量子力學的基本原理精選(九篇)

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第1篇：量子力學的基本原理范文

關鍵詞 量子力學 量子教育學 主觀性

中圖分類號：O413.1 文獻標識碼：A

量子力學所涵蓋的一些思想，在哲學的研究中體現比較廣泛，也對教學理論方面起了重要的作用，可以說量子力學對哲學思想的發展有著重要的促進作用。量子力學著重利用圖景等表象來認識周圍的世界，強調因果關系的認識，對后期形成的教育學理論具有參考性。但是，借助量子力學所形成的“量子教育學”則有很大的不同，這一教育學對原來的量子理論認識存在較大的偏差，充分強調自然科學。

1量子力學的緣起

1900年，量子假說出現在眾人的認知里，現在的量子力學仍在不斷完善，為后期的科學發展提供了重要的理論基礎，可以說量子力學是量子理論的中心，它促進了原子能等一些先進技術的發展，為社會的重大發明打下基礎，使人們更加清晰地認識到微觀世界，并利用微觀運動來更好地服務社會，是人類的重要發現，也是社會的偉大進步。

2量子力學的宇宙觀

在宇宙世界中，對量子理論有較多的探討，從已經存在的氫原子中，找到了量子級別的狀態。對于電子而言，比原子更為復雜，這就要求必須要滿足求解該原子的特定的方程來解出，并且要求其 場剛好環繞原子核產生駐波而求得。此外，量子態與別的駐波不一樣，都有自己特定的頻率，并與所蘊含的能量有關，每種量子狀態都有所表征的能量。這就是說，預期任何一個態的能量都是一個具體量子所確定的，并不是模棱兩可的，只要是有理論依據，就可以科學地估測態的能量多少。由于質子與電子之間存在著相互吸引的力，要想移動一個電子就必須要克服引力做功。

3量子的思維方式

人類思想總是處于不斷發展中，當兩種思想發生交集時，就會形成一個比較完整的、令人驚嘆的思想成果，正如牛頓的世界觀與量子理論產生彼此彌合的交集，才會讓思想發展得如此迅速，才會讓社會發展如此的快。量子思維方式給人類一個重要的啟示，要求以人為中心，以人為主體。隨著時代的進步和經濟發展，信息技術逐漸融入了人的智慧和思想，他們彼此都是看不見的，沒有確定的形狀，但彼此交匯起來以后，就成了一種可以量化的物質，這是由于物質性比較弱。其實，量子物理學所產生相關的科學智慧，是人類社會發展的重要因素，也是文明進步的重要保障，可以說，量子物理學是計算機重要的組成部分，所形成的計算機芯片是重要的思維體現，量子物理學不僅是科學進步的前提，更是信息發展的重要保障，量子思維更是現代社會發展的必要方式。

4“量子教育學”的唯心主義

從產生量子力學后，“量子教育學”也隨之不斷發展，雖然也涉及到一些教育學方面的觀點，但這些觀點都是被眾人早就接受了。如：學習是一個整體的過程，在這個過程中各知識點是相互聯系、彼此交錯的，以及還談到了關鍵詞：服務、個性化、互補等，但是，這些所謂的觀點及結論不是原汁原味的，也不是從量子力學中演變而來，而是與它的原理相悖，從本質上講，“量子教育學”就是一種唯心主義的表現。

貝克萊比較重視經驗，認為所學的知識來源于經驗，但是他卻犯了一個致命的錯誤，認為感覺是世界真正存在的東西，其他的都是看不見的。他認為，知識是一切力量之源，但感覺是我們去探索未知世界，追求至高真理的唯一手段，只有能感覺到，才能被發現。也就是說：我們的主觀性決定了我們所看見的世界，這也是量子教育學詮釋的觀點。他認為，只要消除了事物與觀念的差異，認同事物等同于所謂的觀念，并且觀念可以感知任何世界上存在的事物，這樣才會讓我們的知識更加具有生命力。

5“量子教育學”的曲解

正所周知，量子力學不可能槲ㄐ鬧饕搴筒豢芍論創造理論基礎，而“量子教育學”卻是唯心主義的重要思想來源，這是“量子教育學”對量子力學核心思維的歪曲，或者說對量子力學沒有正確的認識，造成思想上出現截然不同的主張，另外，“量子教育學”過分強調感覺和經驗，導致偏向于不可知論，與量子力學的思想相悖而馳。

“量子教育學”對量子力學概念和方法認識的偏差表現有。為了進一步認識光的本質特性，提出了波粒二象性的觀念。此后，玻爾提出了“氣補原理”，再一次詮釋了波粒二象性的本質。“測不準”原理而是在某一個方面有較大的缺陷，不是粒子在宏觀世界的不適用，只是說明不能單一地應用某一個方面，只有同時應用時才能為物理現象提高全面的解釋。玻爾認為，波粒二象性在整個量子力學中的地位較高，它是一種可以很好地描述一種物理現象的原理，也可以說是解釋因果關系的一種原理，它可以相互促進、相互排斥，這種互斥的關系不可或缺，這種互補關系后來被廣大學者所接受。

6結語

近年來，量子力學逐漸被廣大研究者重視起來，探討量子力學的基本原理以及與量子教育學的重要關系，在量子理論的發展過程中，這已經留下了較多的論爭。可以肯定的是量子力學對于科學的進步貢獻了一份力量，把微觀世界與宏觀世界聯系起來，而量子教育學并不是量子力學的正確認識，就本身的發展情況來看，量子教育學認同了后現代主義，成為了唯心主義的重要依據。

參考文獻

[1] 賀天平.量子力學多世界解釋的哲學審視[J].中國社會科學，2012（01）：48-61，207.

[2] 烏云高娃.量子力學發展綜述[J].信息技術，2006（06）：154-157.

[3] 母小勇.量子力學與“量子教育學”[J].教育理論與實踐，2006（07）：1-5.

第2篇：量子力學的基本原理范文

量子力學是近代物理的兩大支柱之一，它的建立是20世紀劃時代的成就之一，可以毫不夸張地說沒有量子力學的建立，就沒有人類的現代物質文明[1]。大批優秀的物理學家對原子物理的深入研究打開了量子力學的大門，這一人類新的認知很快延伸并運用到很多物理學領域，并且，導致了很多物理分支的誕生，如：核物理、粒子物理、凝聚態物理和激光物理等[2]。量子力學在近代物理中的地位如此之重，所以成為物理專業學生最重要的課程之一。但在實際教學過程中，學生普遍感到量子力學太過抽象、難以掌握。如何改革教學內容，將量子力學的基本觀點由淺入深，使學生易于理解；如何改革教學手段，培養學生興趣，使學生由被動學習變為主動學習。這是量子力學教學中遇到的主要問題。作者從幾年的教學中摸索到一些經驗，供大家參考。

一、教學內容和方法的改革

傳統的本科量子力學教學一般包括了三大部分：第一部分是關于粒子的波粒二象性，正是因為微觀粒子同時具有波動性和粒子性，才造成了一些牛頓力學無法解釋的新現象，例如測不準關系、量子隧道效應等等；第二部分是介紹量子力學的基本原理，這部分是量子力學的核心內容，如波函數的統計解釋、態疊加原理、電子自旋等；第三部分是量子力學的一些應用，如定態薛定諤方程的求解，微擾方法。以上三個部分相互聯系構成了量子力學的整體框架[3]。隨著量子力學的進一步發展，產生了很多新的現象和成果。例如量子通訊、量子計算機等等。許多學生對量子力學的興趣就是從這些點點滴滴的新成果中得到的。如果我們仍按傳統的內容授課，學生學完了這門課程發現感興趣的那點東西完全沒有接觸到，就會對所學的量子力學感到懷疑，而且極大地挫傷了學習自然科學的興趣。所以作者建議在教學過程中適當添加一些量子力學的新成果和新現象，來激發學生的學習興趣[4]。在教學方法上也應該按照量子力學的特點有所改革。由于量子力學的許多觀點和經典力學完全不同，如果我們還是按照經典力學的方法來講，就會引起學生思維上的混亂，所以建議從一開始就建立全新的量子觀點。例如軌道是一經典概念，在講授玻爾的氫原子模型時仍然采用了軌道的概念，但在講到后面又說軌道的概念是不對的，這樣學生就會懷疑老師講錯誤的內容教給了他們，形成邏輯上的混亂。我們應該從一開始就建立量子的觀點，淡化軌道的概念，這樣學生更容易接受。

二、重視緒論課的教學

興趣是最好的老師。作為量子力學課程的第一節課，緒論課的講授效果對學生學習量子力學的興趣影響很大，所以緒論課直接影響到學生對學習量子力學這門課程的態度。當然很多學生非常重視這門課程，但學這門課的主要目的是為將來參加研究生入學考試，僅僅只是在行動上重視，而沒有從思想上重視起來。如何使這部分學生從被動的學習量子力學變為主動地學習，這就要從第一節課開始培養。在上緒論課時作者主要通過以下幾點來抓住學生的興趣。首先列舉早期與量子力學相關的諾貝爾物理學獎。諾貝爾獎得主歷來都是萬眾矚目的人物，學生當然也會有所關心，而且這些諾貝爾獎獲得者的主要工作在量子力學這門課程中都會一一介紹，這樣一方面通過舉例子的方法強調了量子力學在自然科學中的重要地位，另一方面為學生探索什么樣的工作才可以拿到諾貝爾獎留下懸念。抓住學生興趣的第二個主要方法是列舉一些量子力學中奇特的現象，激發學生探索奧秘的動力，例如波粒二象性帶來的“穿墻術”、量子通訊、如何測量太陽表面溫度等等，這些都很能激發學生學習量子力學的興趣。綜上所述，緒論課的教學在整個教學過程中至關重要，是引導學生打開量子力學廣闊天地的一把鑰匙。

三、重視物理學史的引入

隨著量子力學學習的深入，學生會接觸到越來越多的數學公式以及數學物理方法的內容，雖然學生會對量子力學的博大精深以及人類認知能力驚嘆不已，但在學習過程中感覺越來越枯燥乏味。并且，學生學習量子力學的興趣和信息在這個時候受到很大的考驗，想要把豐碩的量子力學成果以及博大精深的內涵傳達給學生，就得在適當的時候增加學生的學習興趣。實際上，很多學生對量子力學的發展史有很濃厚的興趣，甚至成為學生閑聊的素材，因此，在適當的時候講述量子力學發展史可以增加學生學習量子力學的學習興趣和熱情。在講授過程中，可以結合教學內容，融入量子力學發展史中的名人逸事和照片，如：索爾維會議上的大量有趣爭論和物理學界智慧之腦的“明星照”，或用簡單的方法用板書的形式推導量子力學公式。例如在講到黑體輻射時，作者講到普朗克僅僅用了插值的方法，就給出了一個完美的黑體輻射公式。而插值的方法普通的本科生都能熟練掌握，這一方面鼓勵學生：看起來很高深的學問，其實都是由很簡單的一系列知識組成，我們每個人都有可能在科學的發展過程中做出自己的貢獻；另一方面教導學生，不要看不起很細微的東西，偉大的成就往往就是從這些地方開始。在講到普朗克為了自己提出的理論感到后悔，甚至想盡一切的辦法推翻自己的理論時，告訴學生科研的道路并不是一帆風順的，堅持自己的信念有時候比學習更多的知識還要重要。在講到德布羅意如何從一個紈绔子弟成長為諾貝爾獎獲得者；在講到薛定諤如何在不被導師重視的條件下建立了波動力學；在講到海森堡如何為了重獲玻爾的青睞，而建立了測不準關系；在講到烏倫貝爾和古茲米特兩個年輕人如何大膽“猜測”，提出了電子自旋假設，這些學生都聽得津津有味。這些小故事不僅讓學生從中掌握的量子力學的基本觀點和發展過程，而且對培養學生的思維方法和科研品質都有很大幫助。

四、教學手段的改革

量子力學中有很多比較抽象原理、概念、推導過程和現象，這增加了學生理解的難度。而且在授課過程中有大量的公式推導過程，非常的枯燥。所以在教學過程中穿插一些多媒體的教學形式，多媒體的應用能夠彌補傳統教學的不足，比如：把瞬間的過程隨意地延長和縮短，把復雜的難以用語言描述的過程用動畫或圖片的形式分解成詳細的直觀的步驟表達清楚[5]。相對于經典物理來說，量子力學課程的實驗并不多，在講解康普頓散射、史特恩-蓋拉赫等實驗時，可以運用多媒體技術，采用圖形圖像的形式模擬實驗的全過程。用合適的教學軟件對真實情景再現和模擬，讓學生多冊觀察模擬實驗的全過程。量子力學的一些東西不容易用語言表達清楚，在頭腦中想象也不是簡單的事情，多媒體的應用可以彌補傳統教學的這塊短板，形象地模擬實驗，幫助學生理解和記憶。比如電子衍射的實驗，我們不僅可以用語言和書本上的圖片描述這個過程，還可以通過多媒體用動畫的形式表現出來，讓電子通過動畫的形式一個一個打到屏幕上，形成一個一個單獨的點來顯示出電子的粒子性；在快進的形式描述足夠長時間之后的情況，也就是得出電子的衍射圖樣，從而給出電子波動性的結論和波函數的統計解釋，經過這樣的教學形式，相信學生能夠更加深刻地理解微觀粒子的波粒二象性[6]。但在具體授課過程中不能完全地依賴于多媒體教學，例如在公式的推導過程中，傳統的板書就非常接近人本身的思維模式，容易讓學生掌握，如果用多媒體一帶而過，往往效果非常的不好。所以教學過程中應該傳統教學和多媒體教學并重，對于一些現象的東西多媒體表現更為出色；而一些理論方面的東西傳統的板書更為有利，兩者相互結合可以大大提高教學效率，增強課堂教學效果和調動學生的學習積極性[7]。

五、加強教學過程的管理

第3篇：量子力學的基本原理范文

【關鍵詞】量子計算；量子計算機；量子算法；量子信息處理

1、引言

在人類剛剛跨入21山_紀的時刻，！日_界科技的重大突破之一就是量子計算機的誕生。德國科學家已在實驗室研制成功5個量子位的量子計算機，而美國LosAlamos國家實驗室正在進行7個量子位的量子計算機的試驗。它預示著人類的信息處理技術將會再一次發生巨大的飛躍，而研究面向量子計算機以量子計算為基礎的量子信息處理技術已成為一項十分緊迫的任務。

2、子計算的物理背景

任何計算裝置都是一個物理系統。量子計算機足根據物理系統的量子力學性質和規律執行計算任務的裝置。量子計算足以量子計算目L為背景的計算。是在量了力。4個公設（postulate）下做出的代數抽象。Feylllilitn認為，量子足一種既不具有經典耗子性，亦不具有經典渡動性的物理客體（例如光子）。亦有人將量子解釋為一種量，它反映了一些物理量（如軌道能級）的取值的離散性。其離散值之問的差值（未必為定值）定義為量子。按照量子力學原理，某些粒子存在若干離散的能量分布。稱為能級。而某個物理客體（如電子）在另一個客體（姻原子棱）的離散能級之間躍遷（transition。粒子在不同能量級分布中的能級轉移過程）時將會吸收或發出另一種物理客體（如光子），該物理客體所攜帶的能量的值恰好是發生躍遷的兩個能級的差值。這使得物理“客體”和物理“量”之問產生了一個相互溝通和轉化的橋梁；愛因斯坦的質能轉換關系也提示了物質和能量在一定條件下是可以相互轉化的因此。量子的這兩種定義方式是對市統并可以相互轉化的。量子的某些獨特的性質為量了計算的優越性提供了基礎。

3、量子計算機的特征

量子計算機，首先是能實現量子計算的機器，是以原子量子態為記憶單元、開關電路和信息儲存形式，以量子動力學演化為信息傳遞與加工基礎的量子通訊與量子計算，是指組成計算機硬件的各種元件達到原子級尺寸，其體積不到現在同類元件的1%。量子計算機是一物理系統，它能存儲和處理關于量子力學變量的信息。量子計算機遵從的基本原理是量子力學原理：量子力學變量的分立特性、態迭加原理和量子相干性。信息的量子就是量子位，一位信息不是0就是1，量子力學變量的分立特性使它們可以記錄信息：即能存儲、寫入、讀出信息，信息的一個量子位是一個二能級（或二態）系統，所以一個量子位可用一自旋為1/2的粒子來表示，即粒子的自旋向上表示1，自旋向下表示0；或者用一光子的兩個極化方向來表示0和1；或用一原子的基態代表0第一激發態代表1。就是說在量子計算機中，量子信息是存儲在單個的自旋’、光子或原子上的。對光子來說，可以利用Kerr非線性作用來轉動一光束使之線性極化，以獲取寫入、讀出；對自旋來說，則是把電子（或核）置于磁場中，通過磁共振技術來獲取量子信息的讀出、寫入；而寫入和讀出一個原子存儲的信息位則是用一激光脈沖照射此原子來完成的。量子計算機使用兩個量子寄存器，第一個為輸入寄存器，第二個為輸出寄存器。函數的演化由幺正演化算符通過量子邏輯門的操作來實現。單量子位算符實現一個量子位的翻轉。兩量子位算符，其中一個是控制位，它確定在什么情況下目標位才發生改變；另一個是目標位，它確定目標位如何改變；翻轉或相位移動。還有多位量子邏輯門，種類很多。要說清楚量子計算，首先看經典計算。經典計算機從物理上可以被描述為對輸入信號序列按一定算法進行交換的機器，其算法由計算機的內部邏輯電路來實現。經典計算機具有如下特點：

a）其輸入態和輸出態都是經典信號，用量子力學的語言來描述，也即是：其輸入態和輸出態都是某一力學量的本征態。如輸入二進制序列0110110，用量子記號，即10110110>。所有的輸入態均相互正交。對經典計算機不可能輸入如下疊加Cl10110110>+C2I1001001>。

b）經典計算機內部的每一步變換都將正交態演化為正交態，而一般的量子變換沒有這個性質，因此，經典計算機中的變換（或計算）只對應一類特殊集。

相應于經典計算機的以上兩個限制，量子計算機分別作了推廣。量子計算機的輸入用一個具有有限能級的量子系統來描述，如二能級系統（稱為量子比特），量子計算機的變換（即量子計算）包括所有可能的幺正變換。因此量子計算機的特點為：

a）量子計算機的輸入態和輸出態為一般的疊加態，其相互之間通常不正交；

b）量子計算機中的變換為所有可能的幺正變換。得出輸出態之后，量子計算機對輸出態進行一定的測量，給出計算結果。由此可見，量子計算對經典計算作了極大的擴充，經典計算是一類特殊的量子計算。量子計算最本質的特征為量子疊加性和相干性。量子計算機對每一個疊加分量實現的變換相當于一種經典計算，所有這些經典計算同時完成，并按一定的概率振幅疊加起來，給出量子計算的輸出結果。這種計算稱為量子并行計算，量子并行處理大大提高了量子計算機的效率，使得其可以完成經典計算機無法完成的工作，這是量子計算機的優越性之一。

4、量子計算機的應用

量子計算機驚人的運算能使其能夠應用于電子、航空、航人、人文、地質、生物、材料等幾乎各個學科領域，尤其是信息領域更是迫切需要量子計算機來完成大量數據處理的工作。信息技術與量子計算必然走向結合，形成新興的量子信息處理技術。目前，在信息技術領域有許多理論上非常有效的信息處理方法和技術，由于運算量龐大，導致實時性差，不能滿足實際需要，因此制約了信息技術的發展。量子計算機自然成為繼續推動計算速度提高，進而引導各個學科全面進步的有效途徑之一。在目前量子計算機還未進入實際應用的情況下，深入地研究量子算法是量子信息處理領域中的主要發展方向，其研究重點有以下三個方面；

（1）深刻領悟現有量子算法的木質，從中提取能夠完成特定功能的量子算法模塊，用其代替經典算法中的相應部分，以便盡可能地減少現有算法的運算量；

（2）以現有的量子算法為基礎，著手研究新型的應用面更廣的信息處理量子算法；

（3）利用現有的計算條件，盡量模擬量子計算機的真實運算環境，用來驗證和開發新的算法。

5、量子計算機的應用前景

目前經典的計算機可以進行復雜計算，解決很多難題。但依然存在一些難解問題，它們的計算需要耗費大量的時間和資源，以致在宇宙時間內無法完成。量子計算研究的一個重要方向就是致力于這類問題的量子算法研究。量子計算機首先可用于因子分解。因子分解對于經典計算機而言是難解問題，以至于它成為共鑰加密算法的理論基礎。按照Shor的量子算法，量子計算機能夠以多項式時間完成大數質因子的分解。量子計算機還可用于數據庫的搜索。1996年，Grover發現了未加整理數據庫搜索的Grover迭代量子算法。使用這種算法，在量子計算機上可以實現對未加整理數據庫Ⅳ的平方根量級加速搜索，而且用這種加速搜索有可能解決經典上所謂的NP問題。量子計算機另一個重要的應用是計算機視覺，計算機視覺是一種通過二維圖像理解三維世界的結構和特性的人工智能。計算機視覺的一個重要領域是圖像處理和模式識別。由于圖像包含的數據量很大，以致不得不對圖像數據進行壓縮。這種壓縮必然會損失一部分原始信息。

作者簡介：

第4篇：量子力學的基本原理范文

【關鍵詞】中學 化學教學 量子空間論

【中圖分類號】G633.8 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2013）10-0154-01

（小敘）：課篇第一章節細讀、研讀、探透性知識點。

1.尋找研究方法 2.課題的研究內容

3.課題研究的一些成果 4.鞏固建筑語錄

【序言】

化學是在分子、原子層次上研究物質性質、組成、結構與變化規律的科學。化學不斷地發展著，目前，人們發現和合成的物質已有幾千萬種，其中很多是自然界中原本不存在的；這極大地改善了人類的生存和發展條件，豐富了人們的生活。

例如：

1.納米銅（1nm=10?9m ）具有超塑延展性，在室溫下可拉長50多倍而不出現裂紋。

2.用隔水透氣的高分子薄膜做的鳥籠。

3.單晶硅為信息技術和新能源開發提供了基礎材料。

4.用玻璃鋼制成的船體。

總之，作為實用的、富于創造性的中心學科，化學在能源、材料、醫藥、信息、環境和生命科學等研究領域以及工農業生產中發揮著其他學科所不能替代的重要潛質作用。近年來，“綠色化學”的提出，使更多的化學生產工藝和產品向著環境友好的方向發展，化學必將使世界變得更加絢麗光彩。

【尋找研究方法】

第一單元 走進化學世界；

1.物質的變化和性質

2.化學是一門以實驗為基礎的科學

3.走進化學實驗室

第二、三單元 我們周圍的空氣與自然界的水；空氣、氧氣（氧氣的制取）、水的組成、分子和原子、水的凈化。“愛護水資源”。

第四、五單元 物質構成的奧妙、簡單統計應用；原子的構成、元素、離子、化學式與化合價 ：

如何正確書寫化學方程式”？利用化學方程式的簡單計算？

第六、七單元 C與C的氧化物燃料及其利用；

分析：金剛石、石墨和C60 （1.CO2 的制取？ 2.CO2 與CO的區別、聯系？）

應用：燃燒和滅火？燃料和熱量？

環保問題：“燃料對環境的影響”

自留田地：“石油和煤的綜合利用？”

第八、九單元 金屬與溶液的問題；

熟記、認識：金屬、金屬材料、金屬的化學性質；

金屬資源的利用和保護、溶液的形成；

溶解度、溶質的質量分數。

第十、十一、十二單元 酸與堿 、鹽與化肥 、“化學與生活”。

生活中常見的：1.酸與堿

2.酸與堿之間會發生什么反應

3.鹽

4.化學肥料

人體：1.人類重要的營養物質

2.化學元素與人體健康

3.有機合成材料

學生自認化學常用儀器。學習“附錄”相關記錄 。

【課題的研究內容】

無機化學中量子（分子、原子）力學論

量子化學（Quantum chemistry）是理論化學的一個分支學科，是應用量子力學的基礎原理和方法研究化學問題的一門基礎科學。研究范圍包括穩定和不穩定分子的結構、性能及其結構與性能之間的關系；分子與分子之間的相互碰撞和相互反應等問題。

量子化學是理論化學的一個分支學科，是應用量子力學的基本原理和方法，研究化學問題的一門基礎科學。

1927年海特勒和倫敦用量子力學基礎原理討論氫分子結構問題，說明了兩個氫原子能夠結合成一個穩定的氫分子的原因，并且利用相當近似的計算方法，算出其結合能。由此，使人們認識到可以用量子力學原理討論分子結構問題，從而逐漸形成了量子化學這一分支學科。

【課題研究的一些成果】

生物大分子體系的量子化學計算一直是一個具有挑戰性的研究領域，尤其是生物大分子體系的理論研究具有重要意義。由于量子化學可以在分子、電子水平上對體系進行精細的理論研究，是其它理論研究方法所難以替代的。因此要深入理解有關酶的催化作用、基因的復制與突變、藥物與受體之間的識別與結合過程及作用方式等，都很有必要運用量子化學的方法對這些生物大分子體系進行研究。毫無疑問，這種研究可以幫助人們有目的地調控酶的催化作用，甚至可以有目的地修飾酶的結構，設計并合成人工酶；可以揭示遺傳與變異的奧妙，進而調控基因的復制與突變，使之造福于人類；可以根據藥物與受體的結合過程和作用特點設計高效低毒的新藥等等，可見運用量子化學的手段來研究生命現象是十分有意義的。

【鞏固建筑語錄】

化學中常見“離子反應”包括：“酸、堿、鹽在水溶液中的電離”和“離子反應及其發生的條件”兩部分。

無機化學中最關鍵的是要有實觀性：基礎高層次的“化學方程式”們。

其次，稀土元素中的各種化學量變、質變及各種物理、化學性反應。

再次，金屬的利用、及高等積存用途。

還有，就是氣體的大力層存在行式。如同：水、陸、空，人類的生活方式。

參考文獻：

[1]初中九年級化學上、下冊課本，人民出版社出版，2011年版。

第5篇：量子力學的基本原理范文

1 核磁共振磁矩理論介紹

1.1 磁矩概念介紹

核磁共振理論中一個最重要的名詞就是磁矩，它體現了流體原子在靜磁場下的核磁能量。由普通物理學得知閉合載流線圈磁矩μ=isn，其中i為電流強度、s為閉合面積、n為與電流方向成右手螺旋法則的單方向矢量[1]。閉合載流線圈的磁矩為一矢量，其長度為is而方向與該載流線圈的方向矢量相同。當在磁感應強度（磁通密度）為b的均勻磁場中，作用在載流線圈上的磁矩mf為磁矩μ與b的矢量積mf=μbsinθ。圖1為磁矩示意圖。

圖1 磁矩示意圖

磁矩mf力圖使載流線圈磁矩μ的方向與磁場b一致，在磁場b中載流線圈具有的勢能為e=-μbcosθ，其中θ是μ和b的夾角。由此可見μ和b方向一致時，系統勢能最低，最為穩定；當兩者反向時系統勢能最高，最不穩定。

1.2 磁矩宏觀表現介紹

在實際應用中，人們關注的是大量粒子的宏觀行為，即大量微觀體系行為的宏觀表現。例如核磁測井所關注的是地層中大量氫核的綜合效應，而單個氫核的特性只是理解宏觀特性的基礎。含有磁矩的某種樣品，當沒有外磁場時，其磁矩取向是隨機的。宏觀表現為沒有磁性。當有外磁場時，將會有更多的磁矩順著外磁場的方向排列，各個磁矩都繞著磁場方向進動，核自旋的空間取向將與塞曼能級相對應。達到熱平衡時，磁矩的取向服從波爾茲曼分布，縱向分量與磁場方向一致的核磁矩數目略大于反方向的磁矩數目，其矢量和不再等于零，呈現一定大小的宏觀磁矩，稱為磁化矢量。圖2為磁矩的宏觀表現示意圖。

圖2 核矩的宏觀表現示意圖

單位體積的磁化矢量稱為磁化強度，通常用m0表示，如

下式：

m0=nμi2/kt×b0=§×b0 （1）

其中§=nμi2/kt稱為該樣品的磁化率，μi為樣品的氫原子核磁矩，n為單位體積樣品內的粒子數，k為玻耳茲曼常數，t為樣品的熱力學溫度。

2 核磁共振基本理論分析

2.1 經典物理解釋

核磁共振測井主要測量地層中的氫原子信息，可用量子力學做精確描述。但在工程應用中為描述方便，往往采用經典力學或半經典力學方法。為此先說明核磁旋進的概念。圖3是一個旋轉著的陀螺，當它的旋轉軸偏離垂線時，通過重心的重力作用并不能使它倒下，而是使其軸線沿圖中圓環所示的軌跡和方向做圓周運動，不斷改變自旋軸的方向。這種運動在力學中叫作旋進或進動。如果做自旋運動的帶電物體具有磁矩，若磁矩偏離外磁場方向，將繞磁場方向進動[2]。按照經典理論，具有磁矩的原子核，由于自旋運動相當于一個高速旋轉著的陀螺。磁矩在外磁場b0中受到一個力矩μ×b0的作用，在此力矩的作用下核磁矩繞b0進動，稱為拉莫爾進動，其角頻率為（即對應該點氫原子核的拉莫爾頻率）ω0=-γb0，其中γ為氫原子的旋磁比系數，即動量矩與磁矩的比值。

當γ>0的核繞b0作左旋圓運動e-iω0t；γ<0的核繞b0作右旋圓運動eiω0t。其磁矩μ的旋轉示意圖如圖3右側所示。當核磁矩μ以角頻率ω0圍繞b0進動時，若對原子核系統再加上一個垂直于b0且角頻率為ω1的旋轉磁場b1，在ω1=ω0的條件下，將能使μ和b0之間的夾角發生變化。磁矩μ在靜磁場b0中的能量為e=-μb0cosθ，當θ發生變化時，μ在b0中的能量也發生變化。若θ增加，則是核磁矩從外加交變磁場中吸收能量，這就是核磁共振現象。發生核磁共振的條件是ω1=ω0=γb0，磁性核的進動稱之為拉莫爾進動，ω0稱之為拉莫爾頻率，它與靜磁場的磁感應強度b0成正比。

2.2 量子力學解釋

原子核從某一能量狀態轉變到另一能量狀態稱為原子核在能級之間的躍遷。對于1h核來說，i=1/2，2i+1=2，所以只有兩個能級：-1/2i和+1/2i。躍遷就只能在這兩個能級之間進行，根據量子力學理論，若將電磁波作用于原子核系統，當電磁波頻率所決定的量子的能量hn正好等于原子核兩個相鄰能級之間的能量差時，原子核就會吸收電磁波，引起核能態在兩個相鄰能級之間的躍遷，這就是核磁共振現象[3]。在此系統中，低能態的核不斷從旋轉磁場中吸收能量而轉變為高能態的核，原來過剩的低能態的核就逐漸減少，吸收信號的強度就會減弱，最后完全消失，達到飽和。產生核磁共振的條件是：

hν （2）

式中，?=h/2π，h是普朗克常數，ν是電磁波的頻率。共振頻率ν和g（或γ）及磁感應強度b0成正比，而當指示核素選定后（如1h），旋磁比γ為常數，共振頻率只與b0有關。對質子（1h）：

（3）

第6篇：量子力學的基本原理范文

關鍵詞： 微磁學 交換作用 經典交換作用

1.引言

在真實的磁化過程中，交換作用能、磁各向異性能和靜磁能中任何一項都不能忽略。如果這些能量項作為微擾加入海森堡哈密頓量中，然后用量子力學的方法求解，那就是最為理想的了。但是，實際上即使不附加其他能量項，也必須做粗略的近似才能求解。所以，微磁學應運而生，它沒有顧及量子力學，忽略了物質的原子本性，而采用介質的經典物理方法處理問題，這種經典理論是與M（T）的量子理論（忽略了靜磁作用）并行發展起來的，它起源于1935年Landau和Lishitz關于兩個反方向磁疇間疇壁結構的論文及1940―1941年W.F.Jr.Brwon的幾篇論文。Brwon將此經典理論命名為“微磁學”，此理論忽略了原子理論的微觀性質，用宏觀的觀點討論問題并認為材料是連續的。因而，采用了經典矢量來代替自旋，并且在“連續介質”的極限下，為了使其能與麥克斯韋方程組一起使用，采用了一項經典的能量項來代替量子力學中的交換作用能。本文主要考慮交換作用能經典的代替項，并通過分析，討論它的適用性與局限性。

2.何為“交換作用”

在順磁體中，其原子磁矩只與外磁場相互這樣。而在鐵磁體中情況卻不相同，其原子的自旋之間存在著相互作用，每個自旋都力圖使其他自旋沿著它的方向取向，自旋間的相互作用來源于自旋的量子力學性質，交換作用沒有經典的對應物，是量子力學中電子波函數的重疊引起的。這些自旋之間存在著一種力，這種力試圖使所有的自旋平行排列，這就是所謂的交換作用，可以用自旋和自旋之間的交換作用能表示，交換作用能正比于•

ε=-′J

其中，求和符號旁邊的分號表示求和時排除i=j，因為能與自旋發生作用，除此之外，此式遍及材料中所有的原子自旋。系數J稱為交換積分。系數的正負是這樣定義的，如果J為正，則自旋平行取向，如果J為負，則自旋反平行取向，分別意味著鐵磁性耦合與反鐵磁耦合。

對于交換積分J，目前尚不能根據基本原理計算出，只能假設給出哈密頓量，而J作為一個參量，其數值由理論與某些實驗（通常是居里溫度）值的比較來確定。

3.“經典”的交換作用

“交換作用”是一種非常“短程”的作用力，它只能在鄰，也可能在次近鄰自旋之間產生作用，而對較遠的自旋沒有作用，將自旋算符近似地用經典矢量表示，則交換作用能有〈1〉式給出，如果只能是最鄰近自旋之間的J不等于零，則：

ε=-′J•=-JScosφ

其中，φ為自旋和之間的夾角。

可以預期，相鄰自旋之間的夾角“總”是很小的，因為交換作用是極短程的作用力，不允許產生大的夾角。當φ很小時。可以假設每個平面上有幾個自旋，這些平面相互平行，此時則有：

ε=JSφ

在計算中將所有自旋相互平行的狀態作為參考狀態，減去參考狀態的能量即得到上述表示式。這意味著重新定義了交換作用能的零點。但是，不必擔心，只要互相一致，重新定義是合理的。

如圖1所示，設為平行于局域自旋方程的單位矢量，在小角度的場合，|φ|≈|-|。需指出，這一定義也意味著平行于磁化強度矢量的局部方向。不僅定義在格點上，而且是一個連續變量，其泰勒級數展開的一級近似為：

|-|=|（•）|

其中，是從格點i到格點j的位置矢徑

將〈4〉式代入〈3〉式，則得：

ε=JS•［（•）］

上式中的第二個求和遍及格點i到所有鄰近的位置矢徑，例如對晶格常數為a的簡單立方晶格，需要六個位置矢徑S=a（±1，±1，±）求和。對于三種立方晶格很容易求和，計算表明三種立方晶格的表達式相同，只是系數因子不同。

將對i的求和變換為對整個鐵磁體求積分，則立方晶體交換作用能的表達式為：

ε=?蘩wd?，w=1/2C［（m）+（m）+（m）］

其中C=c

上式中，a為晶胞棱邊的長度，c為常數，其數值對于簡單立方，體心立方，面心立方分別為1，2和4。

4.交換作用與“經典”的交換作用

前面已經提到，交換作用沒有經典的對應物，是量子力學中電子波函數的重疊引起的。實際的交換能量論即〈1〉式來源于庫侖作用，因為它應用了反映pauli不相容原理的行列式。根據pauli不相容原理，兩個相同自旋的電子不能處于同一個位置，因此，它們的重疊就比經典電子的重疊小（詳情參見文獻1），因為交換能量項的主要特征是其積分中包含了對自旋波函數的求和，因自旋波函數是彼此正交的，如果自旋不平行取向，則積分為零。所以，這一項能量實際上表征了兩個自旋爬行取向，以及反爬行取向的兩個姿態的能量“岔值”，其作用在于力圖使自旋彼此平行取向（或者反平行取向，這取決于交換積分的正負）。

但是，在“經典”的交換作用中，恰恰忽略了交換作用最為重要的一點，即電子的自旋波函數，而是以經典的矢量來代替自旋。而這一變化，促使了經典的能量論代替了量子力學的交換作用能，這一變化，使得交換能量的計算顯得更加簡捷方便，也便于解決目前考慮到量子力學性質時難以解決的問題，比如，對三種立方晶格即（簡單立方，體心立方，面心立方）交換作用能的積分，以及對兩個反方向磁疇間疇壁結構的求解問題等。

可是，既然經典交換作用已經忽略了物質的原子本性，不以經典矢量來代替自旋。那么，我們在利用經典交換作用解決問題時，就必須忽略它帶來的局限性和一些限制。

5.經典交換作用的應用和限制

在上一節中已經提到，經典交換能量式為：

ε=JS•［（•）］

其對三種立方晶格交換作用能的表達式為：

ε=?蘩wd?，w=1/2C［（m）+（m）+（m）］

其中C=c

a為晶胞棱邊的長度，c為常數，而對六角密堆晶體，譬如能對Si的體積同樣給出〈6〉式，只是系數C不同，其值為：

C=

其中a為最鄰近原子間的距離。

對于低對稱性的晶體，〈6〉式需做某種修改。不多對于大多數有實際意義的情況，可以認為這一表達式仍然是交換作用的很好近似，比如連續介質的假設是物理真實的很好近似一樣。將常數C看作是材料的一個物理參數，其數值可以通過理論計算結果及測量數據的擬合而求得。當然，如果已知交換積分J，那么從理論表達式〈7〉和〈8〉也可求出常數C。

不過，J與溫度有關。靠近居里溫度T的J值不再適用于微磁學計算，因為微磁學往往適用于室溫附近。通常用鐵磁共振實驗可以較準確地測出交換常數C，對于鐵和鎳，其數量級C≈2×10erg/cm。

對于解決晶體中磁化強度矢量的方向隨空間位置變化的問題〈6〉式給出的交換作用能量是非常有用的工具。假設磁化強度矢量的數值在晶體內處處相同，且等于M（T），再均勻磁化，即晶體各點的磁化強度矢量均平行取向時，磁化強度的微商為零。交換作用能隨磁化強度矢量的空間變化率的增大而增加，正如所預期的，交換作用能力圖避免磁化強度矢量隨位置的急劇變化。

但是，交換作用能的使用是有其限制的，我們絕不能在超出其有效的近似范圍去應用它。它主要有以下限制。

5.1與材料是連續的基本假設有關

如果所涉及的任何特征長度都遠大于晶胞的尺寸，則材料是連續的，這個假設是合理的。但是，事先并不能完全保證這一點，不過，必須牢記，如果某個微磁學計算中涉及以長度為量綱的參數，只有在這些參數的數值遠大于晶格常數是結果才是可信的。

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5.2溫度不能太高

將格點上的自旋變為連續變量時，的數值在整個晶體內便自動的變為一個常數。同時實驗證實，磁疇中的數值是材料常數M（T），只與溫度有關，格點上具有固定自旋的圖像對于實際材料并不是一種很好的近似（參見文獻1）。下式給出的實驗事實

||=M（T）

只有在較大的體積中求平均時才正確，而當漲落足以使從一點到另一點有差別時，在每個點上（9）式就不滿足了。因為缺乏更好的模型，微磁學理論仍假設〈6〉式到處成立。因此，這個理論不能應用于居里點附近，因為居里點附近很小的“局部”場都會改變的數值。

同時對此理論來做必要的修改前，不能應用于高溫。如果假設尚不清楚，不過已有一些推行此理論的嘗試，其中取得重大步驟的是Minnaja（參見文獻2），他證明在存在熱漲落的情況下，應該用下列交換作用能密度的表達式代替〈6〉式。

w=［（m）+（m）+（m）］

其中，M為矢量的數值，是位置的函數。但是，這一理論仍存在問題，沒有用確定值的另一關系式代替（9）式，因而這部分工作尚未完成。另外在“成核問題”（Nucleation）的研究中（9）式是可以忽略的。

5.3這些近似只適用于相鄰自旋間“小夾角的情況”

不過，由于交換作用力是極短程的作用力，一般地講：相鄰自旋間的夾角預期是很小的。但是，這一普遍的規則并不排除一些非尋常情況下的例外，譬如在材料拐角處，由于其他能量項的制約磁化強度必須翻轉方向，如果以為〈6〉式是嚴格正確的，那么，形式上自旋夾角的不連續躍變會使交換作用能變為無窮大。因此，不能認為〈6〉式是嚴格成立的，因為它畢竟是〈2〉式的近似表達式。而自旋躍變時，〈2〉式并不趨于無窮大。〈3〉式總是有限的，而取近似的結果導致無窮大。這意味著這種近似方法不適用此特殊情況，應該采用別的方法進行研究。

6．結語

雖然經典的交換作用的使用存在諸多限制，在應對一些特殊情況時，問題也的確存在。但不可否認的是，對于大多數的問題，目前來說，別無選擇，只能采用〈6〉式。對于特殊的問題，我們就需采用一些特殊的技術。因而，在沒有找到更好的辦法之前，經典的交換作用不失為一種很好的方法。

參考文獻：

［1］A.Aharoni.鐵磁學性理論導論［M］.蘭州：蘭州大學出版社.

［2］Minnaja.N（1970）.Micromagaetics at high temperature.phy.s.Rev.B.1，1151-9.

［3］鐘文定.鐵磁學（中）［M］.北京：科學出版社，1998.

第7篇：量子力學的基本原理范文

量子糾纏態的性質刻畫特別是它的大小測量是一個有意義的課題。研究表明量子糾纏態的大小一般可以由純態的馮諾伊曼熵來衡量，對于一個兩量子比特系統，馮諾伊曼熵大的態可以通過局域量子操作及經典通訊變換為另一個馮諾伊曼熵小的態。但是對高維系統，卻經常存在兩個量子糾纏態并不能互相轉化的情況，甚至存在更復雜比如所謂糾纏催化的情況：即在糾纏態轉換過程中有輔助的糾纏態起到類似化學催化劑的現象。在刻畫這些糾纏態性質方面，大家最近發現馮諾伊曼熵的推廣即任伊熵是一個好的量子糾纏大小的測度，可以準確的刻畫糾纏轉化行為。同時隨著量子信息科學的發展，人們也希望能利用量子信息科學里的一些技術和方法來研究比如凝聚態系統的一些量子行為，例如對量子相變的刻畫。反過來也希望凝聚態物理對物質量子相的性質研究能對量子信息處理和量子計算是否可以在這些系統實現給出提示。

最近，中科院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）理論室范桁研究員、博士生崔健與新加坡國立大學等合作在不同量子相的不同量子計算能力方面的研究取得重要進展（Nature Commun.3，812（2012））。他們通過對模型基態任伊熵的偏導正負性的判斷，發現其行為可以準確區分凝聚態模型的不同量子相，而且不同的量子相確實在量子計算的能力方面是不同的。

量子計算的實現在方法上大致可以被分為兩種，量子邏輯門方法和絕熱量子計算方法。研究表明這兩種方法在計算能力和計算復雜度方面是等價的。他們選取了一種可以用絕熱量子計算實現的量子算法，通過對一維橫場伊辛模型和XY模型基態糾纏任伊熵的分析發現，在絕熱量子計算的實現過程中，在一些量子相里，絕熱量子計算需要整體相干操作，而在另一些量子相里，絕熱量子計算可以通過較簡單的局域操作輔助以經典通訊。而對比如量子搜索的研究表明，局域操作在所謂的量子加速方面并不起作用。從而表明不同的量子相具有不同的量子計算能力。

凝聚態模型基態的任伊熵研究對量子相變的刻畫及在量子計算中的作用是一個新的方法，不同量子相有不同的量子計算能力這個結論對具體物理系統的選取有指導意義。相關工作發表在近期Nature Commun.上（Nature Commun.3.812（2012））。

第8篇：量子力學的基本原理范文

一、數學科學是人類社會發展的精神產物

人類是動物進化的產物，最初也完全沒有數量的概念．但人類發達的大腦對客觀世界的認識已經達到更加理性和抽象的地步．這樣，在漫長的生活實踐中，由于記事和分配生活用品等方面的需要，才逐漸產生了數的概念．比如捕獲了一頭野獸，就用1塊石子代表；捕獲了3頭，就放3塊石子．“結繩記事”也是地球上許多相隔很近的古代人類共同做過的事．我國古書《易經》中有"結繩而治"的記載．傳說古代波斯王打仗時也常用繩子打結來計算天數．用利器在樹皮上或獸皮上刻痕，或用小棍擺在地上計數也都是古人常用的辦法．這些辦法用得多了，就逐漸形成數的概念和記數的符號．

數的概念最初不論在哪個地區都是1、2、3、4…這樣的自然數開始的．隨著人們活動范圍的增廣，認識自然利用自然能力的提高，數學在不斷的向縱深和多元化發展 ，現在一些數學知識很難在現實生活中找到它的原型．

二、數學科學是人類社會發展的力量

人們認識領域擴大，對物質生活追求的提高，需要不斷的認識自然，探索大自然的奧秘來為人類服務，就對各門科學的發展提出了新的發展的要求．其他科學的發展離不開數學的支撐．華羅庚說：“宇宙之大，粒子之微，火箭之速，化工之巧，地球之迷，日用之繁，無處不用數學．”愛因斯坦正是深受數學家黎曼的著作之影響而建立了廣義相對論；量子力學的創始人海森堡采用了數學中的矩陣來描述物理量，從而建立了量子力學．1917年數學家拉頓在積分幾何研究中引入了一種數學變換（拉頓變換），幾十年后柯爾馬克和洪斯菲爾德巧妙地運用拉頓變換，設計出X射線斷層掃描儀——CT，為醫學診斷技術作出了巨大貢獻．1991年的海灣戰爭前，美國曾顧慮伊拉克會點燃科威特的油井而引起全球性污染，一家公司利用流體力學的基本原理及熱傳導方程建立了數學模型，用計算機仿真，得出否定結果，對美軍發動海灣戰爭起了相當大的作用．在經濟和管理過程中，數學技術在其中每一個環節都扮演了重要角色．任何一個產品，從原材料檢驗、下料、分類、運輸、供應，到產品毛坯的準備、加工、物流、貯存、檢測、裝配、包裝，到銷售、服務、市場開發，直到市場信息反饋、成本核算、產品改進設計等等，數學中的最優化決策論原理促進了產品設計、生產與開發的科學化

三、數學科學可以提高勞動者的素質，促進生產力的飛躍

人類文明的進步還體現在民族素質的提高．生產力的決定因素是人，人類素質的提高促進生產力的進一步發展，一個民族的強弱在很大程度上取決于全體公民數學素質的高低．

第9篇：量子力學的基本原理范文

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