué)家》雜志日前載文報道，曾號稱“牢不可破”的量子密碼，因其常用設(shè)備上的一個漏洞而存在信息被中途截取的可能，且截取過程可逃脫現(xiàn)有檢測技術(shù)。盡管科學(xué)家聲稱該漏洞并不嚴(yán)重，但至此，“絕對安全”這一概念，在密碼學(xué)領(lǐng)域終于又歸于理論。

古典密碼學(xué)：流淌的智慧之河

無論在現(xiàn)代還是古時，密碼學(xué)的體制都是明密變換的法則，指示該法則的參數(shù)，則為密鑰。一種說法認(rèn)為，世界上最早的密碼是希臘人發(fā)明的“棋盤密碼”，該密碼將26個字母置于5×5大小的棋盤方格里，字母i、j放在同一格，字母所在行與列的標(biāo)號就構(gòu)成了密文。

密碼器作為承載密碼學(xué)的工具，最早仍可追溯至古希臘。據(jù)記載，當(dāng)時的加密器械是將一張皮革螺旋纏繞在木棍上，沿木棍縱軸方向在帶子上寫好明文，解下來的皮革上就只呈現(xiàn)雜亂無章的密文字母。解密者需找到相同直徑的木棍（在戰(zhàn)時，通常由一根木棍截成兩段而來），再把皮革纏繞上去，沿木棍縱軸方向即可讀出有意義的明文。這也是原始的換位密碼術(shù)。

著名的“凱撒密碼”則是一種替換密碼術(shù)。據(jù)《高盧戰(zhàn)記》描述，凱撒曾經(jīng)將字母替換制成加密函。最初采取的方法是將英文字母按順序推后，因?yàn)橹挥?到25個位置的移位（即25個密鑰）可以使用，保密度其實(shí)很低。但如果打亂密碼表26個字母的順序，允許密碼表是明碼表的任意一種重排，密鑰就會陡增數(shù)倍。這對當(dāng)時的手工破譯者來講挑戰(zhàn)巨大。然而很快，破譯者發(fā)現(xiàn)了字母頻度的差異：英文中字母E的出現(xiàn)頻度最高，包含E的單詞THE亦經(jīng)常出現(xiàn)，進(jìn)而字母T與H可以確定下來……繁冗但有序地將密文攻解。

這種關(guān)于概率的定論在1969年幾乎被打破，作家喬治斯?佩雷克當(dāng)時撰寫了一本200頁的法文小說《逃亡》，其中未出現(xiàn)一個含E的單詞。劇作家吉爾伯特?阿代爾隨后將《逃亡》譯成英文版《真空》，居然也沒有一個字母E，古時的密碼學(xué)在現(xiàn)代小說家手里變成了文字游戲。

在《達(dá)?芬奇密碼》中，令人印象深刻的密碼筒可看作是文藝復(fù)興時期的密碼學(xué)杰作。其根據(jù)達(dá)?芬奇的日記復(fù)制而來，筒上有5個轉(zhuǎn)盤，每個轉(zhuǎn)盤上有26個字母，可作為密碼的排列組合多達(dá)11881376種，如強(qiáng)行打開，筒內(nèi)的醋液就會將保密信息溶解。但亦有人提出異議：達(dá)?芬奇的時代或許無法做到，但現(xiàn)代技術(shù)完全可以采用冷凝醋液的方式獲取密碼紙。

盡管糅合了邏輯學(xué)、數(shù)學(xué)、語法學(xué)甚至心理學(xué)的內(nèi)容，這些仍屬于形式古典、結(jié)構(gòu)簡單的編碼與破譯，它們在現(xiàn)時的意義，已更傾向于一種復(fù)古致趣的智力謎題。一直到手工操作逐漸被機(jī)器電子替代時，密碼學(xué)的加密解密方法才算真正進(jìn)入高峰，其所蘊(yùn)含的科技手段和所擔(dān)負(fù)的責(zé)任，才不再單純。

戰(zhàn)火時代：升級拉鋸戰(zhàn)

1918年，德國人生產(chǎn)了名為“謎”（ENIGMA）的轉(zhuǎn)輪密碼機(jī)，其加密方法是凱撒密碼延伸而來的“復(fù)式替換密碼”。1925年，德軍開始大規(guī)模配備“謎”式密碼機(jī)，通訊的保密性一時無兩。這是機(jī)械化編碼時代的第一步，且這一步踩得分外堅(jiān)實(shí)，“謎”式密碼機(jī)可不斷改變明文和密文的字母映射關(guān)系，以往逐個嘗試密鑰的暴力破譯法，幾乎不可能成功，致使德軍一度盲目自信到認(rèn)為其已接近了“絕對安全”。

破譯帶來的威脅是編碼技術(shù)進(jìn)步的唯一理由，反之亦然。為攻擊“謎”式密碼，波蘭數(shù)學(xué)三杰開發(fā)出“循環(huán)測定機(jī)”，將破譯工作由純手工轉(zhuǎn)為機(jī)器化操作；“謎”在此期間亦成功升級；但英國人工智能之父阿蘭?圖靈發(fā)明了實(shí)時破譯等級的“炸彈”(BOMBE)譯碼機(jī)。其運(yùn)算程度并不亞于真正的計算機(jī)，以機(jī)群的形式出現(xiàn)，十五臺一起在英國布萊德徹公園隆隆作響，采用1.5億種方法破譯德軍1720萬種組碼，曾風(fēng)光無邊的“謎”式密碼網(wǎng)絡(luò)轟然崩潰。這就是丘吉爾口中“不應(yīng)忘記的發(fā)生在公園里的事”。在以機(jī)器對抗機(jī)器的篇章里，我們并不認(rèn)為密碼僅服務(wù)于軍事，但軍事卻使密碼強(qiáng)度前所未有的迅猛發(fā)展。

1946年，戰(zhàn)火催生了另一個奇跡。當(dāng)時的美國軍方為計算炮彈彈道，要求賓州大學(xué)設(shè)計以真空管取代繼電器的電子數(shù)字積分計算機(jī)（ENIAC）。賓州大學(xué)最后交出了鼓舞人心的“作品”，新機(jī)器每秒可從事5000次的加法運(yùn)算，3秒鐘即能完成炮彈彈道計算。這是廣泛范圍認(rèn)可的世界上第一臺電子計算機(jī)，它對密碼的處理速度是手工計算的20萬倍、繼電器計算機(jī)的1000倍。不足的是，這家伙不僅長得不好看――其外觀纏滿電表、電線和指示燈，而且吃電太兇，每一開機(jī)，整個費(fèi)城西區(qū)的電燈都要暗一暗。

但從這時起，密碼有了不同的涵義。廣義上它仍然是對信息進(jìn)行保密的手段，但具體的應(yīng)用已不再局限于軍事斗爭和國家安全，數(shù)據(jù)信息簽名、安全認(rèn)證等領(lǐng)域都開始大規(guī)模啟用密碼技術(shù)?？杉用艿姆懂犜谥饾u擴(kuò)展，基于計算機(jī)技術(shù)的編碼與破譯之戰(zhàn)硝煙彌漫，解碼者有了新的名字，叫做“黑客”。電子時代的密碼作為一個隱匿的暗號，仍然保留著它古代的意義，但作為一個高技術(shù)的口令，卻是一片最前沿科學(xué)的應(yīng)用之地。

密碼由產(chǎn)生到進(jìn)入機(jī)械時代花費(fèi)了數(shù)百年，現(xiàn)如今每一天的進(jìn)步都會把前一天的技術(shù)踩得一文不值。過速發(fā)展的背后，危機(jī)也很快浮出水面：密碼強(qiáng)度越來越高，破譯時間卻在成倍縮短。從理論上來說，傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)計算加密方法都是可破譯的，再復(fù)雜的密鑰也存在其規(guī)律，會逐漸難以抗衡計算機(jī)的高運(yùn)算量。盡管還未出現(xiàn)，但量子計算機(jī)已成為世所公認(rèn)的傳統(tǒng)數(shù)學(xué)密碼的終結(jié)者。于是編碼人員開始將眼光放寬，利用物理學(xué)原理保護(hù)信息的概念曙光乍現(xiàn)。

量子密碼:“絕對安全”回歸?!

量子密碼的工作原理，來自于1989年IBM華生實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的傳統(tǒng)模式，其內(nèi)涵涉及量子理論及光子應(yīng)用的深刻知識，闡釋起來讓人一頭霧水。簡單描述它的行為，其實(shí)是一種基于單光子偏振態(tài)的通信。當(dāng)時，設(shè)定交換信息雙方為甲方“艾麗絲”和乙方“鮑勃”，監(jiān)聽者為第三方“伊夫”，這個慣例一直沿用至今。

在第一步的發(fā)送階段：艾麗絲發(fā)送給鮑勃一個鍵值，這個鍵值是在一個方向上傳輸?shù)墓庾恿?。但除了直線運(yùn)行外，光子流上的光子也會振動，如上、下，左、右，左上、右下等等。艾麗絲同時擁有一個偏光器，這是一個簡單過濾裝置，能允許四種振動方式的光子通過，艾麗絲可以選擇沿直線（上、下，左、右）或?qū)蔷€（左上、右下，右上、左下）進(jìn)行過濾。

第二步接受階段：當(dāng)鮑勃接受到光子時，他也選用直線或?qū)蔷€的偏光鏡來測量光子位。鮑勃會在非加密的情況下聯(lián)絡(luò)艾麗絲，告訴艾麗絲他是用哪種模式測量光子，但不會涉及位元。如他表明自己采用的是直線模式，但不會說是上、下還是左、右。艾麗絲則會指出哪些是正確的，鮑勃就可以拋棄錯誤偏光器的測量結(jié)果，鑰匙就此得出。

第三方伊夫當(dāng)然可以中途截取光子流，但量子不可克隆定理指出，不知道量子狀態(tài)的情況下復(fù)制單個量子是不可能的。且量子密碼術(shù)有入侵檢測系統(tǒng)，艾麗絲和鮑勃也會隨機(jī)選取鍵值的子集進(jìn)行比較，全部匹配才認(rèn)為沒有人監(jiān)聽，比較之后再拋棄子集，安全性不受影響。但伊夫不被發(fā)現(xiàn)幾率卻僅有萬億分之一。

由此一個隨機(jī)且安全的通信模式建立了。這是理論上無法破解的密碼，誠如牛津大學(xué)量子計算中心主任所言，人類對量子物理定律沒有影響力，只能去發(fā)現(xiàn)它、研究它、了解它，卻不能改變它。每當(dāng)一套量子密碼完成后，密碼設(shè)計者也無法進(jìn)行破壞，甚至量子計算機(jī)亦無能為力。

2008年10月16日，日本東芝公司研究人員改良了“雪崩光電二極管”的設(shè)置和結(jié)構(gòu)，降低了噪聲信號干擾，在量子密碼的通信中將密鑰的傳輸速度成功提高：20公里的實(shí)驗(yàn)場合中能達(dá)到每秒1.02兆比特，100公里距離能達(dá)到每秒10.1千比特，幾乎是原先世界最快速度的100倍。而繼偏振編碼之后，利用光子相位編碼的念頭在科學(xué)家腦海中形成，量子密碼所需的條件越來越寬松，保密性卻在鞏固。

這使人們一度看到了“絕對安全”時代的曙光，華盛頓的白宮和五角大樓，包括附近軍事地點(diǎn)、防御系統(tǒng)之間都有專用線路進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，除了軍方通信，各國銀行數(shù)據(jù)系統(tǒng)、政治選舉紛紛對其趨之若鶩，量子密碼術(shù)肩負(fù)的希望與責(zé)任，是任何精巧的數(shù)學(xué)密碼都無法比擬的。然而，這面盾牌真的固若金湯嗎？

量子對抗：言之尚早矣？

一直以來，量子密碼的技術(shù)瓶頸，體現(xiàn)在它對通信距離的限制和對環(huán)境的要求上――日本電氣公司的150公里傳送距離就已是一個紀(jì)錄了。這導(dǎo)致大多數(shù)的應(yīng)用被局限在實(shí)驗(yàn)室階段。但編碼者心中有一個期許：在量子計算機(jī)產(chǎn)生之前，在傳統(tǒng)數(shù)學(xué)密碼失效之前，將量子密碼投入到商業(yè)化和社會化操作階段，一切應(yīng)該只是時間問題。

然而這不僅是時間問題。密碼學(xué)的字典里本就不存在“絕對”：近期量子密碼漏洞的發(fā)現(xiàn)者是挪威科技大學(xué)的學(xué)者馬卡羅夫和他的同事，據(jù)發(fā)表的資料顯示，一個高亮度的閃光可以縮小光子計數(shù)器的靈敏度，進(jìn)而干擾檢測設(shè)備，因而在量子通信過程中，第三方有辦法竊取到正確的信息。

我們還是用那三人作例子：伊夫可在對鮑勃設(shè)備中四個檢測器發(fā)出激光脈沖的同時開始攻擊信號。隨后再針對其中一個檢測器發(fā)出第二次脈沖，這束脈沖將攜帶和系統(tǒng)完全相同的信號，而鮑勃的束流已分裂為四部分，沒有足夠功率來應(yīng)付。

這樣伊夫就能對艾麗絲的發(fā)送信息進(jìn)行和鮑勃相同的解碼，隨后艾麗絲指給鮑勃哪個光子解碼錯誤時，伊夫可通過竊聽推演出鑰匙。而且，由于發(fā)送了編碼序列完全相同的光子，伊夫可以做到不留下入侵痕跡。這個竊取過程聽起來干脆利落，但馬卡羅夫卻認(rèn)為，其并不算嚴(yán)重問題，保密方所要做的只是及時修正檢測器，彌補(bǔ)它的脆弱性。

這之前，2008年4月，瑞典林雪平大學(xué)學(xué)者拉森曾指出，由于量子通信是一個混合系統(tǒng)，在長時間工作后處理程序會極其復(fù)雜，以至于一般的安全系統(tǒng)無法運(yùn)作，會衍生出一些程序缺口。但拉森同時表示，經(jīng)由量子密碼傳送的資料仍是百分之百的安全，只需在認(rèn)證過程中追加一點(diǎn)步驟，就可以趨利避害。

4月份的發(fā)現(xiàn)暗示量子密碼的程序設(shè)計有點(diǎn)“過猶不及”，近期的報告則指出了量子密碼系統(tǒng)一個可供襲擊的弱點(diǎn)。以量子密碼的發(fā)展程度來講，第一個漏洞是可以一腳踢開的石子，還沒有大到需要彎下腰去搬走它；第二個漏洞或許可稱之為軟肋，但遠(yuǎn)不是“阿喀琉斯之踵”。確切地說，這些并不是量子密碼原理的不完滿，而是系統(tǒng)的不適應(yīng)。

我們很高興量子密碼這么厲害，但它畢竟不能脫離運(yùn)算系統(tǒng)而凌空的進(jìn)行通信，“艾麗絲”和“鮑勃”的接受、比較、確認(rèn)過程，是將程序分解后的步驟，在操作中，一切皆由計算機(jī)系統(tǒng)自動完成。而以實(shí)際應(yīng)用來說，一套原理的載體出現(xiàn)不適應(yīng)，和它本身存在缺陷沒什么兩樣。

況且，科學(xué)界已經(jīng)展示出了一種奇怪的態(tài)度：對量子密碼系統(tǒng)漏洞的寬容，對它存在問題指責(zé)的保守，對它的前景，卻自信的像當(dāng)年抱著“謎”式密碼機(jī)的德軍。

篇7

關(guān)鍵詞：計算；科學(xué)；計算機(jī)發(fā)展

一、計算的定義

了解一個事物，先從定義著手。籠統(tǒng)地說，所謂的計算，就是從一個符號串f 變換成另一個符號串g 。比方說， 從符號串2 + 3 變換成5， 就是一個簡單的加法計算。如果符號串f 是x2，而符號串g 是2x，從f 到g 的計算就是常見的微分。

算式計算是這樣，定理證明也不例外。如果 令f 表示一組公理和推導(dǎo)規(guī)則， 令g 是一個定理， 那么從f 到g 的一系列變換就是定理g的證明。由此可以得出推論， 文字的翻譯，也是一種變相的計算。比如說，如f代表英文句子， 而g 為y意思相等的中文句子， 那么從f 到g ，就是把英文翻譯成中文的過程。

不難發(fā)現(xiàn)，這些變換間的過程，就是我們常說的計算。在這個過程中，它們都有共同的特點(diǎn)，從己知符號（ 串） 開始，有序改變成符號（ 串） ， 經(jīng)過幾個步驟以后， 最終得到一個滿足預(yù)先規(guī)定的符號（ 串） 的變換過程。

如果從類型進(jìn)行， 計算主要有數(shù)值計算和符號推導(dǎo)這兩類。其中，數(shù)值計算包括實(shí)數(shù)和函數(shù)的加減乘除、開方運(yùn)算、方程的求解等情況。而符號推導(dǎo)則涵蓋了代數(shù)與各種函數(shù)的恒等式、幾何命題的證明等。

但是，有一定需要注意的是，無論是數(shù)值計算，抑或符號推導(dǎo)，二者之間在本質(zhì)上是等價的、對等的， 它們相輔相成，相得益彰， 可以實(shí)現(xiàn)相互轉(zhuǎn)化， 同時還具有共同的計算本質(zhì)。當(dāng)然，隨著科學(xué)不斷進(jìn)步發(fā)展，也許，不久的將來，還可能出現(xiàn)嶄新的的計算類型。

二、計算的歷史

人類文明，不斷發(fā)展進(jìn)步。在開始生產(chǎn)生活的遠(yuǎn)古時期，便與計算結(jié)下了不解之緣。為了更好讓計算服務(wù)生活，人們發(fā)揮自己的聰明才智，不斷探索計算的工具。因此，計算和計算工具是息息相關(guān)的，更是一脈相承的。

公元前5世紀(jì)的時候，炎黃子孫已經(jīng)學(xué)會用籌碼當(dāng)做日常工具。并在公元前3世紀(jì)普及下來，一直沿用了兩千多年。再后恚人們發(fā)明了算盤，更加便捷的為生活提供服務(wù)。在15世紀(jì)的時候，取代了算籌的地位，得到了大力推廣。經(jīng)過一代代人的智慧結(jié)晶，還羅列了很多算法口訣化，大大提高了計算速度。

三、計算系統(tǒng)的近代史

到了近代，隨著科學(xué)的不斷發(fā)展，大大提高了計算工具的發(fā)展速度和計算效率、早在1614年的時候，就已經(jīng)發(fā)明了對數(shù)，從此，乘除運(yùn)算，可以巧妙的轉(zhuǎn)化為加減運(yùn)算。在這個時候，發(fā)明設(shè)計了一個重要的計算輔助工具：對數(shù)計算尺。到了1620年，岡特最早利用對算計算尺來計算乘除，開創(chuàng)了計算的先河。

創(chuàng)意無極限，1642年，帕斯卡發(fā)明了加法器，1671年，萊布尼茨發(fā)明了手搖計算器，到了1850年，曼南在計算尺上嘗試裝上了光標(biāo)，此舉便捷高效，得到了科學(xué)工作者，尤其是工程技術(shù)專業(yè)人員的認(rèn)可和贊同。后來，機(jī)械式計算器通計算尺一同發(fā)明，并得到應(yīng)用，在計算工具的發(fā)展史上，具有里程碑的重要意義。

四、電動計算機(jī)問世

1834年，英國科學(xué)家巴蓓奇設(shè)計了一款完全由程序掌握控制的分析機(jī)，令人遺憾的是，由于當(dāng)時的機(jī)械技術(shù)能力有限，一些關(guān)鍵環(huán)節(jié)由于技術(shù)問題，最終成為泡影。雖然胎死腹中，但是，巴蓓奇的理念中，已經(jīng)涵蓋了現(xiàn)代計算的基本框架和中心思想。

隨著電力技術(shù)的不斷發(fā)展，在很長一段時間內(nèi)，電動式計算器，正在逐步取代人工式計算器。在1941年，德國科學(xué)家楚澤發(fā)明了繼電器，制造出世界上第一步過程控制計算器。至此，巴蓓奇在一百多年前的構(gòu)想，得以最終實(shí)施。

五、電子計算機(jī)改變了世界

20世紀(jì)初，電子管的出現(xiàn)，猶如一聲春雷，促使計算機(jī)的改革，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。在1946年，美利堅(jiān)合眾國的賓夕法尼亞大學(xué)與有關(guān)單位聯(lián)合在一起，支撐了第一臺電子計算機(jī)。隨著它的面世，人類的計算進(jìn)入了一個嶄新的時代。毫不夸張的說，電子計算機(jī)的出現(xiàn)，堪稱20世界最偉大、為實(shí)用、最具有歷史意義的重要發(fā)明之一。它的面世，當(dāng)仁不讓的摘走了最具影響力的現(xiàn)代工具的桂冠。

就在電子計算機(jī)飛速發(fā)展的時候， 因特爾公司的創(chuàng)始人戈登?摩爾高瞻遠(yuǎn)矚，對電子計算機(jī)產(chǎn)業(yè)所依賴的半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展作出大膽預(yù)測預(yù)： 今后，半導(dǎo)體芯片的集成度將每兩年翻一番。事實(shí)證明， 戈登?摩爾的預(yù)測完全正確。自2 0 世紀(jì)6 0 年代以后，半導(dǎo)體芯片的集成度和電子計算機(jī)的計算速度就呈現(xiàn)了飛速發(fā)展的模式，每18個月就要翻一番， 需求越來越多，成本卻越來越低。這種獨(dú)具特色的發(fā)展速度，就是有名的“摩爾定律”。

六、計算是否有極限

追求永無止境，電子計算機(jī)的發(fā)展也不例外。人類能不能把計算機(jī)的運(yùn)行速度再次提升？ 傳統(tǒng)計算機(jī)的計算能力何時才會到達(dá)極限？ 對于這個問題， 很多科學(xué)家在進(jìn)行嚴(yán)密、謹(jǐn)慎的討論后，最終給出的答案是否定。因?yàn)橛幸粋€不能忽視的問題擺在那里，如果計算機(jī)的計算能力無限飛躍， 把地球上全部的能量轉(zhuǎn)換為計算的結(jié)果，就會造成熵的降低。無限發(fā)展的運(yùn)動，在哲學(xué)界里，是被禁止的， 所以， 傳統(tǒng)電子計算機(jī)的計算能力，不可能永遠(yuǎn)前進(jìn)，必須要有一個屬于計算機(jī)自身的必上限。

對于計算機(jī)的上限問題，無數(shù)哲學(xué)家和科學(xué)家的觀點(diǎn)出奇的一致。他們認(rèn)為：最多到21世紀(jì)30年代，摩爾定律將不再適用郁計算機(jī)的發(fā)展。到那個時候，計算機(jī)將達(dá)到自身的歷史峰值，并逐步走下神壇。

哈佛大學(xué)終身教授、著名科學(xué)家威爾遜教授曾經(jīng)說過： “我們所追尋的科學(xué)，始終代表著一個時代最大膽、最瘋狂的猜想。盡管它純粹是人為的，但我們有理由相信， 通過追尋“夢想，發(fā)現(xiàn)，解釋，夢想”的不斷循環(huán)， 我們完全可以開拓一個個全新的領(lǐng)域， 世界在大家的共同努力下，最終會變得更加清晰， 我們最終會探索到宇宙的奧秘。所有的美妙，都有存在的目的和意義?！?/p>

七、難以求解的量子計算系統(tǒng)

20世紀(jì)80年代，量子計算初具規(guī)模。著名物理學(xué)家費(fèi)曼在進(jìn)行計算試驗(yàn)的時候，嘗試用傳統(tǒng)的電子計算機(jī)，去模擬量子力學(xué)。在實(shí)驗(yàn)的過程中，費(fèi)曼遇到一個問題：量子力學(xué)系統(tǒng)的行為。通常是難以理解，也是難以求解。

比如，以光的干涉現(xiàn)象為例，在這個干涉過程中，每增加一個相互作用的光子， 有可能產(chǎn)生的狀況就會多出翻一番，問題的規(guī)模會呈指數(shù)級增加。當(dāng)然，模擬光子的實(shí)驗(yàn)，所需的計算量實(shí)在太大了，一般人很難堅(jiān)持下去。可惜，它遇到的是執(zhí)著的費(fèi)曼， 在他眼里，眼前的困難，正好提供一個鉆研的契機(jī)。費(fèi)曼一直認(rèn)為， 量子力學(xué)系統(tǒng)的行為，自身具備良好的可預(yù)測性： 在干涉實(shí)驗(yàn)中， 只要給定初始條件， 就可以推測出屏幕上影子的形狀。通過不斷的模擬實(shí)驗(yàn)，費(fèi)曼做出判斷：如果能夠算出干涉實(shí)驗(yàn)中發(fā)生的現(xiàn)象，就必須完成大量的計算， 那么只要搭建這樣一個實(shí)驗(yàn)， 就能測量其結(jié)果， 無形當(dāng)中，潛移默化的完成了一個復(fù)雜的計算。所以， 在計算機(jī)運(yùn)行的過程中， 只要讓它在真實(shí)的量子力學(xué)對象上完成實(shí)驗(yàn)， 并把實(shí)驗(yàn)結(jié)果整合到計算中來， 就可以獲得遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)計算機(jī)的運(yùn)算速度。

八、量子計算的革命性思考

回顧人類計算工具的發(fā)展歷程， 從最初的木棒、石塊到珠盤， 經(jīng)過電子管計算機(jī)、 晶體管計算機(jī)的演化，到現(xiàn)在的普及的電子計算機(jī)， 再進(jìn)化到到量子計算。筆者發(fā)現(xiàn)，當(dāng)中的進(jìn)化過程，就像浩瀚的人文明史，有很多值得深思的地方。

首先，遠(yuǎn)古時期，人們發(fā)現(xiàn)用石頭或者棍棒可以輔助計算， 開始摸索，嘗試。到后來，發(fā)明了算盤， 來提升人們的計算效率。后來，聰明的人類發(fā)現(xiàn)，不僅的雙人手可以撥弄“算珠”， 機(jī)器也可以用來讓“算珠”自主運(yùn)動， 而且效率更高， 速度更快，更能解放生產(chǎn)力。隨后， 人們用繼電器替代了純機(jī)械， 最后用電子取代了繼電器。就在科學(xué)家不斷改進(jìn)計算工具的時候，數(shù)學(xué)家們開始對計算的本質(zhì)展開了探究。

總結(jié)

筆者通過回顧計算科學(xué)的發(fā)展史，發(fā)現(xiàn)璀璨的人類文明正在不斷進(jìn)步，不斷提高。他們的探索和發(fā)現(xiàn)，已經(jīng)構(gòu)成了我們理解世界、認(rèn)知真理、探索人生的最有權(quán)威的“ 公理”， 而且這個公理系統(tǒng)還在不斷的擴(kuò)大，在擴(kuò)大的過程中，我們不斷發(fā)現(xiàn)問題，不斷解決問題，不斷摸索計算的科學(xué)規(guī)律。

篇8

[關(guān)鍵詞]：計算科學(xué)　計算工具　圖靈模型　量子計算

中圖分類號：TP301

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A　文章編號：1003-8809(2010)-09-0004-01

1、“摩爾定律”與“計算的極限”

人類是否可以將電子計算機(jī)的運(yùn)算速度永無止境地提升?傳統(tǒng)計算機(jī)計算能力的提高有沒有極限?對此問題，學(xué)者們在進(jìn)行嚴(yán)密論證后給出了否定的答案。如果電子計算機(jī)的計算能力無限提高，最終地球上所有的能量將轉(zhuǎn)換為計算的結(jié)果――造成熵的降低，這種向低熵方向無限發(fā)展的運(yùn)動被哲學(xué)界認(rèn)為是禁止的，因此，傳統(tǒng)電子計算機(jī)的計算能力必有上限。

而以IBM研究中心朗道(R.Landauer)為代表的理論科學(xué)家認(rèn)為到21世紀(jì)30年代，芯片內(nèi)導(dǎo)線的寬度將窄到納米尺度(1納米=10-9米)，此時，導(dǎo)線內(nèi)運(yùn)動的電子將不再遵循經(jīng)典物理規(guī)律――牛頓力學(xué)沿導(dǎo)線運(yùn)行，而是按照量子力學(xué)的規(guī)律表現(xiàn)出奇特的“電子亂竄”的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致芯片無法正常工作；同樣，芯片中晶體管的體積小到一定臨界尺寸(約5納米)后，晶體管也將受到量子效應(yīng)干擾而呈現(xiàn)出奇特的反常效應(yīng)。

哲學(xué)家和科學(xué)家對此問題的看法十分一致：摩爾定律不久將不再適用。也就是說，電子計算機(jī)計算能力飛速發(fā)展的可喜景象很可能在21世紀(jì)前30年內(nèi)終止。著名科學(xué)家，哈佛大學(xué)終身教授威爾遜(EdwardO.Wilson)指出：“科學(xué)代表著一個時代最為大膽的猜想(形而上學(xué))。它純粹是人為的。但我們相信，通過追尋“夢想―發(fā)現(xiàn)―解釋―夢想”的不斷循環(huán)，我們可以開拓一個個新領(lǐng)域，世界最終會變得越來越清晰，我們最終會了解宇宙的奧妙。所有的美妙都是彼此聯(lián)系和有意義的?！盵論/文/網(wǎng)LunWenNe#Com]

2、量子計算系統(tǒng)

量子計算最初思想的提出可以追溯到20世紀(jì)80年代。物理學(xué)家費(fèi)曼RichardP.Feynman曾試圖用傳統(tǒng)的電子計算機(jī)模擬量子力學(xué)對象的行為。他遇到一個問題：量子力學(xué)系統(tǒng)的行為通常是難以理解同時也是難以求解的。以光的干涉現(xiàn)象為例，在干涉過程中，相互作用的光子每增加一個，有可能發(fā)生的情況就會多出一倍，也就是問題的規(guī)模呈指數(shù)級增加。模擬這樣的實(shí)驗(yàn)所需的計算量實(shí)在太大了，不過，在費(fèi)曼眼里，這卻恰恰提供一個契機(jī)。因?yàn)榱硪环矫?，量子力學(xué)系統(tǒng)的行為也具有良好的可預(yù)測性：在干涉實(shí)驗(yàn)中，只要給定初始條件，就可以推測出屏幕上影子的形狀。費(fèi)曼推斷認(rèn)為如果算出干涉實(shí)驗(yàn)中發(fā)生的現(xiàn)象需要大量的計算，那么搭建這樣一個實(shí)驗(yàn)，測量其結(jié)果，就恰好相當(dāng)于完成了一個復(fù)雜的計算。因此，只要在計算機(jī)運(yùn)行的過程中，允許它在真實(shí)的量子力學(xué)對象上完成實(shí)驗(yàn)，并把實(shí)驗(yàn)結(jié)果整合到計算中去，就可以獲得遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)計算機(jī)的運(yùn)算速度。

在費(fèi)曼設(shè)想的啟發(fā)下，1985年英國牛津大學(xué)教授多伊奇DavidDeutsch提出是否可以用物理學(xué)定律推導(dǎo)出一種超越傳統(tǒng)的計算概念的方法即推導(dǎo)出更強(qiáng)的丘奇――圖靈論題。費(fèi)曼指出使用量子計算機(jī)時，不需要考慮計算是如何實(shí)現(xiàn)的，即把計算看作由“神諭”來實(shí)現(xiàn)的：這類計算在量子計算中被稱為“神諭”(Oracle)。種種跡象表明：量子計算在一些特定的計算領(lǐng)域內(nèi)確實(shí)比傳統(tǒng)計算更強(qiáng)，例如，現(xiàn)代信息安全技術(shù)的安全性在很大程度上依賴于把一個大整數(shù)(如1024位的十進(jìn)制數(shù))分解為兩個質(zhì)數(shù)的乘積的難度。這個問題是一個典型的“困難問題”，困難的原因是目前在傳統(tǒng)電子計算機(jī)上還沒有找到一種有效的辦法將這種計算快速地進(jìn)行。目前，就是將全世界的所有大大小小的電子計算機(jī)全部利用起來來計算上面的這個1024位整數(shù)的質(zhì)因子分解問題，大約需要28萬年，這已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了人類所能夠等待的時間。而且，分解的難度隨著整數(shù)位數(shù)的增多指數(shù)級增大，也就是說如果要分解2046位的整數(shù)，所需要的時間已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過宇宙現(xiàn)有的年齡。而利用一臺量子計算機(jī)，我們只需要大約40分鐘的時間就可以分解1024位的整數(shù)了。

3、量子計算中的神諭

人類的計算工具，從木棍、石頭到算盤，經(jīng)過電子管計算機(jī)，晶體管計算機(jī)，到現(xiàn)在的電子計算機(jī)，再到量子計算。筆者發(fā)現(xiàn)這其中的過程讓人思考：首先是人們發(fā)現(xiàn)用石頭或者棍棒可以幫助人們進(jìn)行計算，隨后，人們發(fā)明了算盤，來幫助人們進(jìn)行計算。當(dāng)人們發(fā)現(xiàn)不僅人手可以搬動“算珠”，機(jī)器也可以用來搬動“算珠”，而且效率更高，速度更快。隨后，人們用繼電器替代了純機(jī)械，最后人們用電子代替了繼電器。就在人們改進(jìn)計算工具的同時，數(shù)學(xué)家們開始對計算的本質(zhì)展開了研究，圖靈機(jī)模型告訴了人們答案。

量子計算的出現(xiàn)，則徹底打破了這種認(rèn)識與創(chuàng)新規(guī)律。它建立在對量子力學(xué)實(shí)驗(yàn)的在現(xiàn)實(shí)世界的不可計算性。試圖利用一個實(shí)驗(yàn)來代替一系列復(fù)雜的大量運(yùn)算?？梢哉f，這是一種革命性的思考與解決問題的方式。

因?yàn)樵诖酥?，所有計算均是模擬一個快速的“算盤”，即使是最先進(jìn)的電子計算機(jī)的CPU內(nèi)部，64位的寄存器(register)，也是等價于一個有著64根軸的二進(jìn)制算盤。量子計算則完全不同，對于量子計算的核心部件，類似于古代希臘中的“神諭”，沒有人弄清楚神諭內(nèi)部的機(jī)理，卻對“神諭”內(nèi)部產(chǎn)生的結(jié)果深信不疑。人們可以把它當(dāng)作一個黑盒子，人們通過輸入，可以得到輸出，但是對于黑盒子內(nèi)部發(fā)生了什么和為什么這樣發(fā)生確并不知道。

4、“神諭”的挑戰(zhàn)與人類自身的回應(yīng)人類的思考能力

隨著計算工具的不斷進(jìn)化而不斷加強(qiáng)。電子計算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，大大加強(qiáng)了人類整體的科研能力，那么，量子計算系統(tǒng)的產(chǎn)生，會給人類整體帶來更加強(qiáng)大的科研能力和思考能力，并最終解決困擾當(dāng)今時代的量子“神諭”。不僅如此，量子計算系統(tǒng)會更加深刻的揭示計算的本質(zhì)，把人類對計算本質(zhì)的認(rèn)識從牛頓世界中擴(kuò)充到量子世界中。

如果觀察歷史，會發(fā)現(xiàn)人類文明不斷增多的“發(fā)現(xiàn)”已經(jīng)構(gòu)成了我們理解世界的“公理”，人們的公理系統(tǒng)在不斷的增大，隨著該系統(tǒng)的不斷增大，人們認(rèn)清并解決了許多問題。人類的認(rèn)識模式似乎符合下面的規(guī)律：

篇9

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關(guān)鍵詞：2013年諾貝爾化學(xué)獎；理論與計算化學(xué)；計算機(jī)輔助；模型化學(xué)

文章編號：1005?6629（2014）3?0011?04 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

2013年的諾貝爾化學(xué)獎被授予了Martin Karplus、Michael Levitt以及Arieh Warshel三位美國科學(xué)家，以表彰他們在發(fā)展復(fù)雜化學(xué)體系多尺度模型方面所做出的杰出貢獻(xiàn)。我們知道，長久以來，化學(xué)學(xué)科的奠基和發(fā)展始終離不開化學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室中的辛勤勞動，但與此同時，隨著實(shí)踐知識的不斷豐富和完善，以及運(yùn)算能力的突飛猛進(jìn)，理論和計算化學(xué)有可能也應(yīng)當(dāng)在新世紀(jì)在化學(xué)學(xué)科的傳統(tǒng)領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。當(dāng)前，解開每個人生命背后的謎團(tuán)也是人們的興趣所在。Karplus，Levitt和Warshel三位科學(xué)家將經(jīng)典力學(xué)模擬方法結(jié)合最新發(fā)展的量子物理計算方法，為建立和發(fā)展多尺度復(fù)雜模型的理論模擬研究做出了基礎(chǔ)性的貢獻(xiàn)。那么，到底什么是理論模擬方法？它有什么重要的科學(xué)意義？對我們又有什么啟迪？

1 理論與計算化學(xué)的建立和發(fā)展歷程

20世紀(jì)初量子力學(xué)的發(fā)現(xiàn)為科學(xué)家們打開了深層次研究分子和原子的大門。量子力學(xué)中著名的薛定諤方程以其優(yōu)美簡潔的形式描述了原子和分子的重要組成部分――電子的行為[1]。1927年，Walter Heitler以及Fritz London兩位科學(xué)家利用薛定諤方程解開了氫氣分子電子結(jié)構(gòu)[2]，理論化學(xué)從此悄然興起。隨后，價鍵理論[3]、Hartree-Fock理論[4]、分子軌道理論[5]等的建立極大地豐富了理論化學(xué)的內(nèi)容。從此，化學(xué)學(xué)科可以說與物理學(xué)一樣，開始了真正的兩條腿走路，而不再只是依靠實(shí)驗(yàn)知識的獲取跛足而行。

早在20世紀(jì)50年代，科學(xué)家利用半經(jīng)驗(yàn)的方法對原子軌道進(jìn)行了計算。50至60年代期間，各種各樣基于現(xiàn)代量子理論的計算已經(jīng)被用來計算一些簡單分子的電子結(jié)構(gòu)和相互作用。20世紀(jì)70年代，例如Gaussian？、ATMOL？、IBMOL？等量子化學(xué)計算軟件的開發(fā)也擴(kuò)充了計算化學(xué)的內(nèi)涵。

與此同時，新的化學(xué)合成與表征技術(shù)的開發(fā)使得越來越多新穎的分子被制造出來，人們不僅需要認(rèn)識這些新分子，而且也需要借助一定手段來指導(dǎo)新分子的合成。在這樣的前提下，就需要借助計算機(jī)對分子進(jìn)行模擬。

1990年，密度泛函理論（Density Functional Theory）的提出將理論和計算化學(xué)帶到了一個新紀(jì)元。和以往的方法相比，密度泛函理論解決了以往的分子模型中電子交換和相關(guān)作用的近似，由其得出的分子幾何結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)的預(yù)測與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合得非常好。直至目前，密度泛函理論依然是分子和化學(xué)反應(yīng)模擬中最重要也是最為常用的方法，兩位科學(xué)家Walter Kohn[6]和John Pople[7]因?yàn)榉謩e發(fā)展了密度泛函理論以及將這種量子力學(xué)計算方法融入到計算化學(xué)中去而獲得了1998年的諾貝爾化學(xué)獎，這是諾貝爾化學(xué)獎第一次被授予理論和計算化學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)家。獲獎?wù)咧坏腜ople也是著名量子化學(xué)計算軟件Gaussian[8]的開發(fā)者之一，該軟件在2009年又進(jìn)行了一次更新，是當(dāng)今功能最完善、計算最有效、生命力最長的量子化學(xué)計算軟件。

目前，專門刊登量子化學(xué)理論、模型化學(xué)和計算化學(xué)的學(xué)術(shù)期刊也紛紛涌現(xiàn)，如，美國化學(xué)會（American Chemistry Society）下已有Journal of Chemical Information and Modeling， Journal of Chemical Theory and Computation， Journal of Physical Chemistry A三本期刊出版，而著名學(xué)術(shù)出版集團(tuán)Elsevier也有Journal of Molecular Graphics and Modeling， Journal of Molecular Modeling， International Journal of Quantum Chemistry和Computational and Theoretical Chemistry等專刊，國內(nèi)也有例如《物理化學(xué)學(xué)報》和《計算機(jī)及應(yīng)用化學(xué)》等期刊。

2 復(fù)雜化學(xué)體系多尺度模型的建模以及應(yīng)用

1976年，Michael Levitt和Arieh Warshel二人提出了酶催化生物化學(xué)反應(yīng)的通用理論研究方法[10]。這個方法將生物酶-底物間的復(fù)合物和溶劑作用一起考慮在整個體系之內(nèi)，并且用量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)兩種方法探討了所有可能影響催化路徑的因素。其中，量子力學(xué)包含了酶-底物鍵的斷裂，底物與酶結(jié)合時電荷的重新分布；而經(jīng)典力學(xué)部分則考慮了酶和底物之間的立體作用能和靜電作用能。綜合考慮以上兩點(diǎn)，兩位作者以一種水解酶裂解糖苷鍵為實(shí)例，首次進(jìn)行了水解酶-糖苷這個復(fù)雜化學(xué)體系多尺度模型的理論計算（圖1）。如今復(fù)雜化學(xué)體系的QM/MM方法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到酶-底物催化反應(yīng)，有機(jī)反應(yīng)以及DNA/RNA的相關(guān)研究中去。

那么，如何建立一個合理的多尺度復(fù)雜模型？科學(xué)家們和軟件工程師們通力合作開發(fā)出了各種功能強(qiáng)大的分子建模和可視化軟件。對于小分子的構(gòu)建，最為常用的為PerkinElmer公司下屬的劍橋軟件公司開發(fā)的ChemBioOffice？系列軟件，包括了ChemBioDraw？和ChemBio 3D？兩個模塊（圖2）。當(dāng)在軟件窗口的右側(cè)ChemDraw？面板畫出感興趣的分子后，左邊的窗口就會立即顯示出分子的3D模型。本軟件還包括了其他很多內(nèi)容，例如對分子進(jìn)行簡單的幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化操作或者分子動力學(xué)計算，根據(jù)計算結(jié)果畫出分子的部分電荷、分子軌道等信息。

GaussView？是Gaussian公司開發(fā)的用于分子建模的軟件包，目前已經(jīng)更新到GaussView5.0b版本。此軟件包的功能類似于ChemBioOffice？，該軟件并不如ChemBioOffice？那樣還具有計算功能，而只是作為量子化學(xué)計算軟件Gaussian？的圖形輸入接口，圖3是利用GaussView？創(chuàng)建了聯(lián)苯分子，當(dāng)利用Gaussian？軟件對分子進(jìn)行計算完畢之后，也能夠展示分子軌道的圖形。

以上兩種軟件不僅可以在各自的軟件內(nèi)部進(jìn)行計算，而且ChemBioOffice？軟件還提供了Gaussian？計算軟件的接口。我們可以在ChemBioOffice？中構(gòu)建完小分子，并設(shè)置運(yùn)行參數(shù)之后在Gaussian？中進(jìn)行對應(yīng)的計算。

在一個復(fù)雜化學(xué)體系中，往往還要涉及到生物大分子的構(gòu)建?，F(xiàn)在科學(xué)家們已經(jīng)構(gòu)建起了大分子結(jié)構(gòu)庫，最著名就是由美國布魯克海文（Brookhaven）國家實(shí)驗(yàn)室建立的蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫（Protein Data Bank，http：// rcsb.org）。庫內(nèi)包含了蛋白質(zhì)、多肽、DNA、RNA等95644個晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。我們可以通過下載數(shù)據(jù)來得到生物大分子的晶體結(jié)構(gòu)。

Accelrys公司開發(fā)的Discovery Studio Client？軟件能夠讀取從Protein Data Bank下載的pdb文件，如圖4展示的是Discovery Studio Client？的界面，展示了人體血清白蛋白和一種DNA的結(jié)構(gòu)。

此外，Discovery Studio Client？還具有將小分子和大分子組裝結(jié)合在一起的功能，如圖5分別是將一種長鏈的污染物分子結(jié)合到了脂肪酸結(jié)合酶和人體血清白蛋白中，這就完成了一個復(fù)雜化學(xué)體系的模型構(gòu)建。

VMD？軟件也是一種常用的可視化軟件，相對于Discovery Studio Client？，其功能更側(cè)重于動態(tài)展現(xiàn)動力學(xué)情況下分子的運(yùn)動和形變情況。圖6則是VMD？軟件的界面以及其展示的人體血清白蛋白分子和DNA分子。

在分子建模完成之后，就可以對一個建立完成的化學(xué)體系進(jìn)行理論的計算，預(yù)測這個復(fù)雜化學(xué)體系的物理化學(xué)性質(zhì)。對于一個多尺度模型的計算，計算方法的選擇也是多尺度的。首先，對需要模擬的化學(xué)反應(yīng)的區(qū)域要進(jìn)行界定。在界定了這個區(qū)域之后，必須對這個區(qū)域內(nèi)的分子進(jìn)行高精度的量子化學(xué)計算，模擬或預(yù)測該區(qū)域內(nèi)可能存在的化學(xué)鍵以及鍵的斷裂。在界定的反應(yīng)區(qū)域之外，由于不牽涉到化學(xué)反應(yīng)，所以不需要高精度的量子化學(xué)計算方法，而只需要相對簡單的半經(jīng)驗(yàn)的計算方法或者更簡單的分子力學(xué)方法進(jìn)行計算?？偠灾@就是復(fù)雜化學(xué)體系多尺度模型的計算，即QM/MM計算。涉及量子化學(xué)部分的QM計算，需要用到包含量子化學(xué)計算的軟件，例如最著名的Gaussian？，GAMESS？等。在這些軟件中，也可以采用ONIOM方法[12]進(jìn)行計算。

3 復(fù)雜化學(xué)體系多尺度模型建立的科學(xué)意義及其展望

結(jié)合理論以及計算化學(xué)發(fā)展本身的歷程來看，復(fù)雜化學(xué)體系多尺度模型具有十分重要的科學(xué)意義。首先，此模型的建立使我們從簡單分子的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)入到了生物大分子體系的理論計算研究。利用理論計算這個強(qiáng)有力的工具，生命科學(xué)的奧秘將很快被解開，人們對生命科學(xué)背后的化學(xué)機(jī)制的認(rèn)識將會上升到分子層面，對帶動化學(xué)，乃至生命科學(xué)學(xué)科具有舉足輕重的作用。其次，多尺度模型的建立也能夠促進(jìn)理論和計算化學(xué)本身的發(fā)展，豐富理論和計算化學(xué)本身的內(nèi)涵，并且隨著研究體系的進(jìn)一步復(fù)雜化，將在現(xiàn)有的多尺度基礎(chǔ)上提出新的超尺度模型的可能。

此外，作為一門交叉學(xué)科，理論和計算化學(xué)的發(fā)展也勢必會帶動其他相關(guān)學(xué)科的進(jìn)一步發(fā)展。90年代開始，納米學(xué)科蓬勃發(fā)展，各種新材料如雨后春筍般出現(xiàn)，得益于理論化學(xué)中平面波和贗勢（即將離子實(shí)的內(nèi)部勢能用假想的勢能取代真實(shí)的勢能，但在求解波動方程時，不改變能量本征值和離子實(shí)之間區(qū)域的波函數(shù)）的發(fā)展，對具有周期性結(jié)構(gòu)的晶體材料性質(zhì)的模擬和預(yù)測也成為可能。目前，已經(jīng)有Material Studio？、VASP？等多種模擬軟件。在藥物合成方面，計算機(jī)輔助藥物合成的概念已經(jīng)深入人心（Computer-aided Drug Design）。顧名思義，計算機(jī)輔助藥物設(shè)計利用計算化學(xué)這個強(qiáng)有力的工具來發(fā)現(xiàn)或者研究具有生物活性的藥物分子的行為，其最基本的目標(biāo)就是通過計算化學(xué)來預(yù)測一個分子與靶生物分子是否會結(jié)合，并且其結(jié)合能力有多強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)這一功能的軟件則包括了GOLD？、SYBYL？等等。

可以說，理論和計算化學(xué)已經(jīng)成為輔助化學(xué)家們探索世界的重要工具，也成為了指引科學(xué)家探索未知世界的新羅盤。

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篇10

本書的主要目的，就是要證明這樣的替代物是存在的，它與50年前人們討論的所謂唯象隨機(jī)量子力學(xué)以及隨機(jī)零點(diǎn)場理論密切相關(guān)。這是一種漲落場，屬于經(jīng)典Maxwell方程的解，但是在零溫下有非零平均能。作者們認(rèn)為量子化源于經(jīng)典物理與這種零點(diǎn)場漲落緊密聯(lián)系的深刻隨機(jī)過程，而量子力學(xué)的基本理論建筑在第一原理的基礎(chǔ)上，這個原理揭示從更深層次的隨機(jī)過程引發(fā)的涌現(xiàn)（Emergency，或譯突現(xiàn)）現(xiàn)象的量子化。

作者們在本書所呈現(xiàn)的理論觀點(diǎn)是經(jīng)過長時間的努力尋找而獲得的答案。長期以來，科研人員試圖尋找答案的以下問題：哪些概念對量子力學(xué)的發(fā)展起重要作用；是什么為這些概念提供了物理基礎(chǔ)；量子力學(xué)背后的物理學(xué)的最新發(fā)現(xiàn)中，有哪些對這些問題的回答形成了綜合的和自洽的新的理論框架。

作者認(rèn)為任何物質(zhì)系統(tǒng)都是一個開放系統(tǒng)，它們永久地接觸隨機(jī)零點(diǎn)輻射場，并與其達(dá)到平衡狀態(tài)。從這個基礎(chǔ)出發(fā)，導(dǎo)出量子力學(xué)形式體系的核心以及非相對論QED的相對論修正，同時揭示了基本的物理機(jī)制。本書打開了通向進(jìn)一步探索并揭示物理的新大門。讀者會看到，這一任務(wù)遠(yuǎn)沒有結(jié)束，仍存在很多問題沒有考察到，期待進(jìn)一步研究。

本書闡明了量子理論一些核心特點(diǎn)的根源，諸如原子的穩(wěn)定性，電子自旋，量子漲落、量子非定域性和糾纏。這里發(fā)展的理論重新確認(rèn)了諸如實(shí)在性、因果性、局域性和客觀性等基本的科學(xué)原理

全書內(nèi)容共分10章：1.量子力學(xué)：某些問題；2.唯象隨機(jī)方法：通向量子力學(xué)的簡捷途徑；3.普朗克分布，漲落零點(diǎn)場的一個必然推論；4.通向薛定諤方程的漫長旅途；5.通向海森伯量子力學(xué)之路；6.超越薛定諤方程；7.解開量子糾纏； 8.量子力學(xué)的因果性、非定域性和糾纏； 10.零點(diǎn)場波（和）物質(zhì)。

本書適合熟悉量子力學(xué)的最基本概念和結(jié)果的讀者閱讀。其內(nèi)容適用于從事理論物理、數(shù)學(xué)物理、實(shí)驗(yàn)物理、量子化學(xué)和物理哲學(xué)的研究人員、研究生和教師參考。

丁亦兵，教授

（中國科學(xué)院大學(xué)）

Ding Yibing，Professor

（The University，CAS）Ignatios Antoniadis et al

Supersymmetry After the

Higgs Discovery

2014

http：///book/

10.1007/978-3-662-44172-5