量子力學(xué)基礎(chǔ)原理精選(九篇)

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第1篇：量子力學(xué)基礎(chǔ)原理范文

乍看,題目好象哲學(xué)的。不屑哲學(xué),只談物理。

大量研究表明,目前為止的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)給出物質(zhì)世界準(zhǔn)確信息,物理學(xué)重要任務(wù)之一就在于找出這信息并揭示其內(nèi)在規(guī)律。遺憾的是,目前為止的理論(無例外)均未能如此。然而國內(nèi)外學(xué)界卻一致認(rèn)為理論物理大廈框架——《量子力學(xué)》已經(jīng)建成,剩下只是裝修和美化了。

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

1.1 關(guān)于“量子化”根源問題。

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

就是說,《量子力學(xué)》是在未有弄清量子化根源前提下侈談“量子”的“科學(xué)”。其結(jié)果只能使原子結(jié)構(gòu)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(xué)之現(xiàn)狀!

可有人,例如一位量子力學(xué)教授辯論時(shí)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(xué)家利用了“微小量子”數(shù)學(xué)“極限”概念進(jìn)行詭辯,顯得很聰明,但卻誤了人類物理學(xué)前程!

不可否認(rèn)的事實(shí)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(xù)可變,決不表現(xiàn)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(jié)構(gòu)中能量量子化必有其它原因。顯然這是基本物理學(xué)問題,作為理論物理又是非弄清不可的問題。其它科學(xué)例如數(shù)學(xué),由于任務(wù)不同尚可不必關(guān)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(zhǔn)確具體討論量子化根源問題以及物質(zhì)世界又怎樣量子化的,并給出8位數(shù)字有效精度與實(shí)驗(yàn)完全相符的計(jì)算結(jié)果。 1.2 理論與實(shí)踐關(guān)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(xué)》就下意識往實(shí)驗(yàn)上靠――“符合”試驗(yàn)。然而,既下意識就難免拙劣,請看事實(shí):

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

這明確表明,量子力學(xué)就是建立在基本假定上的(種種猜測)?！翱茖W(xué)學(xué)”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(xué)!然而量子力學(xué)家們卻娓娓動聽說:“量子力學(xué)是建立在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的科學(xué)”。這不是彌天大謊么?!

文獻(xiàn) [1] 在建立對易關(guān)系:

pq -qp = (?/i)E ――――――――― (1)

時(shí)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(shù)學(xué)——物理方法導(dǎo)出,即:不否認(rèn)這是一種猜測。然而,(1)式就是昭著世界的“波動方程”的基礎(chǔ),也就是量子力學(xué)的理論基礎(chǔ)。

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

研究表明,量子力學(xué)所謂實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ),首先在于德布羅意“物質(zhì)波”理論。認(rèn)真研究表明,物質(zhì)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(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上”呢?!

研究表明,量子力學(xué)的實(shí)際過程是:德布羅意對自然現(xiàn)象進(jìn)行一次連他自己也弄不清的抽象(猜測)(以下證明),提出“物質(zhì)波”概念。量子力學(xué)對這不清的概念又進(jìn)行一次抽象(猜測)(以下證明),提出“波函數(shù)”(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(xué)的理論基礎(chǔ):

(h2/2m)2Ψ + (E-V)Ψ = 0 ――――― (2)

由于量子力學(xué)憑空引進(jìn)“波函數(shù)Ψ”,實(shí)際上就賦予了電子神奇性質(zhì)。正是這種神奇性質(zhì)使得量子力學(xué)具備了非凡詭辯能力。

1.3 量子力學(xué)詭辯倫理

1.3.1 關(guān)于理論基礎(chǔ)詭辯

以上及以下討論都證明,量子力學(xué)是,由于缺乏了解,錯誤地估計(jì)了試驗(yàn)(以下嚴(yán)格證明),用了錯誤的基本假定(不能由任何合理方法導(dǎo)出)而形成的,錯誤理論。然而量子力學(xué)家們卻口口聲聲:“量子力學(xué)是建立在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上地科學(xué)”。這分明是在詭辯,再加上社會意識,量子力學(xué)又具備了狡辯能力。 1.3.2 關(guān)于物質(zhì)波的狡辯

對于“物質(zhì)波”概念,量子力學(xué) [1] 應(yīng)用了三個基本假定:其一假定“對易關(guān)系”即(1)式,由此構(gòu)成量子力學(xué)骨架;其二假定“測不準(zhǔn)原理”,由此編造了電子“幾率云”圖像;其三假定“波?；パa(bǔ)原理”,這種原理本身就是一種詭辯,因?yàn)椤安６笮浴眴栴}目前仍屬困難不解的世界性難題。于是量子力學(xué)精心泡制出“波函數(shù)Ψ”并強(qiáng)加給電子。經(jīng)如此之假定,電子便具備了神奇性質(zhì)——量子力學(xué)家們的主觀意識。

然而“波函數(shù)”的物理意義究竟是什么?量子力學(xué)家們著實(shí)應(yīng)向人們交代清楚,遺憾的是任何學(xué)家都未能如愿。實(shí)際上對波函數(shù)Ψ的真實(shí)物理意義,量子力學(xué)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(xué)(文獻(xiàn) [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(zhì)波是粒子軌跡波動。此說極易征服初學(xué)者,但此說問題也易敗露。量子力學(xué)立即改變說法,言(3) 式系近代物理概念,對此不能用經(jīng)典概念理解。于是又出現(xiàn):

1.3.3 關(guān)于“經(jīng)典”與“近代”狡辯

量子力學(xué)經(jīng)常炫耀是近代科學(xué)理論,已經(jīng)超脫經(jīng)典,又不時(shí)貶低經(jīng)典理論。

然而,以下討論完全證明:量子力學(xué)除了主觀臆造因素外,完全沒有離開經(jīng)典物理一步,也未超出經(jīng)典物理一點(diǎn),就連波函數(shù) Ψ 的表達(dá)式(無例外)也完全是經(jīng)典數(shù)學(xué)和經(jīng)典力學(xué)關(guān)系式,并且以下用不可否認(rèn)的事實(shí)——量子力學(xué)所犯經(jīng)典錯誤,表明量子力學(xué)連經(jīng)典理論也不通。所以,量子力學(xué)所謂超脫經(jīng)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(xué)不僅超脫經(jīng)典,而且也超脫科學(xué)! 1.3.4 量子力學(xué)方法論狡辯

確切說,量子力學(xué)不能給波函數(shù) Ψ 做出完整的真實(shí)物理學(xué)定義,但在理論中卻輪番使用: ①波函數(shù) Ψ 表示粒子中心軌跡波動;②波函數(shù) Ψ 表示粒子出現(xiàn)幾率;③波函數(shù) Ψ 表示彌撒物質(zhì)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(xué)同時(shí)又“有權(quán)”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(xué)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(shí)間同一地點(diǎn)進(jìn)行的。因?yàn)閼?yīng)用一種概念的同時(shí)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(xué)家比兒童高明得多,這叫認(rèn)識方法狡辯。

似這樣,在哲學(xué)面前,用“建立在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上”量子力學(xué)可以蒙混過關(guān);其它科學(xué)由于研究任務(wù)不同,不會關(guān)心“量子化”根源,又由“領(lǐng)地”限制也無權(quán)過問波函數(shù)的真實(shí)意義;量子力學(xué)又可各取所需輪番應(yīng)用和輪番否定①、②、③三種概念。于是,量子力學(xué)便以狡辯贏得了世界理論權(quán)威!

1.4 關(guān)于“符合”試驗(yàn)問題

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

基于玻爾理論的成功,量子力學(xué)作兩項(xiàng)重要推廣。 心理學(xué)原因,人們對這種推廣又愿意接受。然而卻出現(xiàn)本質(zhì)性原則錯誤,請看:

1.4.1 量子力學(xué)推廣(一)

由于氫原子的試驗(yàn)電離能與玻爾理論真實(shí)能級相近,于是量子力學(xué)推廣為:

試驗(yàn)電離能 = 原子真實(shí)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(yán)重錯誤。請看氦原子事實(shí):

試驗(yàn)(文獻(xiàn)[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(xué)[1]認(rèn)為這就是氦原子的兩個真實(shí)能級。

若用 E玻 表示類氫氦離子基態(tài)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(shí)能級,因?yàn)槠渲邪?E1 ,即第一電離能。

那么,實(shí)驗(yàn)值 E2 即(8)式表示什么物理內(nèi)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(jià),氦原子于是變成類氫氦離子,其基態(tài)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(shí)驗(yàn)真實(shí)過程,由此不難結(jié)論:

1.4.2 據(jù)電離實(shí)驗(yàn)本文結(jié)論

電離實(shí)驗(yàn)結(jié)論一:氫原子及類氫氦離子玻爾理論值正確。

電離實(shí)驗(yàn)結(jié)論二:目前電離能實(shí)驗(yàn)值 ≠ 原子真實(shí)能級。

電離實(shí)驗(yàn)結(jié)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(xué)(文獻(xiàn)[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(jì)算這氦原子的“能級”E2 :

E2= 5.80(Rhc) = 79.01(ev) ―――――― (9)

第2篇：量子力學(xué)基礎(chǔ)原理范文

關(guān)鍵詞:量子力學(xué);量子測量;偏振

中圖分類號:O413．1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1000-0712(2016)03-0005-03

量子力學(xué)是近代物理學(xué)的基礎(chǔ)，并且其應(yīng)用領(lǐng)域已延伸至化學(xué)、生物等許多交叉學(xué)科當(dāng)中，這一課程已成為當(dāng)今大學(xué)生物理教學(xué)中一個極為重要的組成部分．由于量子力學(xué)主要是描述微觀世界結(jié)構(gòu)、運(yùn)動與變化規(guī)律的學(xué)科，微小尺度下的許多自然現(xiàn)象與人們?nèi)粘Ｉ罱?jīng)驗(yàn)相距甚遠(yuǎn)，量子力學(xué)的概念有悖于人們的直覺，難以被初學(xué)者接受．如果在教學(xué)中能夠結(jié)合具體的物理實(shí)驗(yàn)，從現(xiàn)象到本質(zhì)引導(dǎo)學(xué)生思考，就可以使抽象的量子概念落實(shí)到對具體實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的歸納總結(jié)上來．偏振光實(shí)驗(yàn)是一個現(xiàn)象直觀而且學(xué)生容易操作的普通物理實(shí)驗(yàn)，在學(xué)生掌握的已有知識基礎(chǔ)上，進(jìn)行新內(nèi)容的教學(xué)，符合初學(xué)者的認(rèn)知規(guī)律．利用光的偏振現(xiàn)象來闡述量子力學(xué)基本概念已被一些國內(nèi)外經(jīng)典教材采納，如物理學(xué)大師狄拉克所著的《量子力學(xué)原理》［1］，費(fèi)因曼所著的《費(fèi)因曼物理學(xué)講義》［2］，曾謹(jǐn)言教授所著的《量子力學(xué)卷1》［3］，趙凱華、羅蔚茵教授合著的《量子物理》［4］等教材．在本文中，筆者結(jié)合自己的教學(xué)體驗(yàn)，著重從可觀測量和測量的角度來考慮問題，在以上經(jīng)典教材的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步整理和挖掘光子偏振所能體現(xiàn)的量子力學(xué)基本概念．從量子力學(xué)的角度對偏振實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析，使同學(xué)們對態(tài)空間、量子力學(xué)表象、波函數(shù)統(tǒng)計(jì)解釋、態(tài)疊加原理等量子力學(xué)概念有一個直觀形象的認(rèn)識，領(lǐng)會量子力學(xué)若干基本假定的內(nèi)涵思想．最后，從量子角度分析了一個有趣的偏振光實(shí)驗(yàn)，加深學(xué)生對量子力學(xué)基本概念的理解，并展示了量子力學(xué)的奇妙特性．

1偏振光實(shí)驗(yàn)的經(jīng)典解釋

如圖1(a)所示，沿著光線傳播的方向，順次擺放兩個偏振片P1、P2．光束經(jīng)過P1后變?yōu)榕c其透振方向一致且光強(qiáng)為I0的偏振光．兩偏振片P1和P2的透振方向之間夾角為θ，由馬呂斯定律可知，透過偏振片P2的光的強(qiáng)度為I0cos2θ．按照經(jīng)典的光學(xué)理論，此現(xiàn)象可理解如下:在一個與光傳播方向垂直的平面內(nèi)選定一個xy平面直角坐標(biāo)系，這里為了描述問題的方便，選定x軸沿P2的透振方向．如圖1(b)所示，透過偏振片P1的光電場矢量E可分解為兩個分量:沿x方向振動的電場矢量Ex和沿y方向振動的電場矢量Ey．偏振光照射到P2偏振片時(shí)，投影到y(tǒng)方向的電場矢量被吸收，投影到x方向的電場矢量透過，振幅增加了一個常數(shù)因子cosθ，因而強(qiáng)度變?yōu)樵瓉淼腸os2θ倍，這正是馬呂斯定律所給出的結(jié)果．

2偏振光實(shí)驗(yàn)體現(xiàn)的量子力學(xué)概念

下面我們由偏振光的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象出發(fā)，引出量子態(tài)、態(tài)空間等量子概念，并用量子力學(xué)的語言來描述單個光子與偏振片發(fā)生相互作用的過程，討論在多個光子情況下的量子行為與馬呂斯定律的一致性．

2．1量子態(tài)

從實(shí)驗(yàn)得知，當(dāng)線偏振光用于激發(fā)光電子時(shí)，激發(fā)出的光電子分布有一個優(yōu)越的方向(與光偏振方向有關(guān))，根據(jù)光電效應(yīng)，每個電子的發(fā)射對應(yīng)吸收一個光子，可見，光的偏振性質(zhì)是與它的粒子性質(zhì)緊密聯(lián)系的，人們必須把線偏振光看成是在同一方向上偏振的許多光子組成，這樣我們可以說單個光子處在某個偏振態(tài)上．沿x方向偏振的光束里，每個光子處在|x〉偏振態(tài)，沿y方向偏振的光束中，每個光子處在|y〉偏振態(tài)．假設(shè)我們在實(shí)驗(yàn)中把光的強(qiáng)度降到足夠低，以至于光子是一個一個到達(dá)偏振片的．在圖1所示的例子中，通過P1偏振片的光子處在沿P1透振方向的偏振態(tài)上，如果P2與P1透振方向一致(θ=0)，則此光子完全透過P2，如果P2與P1透振方向正交(θ=π/2)，則被完全吸收．如果P1與P2透振方向之間角度介于兩者之間，會是一種什么樣的情形，會不會有部分光子被吸收，部分光子透過的情況發(fā)生，但是實(shí)驗(yàn)上從來沒有觀察到部分光子的情形，只存在兩種可能的情況:光子變到量子態(tài)|y〉，被整個吸收;或變到量子態(tài)|x〉，完全透過．下面我們用量子力學(xué)的語言來描述單個光子與偏振片發(fā)生相互作用的過程，引入量子測量、態(tài)空間、表象、態(tài)疊加原理、波函數(shù)統(tǒng)計(jì)解釋等量子概念．

2．2量子測量、態(tài)空間、表象

單個光子與偏振片發(fā)生相互作用的過程，可以看成是一個量子測量的過程，偏振片作為一個測量裝置，迫使光子的偏振態(tài)在透振方向和與其相垂直的方向上作出選擇，測量的結(jié)果只有兩個，透過或被吸收，透過光子的偏振方向與透振方向一致，被吸收光子的偏振方向與透振方向垂直，可見光子經(jīng)過測量后只可能處在兩種偏振狀態(tài)，這正是量子特性的反應(yīng)．在量子力學(xué)中，針對一個具體的量子體系，對某一力學(xué)量進(jìn)行測量，測量后得到的值是這一力學(xué)量的本征值，我們稱它為本征結(jié)果，相應(yīng)的量子態(tài)坍縮到此本征結(jié)果所對應(yīng)的本征態(tài)上，所有可能的本征態(tài)則構(gòu)成一組正交、規(guī)一、完備的本征函數(shù)系，此本征函數(shù)系足以展開這個量子體系的任何一個量子態(tài)．很自然，我們在這里把經(jīng)過偏振片測量后，所得到的兩種可能測量結(jié)果(透過或吸收)作為本征結(jié)果，它們分別對應(yīng)的兩種偏振狀態(tài)，此兩種偏振狀態(tài)可以作為正交、規(guī)一、完備的函數(shù)系，組成一個完備的態(tài)空間，任何偏振態(tài)都可以按照這兩種偏振態(tài)來展開，展開系數(shù)給出一個具體的表示，這就涉及到量子力學(xué)表象問題．在量子力學(xué)中，如果要具體描述一個量子態(tài)通常要選擇一個表象，表象的選取依據(jù)某一個力學(xué)量(或力學(xué)量完備集)的本征值(或各力學(xué)量本征值組合)所對應(yīng)的本征函數(shù)系，本征函數(shù)系作為正交、規(guī)一、完備的基矢組可以用來展開任何一個量子態(tài)，展開系數(shù)的排列組合給出某一個量子態(tài)在具體表象中的表示．結(jié)合我們的例子，組成基矢組的兩種偏振狀態(tài)取決于和光子發(fā)生相互作用的偏振片，具體說來是由偏振片的透振方向決定．在具體分析問題時(shí)，為了處理問題的方便，光子與哪一個偏振片發(fā)生相互作用，在數(shù)學(xué)形式上，就把光子的偏振狀態(tài)按照此偏振片所決定的基矢組展開，這涉及到怎么合理選擇表象的問題．

2．3態(tài)疊加原理、波函數(shù)統(tǒng)計(jì)解釋

以上簡單的試驗(yàn)也可以作為一個形象的例子來說明量子力學(xué)中的態(tài)疊加原理．態(tài)疊加原理的一種表述為［5］:設(shè)系統(tǒng)有一組完備集態(tài)函數(shù){φi}，i=1，2，．．．，t，則系統(tǒng)中的任意態(tài)|ψ〉，可以由這組態(tài)函數(shù)線性組合(疊加)而成(1)另一種描述為:如果{φi}，i=1，2，．．．，t是體系可以實(shí)現(xiàn)的狀態(tài)(波函數(shù))，則它們的任何線性疊加式總是表示體系可以實(shí)現(xiàn)的狀態(tài)．在我們的例子中，任何一個偏振片所對應(yīng)的透振態(tài)和吸收態(tài)構(gòu)成完備集態(tài)函數(shù)，任何一個偏振態(tài)都能夠在以此偏振片透振方向所決定的基矢組中展開，參照圖1所示，通過偏振片P1的偏振態(tài)可以在以偏振片P2透振方向所決定的基矢組{|x〉，［y)}中表示為(2)相反，|x〉、|y〉基矢的任意疊加態(tài)也都是光子可能實(shí)現(xiàn)的偏振態(tài)．量子力學(xué)還假定，當(dāng)物理體系處于疊加態(tài)式(1)時(shí)，可以認(rèn)為體系處于φi量子態(tài)的概率為|ci|2．從前面的分析我們知道，當(dāng)用偏振片P2對偏振態(tài)|P1〉進(jìn)行測量時(shí)，此狀態(tài)隨機(jī)地坍縮到|x〉偏振態(tài)或|y〉偏振態(tài)，坍縮到|x〉偏振態(tài)的概率為cos2θ，也就是單個光子透過偏振片的概率，多次統(tǒng)計(jì)的結(jié)果恰好與馬呂斯定律相對應(yīng)，這充分體現(xiàn)了波函數(shù)的概率統(tǒng)計(jì)解釋．

3典型例子

在教學(xué)中我們可以引入一個有趣形象的例子，進(jìn)一步加深對量子力學(xué)基本概念的理解．如圖2(a)所示，一束光入射到兩個順序排列的偏振片上，偏振片P3的透振方向相對于偏振片P1的透振方向順時(shí)針轉(zhuǎn)過90°角，我們不妨在一個與光傳播方向垂直的平面內(nèi)選定一個xy平面直角坐標(biāo)系，P1的透振方向沿x軸，P3的透振方向沿y軸．光通過偏振片P1后變成光強(qiáng)為I0的偏振光，偏振方向與偏振片P1透振方向平行，但與P3的透振方向垂直，則光完全被偏振片P3吸收，不能透過．下面我們將看到一個有趣的現(xiàn)象，在偏振片P1和偏振片P3間插入一個偏振片P2，其透振方向在P1和P3之間，這時(shí)光竟可以透過P3偏振片．對此試驗(yàn)，我們可由馬呂斯定律給出經(jīng)典的解釋．我們不妨設(shè)P2的透振方向相對于P1順時(shí)針轉(zhuǎn)過45°角，通過偏振片P1后，變?yōu)楣鈴?qiáng)是I0的偏振光，且偏振方向與P1透振方向一致;再通過偏振片P2后，光強(qiáng)變?yōu)镮0/2，偏振方向沿順時(shí)針轉(zhuǎn)過45°角，與偏振片P2透振方向一致;最后通過偏振片P3后，光強(qiáng)進(jìn)一步減弱為I0/4，偏振方向又沿順時(shí)針改變45°角，與偏振片P3透振方向一致．可以看到一個有趣的現(xiàn)象，雖然介于偏振片P1和P2間的光束其偏振方向與偏振片P3的透振方向正交，但最后透過偏振片P3的光束其偏振方向卻恰恰沿偏振片P3的透振方向，這正是中間偏振片P2所起的作用．下面用我們前面分析偏振光與偏振片相互作用過程中，所建立起來的量子概念給出具體解釋．取直角坐標(biāo)系xy，x軸沿偏振片P1的透振方向，基矢組為{|x〉，［y)};由偏振片P2的透振方向所決定的基矢組為{|x'〉，［y')}，其透振方向沿x'方向，如圖3所示，兩組基矢之間的關(guān)系可表示為(3)由偏振片P3所決定的基矢組仍為{|x〉，|y〉}，不過透過的光子處在|y〉基矢態(tài)．光子透過偏振片P1后，其偏振狀態(tài)處在|x〉態(tài)，由式(3)，此狀態(tài)可以按P2的基矢組展開為(4)根據(jù)式(4)，經(jīng)過P2偏振片的測量，光子有1/2的概率坍縮到|x'〉態(tài)，光子透過P2，有1/2的概率坍縮到|y'〉態(tài)，光子被吸收．由式(3)，|x'〉態(tài)在由偏振片P3所決定的基矢組同樣展開為3的測量下，偏振狀態(tài)發(fā)生改變，有1/2的概率坍縮到|y〉態(tài)，透過偏振片，有1/2的概率坍縮到|x〉態(tài)，被偏振片吸收，總體來說透過偏振片P1的光子有1/4的概率透過偏振片P3，與經(jīng)典的馬呂斯定律相一致．特別注意到光子透過偏振片P1后，狀態(tài)為|x〉態(tài)，與|y〉態(tài)正交，沒有|y〉態(tài)的組分，但光子透過偏振片P3后卻正處在|y〉態(tài)，這充分體現(xiàn)了測量可以使量子態(tài)改變的量子假定，展示了量子測量的奇妙特性．

4總結(jié)

結(jié)合對偏振光實(shí)驗(yàn)的量子解釋，我們分析了若干重要的量子力學(xué)概念．但嚴(yán)格說來，光子的問題不屬于量子力學(xué)問題，只有在量子場論中才能處理．采用光子的偏振情形來討論某些量子概念，理論上雖稍欠嚴(yán)謹(jǐn)，但如上文所述，確實(shí)能夠直觀形象地反映量子力學(xué)中的若干基本假定，使抽象的量子力學(xué)概念落實(shí)到對具體實(shí)驗(yàn)的分析中來，易于被初學(xué)者接受，我們不妨在學(xué)生開始學(xué)習(xí)量子力學(xué)時(shí)引入此例，有助于學(xué)生理解抽象的量子概念，領(lǐng)會量子力學(xué)的思維方式．

參考文獻(xiàn):

［1］狄拉克．量子力學(xué)原理［M］．北京:科學(xué)出版社，1966．

［2］費(fèi)因曼．費(fèi)因曼物理學(xué)講義［M］．上海:上?？茖W(xué)出版社，2005．

［3］曾謹(jǐn)言．量子力學(xué)卷1．［M］．北京:科學(xué)出版社，2006．

［4］趙凱華，羅蔚茵．量子物理［M］．北京:高等教育出版社，2001．

第3篇：量子力學(xué)基礎(chǔ)原理范文

量子力學(xué)是近代物理的兩大支柱之一，它的建立是20世紀(jì)劃時(shí)代的成就之一，可以毫不夸張地說沒有量子力學(xué)的建立，就沒有人類的現(xiàn)代物質(zhì)文明[1]。大批優(yōu)秀的物理學(xué)家對原子物理的深入研究打開了量子力學(xué)的大門，這一人類新的認(rèn)知很快延伸并運(yùn)用到很多物理學(xué)領(lǐng)域，并且，導(dǎo)致了很多物理分支的誕生，如：核物理、粒子物理、凝聚態(tài)物理和激光物理等[2]。量子力學(xué)在近代物理中的地位如此之重，所以成為物理專業(yè)學(xué)生最重要的課程之一。但在實(shí)際教學(xué)過程中，學(xué)生普遍感到量子力學(xué)太過抽象、難以掌握。如何改革教學(xué)內(nèi)容，將量子力學(xué)的基本觀點(diǎn)由淺入深，使學(xué)生易于理解；如何改革教學(xué)手段，培養(yǎng)學(xué)生興趣，使學(xué)生由被動學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃訉W(xué)習(xí)。這是量子力學(xué)教學(xué)中遇到的主要問題。作者從幾年的教學(xué)中摸索到一些經(jīng)驗(yàn)，供大家參考。

一、教學(xué)內(nèi)容和方法的改革

傳統(tǒng)的本科量子力學(xué)教學(xué)一般包括了三大部分：第一部分是關(guān)于粒子的波粒二象性，正是因?yàn)槲⒂^粒子同時(shí)具有波動性和粒子性，才造成了一些牛頓力學(xué)無法解釋的新現(xiàn)象，例如測不準(zhǔn)關(guān)系、量子隧道效應(yīng)等等；第二部分是介紹量子力學(xué)的基本原理，這部分是量子力學(xué)的核心內(nèi)容，如波函數(shù)的統(tǒng)計(jì)解釋、態(tài)疊加原理、電子自旋等；第三部分是量子力學(xué)的一些應(yīng)用，如定態(tài)薛定諤方程的求解，微擾方法。以上三個部分相互聯(lián)系構(gòu)成了量子力學(xué)的整體框架[3]。隨著量子力學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展，產(chǎn)生了很多新的現(xiàn)象和成果。例如量子通訊、量子計(jì)算機(jī)等等。許多學(xué)生對量子力學(xué)的興趣就是從這些點(diǎn)點(diǎn)滴滴的新成果中得到的。如果我們?nèi)园磦鹘y(tǒng)的內(nèi)容授課，學(xué)生學(xué)完了這門課程發(fā)現(xiàn)感興趣的那點(diǎn)東西完全沒有接觸到，就會對所學(xué)的量子力學(xué)感到懷疑，而且極大地挫傷了學(xué)習(xí)自然科學(xué)的興趣。所以作者建議在教學(xué)過程中適當(dāng)添加一些量子力學(xué)的新成果和新現(xiàn)象，來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[4]。在教學(xué)方法上也應(yīng)該按照量子力學(xué)的特點(diǎn)有所改革。由于量子力學(xué)的許多觀點(diǎn)和經(jīng)典力學(xué)完全不同，如果我們還是按照經(jīng)典力學(xué)的方法來講，就會引起學(xué)生思維上的混亂，所以建議從一開始就建立全新的量子觀點(diǎn)。例如軌道是一經(jīng)典概念，在講授玻爾的氫原子模型時(shí)仍然采用了軌道的概念，但在講到后面又說軌道的概念是不對的，這樣學(xué)生就會懷疑老師講錯誤的內(nèi)容教給了他們，形成邏輯上的混亂。我們應(yīng)該從一開始就建立量子的觀點(diǎn)，淡化軌道的概念，這樣學(xué)生更容易接受。

二、重視緒論課的教學(xué)

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

三、重視物理學(xué)史的引入

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

四、教學(xué)手段的改革

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

五、加強(qiáng)教學(xué)過程的管理

第4篇：量子力學(xué)基礎(chǔ)原理范文

【關(guān)鍵詞】密度算符 壓縮相干態(tài) 正規(guī)乘積

【中圖分類號】G64 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2015）10-0161-02

一、引言

量子力學(xué)是在19世紀(jì)末20世紀(jì)初建立和發(fā)展起來的一門科學(xué)，它的建立是20世紀(jì)劃時(shí)代的成就之一。量子力學(xué)與我們的生活密切相關(guān)，可以毫不夸張的說，沒有量子力學(xué)，就沒有人類的現(xiàn)代物質(zhì)文明。量子力學(xué)規(guī)律已成功地運(yùn)用于包括材料、化學(xué)、生命、信息和制藥等領(lǐng)域，對于物理專業(yè)的本科生來說，量子力學(xué)是物理學(xué)專業(yè)最重要的基礎(chǔ)課程之一，它是學(xué)習(xí)固體物理、材料科學(xué)、材料物理與化學(xué)、激光原理、激光物理與技術(shù)等專業(yè)課程的重要基礎(chǔ)[1，2]。通過量子力學(xué)的學(xué)習(xí)，使得學(xué)生能夠熟練地掌握量子力學(xué)的基本理論，具備利用量子力學(xué)基本理論分析和解決問題的能力。在物理學(xué)課程當(dāng)中，量子力學(xué)的教學(xué)既是重點(diǎn)又是難點(diǎn)。

相干態(tài)[3，4]作為量子力學(xué)中的一個核心概念，不僅是量子物理學(xué)中的一個有效方法，而且是激光理論的重要支柱，對了解量子力學(xué)理論具有重要的意義，在教學(xué)和科研中都具有基礎(chǔ)性的作用。相干態(tài)的概念最初是薛定諤在1926年提出的[3]，對于諧振子位勢，他找到了這樣的態(tài)。直到1963年格勞伯等人系統(tǒng)地建立起光子相干態(tài)，并研究它的相干性與非經(jīng)典性，同時(shí)又證明相干態(tài)是諧振子湮滅算符的本征態(tài)[4]。現(xiàn)在相干態(tài)已被廣泛地應(yīng)用于物理學(xué)的各個領(lǐng)域。實(shí)際上，相干態(tài)是最小測不準(zhǔn)態(tài)，而且兩個正交位相振幅算符有著相同的起伏，在相空間中，相干態(tài)的起伏呈圓形，相干態(tài)在相空間平移或者轉(zhuǎn)動時(shí)此圓保持不變。對于壓縮態(tài)而言，它是泛指一個正交相位振幅算符的起伏比相干態(tài)相應(yīng)分量的起伏小的量子態(tài)，其代價(jià)是另一個正交相位振幅算符的起伏增大，但兩者的乘積等同于相干態(tài)的相應(yīng)量。壓縮態(tài)是一類非經(jīng)典光場，呈現(xiàn)出非經(jīng)典性質(zhì)，例如反聚束效應(yīng)、亞泊松分布等. 壓縮態(tài)由于其在光通訊、高精度干涉測量以及微弱信號檢測方面具有廣泛的應(yīng)用前景使得對它的研究成為量子力學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

理論上，產(chǎn)生壓縮相干態(tài)的方式主要有對真空態(tài)先平移后壓縮（第一類壓縮相干態(tài)）和先壓縮后平移（第二類壓縮相干態(tài)）兩種方式，鑒于很多教材上認(rèn)為這兩種方式產(chǎn)生的壓縮相干態(tài)完全等同，考慮到壓縮算符與平移算符的不對易，而且各量子力學(xué)教科書上每提及這兩種壓縮態(tài)的區(qū)別時(shí)闡述都比較模糊，不能向廣大讀者提供一個清晰的結(jié)論，又考慮到密度算符包含了某一個量子態(tài)的全部信息，所以有必要推導(dǎo)出這兩種壓縮相干態(tài)的密度算符并做分析比較，以闡明二者的異同。

二、第一類壓縮相干態(tài)

對比式（10）和（14）可知，由于產(chǎn)生壓縮相干態(tài)的方式不同，壓縮算符和平移算符之間不對易，得出的兩類壓縮相干態(tài)密度算符也有差異，并不是之前一些教科書里闡述的二者是完全等同的。

第5篇：量子力學(xué)基礎(chǔ)原理范文

關(guān)鍵詞：物理本體；物理實(shí)體；量子現(xiàn)象；主觀；客觀

基金項(xiàng)目：國家社會科學(xué)基金項(xiàng)目“量子概率的哲學(xué)研究”（16BZX022）

中圖分類號：N03 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-854X（2017）06-0054-06

一、引言

時(shí)間和空間是人類所有經(jīng)驗(yàn)的背景。除去存在的事物，時(shí)間、空間什么也不是，不存在只有一件事物的時(shí)間、空間，時(shí)空是事物之間相互關(guān)系的一個方面。

人類通過感性經(jīng)驗(yàn)認(rèn)知的時(shí)空，稱作經(jīng)驗(yàn)時(shí)空；以科學(xué)原理和科學(xué)方法指導(dǎo)認(rèn)知的時(shí)空是科學(xué)時(shí)空；牛頓時(shí)空、狹義相對論時(shí)空、廣義相對論時(shí)空、量子力學(xué)時(shí)空，是經(jīng)驗(yàn)時(shí)空的科學(xué)提升和科學(xué)發(fā)展，稱作物理時(shí)空①。物理時(shí)空是科學(xué)時(shí)空。描述現(xiàn)象實(shí)體的時(shí)空是現(xiàn)象時(shí)空，經(jīng)驗(yàn)時(shí)空、物理時(shí)空、科學(xué)時(shí)空均是現(xiàn)象時(shí)空。而未經(jīng)觀察的“自在實(shí)體（物理本體）”所在時(shí)空，稱為“本體時(shí)空”?！氨倔w時(shí)空”是復(fù)數(shù)的②，因此，人類實(shí)質(zhì)生活在復(fù)數(shù)時(shí)空中 。作為自然人，觀察者存在于“本體時(shí)空”，實(shí)時(shí)空是人類對時(shí)空認(rèn)識的簡化③。

主體、客體、觀察信號是人類認(rèn)知自然的三大基本要素④。一般“現(xiàn)象對觀察者的主觀依賴性”有其客觀原因，體現(xiàn)觀察信號的自然屬性對觀察者在認(rèn)知中的影響。當(dāng)把現(xiàn)象對觀察者的主觀依賴性轉(zhuǎn)化為時(shí)空的屬性后，就可以達(dá)到客觀描述物質(zhì)世界⑤。所謂客觀描述就是理論計(jì)算與經(jīng)驗(yàn)及科學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。

考慮觀察信號的客觀作用并納入時(shí)空理論的科學(xué)建構(gòu)之中，客觀描述物理現(xiàn)象，是物理學(xué)家的重要工作。一般，哲學(xué)認(rèn)知中沒有明晰“觀察信號中介作用”的客觀地位，不管“機(jī)械反映論”，還是“能動反映論”，都自動將其融入“反映論”理論體系，尤其是前者，往往容易導(dǎo)致主觀唯心主義的滋生。

狹義相對論用光對時(shí)，考慮了光對建立時(shí)空的貢獻(xiàn)；牛頓時(shí)空是對時(shí)信號速度c趨于無窮大的極限情態(tài)；考慮引力場對建立時(shí)空的影響，引力時(shí)空是彎曲的，狹義相對論的平直時(shí)空是它的局域特例。從牛頓力學(xué)到狹義相對論再到廣義相對論，時(shí)空發(fā)生了變化，但主體與描述對象的關(guān)系沒有變，主體對客體的描述是客觀的。那么是否主體對認(rèn)知對象完全沒有主觀影響？如果有，它如何產(chǎn)生，又如何消解，實(shí)現(xiàn)客觀描述物質(zhì)世界？經(jīng)典力學(xué)中，人類的處理方法是通過揭示“現(xiàn)象對觀察者的主觀依賴性”及其產(chǎn)生機(jī)理，在不同認(rèn)知領(lǐng)域區(qū)分描述中可以忽略的和不可忽略的，能忽略的舍棄，不能忽略的轉(zhuǎn)化成時(shí)空的屬性，實(shí)現(xiàn)客觀描述；而從牛頓力學(xué)（或相對論力學(xué)）到量子力學(xué)，時(shí)空沒有變化，描述對象具有波粒二象性，“量子現(xiàn)象的主觀依賴性”更為突出。如何消解“量子現(xiàn)象對觀察者的主觀依賴性”，實(shí)現(xiàn)量子現(xiàn)象的客觀描述，一直是量子力學(xué)基礎(chǔ)討論的熱點(diǎn)。量子力學(xué)必須有自己的客觀描述量子現(xiàn)象的時(shí)空⑥。

量子力學(xué)時(shí)空是閔氏時(shí)空的復(fù)數(shù)拓展和推廣⑦，由此可以實(shí)現(xiàn)客觀描述量子世界。它與相對論時(shí)空有交集，也有異域。有因必有果，反之亦然，時(shí)間與因果關(guān)系等價(jià)⑧。量子力學(xué)中的非定域性，與能量、動量量子化及量子態(tài)的突變性相關(guān)聯(lián)。突變無須時(shí)間，導(dǎo)致因果鏈斷裂，與因果關(guān)聯(lián)的相互作用也被刪除，由此引進(jìn)了類空間隔。平行并存量子態(tài)的出現(xiàn)，是不遵從因果律的量子力學(xué)新表現(xiàn)；當(dāng)能量、動量和相互作用變得連續(xù)，宏觀時(shí)序得到恢復(fù)時(shí)，回到相對論時(shí)空，量子測量中“量子態(tài)和時(shí)空的坍縮”⑨ 是不同物理時(shí)空的轉(zhuǎn)換，希爾伯特空間只是它們的共同數(shù)學(xué)應(yīng)用空間⑩。

時(shí)空不是絕對的，相對時(shí)空有更廣闊的含義，人類需要擴(kuò)大對時(shí)空概念的認(rèn)知，不同的認(rèn)知層次有不同的時(shí)空對應(yīng)，復(fù)數(shù)時(shí)空更為本質(zhì)。人們不應(yīng)該將所有領(lǐng)域的物理實(shí)體歸于某一時(shí)空描述，或者用一種時(shí)空的性質(zhì)去否定另一種時(shí)空的存在。還是愛因斯坦說得好：是理論告訴我們能夠觀察到什么。當(dāng)然，新的實(shí)驗(yàn)事實(shí)又將告訴人們，理論及其對應(yīng)的時(shí)空應(yīng)該如何修改和發(fā)展。理論不同時(shí)空不同，時(shí)空具有建構(gòu)特征。

二、時(shí)空的哲學(xué)認(rèn)知與物理學(xué)描述

時(shí)空是哲學(xué)的基本概念，也是物理學(xué)的基本概念。哲學(xué)認(rèn)為，時(shí)間和空間是物質(zhì)的存在形式，既不存在沒有時(shí)空的物質(zhì)，也不存在沒有物質(zhì)的時(shí)空。笛卡爾指出，空間是事物的廣延性，時(shí)間是事物的持續(xù)性；康德認(rèn)為，時(shí)空是感性材料的先天直觀形式；牛頓提出時(shí)間和空間是彼此分離，絕對不變的，強(qiáng)調(diào)數(shù)學(xué)的時(shí)間自我均勻流逝；萊布尼茨說，空間是現(xiàn)象的共存序列，時(shí)間與運(yùn)動相聯(lián)系；黑格爾認(rèn)為，事物運(yùn)動的本質(zhì)是空間和時(shí)間的直接統(tǒng)一。休謨認(rèn)為，時(shí)、空上的接近和先后關(guān)系與因果性直接相關(guān)。中國的“宇”和“宙”就是空間和時(shí)間概念，它是把三維空間和一維時(shí)間概念同宇宙密切聯(lián)系在一起的最早應(yīng)用{11}。

哲學(xué)具有啟示作用，但時(shí)空概念如果不與人的社會實(shí)踐、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、科學(xué)理論及其數(shù)學(xué)物理方法相聯(lián)系，就只能停留在形而上，無法上升為科學(xué)理論概念。

物理學(xué)中，空間從測量和描述物體及其運(yùn)動的位置、形狀、方向中抽象出來；時(shí)間則從描述物體運(yùn)動的持續(xù)性、周期性，以及事件發(fā)生的順序、因果性中抽象出來；空間和時(shí)間的性質(zhì)，主要從物體運(yùn)動及其相互作用的各種關(guān)系和度量中表現(xiàn)出來。描述物體的運(yùn)動，先選定參照物，并在參照物上建立一個坐標(biāo)系，一般參照物被抽象成點(diǎn)，它就是坐標(biāo)系的原點(diǎn)；假定被描述物體的形體結(jié)構(gòu)對討論的問題（或?qū)⒄瘴锏臅r(shí)空）沒有影響，將物體抽象成質(zhì)點(diǎn)，討論質(zhì)點(diǎn)在坐標(biāo)系中的運(yùn)動及其相關(guān)規(guī)律，這就是物理學(xué)。由此，“時(shí)空是物質(zhì)的存在形式”的哲學(xué)認(rèn)知也就轉(zhuǎn)化為人類可操作的具體物理理論描述。

可見，時(shí)空的認(rèn)知與人類的社會實(shí)踐、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、科學(xué)進(jìn)步直接相關(guān)，離不開物理和數(shù)學(xué)方法的應(yīng)用。笛卡爾平直空間、閔可夫斯基空間、黎曼空間都已作為物理學(xué)所依托的幾何學(xué)，在牛頓力學(xué)、狹義相對論、廣義相對論中得到了充分應(yīng)用。由此，幾何學(xué)被賦予了物理意義。從牛頓力學(xué)到狹義相對論再到廣義相對論，時(shí)空發(fā)生了變化，但描述對象與觀察者之間的關(guān)系沒有變，描述是客觀的，并且描述對象都可抽象成經(jīng)典的粒子，采用質(zhì)點(diǎn)模型。量子力學(xué)不同，從牛頓力學(xué)（相對論力學(xué)）到量子力學(xué)，描述量子現(xiàn)象的時(shí)空沒有變化{12}，物理模型沒有變，但量子現(xiàn)象對觀察者有明顯的主觀依賴性，難以客觀描述微觀量子現(xiàn)象。深入分析，解決的辦法有兩種，一是更換物理模型的同時(shí)也改變物理時(shí)空，消除“量子現(xiàn)象對觀察者的主觀依賴性”，實(shí)現(xiàn)客觀描述微觀量子客體；二是改變時(shí)空的同時(shí)，保留“量子現(xiàn)象對觀察者的主觀依賴性”，將本體、認(rèn)識、時(shí)空融為一體，主觀納入客觀，模糊主客關(guān)系。雙4維時(shí)空量子力學(xué)基礎(chǔ)采用了第一種方法。通過場物質(zhì)球模型，把點(diǎn)模型隱藏的空間自由度釋放出來；在改變物理模型的同時(shí)，也改變了描述時(shí)空；將不是點(diǎn)的微觀客體自身的空間分布特性，轉(zhuǎn)化為描述空間的屬性，客觀描述量子客體。我們認(rèn)為，第二種方法將主觀認(rèn)識不加區(qū)分地“融入時(shí)空”，有損客觀性、科W性，量子力學(xué)時(shí)空必須是描述客觀世界的時(shí)空。物理時(shí)空需要建構(gòu)。

三、牛頓絕對時(shí)空中“現(xiàn)象對觀察者的主觀依賴性”及其“消解”

眾所周知，物理學(xué)對物體運(yùn)動狀態(tài)的描述，理應(yīng)包含參照物和被描述物體自身的時(shí)空特征，而參照物和物體自身的時(shí)空特征，必須通過觀察發(fā)現(xiàn)。觀察需要觀測信號，物體運(yùn)動狀態(tài)及其時(shí)空特征必然帶有觀測信號的烙印{13}。

“物理本體”不可直接觀察，我們觀察到的是“物理實(shí)體”{14}。參照物與研究對象都有自己對應(yīng)的物理時(shí)空，牛頓力學(xué)時(shí)空應(yīng)該是兩者的綜合，而不應(yīng)該只是參照物的時(shí)空。但是，牛頓力學(xué)中光速無窮大，在討論物體運(yùn)動時(shí)，又假設(shè)研究對象的時(shí)空結(jié)構(gòu)對討論的問題沒有影響，忽略不計(jì)，于是，研究對象抽象成了質(zhì)點(diǎn)，整個理論體系就只有與參照物聯(lián)系的時(shí)空了。

任何具體物體都不會是質(zhì)點(diǎn)。當(dāng)用信號去觀察它時(shí)，物體自身的時(shí)空特征與物體的運(yùn)動狀態(tài)與觀察信號的性質(zhì)、強(qiáng)弱和傳播速度相關(guān)。質(zhì)點(diǎn)模型忽略物體自身的幾何形象及其變化，忽略運(yùn)動及觀察信號對物體自身時(shí)空特征的影響，參照物也不例外。在從參照物到坐標(biāo)系的抽象中，抽掉運(yùn)動及觀察信號對參照物時(shí)空特性的影響，就是抽掉物體運(yùn)動及觀察信號對坐標(biāo)系時(shí)空特性的影響，就是抽掉人的參與對時(shí)空認(rèn)知的影響{15}。牛頓力學(xué)時(shí)空與物體運(yùn)動及觀察者無關(guān)，絕對不變，基于絕對不動的以太之上。所以，牛頓可以把時(shí)間和空間從物質(zhì)運(yùn)動中分離出來，時(shí)間和空間也彼此分割，空間絕對不變，數(shù)學(xué)的、永遠(yuǎn)流逝的時(shí)間絕對不變{16}。哲學(xué)的時(shí)空演變成了可操作的物理時(shí)空。這是宏觀低速運(yùn)動對時(shí)空的簡化與抽象，理論與宏觀經(jīng)驗(yàn)及計(jì)算相符。

相互作用實(shí)在論認(rèn)為，現(xiàn)實(shí)世界是人參與的世界，對一個研究對象的觀察，離不開主體、客體、觀察信號三個基本要素。參照物和觀察對象的運(yùn)動和變化及其時(shí)空屬性，與觀察信號的性質(zhì)相關(guān)。牛頓力學(xué)中，不是沒有現(xiàn)象對觀察主體的依賴性，而是在理論的建立中認(rèn)為影響很小，可以忽略不計(jì)。牛頓力學(xué)是“物理本體=物理實(shí)體”的力學(xué){17}。這與宏觀經(jīng)驗(yàn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)相符，在宏觀低速運(yùn)動層次實(shí)現(xiàn)了主客二分，理論被看作是對客觀實(shí)在的描述。牛頓力學(xué)中，物質(zhì)告訴時(shí)空如何搭建描述背景，時(shí)空告訴物質(zhì)如何在背景中運(yùn)動。二者構(gòu)成背景相關(guān)。

牛頓時(shí)空是均勻平直時(shí)空，相對勻速運(yùn)動坐標(biāo)系間的變換是伽利略變換。物理定律在伽利略換下具有協(xié)變性，相對性原理成立。

四、狹義相對論中“現(xiàn)象對觀察者的主觀依賴性”及其“消解”

狹義相對論建立之前，洛倫茲就認(rèn)為高速運(yùn)動中物體長度在運(yùn)動方向發(fā)生收縮{18}。這是他站在牛頓時(shí)空立場，承認(rèn)以太及絕對坐標(biāo)系的存在對洛倫茲變換所作的解釋。描述時(shí)空沒有變，“現(xiàn)象對觀察者出現(xiàn)了主觀依賴性”。自然現(xiàn)象失去了客觀性，這是一次認(rèn)識危機(jī)，屬19世紀(jì)末20世紀(jì)初兩朵烏云之一。

狹義相對論不同，它考慮宏觀高速運(yùn)動中觀察信號對物體時(shí)空特征的影響。愛因斯坦在“火車對時(shí)”實(shí)驗(yàn)中，他用“光”作為觀察、記錄、認(rèn)知物體時(shí)空特征的信號{19}；通過參照物到坐標(biāo)系的抽象，論證靜、動坐標(biāo)系K與K′“同時(shí)性”不同，靜、動坐標(biāo)系運(yùn)動方向時(shí)空測量單位發(fā)生了變化；將洛倫茲所稱“運(yùn)動物體自身運(yùn)動方向上的長度收縮”演變成坐標(biāo)系時(shí)空框架的屬性，還原質(zhì)點(diǎn)模型，建立相對論力學(xué)。實(shí)現(xiàn)了觀察者對觀察對象的客觀描述。

狹義相對論中質(zhì)點(diǎn)的動量、能量、位置和時(shí)間都有確定值，質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動具有確定的軌跡，這一點(diǎn)與牛頓力學(xué)相同。

狹義相對論時(shí)空的另一重要物理意義是揭示了“物理本體”的客觀實(shí)在性。

牛頓力學(xué)缺少相對論不可直接觀察的靜能（m0c2，m0c）對應(yīng)物，物理本體=物理實(shí)體，哲學(xué)上的抽象時(shí)空直接過渡到牛頓物理時(shí)空。

狹義相對論不一樣，每一個物體都有一個不可直接觀察的靜能（m0c2，m0c）對應(yīng)物，它在任何靜止參考系中都是不變量，是物理實(shí)體背后的物理本體，物理本體不變，變的是mc2、mc對應(yīng)的物理實(shí)體?！拔锢肀倔w”既不是形而上的（物自體），也不是形而下的（物體），是形而中的（靜能對應(yīng)物）。它可以認(rèn)知、可以理論建構(gòu)，但又不可直接觀察。相對于牛頓，愛因斯坦相對論揭示了“物理本體”的真實(shí)存在性?！翱陀^物質(zhì)世界”不是思維的產(chǎn)物。

狹義相對論中，物質(zhì)告訴時(shí)空在運(yùn)動方向如何修正測量單位，時(shí)空告訴物質(zhì)如何長度收縮、時(shí)間減緩。時(shí)空具有相對性。

狹義相對論時(shí)空雖然也是均勻平直時(shí)空，但由于有上述“相對時(shí)空”的出現(xiàn)，時(shí)空度規(guī)與歐氏時(shí)空度規(guī)有明顯區(qū)別，所以稱為贗歐氏時(shí)空。

但狹義相對論仍然是只考慮光及光速的有限性對建立時(shí)空的影響，沒有考慮引力作用對建立時(shí)空的影響。如果考慮引力對時(shí)空的影響又如何呢？

五、廣義相對論中“現(xiàn)象對觀察者的主觀依賴性”及其“消解”

廣義相對論中有水星近日點(diǎn)進(jìn)動問題和光走曲線的討論。站在牛頓平直時(shí)空的立場，觀察結(jié)果與理論計(jì)算不符。這不是儀器的精度不夠，也不是操作失誤，而是理論本身的問題。因?yàn)?，牛頓力學(xué)也好，狹義相對論也好，討論引力問題，引力場對參照物和研究對象時(shí)空屬性的影響都沒有計(jì)入其中，而留在觀察者對“現(xiàn)象”的觀察、判斷之中，出現(xiàn)宇觀大尺度“現(xiàn)象對觀察者的主觀依賴性”。如果考慮引力場使時(shí)空發(fā)生彎曲，利用彎曲時(shí)空計(jì)算水星近日點(diǎn)進(jìn)動和光走曲線現(xiàn)象，“現(xiàn)象對觀察者的主觀依賴性”就變成時(shí)空的屬性?！艾F(xiàn)象對觀察者的主觀依賴性”就得到了“消解”，觀察現(xiàn)象與理論結(jié)果就取得了一致。這里，物質(zhì)使時(shí)空彎曲，時(shí)空告訴物質(zhì)如何在彎曲時(shí)空中運(yùn)動。廣義相對論實(shí)現(xiàn)了觀察者對觀察對象的客觀描述。

廣義相對論時(shí)空是彎曲的，時(shí)空度規(guī)是變化的。

六、量子力學(xué)中“現(xiàn)象對觀察者的主觀依賴性”及其“消解”

微觀客體具有波粒二象性，同一個電子，通過雙縫表現(xiàn)為波，而打在屏幕上又表現(xiàn)為粒子，電子集波和粒子于一身，“量子現(xiàn)象對觀察者的主觀依賴性”更為突出。經(jīng)典力學(xué)中波動性和粒子性不能集物體于一身，量子力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)表現(xiàn)出深刻的矛盾。矛盾的產(chǎn)生，可能是描述微觀現(xiàn)象的時(shí)空出了問題。量子力學(xué)的研究領(lǐng)域是微觀世界，研究對象是微觀客體，不是經(jīng)典的粒子，用以觀察的信號也不是連續(xù)的光，而是量子化了的光，通過光信號建立的時(shí)空應(yīng)該與牛頓、相對論時(shí)空有所區(qū)別。而量子力學(xué)使用的還是牛頓時(shí)空、狹義相對論時(shí)空，時(shí)空沒有變，物理模型沒有變，而研究領(lǐng)域、觀察信號和研究“對象”變了。量子力學(xué)必須有自己對應(yīng)的時(shí)空，將“量子現(xiàn)象對觀察者的主觀依賴性”，轉(zhuǎn)化為描述時(shí)空的屬性，實(shí)現(xiàn)客觀描述量子現(xiàn)象！ 雙4維時(shí)空量子力學(xué)就是為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)應(yīng)運(yùn)而生的。

現(xiàn)有量子力學(xué)“量子現(xiàn)象對觀察者的主觀依賴性”之所以難以消解，與量子力學(xué)中的點(diǎn)模型相關(guān)。許多量子現(xiàn)象與點(diǎn)模型隱藏的空間自由度有直接聯(lián)系，但點(diǎn)模型忽略了這些自由度對產(chǎn)生微觀量子現(xiàn)象的作用和影響。我們必須將隱藏的空g自由度還原于時(shí)空，才可能正確地認(rèn)識、客觀描述量子現(xiàn)象。

可以公認(rèn)，微觀客體不是點(diǎn){20}，是一個有形客體，有一定的空間分布，不存在確定于某點(diǎn)的空間位置，這是客觀事實(shí)。理論上，牛頓時(shí)空幾何點(diǎn)位置是確定的，量子力學(xué)使用的是質(zhì)點(diǎn)模型，0 維，位置也是確定的，牛頓時(shí)空可以精確描述質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動。那么微觀客體空間分布的不確定性如何處理？人們只好轉(zhuǎn)而認(rèn)為點(diǎn)粒子在其“空間分布”區(qū)域位置具有概率屬性。微觀客體自身空間分布的客觀實(shí)在性在量子世界轉(zhuǎn)化成了一種主觀認(rèn)知，賦予了微觀客體“內(nèi)稟”的概率屬性，其運(yùn)動產(chǎn)生概率分布，或稱其為概率波。

這是一個認(rèn)識上的困惑，似乎量子力學(xué)描述失去了客觀實(shí)在性。這也是量子力學(xué)當(dāng)今的困境。解決困難的方法是：（一）更換點(diǎn)模型，釋放點(diǎn)模型隱藏的自由度，展示“這些自由度對產(chǎn)生微觀現(xiàn)象的貢獻(xiàn)”；（二）建立適合量子力學(xué)自身的時(shí)空，將釋放的自由度植入其中，讓“量子現(xiàn)象對觀察者的主觀依賴性”變成量子力學(xué)時(shí)空自身的屬性。

雙4維時(shí)空量子力學(xué)的辦法是：（一）用“轉(zhuǎn)動場物質(zhì)球”模型取代“質(zhì)點(diǎn)”模型，釋放點(diǎn)模型隱藏的空間自由度；（二）將4維實(shí)時(shí)空M4（x）拓展到雙4維復(fù)時(shí)空W（x，k），且將“釋放的空間自由度――曲率k”作為雙4維復(fù)時(shí)空的虛部坐標(biāo)；（三）4維曲率坐標(biāo)將量子力學(xué)賦予微觀客體自身的概率屬性變成量子力學(xué)復(fù)時(shí)空的幾何屬性，場物質(zhì)球自身的旋轉(zhuǎn)與運(yùn)動產(chǎn)生物質(zhì)波――物理波。

“場物質(zhì)球”與“物質(zhì)波”（類似對偶性假設(shè)）既是同一物理實(shí)在的兩種不同描述方式，更是微觀客體粒子性和波動性的統(tǒng)一，曲率的大小表示粒子性，曲率的變化表示波動性。場物質(zhì)球的物質(zhì)密度是曲率k的函數(shù)，因此，物質(zhì)波既是場物質(zhì)球的結(jié)構(gòu)波又是場物質(zhì)密度波。物質(zhì)波不是傳播能量，而是傳播場物質(zhì)球的結(jié)構(gòu)或物質(zhì)密度變化，可映射成實(shí)時(shí)空M4（x）的概率分布{21}，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。

這樣，點(diǎn)模型中“量子現(xiàn)象對觀察者的主觀依賴性”通過“釋放的自由度”轉(zhuǎn)變?yōu)闀r(shí)空W（x，k）的屬性，物質(zhì)波傳播其中，量子現(xiàn)象是物質(zhì)波所為。

研究表明，是量子測量引入的連續(xù)作用，使雙4維時(shí)空W（x，k）全域轉(zhuǎn)換到實(shí)時(shí)空M4（x），波動形態(tài)轉(zhuǎn)變成粒子形態(tài)（“相變”），球模型轉(zhuǎn)換成點(diǎn)模型，概率屬性內(nèi)在其中，物質(zhì)波自動映射成概率波，數(shù)學(xué)處理類似表象變換{22}。

簡言之，傳統(tǒng)量子力學(xué)，微觀客體簡化成質(zhì)點(diǎn)，描述時(shí)空不變，人的主觀意識介入其中，將其空間分布特性――位置不確定性，變成點(diǎn)粒子的概率屬性，實(shí)現(xiàn)描述對象從客觀到主觀認(rèn)知的轉(zhuǎn)變，具有位置不確定性的點(diǎn)粒子，其運(yùn)動產(chǎn)生概率波；雙4維時(shí)空量子力學(xué)，微觀客體簡化成場物質(zhì)球，“空間分布具體化為幾何曲率”，空間分布特性變成曲率坐標(biāo)，仍然是從客觀到客觀，描述時(shí)空變成了復(fù)時(shí)空，曲率坐標(biāo)在其虛部，場物質(zhì)球的運(yùn)動產(chǎn)生物質(zhì)波――物理波。通過量子測量，物質(zhì)波映射成概率波，球模型演變成點(diǎn)模型，顯示概率屬性，時(shí)空內(nèi)在自動轉(zhuǎn)換，量子現(xiàn)象對觀察者的主觀依賴性消解在建構(gòu)的時(shí)空理論中。具體論證方法是：

將靜態(tài)場物質(zhì)球?qū)懗勺孕▌有问剑害?=е■，描述在復(fù)空間。ω0是常數(shù)，它的變化只與自身坐標(biāo)系時(shí)間t0相關(guān)，全空間分布（物理本體所在空間）。設(shè)建在“靜態(tài)”場物質(zhì)球上的坐標(biāo)系為K0，觀察微觀客體從靜止開始作蛩僭碩，由洛倫茲變換：

微觀客體的運(yùn)動速度不同，平面波相位不同。復(fù)相空間kμxμ即為物質(zhì)波所在時(shí)空。物質(zhì)波是物理波。

自由微觀客體的速度就是建在其上慣性坐標(biāo)系的速度，慣性系間的坐標(biāo)變換，隱藏速度突變――“超光速”概念，因?yàn)?，連續(xù)變化會引進(jìn)引力場破壞線性空間。不同慣性系中平面波之間，相位不同，類似量子力學(xué)中的不同本征態(tài)。這是相對論中的情形{24}。

但是，量子力學(xué)建立其理論體系時(shí)，把上述不同慣性系中的平面波（不同本征態(tài)，每一本征態(tài)則對應(yīng)一慣性系），通過本征態(tài)突變躍遷假設(shè)（量子分割），切斷因果聯(lián)系，形成同一時(shí)空中“同時(shí)”并存的本征態(tài)的疊加。態(tài)的躍遷不需要時(shí)間，“超光速”（非定域），將類空間隔引入量子力學(xué)時(shí)空，破壞了原有的因果關(guān)系。疊加量子態(tài)的存在，是“違背”因果律在量子力學(xué)中的新表現(xiàn)。

量子力學(xué)時(shí)空顯然不是牛頓、狹義相對論時(shí)空，但量子力學(xué)卻誤認(rèn)為量子躍遷引起的時(shí)空性質(zhì)的變化是牛頓、狹義相對論時(shí)空中的特征，這當(dāng)然會帶來不可調(diào)和的認(rèn)知矛盾。

同一微觀客體，不同本征態(tài)“同時(shí)”并存的物理狀態(tài)，從整體看，是洛倫茲協(xié)變性在量子力學(xué)中的新表現(xiàn)。突變區(qū)“超光速”，是類空空間，“不遵從”因果律；釋放光子的運(yùn)動在類光空間；而本征態(tài)自身在類時(shí)空間，微觀客體運(yùn)動速度不能超過光速，需保持因果律，物質(zhì)波討論的就是這一部分，就像相對論討論類時(shí)空間物理一樣。量子糾纏態(tài)將涉及到上述三種不同性質(zhì)物理空間量子態(tài)的轉(zhuǎn)換，有完全合理的物理機(jī)制，不需要思維的特殊作用。不過，相對論長度收縮效應(yīng)，將以物質(zhì)波波長在運(yùn)動方向上的收縮來體現(xiàn)。有了雙4維時(shí)空量子力學(xué)，量子力學(xué)與相對論就是相容的，光錐圖分析一樣適用。

相對論與量子力學(xué)的不同，關(guān)鍵在于認(rèn)知層次發(fā)生了變化，光由連續(xù)場演變成了量子場。而我們用來觀察世界的光信號直接與時(shí)空相關(guān)，光的物理性質(zhì)的變化，必然帶來物理空間性質(zhì)的變化，帶來物理模型的變化，帶來量子力學(xué)時(shí)空W（x，k）與相對論時(shí)空M4（x）之間的區(qū)別，帶來對物質(zhì)波――物理波的全新認(rèn)知。我們預(yù)言，物質(zhì)波有通訊應(yīng)用價(jià)值{25}，但與量子力學(xué)非定域性無關(guān)。

《雙4維復(fù)時(shí)空量子力學(xué)基礎(chǔ)――量子概率的時(shí)空起源》的理論實(shí)踐表明，我們的工作是可取的{26}。結(jié)論是，量子力學(xué)中，物質(zhì)告訴時(shí)空如何具有概率屬性，時(shí)空告訴物質(zhì)如何作概率運(yùn)動。量子現(xiàn)象對觀察者的主觀依賴性消解在對應(yīng)的時(shí)空理論之中，實(shí)現(xiàn)了觀察者對量子現(xiàn)象的客觀描述。

雙4維時(shí)空是描述量子現(xiàn)象的物理時(shí)空，時(shí)空度規(guī)，無論實(shí)數(shù)部分，還是虛數(shù)部分，都是平直的{27}。

近年來，由于量子通訊技術(shù)的飛速發(fā)展，量子糾纏的物理基礎(chǔ)引起了人們的特別關(guān)注，波函數(shù)的物理本質(zhì)，量子力學(xué)的非定域性討論十分熱烈?！傲孔蝇F(xiàn)象對觀察者的主觀依賴性”更是討論的核心。人們甚至被量子現(xiàn)象的奇異性迷惑了，特別是，有科學(xué)家甚至認(rèn)為：“客觀世界很有可能并不存在”。世界是人臆造出來的？科學(xué)實(shí)在論者當(dāng)然不能贊成！更加深入的探討，我們將另文討論。

按照曹天予的評論，《雙4維復(fù)時(shí)空量子力學(xué)基礎(chǔ)――量子概率的時(shí)空起源》值得關(guān)注{28}。雙4維復(fù)時(shí)空與弦論、圈論比較，最大優(yōu)點(diǎn)是將時(shí)空拓展、推廣到了復(fù)數(shù)空間，數(shù)學(xué)沒有那么復(fù)雜，而物理學(xué)基礎(chǔ)卻更加堅(jiān)實(shí)、清晰。

七、結(jié)論與討論

1.“現(xiàn)象對觀察者的主觀依賴性”普遍存在于人與自然的關(guān)系之中，融入時(shí)空的只能是物理實(shí)體對時(shí)空有影響的部分，時(shí)空具有建構(gòu)特征。

2. 物質(zhì)運(yùn)動與時(shí)空的關(guān)系：牛頓力學(xué)中，物質(zhì)告訴時(shí)空如何搭建運(yùn)動背景，時(shí)空告訴物質(zhì)如何在背景上運(yùn)動；狹義相對論中，物質(zhì)告訴時(shí)空如何修正測量單位，時(shí)空告訴物質(zhì)如何在運(yùn)動方向長度收縮、時(shí)間減緩；廣義相對論中，物質(zhì)告訴時(shí)空如何彎曲，時(shí)空告訴物質(zhì)如何在彎曲時(shí)空中運(yùn)動；量子力學(xué)中，物質(zhì)告訴時(shí)空如何具有概率屬性，時(shí)空告訴物質(zhì)如何作概率運(yùn)動。

3. 量子力學(xué)時(shí)空是平直的，其方程是線性的，而廣義相對論時(shí)空是彎曲的，其方程是非線性的{29}。量子力學(xué)與廣義相對論的統(tǒng)一，不能機(jī)械地湊合，它們的統(tǒng)一，必須從改變時(shí)空的性質(zhì)做起，建立相應(yīng)的運(yùn)動方程，并搭起非線性空間與線性空間的相互聯(lián)絡(luò)通道。

注釋：

① 趙國求：《雙4維時(shí)空量子力學(xué)基礎(chǔ)》，湖北科學(xué)技術(shù)出版社2016年版，第5頁；Cao Tian Yu， From Current Algebra to Quantum Chromodynamics： A Case for Structural Realism， Cambridge： Cambridge University Press， 2010， pp.202-241.

② Rocher Edouard， Noumenon： Elementaryentity of a Newmechanics， J. Math. Phys.， 1972， 13（12）， pp.1919-1925.

③④⑥⑦⑩{13}{15}{17}{21}{22}{24}{25}{27} w國求：《雙4維時(shí)空量子力學(xué)基礎(chǔ)》，湖北科學(xué)技術(shù)出版社2016年版，第5、105、9、147、179、94、133―136、106、151、151、159、152、149頁。

⑤ 主觀與客觀：“客觀”，觀察者外在于被觀察事物；“主觀”，觀察者參與到被觀察事物當(dāng)中。 辯證唯物主義認(rèn)為主觀和客觀是對立的統(tǒng)一，客觀不依賴于主觀而獨(dú)立存在，主觀能動地反映客觀。

⑧ L?斯莫林：《通向量子引力的三條途徑》，李新洲等譯，上?？茖W(xué)技術(shù)出版社2003年版，第29―33頁。

⑨ 張永德：《量子菜根譚》，清華大學(xué)出版社2012年版，第29頁；趙國求：《雙4維時(shí)空量子力學(xué)基礎(chǔ)》，湖北科學(xué)技術(shù)出版社2016年版，第178頁。

{11} 馮契：《哲學(xué)大辭典》，上海辭書出版社2001年版，第1579―1582頁。

{12} 參見L?斯莫林：《物理學(xué)的困惑》，李泳譯，湖南科學(xué)技術(shù)出版社2008年版。

{14} 相互作用實(shí)在論中的基本概念：（1）物質(zhì)：外在世界的本原。（2）基本相互作用：遍指自然力，有引力，電磁、強(qiáng)、弱等力。（3）自在實(shí)體：指未經(jīng)觀察的“自然客體”（相互作用實(shí)在論中，自在實(shí)體作為物理研究對象時(shí)稱物理本體）。（4）現(xiàn)象實(shí)體：經(jīng)過觀察，系統(tǒng)的、穩(wěn)定的、深刻反映事物本質(zhì)的理性認(rèn)知物?，F(xiàn)象則表現(xiàn)自在實(shí)體非本質(zhì)的一面。（相互作用實(shí)在論中，現(xiàn)象實(shí)體作為物理研究對象時(shí)稱物理實(shí)體）。（5）觀測信號：人類認(rèn)知世界使用的探測信號。

{16} 參見伊?牛頓：《自然哲學(xué)之?dāng)?shù)學(xué)原理宇宙體系》，武漢出版社1996年版。

{18} 參見倪光炯等：《近代物理學(xué)》，上海科學(xué)技術(shù)出版社1980年版。

{19} 參見A?愛因斯坦：《相對論的意義》，科學(xué)出版社1979年版；愛因斯坦等：《物理學(xué)的進(jìn)化》，周肇威譯，上海科學(xué)技術(shù)出版社1964年版。

{20} 坂田昌一：《坂田昌一科學(xué)哲學(xué)論文集》，安度譯，知識出版社2001年版，第140頁。

{23} 參見Guo Qiu Zhao， Describe Quantum Mechanics in Dual 4d Complex Space-Time and the Ontological Basis of Wave Function， Journal of Modern Physics， 2014， 5（16）， p.1684；趙國求：《雙4維時(shí)空量子力學(xué)基礎(chǔ)》，湖北科學(xué)技術(shù)出版社2016年版，第149頁。

{26} 參見Guo Qiu Zhao， Describe Quantum Mechanics in Dual 4d Complex Space-Time and the Ontological Basis of Wave Function， Journal of Modern Physics， 2014， 5（16）， p.1684；趙國求：《雙4維時(shí)空量子力學(xué)描述》，

《現(xiàn)代物理》2013年第5期；趙國求、李康、吳國林：《量子力學(xué)曲率詮釋論綱》，《武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)》（社會科學(xué)版）2013年第1期。

{28} 曹天予：《當(dāng)代科學(xué)哲學(xué)中的庫恩挑戰(zhàn)》，《中國社會科學(xué)報(bào)》2016年5月31日。

第6篇：量子力學(xué)基礎(chǔ)原理范文

量子力學(xué)的成功和困惑

用宏觀物理學(xué)的方法研究原子的性質(zhì)及其相互作用時(shí)，只能通過測量微觀量的平均值，大平均過程掩蓋了原子水平上的重要效應(yīng)。操控單個微觀粒子，研究單個粒子的行為和性質(zhì)以及少數(shù)粒子的相互作用，一直是就是物理學(xué)家夢寐以求的事。隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，控制單個微觀粒子的愿望成為可能。特別是1960年激光的發(fā)明和在這以后激光技術(shù)的發(fā)展，可以隨我們所需改變激光的頻率，控制激光束的延續(xù)時(shí)間并使激光束聚焦到一個原子大小的范圍。從這以后，實(shí)驗(yàn)技術(shù)和實(shí)驗(yàn)方法有了極大的發(fā)展，利用激光可以使原子或離子冷卻到接近絕對零度，就是使它們的運(yùn)動速度減到非常小，直至幾乎停止。還實(shí)現(xiàn)了利用特殊的電磁場來陷俘單個原子或離子。物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)展使研究單個或少數(shù)幾個粒子的性質(zhì)、深入研究光子和物質(zhì)粒子的相互作用有了可能。這不僅打開了高科技應(yīng)用的廣闊前景，還為證實(shí)和發(fā)展量子物理學(xué)的基本原理提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

量子力學(xué)已有100多年歷史，量子力學(xué)理論取得了輝煌的成功?，F(xiàn)代的高科技產(chǎn)品，如計(jì)算機(jī)芯片、激光、醫(yī)用磁共振等等無不是在量子力學(xué)理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。量子力學(xué)被認(rèn)為是最精確、最成功的物理理論，可是人們對量子力學(xué)的基本原理始終存在著疑問，那些創(chuàng)立量子力學(xué)的物理大師們自己都不滿意量子力學(xué)的基本假設(shè)。在這些大師之間以及他們的后繼者中，關(guān)于量子力學(xué)的理論基礎(chǔ)是否完善的問題爭論不休，新的解釋層出不窮，至今還沒有得出令人滿意的結(jié)論。

量子力學(xué)描寫微觀世界的規(guī)律，但人類的直接經(jīng)驗(yàn)都是關(guān)于宏觀世界的。我們的測量儀器以及人類感官本身都是宏觀物體，儀器測量到的和我們直接感知的都是大量原子組成的宏觀物體。在經(jīng)典物理學(xué)中，觀察不影響被觀察對象的運(yùn)動狀態(tài)，例如，我們能夠觀察一個行星的運(yùn)動，追隨它的運(yùn)動軌跡，行星的狀態(tài)變化與觀察者無關(guān)，不受我們觀察的影響?？墒?，對微觀世界的觀察就完全不是這樣，當(dāng)我們研究一個量子體系時(shí)，經(jīng)過測量后的量子體系原來的狀態(tài)總是被破壞了。例如，光子進(jìn)入光電探測器后，光子就被吸收；電子被探測器件接收后，該電子原來的狀態(tài)就改變了。宏觀儀器對量子系統(tǒng)測量的結(jié)果，都必須轉(zhuǎn)換為經(jīng)典物理學(xué)的語言。要直接觀察并且非破壞性（non-demolition）地測量量子體系的量子性質(zhì)是難以做到的事情，所以，量子力學(xué)所預(yù)言的量子世界的奇特性質(zhì)一直令物理學(xué)家和公眾感到神秘難解。

2012年諾貝爾物理獎獲得者和他們的同事們的工作，突破了經(jīng)典物理學(xué)實(shí)驗(yàn)和人類直接經(jīng)驗(yàn)的限制，他們直接觀察到了個別粒子的量子行為。瓦因蘭德小組做的是在電場中陷俘離子，用光子對它做非破壞性的操控。阿羅什小組是在空腔中陷俘單個光子，用原子進(jìn)行非破壞性的測量。他們異曲同工，都對單個量子粒子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量，研究量子力學(xué)的基本原理。這些研究不僅對量子理論的基本原理的進(jìn)一步闡明有重要意義，并且有廣闊的應(yīng)用前景。

阿羅什：把光子囚禁起來

阿羅什畢業(yè)于法國高等師范學(xué)校。1971年他在巴黎第六大學(xué)獲得博士學(xué)位，導(dǎo)師是柯亨-塔諾季（Claude Cohen-Tannoudji），1997年諾貝爾物理學(xué)獎得主。從20世紀(jì)60年代開始阿羅什就在法國高等師范學(xué)校物理系的卡斯特勒-布羅塞爾實(shí)驗(yàn)室（Kastler-Brossel Laboratory）工作。該實(shí)驗(yàn)室是以獲諾貝爾物理學(xué)獎的阿爾夫萊德?卡斯特勒（Alfred Kastler）的名字命名的。1972～1973年，阿羅什曾到美國斯坦福大學(xué)，在諾貝爾物理學(xué)獎獲得者肖洛的實(shí)驗(yàn)室中工作。

阿羅什說，他們的成功主要得益于卡斯特勒-布羅塞爾實(shí)驗(yàn)室特有的學(xué)術(shù)環(huán)境和物質(zhì)條件。他們組成了極其出色的研究小組，并且將共同積累的知識和技能傳授給一代又一代的學(xué)生。阿羅什還說，他給研究生和本科生的講課也有助于研究工作，在準(zhǔn)備新課的過程中他注意到了光和物質(zhì)相互作用的不同方面。阿羅什認(rèn)為，國際交流學(xué)者參加研究不僅帶來專門的知識和技能，也帶來不同的科學(xué)文化以補(bǔ)充他們自身的不足。他覺得幸運(yùn)的是，在長期的微觀世界探索中，他和他的同事們能夠自由地選擇他們的研究方向，而不必勉強(qiáng)地提出可能的應(yīng)用前景作為依據(jù)。

阿羅什小組的主要成就是發(fā)展了非破壞性的方法檢測單個光子。用通常的方法檢測光子，都是吸收光子并把它轉(zhuǎn)換為電流（光電探測器）或轉(zhuǎn)化為化學(xué)能量（照相底片）（動物的眼睛是將光子轉(zhuǎn)化為神經(jīng)的電脈沖的）?？傊?，光子被測量到后立即消失。近半個世紀(jì)以來，雖然人類發(fā)展出了量子非破壞性測量，但這些測量只能用于大量光子的情況。而阿羅什和同事們做到了反復(fù)測量記錄同一個光子。

光的速度非?？?，達(dá)每秒30萬公里，所以要控制、測量單個光子，必須將光子關(guān)閉在一個小的區(qū)域內(nèi)，并使其在足夠長的時(shí)間內(nèi)不逃逸或被吸收。阿羅什小組實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵是制成反射率極高的凹面鏡。反射鏡是在金屬底板上鍍以超導(dǎo)材料鈮，鏡面拋光到不平整度只有幾個納米（1納米=100萬分之一毫米），光子因鏡面不平而散射逃逸的機(jī)會非常小?？涨挥蓛蓚€凹面鏡相對安放組成，鏡間距離27毫米。整個設(shè)備安置在絕對溫度1度以下的環(huán)境中。一個微波光子在腔中停留時(shí)間可達(dá)十分之一秒，即在兩面鏡子之間來回反射10 億次以上，差不多相當(dāng)于繞地球一周?？梢哉f阿羅什小組創(chuàng)造了限制在很小的有限體積內(nèi)的光子壽命的世界紀(jì)錄。

阿羅什小組的另一項(xiàng)創(chuàng)造性貢獻(xiàn)是利用利用里德伯原子作為探測器，實(shí)現(xiàn)非破壞性測量單個光子。所謂里德伯原子，是激發(fā)到很高的能量軌道上的原子，這種原子的體積比正常原子大許多。他們用銣（原子序數(shù)37）原子，把它的價(jià)電子激發(fā)到第50層的圓形軌道上（主量子數(shù)n=50）。這種情況下，外層電子從n=50 的軌道躍遷到相鄰的軌道n=49和n=51，發(fā)射或吸收微波光子頻率分別為54.3GHz（千兆赫茲）和51.1GHz。正常的原子半徑在0.1納米以下，銣原子中電子占據(jù)的最外層軌道為n=5；當(dāng)它的最外面的電子跑到n=50的圓形軌道上時(shí)，原子的半徑達(dá)到100多納米，原子半徑增大了1000倍以上。這樣的原子好比一個很大的無線電天線，容易和電磁場相互作用。

瓦因蘭德：讓離子停下來

瓦因蘭德和阿羅什同年，都生于1944年。1965年，瓦因蘭德畢業(yè)于美國加利福尼亞大學(xué)伯克利分校；1970年在哈佛大學(xué)獲博士學(xué)位，博士論文題目是“氘原子微波激射器”，導(dǎo)師是拉姆齊（Norman Ramsey）。以后他到華盛頓大學(xué)，在德默爾特（Hans Dehmelt）的實(shí)驗(yàn)室做博士后研究。德默爾特是1989年諾貝爾物理獎獲得者。1975年，瓦因蘭德和德默爾同發(fā)表了討論激光冷卻離子的論文，這是有關(guān)激光致冷的開創(chuàng)性論文，被學(xué)術(shù)界同仁廣泛引用，其中包括獲1977年諾貝爾物理學(xué)獎的朱棣文、菲利普斯和柯亨-塔諾季等。

1975年，瓦因蘭德到隸屬于美國商業(yè)部的美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所工作。在那里，他創(chuàng)建了儲存離子研究小組。在過去多年的工作中，他做出了多項(xiàng)世界第一的研究成果，終于獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。他是15年來美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所第四位獲諾貝爾物理獎的研究人員之一，研究激光致冷的菲利普斯也是其中之一。

制造量子計(jì)算機(jī)的建議方法有多種，許多科學(xué)家正在對不同的方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。瓦因蘭德小組從事的陷俘離子的方法是最成功的方法之一。他們利用特殊排列的幾個電極組合產(chǎn)生特定的電場，形成陷阱，將汞的一價(jià)離子限制在三個電極組成的空間中。三個電極包括兩端各有一個相對的電極和一個環(huán)形電極，離子由激光束控制。

在常溫下，原子運(yùn)動的平均速度為每秒數(shù)百米，以這種速度運(yùn)動的離子會立即逃逸出陷阱。要將離子陷俘在電場陷阱中，離子的運(yùn)動速度必須非常小。只有在極低的溫度下，離子或原子的運(yùn)動速度才能變得很小?？梢岳眉す馐闺x子冷卻，使離子的速度減小到幾乎停止的狀態(tài)。將特定頻率的激光束對著原子或離子射來的方向照射時(shí)，原子在迎面射來的光子的一次次沖擊下，速度就慢了下來。當(dāng)然，原子或離子吸收了光子又要再把它發(fā)射出去，發(fā)射光子時(shí)原子也要受到反沖。但原子或離子發(fā)射光子的方向是隨機(jī)的，各種方向都有，結(jié)果反沖效應(yīng)平均為零，只有迎面射來的光子被吸收后起到了減速的作用。但僅僅用這種方法還不能使原子速度降低到近乎停止，還要加上其他方法。速度已經(jīng)很小的離子在陷阱中受電場的作用，還在以一定的頻率振動，這種振動的能量和離子內(nèi)部的能量狀態(tài)耦合起來，形成復(fù)雜的能級。在適當(dāng)頻率的激光束照射下，離子吸收光子后又重新放出光子，落回原來內(nèi)部能量最低的狀態(tài)，同時(shí)帶動離子振動能量的變化。在適當(dāng)控制的條件下，重復(fù)這樣的過程，就可以使離子振動能量逐步減少，直到振動能量達(dá)到最低的量子狀態(tài)，離子近于完全停止。這時(shí)，離子就可以隨意操控了。

瓦因蘭德小組利用利用陷俘離子做成一個量子可控非門（Controlled NOT）。當(dāng)然可控非門只是最簡單的量子計(jì)算機(jī)的元件，一臺能工作的計(jì)算機(jī)需要多得多的元件，離制成實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)還非常遙遠(yuǎn)。然而前景是光明的，包括瓦因蘭德在內(nèi)的許多科學(xué)家正積極研究，攻克難關(guān)，希望在本世紀(jì)內(nèi)將量子計(jì)算機(jī)研制成功。

瓦因蘭德和同事們還利用陷俘的離子制造出了當(dāng)今世界上最精確的原子鐘。他的研究工作也可以檢驗(yàn)量子力學(xué)基本原理，如進(jìn)行“薛定諤貓”的實(shí)驗(yàn)。

不為盛名所惑

阿羅什和瓦因蘭德有許多相同的地方。他們都在世界第一流的實(shí)驗(yàn)室中工作；巧的是，他們每人各有兩位獲諾貝爾物理學(xué)獎的老師；他們都有合作30年以上的同事組成的穩(wěn)定的研究小組，還有許多優(yōu)秀的學(xué)生和合作者，其中包括外國的訪問學(xué)者。在他們的諾貝爾獎報(bào)告中，他們的老師、同事以及和他們的工作有密切關(guān)系的、前人的研究都一一提到。兩人都還提到有100多位學(xué)生、博士后和訪問學(xué)者也做出了貢獻(xiàn)，強(qiáng)調(diào)成績是大家努力的結(jié)果。

瓦因蘭德和阿羅什也有一點(diǎn)很大的不同。阿羅什的研究目的偏重于探索自然界的奧秘，沒有非常明確的應(yīng)用目標(biāo)，雖然他知道自己的研究成果肯定有長遠(yuǎn)的應(yīng)用前景。他所屬的卡斯特勒-布羅塞爾實(shí)驗(yàn)室也沒有要求其研究一開始就必須有明確的應(yīng)用目的。不過，即使在法國高等師范學(xué)校，這種待遇也只有像阿羅什這樣的資深科學(xué)家才能得到。而瓦因蘭德所在的美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所本身就具有明確的實(shí)用目標(biāo)：促進(jìn)美國的創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)競爭能力，開創(chuàng)新的測量科學(xué)，推進(jìn)美國的技術(shù)水平。該研究所的研究都是目標(biāo)長遠(yuǎn)，技術(shù)含量高，能在世界上領(lǐng)先的項(xiàng)目。這些項(xiàng)目實(shí)際上都是結(jié)合遠(yuǎn)期應(yīng)用的基礎(chǔ)性研究。

瓦因蘭德和阿羅什還有一個共同點(diǎn)，就是除了做研究以外，都在大學(xué)教課。阿羅什認(rèn)為備課的過程促使他從多方面考慮基本原理，也有助于研究工作。而從學(xué)生的角度來看，能聽到優(yōu)秀的科學(xué)家講課，和他們直接交流，不僅能學(xué)到當(dāng)今前沿的科學(xué)知識，還可以學(xué)習(xí)到優(yōu)秀科學(xué)家的治學(xué)精神和思想方法。

榮摘諾獎桂冠是否改變了科學(xué)家本人的生活呢？據(jù)英國廣播公司（BBC）在線版消息稱，阿羅什本人僅僅提前了20分鐘被組委會告知自己獲獎的消息。

“我很幸運(yùn)，”阿羅什說，但他指的并不是自己得獎這回事，“（接到來電時(shí)）我正在一條街上，旁邊就有個長椅，所以我第一時(shí)間就坐了下來。”他形容那一刻的心情，“當(dāng)我看到是瑞典的來電區(qū)號，我意識到這是真實(shí)的，那種感覺，你知道，真是勢不可擋?！?/p>

不過據(jù)諾獎官網(wǎng)的推特稱，阿羅什接到獲獎的確切消息后，打了個電話給自己的孩子，然后開了瓶香檳慶祝。再然后，他又回實(shí)驗(yàn)室工作去了。

（作者單位：復(fù)旦大學(xué)物理系）

阿羅什小組設(shè)備示意圖

第7篇：量子力學(xué)基礎(chǔ)原理范文

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

在量子領(lǐng)域里，粒子似乎可以同時(shí)出現(xiàn)在兩個地方，信息傳遞速度可以比光速快，而貓可以同時(shí)既是死的又是活的！物理學(xué)家已經(jīng)對這些量子世界中吊詭的事情困惑了90年，但他們現(xiàn)在還是一籌莫展。當(dāng)演化論和宇宙論已經(jīng)成為一般知識時(shí)，量子理論仍然讓人認(rèn)為是奇特的異常事物；盡管在設(shè)計(jì)電子產(chǎn)品時(shí)，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(xù)加深一種印象：量子理論想急切傳達(dá)的深奧道理，與日常生活無關(guān)，而且因?yàn)檫^于怪異，以至于一點(diǎn)也不重要。

在2001年，有個研究團(tuán)隊(duì)開始發(fā)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(shù)的意義。

在正統(tǒng)量子理論中，一個物體（例如電子）可用波函數(shù)來表示，也就是說波函數(shù)是一種用來描述物體性質(zhì)的數(shù)學(xué)式子。如果你想預(yù)測電子的行為，只需推導(dǎo)出它的波函數(shù)如何隨時(shí)間變化，計(jì)算的結(jié)果可以給你電子具有某種性質(zhì)（例如電子位于某處）的概率。但是如果物理學(xué)家進(jìn)一步假設(shè)波函數(shù)是真實(shí)的事物，麻煩就來了。

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

最近才轉(zhuǎn)而接受量子貝氏主義的美國康奈爾大學(xué)理論物理學(xué)家摩明這么說：“在此觀點(diǎn)之下，波函數(shù)或許是‘我們所發(fā)現(xiàn)最有威力的抽象概念’?！?/p>

波函數(shù)不是真實(shí)的事物，這種想法早在20世紀(jì)30年代就出現(xiàn)了，那時(shí)量子力學(xué)創(chuàng)建者之一的尼爾斯·波爾在其文章中已經(jīng)這么說。他認(rèn)為量子理論僅僅是計(jì)算工具，即量子論只是“純符號性”的架構(gòu)而已，而波函數(shù)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(shù)學(xué)基礎(chǔ)的模型，它把量子理論與貝氏統(tǒng)計(jì)結(jié)合起來。貝氏統(tǒng)計(jì)是一門有200年歷史的統(tǒng)計(jì)學(xué)，這門學(xué)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(xiàn)，我們的主觀信念也必須跟著更新。針對如何更新，貝氏統(tǒng)計(jì)定下了明確的數(shù)學(xué)規(guī)則。量子貝氏主義把波函數(shù)解釋成一種會依據(jù)貝氏統(tǒng)計(jì)規(guī)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(xué)吊詭就消失了。

以電子為例，每當(dāng)我們偵測到一個電子，就會發(fā)現(xiàn)它一定是位于某個位置；但是當(dāng)我們不去看它，則電子的波函數(shù)可能是散開的，代表了電子在某一時(shí)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(xiàn)在某一個位置。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)說法，觀測促使波函數(shù)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(fā)生于同一時(shí)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(fā)一些如愛因斯坦稱為“鬼魅般的超距作用”的困惑。

量子力學(xué)一誕生，物理學(xué)家就知道“波函數(shù)的崩陷”是這個理論深深困擾人的一項(xiàng)特點(diǎn)。這個令人不安的謎促使物理學(xué)家發(fā)展出各種量子力學(xué)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(xué)根本沒有任何詭異之處。波函數(shù)崩陷只是表示觀察者依據(jù)新信息，忽然且不連續(xù)地更新了他原先分配的概率，就好像醫(yī)生依據(jù)新的計(jì)算機(jī)斷層掃描結(jié)果，而修正了對癌癥病人病況的判斷。量子系統(tǒng)并沒有經(jīng)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(shù)，波函數(shù)呈現(xiàn)的是觀察者個人的期待。

第8篇：量子力學(xué)基礎(chǔ)原理范文

【關(guān)鍵詞】中學(xué) 化學(xué)教學(xué) 量子空間論

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

（小敘）：課篇第一章節(jié)細(xì)讀、研讀、探透性知識點(diǎn)。

1.尋找研究方法 2.課題的研究內(nèi)容

3.課題研究的一些成果 4.鞏固建筑語錄

【序言】

化學(xué)是在分子、原子層次上研究物質(zhì)性質(zhì)、組成、結(jié)構(gòu)與變化規(guī)律的科學(xué)?；瘜W(xué)不斷地發(fā)展著，目前，人們發(fā)現(xiàn)和合成的物質(zhì)已有幾千萬種，其中很多是自然界中原本不存在的；這極大地改善了人類的生存和發(fā)展條件，豐富了人們的生活。

例如：

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

2.用隔水透氣的高分子薄膜做的鳥籠。

3.單晶硅為信息技術(shù)和新能源開發(fā)提供了基礎(chǔ)材料。

4.用玻璃鋼制成的船體。

總之，作為實(shí)用的、富于創(chuàng)造性的中心學(xué)科，化學(xué)在能源、材料、醫(yī)藥、信息、環(huán)境和生命科學(xué)等研究領(lǐng)域以及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著其他學(xué)科所不能替代的重要潛質(zhì)作用。近年來，“綠色化學(xué)”的提出，使更多的化學(xué)生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品向著環(huán)境友好的方向發(fā)展，化學(xué)必將使世界變得更加絢麗光彩。

【尋找研究方法】

第一單元 走進(jìn)化學(xué)世界；

1.物質(zhì)的變化和性質(zhì)

2.化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)

3.走進(jìn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室

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

第四、五單元 物質(zhì)構(gòu)成的奧妙、簡單統(tǒng)計(jì)應(yīng)用；原子的構(gòu)成、元素、離子、化學(xué)式與化合價(jià) ：

如何正確書寫化學(xué)方程式”？利用化學(xué)方程式的簡單計(jì)算？

第六、七單元 C與C的氧化物燃料及其利用；

分析：金剛石、石墨和C60 （1.CO2 的制取？ 2.CO2 與CO的區(qū)別、聯(lián)系？）

應(yīng)用：燃燒和滅火？燃料和熱量？

環(huán)保問題：“燃料對環(huán)境的影響”

自留田地：“石油和煤的綜合利用？”

第八、九單元 金屬與溶液的問題；

熟記、認(rèn)識：金屬、金屬材料、金屬的化學(xué)性質(zhì)；

金屬資源的利用和保護(hù)、溶液的形成；

溶解度、溶質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

第十、十一、十二單元 酸與堿 、鹽與化肥 、“化學(xué)與生活”。

生活中常見的：1.酸與堿

2.酸與堿之間會發(fā)生什么反應(yīng)

3.鹽

4.化學(xué)肥料

人體：1.人類重要的營養(yǎng)物質(zhì)

2.化學(xué)元素與人體健康

3.有機(jī)合成材料

學(xué)生自認(rèn)化學(xué)常用儀器。學(xué)習(xí)“附錄”相關(guān)記錄 。

【課題的研究內(nèi)容】

無機(jī)化學(xué)中量子（分子、原子）力學(xué)論

量子化學(xué)（Quantum chemistry）是理論化學(xué)的一個分支學(xué)科，是應(yīng)用量子力學(xué)的基礎(chǔ)原理和方法研究化學(xué)問題的一門基礎(chǔ)科學(xué)。研究范圍包括穩(wěn)定和不穩(wěn)定分子的結(jié)構(gòu)、性能及其結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系；分子與分子之間的相互碰撞和相互反應(yīng)等問題。

量子化學(xué)是理論化學(xué)的一個分支學(xué)科，是應(yīng)用量子力學(xué)的基本原理和方法，研究化學(xué)問題的一門基礎(chǔ)科學(xué)。

1927年海特勒和倫敦用量子力學(xué)基礎(chǔ)原理討論氫分子結(jié)構(gòu)問題，說明了兩個氫原子能夠結(jié)合成一個穩(wěn)定的氫分子的原因，并且利用相當(dāng)近似的計(jì)算方法，算出其結(jié)合能。由此，使人們認(rèn)識到可以用量子力學(xué)原理討論分子結(jié)構(gòu)問題，從而逐漸形成了量子化學(xué)這一分支學(xué)科。

【課題研究的一些成果】

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

【鞏固建筑語錄】

化學(xué)中常見“離子反應(yīng)”包括：“酸、堿、鹽在水溶液中的電離”和“離子反應(yīng)及其發(fā)生的條件”兩部分。

無機(jī)化學(xué)中最關(guān)鍵的是要有實(shí)觀性：基礎(chǔ)高層次的“化學(xué)方程式”們。

其次，稀土元素中的各種化學(xué)量變、質(zhì)變及各種物理、化學(xué)性反應(yīng)。

再次，金屬的利用、及高等積存用途。

還有，就是氣體的大力層存在行式。如同：水、陸、空，人類的生活方式。

參考文獻(xiàn)：

[1]初中九年級化學(xué)上、下冊課本，人民出版社出版，2011年版。

第9篇：量子力學(xué)基礎(chǔ)原理范文

關(guān)鍵詞：空間；時(shí)間；質(zhì)量；能量；科學(xué)技術(shù)

物理學(xué)是一門既古老又年輕的自然科學(xué)，它對現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展起著重要的作用。物理學(xué)和其他自然科學(xué)一樣，是研究自然界中物質(zhì)運(yùn)動的客觀規(guī)律的科學(xué)。細(xì)分起來物理學(xué)大致經(jīng)過了四個發(fā)展階段。

1 物理學(xué)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(xué)，研究對象為宏觀低速運(yùn)動的物體。例如：汽車、火車的運(yùn)動，地球衛(wèi)星的發(fā)射。在牛頓力學(xué)中，牛頓認(rèn)為：質(zhì)量、時(shí)間、空間都是絕對的。也就是說，對于時(shí)間來講不存在延長和收縮的問題，即時(shí)間是在一秒鐘，一秒鐘地或一個小時(shí)，一個小時(shí)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(xué)的三大定律，就是在這樣的基礎(chǔ)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(xué)，愛因斯坦在1905年發(fā)表了論文相對論力學(xué)。愛因斯坦認(rèn)為空間、質(zhì)量、時(shí)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(xué)。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(fù)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(xué)與工程技術(shù)的關(guān)系

物理學(xué)與工程技術(shù)有著密切的關(guān)系，他們之間是相互促進(jìn)共同發(fā)展的。我們平時(shí)常說科學(xué)技術(shù)，實(shí)際上科學(xué)和技術(shù)是兩個不同的概念?？茖W(xué)解決理論問題，而技術(shù)解決實(shí)際問題。科學(xué)是發(fā)現(xiàn)自然界當(dāng)中確實(shí)存在的事實(shí)，并且建立理論，把這些理論和現(xiàn)象聯(lián)系起來。科學(xué)主要是探索未知，而技術(shù)是把科學(xué)取得的成果和理論應(yīng)用于實(shí)際當(dāng)中，從而解決實(shí)際問題。所以技術(shù)是在理論相對比較成熟的領(lǐng)域里邊工作?？茖W(xué)與工程技術(shù)相互促進(jìn)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(jī)的發(fā)明和蒸汽機(jī)在工業(yè)當(dāng)中的應(yīng)用形成了第一次工業(yè)革命——熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理——蒸汽機(jī)效率的提高，內(nèi)燃機(jī)，燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)明。這一次主要是這樣：由于蒸汽機(jī)的發(fā)明，在當(dāng)初工業(yè)應(yīng)用上，出現(xiàn)了很多應(yīng)用技術(shù)的問題。例如蒸汽機(jī)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(jī)的效率最高能達(dá)到多少？熱機(jī)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(jī)的效率？由于這些問題就促進(jìn)了物理學(xué)的發(fā)展，正是在這些問題解決的過程當(dāng)中，逐漸形成和建立了熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理。而熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理很好地回答了提高熱機(jī)效率的途徑，以及提高熱機(jī)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(xué)——發(fā)電機(jī)，電力電器，無線電通信技術(shù)——電磁學(xué)；電磁學(xué)從庫侖定律的發(fā)現(xiàn)，以及法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)定律，直到1865年麥克斯韋建立電磁學(xué)基本理論，這些都是科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室里邊逐漸形成的，這都是理論建立的過程，而這些理論應(yīng)用于實(shí)際就發(fā)明了電動機(jī)、發(fā)電機(jī)等其它電器以及無線電通信技術(shù)，而這些實(shí)用技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展又給電磁學(xué)提出來了許多需要解決的實(shí)際問題。正是這些問題的逐步解決，使得電磁學(xué)更加的完善和在理論上進(jìn)一步得到了提高。

②量子力學(xué)，半導(dǎo)體物理——晶體管超級大規(guī)模集成電路技術(shù)，電子計(jì)算機(jī)技術(shù)，激光技術(shù)——量子力學(xué)，激光物理；量子力學(xué)是20世紀(jì)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(yīng)用于解決晶體的問題就形成了半導(dǎo)體技術(shù)，而半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)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(jì)算機(jī)的主要物質(zhì)基礎(chǔ)，而正是由于電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展又向量子力學(xué)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(jìn)了量子力學(xué)的進(jìn)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(jì)初期愛因斯坦建立的一種理論，他是為了解決電磁學(xué)等其他物理學(xué)科上的一些經(jīng)典物理當(dāng)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(dāng)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(yīng)用直接導(dǎo)致了或者指導(dǎo)了核能的應(yīng)用，而對于核能的進(jìn)一步應(yīng)用又提出了許多新的問題，而這些新問題的進(jìn)一步解決使得理論更加完善而得到進(jìn)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(shí)際技術(shù)上問題的解決又進(jìn)一步促進(jìn)了物理學(xué)的發(fā)展。

3 結(jié)語

應(yīng)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(yīng)用都形成了當(dāng)時(shí)的高新技術(shù)，物理學(xué)仍然是當(dāng)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(xué)中經(jīng)歷了長期醞釀。例如：1909年盧瑟福的粒子散射實(shí)驗(yàn)——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(xué)為基礎(chǔ)的。

參考文獻(xiàn)：

[1]張啟仁.經(jīng)典場論 [M] .北京 ：科學(xué)出版社 ，2003.

[2]井孝功.量子力學(xué) [M] .哈爾濱 ：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2004.

[3]關(guān)洪.空間：從相對論到 M理論的歷史[M].北京 ：清華大學(xué)出版社 ，2004.