導語：如何才能寫好一篇量子力學的基本原理，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

量子力學課程是工科電類專業的一門非常重要的專業基礎課程。通過該課程的學習，使學生初步掌握量子力學的基本原理和基本方法，認識微觀世界的物理圖像以及微觀粒子的運動規律，了解宏觀世界與微觀世界的內在聯系和本質的區別。量子力學課程教學質量的好壞直接影響后續的如“固體物理學”、“半導體物理學”、“集成電路工藝原理”、“量子電子學”、“納米電子學”、“微電子技術”等課程的學習。

量子力學課程的學習要求學生具有良好的數學和物理基礎，對學生的邏輯思維能力和空間想象能力等要求較高，因此要學好量子力學，在我們教學的過程中，需要充分發揮學生的學習主動性和積極性。同時，隨著科學日新月異的發展，對量子力學課程的教學也不斷提出新的要求。如何充分激發學生的學習興趣，充分調動學生的學習主動性和能動性，切實提高量子力學課程的教學質量和教師的教學水平，已經成為擺在高校教師目前的一項重要課題。

該課程組在近幾年的教學改革和教學實踐中，本著高校應用型人才的培養需求，強調量子力學基本原理、基本思維方法的訓練，結合物理學史，充分激發學生的學習積極性；充分利用熟知軟件，理解物理圖像，激發學生學習主動性；結合現代科學知識，強調理論在實踐中的應用，取得了良好的教學效果。

1 當前的現狀及存在的主要問題

目前工科電類專業普遍感覺量子力學課程難學，其主要原因在于：第一，量子力學它是一門全新的課程理論體系，其基本理論思想與解決問題的方法都沒有經典的對應，而學習量子力學必須完全脫離以前在頭腦中根深蒂固的“經典”的觀念；第二，量子力學的概念與規律抽象，應用的數學知識比較多，公式推導復雜，計算困難；第三，雖然量子力學問題接近實際，但要學生理解和解決問題，還需要一個過程；由于上述問題的存在，使初學者都感到量子力學課程枯燥無味、晦澀難懂，而且隨著學科知識的飛速發展，知識的更新周期空前縮短，在有限的課時情況下，如何使學生在掌握扎實的基礎知識的同時，跟上時代的步伐，了解科學的前沿，以適應新世紀人才培養的需求，是擺在我們教育工作者面前的巨大挑戰。

2 結合物理學史激發學生學習興趣

興趣是最好的老師，在大學物理中，談到了19世紀末物理學所遇到的“兩朵烏云”，光電效應和紫外災難，1900年，普朗克提出了能量子的概念，解決了黑體輻射的問題；后來，愛因斯坦在普朗克的啟發下，提出了光量子的概念，解釋了光電效應，并提出了光的波粒二象性；德布羅意又在愛因斯坦的啟發下，大膽的提出實物粒子也具有波粒二象性；對于物理學的第三朵烏云“原子的線狀光譜，”玻爾提出了關于氫原子的量子假設，解釋了氫原子的結構以及線狀光譜的實驗。后來還有薛定諤、海森堡、狄拉克等偉大的物理學家的努力，建立了一套嶄新的理論體系-量子力學。在教學的過程中，適當穿插量子力學的發展歷史以及偉大科學家的傳記故事，避免了量子力學課程“全是數學的推導”的現狀，這樣激發學生的學習興趣和學習熱情，通過對偉大科學家的介紹，培養刻苦鉆研的精神。實踐表明，這樣的教學模式大大提高了學生的學習主動性。

3 結合熟知軟件化抽象為形象

量子力學內容抽象，對一些典型的結論，可以用軟件模擬的方式實現物理圖像的重現。很多軟件如matlab、c語言等很多學生不是很熟練，而且編程較難，結合物理結論作圖較為困難；Excell是學生常用的軟件之一，簡單易學卻功能強大，幾乎每位同學都非常熟練，我們充分利用這一點，將Excell軟件應用到量子力學的教學過程中，取得了良好的效果。

如在一維無限深勢阱中，我們用解析法嚴格求解得到了波函數和能級的方程。而波函數的模方表示幾率密度。我們要求學生用Excell作圖，這樣得到粒子阱中的幾率分布，通過與經典幾率的比較（經典粒子在阱中各處出現的幾率應該相等）和經典能級的比較（經典的能量分布應該是連續的函數），通過學生的自我參與，充分激發了學生的求知欲望；從簡單的作圖，學生深刻理解了微觀粒子的運動狀態的波函數；微觀粒子的能量不再是連續的，而是量子化了的能級，當n趨于無窮大時微觀趨向于經典的結果，即經典是量子的極限情況；通過學生熟知的軟件，直觀的再現了物理圖像，學生會進一步來深刻思考這個結論的由來，傳統的教學中，我們先講薛定諤方程，然后再解這個方程，再利用邊界條件和波函數的標準條件，一步一步推導下來，這樣的教學模式有很多學生由于數學的基礎較為薄弱，推導過程又比較繁瑣，因此會逐步對課程失去了興趣，這也直接影響了后面章節的學習，而通過學生親自作圖實現的物理圖像，改變了傳統的“填鴨式”教學，最大限度的使學生參與到課程中，這樣的效果也將事半功倍了，大大提高了教學的效果。

4 結合科學發展前沿拓寬學生視野

在課程的教學中，除了注重理論基礎知識的講解和基礎知識的應用以外，還需介紹量子力學學科前沿發展的一些動態。結合教師的教學科研工作，將國內外反映量子力學方面的一些最新的成果融入到課程的教學之中，推薦和鼓勵學生閱讀反映這類問題的優秀網站、科研文章，使學生了解量子力學學科的發展前沿，從而達到拓寬學生視野，培養學生創新能力的目的。例如近年興起并迅速發展起來的量子信息、量子通訊、量子計算機等學科，其基礎理論就是量子力學的應用，了解了這些發展，學生會反過來進一步理解課程中如量子態、自旋等概念，量子態和自旋本身就是非常抽象的物理概念，他們沒有經典的對應，通過對實驗結果的理解，學生會進一步理解用態矢來表示一個量子態，由于電子的自旋只有兩個取向，正好與計算機存儲中二進制0和1相對應，這也正是量子計算機的基本原理，通過學生的主動學習，從而達到提高教學質量的目的。另外我們還要介紹量子力學在近代物理學、化學、材料學、生命學等交叉學科中的應用，拓寬學生的視野。

篇2

1、量子通信是指利用量子糾纏效應進行信息傳遞的一種新型的通訊方式。量子通訊是近二十年發展起來的新型交叉學科，是量子論和信息論相結合的新的研究領域。

2、量子通信主要涉及：量子密碼通信、量子遠程傳態和量子密集編碼等，近來這門學科已逐步從理論走向實驗，并向實用化發展。高效安全的信息傳輸日益受到人們的關注。基于量子力學的基本原理，并因此成為國際上量子物理和信息科學的研究熱點。

（來源：文章屋網 ）

篇3

量子力學是當代科學發展中最成功、也是最神秘的理論之一。其成功之處在于，它以獨特的形式體系與特有的算法規則，對原子物理學、化學、固體物理學等學科中的許多物理效應和物理現象作出了說明與預言，已經成為科學家認識與描述微觀現象的一種普遍有效的概念與語言工具，同時也是日新月異的信息技術革命的理論基礎；其神秘之處在于，與其形式體系的這種普遍應用的有效性恰好相反，量子物理學家在表述、傳播和交流他們對量子理論的基本概念的意義的理解時，至今仍未達成共識。量子物理學家在理解和解釋量子力學的基本概念的過程中所存在的分歧，不是關于原子世界是否具有本體論地位的分歧，而是能否仍然像經典物理學理論那樣，把量子理論理解成是對客觀存在的原子世界的正確描述之間的分歧。

在量子力學誕生的早期歲月里，這些分歧的產生主要源于對量子理論中的波函數的統計性質的理解。因為量子力學的創始人把量子力學理解成是一種完備的理論，把量子統計理解成是不同于經典統計的觀點，在根本意義上，帶來了量子力學描述中的統計決定性特征。而理論描述的統計決定性與物理學家長期信奉的因果決定論的實在論研究傳統相沖突。在當時的背景下，對于那些在經典物理學的熏陶下成長起來的許多傳統物理學家而言，對量子力學的這種理解是難以容忍的。這些物理學家仍然堅持以經典實在觀為前提，希望重建對原子對象的因果決定論的描述。這種觀點認為，現有的量子力學只是臨時的現象學的理論，是不完備的，將來總會被一個擁有確定值的能夠解決量子悖論的新理論所取代。量子哲學家普遍地把這種實在論稱之為定域實在論，或者稱為非語境論的實在論。從EPR悖論到貝爾定理的提出正是沿著這一思路發展的。這種觀點把量子論中的統計決定論與經典實在論之間的矛盾，理解成是量子論與傳統實在論之間的矛盾。

但是，自從1982年阿斯佩克特等到人完成的一系列實驗，沒有支持定域隱變量理論的預言，而是給出了與量子力學的預言相一致的實驗結果以來，量子論與傳統實在論之間的矛盾焦點，由對量子理論中的統計決定性特征的質疑，轉向了對更加基本的量子測量過程中的“波包塌縮”現象的理解。因為量子測量問題是量子理論中最深層次的概念問題。馮諾意曼在本體論意義上引入量子態的概念來表征量子實在的作法，直接導致了至今難以解決的量子測量難題。到目前為止，所有的量子測量理論都是試圖站在傳統實在論的立場上，對量子測量過程作出新的解釋。玻姆的本體論解釋在承認量子力學的統計性特征，把量子世界看成是由客觀的不確定性、隨機性和量子糾纏所支配的世界的前提下，通過假設非定域的隱變量的存在，尋找對量子測量過程的因果性解釋。量子哲學家把這種實在論稱為非定域的實在論。[1] 多世界解釋在承認現有的量子力學的形式體系和基本特征是完全正確的前提下，通過多元本體論的假設來對具有整體性特征的量子測量過程作出整體論的解釋。量子哲學家把這種實在論稱為非分離的實在論。[1]

量子測量現象的非定域性和非分離性所反映的是量子測量過程的整體性特征。問題是，相對于科學哲學研究而言，如果把量子測量系統理解成是一個包括觀察者在內的整體，我們將永遠不可能在觀察者與被觀察系統之間作出任何形式的分割。而觀察者與被觀察系統之間的分界線的消失，將會使我們在不考慮觀察者的情況下，對物理實在進行客觀描述的夢想徹底地破滅。這是因為，一方面，如果我們認為量子力學的形式體系是正確而完備的理論，那么，就能夠用量子力學的術語描述包括觀察者在內的整個測量過程。這時，觀察者成為整個測量系統中的一個組成部分參與了測量中的相互作用；另一方面，如果我們仍然渴望像以可分離性假設為基礎的經典測量那樣，在以整體性假設為基礎的量子測量系統中，也能夠得到確定而純客觀的測量結果，那么，他們必須要在觀察者與被觀察的量子系統之間作出某種分割，觀察者才有可能站在整個測量系統之外進行觀察。然而，在量子測量的具體實踐中，這個重要的“阿基米德點”是永遠不可能得到的。因為對量子測量系統進行的任何一種形式的分割，都必然會導致像“薛定諤貓”那樣的悖論。這樣，關于量子論與實在論之間的矛盾事實上轉化為，在承認量子力學的統計性特征的前提下，如何解決量子測量的整體性與傳統實在論之間的矛盾。

以玻爾為代表的傳統量子物理學家在創立了量子力學的形式體系之后，并不追求從量子測量現象到量子本體論的超越中提供一種本體論的理解。而是在認識論和現象學的意義上做文章。玻爾認為，觀察的“客觀性”概念的含義，在原子物理學的領域內已經發生了語義上的變化。在這里，客觀性不再是指對客體在觀察之前的內在特性的揭示，而是具有了“在主體間性的意義上是有效的”這一新的含義。這種把“客觀性”理解成是“主體間性”的觀點，在認識論意義上，所隱藏的直接后果是，使“客觀性”概念失去了與“主觀性”概念相對立的基本含義，從而使量子力學成為支持科學的反實在論解釋的一個重要的立論依據。與此相反，近幾十年發展起來的多世界解釋，試圖以多元本體論的假設為前提，恢復對客觀性概念的傳統理解；玻姆的本體論解釋則是以粒子軌道與真實波的二元論假設為代價，把測量過程中的整體性特征歸結為是量子勢的性質。這兩種解釋雖然在理解量子測量現象時堅持了傳統實在論的立場。但是，這些立場的堅持是以在量子力學中增加某些額外的假設為代價的。這正是為什么近幾十年來，反思與研究量子力學與量子測量的概念基礎問題，成為不計其數的論著和論文所討論的中心論題的主要原因所在。

到目前為止，在量子物理學家的心目中，微觀客體的非定域性特征和量子測量的非分離性特征已經成為不爭的事實。如果我們站在科學哲學的立場上，像當初接受量子統計性一樣，也接受量子力學描述的微觀系統的這種整體性特征。那么，量子測量過程中被測量的系統與測量儀器（包括觀察者在內）之間的整體性關系將會意味著，在微觀領域內，我們所得到的知識，事實上，總是與觀察者密切相關的知識。這個結論顯然與長期以來我們所堅持的真理符合論的客觀標準不相容。因此，接受量子力學的整體性特征，就意味著放棄真理符合論的標準，需要對傳統實在論的核心概念——理論和真理的性質與意義——進行重新理解。這樣，現在的問題就變成是，能否在接受量子力學的統計性和整體性特征的前提下，闡述一種新的實在論觀點呢？如果答案是否定的，那么，科學實在論將永遠不可能得到辯護；如果答案是肯定的，那么，與理論的整體性特征相協調的實在論是一種什么樣的實在論呢？這正是本文所關注的主要問題所在。

2．認識論教益：隱喻思考與模型化方法的突現

自近代自然科學產生以來，公認的傳統實在論的觀點是建立在宏觀科學知識基礎之上的一種鏡像實在論。在宏觀科學的研究領域內，觀察者總是能夠站在整個測量系統之外，客觀地獲得測量信息。在有效的測量過程中，測量儀器對測量結果的干擾通常可以忽略不計。測量結果為理論命題的真假提供了直接的評判標準，使命題和概念擁有字面表達的意義（literal meaning）或非隱喻的意義和指稱。因此，鏡像實在論是以觀察命題的真理符合論為前提的。

真理符合論的最實質性的內容是，堅持命題與概念同實際的事實相符合。長期以來，科學家一直把這種觀點視為是科學研究活動的價值基礎。

維特根斯坦在其著名的《邏輯哲學導論》一書中，把真理的這種符合論觀點表述為：就像唱片是聲音的畫像并具有聲音的某些結構一樣，命題所描述是事實的畫像，并具有與事實一致的結構。因為用語言來思考和說話，就是用語言來對事實作邏輯的模寫，它類似于畫家用線條、色彩、圖案來描繪世界上的事物。所以，用語言描述的圖象與世界的實際圖象之間具有同構性。1933年，塔爾斯基對這種真理觀進行了定義。在當前科學哲學的文獻中，人們習慣于用“雪是白的”這一命題為例，把塔爾斯基對真理的定義形象地表述為：“雪是白的”是真的，當且僅當，雪是白的。

普特南把塔爾斯基對真理的這種定義概括為“去掉引號的真理論”。塔爾斯基認為，要想使“‘雪是白的’是真的”，這個句子本身成真，當且僅當，“雪是白的”這個事實是真實的，即我們能夠得到“雪是白的”這一經驗事實。這個看似簡單的句子隱含著兩層與常識相一致的符合關系：第一層的相符合關系是，語言表達的命題與實際事實相符合；第二層的相符合關系是，觀察得到的事實與真實世界相符合。在日常生活中，像“雪是白的”這樣的經驗事實是非常直觀的，只要是一個正常的人，都有可能看到“雪確實是白色的”這個實際存在的事實。因此，人們對它的客觀性不會產生任何懷疑，能夠作為“‘雪是白的’是真的”這個句子的成真條件。

然而，量子力學揭示出的微觀測量系統中的整體性特征，既限制了我們對這種理想知識的追求，也向傳統的客觀真理標準的價值觀提出了挑戰。這是因為，在量子測量的過程中，對命題的這種理想的描述方式和對對象的如此單純的觀察活動，已經不再可能。以玻爾為代表的許多物理學家雖然在量子力學誕生的早期就已經意識到這一點。但是，在科學哲學的意義上，他們在拋棄了真理符合論之后，卻走向了認識論的反實在論；馮諾意曼的測量理論以真理符合論為基礎，要求在觀察者與測量儀器之間進行分割的做法，直接導致了量子測量中的“觀察者悖論”；現存的非分離與非定域的實在論解釋，也是以真理符合論為基礎，在量子力學的形式體系中增加了某些難以令人接受的額外假設，來解決量子測量難題。從哲學意義上看，這種借助于額外假設來使量子力學與實在論相一致的作法并沒有唯一性。它不過是借助于各種哲學的想象力來解決量子測量難題而已。

由此可見，量子測量難題的產生，實際上是以真理符合論為基礎的傳統實在論的觀點，來理解量子測量過程的整體性特征所導致的。現在，如果我們像放棄經典的絕對時空觀，接受相對論一樣，也放棄真理符合論的實在論，接受現有的量子力學。那么，在當代科學哲學的研究中，我們需要以成功的量子力學帶給我們的認識論教益為出發點，對理論、概念和真理的性質與意義作出新的闡述。量子力學所揭示的微觀世界與宏觀世界之間的最大差異在于，我們對微觀世界的內在結構的認知，不可能像對宏觀世界的認知那樣，使觀察者能夠站在整個測量語境的外面來進行。

這就像盲人摸象的故事一樣，不同的盲人從大象的不同部位開始摸起，最初，他們所得到的對大象的認識是不相同的，因為每個人根據自己的觸摸活動都只能說出大象的某一個部分。只有當他們摸完了整個大象時，他們才有可能對大象的形狀作出客觀的描述。然而，雖然他們對大象的描述始終是從自己的視角為起點的，并建立在個人理解的基礎之上。但是，不可否認的是，他們的觸摸活動總是以真實的大象為本體的。在微觀領域內，量子世界如同是一頭大象，物理學家如同是一群盲人，有所區別的是，物理學家對微觀世界的認識不可能是直接的觸摸活動，而只能借助于自己設計的測量儀器與對象進行相互作用來進行。在這個相互作用的過程中，包括觀察者在內的測量語境成為聯系微觀世界與理論描述之間的一個不可分割的紐帶。

如果把這種量子力學的這種整體性思想延伸外推到一般的科學哲學研究中，那么，可以認為，科學家所闡述的理論事實上是一個產生信念的系統。科學家借助于模型化的理論，把他們對世界的認知模擬出來。理論模型所描述出的世界與真實世界之間的關系是一種內在的、整體性的相似關系。這種相似分為兩個不同的層次：其一，在特定的語境中，模型與被模擬的世界在現象學意義上的初級相似。這種相似是指，在這個層次上，我們只是能夠通過某些關系把現象描述出來，但是，對現象之所以發生的原因給不出明確的說明；其二，在特定的語境中，模型與被模擬的世界在認識論意義上的高級相似。這種相似是指，理論模型達到了與真實世界的內在結構與關系之間的相似。所以，現象學意義上的相似最后會被成熟理論所描述的認識論意義上的結構相似所包容或修正。

這兩個層次之間的相似關系是建立在經驗基礎之上的，而不是建立在邏輯或先驗的基礎之上。這樣，雖然科學家在建構理論模型的過程中，總是不可避免地存在著許多非理性的因素。但是，在根本的意義上，他們的建構活動是以最終達到使理論描述的可能世界與真實世界之間的結構與關系相似為目的的。因此，測量語境的存在成為科學家建構活動的一個最基本的制約前提。建構理論模型的活動是一種對世界的認知活動。建構活動中的虛構性將會在與公認的實驗事實的比較中不斷地得到矯正，直至達到與真實世界完全一致為止。或者說，在一定的語境中，當從理論模型作出的預言在經驗意義上不斷地得到了證實的時候，類比的相似性程度將隨之不斷地得以提高；當科學共同體能夠依據理論模型所描述的可能世界的結構來理解真實世界時，相似性關系將逐漸地趨向模型與世界之間的一致性關系。

在這種理解方式中，真理是物理模型與真實世界之間的相似關系的一種極限，是在一定的語境中完善與發展理論的一個最終結果。這樣，在科學研究中，真理成為科學研究追求的一個最終目標，而不是科學研究的邏輯起點。或者說，把真理理解成是在科學的探索過程中，成熟的物理模型與世界結構之間達成的一致性關系。對真理的這種理解，使過去追求的客觀真理變成了與語境密切相關的一個概念。超出理論成真的語境范圍，真理也就失去了存在的前提和價值。這樣，與玻爾把理論的客觀性理解成是主體間性的觀點所不同，本文是通過改變對真理意義的理解方式，挽救了理論的客觀性。

如果把科學活動理解成是對世界的模擬活動，那么，在理論的建構活動中，科學理論的概念與術語所描述出的可能世界，只在一定的語境中與真實世界具有相似性。所以，相對于不可能被觀察到的真實世界而言，科學的話語（scientific discourses）將不再具有按字面所理解的意義，而是只具有隱喻的意義。只有當理論與世界之間的關系趨向于一致性關系時，對某些概念的隱喻性理解才有可能變成字面語言的理解。所以，在科學研究的活動中，研究對象越遠離日常經驗，科學話語中的隱喻成份就越多。這也許是為什么在量子理論產生的早期年代，物理學家在理解微觀現象時，不可能在微觀對象的粒子性和波動性之間作出任何選擇的原因所在。實際上，微觀粒子的波——粒二象性概念只是在現象學意義上的一種典型的隱喻概念，它們并不擁有概念的字面意義，而只具有隱喻的意義。因此，它們不是對真實世界的基本結構的實際描述。正如惠勒的“延遲實驗”所揭示的那樣，物理學家不可能選擇用其中的一類圖象來解釋另一類圖象。只有當關于微觀世界的內在結構在可能世界的模型中得到全部模擬時，原來的波——粒二象性的概念才被一個更具有普遍意義的新的量子態概念所取代。

如果科學語言只具有隱喻的意義，科學理論所描述的是可能世界，那么，物理學家對測量現象的描述，也只是一種隱喻描述，而不是非隱喻的按照字義所理解的描述。這種描述既依賴于觀察者的背景知識，也依賴于當時的技術發展的水平。就像格式塔心理學所闡述的那樣，同樣的圖形、同一個對象，不同的觀察者會得出不同的結論。在這個意義上，測量與觀察不再是純粹地揭示對象屬性的一種再現活動，而是觀察者與對象發生相互作用之后，受到測量語境約束的一種生成活動。在這個活動中，就現象本身而言，至少包含有兩類信息：一是來自對象自身的信息；二是包括觀察者在內的測量系統內部發生相互作用時新生成的信息。

從這個意義上看，微觀粒子在測量過程中表現出的波——粒二象性只是一種現象學意義上的相似，而不是微觀粒子的真實存在。在大多數情況下，現象還不等于是證據，把現象作為一種證據表述出來，還要受到物理學家的背景知識和社會條件的制約，甚至受到已接受的可能世界的基本理念的制約。按照對理論、真理和測量的這種理解方式，由“波包塌縮”現象所反映的問題，就變成了提醒物理學家有必要對過去所忽視的物理測量過程的各個細節，對宏觀與微觀之間的過渡環節，進行更細致的理論研究的一個信號，成為進一步推動物理學發展的一個技術性的物理學問題，而不再是觀念性的與實在論相矛盾的哲學問題。

玻姆的量子論是試圖用非隱喻的字面語言對真實的量子世界進行描述，而現有的量子力學在它的產生初期則是用隱喻的語言對量子世界的一種模擬描述。正是由于理論模型具有的相似性，才使得薛定諤的波動力學與海森堡等人的矩陣力學能夠得出完全相同的結果，并最終證明兩者在數學上是等價的。在量子力學的語境中，不論是波動圖象，還是粒子圖象都只是理論與世界之間的現象學意義上的初級相似。在以后的發展中，量子力學所描述的可能世界的預言與真實世界的實驗現象相一致的事實說明，當馮諾意曼在希爾伯特空間以量子態為基本概念建立了量子力學的公理化體系之后，這些現象學意義上的相似已經上升到認識論意義上的結構相似，說明量子力學描述的可能世界與真實世界在微觀領域內是一致的。這時，以波——粒二象性為基礎的隱喻圖象被整體論的世界圖象所取代。這也許正是物理學家可以在拋開哲學爭論的前提下，只注重量子物理學的技術性發展的一個原因所在。而相比之下，玻姆的理論不過是追求傳統意義上的非隱喻的字面圖象和傳統哲學觀念的一種理想產物。

在對理論、概念和真理的意義的這種理解方式中，理論與世界之間的一致性關系不是建立在命題與概念的層次上，而是以測量語境為本體，建立在物理模型與真實世界之間從現象學意義上的初級相似到認識論意義上的結構相似的基礎之上的。測量語境的本體性，成為我們在認識論意義上承認科學理論是一個信念系統的同時，拒絕后現代主義者把理論理解成是可以隨意解讀的社會文本的極端觀點的根本保證。所以，真理的意義不是取決于詞、概念和命題與世界之間的直接符合，而是在于理論整體與世界整體之間在逼真意義上的一致性。由于可能世界與真實世界之間的這種一致性關系在一定程度上是依賴于社會技術條件的動態關系。因此，以一致性為基礎的真理是依賴于語境的真理，它永遠是一個動態的和可變的概念，而不是靜止的和不變的概念。這顯然是對“把科學研究的目的理解為是追求真理”這句話的最好解答。

3．從思維方式的變革到語境實在論的基本原理

當我們把對理論、真理和意義的這種理解方式應用于對真實世界的認識時，也可以在測量語境的基礎上，對理論進行實在論的解釋。所不同的是，這種實在論不再是把科學理論理解成是提供關于世界的某種鏡象圖景的、以強調語言與命題的真理符合論為基礎的那種實在論，而是把科學理論理解成是通過先對世界的模擬，然后，與真實世界趨于一致的、依賴于測量語境的實在論。不同的理論模型和測量語境可以提供對世界的不同描述。但是，通過進一步的觀察或實驗，我們可以判斷哪一個模型能夠更好地與世界相一致。在這里，理論模型與世界之間的關系是一種相似關系，而不再是相符合的關系；測量結果與對象之間的關系是在特定條件下的一種境遇性關系，而不再是一種純粹的再現關系。我們把這種與量子力學的整體性特征相一致的量子實在論稱為“語境實在論”。用語境實在論的觀點取代傳統實在論的觀點，必然帶來思維方式的根本轉變。需要以整體性的語境論的思維觀取代傳統思維觀。這種思維方式的逆轉主要通過下列幾個方面體現出來：

首先，在本體論意義上，用普遍的本體論的關系論（global-ontological relationalism）的觀點取代傳統的本體論的原子論（ontological atomism）的觀點。承認關系屬性或傾向性屬性的存在，承認概率的實在性，承認世界中的實體、屬性與關系之間的整體性。傳統的原子本體論總是把世界理解成是由可以進行任意分割的部分所組成，整體等于部分之和，牛頓力學是這種本體論的一個典型范例；關系本體論則把世界理解成是一個不可分割的整體，整體大于部分之和，量子力學是這種本體論的一個典型范例。與原子本體論中認為實體可以獨立地擁有自身的屬性所不同，在關系本體論中，實體及其屬性總是在一定的關系中體現出來。這里存在著兩層關系：一層是實體之間的內在關系屬性；另一層是實體固有屬性表現的外在關系條件。前者具有潛存性，后者為潛存性向現實性的轉變創造了有利條件。 其次，在認識論意義上，用理論模型的隱喻論的觀點取論模型的鏡象論的觀點。傳統的模型鏡象論觀點把理論理解成是命題的集合，命題與概念的指稱和意義是由對象決定的，它們的集合構成了對對象的完備描述；而模型隱喻論的觀點雖然也認為理論能夠以命題的形式表示出來，但是，理論不是命題的集合，而是包含有模仿世界的內在機理的模型集合。理論與世界之間的關系不是傳統的相符合關系，而是在一定的語境中，理論描述的可能世界與真實世界之間以相似為基礎的一致性關系。理論系統的模型與真實系統之間的相似程度決定理論的逼真性。這樣，真理不再是命題與世界之間的符合，而是成為理論的逼真性的一種極限情況。或者說，當理論所描述的可能世界與真實世界相一致的時候，理論的真理才能出現。這是對基本的認識論概念的倒轉：傳統的逼真性理論是用命題或命題集合的真理作為基本單元，來衡量理論距真理的距離，即理論的逼真度；而現在正好反過來，是通過對逼真性概念的理解來達到對真理的理解。

第三，在方法論意義上，用語義學方法取代傳統的認識論方法。在傳統的認識論方法中，是用命題的真理或圖象與世界之間的逼真度的術語來表達科學實在論的一般論點。然而，這種方法使我們從開始就需要清楚地辨別對一些解釋性描述的理解。例如，在相同的研究領域內，我們為什么能夠說，一個理論比與它相競爭的另一個理論更逼近真理或更遠離真理？對于諸如此類的問題，如果沒有一個明確的和可辯護的回答方式，那么，逼真性概念要么是空洞的；要么就是不一致的。結果，對理論的逼真性的論證反而成為對“認識的謬誤（epistemic fallacy）”的證明，并在某程度上支持了認識論的懷疑論觀點。但是，如果我們在語義學的語境中，通過對逼真性概念的分析與辯護，然后，衍生出理論的真理，對上述問題的理解方式將不會陷入如此的認識論困境。并且從認識論的懷疑論也不會推論出語義學的懷疑論。

第四，在經驗的意義上，用現象生成論的測量觀取代現象再現論的測量觀。所謂現象再現論的測量觀是指，把物理測量結果理解成是對對象固有屬性的一種再現，測量儀器的使用不會對對象屬性的揭示產生實質性的干擾，它扮演著一個單純意義上的工具角色。理論術語能夠對這些觀察證據進行精確的表述。觀察證據的這種純粹客觀性成為建構與判別理論的邏輯起點；而現象生成論的測量觀則認為，測量是對世界的一種透視，測量結果是在對象與測量環境相互作用的過程中生成的。測量結果所表達的經驗事實，不是純粹對世界狀態的反映，因為經驗事實存在于我們的信念系統之中，而不是獨立于觀察者的意識或論述之外與世界的純粹符合，只是在特定的測量語境中的一種相對表現，是相互作用的結果。或者說，測量語境構成了對象屬性有可能被認識的必要條件。

所以，理論的逼真度與科學進步之間的聯系，應該在經驗的意義上來確立。科學進步的記錄并不是真命題的積累，而是從模型系統與真實系統之間的相似性出發，用逼真度的概念衡量科學研究綱領接近真理的程度。在這里，相似性不是一個命題，也不是兩個世界之間的一種固定不變的關系，而是依賴于語境的一個程度性的概念。它的內容將會隨著我們對世界的不斷深入的理解而發生變化。所以，科學進步不是真命題積累的問題，而是理論的成功預言與經驗事實的函數。

第五，在語義學的意義上，用整體論或依賴于語境的隱喻語言范式取代非隱喻的字面真理范式（literal-truth paradigm）。從17世紀開始，非隱喻的字面真理的范式就已經被科學家廣泛地接受為是理想的語言。其動機是期望把理論模型的言語和論證，建立在優美而簡潔的數學和幾何的基礎之上。當時的理性論者和經驗論者把科學語言當成是理想的合乎理性的語言，或者說，把科學的經驗和知識看成是人類經驗和知識的典范。這種觀點認為，所有的知識與真實世界之間的關系是根據表征知識的命題方式來討論的，科學語言與概念的意義由它所表征的世界來確定，它們不僅在本質上具有固有的字義，而且語言本身的字面意義就是使用詞語的標準。語言的意義不僅與語言的用法無關，而被認為是客觀地對應于世界的各個方面。科學的話語總是關于自然界的現象、內在結構和原因的話語。

然而，在整體論的隱喻語言范式中，理論所討論的是由科學共同體提出的關于世界的因果結構的信念，知識與真實世界之間的關系是根據可能世界與真實世界之間的相似關系來討論的。在這里，兩個世界之間的相似程度的提高是它們共有屬性的函數。在隱喻的意義上，語言與概念的意義是極其模糊的和語境化的，隱喻的表達通常并不直接對應于世界中的實體或事件：即，按照字面的意義理解隱喻的陳述常常是錯誤的。例如，在理解量子測量現象時，實驗已經證明，或者強調使用粒子語言，或者強調波動語言都是失敗的。這也是玻爾的互補性原理在量子力學的時期歲月里容易被人們所接受的高明之處。從本文的觀點來看，關于微觀世界的粒子圖象或波動圖象只不過是傳統思維慣性的一種最顯著的表現而已。事實上，這兩種圖象都只是一種隱喻意義上的圖象，而不代表微觀世界的真實圖象。隱喻與其它非字面的言詞是依賴于語境的。正如后期維特根斯所言，語言與概念的意義依賴于活動，使用一個符號的充分必要條件必須包括對活動的描述。

在這種整體論的思維方式的基礎上，我們可以把語境實在論的主要觀點，總結為下列六個基本原理：

本體論原理：在物理測量的過程中，物理學家所觀察到的現象是由不可能被直接觀察到的過程因果性地引起的。這些不可能被直接觀察到的過程是獨立于人心而自在自為地存在著的。

方法論原理：對一個真實過程的理論模型的建構，是對不可能被觀察到的真實世界的機理和結構的模擬。對于真實世界而言，它在現象學意義上的表現與它的內在結構或機理在定性的意義上具有一致性。即，理論模型具有經驗的適當性。

認識論原理：理論描述的可能世界與真實世界只具有的相似性，它們之間的相似程度是它們具有的共同特性的函數。這些共性是在實驗與測量語境中找到的。

語義學原理：在一定的語境中，理論模型與真實系統之間的相似關系決定理論的逼真性。在理想的情況下，真理是理論描述的可能世界逼近真實世界的一種極限。

價值論原理：科學理論的建構在最終意義上總要受到實驗證據的制約，科學理論的發展總是向著越來越接近真實世界機理的方向發展的。

倫理學原理：包括人類在內的自然界具有不可分割的整體性，關于人類行為的評價標準應該建立在人與自然的整體性關系上。

4．科學進步的語境生成論模式

探討科學進步的模式問題一直是科學哲學研究中的重大理論問題之一。不同的學派提出了不同的觀點。邏輯實證主義者繼承了自培根以來的哲學傳統，認為科學的發展在于對經驗證實的真命題的積累。理論所包括的真命題越多，它就越逼近真理。波普爾把理論逼近真理的這種性質稱為“逼真性”，逼真性的程度稱為“逼真度”。他認為，理論是真內容與假內容的統一，理論的逼真度等于理論中的真內容與假內容之差。而真內容由理論中那些得到經驗確認的真命題所組成。真命題越多，理論的逼真度就越高。在所有這些觀點中，逼真性的主要特性是用命題與事實的符合作為近似真理的基本單元。換言之，是用命題真理的術語來理解理論的逼真性。在這里“符合”沒有程度上的差別；逼真性與真理之間的關系是部分與整體之間的關系。這種“符合”或“與事實相符”包含著四個方面的關系：其一，句子的主語與謂詞之間處于相互聯系的狀態；其二，事態（the state of affairs）與主語之間的指稱關系；其三，謂詞表達與被選擇的事態之間的指稱關系；其四，說話者所選擇的對象與事態之間的相適合關系。[1]

然而，這種以真命題的多少來衡量理論的逼真度的方法，似乎沒有辦法回答諸如下面的那些問題：如果一個理論最后被證明是與事實不相符，那么，這個理論怎么可能接近真理呢？比如說，在當前的情況下，量子場論還是一個不成熟的理論，它在未來一定會被加以修改，那么，我們能夠說，量子場論不如牛頓力學與事實更相符嗎？此外，“符合事實”這個概念也會遇到同樣的問題：如果某個理論根本就是錯誤的，我們又怎能說，它與事實符合的更好或更糟呢？也許有些在表面上曾經顯示出具有某種逼真性的理論，實際上，它卻在根本意義上就是錯的。例如，化學中的“燃素說”、物理學中的“地心說”，等等，這些理論都曾經在科學家的實際工作中，起到過積極的作用。但是，后來的發展證明，它們都是錯誤的假說。另一方面，這種方法還無法解釋為什么在前后相繼的理論中使用的同一個概念，卻具有不同的內涵這樣的問題。例如，經典物理學中的質量概念不同于相對論力學中的質量概念；量子力學的中微觀粒子概念也比經典物理學中的粒子概念擁有更豐富的內涵。庫恩在闡述他的科學進步的范式論模式時，為了避免上述問題的出現，走向了徹底的相對主義。

如果我們用強調理論描述的物理模型與世界之間的相似性比較，取論中包含的真命題的比較來理解理論的逼真性，那么，上述問題就很容易得到解決。在特定的語境中，并存著的相互競爭的理論，分別描繪出幾個相互競爭的可能世界，這些可能世界與真實世界之間的相似程度決定理論的逼真性。逼真度越高的理論，將會越客觀、越接近于真理。真理是理論的逼真度等于1時的一種極限情況。例如，牛頓力學比伽里略的力學更接近真理的真正理由是，因為牛頓物理學所描繪的世界模型比伽里略物理學所描繪的世界模型與真實世界更相似。而不應該把這個結論替換成是，在每一個方法中通過真命題的計數來使它們與精確地說明真實世界的真命題的總數進行比較后作出的選擇。前后相繼的理論中所使用的共同概念的意義也是依賴于可能世界的。不同層次的可能世界雖然賦予同一個概念以不同的內涵。但是，由于更深層的可能世界更接近真實世界的內在結構，所以，對為什么同一個概念會有不同內涵的問題就容易理解了。

我們把由理論描繪的可能世界逼近真實世界的過程，以及前后相繼的理論之間的更替關系總結為：

前語境階段——語境確立階段——語境擴張階段——語境轉換階段

——新的語境確立階段……

在科學進步的這個模式中，前語境階段是指，當科學進入一個新的研究領域時，面對不可能被舊理論所解釋的有限數量的實驗證據和存在的重要問題，科學家首先是進行大膽的創新和積極地猜測，提出可能與證據相一致的相互競爭的理論或假說。這些理論或假說分別描繪出了相互競爭的各種可能世界的圖象。這個時期，科學家在建構理論時，通過模型與現象的比較來約束他們的想象。或者說，他們的富有創造性的想象力是一種意向性的想象，而不是完全隨意的想象。這種意向性的信息直接來自不可能被直接觀察到的對象本身。科學家在相互競爭的理論中作出選擇時，依賴于兩個主要的歸納根據：其一，相信任何一個理論模型的建構都是為了盡可能準確地模擬真實世界的結構和機理；其二，依據模型所產生的信念能夠作為成為設計新的實驗方案的基礎，這個實驗方案的設計是為了探索世界，和檢驗模型與它所表征的世界之間的類似程度。在特定領域內和一定的歷史條件下，根據一個理論的信念所設計的實驗越新穎，在得到應用之后，越能夠證明理論的成功性。同時，理論的調整總是向著與新的實驗結果相一致的方向進行的。而新的實驗結果是由自然界中某種未知的因果機理引起的。

然而，說明的成功（explanatory success）只是理論逼近真理的一個象征或一個結果，或者說，說明的成功只是理論逼近真理的一個必要條件。凡是逼真的理論都必定能夠對實驗現象作出成功的說明。但是，并不是每一個擁有成功說明的理論都是逼真的理論。在理論的說明中，理論的逼真性與不斷增加的成功之間的聯系應該是一個認識論問題，而不是一個語義學問題。一個完整的科學理論從產生到成熟通常要經過三個階段：其一，對現象的描述階段，這個階段得到了在經驗上恰當的模型。例如，在量子力學之前，玻爾等人提出的各種原子模型；第二個階段是建立一個理論的說明模型。例如，現有的量子力學的數學形式體系。第三個階段是為成功的說明模型尋找一種可理解的機理，或者說，對說明模型提供語義學的基礎。相對于一個成熟的科學理論而言，現象——模型——機理三者之間的相互關系具有內在的不可分割的整體性。這也就是為什么原子物理學家在理解量子力學的內在機理的問題上沒有達成共識時，產生了量子力學的解釋問題的原因所在。

在這里，我們所說的模型是指物理模型而不是僅僅指數學模型。物理模型除了包括數學模型之外，還包括理解世界的構成機理的模型。物理模型是為數學模型提供一個語義學基礎。例如，分子運動論模型是解釋壓強公式的語義學基礎；場的觀點是理解引力理論的語義學基礎。所以，物理學中的模型是指真實物理系統的替代物，它既具有解釋的作用，也能夠把抽象的數學系統翻譯為一個可理解的論述。正是在這個意義上，物理學模型是指一個模型簇。由這些模型簇所描繪的可能世界的結構與真實世界的結構之間的相似關系，在選擇理論時是很重要的。一方面，它能夠使理論在科學實踐中被不斷地修改和擴展以適應新的現象，而不是靜止的和孤立的；另一方面，它使相互競爭的理論之間的選擇在科學實踐的規則與活動之內自然地得到了求解。這時，被淘汰掉的理論并非必須要被證偽（盡管證偽也是因素之一），而是如同生物進化那樣是自然選擇的結果。

在這里，把逼真度作為選擇理論的標準，與要么強調經驗證實，要么強調經驗證偽的標準不同，它永遠是動態的和依賴于研究語境的概念。它既有助于把淘汰掉的理論中的某些合理化因素進行再語境化，也能夠確保科學描述和與此相關的實驗技巧與獨立于人心的世界之間建立起一種物理聯結，從而堅持了存在著一個不可能被觀察到的獨立于人心的世界的本體論的實在論觀點。大體上，衡量可能世界與真實世界之間的結構或機理的相似程度可以通過它們之間的共有屬性（或共同特征）來進行。如果用S（A ，B）表示兩個世界之間的基本特征的相似關系，用 A∩B表示共有屬性，A – B和 B - A表示它們之間的差異，那么，在定性的意義上，這些量之間的關系可以定性地表示為：[1]

S（A ，B）= C1F（A∩B）- C2F（A - B）- C3F（B - A）

這個公式說明，兩個世界之間的相似關系是它們的共性與差異的函數。當C1遠遠大于C2和C3時，兩個系統之間的共性將比差異處于更重要的支配地位。其中，三個系數C1、C2和C3 的值是通過實驗來確定的。這樣，我們就有可能在經驗的意義上來研究相似關系。在經驗的意義上，如果相互競爭的理論中的某個理論的描述和說明模型能夠完全依據當前的實驗結果和本體論概念被加以校準，那么，我們就可以認為，這個理論是似真的（plausible）。理論越擬真，它就越逼真。

在一個特定的語境中，當一個理論的說明與理解模型能夠完全經得起經驗的考驗時，科學共同體將認為理論描繪的可能世界與真實世界之間達到了某種一致性。這時，科學的發展進入了語境確立的階段。這個階段相當于庫恩的常規科學時期或范式形成時期。這時，科學家不僅擁有共同的信念和共同的語言，而且擁有對真實世界的共同圖象。他們相信，理論描繪的可能世界代表了真實世界的內在機理；理論描繪的圖象就是不可觀察的真實世界的圖象。為了進一步探索真實世界的精細結構，科學家常常會根據現有理論提供的信念和約定，設計新的實驗規劃，預言新的實驗現象，特別是運用成熟理論中的理論實體進行實驗操作，從而形成了一個相對穩定的語境階段。但是，這個相對穩定的語境邊界是非常不確定的。

當科學家把成熟理論所揭示的世界機理作為一個范式和信念的基礎，延伸推廣到解釋其它相關領域的現象時，科學的發展進入到語境的擴張階段。其中，既包括理論研究的信念與方法的擴張，也包括以它的基本原理為基礎的技術與實驗的擴張。例如，在牛頓理論確立之后，不論是物理學還是化學家，他們都用牛頓力學的基本思想解釋他們所面臨的其它領域內的新的實驗現象，并且成功地制造出了許多測量儀器；同樣，現代技術的崛起和分子生物學、量子化學等學科的產生都是量子力學的基本原理成功應用的結果。所以，語境擴張的過程實際上是已有語境膨脹的過程。當科學共同體在語境擴張的過程中，遇到了與理論信念相矛盾的而且是他們料想不到的實驗事實時，他們才有可能開始對理論的信念產生懷疑，這時，理論的應用邊界，或者說，語境擴張的邊界逐漸地變得明確起來，科學的發展開始進入語境轉換階段。在這個階段，舊語境的擴張受到了限制，新的語境處于形成與培育當中。新的理論競爭也就隨之開始了。隨著新理論競爭的開始，科學共同體的信念也在不斷地發生著改變，直到一個全新的語境形成為止。

當新的語境確立之后，不僅科學家確立了新的信念，而且他們對問題的求解值域也隨之發生了改變。這時，原來前語境中的一些不合理的偏見，在新語境中得到了糾正。在前語境中是真理的理論，在后語境中失去了它的真理性。后語境的形成是伴隨著新理論的確立而完成的。由于新語境比舊語境揭示出了更深層次的世界結構或機理。所以，它在理論信念、方法和技術層次的擴張與滲透力將會比舊語境更強、更徹底。這也就是，為什么量子力學的產生所帶來的理論、方法與技術革命會比牛頓力學更深刻、更廣泛的原因所在。但是，前后語境之間的界線是連續的。這時，就像新理論是對舊理論的一種超越一樣，新語境也是對舊語境的一種超越。由于語境的變遷和運動是不斷地向著揭示世界的真實機理的方向發展的。因此，在語境中生成的理論也使得科學的發展與進步向著不斷地逼近真理的方向進行。本文把科學發展的這種模式稱為“語境生成論模式”。

這里包括兩個層次的生成，其一，理論的形成與完善是在特定的語境中進行的；其二，科學進步也是在語境的變更中完成的。但是，值得注意的是，強調語境化并不意味著使科學進步成為無規則的游戲。把理論系統放置于特定的語境當中，強調了系統的開放性和連續性。在這個意義上，語境論的事實也是一種客觀事實。運用語境論的隱喻思考與模型化方法，不僅能夠使科學進步過程中的微觀的邏輯結構與宏觀的歷史背景有機地結合起來，而且能夠使基本的內在邏輯的東西在歷史的發展中內化到新的語境當中，從而使得語境在自然更替的同時，一方面，完成了理論知識的積累與繼承的任務；另一方面，揭示出更深層次的世界機理。所以，語境生成論的科學進步模式既不會像庫恩的范式論那樣，走向相對主義，也不會像普特南那樣，走向多元真理論。科學進步的語境生成論模式，既能夠包容相對主義的某些合理成份，又能夠堅持實在論的立場。

5．結語

從量子力學的認識論教益中抽象出的語境實在論的觀點，是一種具有更廣泛的解釋力，并且有可能把許多觀點有機地融合在一起的實在論觀點。它不僅能夠賦予量子力學以實在論的解釋，而且為解決科學實在論面臨的許多責難，理清上世紀末圍繞“索卡爾事件”所發生的一場震驚西方學壇的科學大戰，[1] 提供了一條可能的思路。法因曾經在《擲骰子游戲：愛因斯坦與量子論》一書中斷言“實在論已經死了”。[2] 然而，我們通過對量子力學與實在論的分析，在放棄了傳統的真理符合論之后，運用隱喻思考與模型化方法所得出的結論則是，“實在論還活著，而且活的很好”。

[1] D.Bohm and B.J.Hiley， The Unpided Universe: An ontological interpretation of quantum theory， Routledge and Kegan Paul， London (1993).

[1] Jeffrey Alan Barrett， The Quantum Mechanics of Minds and Worlds， Oxford University Press (1999).

[1] Jerrold L. Aronson， Rom Harré & Eileen Cornell Way， Realism Rescued: How Scientific progress of possible， Gerald Duckworth & Co.Ltd (1994): 136-137.

[1] Jerrold L. Aronson， Rom Harré & Eileen Cornell Way， Realism Rescued: How Scientific progress of possible， Gerald Duckworth & Co.Ltd (1994): 133.

篇4

[關鍵詞] 地方院校；量子力學；精品課程建設

[中圖分類號] G642.3 [文獻標識碼] A [文章編號] 1005-4634（2014）01-0057-04

0 引言

我國本科高校按隸屬對象不同，分為部委屬和省屬兩大類別，省屬高校又分為省屬國家“211”重點高校、省部共建高校、地方性直屬高校三類，本文“地方院校”指省屬高校中的地方性直屬本科高校，這些院校大多采取省市共建、以市為主的管理體制，多數建校時間短或由專科升格。

隨著我國高等教育大眾化進程的不斷深入，生源質量降低，教學資源日趨緊張，高等院校的教學壓力逐漸加大，引發了社會對高等教育質量的擔憂。2003年4月《教育部關于啟動高等學校教學質量與教學改革工程精品課程建設工作的通知》（教高[2003]1號），引起了全國范圍內建設國家、省、校三級精品課程的熱潮。量子力學精品課程也同其他課程一樣，經歷了精品課程建設的熱潮，截至2013年9月，共有四校建成國家精品課程，分別是蘭州大學（2004年）、復旦大學（2004年）、清華大學（2007年）、北京大學（2008年）；兩校建成湖北省精品課程，分別是華中師范大學（2003年）和湖北大學（2003年）；兩校建成湖北省地方院校校級精品課程，分別是黃岡師范學院（2007年）、湖北師范學院（2011年）。可見，量子力學國家精品課程全部由985重點大學建設，湖北省精品課程也由211重點大學和省屬重點大學建設，地方院校只有兩校建成校級精品課程，只占湖北省27所地方院校的7.4%，大多數地方院校并未開展量子力學精品課程建設，這與量子力學課程的重要地位極不相稱。量子力學是近代物理學的兩大支柱之一，也是現代工業技術的重要理論基礎，其教學質量的重要性不言而喻，但量子力學又是一門高度抽象的理論物理課程，遠離日常經驗，教與學都有一定的難度。地方院校由于師資力量薄弱，學術資源匱乏，生源素質不理想，教學與科研脫節，導致這些院校的量子力學精品課程大多處于有心無力、舉步維艱的狀態。

地方院校占我國高校總數的90%左右，擔負著服務地方社會經濟建設、培養千百萬專門人才的重任。地方院校是我國高等教育金字塔的塔基，塔基不穩，必然影響我國高等教育的健康發展，因此研究地方院校量子力學精品課程建設，提高人才培養質量是迫在眉睫的重要問題，令人惋惜的是這方面的研究成果太少，難以指導地方院校量子力學精品課程的建設。

1 地方院校視角下量子力學精品課程建設 的內涵

精品課程的評價標準是“五個一流”，即一流教師隊伍、一流教學內容、一流教學方法、一流教材、一流教學管理。精品課程建設研究大多圍繞“五個一流”展開，但精品課程建設應該是分層次的，不同類型的高校應有不同的標準。每個學校都是在自己的層次上、自己的類型上來辦出最高水平的課程，各個學校是不一樣的，精品課定位不一樣，尋找精品課群體也不一樣[1]。地方高校應從自己的辦學定位、培養規格和生源情況來考慮量子力學精品課程建設，基于地方院校視角來理解“五個一流”，揚長避短，不盲目攀比，也不妄自菲薄。

1.1 一流教師隊伍

地方院校普遍存在教師整體水平不高的問題，教師的學歷、職稱、學術水平和重點大學相比有較大差距，教學任務重，技術應用能力不強。重點大學承擔培養拔尖人才的任務，必然要求教師具有較高的學術水平和科研能力，地方院校承擔培養千百萬專門人才，即應用型技能型人才的任務，對教師的學術水平要求不是太高，但要求教師具有較強的技術應用能力。地方院校教師不宜與重點大學的教師比學術水平，但要關注學科前沿，盡快掌握與本學科相關的最新技術，提高重點大學教師并不擅長的技術應用能力，體現地方院校“雙師”型師資的鮮明特色。

地方院校量子力學精品課程的一流教師隊伍，就是要建設一支與應用型人才培養相適應的，具有一定的學術水平、較高的教學水平、較強的技術應用能力的“雙師型”教師隊伍。

1.2 一流教學內容

應用型人才培養的定位，決定了量子力學精品課程的教學內容有別于重點大學，教學內容的核心是量子力學的基本理論、基本知識、基本技能，不求教學內容的高度完整性，適當降低內容的深度和應用數學解題的難度，保持教學內容的前沿性和時代性，滿足學生了解學科發展前沿及其技術應用的強烈愿望。前沿知識不僅可以開闊學生的眼界，而且能夠潛移默化地影響學生未來的發展。

地方院校量子力學精品課程的一流教學內容可以理解為，量子力學基本理論、基本知識、基本技能等學科有效知識與專業發展密切相關的前沿知識及其技術應用的有機整合。有效知識，就是今后能對在該領域繼續學習、繼續研究、開辟新的領域、學習新的知識發揮作用的、最關鍵、最基礎性的東西[1]。

1.3 一流教學方法

重點大學普遍重視討論式、研究式教學方法，基于量子力學學科特點和地方院校學生水平，討論式和研究式的教學方法要慎重使用，如果準備不充分，極有可能出現學生討論時言之無物和研究時無從著手的難堪局面，反而挫傷學生的學習積極性。采用討論式和研究式教學方法，一要內容難度適宜，二要前期準備充分，三要教師循循善誘。量子力學內容高度抽象，學生自學困難較大，因此對教學方法和手段的要求較高。無論選擇什么樣的教學方法，采用什么樣的教學手段，都是為了學生能夠更好地理解和掌握知識，都要適合學生的實際認知水平，不能為了討論而討論，為了研究而研究，應以實際教學效果來評價教學方法的優劣。

地方院校量子力學精品課程的一流教學方法，即以啟發式講授為主，結合課程內容適當采取討論式和研究式教學，傳統教學手段與多媒體技術手段有機結合，集多種方法與手段于一體的教學方法體系。

1.4 一流教材

量子力學教材的選用，國內一般主要選用曾謹言版（重點大學）和周世勛版（地方院校），另有蘇汝鏗版、張永德版、錢伯初版、關洪版等多種教材，也有多種國外優秀教材。鑒于量子力學的某些基本問題至今仍有爭議，甚至國內權威教材中的部分內容仍受質疑，地方院校不宜盲目自編教材，避免對某些問題的不當闡述誤導學生，宜選用國內經典的簡明教材，輔以優秀教材作為參考書，以滿足不同學生的學習要求，通過立體化、一體化教材建設，補充量子力學的最新進展和實際應用，更好地為地方院校培養應用型人才服務。

地方院校量子力學精品課程的一流教材，即在選用國內經典簡明教材的基礎上，選擇國內外優秀教材作參考書，著力打造包括電子教案、PPT、習題答案、試題庫、仿真實驗、網絡課堂等資源在內的立體化、一體化教材。

1.5 一流教學管理

精品課程需要通過科學的管理為其提供制度保證。科學的教學管理和規范的管理機制，是精品課程的重要條件。精品課程的教學管理既包括對課堂教學的組織、實踐教學的安排、學習成績的評定等教學環節的管理，還包括師資隊伍的配備、課程建設過程的管理、教學保證條件的建設等[2]。

地方院校作為教學型大學，科研上處于劣勢，教學管理上更應加強，應將一流教學管理作為量子力學精品課程的重要特色來建設。

地方院校量子力學精品課程的一流教學管理，即建立健全與應用型人才培養目標相適應的教學管理制度，包括編、備、教、輔、改、考各教學環節的管理制度，以及經費投入、師資配備、用人機制和激勵機制、課程評價等教學質量保障制度，認真落實各項教學管理制度并切實做好教學質量監控，保證課程建設的可持續發展。

2 地方院校視角下量子力學精品課程建設 的對策

2.1 建設一支與應用型人才培養適應的師資隊伍

地方院校培養應用型人才的定位，客觀上要求教師應具有教師和工程師（或技能師）的雙重身份。量子力學精品課程的師資隊伍建設，除引進高層次人才、抓好現有教師的轉型提升、開展與課程相關的教研和科研等常規措施之外，尤其要重視師資隊伍的技術水平和能力的培養，通過產學研用結合切實提高教師的技術操作能力、應用能力和轉化能力。加強學校與科研機構、企業的合作，聘請經驗豐富的科研人員和工程師作為兼職教師，提高教師隊伍整體的科研水平和技術實力。

2.2 精選課程有效知識構建學科基礎，實現理論 與應用、基礎與前沿的完美結合

夯實基礎、關注前沿、了解應用、激發興趣是一流教學內容的必然要求。在教學內容的選擇和安排上，要注意與知識的實際應用相聯系，找準最佳結合點，融入學科前沿的理論知識和學科發展的最新成果。

量子力學的有效知識包括量子力學的發展歷史、量子力學的五大公設、定態問題求解、表象變換理論、微擾理論、電子自旋等，有效知識構成課程的核心知識；學科前沿知識、量子力學在現代科技和其它學科中的應用等內容構成課程的補充知識；散射等相對困難的內容構成課程的知識。核心知識具有相對穩定性，要求熟練掌握；補充知識具有時代性，要求學生了解而不求掌握；知識具有可選性，建議有能力的學生選學。核心知識和補充知識屬于第一層次的教學內容，面向全體學生；知識屬第二層次的教學內容，面向部分學生。教學內容的分類既有利于實現教學的層次化，又有利于實現理論與應用、基礎與前沿的有機結合。

2.3 構建教學理念先進、與學生水平相適應的教 學方法體系

以教師為主導，以學生為主體。變單一教學方式為多樣化教學方式構成的有機體系，變以教為主為以學為主或學教并重，變傳統課堂教學為傳統課堂教學和網絡課堂教學相結合。基于量子力學的抽象性，講授仍是主要的教學方法，但應注重啟發學生積極思考，采取課內、課外、網絡等多種形式增強師生互動，結合適當的內容開展討論和研究。

可以組織學生討論如量子力學相關實驗的解釋、量子力學基本原理的各種理解、一維定態問題的求解方法等；也可討論量子力學的某些新進展和新的技術應用，要求學生就“量子糾纏”、“EPR佯謬”、“量子計算機原理”等內容展開調研，撰寫文獻綜述報告，將討論和初步的研究結合起來，培養學生從事科學研究的基本素質；也可建議能力較強的學生對“密度矩陣表示量子態”、“路徑積分量子化”、“自由粒子的狄拉克方程”等較新的內容進行一些初級的理論探討，通過寫小論文的方式總結研究結果等。

討論和探究的關鍵在于培養學生的參與意識、問題意識和批判意識，不奢望畢其功于一役，長期堅持一定會有收獲。

2.4 選擇適宜的教材和教學參考書，建設立體化、 一體化教材

選擇周世勛版《量子力學教程》作為教材，因為它比較簡明，適合初學者和地方院校生源的實際水平；選擇曾謹言版《量子力學教程》作為主要參考書，因為它是全國大多數高校指定的考研參考用書，要照顧部分考研學生的需要；還可選擇其他國內外優秀教材作為參考書，以兼收并蓄、博采眾長。

教材是教學內容的載體，一流教材必然要展現一流教學內容。立體化、一體化教材不是簡單的教材和教參搬家，應將學科最新的研究成果、成功的教改經驗和教師自己的教科研成果及時地反映出來。一流教材除電子教案、PPT、全程教學錄像、習題解答、試題庫、網絡互動答疑、在線測試等內容外，還要自編學習輔導用書，內容大致可包括學習內容輔導、考研輔導、閱讀材料三大部分。學習內容輔導應梳理各章知識點及聯系、重點難點的學習經驗，補充典型習題；考研輔導可提供各類院校近年來的量子力學考研試卷，分析考試內容涵蓋的知識點和相關的考核要求；閱讀材料可介紹量子力學的最新進展、與量子力學有關的各交叉學科、量子力學的發展歷史以及逸聞趣事等。

2.5 抓緊抓實全方位全過程的教學管理

精品課程建設是一個綜合系統工程，只有扎扎實實、認認真真、持之以恒地努力工作，才能把事情做好[3]。一流教學管理是精品課程建設的重要方面，建章立制是基礎，教學各環節的過程管理是縱線，教學保障條件建設管理是橫線，教學質量監控、反饋和改進是保障。教學管理不必標新立異，抓緊、抓實、抓細、抓出成效，就是教學管理的最大特色。

教學各環節的管理制度中，重點要改變學業成績評價標準，變結果評價為過程評價，正確把握考試導向，降低期末考試比重，加大平時考核比重，將考勤、作業、提問、小論文、課程設計納入平時考核。

教學質量保障制度的建設和落實要抓好以下幾個方面：學校要加大對精品課程建設的經費投入；選擇學術水平較高、教學效果得到師生公認的優秀教師擔任課程負責人，組建由課程負責人負總責、主講教師分工與合作的教學隊伍；對參與精品課程建設的教師，在評優評先、晉升職稱等方面優先考慮；抓實教學過程的質量監控，完善同行評教、學生評教、畢業生評教和評教意見的及時反饋及改進制度；抓住一切校內外的交流機會，博采眾長，不斷更新充實網上資源，確保精品課程建設的可持續發展。

3 地方院校視角下量子力學精品課程建設 的初步成果

2011年起，荊楚理工學院應用物理學專業開設量子力學課程。三年來，量子力學教學團隊堅持以建設校級精品課程為目標，始終追求精品境界，目前量子力學精品課程的基本資料已準備就緒，擬申報校級精品課程，并計劃在校級精品課程基礎上，力爭申報省級及以上精品課程，最終轉型升級成為精品資源共享課。

教學團隊堅持教學和科研相結合，重視研究解決教學過程中存在的突出問題，以教科研水平的提高帶動教學水平的提高。三年共主持完成湖北省教育科學“十一五”規劃課題“理工類本科生物理學習障礙歸因及對策研究”一項，此課題于2013年5月被湖北省教科規劃辦批準結題，鑒定結論為：課題研究整體設計規范，研究路線科學，課題組成員分工合理，研究成果豐富且有實效；正主持湖北省教育科學“十二五”規劃課題一項：“地方院校應用物理學專業人才培養模式研究”。在學術研究方面，教學團隊圍繞量子糾纏態、量子點、反應微分截面等方向進行了比較深入地研究，取得了一些成果，近幾年在國外英文期刊和國際學術會議上發表了6篇英文學術論文，其中4篇被EI收錄，2篇被INSPECT收錄，并在原子與分子物理學報、重慶大學學報、量子光學學報等中文核心期刊上發表了8篇學術論文。

科學研究提高了教師的學術水平，加深了對量子力學課程內容的深刻理解，促進了教學的深入淺出，實現了理論與應用、基礎與前沿的有機結合，量子力學課程教學質量逐年穩步提高：三年來師生評教均分都在95分以上，教學效果得到師生認可；學生學習量子力學的積極性明顯提高，學業成績的統計結果表明，大部分學生較好地掌握了量子力學的基本理論、基本知識和基本技能，并對量子力學知識的有關應用和學科發展前沿產生了濃厚興趣，越來越多的學生開始選擇以量子力學的有關研究作為畢業論文選題，其中2009級兩名學生的畢業論文榮獲學校優秀畢業論文；不少學生考研時量子力學科目也取得了135分以上的較好成績。荊楚理工學院量子力學精品課程建設取得的初步成效，從理論和實踐兩方面證明了建設具有地方院校特色的量子力學精品課程是可行的。

4 結束語

精品課程不應千課一面，不同類型的院校應該有不同類型的精品課程，量子力學精品課程建設也不應該成為重點大學的專利，地方院校完全可以根據自己的培養目標、培養規格、生源狀況，正確地理解“一流教師隊伍、一流教學內容、一流教學方法、一流教材、一流教學管理”，建設具有應用型人才培養特色的量子力學精品課程，在精品課程建設上實現與重點大學的錯位發展。

參考文獻

[1]袁德寧.精品課建設及課程支撐理念的轉變[J].清華大學教育研究，2004，25（3）：53-57.

篇5

打開自然科學教科書，映入眼簾的是哥白尼、牛頓、達爾文、法拉第、愛因斯坦等一連串外國科學家閃光的名字。歷史將會牢記、人類也將會牢記他們！細心的讀者也許會沮喪地發現：在這一串閃光的名字中很難找到中國科學家！

據不完全統計，近一百多年來因為科學貢獻而被寫進自然科學教科書的中國科學家也就100名左右，除去那些驗證性、修正性工作而自己沒有重大原始創新的科學家，剩下的可能不足50名，而有正式數學公式傳世（被寫進教科書）的中國科學家更是不足30名。甘永超，憑借“波粒二象關系式（Gan矩陣與Gan變換）”成為了最新加入這一群體的中國學者。

與卡門-錢學森公式、錢偉長方程、吳文俊公式……相比，甘永超可謂名不見經傳，然而他提出的“波粒二象關系式”卻能把量子力學的兩大開山之作（德國物理學家普朗克1900年提出的能量子假說：ε=hv，獲1918年諾貝爾物理學獎；法國物理學家德布羅意1923年提出的物質波假說：λ=h/p，獲1929年諾貝爾物理學獎）完美地統一起來，并且還可以揭示“波”與“粒子”之間的直接、線性關系并給出精準的數學表達（那可是物理學所面臨的尚未征服的山峰中的最高峰），就像愛因斯坦的質能關系式揭示“質量”與“能量”的直接、線性關系并給出精準的數學表達一樣！此外，該公式還揭示了“物質”與“空間”之間的必然聯系，就像愛因斯坦的相對論揭示“時間”與“空間”、“質量”與“能量”之間的必然聯系一樣。

早在大學時代，甘永超就對物質結構理論，尤其是波粒二象性產生了濃厚興趣。后經我國科學界泰斗王淦昌院士推薦而成為上海大學物理系主任沈文達教授（沈先生早年曾師從諾貝爾物理學獎獲得者、量子光學之父、哈佛大學教授羅伊·格勞伯）的研究生。經過20多年錘煉，甘永超創立的一個物理公式（波粒二象關系式）、兩個物理模型（“π型三重波粒二象性”與“太極粒子波”）已經被寫進“21世紀高等院校教材”《自然科學概論》（婁兆文等編、科學出版社、2012年版44-48頁）。這是一百多年以來很少見到的事情。當然，其間的曲折可能一言難盡。這里僅就甘永超所提出的一個物理公式、兩個物理模型稍作介紹。

“波粒二象關系式（Gan矩陣與Gan變換）”不僅數學形式對稱、優美，而且還可以作為量子力學的基本原理而直接導出量子力學的兩大開山之作（普朗克的能量子假設和德布羅意的物質波假設），精辟地揭示“波”與“粒子”、“物質”與“空間”之間的緊密聯系。我們知道，實物（粒子）與場（波）之間的關系被前蘇聯科學家瑞德尼克在《量子力學史話》中稱之為“物理學所面臨的尚未征服的山峰中的最高峰”，所以，對“波粒二象關系式（Gan矩陣與Gan變換）”的研究，將會打開一座巨大的寶藏，只是這座寶藏（波粒二象關系式的物理內涵）神秘莫測，我們現在還遠遠沒有弄清楚。

作為初步推斷，“波粒二象關系式”至少是對“π型三重波粒二象性”這一物理模型的數學抽象，而“太極粒子波”則又是對“π型三重波粒二象性”（當然也包括“波粒二象關系式”） 的進一步解讀和發展。事實上，這一個物理公式、兩個物理模型，首尾呼應，渾然天成，開辟了繼“分子物理”、“原子物理”、“原子核物理”、“粒子物理”之后的又一個新學科與新領域“波與粒子的統一——‘太極粒子波物理’”并預言了一種新式武器——“巨粒子炮”的存在。

我們知道，“第一種波粒二象性（光的波粒二象性）”由愛因斯坦1905年揭示、密立根1916年驗證，“第二種波粒二象性（實物粒子的波粒二象性）”由德布羅意1923年揭示、戴維森和小湯姆孫1927年驗證，兩者的揭示與驗證曾四次頒發諾貝爾物理學獎。然而，盡管前兩種波粒二象性的揭示與驗證四獲諾貝爾物理學獎，但“波粒二象性之謎”卻并沒有完全揭開，它與“光的本性之謎”、“粒子與場的關系之謎”、“物質世界的最基本結構單元之謎”依然是物理學前沿的四大疑難問題。對此，甘永超基于他“經典電磁場按光子對應分解”亦即“第三種波粒二象性”的揭示，完成了“三種波粒二象性的和諧統一”并揭示了微觀客體的“π型三重波粒二象性”——這是比“光的波粒二象性”、“實物粒子的波粒二象性”更高層次的理論，蘊含著物質世界的更深刻本質。在這里，“光的波粒二象性”與“實物粒子的波粒二象性”雖然四獲諾貝爾獎，卻不過是“π型三重波粒二象性”的兩個分支或者推論，屬于管中窺豹、瞎子摸象，只有“π型三重波粒二象性”才是揭示微觀客體深刻本質的實質性內容。換言之，我們司空見慣的“電磁波”與“光量子”不過是“太極光子波”的兩種變化形式，就像“白骨精”變化而成的“村姑”與“老媼”一樣。

篇6

關鍵詞：量子定位 量子糾纏 Hong-Ou-Mandel干涉

中圖分類號：TN918 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）08（a）-0007-02

Abstract：For the traditional satellite navigation and global positioning system， the positioning accuracy is limited by the energy and bandwidth of electromagnetic pulses. With the development of quantum mechanics， laser pulses are used to replace the electromagnetic pulse signal and realize a high positioning precision approximating the physical limits because of their quantum entanglement properties， which is named as“quantum positioning system”. To describe the basic principle and characteristics of the quantum positioning advantages， while its key technologies and the broad application prospect in the future are analyzed as well.

Key Words：Quantum Positioning；quantum entanglement；Hong-Ou-Mandel interference

衛星導航定位技術以天基人造衛星為基本平臺，能夠為全球海、陸、空、天各類軍民用載體提供全天候、二十四小時連續不間斷的高精度三維位置、速度和時間信息。目前技術成熟的衛星導航定位系統，包括美國的全球定位系統（Global Position System，GPS），歐洲導航定位衛星系統，我國的北斗導航系統，廣泛應用于交通導航、衛星授時應用、應急指揮、民用水情測報服務等，發揮了非常重要的作用。

雖然GPS在導航定位領域獲得了前所未有的成功，但仍然存在以下幾個方面的問題。

（1）定位精度仍然不夠高，系統體制仍存在著物理極限。因為GPS定位的原理是通過重復地向空間發射電磁波信號，檢測電磁波到達待測點的時間延遲來實現的，這種以經典物理學為基礎的方法受到所能實現的可利用功率及帶寬的限制，其測量精度很難獲得進一步的提高。此外，電磁波信號受到電離層和對流層的干擾，特別在城市、山區等復雜自然環境下，由于高層建筑、樹木等對信號的影響，會導致信號的非直線傳播，從而使得不同環境下的導航效果具有比較大的差異。

（2）保密性較差，美國斯坦福大學設立有一個專業實驗室，主要截獲并分析全球所有的衛星信號，華裔學者Grace Xingxin Gao在2008年的博士論文《Towards navigation based on 120 satellites： analyzing the new signals》，較為詳細地闡述了衛星信號的跟蹤與破譯方法，雖然不能確信是否能夠破譯所有的偽隨機碼，但至少是可以部分破譯的。

（3）抗干擾能力差，與其他傳感器系統相比，GPS信號強度很弱，因此更加容易受到電磁干擾，使基于GPS的導航系統存在穩定性漏洞。

由于存在著這些缺陷，美國投入巨資完善并發展GPS系統。基于量子技術的量子定位系統（Quantum Positioning System， QPS）作為一種定位精度高、保密性能強的導航定位技術，就是其發展重點之一。量子定位的概念最先是由美國麻省理工學院研究人員于2001年提出，其與傳統定位系統的本質區別在于所采用信號的不同。傳統定位如GPS系統采用的是基于重復發送電磁波脈沖測量信號達到時間，通過計算得到距離信息，而量子定位系統采用的是具有量子特性的光子脈沖。利用光子的微觀量子特性，如量子糾纏和量子壓縮態，量子定位系統就能夠超越經典測量中能量、帶寬和精度的限制，精度可接近海森堡測不準原理所限定的物理極限。

1 量子定位技術的關鍵技術

1.1 量子定位系統的原理

量子定位技術利用具有量子特性的激光脈沖，取代傳統GPS的微波信號來實現精確定位。區別于微波信號的長波長波束覆蓋寬，激光的波長很短指向性很高，衛星與用戶間的傳統同步方法不再適用。因此量子定位系統的定位不應是取代現有GPS，而是與GPS相結合，實現安全高精度的定位目的。通過對量子定位技術原理的研究與優選，提出具有實用性的量子定位系統體系架構以及面向用戶的應用模式，才能將量子定位系統推廣應用。

量子定位系統由量子糾纏態光源、HOM干涉測量部分以及系統控制部分組成，其基本原理與關鍵特性如下。

（1）高性能量子糾纏態光源。在光與非線性晶體相互作用的過程中，能夠產生一種非線性光學效應，這種效應一對低頻率光子具有很強的量子糾纏、關聯和非定域特性，可實現時間和空間上的高精度測量。作為光源，光子糾纏態的糾纏純度、退相干時間對系統性能將產生巨大的影響。

（2）高穩定HOM干涉測量與處理。在量子力學的Hong-Ou-Mandel（HOM）干涉中，由于雙光子的糾纏特性，干涉是不可區分的雙光子整體態。當兩個光子在時域上同時到達分束片上時，雙光子態不可區分，此時干涉出現，兩個探測器的計數出現強的反關聯。反之，當我們改變一條鏈路中的延時，致使復合計數出現強的反關聯時，即可知道此時兩個光子在時域上不可區分。這正是利用HOM干涉實現量子定位系統的基本原理。

（3）高精度ATP與時間同步技術：在單組基線的系統中，需通過改變可控反射模塊來實現基線與待測點r0之間建立穩定的光鏈路。二者的精確指向將影響到最終定位的精度，因此對反射模塊的反射角度需要進行反饋控制。在利用參考光實現對于待測點ATP（獲取、跟蹤、瞄準）之后，定位過程將通過精密調整延時并觀測探測器的復合計數來實現。

1.2 量子定位系統與量子保密通信的結合技術

原理上，量子定位系統與量子保密通信都是基于量子糾纏態的分發與后處理。因此，在同一套系統中實現兩種功能具有可行性。研究在量子定位過程中引入量子保密通信的技術，實現對交互信息的保密處理，提高量子定位系統的安全性。兩者相結合，能夠充分發揮量子定位系統技術優勢的方法，能有效提升量子定位的使用程度，是未來量子定位系統的一個應用方向。

1.3 大氣、重力場環境的干擾校正技術

與GPS類似，為了實現寬覆蓋、全天候工作，星載平臺將是未來量子定位系統走向實用化的最佳平臺。對于LEO低軌衛星等自由空間傳輸的星地鏈路而言，大氣的損耗、湍流、散射，重力場對于授時的影響都是系統中必須考慮的因素，必須通過對環境的建模與仿真，分析對信息傳輸鏈路的影響，以實現量子定位系統的校正。

2 量子定位技術的發展前景

量子定位技術作為一種不同于傳統GPS的新型精確定位技術，是量子光學和通信導航技術相融合的典范。這項技術的深入研究，能為下一代高精度導航系統提供量子水平的定位精度。特別是在以下兩個方面。

（1）量子定位系統技術理論和工程實現將促進電子信息系統進入量子時代。

隨著信息化社會的發展，未來將逐步進入量子的時代。在量子領域的實用化進程中，高性能、大規模的量子設備（如星地量子保密通信、量子計算處理芯片、高性能糾纏源）已逐步面世。這也為量子定位技術逐步實用化提供了良好的基礎。

（2）量子定位系統與量子密碼技術的結合是未來實用化的最佳途徑。

目前量子密碼是目前最具有實用性的量子技術。將量子定位系統與量子密碼技術相結合，擴展研發系統的功能，改善系統的安全性與抗干擾性。這對于軍用安全電子以及電子對抗裝備意味著創新的實現。同時作為一種全新的交叉領域的產物，針對量子定位系統技術的深入研究和實際系統研制，將大力促進我國在量子領域、激光通信等相關學科的快速發展。

篇7

 

在信息時代，網絡安全是一個嚴峻的問題。信息安全已經得到了各國政府的高度重視，一方面要保護自己的安全，另一方面要攻擊對方，信息保護的升級刻不容緩。

 

1 現代密碼學

 

現代密碼學的基本思想是發送方使用加密算法和密鑰，將要保密的信息變成數字發送給接收方。密鑰是隨機數0、1，將其與要傳送的數字明文放在一起，用加密算法把它們變成密文，密文就是傳送的信息。接收方使用事先定好的相應的解密算法，反變換將明文提取出。

 

密碼體制分為兩類：一類叫對稱密鑰(非公開密鑰)，它的加密密鑰和解密密鑰相同，通信雙方需要事先共享相同的密鑰，關鍵在于如何安全地傳遞密鑰。其中有一種一次一密(one time pad)的密碼，用與明文等長的二進制密鑰與明文異或得密文，并且每個密鑰使用一次就銷毀，根據香農的證明一次一密是無法破譯的。

 

另一類叫非對稱密鑰(公開密鑰)，加密密鑰和解密密鑰不相同，加密密鑰公開，發送者發送密鑰與明文混合之后的密文，接受者使用不相同的密鑰解出密文。從公開的加密密鑰推導出解密密鑰需要耗費極巨大的資源，雖然原則上可破解，但實際做不到，所以，在當今社會受到廣泛使用。

 

一旦量子計算機研制成功，它可以更快速的破解數學難題，公開密鑰就面臨了嚴峻挑戰。

 

2 量子密碼

 

無論采用哪種方法，都無法避免“截取-重發”的威脅。為了應對強大的量子計算機，需要無條件安全的一次一密的加密方案;但必須解決密鑰分配的安全性，可以借助于量子信息作為密鑰傳輸的工具。一次一密不可破譯加上密鑰傳輸不可以竊聽，從理論上就可以做一個“絕對安全”的量子保密通信。

 

量子密碼是利用信息載體(例如光子等粒子)的量子特性，以量子態作為符號描述的密碼，它的安全性是由量子力學的物理原理保障的。

 

①測量塌縮理論：除非該量子態本身即為測量算符的本征態，否則對量子態進行測量會導致“波包塌縮”，即測量將會改變最初的量子態。②不確定原理：不能同時精準測量兩個非對易物理量。③不可克隆原理：無法對一個未知的量子態進行精確的復制。④單個光子不可再分：不存在半個光子。

 

3 量子通信

 

量子通信，廣義是指量子態從一個地方傳送到另一個地方，內容包括量子隱形傳態、量子糾纏交換、量子密鑰分配;狹義上是指量子密鑰分配或基于量子密鑰分配的密碼通信。本文講述的是狹義的量子通信。

 

3.1 單光子的偏振態

 

本文介紹采用BB84協議實現的量子通信，在發送者和接收者之間用單光子的偏振態作為信息的載體。有兩種模式：一個是直線模式，光子偏振態的偏振方向是垂直或者水平，如圖1所示;一個是斜線(對角)模式，光子偏振態的偏振方向與垂直線稱45 ?觷角，如圖2所示。

 

3.2 基于BB84協議下的“制備-測量”

 

依照慣例，密碼學家稱發送者為Alice，接收者為Bob。Alice隨機用直線模式或對角模式發出光子，并記錄下不同的指向。Bob也隨機決定用兩種模式之一測量接收到的光子，同時記下采用檢偏器的模式和測量結果值。傳送結束后，Alice與Bob聯絡，Bob告訴Alice他分別采用哪種模式測量，然后Alice會告訴Bob哪些模式是錯誤的，這一過程無須保密。之后他們會刪除使用錯誤模式測量的光子，而正確模式測量出的光子按照統一規定變成0、1碼后，就成為量子密鑰。

 

3.3 發生竊聽

 

根據“海森堡測不準原理”，任何測量都無法窮盡量子的所有信息。因此，竊聽者想要復制一個完全相同的光子是根本不可能的事情。同時，任何截獲或測量量子密鑰的操作都會改變量子狀態，竊聽者只得到無意義的信息，而信息合法接受者也可以從量子態的改變，知道存在竊聽者。

 

密碼學家通常稱竊聽者為Eve，同Bob一樣只能隨機選擇一種測量模式，當她采用錯誤的測量方式對某一光子測量時，由于波包塌縮，光子的偏振態會改變。比如，Eve使用對角模式測量直線模式下的光子態，光子態會塌縮為對角模式。之后即使Bob選擇了正確的測量模式測量該光子，Bob可能會得到不符合編碼信息的測量結果，這就產生了誤差，具體通信過程如圖3所示。

 

Eve竊聽一個光子采用錯誤測量模式的概率是50%;采用錯誤模式時，信息可能變成0，也可能變成1，他有25%的概率被發現。但密鑰并非一個光子組成，光子數越多被發現的概率就會越高。當誤碼率低于閾值，就可以稱這個密碼是安全的;當誤碼率超過閾值，就稱密碼被竊聽，重新再制備新的密鑰，一直檢查到密鑰在建立過程中沒有竊聽者存在，接下來進行一次一密的傳送。通過這種方式能保證密鑰本身安全，并且加密密文不可破譯，這就是量子通信的安全性所在。

 

3.4 量子信道與經典信道

 

發送方通過量子信道傳送量子態光子，接收方用兩種不同類型的檢偏器測量，檢測出0、1組成的量子密鑰，還需要一個經典信道。因為是采用一次一密方式，所以經典信道需要定時傳送同步信號。

 

4 量子通信現狀

 

由于量子通信技術的各種優勢，國際上的一些國家，特別是美國、日本、歐盟都投入了大量的人力物力，進行量子通信的理論與實驗研究。2002年美國BBN公司，哈佛大學和波士頓大學開始聯合建造DARPA網絡。2010年日本在三個政府機構之間使用量子密鑰分配技術，并與2010年10月在東京演示了一個城域量子保密通信網。2010年西班牙馬德里建成歐盟第一個城域QKD網絡。我國也在量子通信技術的道路上不斷發展。2012年“金融信息量子通信驗證網”是世界首次利用量子通信網絡實現金融信息的傳輸。2012年黨的“十”期間在部分核心部位部署量子通信系統。2013年量子保密通信“京滬干線”正式立項，打造廣域量子通信網絡。

 

5 結 語

 

量子通信還有一些技術難題未攻破，例如信道的干擾，設備的非理想特性，身份驗證、密鑰存儲等技術需要進一步改良等等。雖然理想情況量子密碼不可破，但在實際中還有一些漏洞需要考慮。在未來幾年，相信我國在中央、地方政府及相關部門大力支持下，通過相關科研團隊的努力，量子通信技術會不斷完善，量子通信產業也必將取得飛速發展。

篇8

      

        專家論壇

        (1)可修備件保障概率的適用模型 丁定浩

        可靠性與環境適應性標準信息與行業動態

        (4)使用28／20nm工藝，宜特引進高功率高溫工作壽命（htol）試驗解決方案 無

        電子元器件與可靠性

        (5)線繞電位器不規則阻值跳變的故障分析 陳雁 段超 王旭 張偉

        可靠性與環境適應性標準信息與行業動態

        (8)美首次研制出穩定單原予層鍺 或取代硅制晶體管 無

        電子元器件與可靠性

        (9)動態電阻測試問題分析 賴忠有

        (12)igbt模塊功率循環疲勞壽命預測 姚二現 莊偉東 常海萍

        可靠性與環境適應性標準信息與行業動態

        (17)黑客軟件能讓手機控制飛機 無

        安全與電磁兼容

        (18)電動汽車用動力電池環境下的安全性能 李凱 王奐

        (22)瞬態傳導騷擾測試方法及其抑制技術的探討 黎俊勇

        可靠性與環境適應性標準信息與行業動態

        (25)室溫量子比特數據存儲再創紀錄 無

        質量管理與產品認證

        (26)實時測控軟件研制過程中質量控制方法研究 朱丹 王斌 童艷

        可靠性與環境適應性標準信息與行業動態

        (29)美軍擔心軍事機器人程序變異 可能毀滅世界 無

        質量管理與產品認證

        (30)關于大型軍貿產品驗收規范編制要點的探討 史紅英

        (35)裝備研制過程中的質量管理 生建友 薛衛娟

        可靠性與環境適應性標準信息與行業動態

        (40)我國科學家首次在實驗上發現量子反常霍爾效應 無

        可靠性與環境適應性理論研究

        (41)深入理解失效率和瞬時失效率 李沙金 馮敬東

        (49)電子產品壽命評估關鍵技術的研究 陳華平 李輝 張穎 鹿文軍 溫志英

        可靠性與環境適應性標準信息與行業動態

        (52)科學家在宏觀尺度上驗證了量子力學的基本原理 無

        計算機科學與技術

        (53)物聯網安全傳輸協議的研究與設計 鐘晶 王潁凱

        (57)圖像處理中的正交變換探討 劉舜鑫 劉少卿

        可靠性與環境適應性標準信息與行業動態

        (62)2012年《電子產品可靠性與環境試驗》增刊征訂啟事 無

        綜述與展望

        (63)it服務能力成熟度模型綜述 王索

        計量與測試技術

        (70)關

jjg455—2000《工作測力儀》中張力儀的探討 易軍

        無

篇9

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，是個類社會發展最迅速的一個世紀，是科學技術發展最迅速的一個世紀，也是物理學發展最迅速的一個世紀。在這一百年中發生了物理學革命，建立了相對信紙和量子力學，完成了從經典物理學到現代物理學的轉變。在二十世紀二、三十年代以后，現代物理學在深度和廣度上有了進一步的蓬勃發展，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律有了更深刻的認識，物理學理論達到了一個新高度，現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展前景，探索今后物理學發展的方向。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，經典物物學的各個分支學科均發展到了完善、成熟的階段，隨著熱力學和統計力學的建立以及麥克斯韋電磁場理論的建立，經典物理學達到了它的頂峰，當時人們以系統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觀察到的物理現象。由于經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建成，物理學的發展基本上已經完成，人們對物理世界的解釋已經達到了終點。物理學的一些基本的、原則的問題都已經解決，剩下來的只是進一步精確化的問題，即在一些細節上作一些補充和修正，使已知公式中的各個常數測得更精確一些。

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，科學實驗卻發現了許多經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現：電子、X射線和放射性現象的發現。其次是經典物理學的萬里晴空中出現了兩朵“烏云”：“以太漂移”的“零結果”和黑體輻射的“紫外災難”。[1]這些實驗結果與經典物理學的基本概念及基本理論有尖銳的矛盾，經典物理學的傳統觀念受到巨大的沖擊，經典物理發生了“嚴重的危機”。由此引起了物理學的一場偉大的革命。愛因斯坦創立了相對論；海林堡、薛定諤等一群科學家創立了量子力學。現代物理學誕生了！

把物理學發展的現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，現代物理學經過七十多年的發展，已經達到了成熟的階段。人類對物質世界規律的認識達到了空前的高度，用現有的理論幾乎能夠很好地解釋現在已知的一切物理現象。可以說，現代物理學的大廈已經建成。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、原則問題都已經解決了，今后能做到的只是在現有理論的基礎上在深度和廣度兩方面發展現代物理學，對現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驗，多數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象是現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，經典物理學發生了“嚴重的危機”；而在本世紀之交，現代物理學并無“危機”。因此，我認為目前發生現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象是現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，經典物理學發生了“嚴重的危機”；而在本世紀之交，現代物理學并無“危機”。因此，我認為目前發生現代物理學革命的條件似乎尚不成熟。客觀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律和探索各層次間的聯系。

回顧二十世紀物理學的發展，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向前發展。

1）在微觀方向上深入下去。在這個方向上，我們已經了解了原子核的結構，發現了大量的基本粒子及其運規律，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，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生，認為宇宙從“無”誕生，今后在這個方向上將會繼續有所發展。從根本上來說，現代宇宙學的繼續發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。現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系。

這正是統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，先是非平衡態統計物理學有了得大的發展，然后建立了“耗散結構”理論、協同論和突變論，接著混沌論和分形論相繼發展起來了。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展有廣闊的前景。

上述的物理學的發展依然現代物理學現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展呢？有一些物理學家在追求“超統一理論”。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“大統一理論”以及再加上引力把四種力都統一起來的“超統一理論”，他們的探索能否成功尚未定論。

愛因斯坦當初探索“統一場論”是基于他的“物理世界統一性”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，根據辯證唯物主義的基本原理，我認為“物質世界是既統一，又多樣化的”。且莫論追求“超統一理論”能否成功，即便此理論完成了，它也不是物理學發展的終點。因為“在絕對的總的宇宙發展過程中，各個具體過程的發展都是相對的，因而在絕對真理的長河中，人們對于在各個一定發展階段上的具體過程的認識只具有相對的真理性。無數相對的真理之總和，就是絕對的真理。”“人們在實踐中對于真理的認識也就永遠沒有完結。”[5]

現代物理學的革命將怎樣發生呢？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？現在我們不知道。我的直覺是：將來最早發現的第五種力可能存在于生命現象中。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，物理學業與生命科學的交叉點是二十一世紀物理學發展的方向之一，與此有關的最關于復雜性研究的非線性科學的發展。

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

三、現代物理學的理論基礎是完美的嗎？

相對論和量子力學是現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，創立了狹義相對論[1]。我們今天探尋現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。現代物理學認為超距作用是不存在的，A處發生的“事件”影響B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“物質世界既統一，又多樣化的”以觀點，再加之電磁力和引力的強度在數量級上相差太多，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。根據愛國斯坦理論預言的引力波是微弱的，如果在現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，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。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

從量子力學發展到量子場論的時候，遇到了“發散困難”[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。

現在我陷入一個兩難的處境：如果采用傳統的德布羅意關系，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。現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。模糊數學已經發展得相當成熟了，把這個數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向前發展（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系，進一步發展非線性科學。

2）可能應該從兩方面去控尋現代物理學革命的突破口。（1）發現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

篇10

十九世紀末二十世紀初，經典物物學的各個分支學科均發展到了完善、成熟的階段，隨著熱力學和統計力學的建立以及麥克斯韋電磁場理論的建立，經典物理學達到了它的頂峰，當時人們以系統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觀察到的物理現象。由于經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建成，物理學的發展基本上已經完成，人們對物理世界的解釋已經達到了終點。物理學的一些基本的、原則的問題都已經解決，剩下來的只是進一步精確化的問題，即在一些細節上作一些補充和修正，使已知公式中的各個常數測得更精確一些。

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，科學實驗卻發現了許多經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現：電子、X射線和放射性現象的發現。其次是經典物理學的萬里晴空中出現了兩朵“烏云”：“以太漂移”的“零結果”和黑體輻射的“紫外災難”。[1]這些實驗結果與經典物理學的基本概念及基本理論有尖銳的矛盾，經典物理學的傳統觀念受到巨大的沖擊，經典物理發生了“嚴重的危機”。由此引起了物理學的一場偉大的革命。愛因斯坦創立了相對論；海林堡、薛定諤等一群科學家創立了量子力學。現代物理學誕生了！

把物理學發展的現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，現代物理學經過七十多年的發展，已經達到了成熟的階段。人類對物質世界規律的認識達到了空前的高度，用現有的理論幾乎能夠很好地解釋現在已知的一切物理現象。可以說，現代物理學的大廈已經建成。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、原則問題都已經解決了，今后能做到的只是在現有理論的基礎上在深度和廣度兩方面發展現代物理學，對現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驗，多數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象是現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，經典物理學發生了“嚴重的危機”；而在本世紀之交，現代物理學并無“危機”。因此，我認為目前發生現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象是現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，經典物理學發生了“嚴重的危機”；而在本世紀之交，現代物理學并無“危機”。因此，我認為目前發生現代物理學革命的條件似乎尚不成熟。客觀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律和探索各層次間的聯系。

回顧二十世紀物理學的發展，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向前發展。

1）在微觀方向上深入下去。在這個方向上，我們已經了解了原子核的結構，發現了大量的基本粒子及其運規律，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，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生，認為宇宙從“無”誕生，今后在這個方向上將會繼續有所發展。從根本上來說，現代宇宙學的繼續發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。現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系。

這正是統計物理學研究的主

要內容。二十世紀在這方面取得了巨大的成就，先是非平衡態統計物理學有了得大的發展，然后建立了“耗散結構”理論、協同論和突變論，接著混沌論和分形論相繼發展起來了。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展有廣闊的前景。

上述的物理學的發展依然現代物理學現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展呢？有一些物理學家在追求“超統一理論”。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“大統一理論”以及再加上引力把四種力都統一起來的“超統一理論”，他們的探索能否成功尚未定論。

愛因斯坦當初探索“統一場論”是基于他的“物理世界統一性”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，根據辯證唯物主義的基本原理，我認為“物質世界是既統一，又多樣化的”。且莫論追求“超統一理論”能否成功，即便此理論完成了，它也不是物理學發展的終點。因為“在絕對的總的宇宙發展過程中，各個具體過程的發展都是相對的，因而在絕對真理的長河中，人們對于在各個一定發展階段上的具體過程的認識只具有相對的真理性。無數相對的真理之總和，就是絕對的真理。”“人們在實踐中對于真理的認識也就永遠沒有完結。”[5]

現代物理學的革命將怎樣發生呢？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？現在我們不知道。我的直覺是：將來最早發現的第五種力可能存在于生命現象中。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，物理學業與生命科學的交叉點是二十一世紀物理學發展的方向之一，與此有關的最關于復雜性研究的非線性科學的發展。

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

三、現代物理學的理論基礎是完美的嗎？

相對論和量子力學是現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，創立了狹義相對論[1]。我們今天探尋現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。現代物理學認為超距作用是不存在的，A處發生的“事件”影響B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“物質世界既統一，又多樣化的”以觀點，再加之電磁力和引力的強度在數量級上相差太多，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。根據愛國斯坦理論預言的引力波是微弱的，如果在現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，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。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

從量子力學發展到量子場論的時候，遇到了“發散困難”[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。

現在我陷入一個兩難的處境：如果采用傳統的德布羅意關系，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。現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。模糊數學已經發展得相當成熟了，把這個數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向前發展（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系，進一步發展非線性科學。

2）可能應該從兩方面去控尋現代物理學革命的突破口。（1）發現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

3）由于現代物理學尚未發生“危機”，因此目前發生現代物理學革命的條件也許還不成熟，物理學的發展和物理學革命都有賴于在物理實驗和對客觀物質世界的觀測中獲得新的結果，實驗和觀測是發展物理學的量重要手段，這是我們要關注的首要問題。然而，科學的發展和物理學的發展有本身的邏輯，符合客觀規律的、有真知灼見的思維也是一個關鍵。