量子力學(xué)和相對(duì)論的關(guān)系精選(九篇)

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第1篇：量子力學(xué)和相對(duì)論的關(guān)系范文

關(guān)鍵詞：科學(xué)史；近代物理；教學(xué)改革；高等教育

中圖分類號(hào)：G642.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2014）50-0072-03

近代物理是高等學(xué)府物理類、化學(xué)類和電子類學(xué)科的一門必修課，通常放在講授完大學(xué)物理之后。大學(xué)物理的內(nèi)容主要是理論力學(xué)、電動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理。近代物理的內(nèi)容主要是相對(duì)論和量子力學(xué)。由于相對(duì)論和量子力學(xué)離我們的日常生活經(jīng)驗(yàn)比較遠(yuǎn)，所以學(xué)起來比較晦澀難懂。本文介紹了筆者如何通過講授近代物理知識(shí)和對(duì)應(yīng)的近代物理科學(xué)史相接合，來提高同學(xué)們對(duì)近代物理的理解和興趣。

一、近代物理科學(xué)史簡(jiǎn)介

近代物理的科學(xué)史是一部十分生動(dòng)活潑的歷史，時(shí)間跨度大概是從1900年到現(xiàn)代。這段時(shí)間可以說是十分不平凡和波瀾壯闊的一百多年。這期間發(fā)生了人類歷史上僅有的二次世界大戰(zhàn)，其中涌現(xiàn)的具有極高才華和貢獻(xiàn)的科學(xué)家數(shù)量差不多抵得上人類歷史上前五千年的科學(xué)家數(shù)量總合。而人物傳記作家也多對(duì)他們的人生經(jīng)歷極為感興趣，出了很多關(guān)于他們的傳記[1-3]。另外這些近代物理學(xué)家們很多本身也頗博學(xué)多才，具有良好的文學(xué)才能和修養(yǎng)，因此很多人他們自己也出自傳。這些傳記和自傳都能給《近代物理》課堂上的科學(xué)史教學(xué)提供豐富的素材和參考。相對(duì)論和量子力學(xué)的理論和公式雖然比較高深難懂，但是它們解釋的現(xiàn)象由于跟人們的日常經(jīng)驗(yàn)相悖，所以還是會(huì)引起人們廣泛的興趣。比如時(shí)間和空間是不可分的，物體的動(dòng)量和時(shí)間不能同時(shí)精確測(cè)量，光速是宇宙中最快的速度，這些一般人憑經(jīng)驗(yàn)的確很難理解。進(jìn)而人們也會(huì)對(duì)提出和發(fā)現(xiàn)這些理論的科學(xué)家們（如愛因斯坦）感興趣。圖1為作者按照時(shí)間順序出場(chǎng)依次在課堂上介紹的量子力學(xué)史上各個(gè)重要的歷史人物。這些科學(xué)人物大多數(shù)彼此交往比較密切，在學(xué)術(shù)上好像切磋和影響，進(jìn)而也加速了思想火花的碰撞和創(chuàng)新性理論的誕生。

在課堂上講述近代物理科學(xué)史的過程中，還可以幫助同學(xué)們了解在學(xué)術(shù)研究過程中需要注意的問題。比如搞科研不能囿于自己的私密空間，而要鼓勵(lì)多做學(xué)術(shù)交流。學(xué)術(shù)交流的好處是：（1）可以了解最新的研究動(dòng)態(tài)；象在近代物理史上著名的哥本哈根學(xué)派就是個(gè)很好的例子。1921年，在著名量子物理學(xué)家波爾的倡議下，成立了哥本哈根大學(xué)理論物理學(xué)研究所，由此形成哥本哈根學(xué)派。其中波恩、海森堡、泡利以及狄拉克等都是這個(gè)學(xué)派的主要成員。由于哥本哈根學(xué)派提供了很好的學(xué)術(shù)交流環(huán)境和學(xué)術(shù)氛圍，在這個(gè)學(xué)派里鼓勵(lì)發(fā)表不同的觀點(diǎn)，不迷信權(quán)威，所以涌現(xiàn)出了很多重要的量子力學(xué)成果。（2）可以發(fā)現(xiàn)自己的不足；比如愛因斯坦于1919年在剛開始推導(dǎo)廣義相對(duì)論的時(shí)候，在公式里人為增加了一個(gè)常數(shù)項(xiàng)，從而得出他起先所認(rèn)為的靜態(tài)宇宙模型。不過1922年亞歷山大?弗里德曼摒棄了這個(gè)常數(shù)項(xiàng)，從而得出相應(yīng)的宇宙膨脹理論。比利時(shí)牧師勒梅特應(yīng)用這些解構(gòu)造了宇宙大爆炸的最早模型，模型預(yù)言宇宙是從一個(gè)高溫致密的狀態(tài)演化而來。到1929年，哈勃等人又用實(shí)際的觀測(cè)證明我們的宇宙的確處于膨脹狀態(tài)。通過學(xué)術(shù)交流，愛因斯坦終于接受了宇宙膨脹理論，并承認(rèn)添加宇宙常數(shù)項(xiàng)是他一生中犯下的最大錯(cuò)誤。（3）可以激發(fā)自己的靈感；比如波爾在1911年從丹麥哥本哈根大學(xué)獲得博士學(xué)位后去英國(guó)學(xué)習(xí)，先在劍橋湯姆遜主持的卡文迪許實(shí)驗(yàn)室工作，幾個(gè)月后又去曼徹斯特在盧瑟福的手下搞科研，這使得他對(duì)湯姆遜關(guān)于原子的西瓜模型和盧瑟福的核式原子模型了如指掌，同時(shí)他又很熟悉普朗克和愛因斯坦的量子學(xué)說，這些學(xué)術(shù)交流活動(dòng)激發(fā)了他的靈感，使得他最終于1913年初創(chuàng)造性地把普朗克的量子說和盧瑟福的原子核概念結(jié)合起來，提出了自己的波爾原子模型。（4）可以激勵(lì)自己不斷進(jìn)步和成長(zhǎng)。比如薛定諤在1925年受到愛因斯坦關(guān)于單原子理想氣體的量子理論和德布羅意的物質(zhì)波的假說的啟發(fā)，從經(jīng)典力學(xué)和幾何光學(xué)間的類比提出了對(duì)應(yīng)于波動(dòng)光學(xué)的波動(dòng)力學(xué)方程，從而奠定了波動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)。但是他一開始并不清楚他自己建立的波動(dòng)方程中的波具體代表什么物理概念。起初他試圖把波函數(shù)解釋為三維空間中的振動(dòng)，把振幅解釋為電荷密度，把粒子解釋為波包，但他無法解決“波包擴(kuò)散”的問題。最終經(jīng)過他與波恩的多次學(xué)術(shù)交流，他逐漸認(rèn)識(shí)到波函數(shù)其實(shí)是代表粒子在某時(shí)某個(gè)位置出現(xiàn)的幾率，是一種幾率波。

二、近代物理知識(shí)簡(jiǎn)介

近代物理的知識(shí)主要分為兩大類：相對(duì)論和量子力學(xué)。相對(duì)論分為狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論，內(nèi)容包括伽利略坐標(biāo)系、邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)、洛倫茲變換、閔可夫斯基空間、質(zhì)能關(guān)系式和相對(duì)論能量-動(dòng)量關(guān)系式等。量子力學(xué)知識(shí)包括黑體輻射、光電效應(yīng)、波爾原子模型、康普頓效應(yīng)、德布羅意波、戴維遜和革末實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電子的波動(dòng)性、不確定性原理和薛定諤方程等。這些近代物理理論的公式通常比較復(fù)雜，需要用到高等數(shù)學(xué)的知識(shí)，比如薛定諤方程是一個(gè)偏微分方程，狄拉克方程里包含矩陣。因而對(duì)于近代物理公式的求解就變得十分困難，也不太直觀。圖2羅列了按時(shí)間順序出現(xiàn)的課堂上需要講授的量子力學(xué)公式。

黑體輻射公式描述的是頻譜（單色能密度）u（v，T）和溫度以及頻率的關(guān)系式。光電效應(yīng)是指每種金屬存在截止頻率。當(dāng)照射在金屬上的頻率小于截止頻率時(shí)，不管光強(qiáng)多大，照射時(shí)間多長(zhǎng)，也不會(huì)有光電子產(chǎn)生。而當(dāng)照射在金屬上的頻率大于截止頻率時(shí)，不管光強(qiáng)多小，也會(huì)產(chǎn)生光電子，且響應(yīng)時(shí)間小于1納秒。光電子具有各種初速度，其最大初動(dòng)能與光輻射頻率成線性關(guān)系，而與光輻射強(qiáng)度無關(guān)。當(dāng)頻率在截止頻率之上時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射出來的電子數(shù)目即光電流強(qiáng)度與光輻射強(qiáng)度成正比。在光電效應(yīng)理論中，光的能量和光的頻率成正比，光的動(dòng)量和光的波長(zhǎng)成反比。

波爾的原子模型給出了電子在分立軌道上的能量公式。能量和電荷的四次方成正比，跟定態(tài)的平方成反比。電子在定態(tài)具有分立的能量，在定態(tài)運(yùn)動(dòng)時(shí)不輻射電磁能量；但電子可以從一個(gè)定態(tài)能級(jí)躍遷到另一個(gè)能量低的定態(tài)能級(jí)，相應(yīng)于兩個(gè)能級(jí)差的能量將作為光子被釋放出來。德布羅意公式則是給出了物體的能量和動(dòng)量與其說對(duì)應(yīng)的物質(zhì)波的波長(zhǎng)和頻率之間的關(guān)系。動(dòng)量和波長(zhǎng)成反比，而能量和頻率成正比。薛定諤方程精確地給出了物質(zhì)波函數(shù)的表現(xiàn)形式。微觀粒子的量子態(tài)可用波函數(shù)表示。當(dāng)波函數(shù)確定，粒子的任何一個(gè)力學(xué)量及它們的各種可能的測(cè)量值的幾率就完全確定。波函數(shù)跟粒子的質(zhì)量和勢(shì)能相關(guān)。波函數(shù)的自變量中包含空間坐標(biāo)和時(shí)間坐標(biāo)。由于薛定諤方程中出現(xiàn)虛數(shù)i，所以波函數(shù)原則上應(yīng)是復(fù)數(shù)。它同時(shí)滿足能量守恒，是線性的、單值解的。它給出的自由粒子解與簡(jiǎn)單的德布羅意波相一致，滿足因果律。相對(duì)于薛定諤方程之于非相對(duì)論量子力學(xué)，狄拉克方程[4]是相對(duì)論量子力學(xué)的一項(xiàng)描述自旋-1/2粒子的波函數(shù)方程，不帶矛盾地同時(shí)遵守了狹義相對(duì)論與量子力學(xué)兩者的原理，實(shí)則為薛定諤方程的洛倫茲協(xié)變式。這個(gè)方程預(yù)言了反粒子的存在。

三、近代物理科學(xué)史和近代物理知識(shí)的結(jié)合講解

近代物理課如果只是講解近代物理知識(shí)，往往顯得枯燥無味，難以理解。其實(shí)任何科學(xué)知識(shí)都不是憑空產(chǎn)生的，往往經(jīng)歷了好幾代人的不懈努力，最終從量變到質(zhì)變，導(dǎo)致相對(duì)論或量子力學(xué)的建立。薛定諤方程也不是一蹴而就，而是經(jīng)過很多科學(xué)家?guī)资甑呐?。如果一開始就講解薛定諤方程，同學(xué)們通常很難理解。而如果采用循序漸進(jìn)的方法并結(jié)合科學(xué)史來講，抽絲剝繭，逐漸揭開真理的面紗，那么同學(xué)們不光饒有興趣，而且更容易理解。圖3列出了結(jié)合科學(xué)史和科學(xué)人物的近代物理講解流程。在講解科學(xué)史的過程中，重點(diǎn)講解科學(xué)人物和他們的研究方法，以及這些近代物理公式是怎么一步步得來的。通過近代物理知識(shí)和科學(xué)史的結(jié)合講解，可以啟發(fā)同學(xué)，讓他們了解任何知識(shí)都是建立在前人知識(shí)和研究的基礎(chǔ)上。比如普朗克的黑體輻射公式來自于瑞利-金斯定律和維恩位移定律的啟發(fā)。瑞利-金斯定律能夠解釋低頻率下的結(jié)果，卻無法解釋高頻率下的測(cè)量結(jié)果。而維恩位移定律能夠解釋高頻率下的結(jié)果，卻無法解釋低頻率下的測(cè)量結(jié)果。而普朗克公式是把這兩種定律公式進(jìn)行一下內(nèi)插。通過這種歷史背景的介紹，同學(xué)們就對(duì)普朗克公式的來龍去脈知道得一清二楚，對(duì)此公式也就理解得更深刻。普朗克公式其實(shí)一開始是一個(gè)不得已而為之的公式，然后普朗克對(duì)此公式進(jìn)行反推，發(fā)現(xiàn)只有認(rèn)為能量是量子化的，才能得出跟實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合的普朗克公式。能量是非連續(xù)而是分立的，即使這個(gè)想法在當(dāng)時(shí)是多么背離人的日常經(jīng)驗(yàn)和驚世駭俗，由于它是唯一的解釋，普朗克也就不得不接受了這個(gè)能量量子化思想。

而能量量子化這個(gè)理論不管在當(dāng)時(shí)看上去多么荒謬，還是有人慧眼識(shí)珠的。5年之后的1905年，愛因斯坦憑著他對(duì)物理學(xué)的敏銳欣然接受了能量量子化這個(gè)觀點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上解釋了光電效應(yīng)。近代物理的科學(xué)史是一環(huán)扣一環(huán)，十分引人入勝。在課堂上授課時(shí)通過人物->公式->人物…->公式的順序把所有近代物理的公式合理地銜接起來，自成一個(gè)整體，同學(xué)們學(xué)習(xí)起來就會(huì)思路清晰，公式也會(huì)記得牢，進(jìn)而對(duì)公式能活學(xué)活用。普朗克和愛因斯坦彼此惺惺相惜，而普朗克也是少數(shù)很快發(fā)現(xiàn)愛因斯坦狹義相對(duì)論重要性的人之一。在愛因斯坦發(fā)表光電效應(yīng)的8年之后，波爾也接受了能量量子化這個(gè)觀點(diǎn)，并進(jìn)而創(chuàng)新性地提出了三個(gè)假設(shè)：（1）定態(tài)假設(shè)，即電子只能在一系列分立的軌道上繞核運(yùn)動(dòng)，這些軌道對(duì)應(yīng)確定能量值的穩(wěn)定態(tài)，電子在這些狀態(tài)（軌道）上不輻射電磁波；（2）躍遷假設(shè)，即原子在不同定態(tài)之間躍遷，以電磁輻射形式吸收或發(fā)射能量；（3）角動(dòng)量量子化假設(shè)，即電子軌道角動(dòng)量是分立的，首尾位相相同的環(huán)波才能穩(wěn)定存在。波爾根據(jù)這三種假設(shè)成功推導(dǎo)出了氫原子的光譜公式，和實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全吻合。

接下來就輪到德布羅意登場(chǎng)。在波爾提出原子模型的10年之后，1923年德布羅意創(chuàng)新性地在他的博士論文里提出了波粒二象性的觀點(diǎn)。以前的量子論觀點(diǎn)都是圍繞光和能量，沒有觸及實(shí)際的物質(zhì)或粒子。而德布羅意破天荒地提出任何物體都具有波粒二象性，既包括光，也包括電子、原子甚至人體等所有宇宙中的物體。德布羅意當(dāng)時(shí)的博士生導(dǎo)師朗之萬(wàn)不認(rèn)可這個(gè)觀點(diǎn)，但是他比較有責(zé)任心，沒有直接否決掉德布羅意的博士論文，而是把論文寄給愛因斯坦定奪。而愛因斯坦對(duì)物理的理解十分透徹，他馬上承認(rèn)了德布羅意的博士論文的正確性，并且將論文送去柏林科學(xué)院，使此理論在物理學(xué)界廣為傳播。1924年，德布羅意又提出可以用晶體作光柵觀察電子束的衍射來驗(yàn)證他的波粒二象性理論，因?yàn)殡娮拥牟ㄩL(zhǎng)和晶格間距處于同一個(gè)數(shù)量級(jí)。很快就有人響應(yīng)了德布羅意的實(shí)驗(yàn)設(shè)想，1927年，克林頓?戴維森和雷斯特?革末用電子轟擊鎳晶體，果然發(fā)現(xiàn)電子的衍射圖譜，和布拉格定律預(yù)測(cè)的一模一樣，這證實(shí)了德布羅意的波粒二象性理論正確無誤。既然電子是一個(gè)波，那就應(yīng)該有個(gè)波動(dòng)方程。所以德布羅意的理論極大地啟發(fā)了海森堡和薛定諤，導(dǎo)致這兩位科學(xué)家同時(shí)在1925年分別發(fā)表了薛定諤方程和矩陣力學(xué)，兩者可以得到同樣的結(jié)果。薛定諤隨后證明，兩者在數(shù)學(xué)上是等效的。薛定諤方程使用微分方程的形式，比矩陣力學(xué)容易理解，所以近代物理的授課一般只講薛定諤方程。薛定諤提出了薛定諤方程之后，又有個(gè)新問題，就是此方程不符合相對(duì)論協(xié)變性原理，即物理規(guī)律的形式在任何的慣性參考系中應(yīng)該是相同的。所以需要有另外一個(gè)量子力學(xué)方程來滿足相對(duì)論。這個(gè)任務(wù)最終是3年之后（即1928年）由狄拉克來完成的。至此，在講述有趣的近代物理科學(xué)史的同時(shí)同學(xué)們也掌握了豐富的近代物理知識(shí)。

總而言之，在近代物理的教學(xué)過程中結(jié)合近代物理科學(xué)史進(jìn)行授課，提高了同學(xué)們對(duì)于近代物理知識(shí)的理解和興趣，避免了填鴨式的教育，讓同學(xué)們?cè)谡莆罩R(shí)的同時(shí)更了解了科學(xué)家們科學(xué)的研究方法，“授之以漁不如授之以魚”。該教改收到了十分良好的效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]格雷克.牛頓傳[M].北京：高等教育出版社，2004.

[2]艾薩克森.愛因斯坦傳[M].長(zhǎng)沙：湖南科技出版社，2012.

第2篇：量子力學(xué)和相對(duì)論的關(guān)系范文

在建立科學(xué)理論體系的過程中，往往需要以一系列巨量的、通常是至為復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)、歸納和演繹工作為基礎(chǔ)。而且人們一般相信科學(xué)知識(shí)就是在這個(gè)基礎(chǔ)上產(chǎn)生和累積起來的。但只要這種認(rèn)識(shí)活動(dòng)過程是為一個(gè)協(xié)調(diào)一致的目標(biāo)所固有，只要它真正屬于科學(xué)研究自我累進(jìn)的進(jìn)程，則不論其如何復(fù)雜，仍只是過程性的，而不從根本上規(guī)定科學(xué)的性質(zhì)、程序，乃至結(jié)論。這就使我們?cè)诳疾鞆?fù)雜的科學(xué)認(rèn)識(shí)活動(dòng)時(shí)，可以抽取出高于具體手段的，基本上只屬于人類心智與外在世界相聯(lián)絡(luò)的東西，即科學(xué)語(yǔ)言，來作為認(rèn)識(shí)的中介物。

要說明科學(xué)語(yǔ)言何以能成為這樣的中介，需要先對(duì)科學(xué)的認(rèn)識(shí)結(jié)構(gòu)加以分析。

作為一種形式化理論的近現(xiàn)代科學(xué)，其目的是力圖摹寫客觀實(shí)在。這種摹寫的認(rèn)識(shí)論前提是一個(gè)外在的、自為的客體和作為其思維對(duì)立面的內(nèi)在的主體間的雙重存在。這一認(rèn)識(shí)論前提在科學(xué)認(rèn)識(shí)方面衍生出一個(gè)更實(shí)用的前提，就是把客體看作是一種自在的“像”或者“結(jié)構(gòu)”（包括動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)，比如動(dòng)力學(xué)所概括的各種關(guān)系和過程）。

這一自在的實(shí)在具有由它的“自明性”所保證的嚴(yán)格規(guī)范性。這種自明性只在涉及存在與意識(shí)的根本關(guān)系時(shí)才可能引起懷疑。而科學(xué)是以承認(rèn)這種自明性為前提的。因此科學(xué)實(shí)際就是關(guān)于具有自明性的實(shí)在的思維重構(gòu)。它必須限于處理自在的實(shí)在，因?yàn)榭茖W(xué)的嚴(yán)格規(guī)范性（主要表現(xiàn)為邏輯性）是由實(shí)在的自明性所保證的，任何超越實(shí)在的描述都會(huì)破壞這種描述的前提。這一點(diǎn)對(duì)稍后關(guān)于量子力學(xué)的討論非常重要。

上述分析表明，科學(xué)的嚴(yán)格規(guī)范性并非如有唯理論傾向的觀點(diǎn)所認(rèn)為的那樣，是來自思維，也并非如經(jīng)驗(yàn)論觀點(diǎn)所認(rèn)為的來自具體手段對(duì)經(jīng)驗(yàn)表象的操作，也并不象當(dāng)代某些科學(xué)哲學(xué)家所認(rèn)為的純粹出于主體間的共同約定。科學(xué)的最高規(guī)范是存在在客觀實(shí)在中的，是來自客體的自明性。一切具體手段只是以這種規(guī)范為目標(biāo)而去企及它。

在科學(xué)認(rèn)識(shí)活動(dòng)中，不論是一個(gè)思維過程還是一個(gè)實(shí)驗(yàn)過程，如果其中缺失了語(yǔ)言過程，那就什么意義都不會(huì)有?？茖W(xué)語(yǔ)言與人類思維形態(tài)固然有很大的關(guān)系，但是它們可能在一個(gè)很高的層次上有著共同的根源。就認(rèn)識(shí)的高度而言，思維形態(tài)作為人類的一種意識(shí)現(xiàn)象，對(duì)它進(jìn)行本質(zhì)的追究，至少目前還不能完全放在客觀實(shí)在的背景上。因此，在科學(xué)認(rèn)識(shí)的層次上，思維形態(tài)完全可以被視為相對(duì)獨(dú)立的東西。而科學(xué)語(yǔ)言則是明確地被置于實(shí)在自身這一背景之中的。這就使我們實(shí)際上可以把科學(xué)語(yǔ)言看作一種知識(shí)，它與系統(tǒng)的科學(xué)知識(shí)具有完全相同的確切性，即它首先是與實(shí)在自身相諧合，然后才以這種特殊性成為思維與對(duì)象之間的中介。這才能保證，既使科學(xué)語(yǔ)言所述說的科學(xué)是關(guān)于實(shí)在的確切圖景，又使思維活動(dòng)具備與實(shí)在相聯(lián)絡(luò)的手段。

科學(xué)語(yǔ)言作為一種知識(shí)所具備的上述特殊性，使它成為客觀實(shí)在圖景構(gòu)成的基本要素，或科學(xué)知識(shí)的“基元”。思維形態(tài)不能獨(dú)立地形成知識(shí)，但思維形態(tài)卻提供某種方式，使科學(xué)語(yǔ)言所包含的知識(shí)基元獲得某種特定的加成和組合，從而構(gòu)成一種系統(tǒng)化的理論。這就是語(yǔ)言在認(rèn)識(shí)中的中介作用。由于任何事物都必須“觀念地”存乎人的意識(shí)中，才能為人的心智所把握，所以，在這個(gè)意義上，一個(gè)認(rèn)識(shí)過程就是一個(gè)運(yùn)用語(yǔ)言的過程。

二、數(shù)學(xué)語(yǔ)言

數(shù)學(xué)語(yǔ)言常常幾乎就是科學(xué)語(yǔ)言的同義詞。但實(shí)際上，科學(xué)語(yǔ)言所指的范圍遠(yuǎn)比數(shù)學(xué)語(yǔ)言的范圍大，否則就不會(huì)出現(xiàn)量子力學(xué)公式的解釋問題。在自然科學(xué)發(fā)生以前，數(shù)學(xué)所起的作用也還不是后世的那種對(duì)科學(xué)的敘錄。只是由于精密推理的要求所導(dǎo)致的語(yǔ)言理想化，才推進(jìn)了數(shù)學(xué)的應(yīng)用。但歸根究底，數(shù)學(xué)與前面說的那種合乎客觀實(shí)在的知識(shí)基元是不同的。將數(shù)學(xué)用作科學(xué)的語(yǔ)言，必須滿足一個(gè)條件，即數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)與實(shí)在的結(jié)構(gòu)相關(guān)，但這一點(diǎn)并不是顯然成立的。

愛因斯坦曾分析過數(shù)學(xué)的公理學(xué)本質(zhì)。他說，對(duì)一條幾何學(xué)公理而言，古老的解釋是，它是自明的，是某一先驗(yàn)知識(shí)的表述，而近代的解釋是，公理是思想的自由創(chuàng)造，它無須與經(jīng)驗(yàn)知識(shí)或直覺有關(guān)，而只對(duì)邏輯上的公理有效性負(fù)責(zé)。愛因斯坦因此指出，現(xiàn)代公理學(xué)意義上的數(shù)學(xué)，不能對(duì)實(shí)在客體作出任何斷言。如果把歐幾里德幾何作現(xiàn)代公理學(xué)意義上的理解，那么，要使幾何學(xué)對(duì)客體的行為作出斷言，就必須加上這樣一個(gè)命題：固體之間的可能的排列關(guān)系，就象三維歐幾里德幾何里的形體的關(guān)系一樣。〔1〕只有這樣， 歐幾里德幾何學(xué)才成為對(duì)剛體行為的一種描述。

愛因斯坦的這種看法與上文對(duì)科學(xué)語(yǔ)言的分析是基本上相通的。它可以說明，數(shù)學(xué)為什么會(huì)一貫作為科學(xué)的抽象和敘錄工具，或者它為什么看上去似乎具有作為科學(xué)語(yǔ)言的“先天”合理性。

首先，作為科學(xué)的推理和記載工具的數(shù)學(xué)，實(shí)際上是從思維對(duì)實(shí)在的一些很基本的把握之上增長(zhǎng)起來的。歐幾里得幾何學(xué)中的“點(diǎn)”、“直線”這樣一些概念本身就是我們以某種方式看世界的知識(shí)。之所以能用這些概念和它們之間的關(guān)系去描繪實(shí)在，是因?yàn)檫@些“基元”已經(jīng)包含了關(guān)于實(shí)在的信息（如剛體的實(shí)際行為）。

其次，數(shù)學(xué)體系的那種嚴(yán)密性其實(shí)主要是與人類思維的屬性有關(guān)，盡管思維的嚴(yán)密性并不是一開始就注入了數(shù)學(xué)之中。如前所述，思維的嚴(yán)密性是由實(shí)在的自明性來決定的，是習(xí)得的。這就是說，數(shù)學(xué)之所以與實(shí)在的結(jié)構(gòu)相關(guān)，只是因?yàn)閿?shù)學(xué)的基礎(chǔ)確切地說來自這種結(jié)構(gòu)；而數(shù)學(xué)體系的自洽性是思維的翻版，因而是與實(shí)在的自明性同源的。

由此可見，數(shù)學(xué)與自然科學(xué)的不同僅表現(xiàn)在對(duì)于它們的結(jié)果的可靠性（或真實(shí)性）的驗(yàn)證上。也就是說，科學(xué)和數(shù)學(xué)同樣作為思維與實(shí)在相互介定的產(chǎn)物，都有可能成為對(duì)實(shí)在結(jié)構(gòu)的某種描述或“偽述”，并且都具有由實(shí)在的自明性所規(guī)定的嚴(yán)密性。但數(shù)學(xué)基本上只為邏輯自治負(fù)責(zé)，而科學(xué)卻僅僅為描述的真實(shí)性負(fù)責(zé)。

事實(shí)正是如此。數(shù)學(xué)自身并不代表真實(shí)的世界。它要成為物理學(xué)的敘錄，就必須為物理學(xué)關(guān)于實(shí)在結(jié)構(gòu)的真實(shí)信息所重組。而用于重組實(shí)在圖景的每一個(gè)單元，實(shí)際上是與物理學(xué)的基本知識(shí)相一致的。如果在幾何光學(xué)中，歐幾里德幾何學(xué)不被“光線”及其傳播行為有關(guān)的概念重組，它就只是一個(gè)純粹的形式體系，而對(duì)光線的行為“不能作出斷言”。非歐幾何在現(xiàn)代物理學(xué)中的應(yīng)用也同樣說明了這一點(diǎn)。

三、物理學(xué)語(yǔ)言

雖然物理學(xué)是嚴(yán)格數(shù)學(xué)化的典范，但物理學(xué)語(yǔ)言的歷史卻比數(shù)學(xué)應(yīng)用于物理學(xué)的歷史要久遠(yuǎn)得多。

在認(rèn)識(shí)的邏輯起點(diǎn)上，僅當(dāng)認(rèn)識(shí)論關(guān)系上一個(gè)外在的、恒常的（相對(duì)于主體的運(yùn)動(dòng)變化而言）對(duì)象被提煉和廓清時(shí)，才能保證一種僅僅與對(duì)象自身的內(nèi)在規(guī)定性有關(guān)的語(yǔ)言描述系統(tǒng)成為可能。對(duì)此，人類憑著最初的直覺而有了“外部世界”、“空間”、“時(shí)間”、“質(zhì)料”、“運(yùn)動(dòng)”等觀念。顯然，這些觀念并非來自邏輯的推導(dǎo)或數(shù)學(xué)計(jì)算，它是人類世代傳承的關(guān)于世界的知識(shí)的基元。

然后，需要對(duì)客觀實(shí)在進(jìn)行某種方式的剝離，才能使之通過語(yǔ)言進(jìn)入我們的觀念。一個(gè)客觀實(shí)在，比如說，一個(gè)電子，當(dāng)我們說“它”的時(shí)候，既指出了它作為離散的一個(gè)點(diǎn)（即它本身），又指出了它身處時(shí)空中的那個(gè)屬性。而后一點(diǎn)很重要，因?yàn)槲覀冋窃趶V延中才把握了它的存在，即從“它”與“其它”的關(guān)系中“找”出它來。

當(dāng)我們按照古希臘人（比如亞里士多德）的方式問“它為什么是它”時(shí)，我們正在試圖剝離“它”之所以為“它”的屬性。但這個(gè)屬性因其離散的本質(zhì)，在時(shí)空中必為一個(gè)“奇點(diǎn)”，因而不能得到更多的東西。這說明，我們的語(yǔ)言與時(shí)空的廣延性合若符節(jié)，而對(duì)離散性，即時(shí)空中的奇點(diǎn)，則無法說什么。如果我們按照伽利略的方式問“它是怎樣的”時(shí)，我們正是在描繪它與廣延有關(guān)的性質(zhì)，即它與其它的關(guān)系。這在時(shí)空中呈現(xiàn)為一種結(jié)構(gòu)和過程。對(duì)此我們有足夠的手段（和語(yǔ)言）進(jìn)行摹寫。因?yàn)槲覀兊恼Z(yǔ)言，大多來自對(duì)時(shí)空中事物的經(jīng)驗(yàn)。我們運(yùn)用語(yǔ)言的主要方式，即邏輯思維，也就是時(shí)空經(jīng)驗(yàn)的抽象和提升。

可見，近現(xiàn)代物理學(xué)語(yǔ)言是一種關(guān)于客觀實(shí)在的時(shí)空形式及過程的語(yǔ)言，是一種廣延性語(yǔ)言。幾何學(xué)之所以在科學(xué)史上扮演著至為重要的角色，首先不在于它的嚴(yán)格的形式化，而在于它是關(guān)于實(shí)在的時(shí)空形式及過程的一個(gè)有效而簡(jiǎn)潔的概括，在于與物理學(xué)在面對(duì)實(shí)在時(shí)有著共同的切入點(diǎn)。

上述討論表明了近現(xiàn)代物理學(xué)語(yǔ)言格式包含著它的基本用法和一個(gè)根深蒂固的傳統(tǒng)，這是由客觀實(shí)在和復(fù)雜的歷史因素所規(guī)定的。至為關(guān)鍵的是，它必須而且只是關(guān)于實(shí)在的時(shí)空形式及過程的描述?？梢韵胂?，離開了這種用法和傳統(tǒng)，“另外的描述”是不可能在這種語(yǔ)言中獲得意義的。而這正是量子力學(xué)碰到的問題。

四、量子力學(xué)的語(yǔ)言問題

上文說明，在描摹實(shí)在時(shí)，人類本是缺乏固有的豐富語(yǔ)言的。西方自古希臘以來，由于主、客體間的某種相互介定而實(shí)現(xiàn)了有關(guān)實(shí)在的時(shí)空形式和過程的觀念及相應(yīng)的邏輯思維方式。任何一種特定的語(yǔ)言，隨著時(shí)代的變遷和認(rèn)識(shí)的深入，某些概念的含義會(huì)發(fā)生變化，并且還會(huì)產(chǎn)生新的語(yǔ)言基元。有時(shí)，這樣的變化和增長(zhǎng)是革命性的。但不可忽視的是，任何有革命性的新觀念首先必須在與傳統(tǒng)語(yǔ)言的關(guān)系中獲得意義，才能成為“革命性的”。在自然科學(xué)中，一種新理論不論提出多么“新”的描述，它都必須仍然是關(guān)于時(shí)空形式及過程的，才能在整體的科學(xué)語(yǔ)言中獲得意義。例如，相對(duì)論放棄了絕對(duì)時(shí)空、進(jìn)而放棄了粒子的觀念，但代之而起的那種連續(xù)區(qū)概念仍然是時(shí)空實(shí)在性的描述并與三維空間中的經(jīng)驗(yàn)有著直接聯(lián)系。

量子力學(xué)的情況則不同。微觀粒子從一個(gè)態(tài)躍遷到另一個(gè)態(tài)的中間過程沒有時(shí)空形式；客體的時(shí)空形式（波或粒子）取決于實(shí)驗(yàn)安排；在不觀測(cè)的情況下，其時(shí)空形式是空缺的；并且，觀測(cè)所得的客體的時(shí)空形式并不表示客體在觀測(cè)之前的狀態(tài)。這意味著，要么微觀實(shí)在并不總是具有獨(dú)立存在的時(shí)空形式，要么是人類無法從認(rèn)識(shí)的角度構(gòu)成關(guān)于實(shí)在的時(shí)空形式的描述。這兩種選擇都將超出現(xiàn)有的物理學(xué)語(yǔ)言本身，而使經(jīng)典物理學(xué)語(yǔ)言在用于解釋公式和實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)受到限制。

量子力學(xué)的這個(gè)語(yǔ)言問題是眾所周知的。波爾試圖通過互補(bǔ)原理和并協(xié)原理把這種限制本身上升為新觀念的基礎(chǔ)。他多次強(qiáng)調(diào)，即使古典物理學(xué)的語(yǔ)言是不精確的、有局限性的，我們?nèi)匀徊坏貌皇褂眠@種語(yǔ)言，因?yàn)槲覀儧]有別的語(yǔ)言。對(duì)科學(xué)理論的理解，意味著在客觀地有規(guī)律地發(fā)生的事情上，取得一致看法。而觀測(cè)和交流的全過程，是要用古典物理學(xué)來表達(dá)的?！?〕

量子力學(xué)的反對(duì)者愛因斯坦同樣清楚這里的語(yǔ)言問題。他把玻爾等人盡力把量子力學(xué)與實(shí)驗(yàn)語(yǔ)言溝通起來所作的種種附加解釋稱之為“綏靖哲學(xué)”（Beruhigunsphilosophie）〔3〕或“文學(xué)”〔4〕， 這實(shí)際上指明了互補(bǔ)原理等觀念是在與時(shí)空經(jīng)驗(yàn)相關(guān)的科學(xué)語(yǔ)言之外的。愛因斯坦拒絕承認(rèn)量子力學(xué)是關(guān)于實(shí)在的完備描述，所以并不以為這些附加解釋會(huì)在將來成為科學(xué)語(yǔ)言的新的有機(jī)內(nèi)容。

薛定諤和玻姆等人從另一個(gè)角度作出的考慮，反映了他們以為玻爾、海森堡、泡利和玻恩等人的觀點(diǎn)回避了經(jīng)典語(yǔ)言與實(shí)在之間的深刻矛盾，而囿于語(yǔ)言限制并為之作種種辯解。薛定諤說：“我只希望了解在原子內(nèi)部發(fā)生了什么事情。我確實(shí)不介意您（指玻爾）選用什么語(yǔ)言去描述它。”〔5〕薛定諤認(rèn)為，為了賦予波函數(shù)一種實(shí)在的解釋， 一種全新的語(yǔ)言是可以考慮的。他建議將N 個(gè)粒子組成的體系的波函數(shù)解釋為3N維空間中的波群，而所謂“粒子”則是干涉波的共振現(xiàn)象，從而徹底拋棄“粒子”的概念，使量子力學(xué)方程描述的對(duì)象具有連續(xù)的、確定的時(shí)空狀態(tài)。

固然，幾率波的解釋使得理論的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)不能對(duì)應(yīng)于實(shí)在的時(shí)空結(jié)構(gòu)，如果讓幾率成為實(shí)驗(yàn)觀察中首要的東西，就會(huì)讓客觀實(shí)在在描述中成了一種“隱喻”。然而薛定諤的解釋由于與三維空間中的經(jīng)驗(yàn)沒有明顯的聯(lián)系，也成了另一種隱喻，仍然無法作為一種科學(xué)語(yǔ)言而獲得充分的意義。

玻姆的隱序觀念與薛定諤的解釋在語(yǔ)言問題上是相似的。他所說的“機(jī)械序”〔6 〕其實(shí)就是以笛卡爾坐標(biāo)為代表的關(guān)于廣延性空間的描述。這種描述由于經(jīng)典物理學(xué)的某些限定而表現(xiàn)出明顯的局限性。玻姆認(rèn)為量子力學(xué)并未對(duì)這種序作出真正的挑戰(zhàn)，在一定程度上指出了量子力學(xué)的保守性。他企圖建立一種“隱序物理學(xué)”，將量子解釋為多維實(shí)在的投影。他以全息攝影和其它一些思想實(shí)驗(yàn)為比喻，試圖將客觀實(shí)在的物質(zhì)形態(tài)、時(shí)空屬性和運(yùn)動(dòng)形式作全新的構(gòu)造。但由于其基礎(chǔ)的薄弱，仍然只是導(dǎo)致了另一種脫離經(jīng)驗(yàn)的描述，也就是一種形而上學(xué)。

這里所說的“基礎(chǔ)”指的是，一種全新的語(yǔ)言涉及主客體間完全不同的相互介定。它涉及對(duì)客體的完全不同的剝離方式，也就是說，現(xiàn)行科學(xué)語(yǔ)言及其相關(guān)思維方式的整個(gè)基礎(chǔ)都將改變。然而，現(xiàn)實(shí)地說，這不是某一具有特定對(duì)象和方法的學(xué)科所能為的。

可見，試圖通過一種全新的語(yǔ)言來解決量子力學(xué)的語(yǔ)言問題是行不通的。這個(gè)問題比通常所能想象的要無可奈何得多。

五、量子力學(xué)何種程度上是“革命性”的

量子力學(xué)固然在解決微觀客體的問題方面，是迄今最成功的理論，然而這種應(yīng)用上的重要性使人們有時(shí)相信，它在觀念上的革命也是成功的。其實(shí)，上述語(yǔ)言與實(shí)在圖景的沖突并未解決。量子力學(xué)的種種解釋無法在科學(xué)語(yǔ)言的基礎(chǔ)上必然過渡到那種非因果、非決定論觀念所暗示的宇宙圖景。這就使我們有必要對(duì)量子力學(xué)“革命性”的程度作審慎的認(rèn)識(shí)。

正統(tǒng)的量子力學(xué)學(xué)者們都意識(shí)到應(yīng)該通過發(fā)展思維的豐富性來解決面臨的困難。他們作出的重要努力的一個(gè)方面是提出了很多與經(jīng)典物理學(xué)不同的新觀念，并希望這些新觀念能逐漸溶入人類的思想和語(yǔ)言。其中玻恩用大量的論述建議幾率的觀念應(yīng)該取代嚴(yán)格因果律的概念?！?〕測(cè)不準(zhǔn)原理以及其中的廣義坐標(biāo)、廣義動(dòng)量都是為粒子而設(shè)想的，卻又不能描述粒子在時(shí)空中的行為，薛定諤認(rèn)為應(yīng)該放棄受限制的舊概念，而玻爾卻認(rèn)為不能放棄，可以用互補(bǔ)原理來解決。玻爾還希望，波函數(shù)這樣的“新的不變量”將逐漸被人的直覺所把握，從而進(jìn)入一般知識(shí)的范圍。〔8〕這相當(dāng)于說，希望產(chǎn)生新的語(yǔ)言基元。

另一方面，海森堡等人提出，問題應(yīng)該通過放棄“時(shí)空的客觀過程”這種思想來解決?！?〕這又引起了量子力學(xué)的客觀性問題。

這些努力在很大程度上是具有保守性的。

我們?cè)嚢蚜孔恿W(xué)與相對(duì)論作比較。相對(duì)論的革命性主要表現(xiàn)在，通過對(duì)時(shí)間和空間的相對(duì)性的分析，建立起時(shí)間、空間和運(yùn)動(dòng)的協(xié)變關(guān)系，從而推翻了絕對(duì)時(shí)空、絕對(duì)同時(shí)性等舊觀念，并代之以新的時(shí)空觀。重要的是，在這里，絕對(duì)時(shí)空和絕對(duì)同時(shí)性是從理論上作為邏輯必然而排除掉的。四維時(shí)空不變量對(duì)三維空間和一維時(shí)間的性質(zhì)依賴于觀察者的情形作了簡(jiǎn)潔的概括，既不引起客觀性危機(jī)，又與人類的時(shí)空經(jīng)驗(yàn)有著直接關(guān)聯(lián)。相對(duì)論排除了物理學(xué)內(nèi)部由于歷史和偶然因素形成的一些含混概念，并給出了更加準(zhǔn)確明晰的時(shí)空?qǐng)D景。它因此而在科學(xué)語(yǔ)言的范圍內(nèi)進(jìn)入了一般知識(shí)。

量子力學(xué)的情況則不同。它的保守性主要表現(xiàn)在：

第一，嚴(yán)格因果律并不是從理論的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中邏輯地排除的。只是為了保護(hù)幾率波解釋，才不得不放棄嚴(yán)格因果律，這只是一種人為地避免邏輯矛盾的處理。

第二，不完全連續(xù)性、非完全決定論等觀念并沒有構(gòu)成與人類的時(shí)空經(jīng)驗(yàn)相關(guān)聯(lián)的自洽的實(shí)在圖景?；パa(bǔ)原理和并協(xié)原理并沒有從理論內(nèi)部挽救出獨(dú)立存在于時(shí)空的客體的概念，又沒有證明這種概念是不必要的（如相對(duì)論之于“以太”那樣）。因此，量子力學(xué)的有關(guān)哲學(xué)解釋看似拋棄舊觀念，建立新觀念，實(shí)際上，卻由于這些從理論結(jié)構(gòu)上說是附加的解釋超出了關(guān)于實(shí)在的描述，因而破壞了以實(shí)在的自明性為保證的描述的前提。所以它實(shí)際上對(duì)觀念的豐富和發(fā)展所作的貢獻(xiàn)是有限的。

第三，量子力學(xué)內(nèi)在地不能過渡到關(guān)于個(gè)別客體的時(shí)空形式及過程的模型，使得它的反對(duì)者指責(zé)說這意味著位置和動(dòng)量這樣的兩個(gè)性質(zhì)不能同時(shí)是實(shí)在的。而為了保護(hù)客觀性，它的支持者說，粒子圖像和波動(dòng)圖象并不表示客體的變化，而是表示關(guān)于對(duì)象的統(tǒng)計(jì)知識(shí)的變化。〔10〕這在關(guān)于實(shí)在的時(shí)空形式及過程的科學(xué)語(yǔ)言中，多少有不可知論的味道。

第四，人們必須習(xí)慣地設(shè)想一種新的“實(shí)在”觀念以便把充滿矛盾的經(jīng)驗(yàn)現(xiàn)象統(tǒng)一起來。在對(duì)客體的時(shí)空形式作抽象時(shí)，這種方法是有效的。而由于波函數(shù)對(duì)應(yīng)的不是個(gè)別客體的行為，所以大多新的“實(shí)在”幾乎都是形而上學(xué)的構(gòu)想。薛定諤和玻姆的多維實(shí)在、玻姆在闡釋哥本哈根學(xué)派觀點(diǎn)時(shí)提出的那種包含了無限潛在可能性的“第三客體”〔11〕，都屬于這種構(gòu)想。玻恩也曾表示，量子力學(xué)描述的是同一實(shí)在的排斥而又互補(bǔ)的多個(gè)影像?！?2〕這有點(diǎn)象是在物理學(xué)語(yǔ)言中談?wù)摗盎煸被颉疤珮O”一樣，很難說對(duì)觀念有積極的建設(shè)。

本文從科學(xué)語(yǔ)言的角度，對(duì)量子力學(xué)尤其是它的哲學(xué)基礎(chǔ)的保守性作出一些分析，這并不是在相對(duì)論和量子力學(xué)之間作價(jià)值上的優(yōu)劣判斷。也許量子力學(xué)的真正價(jià)值恰恰在于它所碰到的困難是根本性的。

海森堡等人與新康德主義哲學(xué)家G·赫爾曼進(jìn)行討論時(shí)， 赫爾曼提出，在科學(xué)賴以發(fā)生的文化中，“客體”一詞之所以有意義，正在于它被實(shí)質(zhì)、因果律等范疇所規(guī)定，放棄這些范疇和它們的決定作用，就是在總體上不承認(rèn)經(jīng)驗(yàn)的可能性?！?3〕我們應(yīng)該注意到，赫爾曼所使用的“經(jīng)驗(yàn)”一詞，實(shí)際上是人類對(duì)客觀事物的廣延性和分立性的經(jīng)驗(yàn)。這種經(jīng)驗(yàn)是科學(xué)的實(shí)在圖景成立的基礎(chǔ)或真實(shí)性的保證，邏輯是它的抽象和提升。

在本文的前三節(jié)已經(jīng)談到，自從古希臘人力圖把日常語(yǔ)言理想化而創(chuàng)立了邏輯語(yǔ)言以來，西方的科學(xué)語(yǔ)言就一直是在實(shí)在的廣延性和分立性的介定下發(fā)展起來的。我們也許可以就此推測(cè)，對(duì)于人的認(rèn)識(shí)而言，世界是廣延優(yōu)勢(shì)的，但如果因此認(rèn)為實(shí)在僅限于廣延性方面，卻是缺乏理由的。廣延性優(yōu)勢(shì)在語(yǔ)言上的表現(xiàn)之一是幾何優(yōu)勢(shì)。西方傳統(tǒng)中的代數(shù)學(xué)思想是代數(shù)幾何化，即借助空間想象來理解數(shù)的。不論畢達(dá)哥拉斯定理還是笛卡爾坐標(biāo)都一樣。直角三角形的斜邊是直觀的，而根號(hào)2不是。我們可以用前者表明后者，而不能反過來?？墒且粋€(gè)離散的數(shù)量本身究竟是什么呢？它是否與實(shí)在的另一方面或另一部分（非廣延的）相應(yīng)？也許在微觀領(lǐng)域里不再是廣延優(yōu)勢(shì)而量子力學(xué)的困難與此有關(guān)？

如果量子力學(xué)面臨的是實(shí)在的無限可能性向語(yǔ)言的有限性的挑戰(zhàn)，那么問題的解決就不單單是語(yǔ)言問題，甚至不單單是目前形態(tài)的物理學(xué)的問題。它將涉及整個(gè)認(rèn)識(shí)活動(dòng)的基礎(chǔ)。玻爾似乎是深刻地意識(shí)到這一點(diǎn)的。他說“要做比這些更多的事情完全是在我們目前的手段之外?！薄?4〕他還有一句格言；“同一個(gè)正確的陳述相對(duì)立的必是一個(gè)錯(cuò)誤的陳述；但是同一個(gè)深?yuàn)W的真理相對(duì)立的則可能是另一個(gè)深?yuàn)W的真理?！薄?5〕

參考文獻(xiàn)和注釋

〔1〕〔3〕〔4〕《愛因斯坦文集》第一卷，商務(wù)印書館，1994，第137、241、304頁(yè)。

〔2〕〔5〕〔9〕〔13〕〔14〕〔15 〕海森堡：《原子物理學(xué)的發(fā)展和社會(huì)》，中國(guó)社會(huì)科學(xué)出版社，1985，第141、84、82、131、47、112頁(yè)。

〔6〕玻姆：《卷入——展出的宇宙和意識(shí)》，載于羅嘉昌、 鄭家棟主編：《場(chǎng)與有——中外哲學(xué)的比較與融通（一）》，東方出版社，1994年。

〔7〕玻恩：《關(guān)于因果和機(jī)遇的自然哲學(xué)》，商務(wù)印書館， 1964年。

第3篇：量子力學(xué)和相對(duì)論的關(guān)系范文

1、相對(duì)論是20世紀(jì)杰出的物理學(xué)家阿爾伯特·愛因斯坦提出的。相對(duì)論是關(guān)于時(shí)空和引力的理論，依其研究對(duì)象的不同可分為狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論。

2、相對(duì)論和量子力學(xué)的提出給物理學(xué)帶來了革命性的變化，它們共同奠定了現(xiàn)代物理學(xué)的基礎(chǔ)。相對(duì)論極大地改變了人類對(duì)宇宙和自然的“常識(shí)性”觀念，提出了“同時(shí)的相對(duì)性”、“四維時(shí)空”、“彎曲時(shí)空”等全新的概念。不過近年來，人們對(duì)于物理理論的分類有了一種新的認(rèn)識(shí)——以其理論是否是決定論的來劃分經(jīng)典與非經(jīng)典的物理學(xué)，即“非經(jīng)典的=量子的”。在這個(gè)意義下，相對(duì)論仍然是一種經(jīng)典的理論。

3、狹義相對(duì)論在狹義相對(duì)性原理的基礎(chǔ)上統(tǒng)一了牛頓力學(xué)和麥克斯韋電動(dòng)力學(xué)兩個(gè)體系，指出它們都服從狹義相對(duì)性原理，都是對(duì)洛倫茲變換協(xié)變的，牛頓力學(xué)只不過是物體在低速運(yùn)動(dòng)下很好的近似規(guī)律。廣義相對(duì)論又在廣義協(xié)變的基礎(chǔ)上，通過等效原理，建立了局域慣性長(zhǎng)與普遍參照系數(shù)之間的關(guān)系，得到了所有物理規(guī)律的廣義協(xié)變形式，并建立了廣義協(xié)變的引力理論，而牛頓引力理論只是它的一級(jí)近似。

4、這就從根本上解決了以前物理學(xué)只限于慣性系的問題，從邏輯上得到了合理的安排。相對(duì)論嚴(yán)格地考察了時(shí)間、空間、物質(zhì)和運(yùn)動(dòng)這些物理學(xué)的基本概念，給出了科學(xué)而系統(tǒng)的時(shí)空觀和物質(zhì)觀，從而使物理學(xué)在邏輯上成為完美的科學(xué)體系。

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第4篇：量子力學(xué)和相對(duì)論的關(guān)系范文

關(guān)鍵詞:經(jīng)典相對(duì)論;宇宙學(xué);量子引力;概念解釋;形而上學(xué)

正如巴特菲爾德和厄爾曼編撰的《物理學(xué)哲學(xué)》一書所言，近半個(gè)世紀(jì)以來，物理學(xué)哲學(xué)充滿活力有兩個(gè)重要的原因，第一是與所分析的科學(xué)哲學(xué)的形成期相關(guān)，第二則是近半個(gè)世紀(jì)以來物理學(xué)自身的研究有關(guān)。也正因此，在物理學(xué)哲學(xué)發(fā)展的進(jìn)程中，其研究的論題和研究方法也隨著科學(xué)哲學(xué)和物理學(xué)自身的論題和方法進(jìn)行著改變。在很長(zhǎng)一個(gè)歷史時(shí)期內(nèi)，物理學(xué)哲學(xué)曾經(jīng)關(guān)注經(jīng)驗(yàn)物理學(xué)領(lǐng)域，物理學(xué)哲學(xué)的探討與對(duì)客觀性、真理性以及科學(xué)合理性的辯護(hù)分不開。而在當(dāng)前宇宙學(xué)、量子引力發(fā)展的前沿時(shí)刻，《物理學(xué)哲學(xué)》一書體現(xiàn)了當(dāng)代物理學(xué)哲學(xué)研究的新特點(diǎn)。本書與以往物理學(xué)哲學(xué)書籍最大的不同之處就在于，在以往物理學(xué)哲學(xué)著作往往重點(diǎn)討論統(tǒng)計(jì)物理學(xué)、相對(duì)論和量子力學(xué)的哲學(xué)問題的基礎(chǔ)上，增加了新的領(lǐng)域:“這些支柱的結(jié)合”———量子引力，并運(yùn)用決定論和對(duì)稱性這兩個(gè)“能架起聯(lián)結(jié)物理學(xué)理論間(甚至三大支柱間)鴻溝的橋梁”的主題，把最終的討論由具體引向一般，從而讓我們看到兩個(gè)結(jié)論:第一，物理學(xué)哲學(xué)和物理學(xué)之間并不存在清晰的界限。第二，物理學(xué)概念的復(fù)雜化，想要借由物理學(xué)去豐富哲學(xué)，并非容易。本文主要就書中的“經(jīng)典相對(duì)論”、“宇宙學(xué)中的哲學(xué)問題”和“量子引力”等內(nèi)容進(jìn)行分析，指出它們所揭示的物理學(xué)概念解釋的新特征以及物理學(xué)理論理解的新特征。

一相對(duì)論、宇宙學(xué)和量子引力哲學(xué)概要

巴特菲爾德在引言中指出，數(shù)學(xué)的相對(duì)論者在不斷深化我們對(duì)廣義相對(duì)論基礎(chǔ)的理解。大衛(wèi)•馬拉蒙特的“經(jīng)典相對(duì)論”［1］一文就明顯具有這樣的特點(diǎn)，并不討論經(jīng)典相對(duì)論的歷史發(fā)展及其實(shí)驗(yàn)依據(jù)，而是以微分幾何的語(yǔ)言，從概念和形式化的角度對(duì)相對(duì)論的結(jié)構(gòu)以及相對(duì)論引發(fā)的一些基礎(chǔ)問題進(jìn)行了分析和討論。首先從描述相對(duì)時(shí)空的結(jié)構(gòu)開始，相對(duì)論的彎曲時(shí)空是一類幾何模型(M，gab)表示的相對(duì)時(shí)空，其中M為一個(gè)平滑的連續(xù)的四維流形，gab是M中的一個(gè)平滑的半黎曼度規(guī)。其中每個(gè)模型都代表一個(gè)與理論的約束條件相容的可能世界。M可以解釋為世界中點(diǎn)事件的流形，而gab的解釋則關(guān)乎四個(gè)物理學(xué)解釋性原理，由點(diǎn)粒子和光線的行為決定，由此把引力和時(shí)空幾何效應(yīng)等同起來。當(dāng)粒子只受到引力作用時(shí)，它的軌跡為彎曲時(shí)空的測(cè)地線。而任何質(zhì)量粒子的加速度即偏離測(cè)地線的軌跡，由引力以外的力決定。馬拉蒙特詳細(xì)地描述了gab的解釋性原理和限定條件。在此基礎(chǔ)上分析了本征時(shí)間、某一點(diǎn)的空間時(shí)間分解及粒子動(dòng)力學(xué)、物質(zhì)場(chǎng)、愛因斯坦方程、類時(shí)曲線的匯與“公共空間”、基靈場(chǎng)與守恒量等內(nèi)容。經(jīng)典相對(duì)論中所有發(fā)生的事件都可以用物質(zhì)場(chǎng)F表示，為時(shí)空流形M中的一個(gè)或者多個(gè)平滑張量或旋量，滿足包含gab的場(chǎng)方程。Tab為與F相關(guān)的能量－動(dòng)量場(chǎng)，時(shí)空的彎曲受物質(zhì)分布的影響，任意區(qū)域的時(shí)空度規(guī)和物質(zhì)場(chǎng)會(huì)發(fā)生動(dòng)力學(xué)相互作用，遵循愛因斯坦方程。在專題討論部分，關(guān)于閔可夫斯基時(shí)空中的相對(duì)同時(shí)性的地位，試圖還原愛因斯坦定義同時(shí)性對(duì)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系選擇的特定背景;關(guān)于牛頓引力理論的幾何化，將引力化的牛頓理論與愛因斯坦相對(duì)論進(jìn)行了結(jié)構(gòu)上的對(duì)比;關(guān)于時(shí)空的整體“因果結(jié)構(gòu)”，關(guān)注了什么程度上時(shí)空的整體幾何結(jié)構(gòu)能夠從其“因果結(jié)構(gòu)”中得到?！坝钪嬲軐W(xué)中的問題”［2］的作者是喬治•F．R．埃利斯。宇宙學(xué)哲學(xué)的部分在書中起著承上啟下的作用，因?yàn)橐环矫?，宇宙學(xué)哲學(xué)的研究基于愛因斯坦廣義相對(duì)論引力理論時(shí)空曲率和宇宙的演化由物質(zhì)決定的思想，用廣義相對(duì)論描述宇宙遠(yuǎn)古時(shí)期之后的演化;另一方面，由于在黑洞以及宇宙大爆炸初期物質(zhì)高密度狀態(tài)下無法忽略引力問題，因而無法避免引力理論?？偟膩碚f，整篇文章把當(dāng)代宇宙學(xué)看作是觀測(cè)宇宙學(xué)、物理宇宙學(xué)、天文宇宙學(xué)與各種形式的量子宇宙學(xué)共生共長(zhǎng)、互惠互補(bǔ)的綜合理論系統(tǒng)，想要給出一個(gè)“描繪真實(shí)宇宙起源和演化的理論”。主要內(nèi)容分為兩大部分，第一部分為宇宙學(xué)概論，包括基本理論、熱大爆炸、宇宙觀測(cè)、因果和可視世界、理論的發(fā)展、暴脹、極早期宇宙、一致性模型等內(nèi)容，并澄清了關(guān)于宇宙暴脹和超光速等問題的一些誤解。在埃利斯看來，“宇宙學(xué)正在由一種猜測(cè)性的事業(yè)向真正的科學(xué)轉(zhuǎn)變，這不僅帶來了與科學(xué)革命相近的多種哲學(xué)問題，也使得其他哲學(xué)問題更加緊迫，例如關(guān)于宇宙學(xué)中的說明和方法等問題?！币虼宋恼碌诙糠诌M(jìn)行的問題討論圍繞這些說明和方法問題展開，討論了宇宙的唯一性、宇宙在空間和時(shí)間上的巨大尺度、早期宇宙中的無約束能量、宇宙起源的解釋問題、作為背景存在的宇宙、宇宙學(xué)明確的哲學(xué)基礎(chǔ)、有關(guān)人類的問題:生命的精細(xì)調(diào)節(jié)、多元宇宙存在的可能性和存在的本質(zhì)等九大問題。在此過程中，埃利斯提出了34個(gè)論點(diǎn)，關(guān)涉到這9個(gè)問題的方方面面，包括人擇原理和多重宇宙存在的可能性等。這些論述關(guān)乎幾何學(xué)、物理學(xué)和哲學(xué)，它們構(gòu)成了宇宙學(xué)面面臨的哲學(xué)問題的環(huán)境及其與局域物理學(xué)之間的關(guān)系。埃利斯期望通過這一系列討論改變?nèi)藗冋J(rèn)為宇宙學(xué)只不過是確定一些物理參數(shù)的簡(jiǎn)單看法。“量子引力”［3］一文的作者是卡羅爾•羅韋利，內(nèi)容大致可分為四個(gè)方面。第一，量子引力的研究方法，包括早期的歷史和方向、目前的主要嘗試性理論等。量子引力的早期思想可以概括為“用一個(gè)理論來描述引力的量子特性”。期間出現(xiàn)的第一種方法是羅森菲爾德等人的“協(xié)變化”方法，通過引入一個(gè)虛構(gòu)的“平坦空間”來考慮周圍度規(guī)的微小漲落，并且運(yùn)用電磁場(chǎng)中的方法來對(duì)這些波進(jìn)行量子化;第二種是伯格曼等人的“正則化”方法，研究和量子化整個(gè)廣義相對(duì)論的哈密頓函數(shù)，而不只是量子化其圍繞平坦空間的線性化函數(shù);第三種是米斯納等人的路徑積分方法。目前主要的嘗試性理論主要介紹了基于協(xié)變化方法發(fā)展起來的弦理論和基于正則化方法發(fā)展起來的圈量子引力理論以及它們之間的爭(zhēng)論。第二，關(guān)于量子引力研究方法論問題。指出量子引力研究的理由包括經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的缺乏和對(duì)引力是否應(yīng)當(dāng)量子化的思索。分析了當(dāng)前量子引力研究中的各種態(tài)度以及科學(xué)知識(shí)的累積性和科學(xué)哲學(xué)的影響。第三，空間和時(shí)間的本質(zhì)，包括廣義相對(duì)論的物理意義、背景無關(guān)性、時(shí)間的本質(zhì)等。第四，與其他未決問題之間的關(guān)系，包括統(tǒng)一、量子引力學(xué)的解釋宇宙學(xué)常數(shù)、量子宇宙學(xué)等等。這些章節(jié)的詳細(xì)內(nèi)容不是本文的重點(diǎn)，我們想要做的，是分析作者的研究方式所代表的當(dāng)代物理學(xué)哲學(xué)研究的視野和方法的轉(zhuǎn)變。本書的研究方式明顯地具有兩個(gè)特征:第一個(gè)特征關(guān)乎物理學(xué)概念的解釋:物理學(xué)的概念解釋脫離不開數(shù)學(xué)形式化下的整體系統(tǒng);第二個(gè)特征關(guān)乎新的物理學(xué)理論的理解:在理論的發(fā)展中處處顯示物理學(xué)和形而上學(xué)的交織統(tǒng)一。這兩個(gè)特征與這些物理學(xué)研究領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)檢驗(yàn)的缺乏以及理論構(gòu)造的特征密切相關(guān)。

二物理學(xué)概念解釋的新特征:數(shù)學(xué)形式化整體系統(tǒng)中的關(guān)聯(lián)解釋

巴特菲爾德相信當(dāng)前基本物理學(xué)中的基礎(chǔ)問題會(huì)為物理學(xué)哲學(xué)提供從最為有趣且最為重要的問題，而我們關(guān)注的是本書處理這些基礎(chǔ)問題的方式。雖然從章節(jié)上來看，物理哲學(xué)的論題被劃分為若干個(gè)領(lǐng)域，但從內(nèi)容上，完全可以看到作者的用心，站在當(dāng)代數(shù)學(xué)物理學(xué)發(fā)展的高度用整體微分幾何等數(shù)學(xué)語(yǔ)言對(duì)物理學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行重新形式化和解釋，每一章節(jié)的緊密聯(lián)系使得物理學(xué)作為一個(gè)整體系統(tǒng)得以呈現(xiàn)。其中對(duì)每一個(gè)物理概念解釋的細(xì)節(jié)，正是物理學(xué)哲學(xué)追求的基礎(chǔ)問題的答案?？梢哉f，概念解釋居于本書的核心地位，物理學(xué)哲學(xué)解釋問題的最重要的方式就是處理當(dāng)代物理學(xué)中的概念和解釋問題。

(一)物理學(xué)概念的解釋:我們理解世界的基礎(chǔ)

物理學(xué)的發(fā)展時(shí)時(shí)刻刻影響著人們對(duì)世界的理解方式，其途徑就是物理學(xué)概念的解釋。經(jīng)典物理學(xué)、相對(duì)論和量子力學(xué)曾極大地改變我們對(duì)世界的看法，它們?cè)诮?jīng)驗(yàn)上的有效性曾經(jīng)強(qiáng)化過我們對(duì)科學(xué)理論客觀性和真理性的觀點(diǎn)，也曾讓很多物理學(xué)家追求理論的實(shí)用性而認(rèn)為有些基礎(chǔ)性的問題毫無意義。但當(dāng)前宇宙學(xué)和量子引力理論的提出，使人們重新注視廣義相對(duì)論和量子力學(xué)的不相容性的時(shí)候，從廣義相對(duì)論以來的一些基礎(chǔ)性問題和哲學(xué)問題得以重新復(fù)興。相對(duì)論為我們宇宙的時(shí)空結(jié)構(gòu)確定了一類幾何模型，其中每個(gè)模型都代表了一個(gè)與理論的約束條件相融的可能世界或區(qū)域。而我們對(duì)時(shí)空的理解涉及整體時(shí)空結(jié)構(gòu)和愛因斯坦方程的約束條件等等。宇宙學(xué)和量子引力的研究則讓我們明白，改變我們對(duì)空間和時(shí)間的理解的廣義相對(duì)論是在可以忽略引力的量子特性時(shí)對(duì)引力進(jìn)行描述的場(chǎng)理論，那么真正的空間和時(shí)間的本質(zhì)又是如何呢?我們對(duì)宇宙起源的理解繞不開量子引力方法的嘗試，但這種嘗試要受到很多約束，比如成熟量子引力理論的缺乏、量子力學(xué)基礎(chǔ)問題，比如測(cè)量問題、波函數(shù)的塌縮問題等?，F(xiàn)在人們期望得到的成功量子引力的路徑基于目前理論的發(fā)展，比如惠勒－德維特方程和宇宙波函數(shù)思想、來自弦論思想的高維時(shí)空方法，或者圈量子引力的應(yīng)用等。但這些問題是否能真正解決宇宙起源的問題卻并沒有確切的答案，比如維蘭金的創(chuàng)生虛無的真理論的理解要依賴于量子場(chǎng)論的精致框架和粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型等很多結(jié)構(gòu)，而這些基礎(chǔ)本身也是需要解釋的?？梢哉f，我們理解世界的基礎(chǔ)就在于我們用于理解它的那些概念的意義。

(二)概念解釋的新特點(diǎn):數(shù)學(xué)形式化下整體系統(tǒng)中的關(guān)聯(lián)解釋

巴特菲爾德在經(jīng)典力學(xué)的辛約化中指出，經(jīng)典力學(xué)的核心理論原理已經(jīng)被歐拉、拉格朗日、哈密頓和雅可比等改寫，“我們已經(jīng)認(rèn)不出來了，因此對(duì)它們的哲學(xué)反思也發(fā)生了變化?！币虼艘胄翈缀?、李代數(shù)等語(yǔ)言對(duì)理論進(jìn)行形式化，旨在利用辛約化理論使連續(xù)對(duì)稱和守恒量之間產(chǎn)生聯(lián)系的特征，從理論結(jié)構(gòu)上顯現(xiàn)經(jīng)典力學(xué)與量子物理學(xué)的聯(lián)系，這是運(yùn)用數(shù)學(xué)形式化系統(tǒng)展現(xiàn)物理學(xué)理論的對(duì)稱性本質(zhì)。相對(duì)論、宇宙學(xué)和量子引力哲學(xué)部分，情況也是如此。整本書是站在當(dāng)代數(shù)學(xué)發(fā)展的高度，運(yùn)用拓?fù)鋵W(xué)、群理論和微分幾何等重新形式化物理學(xué)的整個(gè)體系，并對(duì)其概念進(jìn)行剖析的一個(gè)過程。而對(duì)基本問題的理解，則建立在概念剖析的基礎(chǔ)之上。在這些文章中，理論發(fā)展的歷史狀況和實(shí)驗(yàn)成果，只是系統(tǒng)闡釋整個(gè)理論概念和解釋的背景而已。作者們的重點(diǎn)則放在用數(shù)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展和物理學(xué)理論形式化的訴求，促進(jìn)對(duì)物理學(xué)理論結(jié)構(gòu)的探索，進(jìn)而把論題轉(zhuǎn)化為對(duì)其哲學(xué)問題的探討。理論的形式化體系、概念結(jié)構(gòu)和物理學(xué)解釋是有機(jī)地結(jié)合在一起的。在牛頓引力的幾何化中，也是站在當(dāng)代物理學(xué)和數(shù)學(xué)發(fā)展的高度，重新形式化作為相對(duì)論弱場(chǎng)近似的牛頓理論，得到與廣義相對(duì)論類似的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，正是在這個(gè)意義上，才能夠好地發(fā)現(xiàn)兩個(gè)理論在何種條件和何種程度上是相符的，又在何種條件和何種程度上是區(qū)別的。在這個(gè)形式化的整體系統(tǒng)中，對(duì)于物理概念的解釋不再是孤立的解釋，而是站在理論的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)的高度，成為一個(gè)整體系統(tǒng)中的關(guān)聯(lián)解釋。這在很大程度上突出了物理學(xué)哲學(xué)中語(yǔ)義分析方法的重要性，因?yàn)闆]有完全獨(dú)立的概念，物理學(xué)的概念定義之間互相依賴，只有在一個(gè)系統(tǒng)的語(yǔ)義結(jié)構(gòu)中才能理解概念的意義。如普斯洛斯在這套愛思唯爾哲學(xué)手冊(cè)的《一般科學(xué)哲學(xué)》一書中所言:“理論解釋的唯一方式就是把它嵌入到同類概念的框架中，并嘗試著解開它們的相互關(guān)聯(lián)?！保?］

(三)舊概念重新解釋的意義:還原理論創(chuàng)立過

程中概念選擇的特定背景在物理學(xué)的發(fā)展中，每一次理論創(chuàng)新和進(jìn)步都伴隨著新概念的提出或舊概念的重新解釋，站在理論發(fā)展的角度考慮，這樣的解釋會(huì)讓我們更好地理解物理學(xué)理論的提出、發(fā)展和變遷的合理性。比如蒙特在經(jīng)典相對(duì)論一文中對(duì)閔可夫斯基時(shí)空環(huán)境下相對(duì)同時(shí)性關(guān)系的重新考慮。蒙特指出，當(dāng)相對(duì)于一個(gè)四維速度矢量將一點(diǎn)上的矢量分解為“時(shí)間”和“空間”分量進(jìn)行討論時(shí)，我們理所當(dāng)然地相信包含正交性的相對(duì)同時(shí)性的標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)同。在解釋這種認(rèn)同的理由時(shí)，根據(jù)方便在閔可夫斯基時(shí)空結(jié)構(gòu)即狹義相對(duì)論體系下進(jìn)行分析。他援引霍華德•斯坦的論述，指出采用相對(duì)同時(shí)性的標(biāo)準(zhǔn)(ε=1/2)的慣例是需要特定背景的。在他們看來，愛因斯坦是為了解決我們無法檢測(cè)到地球相對(duì)于以太的運(yùn)動(dòng)而采取的解決方案，以一種特定的方式(ε=1/2)來思考同時(shí)性，但如果并非從愛因斯坦最初的思路來考慮，而是從一個(gè)成功理論的高度來理解它，把相對(duì)論視為是針對(duì)時(shí)空結(jié)構(gòu)不變性的論述時(shí)，其意義就完全不同了。這在很大程度上還原了愛因斯坦對(duì)同時(shí)性做出的“定義”中挑選出來的這種標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系的實(shí)質(zhì)，它可能并非一種自然的存在，而是理論選擇的特定需要，還原這個(gè)過程，對(duì)我們更好地理解理論和概念的本質(zhì)有著重要的意義。

(四)新理論的概念澄清:科學(xué)進(jìn)步的必然現(xiàn)象

物理學(xué)史上每一個(gè)新理論的誕生都會(huì)引起舊的概念的澄清，量子引力就是個(gè)很典型的例子。量子引力是對(duì)空間和時(shí)間本質(zhì)的探索，它引導(dǎo)我們重新思考關(guān)于時(shí)間、空間、“在某處”、運(yùn)動(dòng)和因果觀測(cè)者的地位等很多問題。作為試圖把廣義相對(duì)論和量子理論結(jié)合的理論，我們需要以歷史的眼光重新追問。我們都知道，廣義相對(duì)論改變了我們對(duì)牛頓獨(dú)立于物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)空間和時(shí)間的理解。量子力學(xué)則用我們關(guān)于運(yùn)動(dòng)的一般性理論替代了經(jīng)典力學(xué)，并改變了物質(zhì)、場(chǎng)和因果性的觀念。但量子力學(xué)的外在時(shí)間變量和量子場(chǎng)論靜止的背景時(shí)空都是和廣義相對(duì)論不相容的。而廣義相對(duì)論中引力場(chǎng)被假設(shè)為一個(gè)經(jīng)典決定論的動(dòng)力學(xué)場(chǎng)，無法處理小尺度引力的量子特性。因此，想要把二者進(jìn)行結(jié)合的量子引力就遇到了困難。正因?yàn)槿绱?，羅韋利直言盡管基礎(chǔ)物理學(xué)在經(jīng)驗(yàn)上有效，但它正處于一種深刻的概念混亂的狀態(tài)。雖然20世紀(jì)后半葉，物理學(xué)注重實(shí)用而忽略了這些基本問題，但量子引力告訴我們這些基本問題必須得到新的答案。但問題的澄清并沒有一條唯一明確的路可以走，超弦理論和圈量子引力在假設(shè)、成就、具體結(jié)果以及概念框架上都有著顯著的不同，但它們都有自己的代價(jià)，弦理論的思想基礎(chǔ)是為了消除廣義相對(duì)論的微擾量子化的困難，保留了量子場(chǎng)論的基本概念結(jié)構(gòu)，其代價(jià)之一是放棄廣義相對(duì)論的廣義協(xié)變性。圈量子引力植根于描述廣義相對(duì)論的協(xié)變性，但它的代價(jià)是忽略了理論的不完備性，放棄了幺正性、時(shí)間演化、基本層次上的龐加萊不變性以及物理學(xué)對(duì)象是在空間中局域化的且在時(shí)空中演化的概念?？梢钥闯龅氖?，新理論澄清概念的過程是科學(xué)理論進(jìn)步的必然現(xiàn)象，而這一過程是通過分析在描述世界結(jié)構(gòu)時(shí)所產(chǎn)生的概念上的困難來對(duì)以往科學(xué)的研究框架予以質(zhì)疑或辯護(hù)，這涉及的是對(duì)世界本質(zhì)更深刻的哲學(xué)和形而上的思考。

三物理學(xué)理解的新特征:物理學(xué)和形而上學(xué)的交織統(tǒng)一

第5篇：量子力學(xué)和相對(duì)論的關(guān)系范文

[關(guān)鍵詞]普通物理 現(xiàn)代化 內(nèi)容體系 方法手段

眾所周知，物理學(xué)分為經(jīng)典物理和近代物理。五十年代以前，普通物理只講經(jīng)典物理，五十年代以來情況發(fā)生了很大變化，各國(guó)的普通物理中紛紛增添了近代物理的內(nèi)容，如天體物理，生物物理和技術(shù)等。這是科學(xué)高速發(fā)展和知識(shí)更新的必然結(jié)果。因此，普通物理課程要與時(shí)代接軌就不得不進(jìn)行改革。本文從“如何進(jìn)行改革”、“面臨的困難”以及“取得的成效”這三個(gè)方面來探討普通物理課程改革問題。

一、普通物理課程現(xiàn)代化的重要性

普通物理學(xué)是大學(xué)學(xué)習(xí)前一個(gè)階段的主要知識(shí)之一，同時(shí)也是其他學(xué)科或?yàn)楸緦W(xué)科后續(xù)課程服務(wù)的基礎(chǔ)。因此，既要重視物理學(xué)本身內(nèi)在的邏輯性和整體的系統(tǒng)性，也要重視與其他學(xué)科技術(shù)銜接的協(xié)調(diào)性以及現(xiàn)代科技和物理前沿發(fā)展的協(xié)同性。毋庸置疑，普通物理學(xué)與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)以及物理學(xué)前沿接口的問題，長(zhǎng)期以來一直沒有解決好。這已經(jīng)成為普通物理學(xué)教育發(fā)展的障礙，從這個(gè)意義上講，普通物理學(xué)的現(xiàn)代化問題已是迫在眉睫。

二、普通物理課程現(xiàn)代化所涉及的內(nèi)容

1.教學(xué)內(nèi)容的現(xiàn)代化。近幾年的分析表明，對(duì)課程現(xiàn)代化的改革概括起來主要有以下兩個(gè)方面：①運(yùn)用現(xiàn)代的觀點(diǎn)，橫向拓寬和縱向延伸經(jīng)典物理的內(nèi)容，也就是用現(xiàn)代的觀點(diǎn)對(duì)經(jīng)典物理概念和規(guī)律進(jìn)行審視，或修正或補(bǔ)充，或重新評(píng)價(jià)或引深發(fā)揮，挖掘新意。例如，在講解力的概念時(shí)，介紹四種基本的自然力；在講解守恒定律時(shí)，插入對(duì)稱性理論；在講授熱學(xué)時(shí)，補(bǔ)充信息熵，耗散結(jié)構(gòu)的內(nèi)容；在講授狹義相對(duì)論時(shí)加進(jìn)廣義相對(duì)論等。②另辟蹊徑，介紹現(xiàn)代物理科學(xué)的新發(fā)展。教學(xué)某些章節(jié)之后，可配置一些閱讀參考材料；或開設(shè)第二課堂，組織專題講座或報(bào)告會(huì)，介紹科技前沿的熱點(diǎn)題目；或開設(shè)選修課，講解近代物理內(nèi)容；還可以通過習(xí)題和例題滲進(jìn)現(xiàn)代科技新成就等。上述舉措不但有利于課程內(nèi)容的現(xiàn)代化建設(shè)，開闊學(xué)生視野，激發(fā)學(xué)生的熱情，也有利于教師自身素質(zhì)的提高。

2.教學(xué)體系的現(xiàn)代化。教學(xué)體系的現(xiàn)代化應(yīng)從有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)角度出發(fā)?？茖W(xué)技術(shù)的研究對(duì)象和領(lǐng)域正向深度和廣度發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的研究方法也由分析方法向系統(tǒng)方法轉(zhuǎn)移。長(zhǎng)期使用分析方法，容易產(chǎn)生孤立的靜止的看待事物和思考問題的習(xí)慣性與局限性。系統(tǒng)方法是把科學(xué)研究對(duì)象當(dāng)做一個(gè)系統(tǒng)來處理，即把研究對(duì)象看成是若干相關(guān)聯(lián)的部分所組成的有機(jī)整體，分析各部分在整體中的層次方向。如在教學(xué)中將光學(xué)與振動(dòng)和波動(dòng)一起講，狹義相對(duì)論在力學(xué)后面講，改變以往將物理內(nèi)容分為力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)、近代物理幾部分的模式，在組織好傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，大膽地將物理學(xué)新成果、新技術(shù)、新思想、新方法有機(jī)地結(jié)合到經(jīng)典課程內(nèi)容里。如熱學(xué)部分加強(qiáng)熵的內(nèi)容，介紹在信息科學(xué)及其他學(xué)科中的應(yīng)用；磁學(xué)部分介紹磁鏡原理、磁流體發(fā)電等；光學(xué)部分介紹光全息等。要把經(jīng)典部分和現(xiàn)代部分、現(xiàn)代物理內(nèi)容與經(jīng)典物理內(nèi)容有機(jī)地融為一體，教師需要不斷地深入研究與探索。

3.教學(xué)方法手段的現(xiàn)代化。要進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容體系的改革，目前的學(xué)時(shí)就顯得緊張。因此，教學(xué)方法和教學(xué)手段的現(xiàn)代化是至關(guān)重要的。教學(xué)方法的現(xiàn)代化應(yīng)以現(xiàn)代教育理論為基礎(chǔ)，處理好教師和學(xué)生的關(guān)系，重在加強(qiáng)學(xué)生能力和素質(zhì)的培養(yǎng)。教學(xué)手段的現(xiàn)代化要求充分運(yùn)用教學(xué)媒體和其他工具以增強(qiáng)教學(xué)效果，如幻燈、投影、錄像、CAI等。運(yùn)用現(xiàn)代化教學(xué)手段能使物理課既深入又生動(dòng)，而且信息量大，有力地保證了教學(xué)改革的順利進(jìn)行。

三、普通物理課程現(xiàn)代化改革所面臨的困難

普通物理課程的現(xiàn)代化面臨二個(gè)矛盾：一是課程現(xiàn)代化與學(xué)時(shí)的矛盾；二是如何進(jìn)行現(xiàn)代化。

先談?wù)n程現(xiàn)代化與學(xué)時(shí)的矛盾。就程守誅、江之永先生合編的普通物理教材來說，從1961年第一版到1979年第二版，一直到1982年的修訂本，很明顯，是在不斷地對(duì)原來的經(jīng)典內(nèi)容進(jìn)行改革，并充實(shí)了近代物理的內(nèi)容。如狹義相對(duì)論、量子力學(xué)、激光技術(shù)等。教材內(nèi)容不斷增加，而學(xué)時(shí)不可能增加，甚至可能減少（因?yàn)樾碌膶W(xué)科，如計(jì)算機(jī)應(yīng)用課程的開設(shè)）。這就是課程現(xiàn)代化與學(xué)時(shí)的矛盾。再談如何進(jìn)行現(xiàn)代化的問題。現(xiàn)在的普通物理一般分為經(jīng)典物理和近代物理兩部分，近代物理的理論基礎(chǔ)是相對(duì)論和量子力學(xué)。眾所周知，相對(duì)論和量子力學(xué)不僅包含大量的數(shù)學(xué)知識(shí)，而且還非常抽象。怎樣避開高深、枯燥的數(shù)學(xué)，用形象化的圖畫來表示抽象的東西，這就要求教師要用普通物理的風(fēng)格來講相對(duì)論和量子力學(xué)。在普通物理課程中，對(duì)當(dāng)前物理學(xué)中最前沿的熱點(diǎn)作適當(dāng)?shù)慕榻B固然是課程現(xiàn)代化的一個(gè)方案，但如何用普通物理的風(fēng)格對(duì)前沿物理學(xué)熱點(diǎn)作適當(dāng)?shù)慕榻B仍是擺在教師及教育工作者面前的一個(gè)難題。

總之，普通物理現(xiàn)代化是一項(xiàng)重要而艱難的任務(wù)。通過幾年的實(shí)踐，普通物理現(xiàn)代化取得了成果，但也存在矛盾。這說明普通物理現(xiàn)代化是一項(xiàng)長(zhǎng)期而細(xì)致的工作，絕不能一蹴而就。需要廣大教育工作者不斷積累經(jīng)驗(yàn)，互相交流，去弊存利，把普通物理課程現(xiàn)代化改革逐步推向前進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙凱華.普通物理現(xiàn)代化問題[J].大學(xué)物理,1992,11,(9):6.

第6篇：量子力學(xué)和相對(duì)論的關(guān)系范文

[關(guān)鍵詞]物理學(xué)理論 計(jì)算機(jī)技術(shù) 量子計(jì)算機(jī)

中圖分類號(hào)：O4-39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）27-0198-01

一、近代物理學(xué)理論的發(fā)展與現(xiàn)代物理學(xué)理論

現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展即為19世紀(jì)至今，是現(xiàn)代物理學(xué)理論發(fā)展不斷壯大的時(shí)期。

當(dāng)力學(xué)，熱力學(xué)，統(tǒng)計(jì)學(xué)，電磁學(xué)都發(fā)展的很完善時(shí)，有“兩個(gè)不穩(wěn)定因素”打破了物理界的當(dāng)時(shí)的境況，推動(dòng)了物理學(xué)的變革。第一個(gè)是邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)，即在實(shí)驗(yàn)中沒測(cè)到“以太風(fēng)”，也就是說不存在真正的參考系，光速與光源運(yùn)動(dòng)無關(guān)，光速各向同性。第二個(gè)是黑體輻射實(shí)驗(yàn)，用經(jīng)典物理學(xué)理論無法解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

20世紀(jì)初，愛因斯坦打破了傳統(tǒng)的物理學(xué)理論，提出了俠義相對(duì)論，徹底了之前牛頓提出的絕對(duì)時(shí)空觀的理論。十年后又創(chuàng)立了廣義相對(duì)論，闡述了萬(wàn)有引力的實(shí)質(zhì)。

物理學(xué)界的第二個(gè)穩(wěn)定因素――黑體輻射實(shí)驗(yàn)，通過普朗克，愛因斯坦，玻爾等一大批物理學(xué)家的努力下，量子力學(xué)應(yīng)時(shí)誕生了。隨著薛定諤波動(dòng)方程解釋物質(zhì)與波的關(guān)系，量子力學(xué)愈來愈趨于完善。

量子力學(xué)與相對(duì)論力學(xué)在現(xiàn)代物理學(xué)理論發(fā)展中是不可忽略的偉大成就。這兩個(gè)的研究的對(duì)象也發(fā)生了改變，由低速到高速，宏觀到微觀等，物理學(xué)理論也日趨成熟。

二物理學(xué)理論是計(jì)算機(jī)誕生的基礎(chǔ)

物理學(xué)作為理論基礎(chǔ)：隨著微積分、力學(xué)三大定律、萬(wàn)有引力定律，經(jīng)典光學(xué)理論的建立，總所周知的一位偉大的物理學(xué)家――牛頓的整個(gè)力學(xué)的體系也完美的呈現(xiàn)于人們眼中。一對(duì)天才數(shù)學(xué)家布爾和德莫根歷經(jīng)無數(shù)次的推演證明，挖掘出了數(shù)理邏輯中那閃耀著最亮的光輝――布爾代數(shù)：電磁理論則是偉大的物理學(xué)家法拉第和麥克斯文創(chuàng)立的！而微觀領(lǐng)域上的量子力學(xué)經(jīng)由多位物理學(xué)家――德布羅意、玻爾、愛因斯坦、海森伯、薛定諤建立;還有電子三極管經(jīng)過無數(shù)次實(shí)驗(yàn)也被德弗雷斯發(fā)明出來了。

上世紀(jì)40年代，200多位的專家研制小組由美國(guó)國(guó)防部任命的莫奇利和埃克特領(lǐng)導(dǎo)著并且克服了無數(shù)困難，兩年中堅(jiān)持的開發(fā)創(chuàng)新，人類第一臺(tái)計(jì)算機(jī)――ENIAC（1946）在賓夕法尼亞大學(xué)研制成功！這不僅是第一臺(tái)電子管數(shù)字積分計(jì)算機(jī)更是人類文明進(jìn)步的一大步。

隨著第一臺(tái)計(jì)算機(jī)的成功研制的第二年，一種不僅小而且安全可靠，又不會(huì)變熱，結(jié)構(gòu)也什么簡(jiǎn)單的晶體管在美國(guó)的科學(xué)家巴丁等人研制出來。德克薩斯一器和仙童公司也緊跟著飛速發(fā)展的科技的步伐，在1953年成功的生產(chǎn)出了首個(gè)集成電路。次年，得克薩斯儀器公司首先的宣布他們擁有了集成電路的生產(chǎn)線，這意味著集成電路可以大量的投入生產(chǎn)和使用，然后TRADIC――首臺(tái)晶體管計(jì)算機(jī)誕生了，這個(gè)在體積上要小很多的計(jì)算機(jī)就誕生了。

伴隨著集成電路的出現(xiàn)，第三代計(jì)算機(jī)則是誕生在60年代中期。同樣是由IBM公司生產(chǎn)出的IBN600系列計(jì)算機(jī)成為了第三代計(jì)算機(jī)的代表產(chǎn)品。早一些的INTEL8080CPU的晶體管集成度超過5000管/片，1977年在一個(gè)小小的硅片上就可包含幾萬(wàn)個(gè)管子。

隨著時(shí)間的推移，以大比例的集成電路當(dāng)作邏輯元件和存儲(chǔ)器的第四代計(jì)算機(jī)也向著微型或巨型改。計(jì)算機(jī)的處理器也由8086不停地在轉(zhuǎn)化，到了我們熟知的奔騰系列。

不管是計(jì)算機(jī)的理論基礎(chǔ)還是硬件設(shè)施，其實(shí)都是以物理學(xué)理論為根本的。物理學(xué)理論與計(jì)算機(jī)技術(shù)在未來的日子里互相補(bǔ)益，會(huì)不斷的推動(dòng)科學(xué)向前飛速發(fā)展的。

三、計(jì)算機(jī)零件應(yīng)用的物理學(xué)理論

液晶屏，一聽名字就可以想象得到它是以液晶材料為基本組件的。實(shí)際上液晶屏就是把液晶材料填充于兩塊平行板之間，并且利用電壓來改變其材料內(nèi)部的分子排列情況，控制遮光與透光以顯示明暗不同，鱗次櫛比的圖案。如果想要顯示彩色的圖案時(shí)，只要把帶著三元色的濾光層加入到兩塊平行板之間就可以了。液晶屏的廣泛應(yīng)用還因?yàn)槠涔氖值牡?，?yīng)用電池的電子產(chǎn)品都可以配置液晶屏。由于液晶介于固態(tài)與液態(tài)之間，那么就可以既體現(xiàn)固態(tài)晶體所有的光學(xué)特性，還可以表現(xiàn)出液態(tài)的流動(dòng)特性?？偨Y(jié)液晶的物理特性可歸納為：粘性、彈性和其極化性。

目前的CPU一般就是包括三個(gè)部分：基板、核心、針腳。大家都知道有一種電腦的硬件的組成的基本單位十分的重要，就是晶體管，而CPU的主要的組成也是晶體管。AMD主流CPU內(nèi)核在早期的Palomino核心和Thoroughbred-B核心的配備，通常采用3750萬(wàn)個(gè)晶體管，而Barton核心使用了5400萬(wàn)個(gè)晶體管，核心Opteron處理器使用多達(dá)1.06億個(gè)晶體管;。因此，實(shí)際上說的CPU核心構(gòu)成的最基本單位就是晶體管的的芯數(shù)，針腳。所說的基板通常是印刷電路板，它承載著核心與針腳。然后該晶體管通過電路連接，成為一個(gè)不可或缺的整體，然后可以去分成不同的執(zhí)行單元，每個(gè)單元又可以去處理不同的數(shù)據(jù)，這樣有秩序的完成每個(gè)任務(wù)，才會(huì)準(zhǔn)確而快速，這也是CPU為何擁有如此強(qiáng)大的處理能力的原因。

其實(shí)還有很多的零件都運(yùn)用了大量的物理學(xué)理論。下面向大家介紹一下比較先進(jìn)的計(jì)算機(jī)――量子計(jì)算機(jī)。

四、簡(jiǎn)介量子計(jì)算機(jī)

從物理觀點(diǎn)看，計(jì)算機(jī)是一個(gè)物理系統(tǒng).計(jì)算過程是一個(gè)物理過程。量子計(jì)算機(jī)是一個(gè)量子力學(xué)系統(tǒng)，量子計(jì)算過程就是這個(gè)量子力學(xué)系統(tǒng)內(nèi)量子態(tài)的演化過程。

量子計(jì)算機(jī)以量子力學(xué)建立邏輯體系，與量子計(jì)算機(jī)有關(guān)的量子力學(xué)的原理，即量子狀態(tài)的主要性質(zhì)包括：狀態(tài)疊加、干涉性、狀態(tài)變化、糾纏、不可復(fù)制性與不確定性。

量子計(jì)算機(jī)具有學(xué)術(shù)價(jià)值和產(chǎn)業(yè)價(jià)值不可估量。對(duì)人類的文明，它實(shí)際上是一個(gè)很大的進(jìn)步，我認(rèn)為最主要的方面則是它的工業(yè)價(jià)值。最直接的應(yīng)用各種各樣的量子算法，他就可以用于商用化。

可以回想機(jī)器在20年前的悲慘境況和現(xiàn)在的春分得意，利用機(jī)器學(xué)習(xí)是很難在工業(yè)部門查找數(shù)值，因?yàn)橛?jì)算能力的時(shí)候真的很爛。然后還要測(cè)試幾個(gè)月，誰(shuí)還有時(shí)間來調(diào)整參數(shù)啊。而這兩十年間，計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)不斷的優(yōu)化下，機(jī)器學(xué)習(xí)強(qiáng)大了好多倍。想想看，如果我們比今天的計(jì)算能力更強(qiáng)大，我們無法想象一個(gè)強(qiáng)大的AI強(qiáng)量子任務(wù)不是指日可待？而當(dāng)每家每戶都有一個(gè)量子計(jì)算機(jī)，互聯(lián)網(wǎng)將演變成什么形式？總之，商業(yè)量子計(jì)算機(jī)將是未來科技的發(fā)動(dòng)機(jī)，就像蒸汽機(jī)是工業(yè)文明的象征，量子計(jì)算機(jī)的前景值得我們期待！

我國(guó)科技飛速發(fā)展的今天，我們不難發(fā)現(xiàn)現(xiàn)代生活已經(jīng)步入了一個(gè)電子的天堂，計(jì)算機(jī)將會(huì)發(fā)揮它不可估量的價(jià)值，而作文計(jì)算機(jī)技術(shù)的支架――物理學(xué)理論也在不斷的發(fā)展著，這就要求我們?cè)诰o跟著的腳步，努力研究，發(fā)現(xiàn)問題、認(rèn)識(shí)問題、解決問題，逐漸的將我們國(guó)力壯大，2020年全面建成小康社會(huì)。

參考文獻(xiàn)

[1] 王炳根.百年物理學(xué)發(fā)展的回顧與未來的展望[J].南平師專學(xué)報(bào). 1997，04：11-14.

第7篇：量子力學(xué)和相對(duì)論的關(guān)系范文

二十世紀(jì)即將結(jié)，二十一世紀(jì)即將來臨，二十世紀(jì)是光輝燦爛的一個(gè)世紀(jì)，是個(gè)類社會(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)問題的一些看法和觀點(diǎn)。首先，我們來回顧一下上一個(gè)世紀(jì)之交物理學(xué)發(fā)展的情況，把當(dāng)前的情況與一百年前的情況作比較對(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、原則的問題都已經(jīng)解決，剩下來的只是進(jìn)一步精確化的問題，即在一些細(xì)節(jié)上作一些補(bǔ)充和修正，使已知公式中的各個(gè)常數(shù)測(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)建立起來以后，現(xiàn)代物理學(xué)經(jīng)過七十多年的發(fā)展，已經(jīng)達(dá)到了成熟的階段。人類對(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，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)的根本性的問題、原則問題都已經(jīng)解決了，今后能做到的只是在現(xiàn)有理論的基礎(chǔ)上在深度和廣度兩方面發(fā)展現(xiàn)代物理學(xué)，對(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“危機(jī)”。因此，我認(rèn)為目前發(fā)生現(xiàn)代物理學(xué)革命的條件似乎尚不成熟。

雖然在微觀世界和宇宙學(xué)領(lǐng)域中有一些物理現(xiàn)象是現(xiàn)代物理學(xué)的理論不能很好地解釋的，但是這些矛盾并不是嚴(yán)重到了非要徹底改造現(xiàn)有理認(rèn)紗可的程度。在這方面，目前的情況與上一個(gè)世紀(jì)之交的情況不同。在上一個(gè)世紀(jì)之交，經(jīng)典物理學(xué)發(fā)生了“嚴(yán)重的危機(jī)”；而在本世紀(jì)之交，現(xiàn)代物理學(xué)并無“危機(jī)”。因此，我認(rèn)為目前發(fā)生現(xiàn)代物理學(xué)革命的條件似乎尚不成熟。客觀物質(zhì)世界是分層次的。一般說來，每個(gè)層次中的體系都由大量的小體系（屬于下一個(gè)層次）構(gòu)成。從一定意義上說，宏觀與微觀是相對(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”誕生，今后在這個(gè)方向上將會(huì)繼續(xù)有所發(fā)展。從根本上來說，現(xiàn)代宇宙學(xué)的繼續(xù)發(fā)展有賴于向廣漠的宇宙更遙遠(yuǎn)處觀測(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)于近年來提出的宇宙創(chuàng)生學(xué)說是不太信的，并且認(rèn)為“大爆炸”理論只是對(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”，而我相信宇宙是無限的，在我們這個(gè)“宇宙”以外還有無數(shù)個(gè)“宇宙”，這些宇宙不是互不相干、各自孤立的，而是互相有影響、有作用的?，F(xiàn)代宇宙學(xué)只研究我們這個(gè)“宇宙”，當(dāng)然只能得到近似的結(jié)果，把他們的延伸到“宇宙”創(chuàng)生了初及遙遠(yuǎn)的未來，則失誤更大。

3）深入探索各層次間的聯(lián)系。

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

上述的物理學(xué)的發(fā)展依然現(xiàn)代物理學(xué)現(xiàn)有的基本理論的框架內(nèi)。在下個(gè)世紀(jì)，物理學(xué)的基本理論應(yīng)該怎樣發(fā)展呢？有一些物理學(xué)家在追求“超統(tǒng)一理論”。在這方面，起初是愛因斯坦、海森堡等天才科學(xué)家努力探索“統(tǒng)一場(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)一起來的“超統(tǒng)一理論”，他們的探索能否成功尚未定論。

愛因斯坦當(dāng)初探索“統(tǒng)一場(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)展過程中，各個(gè)具體過程的發(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)展階段上的具體過程的認(rèn)識(shí)只具有相對(duì)的真理性。無數(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)沒有完結(jié)?！盵5]

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

1）客觀世界可能不是只有四種力。第五、第六……種力究竟何在呢？現(xiàn)在我們不知道。我的直覺是：將來最早發(fā)現(xiàn)的第五種力可能存在于生命現(xiàn)象中。物質(zhì)構(gòu)成了生命體之后，其運(yùn)動(dòng)和變化實(shí)在太奧妙了，我們沒有認(rèn)識(shí)的問題實(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)該通過審思現(xiàn)代物理學(xué)理論基礎(chǔ)的不完善性來探尋現(xiàn)代物理學(xué)革命的突破口，在下一節(jié)中將介紹我的觀點(diǎn)。

三、現(xiàn)代物理學(xué)的理論基礎(chǔ)是完美的嗎？

相對(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？我們來審思一下這個(gè)問題。

1）對(duì)相對(duì)論的審思

當(dāng)年愛因斯坦就是從關(guān)于光速和關(guān)于時(shí)間要領(lǐng)的思考開始，創(chuàng)立了狹義相對(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)鐘來定義“同時(shí)”，這樣就很自然地導(dǎo)出了洛侖茲變換，進(jìn)一步導(dǎo)致一個(gè)四維時(shí)空（x，y，z，ict）（c是光速）。為什么愛因勞動(dòng)保護(hù)擔(dān)提出用光信號(hào)來校正時(shí)鐘，而不用別的信號(hào)呢？在他的論文中沒有說明這個(gè)問題，其實(shí)這是有深刻含意的。

時(shí)間、空間是物質(zhì)運(yùn)動(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”必須通過一定的場(chǎng)傳遞過去，傳遞需要一定的時(shí)間，時(shí)間、空間的定義與這個(gè)傳遞速度是密切相關(guān)的。如果這種場(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，并無實(shí)驗(yàn)事實(shí)證明c＇等于c。愛因斯坦因他的“物質(zhì)世界統(tǒng)一性”的世界觀而在實(shí)際上假定了c=c＇。我持有“物質(zhì)世界既統(tǒng)一，又多樣化的”以觀點(diǎn)，再加之電磁力和引力的強(qiáng)度在數(shù)量級(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。如果研究的問題只涉及一種相互作用，則按照現(xiàn)在的理論建立起來的運(yùn)動(dòng)方程的形式不變。例如，愛因斯坦引力場(chǎng)方程的形式不變，只需把常數(shù)c改為c＇。如果研究的問題涉及兩種相互作用，則需要建立新的理論。不過，首要的事情是由實(shí)驗(yàn)事實(shí)來判斷c＇和c是否相等；如果不相等，需要導(dǎo)出c＇的數(shù)值。

我在二十多年前開始形成上述觀點(diǎn)，當(dāng)時(shí)測(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)過長(zhǎng)斯的努力引引力波實(shí)驗(yàn)沒有獲得肯定的結(jié)果，隨后這項(xiàng)工作冷下去了。根據(jù)愛國(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)角度來考慮問題，如果c＇和c有較大的差異，則可能導(dǎo)出引力波的強(qiáng)度比根據(jù)愛因勞動(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傳遞不同的媒介粒子而實(shí)現(xiàn)的。引力相互作用的傳遞者是引力子；電磁相互作用的傳遞者是光子；弱相互作用的傳遞者是規(guī)范粒子（光子除外）；強(qiáng)相互作用的傳遞者是介子。引力子和光子的靜質(zhì)量為零，按照愛因斯坦的理論，引力相互作用和電磁相互作用的傳遞速度都是光速。并且與傳遞粒子的靜質(zhì)量和能量有關(guān)，因而其傳遞速度是多種多樣的。

在研究由弱或強(qiáng)相互作用引起的物質(zhì)運(yùn)動(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)該這樣來考慮問題：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，并沒有徹底克服這一困難。“發(fā)散困難”的一個(gè)基本原因是粒子的“固有”能量（靜止能量）與運(yùn)動(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。是否有解決問題的其他途徑呢？我認(rèn)為這個(gè)問題或許還與時(shí)間、空間的定義有關(guān)。現(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8篇：量子力學(xué)和相對(duì)論的關(guān)系范文

>> 關(guān)于宇宙—經(jīng)驗(yàn)不夠，理論來湊 風(fēng)格不夠 配飾來湊 畫不夠，文來湊 戲不夠，雙胞胎來湊？ 飯不夠湯來湊功能不夠插件幫忙 《別讓我走》深沉不夠 愛情來湊 高質(zhì)量的秀不夠，showroom來湊 氣質(zhì)不夠設(shè)備來湊 簡(jiǎn)聽發(fā)光耳機(jī) 凱迪拉克ATS―L：時(shí)間不夠？彈幕來湊！ 錢不夠 政策湊 球員不夠教練湊 字?jǐn)?shù)不夠妙招湊 氣色不夠唇色湊 客流不夠政府湊 顯存不夠內(nèi)存湊 小個(gè)子博主的顯高穿衣術(shù) 身高不夠 衣品來湊 孩子睡不夠 喜歡吃來湊 宇宙隊(duì)員來報(bào)到 氣血不夠 艾灸來補(bǔ) 宇宙演化的最新理論 常見問題解答 當(dāng)前所在位置：中國(guó) > 政治 > 關(guān)于宇宙—經(jīng)驗(yàn)不夠,理論來湊 關(guān)于宇宙—經(jīng)驗(yàn)不夠,理論來湊 雜志之家、寫作服務(wù)和雜志訂閱支持對(duì)公帳戶付款！安全又可靠！ document.write("作者： 澤亞·梅拉里")

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“想象一下，有一天你醒來后，突然意識(shí)到自己生活在一個(gè)電腦游戲中—”加拿大物理學(xué)家馬克·范拉姆斯東克說。這聽起來像是科幻電影，但對(duì)他來說，這個(gè)場(chǎng)景是思考現(xiàn)實(shí)的一種方式。如果這是真實(shí)的，“我們周圍的所有東西—整個(gè)三維物理世界，就是別處一個(gè)二維芯片的編碼信息所產(chǎn)生的幻覺。”也就是說，我們的宇宙及其三維空間，只是低維度基質(zhì)所投射出的全息圖（hologram）。即使從理論物理學(xué)的一般標(biāo)準(zhǔn)來看，這種“全息原理”也是很奇特的。

不過有一小部分研究人員認(rèn)為這還不夠奇特，范拉姆斯東克就是其中之一。他們認(rèn)為，如果現(xiàn)代物理的兩大支柱，廣義相對(duì)論（把引力描述為空間和時(shí)間的彎曲）以及統(tǒng)領(lǐng)原子世界的量子力學(xué)，都不能解釋空間和時(shí)間的存在，其他現(xiàn)有理論就更不可能了。

范拉姆斯東克和同事確信，只有解釋出空間和時(shí)間的起源，物理學(xué)才是完整的。而這樣的構(gòu)想將需要大膽的設(shè)想，例如“全息圖”概念。只有對(duì)現(xiàn)實(shí)進(jìn)行激烈的概念重建，才能夠解釋，當(dāng)黑洞中心無限致密的“奇點(diǎn)”將時(shí)空結(jié)構(gòu)扭曲得超越了我們所有認(rèn)知時(shí)，到底發(fā)生了什么；這也是研究者統(tǒng)一原子尺度的量子理論與星際尺度的廣義相對(duì)論的唯一途徑。已經(jīng)有幾論物理學(xué)家在為這個(gè)大統(tǒng)一理論而奮斗。“所有的經(jīng)驗(yàn)告訴我們，不應(yīng)該存在兩個(gè)關(guān)于現(xiàn)實(shí)的截然不同的基本觀念—必然存在一個(gè)可以包羅萬(wàn)象的宏大理論，”美國(guó)物理學(xué)家阿布依·阿希提卡如是說。找尋這樣的宏大理論是一個(gè)艱巨的挑戰(zhàn)。

本文介紹了一些有前景的研究理論以及一些用于檢驗(yàn)這些理論的新觀點(diǎn)。 熱力學(xué)引力

有哪些證據(jù)顯示，存在比空間和時(shí)間更基本的東西？

20世紀(jì)70年代初，當(dāng)量子力學(xué)和引力與熱力學(xué)之間的聯(lián)系越來越清晰時(shí)，一系列驚人的發(fā)現(xiàn)給出了一個(gè)令人興奮的線索。

1974年英國(guó)劍橋大學(xué)的斯蒂芬·霍金證明，黑洞周圍空間的量子效應(yīng)使得黑洞向外釋放熱輻射。其他物理學(xué)家很快驗(yàn)證了這種現(xiàn)象的普遍性。

1995 年，美國(guó)物理學(xué)家特德·雅各布森把這兩個(gè)發(fā)現(xiàn)合并為一，假設(shè)空間中的每一點(diǎn)都處在一個(gè)微小的“黑洞視界面上”，每一點(diǎn)都滿足“熵—面積”的關(guān)系。在這樣的假設(shè)下，他發(fā)現(xiàn)只需利用熱力學(xué)中的概念，通過數(shù)學(xué)方法就可以得到廣義相對(duì)論的愛因斯坦方程，而不需要時(shí)空彎曲的觀點(diǎn)。

2010年，這個(gè)觀點(diǎn)又被荷蘭弦理論學(xué)家埃里克·韋爾蘭德推進(jìn)了一步。他證明了無論時(shí)空的組分是什么，它們的統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)都能自動(dòng)地生成牛頓萬(wàn)有引力定律。印度宇宙學(xué)家他努·帕德馬納班也發(fā)現(xiàn)，愛因斯坦方程可以寫成一種與熱力學(xué)定律一致的形式，引力的許多其他理論也可以做這樣的改寫。帕德馬納班正在嘗試用熱力學(xué)的方法來解釋暗能量的起源和大小。 因果集

加拿大物理學(xué)家拉斐爾·索爾金是因果集理論的先驅(qū)，這個(gè)理論假設(shè)時(shí)空的基石只是簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)點(diǎn)，通過一條條鏈連接起來，每條鏈都從過去指向未來。每一條這樣的鏈都是因果關(guān)系的簡(jiǎn)要表示，意味著較早的點(diǎn)會(huì)影響較晚的點(diǎn)，但反之不成立。這樣形成的網(wǎng)絡(luò)就像一棵不斷長(zhǎng)大的樹，逐漸長(zhǎng)成了時(shí)空?！澳憧梢韵胂罂臻g從許多點(diǎn)中產(chǎn)生，與溫度從許多原子中出現(xiàn)是類似的?！彼鳡柦鹫f，“問‘一個(gè)原子的溫度是什么？’這個(gè)問題是沒有意義的，只有對(duì)于一大堆原子，溫度的概念才有意義?！?/p>

上世紀(jì)80年代末，索爾金利用這個(gè)理論框架來估算可觀測(cè)的宇宙所包含的點(diǎn)的數(shù)目，他還推測(cè)出，這些點(diǎn)應(yīng)該都會(huì)產(chǎn)生一種微弱的內(nèi)在能量，最終導(dǎo)致了宇宙的加速膨脹。幾年后，暗能量的發(fā)現(xiàn)證實(shí)了他的推測(cè)。“人們通常認(rèn)為量子引力的預(yù)言是無法檢驗(yàn)的，但這就是一個(gè)可檢驗(yàn)的例子?！庇?guó)量子引力學(xué)家喬·亨森說，“如果暗能量的值更大或者為零，因果集理論就被排除了。” 全息

范拉姆斯東克根據(jù)全息原理，提出了一個(gè)完全不同的關(guān)于時(shí)空起源的觀點(diǎn)。黑洞以類似全息圖的方式將全部熵儲(chǔ)存在表面，受此現(xiàn)象啟發(fā)，美國(guó)弦理論學(xué)家胡安·馬爾達(dá)塞納，首先給出了黑洞全息原理的準(zhǔn)確數(shù)學(xué)表達(dá)式。這一極有影響力的全息宇宙模型發(fā)表于1998年。在這個(gè)模型中，宇宙的三維內(nèi)部包含著僅由引力控制的弦和黑洞，而宇宙的二維邊界包含的粒子和基本場(chǎng)，則滿足沒有引力的普通量子定律。三維空間中，假想居民看不到二維邊界，因?yàn)樗菬o限遠(yuǎn)的。但這并不影響數(shù)學(xué)推導(dǎo)：在三維宇宙中發(fā)生的任何事情，都可以等價(jià)地用二維邊界中的方程很好地描述出來，反之亦然。

2010年，范拉姆斯東克研究了邊界中的量子粒子相互“糾纏”（這意味著測(cè)量一個(gè)粒子會(huì)不可避免地影響到另一個(gè)）的情形。范拉姆斯東克總結(jié)說，三維宇宙實(shí)際上是被邊界上的量子糾纏扯到一起的。在某種程度上，這意味著量子糾纏和時(shí)空是同樣的東西。或者就像馬爾達(dá)塞納指出的那樣，“這說明量子是最基礎(chǔ)的，時(shí)空是由其衍生出來的。”

更多內(nèi)容，詳見《科學(xué)美國(guó)人》中文版《環(huán)球科學(xué)》2013年12月號(hào) 新知科技改變生活

【上月球種菜】人類未來能否在月球上生活？科學(xué)家打算先嘗試在月球上種菜。按照計(jì)劃，NASA將在2015年，通過一艘商業(yè)太空船，向月球運(yùn)輸一些植物種子以及適合這些植物生長(zhǎng)5至10天的材料。植物的生長(zhǎng)過程將被全程記錄并傳送回地球，以對(duì)比植物在地球與月球上的生長(zhǎng)差異。

—中國(guó)青年報(bào)

【捕獲幽靈粒子】 “冰立方” 研究項(xiàng)目的科學(xué)家在《科學(xué)》發(fā)文稱，位于南極冰層一英里下的“冰立方”巨型中微子探測(cè)器，已發(fā)現(xiàn)28個(gè)來自太陽(yáng)系外的高能中微子。中微子是一種中性粒子，可不受干擾地筆直劃過宇宙，通過反向查找這些粒子的源頭，科學(xué)家將可以得到各種宇宙事件的第一手資料。

—環(huán)球科學(xué)雜志社

第9篇：量子力學(xué)和相對(duì)論的關(guān)系范文

打開自然科學(xué)教科書，映入眼簾的是哥白尼、牛頓、達(dá)爾文、法拉第、愛因斯坦等一連串外國(guó)科學(xué)家閃光的名字。歷史將會(huì)牢記、人類也將會(huì)牢記他們！細(xì)心的讀者也許會(huì)沮喪地發(fā)現(xiàn)：在這一串閃光的名字中很難找到中國(guó)科學(xué)家！

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，近一百多年來因?yàn)榭茖W(xué)貢獻(xiàn)而被寫進(jìn)自然科學(xué)教科書的中國(guó)科學(xué)家也就100名左右，除去那些驗(yàn)證性、修正性工作而自己沒有重大原始創(chuàng)新的科學(xué)家，剩下的可能不足50名，而有正式數(shù)學(xué)公式傳世（被寫進(jìn)教科書）的中國(guó)科學(xué)家更是不足30名。甘永超，憑借“波粒二象關(guān)系式（Gan矩陣與Gan變換）”成為了最新加入這一群體的中國(guó)學(xué)者。

與卡門-錢學(xué)森公式、錢偉長(zhǎng)方程、吳文俊公式……相比，甘永超可謂名不見經(jīng)傳，然而他提出的“波粒二象關(guān)系式”卻能把量子力學(xué)的兩大開山之作（德國(guó)物理學(xué)家普朗克1900年提出的能量子假說：ε=hv，獲1918年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)；法國(guó)物理學(xué)家德布羅意1923年提出的物質(zhì)波假說：λ=h/p，獲1929年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）完美地統(tǒng)一起來，并且還可以揭示“波”與“粒子”之間的直接、線性關(guān)系并給出精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)表達(dá)（那可是物理學(xué)所面臨的尚未征服的山峰中的最高峰），就像愛因斯坦的質(zhì)能關(guān)系式揭示“質(zhì)量”與“能量”的直接、線性關(guān)系并給出精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)表達(dá)一樣！此外，該公式還揭示了“物質(zhì)”與“空間”之間的必然聯(lián)系，就像愛因斯坦的相對(duì)論揭示“時(shí)間”與“空間”、“質(zhì)量”與“能量”之間的必然聯(lián)系一樣。

早在大學(xué)時(shí)代，甘永超就對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論，尤其是波粒二象性產(chǎn)生了濃厚興趣。后經(jīng)我國(guó)科學(xué)界泰斗王淦昌院士推薦而成為上海大學(xué)物理系主任沈文達(dá)教授（沈先生早年曾師從諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者、量子光學(xué)之父、哈佛大學(xué)教授羅伊·格勞伯）的研究生。經(jīng)過20多年錘煉，甘永超創(chuàng)立的一個(gè)物理公式（波粒二象關(guān)系式）、兩個(gè)物理模型（“π型三重波粒二象性”與“太極粒子波”）已經(jīng)被寫進(jìn)“21世紀(jì)高等院校教材”《自然科學(xué)概論》（婁兆文等編、科學(xué)出版社、2012年版44-48頁(yè)）。這是一百多年以來很少見到的事情。當(dāng)然，其間的曲折可能一言難盡。這里僅就甘永超所提出的一個(gè)物理公式、兩個(gè)物理模型稍作介紹。

“波粒二象關(guān)系式（Gan矩陣與Gan變換）”不僅數(shù)學(xué)形式對(duì)稱、優(yōu)美，而且還可以作為量子力學(xué)的基本原理而直接導(dǎo)出量子力學(xué)的兩大開山之作（普朗克的能量子假設(shè)和德布羅意的物質(zhì)波假設(shè)），精辟地揭示“波”與“粒子”、“物質(zhì)”與“空間”之間的緊密聯(lián)系。我們知道，實(shí)物（粒子）與場(chǎng)（波）之間的關(guān)系被前蘇聯(lián)科學(xué)家瑞德尼克在《量子力學(xué)史話》中稱之為“物理學(xué)所面臨的尚未征服的山峰中的最高峰”，所以，對(duì)“波粒二象關(guān)系式（Gan矩陣與Gan變換）”的研究，將會(huì)打開一座巨大的寶藏，只是這座寶藏（波粒二象關(guān)系式的物理內(nèi)涵）神秘莫測(cè)，我們現(xiàn)在還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有弄清楚。

作為初步推斷，“波粒二象關(guān)系式”至少是對(duì)“π型三重波粒二象性”這一物理模型的數(shù)學(xué)抽象，而“太極粒子波”則又是對(duì)“π型三重波粒二象性”（當(dāng)然也包括“波粒二象關(guān)系式”） 的進(jìn)一步解讀和發(fā)展。事實(shí)上，這一個(gè)物理公式、兩個(gè)物理模型，首尾呼應(yīng)，渾然天成，開辟了繼“分子物理”、“原子物理”、“原子核物理”、“粒子物理”之后的又一個(gè)新學(xué)科與新領(lǐng)域“波與粒子的統(tǒng)一——‘太極粒子波物理’”并預(yù)言了一種新式武器——“巨粒子炮”的存在。

我們知道，“第一種波粒二象性（光的波粒二象性）”由愛因斯坦1905年揭示、密立根1916年驗(yàn)證，“第二種波粒二象性（實(shí)物粒子的波粒二象性）”由德布羅意1923年揭示、戴維森和小湯姆孫1927年驗(yàn)證，兩者的揭示與驗(yàn)證曾四次頒發(fā)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。然而，盡管前兩種波粒二象性的揭示與驗(yàn)證四獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，但“波粒二象性之謎”卻并沒有完全揭開，它與“光的本性之謎”、“粒子與場(chǎng)的關(guān)系之謎”、“物質(zhì)世界的最基本結(jié)構(gòu)單元之謎”依然是物理學(xué)前沿的四大疑難問題。對(duì)此，甘永超基于他“經(jīng)典電磁場(chǎng)按光子對(duì)應(yīng)分解”亦即“第三種波粒二象性”的揭示，完成了“三種波粒二象性的和諧統(tǒng)一”并揭示了微觀客體的“π型三重波粒二象性”——這是比“光的波粒二象性”、“實(shí)物粒子的波粒二象性”更高層次的理論，蘊(yùn)含著物質(zhì)世界的更深刻本質(zhì)。在這里，“光的波粒二象性”與“實(shí)物粒子的波粒二象性”雖然四獲諾貝爾獎(jiǎng)，卻不過是“π型三重波粒二象性”的兩個(gè)分支或者推論，屬于管中窺豹、瞎子摸象，只有“π型三重波粒二象性”才是揭示微觀客體深刻本質(zhì)的實(shí)質(zhì)性內(nèi)容。換言之，我們司空見慣的“電磁波”與“光量子”不過是“太極光子波”的兩種變化形式，就像“白骨精”變化而成的“村姑”與“老媼”一樣。