相對(duì)論和量子力學(xué)的關(guān)系精選(九篇)

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第1篇：相對(duì)論和量子力學(xué)的關(guān)系范文

量子力學(xué)解釋遇到的困難，通常包括：數(shù)學(xué)形式的抽象、明顯的非決定論；測(cè)量的不可逆性；測(cè)量中觀察者的作用；制備與測(cè)量的區(qū)分；在相隔遙遠(yuǎn)的客體之間的關(guān)聯(lián)；波粒二象性的疑團(tuán)等等。將近一個(gè)世紀(jì)以來(lái)，已經(jīng)發(fā)展出幾十種解釋，各有優(yōu)劣，爭(zhēng)論異常激烈。其中長(zhǎng)期以來(lái)占據(jù)統(tǒng)治地位的是由波爾和海森堡于1927年提出并逐漸發(fā)展起來(lái)的所謂哥本哈根解釋，幾乎成為了標(biāo)準(zhǔn)解釋。這種解釋的最大問(wèn)題在于它的“反實(shí)在性”，因而受到許多質(zhì)疑和反對(duì)。本書所建議的“交易解釋”（TI）正是針對(duì)這一要害建立的。它是1986年由J.G.Cramer 受到WheelerFeynman的光吸收理論啟發(fā)而首創(chuàng)的。其基本觀點(diǎn)認(rèn)為一個(gè)量子事件是由于超前波與推遲波的一種“牽手”，完成一種“交易”形成的。它明顯是一種非定域的解釋，與最近關(guān)于檢驗(yàn)Bell不等式的實(shí)驗(yàn)自洽，同時(shí)又能夠滿足相對(duì)論的協(xié)變性和因果規(guī)律。本書作者接受并推廣了這種解釋，在書中詳細(xì)地把這種解釋與哥本哈根解釋進(jìn)行了比較，特別強(qiáng)調(diào)了對(duì)于所謂的一些佯謬的不同處理。這種解釋最大的優(yōu)勢(shì)在于可以把量子力學(xué)波函數(shù)解釋為在空間真實(shí)傳播的物理的波，而不是像哥本哈根解釋中認(rèn)為的只是人們知識(shí)的數(shù)學(xué)表示。它對(duì)于波函數(shù)的復(fù)數(shù)特性以及所謂的“扁縮”給出了清楚的理解。同時(shí)對(duì)于量子力學(xué)解釋與量子力學(xué)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的關(guān)系進(jìn)行了深入的討論。作者認(rèn)為這種解釋會(huì)給量子力學(xué)解釋長(zhǎng)期存在的許多難題的解決提供希望。

全書內(nèi)容分成9章：1.導(dǎo)言：量子特性；2.示意圖對(duì)版圖；3.原始的TI：基礎(chǔ)；4.新的TI：可能主義者交易解釋（PTI）；5.挑戰(zhàn)、答復(fù)和應(yīng)用；6.PTI和相對(duì)論；7.PTI中可能性的形而上學(xué)；8.PTI 和“時(shí)空”；9.后記：超越視覺(jué)。

本書是一部關(guān)于量子力學(xué)解釋問(wèn)題的學(xué)術(shù)專著，代表了當(dāng)前有一定影響的一派主張，當(dāng)然也有不少對(duì)于該觀點(diǎn)的質(zhì)疑，因此，尚不能認(rèn)為是一種完整的成熟觀點(diǎn)。讀懂該書需要有較高深的量子力學(xué)知識(shí)基礎(chǔ)和對(duì)于各種量子力學(xué)解釋的深入了解。對(duì)于物理學(xué)和自然科學(xué)的哲學(xué)問(wèn)題感興趣的研究人員和研究生，這是一部值得一讀的參考書。

第2篇：相對(duì)論和量子力學(xué)的關(guān)系范文

【關(guān)鍵詞】超弦/M理論/圈量子引力/哲學(xué)反思

【正文】

本文分四部分。首先明確什么是量子引力？其次給出當(dāng)代量子引力發(fā)展簡(jiǎn)史，更次概述當(dāng)代量子引力研究主要成果，最后探討量子引力的一些哲學(xué)反思。

一、什么是量子引力？

當(dāng)代基礎(chǔ)物理學(xué)中最大的挑戰(zhàn)性課題，就是把廣義相對(duì)論與量子力學(xué)協(xié)調(diào)起來(lái)[1]。這個(gè)問(wèn)題的研究，將會(huì)引起我們關(guān)于空間、時(shí)間、相互作用（運(yùn)動(dòng)）和物質(zhì)結(jié)構(gòu)諸觀念的深刻變革，從而實(shí)現(xiàn)20世紀(jì)基礎(chǔ)物理學(xué)所提出的空間時(shí)間觀念的量子革命。

廣義相對(duì)論是經(jīng)典的相對(duì)論性引力場(chǎng)理論，量子力學(xué)是量子物理學(xué)的核心。凡是研究廣義相對(duì)論和量子力學(xué)相互結(jié)合的理論，就稱為量子引力理論，簡(jiǎn)稱量子引力。探討量子引力卓有成效的理論，主要有兩種形式。第一，是把廣義相對(duì)論進(jìn)行量子化，正則量子引力屬于此種。第二，是對(duì)一個(gè)不同于廣義相對(duì)論的經(jīng)典理論進(jìn)行量子化，而廣義相對(duì)論則作為它的低能極限，超弦／M理論則屬于這種。

圈(Loop)量子引力[2]是當(dāng)前正則量子引力的流行形式。正則量子引力是只有引力作用時(shí)的量子引力，和超弦／M理論相比，它不包括其它不同作用。它的基本概念是應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)量子化手續(xù)于廣義相對(duì)論，而廣義相對(duì)論則寫成正則的即Hamiltonian形式。正則量子引力根據(jù)歷史發(fā)展大體上可分為樸素量子引力和圈量子引力。粗略來(lái)說(shuō)，前者發(fā)生于1986年前，后者發(fā)生于1986年后。樸素量子引力由于存在著紫外發(fā)散的重正化困難，從而圈量子引力發(fā)展成為當(dāng)前正則量子引力的代表。

超弦／M理論的目的，在于提供己知四種作用即引力和強(qiáng)、弱、電作用統(tǒng)一的量子理論。理論的基本實(shí)體不是點(diǎn)粒子，而是1維弦、2維簡(jiǎn)單膜和多維brane（廣義膜）的延展性物質(zhì)客體。超弦是具有超對(duì)稱性的弦，它不意味著表示單個(gè)粒子或單種作用，而是通過(guò)弦的不同振動(dòng)模式表示整個(gè)粒子譜系列。

圈量子引力和超弦／M理論之外，當(dāng)代量子引力還有其它不同方案。例如，Euclidean量子引力、拓?fù)鋱?chǎng)論、扭量理論、非對(duì)易幾何等。

二、當(dāng)代量子引力研究進(jìn)展

我們主要給出超弦／M理論和圈量子引力研究的重大進(jìn)展。

1.超弦／M理論方面[3]

弦理論簡(jiǎn)稱弦論，雖然在20紀(jì)70年代中期，已經(jīng)知道其中自動(dòng)包含引力現(xiàn)象，但因存在一些困難，只是到80年代中期才取得突破性進(jìn)展。

1)80年代超弦理論

弦論發(fā)展可粗略分為早期弦理論（70年代）、超弦理論（80年代）和M理論（90年代）三個(gè)時(shí)期。我們從80年代超弦理論開始，簡(jiǎn)述其研究進(jìn)展。

1981年，M·Green和J.Schwarz提出一種嶄新的超對(duì)稱弦理論，簡(jiǎn)稱超弦理論，認(rèn)為弦具有超對(duì)稱性質(zhì)，弦的特征長(zhǎng)度已不再是強(qiáng)子的尺度（～10[-13]厘米），而是Planck尺度（～10[-33]厘米）。

1984年，Green和Schwarz證明[4]，當(dāng)規(guī)范群取為SO(32)時(shí)，超弦I型的楊－Mills反常消失，4粒子開弦圈圖是有限的。

1985年，D.Gross，J.Harvey[5]等4人提出10維雜化弦概念，這種弦是由D=26的玻色弦和D=10超弦混合而成。雜化弦有E[，8]×E[，8]和SO(32)兩種。

同年，P.Candlas，G.Horowitz，A.Strominger和E.Witten[6]對(duì)10維雜化弦E[，8]×E[，8]的額外空間6維進(jìn)行緊致化，最重要的一類為Calabi－丘流形。但是這類流形總數(shù)多到數(shù)百萬(wàn)個(gè)，應(yīng)該根據(jù)什么原則來(lái)選取作為我們世界的C－丘流形，至今還不清楚，雖然近10多年來(lái)，這方面的努力從來(lái)未中斷過(guò)。

1986年，提出建立超弦協(xié)變場(chǎng)論問(wèn)題，促進(jìn)了對(duì)非微擾超弦理論的探討。在諸種探討方案中，以E.Witten的非對(duì)易幾何最為突出[7]。

同年，人們?cè)敿?xì)地研究了超弦唯象學(xué)，例如E[，6]以下如何破缺及相應(yīng)的物理學(xué)，對(duì)緊致空間已不限于C－丘流形，還包括軌形(Orbifold)、倍集空間等。

人們常把1984-86年期間對(duì)超弦研究的突破，稱為第一次超弦革命。在此期間建立了超弦的五種相互獨(dú)立的10維理論，而且是微擾的。它們是I型、IIA型、IIB型、雜化E[，8]×E[，8]型和SO(32)型。

2)90年代M理論

經(jīng)過(guò)80年代末期和90年代初期，對(duì)超弦理論的對(duì)偶性、鏡對(duì)稱及拓?fù)涓淖兊鹊难芯?，?995年五種超弦微擾理論的統(tǒng)一性問(wèn)題獲得重大突破，從此第二次超弦革命開始出現(xiàn)。

1995年，Witten在南加州大學(xué)舉行的95年度弦會(huì)議上發(fā)表演講，點(diǎn)燃起第二次超弦革命。Witten根據(jù)諸種超弦間的對(duì)偶性及其在不同弦真空中的關(guān)聯(lián)，猜測(cè)存在某一個(gè)根本理論能夠把它們統(tǒng)一起來(lái)，這個(gè)根本理論Witten取名為M理論。這一年內(nèi)Witten、P.Horava、A.Dabhulkar等人，給出ⅡA型弦和M理論間的關(guān)系[8]、I型弦和雜化SO(32)型弦間的關(guān)系、雜化弦E[，8]×E[，8]型和M理論間的關(guān)系等。

1996年，J.Polchinski、P.Townscend、C.Baches等人認(rèn)識(shí)到D-branes的重要性。積極進(jìn)行D-branes動(dòng)力學(xué)研究[9]，取得一定成果。同年，A.Strominger、C.Vafe應(yīng)用D-brane思想，計(jì)算了黑洞這種極端情形的熵和面積關(guān)系[10]，得到了和Bekenstein-Hawking的熵－面積的相同表示式。G.Callon、J.Maldacena對(duì)具有不同角動(dòng)量與電荷的黑洞所計(jì)算的結(jié)果指出，黑洞遵從量子力學(xué)的一般原理。G.Collins探討了量子黑洞信息損失問(wèn)題。

1997年，T.Banks、J.Susskind等人提出矩陣弦理論，研究了M理論和矩陣模型間的聯(lián)系和區(qū)別。

同年，Maldacena提出AdS/CFT對(duì)偶性[11]，即一種Anti-de Sitter空間中的IIB型超弦及其邊界上的共形場(chǎng)論之間的對(duì)偶性假設(shè)，人們稱為Maldacena猜測(cè)。這個(gè)猜測(cè)對(duì)于我們世界的Randall-Sundrum膜模型的提出及Hawking確立果殼中宇宙的思想，都有不少的啟示。

2.圈量子引力方面[12]

1)二十世紀(jì)80年代

1982年，印度物理學(xué)家A.Sen在Phys.Rev.和Phys.Lett.上相繼發(fā)表兩篇文章，把廣義相對(duì)論引力場(chǎng)方程表述成簡(jiǎn)單而精致的形式。

1986年，A.Ashtekar研究了Sen提出的方程，認(rèn)為該方程已經(jīng)表述了廣義相對(duì)論的核心內(nèi)容。一年后，他給出了廣義相對(duì)論新的流行形式，從而對(duì)于在Planck標(biāo)度的空間時(shí)間幾何量，可以進(jìn)行具體計(jì)算，并作出精確的數(shù)量性預(yù)言。這種表述是此后正則量子引力進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵。

同年，T.Jacobson和L.Smolin求出Wilson圈解。在引進(jìn)經(jīng)典Ashtekar變量后，他們?cè)谌楣饣曳亲韵嘟磺樾蜗?，求出了正則量子引力的WDW方程解。此后，他們又找到了即使在圈相交情況下的更多解。

1987年，由于Hamiltonian約束的Wilson圈解的發(fā)現(xiàn)，C.Revolli和Smolin引進(jìn)觀測(cè)量的經(jīng)典Possion代數(shù)的圈表示，并使微分同胚約束用紐結(jié)(knot)態(tài)完全解出。

1988年，V.Husain等人用紐結(jié)理論(knot theory)，研究了量子約束方程的精確解及諸解間的關(guān)系，從而認(rèn)為紐結(jié)理論支配引力場(chǎng)的物理量子態(tài)。同年，Witten引進(jìn)拓樸量子場(chǎng)論(TQFT)的概念。

2)二十世紀(jì)90年代

1990年，Rovelli和Smolin指出，對(duì)于在大尺度幾何近似變?yōu)槠街睍r(shí)態(tài)的研究，可以預(yù)言Planck尺度空間具有幾何斷續(xù)性。對(duì)于編織的這些態(tài)，在微觀很小尺度上具有“聚合物”的類似結(jié)構(gòu)，可以看作為J.Wheeler時(shí)空泡沫的形式化。

1993年，J.Iwasaki和Rovelli探討了量子引力中引力子的表示，引力子顯示為時(shí)空編織纖維的拓樸修正。

1994年，Rovelli和Smolin第一次計(jì)算了面積算子和體積算子的本征值[13]，得出它們的本征譜為斷續(xù)的重大結(jié)論。此后不久，物理學(xué)者曾用多種不同方法證明和推廣這個(gè)結(jié)論，指出在Planck標(biāo)度，空間面積和體積的本征譜，確實(shí)具有分立性。

1995年，Rovelli和Smolin利用自旋網(wǎng)絡(luò)基[14]，解決了關(guān)于用圈基所長(zhǎng)期存在的不完備性困難。此后不久，自旋網(wǎng)絡(luò)形式體系，便由J.Baez徹底闡明。

1996年，Rovelli應(yīng)用K.Krasnov觀念，從圈量子引力基本上導(dǎo)出了黑洞熵的Bekenstein-Hawking公式[15]。

1998年，Smolin研究圈和弦間的相似性，開始探討圈量子引力和弦論的統(tǒng)一問(wèn)題。

三、當(dāng)代量子引力理論主要成就

1.超弦／M理論方面

1)弦及brane概念的提出

廣義相對(duì)論中的奇性困難、量子場(chǎng)論中的紫外發(fā)散本質(zhì)、樸素量子引力中的重正化問(wèn)題，看來(lái)都起源于理論的純粹幾何的點(diǎn)模型。超弦理論提出輕子、夸克、規(guī)范粒子等微觀粒子都是延伸在空間的一個(gè)區(qū)域中，它們都是1維的廣延性物質(zhì)，類似于弦狀，其特征長(zhǎng)度為Planck長(zhǎng)度。M理論更推廣了弦的概念，認(rèn)為粒子類似于多維的brane，其線度大小為Planck長(zhǎng)度。為簡(jiǎn)單起見，我們把brane也稱作膜。超弦／M理論中，用有限大小的微觀粒子替代粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型中純粹幾何的點(diǎn)粒子，這是極為重要且富有成效的革命性觀念。

2)五種微擾超弦理論

這五種超弦的不同在于未破缺的超對(duì)稱荷的數(shù)目和所具有的規(guī)范群。I型有N=1超對(duì)稱性，含有開弦和閉弦，開弦零模描述楊－Mills場(chǎng)，閉弦零模描述超引力。ⅡA型有N=2超對(duì)稱性，旋量為Majorana-Weyl旋量，不具有手征性，自動(dòng)無(wú)反常，只含有閉弦，零模描述N=2超引力。IIB型同樣有N=2超對(duì)稱性，具有手征性。雜化弦是由左旋D=10超弦和左旋D=26玻色弦雜化而成，只包含可定向閉弦，有手征性和N=1超對(duì)稱性，可以描述引力及楊－Mills作用。

3)超弦唯象學(xué)

從唯象學(xué)角度來(lái)看，雜化弦型是重要的，E[，8]×E[，8]是由緊致16維右旋坐標(biāo)場(chǎng)(26-10=16)而產(chǎn)生的，即由16維內(nèi)部空間緊致化而得到，也就是說(shuō)在緊致化后得到D=10，N=1，E[，8]×E[，8]的超弦理論。

但是迄今為止，物理學(xué)根據(jù)實(shí)驗(yàn)認(rèn)定我們的現(xiàn)實(shí)空間是三維的，時(shí)間是一維的，把四維時(shí)空(D=4)作為我們的現(xiàn)實(shí)時(shí)空。因此我們必須把10維時(shí)空緊致化得到低能有效四維理論，為此人們認(rèn)為從D=10維理論出發(fā)，通過(guò)緊致化有

M[10]M[4]×K

此中K為C－丘流形，此內(nèi)部緊致空間維數(shù)為10-4=6，M[4]為Minkowski空間，從而得到4維Minkowski空間低能有效理論。其重要結(jié)論有：

(1)由D=10，E[，8]×E[，8]超弦理論（M[10]中規(guī)范群為E[，8]×E[，8]）緊致化為D=4，E[，6]×E[，8]、N=1超對(duì)稱理論。

(2)夸克和輕子的代數(shù)Ng完全由K流形的拓樸性質(zhì)決定：為Euler示性數(shù)χ，系拓樸不變量。

(3)對(duì)稱破缺問(wèn)題。已知超弦四維有效理論為N=1，規(guī)范群為E[，6]×E[，8]的超對(duì)稱楊—Mills理論，現(xiàn)實(shí)模型要求破缺。首先由第二個(gè)E[，8]進(jìn)行超對(duì)稱破缺，然后對(duì)大統(tǒng)一群E[，6]已進(jìn)行破缺，從而引力作用在E[，8]中，弱、電、強(qiáng)作用在E[，6]中，實(shí)現(xiàn)了四種作用的統(tǒng)一。

4)T和S′對(duì)偶性

盡管五種超弦理論在廣義相對(duì)論和量子力學(xué)統(tǒng)合上，取得了不少進(jìn)展，但是五種超弦理論則是相互獨(dú)立的，理論卻是微擾的。盡管在超弦唯象學(xué)中，原則上－丘流形K一旦固定下來(lái)，在D=4時(shí)空中所有零質(zhì)量費(fèi)米子和玻色子（包括Higgs粒子）就會(huì)被確定下來(lái)，但是－丘真空態(tài)總數(shù)則可多到數(shù)百萬(wàn)個(gè)，應(yīng)該根據(jù)什么原則來(lái)選取－丘真空態(tài)，目前還不清楚。T對(duì)偶性和S對(duì)偶性的提出，正是五種超弦理論融通的主要橋梁。

在M理論的孕育過(guò)程中，對(duì)偶性起了重要作用。弦論中存在著一種在大小緊致空間之間的對(duì)偶性。例如ⅡA型弦在某一半徑為R[，A]的圓周上緊致化和ⅡB型在另一半徑為R[，8]的圓周上緊致化，兩者是等效的，則有關(guān)系R[，B]=(m[2，s]R[，A])[-1]。于是當(dāng)R[，A]從無(wú)窮大變到零時(shí)，R[，B]從零變到無(wú)窮大。這給出了ⅡA弦和ⅡB弦之間的聯(lián)系。兩種雜化弦E[，8]×E[，8]和SO(32)也存在類似聯(lián)系，盡管在技術(shù)性細(xì)節(jié)上有些差別，但本質(zhì)上卻是同樣的。

A.Sen證明，在超對(duì)稱理論中，必然存在著既帶電荷又帶磁荷的粒子。當(dāng)這一猜測(cè)推廣到弦論后，它被稱作為S對(duì)偶性。S對(duì)偶性是強(qiáng)耦合與弱耦合間的對(duì)稱性，由于耦合強(qiáng)度對(duì)應(yīng)于膨脹子場(chǎng)，雜化弦SO(32)和I型弦可通過(guò)各自的膨脹子連系起來(lái)。

5)M理論和五種超弦、11維超引力間的聯(lián)系

M理論作為10維超弦理論的11維擴(kuò)展，包含了各種各樣維數(shù)的brane，弦和二維膜只是它的兩種特殊情況。M理論的最終目標(biāo)，是用一個(gè)單一理論來(lái)描述已知的四種作用。M理論成功的標(biāo)志，在于把量子力學(xué)和廣義相對(duì)論的新理論框架中相容起來(lái)。

附圖

上面給出五種超弦理論、11維超引力和M理論相容的一個(gè)框架示意圖[16]，即M理論網(wǎng)絡(luò)。此網(wǎng)絡(luò)揭示了五種超弦理論、11維超引力都是單一M理論的特殊情形。當(dāng)然至今M理論的具體形式仍未給出，它還處于初級(jí)階段。

6)推導(dǎo)量子黑洞的熵－面積公式。

在某些情形下，D-branes可以解釋成黑洞，或者說(shuō)是黑branes，其經(jīng)典意義是任何物質(zhì)（包括光在內(nèi)）都不能從中逃逸出的客體。于是開弦可以看成是具有一部分隱藏在黑branes之內(nèi)的閉弦。Hawking認(rèn)為黑洞并不完全是黑的，它可以輻射出能量。黑洞有熵，熵是用量子態(tài)來(lái)衡量一個(gè)系統(tǒng)的無(wú)序程度。在M理論之前，如何計(jì)算黑洞量子態(tài)數(shù)目是沒(méi)有能力的。Strominger和Vafa利用D-brane方法，計(jì)算了黑－branes中的量子態(tài)數(shù)目，發(fā)現(xiàn)計(jì)算所得的的熵－面積公式，和Hawking預(yù)言的精確一致，即Bekenstein-Hawking公式，這無(wú)疑是M理論的一個(gè)卓越成就。

對(duì)于具有不同角動(dòng)量和電荷的黑洞所計(jì)算結(jié)果指出，黑洞遵從量子力學(xué)的一般原理，這說(shuō)明黑洞和量子力學(xué)是十分融洽的。

2.圈量子引力方面

1)Hamiltonian約束的精確解。

圈量子引力驚人結(jié)果之一，是可以求出Hamiltonian約束的精確解。其關(guān)鍵在于Hamiltonian約束的作用量，只是在s－紐結(jié)的結(jié)點(diǎn)處不等于零。所以不具有結(jié)點(diǎn)的s－紐結(jié)，才是量子Einstein動(dòng)力學(xué)求出的物理態(tài)。但是這些解的物理詮釋，至今還是模糊不清的。

其它的多種解也已求得，特別是聯(lián)系連絡(luò)表示的陳－Simons項(xiàng)和圈表示中的Jones多項(xiàng)式解，J.Pullin已經(jīng)詳細(xì)研究過(guò)。Witten用圈變換把這兩種解聯(lián)系起來(lái)。

2)時(shí)間演化問(wèn)題

人們?cè)噲D通過(guò)求解Hamiltonian約束，獲得在概念上是很好定義的、并排除凍結(jié)時(shí)間形式來(lái)描述量子引力場(chǎng)的時(shí)間演化。一種選擇是研究和某些物質(zhì)變量相耦合的引力自由度隨時(shí)間演化，這種探討會(huì)導(dǎo)致物理Hamiltonian的試探性定義的建立，并在強(qiáng)耦合微擾展開中，對(duì)S紐結(jié)態(tài)間的躍遷振幅逐級(jí)進(jìn)行考查。

3)楊－Mills理論的重正化問(wèn)題

T.Thiemann把含有費(fèi)米子圈的量子引力，探索性地推廣到楊－Mills理論進(jìn)行研究。他指出在量子Hamiltonian約束中，楊－Mills項(xiàng)可以嚴(yán)格形式給出定義。在這個(gè)探索中，紫外發(fā)散看來(lái)不再出現(xiàn)，從而強(qiáng)烈支持在量子引力中引進(jìn)自然切割，即可擺脫傳統(tǒng)量子場(chǎng)論的紫外發(fā)散困難。

4)面積和體積量度的斷續(xù)性

圈量子引力最著名的物理成果，是給出了在Planck標(biāo)度的空間幾何量具有分立性的論斷。例如面積

此中l(wèi)p是Planck長(zhǎng)度，j[，i]是第i個(gè)半整數(shù)。體積也有類似的量子化公式。

這個(gè)結(jié)論表明對(duì)應(yīng)于測(cè)量的幾何量算子，特別是面積算子和體積算子具有分立的本征值譜。根據(jù)量子力學(xué)，這意味著理論所預(yù)言的面積和體積的物理測(cè)量必定產(chǎn)生量子化的結(jié)果。由于最小的本征值數(shù)量級(jí)是Planck標(biāo)度，這說(shuō)明沒(méi)有任何途徑可以觀測(cè)到比Planck標(biāo)度更小的面積（～10[-66]厘米[2]）和體積（～10[-99]厘米[3]）。從此可見，空間由類似于諧振子振動(dòng)能量的量子所構(gòu)成，其幾何量本征譜具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

5)推導(dǎo)量子黑洞的熵－面積公式

已知Schwarzchild黑洞熵S和面積A的關(guān)系，是Bekenstein和Hawking所給出，其公式為：

附圖

這里k是Boltzman常量，是Planck常量，G[，N]為牛頓引力常量，c為光速。對(duì)這個(gè)關(guān)系式的深層理解和由物理本質(zhì)上加以推導(dǎo)，M理論已經(jīng)作過(guò)，現(xiàn)在我們看下圈量子引力的結(jié)果。

應(yīng)用圈量子引力，通過(guò)統(tǒng)計(jì)力學(xué)加以計(jì)算，Krasnov和Rovelli導(dǎo)出

附圖

此處γ為任意常數(shù)，β是實(shí)數(shù)(～1/4π)，顯然如果取γ＝β，則由式(3)即可得到式(2)。這就是說(shuō)，從圈量子引力所得出的黑洞熵－面積關(guān)系式，在相差一個(gè)常數(shù)值因子上和Bekenstein-Hawking熵－面積公式是相容的。

Bekenstein-Hawking熵公式的推導(dǎo)，對(duì)圈量子引力理論是一個(gè)重大成功，盡管這個(gè)事實(shí)的精確含義目前還在議論，而且γ的意義也還不夠清楚。

四、量子引力理論的哲學(xué)反思

我們從空間和時(shí)間的斷續(xù)性、運(yùn)動(dòng)（相互作用）基本規(guī)律的統(tǒng)一性、物質(zhì)結(jié)構(gòu)基本單元的存在性三個(gè)方面進(jìn)行哲學(xué)探討。

1.空間和時(shí)間的斷續(xù)性

當(dāng)代基礎(chǔ)物理學(xué)的核心問(wèn)題，是在Planck標(biāo)度破除空間時(shí)間連續(xù)性的經(jīng)典觀念，而代之以斷續(xù)性的量子繪景。量子引力理論對(duì)空間分立性的揭示和論證，看來(lái)是最為成功的。

超弦／M理論認(rèn)為，我們世界是由弦和brane構(gòu)成的。根據(jù)弦論中給出的新的不確定性關(guān)系，弦必然有位置的模糊性，其線度存在一有限小值，弦、膜、或brane的線度是Planck長(zhǎng)度，從而一維空間是量子化的。由此推知，面積和體積也應(yīng)該是量子化的。二維面積量子的數(shù)量級(jí)為10[-66]厘米[2]，三維體積量子的數(shù)量級(jí)為10[-99]厘米[3]等。

對(duì)于圈量子引力，其最突出的物理成果是具體導(dǎo)出了計(jì)算面積和體積的量子化公式。粗略說(shuō)來(lái)，面積的數(shù)量級(jí)是Planck長(zhǎng)度lp的二次方，體積的數(shù)量級(jí)是lp的三次方。這就令人信服地論證了在Planck標(biāo)度，面積和體積具有斷續(xù)性或分立性，從而根本上否定了空間在微觀上為連續(xù)性的經(jīng)典觀念。

依據(jù)空間和時(shí)間量度的量子性，芝諾悖論就是不成立的，阿基里斯在理論上也完全可以追上在他前面的烏龜。類似的，《莊子·天下》篇中的“一尺之捶，日取其半，萬(wàn)世不竭”這個(gè)論斷在很小尺度上顯然也是不成立的。古代哲學(xué)中這兩個(gè)難題的困人之處，從空間時(shí)間斷續(xù)性來(lái)看，是由于預(yù)先設(shè)定了空間和時(shí)間的度量，始終是連續(xù)變化的經(jīng)典性質(zhì)。實(shí)際上在微觀領(lǐng)域，空間和時(shí)間存在著不可分的基本單元。

2.運(yùn)動(dòng)（相互作用）基本規(guī)律的統(tǒng)一性

20世紀(jì)基礎(chǔ)物理學(xué)巨大成功之一，就是建立了粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型，理論上它是筑基于量子規(guī)范場(chǎng)論的。這個(gè)模型給出了夸克、輕子層次強(qiáng)、弱、電作用的SU(3)×SU(2)×U(1)規(guī)范群結(jié)構(gòu)，在一定程度上統(tǒng)一了強(qiáng)、弱、電三種相互作用的規(guī)律。但是它不含有引力作用。

超弦／M理論的探討，在于構(gòu)建包含引力在內(nèi)的四種作用統(tǒng)一的物理理論。傳遞不同相互作用的粒子如光子（電磁作用）、弱玻色子（弱作用）、膠子（強(qiáng)作用）和引力子（引力作用），對(duì)應(yīng)于弦的各種不同振動(dòng)模式，夸克、輕子層次粒子間的作用，就是弦間的相互作用。在Planck標(biāo)度，超弦／M理論是四種基本作用統(tǒng)一理論的最佳侯選者，也就是所說(shuō)的萬(wàn)物理論(Theory of everything)的最佳侯選者。

在Planck時(shí)期，物質(zhì)運(yùn)動(dòng)或四種作用基本規(guī)律的統(tǒng)一性，正是反映了我們宇宙在眾多復(fù)雜性中所顯現(xiàn)的一種基本簡(jiǎn)單性。

3.物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的基本單元的存在性[17]

世界是由物質(zhì)構(gòu)成的，物質(zhì)通常是有結(jié)構(gòu)的，但是物質(zhì)結(jié)構(gòu)在層次上是否具有基本單元，即德謨克利特式的“原子”是否存在？這是一個(gè)長(zhǎng)期反復(fù)爭(zhēng)論而又常新的課題。當(dāng)代幾種不同的量子引力，盡管對(duì)某些問(wèn)題存在著不同的見解，但是關(guān)于這個(gè)問(wèn)題從實(shí)質(zhì)上來(lái)看，卻給出了一致肯定的回答。

超弦／M理論認(rèn)為，構(gòu)成我們世界的物質(zhì)微觀基本單元是具有廣延性的弦和brane，并非所謂的只有位置沒(méi)有大小的數(shù)學(xué)抽象點(diǎn)粒子。粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型中的粒子，都是弦或brane的激發(fā)。弦和brane的線度是有限短的Planck長(zhǎng)度，它們正是構(gòu)成我們世界的物質(zhì)基本單元，即德謨克利特式的“原子”，這是超弦／M理論為現(xiàn)今所有粒子提供的本體性統(tǒng)一。

圈量子引力給出了在Planck標(biāo)度面積和體積的量子化性質(zhì)，即斷續(xù)的本征值譜，面積和體積分別存在著最小值。由于在圈量子引力中，脫離引力場(chǎng)的背景空間是不存在的，而引子場(chǎng)是物質(zhì)的一種形態(tài)，因此脫離物質(zhì)的純粹空間也就是不存在的。空間體積和面積的不連續(xù)性和基本單元的存在，正是物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的斷續(xù)性和基本單元的存在性的最有力論據(jù)。

總之，超弦／M理論和圈量子引力從不同的側(cè)面，對(duì)量子引力的本質(zhì)和規(guī)律作出了一定的揭示，它們?cè)赑lanck標(biāo)度領(lǐng)域一致地得出了空間量子化和物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)基本單元存在的結(jié)論。這無(wú)疑是人們?cè)?0世紀(jì)末期對(duì)我們世界空間時(shí)間經(jīng)典觀念的重大突破，也是廣義相對(duì)論和量子力學(xué)統(tǒng)合的成果；同時(shí)更是哲學(xué)上關(guān)于空間和時(shí)間是物質(zhì)存在的客觀形式，沒(méi)有無(wú)物質(zhì)的空間和時(shí)間，也沒(méi)有無(wú)空間和時(shí)間的物質(zhì)學(xué)說(shuō)的一曲凱歌！

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第3篇：相對(duì)論和量子力學(xué)的關(guān)系范文

[關(guān)鍵詞]量子；特性；意識(shí)；應(yīng)用

中圖分類號(hào)：O413.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）25-0298-01

一、量子的基本知識(shí)

1、量子

我們?cè)谖锢韺W(xué)中提到“量子”時(shí)，實(shí)際上指的是微觀世界的一種行為傾向，也就是可觀測(cè)的物理量都在不連續(xù)地變化。？比如，我們說(shuō)一個(gè)“光量子”，是因?yàn)閱蝹€(gè)光量子的能量是光能變化的最小單位，光的能量是以單個(gè)光量子的能量為單位一份一份地變化的。對(duì)于量子的種種特性，連不少科學(xué)家都為之迷惑，對(duì)于我們普通人來(lái)說(shuō)自然更加高深。今天我就試著走近它，來(lái)發(fā)現(xiàn)她“幽靈”般的的魅力。

2、量子的特性

量子的奇妙之處首先在于它的奇妙特性――量子疊加和量子糾纏。

量子疊加就是說(shuō)量子有多個(gè)可能狀態(tài)的疊加態(tài)，只有在被觀測(cè)或測(cè)量時(shí)，才會(huì)隨機(jī)地呈現(xiàn)出某種確定的狀態(tài)，因此，對(duì)物質(zhì)的測(cè)量意味著擾動(dòng)，會(huì)改變被測(cè)量物質(zhì)的狀態(tài)。好比孫悟空的分身術(shù)， 孫悟空可能同時(shí)出現(xiàn)在幾個(gè)地方，他的各個(gè)分身就像是他的疊加態(tài)。在日常生活中，我們不可能在不同的地方同時(shí)出現(xiàn)，但在量子世界里它卻可以同時(shí)出現(xiàn)在多個(gè)不同的地方。”

而所謂的量子糾纏，則意味著兩個(gè)糾纏在一起的量子就像有心電感應(yīng)的雙胞胎，不管兩個(gè)人的距離有多遠(yuǎn)，當(dāng)哥哥的狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，弟弟的狀態(tài)也跟著發(fā)生一樣的變化?！叭绻@兩個(gè)光量子呈糾纏態(tài)的話，哪怕是千公里量級(jí)或者更遠(yuǎn)的距離，還是會(huì)出現(xiàn)遙遠(yuǎn)的點(diǎn)之間的詭異互動(dòng)，愛(ài)因斯坦稱之為“幽靈般的超距作用”。科學(xué)家就可以利用這種效應(yīng)將甲地某一粒子的未知量子態(tài)，在乙地的另一粒子上還原出來(lái)。量子糾纏的廣泛應(yīng)用將會(huì)改變我們的生活，真正地突破時(shí)空的局限，交通、物流也就不再會(huì)有時(shí)間與空間的阻礙了。我國(guó)發(fā)射的“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星昭示著我國(guó)在量子通信領(lǐng)域已處于世界領(lǐng)先的地位。

二、意識(shí)是量子力學(xué)現(xiàn)象

人們的意識(shí)一直都沒(méi)有搞清楚，用經(jīng)典物理學(xué)的電學(xué)、磁學(xué)及力學(xué)方法去測(cè)量意識(shí)是測(cè)量不出來(lái)的，科學(xué)家們現(xiàn)在已經(jīng)開始認(rèn)識(shí)到了意識(shí)是種量子力學(xué)的現(xiàn)象，意識(shí)的念頭像量子力學(xué)的測(cè)量。為什么這么說(shuō)呢？比如我們面前出現(xiàn)了一座房子，這時(shí)有兩種可能的狀態(tài)：一個(gè)沒(méi)有任何心思的人會(huì)看房非房，他的意識(shí)處于自由的狀態(tài)，沒(méi)看到房子是石頭的還是木頭的，他根本就不動(dòng)念頭。意識(shí)也是這樣，如果你看到這座房子，一下子動(dòng)念頭了，動(dòng)念頭實(shí)質(zhì)上就是作了測(cè)量。

客觀世界是一系列復(fù)雜念頭造成的。有一本非常著名的書叫《皇帝新腦》， 就是研究意識(shí)，他認(rèn)為計(jì)算機(jī)僅僅是邏輯運(yùn)算，不會(huì)產(chǎn)生直覺(jué)，直覺(jué)只能是量子系統(tǒng)才能夠產(chǎn)生，意識(shí)是種量子力學(xué)現(xiàn)象，意識(shí)的念頭像量子力學(xué)的測(cè)量。而人的大腦有直覺(jué)，也就是說(shuō)人的意識(shí)不僅存在于大腦之中，也存在于宇宙之中，量子糾纏告訴我們，一定有個(gè)地方存在著人的意識(shí)。

三、量子技術(shù)的應(yīng)用

科學(xué)家認(rèn)為，量子糾纏是一種 “神奇的力量”，可成為具有超級(jí)計(jì)算能力的量子計(jì)算機(jī)和量子保密系統(tǒng)的基礎(chǔ)。實(shí)際上，量子糾纏還有很多奇妙的應(yīng)用，可以在許多領(lǐng)域中突破傳統(tǒng)技術(shù)的極限。量子技術(shù)已經(jīng)成為一個(gè)新興的、快速發(fā)展中的技術(shù)領(lǐng)域。這其中，量子通信、量子計(jì)算、量子成像、量子生物學(xué)是目前的方向。

1、量子通信

量子通信就是通過(guò)把量子物理與信息技術(shù)相結(jié)合，利用量子調(diào)控技術(shù)，確保信息安全、提高運(yùn)算速度、提升測(cè)量精度。 廣義地說(shuō)，量子通信是指把量子態(tài)從一個(gè)地方傳送到另一個(gè)地方，它的內(nèi)容包含量子隱形傳態(tài)，量子糾纏交換和量子密鑰分配。狹義地說(shuō)，實(shí)際上只是指量子密鑰分配或者基于量子密鑰分配的密碼通信，解決了以往用微電子技術(shù)為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)信息技術(shù)極易遭遇泄密的問(wèn)題。

2、量子計(jì)算

量子計(jì)算是量子物理學(xué)向我們展示的又一種強(qiáng)大的能力，源自于對(duì)真實(shí)物理系統(tǒng)的模擬。模擬多粒子系統(tǒng)的行為時(shí)，當(dāng)需要模擬的粒子數(shù)目很多時(shí)，一個(gè)足夠精確的模擬所需的運(yùn)算時(shí)間則變得相當(dāng)漫長(zhǎng)。而如果用量子系統(tǒng)所構(gòu)成的量子計(jì)算機(jī)來(lái)模擬量子現(xiàn)象則運(yùn)算時(shí)間可大幅度減少，從此量子計(jì)算機(jī)的概念誕生。

3、量子成像

量子成像是從利用量子糾纏原理開始發(fā)展起來(lái)的一種新的成像技術(shù)，有一種比較奇妙的現(xiàn)象稱之為“鬼成像”。比如將糾纏的雙光子分別輸入兩個(gè)不同的光學(xué)系統(tǒng)中，在其中一個(gè)系統(tǒng)里放入待成像的物體，通過(guò)雙光子關(guān)聯(lián)測(cè)量，在另一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)中能再現(xiàn)物體的空間分布信息。即與經(jīng)典光學(xué)成像只能在同一光路中得到物體的像不同，鬼成像可以在另一條并未放置物體的光路上再現(xiàn)該物體的成像。

4、量子生物學(xué)

量子生物學(xué)是利用量子力學(xué)的概念、原理及方法來(lái)研究生命物質(zhì)和生命過(guò)程的學(xué)科。薛定諤在《生命是什么》一書中對(duì)這一觀點(diǎn)進(jìn)行了詳盡的闡述，提出遺傳物質(zhì)是一種有機(jī)分子，遺傳性狀以“密碼”形式通過(guò)染色體而傳遞等設(shè)想。這些設(shè)想由脫氧核糖核酸雙螺旋結(jié)構(gòu)模型而得到極大的發(fā)展，從而奠定了分子生物學(xué)的基礎(chǔ)。分子的相互作用必然涉及其電子的行為，而能夠精確描述電子行為的手段就是量子力學(xué)。因此量子生物學(xué)是分子生物學(xué)深入發(fā)展的必然趨勢(shì)，是量子力學(xué)與分子生物學(xué)發(fā)展到一定階段之后相互結(jié)合的產(chǎn)物。

愛(ài)因斯坦相對(duì)論指出：相互作用的傳播速度不會(huì)大于光速，可是對(duì)于分開很遠(yuǎn)距離的兩個(gè)處于糾纏態(tài)中的粒子，當(dāng)對(duì)一個(gè)粒子進(jìn)行測(cè)量時(shí)，另一個(gè)粒子的狀態(tài)受到關(guān)聯(lián)關(guān)系已經(jīng)發(fā)生了變化，這種傳輸?shù)睦碚撍俣瓤梢赃h(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)光速。這一現(xiàn)象被愛(ài)因斯坦稱為“詭異的互動(dòng)性”。量子糾纏是量子物理學(xué)里最稀奇古怪的東西，即使腦洞大開我們還是很難領(lǐng)會(huì)它，另外從常識(shí)角度來(lái)看，量子理論描述的自然界很荒謬，許多解釋還涉及到哲學(xué)問(wèn)題。但另一方面，量子物理學(xué)有很廣泛的應(yīng)用，它的發(fā)展可能帶來(lái)行業(yè)面貌的改變，所涉及的范圍從量子計(jì)算機(jī)到人工智能，無(wú)所不含，這也正是我們深入學(xué)習(xí)、研究量子物理的動(dòng)力所在??！

參考文獻(xiàn)

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第4篇：相對(duì)論和量子力學(xué)的關(guān)系范文

（一）經(jīng)典物理中的粒子與波

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

在經(jīng)典物理中，一般認(rèn)為粒子是在空間中獨(dú)立離散的存在的物質(zhì)，并且具有一定大小和質(zhì)量，比如電子的質(zhì)量為9.10938215（45）×10-31千克，雖然很小，但是我們可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)間接地測(cè)量出來(lái)。此外，當(dāng)粒子在某一方向上受到力的作用時(shí)，該粒子的速度大小會(huì)發(fā)生改變，也就是說(shuō)，力在此時(shí)起到了阻礙或者加速運(yùn)動(dòng)的作用，改變了粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。而當(dāng)兩個(gè)粒子碰撞時(shí)，會(huì)產(chǎn)生動(dòng)量的交換，若是在非彈性碰撞的條件下，還會(huì)有動(dòng)能的損失。

與粒子不同，波是振動(dòng)的傳播，一般分為兩種，一種是要依靠介質(zhì)而存在的機(jī)械波，另一種為不需要介質(zhì)也可以存在的電磁波，兩者都無(wú)法在空間中占據(jù)一定的體積，因此也沒(méi)有質(zhì)量這個(gè)概念。由于波是一直運(yùn)動(dòng)著的，因此無(wú)法相對(duì)于某一參考系保持相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，雖然波一直在保持運(yùn)動(dòng)，但是其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)又與粒子的運(yùn)動(dòng)存在著非常大的不同。

（二）量子力學(xué)中的波粒二象性

通過(guò)上節(jié)的描述和對(duì)比，我們發(fā)現(xiàn)波和粒子無(wú)論在存在形式還是運(yùn)動(dòng)狀態(tài)上，都存在著明顯的不同，這也就是說(shuō)在經(jīng)典力學(xué)中，波和粒子是完全不同的兩個(gè)物理現(xiàn)象。接下來(lái)我們?cè)賮?lái)討論一下在量子力學(xué)中，波粒二象性在哪些方面體現(xiàn)了粒子的特征，在哪些方面又體現(xiàn)了波的特征。

在量子力學(xué)中，我們認(rèn)為一切可承載能量的載體都是粒子，比如說(shuō)在經(jīng)典物理范圍內(nèi)的粒子，以及在量子力學(xué)中才體現(xiàn)出粒子性來(lái)的光子，此時(shí)的粒子，已不再要求其必須具有一定的體積和質(zhì)量。

由于沒(méi)有絕對(duì)的靜止，所以根據(jù)德布羅意的假設(shè)“實(shí)物粒子也具有波動(dòng)性”可以推知，一切的粒子都存在著波動(dòng)，從而經(jīng)典物理中相對(duì)靜止的觀念不得不被放棄。在量子力學(xué)中，一切的粒子的行為具有了波長(zhǎng)，頻率，但是此時(shí)的動(dòng)量與能量的表達(dá)式為

其中為普朗克常量，這是在經(jīng)典物理中，無(wú)論波還是粒子從未存在過(guò)的，因?yàn)檫@兩個(gè)公式將粒子運(yùn)動(dòng)獨(dú)有而波動(dòng)沒(méi)有的動(dòng)量，波動(dòng)獨(dú)有的而粒子運(yùn)動(dòng)所沒(méi)有的頻率和波長(zhǎng)統(tǒng)一了起來(lái)。由式子（3）可以看到，由于在經(jīng)典物理一般處理的是動(dòng)量比較大的物質(zhì)，而普朗克常量又是一個(gè)很小的數(shù)值，因此其波動(dòng)性沒(méi)能體現(xiàn)出來(lái)。雖然粒子運(yùn)動(dòng)時(shí)具有了波的行為，會(huì)產(chǎn)生干涉和衍射現(xiàn)象，比如勞厄衍射光柵實(shí)驗(yàn)以及戴維遜和湯姆遜利用晶體所做的電子束衍射實(shí)驗(yàn)所驗(yàn)證的那樣，但是，在受到力或者與其他粒子相互作用時(shí)，粒子依然保持著經(jīng)典物理中粒子的特點(diǎn)，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（比如說(shuō)動(dòng)量和能量）依然會(huì)發(fā)生改變，比如在康普頓實(shí)驗(yàn)中我們知道，經(jīng)過(guò)石墨散射后的X射線的波長(zhǎng)會(huì)變長(zhǎng)，能量相應(yīng)的也會(huì)發(fā)生變化，這就使我們不得不放棄經(jīng)典物理中波的傳播速度和頻率不會(huì)改變的法則。

通過(guò)以上討論，我們發(fā)現(xiàn)波粒二象性既沒(méi)有完全采用粒子的全部性質(zhì)，也沒(méi)有全部采用波的全部性質(zhì)，在存在形式上保留了粒子離散性的特點(diǎn)，在運(yùn)動(dòng)形式上保留了波動(dòng)的特點(diǎn)，但是在受力或者與其他粒子相互作用時(shí)又保留了粒子的特點(diǎn)。除了在兩個(gè)經(jīng)典物理概念中各自繼承的概念外，還通過(guò)公式（3）、（4）等概念，擴(kuò)展了我們對(duì)物理學(xué)的認(rèn)識(shí)，公式（3），（4）也是量子力學(xué)超越經(jīng)典物理，并將粒子性質(zhì)與波動(dòng)性質(zhì)統(tǒng)一起來(lái)的關(guān)鍵點(diǎn)。

第5篇：相對(duì)論和量子力學(xué)的關(guān)系范文

關(guān)鍵詞：量子力學(xué)；經(jīng)典科學(xué)世界圖景；非機(jī)械決定論；整體論；復(fù)雜性；主客體互動(dòng)

Abstract:Asoneofthreerevolutionsofphysicsin20thcentury,quantummechanicshasgreatlytransformedtheworldviewofclassicalscienceinmanyaspects.Quantummechanicsbreaksthoughthemechanicaldeterminisminclassicalscience,transformingitintononmechanicaldeterminism;itchangesscientificcognitiveprocessfromthetheoryofreductionismtothetheoryofwholism;itshiftsthewayofthinkingfrompursuingsimplicitytoexploringthecomplexity;italsoestablishestheinteractionbetweensubjectandobjectinscientificresearches.

Keywords:quantummechanics;worldviewofclassicalscience;nonmechanicaldeterminism;wholism;complexity;interactionbetweensubjectandobject

經(jīng)典科學(xué)基本上是指由培根、牛頓、笛卡兒等開創(chuàng)的，近三百年內(nèi)發(fā)展起來(lái)的一整套觀點(diǎn)、方法、學(xué)說(shuō)。經(jīng)典科學(xué)世界圖景的最大特征是機(jī)械論和還原論，片面強(qiáng)調(diào)分解而忽視綜合。以玻爾、海森伯、玻恩、泡利、諾伊曼等為代表的哥本哈根學(xué)派的量子力學(xué)理論三部曲：統(tǒng)計(jì)解釋—測(cè)不準(zhǔn)原理—互補(bǔ)原理所反映的主要觀點(diǎn)是：微觀粒子的各種力學(xué)量（位置、動(dòng)量、能量等）的出現(xiàn)都是幾率性的；量子力學(xué)對(duì)微觀粒子運(yùn)動(dòng)的幾率性描述是完備的，對(duì)幾率性的原因不需要也不可能有更深的解釋；決定論不適用于量子力學(xué)領(lǐng)域；儀器的作用同觀察對(duì)象具有不可分割性，確立了科學(xué)活動(dòng)中主客體互動(dòng)關(guān)系。[1]量子力學(xué)的發(fā)展從根本上改變了經(jīng)典科學(xué)世界

圖景。

一、量子力學(xué)突破了經(jīng)典科學(xué)的機(jī)械決定論，遵循因果加統(tǒng)計(jì)的非機(jī)械決定論

經(jīng)典力學(xué)是關(guān)于機(jī)械運(yùn)動(dòng)的科學(xué)，機(jī)械運(yùn)動(dòng)是自然界最簡(jiǎn)單也是最普遍的運(yùn)動(dòng)。說(shuō)它最簡(jiǎn)單，因?yàn)闄C(jī)械運(yùn)動(dòng)比較容易認(rèn)識(shí)，牛頓等人又采取高度簡(jiǎn)化的方法研究力學(xué)，獲得了空前成功；說(shuō)它最普遍，因?yàn)闄C(jī)械力學(xué)有廣泛的用途，容易把它絕對(duì)化。[2]機(jī)械決定論是建立在經(jīng)典力學(xué)的因果觀之上，解釋原因和結(jié)果的存在方式和聯(lián)系方式的理論。機(jī)械決定論認(rèn)為因和果之間的聯(lián)系具有確定性，無(wú)論從因到果的軌跡多么復(fù)雜，沿著軌跡尋找總能確定出原因或結(jié)果；機(jī)械決定論的核心在于只要初始狀態(tài)一定，則未來(lái)狀態(tài)可以由因果法則進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。[3]其實(shí)，機(jī)械決定論僅僅適用于宏觀物體，而對(duì)于微觀領(lǐng)域以及客觀世界中大量存在的偶然現(xiàn)象的研究就產(chǎn)生了統(tǒng)計(jì)決定論。[4]

量子力學(xué)是對(duì)經(jīng)典物理學(xué)在微觀領(lǐng)域的一次革命。量子力學(xué)所揭示的微觀世界的運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及以玻爾為代表的哥本哈根學(xué)派對(duì)量子力學(xué)的理解，同物理學(xué)機(jī)械決定論是根本相悖的。[5]按照量子理論，微觀粒子運(yùn)動(dòng)遵守統(tǒng)計(jì)規(guī)律，我們不能說(shuō)某個(gè)電子一定在什么地方出現(xiàn)，而只能說(shuō)它在某處出現(xiàn)的幾率有多大。

玻恩的統(tǒng)計(jì)解釋指出，因果性是表示事件關(guān)系之中一種必然性觀念，而機(jī)遇則恰恰相反地意味著完全不確定性，自然界同時(shí)受到因果律和機(jī)遇律的某種混合方式的支配。在量子力學(xué)中，幾率性是基本概念，統(tǒng)計(jì)規(guī)律是基本規(guī)律。物理學(xué)原理的方向發(fā)生了質(zhì)的改變：統(tǒng)計(jì)描述代替了嚴(yán)格的因果描述，非機(jī)械決定論代替了機(jī)械決定論的統(tǒng)治。

經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)雖然也提出了幾率的概念，但未能從根本上動(dòng)搖嚴(yán)格決定論，量子力學(xué)的沖擊則使機(jī)械決定論的大廈坍塌了。量子力學(xué)揭示并論證了人們對(duì)微觀世界的認(rèn)識(shí)具有不可避免的隨機(jī)性，它不遵循嚴(yán)格的因果律。任何微觀事件的測(cè)定都要受到測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系的限定，不可能確切地知道它們的位置和動(dòng)量、時(shí)間和能量，只能描述和預(yù)言微觀對(duì)象的可能的行為。因此，量子力學(xué)必須是幾率的、統(tǒng)計(jì)的。而且，隨著認(rèn)識(shí)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)量子統(tǒng)計(jì)的隨機(jī)性，不是由于我們知識(shí)和手段的不完備性造成的，而是由微觀世界本身的必然性（主客體相互作用）所注定。

二、量子力學(xué)使得科學(xué)認(rèn)識(shí)方法由還原論轉(zhuǎn)化為整體論

還原論作為一種認(rèn)識(shí)方法，是指把高級(jí)運(yùn)動(dòng)形式歸結(jié)為低級(jí)運(yùn)動(dòng)形式，用研究低級(jí)運(yùn)動(dòng)形式所得出的結(jié)論代替對(duì)高級(jí)運(yùn)動(dòng)形式的本質(zhì)認(rèn)識(shí)的觀點(diǎn)。它用已分析得出的客觀世界中的主要的、穩(wěn)定的觀點(diǎn)和規(guī)律去解釋、說(shuō)明要研究的對(duì)象。其目的是簡(jiǎn)化、縮小客體的多樣性。這種方法在人類認(rèn)識(shí)處于初級(jí)水平上無(wú)疑是有效的。如牛頓將開普勒和伽利略的定律成功地還原為他的重力定律。但是還原論形而上學(xué)的本質(zhì)，以及完全還原是不可能的，決定了還原論不能揭示世界的全貌。

量子力學(xué)認(rèn)為整體與部分的劃分只有相對(duì)意義，整體的特征絕非部分的疊加，而是部分包含著整體。部分作為一個(gè)單元，具有與整體同等甚至還要大的復(fù)雜性。部分不僅與周圍環(huán)境發(fā)生一定的外在聯(lián)系，同時(shí)還要表現(xiàn)出“主體性”，可將自身的內(nèi)在聯(lián)系傳遞到周邊，并直接參與整體的變化。因而，部分與整體呈現(xiàn)了有機(jī)的自覺(jué)因果關(guān)系。在特定的臨界狀態(tài)，部分的少許變化將引起整體的突變。[6]

波粒二象性是微觀世界的本質(zhì)特征，也是量子論、量子力學(xué)理論思想的靈魂。用經(jīng)典觀點(diǎn)來(lái)看，也就是按照還原論的思想，粒子與波毫無(wú)共同之處，二者難以形成直觀的統(tǒng)一圖案，這是經(jīng)典物理學(xué)通過(guò)部分還原認(rèn)識(shí)整體的方法，是“向上的原因”。可是微觀粒子在某些實(shí)驗(yàn)條件下，只表現(xiàn)波動(dòng)性；而在另一些實(shí)驗(yàn)條件下，只表現(xiàn)粒子性。這兩種實(shí)驗(yàn)結(jié)果不能同時(shí)在一次實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)。于是，玻爾的互補(bǔ)原理就在客觀上揭示了微觀世界的矛盾和我們關(guān)于微觀世界認(rèn)識(shí)的矛盾，并試圖尋找一種解決矛盾的方法，這就是微觀粒子既具有粒子性又具有波動(dòng)性，即波粒二象性。這就是整體論觀點(diǎn)強(qiáng)調(diào)的“向下的原因”，即從整體到部分。同樣，海森伯的測(cè)不準(zhǔn)原理說(shuō)明不能同時(shí)測(cè)量微觀粒子的動(dòng)量和位置，這也說(shuō)明絕不能把宏觀物體的可觀測(cè)量簡(jiǎn)單盲目地還原到微觀。由此我們可以看出，造成經(jīng)典科學(xué)觀與現(xiàn)代科學(xué)觀認(rèn)識(shí)論和方法論不同的根本在于思考和觀察問(wèn)題的層面不同。經(jīng)典科學(xué)一味地強(qiáng)調(diào)外在聯(lián)系觀，而量子力學(xué)則更強(qiáng)調(diào)關(guān)注事物內(nèi)部的有機(jī)聯(lián)系。所以，量子力學(xué)把內(nèi)在聯(lián)系作為原因從根本上動(dòng)搖了還原論觀點(diǎn)。

三、量子力學(xué)使得科學(xué)思維方式由追求簡(jiǎn)單性發(fā)展到探索復(fù)雜性

從經(jīng)典科學(xué)思維方式來(lái)看，世界在本質(zhì)上是簡(jiǎn)單的。牛頓就說(shuō)過(guò)，自然界喜歡簡(jiǎn)單化，而不喜歡用什么多余的原因以夸耀自己。追求簡(jiǎn)單性是經(jīng)典科學(xué)奮斗的目標(biāo)，也是推動(dòng)它獲取成功的動(dòng)力。開普勒以三條簡(jiǎn)明的定律揭示了看似復(fù)雜的太陽(yáng)系行星運(yùn)動(dòng)，牛頓更是用單一的萬(wàn)有引力說(shuō)明了千變?nèi)f化的天體行為。因而現(xiàn)代科學(xué)是用簡(jiǎn)單性解釋復(fù)雜性，這就隱去了自然界的豐富多樣性。

量子力學(xué)初步揭示了客觀世界的復(fù)雜性。經(jīng)典科學(xué)的簡(jiǎn)單性是與把物理世界理想化相聯(lián)系的。經(jīng)典物理學(xué)所研究的是理想的物質(zhì)客體。它不但用理想化的“質(zhì)點(diǎn)”、“剛體”、“理想氣體”來(lái)描述物體，而且把研究對(duì)象的條件理想化，使研究的視野僅僅局限于人們自己制定的范圍之內(nèi)。而客觀世界并不是如此，特別是進(jìn)入微觀領(lǐng)域，微觀粒子運(yùn)動(dòng)的幾率性、隨機(jī)性；觀測(cè)對(duì)象和觀測(cè)主體不可分割性等都足以說(shuō)明自然界本身并不是我們想象的那么簡(jiǎn)單。

在現(xiàn)代科學(xué)中，牛頓的經(jīng)典力學(xué)成了相對(duì)論的低速現(xiàn)象的特例，成為非線性科學(xué)中交互作用近似為零的情況，在量子力學(xué)中是測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系可以忽略時(shí)的理論表述。復(fù)雜性的提出并不是要消滅簡(jiǎn)單性，而是為了打破簡(jiǎn)單性獨(dú)占的一統(tǒng)地位。復(fù)雜性是把簡(jiǎn)單性作為一個(gè)特例包含其中，正如莫蘭所說(shuō)的，復(fù)雜性是簡(jiǎn)單性和復(fù)雜性的統(tǒng)一。復(fù)雜性比簡(jiǎn)單性更基本，可能性比現(xiàn)實(shí)性更基本，演化比存在更基本。[7]今天的科學(xué)思維方式，不是以現(xiàn)實(shí)來(lái)限制可能，而是從可能中選擇現(xiàn)實(shí)；不是以既存的實(shí)體來(lái)確定演化，而是在演化中認(rèn)識(shí)和把握實(shí)體。復(fù)雜性主張考察被研究對(duì)象的復(fù)雜性，在對(duì)其作出層次與類別上的區(qū)分之后再進(jìn)行溝通，而不是僅僅限于孤立和分離，它強(qiáng)調(diào)的是一種整體的協(xié)同。

四、量子力學(xué)使科學(xué)活動(dòng)中主客體分離邁向主客互動(dòng)

經(jīng)典科學(xué)思維方式的一個(gè)指導(dǎo)觀念就是，認(rèn)為科學(xué)應(yīng)該客觀地、不附加任何主觀成分地獲取“照本來(lái)樣子的”世界知識(shí)。玻爾告訴人們，根本不存在所謂的“真實(shí)”，除非你首先描述測(cè)量物理量的方式，否則談?wù)撊魏挝锢砹慷际菦](méi)有意義的！測(cè)量，這一不被經(jīng)典物理學(xué)考慮的問(wèn)題，在面對(duì)量子世界如此微小的測(cè)量對(duì)象時(shí)，成為一個(gè)難以把握的手段。因?yàn)檠芯空叩慕槿雽?duì)量子世界產(chǎn)生了致命的干擾，使得測(cè)量中充滿了不確定性。在海森伯看來(lái)，在我們的研究工作由宏觀領(lǐng)域進(jìn)入微觀領(lǐng)域時(shí)，我們就會(huì)遇到一個(gè)矛盾：我們的觀測(cè)儀器是宏觀的，可是研究對(duì)象卻是微觀的；宏觀儀器必然要對(duì)微觀粒子產(chǎn)生干擾，這種干擾本身又對(duì)我們的認(rèn)識(shí)產(chǎn)生了干擾；人只能用反映宏觀世界的經(jīng)典概念來(lái)描述宏觀儀器所觀測(cè)到的結(jié)果，可是這種經(jīng)典概念在描述微觀客體時(shí)又不能不加以限制。這突破了經(jīng)典科學(xué)完全可以在不影響客體自然存在的狀態(tài)下進(jìn)行觀測(cè)的假定，從而建立了科學(xué)活動(dòng)中主客體互動(dòng)的關(guān)系。

例如，關(guān)于光到底是粒子還是波，辯論了三百多年。玻爾認(rèn)為這完全取決于我們?nèi)绾稳ビ^察它。一種實(shí)驗(yàn)安排，人們可以看到光的波現(xiàn)象；另一種實(shí)驗(yàn)安排，人們又可以看到光的粒子現(xiàn)象。但就光子這個(gè)整體概念而言，它卻表現(xiàn)出波粒二象性。因此，海森伯就說(shuō)，我們觀測(cè)的不是自然本身，而是由我們用來(lái)探索問(wèn)題的方法所揭示的自然。[8]

量子力學(xué)的發(fā)展表明，不存在一個(gè)客觀的、絕對(duì)的世界。唯一存在的，就是我們能夠觀測(cè)到的世界。物理學(xué)的全部意義，不在于它能夠描述出自然“是什么”，而在于它能夠明確，關(guān)于自然我們能夠“說(shuō)什么”。

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第6篇：相對(duì)論和量子力學(xué)的關(guān)系范文

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，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)。現(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。現(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：相對(duì)論和量子力學(xué)的關(guān)系范文

最吸引人的是美猴王。孫悟空有一個(gè)功能就是分身術(shù)，毫毛一拔，到處一扔，就變出好多個(gè)孫悟空。他還有另外一種非常強(qiáng)大的功能――筋斗云。翻一個(gè)筋斗，就可以從一個(gè)地方消失，在另一個(gè)非常遙遠(yuǎn)的地方出現(xiàn)。這有點(diǎn)像我們前陣子看到的科幻電影《星際穿越》里面的場(chǎng)景。

神話與現(xiàn)實(shí)：人可以在不同的時(shí)空生活

大家就問(wèn)了，這些東西在我們現(xiàn)實(shí)生活當(dāng)中到底能不能實(shí)現(xiàn)？大家都知道，得益于電動(dòng)力學(xué)的建立，我們能進(jìn)行無(wú)線電的通信。在1888年，赫茲在卡爾斯魯厄――德國(guó)的小鎮(zhèn)，做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證電磁波是不是存在。赫茲在這邊一抖，那邊即時(shí)的電火花就發(fā)生了。正因?yàn)橛羞@些發(fā)明，后來(lái)有了電話，有了電視機(jī)，到現(xiàn)在我們用的手機(jī)，都可以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)千里眼、順風(fēng)耳這么神奇的功能了。所以我說(shuō)，物理學(xué)真的非常有意思，它可以保證信息的有效傳輸。

狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論都告訴了我們確實(shí)存在某種特殊的情況，有些地方時(shí)間過(guò)得慢一點(diǎn)，有的地方時(shí)間就過(guò)得快一點(diǎn)。比如在一個(gè)引力特別強(qiáng)的地方，一個(gè)小時(shí)甚至等于遠(yuǎn)處地方的七年。舉個(gè)例子，如果有對(duì)雙胞胎兄弟，有一個(gè)是宇航員，坐著宇宙飛船在宇宙中進(jìn)行快速的旅行。等他回來(lái)之后，他雙生的兄弟，已經(jīng)變得很老了。這樣的現(xiàn)象，在物理世界、在高速飛行的粒子里面，已經(jīng)能看到了。確實(shí)是可以實(shí)現(xiàn)的。

因此形成了這樣一種觀點(diǎn)：我們?cè)诠糯ㄟ^(guò)口口相傳，進(jìn)行信息的傳遞、交流和共享。隨后我們有了文字，也可以通過(guò)書信來(lái)傳遞信息。到了后來(lái)，隨著科技的發(fā)展，第一次工業(yè)革命熱力學(xué)的發(fā)現(xiàn)，電動(dòng)力學(xué)的運(yùn)用，信息的傳遞效率變得越來(lái)越高。到了現(xiàn)代，因?yàn)橛杏?jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，整個(gè)地球都變成一個(gè)村子了。

有兩個(gè)永恒主題將一直伴隨著我們?nèi)祟愡M(jìn)化和社會(huì)發(fā)展：首先，怎樣來(lái)加強(qiáng)信息交互的效率，把信息中有用的知識(shí)提取出來(lái)，進(jìn)行傳播、共享？這是非常重要的。同時(shí)，要加強(qiáng)隱私的保護(hù)，保證每個(gè)人思想的自由。比如說(shuō)，如果可以非常方便地看到別人在想什么，可以控制他的思想的話，每個(gè)人都不可能進(jìn)行自由的創(chuàng)造了。所以我覺(jué)得，隱私的保護(hù)是我們?nèi)祟愇磥?lái)的一個(gè)基本保證。不然，我們就沒(méi)辦法繼續(xù)進(jìn)化下去了。

量子世界：事物可以同時(shí)在兩個(gè)地方“存在”

我今天想跟大家分享的一個(gè)觀點(diǎn)，就是量子力學(xué)在近百年的發(fā)展過(guò)程當(dāng)中已經(jīng)為解決這些重大的問(wèn)題做好了準(zhǔn)備。

量子力學(xué)認(rèn)為：第一，在某些特殊的情況下，如果說(shuō)你沒(méi)有看這個(gè)客體到底是處于哪個(gè)位置的時(shí)候，在特定情況它可以同時(shí)處在兩個(gè)位置。第二，就是客體的狀態(tài)，只要觀測(cè)一下，對(duì)它的影響就不可逆轉(zhuǎn)了，而且是永久的、不可避免的、不可忽略的。

牛頓力學(xué)是一個(gè)非常美的理論。它告訴我們一個(gè)粒子和周圍環(huán)境明確的話，它未來(lái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，就可以計(jì)算出來(lái)了。如果所有的粒子都是由牛頓力學(xué)在控制的話，那么我們什么時(shí)候死、誰(shuí)做生命學(xué)家、誰(shuí)做物理學(xué)家，在宇宙大爆炸這個(gè)時(shí)候就已經(jīng)確定了，個(gè)人的努力是毫無(wú)意義的。

從這個(gè)角度上講，量子力學(xué)比經(jīng)典牛頓力學(xué)哲學(xué)，要更加積極一些。量子力學(xué)告訴我們個(gè)人的行為、對(duì)體系的測(cè)量是可以影響世界的，從哲學(xué)上講是非常積極的。

舉個(gè)例子，我到北京來(lái)，送給朋友一個(gè)骰子，我事先做好了，送給他的這個(gè)骰子跟另一個(gè)骰子是糾纏態(tài)。然后我回到上海去了，就跟他說(shuō)，你扔手中的那個(gè)骰子。他扔了好多次，把結(jié)果寫下來(lái)，每次隨機(jī)得到1到6里面的某一個(gè)點(diǎn)數(shù)。我就能跟他說(shuō)你第一次扔的點(diǎn)數(shù)是多少，第二次是多少，我都可以猜得出來(lái)。這樣的現(xiàn)象，我們把它叫作遙遠(yuǎn)地點(diǎn)之間的詭異互動(dòng)。在2015年，這現(xiàn)象基本在物理角度被確證了，只剩一個(gè)很小的漏洞。這是我們正在做的一個(gè)研究。

量子通信：隱密、高速的信息交互

由此，新的科學(xué)就誕生了。有了量子的0加1之后，一些新的東西就誕生了。例如，可以利用它來(lái)保證原理上無(wú)條件的安全通信。如果將來(lái)立法，我們可以利用這種手段，保證我們的隱私。

利用這種量子計(jì)算手段，也可以算得非常地快，可以有效地揭示復(fù)雜物理體系的規(guī)律。就是說(shuō)，可以把計(jì)算能力和信息安全兩個(gè)問(wèn)題都比較好地解決。

具體來(lái)說(shuō)，比如說(shuō)量子通信，我們可以用量子密鑰分發(fā)。因?yàn)樗遣豢蓮?fù)制的，你去探測(cè)就會(huì)被發(fā)現(xiàn)。所以我們就可以有一種絕對(duì)安全的通訊方式。其實(shí)還有另外一種比較有意思的、利用這樣的量子糾纏的概念。

因?yàn)闀r(shí)間關(guān)系，我只舉一個(gè)例子。比如說(shuō)要求解一個(gè)10的24次方的變量的線性方程組，用目前最快的天河2號(hào)超級(jí)計(jì)算機(jī)大概需要100年左右的時(shí)間。而利用萬(wàn)億次的量子計(jì)算機(jī)，盡管計(jì)算的頻率比天河2號(hào)要慢1萬(wàn)倍，但它只需要0.01秒就可以把這個(gè)方程給求解出來(lái)。所以它可以廣泛地應(yīng)用于藥物設(shè)計(jì)、金融分析、氣象預(yù)報(bào)、密碼分析等等，用途是比較大的。

當(dāng)然，也可以利用量子通訊，來(lái)構(gòu)建一個(gè)非常好的網(wǎng)絡(luò)，有城域網(wǎng)、城際網(wǎng)，利用衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)的這種廣域的量子通信，可以比較好地保證我們的網(wǎng)絡(luò)安全。

第8篇：相對(duì)論和量子力學(xué)的關(guān)系范文

分子與梨子間有個(gè)邊界，在那兒量子力學(xué)的奇特行為消失，出現(xiàn)我們熟悉的古典物理行為。量子力學(xué)只適用于微小世界的這種印象，普遍存在于人們的科學(xué)知識(shí)里。例如，在暢銷名著《優(yōu)雅的宇宙》的第一頁(yè)，美國(guó)哥倫比亞大學(xué)的物理學(xué)家布賴恩·格林提到，量子力學(xué)“提供一個(gè)理論架構(gòu)，讓我們理解最小尺度下的宇宙”。古典物理（涵蓋量子以外的所有理論，包括愛(ài)因斯坦的相對(duì)論）則負(fù)責(zé)最大尺度的世界。

然而，對(duì)世界做這種方便的切割，其實(shí)是種迷思。很少有現(xiàn)代物理學(xué)家會(huì)認(rèn)為古典物理和量子力學(xué)具有同等的地位，古典物理應(yīng)該只是具有量子本質(zhì)的世界（不論大小）的一種有用近似。雖然在宏觀世界可能比較難看到量子效應(yīng)，但原因基本上跟大小無(wú)關(guān)，而是跟量子系統(tǒng)彼此作用的方式有關(guān)。

一直到十幾年前，實(shí)驗(yàn)學(xué)者仍未證實(shí)量子行為可以出現(xiàn)在大尺度系統(tǒng)，如今這已是家常便飯。這些效應(yīng)比任何人所想的都還要普遍，甚至可能出現(xiàn)在我們身體的細(xì)胞里。

即使是我們這些靠研究這類效應(yīng)吃飯的人，也還沒(méi)完全理解它所教給我們的、關(guān)于自然運(yùn)作的方式。量子行為很難可視化，也不容易以常識(shí)理解。它迫使我們重新思考觀察這宇宙的方式，并接受一個(gè)新穎又陌生的世界圖像。

纏結(jié)難解的故事

對(duì)量子物理學(xué)家而言，古典物理是全彩世界的一個(gè)黑白影像，無(wú)法完整呈現(xiàn)這個(gè)豐富的世界。在舊教科書的觀點(diǎn)里，當(dāng)尺度一變大，色調(diào)就不再豐富。個(gè)別粒子具量子性質(zhì)，一堆粒子則變?yōu)楣诺洹?/p>

然而，關(guān)于尺寸并非決定性因素的第一個(gè)線索，可以追溯到物理學(xué)歷史上最有名的思想實(shí)驗(yàn)之一：薛定諤的貓。

1935年，薛定諤想出一個(gè)病態(tài)的情節(jié)來(lái)說(shuō)明微觀與宏觀世界是連在一起的，我們無(wú)法畫出界線。量子力學(xué)說(shuō)，放射性原子可以同時(shí)處于衰變及未衰變的狀態(tài)；若將原子與一瓶可以殺死貓的毒藥扯上關(guān)系，使得原子衰變會(huì)導(dǎo)致貓死亡，則貓會(huì)如同原子般處于模棱兩可的量子態(tài)。怪異性質(zhì)由一個(gè)感染到另一個(gè)，大小在此并不重要，問(wèn)題是為何貓的主人都只會(huì)看到他們的寵物非死即活？

以現(xiàn)代的觀點(diǎn)，世界看起來(lái)像古典的，是因?yàn)槲矬w與環(huán)境間復(fù)雜的交互作用將量子效應(yīng)掩藏了起來(lái)。例如，貓的生死信息通過(guò)光子和熱交換，迅速滲漏到環(huán)境里。量子現(xiàn)象會(huì)牽涉到不同古典狀態(tài)的組合（例如同時(shí)死與活），而這種組合會(huì)很快散逸掉。這種信息的滲漏便是“去同調(diào)”過(guò)程的基礎(chǔ)。

大的東西比小的容易去同調(diào)，這就是為什么物理學(xué)家通?？梢灾话蚜孔恿W(xué)當(dāng)成微觀世界的理論。但在許多例子里，這種信息滲漏可被減緩或停止，如此一來(lái)，量子世界就會(huì)全然顯露。

纏結(jié)是典型的量子現(xiàn)象，是薛定諤于1935年在那篇將他的貓介紹給全世界的論文里發(fā)明的名詞。纏結(jié)將幾個(gè)獨(dú)立粒子捆綁為不可分割的整體。一個(gè)古典系統(tǒng)總是可被分割的，至少原則上是如此；由個(gè)別組件集合而得的性質(zhì)，在個(gè)別組件里也會(huì)有。但是纏結(jié)的系統(tǒng)無(wú)法如此分割，并且會(huì)導(dǎo)致奇怪的結(jié)果：纏結(jié)的粒子即使互相遠(yuǎn)離，仍會(huì)表現(xiàn)為單一整體，這就是愛(ài)因斯坦所稱的、著名的“幽靈般的超距作用”。

物理學(xué)家通常講的是電子等基本粒子的纏結(jié)。這些粒子可粗略想象為旋轉(zhuǎn)的小陀螺，以順時(shí)針或逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，轉(zhuǎn)軸指向任意給定的方向：水平、垂直、45°角等。測(cè)量其自旋時(shí)，必須選定一個(gè)方向，觀測(cè)粒子是否沿著那個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

為了方便說(shuō)明，假設(shè)粒子表現(xiàn)的是古典行為。你可以讓一個(gè)粒子沿水平軸順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，另一個(gè)沿水平軸逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)；如此一來(lái)，二者的總自旋為零。它們的轉(zhuǎn)動(dòng)軸在空間中是固定的，測(cè)量結(jié)果取決于你選的方向是否沿著粒子的轉(zhuǎn)動(dòng)軸。如果對(duì)二者都做水平軸的測(cè)量，則會(huì)看到兩個(gè)粒子的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反；如果都做垂直軸的測(cè)量，則完全不會(huì)偵測(cè)到這兩個(gè)粒子的轉(zhuǎn)動(dòng)。

然而，如果是具有量子性質(zhì)的電子，則情況會(huì)驚人的不同。你可以讓粒子的總自旋為零，即使你沒(méi)有給定個(gè)別粒子的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。測(cè)量其中一個(gè)粒子時(shí)，你會(huì)看到它隨機(jī)以順時(shí)針或逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，就好像粒子是自己決定要朝哪個(gè)方向轉(zhuǎn)。而且，不管你選擇測(cè)量哪個(gè)方向，只要對(duì)這兩個(gè)粒子測(cè)量同一方向，則測(cè)得的轉(zhuǎn)動(dòng)方向永遠(yuǎn)相反，一個(gè)順時(shí)針，一個(gè)逆時(shí)針。它們?cè)趺粗酪@樣做？這仍然是個(gè)極其神秘的性質(zhì)。不僅如此，如果你對(duì)一個(gè)粒子做水平軸測(cè)量，對(duì)另一個(gè)做垂直軸測(cè)量，則仍可測(cè)量到部分自旋，這就好像粒子沒(méi)有固定的轉(zhuǎn)動(dòng)軸。因此，測(cè)量結(jié)果是古典物理無(wú)法解釋的。

誰(shuí)在幫助原子排列？

大部分的纏結(jié)實(shí)驗(yàn)都只用到幾個(gè)粒子，因?yàn)橐淮笕毫Ｗ硬蝗菀赘艚^環(huán)境的影響，其中的粒子很容易跟無(wú)關(guān)的粒子纏結(jié)，破壞原始的內(nèi)在聯(lián)結(jié)。以去同調(diào)的說(shuō)法，就是有太多信息滲漏到環(huán)境里，造成系統(tǒng)有古典的行為。對(duì)我們這些尋找纏結(jié)的實(shí)際用途（例如量子計(jì)算機(jī)）的研究人員來(lái)說(shuō)，保持纏結(jié)是一項(xiàng)重要的挑戰(zhàn)。

2003年，有一個(gè)巧妙的實(shí)驗(yàn)證實(shí)，如果能夠減少滲漏或加以抵消，則大的系統(tǒng)也可以保持纏結(jié)。

英國(guó)倫敦大學(xué)的加布里埃爾·阿普爾等人將一塊氟化鋰鹽放在外加的磁場(chǎng)里，鹽里的原子就像旋轉(zhuǎn)的小磁棒，會(huì)盡量與外加磁場(chǎng)同向，這種反應(yīng)表現(xiàn)為磁化率。原子間的作用力就像同儕壓力般，會(huì)讓它們更快排列整齊。研究人員改變磁場(chǎng)強(qiáng)度，然后測(cè)量原子排得多快。他們發(fā)現(xiàn)，原子的反應(yīng)速度比彼此作用力的強(qiáng)度所能提供的還快。很顯然，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中有額外的效應(yīng)幫助原子排列整齊，而研究人員認(rèn)為這是纏結(jié)造成的。若真如此，則鹽塊里的1020個(gè)原子形成了巨大的纏結(jié)態(tài)。

為了避免熱能所造成的無(wú)序運(yùn)動(dòng)，阿普爾的團(tuán)隊(duì)是在極低的溫度下做實(shí)驗(yàn)（僅千分之幾K）。不過(guò)，在那之后，巴西物理研究中心的亞歷山大·馬丁斯·德·蘇薩等人以室溫或更高的溫度，在銅羧酸鹽之類的材料里發(fā)現(xiàn)了宏觀纏結(jié)，自旋粒子間的交互作用強(qiáng)到可以抗拒熱能所造成的無(wú)序。在其他例子里，則必須用外力抵擋熱效應(yīng)。物理學(xué)家在越來(lái)越大、越來(lái)越高溫的系統(tǒng)里看到纏結(jié)：從以電磁場(chǎng)捕獲的離子到晶格里的超冷原子，再到超導(dǎo)量子位。

第9篇：相對(duì)論和量子力學(xué)的關(guān)系范文

關(guān)鍵詞：校本化；高中歷史；科學(xué)史

科學(xué)史是溝通自然科學(xué)和人文學(xué)術(shù)的最好橋梁。通過(guò)科學(xué)史的訓(xùn)練和熏陶，不僅可以培養(yǎng)文理兼通的人才素質(zhì)，而且還可以優(yōu)化人才的知識(shí)結(jié)構(gòu)，這是其他學(xué)術(shù)無(wú)法替代的?？茖W(xué)史是人類文明發(fā)展的一個(gè)重要組成部分，如果不懂科學(xué)史，就不能真正理解社會(huì)發(fā)展的歷史。就科學(xué)高中的培養(yǎng)目標(biāo)而言，大部分畢業(yè)生將會(huì)從事理工科專業(yè)的學(xué)習(xí)和工作。而一個(gè)從事科學(xué)技術(shù)工作并且力求在科學(xué)技術(shù)上有所創(chuàng)新的人，如果對(duì)科學(xué)的發(fā)展缺乏整體上的了解，不能掌握科學(xué)技術(shù)發(fā)展的規(guī)律以及其他學(xué)科對(duì)本門學(xué)科的影響，就很難有所成就。因此，開設(shè)科學(xué)史這門課程尤為必要。這門課程重在還原人類認(rèn)識(shí)自然界的本質(zhì)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的發(fā)展歷程，揭示科學(xué)發(fā)展的一般規(guī)律，特別是向?qū)W生提供著名科學(xué)家、發(fā)明家解決問(wèn)題的思路和方法，進(jìn)而為科高學(xué)子在科學(xué)研究的道路上提供借鑒，讓他們站在巨人的肩膀上，走得更遠(yuǎn)。以下為科學(xué)史的具體學(xué)習(xí)要點(diǎn)：

一、科學(xué)史的意義與研究現(xiàn)狀

1.了解科學(xué)史的確立及其諸種功用，理解科學(xué)與正確之間的關(guān)系。2.掌握科學(xué)史研究中的內(nèi)史和外史，了解科學(xué)史在中國(guó)的發(fā)展現(xiàn)狀。

二、古希臘的科學(xué)與哲學(xué)

1.了解古希臘科學(xué)產(chǎn)生的背景。2.概述古希臘賢人對(duì)萬(wàn)物本原的探究，認(rèn)識(shí)對(duì)萬(wàn)物本原的探究意義。3.了解亞里士多德在自然哲學(xué)、邏輯學(xué)以及系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)考察等方面的貢獻(xiàn)。4.知道古希臘在數(shù)學(xué)、物理、天文學(xué)等方面的貢獻(xiàn)，理解其對(duì)古代世界的影響。

三、古代中國(guó)的自然觀與科學(xué)技術(shù)

1.知道天人感應(yīng)與天人相分及宇宙演化思想，理解中國(guó)古代的時(shí)空觀念。2.了解天文學(xué)上的曠世之爭(zhēng)――渾蓋之爭(zhēng)，認(rèn)識(shí)其對(duì)中國(guó)天文學(xué)發(fā)展的影響。3.概述中國(guó)古代傳統(tǒng)數(shù)學(xué)、計(jì)時(shí)技術(shù)和測(cè)向技術(shù)的發(fā)展演變。

四、阿拉伯的科學(xué)及科學(xué)在歐洲的復(fù)興

1.概述阿拉伯科學(xué)產(chǎn)生的歷史背景，了解其與古代希臘羅馬文化的淵源，認(rèn)識(shí)“翻譯”為阿拉伯科學(xué)的真正起點(diǎn)。2.了解阿拉伯在數(shù)學(xué)、天文學(xué)、醫(yī)學(xué)、光學(xué)和化學(xué)方面的發(fā)展，理解阿拉伯科學(xué)的世界意義。3.了解基督教、亞里士多德思想以及農(nóng)業(yè)技術(shù)革命對(duì)中世紀(jì)歐洲科學(xué)發(fā)展的影響，認(rèn)識(shí)“1277大譴責(zé)”對(duì)人們打破亞里士多德思想對(duì)科學(xué)的束縛作用。4.理解文藝復(fù)興、宗教改革以及不同文明間技術(shù)的交往對(duì)歐洲近代科學(xué)革命的影響，準(zhǔn)確把握宗教與科學(xué)的關(guān)系。5.了解培根倡導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)、哈維的血液循環(huán)說(shuō)以及數(shù)學(xué)的新進(jìn)展對(duì)科學(xué)在歐洲復(fù)興的作用。

五、近代科學(xué)革命――天文學(xué)、新物理學(xué)、數(shù)學(xué)、化學(xué)

1.理解哥白尼《天體運(yùn)行論》在近代天文學(xué)方面的革命性作用，了解伽利略望遠(yuǎn)鏡以及第谷的精密天文學(xué)對(duì)傳統(tǒng)天文學(xué)的沖擊，概述開普勒三大定律對(duì)哥白尼天文學(xué)的繼承與批判，理解近代天文學(xué)革命是近代科學(xué)革命的切入點(diǎn)。2.說(shuō)明斯蒂文鏈、伽利略的實(shí)驗(yàn)方法、笛卡爾的機(jī)械主義方法論、牛頓的萬(wàn)有引力定律和物體運(yùn)動(dòng)三定律等對(duì)近代物理學(xué)發(fā)展的意義，明確近代物理學(xué)是近代科學(xué)的核心領(lǐng)域。3.了解微積分的創(chuàng)立，列舉笛卡爾、費(fèi)馬、牛頓、萊布尼茨、歐拉、拉格朗日等人在微積分發(fā)展過(guò)程中的貢獻(xiàn)。4.概述古代煉金術(shù)對(duì)近代化學(xué)產(chǎn)生的影響，了解波義耳、拉瓦錫對(duì)近代化學(xué)誕生的貢獻(xiàn)。

六、生物學(xué)的重大突破――從進(jìn)化論到遺傳學(xué)

1.了解達(dá)爾文進(jìn)化論提出的背景以及達(dá)爾文的生平，認(rèn)識(shí)其個(gè)人經(jīng)歷對(duì)其提出自然選擇的進(jìn)化論的影響。2.認(rèn)識(shí)孟德爾定律，理解孟德爾被稱為現(xiàn)代遺傳學(xué)的奠基人的原因，了解遺傳基本因子――DNA的發(fā)現(xiàn)對(duì)遺傳學(xué)發(fā)展的意義。

七、物理學(xué)的新突破

1.了解電磁學(xué)理論的建立和通信技術(shù)的發(fā)展，認(rèn)識(shí)其對(duì)第二次工業(yè)革命的作用。2.簡(jiǎn)述能量守恒定律和熱力學(xué)定律的建立過(guò)程，理解熱力學(xué)第一定律與能量守恒定律之間的關(guān)系，并說(shuō)明熱力學(xué)的基本定律對(duì)化學(xué)、天文學(xué)等學(xué)科發(fā)展的影響。3.了解狹義相對(duì)論的兩條基本原理，概述廣義相對(duì)論的三大驗(yàn)證，說(shuō)明對(duì)廣義相對(duì)論正確性的認(rèn)識(shí)。4.了解愛(ài)因斯坦對(duì)量子論方面的貢獻(xiàn)，理解相對(duì)論和量子力學(xué)之間的關(guān)系，認(rèn)識(shí)量子力學(xué)的測(cè)不準(zhǔn)原理。

八、數(shù)學(xué)的新時(shí)代