導語：如何才能寫好一篇量子力學的基本理論，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公文云整理的十篇范文，供你借鑒。

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關(guān)鍵詞：量子力學；教學改革；物理思想

作者簡介：王永強（1980-），男，山西河曲人，鄭州輕工業(yè)學院技術(shù)物理系，講師。（河南?鄭州?450002）

基金項目：本文系鄭州輕工業(yè)學院第九批教學改革項目“《量子力學》課程體系與教學內(nèi)容的綜合改革和實踐”資助的研究成果。

中圖分類號：G642.0?????文獻標識碼：A?????文章編號：1007-0079（2012）20-0070-02

“量子力學”是20世紀物理學對科學研究和人類文明進步的兩大標志性貢獻之一，已經(jīng)成為物理學專業(yè)及部分工科專業(yè)最重要的基礎課程之一，是學習“固體物理”、“材料科學”、“材料物理與化學”和“激光原理”等課程的重要基礎。通過這門課程的學習，學生能熟練掌握量子力學的基本概念和基本理論，具備利用量子力學理論分析問題和解決問題的能力。同時，這門課程對培養(yǎng)學生的探索精神和創(chuàng)新意識及科學素養(yǎng)亦具有十分重要的意義。然而，“量子力學”本身是一門非常抽象的課程，眾多學生談“量子”色變，教學效果可想而知。如何激發(fā)學生學習本課程的熱情，充分調(diào)動學生的積極性和主動性，提高量子力學的教學水平和教學質(zhì)量，已經(jīng)成為擺在教師面前的重要課題。近年來，筆者在借鑒前人經(jīng)驗的基礎上，結(jié)合鄭州輕工業(yè)學院（以下簡稱“我?！保┙虒W實際，在“量子力學”的教學內(nèi)容和教學方法方面做了一些有益的改革嘗試，取得了較好的效果。

一、“量子力學”教學內(nèi)容的改革

量子力學理論與學生長期以來接觸到的經(jīng)典物理體系相去甚遠，尤其是處理問題的思路和手段與經(jīng)典物理截然不同，但它們之間又不無關(guān)聯(lián)，許多量子力學中的基本概念和基本理論是類比經(jīng)典物理中的相關(guān)內(nèi)容得出的。因此，在“量子力學”教學中，一方面需要學生摒棄在經(jīng)典物理學習中形成的固有觀念和認識，另一方面在學習某些基本概念和基本理論時又要求學生建立起與經(jīng)典物理之間的聯(lián)系以形成較為直觀的物理圖像，這種思維上的沖突導致學生在學習這門課程時困惑不堪。此外，這門課程理論性較強，眾多學生陷于煩瑣的數(shù)學推導之中，導致學習興趣缺失。針對以上教學中發(fā)現(xiàn)的問題，筆者對“量子力學”課程的教學內(nèi)容作了一些有益的調(diào)整。

1.理清脈絡，強化知識背景

從經(jīng)典物理所面臨的困難出發(fā)，到半經(jīng)典半量子理論的形成，最終到量子理論的建立，對量子力學的發(fā)展脈絡進行細致的、實事求是的分析，特別是對量子理論早期的概念發(fā)展有一個準確清晰的理解，弄清楚到底哪些概念和原理是已經(jīng)證明為正確并得到公認的，還存在哪些不完善的地方。這樣一方面可使學生對量子力學中基本概念和基本理論的形成和建立的科學歷史背景有一深刻了解，有助于學生理清經(jīng)典物理與量子理論之間的界限和區(qū)別，加深他們對這些基本概念和基本理論的理解；另一方面，可使學生對蘊藏在這一歷程中的智慧火花和科學思維方法有一全面的了解，有助于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識及科學素養(yǎng)。比如：對于玻爾理論，由于對量子化假設很難用已經(jīng)成形的經(jīng)典理論來解釋，學生往往會覺得不可思議，難以理解。為此，在講解這部分內(nèi)容時，很有必要介紹一下玻爾理論產(chǎn)生的歷史背景，告訴學生在玻爾的量子化假設之前就已經(jīng)出現(xiàn)了普朗克的量子論和愛因斯坦的光量子概念，且大量關(guān)于原子光譜的實驗數(shù)據(jù)也已經(jīng)被掌握，之前盧瑟福提出的簡單行星模型卻與經(jīng)典物理理論及實驗事實存在嚴重背離。為了解決這些問題，玻爾理論才應運而生。在用量子力學求解氫原子定態(tài)波函數(shù)時，還可以通過定態(tài)波函數(shù)的概率分布圖，向?qū)W生介紹所謂的玻爾軌道并不是真實存在的，只是電子出現(xiàn)幾率比較大的區(qū)域。通過這樣講述，學生可以清晰地體會到玻爾理論的承上啟下的作用，而又不至于將其與量子力學中的概念混為一談。

2.重在物理思想，壓縮數(shù)學推導

在物理學研究中，數(shù)學只是用來表述物理思想并在此基礎上進行邏輯演算的工具，教師不能將深刻的物理思想淹沒在復雜的數(shù)學形式之中。因此，在教學過程中，教師要著重于加強基本概念和基本理論的講授，把握這些概念和理論中所蘊含的物理實質(zhì)。對一些涉及繁難數(shù)學推導的內(nèi)容，在教學中刻意忽略具體數(shù)學推導過程，著重于使學生掌握其中的思想方法。例如：在一維線性諧振子問題的教學中，對于數(shù)學方面的問題，只要求學生能正確寫出薛定諤方程、記住其結(jié)論即可，重點放在該類問題所蘊含的物理意義及對現(xiàn)成結(jié)論的應用上。這樣，學生就不會感到枯燥無味，而能始終保持較高的學習熱情。

二、教學方法改革

傳統(tǒng)的“填鴨式”教學法把課堂變成了教師的“一言堂”，使得學生在教學活動中始終處于被動接受地位，極大地壓制了學生學習的主觀能動性，十分不利于知識的獲取以及對學生創(chuàng)新能力及科學思維的培養(yǎng)。而且，“量子力學”這門課程本身實驗基礎薄弱、理論性較強，物理圖像不夠直觀，一味采取灌輸式教學，學生勢必感到枯燥，甚至厭煩。長期以往，學習積極性必然受挫，學習效果自然大打折扣。為了提高學生學習興趣，激發(fā)其學習的積極性，培養(yǎng)其科學探索精神及創(chuàng)新能力，筆者在教學方法上進行了一些有益的探索。

1.發(fā)揮學生主體作用

除卻必要的教學內(nèi)容講解外，每節(jié)課都留出一定的師生互動時間。教師通過創(chuàng)設問題情景，引導學生進行研究討論，或者針對已講授內(nèi)容，使學生對已學內(nèi)容進行復習、總結(jié)、辨析，以加深理解；或者針對未講授內(nèi)容，激發(fā)學生學習新知識的興趣（比如，在講授完一維無限深方勢阱和一維線性諧振子這兩個典型的束縛態(tài)問題后就可引導學生思考“非束縛態(tài)下微觀粒子又將表現(xiàn)出什么樣的行為”），[1]這樣學生就會積極地預習下節(jié)內(nèi)容；或者選擇一些有代表性的習題，讓學生提出不同的解決辦法，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。對于在課堂上不能解決的問題，積極鼓勵學生利用圖書館及網(wǎng)絡資源等尋求解決，培養(yǎng)學生的科學探索精神。此外，還可使學生自由組合，挑選他們感興趣的與課程有關(guān)的題目進行討論、調(diào)研并完成小組論文，這一方面激發(fā)學生的自主學習積極性，另一方面使其接受初步的科研訓練，一舉兩得。

2.注重構(gòu)建物理圖像

在實際教學中著重注意物理圖像的構(gòu)建，使學生對一些難以理解的概念和理論形成較為直觀的印象，從而形成深刻的記憶和理解。例如：借助電子束衍射實驗，通過三個不同的實驗過程（強電子束、弱電子束及弱電子束長時間曝光），即可為實物粒子的波粒二象性構(gòu)建出一幅清晰的物理圖像；借助電子束衍射實驗圖像，再以光波類比電子波，即可凝練出波函數(shù)的統(tǒng)計解釋；[2]借助電子雙縫衍射實驗圖像，可使學生更易接受和理解態(tài)疊加原理；借助解析幾何中的坐標系，可很好地為學生建立起表象的物理圖像。盡管這其中光波和電子波、坐標系和表象這些概念之間有本質(zhì)上的區(qū)別，但借助這些學生已經(jīng)熟知和深刻理解的概念，可使學生非常容易地接受和理解量子力學中難以言明的概念和理論，同時，也可使學生掌握這種物理圖像的構(gòu)建能力，對培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維具有非常積極地作用。

三、教學手段和考核方式改革

1.課程教學采用多種先進的教學方式

如安排小組討論課，對難于理解的概念和規(guī)律進行討論。先是各小組內(nèi)討論，再是小組間辯論，最后老師對各小組討論和辯論的觀點進行評述和指正。例如，在講到微觀粒子的波函數(shù)時，有的學生認為是全部粒子組成波函數(shù)，有的學生認為是經(jīng)典物理學的波。這些問題的討論激發(fā)了學生的求知欲望，從而進一步激發(fā)了學生對一些不易理解的概念和量子原理進行深入理解，直至最后充分理解這些內(nèi)容。另外課程作業(yè)布置小論文，邀請國內(nèi)外專家開展系列量子力學講座等都是不錯的方式。

2.堅持研究型教學方式[3]

把課程教學和科研相結(jié)合，在教學過程中針對教學內(nèi)容，吸取科研中的研究成果，通過結(jié)合最新的科研動態(tài)，向?qū)W生講授在相關(guān)領域的應用以培養(yǎng)學生學習興趣。在量子力學誕生后，作為現(xiàn)代物理學的兩大支柱之一的現(xiàn)代物理學的每一個分支及相關(guān)的邊緣學科都離不開量子力學這個基礎，量子理論與其他學科的交叉越來越多。例如：基本粒子、原子核、原子、分子、凝聚態(tài)物理到中子星、黑洞各個層次的研究以量子力學為基礎；量子力學在通信和納米技術(shù)中的應用；量子理論在生物學中的應用；量子力學與正在研究的量子計算機的關(guān)系等，在教學中適當?shù)卮┎暹@些知識，擴大學生的知識面，消除學生對量子力學的片面認識，提高學生學習興趣和主動性。

3.利用量子力學課程將人文教育與專業(yè)教學相結(jié)合

量子力學從誕生到發(fā)展的物理學史所包含的創(chuàng)新思維是迄今為止哪一門學科都難以比擬的。在19世紀末至20世紀初，經(jīng)典物理學晴空萬里，然而黑體輻射、光電效應、原子光譜等物理現(xiàn)象的實驗結(jié)果嚴重沖擊經(jīng)典物理學理論，讓經(jīng)典物理學陷入危機四伏的境地。1900年，德國物理學家普朗克創(chuàng)造性地引入了能量子的概念，成功地解釋了黑體輻射現(xiàn)象，量子概念誕生。1905年，愛因斯坦進一步完善了量子化觀念，指出能量不僅在吸收和輻射時是不連續(xù)的（普朗克假設），而且在物質(zhì)相互作用中也是不連續(xù)的。1913年，玻爾將量子化概念引入到原子中，成功解釋了有近30年歷史的巴爾末經(jīng)驗光譜公式。泡利突破玻爾半經(jīng)典、半量子論的局限，給予了令玻爾理論不安的反常塞曼效應以合理解釋。1924年，德布羅意突破普朗克能量子觀念提出微觀粒子具有波粒二象性，開始與經(jīng)典理論分庭抗禮。[4]和學生一起重溫量子力學史的發(fā)展之路，在教學過程中展現(xiàn)量子力學數(shù)學形式之美，使學生在科學海洋中得到美的享受，從精神上熏陶他們的創(chuàng)新精神。

4.考試方式改革

在本課程的教學中采用了教考分離，通過小考題的形式復習章節(jié)內(nèi)容，根據(jù)學生的實際水平適當輔導答疑，注重學生對量子力學基礎知識理解的考核。對于評價系統(tǒng)的建立，其中平時成績（包括作業(yè)、討論、綜合表現(xiàn)等）占30％，期末考試占70％。從實施的效果來看，督促了學生的學習，收到了較好的效果，受到學生的歡迎。

四、結(jié)論

通過近年來的改革嘗試，我校的“量子力學”教學水平穩(wěn)步提高，加速了專業(yè)建設。2009年，我?！傲孔恿W”被評為校級精品課程，教學改革成果初現(xiàn)。然而，關(guān)于這門課程的教學仍存在不少問題，如教學手段單一、與生產(chǎn)實踐結(jié)合不夠緊密等等，這些都需要教師在今后教學中進一步改進。

參考文獻：

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[2]呂增建.從量子力學的建立看類比思維的創(chuàng)新作用[J].力學與實踐,

2009,(4).

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與運用矩陣作為計算工具的矩形力學相比，波動力學更適合初學者，它使用比較簡單的微動語言和初等的微積分方程，是量子理論的基本應用中最常使用的形式。

關(guān)鍵詞：量子力學波動學薛定諤函數(shù)

量子力學是研究微觀粒子的運動規(guī)律的物理學分支學科，主要研究原子、分子、凝聚態(tài)物質(zhì)，以及原子核和基本粒子的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)的基礎理論，它與相對論一起構(gòu)成了現(xiàn)代物理學的理論基礎。量子力學不僅是近代物理學的基礎理論之一，而且在化學等有關(guān)學科和許多近代技術(shù)中也得到了廣泛的應用。①

作為量子力學的兩大形式之一，波動學在近代物理學中的地位尤為重要，它由薛定諤創(chuàng)立，與海森伯等人創(chuàng)立的矩陣力學在數(shù)學形式上是等價的，都是量子力學的基石。

在很長的歷史時間段里，人們對于經(jīng)典物理學的研究從來沒有停止過，并且一直致力于建立一個相對完美的經(jīng)典物理學體系，力圖囊括并解決人們已然發(fā)現(xiàn)的所有物理學問題。但隨著科學的發(fā)展和思想認識的進步，人們逐漸發(fā)現(xiàn)這種所謂“完美”的物理學體系是不存在的，光電效應、黑體輻射、線狀光譜以及固體和分子比熱容等問題都無法在已經(jīng)構(gòu)建的經(jīng)典物理學體系中找到答案。

波動學顧名思義是根據(jù)微觀粒子的波動性建立起來的用波動方程來進行描述的微觀粒子運動的規(guī)律的理論。德布羅意于1924年提出假設――微觀粒子具有波動性，開啟了波動學研究的大門。繼而薛定諤于1926年在波動性假設的基礎上提出微觀粒子運動滿足的波動方程，并成功利用此方程解決了氫原子問題，后來在面對其他具體問題時進行更新和完善，發(fā)展出了較為完善的近似計算方法。

與運用矩陣作為計算工具的矩形力學相比，波動力學更適合初學者，它使用比較簡單的微動語言和初等的微積分方程，是量子理論的基本應用中最常使用的形式。

波動力學的主要思想是由薛定諤確立的，舊的力學理論要相當于光學中用彼此孤立的光線來處理問題，新的波動力學要相當于光學中用波動理論處理問題。從舊理論轉(zhuǎn)變到新理論的標志之一就是引入了與光的衍射現(xiàn)象十分類似的現(xiàn)象。

在微小精確的系統(tǒng)里，舊的理論不斷被取代，對于為什么原子的直徑與假設的波長的播出具有相近的數(shù)量級，薛定諤認為這并非巧合。薛定諤的思想大約從四個方面提出：

（1） 原子領域中電子的能量是分立的。

（2） 在一定的邊界條件下，波動方程的振動頻率只能取一系列分立的本征頻率。

（3） 哈密頓雅克比方程不僅用以描述粒子運動，也可以描述光波。

（4） 愛因斯坦和德布羅意關(guān)于波粒二象性的思想。電子可以看成一股波，其能量E和動量P可用德布羅意公式與波長和頻率聯(lián)系在一起。②

在薛定諤波動方程的基礎上，達朗貝爾給出了一維標量波動方程的一般解：u(x,t) = F(x-ct)+G(x+ct)

考慮兩個初始條件：

解：

u(x,0)=f(x)

u_{,t}(x,0)=g(x)

這樣達朗貝爾公式變成了:

u(x,t)=\\frac{f(x-ct)+f(x+ct)}+\\frac\\int_^{x+ct}g(s)ds

在經(jīng)典的意義下，如果f(x)\\inC^k并且g(x)\\inC^則u(t,x)\\inC^k。

波動是自然界中極其普遍的現(xiàn)象。人類早期觀察較多的波動是水面波，以及由弦或膜的振動導致的機械波，這些都具有可視的形態(tài)。后來逐漸認識了一些不可目視的波動，如聲波、電磁波、光波。20世紀的研究深入到微觀層次之后，發(fā)現(xiàn)了物質(zhì)波。波動力學的發(fā)展源遠流長，最早發(fā)端于最小作用原理，該原理可以說是“眾理之母”。當前大量波動力學研究工作涉及數(shù)學上的非線性微分方程，對其物理學意義反而有忽視的傾向。對電磁波的研究工作仍是波科學的重要方面，其基本理論尚待澄清之處甚多。波動力學的發(fā)展表明，經(jīng)典電磁波方程應與量子力學波方程聯(lián)系起來研究，孤立地討論經(jīng)典的場與波的時代早已結(jié)束。③

就在一代又一代科學家的努力下，波動學逐漸發(fā)展成較為全面的系統(tǒng)。薛定諤、德布羅意等一系列科學家參與建立了量子力學。并成功將其推動為近代物理學的基礎理論之一。其背后的科學背景如今將來依舊令人驚嘆，作為一個物理學家、文人作家等身份于一身的人，薛定諤是一個性情中人，不拘一格加浪漫情懷使得創(chuàng)立理論之初被很多人懷疑，甚至參加討論會議時也因其怪異打扮被招待生誤會，就是這樣一個“怪才”之人，開創(chuàng)了量子力學的新紀元，將量子力學壯大，運用科學與哲學思想，將波動力學推向世界。

1926年10月，薛定諤參與訪問哥本哈根，并與波爾開展了關(guān)于量子力學物理意義的大辯論，至此，波動力學的初始階段結(jié)束，不久之后，量子力學的發(fā)展邁入一個全新的階段。

波動力學在不斷完善的過程中仍有很多問題亟待解決：雖然在完全摒棄舊的體系，以新的體系取而代之的情況下，波動力學就不會存在問題，但是這一做法面臨很多困難。因為按照波動力學理論，對于粒子而言有無限條可能的軌道，其中沒有哪一條比其他軌道更加優(yōu)越，使其能夠成為個別情況下的真實運行軌道。然而另一個實際情況卻是：我們確實有看到過單個粒子的軌道。至今波動力學也無法對此作出準確解釋。一切的源頭來自于粒子的不確定性。

參考文獻：

①《量子力學》第二版 曾謹嚴 科學出版社

②《論量子力學的基石――矩陣力學和波動力學》朱洪杰華中師范大學

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1物理學的發(fā)展過程

1.1 宏觀低速階段

研究宏觀低速的理論是牛頓力學,研究對象為宏觀低速運動的物體。例如:汽車、火車的運動,地球衛(wèi)星的發(fā)射。在牛頓力學中,牛頓認為:質(zhì)量、時間、空間都是絕對的。也就是說,對于時間來講不存在延長和收縮的問題,即時間是在一秒鐘,一秒鐘地或一個小時,一個小時地均勻流失。對于空間和質(zhì)量來講也不存在著變大或變小的問題。牛頓力學的三大定律,就是在這樣的基礎上建立的。

1.2 宏觀高速階段

研究宏觀高速的理論是愛因斯坦的相對論力學,愛因斯坦在1905年發(fā)表了論文相對論力學。愛因斯坦認為空間、質(zhì)量、時間都是相對的。并且找出了動質(zhì)量和靜質(zhì)量之間的關(guān)系:其中m0為靜質(zhì)量;m為動質(zhì)量。

1.3 微觀低速階段

其理論是薛定諤,海森堡兩個創(chuàng)立的量子力學。研究對象為分子、原子、電子、粒子等肉眼所看不見的物質(zhì)。

1.4 微觀高速階段

理論是量子場論,研究對象為宇宙射線,放射性元素。例如:“鐳”。量子場論就是粒子通過相互作用而被產(chǎn)生,湮滅或相互轉(zhuǎn)化的規(guī)律。例如:通過對天外射線射向地球宇宙射線的研究發(fā)現(xiàn)“反粒子”,即電子的反粒子正電子。負電子與正電子相互作用湮沒—— 轉(zhuǎn)化為二個γ光子,例如“閃電”。

2物理學與工程技術(shù)的關(guān)系

物理學與工程技術(shù)有著密切的關(guān)系,他們之間是相互促進共同發(fā)展的。我們平時常說科學技術(shù),實際上科學和技術(shù)是兩個不同的概念?？茖W解決理論問題,而技術(shù)解決實際問題?？茖W是發(fā)現(xiàn)自然界當中確實存在的事實,并且建立理論,把這些理論和現(xiàn)象聯(lián)系起來?？茖W主要是探索未知,而技術(shù)是把科學取得的成果和理論應用于實際當中,從而解決實際問題。所以技術(shù)是在理論相對比較成熟的領域里邊工作?？茖W與工程技術(shù)相互促進的模式主要有以下兩種。

2.1 技術(shù)—— 物理—— 技術(shù)

例如:蒸汽機的發(fā)明和蒸汽機在工業(yè)當中的應用形成了第一次工業(yè)革命—— 熱力學統(tǒng)計物理—— 蒸汽機效率的提高,內(nèi)燃機,燃氣輪機的發(fā)明。這一次主要是這樣:由于蒸汽機的發(fā)明,在當初工業(yè)應用上,出現(xiàn)了很多應用技術(shù)的問題。例如蒸汽機發(fā)明的初期熱效率很低,大概不到5％。這樣,就對物理提出了很尖銳的問題。那就是熱機的效率最高能達到多少？熱機的效率有沒有上限？上限是多少？再一個就是通過什么樣的方式來提高熱機的效率？由于這些問題就促進了物理學的發(fā)展,正是在這些問題解決的過程當中,逐漸形成和建立了熱力學統(tǒng)計物理。而熱力學統(tǒng)計物理很好地回答了提高熱機效率的途徑,以及提高熱機效率的限度等等這些理論上的問題。

2.2 物理—— 技術(shù)—— 物理

例如:(1)電磁學—— 發(fā)電機,電力電器,無線電通信技術(shù)—— 電磁學;電磁學從庫侖定律的發(fā)現(xiàn),以及法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應定律,直到1865年麥克斯韋建立電磁學基本理論,這些都是科學家在實驗室里邊逐漸形成的,這都是理論建立的過程,而這些理論應用于實際就發(fā)明了電動機、發(fā)電機等其它電器以及無線電通信技術(shù),而這些實用技術(shù)的進一步發(fā)展又給電磁學提出來了許多需要解決的實際問題。正是這些問題的逐步解決,使得電磁學更加的完善和在理論上進一步得到了提高。(2)量子力學,半導體物理—— 晶體管超級大規(guī)模集成電路技術(shù),電子計算機技術(shù),激光技術(shù)—— 量子力學,激光物理;量子力學是20世紀初期為了解決物理上的一些疑難問題而建立起來的一種理論,這種理論應用于解決晶體的問題就形成了半導體技術(shù),而半導體技術(shù)的進一步發(fā)展就發(fā)明了大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路,而超大規(guī)模集成電路的發(fā)明是產(chǎn)生電子計算機的主要物質(zhì)基礎,而正是由于電子計算機技術(shù)的發(fā)展又向量子力學提出了一些其他更加深刻需要解決的問題,而這些問題的解決就促進了量子力學的進一步發(fā)展和完善。(3)狹義相對論,質(zhì)能關(guān)系E=mc2,E=mc2—— 原子彈及核能的利用—— 核物理,粒子物理,高能物理;狹義相對論是20世紀初期愛因斯坦建立的一種理論,他是為了解決電磁學等其他物理學科上的一些經(jīng)典物理當中理論上的一些不協(xié)調(diào)和不自恰這樣一種矛盾而提出的一種理論,這種理論當中有一個很重要的理論結(jié)果,那就是質(zhì)能關(guān)系E=mc2,E=mc2。而這種質(zhì)能關(guān)系被我們稱為打開核能寶庫的鑰匙,這一理論結(jié)果的應用直接導致了或者指導了核能的應用,而對于核能的進一步應用又提出了許多新的問題,而這些新問題的進一步解決使得理論更加完善而得到進一步提高,從而形成像核物理,粒子物理,以及高能物理等等,那么實際技術(shù)上問題的解決又進一步促進了物理學的發(fā)展。

3結(jié)語

應該說物理和技術(shù)有著密切的聯(lián)系,物理原理及理論的初創(chuàng)式開發(fā)和應用都形成了當時的高新技術(shù),物理學仍然是當代高新技術(shù)的主要源泉。所有新技術(shù)的產(chǎn)生都在物理學中經(jīng)歷了長期醞釀。例如:1909年盧瑟福的粒子散射實驗—— 40年后的核能利用;1917年愛因斯坦的受激發(fā)射理論—— 1960年第一臺激光器的誕生等,整個信息技術(shù)的產(chǎn)生、發(fā)展,其硬件部分都是以物理學為基礎的。

參考文獻

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篇4

二十世紀即將結(jié)，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(fā)展最迅速的一個世紀，是科學技術(shù)發(fā)展最迅速的一個世紀，也是物理學發(fā)展最迅速的一個世紀。在這一百年中發(fā)生了物理學革命，建立了相對信紙和量子力學，完成了從經(jīng)典物理學到現(xiàn)代物理學的轉(zhuǎn)變。在二十世紀二、三十年代以后，現(xiàn)代物理學在深度和廣度上有了進一步的蓬勃發(fā)展，產(chǎn)生了一系列的新學科的交叉學科、邊緣學科，人類對物質(zhì)世界的規(guī)律有了更深刻的認識，物理學理論達到了一個新高度，現(xiàn)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(fā)展前景，探索今后物理學發(fā)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(fā)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(fā)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(jīng)典物物學的各個分支學科均發(fā)展到了完善、成熟的階段，隨著熱力學和統(tǒng)計力學的建立以及麥克斯韋電磁場理論的建立，經(jīng)典物理學達到了它的頂峰，當時人們以系統(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)典物理學的巨大成就，當時不少物理學家產(chǎn)生了這樣一種思想：認為物理學的大廈已經(jīng)建成，物理學的發(fā)展基本上已經(jīng)完成，人們對物理世界的解釋已經(jīng)達到了終點。物理學的一些基本的、原則的問題都已經(jīng)解決，剩下來的只是進一步精確化的問題，即在一些細節(jié)上作一些補充和修正，使已知公式中的各個常數(shù)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(fā)現(xiàn)了許多經(jīng)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(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“紫外災難”。[1]這些實驗結(jié)果與經(jīng)典物理學的基本概念及基本理論有尖銳的矛盾，經(jīng)典物理學的傳統(tǒng)觀念受到巨大的沖擊，經(jīng)典物理發(fā)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(chuàng)立了相對論；海林堡、薛定諤等一群科學家創(chuàng)立了量子力學?，F(xiàn)代物理學誕生了！

把物理學發(fā)展的現(xiàn)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(xiàn)代物理學經(jīng)過七十多年的發(fā)展，已經(jīng)達到了成熟的階段。人類對物質(zhì)世界規(guī)律的認識達到了空前的高度，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?？梢哉f，現(xiàn)代物理學的大廈已經(jīng)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(shù)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(jīng)解決了，今后能做到的只是在現(xiàn)有理論的基礎上在深度和廣度兩方面發(fā)展現(xiàn)代物理學，對現(xiàn)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(jīng)驗，多數(shù)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(fā)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(xiàn)象是現(xiàn)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(xiàn)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(jīng)典物理學發(fā)生了“嚴重的危機”；而在本世紀之交，現(xiàn)代物理學并無“危機”。因此，我認為目前發(fā)生現(xiàn)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(xiàn)象是現(xiàn)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(xiàn)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(jīng)典物理學發(fā)生了“嚴重的危機”；而在本世紀之交，現(xiàn)代物理學并無“危機”。因此，我認為目前發(fā)生現(xiàn)代物理學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，每個層次中的體系都由大量的小體系（屬于下一個層次）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。物理學研究的目的包括：探索各層次的運動規(guī)律和探索各層次間的聯(lián)系。

回顧二十世紀物理學的發(fā)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(xù)向前發(fā)展。

1）在微觀方向上深入下去。在這個方向上，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規(guī)律，建立了核物理學和粒子物理學，認識到強子是由夸克構(gòu)成的。今后可能會有新的進展。但如果要探索更深層次的現(xiàn)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(nèi)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(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，認為宇宙從“無”誕生，今后在這個方向上將會繼續(xù)有所發(fā)展。從根本上來說，現(xiàn)代宇宙學的繼續(xù)發(fā)展有賴于向廣漠的宇宙更遙遠處觀測的新結(jié)果，這需要人類制造出比哈勃望遠鏡性能更優(yōu)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(chuàng)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(xiàn)在的宇宙學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“宇宙”以外還有無數(shù)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?，F(xiàn)代宇宙學只研究我們這個“宇宙”，當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)計物理學研究的主要內(nèi)容。二十世紀在這方面取得了巨大的成就，先是非平衡態(tài)統(tǒng)計物理學有了得大的發(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(fā)展有廣闊的前景。

上述的物理學的發(fā)展依然現(xiàn)代物理學現(xiàn)有的基本理論的框架內(nèi)。在下個世紀，物理學的基本理論應該怎樣發(fā)展呢？有一些物理學家在追求“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”；目前有一些物理學家正在探索加上強力的“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，根據(jù)辯證唯物主義的基本原理，我認為“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，它也不是物理學發(fā)展的終點。因為“在絕對的總的宇宙發(fā)展過程中，各個具體過程的發(fā)展都是相對的，因而在絕對真理的長河中，人們對于在各個一定發(fā)展階段上的具體過程的認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。”“人們在實踐中對于真理的認識也就永遠沒有完結(jié)。”[5]

現(xiàn)代物理學的革命將怎樣發(fā)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(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(yè)與生命科學的交叉點是二十一世紀物理學發(fā)展的方向之一，與此有關(guān)的最關(guān)于復雜性研究的非線性科學的發(fā)展。

2）現(xiàn)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(xiàn)代物理學理論基礎的不完善性來探尋現(xiàn)代物理學革命的突破口，在下一節(jié)中將介紹我的觀點。

三、現(xiàn)代物理學的理論基礎是完美的嗎？

相對論和量子力學是現(xiàn)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(guān)于光速和關(guān)于時間要領的思考開始，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(chuàng)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(guī)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(zhì)運動的表現(xiàn)形式，不能脫離物理質(zhì)運動談論時間、空間，在定義時空時應該說明是關(guān)于什么運動的時空。現(xiàn)代物理學認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，傳遞需要一定的時間，時間、空間的定義與這個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，愛因斯坦定義的時空實際上是關(guān)于由電磁相互作用引起的物質(zhì)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(zhì)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(zhì)世界統(tǒng)一性”的世界觀而在實際上假定了c=c＇。我持有“物質(zhì)世界既統(tǒng)一，又多樣化的”以觀點，再加之電磁力和引力的強度在數(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)運動的四維時空（x，y，z，ict）和關(guān)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(xiàn)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(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(shù)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(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驗沒有獲得肯定的結(jié)果，隨后這項工作冷下去了。根據(jù)愛國斯坦理論預言的引力波是微弱的，如果在現(xiàn)代實驗技術(shù)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(jié)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(jù)愛因勞動保護坦理論預言的強度弱得多的結(jié)果。

弱力、強力與引力、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。

在研究由弱或強相互作用引起的物質(zhì)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(mào)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(guān)于由弱力或強力引起的物質(zhì)運動的時空和關(guān)于由電磁力引起的運動的時空（x，y，z，ict）及關(guān)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(shù)，而是可變的，則關(guān)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(shù)。然而，很可能應該這樣來考慮問題：關(guān)于由弱力引起的運動的時空，在定義中應該以規(guī)范粒子的靜質(zhì)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(tǒng)一起來了，因此有可能c1=c，則關(guān)于由弱力引起的運動的時空和關(guān)于由電磁力引起的運動的時空是相同的，同為（x，y，z，ict）。關(guān)于由強力引起的運動的時空，在定義中應該以介子的靜質(zhì)量取作零（在理論上取作零，在實際上沒有靜質(zhì)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(guān)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(zhì)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(zhì)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(fā)展到量子場論的時候，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?！鞍l(fā)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(xiàn)在我陷入一個兩難的處境：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？我認為這個問題或許還與時間、空間的定義有關(guān)?，F(xiàn)在的量子力學理論中時寬人的定義實質(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(guān)的物質(zhì)運動的類別。模糊數(shù)學已經(jīng)發(fā)展得相當成熟了，把這個數(shù)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(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，進一步發(fā)展非線性科學。

2）可能應該從兩方面去控尋現(xiàn)代物理學革命的突破口。（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的理論基礎，重新定義時間、空間，建立新的理論

篇5

關(guān)鍵詞：墨子號;量子衛(wèi)星;量子糾纏;量子密鑰;物理學

中圖分類號： TN219 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）30-100-2

0 引言

物理學是研究物質(zhì)運動最一般規(guī)律和物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)的一種自然科學，研究對象大至宇宙，小到基本粒子的質(zhì)量、運動形式和規(guī)律等內(nèi)容。量子衛(wèi)星可謂是物理學中極大的天體物理和極小的量子力學理論的綜合應用，意義重大。下面我想從2016年8月16日我國發(fā)射的全球首科量子科學實驗衛(wèi)星“墨子號”來談談對物理學中量子物理發(fā)展的一些思考。

1 “墨子號”的由來

作為全球三大古老邏輯體系之一的墨家邏輯中的經(jīng)典著作《墨經(jīng)》中提出的“光學八條”中描述了墨子對光線的認識，并成功設計了樸素的小孔成像實驗，奠定了中國光學研究的基礎，所以我國發(fā)射的全球首顆量子科學實驗衛(wèi)星被命名為“墨子號”以紀念墨子先生。

2 為何發(fā)展量子通信技術(shù)和通訊優(yōu)勢

我們知道，20世紀初，量子力學的基礎知識剛剛被奠定的時候，它帶給人們一種啟示，雖然它會時常使人感到困惑，因為量子力學在微觀世界里已經(jīng)打敗了經(jīng)典力學古老的確定論，反復的討論可能性、可能結(jié)果的疊加。

我們假設一個物理量存在最小的不可分割的基本單位，則這個物理量是量子化的，并把最小單位稱為量子，所以我們常用量子去指一個不可分割的基本個體，例如“光的量子”是光的基本單位光子。當然，所有可量子化的物理量其最小單位是特定的，而不是任意值。20世紀的前一半時期許多物理學家將量子力學視為了解和描述自然的基本理論，發(fā)展出了量子光學、量子計算等不同專業(yè)領域來研究。

量子計算領域利用量子效應來控制和處理信息，它具有驚人的潛力，因為經(jīng)典數(shù)據(jù)的二進制“比特”一次只能取一個值，而量子的“量子比特”能夠在給定范圍內(nèi)代表任意及所有可能的取值：在被測量以前，它以所有的可能太的“疊加”形式存在。量子計算特別適合用于解決今天只能依靠“強力”處理器能力來解決的特殊問題―比如，幾十個量子比特陣列就能夠存儲超過太字節(jié)（萬億）的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)量。[3]

因此發(fā)展量子通信技術(shù)的優(yōu)勢非常明顯，前景廣闊。

3 “墨子號”工作的理論基礎

1917年G.Vernam提出了“一次一密”（One-Time Pad）密碼體制[1][2]，C.E.Shannon于1949年用信息論證明了該密碼體制是無條件安全的[1][2]，這是目前唯一被證明是絕對安全的密碼體制。

由于量子信號的攜帶者光子在外層空間傳播時幾乎沒有損耗，如果能夠在技術(shù)上實現(xiàn)糾纏光子再穿透整個大氣層后仍然存活并保持其糾纏特性，人們就可以在衛(wèi)星的幫助下實現(xiàn)全球化的量子通信。此次發(fā)射的量子科學實驗衛(wèi)星完全由我國自主研發(fā)，突破了衛(wèi)星平臺、有效載荷、地面光學收發(fā)站等一系列關(guān)鍵技術(shù)，將在軌開展量子密鑰分發(fā)、廣域量子密鑰網(wǎng)絡、量子糾纏分發(fā)、量子隱形傳態(tài)、星地告訴相干激光通信等科學實驗。

潘建偉研究小組在2003年開始研究自由空間量子通信，他們在實驗點制備出成對的糾纏光子，再利用兩個專門設計加工的發(fā)射望遠鏡將容易發(fā)散的細小光束“增肥”后向東西相距13公里的兩個實驗站送出，兩個接收端用同樣型號的望遠鏡收集。

量子衛(wèi)星和地球通信是雙向的。衛(wèi)星和地面站都擁有發(fā)射端和接收端。發(fā)射端包含單光子光源和光束整形系統(tǒng)，接收端包含單光子探測器和成像系統(tǒng)。光束整形系統(tǒng)和成像系統(tǒng)把點光源變成平行光并將其匯聚到焦點上。發(fā)射端和接收端是靠激光聯(lián)系，它們之間有個大氣層――它是目前較大的麻煩。

經(jīng)過研究人員的種種努力，在如此遠距離的傳送中，雖有許多糾纏光子衰減，但仍有相當比例的“夫妻對”能存活下來并有旺盛的生命力，經(jīng)單光子探測器檢測，分居東西兩地的光子“夫妻對”即使相距遙遠仍能保持相互糾纏狀態(tài)，攜帶信息的數(shù)量和質(zhì)量能完全滿足基于衛(wèi)星的全球化量子通信要求。

在此基礎上，研究小組進一步利用分發(fā)的糾纏光源進行絕對安全的量子保密通信。13公里不僅是目前國際上自由空間糾纏光子分發(fā)的最遠距離，也是目前國際上沒有竊聽漏洞量子密鑰分發(fā)的最大距離。

4 我國量子通訊發(fā)展歷史和量子衛(wèi)星的前景展望

英國《自然》雜志中關(guān)于“量子太空競賽”中指出：“在量子通信領域，中國用了不到十年的時間，由一個了不起的國家發(fā)展成現(xiàn)在的世界勁旅，中國將領先于歐洲和北美......”可見我國量子通訊發(fā)展速度飛快。1995年，中科院物理所吳令安小組在實驗室內(nèi)完成了我國最早的量子密鑰分發(fā)實驗演示。2000年，該小組又與中科院研究生院合作利用單模光纖完成了1.1公里的量子密鑰分發(fā)演示實驗。2002年至2003年間，瑞士日內(nèi)瓦大學Gisin小組和我國華東師范大學曾和平小組分別在67公里和50公里光纖中演示了量子密鑰分發(fā)。2006年，中國科學技術(shù)大學潘建偉團隊在世界上首次利用誘騙態(tài)方案實現(xiàn)了安全距離超過100公里的光纖量子密鑰分發(fā)實驗，2009年，該團隊又在世界上率先將采用誘騙態(tài)方案的量子通信距離突破至200公里。2013年，潘建偉團隊又在核心量子通信器件研究上取得重要突破，他們成功開發(fā)了國際上迄今為止最先進的室溫通信波段單光子探測器，并利用該單光子探測器在國際上首次實現(xiàn)了測量器件無關(guān)的量子通信，成功解決了現(xiàn)實環(huán)境中單光子探測系統(tǒng)易被黑客攻擊的安全隱患，大大提高了現(xiàn)實條件下量子通信系統(tǒng)的安全性。2016年8月16日我國發(fā)射的全球首科量子科學實驗衛(wèi)星“墨子號”這既是中國首個、也是世界首個量子衛(wèi)星。

在我國，量子通信技術(shù)從基礎研究向應用技術(shù)轉(zhuǎn)化邁進，面對國際上科技巨頭，如IBM、Bell實驗室、德國西門子公司等都紛紛投入量子通信的產(chǎn)業(yè)化研究之時。我國將利用量子通信技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化和廣域量子通信網(wǎng)絡的實現(xiàn)，作為保障未來信息社會通信安全的關(guān)鍵技術(shù)，而量子密鑰極有可能會進入普通家庭，服務于社會大眾，成為電子商務、電子醫(yī)療、軍事科技等各種電子服務的驅(qū)動器，為當今這個高度信息化的社會提供基礎的安全服務和最可靠的安全保障。

我國未來還將發(fā)射多顆量子衛(wèi)星，預計到2020年實現(xiàn)亞洲與歐洲的洲際量子密鑰分發(fā)。屆時，連接亞洲與歐洲的洲際量子通信網(wǎng)也將建成，2030年左右將建成全球化的廣域量子通信網(wǎng)絡。隨著量子通信網(wǎng)絡的發(fā)展，量子通信將迎來巨大的市場。有人預測，國內(nèi)量子通信短期市場規(guī)模在100億至130億元左右，長期市場規(guī)模將超過千億元。

5 量子技術(shù)的應用對物理學發(fā)展的一些思考

量子通信技術(shù)的發(fā)展，基礎是物理學理論的發(fā)展，筆者認為21世紀是要把微觀和宏觀整體地聯(lián)系起來。這種結(jié)合對應用科技影響深遠，我們回過頭來看看，目前的科學發(fā)明在19世紀末都是很難想象的！沒有20世紀初基礎物理科學的發(fā)展，21世紀的科技應用和開發(fā)也無法迅速發(fā)展，那么，發(fā)展好當代物理理論研究應該對今后的技術(shù)發(fā)展產(chǎn)生深遠影響。

參 考 文 獻

[1] ASSCHE G V.Quantum Cryptography and Secret-key Distillation[M].New York：Cambridge University Press，2006.

篇6

材料的計算模擬方法介紹

材料的計算模擬研究是近年來飛速發(fā)展的一門新興學科和交叉學科．它綜合凝聚態(tài)物理學、理論化學、材料物理學和計算機算法等多個相關(guān)學科．它的目的是利用現(xiàn)代高速計算機，模擬材料的各種物理化學性質(zhì)，深入理解材料從微觀到宏觀多個尺度的各類現(xiàn)象與性能，并對材料的結(jié)構(gòu)和物性進行理論預言，從而達到設計和開發(fā)新材料的目的．材料的多尺度計算模擬方法主要有以下幾種:

(1)第一性原理計算方法(First－principlesMethods)基于密度泛函理論的第一性原理計算方法是目前研究微觀電子結(jié)構(gòu)最主要的理論方法．第一性原理計算方法只用到普朗克常數(shù)(h)，玻爾茲曼常數(shù)(kB)，光速(c)，電子靜態(tài)質(zhì)量(m0)和電子電荷電量(e)這5個基本物理變量和研究體系的基本結(jié)構(gòu)．從量子力學出發(fā)，通過數(shù)值求解薛定諤方程，計算材料的物理性質(zhì)．在密度泛函理論，局域密度近似(LDA)和廣義梯度近似(GGA)框架下的計算已廣泛應用于第一性原理的電子結(jié)構(gòu)研究中，并已經(jīng)取得很大的成功．結(jié)合一些能帶結(jié)構(gòu)計算的方法，對于半導體和一些金屬基態(tài)性質(zhì)，如晶格常數(shù)，晶體結(jié)合能，晶體力學性質(zhì)都能夠給出與實驗符合得很好的結(jié)果，同時能夠比較精確地描述很多體系的電子結(jié)構(gòu)(如能帶結(jié)構(gòu)、電子態(tài)密度、電荷密度、差分電荷密度和鍵布局等)、光學性質(zhì)(介電函數(shù)、復折射率、光吸收系數(shù)、反射光譜及光電導等)和磁性質(zhì)，從微觀理論角度分析和揭示材料物理性質(zhì)的起源，使實驗者主動對材料進行結(jié)構(gòu)和功能的控制，以便按照需求制備新材料．

(2)分子動力學方法(MolecularDynamicsMethods)分子動力學是一種確定性方法，是按照該體系內(nèi)部的內(nèi)稟動力學規(guī)律來確定位形的轉(zhuǎn)變，跟蹤系統(tǒng)中每個粒子的個體運動，然后根據(jù)統(tǒng)計物理規(guī)律，給出微觀量(分子的坐標、速度)與宏觀可觀測量(壓力、溫度、比熱容、彈性模量等)的關(guān)系來研究材料性能的一種方法[5]．分子動力學方法首先需要建立系統(tǒng)內(nèi)一組分子的運動方程，通過求解所有分子的運動方程，來研究該體系與微觀量相關(guān)的基本過程．對于這種多體問題的嚴格求解，需要建立并求解體系的薛定諤方程．根據(jù)波恩－奧本海默近似，將電子的運動與原子核的運動分開來處理，電子的運動利用量子力學的方法處理，而原子核的運動則使用經(jīng)典動力學方法處理．此時原子核的運動滿足經(jīng)典力學規(guī)律，用牛頓定律來描述，這對于大多數(shù)材料來說是一個很好的近似．只有處理一些較輕的原子和分子的平動、轉(zhuǎn)動或振動頻率γ滿足hγ＞kBT時，才需要考慮量子效應．

(3)蒙特卡洛方法(MonteCarloMethods)蒙特卡洛方法是在簡單的理論準則基礎上(如簡單的物質(zhì)與物質(zhì)或者物質(zhì)與環(huán)境相互作用)，采用反復隨機抽樣的手段，解決復雜系統(tǒng)的問題．該方法采用隨機抽樣的手法，可以模擬對象的概率與統(tǒng)計的問題．通過設計適當?shù)母怕誓Ｐ?，該方法還可以解決確定性問題，如定積分等．隨著計算機的迅速發(fā)展，蒙特卡洛方法已在材料、固體物理、應用物理、化學等領域得到廣泛的應用[6]．蒙特卡洛方法可以通過隨機抽樣的方法模擬材料構(gòu)成基本粒子原子和分子的狀態(tài)，省去量子力學和分子動力學的復雜計算，可以模擬很大的體系．結(jié)合統(tǒng)計物理的方法，蒙特卡洛方法能夠建立基本粒子的狀態(tài)與材料宏觀性能的關(guān)系，是研究材料性能及其影響因素的本質(zhì)的重要手段．

材料專業(yè)引入計算模擬教學的探索

材料計算的目的在于理解和發(fā)現(xiàn)新的材料性能及其物理本質(zhì)．計算已經(jīng)與實驗和形式理論一樣成為材料研究的3大支柱之一．為學生將來能夠有更高的起點研究材料科學，適應新形勢下材料研究方法，培養(yǎng)具有寬廣材料科學基礎，掌握材料現(xiàn)代研究手段的“寬口徑、厚基礎、強能力、高素質(zhì)”的材料科學專業(yè)人才．我們在本科教學階段就應該有計劃的引入和加強計算模擬方法的教學．采用的教學形式可以結(jié)合實際情況，靈活的應用．近年來我們采取的教學方式主要有以下3種方式:(1)開設計算材料學類課程在2006年物理與電子信息學院材料物理與化學專業(yè)培養(yǎng)方案中已經(jīng)確定《計算機在材料科學中的應用》和《計算物理》課程為專業(yè)選修課程，學時分別為36學時和54學時．《計算機在材料科學中的應用》課程偏重實踐教學，通過上機操作學習計算軟件的基本原理和使用方法．主要教學內(nèi)容包括:材料學的發(fā)展現(xiàn)狀及計算機在材料科學與工程中的應用;材料科學研究中的數(shù)學模型;材料科學研究中常用的數(shù)值分析方法;材料科學研究中主要物理場的數(shù)值模擬;材料科學與行為工藝的計算機模擬;材料數(shù)據(jù)庫和新材料、新合金的設計;材料加工過程的計算機控制;計算機在材料檢測中的應用;材料研究科學中的數(shù)據(jù)和圖像處理;互聯(lián)網(wǎng)在材料科學研究中的應用等9部分內(nèi)容，基本涵蓋當今計算機技術(shù)在材料科學研究中應用的各個方面．《計算物理》課程則以理論教學為主，偏重物理基本原理的介紹．主要教學內(nèi)容包括:計算物理學發(fā)展的最新狀況;蒙特卡洛方法及其若干應用;有限差分方法;分子動力學方法;密度泛函理論;計算機代數(shù);高性能計算和并行算法等8部分內(nèi)容．計算材料類課程的開設注重理論和實踐并重的原則，在講解基本原理的同時加強學生動手上機實踐能力的培養(yǎng)，因此，經(jīng)過課程的學習，學生已經(jīng)初步具備利用計算機進行材料模擬的能力．部分選修計算材料類課程的同學在學習中對計算模擬產(chǎn)生了極大的興趣，在大四時選擇材料計算相關(guān)課題作為本科畢業(yè)論文選題．例如，08屆學生的畢業(yè)論文《ZnS摻雜Cu光學性質(zhì)的第一性原理研究》和《布朗運動的蒙特卡洛模擬》，09屆學生的畢業(yè)論文《ZnO電子結(jié)構(gòu)和光學性質(zhì)的研究》，11屆學生的畢業(yè)論文《晶格熱容的理論計算》和《簡立方晶體結(jié)構(gòu)能量分布的理論模擬》等均為材料計算和模擬相關(guān)課題，并且有多人的畢業(yè)論文被評為優(yōu)秀畢業(yè)論文．個別優(yōu)秀的學生讀研后繼續(xù)從事材料的計算模擬相關(guān)研究．通過幾年的教學實踐，計算材料相關(guān)課程的開設對于擴大學生的知識面，提高學生的理論分析能力有極大地幫助．(2)在材料相關(guān)的理論課程中加入計算模擬方法介紹雖然已經(jīng)在材料專業(yè)開設《計算機在材料科學中的應用》和《計算物理》等材料計算相關(guān)的課程，但這兩門課均為專業(yè)選修課，只有選修相關(guān)課程的學生才能得到相應的計算模擬培訓，受眾面還比較窄．因此，為使更多的學生了解到材料模擬計算的相關(guān)理論和知識，在材料專業(yè)主干課的教學中也適時地加入相關(guān)的計算模擬方法的介紹，從而擴大計算模擬知識的普及面．例如，在《固體物理》課程中，當講解到能帶理論一章時，我們會在本章結(jié)束時，加入一次課，著重介紹基于第一性原理的平面波贗勢計算方法計算材料的能帶結(jié)構(gòu)、電子態(tài)密度等以及第一性原理計算的常用軟件(CASTEP、VASP等)．一方面，對學生學習的理論知識加以直觀化和適度的擴展，另一方面也進一步普及第一性原理計算的相關(guān)知識．在《材料科學基礎》教學中講解到相平衡與相圖一章時，我們會在本章內(nèi)容結(jié)束后介紹相圖計算近年來的發(fā)展現(xiàn)狀，包括CALPHAD(CalculationofPhaseDiagram)計算方法、熱力學與動力學的結(jié)合、第一性原理與相圖計算方法的結(jié)合，并簡要介紹今后相圖計算可能的發(fā)展方向[7]．在晶體缺陷內(nèi)容的教學中，穿插介紹利用分子動力學計算面心立方金屬空位和間隙原子點缺陷的形成能的方法．通過在課程教學中穿插入計算模擬方法的介紹，一方面也加深了學生對所學內(nèi)容的理解，另一方面開闊了學生的眼界．(3)舉辦計算模擬相關(guān)的學術(shù)講座．自從2009年以來，物理與電子信息學院從事計算模擬研究的教師每學期都結(jié)合自身的科研情況舉辦面向全院學生的學術(shù)講座．例如在2011至2012學年第二學期，我們舉辦兩場學術(shù)講座，分別是《氧化鋅晶體及其摻雜的第一性原理研究》以及《可見光響應半導體光催化材料的結(jié)構(gòu)和能帶設計》，教師在講座中介紹自己的科研情況，同時也使學生了解到如何把學到的計算模擬知識應用到科研實踐中去，讓學生體會到如何利用計算模擬預測材料的物理性質(zhì)以及指導材料設計的研究方式，提高學生自覺學習計算模擬方法的積極性．

結(jié)束語

篇7

【關(guān)鍵詞】后現(xiàn)代科學/現(xiàn)代科學范式/后現(xiàn)代知識

【正文】

近年以來，后現(xiàn)代主義沸沸揚揚，“后現(xiàn)代科學”也成為一個時髦的名詞。似有“忽如一夜春風來”，后現(xiàn)代科學也如“梨花”盛開。問題是，后現(xiàn)代科學真能如此“盛開”嗎？本文首先考察現(xiàn)代科學具有什么樣的范式；其次，考察后現(xiàn)代科學有什么樣的特征，它的依據(jù)是什么，這些依據(jù)是否使現(xiàn)代科學范式漸趨式微？科學還要“返魅”嗎？如若不然，后現(xiàn)代科學又是在何種意義上有其價值？

1現(xiàn)代科學范式

1.1自近代以來，科學與哲學發(fā)生分離，科學與宗教神學發(fā)生決裂。經(jīng)過以伽利略、牛頓為代表的第一次科學革命和以能量守恒與轉(zhuǎn)化定律、電磁學理論為標志的第二次科學革命，到19世紀末，確立了近代科學的基本范式。與兩次科學革命相對應，發(fā)生了兩次工業(yè)革命，推動了科學制度、經(jīng)濟制度和社會制度的創(chuàng)新，到19世紀末，歐洲、北美基本上實現(xiàn)了現(xiàn)代化，它們?yōu)槭澜绮话l(fā)達國家展示出嶄新的未來前景。

正是在這樣一種氛圍中，值19—20世紀之交的時刻，許多著名科學家認為經(jīng)典物理學的大廈業(yè)已建立，只需對大廈作一些修補工作，晴朗的天空僅有兩朵烏云，殊不知，這兩朵烏云卻引發(fā)了20世紀初相對論、量子力學的誕生。在世紀之交早就為科學家彭加勒注意到的初始條件的敏感性，也引發(fā)了60—80年代的混沌學的誕生。相對論、量子力學和混沌學是同一水平的革命，同屬于第三次科學革命，它們從三個方面給牛頓力學施加了限制。如一位物理學家說：相對論排除了絕對空間和時間的牛頓幻覺；量子論排除了對可控測量過程的牛頓迷夢；混沌則排除了拉普拉斯決定論的可預見性的狂想?！?〕可見，第三次科學革命否定了機械自然觀。但是，第三次科學革命并沒有摧毀由第一、二次科學革命確立的科學范式，而且，它們共同構(gòu)建了現(xiàn)代科學范式。

需要指出的是，在我國一般把20世紀之前的科學稱為近代科學，20世紀之后的科學稱之為現(xiàn)代科學。但是，在西方，則通稱為現(xiàn)代科學。西方?jīng)]有近、現(xiàn)代之分，只有現(xiàn)代（modern）一詞。正如現(xiàn)代化研究專家羅榮渠指出：“在英文里（法文、西班牙文、德文、俄文等也同樣），‘現(xiàn)代’一詞至少有兩層含義：一層是作為時間尺度，它泛指從中世紀結(jié)束以來一直延續(xù)到今天的一個‘長過程’；一層是作為價值尺度，它指區(qū)別于中世紀的新時代精神與特征”。〔2〕

1.2我們首先看一下“范式”這一概念。范式（paradigm）是由科學哲學家?guī)於鳎═.Kuhn）在《科學革命的結(jié)構(gòu)》一書提出來的。庫恩沒有給范式下一個明確的定義，解釋不一。大體上是指科學共同體成員共有的研究傳統(tǒng)、理論框架、理論上和方法上的信念、科學的模型和具體運用的范例等，還包括指導和聯(lián)系理論體系與心理認識的自然觀或世界觀，后來他又稱之為專業(yè)基質(zhì)（disciplinarymatrix）。在庫恩看來：“‘范式’一詞，無論實際上還是邏輯上都很接近于科學共同體這個詞；反過來說，也正是由于他們掌握了共有的范式才組成了這個科學共同體”?！?〕“科學共同體”指的是在科學發(fā)展的某一歷史時期該學科領域中持有共同的基本觀點、基本理論和基本方法的科學家集團。大體講，庫恩所指的“范式”包含兩方面的涵義：（1）從心理上講，它是指科學共同體所共有的信念；（2）從理論與方法上講，它是指科學共同體所共同具有的模型或框架?？茖W共同體還可分為許多級。全體自然科學家成為一個最大的科學共同體。

1.3我們認為，現(xiàn)代科學范式由以下部分組成：（1）近、現(xiàn)代自然科學家所共同擁有的信念（如科學目標、科學的社會規(guī)范、自然觀等）；（2）建構(gòu)科學理論所必須遵從的規(guī)范和方法論原則；（3）還包括科學與技術(shù)、經(jīng)濟、社會、文化、宗教神學等的關(guān)系規(guī)范。大體講，現(xiàn)代科學范式的具體內(nèi)容主要有：

1.3.1關(guān)于科學的目標。到18—19世紀，人們普遍形成了無誤論的觀點，即認為科學是由真命題構(gòu)成的系統(tǒng)?？茖W無誤論認為科學目標是追求真知識，即絕對確定的可證明的知識。到20世紀，邏輯實證主義認為，科學是具有一定預言值的命題系統(tǒng)，科學的目標旨在追求高概率的理論（命題）。波普爾則認為科學的目標旨在提高理論的逼真度，追求逼真度更大的理論。而在者看來，科學目標是與真理問題相聯(lián)系的?？茖W是一項理性的事業(yè)，其目標是科學真理，而且科學真理是相對真理與絕對真理的統(tǒng)一?？茖W的目標是不斷向絕對真理逼近。

1.3.2關(guān)于建構(gòu)科學理論所必須遵從的規(guī)范或原則。這一規(guī)范凸顯了科學理論與其它理論（或知識）相區(qū)別的根本性特征。就科學理論所遵從的規(guī)范而言，大致有預設主義和相對主義兩類觀點。預設主義是合理性的傳統(tǒng)模式，它以邏輯推理作為合理性的形式，其次以經(jīng)驗檢驗作為合理性的最終標準。譬如，邏輯經(jīng)驗主義認為，理論的評價或選擇與這個理論的形式結(jié)構(gòu)和它引出的經(jīng)驗證據(jù)有關(guān)。相對主義認為預設主義觀點極為片面。歷史主義者庫恩就說，邏輯形式與觀察實驗不能決定相對立的理論或范式，因為范式各方面的支持者都有一套彼此相異的評判標準。

盡管預設主義與相對主義相對立，但是或多或少可以接受的共同評價規(guī)范還是有的。至少，狹義地講，科學是一個陳述系統(tǒng)，該系統(tǒng)滿足一些基本規(guī)范。這些規(guī)范構(gòu)建了科學不同于其它人類知識的典型特征，可以稱之為建構(gòu)科學理論體系的基本原則。這些原則具體包括：內(nèi)在一致性（理論的邏輯無矛盾），可檢驗性（經(jīng)驗實證性），解釋性（預見性，特別是能預見新的不同類的科學事實），邏輯簡單性等。這些原則實際上反映了科學理性的基本內(nèi)核。

1.3.3關(guān)于構(gòu)建科學理論的方法論原則。為什么要選擇這樣一種方法或規(guī)則，而不選擇別的？這關(guān)涉到科學方法的根據(jù)。預設主義堅持方法論的一元論，認為科學方法論作為科學的邏輯是一套對科學進行邏輯分析的元科學，它給出一切理論都應具有的永恒不變的公理結(jié)構(gòu)，即注重邏輯形式而不關(guān)注內(nèi)容。與此相反，相對主義堅持方法論的多元論。歷史主義認為，重要的不是科學形式，而是科學的內(nèi)容，其原因在于科學的一切隨社會文化條件而轉(zhuǎn)移。我們認為，科學方法論應當在一元與多元、變與不變之間保持適當?shù)膹埩?。雖然科學方法隨科學的發(fā)展而變化，但是一些基本的科學方法卻沒有多大的變化，只是在科學發(fā)展的不同時期凸現(xiàn)了不同的科學方法?？茖W愈向高級階段發(fā)展，其抽象性愈高，假設一演繹法愈受到重視。

1.3.4關(guān)于科學的社會規(guī)范。科學的社會規(guī)范支配著所有從事科學活動的人，同時成為科學活動的行為規(guī)范。倘若沒有這些規(guī)范，就無法產(chǎn)生重要的科學問題，無法評價科學活動的成果，獎勵卓有成效的科學家?？茖W的社會規(guī)范主要有：普遍性、競爭性、公有性、誠實性和合理的懷疑性。科學的社會規(guī)范被默頓（R·Merton）稱之為科學的精神氣質(zhì)。他指出：“科學的精神氣質(zhì)是有感情情調(diào)的一套約束科學家的價值和規(guī)范的綜合。這些規(guī)范用命令、禁止、偏愛、贊同的形式來表示。它們借助于習俗的價值而獲得其合法地位。這些通過格言和例證來傳達、通過法令而增強的規(guī)則在不同程度上被科學家內(nèi)在化了，于是形成了他的科學良心”?！?〕科學的社會規(guī)范構(gòu)成了科學區(qū)別于人類其它活動的基本特征。

1.3.5關(guān)于科學與宗教神學之間的關(guān)系。盡管科學與宗教神學之間的關(guān)系較為復雜，但是科學體系與上帝、神毫無關(guān)系?，F(xiàn)代科學是與“自然的祛魅”（disenchantment）相聯(lián)系的。所謂“自然的祛魅”，按后現(xiàn)代主義者格里芬（D·R·Griffin）的說法，“它意味著否認自然具有任何的主體性、經(jīng)驗和感覺”。〔5〕雖然人類文明初期的許多知識被宗教神學家篡改，為其神學目的服務，但是，具體的宗教教義是和相關(guān)科學的結(jié)論或原理相沖突的。羅素指出：“神學與科學的沖突，也就是權(quán)威與觀察的沖突”?！?〕科學與宗教的本質(zhì)區(qū)別在于科學的實證性與宗教的信仰性，二者是難以簡單調(diào)和的。

1.3.6關(guān)于科學與政府之間的關(guān)系。自近代科學以來，科學與政府的關(guān)系日趨緊密。特別是20世紀以來，科學已向人類社會的各個領域全面滲透，知識經(jīng)濟的來臨，科學技術(shù)成為第一生產(chǎn)力，科學與政府權(quán)力日益整合?？茖W的問題在很大程度上已是一個政府的問題。沒有政府的贊助，科學難以發(fā)展。政府的不正當要求也會使科學迷失方向，甚至墮落。因此，科學的合法發(fā)展要由合法性的政府來規(guī)范。但是，當代合法的政府卻存在合法性危機（如政治危機、經(jīng)濟危機和文化危機等等），為此，需要各國政府和國際社會一道制定合理的規(guī)范制約政府的行為，保證科學的合理合法的發(fā)展，保證科學指向人類進步的向度。

以上我們僅論及了現(xiàn)代科學規(guī)范的幾個主要方面，其中1.3.1、1.3.2、1.3.3三節(jié)構(gòu)成了科學的內(nèi)在規(guī)范，1.3.4、1.3.5、1.3.6三節(jié)構(gòu)成了科學的外在規(guī)范。內(nèi)在規(guī)范中1.3.2，即“建構(gòu)科學理論所必須遵從的規(guī)范或原則”凸顯了科學理論與其它人文知識的本質(zhì)區(qū)別，界定了科學理論的本質(zhì)規(guī)定性，換言之，它是現(xiàn)代科學范式的核心，是硬核，難以改變。科學的內(nèi)在規(guī)范是科學范式的主要方面，對科學的發(fā)展起決定性作用；外在規(guī)范是次要方面，非本質(zhì)的。但是，在一定條件下，外在規(guī)范也可能對科學的發(fā)展起決定性作用。

2后現(xiàn)代科學可以成立嗎？

2.1西方發(fā)達資本主義國家自50年代向后工業(yè)社會過渡，60年代出現(xiàn)了后現(xiàn)代主義思潮。90年代在我國，后現(xiàn)代主義也大行其道。當代主要后現(xiàn)代主義哲學家的理論各有特點，雖有沖突，但是，他們主要從哲學層面出發(fā)，其共同點體現(xiàn)在：反對（否定、超越）傳統(tǒng)形而上學、體系哲學、心物二元論、基礎主義、本質(zhì)主義、理性主義、人類中心主義、一元論和決定論等，可稱為否定性或解構(gòu)性的后現(xiàn)代主義。與此相反，格里芬等人則從人與世界、人與自然的關(guān)系問題，在很大程度上是從科學的層面出發(fā)，探討更為廣泛的問題，倡導建設性的后現(xiàn)代主義，主張人與世界、物質(zhì)與意識、價值與事實、真與善與美的統(tǒng)一，主張科學應當“返魅”（reenchantment）。這些觀點較為集中地反映在由格里芬主編的《后現(xiàn)代科學—科學魅力的再現(xiàn)》一書中。參加此書撰寫的學者既有科學家，也有從事神學、靈學研究的學者。其中包括著名物理學家大衛(wèi)·玻姆（DavidBohm）。凡了解量子力學的讀者一定會知道玻姆，他的思想極為深刻。比如，在著名物理學家愛因斯坦與玻爾關(guān)于量子力學是否完備的論戰(zhàn)中，愛因斯坦等人于1937年提出了一個關(guān)于坐標與動量關(guān)聯(lián)的理想的EPR實驗來反駁玻爾。50年代玻姆則從自旋的三個分量著手提出了具有可操作性的自旋EPR實驗方案。目前EPR的檢驗仍然是物理學的前沿之一，直接涉及到量子力學是否完備這一重大問題。（參見吳國林《從微觀物質(zhì)開放性角度審視ERP佯謬》，《科學技術(shù)與辯證法》，1997年第1期）。

2.2近年來后現(xiàn)代主義之所以能夠迅速傳播，就在于人們對現(xiàn)代性愈來愈不滿足。譬如，當代有人口問題、資源問題、環(huán)境問題、兩次世界大戰(zhàn)帶來的巨大災難等等。就中國而言，自1978年改革開放以來，一方面，經(jīng)濟高速增長，經(jīng)濟“軟著陸”成功；另一方面，中國的生態(tài)環(huán)境迅速惡化。隨著計劃經(jīng)濟向市場經(jīng)濟轉(zhuǎn)變，人們的思想觀念也發(fā)生了相當大的變化。對外開放使外域之風也迅速吹向國內(nèi)。總之，種種因素使后現(xiàn)代主義在我國迅速傳播，這也表明了國人對我國正在進行的現(xiàn)代化運動的急切關(guān)注和深思。

無疑，外域之風并非都是清新馨香的，保持謹慎的批判態(tài)度是必要的，只有如此，我們才能更好地建設我國的現(xiàn)代化與信息化。實際上，許多西方學者早就注意到，晚期資本主義文化領域完全滲透了資本和資本的邏輯，滲透了商品的邏輯，而且，晚期資本主義文化正向全球蔓延，對于經(jīng)濟落后的第三世界國家極為不利。西方者杰姆遜（F·Jameson）就指出：“中國讀者也應該抵制后現(xiàn)代社會的某些特征，其實也就是晚期（資本主義），但同樣是徹頭徹尾的資本主義文化邏輯的一部分，這些特征從內(nèi)容到形式完全溶入到商品生產(chǎn)和消費中，盡管具有新的類型”。〔7〕

2.3在當代，科學或知識或信息的作用日益凸顯。80年代經(jīng)濟學家羅默（P·Romer）、盧卡斯（R·Lucas）等人提出了新經(jīng)濟增長理論，知識成為內(nèi)生變量，知識內(nèi)在地推動經(jīng)濟發(fā)展。1996年經(jīng)合組織第一次明確提出了知識經(jīng)濟是以知識為基礎的經(jīng)濟，人類將步入一個以知識資源的占有、配置、生產(chǎn)、分配和消費為最重要因素的經(jīng)濟時代。我國業(yè)已制定的《技術(shù)創(chuàng)新工程》、《211工程》，《知識創(chuàng)新工程》正處于試點階段。無疑，推動經(jīng)濟增長最重要的知識是科學知識，其根源是科學。所謂科學，就是系統(tǒng)化的知識；反過來，知識則不一定是系統(tǒng)化的。知識包括人文知識與科學知識。一般所指的科學，是指自然科學。自然科學具有實證性。科學與知識的區(qū)別在于，科學是系統(tǒng)化的實證性的知識，而且如前所述現(xiàn)代科學已形成了自身的范式，這一范式也沒有因為后現(xiàn)代主義思潮發(fā)生突變。

2.4雖然，早在19世紀之前就發(fā)生過反現(xiàn)代運動，如始于19世紀初的浪漫主義者和盧德派的反現(xiàn)代運動。1755年盧梭在其專著《論人類不平等的起源和基礎》一書中對科學和藝術(shù)，進而對整個人類的文明進步，都持否定態(tài)度。本世紀法蘭克福學派也對科學技術(shù)進行過批判。他們把科學技術(shù)看作新的意識形態(tài)，認為科學技術(shù)具有壓抑人、統(tǒng)治人的功能。馬爾庫塞主張要徹底否定科學技術(shù)成果。但是，當前后現(xiàn)代主義的反現(xiàn)代情緒比以往任何時候都要普遍和強烈。如果說后現(xiàn)代主義可以概括為格里芬所言：“它指的是一種廣泛的情緒而不是任何共同的教條——即一種認為人類可以而且必須超越現(xiàn)代的情緒”。“后現(xiàn)代世界是一種新的科學、一種新的精神和一種新的社會”?！?〕那么，具有嚴格規(guī)范要求的“科學”如何可能與后現(xiàn)代主義“情緒”相調(diào)適呢？

2.4.1在格里芬等人看來，后現(xiàn)代科學應當有什么特征呢？他們反對科學必然和一種“祛魅”的世界觀相聯(lián)盟，其中沒有宗教意義和道德價值，即頑固的自然主義。主張靈活的自然主義，即認為“自由、價值的客觀實在性，神在世界中作用（通過它的作用，價值才得以在我們生活中產(chǎn)生影響）、生態(tài)倫理以及對泛心理學，如超感觀視覺、心靈感應以及中國氣功師的外氣發(fā)放等問題的研究，甚至死后生命問題等等，都占有一席之地”。〔9〕一言以蔽之，后現(xiàn)代科學的特征大致可概括為：整體論和有機論。

2.4.2在格里芬看來，后現(xiàn)代科學背離了與現(xiàn)代科學密切相關(guān)的機械論和還原論的世界觀，根源于科學本身實質(zhì)性的進展。的確，玻姆發(fā)展了一種隱變量的量子理論，提出了一個包含環(huán)境信息的量子勢概念，由此他認為：“世界不能真正分解成彼此分離的部分，而必須把它看成一個不可分的統(tǒng)一體，其分離部分的出現(xiàn)，只是作為一種僅僅在經(jīng)典極限下才有效的近似”?！皬牧孔映叨瓤?，宇宙是一個不可分的整體，它不能真正看成是由彼此分離的獨立部分構(gòu)成的。”〔10〕從物理上講，這是正確的。后來，他又提出了顯序和隱序概念，他認為，整體包含于每一部分之中，部分被展開成為整體。無疑，這已是物理哲學的概括了。在玻姆看來，“后現(xiàn)代物理學，廣而言之，后現(xiàn)代科學”，“不應將物質(zhì)與意識割裂開來，因而也不應將事實、意義及價值割裂開來”?！?1〕這只能是更有哲學意味了。誠然，近代科學以機械論、還原論為特征，現(xiàn)代科學以整體論為特征。且不說，在西文意義上，近代科學與現(xiàn)代科學是同一概念，僅以科學史來看，是先有科學實驗、科學發(fā)現(xiàn)、科學理論，后有科學世界觀。換言之，還原論、整體論都是從近現(xiàn)代科學中抽象出來的，它只能看作科學理論的次級意義或社會意義。事實上，還原論、整體論也只能算作科學的外在規(guī)范，是非本質(zhì)的，并不能構(gòu)成對科學內(nèi)在規(guī)范（核心）的重大沖擊。而且整體論也不是拋棄還原論的整體論，而是建立在還原論基礎上的整體論。當代科學發(fā)展的客觀事實是，實踐中的科學家在某種意義上都是還原論者，進行還原嘗試的方法仍然極富成果?！?2〕

2.4.3后現(xiàn)代的有機論認為，所有原初的個體都是有機體，都具有哪怕是些許的目的因。原初的有機體可以被組織成兩種形式：（1）一個是復合的個體，它產(chǎn)生于一個無所不包的主體，（2）一個是非個體化的客體，它不存在統(tǒng)一的主體性。動物屬第一類。石頭屬第二類。后現(xiàn)代的有機論認為，不存在什么本體論的二元論，但存在著一種組織的二元論?！?3〕我們認為這一觀點是站不住腳的。按后現(xiàn)代的有機論看來，宇宙的原初總應當看作一個有機體吧！總應包含些許的目的因吧！但是，描述宇宙原初的物質(zhì)狀態(tài)，是用宇宙波函數(shù)表達的。宇宙波函數(shù)僅有引力場和物質(zhì)場。當代著名的理論物理學家、宇宙學家霍金（S·W·Hawking）發(fā)展的“無邊界”量子宇宙學已粗略地給出了宇宙的創(chuàng)生與演化過程。實質(zhì)上，它否定了任何目的論、否定了上帝或神秘力量的存在。正如卡爾·薩根在為霍金的名著《時間史之謎》一書中所做的“導言”中指出：“這還是一本關(guān)于上帝……或許關(guān)于上帝不存在的書”?！罢缁艚鹈鞔_指出的，他試圖理解上帝的思想。這使他的努力所得的結(jié)論越加出人意料之外，至少到目前為止是如此：一個沒有空間邊緣、沒有時間起點或終點，以及沒有上帝可做事情的宇宙”。〔14〕

2.4.4克里普納（S·Krippner）在《靈學與后現(xiàn)代科學》一文中說：“不僅量子論指出無法區(qū)分一個‘觀察者’和一個‘被觀察者’，而且它還可以通過將意識完全并入科學研究的主流中來而得到解釋”。雖然在量子力學的觀察者與被觀察者關(guān)系上有許多爭論，但是，觀察者也沒有將自己的意識并入量子過程中。事實上，觀察者是宏觀物體，量子過程是微觀過程，兩者之間有本質(zhì)區(qū)別。量子現(xiàn)象是微觀客體與宏觀外界共同作用的結(jié)果。物理學家玻姆曾明確指出：“我不認為精神對原子有重要的效應，至少人類精神對原子沒有影響”。〔15〕與玻姆長期合作的海利（B·Hiley）教授認為：“我不明白為何在現(xiàn)階段需要把精神引入到物理學中來”?，F(xiàn)在用量子勢來表達，就不會陷入量子理論的多宇宙解釋所造成的精神介入困境?！?6〕

2.4.5格里芬認為，自然的祛魅的一個深刻而主要的特征是否認“遠距離作用”。韋伯在形容祛魅一詞時，含有“驅(qū)除魅力”的含義。機械論的中心內(nèi)容就是否定自然事物有任何吸引其它事物的隱匿（神秘）的力量?！?7〕事實上，從已有的關(guān)于EPR實驗的結(jié)果來看，絕大多數(shù)支持量子力學是完備的，這也意味著量子力學中波函數(shù)之間的聯(lián)系是瞬時的，也即是遠距離作用；玻姆倡導的非定域的量子勢概念也是遠距離作用的?？梢?，從物理上講，微觀客體可以存在“遠距作用”，盡管現(xiàn)代物理學（如粒子物理學）仍然建立在近距作用基礎上?？茖W的一個基本原則是用自然說明自然，否認任何神秘作用。由EPR實驗所表征的“遠距作用”與靈學中的超心理現(xiàn)象、心靈致動、“中國大氣功師”所宣稱的“他心通”、“遙視”等“特異功能”的“遠距作用”具有本質(zhì)區(qū)別?？茖W堅持重復檢驗原則，一個科學事實是可以在相同的實驗條件和實驗程式下重復出現(xiàn)，至少存在相當高的概率。一個事實不能得到較高概率或重復出現(xiàn)就不能被證認為科學事實?！?8〕靈學中宣稱的心靈感應、氣功中的“特異功能”幾乎沒有在科學的嚴格規(guī)范下重復出現(xiàn)，“大師”們也沒有顯出比常人有更大的本領。然而靈學家、大氣功師們卻把結(jié)果的不可重復歸因于：心不誠則不靈，有人干擾氣場，沒有進入氣功狀態(tài)等，無疑這是遁詞?？梢姡茖W不是簡單肯定或否定遠距作用，科學必須建立在具有可重復性檢驗的科學事實上。不可重復的事實，其真?zhèn)涡詿o法判定，由此彰顯了科學與靈學的區(qū)別。

2.5如果說后現(xiàn)代科學是可能的，那么后現(xiàn)代科學的范式是什么呢？格里芬在《論心與分子：心身相關(guān)宇宙中的后現(xiàn)代醫(yī)學》一文中有所表達。在他看來，二元論和唯物論是17世紀以來統(tǒng)治現(xiàn)代社會的兩種范式，可具體歸納為：客觀論、現(xiàn)象論、移動論、機械決定論、還原論和感覺論，這樣一來，世界的基本構(gòu)成要素是“空洞的實在”，全然不存在內(nèi)在的實在、感知或經(jīng)驗、主觀性、目的以及一切的內(nèi)在的生成。但是，這種論點是可疑的。由此，格里芬提出了后現(xiàn)代范式的依據(jù)——泛經(jīng)驗論，用以表述后現(xiàn)代科學的基本性格和方向。

2.5.1格里芬的泛經(jīng)驗論建立在懷特海和哈茨霍恩哲學的基礎之上，是一種后現(xiàn)代的有機選擇論。泛經(jīng)驗論的具體要點可概括為：（1）每一實際存在都是一個實際活動，亦被稱為一個經(jīng)驗活動。（2）自為的經(jīng)驗是一個作為主體的事件。事件作為主體，它被涉入一個簡短的生成過程中。作為主體的經(jīng)驗活動將感受（肉體性）與自決（精神性）結(jié)合在一起。（3）一個客體就是一個原本實質(zhì)上的主體事件，主體與客體的不同僅表現(xiàn)在時間上。（4）“心”與“分子”是一系列先主體后客體的事件。它們之間的差異只是程度上的差異，而不是是否具有經(jīng)驗這種絕對的差異。（5）每一種永恒的事物都是一個由一系列迅速發(fā)生的事件所組成的時間上的“群集”。事件是最基本的個體。一個事件的“運動”不是移動，而是內(nèi)部生成。（6）內(nèi)部生成是第一性的，移動是派生的。（7）每一新的經(jīng)驗都是產(chǎn)生于許多經(jīng)驗之上的集合體。合眾為一是經(jīng)驗的終極實質(zhì)。實際上，它就是宇宙的終極原因。（8）實在是完完全全群集的，不存在只保持其本來面目的永恒的實在，存在的僅是事件和事件的群集。（9）每一層次的個體都是有機體的一個層次。心理學和生物學研究較高層次的有機體。人類是具有等級結(jié)構(gòu)的有機體：是有機體的有機體的有機體?！?9〕據(jù)此，格里芬斷言，心會受到身體內(nèi)一切活動的影響，同時，身體內(nèi)的一切活動也會受到心的影響——這是與現(xiàn)代范式截然不同的看法。

2.5.2不難看出，泛經(jīng)驗論是有一定啟發(fā)意義的，是一種后現(xiàn)代性質(zhì)的本體論。正如格里芬自己承認：“當然，泛經(jīng)驗論是有一種未被證實的假設”。但是他又認為：“低級存在不具有任何形式的經(jīng)驗的觀點亦未被證實。驗證每一假設的途徑只能是考察這一假設所導致的結(jié)論”?！?0〕中國幾千年的氣功實踐，無疑證明了心和身是相關(guān)的，但是，要把人類具有的經(jīng)驗內(nèi)涵泛化到分子也具有經(jīng)驗，顯然是外延太大了。不僅在邏輯上是不成立的，而且在科學實踐中也沒有被證實。我們知道，一個科學理論除了滿足邏輯一致、經(jīng)驗實證性和解釋性之外，還有一個重要的標志：科學理論必須能夠預見新的不同類的科學事實，而且愈多愈好。比如，愛因斯坦的廣義相對論，首先預言了光線彎曲，這與“光線為直線”的日常經(jīng)驗不一致，是一類新的經(jīng)驗。后來，廣義相對論還預見了雷達回波延遲、黑洞等新的物理現(xiàn)象。那么，泛經(jīng)驗論的推論又預見了什么新的事實呢？用泛經(jīng)驗論可以解釋醫(yī)學中業(yè)已存在的心身相關(guān)問題，并沒有什么特別之處，它能否在物理、化學等無生命物質(zhì)世界邏輯地預見一個新的事實呢？顯然，目前沒有這樣的事例。我相信，今后也不會出現(xiàn)。因此，泛經(jīng)驗論也只能是一種哲學思辨式的無根的假設，而不是一個具有可檢驗性的科學假設。可見，企圖建立于泛經(jīng)驗論這一基礎之上的后現(xiàn)代科學，無異于空中樓閣。不僅結(jié)不了果，甚至連花也開放不了。

2.6后現(xiàn)代科學空疏的根本原因在于，現(xiàn)代科學范式?jīng)]有突變，現(xiàn)代科學沒有發(fā)生危機。

2.6.1牛頓的第一次科學革命確立了機械論自然觀思想，第二次科學革命確立了世界是聯(lián)系的發(fā)展的辯證的自然觀，第三次科學革命否定了機械論自然觀、否定了自然的不變性和預成性，否定了決定論和確定性，代之以世界的生成性和不確定性，凸顯了不確定性的重要地位。雖然從第一次、第二次到第三次科學革命，自然觀上有較大的變化，也就是說，現(xiàn)代科學的某些外在規(guī)范發(fā)生了變化，但是，科學的內(nèi)在規(guī)范——現(xiàn)代科學范式的核心部分（如建構(gòu)科學理論的規(guī)范或原則等）——卻沒有受到?jīng)_擊，經(jīng)受住了科學發(fā)展的檢驗。

2.6.2就現(xiàn)代科學自身而言，特別是帶頭科學——物理學與生物學，它們不僅沒有危機發(fā)生，反而生機一片，有力地促進了信息社會、知識經(jīng)濟時代的來臨。按照庫恩的科學發(fā)展模式：常規(guī)科學危機科學革命新的常規(guī)科學……。只有現(xiàn)代科學發(fā)生危機，科學革命才能發(fā)生。如果說現(xiàn)代科學有危機發(fā)生，至多只能說有危機的征兆（主要是指外在規(guī)范問題），而沒有沖擊現(xiàn)代科學范式的內(nèi)在規(guī)范。既然現(xiàn)代科學范式?jīng)]有本質(zhì)的危機，那么科學革命就不可能發(fā)生，亦即不可能發(fā)生從舊范式向新范式的過渡。

2.6.3僅僅依持科學規(guī)范發(fā)生的某些變化，僅僅停留在“祛魅”、“返魅”、“物質(zhì)有痛苦”、“磁石有靈魂”等詞語的編排上，顯然是不可能符咒般地呼喚出后現(xiàn)代科學。既然如此，又為何極力呼喊后現(xiàn)代科學呢？難道我們還不能洞見到文化中滲透了商品的邏輯嗎？

2.7我們認為，在后現(xiàn)代主義思潮中，后現(xiàn)代科學更多的是一種哲學觀念。例如，玻姆在《后現(xiàn)代科學和后現(xiàn)代世界》一文中，提出了后現(xiàn)代物理學。他說，相對論與量子力學的共同點是同意宇宙是一個完整的整體，量子論的數(shù)學定律可以被理解為對整體運動的描述，在這一整體運動中，部分被展開為整體。后現(xiàn)代物理學應從整體出發(fā)?！?1〕可見，玻姆的后現(xiàn)代物理學也只是一個思路，沒有具體的操作意義，對量子力學的重新理解也不過是變換了一個視角。法國哲學家利奧塔（J·F·Lyotard）在《后現(xiàn)代狀態(tài)——關(guān)于知識的報告》一書中也談到后現(xiàn)代科學，他說：“后現(xiàn)代科學本身發(fā)展為如下的理論化表述：不連續(xù)性、突變性、非矯正性以及佯謬。后現(xiàn)代科學對以下事物關(guān)切備至：不可決定的、精確控制的極限、以不完全信息表征的沖突、破碎的、突變和語用學悖論等”?！?2〕這些特征是與量子力學、突變論、混沌學、耗散結(jié)構(gòu)論等有明顯的聯(lián)系，但是，這些學科卻都是屬于現(xiàn)代科學，而不是后現(xiàn)代科學。因此，我寧愿把現(xiàn)在所謂的“后現(xiàn)代科學”稱之為“后現(xiàn)代知識”，即在現(xiàn)代科學范式下可以合理存在著后現(xiàn)代知識，后現(xiàn)代知識以不確定性為標志。其原因在于：科學是一種嚴格的體系，有一定的穩(wěn)定性和確定性，而知識則不一定，可以沒有體系要求。目前所稱的“后現(xiàn)代科學”更沒有什么體系可言，只是一種哲學式的假設罷了。從科學的角度看，后現(xiàn)代知識可以從1927年量子力學不確定性原理的提出作為肇始的標志。到50年達資本主義國家向后工業(yè)社會過渡之時，后現(xiàn)代知識才成為浩浩江河，特別是90年代知識經(jīng)濟的出現(xiàn)，后現(xiàn)代知識已勢不可擋?！?3〕

3結(jié)語

盡管后現(xiàn)代科學難以成立，但是，后現(xiàn)代科學力圖克服現(xiàn)代科學種種弊端，以達澄明之境；后現(xiàn)代科學對人類發(fā)展所表現(xiàn)出的深切關(guān)懷和焦慮，因此，它是有意義的。然而，有意義的東西不一定要冠之以“科學”稱謂，不如稱之為“后現(xiàn)代知識”。要使后現(xiàn)代科學真正成為可能，不僅需要哲學家、宗教學家等人文學者的努力，而且更重要的是，現(xiàn)代科學自身已發(fā)生了危機、發(fā)生了范式嬗變；不僅要有概念變革的先行，而且要有實踐運作的科學具體操作層面的突變，要有科學方法的變革。目前看來，后現(xiàn)代科學所具有的意義，或許從觀念逐漸浸潤的視角加以評價更為恰當些，而操作意義上的工作還遠沒有展開。而這種展開目前看不見明顯的征兆。

在我看來，在現(xiàn)代科學范式下，人類仍有現(xiàn)實的可行策略，即通過“立法”——制度創(chuàng)新——來化解現(xiàn)代科學帶來的弊端，減少現(xiàn)代科學帶來的不確定性。在科學如此發(fā)達的今天，人類可以通過各國政府及政府間的合作達成某些共識，利用人類文化（包括宗教、倫理等）的精粹，構(gòu)建若干科學規(guī)范——“科學法”——規(guī)導現(xiàn)代科學，使科學更好地為人類社會的可持續(xù)發(fā)展服務。〔24〕從某種意義上講，這或許是一種現(xiàn)代科學范式下的“后現(xiàn)代知識”狀態(tài)。也正是中國當前所需要的有益的“后現(xiàn)代”策略。

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篇8

本書名為現(xiàn)代電動力學，它以希望深化對電磁學的理解而數(shù)學水平又不太低的研究生為讀者對象?？紤]到它既可作為課堂教學用書，又可作為對廣泛讀者有用的參考書，作者認為，它與專著相反，應該涵蓋學生們必須知道的一切，而不是作者應當知道的一切。但物理學家們對于“學生們必須知道的一切”極少有共識，一般來講，除了大學教程中所出現(xiàn)的一些核心內(nèi)容之外，對于研究生課程的講義的內(nèi)容往往依賴于作者的研究工作背景。本書作者打算在適當?shù)钠率贡緯羞h遠超過兩個學期課程所需的材料，以適應根據(jù)不同的要求選擇教學內(nèi)容。

本書書名中的“現(xiàn)代”并不意味著使用特殊的“現(xiàn)代”數(shù)學方法，而是指它包括了近幾十年來引人關(guān)注的新發(fā)展起來的一些重要論題，為此不惜忽略掉或者僅僅略微提及一般教科書中一些熟悉的論題。為了幫助讀者學習，本書提供大約120個完全解出的例題。此外，各章后面總共有近600個課后作業(yè)題，這些題目中有一些屬于大學生水平的技巧性題目，而有一些是直接取自研究文獻中具有挑戰(zhàn)性的問題。

學生在讀懂課文的幫助下積極地完成這些習題能為自己打下良好的基礎。

全書內(nèi)容共分成24章：1.數(shù)學預備知識； 2.麥克斯韋方程；3.靜電學； 4.電多極矩； 5.導體； 6.電介質(zhì)； 7.拉普拉斯方程； 8.泊松方程；9， 穩(wěn)恒電流； 10.靜磁學；11.磁多極距；12.磁力和磁能；13.磁性物質(zhì)； 14.動力學的和準靜態(tài)場； 15.一般電磁場； 16.真空中的波；17.簡單物質(zhì)中的波；18.色散物質(zhì)中的波； 19.導波和約束波；20.推遲和輻射； 21.散射和衍射； 22.狹義相對論；23.運動電荷的場； 24.拉格朗日和哈密頓方法。

書末有4個附錄： A.重要的符號表； B.高斯單位； C.特殊函數(shù)；D.狹義相對論中負號的處理。

本書的寫作風格和豐富的內(nèi)容以及作者深刻的理解力和洞察力使得本書出版后立即得到了許多相關(guān)專家、學者的好評，認為這是一部難得的研究生用教科書，而且必將成為一部經(jīng)典電動力學新的、優(yōu)秀的經(jīng)典教材。

丁亦兵，教授

（中國科學院大學）

篇9

【關(guān)鍵詞】 熱力學；統(tǒng)計物理；教學方法

一、引言

熱力學與統(tǒng)計物理是理論物理的五大分支之一，具有與其它四個分支（經(jīng)典力學、電磁學、相對論、量子力學）同等重要的科學與工程地位。熱力學與統(tǒng)計物理課程是本科教學中物理學及相關(guān)專業(yè)的一門重要基礎理論課程，它以大量微觀粒子組成的宏觀物質(zhì)系統(tǒng)為研究對象，基于熱力學理論和統(tǒng)計物理理論，揭示熱運動規(guī)律以及與熱運動有關(guān)的物性及宏觀物質(zhì)系統(tǒng)的演化。許多工程科學都是由熱力學所衍生的或與其密切關(guān)聯(lián)，例如傳熱學、流體力學、材料科學等，該課程也是學習量子力學、固體物理的基礎。熱力學的應用范圍很廣，主要包括：引擎、渦輪機、壓縮機、發(fā)電機、推進器、燃燒系統(tǒng)、冷凍空調(diào)系統(tǒng)、能源替代系統(tǒng)、生命支援系統(tǒng)及人工器官等。

通過熱力學與統(tǒng)計物理課程的教學，可以培養(yǎng)學生的形象思維和邏輯思維能力，提高學生的物理修養(yǎng)，使學生深入認識熱力學與統(tǒng)計物理理論，能從熱力學和統(tǒng)計物理學角度闡述熱運動的規(guī)律及熱運動對物質(zhì)宏觀性質(zhì)的影響，能基于熱力學和統(tǒng)計物理學理論解決實際熱力學問題。熱力學理論和統(tǒng)計物理學理論的統(tǒng)一性的教學，可使學生樹立物質(zhì)世界是分層次的、宏觀現(xiàn)象與微觀本質(zhì)緊密聯(lián)系、量的積累引起質(zhì)的變化等物理學基本觀點。然而該門課程抽象性強，教學難度很大，因此教學過程中必須有針對性的采用科學的教學方法以保證良好的教學效果。

二、重點突出物理思想和物理方法教學

科學思想和方法是物理科學的重要內(nèi)容。美國著名物理學家費恩曼曾經(jīng)說過：對學習物理的人來說，重要的不是如何正規(guī)嚴格地解方程，而是能猜出它們的解并理解物理的意義。清華大學著名物理學家葉企孫教授也曾強調(diào)指出： 物理教學不僅要給學生以知識，更要給學生科學思想和方法?？梢娢锢硭枷牒臀锢矸椒ㄔ谖锢斫虒W中的重要性。物理知識的認識和發(fā)展是依賴于物理思想的發(fā)展和建立于科學的物理方法的基礎之上的。物理知識的傳授是“授人以魚”，物理思想和物理方法的傳授則是“授人以漁”。僅僅傳授物理知識容易使學生對掌握的結(jié)論確信無疑，這將限制學生的創(chuàng)造性和個性發(fā)展。而物理思想和物理方法的傳授不僅是為學生提供必要的知識儲備外，也是為他們提供能力儲備。

在熱力學統(tǒng)計物理課程的教學中，除了物理思想和物理方法自身具有的重要地位之外，授課學時少和授課內(nèi)容多的矛盾、化繁為簡提高教學效果的要求也需要將物理思想和物理方法的傳授放在一個重要位置。把握該課程的物理思想和基本方法，對授課內(nèi)容和知識結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化和調(diào)整，是解決授課學時少和授課內(nèi)容多的矛盾的根本方法。熱力學統(tǒng)計物理課程對學生數(shù)學基礎要求也較高，涉及到大量繁復的公式數(shù)學推導和變換，導致學生在學習該課程的過程中很容易將注意力停留在物理公式的數(shù)學形式上而忽略了其中的物理意義、物理思想和物理方法，最終結(jié)果是導致學生思維混亂、滿頭霧水。因此，在熱力學統(tǒng)計物理課程中應該盡量簡化物理公式的數(shù)學推導和數(shù)學變換方面的教學，而將教學的重點放在物理公式的物理意義、物理思想和物理方法方面，幫助學生從物理角度對授課內(nèi)容進行深入理解。

三、排除學生心理障礙

熱力學與統(tǒng)計物理課程的特點是比較抽象，學生理解困難和難以建立相應的物理圖像。較大的學習阻力會影響學生學習該課程的興趣和愛好，導致學生存在接受熱力學與統(tǒng)計物理的物理思想和相關(guān)理論的心理障礙。上述在把握課程的物理思想和基本方法的基礎上對授課知識結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化調(diào)整和將授課內(nèi)容化繁為簡是排除學生心理障礙的一個有效方法，此外好的課題引入對于排除心理障礙從而激發(fā)學生學習興趣也會起到十分重要的作用。如教學實踐證明，課程緒論由熱力學發(fā)展史引入，從“熱”本質(zhì)的爭論到焦耳、克勞修斯、開爾文、能斯脫、麥克斯韋、玻爾茲曼、吉布斯等科學家的豐功偉績進行逐步闡述，可以有效激發(fā)學生學習統(tǒng)計物理的興趣和增強學生的學習信心。恰當?shù)剡\用熱力學統(tǒng)計物理發(fā)展史能夠提高學生的創(chuàng)新思維水平，提高學生整合信息、發(fā)現(xiàn)問題的能力。[1]同時也有利于激發(fā)學生的自我意識[2]和有助于學生理解物理知識，有助于學生體驗物理學的批判精神和形成整體性的物理知識觀。[3]再如在統(tǒng)計理論部分的課題引入時，重點突出物理思想，突出宏觀系統(tǒng)由大量微觀粒子組成的特點，使學生真正清楚統(tǒng)計物理學的研究對象及方法，理解統(tǒng)計物理與熱力學的不同之處和統(tǒng)一之處，也可以有效消除學生學習統(tǒng)計物理的形成心理障礙。總之，通過好的課題引入，激發(fā)學生的學習興趣和調(diào)動學生的學習積極性，消除學生的畏難情緒，對排除學生學習熱力學統(tǒng)計物理的心理障礙不無裨益，這也是保證學生在熱力學統(tǒng)計物理課程學習過程中始終保持學習主動性的關(guān)鍵。

四、詳細闡述熱力學與統(tǒng)計物理兩種方法的關(guān)系

熱力學方法與統(tǒng)計物理方法是熱力學與統(tǒng)計物理研究大量微觀粒子組成的宏觀物質(zhì)系統(tǒng)的熱現(xiàn)象的兩種基本方法，兩種方法的有機結(jié)合是熱力學統(tǒng)計物理理論的一個基本特征，應幫助學生很好地把握該基本特征。熱力學的基本任務是研究熱運動的基本規(guī)律，是研究熱現(xiàn)象的宏觀理論，它不涉及物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，而是從能量轉(zhuǎn)化的觀點出發(fā)，依據(jù)在大量實踐中總結(jié)出來的幾條基本宏觀定律，運用嚴密的邏輯推理而形成的一整套完整的熱現(xiàn)象理論。統(tǒng)計物理學的基本任務是揭示熱現(xiàn)象的本質(zhì)，是研究熱運動的微觀理論，它從物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，依據(jù)微觀粒子所遵循的力學規(guī)律，再用概率統(tǒng)計的方法求出系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)及其變化規(guī)律。熱力學理論的發(fā)展先于統(tǒng)計物理學的發(fā)展，其起源可追溯至十七世紀末開始的長期而激勵的“熱”本質(zhì)爭論，到19世紀中頁在焦耳測定熱功當量的工作基礎上熱力學第一定律得以建立了“熱質(zhì)學”，奠定了熱力學的發(fā)展基礎，并在克勞修斯、開爾文、能斯脫等人的進一步努力下建立了熱力學第二定律和第三定律，使熱力學理論更臻完善。熱力學能解決宏觀熱現(xiàn)象的一些問題，但仍未能對熱現(xiàn)象的本質(zhì)作出解釋。在熱力學發(fā)展的同時，分子運動論也開始發(fā)展起來。克勞修斯從分子運動論的觀點出發(fā)導出波意耳-馬略特定律。麥克斯韋應用統(tǒng)計概念研究分子的運動，得到了分子運動的速度分布定律。玻爾茲曼給出了熱力學第二定律的統(tǒng)計解釋。最后吉布斯發(fā)展了麥克斯韋和玻爾茲曼的理論，建立了系綜統(tǒng)計法。至此統(tǒng)計物理學形成了完整的理論?？梢姛崃W理論和統(tǒng)計物理理論的發(fā)展雖有先后之分，但是發(fā)展過程卻緊密聯(lián)系，對應的兩種研究方法各有優(yōu)缺點又有機結(jié)合，二者的區(qū)別和聯(lián)系如下表所示：

基礎 方法 優(yōu)點 不足

熱力學方法 由大量現(xiàn)象總結(jié)歸納的熱力學基本定律 數(shù)學演繹、邏輯推理 高度的普適性、可靠性 無法解釋漲落現(xiàn)象、無法揭示熱現(xiàn)象本質(zhì)

基礎 方法 優(yōu)點 不足

統(tǒng)計物理方法 物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)、宏觀量與微觀量的關(guān)系、等概率原理 概率統(tǒng)計方法 可求具體物質(zhì)的熱性質(zhì)、解釋漲落、揭示熱現(xiàn)象本質(zhì) 近似性

可見，熱力學方法和統(tǒng)計物理方法共同來自于人們對宏觀熱現(xiàn)象的明確認識和微觀熱運動特征的準確把握，二者相輔相成，互為補充，是一個有機統(tǒng)一體，缺一不可。課程教學過程中，應在詳細闡述熱力學與統(tǒng)計物理學的概念定義、發(fā)展歷史的基礎上講授二者的有機統(tǒng)一關(guān)系，使學生對兩種方法有一個整體的認識，準確把握課程的基本特征，這有利于學生理解熱力學統(tǒng)計物理的物理思想和建立相應的物理圖像。

五、幫助學生建立課程理論框架

學生在學習熱力學與統(tǒng)計物理的過程中，難以理解相關(guān)的物理思想、定理定律和無法建立清晰的物理圖像，很大程度上是由于沒有很好地把握課程的知識要點和理論主線。熱力學與統(tǒng)計物理課程有機結(jié)合思維方式截然不同的熱力學和統(tǒng)計物理兩種方法，分別從宏觀和微觀兩個層面對物質(zhì)系統(tǒng)的熱運動規(guī)律進行研究，同時數(shù)學推導和變換繁復，因此學生在學習的過程很難捕捉到課程的知識要點和提煉出課程的理論主線，這就要求教師有意識的幫助學生把握課程的整體理論框架。

汪志誠的《熱力學·統(tǒng)計物理》教材為例，[4]可以建立如下課程基本理論框架：課程分為熱力學和統(tǒng)計物理兩個部分。熱力學部分包括熱力學基本定律部分（核心）、均勻熱力學系統(tǒng)的熱力學公式、熱力學基本定律和熱力學公式的應用三部分，前兩部分為熱力學的基礎理論，第三部分包括基礎理論在均勻單元系、均勻多元系以及非均勻系中的應用。統(tǒng)計物理部分包括平衡態(tài)統(tǒng)計理論、漲落理論和非平衡態(tài)理論，平衡態(tài)統(tǒng)計理論為核心部分，又包括最概然統(tǒng)計理論和系綜理論。在授課學時日漸縮減的情況下，可將最概然統(tǒng)計理論作為本科教學中統(tǒng)計物理部分的講授主體。該部分可以分為系統(tǒng)微觀構(gòu)成的描述和基本統(tǒng)計規(guī)律、基本統(tǒng)計規(guī)律在不同微觀系統(tǒng)中的應用兩部分，后者包括了基本統(tǒng)計規(guī)律在玻爾茲曼系統(tǒng)、波色系統(tǒng)和費米系統(tǒng)中的應用。這樣的一個簡明的整體理論框架的建立，有助于學生對相關(guān)定理定律的融會貫通和對課程的物理思想和物理方法的整體理解，從而幫助學生建立完整的熱力學統(tǒng)計物理圖像，達到該課程的最終教學目的。

六、結(jié)論

熱力學統(tǒng)計物理是本科物理學及相關(guān)專業(yè)的一門重要基礎理論課程，具有抽象且數(shù)學知識要求高的特點，教學難度很大。在該課程的教學過程中通過重點突出物理思想和物理方法教學、排除學生心理障礙、詳細闡述熱力學與統(tǒng)計物理兩種方法的關(guān)系、幫助學生建立課程理論框架等科學的教學方法的應用，可以有效提高教學質(zhì)量，幫助學生深入理解相關(guān)的物理思想和掌握相關(guān)的物理方法，建立完整的熱力學統(tǒng)計物理圖像。

【參考文獻】

[1] 周詩文.運用物理學史培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維[J].物理教學探討，2005.9.15-16.

[2] 陳運保.物理學史對于培養(yǎng)學生自我意識的重要作用[J].物理教學探討，2005.2.28-29.

[3] 趙長林，趙汝木.物理學史的課程價值[J].物理教學， 2005.2.32-35.

[4] 汪志誠.熱力學·統(tǒng)計物理[M].北京：高等教育出版社，2003.

篇10

電子信息類專業(yè)涵蓋較廣，主要的專業(yè)有電子信息工程、電子科學與技術(shù)、電子信息科學與技術(shù)、通信工程、光信息科學與技術(shù)。這些專業(yè)看上去近似，又不盡相同，下面我們通過各專業(yè)的課程設置、培養(yǎng)方向、就業(yè)方向來進行了解。

電子信息工程、電子科學與技術(shù)、電子信息科學與技術(shù)：傻傻分不清楚

不少同學面對“電子信息工程”“電子科學與技術(shù)”“電子信息科學與技術(shù)”這三個非常相近的專業(yè)名詞時，會感到迷惑。作為“電子”相關(guān)的專業(yè)，就像是三胞胎一樣，在一些院校被俗稱為“三電”。相對于通信工程和光信息科學與技術(shù)而言，它們都是較寬口徑專業(yè)，所學的專業(yè)知識更廣，當然就業(yè)面也會更廣。通信工程和光信息科學與技術(shù)專業(yè)，所學的專業(yè)知識更有針對性，更加深入，也比較精細?，F(xiàn)如今，高校開設“三電”專業(yè)的大學非常多，一般的理工類院校和綜合性大學幾乎都有，甚至一些文科類大學也開始嘗試開設。那么這三個專業(yè)到底有什么區(qū)別呢？

首先，從教授的課程來看，這三個專業(yè)在大一、大二、大三上學期所學的基礎課程基本一樣，只是在大三下學期、大四開設的專業(yè)課程有不同的側(cè)重點――電子信息工程重“信息”，即信號處理，學習硬件電路、軟件編程；電子科學與技術(shù)重“電子”，即硬件電路設計，學習物理電子、光電子和微電子學；電子信息科學與技術(shù)重電路設計，跟電子科學與技術(shù)專業(yè)最為接近，它作為后者的子專業(yè)，學習范圍更廣，包括電子、計算機、信息技術(shù)三大知識板塊，可以說是集電子信息工程、電子科學與技術(shù)于一體。

其次，從就業(yè)來看，電子信息工程專業(yè)的學生畢業(yè)以后可以當軟件工程師（設計開發(fā)各種軟件）、電子工程設計師（設計開發(fā)一些電子、通信器件）。電子科學與技術(shù)專業(yè)的學生畢業(yè)以后可以從事開發(fā)計算機硬件工作，當電路設計工程師（這個專業(yè)主要有兩個就業(yè)方向，一是集成電路生產(chǎn)企業(yè)，二是集成電路設計企業(yè)）。電子信息科學與技術(shù)專業(yè)的學生就業(yè)口徑最寬，有著“萬金油”之稱，電子方面，可以做電路設計工程師；信息方面，可以做電信工程師；計算機方面，可以開發(fā)軟件、硬件。

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通信工程：“信息”中的王牌專業(yè)

通信工程具有極廣闊的發(fā)展前景，也是人才嚴重短缺的專業(yè)之一。通信行業(yè)涉及領域廣，可以說是橫跨了電子和計算機行業(yè)。而通信工程專業(yè)跟前文介紹的“三電”專業(yè)不同之處在于，通信工程專業(yè)知識更加有針對性，側(cè)重于“信息”，理論學習更加深入，課程難度大，可以達到“基本掌握”。而同樣是側(cè)重于“信息”的電子信息工程專業(yè)，只能說是“基本了解”。主干課程中，如程控交換技術(shù)、移動通訊、計算機網(wǎng)絡通訊、光纖通訊等，都是“三電”專業(yè)不會開設的。該專業(yè)要求畢業(yè)生掌握通訊技術(shù)和計算機技術(shù)的基本理論與設計方法及程控交換技術(shù)、光纖通訊、移動通訊和計算機網(wǎng)絡通訊的基本原理及應用方法。

通信工程專業(yè)在本文提及的所有專業(yè)中，開設最早，招生的分數(shù)線最高，得益于通信行業(yè)的高速發(fā)展，一直是非常熱門的“王牌專業(yè)”。因為其在信息、信號處理方面專業(yè)知識學習比較深入，畢業(yè)生選擇考研，特別是報考信號處理、無線電波等方向優(yōu)勢會比較明顯。當然，就業(yè)也非常不錯，在通信領域中從事研究、設計、制造、運營的工作及在國民經(jīng)濟各部門和國防工業(yè)中從事開發(fā)、應用通信技術(shù)與設備的高級工程技術(shù)的工作。比如選擇去電子信息類技術(shù)研發(fā)的相關(guān)科研院所，中興、華為、大唐、富士康等設備制造商，摩托羅拉、三星、貝爾等外資企業(yè)；也可以去通信運營商，如中國電信、中國移動、中國聯(lián)通等，從事信號處理類的研發(fā)、設計工作。隨著現(xiàn)在國家大力推廣的3G移動通信技術(shù)，通信工程專業(yè)的畢業(yè)生專業(yè)優(yōu)勢明顯，專業(yè)對口，相信在就業(yè)時，可以得到更多被青睞的機會。

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光信息科學與技術(shù)：徜徉在光的海洋

光信息科學與技術(shù)，這個名字聽起來很抽象，其實卻實實在在地存在于你我的日常生活之中：我們同美國親友之間的越洋電話聯(lián)系，依靠的是太平洋海底長長的光纖；我們上網(wǎng)所用的寬帶、用超大規(guī)模彩色LED（液晶）顯示器欣賞色彩艷麗的畫面，都是對光信息技術(shù)最直接的體驗。

本專業(yè)培養(yǎng)具備光信息科學與技術(shù)的基本理論、基本知識和基本技能，能在應用光學、光電子學及相關(guān)的電子信息科學、計算機科學等領域（特別是光機電算一體化產(chǎn)業(yè)）從事科學研究、教學、產(chǎn)品設計、生產(chǎn)技術(shù)或管理工作的光信息科學與技術(shù)高級人才。本專業(yè)學生主要學習光信息科學與技術(shù)的基本理論和技術(shù)，熟悉光學、電子學技術(shù)和計算機技術(shù)。

光信息科學與技術(shù)專業(yè)一般設在電子工程系或通信工程系。隨著光電子技術(shù)的發(fā)展與興起，一些院校已逐步將這一專業(yè)單獨分出成系，這也充分顯示了該專業(yè)良好的發(fā)展前景。不過，對物理學、量子力學、波動光學等幾科的要求都相當高。如果你對物理、數(shù)學很感興趣，有比較好的邏輯思維和抽象思維能力，以及比較強的理解力，不妨報考這個專業(yè)，光的海洋會讓你受益匪淺。