量子力學的性質精選(九篇)

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第1篇：量子力學的性質范文

乍看,題目好象哲學的。不屑哲學,只談物理。

大量研究表明,目前為止的實驗已經給出物質世界準確信息,物理學重要任務之一就在于找出這信息并揭示其內在規律。遺憾的是,目前為止的理論(無例外)均未能如此。然而國內外學界卻一致認為理論物理大廈框架——《量子力學》已經建成,剩下只是裝修和美化了。

但經本文研究表明,《量子力學》對一些基本物理學問題的實質并不清楚,往往似是而非。然而《量子力學》卻娓娓動聽、夸夸其談,實則以其昏昏使人昭昭!請看事實:

1.1 關于“量子化”根源問題。

微觀世界“量子化”已被證實,人們已經公認。但接踵而來的就是“量子化”根源問題,又機制怎樣?這本是物理學根本任務之一。已有的理論包括愛因斯坦、玻爾、量子力學都未能回答。然而量子力學家們卻置這本職任務于不顧,翩翩起舞與數學喧賓奪主、相互玩弄!

就是說,《量子力學》是在未有弄清量子化根源前提下侈談“量子”的“科學”。其結果只能使原子結構憑空量子化,量子化則成為無源之水,無本之木。這就是目前物理科學之現狀!

可有人,例如一位量子力學教授辯論時說:“量子化是電子自身固有屬性,陰極射線中的電子能量也是量子化的”。

雖然,這量子力學家利用了“微小量子”數學“極限”概念進行詭辯,顯得很聰明,但卻誤了人類物理學前程!

不可否認的事實是:陰極射線中的電子、X射線韌致輻射電子、高能加速器中電子或其它自由電子能量都連續可變,決不表現量子化!這無疑表明量子化不是電子自身固有屬性。那末,原子結構中能量量子化必有其它原因。顯然這是基本物理學問題,作為理論物理又是非弄清不可的問題。其它科學例如數學,由于任務不同尚可不必關心量子化根源問題。然,作為理論物理決不可以!本文如下將準確具體討論量子化根源問題以及物質世界又怎樣量子化的,并給出8位數字有效精度與實驗完全相符的計算結果。 1.2 理論與實踐關系問題

既然憑空將電子能量量子化,就難免臆造之嫌,所以《量子力學》就下意識往實驗上靠――“符合”試驗。然而,既下意識就難免拙劣,請看事實:

世界著名理論物理第六冊——《量子力學》(文獻 [1]) 中著:“量子力學,可建立于數個基本假定上,大體上這些基本假定分屬兩大項……,兩項的假定便構成一量子力學完整系統”。

這明確表明,量子力學就是建立在基本假定上的(種種猜測)。“科學學”研究還表明:任何建立在基本假定上的東西都不可能是科學!然而量子力學家們卻娓娓動聽說:“量子力學是建立在實驗基礎上的科學”。這不是彌天大謊么?!

文獻 [1] 在建立對易關系:

pq -qp = (?/i)E ――――――――― (1)

時說:“這是一基本假定”。并告誡人們:“不可懂”!就是說(1)式不能用任何數學——物理方法導出,即:不否認這是一種猜測。然而,(1)式就是昭著世界的“波動方程”的基礎,也就是量子力學的理論基礎。

所以確切地說,量子力學就是建立在基本假定上的種種猜測。這分明表現的是量子力學家們主觀意識!

研究表明,量子力學所謂實驗基礎,首先在于德布羅意“物質波”理論。認真研究表明,物質波究竟是什么?德布羅意本人未有弄清,后人至今仍未弄清,又怎能說“建立在實驗基礎上”呢?!

研究表明,量子力學的實際過程是:德布羅意對自然現象進行一次連他自己也弄不清的抽象(猜測)(以下證明),提出“物質波”概念。量子力學對這不清的概念又進行一次抽象(猜測)(以下證明),提出“波函數”(Ψ)概念,并且通過一種算符將其作用到一個基本假定即(1)式上,便鑄成了著名的“波動方程” ——量子力學的理論基礎:

(h2/2m)2Ψ + (E-V)Ψ = 0 ――――― (2)

由于量子力學憑空引進“波函數Ψ”,實際上就賦予了電子神奇性質。正是這種神奇性質使得量子力學具備了非凡詭辯能力。

1.3 量子力學詭辯倫理

1.3.1 關于理論基礎詭辯

以上及以下討論都證明,量子力學是,由于缺乏了解,錯誤地估計了試驗(以下嚴格證明),用了錯誤的基本假定(不能由任何合理方法導出)而形成的,錯誤理論。然而量子力學家們卻口口聲聲:“量子力學是建立在實驗基礎上地科學”。這分明是在詭辯,再加上社會意識,量子力學又具備了狡辯能力。 1.3.2 關于物質波的狡辯

對于“物質波”概念,量子力學 [1] 應用了三個基本假定:其一假定“對易關系”即(1)式,由此構成量子力學骨架;其二假定“測不準原理”,由此編造了電子“幾率云”圖像;其三假定“波?；パa原理”,這種原理本身就是一種詭辯,因為“波粒二象性”問題目前仍屬困難不解的世界性難題。于是量子力學精心泡制出“波函數Ψ”并強加給電子。經如此之假定,電子便具備了神奇性質——量子力學家們的主觀意識。

然而“波函數”的物理意義究竟是什么?量子力學家們著實應向人們交代清楚,遺憾的是任何學家都未能如愿。實際上對波函數Ψ的真實物理意義,量子力學家們也只是:你知、我知、天知、地知,凡人不可知。這分明是狡辯理論!

如果需要,量子力學(文獻 [1])首先拿出:

2πa=n ―――――――――――――― (3)

很明顯式中 2πa是粒子中心軌跡。于是說,物質波是粒子軌跡波動。此說極易征服初學者,但此說問題也易敗露。量子力學立即改變說法,言(3) 式系近代物理概念,對此不能用經典概念理解。于是又出現:

1.3.3 關于“經典”與“近代”狡辯

量子力學經常炫耀是近代科學理論,已經超脫經典,又不時貶低經典理論。

然而,以下討論完全證明:量子力學除了主觀臆造因素外,完全沒有離開經典物理一步,也未超出經典物理一點,就連波函數 Ψ 的表達式(無例外)也完全是經典數學和經典力學關系式,并且以下用不可否認的事實——量子力學所犯經典錯誤,表明量子力學連經典理論也不通。所以,量子力學所謂超脫經典,正在于一些基本假定連同主觀臆造。在此種意義上說,量子力學不僅超脫經典,而且也超脫科學! 1.3.4 量子力學方法論狡辯

確切說,量子力學不能給波函數 Ψ 做出完整的真實物理學定義,但在理論中卻輪番使用: ①波函數 Ψ 表示粒子中心軌跡波動;②波函數 Ψ 表示粒子出現幾率;③波函數 Ψ 表示彌撒物質波包三種概念。有了三種概念,又可各取所需,自然一切物理問題都“迎刃而解”了。

然而,量子力學同時又“有權”輪番否定這三種概念。但卻不是自我否定,而是另一種需要——否定其它理論,其中包括真理。要指出的是,量子力學輪番使用三種概念,又輪番否定這三種概念,并不是在同一時間同一地點進行的。因為應用一種概念的同時又否定這種概念,這是賣矛又賣盾的故事,連兒童都知道是蠢事。顯然量子力學家比兒童高明得多,這叫認識方法狡辯。

似這樣,在哲學面前,用“建立在實驗基礎上”量子力學可以蒙混過關;其它科學由于研究任務不同,不會關心“量子化”根源,又由“領地”限制也無權過問波函數的真實意義;量子力學又可各取所需輪番應用和輪番否定①、②、③三種概念。于是,量子力學便以狡辯贏得了世界理論權威!

1.4 關于“符合”試驗問題

以下將證明,量子力學所謂符合實驗,實際上系對實驗的猜測。量子力學很善于做貌似合理實則謬誤的猜測(以下揭示),并美其名曰“符合”試驗。其實,對實驗的真實物理過程并不清楚,又何談相符呢?請看事實:

基于玻爾理論的成功,量子力學作兩項重要推廣。 心理學原因,人們對這種推廣又愿意接受。然而卻出現本質性原則錯誤,請看:

1.4.1 量子力學推廣(一)

由于氫原子的試驗電離能與玻爾理論真實能級相近,于是量子力學推廣為:

試驗電離能 = 原子真實能級 ―――――――――― (4)

將該式推廣到多電子原子中顯然很省力氣,但這是嚴重錯誤。請看氦原子事實:

試驗(文獻[1])測得氦原子兩個電離能,這里分別用 E1,E2 表示為:

E1= 1.80(Rhc) = 24.58(ev) ―――――――― (5)

E2= 5.80(Rhc) = 79.01(ev) ―――――――― (6)

量子力學[1]認為這就是氦原子的兩個真實能級。

若用 E玻 表示類氫氦離子基態能玻爾理論值,則

E玻 = 54.42(ev) ――――――――――――― (7)

顯然下式成立:

E2 = E1+ E玻 ―――――――――――――― (8)

該式明確表明 E2 不是氦原子的真實能級,因為其中包含有 E1 ,即第一電離能。

那么,實驗值 E2 即(8)式表示什么物理內容呢?

研究表明:要使氦原子第二電子電離,儀器必先付出能量 E1=24.58(ev) 先使第一電子電離,這好比代價,氦原子于是變成類氫氦離子,其基態能為 E玻=54.42(ev)。要使它電離,儀器必須再付出與 E玻 相等的能量,才能使第2電子電離。那么儀器付出總能量必為 E2=E1+E玻,這就是氦原子電離實驗真實過程,由此不難結論:

1.4.2 據電離實驗本文結論

電離實驗結論一:氫原子及類氫氦離子玻爾理論值正確。

電離實驗結論二:目前電離能實驗值 ≠ 原子真實能級。

電離實驗結論三:所有元素最低能級皆為其類氫離子能級,不存在比這更低的能級。 然而量子力學(文獻[1]、[3])卻競相用“微擾法”、“變分法”乃至用修正核電荷方法逼近計算這氦原子的“能級”E2 :

E2= 5.80(Rhc) = 79.01(ev) ―――――― (9)

第2篇：量子力學的性質范文

（一）經典物理中的粒子與波

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

在經典物理中，一般認為粒子是在空間中獨立離散的存在的物質，并且具有一定大小和質量，比如電子的質量為9.10938215（45）×10-31千克，雖然很小，但是我們可以通過實驗間接地測量出來。此外，當粒子在某一方向上受到力的作用時，該粒子的速度大小會發生改變，也就是說，力在此時起到了阻礙或者加速運動的作用，改變了粒子的運動狀態。而當兩個粒子碰撞時，會產生動量的交換，若是在非彈性碰撞的條件下，還會有動能的損失。

與粒子不同，波是振動的傳播，一般分為兩種，一種是要依靠介質而存在的機械波，另一種為不需要介質也可以存在的電磁波，兩者都無法在空間中占據一定的體積，因此也沒有質量這個概念。由于波是一直運動著的，因此無法相對于某一參考系保持相對靜止狀態，雖然波一直在保持運動，但是其運動狀態又與粒子的運動存在著非常大的不同。

（二）量子力學中的波粒二象性

通過上節的描述和對比，我們發現波和粒子無論在存在形式還是運動狀態上，都存在著明顯的不同，這也就是說在經典力學中，波和粒子是完全不同的兩個物理現象。接下來我們再來討論一下在量子力學中，波粒二象性在哪些方面體現了粒子的特征，在哪些方面又體現了波的特征。

在量子力學中，我們認為一切可承載能量的載體都是粒子，比如說在經典物理范圍內的粒子，以及在量子力學中才體現出粒子性來的光子，此時的粒子，已不再要求其必須具有一定的體積和質量。

由于沒有絕對的靜止，所以根據德布羅意的假設“實物粒子也具有波動性”可以推知，一切的粒子都存在著波動，從而經典物理中相對靜止的觀念不得不被放棄。在量子力學中，一切的粒子的行為具有了波長，頻率，但是此時的動量與能量的表達式為

其中為普朗克常量，這是在經典物理中，無論波還是粒子從未存在過的，因為這兩個公式將粒子運動獨有而波動沒有的動量，波動獨有的而粒子運動所沒有的頻率和波長統一了起來。由式子（3）可以看到，由于在經典物理一般處理的是動量比較大的物質，而普朗克常量又是一個很小的數值，因此其波動性沒能體現出來。雖然粒子運動時具有了波的行為，會產生干涉和衍射現象，比如勞厄衍射光柵實驗以及戴維遜和湯姆遜利用晶體所做的電子束衍射實驗所驗證的那樣，但是，在受到力或者與其他粒子相互作用時，粒子依然保持著經典物理中粒子的特點，其運動狀態（比如說動量和能量）依然會發生改變，比如在康普頓實驗中我們知道，經過石墨散射后的X射線的波長會變長，能量相應的也會發生變化，這就使我們不得不放棄經典物理中波的傳播速度和頻率不會改變的法則。

通過以上討論，我們發現波粒二象性既沒有完全采用粒子的全部性質，也沒有全部采用波的全部性質，在存在形式上保留了粒子離散性的特點，在運動形式上保留了波動的特點，但是在受力或者與其他粒子相互作用時又保留了粒子的特點。除了在兩個經典物理概念中各自繼承的概念外，還通過公式（3）、（4）等概念，擴展了我們對物理學的認識，公式（3），（4）也是量子力學超越經典物理，并將粒子性質與波動性質統一起來的關鍵點。

第3篇：量子力學的性質范文

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

在量子領域里，粒子似乎可以同時出現在兩個地方，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！物理學家已經對這些量子世界中吊詭的事情困惑了90年，但他們現在還是一籌莫展。當演化論和宇宙論已經成為一般知識時，量子理論仍然讓人認為是奇特的異常事物；盡管在設計電子產品時，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，便繼續加深一種印象：量子理論想急切傳達的深奧道理，與日常生活無關，而且因為過于怪異，以至于一點也不重要。

在2001年，有個研究團隊開始發展一種模型，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，它重新思考波函數的意義。

在正統量子理論中，一個物體（例如電子）可用波函數來表示，也就是說波函數是一種用來描述物體性質的數學式子。如果你想預測電子的行為，只需推導出它的波函數如何隨時間變化，計算的結果可以給你電子具有某種性質（例如電子位于某處）的概率。但是如果物理學家進一步假設波函數是真實的事物，麻煩就來了。

量子貝氏主義結合了量子理論與概率理論，認為波函數不是客觀實在的事物；反之，它主張把波函數作為使用手冊，是觀察者對于周遭（量子）世界做出適當判斷的數學工具。明確一點講，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測的方式影響被觀測系統，因此用波函數來指明自己判斷量子系統具有某種特定性質的概率大小。另一個觀察者也用波函數來描述他所看到的世界，對于同一量子系統而言，可能會得到完全不同的結論。觀察者的人數有多少，一個系統（一個事件）可能擁有不同的波函數就有多少。在觀察者相互溝通、并且修正了各自的波函數以涵蓋新得到的知識之后，一個有條理的世界觀就浮現了。

最近才轉而接受量子貝氏主義的美國康奈爾大學理論物理學家摩明這么說：“在此觀點之下，波函數或許是‘我們所發現最有威力的抽象概念’。”

波函數不是真實的事物，這種想法早在20世紀30年代就出現了，那時量子力學創建者之一的尼爾斯·波爾在其文章中已經這么說。他認為量子理論僅僅是計算工具，即量子論只是“純符號性”的架構而已，而波函數是工具的一部分。量子貝氏主義是第一個為波耳的主張找到數學基礎的模型，它把量子理論與貝氏統計結合起來。貝氏統計是一門有200年歷史的統計學，這門學問把“概率”定義成某種類似“主觀信念”的事物。一旦新信息出現，我們的主觀信念也必須跟著更新。針對如何更新，貝氏統計定下了明確的數學規則。量子貝氏主義把波函數解釋成一種會依據貝氏統計規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吊詭就消失了。

以電子為例，每當我們偵測到一個電子，就會發現它一定是位于某個位置；但是當我們不去看它，則電子的波函數可能是散開的，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，又會看到電子出現在某一個位置。根據標準說法，觀測促使波函數在一瞬間“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），如此一來就會引發一些如愛因斯坦稱為“鬼魅般的超距作用”的困惑。

量子力學一誕生，物理學家就知道“波函數的崩陷”是這個理論深深困擾人的一項特點。這個令人不安的謎促使物理學家發展出各種量子力學的詮釋，但是都沒能完全成功。

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

第4篇：量子力學的性質范文

關鍵詞：矩陣；等價標準型；量子力學；應用

中圖分類號：O15文獻標識碼：A文章編號：1671―1580（2015）10―0150―02

一、引言

矩陣的等價標準型是矩陣論中的一種既特殊又重要的形式，它可以解決代數中的許多問題，例如利用矩陣的等價標準型來研究矩陣的一些性質，廣義逆矩陣等等。本文是把量子力學和代數中的矩陣聯系起來，把矩陣的等價標準型應用在物理學的量子力學中。

矩陣A和B是等價的，如果矩陣B可以由A經過一系列初等變換得到，同樣也可以這樣表達：兩個n×m矩陣，A，B若存在m階可逆矩陣P，n階可逆矩陣Q，使得PAQ=B，則稱這兩個矩陣，A，B是等價的。

矩陣Ir0

00為A的等價標準形是這樣定義的：A是一個m×n矩陣，并且A的秩為r，則A等價于矩陣Ir0

00.

二、在物理中關于量子力學的應用

標準形矩陣在量子力學中的應用，這是物理學中比較重要的一個應用。

等價標準形在量子力學中主要應用在線偏振器的表示和密度矩陣的求解中。

在力學中， 線偏振器是這樣定義的，由入射自然光得到偏振光的器件稱為線偏振器，當透振沿X軸的方向時，瓊斯矩陣可以很容易得到為10

00， 根據上面的定義，我們可以知道它是等價標準形。當入射光E連續通過兩個或兩個以上偏振器時，輸出光是它們的疊加，輸出的光可表示為E=MnMn-1…M1E.M1，M2…Mn 為依次通過的各偏振器的瓊斯矩陣，那么很容易看出偏正態變為簡單的矩陣運算，又回歸到數學的運算之中了。

例1設有一條偏線振光滿足振幅為A，并且振動方向是X軸，先通過一透振方向與X軸方向的偏振片，再通過一塊沿軸X方向45度方向放置的方解石λ4片，求出光偏正態和強度。

對于上式進行分析，不難得出輸出光的x，y分量偏振幅均為A2，這兩個振動相位差為π2，很容易看出，出射光和左旋圓偏正光的形式是一樣的，那么它就為左旋圓偏正光，I=（A2）為出射光的強度，入射光線的強度為π2.

例2 量子態|φ>相應的密度矩陣的矩陣元Pn′n出現（不為0時），量子態|φ>必含有|n>和|n′>態，Pn′n的值與|n>和|n′>態在態|φ>中出現的幾率和相位都有關，如|φ>就是F的某一個本征態|k>，則Pn′n=|n|k>|k|n′>δnkδn′k=δnn′δn′k.它是一個對角矩陣，而且對角元中只有一個元素ρkk′不為0，且ρkk′=1，求電子自旋σx=±1的本征態在pauli表象（σZ表象）中的密度矩陣，進而求它在σx表象中的密度矩陣。

[參考文獻]

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[2]蘇育才，姜翠波，張躍輝.矩陣理論[M].北京：科學出版社，2007（01）.

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[6]張禾瑞，郝新.線性代數[M].北京：人民教育出版社，2006.

第5篇：量子力學的性質范文

強、弱、電三種相互作用的標準模型的建立與精確檢驗是20世紀物理學最偉大的成就之一，它把基本粒子的強、弱、電三種相互作用的描述成功地統一起來，成為人類揭示最深層次物質結構的強有力的工具。但是，迄今一直未能把引力統一進來始終是極大憾事。究其原因在于引力的量子化帶來一系列長期困擾物理學界，至今仍難以解決的嚴重問題。積極探尋這些問題的解決辦法，近年來成為理論物理學家極為關注的熱點。本書正是作者為解決問題而孜孜不倦、努力奮斗的結果。在本書中作者認真地考查了這些研究活動所涉及的物理概念與哲學基礎，特別是評論了人們提出的各種建議與模型的前提和自洽性。

作者曾與L.Susskind合作寫過一本關于黑洞的書，介紹靜態幾何的量子物理與相對論以及視界物理的一些信息。然而作者最近研究表明對于一旦納入動力學描寫時，這些結果必須做一些定性的修改。本書是作為以前出版的那部書的進一步詳細的闡釋和擴充，但是也包含了一些新的材料，其中包括詳細考查在相對論框架內納入量子力學的基本自洽性，包括了動力學空間相關幾何學，并擴展了前一本書寫作中涉及物理學基礎的一些討論，嘗試探討微觀物理學中可以與引力的微觀理論自洽的內容。本書特別強調：在尋找最優雅的物理現象的模型時人們必須記住：物理學是一門實驗科學。他希望以此激勵讀者對于新知識，特別是通過實驗探索物質性質的興趣。

全書內容分成兩大部分，共包括9章。第一部分 伽利略相對論與狹義相對論，含第1-4章：1.經典狹義相對論；2.量子力學、經典力學和狹義相對論；3.粒子相互作用的微觀形式；4.量子力學中的群論。 第二部分 廣義相對論，含第5-9章：5.廣義相對論基礎； 6.彎曲時空背景中的量子力學；7.視界與陷俘區的物理學； 8.宇宙學； 9.相互作用系統的引力。

本書以物理系和自然哲學領域的大學生和研究生以及數學和粒子物理領域的研究人員為主要的讀者對象。對于物理模型以及與主流物理學自洽的實驗感興趣的理論物理與自然哲學家也是一部重要的參考書。但閱讀本書的讀者應當具有量子力學、廣義相對論、統計物理學和物理學基礎知識。

第6篇：量子力學的性質范文

對分析哲學沖擊巨大，對歐陸哲學沖擊不大。

在分析哲學那里，科學是解釋世界幾乎最為強大的武器，哲學研究必須和科學互補，而不是競爭。隨著量子力學的發展，哲學家不得不開始要么修正一些之前的哲學概念，要么思考如何把傳統的哲學概念與量子力學融貫。這些概念概括但不僅限于：本體，性質，自由，因果，時空，概率，邏輯，觀察，認知，等等。

（來源：文章屋網 ）

第7篇：量子力學的性質范文

關鍵詞：對稱性；物理學；具體表現

隨著物理學的不斷發展，人們對自然界規律的認識也逐漸深入，一些原本看似無關緊要的東西卻日益變得舉足輕重起來，物理學中的對稱性便是其中之一。物理學從過去單純地將對稱性看作對物理現象的一種限制，轉向把它確立為物理定理的一塊基石。加利福尼亞大學教授阿?熱在《可怕的對稱》一書中指出“沒有對稱性思想的引導，當代物理學家將無法工作”。諾貝爾物理學獎得主李政道教授指出：“藝術和科學，都是對稱和不對稱的巧妙組合。”可見，對稱在物理學中扮演著非常重要的角色。本文試圖對物理學的一些科目中的對稱性思想進行一番分析，以引起大家對對稱性的重視。

一、關于對稱性

（一）對稱與對稱破缺

日常生活中大家可以看到許多對稱的例子，例如，人體和許多特定的生物體形態，以及自然界中的礦物晶體，雪花的形狀等。大家還可以注意到許多建筑和美術設計的圖案也都具有對稱性。之所以有如此多的對稱的例子，那是因為人們認為對稱是一種美。

但仔細看來，人們并不滿足于絕對意義上的對稱，總是在整體的對稱中設置局部的不對稱，即對稱性被破壞了，物理學上稱這種情況為對稱破缺。

（二）對稱的分類

根據上述的對稱定義，不同的對稱操作對應著不同的對稱性，如體系A經空間平移后變為體系B，若A、B等價，則空間平移就是一種對稱操作；若體系A經時間平移后變為體系B，若A、B等價，則時間平移就是一種對稱操作，等等。常見的對稱操作主要有：空間操作：轉動、平移、空間反演等；時間操作：時間平移、時間反演等；其它：置換、電荷共軛變換等。

當然，操作的類型遠不止于此，這里列舉的僅是一些比較簡單的，其它的操作會在下面的論述中逐步指出。

（三）對稱性和守恒律

守恒量和守恒律是物理研究的一個重要內容，守恒律常被看作是最基本的自然定律，它以確定的可靠性和極大的普遍性預言著哪些過程是允許的，哪些過程是禁戒的，它為物理學的研究指明了方向。

1918年德國女數學家尼約特發表了著名的將對稱性和守恒律聯系在一起的定理，即每一種自然界的對稱性都可得到一種守恒律。該定理揭示出了守恒律產生的原因，即守恒律是自然界的對稱性所導致的。根據法國物理學家皮埃爾?居里的對稱性原理，對稱的原因產生守恒的結果。若將自然界中的某一對稱性看作原因，則必有作為結果的一個守恒律。如：系統總機械能函數對空間坐標系平移的對稱性導致了動量守恒定律。

二、對稱性在物理學中的具體表現：

將對稱應用于物理學的研究對象不僅僅是圖形，還有物理量，物理定律等。下面我就物理學主要學科中所蘊含的對稱性思想試作淺述，希望能引起大家對對稱性的重視。

（一）力學

力學是一門基礎學科，從牛頓到愛因斯坦，力學由絕對時空觀發展到了相對時空觀，相應地也就有了經典力學和相對論力學。

在經典力學中，有許多相對性思想，伽利略變換便是一個典型。若將質點系加速度視為一個物理量，伽利略變換視作一個操作，則經伽利略變換后，加速度保持不變，故質點加速度對伽利略變換的不變性可視為加速度對伽利略變換具有對稱性。牛頓第二定律F=ma對慣性系A成立，對慣性B亦成立，而慣性系A、B的變換滿足伽利略變換，故牛頓第二定律具有伽利略變換對稱性。而若將動量視為一個物理量，伽利略變換視為一個操作，由于從不同參考系中觀察到的動量不同，故動量不具有伽利略變換不變性，但動量守恒律由于對不同的慣性系均成立，故動量守恒定律對伽利略變換具有對稱性。

相對論力學本身就是愛因斯坦考慮對稱性的產物，近代物理學家十分重視物理美，即對稱、簡單、和諧等，他們認為支配自然界的規律應該是簡單的、對稱的?；趯ΨQ性，愛因斯坦認為對描述一切物理過程，包括物置變動，電磁以及原子過程的規律，所有的慣性系都是等價的，只是不同的物理過程對應著不同的操作而已，如力學規律關于伽利略變換對稱，而電磁規律關于洛倫茲變換對稱。

（二）光學

光學可以分為幾何光學和波動光學，在幾何光學中平面鏡所成像與物體關于鏡面對稱，這即所謂的鏡像對稱，它在物理學中有著重要的運用，如宇稱、電像法等。光速作為一個物理量，具有時空對稱性。不論昨天、今天，還是明天，不論是中國、美國，還是其他星球，光速在同一介質中的速度都是恒定的，所以光速具有時空對稱性。

（三）粒子物理學

粒子物理學是一門新興學科，它主要研究基本粒子以及它們間相互作用的規律，在粒子物理學的研究中對稱性很重要，許多問題本身研究的就是對稱問題。

宇稱是粒子物理研究的一個重要概念，宇稱是一種函數的性質，在物理學中也是函數所代表的物理狀態的性質。對函數u=u（x），若u（-x）=u（x），則u（x）的宇稱是偶性的，若u（-x）=-u（x），則u（x）的宇稱是奇性的。物理學家把宇稱看作粒子的一種基本性質，相當于自旋電荷的質量等。研究宇稱對我們掌握粒子的性質，以及粒子的分類都有重要作用。宇稱守恒定律反映了粒子間相互作用的一種性質，在已知的相互作用中，強相互作用和電磁相互作用中，宇稱守恒；而弱相互作用中，宇稱不守恒，這說明了弱相互作用有一種特殊性質。

（四）量子力學

量子力學被認為是二十世紀的三大發現（量子力學，相對論，生物DNA雙螺旋結構）之一，它以全新的理論使人們重新審視自然規律。對稱性思想可指導我們對未知領域進行搜索，并據此提出合理假設，特別是量子力學所研究的微觀結構，用實驗研究很不方便，所以很多時候可以先用理論進行研究，再用實驗驗證。物質波粒二象性的發現正是遵循著這條規律，當初德布羅意正是在對稱性的指導下，預言了物質的波粒二象性。

通過上面的分析，大家可以看出，物理學的各個分支學科蘊含著豐富的對稱思想，研究對稱性對于我們掌握物理規律，探索或發現未知領域的新情況起著重要作用。從對稱性的角度出發分析和解決問題，是當今在前沿工作的物理學家習慣采用的方法。因此，在基礎物理的教學中，適當介紹一些在前沿工作的物理學家正在使用的概念、理論和方法，對于物理的學習是非常有必要的，而據我所知，許多教師和學生在物理學的教與學中，對此漠然視之，所以我撰寫此文，希望能夠引起大家對對稱性的重視。

參考文獻

第8篇：量子力學的性質范文

關鍵詞：應用物理；課程體系；教學內容；優化整合

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）50-0040-02

一、前言

物理學的基本原理滲透在自然科學的各個領域，被稱為自然哲學，已成為相關應用技術領域的基礎和源泉。應用物理專業是一個以物理學為基礎，以“應用物理”為核心和特點，強調將物理學知識與實際應用相結合的專業，以培養既有一定物理理論知識，又有一定實驗技能與工程技術的理工復合型人才為目標的專業[1]?？墒悄壳霸S多高校的應用物理專業的培養目標無法實現，其培養質量令人堪憂，其中最迫切最重要的是應該對應用物理專業課程體系進行大力合理改革，對其傳統教學內容進行優化重整。

二、應用物理專業課程體系改革和教學內容的優化重整的必要性和緊迫性

2007年2月17日教育部下發了《教育部關于進一步深化本科教學改革全面提高教學質量的若干意見》。其中強調要深化教學內容改革，建立與經濟社會發展相適應的課程體系，要根據經濟社會發展和科技進步的需要，及時更新教學內容，將新知識、新理論和新技術充實到教學內容中，為學生提供符合時代需要的課程體系和教學內容。要采取各種措施，通過推進學分制、降低必修課比例、加選修課比例、減少課堂講授時數等，增加學生自主學習的時間和空間，拓寬學生的知識面，提高學生的學習興趣，完善學生的知識結構，促進學生個性發展。

目前的應用物理課程體系仍然主要由普通物理課程（包括力學、熱學、電磁學、光學、原子物理學）、理論物理課程（包括理論力學、熱力學與統計物理學、電動力學、量子力學）以及固體物理學構成。應用物理專業的學生經過高中物理、普通物理和理論物理的學習，發現許多課程內容重復出現，以至于相當一部分人認為沒有多大差別，只是所用數學工具不同罷了，“高中用，普物用d，理物用”，這充分反映了應用物理專業主干課程體系和教學內容存在的嚴重問題[2]。即當今的應用物理專業課程體系和教學內容仍沒有跳出傳統物理學專業和物理教育專業的框架，課程體系僵化，過分強調“系統化”、“邏輯化”，傳統的基礎和理論物理課程內容重復而陳舊、占用課時過多。沒有體現物理世界的發展性，現代性、統一性以及各學科之間的內在聯系、相互交叉、相互滲透。普遍存在“重經典、輕現代、重理論、輕應用”的弊端，反映現代科學和高新技術發展成果的課程和教學內容太少，應用物理專業的“應用”特色體現不明顯，學生的科學素養、理論和實際相結合的能力較差，無法實現應用物理專業培養目標[3，4]。

“知識爆炸”時代，科學技術的發展日新月異，其在經濟發展進程中的作用越來越大，同時也產生了許多新興學科。教學內容和課程體系是人才培養目標、培養模式的載體，是教育思想和教育觀念的直接體現，是提高人才培養效率和質量的決定性因素[5]。因此培養應用物理專業人才的教學內容和課程體系理應滿足新時期科技、經濟飛速發展對人才培養的需求，所以改革現有課程體系，優化整合教學內容，提高教學效益已勢在必行，刻不容緩。

三、課程體系改革和教學內容優化整合原則

課程體系的設置和教學內容的選取要符合教學規律，符合學生的認知規律，由現象到本質，由簡單到復雜，同時注意到自然界是普遍聯系的，不人為割裂自然科學的內在聯系，理論和原理是經典的，但應用要是現代的，按照“少而精”的原則，對傳統教學內容實行量的精選、壓縮與質的提高。對現有的普通物理（包括力學、熱學、電磁學、原子物理學）和理論物理（包括理論力學、熱力學與統計物理學、電動力學、量子力學）進行優化整合，絕不搞簡單縮減，重新設置課程體系，并對課程開設順序和時間做出科學合理的安排，同時注入現代化的教學內容，將近代物理和科技發展的最新成果納入新的課程體系和教學內容，及時反映科學技術研究的新成果，使學生及時了解學科發展前沿的新成就、新觀點、新動向。縮減傳統課程門數及學時數，以便增開其它應用物理課程及學時數。

四、課程體系改革思路和優化整合的教學內容

1.力學和理論力學優化整合成力學理論。如今許多應用物理專業第一學期就開設普通物理課程力學，到第五或第六學期再開設理論力學，而理論力學前面相當大一部分是和力學內容重復的，如質點運動學、質點動力學、質點組運動學、質點組力學、剛體力學等內容重復量大，這不僅降低了學生學習新知識的興趣，且浪費了很大一部分教學課時。同時力學課程要求采用微積分、矢量分析、微分方程等高等數學知識研究處理“變”的物理問題，這和學生剛開始接觸高等數學知識相矛盾，教師在授課時不得不降低要求講解，造成學生后續學習理論性強的理論力學的難度增大，教學效果降低。因此打破原有力學和理論力學界限，將它們優化重組成力學理論課程，刪除牛頓力學重復部分，去除相對論部分，將這部分移到電磁理論中講解，力學理論安排到大學第二學期開設，這時學生們的高等數學工具應用較為熟練，已具備了處理“變”問題的科學思維方法和能力，有利于教學質量的提高。精簡、優化整合后的力學理論包括：質點力學、剛體力學、非慣性系力學、振動與波、連續體力學、虛功原理、拉格朗日方程、哈密頓正則方程、哈密頓原理、泊松括號與泊松定理、正則變換、哈密頓-雅可比理論、非線性力學簡介。力學理論課程既包括牛頓力學，又包括分析力學，將研究力學問題的方法有機辯證地聯系起來，物理概念清晰準確，理論體系簡潔明了，兼顧了經典與現代、基礎與前沿內容，為后續理論課程的學習構筑了橋梁和基礎。

2.熱學和熱力學與統計物理學優化整合成熱物理學。據統計，熱力學與統計物理學中的熱力學部分和統計物理學部分分別占總內容的46%和54%。熱學課程中的熱力學定律部分和熱力學與統計物理學中熱力學部分內容（溫度與平衡態、物態方程、熱力學第一定律、功、熱容量與焓、理想氣體、熱力學第二定律、熵、卡諾定理等）重復率高達1/3[6]。在分子動理論和經典統計部分也有重復，如麥克斯韋速率分布律和速度分布律、玻耳茲曼分布律、能量按自由度均分定理、氣體內的輸運過程，所以將熱力學部分與熱學中的重復部分刪除，將這兩門課程進行優化整合，可以縮減約1/3的課時。優化整合的主要思想是貫穿從宏觀到微觀，從單個質點到大數量粒子構成的系統這一線索。在熱學部分介紹經典熱學、熱學最新動態、熱學在新科技中的應用，統計物理學部分以系綜理論為主線，融宏觀與微觀理論于一體，立足于微觀量子理論，從等幾率原理出發，循序漸進地闡明統計物理學理論，運用統計物理學理論導出熱力學基本定律，將統計物理學概念與宏觀熱現象相聯系和對應，實現熱現象的宏觀理論與微觀理論的有機融合。優化整合后的熱物理學內容包括：熱力學第零定律與溫度、狀態方程、氣體分子運動論的基本概念、氣體分子熱運動速率和能量的統計分布率、氣體輸運過程、功、熱量、熱力學第一定律與內能、熱力學第二定律與熵、固體和液體、相變、統計物理學基本原理、孤立系統、封閉系統、熱力學函數及其應用、氣體性質、開放系統、量子統計理論、漲落理論、非平衡態統計物理。

3.電磁學和電動力學優化整合為電磁理論。電磁學和電動力學都是研究電磁場基本性質、運動規律及其與帶電物質之間的相互作用。電磁學側重于電磁現象的實驗研究，從對電磁現象的研究中歸納出電磁學的基本規律，而電動力學側重于理論研究，以麥克斯韋方程組和洛倫茲力為基礎，研究靜態、時變態條件下電磁場的空間分布和運動變化規律，以及帶電粒子與電磁場的相互作用等問題?？紤]到電磁學與電動力學在內容上是相互統一，相互滲透的，可以將它們優化整合成電磁理論課程，將電磁學與電動力學的內容適當貫通，既分層次，又平滑過渡，避免不必要的重復。具體如下：由庫侖定律引出電場、電場強度的定義，電通量、高斯定理及場強的計算，由電場力作功的特點引出環路定理、電勢、電勢的計算；由畢奧-薩伐爾定律引出穩恒磁場的計算、環流和旋度、散度；由電場強度與電勢的關系引出真空中的泊松方程與拉普拉斯方程；介紹介質的電磁性質、場與介質的相互作用、靜電場邊值關系與唯一性定理，運用泊松方程與拉普拉斯方程計算真空與介質中的場強與電荷分布，介紹靜電場分離變量法、鏡像法；由穩恒電流導出靜磁場，由電場中的標勢引出矢勢、磁標勢；對電磁感應、麥克斯韋方程組、電磁波輻射與傳播、狹義相對論均單獨設章節介紹。對超導、等離子體、巨磁電阻等做簡要介紹，豐富理論與實際應用的聯系，電路和交流電內容放電工學課程中講解。

4.原子物理學和量子力學優化整合為近代物理學。原子物理學側重于原子光譜實驗現象的解釋、物理思想和物理模型的建立，量子力學是在對原子光譜研究的基礎上發展建立起來的理論體系，側重于微觀本質，理論性強。原子物理學的實驗研究促進量子力學的不斷發展，它們聯系緊密，相互促進，其研究對象存在重復，導致目前許多原子物理學教材中的量子力學導論部分內容和量子力學教材存在大量重復，如玻爾氫原子理論、波粒二象性、不確定性原理、波函數及其統計解釋、薛定諤方程、平均值計算、氫原子薛定諤方程解、康普頓散射效應、堿金屬原子光譜精細結構、塞曼效應等。因此必須對這兩門課程進行優化整合，形成新的知識結構體系，其思路是：通過對原子現象的發掘，引出其量子力學的理論本質，同時通過量子力學理論的建立和運用，來研究原子等微觀體系的特性。優化整合后的基本內容為：經典物理遇到的困難、玻爾氫原子理論、狀態與薛定諤方程、力學量與算符、中心力場、電磁場中粒子的運動、矩陣力學、微擾理論、電子自旋、多電子原子、外場中的原子、多體問題、分子結構和能譜、散射。這樣優化整合后課程所需學時會比優化整合前大大減少。

五、整合后專業課程的開設時間安排

根據學生的認知特點和規律、應用物理專業課程之間的關聯，優化整合后的課程開設順序可以這樣安排：大學一年級注重增加高等數學教學課時，將高等數學進度盡量前推，大學第二學期開設力學理論、第三學期開設光學和電磁理論，同時開設數學物理方法為后續課程做好準備，第四學期開設近代物理學，第五（或四）學期開設熱物理。這樣的調整安排能留出更多時間來開設其他應用物理專業課程，有利于學生的就業或繼續深造。

六、教學改革的預期效果

1.重構應用物理主干課程體系，避免了基礎課程和理論課程教學內容的重復，優化教學內容，縮減課程科目，節省大量課時，將會大大提高教學效率。為應用物理課程的開設、選修課的開設及學生的個性化發展提供了時間條件，突出了應用物理、技術課程的地位和專業特色。

2.為應用物理培養目標的實現，培養合格的應用物理人才提供了可靠保障，課程體系的改革和教學內容的優化重整適應和滿足社會發展和科技前沿的需求。教學內容富有現代性，開放性，滲透新的教學內容和思想，使應用物理專業學生在理論與實踐技術方面具有復合型的知識結構，為他們今后的創新發展提供堅實基礎。

參考文獻：

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[2]陳波.應用物理學專業《熱學》與《熱力學與統計物理》課程整合之初探[J].中山大學學報論叢，2004，24（01）.

[3]富笑男，劉琨.應用物理學專業人才培養模式的探索與實踐[J].鄭州航空工業管理學院學報（社會科學版），2009，28（04）.

[4]石東平，龍曉霞，程正富，代武春，楊守良.物理學專業應用型人才培養課程體系改革探索與研究[J].重慶文理學院學報（自然科學版），2009，28（06）.

[5]陳波.應用物理專業物理類基礎課的課程體系改革之探討[J].中山大學學報論叢，2004，24（03）.

第9篇：量子力學的性質范文

關鍵詞：自然哲學　量子革命　系統辯證法

關于20世紀科學革命，有人說只須記住三件事：相對論、量子革命和混沌學（系統科學中最突出的新分支）。正是這三大科學革命為人類建構全新的自然圖景（也就是新穎的自然哲學）作出了決定性的貢獻。這里所謂自然哲學是指人對自然的哲學反思。自然哲學的中心問題就是基于人與自然的關系來研究自然本體最一般的性質和人類的世界圖景。

一

自然哲學在哲學史上有過兩個全盛時期（古希臘及近代機械論），只是在謝林、黑格爾之后衰落了。由于20世紀三大科學革命的強大影響，自然哲學正在當代復興起來，這是十分令人鼓舞的。我們先從三大科學革命說起。

首先要提到的是相對論革命對改造人類世界圖景的貢獻。在1905年的狹義相對論中，時空性質依賴于參照系等概念是對“觀察無關性”的經典信念的初次沖擊；1915年的廣義相對論把引力場（它具有整體全息相關性）確立為新的“獨立的實在”，這是對牛頓的實體觀的又一次打擊。接著要論述的是量子革命，它比相對論革命更為深刻地改變著人類的世界圖景。因為1925年以后所創建的量子力學進一步使笛卡兒與牛頓以來的主客絕對二分原則、實體主義原則乃至嚴格決定論原則都受到猛烈沖擊。最后要強調的是系統科學革命。20世紀中葉以來近半個世紀系統科學的蓬勃發展表明，從總體上說，系統自然觀集中體現了當代自然圖景的精華，因此系統自然觀幾乎成了當代自然科學的世界圖景的代名詞，貝塔朗菲稱之為“一種新的自然哲學”。20年代所出現的懷特海的“機體論哲學”則是這種自然哲學之先聲。

當代的系統自然觀借助于維納的控制論(1949)、貝塔朗菲的一般系統論(1948)、普利高津的耗散結構論(1969)和哈肯的協同學(1971)等理論復活了亞里士多德的機體論和內在目的論的自然哲學?！?〕控制論通過對“動物（即生命系統）和機器（即非生命系統）的通用規律”的研究表明，自動機器通過反饋調節機制可以表現出與神經控制同樣的合目的性或規律。[1]維納在《控制論》中對牛頓的嚴格決定論進行了深刻有力的批判，肯定了統計力學家吉布斯把偶然性引進到科學中來的重大的方法論意義，并突破了目的論與機械論之間的兩極對立。莫諾在《偶然性與必然性——略論現代生物學的自然哲學》(1971)一書中，則用生物微觀控制論表明，借助于生物化學和分子生物學層次的反饋機制以及微觀-宏觀相互作用，完全偶然的基因突變最終可以納入物種進化的必然軌道；耗散結構論表明，在遠離平衡態條件下開放系統可以通過非線性正反饋機制的作用表現出有序化和合目的性；協同學還進一步發現序參量是整個自組織過程的主宰如此等等?？傊?，所有這些自動機器和自組織理論都表明，無須超自然的神力和神秘的“生命力”，自然系統也象自動機一樣可以憑借內在機制的作用呈現合目的性。從這個特定意義上說，認為宇宙＝巨大的超級自動機的“機械論”是對的，而非神學性的宇宙“內在目的論”也是對的。從歷史上看，牛頓的機械論自然哲學是對亞里士多德的目的論自然哲學的否定?，F在，我們的立足于系統科學的新自然哲學則應看作一種“否定之否定”。它是對機械論與目的論自然哲學的更高的辯證綜合。

當代自然哲學（它以系統自然觀及其系統辯證法為核心或靈魂）最有革命性的一個方面，也許表現在反嚴格決定論和對偶然性客觀意義的新認識。直到現在為止，一般人都相信“近似決定論”：只要近似知道一個系統的運行規律和初始條件就可以足夠好地計算出系統的近似行為。可是混沌學中著名的“蝴蝶效應”，即系統演化進程對初始條件的敏感依賴性，卻斷然否決了牛頓-拉普拉斯決定論的任何翻版（如“近似決定論”）的有效性。美國氣象學家洛侖茲在1961年發現，實際上長期天氣預報是不可能的。因為即使對于嚴格確定的氣象方程組，初始條件的小誤差，也會導致災難性的后果。諸如珞珈山的蝴蝶拍拍翅膀那樣的初始小擾動，經由地球大氣系統中的逐級放大，最終可能在南美洲引起大風暴。這種由決定論引出來的混沌，對經典觀念的打擊是毀滅性的?；煦绺锩訌姴⑸罨肆孔痈锩?。

通過量子力學、分子生物學、協同學乃至混沌學的研究，現代科學家越來越認識到，偶然性在自然界具有不容忽視的本體論地位，以及研究偶然性的內在機制的重要性。為恩格斯贊同過的黑格爾關于“必然性自己規定自己為偶然性，……偶然性又寧可說是絕對的必然性”（〔2〕，第562—563頁）的辯證論斷，得到最新自然科學的支持。正如馬克斯·玻恩在《關于因果與機遇的自然哲學》(1951)中所注意到的，量子世界是由因果與機遇聯合統治的，其中機遇是有規則的。同樣，在哈肯的協同學演化方程（如?？?普朗克方程和郎之萬方程）中，決定論力項與隨機力項是共同起作用的。在混沌理論中，混沌本是由決定論規律引出的內在的無序和不規則性，然而對混沌吸引子的相空間圖解研究卻表明，即使混沌也有精細結構，其中機遇也是有規則的，偶然性與必然性相互作用的深層非線性機制是可以認識的。從量子力學到系統科學的研究表明，概率統計定律是比嚴格決定論定律更好的認識工具，但原有的“大數定律”與“統計平均值”等概念對于描述偶然性已經顯得太粗糙了，非線性數學該出陣參戰了。因為唯有借助于非線性數學才可能認清偶然性起作用的深層結構機制。

當代自然哲學中的系統整體論思想也是相當有革命性的。自從歐幾里得、阿基米德以來，“整體＝部分和”的公理已經成為背景知識不可缺少的一部分。這一觀念也是牛頓的機械論自然哲學的一個基本要素（它與實體主義、還原主義相協調）。然而，一般系統論中的貝塔朗菲原理“整體不等于各部分簡單相加的總和”，卻斷然取消了歐幾里得的公理，以整體論取代了機械論的還原主義。量子力學中的全域相關性和粒子物理學中的新奇現象（“基本”粒子分割到一定限度，將出現“部分大于整體”的佯謬）以及生態系統的整體關聯性（卡普拉《轉折點》，1989）都支持貝塔朗菲的系統整體觀。

總之，以現代物理學與系統科學為代表的當代科學革命已經引起了人類自然圖景的根本變革，人們有理由期待一種浸透著量子力學辯證法和系統科學辯證法精神的全新的自然哲學的出現。

二

現在我們轉入當代自然哲學的主要疑難及其可能解法的討論。

鑒于機械論自然哲學所遇到的困難，當代自然哲學所要討論的主要問題可以歸結如下：1.自然本體的性質問題。物理實在究竟是孤立的實體還是依賴于系統場境的存在？“潛在”是否也是物理實在的基本形態之一？究竟是否存在終極實在？2.物理實在所遵循的規律究竟是決定論還是非決定論的？自然系統究竟是必然性還是偶然性所支配的？偶然性應當具有怎么樣的本體論地位（是否應當有）？3.所謂“觀察者侵入物理事件”的實質是什么？主客二分的合理界限是什么？4.系統整體論與還原主義孰是孰非？5.目的論的新解釋問題。自然系統本身能有目的性嗎？能代替上帝作為選擇主體的地位嗎？目的論是否真與機械論勢不兩立？它又如何與神學劃清界線？下面我們將依次詳細分析這些問題：

1.自然本體或物理實在的性質問題。

牛頓機械論自然哲學的本體論或實在觀的要害就在于實體主義。一切物理實在被認為都有實體性、實存性，自然被等同于實體的集合（簡單相加的總和），一種在絕對空間構架中的機械性的存在物。然而，在新的原子科學中，從前認為不容置疑的“實體實存”原則已經失效。明確的電子“軌道”或光子“路徑”等經典性觀念在量子力學中是不允許的。電子實際上以“電子云”方式存在著，它并沒有絕對分明的輪廓，而且只是或然地顯現出來。如“測不準關系”所要求的，電子的位置與相應的動量具有天生的不確定性，決不可能同時有確定的值，因而人們決不可能同時測量到其確定的值。所有這些事實，如果從牛頓的經典本體論的眼光來看簡直是不可理解的，因為“潛在性”觀念完全沒有地位。

實際上，現代物理學家海森伯在批判牛頓機械論實在觀的基礎上，確實發展了一種全新的、更廣義的“潛在”實在觀。他根據量子力學事實總結出，潛在是介于可能與現實之間的物理實在的新型式，它被認為特別適用于微觀客體。海森伯尖銳地指出：“在量子論中顯示的實在概念的變化，并不是過去的簡單的繼續，而卻象是現代科學結構的真正破裂?！保ā?〕，第2頁）“幾率波的概念是牛頓以來理論物理學中全新的東西。……它是亞里士多德哲學中‘潛在’(potentia)這個老概念的定量表述。它引入了某種介乎實際的事件和事件的觀念之間的東西，這是正好介乎可能性和實在性之間的一種新奇的物理實在?！保ā?〕，第11頁）“事件并不一定是確定的，而是可能發生或傾向于發生的事情便構成了宇宙中的實在”。（〔4〕，第177頁）

總之，海森伯認為量子理論意味著實在觀念的革命，牛頓機械論的實在觀念已經失效。他舉例說，幾率波、量子態、電子軌道等都與統計期望值相關聯，表示傾向性的、潛在的物理實在，這是物理實在的新形式。

現代粒子物理學的新假說把潛在性觀念發展到海森伯本人始料所不及的程度。喬弗利·丘(Geoffrey Chew)著名的粒子靴絆學說[2]，斷然否定了終極實體的可能性，揭示了自然本體的自助的、生成的本性。按照我的看法，它使系統實在論與系統辯證法完全本體論化了！由于任何粒子都可以充當基礎粒子，用以構成其他粒子，因此說穿了沒有任何一種粒子是真正的“基本粒子”，這就是所謂“基本粒子并不基本”。從根本上說，自然界不可能還原到任何一種或幾種終極的實體。說一個質子可以由中子和π介子所構成，或者說它是由Λ超子和K介子所構成，或者說它是由兩個核子和一個反核子所構成，甚至說是由場的連續質所構成。所有這一切可能性是同樣真實地存在的。應當說，所有這些陳述都同樣地正確又同樣地不完善。因為真實世界等于所有這些潛在的“可能世界”互相疊加的總和。借用日本物理學家武谷三男的話來說：“作為終極要素的實體——基本粒子本身也是相互流動地相互轉化的。這件革了以前的物質觀，顯示了辯證邏輯的正確性。”（〔5〕，第28頁）

我們的進一步的問題是：作為自然本體的物理實在究竟是否可以歸結為互相孤立的實體？還是從本質上說只能是依賴系統場境的整體全息相關的存在？在對著名的EPR假想[3]的實驗檢驗中所表現出來的量子關聯（即遠距粒子之間的整體相關性）很好地回答了這一問題。正如美國科學哲學家西莫尼(A.Shimony)所指出：“我們生活在一個實驗結果正在開始闡明哲學問題的非凡時代”。而今最新實驗結果表明，兩個相隔幾米且又沒有彼此傳遞信息機制的實體可能被相互糾結在一起，即它們的行為可以有極顯著的相關性，以致對其中一個實體進行測量將瞬時地影響到另一個實體的測量結果。這個新奇的實驗結果斷然否定了愛因斯坦等人(EPR)的預設（即“空間上遠隔的客體的實在狀態必定是彼此獨立的”），卻符合量子力學的系統整體觀。正如玻爾所注意到的，量子現象是作為整體而存在的，其中所反映出來的內在關聯是不可消解的。量子現象的整體性不允許人們對它作機械的切割并把這種切割物認作它自身。因此我們有理由說，量子力學的整體實在觀是與系統整體觀相通的，量子辯證法與系統辯證法相互滲透，量子革命與系統科學革命相互支持。因此，作為科學革命的結晶，新自然哲學主張，物理實在的部分性質取決于整體，取決于系統的內在關聯，從根本上說，自然本體是整體全息相關的存在。

2.決定論與非決定論疑難，偶然性的本體論地位問題。

從前認為不容置疑的機械論自然哲學的“嚴格決定論”預設，如今在新的原子科學中也已經失效。人們向來認為，自然科學和“自然科學唯物主義”有一個不可動搖的支柱：這就是嚴格決定論。對自然科學的這種見解，最典型地表現在拉普拉斯杜撰的那個精靈故事中，據說這個精靈（超智慧者）知道世界現況的一切決定因素，因而能夠無歧義地得出世界在過去或未來的其他一切狀態。這個被后人稱作“拉普拉斯妖”的理想實驗正是嚴格決定論的化身?？墒牵F在在微觀領域里發現了與這種嚴格決定論原則相違背的種種反常事實。簡略地說，熱學與分子物理學的研究表明，氣體分子運動是包含不確定性的自然進程，由于初始條件捉摸不定，單個分子的運動狀態成為純粹的偶然事件。分子運動論乃至統計力學的建立表明，概率統計定律也是自然描述不可缺少的一種基本形式。

強調概率統計定律重要性的科學思想反映到自然哲學中去，就成為“統計決定論”。其要旨可概括如下：對于一些包含不確定性的自然過程，雖然嚴格決定論不能直接應用，但若應用統計方法研究大量單個偶然事件的平均行為，卻可以找出明顯的統計規律性。換句話說，這些自然過程在統計平均意義上仍是決定論性的。這是決定論的弱化形式之一。

統計決定論的科學基礎在于經典統計力學。統計力學的基本出發點則在于，認為盡管大量分子的集團行為滿足統計規律，但從底層基礎而言，單個分子（單個過程）仍遵守牛頓定律，滿足嚴格決定論。這樣，統計決定論并不把不確定性歸因于基礎規律的不同，而是把它歸因于初始條件的難以捉摸（即人類知識的不完備性）。因此，統計決定論只是嚴格決定論的補充形式。

然而，將概率統計觀點真正貫徹到底，最終導致量子物理學的興起，而測不準關系的發現則使嚴格決定論淪為無意義的空想。

在現代科學家中第一個對“非完全決定論”（即under-determinism，這個詞的不恰當的替代詞是indeterminism，即非決定論）有十分清醒認識的是哥廷根學派的馬克斯·玻恩。他在名著《關于因果和機遇的自然哲學》中對非完全決定論作了比其他量子物理學家（如玻爾、海森伯等）更為系統和透徹的分析。通過對玻恩文本的適當解釋、調整與轉譯，我們可以提煉出對當代自然哲學極有價值的內容和決定論／非決定論問題的辯證解?！?〕

非完全決定論的最主要或最有特色的一種表現形式，是與量子力學相應的概率決定論。其要點如下：(1)單個（量子）過程內在地是幾率性的、非決定性質的；(2)“自然界同時受到因果律和機遇律的某種混合方式的支配。”（〔8〕，第9頁）(3)機遇律是自然律的終極形式，偶然性有規則，“它們是用數學上的概率論表述出來的。”（〔8〕，第7頁）

關于自然界究竟是由必然性還是偶然性所支配的，是決定論性還是非決定論性的那個爭論，波普有一個著名的比喻：“云和鐘”?！霸啤本褪翘焐系脑疲順O端不確定性，它非常不規則、毫無秩序又有點難以預測；“鐘”就是家家都有的時鐘，代表高度的確定性，它非常有規則、有秩序又是高度可預測的。這是兩個不同的極端，一端變化莫測，另一端高度精確。一般的自然事物往往處在這兩個極端之間。波普用“所有的云都是鐘”（當然也可以說“所有自然事物都是鐘”）表示決定論，用“所有的鐘都是云”（當然也可以說“所有自然事物都是云”）表示非決定論。波普終于認識到，人類理性需要的是“處于完全的偶然性和完全的決定論之間的某種中間物，即處于完全的云和完善的鐘之間的某種中間物?！保ā?〕，第239—240頁）這種完全的偶然論（非決定論）和完全的決定論的中間物，我們可以恰當地稱作“非完全決定論”，它意味著對偶然性與必然性、因果與機遇的某種辯證綜合，這就是當代自然哲學對這一爭論所作的正確解。以上我們是借用M.玻恩與波普的話，經校正、轉譯納入自己的概念框架，并用以闡發自己的“非完全決定論”觀點?！?〕

現代生物學和生物微觀控制論也為非完全決定論提供新的佐證。莫諾在其名著《偶然性與必然性（略論現代生物學的自然哲學）》中，從分子生物學的材料出發，有力地抨擊了嚴格決定論，并為恢復偶然性在自然哲學中的本體論地位付出極大的努力。莫諾是這樣說的：

當偶然事件——因為它總是獨一無二的，所以本質上是無法預測的——一旦摻入了DNA的結構之中，就會被機械而忠實地進行復制和轉錄，……從純粹偶然性的范圍中被延伸出來以后，偶然性事件也就進入了必然性的范圍，進入了相互排斥、不可調和的確定性的范圍了。因為自然選擇就是在宏觀水平上、在生物體的水平上起作用的。自然選擇能夠獨自從一個噪聲源泉中譜寫出生物界的全部樂曲。（著重號為引者所加）（〔9〕，第88頁）

莫諾這段話應當看作關于生物自然界的非完全決定論，關于極小幾率的偶然事件向極嚴格規律轉化過程的生動說明。特別是最后那句話是說明生物界的偶然性與必然性的相互聯系、相互作用方式的絕妙比喻。當然，由于莫諾有時十分不恰當地將嚴格決定論與辯證唯物論混為一談，應當注意他的言論本身具有兩重性。（〔10〕，第324頁）

非完全決定論的內容還由于系統科學的興起而得到了進一步豐富和加強。有人因之稱作系統決定論。其要旨可概括如下：

一般的自然界的復雜系統（在自然哲學中姑且撇開社會系統），不能由它的構成要素和子系統通過簡單相加和線性因果鏈無歧義地決定其整體功能和行為。但系統的存在與演化仍有相當確定的規律可循，機遇與因果共同決定著系統的存在和發展，因而系統在整體上仍有決定性。

具體地說，系統演化的主要機理就在于機遇性漲落、反饋和非線性作用。人們常喜歡將借助于系統科學特有的資料所認識的辯證法，稱作“系統辯證法”。系統科學從自己的角度闡明了因果與機遇、決定性與隨機性的辯證法：自組織系統作為遠離平衡態的開放系統，以偶然的隨機的漲落為誘導，通過正反饋和非線性放大，某一漲落在矛盾競爭之中取得支配地位，成為序參量，于是使系統的演化納入必然的軌道，建立時空、功能上的新的有序狀態。系統辯證法與矛盾辯證法在自組織動力學機制的解釋上是高度一致的：當自組織系統處于不穩定點時，系統內部矛盾全面展開并有所激化，與各種子系統及其要素的局部耦合關系和運動特性相聯系的模式和參量都異?；钴S，各種參量的漲落此起彼伏，它們都蘊含著一定的結構與組織的胚芽，為了建立自己的獨立模式并爭奪對全局的支配權，它們之間進行激烈的競爭與對抗，時而“又聯合又斗爭”，最后才選拔出作為主導模式的序參量。非完全決定論在協同學的描述系統演化的數學方程中也得到反映。如郎之萬方程（描述布朗運動的）和?？?普朗克方程中，概率論描述與因果性描述共處于一體，隨機作用項與決定論作用項被綜合在一起，偶然性與必然性因子被綜合在一起。從自然哲學看，它們體現了機遇律與因果律的辯證綜合。

3.物理事件與觀察的關系、主體-客體相互作用問題。

從前認為不容置疑的“客觀事件與任何觀測無關”的自然哲學信條，如今在新的原子科學中同樣也正在失效。正如海森伯所指出，經典物理學的真正核心，也就是物理事件在時間、空間上的客觀進程與任何觀測無關的信念，由于許多量子實驗的發現而受到沖擊。而現代物理學的真正力量就存在于自然界為我們提供的那些新的思想方法之中。因此，再指望用新實驗去發現與觀測無關的“純客觀事件”或不依賴于觀察者和相關參照系的“絕對時間”，就無異于指望極地探險家在南極圈尚未勘查過的地方會發現“世界盡頭”，那只能是不切實際的幻想。（〔4〕，第4頁和第9頁）對原子、電子那樣的客體的任何一次射線照射或觀測都足以破壞其初始狀態，而且由于或然性和不可逆性，這種狀態不可恢復。

玻爾為量子力學所作的“互補性詮釋”中一個最基本的思想是：觀察者（主體）與被觀察者（客體）之間的嚴格劃界是不可能的，因為在實際過程中兩者處在緊密相連的相互作用之中。無論是純粹的“主體”即可以）“無干擾”地進行觀察的觀察者）或是純粹的“客體”（可以絕對隔絕外界作用而界定被觀察系統的孤立狀態）概念都只是經典物理學所作的理想化，而這兩種理想化既是相互補充又是相互排斥的?！?1〕這就是玻爾著名的“我們既是觀眾（觀察者），又是演員（被觀察者）”辯證論斷的真實含義。

實際上，從當代自然哲學的眼光看，這是很自然的：人（觀察者）本來就是自然（被觀察者）不可分割的一部分，我們只能用一種內在化的眼光來看待自然，而不可能象上帝那樣用完全超脫的外在化眼光看自然，這就是問題的癥結所在。

正如羅森菲爾德所指出，所謂“觀察者介入原子事件進程”的局勢，容易產生科學事實的客觀性被敗壞的假象，因此我們必須與機械論和不可救藥的唯心主義劃清界線。羅森菲爾德本人正是以辯證法為武器在與機械論和唯心主義劃界的過程中闡明了觀察者與物理事件的辯證關系的客觀性質。（〔12〕，第140頁）海森伯說得很分明：“量子論并不包含真正的主觀特征，它并不引進物理學家的精神作為原子事件的一部分”。（〔3〕，第22頁）可見，“客體行為與觀測有關”原則并不意味著我們可以拋棄客觀實在而接受主觀主義。

4.系統整體實在觀問題。在闡述以上各個問題的過程中，我們實際上已經闡明了整體實在觀的基本觀點：“整體不同于各部分機械相加的總和”。自然本體是依賴于系統場境的存在、處在相對相關中的存在，是整體全息相關的實在。正如D.玻姆所指出的，按照量子概念，世界是作為統一的不可分割的整體而存在的，其中即使是每個部分內在的性質（波或粒子）也在一定程度上依賴于場境。其實，人本身就是自然的產物，自然不可分割的一部分，人只能作為參與者并在相互作用過程中用內在化的觀點來理解自然本體。只是在系統及其諸要素之間的相互作用可以忽視的情況下，還原主義才是近似地有效的。

5.自然本體目的性的（自組織解釋）問題。簡單地說，當代自然哲學的目的論觀是亞里士多德內在目的論的復活和發展，是現代系統科學目的論觀的升華。宇宙象是一個有機統一的整體，自然系統（包括生命系統和非生命自組織系統）的結構、功能和演化過程的合目的性可以通過自然本身的自組織機制的作用得到合理解釋?！?〕

例如，自然選擇的實質問題是由生物哲學所提出的一個重要問題。按照生物控制論的初步解答，關于生物進化的自然選擇機制實質上就是一種以偶然的突變為素材，通過反饋調節的最優化控制機制。艾根的超循環理論則進一步明確，在大分子的自組織階段，在生化反應的超循環中選擇價值高的突變不斷通過過濾和正反饋放大，形成功能性的組織，強化、優化并向更高水平進化。這里，一方面自然選擇表現為自然本身的純物質性的有規則的相互作用過程，但它不同于牛頓的機械因果性模式，因為其中突變與選擇機制、機遇與因果是辯證地聯合起作用的；另一方面，盡管它排除了自然神力的干預，卻仍然是合目的性的過程，因為它有自引導的、自動調節的功能（使物種或分子擬種適應環境）。這樣，按系統辯證法重新解釋過的合理的目的論又能與神學劃清界線。

三

正如我們已經看到的，20世紀早期的相對論量子論革命向統治思想界長達二三百年之久的機械論自然哲學，提出了全面的詰難和挑戰，并給予毀滅性的打擊。當代自然哲學正是在克服舊自然哲學的危機，在回答新興自然科學所提出的詰難和挑戰的過程中逐步建立起來的。20世紀中葉以來以系統科學群為代表的新興科學的迅速發展，豐富了當代自然哲學的內涵，加速了人類自然圖景革新的步伐。

總起來說，當代自然哲學的核心觀點，可以簡要地重新概括如下：

1.自然本體是依賴于系統場境的、在關系中生成的、流動的實在，作為孤立實體的終極實在根本不存在，“潛在”是物理實在的一種新形式；2.自然系統遵循非完全決定論（即決定論與非決定論的中間物），它是由因果與機遇聯合統治的，此兩者互斥又互補。偶然性的本體論地位是：它是自然本體本質中的一個規定、一個方面和一個要素。偶然性存在精細的非線性作用機制（由混沌革命所發現?。?.物理事件與觀測有關，人作為自然系統的一分子只能用參與者的身分和內在化的觀點來觀察自然，絕對的主客二分只是不切實際的幻想；4.系統整體觀在總體上比還原主義更為合理，不過為了進行精細的研究，有節制的還原主義仍是必不可少的和有啟發力的，兩者其實是互斥又互補的。5.自然系統的合目的性可以按自組織觀點得到最合理的解釋，目的論與機械論也是互斥又互補的。

最后，我們所要強調的是偶然性的恰當的本體論地位問題。迄今仍有不少讀者受過時的哲學教科書的影響，把偶然性當作一種外在的、主觀的、局部的、非本質的和不穩定的或暫時的東西。其實這種看法有違辯證法的本意，可以毫不客氣地說它屬于機械論的范疇。通過對量子辯證法與系統辯證法的研究，我們可以十分有把握地說：機遇或偶然性在本體論中恰恰是一種內在的、固有的、普遍的、本質的和永久性的成分。借用列寧論“假象”的話來說，偶然性是“本質的一個規定、一個方面和一個環節”，是“本質自身在自身中的表現”。機遇與偶然性是客觀的并且具有自己的非常獨特的規律。在新自然哲學中，我們不能再滿足于把偶然性看作必然性的“補充形式”的外在化理解，而要比以往任何時候都更加清醒地認識到，機遇與因果相互聯結、相互滲透，辯證地融為一體。在非完全決定論中，偶然性恢復了它本來應有的本體論地位，機遇與因果，偶然性與必然性以幾率或統計性乃至“混沌吸引子”為中介辯證地聯結在一起。在相空間中混沌吸引子的精巧的無窮嵌套的自相似結構，精確而形象地展示出系統演化過程中機遇與因果如何聯合起作用的深層非線性機制，進一步豐富了對自然本體辯證內涵的認識。

應當說，這是量子辯證法與系統辯證法對矛盾辯證法的一項貢獻，它們本應是相得益彰的。

參考文獻

〔1〕桂起權：《目的論自然哲學之復活》，載“自然辯證法研究”1995(7)，并收入吳國盛主編《自然哲學》一書，中國社科出版社1994年版。

〔2〕《馬克思恩格斯全集》第20卷。

〔3〕海森伯：《物理學與哲學》商務印書館1984年版。

〔4〕海森伯：《嚴密自然科學基礎近年來的變化》上海譯文出版社1978年版。

〔5〕《武谷三男物理學方法論論文集》商務印書館1975年版。

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〔7〕桂起權：《非完全決定論：因果與機遇的辯證綜合》，載“科學技術與辯證法”1991(2)。

〔8〕玻恩：《關于因果和機遇的自然哲學》商務印書館1964年版。

〔9〕莫諾：《偶然性與必然性（略論現代生物學的自然哲學）》，上海人民出版社1977年版。

〔10〕桂起權：《科學思想的源流》武漢大學出版社1994年版。

〔11〕桂來權《析量子力學中的辯證法思想—玻爾互補性構架之真諦》，載“哲學研究”1994(10)。

〔12〕羅森菲爾德：《量子革命》商務印書館1991年版。

注釋：

[1]正是在這一意義上，梁實秋在《遠東英漢大辭典》中，將控制論(cybernetics)譯作神經機械學。