量子力學(xué)基本原理的內(nèi)容精選(九篇)

前言：一篇好文章的誕生，需要你不斷地搜集資料、整理思路，本站小編為你收集了豐富的量子力學(xué)基本原理的內(nèi)容主題范文，僅供參考，歡迎閱讀并收藏。

第1篇：量子力學(xué)基本原理的內(nèi)容范文

【關(guān)鍵詞】量子;通信;技術(shù);發(fā)展

對(duì)量子信息進(jìn)行研究是將量子力學(xué)作為研究基礎(chǔ)，根據(jù)量子并行、糾纏以及不可克隆特性，探索量子編碼、計(jì)算、傳輸?shù)目赡苄?，以新途徑、思路、概念打破原有的芯片極限。從本質(zhì)來(lái)說(shuō)：量子信息是在量子物理觀念上引發(fā)的效應(yīng)。它的優(yōu)勢(shì)完全來(lái)源于量子并行，量子糾纏中的相干疊加為量子通訊提供了依據(jù)，量子密碼更多的取決于波包塌縮。理論上，量子通信能夠?qū)崿F(xiàn)通信過(guò)程，最初是通過(guò)光纖實(shí)現(xiàn)的，由于光纖會(huì)受到自身與地理?xiàng)l件限制，不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信，所以不利于全球化。到1993年，隱形傳輸方式被提出，通過(guò)創(chuàng)建脫離實(shí)物的量子通信，用量子態(tài)進(jìn)行信息傳輸，這就是原則上不能破譯的技術(shù)。但是，我們應(yīng)該看到，受環(huán)境噪聲影響，量子糾纏會(huì)隨著傳輸距離的拉長(zhǎng)效果變差。

一、量子通信技術(shù)

（一）量子通信定義

到目前為止，量子通信依然沒(méi)有準(zhǔn)確的定義。從物力角度來(lái)看，它可以被理解為物力權(quán)限下，通過(guò)量子效應(yīng)進(jìn)行性能較高的通信;從信息學(xué)來(lái)看，量子通信是在量子力學(xué)原理以及量子隱形傳輸中的特有屬性，或者利用量子測(cè)量完成信息傳輸?shù)倪^(guò)程。

從量子基本理論來(lái)看，量子態(tài)是質(zhì)子、中子、原子等粒子的具體狀態(tài)，可以代表粒子旋轉(zhuǎn)、能量、磁場(chǎng)和物理特性，它包含量子測(cè)不準(zhǔn)原理和量子糾纏，同時(shí)也是現(xiàn)代物理學(xué)的重點(diǎn)。量子糾纏是來(lái)源一致的一對(duì)微觀粒子在量子力學(xué)中的糾纏關(guān)系，同時(shí)這也是通過(guò)量子進(jìn)行密碼傳遞的基礎(chǔ)。Heisenberg測(cè)不準(zhǔn)原理作為力學(xué)基本原理，是同一時(shí)刻用相同精度對(duì)量子動(dòng)量以及位置的測(cè)量，但是只能精確測(cè)定其中的一樣結(jié)果。

（二）量子通信原理

量子通信素來(lái)具有速度快、容量大、保密性好等特征，它的過(guò)程就是量子力學(xué)原理的展現(xiàn)。從最典型的通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)具體包含：量子態(tài)、量子測(cè)量容器與通道，擁有量子效應(yīng)的有：原子、電子、光子等，它們都可以作為量子通信的信號(hào)。在這過(guò)程中，由于光信號(hào)擁有一定的傳輸性，所以常說(shuō)的量子通信都是量子光通信。分發(fā)單光子作為實(shí)施量子通信空間的依據(jù)，利用空間技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)空間量子的全球化通信，并且克服空間鏈路造成的距離局限。

利用糾纏量子中的隱形量子傳輸技術(shù)作為未來(lái)量子通信的核心，它的工作原理是：利用量子力學(xué)，由兩個(gè)光子構(gòu)成糾纏光子，不管它們?cè)谟钪嬷芯嚯x多遠(yuǎn)，都不能分割狀態(tài)。如果只是單獨(dú)測(cè)量一個(gè)光子情況，可能會(huì)得到完全隨機(jī)的測(cè)量結(jié)果;如果利用海森堡的測(cè)不準(zhǔn)原理進(jìn)行測(cè)量，只要測(cè)量一個(gè)光子狀態(tài)，縱使它已經(jīng)發(fā)生變化，另一個(gè)光子也會(huì)出現(xiàn)類似的變化，也就是塌縮。根據(jù)這一研究成果，Alice利用隨機(jī)比特，隨機(jī)轉(zhuǎn)換已有的量子傳輸狀態(tài)，在多次傳輸中，接受者利用量子信道接收;在對(duì)每個(gè)光子進(jìn)行測(cè)量時(shí)，同時(shí)也隨機(jī)改變了自己的基，一旦兩人的基一樣，一對(duì)互補(bǔ)隨機(jī)數(shù)也就產(chǎn)生。如果此時(shí)竊聽(tīng)者竊聽(tīng)，就會(huì)破壞糾纏光子對(duì)，Alice與Bob也就發(fā)覺(jué)，所以運(yùn)用這種方式進(jìn)行通信是安全的。

（三）量子密碼技術(shù)

從Heisenberg測(cè)不準(zhǔn)原理我們可以知道，竊聽(tīng)不可能得到有效信息，與此同時(shí)，竊聽(tīng)量子信號(hào)也將會(huì)留下痕跡，讓通信方察覺(jué)。密碼技術(shù)通過(guò)這一原理判別是否存在有人竊取密碼信息，保障密碼安全。而密鑰分配的基本原理則來(lái)源于偏振，在任意時(shí)刻，光子的偏振方向都擁有一定的隨機(jī)性，所以需要在糾纏光子間分設(shè)偏振片。如果光子偏振片與偏振方向夾角較小時(shí)，通過(guò)濾光器偏振的幾率很大，反之偏小。尤其是夾角為90度時(shí)，概率為0;夾角為45度時(shí)，概率是0.5，夾角是0度時(shí)，概率就是1;然后利用公開(kāi)渠道告訴對(duì)方旋轉(zhuǎn)方式，將檢測(cè)到的光子標(biāo)記為1，沒(méi)有檢測(cè)到的填寫(xiě)0，而雙方都能記錄的二進(jìn)制數(shù)列就是密碼。對(duì)于半路監(jiān)聽(tīng)的情況，在設(shè)置偏振片的同時(shí)，偏振方向的改變，這樣就會(huì)讓接受者與發(fā)送者數(shù)列出現(xiàn)差距。

（四）量子通信的安全性

從典型的數(shù)字通信來(lái)說(shuō)：對(duì)信息逐比特，并且完全加密保護(hù)，這才是實(shí)質(zhì)上的安全通信。但是它不能完全保障信息安全，在長(zhǎng)度有限的密文理論中，經(jīng)不住窮舉法影響。同時(shí)，偽隨機(jī)碼的周期性，在重復(fù)使用密鑰時(shí)，理論上能夠被解碼，只是周期越長(zhǎng)，解碼破譯難度就會(huì)越大。如果將長(zhǎng)度有限的隨機(jī)碼視為密鑰，長(zhǎng)期使用雖然也會(huì)具有周期特征，但是不能確保安全性。

從傳統(tǒng)的通信保密系統(tǒng)來(lái)看，使用的是線路加密與終端加密整合的方式對(duì)其保護(hù)。電話保密網(wǎng)，是在話音終端上利用信息通信進(jìn)行加密保護(hù)，而工作密鑰則是偽隨機(jī)碼。

二、量子通信應(yīng)用與發(fā)展

和傳統(tǒng)通信相比，量子通信具有很多優(yōu)勢(shì)，它具有良好的抗干擾能力，并且不需要傳統(tǒng)信道，量子密碼安全性很高，一般不能被破譯，線路時(shí)延接近0，所以具有很快的傳輸速度。目前，量子通信已經(jīng)引起很多軍方和國(guó)家政府的關(guān)注。因?yàn)樗芙⑵馃o(wú)法破譯的系統(tǒng)，所以一直是日本、歐盟、美國(guó)科研機(jī)構(gòu)發(fā)展與研究的內(nèi)容。

在城域通信分發(fā)與生成系統(tǒng)中，通過(guò)互聯(lián)量子路由器，不僅能為任意量子密碼機(jī)構(gòu)成量子密碼，還能為成對(duì)通信保密機(jī)利用，它既能用于逐比特加密，也能非實(shí)時(shí)應(yīng)用。在嚴(yán)格的專網(wǎng)安全通信中，通過(guò)以量子分發(fā)系統(tǒng)和密鑰為支撐，在城域范疇，任何兩個(gè)用戶都能實(shí)現(xiàn)逐比特密鑰量子加密通信，最后形成安全性有保障的通信系統(tǒng)。在廣域高的通信網(wǎng)絡(luò)中，受傳輸信道中的長(zhǎng)度限制，它不可能直接創(chuàng)建出廣域的通信網(wǎng)絡(luò)。如果分段利用量子密鑰進(jìn)行實(shí)時(shí)加密，就能形成安全級(jí)別較高的廣域通信。它的缺點(diǎn)是，不能全程端與端的加密，加密節(jié)點(diǎn)信息需要落地，所以存在安全隱患。目前，隨著空間光信道量子通信的成熟，在天基平臺(tái)建立好后，就能實(shí)施范圍覆蓋，從而拓展量子信道傳輸。在這過(guò)程中，一旦量子中繼與存儲(chǔ)取得突破，就能進(jìn)一步拉長(zhǎng)量子信道的輸送距離，并且運(yùn)用到更寬的領(lǐng)域。例如：在潛安全系統(tǒng)中，深海潛艇與岸基指揮一直是公認(rèn)的世界難題，只有運(yùn)用甚長(zhǎng)波進(jìn)行系統(tǒng)通信，才能實(shí)現(xiàn)幾百米水下通信，如果只是使用傳統(tǒng)的加密方式，很難保障安全性，而利用量子隱形和存儲(chǔ)將成為開(kāi)辟潛通的新途徑。

三、結(jié)束語(yǔ)

量子技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，作為現(xiàn)代科學(xué)與物理學(xué)的進(jìn)步標(biāo)志之一，它對(duì)人類發(fā)展以及科學(xué)建設(shè)都具有重要作用。因此，在實(shí)際工作中，必須充分利用通信技術(shù)，整合國(guó)內(nèi)外發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，從各方面推進(jìn)量子通信技術(shù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]徐啟建，金鑫，徐曉帆等.量子通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景分析[J].中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2009，4（5）：491-497.

第2篇：量子力學(xué)基本原理的內(nèi)容范文

關(guān)鍵詞：不確定原理 玻爾量子化條件 德布羅意公式 擾動(dòng)

【中圖分類號(hào)】O413.1【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A【文章編號(hào)】1004-1079（2008）10-0184-02

眾所周知，量子力學(xué)誕生以后，不確定原理引起了長(zhǎng)期激烈的爭(zhēng)論。[1]物理學(xué)家們一般認(rèn)為，不確定原理與測(cè)量對(duì)粒子的擾動(dòng)有關(guān)[2]，但已有的各種嚴(yán)格或不嚴(yán)格的論證并未直接給出這個(gè)結(jié)論, 以至于當(dāng)今有的物理學(xué)專家在談及不確定原理時(shí)感慨地說(shuō)：沒(méi)有人真正知道它是如何產(chǎn)生的。[3]其次，由于習(xí)慣于認(rèn)為經(jīng)典力學(xué)是決定性的理論，初學(xué)者對(duì)不確定原理往往感到難以理解。事實(shí)上，不確定原理不僅存在于量子力學(xué)中，在經(jīng)典力學(xué)乃至整個(gè)經(jīng)典物理學(xué)中也存在，只不過(guò)因其實(shí)際效應(yīng)可以忽略人們以往不注意罷了。下面，我們先討論經(jīng)典力學(xué)中的不確定原理，再討論量子力學(xué)中的不確定原理，并根據(jù)玻爾量子化條件和德布羅意公式得到一種導(dǎo)出不確定關(guān)系式的新方法，證明不確定關(guān)系與測(cè)量對(duì)粒子的擾動(dòng)有關(guān)。

一、經(jīng)典力學(xué)中的不確定原理

看到本段的標(biāo)題，也許有人會(huì)想：經(jīng)典力學(xué)是決定性的理論，怎么會(huì)存在不確定原理？對(duì)此疑問(wèn)，首先必須指出的是：狀態(tài)之間的因果關(guān)系與狀態(tài)描述的確定程度是既有聯(lián)系又有區(qū)別的兩個(gè)概念。以往，由于牛頓方程給出了質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)之間確定的因果關(guān)系，人們認(rèn)為經(jīng)典力學(xué)完全是決定性的理論，但這隱含著一個(gè)如狄拉克所指出的假定：經(jīng)典力學(xué)假定對(duì)所有可觀測(cè)量都能同時(shí)賦予數(shù)值。[4]問(wèn)題是：在經(jīng)典力學(xué)中，質(zhì)點(diǎn)狀態(tài)，也就是質(zhì)點(diǎn)的位置和速度是否真的可以完全確定呢？

為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，討論一維運(yùn)動(dòng)。我們知道，一維運(yùn)動(dòng)中平均速度的定義是V=,（1）

而瞬時(shí)速度定義為平均速度的極限：

V=limt0（2）

我們知道，任何測(cè)量都是或長(zhǎng)或短的過(guò)程，不可能是瞬時(shí)的，因此，我們能測(cè)得的總是平均速度而非瞬時(shí)速度，或者說(shuō)，平均速度可測(cè)，（瞬時(shí)）速度不可測(cè)。這聽(tīng)起來(lái)似乎有點(diǎn)怪，但事實(shí)如此。在物理學(xué)中，說(shuō)一個(gè)不能準(zhǔn)確測(cè)定的物理量有確定值是沒(méi)有意義的，所以，我們把平均速度相對(duì)于速度的這種偏差叫做速度的不確定偏差：δV=V-.（3）

顯然，速度不確定偏差的存在與具體的測(cè)量技術(shù)無(wú)關(guān)。對(duì)上式兩邊取極限，可知不確定偏差δV是無(wú)窮小量，這就保證了速度的測(cè)定在具有不確定性的同時(shí)具有穩(wěn)定性。

也許有人會(huì)把速度不確定偏差的存在歸于測(cè)量技術(shù)的限制，那么我們要問(wèn)，這種限制可否完全消除？顯然不能。因?yàn)椴淮_定偏差描述的是可測(cè)的平均速度相對(duì)于不可測(cè)的速度的偏差，這個(gè)偏差的存在與具體的測(cè)量技術(shù)無(wú)關(guān)，與通常所說(shuō)的測(cè)量誤差是兩個(gè)概念。通常所說(shuō)的速度測(cè)量誤差是平均速度的測(cè)量值與平均速度的真值的差，而所謂真值不過(guò)是多次測(cè)量的平均值罷了。

速度有不確定偏差，位置是否也有不確定偏差呢？利用V=可將牛頓方程=（4）

寫(xiě)成V=,也就是dx=dV.

所以，當(dāng)速度有不確定偏差δV時(shí)，位置必有不確定偏差δx：

δx=δV.（5）

上式表明，僅當(dāng)質(zhì)點(diǎn)靜止時(shí)位置有確定值。此時(shí),位置、速度都是完全確定的，或者說(shuō)都是可測(cè)準(zhǔn)的。

上式還表明：當(dāng)力F足夠大時(shí)，δx足夠小，這就保證了位置的測(cè)定在具有不確定性的同時(shí)具有穩(wěn)定性。那么，所謂力F足夠大意味著什么呢？

設(shè)力場(chǎng)（Fx）有勢(shì)函數(shù)U(x)，即令

（Fx）＝－. （6）

將上式右邊的勢(shì)梯度在附近展開(kāi)：

＝+x+A.（7）

所謂F（x）=足夠大，意味著上式右邊第一項(xiàng)后邊的那些項(xiàng)可以忽略，或者說(shuō)，力場(chǎng)變化比較慢。所以，所謂給定初態(tài)和運(yùn)動(dòng)方程，質(zhì)點(diǎn)以后的狀態(tài)就是確定的，其條件是力場(chǎng)F變化較慢。這個(gè)結(jié)論與量子力學(xué)關(guān)于可以用經(jīng)典力學(xué)描述微觀粒子運(yùn)動(dòng)的條件完全相同[5]。

事實(shí)上，不僅在經(jīng)典力學(xué)中，在整個(gè)經(jīng)典物理學(xué)中不確定性都是普遍存在的。例如，測(cè)量電場(chǎng)或磁場(chǎng)時(shí)必須引入帶電粒子，測(cè)得的場(chǎng)是受到帶電粒子的場(chǎng)干擾的場(chǎng)，而非原來(lái)的那個(gè)場(chǎng)。又例如，測(cè)量一段電路的電壓時(shí)必須并聯(lián)一個(gè)伏特計(jì)，測(cè)得的電壓是并聯(lián)伏特計(jì)后的電壓，而非原來(lái)那段電路的電壓。諸如此類，不勝枚舉。這些不確定性并不是測(cè)量技術(shù)帶來(lái)的，也不是通過(guò)改進(jìn)測(cè)量技術(shù)能夠完全消除的，而是理論體系固有的，不可消除的，是客觀物質(zhì)運(yùn)動(dòng)屬性的表現(xiàn)。

綜上所述可知，經(jīng)典物理學(xué)中的不確定性是一個(gè)客觀存在，是客觀物質(zhì)運(yùn)動(dòng)屬性的反映。如前所說(shuō)，狄拉克曾經(jīng)指出，經(jīng)典力學(xué)假定對(duì)所有可觀測(cè)量都能同時(shí)賦予數(shù)值。經(jīng)典力學(xué)的這個(gè)不自覺(jué)的假定使人們形成了一種根深蒂固的觀念，認(rèn)為經(jīng)典力學(xué)完全是決定論的，與不確定性無(wú)關(guān)。許多學(xué)習(xí)了經(jīng)典力學(xué)的人開(kāi)始學(xué)習(xí)量子力學(xué)時(shí)對(duì)量子力學(xué)的不確定關(guān)系感到難以理解，其思想根源皆在于此。量子力學(xué)誕生以后，不確定原理引起了長(zhǎng)期的激烈的爭(zhēng)論。爭(zhēng)論的結(jié)果之一是把舊名稱“測(cè)不準(zhǔn)原理”、“測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系”改成了“不確定原理”，“不確定關(guān)系”，以免望文生義，把不確定“偏差”誤認(rèn)為測(cè)量“誤差”?？磥?lái)，改得確有必要。不過(guò)，概念的建立重在內(nèi)涵的把握。不論在量子力學(xué)中還是在經(jīng)典力學(xué)中，不確定原理都應(yīng)被視為一個(gè)基本原理，都是客觀物質(zhì)運(yùn)動(dòng)屬性的表現(xiàn)，只不過(guò)表現(xiàn)形式和表現(xiàn)程度不同罷了。不同之處在于，量子力學(xué)中的力學(xué)量大多是量子化的，不確定偏差有下限，不是無(wú)窮小量；經(jīng)典力學(xué)中的力學(xué)量大多是連續(xù)變化的，不確定偏差是一個(gè)無(wú)窮小量。正是由于經(jīng)典力學(xué)中的不確定偏差是一個(gè)無(wú)窮小量，忽略它不會(huì)給一般的技術(shù)工作帶來(lái)問(wèn)題，但不能因此就否認(rèn)它的存在。

二、 量子力學(xué)中的不確定原理

我們知道，在量子力學(xué)中，算符x和算符不對(duì)易，坐標(biāo)x和動(dòng)量Px不能同時(shí)有確定值。下面根據(jù)玻爾軌道量子化條件和德布羅意公式導(dǎo)出量子力學(xué)中的不確定關(guān)系式x?Px=t?E≥.（8）

不失一般性，設(shè)用光信號(hào)測(cè)量一個(gè)氫原子的位置。 顯而易見(jiàn)，從氫原子中電子吸收光子躍遷到較高能級(jí)到放出光子躍遷到較低能級(jí)，存在一個(gè)或長(zhǎng)或短的時(shí)間間隔t。假設(shè)在此時(shí)間內(nèi)氫原子的位移是, 動(dòng)量增量是x, 則有Px

t?Px＝x?F?t=t?E,（9）

其中F是t時(shí)間內(nèi)氫原子所受力的平均值,E 是氫原子能量的增量。上述過(guò)程等效于氫原子吸收了一個(gè)能量為hv的光子，于是有

E=hv=hω＝h,

即t?E=h?Ф.（10）

那么，上式中Ф的物理意義是什么呢？利用德布羅意公式p=mV=可將玻爾的軌道量子化條件mVr=nη寫(xiě)成

2πr=nη=2n. （11）

這表明氫原子中電子的德布羅意波是一個(gè)沿著圓軌道的駐波，圓軌道上每?jī)蓚€(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的圓心角是，如圖1所示。電子躍遷的末態(tài)能級(jí)

包含無(wú)限多個(gè)可能的軌道面，其中一個(gè)軌道面與初態(tài)軌道面的夾角為θ,0≤θ≤π ，如圖2所示。設(shè)這些軌道面是等幾率的，則初末態(tài)中相鄰節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的圓心角之差的平均值是

Ф=-≥-, （12）

其中n=1,2,3,L;m=n+1,n+2,L. 取n=2, 得

Ф≥.（13）

將上式代入（10）式即得（8）式。

由上述證明可知，不確定原理與測(cè)量對(duì)粒子的擾動(dòng)有關(guān)，即與物體之間的相互作用有關(guān)。這與前面的分析一致。不過(guò)，由于應(yīng)用了玻爾軌道量子化條件，上述證明還不是完全量子論的證明。量子力學(xué)中對(duì)不確定原理的嚴(yán)格證明見(jiàn)各種標(biāo)準(zhǔn)的量子力學(xué)教科書(shū)[6]，這里不再贅述。

參考文獻(xiàn)

[1] 量子力學(xué)，周世勛編，上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1961第1版，400-405頁(yè)；

[2] 時(shí)間簡(jiǎn)史，（英）S.W. Hawking 著，許明賢 吳忠超譯，湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2002第1版，53頁(yè)

[3] 通向量子引力的三條途徑，（美）李. 斯莫林著，李新洲等譯，上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2003第1版，17頁(yè)

[4] 量子力學(xué)原理，P.A.M狄拉克著，陳咸亨譯，喀興林校，科學(xué)技術(shù)出版社，1965第1版，100頁(yè)；

[5] 同[1]，148頁(yè)

第3篇：量子力學(xué)基本原理的內(nèi)容范文

材料的計(jì)算模擬方法介紹

材料的計(jì)算模擬研究是近年來(lái)飛速發(fā)展的一門(mén)新興學(xué)科和交叉學(xué)科．它綜合凝聚態(tài)物理學(xué)、理論化學(xué)、材料物理學(xué)和計(jì)算機(jī)算法等多個(gè)相關(guān)學(xué)科．它的目的是利用現(xiàn)代高速計(jì)算機(jī)，模擬材料的各種物理化學(xué)性質(zhì)，深入理解材料從微觀到宏觀多個(gè)尺度的各類現(xiàn)象與性能，并對(duì)材料的結(jié)構(gòu)和物性進(jìn)行理論預(yù)言，從而達(dá)到設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)新材料的目的．材料的多尺度計(jì)算模擬方法主要有以下幾種:

(1)第一性原理計(jì)算方法(First－principlesMethods)基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)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(jì)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(gè)基本物理變量和研究體系的基本結(jié)構(gòu)．從量子力學(xué)出發(fā)，通過(guò)數(shù)值求解薛定諤方程，計(jì)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(jì)算已廣泛應(yīng)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(jì)算的方法，對(duì)于半導(dǎo)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(xué)性質(zhì)都能夠給出與實(shí)驗(yàn)符合得很好的結(jié)果，同時(shí)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(xué)性質(zhì)(介電函數(shù)、復(fù)折射率、光吸收系數(shù)、反射光譜及光電導(dǎo)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(shí)驗(yàn)者主動(dòng)對(duì)材料進(jìn)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(dòng)力學(xué)方法(MolecularDynamicsMethods)分子動(dòng)力學(xué)是一種確定性方法，是按照該體系內(nèi)部的內(nèi)稟動(dòng)力學(xué)規(guī)律來(lái)確定位形的轉(zhuǎn)變，跟蹤系統(tǒng)中每個(gè)粒子的個(gè)體運(yùn)動(dòng)，然后根據(jù)統(tǒng)計(jì)物理規(guī)律，給出微觀量(分子的坐標(biāo)、速度)與宏觀可觀測(cè)量(壓力、溫度、比熱容、彈性模量等)的關(guān)系來(lái)研究材料性能的一種方法[5]．分子動(dòng)力學(xué)方法首先需要建立系統(tǒng)內(nèi)一組分子的運(yùn)動(dòng)方程，通過(guò)求解所有分子的運(yùn)動(dòng)方程，來(lái)研究該體系與微觀量相關(guān)的基本過(guò)程．對(duì)于這種多體問(wèn)題的嚴(yán)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(yùn)動(dòng)與原子核的運(yùn)動(dòng)分開(kāi)來(lái)處理，電子的運(yùn)動(dòng)利用量子力學(xué)的方法處理，而原子核的運(yùn)動(dòng)則使用經(jīng)典動(dòng)力學(xué)方法處理．此時(shí)原子核的運(yùn)動(dòng)滿足經(jīng)典力學(xué)規(guī)律，用牛頓定律來(lái)描述，這對(duì)于大多數(shù)材料來(lái)說(shuō)是一個(gè)很好的近似．只有處理一些較輕的原子和分子的平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)或振動(dòng)頻率γ滿足hγ＞kBT時(shí)，才需要考慮量子效應(yīng)．

(3)蒙特卡洛方法(MonteCarloMethods)蒙特卡洛方法是在簡(jiǎn)單的理論準(zhǔn)則基礎(chǔ)上(如簡(jiǎn)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(fù)隨機(jī)抽樣的手段，解決復(fù)雜系統(tǒng)的問(wèn)題．該方法采用隨機(jī)抽樣的手法，可以模擬對(duì)象的概率與統(tǒng)計(jì)的問(wèn)題．通過(guò)設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)母怕誓Ｐ?，該方法還可以解決確定性問(wèn)題，如定積分等．隨著計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，蒙特卡洛方法已在材料、固體物理、應(yīng)用物理、化學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[6]．蒙特卡洛方法可以通過(guò)隨機(jī)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(xué)和分子動(dòng)力學(xué)的復(fù)雜計(jì)算，可以模擬很大的體系．結(jié)合統(tǒng)計(jì)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(jì)算模擬教學(xué)的探索

材料計(jì)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(jì)算已經(jīng)與實(shí)驗(yàn)和形式理論一樣成為材料研究的3大支柱之一．為學(xué)生將來(lái)能夠有更高的起點(diǎn)研究材料科學(xué)，適應(yīng)新形勢(shì)下材料研究方法，培養(yǎng)具有寬廣材料科學(xué)基礎(chǔ)，掌握材料現(xiàn)代研究手段的“寬口徑、厚基礎(chǔ)、強(qiáng)能力、高素質(zhì)”的材料科學(xué)專業(yè)人才．我們?cè)诒究平虒W(xué)階段就應(yīng)該有計(jì)劃的引入和加強(qiáng)計(jì)算模擬方法的教學(xué)．采用的教學(xué)形式可以結(jié)合實(shí)際情況，靈活的應(yīng)用．近年來(lái)我們采取的教學(xué)方式主要有以下3種方式:(1)開(kāi)設(shè)計(jì)算材料學(xué)類課程在2006年物理與電子信息學(xué)院材料物理與化學(xué)專業(yè)培養(yǎng)方案中已經(jīng)確定《計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用》和《計(jì)算物理》課程為專業(yè)選修課程，學(xué)時(shí)分別為36學(xué)時(shí)和54學(xué)時(shí)．《計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用》課程偏重實(shí)踐教學(xué)，通過(guò)上機(jī)操作學(xué)習(xí)計(jì)算軟件的基本原理和使用方法．主要教學(xué)內(nèi)容包括:材料學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀及計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用;材料科學(xué)研究中的數(shù)學(xué)模型;材料科學(xué)研究中常用的數(shù)值分析方法;材料科學(xué)研究中主要物理場(chǎng)的數(shù)值模擬;材料科學(xué)與行為工藝的計(jì)算機(jī)模擬;材料數(shù)據(jù)庫(kù)和新材料、新合金的設(shè)計(jì);材料加工過(guò)程的計(jì)算機(jī)控制;計(jì)算機(jī)在材料檢測(cè)中的應(yīng)用;材料研究科學(xué)中的數(shù)據(jù)和圖像處理;互聯(lián)網(wǎng)在材料科學(xué)研究中的應(yīng)用等9部分內(nèi)容，基本涵蓋當(dāng)今計(jì)算機(jī)技術(shù)在材料科學(xué)研究中應(yīng)用的各個(gè)方面．《計(jì)算物理》課程則以理論教學(xué)為主，偏重物理基本原理的介紹．主要教學(xué)內(nèi)容包括:計(jì)算物理學(xué)發(fā)展的最新?tīng)顩r;蒙特卡洛方法及其若干應(yīng)用;有限差分方法;分子動(dòng)力學(xué)方法;密度泛函理論;計(jì)算機(jī)代數(shù);高性能計(jì)算和并行算法等8部分內(nèi)容．計(jì)算材料類課程的開(kāi)設(shè)注重理論和實(shí)踐并重的原則，在講解基本原理的同時(shí)加強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手上機(jī)實(shí)踐能力的培養(yǎng)，因此，經(jīng)過(guò)課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)初步具備利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行材料模擬的能力．部分選修計(jì)算材料類課程的同學(xué)在學(xué)習(xí)中對(duì)計(jì)算模擬產(chǎn)生了極大的興趣，在大四時(shí)選擇材料計(jì)算相關(guān)課題作為本科畢業(yè)論文選題．例如，08屆學(xué)生的畢業(yè)論文《ZnS摻雜Cu光學(xué)性質(zhì)的第一性原理研究》和《布朗運(yùn)動(dòng)的蒙特卡洛模擬》，09屆學(xué)生的畢業(yè)論文《ZnO電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)的研究》，11屆學(xué)生的畢業(yè)論文《晶格熱容的理論計(jì)算》和《簡(jiǎn)立方晶體結(jié)構(gòu)能量分布的理論模擬》等均為材料計(jì)算和模擬相關(guān)課題，并且有多人的畢業(yè)論文被評(píng)為優(yōu)秀畢業(yè)論文．個(gè)別優(yōu)秀的學(xué)生讀研后繼續(xù)從事材料的計(jì)算模擬相關(guān)研究．通過(guò)幾年的教學(xué)實(shí)踐，計(jì)算材料相關(guān)課程的開(kāi)設(shè)對(duì)于擴(kuò)大學(xué)生的知識(shí)面，提高學(xué)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(jì)算模擬方法介紹雖然已經(jīng)在材料專業(yè)開(kāi)設(shè)《計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用》和《計(jì)算物理》等材料計(jì)算相關(guān)的課程，但這兩門(mén)課均為專業(yè)選修課，只有選修相關(guān)課程的學(xué)生才能得到相應(yīng)的計(jì)算模擬培訓(xùn)，受眾面還比較窄．因此，為使更多的學(xué)生了解到材料模擬計(jì)算的相關(guān)理論和知識(shí)，在材料專業(yè)主干課的教學(xué)中也適時(shí)地加入相關(guān)的計(jì)算模擬方法的介紹，從而擴(kuò)大計(jì)算模擬知識(shí)的普及面．例如，在《固體物理》課程中，當(dāng)講解到能帶理論一章時(shí)，我們會(huì)在本章結(jié)束時(shí)，加入一次課，著重介紹基于第一性原理的平面波贗勢(shì)計(jì)算方法計(jì)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(jì)算的常用軟件(CASTEP、VASP等)．一方面，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的理論知識(shí)加以直觀化和適度的擴(kuò)展，另一方面也進(jìn)一步普及第一性原理計(jì)算的相關(guān)知識(shí)．在《材料科學(xué)基礎(chǔ)》教學(xué)中講解到相平衡與相圖一章時(shí)，我們會(huì)在本章內(nèi)容結(jié)束后介紹相圖計(jì)算近年來(lái)的發(fā)展現(xiàn)狀，包括CALPHAD(CalculationofPhaseDiagram)計(jì)算方法、熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)的結(jié)合、第一性原理與相圖計(jì)算方法的結(jié)合，并簡(jiǎn)要介紹今后相圖計(jì)算可能的發(fā)展方向[7]．在晶體缺陷內(nèi)容的教學(xué)中，穿插介紹利用分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算面心立方金屬空位和間隙原子點(diǎn)缺陷的形成能的方法．通過(guò)在課程教學(xué)中穿插入計(jì)算模擬方法的介紹，一方面也加深了學(xué)生對(duì)所學(xué)內(nèi)容的理解，另一方面開(kāi)闊了學(xué)生的眼界．(3)舉辦計(jì)算模擬相關(guān)的學(xué)術(shù)講座．自從2009年以來(lái)，物理與電子信息學(xué)院從事計(jì)算模擬研究的教師每學(xué)期都結(jié)合自身的科研情況舉辦面向全院學(xué)生的學(xué)術(shù)講座．例如在2011至2012學(xué)年第二學(xué)期，我們舉辦兩場(chǎng)學(xué)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(jiàn)光響應(yīng)半導(dǎo)體光催化材料的結(jié)構(gòu)和能帶設(shè)計(jì)》，教師在講座中介紹自己的科研情況，同時(shí)也使學(xué)生了解到如何把學(xué)到的計(jì)算模擬知識(shí)應(yīng)用到科研實(shí)踐中去，讓學(xué)生體會(huì)到如何利用計(jì)算模擬預(yù)測(cè)材料的物理性質(zhì)以及指導(dǎo)材料設(shè)計(jì)的研究方式，提高學(xué)生自覺(jué)學(xué)習(xí)計(jì)算模擬方法的積極性．

結(jié)束語(yǔ)

第4篇：量子力學(xué)基本原理的內(nèi)容范文

關(guān)鍵詞：量子密碼；量子加密；測(cè)不準(zhǔn)原理；EPR關(guān)聯(lián)；量子糾纏

中圖分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044(2007)03-10732-02

1 引言

傳統(tǒng)的加密系統(tǒng)，不管是對(duì)密鑰技術(shù)還是公鑰技術(shù)，其密文的安全性完全依賴于密鑰的秘密性。密鑰必須是由足夠長(zhǎng)的隨機(jī)二進(jìn)制串組成，一旦密鑰建立起來(lái)，通過(guò)密鑰編碼而成的密文就可以在公開(kāi)信道上進(jìn)行傳送。然而為了建立密鑰，發(fā)送方與接收方必須選擇一條安全可靠的通信信道，但由于截收者的存在，從技術(shù)上來(lái)說(shuō)，真正的安全很難保證，而且密鑰的分發(fā)總是會(huì)在合法使用者無(wú)從察覺(jué)的情況下被消極監(jiān)聽(tīng)。

近年來(lái)，由于量子力學(xué)和密碼學(xué)的結(jié)合，誕生了量子密碼學(xué)，它可完成僅僅由傳統(tǒng)數(shù)學(xué)無(wú)法完成的完善保密系統(tǒng)。量子密碼學(xué)是在量子理論基礎(chǔ)上提出了一種全新的安全通信系統(tǒng)，它從根本上解決量子特性不可忽視，測(cè)量動(dòng)作是量子力學(xué)的一個(gè)組成部分。在這些規(guī)律中，對(duì)量子密碼學(xué)起關(guān)鍵作用的是Heisenberg測(cè)不準(zhǔn)原理，即測(cè)量量子系統(tǒng)時(shí)通常會(huì)對(duì)該系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，并產(chǎn)生出關(guān)于該系統(tǒng)測(cè)量前狀態(tài)的不完整信息，因此任何對(duì)于量子信道進(jìn)行監(jiān)測(cè)的努力都會(huì)以某種檢測(cè)的方式干擾在此信道中傳輸?shù)男畔ⅰ?/p>

本文內(nèi)容安排如下：第二部分回顧經(jīng)典的密碼術(shù)，第三部分說(shuō)明基于EPR糾纏對(duì)的量子加密原理和技術(shù)，第四部分介紹量子密碼術(shù)，最后給出結(jié)論。

2 經(jīng)典密碼術(shù)

一般而言，加密體系有兩大類別，公鑰加密體系與私鑰加密體系。經(jīng)典保密通信原理如圖1所示：

圖1經(jīng)典保密通信原理圖

密碼通信是依靠密鑰、加密算法、密碼傳送、解密、解密算法的保密來(lái)保證其安全性.它的基本目的使把機(jī)密信息變成只有自己或自己授權(quán)的人才能認(rèn)得的亂碼。具體操作時(shí)都要使用密碼講明文變?yōu)槊芪?，稱為加密，密碼稱為密鑰。完成加密的規(guī)則稱為加密算法。講密文傳送到收信方稱為密碼傳送。把密文變?yōu)槊魑姆Q為解密，完成解密的規(guī)則稱為解密算法。如果使用對(duì)稱密碼算法，則K＝K’ , 如果使用公開(kāi)密碼算法，則K 與K’ 不同。整個(gè)通信系統(tǒng)得安全性寓于密鑰之中。

公鑰加密體系基于單向函數(shù)(one way function)。即給定x，很容易計(jì)算出F (x)，但其逆運(yùn)算十分困難。這里的困難是指完成計(jì)算所需的時(shí)間對(duì)于輸入的比特?cái)?shù)而言呈指數(shù)增加。舉例而言，RSA (Rivest, Shamir, Adleman ) 即是具有代表性的公開(kāi)密鑰算法，其保密性建立在分解有大素?cái)?shù)因子的合數(shù)的基礎(chǔ)上。公鑰體系由于其簡(jiǎn)單方便的特性在最近20年得以普及，現(xiàn)代電子商務(wù)保密信息量的95%依賴于RSA算法。但其存在以下主要缺陷。首先，人們尚無(wú)法從理論上證明算法的不可破性，盡管對(duì)于己知的算法，計(jì)算所需的時(shí)間隨輸入的比特?cái)?shù)呈指數(shù)增加，我們只要增加密鑰的長(zhǎng)度即可提高加密體系的安全性，但沒(méi)人能夠肯定是否存在更為先進(jìn)的快速算法。其次，隨著量子計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，以往經(jīng)典計(jì)算機(jī)難以求解的問(wèn)題，量子計(jì)算機(jī)可以迎刃而解。例如應(yīng)用肖氏(Shor's )量子分解因式算法可以在多項(xiàng)式時(shí)間內(nèi)輕易破解加密算法。

另一種廣泛使用的加密體系則基于公開(kāi)算法和相對(duì)前者較短的私鑰。例如DES (Data Encryption Standard, 1977)使用的便是56位密鑰和相同的加密和解密算法。這種體系的安全性，同樣取決于計(jì)算能力以及竊聽(tīng)者所需的計(jì)算時(shí)間。事實(shí)上，1917年由Vernam提出的“一次一密碼本”(one time pad) 是唯一被證明的完善保密系統(tǒng)。這種密碼需要一個(gè)與所傳消息一樣長(zhǎng)度的密碼本，并且這一密碼本只能使用一次。然而在實(shí)際應(yīng)用中，由于合法的通信雙方(記做Alice和Bob)在獲取共享密鑰之前所進(jìn)行的通信的安全不能得到保證，這一加密體系未能得以廣泛應(yīng)用。

現(xiàn)代密碼學(xué)認(rèn)為，任何加密體系的加密解密算法都是可以公開(kāi)的，其安全性在于密鑰的保密性。實(shí)際上，由于存在被動(dòng)竊聽(tīng)的可能性，如果通信雙方完全通過(guò)在經(jīng)典信道上傳輸經(jīng)典信息，則在雙方之間建立保密的密鑰是不可能的。然而，量子物理學(xué)的介入徹底改變了這一狀況。

3 量子加密的原理和技術(shù)

量子加密是目前科學(xué)界公認(rèn)唯一能實(shí)現(xiàn)絕對(duì)安全的通信方式。它依賴于兩點(diǎn)：一是基本量子力學(xué)效應(yīng)(如測(cè)不準(zhǔn)原理,Bell 原理量子不可克隆定理)；二是量子密鑰分配協(xié)議量子密碼系統(tǒng)能夠保證：(1)合法的通信雙方可覺(jué)察潛在的竊聽(tīng)者并采取相應(yīng)的措施；（2）使竊聽(tīng)者無(wú)法破解量子密碼，無(wú)論破譯者有多么強(qiáng)大的計(jì)算能力。同時(shí)，量子密碼通信不是用來(lái)傳送密文或明文，而是用來(lái)建立和傳送密碼本，這個(gè)密碼本是絕對(duì)安全的。到目前為止，實(shí)現(xiàn)量子加密的方案主要有如下幾種：

(1)基于兩組共扼正交基的四狀態(tài)方案，其代表為BB84協(xié)議；

(2)基于兩個(gè)非正交態(tài)的二狀態(tài)方案，其代表為B92協(xié)議；

(3)基于EPR糾纏對(duì)的方案，其代表為E91協(xié)議；

(4)基于BB84協(xié)議與B92協(xié)議的4＋2協(xié)議。

在這里我們主要介紹一下基于EPR糾纏對(duì)的方案，Ekert 于1991年提出的基于EPR的量子密鑰分配協(xié)議(E91)充分利用了量子系統(tǒng)的糾纏特性，通過(guò)糾纏量子系統(tǒng)的非定域性來(lái)傳遞量子信息，取代了BB84 協(xié)議中用來(lái)傳遞量子位的量子信道，因而可以更加靈活地實(shí)現(xiàn)密鑰分配。此外，與BB84 不同的是，E91協(xié)議借助于Bell 不等式來(lái)驗(yàn)證是否存在竊聽(tīng)者，而在BB84 和B92 中，都是通過(guò)隨機(jī)校驗(yàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)竊聽(tīng)驗(yàn)證。

雖然量子密鑰分配協(xié)議的安全性與Bell不等式之間的確切關(guān)系尚不清楚，但是利用Bell不等式的確可以保證量子密鑰分配是無(wú)條件安全的。也就是說(shuō)無(wú)論Eve采取多么高明的竊聽(tīng)策略，采用多么精密的竊聽(tīng)設(shè)備，她的竊聽(tīng)行為必然影響糾纏態(tài)，進(jìn)而使Bell不等式成立。

其中任意角度均表示光子的偏振方向。量子位的信息編碼規(guī)則為：

相應(yīng)的測(cè)量算子為：

根據(jù)上述設(shè)置，E91密鑰分配的操作按如下步驟實(shí)施：

(1)Alice等概率的從{│ω0＞，│ω1＞，│ω2＞}中隨機(jī)選取一個(gè)糾纏態(tài)│ωj＞ ，保留第一個(gè)量子位，并把第二個(gè)量子位發(fā)送給Bob. Alice沒(méi)有必要記住│ωj＞究竟處于什么態(tài)， 只要保證三種糾纏態(tài)被等概率的選取。該過(guò)程可以在密鑰分配前任何方便的時(shí)候進(jìn)行，而且還可以有Bob或者可靠的第三方執(zhí)行。

(2)Alice和Bob各自獨(dú)立地測(cè)量自己的量子位，測(cè)量算子等概率地從{M0,M1,M2}中隨機(jī)選取。

(3)Alice直接記錄測(cè)量結(jié)果對(duì)應(yīng)的編碼信息比特，Bob則記錄編碼信息比特的反碼。

(4)Alice和Bob在公開(kāi)的經(jīng)典信道公布自己所選取的測(cè)量算子。當(dāng)然，Alice和Bob 都不透露自己的測(cè)量結(jié)果。

(5)Alice和Bob保留相同的測(cè)量算子所對(duì)應(yīng)的信息比特作為原始密鑰(raw key)。其余的信息比特記為排異位(rejected bits)，與BB84和B92不同，排異位不再被丟棄，而是被公布以用來(lái)驗(yàn)證Bell不等式是否成立，并以此判斷是否存在竊聽(tīng)者。

然而根據(jù)量子力學(xué)，對(duì)于上述糾纏純態(tài)，應(yīng)有β= -0.5，Alice和Bob可以利用公布的排異位分別計(jì)算β ，若Bell不等式成立，即β≥0 ，則表明糾纏態(tài)已經(jīng)被破壞，原始密鑰是不可靠的; Bell不等式不成立，即 β

最后，Alice和Bob利用經(jīng)典糾錯(cuò)碼對(duì)密鑰進(jìn)行糾錯(cuò)，最后施行保密增強(qiáng)生成最終密鑰。

4 量子密碼術(shù)

考慮到環(huán)境噪聲和竊聽(tīng)者的作用，以防止竊聽(tīng)者獲得盡可能多信息從而實(shí)現(xiàn)高效的量子密碼傳輸通信。因此在實(shí)際通信系統(tǒng)中，所有量子密鑰分發(fā)協(xié)議都要完成以下四個(gè)過(guò)程：

4.1 量子傳輸

不同量子密碼協(xié)議有不同的量子傳輸方式，但它們有一個(gè)共同點(diǎn):都是利用量子力學(xué)原理(如海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理)。在實(shí)際的通信系統(tǒng)中，在量子信道中Alice隨機(jī)選取單光子脈沖的光子極化態(tài)和基矢，將其發(fā)送給Bob, Bob再隨機(jī)選擇基矢進(jìn)行測(cè)量，測(cè)到的比特串記為密碼本。但由于噪聲和Eve的存在而使接受信息受到影響，特別是Eve可能使用各種方法對(duì)Bob進(jìn)行干擾和監(jiān)聽(tīng)，如量子拷貝，截取轉(zhuǎn)發(fā)等，根據(jù)測(cè)不準(zhǔn)原理，外界的干擾必將導(dǎo)致量子信道中光子極化態(tài)的改變并影響B(tài)ob的測(cè)量結(jié)果，由此可以對(duì)竊聽(tīng)者的行為進(jìn)行檢測(cè)和判定。這也是量子密碼區(qū)別于其它密碼體制的重要特點(diǎn)。

4.2 篩選數(shù)據(jù)

在量子傳輸中由于噪聲，特別是Eve 的存在，將使光子態(tài)序列中光子的偏振態(tài)發(fā)生變化。另外，實(shí)際系統(tǒng)中，Bob 的檢測(cè)儀也不可能百分之百正確地記錄測(cè)量結(jié)果，所以，A1ice 和Bob 比較測(cè)量基后會(huì)放棄所有那些在傳送過(guò)程中沒(méi)有收到或測(cè)量失誤，或由于各種因素的影響而不合要求的測(cè)量基，然后，他們可以公開(kāi)隨機(jī)的選擇一些數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，再丟棄，計(jì)算出錯(cuò)誤率，若錯(cuò)誤率超過(guò)一定的閾值，應(yīng)考慮竊聽(tīng)者的存在。A1ice和Bob放棄所有的數(shù)據(jù)并重新傳光子序列，若是可以接收的結(jié)果，則A1ice和Bob將剩下的數(shù)據(jù)保存下來(lái)，所獲得數(shù)據(jù)稱為篩選數(shù)據(jù)。假設(shè)量子傳輸中A1ice傳給Bob的量子比特(Qubit)為m bit，篩選掉m-n bit，則得到的原數(shù)據(jù)為n bit。在這個(gè)過(guò)程中可以檢測(cè)出明顯的Eve的存在。

4.3 數(shù)據(jù)糾錯(cuò)

所得到的n bit的篩選數(shù)據(jù)并不能保證A1ice和Bob各自保存完全的一致性，通信雙方仍不能保證各自保存的全部數(shù)據(jù)沒(méi)被竊聽(tīng)。因此要對(duì)原數(shù)據(jù)進(jìn)行糾錯(cuò)。人們提出了幾種方法，經(jīng)研究后提出以下方法：

(1)A1ice和Bob約定好隨機(jī)的變換他們bit 串的位置來(lái)打亂錯(cuò)誤的位置；

(2)將bit 串分成大小為K 的區(qū)，K的選取應(yīng)使每一個(gè)區(qū)的錯(cuò)誤盡可能的??；

(3)對(duì)于每一個(gè)區(qū)，A1ice和Bob計(jì)算并公開(kāi)宣布了奇偶校驗(yàn)結(jié)果；

(4)若相同，A1ice和Bob約定放棄該區(qū)的最后一個(gè)比持；

(5)若不同，用log(K)反復(fù)查找來(lái)定位和糾正區(qū)中的錯(cuò)誤；

(6)由于奇偶校驗(yàn)只能發(fā)現(xiàn)奇數(shù)個(gè)同時(shí)出現(xiàn)的錯(cuò)誤，所以仍會(huì)有小部分錯(cuò)誤存在，為了解決這種情況，反復(fù)以上步驟，不斷地增加區(qū)的大小。

4.4 保密增強(qiáng)

保密加強(qiáng)是為了進(jìn)一步提高所得密鑰的安全性，它是一種非量子方法，其具體實(shí)現(xiàn)為假設(shè)Alice 發(fā)給Bob 一個(gè)隨機(jī)變量W , 如一個(gè)隨機(jī)的n bit 串，在隨機(jī)變量V 中，竊聽(tīng)者Eve 獲得一個(gè)正確的隨機(jī)變量V, 設(shè)對(duì)應(yīng)的比特為t

4.5 身份認(rèn)證

經(jīng)過(guò)以上的過(guò)程，獲得了一個(gè)對(duì)竊聽(tīng)者Eve完全安全的密鑰，但他假定朋Alice和Bob都是合法的，并沒(méi)有對(duì)A1ice和Bob的身份認(rèn)證?？赡軙?huì)出現(xiàn)A1ice或M是假冒的情況，因此我們?cè)谠瑽M4協(xié)議中加人身份認(rèn)證這一過(guò)程：我們可以從量子密鑰中獲取認(rèn)證密鑰而實(shí)現(xiàn)。將以上過(guò)程所得到的密鑰稱為原密鑰(Raw Key)rK，將其分成三個(gè)部分：rK＝Ka+Kb+K，其中Ka，Kb用于身份確認(rèn)。具體過(guò)程如下：A1ice秘密地從rK中選取Ka，并發(fā)送給Bob，同時(shí)Bob秘密地從rK中選取Kb并發(fā)送給A1ice，然后A1ice和Bob分別以Kb，Ka利用單向哈希函數(shù)獲得各自的秘密密鑰Ka'，Kb'。最后A1ice和Bob利用雙鑰認(rèn)證體制實(shí)現(xiàn)身份確認(rèn)。

5 結(jié)論

量子密碼術(shù)是量子物理學(xué)和密碼學(xué)相結(jié)合的一門(mén)新興科學(xué)，它成功地解決了傳統(tǒng)密碼學(xué)中單靠數(shù)學(xué)無(wú)法解決的問(wèn)題并引起國(guó)際上高度重視，是主要應(yīng)用于量子信息領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。近年來(lái)，許多國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)對(duì)量子密碼通信的研究非?；钴S，這種新的密碼通信不同于經(jīng)典的密碼通信，有著絕對(duì)安全的優(yōu)點(diǎn)。

總之，隨著單光子探測(cè)等技術(shù)的不斷發(fā)展，量子密碼通信技術(shù)在全光網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星通信等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力會(huì)不斷挖掘并成為現(xiàn)實(shí)，當(dāng)量子計(jì)算機(jī)成為現(xiàn)實(shí)時(shí)經(jīng)典密碼體制將無(wú)安全可言，量子密碼術(shù)將成為保護(hù)數(shù)據(jù)安全的最佳選擇之一。因此，對(duì)量子保密通信技術(shù)以及為合法通信者間的安全通信的進(jìn)一步研究將是一項(xiàng)非常有意義的工作。

參考文獻(xiàn)：

[1]Nicolas Gisin, Gre′ goire Ribordy, Wolfgang Tittel, and Hugo Zbinden，Quantum cryptography[J], REVIEWS OF MODERN PHYSICS, VOLUME 74, JANUARY 2002.

[2]DAVID S. PEARSON, CHIP ELLIOTT, ON THE OPTIMAL MEAN PHOTON NUMBER FOR QUANTUM CRYPTOGRAPHY[J], Quantum Information and Computation, Vol. 0, No. 0 (2003) 000C000.

[3]Chip Elliott，Dr. David Pearson，Dr. Gregory Troxel，Quantum Cryptography in Practice[J], PREPRINT C May 1, 2003

[4]Daniel Collins, Nicolas Gisin and Hugues de Riedmatten，Quantum Relays for Long Distance Quantum Cryptography[R]，14 November 2003.

[5]Norbert Lu¨tkenhaus，Security against individual attacks for realistic quantum key distribution[J]，PHYSICAL REVIEW A, VOLUME 61, 052304.

第5篇：量子力學(xué)基本原理的內(nèi)容范文

【關(guān)鍵詞】 激光原理與技術(shù)課程；教學(xué)內(nèi)容；教學(xué)方法；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

【中圖分類號(hào)】G632.010 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2013）29-00-01

一、教學(xué)現(xiàn)狀

“激光原理與技術(shù)”是應(yīng)用物理學(xué)本科專業(yè)的專業(yè)課，是一門(mén)理論性很強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)可以為學(xué)生今后從事激光技術(shù)、光通信、信息處理、紅外探測(cè)、環(huán)境檢測(cè)、激光醫(yī)療診斷和材料加工等方面的相關(guān)光學(xué)工程研究打下基礎(chǔ)。由于該課程物理概念抽象并且理論性強(qiáng)，基礎(chǔ)知識(shí)面廣，不易理解，感到難學(xué)，畏難情緒嚴(yán)重，學(xué)習(xí)這門(mén)課程時(shí)的興趣就不如其它普通物理課程；此外，由于學(xué)生對(duì)激光應(yīng)用方面的知識(shí)了解較少，往往因缺乏感性認(rèn)識(shí)，不能充分體會(huì)到該課程的重要性，導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)中沒(méi)有一個(gè)積極的態(tài)度；再次，“激光原理與技術(shù)”需要講授激光的基本原理、基本技術(shù)以及激光的應(yīng)用三部分內(nèi)容，知識(shí)點(diǎn)多，邏輯關(guān)系也不像力學(xué)、電磁學(xué)等那么明顯，再加上該課程總的學(xué)時(shí)數(shù)只有32學(xué)時(shí)，所以大部分學(xué)生在學(xué)習(xí)中會(huì)感覺(jué)到有些凌亂，理不清頭緒，最終導(dǎo)致不能鞏固和深化所有的知識(shí)點(diǎn)?；谝陨蠁?wèn)題，如何在教學(xué)中合理的處理教學(xué)內(nèi)容以及采取合理的教學(xué)方法，做到重點(diǎn)突、詳略得當(dāng)，既要讓學(xué)生掌握基本原理和基本技術(shù)，又要了解激光的具體應(yīng)用是目前教學(xué)過(guò)程中急待解決的主要問(wèn)題。

二、對(duì)教學(xué)內(nèi)容適當(dāng)刪減

《激光原理與技術(shù)》是一門(mén)理論性很強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程涉及的基礎(chǔ)知識(shí)面廣，需要應(yīng)用原子物理、量子力學(xué)、熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理、光學(xué)和高等數(shù)學(xué)等課程的結(jié)論和基礎(chǔ)，公式繁多、推導(dǎo)復(fù)雜、理論抽象，具有較大的難度和深度。要在32學(xué)時(shí)內(nèi)完成教學(xué)任務(wù)，就必須選擇合適的教材并且合理的安排教學(xué)內(nèi)容。在教學(xué)中我們選擇的是上海理工大學(xué)陳家璧教授編寫(xiě)的《激光原理及應(yīng)用》（電子工業(yè)出版社）作為教材。這本教材的特點(diǎn)在于內(nèi)容章節(jié)安排合理，知識(shí)點(diǎn)覆蓋面廣，理論體系較為完整，避免過(guò)多的理論公式推導(dǎo)和計(jì)算，而把重點(diǎn)放在闡明物理概念以及激光輸出特性與激光器的參數(shù)之問(wèn)的關(guān)系，幫助學(xué)生了解和掌握最基本的激光原理和技術(shù)，學(xué)會(huì)如何根據(jù)不同應(yīng)用范圍選擇合適的激光器。因此這本教材的內(nèi)容很對(duì)工科類的學(xué)生的胃口，尤其是具有一定物理基礎(chǔ)的應(yīng)用物理系學(xué)生來(lái)說(shuō)所講授的內(nèi)容比較容易掌握。我們根據(jù)教材的安排將教學(xué)內(nèi)容主要分為三個(gè)大的部分：激光的基本原理包括激光的產(chǎn)生條件、激光器的工作原理和激光器的輸出特性；激光技術(shù)部分包括激光的選模技術(shù)、穩(wěn)頻技術(shù)、激光束的光束變換，調(diào)Q、鎖模技術(shù)以及激光的內(nèi)調(diào)制、外調(diào)制等技術(shù)；激光的應(yīng)用部分主要包括各種常見(jiàn)激光器介紹和激光在不同領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用。關(guān)于激光的其他方面的知識(shí)將不再安排進(jìn)課堂教學(xué)，主要供學(xué)生自學(xué)。

三、教學(xué)手段多樣化

激光原理與技術(shù)內(nèi)容繁多并且教材中包含大量圖片，只靠“一支粉筆一張嘴”的教學(xué)手段很難在有限的課時(shí)內(nèi)完成教學(xué)任務(wù)。因此在科技發(fā)展的今天，我們必須借助現(xiàn)代化的多媒體教學(xué)手段。在教學(xué)中通過(guò)PPT、Flash以及小電影等多中形式，使學(xué)生獲得對(duì)激光更為直觀、感性的認(rèn)識(shí)，增強(qiáng)課程的趣味性和直觀性。例如在激光的應(yīng)用方面，我們通過(guò)小電影播放激光雕刻、汽車車身的激光焊接以及激光的醫(yī)學(xué)應(yīng)用等視頻，可以很直接引起學(xué)生的興趣和好奇心，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。在此基礎(chǔ)上，教師再具體介紹在不同應(yīng)用背景下激光器的選擇、各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)等知識(shí)，這樣可以在感性認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)之上更好的掌握激光器的主要知識(shí)點(diǎn)。

此外，在教學(xué)中將部分教學(xué)內(nèi)容以專題的形式提供給學(xué)生，學(xué)生通過(guò)自己的探索和實(shí)踐過(guò)程中掌握科學(xué)研究的方法，在研究中獲得知識(shí)。例如可以在講授諧振腔結(jié)構(gòu)對(duì)激光輸出特性的影響時(shí)，在學(xué)習(xí)了開(kāi)放式光腔與高斯光束、激光振蕩特性章節(jié)內(nèi)容后，結(jié)合具體的激光器He―Ne氣體激光器，讓學(xué)生探索腔型結(jié)構(gòu)對(duì)He―Ne氣體激光器激光輸出性能的影響和高斯光束聚焦特性的研究以及振腔設(shè)計(jì)和激光輸出特性測(cè)試等工作。通過(guò)專題研究，有效地促進(jìn)了在教學(xué)活動(dòng)中培養(yǎng)學(xué)生具有能從物理學(xué)的角度對(duì)激光有深入的理解的能力，使學(xué)生對(duì)“激光原理”的學(xué)習(xí)有了感性認(rèn)識(shí)，將被動(dòng)的接受變?yōu)橹鲃?dòng)的獲取，并啟發(fā)他們做一些創(chuàng)新性科學(xué)研究，培養(yǎng)本科生敢于開(kāi)辟激光應(yīng)用新領(lǐng)域的開(kāi)拓精神，解決學(xué)生對(duì)激光物理知識(shí)內(nèi)容的深入理解與創(chuàng)新思維之間的聯(lián)系。在此基礎(chǔ)上，還可以選拔出優(yōu)秀的學(xué)生，讓他們參與到教師的科研項(xiàng)目和研究中，開(kāi)展初步的科學(xué)研究和探索，以此提高優(yōu)秀本科生的創(chuàng)新思維發(fā)展、理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐相結(jié)合的能力。

四、注重實(shí)驗(yàn)教學(xué)

激光原理實(shí)驗(yàn)是“激光原理與技術(shù)”教學(xué)的重要組成部分，讓學(xué)生接觸真正的激光器，并在實(shí)驗(yàn)中通過(guò)練習(xí)掌握調(diào)試、測(cè)試激光器的各種方法，可以幫助學(xué)生真正理解激光理論、認(rèn)識(shí)和應(yīng)用激光器，在教學(xué)過(guò)程中必須兩者兼顧，不可偏廢?？梢?jiàn)激光原理實(shí)驗(yàn)對(duì)于幫助學(xué)生真正掌握這門(mén)課程無(wú)疑是有重要意義。因此在教學(xué)中必須開(kāi)設(shè)能夠涵蓋理論課涉及到的主要原理、技術(shù)和應(yīng)用方面的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，如激光器諧振腔設(shè)計(jì)、調(diào)整、橫模觀察、發(fā)散角測(cè)量、縱模間隔測(cè)量（He―Ne）和半導(dǎo)體激光器特性（GaAs）以及半導(dǎo)體激光器在通訊領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用等實(shí)驗(yàn)。通過(guò)這些實(shí)驗(yàn)的教學(xué)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)而增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)了學(xué)生觀察問(wèn)題、思考問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，也促進(jìn)了理論教學(xué)質(zhì)量的提高。在實(shí)驗(yàn)條件允許的條件下，還可以開(kāi)展一些設(shè)計(jì)性、研究性實(shí)驗(yàn)，如研究激光與原子、分子的相互作用、激光在化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的應(yīng)用等方面的實(shí)驗(yàn)。當(dāng)然，這要根據(jù)學(xué)校自身?xiàng)l件和教師科研情況自行決定，總的目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和分析、解決問(wèn)題的能力以及初步的科研能力。

五、結(jié)語(yǔ)

根據(jù)對(duì)《激光原理與技術(shù)》課程教學(xué)現(xiàn)狀的分析，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和實(shí)驗(yàn)教學(xué)三個(gè)方面探討了“激光原理與技術(shù)”課程改革的一些想法和體會(huì)。在教學(xué)內(nèi)容上要合理刪減，突出重點(diǎn)，將最基本的原理和技術(shù)傳授給學(xué)生；在教學(xué)方法上要結(jié)合多媒體教學(xué)，利用生動(dòng)的動(dòng)畫(huà)、影視等使課程形象、生動(dòng)，并且激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)的主動(dòng)性；實(shí)驗(yàn)教學(xué)是該課程的重要一環(huán)，既要加強(qiáng)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)也要開(kāi)設(shè)一些設(shè)計(jì)研究型實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的探索精神和創(chuàng)新能力。

參考文獻(xiàn)

[1]陳家璧，彭潤(rùn)玲主編.激光原理及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[2]周炳琨，高以智，陳倜嶸等.激光原理（第6版）[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2009

第6篇：量子力學(xué)基本原理的內(nèi)容范文

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

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

一、歷史的回顧

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

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

把物理學(xué)發(fā)展的現(xiàn)狀與上一個(gè)世紀(jì)之交的情況作比較，可以看到兩者之間有相似之外，也有不同之處。

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

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

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

1）在微觀方向上深入下去。在這個(gè)方向上，我們已經(jīng)了解了原子核的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了大量的基本粒子及其運(yùn)規(guī)律，建立了核物理學(xué)和粒子物理學(xué)，認(rèn)識(shí)到強(qiáng)子是由夸克構(gòu)成的。今后可能會(huì)有新的進(jìn)展。但如果要探索更深層次的現(xiàn)象，必須有更強(qiáng)大得多的加速器，而這是非常艱巨的任務(wù)，所以我認(rèn)為近期內(nèi)在這個(gè)方向上難以有突破性的進(jìn)展。

2）在宏觀方向上拓展開(kāi)去。1948年美國(guó)的伽莫夫提出“大爆炸”理論，當(dāng)時(shí)并未引起重視。1965年美國(guó)的彭齊亞斯和威爾遜觀測(cè)到宇宙背景輻射，再加上其他的觀測(cè)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?gòu)┖兔绹?guó)的古斯同時(shí)提出暴脹理論。八十年代以后，英國(guó)的霍金[2,3]等人開(kāi)始論述宇宙的創(chuàng)生，認(rèn)為宇宙從“無(wú)”誕生，今后在這個(gè)方向上將會(huì)繼續(xù)有所發(fā)展。從根本上來(lái)說(shuō)，現(xiàn)代宇宙學(xué)的繼續(xù)發(fā)展有賴于向廣漠的宇宙更遙遠(yuǎn)處觀測(cè)的新結(jié)果，這需要人類制造出比哈勃望遠(yuǎn)鏡性能更優(yōu)越得多的、各個(gè)波段的太空天文望遠(yuǎn)鏡，這是很艱巨的任務(wù)。

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

3）深入探索各層次間的聯(lián)系。

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

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

愛(ài)因斯坦當(dāng)初探索“統(tǒng)一場(chǎng)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(méi)有成功。我對(duì)此有不同的觀點(diǎn)，根據(jù)辯證唯物主義的基本原理，我認(rèn)為“物質(zhì)世界是既統(tǒng)一，又多樣化的”。且莫論追求“超統(tǒng)一理論”能否成功，即便此理論完成了，它也不是物理學(xué)發(fā)展的終點(diǎn)。因?yàn)椤霸诮^對(duì)的總的宇宙發(fā)展過(guò)程中，各個(gè)具體過(guò)程的發(fā)展都是相對(duì)的，因而在絕對(duì)真理的長(zhǎng)河中，人們對(duì)于在各個(gè)一定發(fā)展階段上的具體過(guò)程的認(rèn)識(shí)只具有相對(duì)的真理性。無(wú)數(shù)相對(duì)的真理之總和，就是絕對(duì)的真理?！薄叭藗?cè)趯?shí)踐中對(duì)于真理的認(rèn)識(shí)也就永遠(yuǎn)沒(méi)有完結(jié)?！盵5]

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

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

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

三、現(xiàn)代物理學(xué)的理論基礎(chǔ)是完美的嗎？

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

呢？我們來(lái)審思一下這個(gè)問(wèn)題。

1）對(duì)相對(duì)論的審思

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

時(shí)間、空間是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的表現(xiàn)形式，不能脫離物理質(zhì)運(yùn)動(dòng)談?wù)摃r(shí)間、空間，在定義時(shí)空時(shí)應(yīng)該說(shuō)明是關(guān)于什么運(yùn)動(dòng)的時(shí)空?，F(xiàn)代物理學(xué)認(rèn)為超距作用是不存在的，A處發(fā)生的“事件”影響B(tài)處的“事件”必須通過(guò)一定的場(chǎng)傳遞過(guò)去，傳遞需要一定的時(shí)間，時(shí)間、空間的定義與這個(gè)傳遞速度是密切相關(guān)的。如果這種場(chǎng)是電磁場(chǎng)，則電磁相互作用傳遞的速度就是光速。因此，愛(ài)因斯坦定義的時(shí)空實(shí)際上是關(guān)于由電磁相互作用引起的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的時(shí)空，適用于描述這種運(yùn)動(dòng)。

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

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

弱力、強(qiáng)力與引力、電磁力有本質(zhì)的不同，前兩者是短程力，后兩者是長(zhǎng)程力。不同的相互作用是通過(guò)傳遞不同的媒介粒子而實(shí)現(xiàn)的。引力相互作用的傳遞者是引力子；電磁相互作用的傳遞者是光子；弱相互作用的傳遞者是規(guī)范粒子（光子除外）；強(qiáng)相互作用的傳遞者是介子。引力子和光子的靜質(zhì)量為零，按照愛(ài)因斯坦的理論，引力相互作用和電磁相互作用的傳遞速度都是光速。并且與傳遞粒子的靜質(zhì)量和能量有關(guān)，因而其傳遞速度是多種多樣的。

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

有很大的不同。設(shè)弱或強(qiáng)相互作用的傳遞速度為c＇＇，c＇＇不是常數(shù)，而是可變的，則關(guān)于由弱或強(qiáng)力引起的運(yùn)動(dòng)的時(shí)空為（x＇＇，y＇＇，z＇＇，Ic＇＇t＇＇），時(shí)間t＇＇和空間（x＇＇，y＇＇，z＇＇）將是c＇的函數(shù)。然而，很可能應(yīng)該這樣來(lái)考慮問(wèn)題：關(guān)于由弱力引起的運(yùn)動(dòng)的時(shí)空，在定義中應(yīng)該以規(guī)范粒子的靜質(zhì)量取作零時(shí)的速度c1取代光速c。由于“電弱理論”把弱力和電磁力統(tǒng)一起來(lái)了，因此有可能c1=c，則關(guān)于由弱力引起的運(yùn)動(dòng)的時(shí)空和關(guān)于由電磁力引起的運(yùn)動(dòng)的時(shí)空是相同的，同為（x，y，z，ict）。關(guān)于由強(qiáng)力引起的運(yùn)動(dòng)的時(shí)空，在定義中應(yīng)該以介子的靜質(zhì)量取作零（在理論上取作零，在實(shí)際上沒(méi)有靜質(zhì)量為零的介子）時(shí)的速度c＇＇取代光速c，c＇＇可能不等于c。則關(guān)于由強(qiáng)力引起的運(yùn)動(dòng)的時(shí)空（x＇＇，y＇＇，z＇＇，Ic＇＇t＇＇）不同于（x，y，z，ict）或（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）。無(wú)論上述兩種考慮中哪一種是對(duì)的，整個(gè)物質(zhì)世界的時(shí)空將是高于四維的多維時(shí)空。對(duì)于由短程力（或只是強(qiáng)力）引起的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)，如果時(shí)空有了新的一義，就需要建立新的理論，也就是說(shuō)需要建立新的量子場(chǎng)論、新的核物理學(xué)和新的粒子物理學(xué)等。如果研究的問(wèn)題既清及長(zhǎng)程力，又涉及短程力（尤其是強(qiáng)力），則更需要建立新的理論。

1）對(duì)量子力學(xué)的審思

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

現(xiàn)在我陷入一個(gè)兩難的處境：如果采用傳統(tǒng)的德布羅意關(guān)系，就只得接受不合理的德布羅意波奇異性；如果采納修正的德布羅意關(guān)系，就必須面對(duì)使新的理論滿足相對(duì)論協(xié)變性的難題。是否有解決問(wèn)題的其他途徑呢？我認(rèn)為這個(gè)問(wèn)題或許還與時(shí)間、空間的定義有關(guān)?，F(xiàn)在的量子力學(xué)理論中時(shí)寬人的定義實(shí)質(zhì)上依然是決定論的定義，而不確定原理是微觀世界的一條基本規(guī)律，所以時(shí)間、空間都不是嚴(yán)格確定的，決定論的時(shí)空要領(lǐng)不再適用。在時(shí)間或空間的間隔非常小的時(shí)候，描寫(xiě)事情順序的“前”、“后”概念將失去意義。此外，在重新定義時(shí)空時(shí)還應(yīng)考慮相關(guān)的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的類別。模糊數(shù)學(xué)已經(jīng)發(fā)展得相當(dāng)成熟了，把這個(gè)數(shù)學(xué)工具用到微觀世界時(shí)空的定義中去可能是很值得一試的。

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

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

第7篇：量子力學(xué)基本原理的內(nèi)容范文

【關(guān)鍵詞】固體物理 Materials Studio CASTEP 計(jì)算模擬 教學(xué)方法

【中圖分類號(hào)】G642 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-4810（2013）33-0054-02

固體物理是大中專院校物理學(xué)、材料科學(xué)與工程、化學(xué)、電子學(xué)專業(yè)中重要的基礎(chǔ)專業(yè)課，它是物理學(xué)中內(nèi)容豐富、應(yīng)用廣泛的分支學(xué)科，是微電子技術(shù)、光電子學(xué)技術(shù)、能源技術(shù)、材料科學(xué)等技術(shù)學(xué)科的基礎(chǔ)。因此做好固體物理學(xué)科的教學(xué)工作尤為重要。同時(shí)這門(mén)課程所涉及的知識(shí)點(diǎn)多與物理概念及數(shù)學(xué)公式相關(guān)，內(nèi)容具有一定的學(xué)習(xí)難度，不易理解。因此，在教學(xué)過(guò)程中，如果能形象生動(dòng)地展開(kāi)教學(xué)活動(dòng)，直觀地解釋相關(guān)的物理概念、現(xiàn)象、過(guò)程、結(jié)構(gòu)及狀態(tài)等，就能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更好地理解相關(guān)的知識(shí)，提高教學(xué)效率。

理論計(jì)算模擬方法已成為國(guó)際上流行的一種科學(xué)研究方法。目前，國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多的學(xué)術(shù)期刊中大量采用理論計(jì)算方法來(lái)驗(yàn)證及說(shuō)明實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)結(jié)果。Materials Studio6.0、VASP、Wein2K等軟件是目前計(jì)算固體物理周期性體系比較流行的軟件，Materials Studio 軟件采用平面波贋勢(shì)基組，而VASP及Wein2k采用全電子基組。從計(jì)算精度上來(lái)說(shuō)，VASP&MedeA、Wein2k的精度更高，但耗用計(jì)算資源較多，可視化不好，只有熟悉第一性原理及計(jì)算模擬的專業(yè)人員才能熟練運(yùn)用，不利于本科生的教學(xué)。相反，Materials Studio 程序包通過(guò)Visualizer可視化界面整合了二十幾種計(jì)算模擬模塊，功能強(qiáng)大，操作簡(jiǎn)單、直觀，因此，更易被本科生掌握，適宜于本科生的日常教學(xué)實(shí)踐。

一 Visualizer可視化模塊結(jié)合固體物理教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)

1.簡(jiǎn)介

Materials studio材料計(jì)算模擬軟件是美國(guó)Accelrys公司為材料科學(xué)領(lǐng)域開(kāi)發(fā)的一款科學(xué)研究軟件。用戶可通過(guò)Visualizer模塊進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的操作來(lái)構(gòu)建復(fù)雜材料分子的三維結(jié)構(gòu)模型。隨后對(duì)材料分子進(jìn)行的構(gòu)型優(yōu)化、性質(zhì)預(yù)測(cè)、X射線衍射分析及量子力學(xué)方面進(jìn)行計(jì)算研究。

固體物理其研究?jī)?nèi)容包括：晶體結(jié)構(gòu)；晶體衍射和倒格子；晶體結(jié)合與彈性模量；聲子；自由電子費(fèi)米氣；能帶；半導(dǎo)體晶體；磁性；光學(xué)過(guò)程與激子；介電體和鐵電體；表面與界面物理；位錯(cuò)與缺欠等。Materials Studio能夠進(jìn)行模型構(gòu)建；彈性張量；電子光譜與介電常數(shù)的計(jì)算；靜介電常數(shù)；紅外、拉曼光譜計(jì)算；磁性相關(guān)性質(zhì)計(jì)算；費(fèi)米面計(jì)算及可視化；能帶及態(tài)密度的計(jì)算及圖形化；聲子譜及聲子態(tài)密度等等，固體物理學(xué)科中的很多概念及過(guò)程我們都可通過(guò)Materials Studio程序包來(lái)進(jìn)行課堂演示及計(jì)算，給出形象化的解釋。

2.構(gòu)建固體物理教學(xué)內(nèi)容涉及的模型結(jié)構(gòu)

固體物理中的很多章節(jié)，涵蓋的知識(shí)點(diǎn)及概念都可以利用Materials Studio軟件建模并計(jì)算，從而很好地演示出來(lái)。比如晶體結(jié)構(gòu)，我們可以通過(guò)Visualizer模塊中的FileImportStructuresemiconductorsZnO功能導(dǎo)入程序內(nèi)建的各種晶體結(jié)構(gòu)，包括半導(dǎo)體、玻璃、金屬、金屬氧化物、礦物質(zhì)、有機(jī)物、高分子、催化劑、陶瓷等常用的晶體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并三維可視化。之后我們可以在此晶體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行超晶胞拓展，或者根據(jù)自己的需要進(jìn)行修改，引入一些位錯(cuò)及缺欠；另外還可以構(gòu)建催化表面、氣相吸附等，最后利用CASTEP進(jìn)行計(jì)算演示。

二 CASTEP模塊在教學(xué)中的應(yīng)用

CASTEP（Cambridge Sequential Total Energy Package的縮寫(xiě)）是專為固體材料科學(xué)設(shè)計(jì)的當(dāng)前最高水平的量子力學(xué)軟件包之一。下面我們簡(jiǎn)要舉例講述如何應(yīng)用Materials Studio & CASTEP軟件講解固體物理教學(xué)中的相關(guān)知識(shí)和概念。

1.彈性系數(shù)張量的計(jì)算

彈性系數(shù)張量與塊體模量都是決定材料機(jī)械性質(zhì)和硬度的重要指標(biāo)。下面我們以ZnO做示范。操作步驟為：首先，載入Materials Studio自帶的ZnO模型，進(jìn)行Ultra fine精度的幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化。在Setup選項(xiàng)卡中選擇：FunctionalLDA；QualityUltra fine；在選擇GeomOpt計(jì)算后，從More選項(xiàng)中選擇晶胞Optimize cell選項(xiàng)，使用默認(rèn)的peseudopotential，進(jìn)行幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化ZnO晶胞。之后在優(yōu)化的ZnO晶胞基礎(chǔ)上，做TASK=Elastic Constants的計(jì)算。完成后，進(jìn)行操作CASTEPAnalysis進(jìn)行計(jì)算結(jié)果分析，在選項(xiàng)卡中選擇Elastic Constants來(lái)獲得彈性張量，得到ZnO的彈性張量計(jì)算結(jié)果。也可以采用不同的精度及泛函方法計(jì)算幾組數(shù)據(jù)，之后我們可以與文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較，來(lái)驗(yàn)證我們計(jì)算的精度。通過(guò)整個(gè)計(jì)算過(guò)程及操作的講解，可以使學(xué)生易于理解固體物理中彈性模量的計(jì)算原理及此概念的意義。

2.總結(jié)

Materials Studiao具有強(qiáng)大的建模功能，并自帶很多模型數(shù)據(jù)；而CASTEP計(jì)算模塊可方便地計(jì)算出固體物理學(xué)科中所涉及的概念，在教學(xué)過(guò)程中恰當(dāng)?shù)剡\(yùn)用此類軟件，通過(guò)直觀的操作及可視化圖形展示，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)其動(dòng)手和理論聯(lián)系實(shí)際的能力，使課堂教學(xué)過(guò)程引人入勝。

參考文獻(xiàn)

第8篇：量子力學(xué)基本原理的內(nèi)容范文

一、基本功的訓(xùn)練永遠(yuǎn)不可少

我們?cè)啻我脳钫駥幭壬挠^點(diǎn)：中美傳統(tǒng)教育方法的區(qū)別之一是中國(guó)教育按部就班、嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真，而美國(guó)的教育是滲透式的，允許跳躍。物理學(xué)是一門(mén)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)，基本概念、基本原理和基本技能等基本功的訓(xùn)練，永遠(yuǎn)是物理課程的核心，也是我國(guó)物理教學(xué)的優(yōu)良傳統(tǒng)，舍此談不上什么科學(xué)素質(zhì)教育。在我國(guó)傳統(tǒng)的物理教學(xué)中適當(dāng)?shù)匾M(jìn)滲透式的教學(xué)方法，作一定程度的跳躍，可使學(xué)生不過(guò)分地依賴教師，有利于激發(fā)他們的獨(dú)立思考和創(chuàng)新精神。我們贊同楊先生的看法：中美雙方教育傳統(tǒng)的長(zhǎng)短是互補(bǔ)的，若能將二者和諧地統(tǒng)一起來(lái)，在教育上將是一個(gè)有意義的突破。然而，對(duì)我國(guó)物理教育傳統(tǒng)施行傷筋動(dòng)骨的手術(shù)，必須慎重。

二、內(nèi)容現(xiàn)代化不能只是新聞報(bào)道

21世紀(jì)科學(xué)突飛猛進(jìn)，新技術(shù)層出不窮，令人目不暇接，眼花繚亂。物理教學(xué)要富有時(shí)代感，但不能流于新聞式的報(bào)道，而應(yīng)講出其中的物理內(nèi)涵。近代物理的理論基礎(chǔ)是相對(duì)論和量子力學(xué)，物理課中介紹現(xiàn)代科技成果時(shí)，應(yīng)突出它們的近代物理原理。

三、科學(xué)教育不能“軟化”

自然科學(xué)都是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹坝部茖W(xué)”，物理學(xué)尤其如此。對(duì)青少年進(jìn)行硬科學(xué)教育，對(duì)他們科學(xué)素質(zhì)的培養(yǎng)，是必不可少的。對(duì)于一個(gè)社會(huì)來(lái)說(shuō)，普通國(guó)民受到扎實(shí)的硬科學(xué)教育，且不說(shuō)對(duì)提高生產(chǎn)率和發(fā)展經(jīng)濟(jì)有利，對(duì)各種迷信和的抵御能力也會(huì)大大增強(qiáng)。1999年8月在桂林召開(kāi)的“‘99國(guó)際物理教師學(xué)術(shù)交流會(huì)”上,日本代表匯報(bào)了日本文部省（即教育部）的決定，將中學(xué)的物理、化學(xué)、生物、地學(xué)等科目合并為一門(mén)“綜合理科”課，總課時(shí)大幅度地壓縮，因而課程內(nèi)容也大幅度地刪減。例如，物理課程大綱中只保留了“能量”的概念，將“功”和“功率”砍掉。會(huì)上各國(guó)代表聽(tīng)了為之一震。歐洲物理學(xué)會(huì)的代表說(shuō)，這種將科學(xué)教育“軟化”的趨勢(shì)在世界上有一定的普通性，其實(shí)質(zhì)是使國(guó)民教育廉價(jià)化。

四、如何看“綜合”

據(jù)說(shuō)“綜合”有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。不錯(cuò)，現(xiàn)代的自然科學(xué)（物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、天文學(xué)、地質(zhì)學(xué)、地理學(xué)）是從古希臘的自然哲學(xué)分化出來(lái)的，當(dāng)前又呈現(xiàn)綜合起來(lái)的趨勢(shì)。當(dāng)初的分化標(biāo)志著認(rèn)識(shí)的深化，現(xiàn)在的綜合標(biāo)志著進(jìn)一步的深化，即所謂認(rèn)識(shí)的螺旋式上升。目前許多綜合性的學(xué)科，如材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、分子生物學(xué)等，培養(yǎng)人才的一般模式，是本科仍按傳統(tǒng)學(xué)科分科培養(yǎng)，在研究生階段進(jìn)行綜合。這是有道理的，否則在低層次上“綜合”，會(huì)造就出一批“萬(wàn)金油”式的畢業(yè)生，他們什么都知道一點(diǎn)，但哪門(mén)也不精通。這樣的人在綜合性學(xué)科的攻堅(jiān)戰(zhàn)中是很難動(dòng)“真格”的。其實(shí)一門(mén)精通，才能觸類旁通。

五、要不要“破體系”

有人說(shuō)：生物課過(guò)去的體系是“門(mén)、綱、目、科、屬”，現(xiàn)在改為“器官、細(xì)胞、蛋白質(zhì)、DNA”，體系大變；而物理課的體系過(guò)去是“力、熱、電、光、原子”，現(xiàn)在仍是“力、熱、電、光、原子”，體系該破了。我們認(rèn)為，“體系”是形式，形式應(yīng)服從內(nèi)容。教學(xué)改革應(yīng)以課程內(nèi)容的改革為核心，“體系”破不破，是教學(xué)內(nèi)容改革的結(jié)果，“破體系”不能作為教學(xué)改革的目標(biāo)和出發(fā)點(diǎn)?！啊?、“文化革命”時(shí)代的教訓(xùn)，我們這一代人記憶猶新。

第9篇：量子力學(xué)基本原理的內(nèi)容范文

關(guān)鍵詞： 高職 醫(yī)學(xué) 影像物理學(xué) 教學(xué)探討

近十幾年來(lái)，大型醫(yī)學(xué)影像設(shè)備的迅速發(fā)展，極大地提高了診斷治療水平。隨著社會(huì)對(duì)醫(yī)學(xué)影像專業(yè)人才的需要愈加迫切，國(guó)內(nèi)眾多本科醫(yī)學(xué)院校都設(shè)置了醫(yī)學(xué)影像專業(yè)。而隨著我國(guó)社區(qū)醫(yī)療的發(fā)展，填報(bào)高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院醫(yī)學(xué)影像專業(yè)的學(xué)生人數(shù)不斷增加。以湖北職業(yè)技術(shù)學(xué)院為例，影像專業(yè)學(xué)生錄取人數(shù)由每年一個(gè)班提高到兩至三個(gè)班。不論各院校側(cè)重培養(yǎng)高學(xué)歷醫(yī)學(xué)影像臨床診斷專業(yè)人才，還是側(cè)重培養(yǎng)高學(xué)歷醫(yī)學(xué)影像工程技術(shù)人才，在專業(yè)課程設(shè)置過(guò)程中，都強(qiáng)調(diào)了開(kāi)設(shè)醫(yī)學(xué)影像物理學(xué)基礎(chǔ)（以下簡(jiǎn)稱影像物理學(xué)）這門(mén)課程的重要性和必要性。有些本科院校還在臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)開(kāi)始開(kāi)設(shè)影像物理學(xué)為選修課程，目的就是讓臨床醫(yī)師具備醫(yī)學(xué)影像的基礎(chǔ)理論知識(shí)，為將來(lái)后續(xù)專業(yè)課程――醫(yī)學(xué)影像診斷學(xué)或醫(yī)學(xué)影像學(xué)的開(kāi)設(shè)提供必要的理論基礎(chǔ)。

1.高職醫(yī)學(xué)院校影像專業(yè)課程設(shè)置現(xiàn)狀

以湖北職業(yè)技術(shù)學(xué)院為例，高職醫(yī)學(xué)院校影像專業(yè)現(xiàn)在招收高中文科和理科學(xué)生及中職生。在課程開(kāi)設(shè)上，只在大學(xué)一年級(jí)開(kāi)設(shè)醫(yī)學(xué)電子學(xué)基礎(chǔ)這一門(mén)理工科課程，相關(guān)高等數(shù)學(xué)知識(shí)缺乏，學(xué)生的數(shù)理基礎(chǔ)比較薄弱。醫(yī)學(xué)影像物理學(xué)基礎(chǔ)是一門(mén)交叉學(xué)科，又是一門(mén)非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。教學(xué)目的是讓學(xué)生掌握醫(yī)學(xué)成像理論的物理學(xué)基本原理、規(guī)律；了解醫(yī)學(xué)成像的物理理論知識(shí)；為深刻理解成像過(guò)程，評(píng)價(jià)圖像，以及讀識(shí)圖像、挖掘圖像蘊(yùn)藏的生物信息奠定基礎(chǔ)。這就需要一定的高等數(shù)學(xué)、核物理學(xué)、量子物理、超聲波物理等許多知識(shí)來(lái)做鋪墊。當(dāng)然更多需要成像技術(shù)的相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)。面對(duì)這些必要的知識(shí)，影像專業(yè)高職生在有限的時(shí)間、有限的學(xué)時(shí)里是完成不了的，這是事實(shí)。其實(shí)，影像物理學(xué)是伴隨影像專業(yè)的建立而誕生的一門(mén)新課程，在國(guó)內(nèi)存在尚不足十年。因此，從教材到教學(xué)，各校都處于摸索前進(jìn)的階段。如何讓高職生在無(wú)基礎(chǔ)的前提下有效學(xué)習(xí)該門(mén)課程，我將自己在幾年教學(xué)過(guò)程中的教學(xué)體會(huì)寫(xiě)出來(lái)，與大家共同探討。

2.提高教師的專業(yè)素質(zhì)，必須樹(shù)立專業(yè)思想

由于缺乏相關(guān)師資力量，目前各院校影像物理學(xué)的教學(xué)任務(wù)大都由物理學(xué)教研室的教師承擔(dān)。但是，物理學(xué)和影像物理學(xué)兩門(mén)課程的專業(yè)性質(zhì)差別很大，前者為理科基礎(chǔ)課，后者為專業(yè)基礎(chǔ)課。從事影像物理學(xué)教學(xué)的教師必須具備一定的醫(yī)學(xué)專業(yè)知識(shí)，具備較高的專業(yè)素質(zhì)，教學(xué)必須樹(shù)立專業(yè)思想，才能將物理學(xué)知識(shí)和影像學(xué)知識(shí)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高該課程的教學(xué)質(zhì)量。因此，授課教師應(yīng)加強(qiáng)自身專業(yè)素質(zhì)，利用臨床進(jìn)修的機(jī)會(huì)學(xué)習(xí)影像知識(shí)和實(shí)際技術(shù)，盡力做好教學(xué)工作。

3.教學(xué)過(guò)程中必須恰當(dāng)把握知識(shí)的深度

影像物理學(xué)是先期開(kāi)設(shè)影像專業(yè)院校的教學(xué)工作者在教學(xué)過(guò)程中逐步完善而建立的。它是將高等數(shù)學(xué)知識(shí)、物理學(xué)知識(shí)、成像理論，計(jì)算機(jī)技術(shù)等知識(shí)應(yīng)用于超聲成像技術(shù)、X-CT成像技術(shù)、同位素成像技術(shù)、磁共振成像技術(shù)中的一門(mén)交叉學(xué)科。知識(shí)的起點(diǎn)很高，學(xué)生學(xué)習(xí)起來(lái)有一定的難度，在教學(xué)過(guò)程中應(yīng)恰當(dāng)把握教材知識(shí)的深度，講解需深入淺出，通俗易懂。比如超聲場(chǎng)的描述部分，涉及較多的高等數(shù)學(xué)知識(shí)，在教學(xué)過(guò)程中應(yīng)注意引導(dǎo)學(xué)生注重理解場(chǎng)的分布性質(zhì)、描述場(chǎng)的量的物理意義，等等，盡量避免學(xué)生由于數(shù)學(xué)知識(shí)少而降低對(duì)該課程的理解和學(xué)習(xí)興趣。磁共振部分，學(xué)生需要具備一定的原子核物理、量子力學(xué)知識(shí)才能準(zhǔn)確理解核自旋的能級(jí)、躍遷等概念和現(xiàn)象。在教學(xué)中應(yīng)注意搜集一些資料，盡量用較通俗的、經(jīng)典的、宏觀假說(shuō)進(jìn)行解釋，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)微觀世界的感性認(rèn)識(shí)。

4.注意把握影像物理學(xué)原理與成像技術(shù)、影像設(shè)備學(xué)有關(guān)知識(shí)的權(quán)重關(guān)系

X-CT成像、超聲成像、同位素成像、磁共振成像每一部分都有兩項(xiàng)主要內(nèi)容：物理基本原理和成像基本原理。在教學(xué)過(guò)程中應(yīng)把主要精力放在講解物理學(xué)基本原理上，這是毫無(wú)疑問(wèn)的，這也是物理專業(yè)畢業(yè)的教師最容易做到的，但學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣往往集中在成像原理上，對(duì)涉及的成像技術(shù)、成像設(shè)備等知識(shí)更表現(xiàn)出濃厚興趣。雖然成像技術(shù)和成像設(shè)備在后期專業(yè)課程的實(shí)踐教學(xué)中會(huì)詳細(xì)講解，在這里我們對(duì)這部分做簡(jiǎn)要的介紹，以收到良好的教學(xué)效果。這些年來(lái)，我校歷屆學(xué)生都表現(xiàn)出對(duì)影像物理的極大學(xué)習(xí)興趣。這與我們的教學(xué)方法有一定的關(guān)系。

5.注意提高學(xué)生對(duì)知識(shí)的感性認(rèn)識(shí)

影像物理學(xué)各部分知識(shí)都是比較抽象的，學(xué)生普遍覺(jué)得難懂難學(xué)。因此，通過(guò)各種手段提高學(xué)生對(duì)知識(shí)的感性認(rèn)識(shí)，能對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)起到事半功倍的幫助作用。在教學(xué)過(guò)程中，我們將陀螺進(jìn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)給學(xué)生做演示，講解原子核中核子的自旋與自旋磁矩的相關(guān)知識(shí)；借助于聲波的傳播與反射知識(shí)對(duì)超聲測(cè)量實(shí)驗(yàn)進(jìn)行詳細(xì)講解；分配一定的學(xué)時(shí)帶領(lǐng)學(xué)生到附屬醫(yī)院相關(guān)科室參觀學(xué)習(xí)。邀請(qǐng)超聲，CT臨床診斷教師和技術(shù)教師給學(xué)生當(dāng)場(chǎng)講解儀器的原理、操作方法，以及診斷等，使學(xué)生對(duì)課堂上學(xué)到的知識(shí)有一個(gè)感性認(rèn)識(shí)，加深理解，收到了很好的效果。

6.實(shí)現(xiàn)教材的多層次、立體化

由于該課程屬于應(yīng)用型的知識(shí)，學(xué)起來(lái)難度更大，我們進(jìn)行了教材的多層次、立體化嘗試。課程是教材的基礎(chǔ)，教材是課程的載體，教材中要融入現(xiàn)代化的教學(xué)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多樣化、配套和協(xié)調(diào)化。我們的做法是：文字教材與現(xiàn)代多媒體手段緊密結(jié)合。

教材體系包括：（1）傳統(tǒng)的紙質(zhì)教材《醫(yī)學(xué)影像物理學(xué)》（人民衛(wèi)生出版社出版）；（2）教師授課用的獨(dú)創(chuàng)的電子教案，其中配以大量的自制和臨床實(shí)拍圖片和自己研發(fā)的動(dòng)畫(huà)，并提出學(xué)生思考的問(wèn)題；（3）輔助學(xué)生自學(xué)和研究的學(xué)習(xí)軟件，如《CT與磁共振成像原理》CAI課件（人民衛(wèi)生電子音像出版社公開(kāi)出版發(fā)行，被列入“十一五”國(guó)家重點(diǎn)電子出版物）；（4）網(wǎng)頁(yè)形式課件2部。初步形成了多形態(tài)、多用途、多層次的教學(xué)資源和多種以教學(xué)服務(wù)為目的的結(jié)構(gòu)性配套教學(xué)出版物的集合。

總之，影像物理學(xué)是一門(mén)新課，只有不斷摸索，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，逐步改進(jìn)教學(xué)方法和手段，才能增強(qiáng)教學(xué)效果。通過(guò)幾年來(lái)的努力，一方面學(xué)生看到了現(xiàn)在所學(xué)的就是將來(lái)所用的，提高了學(xué)習(xí)基礎(chǔ)課的興趣，另一方面學(xué)生培養(yǎng)了學(xué)習(xí)能力，同時(shí)對(duì)后續(xù)課程“醫(yī)學(xué)影像診斷學(xué)”的學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

［1］侯淑蓮，李石玉，馬新超等.關(guān)于醫(yī)藥學(xué)院校物理課程的思考［J］.大學(xué)物理，2005，24，（5）：53-56.

［2］包尚聯(lián)，唐孝威.醫(yī)學(xué)物理研究進(jìn)展［J］.自然科學(xué)進(jìn)展，2006，16，（1）：7-13.