導(dǎo)語：如何才能寫好一篇量子力學(xué)基本原理，這就需要搜集整理更多的資料和文獻(xiàn)，歡迎閱讀由公文云整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

量子力學(xué)課程是工科電類專業(yè)的一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程。通過該課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生初步掌握量子力學(xué)的基本原理和基本方法，認(rèn)識微觀世界的物理圖像以及微觀粒子的運(yùn)動規(guī)律，了解宏觀世界與微觀世界的內(nèi)在聯(lián)系和本質(zhì)的區(qū)別。量子力學(xué)課程教學(xué)質(zhì)量的好壞直接影響后續(xù)的如“固體物理學(xué)”、“半導(dǎo)體物理學(xué)”、“集成電路工藝原理”、“量子電子學(xué)”、“納米電子學(xué)”、“微電子技術(shù)”等課程的學(xué)習(xí)。

量子力學(xué)課程的學(xué)習(xí)要求學(xué)生具有良好的數(shù)學(xué)和物理基礎(chǔ)，對學(xué)生的邏輯思維能力和空間想象能力等要求較高，因此要學(xué)好量子力學(xué)，在我們教學(xué)的過程中，需要充分發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和積極性。同時(shí)，隨著科學(xué)日新月異的發(fā)展，對量子力學(xué)課程的教學(xué)也不斷提出新的要求。如何充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和能動性，切實(shí)提高量子力學(xué)課程的教學(xué)質(zhì)量和教師的教學(xué)水平，已經(jīng)成為擺在高校教師目前的一項(xiàng)重要課題。

該課程組在近幾年的教學(xué)改革和教學(xué)實(shí)踐中，本著高校應(yīng)用型人才的培養(yǎng)需求，強(qiáng)調(diào)量子力學(xué)基本原理、基本思維方法的訓(xùn)練，結(jié)合物理學(xué)史，充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性；充分利用熟知軟件，理解物理圖像，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)主動性；結(jié)合現(xiàn)代科學(xué)知識，強(qiáng)調(diào)理論在實(shí)踐中的應(yīng)用，取得了良好的教學(xué)效果。

1 當(dāng)前的現(xiàn)狀及存在的主要問題

目前工科電類專業(yè)普遍感覺量子力學(xué)課程難學(xué)，其主要原因在于：第一，量子力學(xué)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(jīng)典的對應(yīng)，而學(xué)習(xí)量子力學(xué)必須完全脫離以前在頭腦中根深蒂固的“經(jīng)典”的觀念；第二，量子力學(xué)的概念與規(guī)律抽象，應(yīng)用的數(shù)學(xué)知識比較多，公式推導(dǎo)復(fù)雜，計(jì)算困難；第三，雖然量子力學(xué)問題接近實(shí)際，但要學(xué)生理解和解決問題，還需要一個(gè)過程；由于上述問題的存在，使初學(xué)者都感到量子力學(xué)課程枯燥無味、晦澀難懂，而且隨著學(xué)科知識的飛速發(fā)展，知識的更新周期空前縮短，在有限的課時(shí)情況下，如何使學(xué)生在掌握扎實(shí)的基礎(chǔ)知識的同時(shí)，跟上時(shí)代的步伐，了解科學(xué)的前沿，以適應(yīng)新世紀(jì)人才培養(yǎng)的需求，是擺在我們教育工作者面前的巨大挑戰(zhàn)。

2 結(jié)合物理學(xué)史激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

興趣是最好的老師，在大學(xué)物理中，談到了19世紀(jì)末物理學(xué)所遇到的“兩朵烏云”，光電效應(yīng)和紫外災(zāi)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(fā)下，提出了光量子的概念，解釋了光電效應(yīng)，并提出了光的波粒二象性；德布羅意又在愛因斯坦的啟發(fā)下，大膽的提出實(shí)物粒子也具有波粒二象性；對于物理學(xué)的第三朵烏云“原子的線狀光譜，”玻爾提出了關(guān)于氫原子的量子假設(shè)，解釋了氫原子的結(jié)構(gòu)以及線狀光譜的實(shí)驗(yàn)。后來還有薛定諤、海森堡、狄拉克等偉大的物理學(xué)家的努力，建立了一套嶄新的理論體系-量子力學(xué)。在教學(xué)的過程中，適當(dāng)穿插量子力學(xué)的發(fā)展歷史以及偉大科學(xué)家的傳記故事，避免了量子力學(xué)課程“全是數(shù)學(xué)的推導(dǎo)”的現(xiàn)狀，這樣激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)熱情，通過對偉大科學(xué)家的介紹，培養(yǎng)刻苦鉆研的精神。實(shí)踐表明，這樣的教學(xué)模式大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性。

3 結(jié)合熟知軟件化抽象為形象

量子力學(xué)內(nèi)容抽象，對一些典型的結(jié)論，可以用軟件模擬的方式實(shí)現(xiàn)物理圖像的重現(xiàn)。很多軟件如matlab、c語言等很多學(xué)生不是很熟練，而且編程較難，結(jié)合物理結(jié)論作圖較為困難；Excell是學(xué)生常用的軟件之一，簡單易學(xué)卻功能強(qiáng)大，幾乎每位同學(xué)都非常熟練，我們充分利用這一點(diǎn)，將Excell軟件應(yīng)用到量子力學(xué)的教學(xué)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(yán)格求解得到了波函數(shù)和能級的方程。而波函數(shù)的模方表示幾率密度。我們要求學(xué)生用Excell作圖，這樣得到粒子阱中的幾率分布，通過與經(jīng)典幾率的比較（經(jīng)典粒子在阱中各處出現(xiàn)的幾率應(yīng)該相等）和經(jīng)典能級的比較（經(jīng)典的能量分布應(yīng)該是連續(xù)的函數(shù)），通過學(xué)生的自我參與，充分激發(fā)了學(xué)生的求知欲望；從簡單的作圖，學(xué)生深刻理解了微觀粒子的運(yùn)動狀態(tài)的波函數(shù)；微觀粒子的能量不再是連續(xù)的，而是量子化了的能級，當(dāng)n趨于無窮大時(shí)微觀趨向于經(jīng)典的結(jié)果，即經(jīng)典是量子的極限情況；通過學(xué)生熟知的軟件，直觀的再現(xiàn)了物理圖像，學(xué)生會進(jìn)一步來深刻思考這個(gè)結(jié)論的由來，傳統(tǒng)的教學(xué)中，我們先講薛定諤方程，然后再解這個(gè)方程，再利用邊界條件和波函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)條件，一步一步推導(dǎo)下來，這樣的教學(xué)模式有很多學(xué)生由于數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)較為薄弱，推導(dǎo)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(jié)的學(xué)習(xí)，而通過學(xué)生親自作圖實(shí)現(xiàn)的物理圖像，改變了傳統(tǒng)的“填鴨式”教學(xué)，最大限度的使學(xué)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(xué)的效果。

4 結(jié)合科學(xué)發(fā)展前沿拓寬學(xué)生視野

在課程的教學(xué)中，除了注重理論基礎(chǔ)知識的講解和基礎(chǔ)知識的應(yīng)用以外，還需介紹量子力學(xué)學(xué)科前沿發(fā)展的一些動態(tài)。結(jié)合教師的教學(xué)科研工作，將國內(nèi)外反映量子力學(xué)方面的一些最新的成果融入到課程的教學(xué)之中，推薦和鼓勵學(xué)生閱讀反映這類問題的優(yōu)秀網(wǎng)站、科研文章，使學(xué)生了解量子力學(xué)學(xué)科的發(fā)展前沿，從而達(dá)到拓寬學(xué)生視野，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的目的。例如近年興起并迅速發(fā)展起來的量子信息、量子通訊、量子計(jì)算機(jī)等學(xué)科，其基礎(chǔ)理論就是量子力學(xué)的應(yīng)用，了解了這些發(fā)展，學(xué)生會反過來進(jìn)一步理解課程中如量子態(tài)、自旋等概念，量子態(tài)和自旋本身就是非常抽象的物理概念，他們沒有經(jīng)典的對應(yīng)，通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的理解，學(xué)生會進(jìn)一步理解用態(tài)矢來表示一個(gè)量子態(tài)，由于電子的自旋只有兩個(gè)取向，正好與計(jì)算機(jī)存儲中二進(jìn)制0和1相對應(yīng)，這也正是量子計(jì)算機(jī)的基本原理，通過學(xué)生的主動學(xué)習(xí)，從而達(dá)到提高教學(xué)質(zhì)量的目的。另外我們還要介紹量子力學(xué)在近代物理學(xué)、化學(xué)、材料學(xué)、生命學(xué)等交叉學(xué)科中的應(yīng)用，拓寬學(xué)生的視野。

篇2

1、量子通信是指利用量子糾纏效應(yīng)進(jìn)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(fā)展起來的新型交叉學(xué)科，是量子論和信息論相結(jié)合的新的研究領(lǐng)域。

2、量子通信主要涉及：量子密碼通信、量子遠(yuǎn)程傳態(tài)和量子密集編碼等，近來這門學(xué)科已逐步從理論走向?qū)嶒?yàn)，并向?qū)嵱没l(fā)展。高效安全的信息傳輸日益受到人們的關(guān)注?；诹孔恿W(xué)的基本原理，并因此成為國際上量子物理和信息科學(xué)的研究熱點(diǎn)。

（來源：文章屋網(wǎng) ）

篇3

Physics of Nanostructured

Solid State Devices

2012，551p

Hardcover

ISBN9781461411406

隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步，人類科技已進(jìn)入納米時(shí)代，應(yīng)用于光子學(xué)、電子學(xué)等的納米結(jié)構(gòu)固體器件正以飛速發(fā)展的態(tài)勢引起人們越來越濃的研究興趣。當(dāng)器件尺寸接近甚至小于電子的特征自由程時(shí)，量子現(xiàn)象開始占據(jù)統(tǒng)治地位，一些固體器件展現(xiàn)了新穎的特性。對于這些特性背后的物理原理和概念，本書進(jìn)行了細(xì)致深入的分析。

本書共分為9章：1.穩(wěn)態(tài)的“漂移擴(kuò)散模型”在固體中的電子傳輸。本章從介紹基本的漂移擴(kuò)散模型開始，引入有效的漂移擴(kuò)散方程用來計(jì)算穩(wěn)態(tài)的運(yùn)輸下固體器件中載體濃度和電流密度。2.討論了更復(fù)雜的基于電荷傳輸模型的玻耳茲曼的輸運(yùn)方程（BTE）。本章從基本原理出發(fā)，推導(dǎo)廣義力矩方程中存在的電荷傳輸局域和非局域的影響。3.回顧了量子力學(xué)中的基本概念、算符以及一些定義，介紹了量子阱、量子線和量子點(diǎn)，以及隨時(shí)間變化的擾動理論等。本章目的是為納米結(jié)構(gòu)的固態(tài)器件提供必不可少的理論知識和必備的量子理論基礎(chǔ)。4.基于時(shí)間無關(guān)微擾理論中，計(jì)算能帶結(jié)構(gòu)的方法。能帶結(jié)構(gòu)在納米固體器件中，特別是光器件，起著至關(guān)重要的作用。本章討論了4個(gè)不同的能帶結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法：近自由電子法、正交平面波（OPW）擴(kuò)展方法、緊約束近似（TBA）和波矢動量理論。5.在傳輸機(jī)制中時(shí)間有關(guān)的微擾理論的應(yīng)用。6.電子- 光子相互作用及其對固體器件性能的影響，介紹了光學(xué)中的一些概念，如自發(fā)輻射、受激發(fā)射等。7.在磁場中的電子的行為，介紹了狄拉克方程和泡利方程、薛定諤方程，以及量子霍爾效應(yīng)（FQHE）。8.一些通常的量子輸運(yùn)方程。9.基于第8章原理而開發(fā)研制的一些實(shí)際的量子器件。

作者Supriyo Bandyopadhyay 在全美三個(gè)大學(xué)教授電子學(xué)理論、固體物理的研究生課程長達(dá)25年，具有非常豐富的教學(xué)研究經(jīng)驗(yàn)。本書依據(jù)作者的教學(xué)材料所編撰。一旦讀者們能夠把握并熟悉掌握書中提出的概念，他們將能夠很容易地處理更加困難和專業(yè)的研究論題。

本書適合電子學(xué)和物理學(xué)專業(yè)背景的本科畢業(yè)生及一年級的研究生，讀者應(yīng)對固態(tài)物理、量子力學(xué)有一定的了解。本書可使讀者對電子學(xué)和應(yīng)用物理學(xué)中的重要概念有更深入的理解和認(rèn)識。

楊盈瑩，助理研究員

（中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所）

篇4

關(guān)鍵詞：量子密碼　量子通信

中圖分類號：TN91　文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A　文章編號：1007-3973(2011)002-059-01

量子理論誕生以來，科學(xué)家就試圖利用量子效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、無時(shí)延、“絕對安全”的通信，量子通信將成為人類通信技術(shù)史上的又一次革命。

1　量子通信技術(shù)簡介

1.1　基本量子理論

量子態(tài)是指原子、中子、質(zhì)子等粒子的狀態(tài)，它可表征粒子的能量、旋轉(zhuǎn)、運(yùn)動、磁場以及其他的物理特性。量子理論主要包括量子糾纏和量子測不準(zhǔn)原理，是現(xiàn)代物理學(xué)的核心理論。

量子糾纏指的是在量子力學(xué)中，有共同來源的兩個(gè)微觀粒子之間存在著某種糾纏關(guān)系，不管它們被分開多遠(yuǎn)，只要一個(gè)粒子發(fā)生變化，另一個(gè)粒子的狀態(tài)也會立刻發(fā)生相同的變化，這也是利用量子效應(yīng)傳遞密碼的基礎(chǔ)。

Heisenberg量子測不準(zhǔn)原理是量子力學(xué)的基本原理，指在同一時(shí)刻以相同精度測定量子的位置與動量是不可能的，只能精確測定兩者之一。

1.2　量子通信的原理

量子通信是利用量子糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息傳遞的一種新型通信方式。在量子通信系統(tǒng)中，信息的發(fā)送方和接收方共享兩個(gè)糾纏在一起的幾乎完全一致的成對光子。當(dāng)發(fā)送方將信息賦予一個(gè)光子時(shí)，接收方的糾纏光子就會幾乎同時(shí)發(fā)生一致的變化，從而實(shí)現(xiàn)用不加外力的方式傳輸信息，傳輸?shù)闹皇潜磉_(dá)量子信息的“狀態(tài)”，作為信息載體的光子本身并不被傳輸。在這一過程中，發(fā)送和接受方需要糾纏光子的數(shù)量取決于報(bào)文的長度。

量子通信系統(tǒng)的基本部件包括量子態(tài)發(fā)生器、量子通道和量子測量裝置。量子通信的主要應(yīng)用在于量子密碼的傳輸，與傳統(tǒng)通信的唯一區(qū)別在于，量子通信采用了一種新的密碼生成方式，而且密碼不可能被第三方獲取。

1.3　量子密碼技術(shù)

依據(jù)Heisenberg的量子測不準(zhǔn)原理，通過竊聽不能得到確定的有效信息。同時(shí)，任何針對量子信號的竊聽都將不可避免的留下痕跡，從而被通信方所警覺。量子密碼技術(shù)就是利用這一原理來判斷是否有人竊取傳輸?shù)拿艽a信息，從而實(shí)現(xiàn)密碼的絕對安全。

量子密鑰分配原理來源于光子偏振的原理。光子任意時(shí)刻的偏振方向具有隨機(jī)性，在兩個(gè)糾纏光子之間設(shè)置偏振片。當(dāng)光子的偏振方向與偏振偏振片的傾斜方向的夾角很小時(shí)，光子改變偏振方向并通過偏振濾光器的概率大，否則就小。特別是當(dāng)=90°，其概率為0：=45°時(shí)，其概率為0.5；=0°，其概率為1°通過公開渠道告知對方是如何旋轉(zhuǎn)的，把檢測到一個(gè)光子記為“1”，沒有檢測到記為“0”，雙方都能記錄到相同的一組二進(jìn)制數(shù)列，以作為密碼。如果有人在半路監(jiān)聽，同樣需要放置偏振片，就不可避免改變光子的偏振方向，使發(fā)送者和接受者記錄的數(shù)列產(chǎn)生差異。

2　量子通信的發(fā)展動態(tài)及應(yīng)用

1926年量子力學(xué)誕生，成為人類認(rèn)識微觀世界的理論基礎(chǔ)。1935年，愛因斯坦、波多爾基斯和羅森論證了量子力學(xué)和相對論之間的不相容性。1964年，約翰?貝爾提出了貝爾理論，闡明用實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)超光速響應(yīng)的可能性。1982年阿斯派克等人證明了超光速響應(yīng)的存在。1984年，有人提出了用單光子偏振態(tài)編碼量子密碼技術(shù)方案，開始了量子密碼的研究。1989年，量子密鑰傳輸?shù)谝淮窝菔精@得成功。1997年，奧地利蔡林格小組在室內(nèi)首次完成了量子態(tài)隱形傳輸?shù)脑硇詫?shí)驗(yàn)驗(yàn)證；2004年，該小組利用多瑙河底的光纖信道，成功的將量子態(tài)隱形傳輸距離提高到600米。

我國的量子通信技術(shù)發(fā)展迅速，位居世界前列。2007年開始，中國科大-清華大學(xué)聯(lián)合研究小組開始在北京八達(dá)嶺與河北懷來之間架設(shè)長達(dá)16公里的自由空間量子信道，并取得了一系列關(guān)鍵技術(shù)突破，最終在2009年成功實(shí)現(xiàn)了世界上最遠(yuǎn)距離的量子隱形傳態(tài)，這一距離是目前國際上自由空間糾纏光子分發(fā)的最遠(yuǎn)距離，也是目前國際上沒有竊聽漏洞的量子密鑰分發(fā)的最大距離。中國科學(xué)家在自由空間量子通信方 向上的一系列工作引起了國際學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。英國的《新科學(xué)家》、美國的《今日物理》等多家學(xué)術(shù)新聞媒體均對這些工作進(jìn)行了報(bào)道。下一步科學(xué)家們正在計(jì)劃通過自由空間實(shí)現(xiàn)幾百公里的量子通信，超越光纖傳輸?shù)臉O限。

量子通信比較傳統(tǒng)通信技術(shù)具有明顯優(yōu)勢：抗干擾能力強(qiáng)，不需要借助傳統(tǒng)信道；量子密碼幾乎不可能被破譯，保密性強(qiáng)；線路時(shí)延幾乎為零，傳輸速度快。

篇5

想象一個(gè)裝滿圖書的房間，然后再想象所有的圖書都突然消失在空氣之中。那么，它們所含有的信息都消失了，對吧？但是，這個(gè)房間是不尋常的。房間里包含的所有信息都編碼在墻上、地板上以及天花板上。盡管這些圖書都消失了，但是你仍然可以通過觀察房間這些表面上的編碼信息，來了解這些圖書的所有細(xì)節(jié)。想知道房間里還發(fā)生了什么？去問墻紙。誰是兇手？去請教地毯。你感覺這個(gè)房間很怪異吧。

但如果你仔細(xì)想想，事情會更加怪異。如果所有的圖書都消失了，而它們所包含的信息卻沒有消失，那么這些圖書是否真的存在過？或者，它們不過是來自墻、地板和天花板上的信息的投影？這聽起來與全息圖類似。全息圖可以產(chǎn)生三維立體視角，但是所有的信息都編碼在一個(gè)二維的平面上――信息都是同一種，但是以不同的形式體現(xiàn)出來的。

令人驚奇的是，有越來越多的證據(jù)表明我們的宇宙可能就像上面那個(gè)想象中的房間。也就是說，我們看見的一切，可能只是編碼在遙遠(yuǎn)邊界上信息的一個(gè)全息投影。

來自黑洞的啟示

就像宇宙中許多其它謎團(tuán)一樣，這里的故事也是從黑洞開始的。

當(dāng)一個(gè)大質(zhì)量恒星死亡之后，就會形成一個(gè)黑洞。在恒星生命的最后階段，恒星內(nèi)致密的鐵核發(fā)生坍縮，在空間中“撕裂”出一個(gè)洞，而附近的物質(zhì)不可避免地陷落其中。20世紀(jì)70年代，英國物理學(xué)家霍金發(fā)現(xiàn)黑洞會輻射并損失質(zhì)量，最終會蒸發(fā)得一干二凈。廣義相對論認(rèn)為黑洞的所有性質(zhì)――包括輻射出來的粒子――都與掉進(jìn)它內(nèi)部的物質(zhì)無關(guān)，所以說輻射不攜帶任何與它內(nèi)部物質(zhì)有關(guān)的信息。當(dāng)黑洞蒸發(fā)殆盡之后，黑洞里的任何信息也就永遠(yuǎn)消失了。這個(gè)發(fā)現(xiàn)被稱之為“黑洞信息悖論”。但許多物理學(xué)家都無法接受這個(gè)結(jié)果，原因在于它違背了量子力學(xué)的基本原理相違背――量子力學(xué)認(rèn)為信息是不可摧毀的。

想象你把一本書的某一頁撕下來并燒掉，但這頁紙上的信息并不會被摧毀掉。盡管在實(shí)際中很難做到，但是從理論上來說，你可以把所有的灰燼收集起來，就可重新找回寫在這頁紙上的信息。這是因?yàn)閷τ谖锢韺W(xué)家來說，原來的信息是不可能從宇宙中消失的，這里始終存在著一種能把系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)恢復(fù)為以前狀態(tài)的辦法。而霍金得到的關(guān)于黑洞的初步結(jié)論，是掉進(jìn)黑洞里的信息會被摧毀――輻射不攜帶任何有價(jià)值的信息，所以沒有辦法恢復(fù)到以前的狀態(tài)。

之后，物理學(xué)家們找到了一種挽救信息的方法。就像那個(gè)房間一樣，他們發(fā)現(xiàn)有關(guān)黑洞內(nèi)所有物體的信息副本，已編碼到了黑洞二維的事件視界上。事件視界就是黑洞的表面，有去無回的邊界。物理學(xué)家們把這種觀點(diǎn)稱之為全息原理。然而，這個(gè)觀點(diǎn)仍有些問題，物理學(xué)家們?nèi)栽谂Φ馗闱宄總€(gè)細(xì)節(jié)。

現(xiàn)實(shí)只是幻覺？

如果黑洞內(nèi)每一個(gè)三維物體的信息都可以編碼到黑洞的二維事件視界上，那么這種原理是否能應(yīng)用到整個(gè)宇宙？也許，我們所體驗(yàn)到的三維存在，不過是來自二維表面上信息的投影，就像那些圖書不過是房間的墻、地板和天花板上信息的投影一樣。

許多物理學(xué)家認(rèn)為，這個(gè)大膽的觀點(diǎn)可能會指引出一個(gè)成功的量子引力論。

量子引力論就是能把廣義相對論和量子力學(xué)結(jié)合起來的理論，它即可描述大尺度下的時(shí)空，也可描述小尺度下的時(shí)空――可描述整個(gè)宇宙內(nèi)的一切。但問題是，廣義相對論和量子力學(xué)很難結(jié)合在一起。經(jīng)過幾十年來，物理學(xué)家們找到了一種量子引力論的候選――弦理論。弦理論認(rèn)為基本粒子事實(shí)上都是很小的振動著的弦。就像以不同種方式撥動琴弦會產(chǎn)生不同的聲音，這些弦以不同的形式振動會變成維不同的粒子。問題是這個(gè)理論要想成立，我們的宇宙空間維度不能只是三維，而是要有更多的維度。為了解決這個(gè)問題，通常認(rèn)為這些額外的維度蜷縮在很小很小的空間里。

但是在1997年，阿根廷物理學(xué)家胡安?馬爾達(dá)西那做出了一個(gè)突破。他借助于全息原理，認(rèn)為弦理論的復(fù)雜世界可能是更為簡單的現(xiàn)實(shí)的投影，如果弦理論是全息圖，那么我們應(yīng)該去尋找低維度上等價(jià)的科學(xué)理論――尋找墻壁而不是圖書。然后，與其為了得到量子引力而引入看不見的額外維，我們還不如去接受我們體驗(yàn)到的一個(gè)維度不過是一個(gè)幻覺。

因此，胡安?馬爾達(dá)西那大膽指出，我們生活在一個(gè)巨大的全息圖里，我們所看到的周圍的一切只是二維表面的一個(gè)投影，他甚至用方程式證明了這個(gè)全息圖的存在。2013年，日本的物理學(xué)家通過計(jì)算再次證明了這個(gè)全息圖的存在。

用實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證

但是，驚人的理論需要有強(qiáng)有力的證據(jù)。

現(xiàn)在，美國費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室正進(jìn)行了一個(gè)名為“Holometer”的實(shí)驗(yàn)，以此來對全息原理的一個(gè)預(yù)測進(jìn)行檢測。這個(gè)預(yù)測是，如果宇宙可以只用量子理論來解釋，那么所有你通常接觸到的物理規(guī)律不僅可以適用于粒子，也可以適用于空間本身。根據(jù)量子理論中的不確定性原理，你永遠(yuǎn)無法確定一個(gè)粒子準(zhǔn)確的位置，你只能知道某個(gè)地方它出現(xiàn)的概率。而全息原理認(rèn)為，這些物理規(guī)律都可應(yīng)用到空間本身，那么在最小的尺度下，空間本身會變得模糊不清。這如同你不斷放大電腦屏幕上的圖片時(shí)，最終會看到一個(gè)個(gè)像素，在這個(gè)尺度下，圖片已經(jīng)變得模糊不清了。

Holometer實(shí)驗(yàn)就是來檢測這個(gè)預(yù)測的。Holometer設(shè)備包括一對彼此緊靠的干涉儀。每個(gè)干涉儀射出的一束1千瓦的激光，穿過分光鏡分為兩束，然后射向兩個(gè)互成直角的40米的探臂。兩束激光會被反射回來，經(jīng)過分光鏡后再合二為一。如果兩束激光空間本身能以完全相同的時(shí)間往返于探臂，那么重組后的激光與原來的是一樣的。如果一束激光延誤了一些時(shí)間，那么兩束激光就無法完美地合并在一起。

篇6

關(guān)鍵詞 量子信息 量子比特 量子計(jì)算機(jī) Shor算法

中圖分類號：O561 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0引言

半導(dǎo)體工業(yè)在過去的幾十年發(fā)展表明：計(jì)算機(jī)的中央處理器在每1-2年就會增長一倍，芯片上的集成的晶體管數(shù)目更是呈指數(shù)形式增長。在不遠(yuǎn)的將來每個(gè)芯片上的晶體管將會超過十億個(gè)，這樣的增長速度使得半導(dǎo)體的加工變得越來越困難。另一方面，隨著納米技術(shù)的發(fā)展，今后計(jì)算機(jī)的儲存尺度單位將是原子級別的。當(dāng)人們把這些器件加工到原子尺度程度的時(shí)候，就應(yīng)該用量子理論來描述這些性質(zhì)。量子理論作為描述微觀世界的理論，它具有與經(jīng)典理論有許多的不同之處，甚至和我們?nèi)粘＝?jīng)驗(yàn)發(fā)生矛盾。

在1994年P(guān)eter Shor首次提出一種具體的量子大數(shù)因子分解加密算法，這個(gè)對RSA等公鑰密碼系統(tǒng)的安全性來說是一個(gè)挑戰(zhàn)。隨后在1996年，Grover發(fā)現(xiàn)了Grover迭代算法，它能求解某些解典計(jì)算機(jī)不能解決的問題，如經(jīng)典的NPC問題。除此外，利用量子不可克隆實(shí)現(xiàn)保密通信，可以防止通信過程中被監(jiān)聽。這些性質(zhì)使得量子通信具有廣泛地應(yīng)用前景而成為一個(gè)較熱的課題。量子信息和量子計(jì)算已被我國列入“十三五”重大研究課題。

1量子比特

在經(jīng)典的計(jì)算機(jī)里，基本的構(gòu)造單元是比特。不論是用電子管來實(shí)現(xiàn)的一個(gè)比特還是用晶體管來實(shí)現(xiàn)的比特，其基本原理都要遵從牛頓力學(xué)定律。在一個(gè)經(jīng)典的計(jì)算機(jī)里，其儲存量是用比特的多少來衡量的。它的運(yùn)算速度可有單位時(shí)間內(nèi)比特的轉(zhuǎn)換數(shù)目來決定。

在圖1中可以看到，經(jīng)典的比特實(shí)質(zhì)是就是兩個(gè)點(diǎn)10>和11>，所以在儲存的時(shí)候也只能是10>和11>。因此我們想要提高其運(yùn)行速度就受到了原理上的限制。首先是我們在追求速度時(shí)，就需要不斷地提高微電子元件的集成度，小型化的電子器件必然會受到量子極限尺寸的限制。其次就是由于經(jīng)典計(jì)算機(jī)的操作是不可逆的，由熱力學(xué)原理知道，計(jì)算芯片必然發(fā)熱，這是提高經(jīng)典計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力主要障礙。最后就是經(jīng)典計(jì)算機(jī)不具備內(nèi)在的并行運(yùn)算。通過連接更多的計(jì)算資源來解決并行運(yùn)算是比較復(fù)雜且難以實(shí)現(xiàn)的。

2量子比特

量子比特是計(jì)算信息科學(xué)里一個(gè)重要的概念，是量子計(jì)算機(jī)的基本單元，因此在這里我們對它做一個(gè)詳細(xì)的介紹。

量子比特其可以對應(yīng)量子力學(xué)里一個(gè)粒子態(tài)的疊加，對于一個(gè)自旋為1/2的粒子，其本征態(tài)為兩種定態(tài) ，單粒子的疊加態(tài)可表示為

| >= |1>+ |0> （1.1）

這里的 ， 為任意復(fù)數(shù)，其分別對應(yīng)兩個(gè)定態(tài)在疊加態(tài)中所占的比例，如果 =0或者是 =0 時(shí)，疊加態(tài)就轉(zhuǎn)化為定態(tài)，兩個(gè)系數(shù)的模方 分別代表粒子狀態(tài)在每一個(gè)定態(tài)中的幾率。Bloch球面中則表示在量子力學(xué)里一個(gè)一把態(tài)的疊加。我們可以看到，經(jīng)典的兩個(gè)比特只是Bloch球面中一種特殊的情況，其被Bloch球面所包圍。而量子態(tài)在三維的坐標(biāo)中表示出來就是Bloch球面上的一個(gè)點(diǎn)。所以一個(gè)量子比特有無窮個(gè)態(tài)，每個(gè)態(tài)對應(yīng)Bloch上的一個(gè)點(diǎn)，對量子比特進(jìn)行操縱，就是把Bloch球面上的一個(gè)點(diǎn)移到另外的一個(gè)點(diǎn)，這個(gè)操縱是一個(gè)幺正變換。

3量子計(jì)算機(jī)

從（1.1）式我們可以看到，經(jīng)典計(jì)算機(jī)是只是量子計(jì)算機(jī)的特例，量子計(jì)算機(jī)是經(jīng)典計(jì)算機(jī)的推廣，這一推廣使得其計(jì)算能力成指數(shù)倍的增長。對于由量子力學(xué)原理所支配的量子計(jì)算機(jī)來說，原則上制約著經(jīng)典計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的原理都不存在，首先因?yàn)闃?gòu)成量子計(jì)算機(jī)的一些芯片實(shí)質(zhì)上就是量子器件。其次是量子計(jì)算是由一系列幺正演化來完成的，所以這是一個(gè)可逆的過程，不存在耗熱問題。最后就是量子計(jì)算是建立在量子疊加態(tài)基礎(chǔ)上的，所以具有并行性運(yùn)算能力。因而某些在經(jīng)典的計(jì)算機(jī)里需要進(jìn)行指數(shù)倍運(yùn)算，在量子計(jì)算機(jī)里卻只需進(jìn)行多項(xiàng)式分解運(yùn)算。

其實(shí)，在早期（1982年）就有人預(yù)想到了量子元件的計(jì)算能力比經(jīng)典的元件強(qiáng)很多，不過在這個(gè)時(shí)期并沒有受到人們的關(guān)注。直到20世紀(jì)初Shor首次提出Shor算法后使得量子計(jì)算機(jī)有了現(xiàn)實(shí)意義，即能對現(xiàn)行信息安全所依仗的大數(shù)因子分解難題進(jìn)行有效的破解。從此以后就有越來越多的科研工作者開始關(guān)注量子計(jì)算機(jī)，關(guān)心和探討適合量子元件運(yùn)算規(guī)律的算法。

要實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算過程，大致有一下三個(gè)步驟：

首先是初態(tài)的制備，在經(jīng)典的計(jì)算機(jī)中，進(jìn)行一個(gè)有用的計(jì)算最重要的要求是制備期望的輸入。同樣在量子計(jì)算機(jī)里，我們將芯片中的各個(gè)比特制備在某個(gè)特定的量子態(tài)上，這個(gè)過程中要求比特保持良好的量子相干性，以便保證量子疊加態(tài)能夠一直成立。

其次是去實(shí)施完成所預(yù)想的各種可逆幺正變換，這些幺正變換就是我們通常所說的各種操作。在量子計(jì)算機(jī)里，人們相信量子計(jì)算機(jī)和經(jīng)典計(jì)算機(jī)一樣，都是由一系列的基本的邏輯運(yùn)算組成。目前已經(jīng)證明任何的量子計(jì)算都可以通過一個(gè)基本量子邏輯門集的組合來完成。

最后就是信息的讀取，對量子器件進(jìn)行測量來讀出計(jì)算結(jié)果。需要注意的是，量子力學(xué)所掌握的是關(guān)于微觀系統(tǒng)的規(guī)律是一種統(tǒng)計(jì)規(guī)律，它只能告訴我們在某個(gè)時(shí)刻一個(gè)微觀系統(tǒng)的各個(gè)物理量取不同值的概率。在大多數(shù)時(shí)候，我們得到的末態(tài)有可能也是一個(gè)量子疊加態(tài)，所以我們測量的結(jié)果一般都是概率性的。量子計(jì)算通常要重復(fù)多次才能得到比較明確的結(jié)果。

4量子算法

在Shor算法為提出以后，人們意識到這將對當(dāng)今廣泛應(yīng)用著的公匙密碼體系的安全性構(gòu)成嚴(yán)重的威脅，因?yàn)樗軐?shí)現(xiàn)大數(shù)因子分解。

通常來說，RSA公匙密碼體系中，密碼的生成方式是這樣的：第一步是去尋找兩個(gè)大的質(zhì)數(shù)m，n，計(jì)算Q=mn的值以及歐拉函數(shù) （Q）=（m 1） （n 1）。第二步是在區(qū)間1≤e≤ （Q）隨機(jī)選擇一個(gè)和 （Q）互質(zhì)的整數(shù)，計(jì)算模 （Q）下的逆元d=e-1mod （Q）；最后一步是定義公匙私匙（M，e）是d。

由此可知，RAS公匙密碼的安全性完全取決于大整數(shù)n的質(zhì)因數(shù)分解的困難性，目前經(jīng)典計(jì)算機(jī)是不能破解的。而在物理上，Shor量子算法是有效的，Shor算法是對大數(shù)因子分解的一種有效的算法：其復(fù)雜程度隨著問題的規(guī)模只是多項(xiàng)式的增加。

5結(jié)論

在本文我們介紹了經(jīng)典的比特和量子比特。經(jīng)典的比特只是Bloch球上的兩個(gè)點(diǎn)，而量子比特則是Bloch球上的所有點(diǎn)。可以看出，經(jīng)典比特只是量子比特的一種特例。同時(shí)我們也討論了經(jīng)典的計(jì)算機(jī)和量計(jì)算機(jī)，量子計(jì)算機(jī)所執(zhí)行的是一個(gè)可逆幺正演化且具備并行運(yùn)算的能力，使得量子計(jì)算機(jī)能解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)所不能解決的問題，尤其是對大數(shù)因子的分解。量子計(jì)算機(jī)是目前量子信息科學(xué)中最重要的研究領(lǐng)域之一，這將是目前以及未來一段時(shí)間內(nèi)科學(xué)家門所要研究的重點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

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[3] M.A.Nielsen and I.L.Chuang，Quantum Computation and Quantum Information （Cambridge University Press，U.K，2000）

篇7

0引言

當(dāng)高功率的脈沖激光聚焦于液體中時(shí)，在聚焦區(qū)域液體分子被脈沖激光產(chǎn)生的強(qiáng)電場電離，產(chǎn)生電子．在這個(gè)復(fù)雜的物理過程中，有的過程會產(chǎn)生自由電子，有的過程會抑制自由電子的產(chǎn)生，其結(jié)果導(dǎo)致存在一個(gè)激光強(qiáng)度閾值，當(dāng)脈沖激光光強(qiáng)超過液體擊穿閾值時(shí)，自由電子密度成指數(shù)速率增長；當(dāng)電子達(dá)到一定濃度時(shí)就可以形成等離子體，由于等離子體具有很大的光吸收系數(shù)，使腔體進(jìn)一步吸收激光能量，進(jìn)而發(fā)生爆炸式膨脹，該過程便被稱為液體中的光擊穿．近年來，隨著光擊穿效應(yīng)在眼科激光手術(shù)中的應(yīng)用［1］，人們對液體中的光擊穿效應(yīng)也越來越關(guān)注，尤其是短脈沖激光器（如飛秒激光器）的誕生，進(jìn)一步激起了人們對激光與液體相互作用的研究熱情［2－5］．本文從自由電子密度速率方程出發(fā)，通過等離子體橢球模型，借助中子擴(kuò)散方程，推導(dǎo)出液體中電子擴(kuò)散速率的表達(dá)式，進(jìn)而得出水的擊穿閾值，并將理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較和分析，結(jié)果表明等離子體橢球模型更符合實(shí)際情況．等離子體橢球模型的建立為光擊穿效應(yīng)應(yīng)用于眼內(nèi)介質(zhì)、含水介質(zhì)或其他含水生物組織，以及短脈沖激光在眼科激光手術(shù)上的應(yīng)用提供一些理論參考．

1等離子體密度演化的速率方程

為了確定液體中發(fā)生光擊穿的脈沖激光強(qiáng)度閾值，需要計(jì)算出在脈沖激光作用下的自由電子密度演化情況．用來描述等離子體中自由電子密度演化過程的速率方程為［6－7］式中dρ／（dt）m為多光子電離產(chǎn)生的電子；ηcascρ為雪崩電離產(chǎn)生的電子，ηcasc為雪崩電離速率；gρ為擴(kuò)散到聚焦區(qū)域以外的電子，g為電子擴(kuò)散損失率；ηrecρ2為電子的復(fù)合損失，ηrec為電子復(fù)合速率．

2等離子體橢球模型的應(yīng)用

2．1等離子體橢球模型當(dāng)高功率脈沖激光聚焦區(qū)域的介質(zhì)被電離產(chǎn)生電子后，該區(qū)域與脈沖激光聚焦區(qū)域外的電子濃度出現(xiàn)差異，進(jìn)而電子發(fā)生擴(kuò)散，這種擴(kuò)散對激光聚焦區(qū)域較小的液體介質(zhì)的光擊穿影響很大．等離子體橢球模型：當(dāng)脈沖激光束聚焦到液體中，考慮到脈沖激光在聚焦區(qū)域的特征以及液體中光擊穿的實(shí)驗(yàn)情況，可將脈沖激光的聚焦區(qū)域形狀視為橢球．如圖1所示，橢球的半長軸a，與激光束的能量相關(guān)，半短軸b，與激光束照射區(qū)域相關(guān)．

2．2電子擴(kuò)散速率的計(jì)算根據(jù)量子力學(xué)的基本原理，借助中子擴(kuò)散方程，令等離子體橢球中電子的擴(kuò)散長度Λ＝B－1g，其中Bg為橢球的“幾何曲率”，在穩(wěn)態(tài)情況下，Bg是波動方程解的最小本征值．式中，s是包括外推長度在內(nèi)的橢球表面．

2．3擊穿閾值為了確保雪崩電離的啟動，焦點(diǎn)區(qū)域Vf內(nèi)至少得有10個(gè)“種子”電子，尤其是在皮秒和飛秒脈沖的情況下．由此可見，焦點(diǎn)區(qū)域的變化對雪崩電離的啟動也會有相應(yīng)的影響．此時(shí)，電子的雪崩電離速率表達(dá)式為式中：M為液體介質(zhì)的分子質(zhì)量，ω為角頻率，Vf＝4／3πa2b為橢球體的體積．利用式（16），將不同的光強(qiáng)值Imax代入式（1）中求解，直到數(shù)值解出的最大自由電子密度ρmax等于光擊穿的臨界電子密度ρcr（2×1021cm－3）［8，12］，此時(shí)的光強(qiáng)值Imax就是所要求的擊穿閾值光強(qiáng)．

3結(jié)果與比較

利用上述公式，使用不同波長、脈寬、焦點(diǎn)半徑的激光脈沖，計(jì)算出水的擊穿閾值，并將計(jì)算的結(jié)果與已知的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)［8－10］和其他模型進(jìn)行比較，如表1所示．通過比較發(fā)現(xiàn)等離子體橢球模型得出的擊穿閾值更接近于實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

篇8

關(guān)鍵詞： 原子結(jié)構(gòu)；量子力學(xué)；互補(bǔ)原理；哥本哈根學(xué)派

文章編號：1005－6629(2007)01－0000－00中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

中學(xué)講原子結(jié)構(gòu)與元素周期律，丹麥最偉大的物理學(xué)家、原子“教父”尼爾斯?玻爾(1885～1962)(圖1)是不能簡單跳過去的，遺憾的是多數(shù)人除了可能聽過“玻爾巧藏諾貝爾獎?wù)隆边@個(gè)小故事及簡單提到的玻爾原子結(jié)構(gòu)模型外，其余知之甚少，這對無論從科學(xué)成就、人格魅力或是領(lǐng)導(dǎo)才能等方面都堪稱典范的科學(xué)巨匠來說是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，我們有重讀的必要！

1 卓越的科學(xué)成就

2 互補(bǔ)原理與中國的陰陽學(xué)說

1927年玻爾首次提出了互補(bǔ)性觀點(diǎn)，其基本思想大意是：真理具有兩個(gè)側(cè)面，如同一枚錢幣具有兩個(gè)側(cè)面一樣。每個(gè)側(cè)面都是正確的，它們是對立的，但又是互補(bǔ)的，只有把互補(bǔ)的兩個(gè)側(cè)面結(jié)合起來，成為比單獨(dú)各個(gè)側(cè)面更和諧的整體，我們對微觀世界才能有全面的理解。由于微觀粒子需要波動與粒子圖像并協(xié)(互補(bǔ))地加以描述，所以從原則上說，對微觀粒子的描述只能是概率論的，而不是確定論的，在微觀世界中，有“因”未必有“果”，因果律失去了意義。

玻爾的互補(bǔ)原理與中國的陰陽學(xué)說有異曲同工之妙：陰陽最初意義是指日光的向背，向日為陽，背日為陰。我國古代思想家認(rèn)識到一切現(xiàn)象(天地、日月、晝夜、陰晴、寒暑、水火等)都具有正反兩個(gè)方面，就用陰陽這對概念來解釋自然界兩種對立和相互消長的勢力。《老子》提出：“萬物負(fù)陰而抱陽”，認(rèn)為任何事物都存在著陰與陽的矛盾，而陰陽二氣又處于一個(gè)統(tǒng)一體之中；《易經(jīng)》提出“一陰一陽之謂道”的原則，把陰陽概念上升為“范圍天地”、“曲成萬物”的最高哲學(xué)范疇，成為關(guān)于解釋天地萬物和宇宙原型的體系，形成比較系統(tǒng)完整的陰陽學(xué)說。

伏羲先天八卦太極圖(圖2)是陰陽學(xué)說的直觀表達(dá)：四周有乾、坤、震、巽、坎、離、艮、兌的八個(gè)部分稱為八卦，分別代表天、地、雷、風(fēng)、水、火、山、澤八種基本自然現(xiàn)象，象征宇宙萬物，由八卦可以演變成六十四卦乃至一百二十八卦。

中間的核心部分是具有黑暗的陰(黑色)和明亮的陽(白色)的對稱圖案，表示任何既對立又統(tǒng)一的矛盾雙方，俗稱陰陽魚。矛盾對立的每一方一個(gè)極。兩極之間能動地聯(lián)系在一起而形成對稱的布局，但這種對稱不是靜態(tài)的，而是表示一種循環(huán)運(yùn)動，黑白兩部分形成互補(bǔ)圖像，表明陰陽兩級既相互對立，又相互依存，任何一方都不能脫離對方而單獨(dú)存在。陰在下方最盛，而陽逐漸增多；陽在上方最盛，而陰逐漸增多，“陽還終始，陰極返陽?！眻D中的兩個(gè)圓點(diǎn)象征著這樣的概念，就是每當(dāng)這兩種力量中的一方達(dá)到自己的極端時(shí)，在其中就已經(jīng)有了它的對立面的萌芽。

1937年玻爾訪問中國，當(dāng)他見到我國古代的太極圖時(shí)無比興奮，如獲至寶，認(rèn)為太極圖完美準(zhǔn)確地表達(dá)了他的互補(bǔ)原理。陰陽兩級標(biāo)志著真理的兩個(gè)方面，它們既是矛盾的、對立的，又是互補(bǔ)的、統(tǒng)一的，陰陽兩方面綜合起來，就能得到事物和現(xiàn)象的完備的描述。1947年，由于玻爾在科學(xué)上的杰出成就以及對丹麥文化的杰出貢獻(xiàn)，丹麥國王破格授予玻爾“寶象勛章”(圖3)，勛章的正中選用的圖案就是太極圖，意指玻爾的互補(bǔ)哲學(xué)，也飽含他對中國文化的詮釋。

3 索爾維論劍

玻爾的互補(bǔ)哲學(xué)受到許多有影響學(xué)者如狄拉克、奧本海默、惠勒等的擁護(hù)，但由于互補(bǔ)原理與海森堡的不確定原理迫使我們不得不放棄要求嚴(yán)格的物理學(xué)因果關(guān)系的思想，以致某些偉大的科學(xué)家如愛因斯坦等人從來不愿接受它，由此爆發(fā)了史無前例的學(xué)術(shù)大論戰(zhàn)。

在人類科學(xué)史上，曾經(jīng)發(fā)生過許多次重大的學(xué)術(shù)論戰(zhàn)，但論及雙方的地位、論戰(zhàn)的深入和影響，只有這一次才最有資格被稱為巔峰對決。

愛因斯坦設(shè)想了一些理想化實(shí)驗(yàn)來應(yīng)對不確定原理與互補(bǔ)原理，其中最著名的是1930年在第六屆索爾維會議上提出的“愛因斯坦盒子”(圖4)，盒中裝有一些輻射物質(zhì)，盒子一側(cè)有一個(gè)小洞，洞口有一塊擋板。盒子里放有一只能控制擋板開關(guān)的鐘，盒子的重量是可以測出來的。盒子里的鐘能在某一時(shí)刻將小洞打開，放出一個(gè)粒子(光子或電子)，這樣粒子跑出前后盒子的重量也可以準(zhǔn)確地測量出來，根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能公式E=mc2，粒子的能量也可以準(zhǔn)確地確定，這樣得出在準(zhǔn)確的時(shí)間釋放出準(zhǔn)確的能量的結(jié)論，于是不確定關(guān)系以及互補(bǔ)原理不再成立，因果律和準(zhǔn)確性都恢復(fù)了。

玻爾經(jīng)過認(rèn)真仔細(xì)地分析后指出：在粒子跑出盒子的過程中，盒子必然在重力方向上發(fā)生位移，而根據(jù)愛因斯坦廣義相對論，鐘在沿重力方向發(fā)生位移的過程中，它的快慢會發(fā)生變化。因此，由鐘所讀出的時(shí)間就會由于這個(gè)粒子的跑出而有所改變，由此引出的誤差正好滿足不確定關(guān)系。

以彼之道，還施彼身，愛因斯坦的這個(gè)光箱實(shí)驗(yàn)非但沒能擊倒量子論，反而成了它最好的證明，自此哥本哈根解釋也被奉為是量子力學(xué)的正統(tǒng)解釋。

現(xiàn)代科技手段已能對當(dāng)年的部分理想實(shí)驗(yàn)進(jìn)行論證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果幾乎指向玻爾是正確的，盡管如此，愛因斯坦的深刻質(zhì)疑，對玻爾發(fā)展思想、深化論點(diǎn)、精練表述，起了有益的促進(jìn)作用。

4 哥本哈根學(xué)派

1921年，在玻爾的倡議下成立了哥本哈根大學(xué)理論物理學(xué)研究所，玻爾領(lǐng)導(dǎo)這一研究所先后達(dá)40年之久。這一研究所培養(yǎng)了大量的杰出物理學(xué)家，在量子力學(xué)的興起時(shí)期曾經(jīng)成為全世界最重要、最活躍的學(xué)術(shù)中心，對量子力學(xué)的孕育、誕生和哲學(xué)詮釋做出獨(dú)到的貢獻(xiàn)。有人統(tǒng)計(jì)，全世界有30多個(gè)國家的近千個(gè)現(xiàn)代物理學(xué)家曾經(jīng)或長或短地在該研究所里工作過，其中有17人獲得諾貝爾獎(涉及物理、化學(xué)與生理或醫(yī)學(xué)獎)，這是了不起的成就！

許多人都對在玻爾研究所的工作印象深刻，在離開那兒多年后仍十分懷念在那里的工作和生活，他們對玻爾更是充滿敬意，在玻爾60歲壽辰的獻(xiàn)詞中，他們這么說：“‘父呵！你乃大自然之發(fā)現(xiàn)者，吾等從你謹(jǐn)受教誨。’這句對古代偉大原子論者的獻(xiàn)詞，我們也要把它獻(xiàn)給現(xiàn)代原子理論的創(chuàng)立者！”

哥本哈根研究所之所以使物理學(xué)家有精神家園的感覺，主要原因在于那里有在判斷和討論方面完全自由的最卓越的精神，被后人稱為“哥本哈根精神”，這是一種獨(dú)特的、濃厚的、平等自由地討論和相互緊密地合作的學(xué)術(shù)氣氛。正是這種精神吸引著物理學(xué)家，同時(shí)這也是他們對玻爾充滿感激和敬意的主要原因。

直到今天，很多人還說“哥本哈根精神”在國際物理學(xué)界是獨(dú)一無二的?！案绫竟瘛币殉蔀槲锢韺W(xué)界最寶貴的精神財(cái)富，它對世界的貢獻(xiàn)，也許不亞于玻爾的量子力學(xué)。

二十一世紀(jì)科學(xué)研究最需要的是什么精神？中國人進(jìn)行科學(xué)研究最缺少的是什么精神？

――哥本哈根精神！

5 玻爾的人格魅力

玻爾為人溫和而幽默，和別人爭論時(shí)也輕聲細(xì)語。他特別愛護(hù)年輕人，曾經(jīng)有人問玻爾：“你是怎么把那么多有才華的青年人團(tuán)結(jié)在身邊的？”他回答說：“因?yàn)槲也慌略谀昵嗳嗣媲俺姓J(rèn)自己知識的不足，不怕承認(rèn)自己是傻瓜?！闭遣慌略谀昵嗳嗣媲俺姓J(rèn)自己知識的不足，1922年夏天，他應(yīng)邀到德國哥廷根大學(xué)發(fā)表演講時(shí)發(fā)現(xiàn)了海森堡和泡利，而這兩位1932年、1945年的諾貝爾物理獎得主，后來成為哥本哈根學(xué)派主力干將，為量子力學(xué)的發(fā)展做出了卓越的貢獻(xiàn)。

愛因斯坦本來早該獲得諾貝爾獎，但由于當(dāng)時(shí)有不少人對相對論持有偏見，直到1922年秋才回避相對論的爭論，授予他上年度諾貝爾物理獎，并決定把本年度的諾貝爾物理獎授予玻爾，這兩項(xiàng)決定破例同時(shí)發(fā)表。愛因斯坦當(dāng)時(shí)正赴日本，在途經(jīng)上海時(shí)接到了授獎通知。而玻爾對愛因斯坦長期未能獲得諾貝爾獎深感不安，怕自己在愛因斯坦之前獲獎，因此，當(dāng)玻爾得知這一消息后非常高興，立即寫信給旅途中的愛因斯坦。玻爾非常謙虛，他在信中表示，自己之所以能取得一些成績，是因?yàn)閻垡蛩固棺龀隽说旎缘呢暙I(xiàn)，因此，愛因斯坦能在他之前獲得諾貝爾獎，他覺得這是“莫大的幸?！?。愛因斯坦在接到玻爾的信后，當(dāng)即回了信，信中說：“我在日本啟程之前不久收到了您熱情的來信，我可以毫不夸張地說，它像諾貝爾獎一樣，使我感到快樂；您擔(dān)心在我之前獲得這項(xiàng)獎金，你的這種擔(dān)心我覺得特別可愛――它顯示了玻爾的本色?！?/p>

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玻爾熱愛自己的祖國，他一再婉言拒絕外來的高薪聘請，決心在人口不到500萬的小國建立起物理學(xué)的國際中心。確實(shí)，玻爾獲得成功，他把哥本哈根建成了物理學(xué)家“朝拜的圣地”。

玻爾一直引用丹麥童話作家安徒生的名言：“丹麥?zhǔn)俏页錾牡胤?，是我的家鄉(xiāng)，這里就是我心中的世界開始的地方。”以此來陶冶自己的思想情操，激勵自己為祖國的昌盛建功立業(yè)。

科學(xué)無國界，科學(xué)家卻有自己的祖國。

6 原子“教父”

普朗克、愛因斯坦與玻爾是量子理論的三大先驅(qū)，代表量子理論的三個(gè)不同階段。普朗克提出了能量子的概念，但是他是個(gè)不情愿的革命者，并不充分認(rèn)識量子理論的革命性，它意味經(jīng)典物理學(xué)的終結(jié)；愛因斯坦發(fā)現(xiàn)了光量子，他立即認(rèn)識到量子與經(jīng)典理論的對立性，他對這種理論局面感到不舒服；玻爾是物質(zhì)結(jié)構(gòu)量子理論的創(chuàng)立者，他把量子概念用于單個(gè)微觀體系原子或分子，他也立即意識到量子理論的革命性，適應(yīng)了新的理論局勢，并對這種局勢做出哲學(xué)概括。

綜觀玻爾的科學(xué)之旅，是從定性到定量，最后再到定性的過程：定性定量定性。后一個(gè)定性比前一個(gè)定性要高級、豐富、生動，因?yàn)樗呀?jīng)擁有了一個(gè)非常精確的定量這個(gè)中間環(huán)節(jié)，這最后一個(gè)定性包括三個(gè)成分：驚嘆、敬畏和惆悵。在自然哲學(xué)觀上，量子論帶給了我們前所未有的沖擊和震動，甚至改變了整個(gè)物理世界的基本思想。它的觀念是如此地革命，乃至最不保守的科學(xué)家都在潛意識里對它懷有深深的懼意，玻爾就說過：“如果誰不為量子論而感到困惑，那他就是沒有理解量子論?！?/p>

這才是科學(xué)的極致!互補(bǔ)原理與對應(yīng)原理就是這樣的極致！玻爾理論看似模糊，但其中包含豐富的內(nèi)容，給后來物理學(xué)家提供了很大的發(fā)展空間。

玻爾從1905年開始他的科學(xué)生涯，一生從事科學(xué)研究達(dá)57年之久。他的研究工作開始于原子結(jié)構(gòu)未知的年代，結(jié)束于原子科學(xué)已趨成熟、原子核物理得到廣泛應(yīng)用的時(shí)代，從開始到結(jié)束，玻爾那種充滿著高度創(chuàng)造性，銳敏性和帶有批判性的精神，始終指引著他的事業(yè)的方向，使之深入，直到最后完成。今天，我們的現(xiàn)代文明，從電腦，電視，手機(jī)到核能，航天，生物技術(shù)，幾乎沒有哪個(gè)領(lǐng)域不依賴于原子理論。他對原子科學(xué)的貢獻(xiàn)使他無疑地成了20世紀(jì)上半葉與愛因斯坦并駕齊驅(qū)的、最偉大的物理學(xué)家與哲學(xué)家之一。

愛因斯坦這樣評價(jià)玻爾：“作為一位科學(xué)思想家，玻爾所以有這么驚人的吸引力，在于他具有大膽和謹(jǐn)慎這兩種品質(zhì)的難得融合；很少有誰對隱秘的事物具有這一種直覺的理解力，同時(shí)又兼有這樣強(qiáng)有力的批判能力。他不但擁有關(guān)于細(xì)節(jié)的全部知識，而且還始終堅(jiān)定地注視著基本原理。他無疑是我們時(shí)代科學(xué)領(lǐng)域中最大的發(fā)現(xiàn)者之一。”

玻爾集高尚的人格、卓越的領(lǐng)導(dǎo)才能和批判性、開創(chuàng)性的科學(xué)研究于一身，人類科學(xué)史這樣的大師難覓第二人，他是物理學(xué)天才，更是網(wǎng)羅人才的天才，令無數(shù)立志科學(xué)探索的青年學(xué)者競折腰。遺憾的是，我們并不重視對玻爾的研究，相對愛因斯坦甚至海森堡等科學(xué)家，我們做得遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，我給每屆學(xué)生都講玻爾：“我們或許缺少愛因斯坦，但我們更需要的是玻爾?！?/p>

是的，我們更需要玻爾！

參考文獻(xiàn)：

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[5]秦克誠.郵票上的物理學(xué)史[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

篇9

關(guān)鍵詞：材料科學(xué)；結(jié)構(gòu)化學(xué)；教學(xué)內(nèi)容

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）18-0032-02

湘潭大學(xué)目前除了化學(xué)專業(yè)、應(yīng)用化學(xué)專業(yè)開設(shè)結(jié)構(gòu)化學(xué)之外，材料物理、材料化學(xué)、材料科學(xué)與工程這3個(gè)材料科學(xué)類的專業(yè)也開設(shè)結(jié)構(gòu)化學(xué)課程，5個(gè)專業(yè)使用的教材均為周公度、段連運(yùn)先生編著，北京大學(xué)出版社出版的結(jié)構(gòu)化學(xué)基礎(chǔ)（第4版）一書。根據(jù)近幾年來材料科學(xué)類結(jié)構(gòu)化學(xué)的教學(xué)實(shí)踐情況，考慮到材料科學(xué)學(xué)科與化學(xué)學(xué)科之間的差異，根據(jù)材料科學(xué)與工程教學(xué)指導(dǎo)委員會制訂的高等學(xué)校材料物理、材料化學(xué)專業(yè)規(guī)范，優(yōu)化適合于材料科學(xué)類3個(gè)專業(yè)的結(jié)構(gòu)化學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容實(shí)有必要。

一、結(jié)構(gòu)化學(xué)的內(nèi)容和課程的任務(wù)

結(jié)構(gòu)化學(xué)是研究原子在空間相互結(jié)合成分子或化學(xué)實(shí)體的方式（結(jié)構(gòu)）、依據(jù)（化學(xué)鍵本質(zhì)）、規(guī)律及結(jié)構(gòu)與性能間的聯(lián)系，它是聯(lián)系材料宏觀與微觀的橋梁，是材料設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。結(jié)構(gòu)化學(xué)以在分子水平上研究自然科學(xué)問題為其主要目標(biāo)與特征，這決定了它不僅是研究化學(xué)反應(yīng)機(jī)制、化學(xué)的內(nèi)在規(guī)律性、各類化學(xué)體系立體構(gòu)型、鍵型及構(gòu)效關(guān)系的指南，而且已成為材料科學(xué)、分子生物學(xué)、金屬有機(jī)化學(xué)等新興、邊緣或綜合學(xué)科發(fā)展的支柱。結(jié)構(gòu)化學(xué)不僅與化學(xué)各分支學(xué)科，而且與材料科學(xué)、物理學(xué)、地學(xué)、生命科學(xué)、冶金學(xué)等學(xué)科有廣泛的橫向聯(lián)系與交叉。結(jié)構(gòu)化學(xué)的另一個(gè)重要內(nèi)容就是與合成化學(xué)、理論化學(xué)以及材料科學(xué)、生命科學(xué)、固體物理等相鄰學(xué)科一起，建立分子工程學(xué)、晶體工程學(xué)等學(xué)科。

結(jié)構(gòu)化學(xué)課程是材料科學(xué)類的一門基礎(chǔ)課，其任務(wù)是使學(xué)生深刻掌握微觀物質(zhì)運(yùn)動的基本規(guī)律，獲得原子、分子和晶體結(jié)構(gòu)的基本理論、基礎(chǔ)知識，深入掌握物質(zhì)結(jié)構(gòu)和性能的相互關(guān)系，牢固樹立結(jié)構(gòu)決定性能的觀點(diǎn)，了解研究分子和晶體結(jié)構(gòu)的近代物理方法。通過這門課程的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生從結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)分析問題和解決問題的能力。結(jié)構(gòu)化學(xué)的教學(xué)對于鍛煉學(xué)生思維、開發(fā)學(xué)生智力、發(fā)展學(xué)生能力、提高學(xué)生綜合素質(zhì)有著極其重要的作用。凡具有較好理論基礎(chǔ)的大學(xué)畢業(yè)生，適應(yīng)能力強(qiáng)，后勁足，結(jié)構(gòu)化學(xué)的教學(xué)起著十分重要的作用。

二、材料科學(xué)的特征

材料科學(xué)與工程正在發(fā)生深刻的變化，其研究已深入到原子尺度，突出特征表現(xiàn)在3個(gè)方面。第一，材料科學(xué)技術(shù)化，材料技術(shù)科學(xué)化，材料科學(xué)與工程技術(shù)日益融合，相互促進(jìn)；第二，新材料、新技術(shù)、新工藝相互結(jié)合，為各個(gè)工程領(lǐng)域開拓了新的研究內(nèi)容，帶來了新的生命力和發(fā)展前景；最后，學(xué)科之間的相互交叉滲透，使得各學(xué)科之間的關(guān)系日益密切，難以分割?；A(chǔ)科學(xué)與現(xiàn)代技術(shù)的新成果也和材料科學(xué)與工程的發(fā)展交織在一起。

從教材角度看材料科學(xué)，具有3個(gè)特征：基礎(chǔ)性、前沿性和應(yīng)用性。基礎(chǔ)性，一方面指材料科學(xué)的研究是建立在物理、化學(xué)的基礎(chǔ)上，沒有扎實(shí)的理化基礎(chǔ)從事材料研究與開發(fā)是難以想象的。另一方面，當(dāng)前材料科學(xué)研究顯示出突出的交叉性和綜合性，學(xué)科內(nèi)容及規(guī)模不僅體系龐大而且紛繁蕪雜，沒有扎實(shí)的基礎(chǔ)就難以抓住要害，不能適應(yīng)學(xué)科的變化和發(fā)展，這就要求教材毫不含糊地重視基礎(chǔ)。前沿性是指材料科學(xué)的發(fā)展速度迅猛，只有在教材中恰當(dāng)?shù)胤从尺@些變化，才能使學(xué)生適應(yīng)日后的研究工作。應(yīng)用性是指材料研究的目的而言，是為了實(shí)際應(yīng)用。當(dāng)今材料研究從實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)化的時(shí)間大大縮短，材料研究與開發(fā)已成為高科技的重要組成部分，要求在教材中有意識地體現(xiàn)這一特征。

三、結(jié)構(gòu)化學(xué)課程教學(xué)的主要內(nèi)容與基本要求

根據(jù)結(jié)構(gòu)化學(xué)的研究內(nèi)容和材料科學(xué)學(xué)科的特征，材料科學(xué)類的結(jié)構(gòu)化學(xué)課程不僅要兼顧物理系的材料物理和化學(xué)系的材料化學(xué)2個(gè)專業(yè)，包含適當(dāng)?shù)牧孔恿W(xué)基礎(chǔ)、固體理論和表面結(jié)構(gòu)化學(xué)，還要適當(dāng)?shù)亟榻B一些的功能材料，不能“有理無物”，而且既要與材料物理課程和材料化學(xué)課程緊密地相聯(lián)系，又要區(qū)別開來，既要與計(jì)算物理課程和計(jì)算化學(xué)課程相聯(lián)系，又要區(qū)別開來，突出材料結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，簡要介紹分子設(shè)計(jì)學(xué)。遵循加強(qiáng)基礎(chǔ)、強(qiáng)化能力、整體優(yōu)化、精選內(nèi)容、更新知識、突出應(yīng)用、反映前沿及簡明扼要的原則，進(jìn)行教材編寫。

在內(nèi)容的選取上，首先把握更新與精選，處理好“新”與“基”的關(guān)系。在加強(qiáng)基本教學(xué)內(nèi)容的前提下適當(dāng)反映新內(nèi)容，拓寬知識面，體現(xiàn)“少而精”、“精而新”的原則。不僅要反映現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展趨勢和學(xué)科的前沿理論，而且應(yīng)注重結(jié)構(gòu)化學(xué)課程對其他課程和學(xué)科的滲透，提高綜合度。其次充分重視理論聯(lián)系實(shí)際。在不同部分側(cè)重點(diǎn)不同，力求加強(qiáng)宏觀與微觀的聯(lián)系，掌握規(guī)律。第三，注意演繹法和歸納法2種方法的應(yīng)用。RHoffmann曾說：“化學(xué)理論的最主要作用是提供一種思維方式，以總結(jié)更新知識”。結(jié)構(gòu)化學(xué)作為理論化學(xué)的重要組成部分，要求該課程使學(xué)生在2種思維模式即演繹法和歸納法方面均得到較好的訓(xùn)練。中國傳統(tǒng)教學(xué)偏重演繹，優(yōu)點(diǎn)是嚴(yán)謹(jǐn)，但缺乏創(chuàng)新意識，而美國等國家在教學(xué)上側(cè)重歸納，優(yōu)點(diǎn)是獨(dú)立思考和創(chuàng)造能力強(qiáng)，缺點(diǎn)是基礎(chǔ)不夠扎實(shí)。因此，我們力求將2種思維模式在各個(gè)章節(jié)都有所體現(xiàn)，期望學(xué)生受到全面的訓(xùn)練。第四，充分注意習(xí)題的作用。習(xí)題是鍛煉思維的體操，是學(xué)習(xí)過程中的重要一環(huán)，做習(xí)題不僅是理解、掌握知識，而且是學(xué)會如何運(yùn)用知識。雖然做習(xí)題本身不是科學(xué)研究，但對研究能力的養(yǎng)成有重要作用。許多科學(xué)大師都曾津津樂道于他們早年在習(xí)題中的受益。A Sommerfeld曾寫信給他的學(xué)生W Heisenberg，告誡他：要勤奮地去做練習(xí)，只有這樣，你才會發(fā)現(xiàn)，哪些你理解了，哪些你還沒有理解。楊振寧也曾回憶他的大學(xué)學(xué)習(xí)：西南聯(lián)大教學(xué)風(fēng)氣是非常認(rèn)真的，我們那時(shí)念的課，一般老師準(zhǔn)備得很好，學(xué)生習(xí)題做得很多。的確，“勤奮地去做練習(xí)”，“習(xí)題做得很多”，往往是達(dá)到成功的一個(gè)階梯。因此例題習(xí)題選編的恰當(dāng)與否直接影響教學(xué)效果，這在內(nèi)容多、學(xué)時(shí)少、提倡自學(xué)的當(dāng)今時(shí)代顯得尤為重要，對于結(jié)構(gòu)化學(xué)課程而言更是如此。習(xí)題不能全部簡單化，我們編寫了一定數(shù)量的綜合訓(xùn)練題。最后，注意課外讀物的作用。課外讀物有利于拓寬學(xué)生的知識面，培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力。閱讀原始研究論文能夠培養(yǎng)學(xué)生良好的思維能力和思考問題的方法，提高他們分析問題和解決問題的能力。在結(jié)構(gòu)化學(xué)中，每一個(gè)基本原理或理論大都對應(yīng)一位科學(xué)大師，學(xué)習(xí)他們的研究方法及寫作技巧，對學(xué)生將來從事科研等工作十分有益。

因此，材料科學(xué)類的結(jié)構(gòu)化學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容應(yīng)包括下列6部分內(nèi)容，各部分的基本要求如下：

1.量子力學(xué)基礎(chǔ)和原子結(jié)構(gòu)。這部分內(nèi)容在第1、2章中講授。要求了解量子力學(xué)的基本假設(shè)，掌握氫原子和類氫離子的薛定諤方程及求解要點(diǎn)，提高對原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識，深入理解原子軌道的意義、性質(zhì)和空間圖象。了解多電子原子的自恰場方法及中心力場近似法，了解核外電子布居的依據(jù)，了解角動量的偶合及原子光譜項(xiàng)的意義。

2.化學(xué)鍵理論和分子結(jié)構(gòu)。這部分內(nèi)容主要在第3、5、6、10章中講授。要求重點(diǎn)掌握化學(xué)鍵的三個(gè)基本理論：分子軌道理論、價(jià)鍵理論和配位場理論。其中第3章要求了解線性變分法處理H2+和H2，了解共價(jià)鍵本質(zhì)及典型的雙原子分子的電子排布。第5章要求掌握價(jià)鍵理論在多原子分子結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，掌握s-p雜化軌道的造法及鍵角公式。要求掌握HMO方法及其在共軛分子中的應(yīng)用，掌握前線軌道理論和能量相關(guān)圖及其應(yīng)用。第6章要求掌握配位場理論在配位化合物結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，π-σ配鍵化合物和過度金屬簇合物的電子結(jié)構(gòu)或成鍵特征與性能。了解分子光譜、電子能譜原理。掌握現(xiàn)代化學(xué)鍵理論在討論非金屬化合物成鍵特征及結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系方面的應(yīng)用。

3.點(diǎn)陣?yán)碚摵途w結(jié)構(gòu)。這部分內(nèi)容主要在第4、7、8、9章中講授。要求根據(jù)分子的幾何構(gòu)型確定分子所屬的點(diǎn)群，初步了解群的表示和特征表的意義。了解偶極矩、旋光性與分子結(jié)構(gòu)的關(guān)系。要求著重了解X射線衍射等方法所依據(jù)的基本原理，以及在測定結(jié)構(gòu)中的作用和應(yīng)用范圍，為了解與掌握現(xiàn)代化學(xué)中的重要實(shí)驗(yàn)方法打下初步的理論基礎(chǔ)。掌握描述晶體結(jié)構(gòu)的表達(dá)方法，掌握金屬、離子化合物的晶體結(jié)構(gòu)與性能。了解用結(jié)構(gòu)化學(xué)理論研究固體表面的結(jié)構(gòu)和性能的方法。

4.功能材料結(jié)構(gòu)與性能。這部分內(nèi)容在11章中講授。初步了解幾類重要的功能材料，加深理解結(jié)構(gòu)決定性能的觀點(diǎn)，初步了解功能材料結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系。

5.分子設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。這部分內(nèi)容在12章中講授。初步了解分子設(shè)計(jì)的基本原理及其應(yīng)用。

篇10

二十世紀(jì)即將結(jié)，二十一世紀(jì)即將來臨，二十世紀(jì)是光輝燦爛的一個(gè)世紀(jì)，是個(gè)類社會發(fā)展最迅速的一個(gè)世紀(jì)，是科學(xué)技術(shù)發(fā)展最迅速的一個(gè)世紀(jì)，也是物理學(xué)發(fā)展最迅速的一個(gè)世紀(jì)。在這一百年中發(fā)生了物理學(xué)革命，建立了相對信紙和量子力學(xué)，完成了從經(jīng)典物理學(xué)到現(xiàn)代物理學(xué)的轉(zhuǎn)變。在二十世紀(jì)二、三十年代以后，現(xiàn)代物理學(xué)在深度和廣度上有了進(jìn)一步的蓬勃發(fā)展，產(chǎn)生了一系列的新學(xué)科的交叉學(xué)科、邊緣學(xué)科，人類對物質(zhì)世界的規(guī)律有了更深刻的認(rèn)識，物理學(xué)理論達(dá)到了一個(gè)新高度，現(xiàn)代物理學(xué)達(dá)到了成熟的階段。

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

一、歷史的回顧

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

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

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

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

回顧二十世紀(jì)物理學(xué)的發(fā)展，是在三個(gè)方向上前進(jìn)的。在二十一世紀(jì)，物理學(xué)也將在這三個(gè)方向上繼續(xù)向前發(fā)展。

1）在微觀方向上深入下去。在這個(gè)方向上，我們已經(jīng)了解了原子核的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了大量的基本粒子及其運(yùn)規(guī)律，建立了核物理學(xué)和粒子物理學(xué)，認(rèn)識到強(qiáng)子是由夸克構(gòu)成的。今后可能會有新的進(jìn)展。但如果要探索更深層次的現(xiàn)象，必須有更強(qiáng)大得多的加速器，而這是非常艱巨的任務(wù)，所以我認(rèn)為近期內(nèi)在這個(gè)方向上難以有突破性的進(jìn)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(dāng)時(shí)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(jié)果，為“大爆炸”理論提供了有力的證據(jù)，從此“大爆炸”理論得到廣泛的支持，1981年日本的佐藤勝彥和美國的古斯同時(shí)提出暴脹理論。八十年代以后，英國的霍金[2,3]等人開始論述宇宙的創(chuàng)生，認(rèn)為宇宙從“無”誕生，今后在這個(gè)方向上將會繼續(xù)有所發(fā)展。從根本上來說，現(xiàn)代宇宙學(xué)的繼續(xù)發(fā)展有賴于向廣漠的宇宙更遙遠(yuǎn)處觀測的新結(jié)果，這需要人類制造出比哈勃望遠(yuǎn)鏡性能更優(yōu)越得多的、各個(gè)波段的太空天文望遠(yuǎn)鏡，這是很艱巨的任務(wù)。

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

3）深入探索各層次間的聯(lián)系。

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

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

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

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

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

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

三、現(xiàn)代物理學(xué)的理論基礎(chǔ)是完美的嗎？

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

呢？我們來審思一下這個(gè)問題。

1）對相對論的審思

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

時(shí)間、空間是物質(zhì)運(yùn)動的表現(xiàn)形式，不能脫離物理質(zhì)運(yùn)動談?wù)摃r(shí)間、空間，在定義時(shí)空時(shí)應(yīng)該說明是關(guān)于什么運(yùn)動的時(shí)空?，F(xiàn)代物理學(xué)認(rèn)為超距作用是不存在的，A處發(fā)生的“事件”影響B(tài)處的“事件”必須通過一定的場傳遞過去，傳遞需要一定的時(shí)間，時(shí)間、空間的定義與這個(gè)傳遞速度是密切相關(guān)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(shí)空實(shí)際上是關(guān)于由電磁相互作用引起的物質(zhì)運(yùn)動的時(shí)空，適用于描述這種運(yùn)動。

愛因斯坦把他定義的時(shí)間應(yīng)用于所有的物質(zhì)運(yùn)動，實(shí)際上就暗含了這樣的假設(shè)：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(shí)驗(yàn)事實(shí)證明c＇等于c。愛因斯坦因他的“物質(zhì)世界統(tǒng)一性”的世界觀而在實(shí)際上假定了c=c＇。我持有“物質(zhì)世界既統(tǒng)一，又多樣化的”以觀點(diǎn)，再加之電磁力和引力的強(qiáng)度在數(shù)量級上相差太多，因此我相相信c＇可能不等于c。工樣，關(guān)于由電磁力引起的物質(zhì)運(yùn)動的四維時(shí)空（x，y，z，ict）和關(guān)于由引力引起的運(yùn)動的時(shí)空（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）是不同的。如果研究的問題只涉及一種相互作用，則按照現(xiàn)在的理論建立起來的運(yùn)動方程的形式不變。例如，愛因斯坦引力場方程的形式不變，只需把常數(shù)c改為c＇。如果研究的問題涉及兩種相互作用，則需要建立新的理論。不過，首要的事情是由實(shí)驗(yàn)事實(shí)來判斷c＇和c是否相等；如果不相等，需要導(dǎo)出c＇的數(shù)值。

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

弱力、強(qiáng)力與引力、電磁力有本質(zhì)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(shí)現(xiàn)的。引力相互作用的傳遞者是引力子；電磁相互作用的傳遞者是光子；弱相互作用的傳遞者是規(guī)范粒子（光子除外）；強(qiáng)相互作用的傳遞者是介子。引力子和光子的靜質(zhì)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(zhì)量和能量有關(guān)，因而其傳遞速度是多種多樣的。

在研究由弱或強(qiáng)相互作用引起的物質(zhì)運(yùn)動時(shí)，定義慣性系中不同的地點(diǎn)的兩個(gè)“事件”的“同時(shí)”，是否應(yīng)該用弱力或強(qiáng)力信號取代光信號呢？我對核物理學(xué)和粒子物理學(xué)是外行，不想貿(mào)然回答這個(gè)問題。如果應(yīng)該用弱力或強(qiáng)力信號取代光信號，那么關(guān)于由弱力或強(qiáng)力引起的物質(zhì)運(yùn)動的時(shí)空和關(guān)于由電磁力引起的運(yùn)動的時(shí)空（x，y，z，ict）及關(guān)于由引力引起的運(yùn)動的時(shí)空（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）

有很大的不同。設(shè)弱或強(qiáng)相互作用的傳遞速度為c＇＇，c＇＇不是常數(shù)，而是可變的，則關(guān)于由弱或強(qiáng)力引起的運(yùn)動的時(shí)空為（x＇＇，y＇＇，z＇＇，Ic＇＇t＇＇），時(shí)間t＇＇和空間（x＇＇，y＇＇，z＇＇）將是c＇的函數(shù)。然而，很可能應(yīng)該這樣來考慮問題：關(guān)于由弱力引起的運(yùn)動的時(shí)空，在定義中應(yīng)該以規(guī)范粒子的靜質(zhì)量取作零時(shí)的速度c1取代光速c。由于“電弱理論”把弱力和電磁力統(tǒng)一起來了，因此有可能c1=c，則關(guān)于由弱力引起的運(yùn)動的時(shí)空和關(guān)于由電磁力引起的運(yùn)動的時(shí)空是相同的，同為（x，y，z，ict）。關(guān)于由強(qiáng)力引起的運(yùn)動的時(shí)空，在定義中應(yīng)該以介子的靜質(zhì)量取作零（在理論上取作零，在實(shí)際上沒有靜質(zhì)量為零的介子）時(shí)的速度c＇＇取代光速c，c＇＇可能不等于c。則關(guān)于由強(qiáng)力引起的運(yùn)動的時(shí)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(gè)物質(zhì)世界的時(shí)空將是高于四維的多維時(shí)空。對于由短程力（或只是強(qiáng)力）引起的物質(zhì)運(yùn)動，如果時(shí)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(xué)和新的粒子物理學(xué)等。如果研究的問題既清及長程力，又涉及短程力（尤其是強(qiáng)力），則更需要建立新的理論。

1）對量子力學(xué)的審思

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

現(xiàn)在我陷入一個(gè)兩難的處境：如果采用傳統(tǒng)的德布羅意關(guān)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(guān)系，就必須面對使新的理論滿足相對論協(xié)變性的難題。是否有解決問題的其他途徑呢？我認(rèn)為這個(gè)問題或許還與時(shí)間、空間的定義有關(guān)?，F(xiàn)在的量子力學(xué)理論中時(shí)寬人的定義實(shí)質(zhì)上依然是決定論的定義，而不確定原理是微觀世界的一條基本規(guī)律，所以時(shí)間、空間都不是嚴(yán)格確定的，決定論的時(shí)空要領(lǐng)不再適用。在時(shí)間或空間的間隔非常小的時(shí)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(shí)空時(shí)還應(yīng)考慮相關(guān)的物質(zhì)運(yùn)動的類別。模糊數(shù)學(xué)已經(jīng)發(fā)展得相當(dāng)成熟了，把這個(gè)數(shù)學(xué)工具用到微觀世界時(shí)空的定義中去可能是很值得一試的。

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

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