量子力學(xué)基本概念的發(fā)展精選(九篇)

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

第1篇：量子力學(xué)基本概念的發(fā)展范文

量子力學(xué)課程是工科電類專業(yè)的一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程。通過該課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生初步掌握量子力學(xué)的基本原理和基本方法，認(rèn)識(shí)微觀世界的物理圖像以及微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，了解宏觀世界與微觀世界的內(nèi)在聯(lián)系和本質(zhì)的區(qū)別。量子力學(xué)課程教學(xué)質(zhì)量的好壞直接影響后續(xù)的如“固體物理學(xué)”、“半導(dǎo)體物理學(xué)”、“集成電路工藝原理”、“量子電子學(xué)”、“納米電子學(xué)”、“微電子技術(shù)”等課程的學(xué)習(xí)。

量子力學(xué)課程的學(xué)習(xí)要求學(xué)生具有良好的數(shù)學(xué)和物理基礎(chǔ)，對學(xué)生的邏輯思維能力和空間想象能力等要求較高，因此要學(xué)好量子力學(xué)，在我們教學(xué)的過程中，需要充分發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和積極性。同時(shí)，隨著科學(xué)日新月異的發(fā)展，對量子力學(xué)課程的教學(xué)也不斷提出新的要求。如何充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和能動(dòng)性，切實(shí)提高量子力學(xué)課程的教學(xué)質(zhì)量和教師的教學(xué)水平，已經(jīng)成為擺在高校教師目前的一項(xiàng)重要課題。

該課程組在近幾年的教學(xué)改革和教學(xué)實(shí)踐中，本著高校應(yīng)用型人才的培養(yǎng)需求，強(qiáng)調(diào)量子力學(xué)基本原理、基本思維方法的訓(xùn)練，結(jié)合物理學(xué)史，充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性；充分利用熟知軟件，理解物理圖像，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性；結(jié)合現(xiàn)代科學(xué)知識(shí)，強(qiáng)調(diào)理論在實(shí)踐中的應(yīng)用，取得了良好的教學(xué)效果。

1 當(dāng)前的現(xiàn)狀及存在的主要問題

目前工科電類專業(yè)普遍感覺量子力學(xué)課程難學(xué)，其主要原因在于：第一，量子力學(xué)它是一門全新的課程理論體系，其基本理論思想與解決問題的方法都沒有經(jīng)典的對應(yīng)，而學(xué)習(xí)量子力學(xué)必須完全脫離以前在頭腦中根深蒂固的“經(jīng)典”的觀念；第二，量子力學(xué)的概念與規(guī)律抽象，應(yīng)用的數(shù)學(xué)知識(shí)比較多，公式推導(dǎo)復(fù)雜，計(jì)算困難；第三，雖然量子力學(xué)問題接近實(shí)際，但要學(xué)生理解和解決問題，還需要一個(gè)過程；由于上述問題的存在，使初學(xué)者都感到量子力學(xué)課程枯燥無味、晦澀難懂，而且隨著學(xué)科知識(shí)的飛速發(fā)展，知識(shí)的更新周期空前縮短，在有限的課時(shí)情況下，如何使學(xué)生在掌握扎實(shí)的基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)，跟上時(shí)代的步伐，了解科學(xué)的前沿，以適應(yīng)新世紀(jì)人才培養(yǎng)的需求，是擺在我們教育工作者面前的巨大挑戰(zhàn)。

2 結(jié)合物理學(xué)史激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

興趣是最好的老師，在大學(xué)物理中，談到了19世紀(jì)末物理學(xué)所遇到的“兩朵烏云”，光電效應(yīng)和紫外災(zāi)難，1900年，普朗克提出了能量子的概念，解決了黑體輻射的問題；后來，愛因斯坦在普朗克的啟發(fā)下，提出了光量子的概念，解釋了光電效應(yīng)，并提出了光的波粒二象性；德布羅意又在愛因斯坦的啟發(fā)下，大膽的提出實(shí)物粒子也具有波粒二象性；對于物理學(xué)的第三朵烏云“原子的線狀光譜，”玻爾提出了關(guān)于氫原子的量子假設(shè)，解釋了氫原子的結(jié)構(gòu)以及線狀光譜的實(shí)驗(yàn)。后來還有薛定諤、海森堡、狄拉克等偉大的物理學(xué)家的努力，建立了一套嶄新的理論體系-量子力學(xué)。在教學(xué)的過程中，適當(dāng)穿插量子力學(xué)的發(fā)展歷史以及偉大科學(xué)家的傳記故事，避免了量子力學(xué)課程“全是數(shù)學(xué)的推導(dǎo)”的現(xiàn)狀，這樣激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)熱情，通過對偉大科學(xué)家的介紹，培養(yǎng)刻苦鉆研的精神。實(shí)踐表明，這樣的教學(xué)模式大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性。

3 結(jié)合熟知軟件化抽象為形象

量子力學(xué)內(nèi)容抽象，對一些典型的結(jié)論，可以用軟件模擬的方式實(shí)現(xiàn)物理圖像的重現(xiàn)。很多軟件如matlab、c語言等很多學(xué)生不是很熟練，而且編程較難，結(jié)合物理結(jié)論作圖較為困難；Excell是學(xué)生常用的軟件之一，簡單易學(xué)卻功能強(qiáng)大，幾乎每位同學(xué)都非常熟練，我們充分利用這一點(diǎn)，將Excell軟件應(yīng)用到量子力學(xué)的教學(xué)過程中，取得了良好的效果。

如在一維無限深勢阱中，我們用解析法嚴(yán)格求解得到了波函數(shù)和能級的方程。而波函數(shù)的模方表示幾率密度。我們要求學(xué)生用Excell作圖，這樣得到粒子阱中的幾率分布，通過與經(jīng)典幾率的比較（經(jīng)典粒子在阱中各處出現(xiàn)的幾率應(yīng)該相等）和經(jīng)典能級的比較（經(jīng)典的能量分布應(yīng)該是連續(xù)的函數(shù)），通過學(xué)生的自我參與，充分激發(fā)了學(xué)生的求知欲望；從簡單的作圖，學(xué)生深刻理解了微觀粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的波函數(shù)；微觀粒子的能量不再是連續(xù)的，而是量子化了的能級，當(dāng)n趨于無窮大時(shí)微觀趨向于經(jīng)典的結(jié)果，即經(jīng)典是量子的極限情況；通過學(xué)生熟知的軟件，直觀的再現(xiàn)了物理圖像，學(xué)生會(huì)進(jìn)一步來深刻思考這個(gè)結(jié)論的由來，傳統(tǒng)的教學(xué)中，我們先講薛定諤方程，然后再解這個(gè)方程，再利用邊界條件和波函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)條件，一步一步推導(dǎo)下來，這樣的教學(xué)模式有很多學(xué)生由于數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)較為薄弱，推導(dǎo)過程又比較繁瑣，因此會(huì)逐步對課程失去了興趣，這也直接影響了后面章節(jié)的學(xué)習(xí)，而通過學(xué)生親自作圖實(shí)現(xiàn)的物理圖像，改變了傳統(tǒng)的“填鴨式”教學(xué)，最大限度的使學(xué)生參與到課程中，這樣的效果也將事半功倍了，大大提高了教學(xué)的效果。

4 結(jié)合科學(xué)發(fā)展前沿拓寬學(xué)生視野

在課程的教學(xué)中，除了注重理論基礎(chǔ)知識(shí)的講解和基礎(chǔ)知識(shí)的應(yīng)用以外，還需介紹量子力學(xué)學(xué)科前沿發(fā)展的一些動(dòng)態(tài)。結(jié)合教師的教學(xué)科研工作，將國內(nèi)外反映量子力學(xué)方面的一些最新的成果融入到課程的教學(xué)之中，推薦和鼓勵(lì)學(xué)生閱讀反映這類問題的優(yōu)秀網(wǎng)站、科研文章，使學(xué)生了解量子力學(xué)學(xué)科的發(fā)展前沿，從而達(dá)到拓寬學(xué)生視野，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的目的。例如近年興起并迅速發(fā)展起來的量子信息、量子通訊、量子計(jì)算機(jī)等學(xué)科，其基礎(chǔ)理論就是量子力學(xué)的應(yīng)用，了解了這些發(fā)展，學(xué)生會(huì)反過來進(jìn)一步理解課程中如量子態(tài)、自旋等概念，量子態(tài)和自旋本身就是非常抽象的物理概念，他們沒有經(jīng)典的對應(yīng)，通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的理解，學(xué)生會(huì)進(jìn)一步理解用態(tài)矢來表示一個(gè)量子態(tài)，由于電子的自旋只有兩個(gè)取向，正好與計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)中二進(jìn)制0和1相對應(yīng)，這也正是量子計(jì)算機(jī)的基本原理，通過學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)，從而達(dá)到提高教學(xué)質(zhì)量的目的。另外我們還要介紹量子力學(xué)在近代物理學(xué)、化學(xué)、材料學(xué)、生命學(xué)等交叉學(xué)科中的應(yīng)用，拓寬學(xué)生的視野。

第2篇：量子力學(xué)基本概念的發(fā)展范文

關(guān)鍵詞： 量子力學(xué) 教學(xué)方法改革 創(chuàng)新思維

量子力學(xué)是研究微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué)，自誕生以來它就成功地說明了原子及分子的結(jié)構(gòu)、固體的性質(zhì)、輻射的吸收與發(fā)射、超導(dǎo)等物理現(xiàn)象。作為物理學(xué)專業(yè)的專業(yè)理論課，量子力學(xué)在物理學(xué)專業(yè)中具有極其重要的地位。現(xiàn)代物理學(xué)的各個(gè)分支，如高能物理、固體物理、核物理、天體物理和激光物理等都是以量子力學(xué)為基礎(chǔ)，并且已經(jīng)滲透到化學(xué)和生物學(xué)等其他學(xué)科。同時(shí)量子理論還具有巨大的實(shí)用價(jià)值，半導(dǎo)體器件和材料、激光技術(shù)、原子能技術(shù)和超導(dǎo)材料等都是以量子力學(xué)原理為基礎(chǔ)的。

通過對量子力學(xué)的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以掌握現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)最重要的基礎(chǔ)理論，還可以提高科學(xué)素質(zhì)和思想素質(zhì)，但是量子力學(xué)中的概念和解決問題的方法與經(jīng)典物理有著本質(zhì)的不同。學(xué)生普遍反映量子力學(xué)抽象、枯燥、難理解、抓不住重點(diǎn)，學(xué)習(xí)起來非常困難。針對以上問題，我對教學(xué)進(jìn)行了思考和探討，采用了一些切實(shí)可行的措施，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生更好地掌握了量子力學(xué)知識(shí)，同時(shí)培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維。

一、教學(xué)過程中存在的問題

在量子力學(xué)的教學(xué)過程中，我發(fā)現(xiàn)以下幾個(gè)問題。

1.量子力學(xué)是一門十分抽象的課程，其中許多概念、原理都不好理解，并且量子力學(xué)從概念到解決問題的方法跟經(jīng)典物理有著根本性的區(qū)別，但是很多學(xué)生習(xí)慣性地用經(jīng)典的思想去理解量子力學(xué)，這樣就不自覺地增加了難度。比如“波粒二象性”，經(jīng)典物理認(rèn)為波動(dòng)性和粒子性是互不相關(guān)的、相互獨(dú)立的，而量子力學(xué)認(rèn)為波動(dòng)性和粒子性是微觀粒子同時(shí)具備的兩種屬性。

2.學(xué)習(xí)量子力學(xué)，數(shù)學(xué)知識(shí)是必不可少的。量子力學(xué)中有著繁雜的數(shù)學(xué)知識(shí)，例如，數(shù)學(xué)分析中的微積分，代數(shù)學(xué)中的矩陣論，數(shù)學(xué)物理方程的微分方程，復(fù)變函數(shù)，等等。在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，不少學(xué)生對已學(xué)過的數(shù)學(xué)知識(shí)掌握得不是很牢固，在推導(dǎo)公式的過程中忘記了公式所描述的物理內(nèi)涵，影響了對量子力學(xué)知識(shí)的理解。

3.由于量子力學(xué)的課時(shí)緊張，教學(xué)過程中采用了傳統(tǒng)的教學(xué)模式，由教師到學(xué)生的“單向傳授”的教學(xué)形式。學(xué)生失去了主體地位，只能被動(dòng)地接受知識(shí)，學(xué)習(xí)的興趣和積極性不高，導(dǎo)致教學(xué)效率降低。

二、量子力學(xué)的教學(xué)方法改革

1.采用多種教學(xué)手段相結(jié)合的教學(xué)模式。由于量子力學(xué)的內(nèi)容抽象難懂，又是建立在一系列基本假定的基礎(chǔ)之上，不少學(xué)生很難接受，甚至認(rèn)為這門課程沒有用處。在量子力學(xué)的教學(xué)過程中，由單一的教師講授過渡到板書、錄像、課件、演示實(shí)驗(yàn)等各種手段相結(jié)合的教學(xué)模式，將圖、文、聲、像等信息有機(jī)地組合在一起，形象、直觀、生動(dòng)，容易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。同時(shí)，通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，學(xué)生可以享受到本校的教學(xué)資源，還可以突破空間的限制，享受到全國高水平的教學(xué)資源，從而豐富學(xué)生的資料庫，也為各學(xué)校的師生討論交流提供一個(gè)很好的平臺(tái)。

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，知識(shí)更新非?？?。在教學(xué)中，教師應(yīng)及時(shí)將與量子力學(xué)相關(guān)的科技前沿和高新技術(shù)引入教學(xué)中，介紹與量子力學(xué)密切相關(guān)的課題，闡明科學(xué)技術(shù)中所蘊(yùn)含的量子力學(xué)原理。如我們在講解一維無限深勢阱時(shí)，將其與半導(dǎo)體量子阱和超晶格這一科學(xué)前沿相聯(lián)系；在講解隧道效應(yīng)時(shí)，將其與掃描隧道顯微鏡相聯(lián)系，進(jìn)而介紹掃描探針操縱單個(gè)原子的實(shí)驗(yàn)。同時(shí)在教學(xué)中，我們理論聯(lián)系實(shí)際，多介紹量子力學(xué)知識(shí)與材料科學(xué)、生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等其他學(xué)科之間的密切聯(lián)系，重點(diǎn)介紹在材料科學(xué)中的廣泛應(yīng)用，包括新材料設(shè)計(jì)、開發(fā)新材料、材料成分和結(jié)構(gòu)分析技術(shù)等。通過這種方式，學(xué)生對這一部分的知識(shí)有了直觀的認(rèn)識(shí)，從而不再感到量子力學(xué)的學(xué)習(xí)枯燥無味，同時(shí)也提高了接受新知識(shí)、學(xué)習(xí)新知識(shí)的意識(shí)和能力。

2.結(jié)合數(shù)學(xué)知識(shí)，把物理情境的建立作為教學(xué)的重點(diǎn)。量子力學(xué)可以說無處不數(shù)學(xué)，這門學(xué)科對高級數(shù)學(xué)語言的成功運(yùn)用，正是它高深與完美的體現(xiàn)。數(shù)學(xué)雖然加深了物理問題的難度，卻維護(hù)了理論的嚴(yán)謹(jǐn)性和科學(xué)性。當(dāng)然這不是要求老師從頭到尾、長篇冗重地推演計(jì)算，合理地修剪枝杈既能讓學(xué)生抓住重點(diǎn)，又免使學(xué)生感到量子力學(xué)只是數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)。對于學(xué)習(xí)量子力學(xué)的同學(xué)，可以著重于對物理概念的剖析和物理圖像的描繪，繞過數(shù)學(xué)分析難點(diǎn)，通過簡化模型、對稱性考慮、極限情形和特例、量綱分析、數(shù)量級估計(jì)、概念延拓對比等得出結(jié)論。定量分析盡量只用簡單的高數(shù)和微積分、常見的常微分方程，對復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)可以不做講解，只對少數(shù)優(yōu)秀生或感興趣的同學(xué)個(gè)別輔導(dǎo)。例如，在求解本征方程時(shí)，只介紹動(dòng)量、定軸轉(zhuǎn)子能量本征值的求解；對無限深勢阱情況，薛定諤方程可類比普通物理中的簡諧振動(dòng)方程；對氫原子和諧振子的能量本征值問題，只重點(diǎn)介紹思路、方法和結(jié)論，不作詳細(xì)推導(dǎo)。

3.充分應(yīng)用類比法，講述量子力學(xué)。經(jīng)典力學(xué)是量子力學(xué)的極限情況，在教授過程中，應(yīng)盡可能找到“經(jīng)典”對應(yīng)，應(yīng)用類比方法講述量子力學(xué)中抽象的概念和物理圖像，有助于正確理解量子力學(xué)的物理圖像。用光的單縫、雙縫衍射、干涉說明光的波動(dòng)性，用光電效應(yīng)、康普頓散射說明光的粒子性，運(yùn)用這種方法有利于學(xué)生掌握光的波粒二象性。在將量子力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)類比的同時(shí)，還要清楚量子力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)在觀念、概念和方法上的區(qū)別。例如，經(jīng)典力學(xué)用位矢、速度描述物體的狀態(tài)，而量子力學(xué)用波函數(shù)描述系統(tǒng)狀態(tài)；經(jīng)典力學(xué)用牛頓第二定律描述狀態(tài)變化，量子力學(xué)用薛定諤方程描述狀態(tài)的變化。另外對于量子力學(xué)中的波粒二象性、態(tài)迭加原理、統(tǒng)計(jì)原理等都要與經(jīng)典力學(xué)中的相關(guān)概念區(qū)分開來，類比說明，闡明清楚其真正內(nèi)涵。

4.改變傳統(tǒng)教學(xué)模式，采用以學(xué)生為主體的教學(xué)模式。量子力學(xué)的現(xiàn)代教學(xué)多以“教師講授”為主，同時(shí)配合多媒體課件輔助教學(xué)，教學(xué)模式較傳統(tǒng)教學(xué)有所變化，多媒體課件教學(xué)雖然能夠在一定程度上激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，但仍然是“填鴨式”的教學(xué)法，沒能真正地改變傳統(tǒng)教學(xué)的弊端。因此在教學(xué)過程中，要避免課堂成為教師的一言堂，鼓勵(lì)學(xué)生提問，激發(fā)學(xué)生的逆向思維和非規(guī)范性思維等，通過創(chuàng)設(shè)問題情境使師生互動(dòng)起來，提高學(xué)生學(xué)習(xí)量子力學(xué)的積極性，加深學(xué)生對這門課程的理解。還要組織學(xué)生開展相關(guān)課題討論，引導(dǎo)學(xué)生自主能動(dòng)地思考，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

三、結(jié)語

“量子力學(xué)”是物理類專業(yè)基礎(chǔ)課程中教學(xué)的難點(diǎn)和重點(diǎn)，建立新的教學(xué)模式，有利于學(xué)生學(xué)習(xí)、理解和掌握這門課程。

參考文獻(xiàn)：

［1］曾謹(jǐn)言.量子力學(xué)［M］.科學(xué)出版社，1997.

［2］周世勛.量子力學(xué)教程［M］.高等教育出版社，1979.

［3］胡響明.淺談量子概念的理解［J］.高等函授學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2004，（2）：29.

第3篇：量子力學(xué)基本概念的發(fā)展范文

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

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

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

一、引言

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

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

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

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

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

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

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

二、時(shí)空的哲學(xué)認(rèn)知與物理學(xué)描述

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

四、狹義相對論中“現(xiàn)象對觀察者的主觀依賴性”及其“消解”

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

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

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

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

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

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

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

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

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

五、廣義相對論中“現(xiàn)象對觀察者的主觀依賴性”及其“消解”

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

廣義相對論時(shí)空是彎曲的，時(shí)空度規(guī)是變化的。

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

將靜態(tài)場物質(zhì)球?qū)懗勺孕▌?dòng)形式：Ψ0=е■，描述在復(fù)空間。ω0是常數(shù)，它的變化只與自身坐標(biāo)系時(shí)間t0相關(guān)，全空間分布（物理本體所在空間）。設(shè)建在“靜態(tài)”場物質(zhì)球上的坐標(biāo)系為K0，觀察微觀客體從靜止開始作蛩僭碩，由洛倫茲變換：

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

七、結(jié)論與討論

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

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

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

注釋：

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

{18} 參見倪光炯等：《近代物理學(xué)》，上?？茖W(xué)技術(shù)出版社1980年版。

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

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

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

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

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

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

第4篇：量子力學(xué)基本概念的發(fā)展范文

關(guān)鍵詞：微電子；半導(dǎo)體物理；教學(xué)質(zhì)量；教學(xué)方法

作者簡介：湯乃云（1976-），女，江蘇鹽城人，上海電力學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，副教授。（上海200090）

基金項(xiàng)目：本文系上海自然科學(xué)基金（編號(hào)：B10ZR1412400）、上海市科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃地方院校能力建設(shè)項(xiàng)目（編號(hào)：10110502200）的研究成果。

中圖分類號(hào)：G642.0     文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A     文章編號(hào)：1007-0079（2012）13-0059-02

隨著半導(dǎo)體和集成電路的迅猛發(fā)展，微電子技術(shù)已經(jīng)滲透到電子信息學(xué)科的各個(gè)領(lǐng)域，電子、通信、控制等諸多學(xué)科都融合了微電子科學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)。[1]作為微電子技術(shù)的理論基礎(chǔ)，半導(dǎo)體物理研究、半導(dǎo)體材料和器件的基本性能和內(nèi)在機(jī)理是研究集成電路工藝、設(shè)計(jì)及應(yīng)用的重要理論基礎(chǔ)；作為微電子學(xué)相關(guān)專業(yè)的特色課程及后續(xù)課程的理論基礎(chǔ)，“半導(dǎo)體物理”的教學(xué)直接影響了后續(xù)專業(yè)理論及實(shí)踐的教學(xué)。目前，對以工程能力培養(yǎng)為目標(biāo)的微電子類相關(guān)專業(yè)，如電子科學(xué)與技術(shù)、微電子、集成電路設(shè)計(jì)等，均強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的電路設(shè)計(jì)能力，注重學(xué)生的工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)，在課程設(shè)置及教學(xué)上輕視基礎(chǔ)理論課程。由于“半導(dǎo)體物理”的理論較為深?yuàn)W，知識(shí)點(diǎn)多，涉及范圍廣，理論推導(dǎo)復(fù)雜，學(xué)科性很強(qiáng)，對于學(xué)生的數(shù)學(xué)物理的基礎(chǔ)要求較高。對于沒有固體物理、量子力學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理等基礎(chǔ)知識(shí)背景的微電子學(xué)專業(yè)的學(xué)生來說，在半導(dǎo)體物理的學(xué)習(xí)和理解上都存在一定的難度。因此需要針對目前教學(xué)過程中存在的問題與不足，優(yōu)化和整合教學(xué)內(nèi)容，探索形象化教學(xué)手段，結(jié)合科技發(fā)展熱點(diǎn)問題，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高半導(dǎo)體物理課程的教學(xué)質(zhì)量。

一、循序漸進(jìn)，有增有減，構(gòu)建合理的教學(xué)內(nèi)容

目前，國內(nèi)微電子專業(yè)大部分選用了電子工業(yè)出版社劉恩科等編寫的《半導(dǎo)體物理學(xué)》，[2]教材知識(shí)內(nèi)容體系完善，涉及內(nèi)容范圍廣、知識(shí)點(diǎn)多、理論推導(dǎo)復(fù)雜、學(xué)科交叉性強(qiáng)。該教材的學(xué)習(xí)需要學(xué)生有扎實(shí)的固體物理、量子力學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理以及數(shù)學(xué)物理方法等多門前置學(xué)科的基礎(chǔ)知識(shí)。但是在以培養(yǎng)工程技術(shù)人員為目標(biāo)的微電子學(xué)類專業(yè)中，國內(nèi)大部分高校均未開設(shè)量子力學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理學(xué)及固體物理學(xué)等相應(yīng)的前置課程。學(xué)生缺少相應(yīng)固體物理、統(tǒng)計(jì)物理與量子力學(xué)等背景知識(shí)，沒有掌握相關(guān)理論基礎(chǔ)，對半導(dǎo)體物理的學(xué)習(xí)感到頭緒繁多，難以理解，容易產(chǎn)生畏學(xué)和厭學(xué)情緒。

在課程教學(xué)中教師必須根據(jù)學(xué)生的數(shù)理基礎(chǔ)，把握好課程的內(nèi)容安排，抓住重點(diǎn)和難點(diǎn)，對原有的教材進(jìn)行補(bǔ)充更新，注意將部分量子力學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理學(xué)、固體物理學(xué)等相關(guān)知識(shí)融合貫穿在教學(xué)中，避免學(xué)生在認(rèn)識(shí)上產(chǎn)生跳躍。例如在講解導(dǎo)體晶格結(jié)構(gòu)內(nèi)容前，可以增加2-3個(gè)學(xué)時(shí)的量子力學(xué)和固體物理學(xué)中基礎(chǔ)知識(shí)，讓學(xué)生在課程開展前熟悉晶體的結(jié)構(gòu)，了解晶格、晶胞、晶向、晶面、晶格常數(shù)等基本概念，掌握晶向指數(shù)、晶面指數(shù)的求法，了解微觀粒子的基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律。在講解半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)前，增加兩個(gè)學(xué)時(shí)量子力學(xué)知識(shí)，使學(xué)生了解粒子的波粒二象性，掌握晶體中薛定諤方程及其求解的基本方法。在進(jìn)行一些復(fù)雜的公式推導(dǎo)時(shí)，隨時(shí)復(fù)習(xí)或補(bǔ)充一些重要的高等數(shù)學(xué)定理及公式，如泰勒級數(shù)展開等。這些都是學(xué)習(xí)“半導(dǎo)體物理學(xué)”必備的知識(shí)，只有在透徹理解這些基本概念的前提下，才能對半導(dǎo)體課程知識(shí)進(jìn)行深入地學(xué)習(xí)和掌握。

另一方面，對于微電子學(xué)專業(yè)來講，側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)，“半導(dǎo)體物理”課程中的部分教學(xué)內(nèi)容對于工科本科學(xué)生來說過于艱深，因此在滿足本學(xué)科知識(shí)的連貫性、系統(tǒng)性與后續(xù)專業(yè)課需要的前提下，大量刪減了涉及艱深物理理論及復(fù)雜數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)的內(nèi)容，如在講述載流子在電場中的加速以及散射時(shí)，可忽略載流子熱運(yùn)動(dòng)速度的區(qū)別及各向異性散射效應(yīng)，即玻耳茲曼方程的引入，推導(dǎo)及應(yīng)用可省略不講。

二、豐富教學(xué)手段，施行多樣化教學(xué)方法，使教學(xué)形象化

半導(dǎo)體物理的特點(diǎn)是概念多、理論多、物理模型抽象，不易理解，如非平衡載流子的一維飄移和擴(kuò)散，載流子的各種復(fù)合機(jī)理，金屬和半導(dǎo)體接觸的能帶圖等。這些物理概念和理論模型單一從課本上學(xué)習(xí)，學(xué)生會(huì)感覺內(nèi)容枯燥，缺少直觀性和形象性，學(xué)習(xí)起來比較困難。為了讓學(xué)生能較好地掌握這些模型和理論，需要采用多樣化的教學(xué)方法，充分利用PPT、Flash等多媒體軟件、實(shí)物模型、生產(chǎn)錄像等多種信息化教學(xué)手段，模擬微觀過程，使教學(xué)信息具體化，邏輯思維形象化，增強(qiáng)教學(xué)的直觀性和主動(dòng)性。同時(shí)，教師除開展啟發(fā)式、討論式等教學(xué)方法調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、積極性外，[3，4]還可以應(yīng)用類比方法幫助他們理解物理概念或模型。如講半導(dǎo)體材料中的缺陷及躍遷機(jī)制時(shí)，為了幫助學(xué)生理解，可以做一個(gè)類比：將階梯教師里單位面積的座位數(shù)比做晶格各能級上的電子能態(tài)密度，把學(xué)生當(dāng)作電子，一個(gè)學(xué)生坐在某一排的某個(gè)座位上，即認(rèn)為這個(gè)電子被晶格束縛。當(dāng)有外來學(xué)生進(jìn)入教室，在教室過道上走動(dòng)時(shí)，可類比為間隙式缺陷；而當(dāng)外來學(xué)生取代現(xiàn)有學(xué)生的座位時(shí)，可類比為填隙式缺陷等等。通過類比，學(xué)生對半導(dǎo)體內(nèi)部的點(diǎn)缺陷的概念的理解就清楚形象多了。

三、結(jié)合微電子行業(yè)領(lǐng)域的迅速發(fā)展，以市場為導(dǎo)向，培養(yǎng)學(xué)生興趣

微電子技術(shù)的發(fā)展歷史，實(shí)際上就是固體物理與半導(dǎo)體物理不斷發(fā)展和創(chuàng)新的過程，[5]1947年發(fā)明點(diǎn)接觸型晶體管、1948年發(fā)明結(jié)型場效應(yīng)晶體管以及以后的硅平面工藝、集成電路、CMOS技術(shù)、半導(dǎo)體隨機(jī)存儲(chǔ)器、CPU、非揮發(fā)存儲(chǔ)器等微電子領(lǐng)域的重大發(fā)明，都與一系列的固體物理、[6]半導(dǎo)體物理及材料科學(xué)的重大突破有關(guān)?？v觀微電子工業(yè)的發(fā)展，究竟是哪些半導(dǎo)體理論推動(dòng)了微電子技術(shù)的發(fā)展，哪些科學(xué)家推導(dǎo)并得出了這些理論？他們在理論推導(dǎo)的同時(shí)遇到了哪些困難？這些理論規(guī)律又起源于哪些實(shí)驗(yàn)？到了21世紀(jì)，也就是今后50年微電子技術(shù)的發(fā)展趨勢和主要的創(chuàng)新領(lǐng)域，[5，6]即以硅基CMOS電路為主流工藝，系統(tǒng)芯片SOC（System On A Chip）為發(fā)展重點(diǎn)，量子電子器件和以分子（原子）自組裝技術(shù)為基礎(chǔ)的納米電子學(xué)；[7]與其他學(xué)科的結(jié)合誕生新的技術(shù)增長點(diǎn)，如MEMS，DNA Chip等，也都于半導(dǎo)體科學(xué)相關(guān)。這些新的微電子發(fā)展趨勢主要涉及半導(dǎo)體物理中的哪些知識(shí)？涉及哪些領(lǐng)域等？

針對以上問題，教師在講授半導(dǎo)體物理的基礎(chǔ)上，對教材進(jìn)行補(bǔ)充更新。在保持基礎(chǔ)知識(shí)體系完整性的同時(shí)，避免面面俱到，刪減課本中一些不必要的內(nèi)容，大量加入近幾十年來發(fā)展成熟的新理論、新知識(shí)，突出研究熱點(diǎn)問題，力求做到基礎(chǔ)性和前瞻性的緊密結(jié)合，使學(xué)生在掌握基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)對微電子發(fā)展歷史中半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展趨勢有一個(gè)清晰地認(rèn)識(shí)，讓學(xué)生能從中掌握事物的本質(zhì)，促進(jìn)思維的發(fā)展，形成技能；同時(shí)注重與信息化技術(shù)相結(jié)合，將近幾年半導(dǎo)體技術(shù)的最新研究成果，如太陽能電池等半導(dǎo)體光伏發(fā)電技術(shù)在國家綠色能源戰(zhàn)略上的地位，半導(dǎo)體光電探測器在國家航天戰(zhàn)略上的應(yīng)用等，使學(xué)生能及時(shí)掌握半導(dǎo)體技術(shù)前沿發(fā)展趨勢。將這些問題分成若干個(gè)相關(guān)的專題分派給學(xué)生，學(xué)生自行查閱和搜集資料，他們在課堂上講述該專題，教師加以引導(dǎo)和幫助。這種方式不僅充分調(diào)動(dòng)課堂氣氛，加深他們對所學(xué)知識(shí)的理解，同時(shí)也讓學(xué)生學(xué)習(xí)了半導(dǎo)體物理課程在微電子專業(yè)中課程體系的作用，在科學(xué)意識(shí)上加深了半導(dǎo)體物理課程的重要性，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣和欲望。

同時(shí)，為幫助學(xué)生了解學(xué)術(shù)前沿，培養(yǎng)專業(yè)興趣，還可邀請校內(nèi)外的專家做講座，學(xué)生可以利用課余時(shí)間，根據(jù)自己的興趣選擇聽取，加深對半導(dǎo)體物理課程的了解，培養(yǎng)專業(yè)學(xué)習(xí)興趣。

四、總結(jié)

總之，“半導(dǎo)體物理學(xué)”是微電子技術(shù)專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下理論基礎(chǔ)。在“半導(dǎo)體物理”教學(xué)過程中，應(yīng)積極采用現(xiàn)代化教學(xué)手段提高學(xué)生積極性，在教學(xué)過程中合理安排教學(xué)內(nèi)容，與時(shí)俱進(jìn)引入科技熱點(diǎn)，削弱傳統(tǒng)的課本知識(shí)與市場需求的鴻溝，培養(yǎng)適應(yīng)社會(huì)需求的微電子人才。

參考文獻(xiàn)：

[1]張興,黃如,劉曉彥.微電子學(xué)概論[M].北京:北京大學(xué)出版社,2000.

[2]劉恩科,朱秉升,羅晉生.半導(dǎo)體物理學(xué)[M].北京:電子工業(yè)出版社,

2008.

[3]陳國英.《半導(dǎo)體器件物理基礎(chǔ)》課程教學(xué)的思考[J].常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2007,(6):56-57.

[4]王印月,趙猛.改革半導(dǎo)體課程教學(xué)融入研究性學(xué)習(xí)思想[J].高等理科教育,2003,(1):69-71.

[5]王陽元,張興.面向21世紀(jì)的微電子技術(shù)[J].世界科技研究與發(fā)展,

1999,(4):4-11.

第5篇：量子力學(xué)基本概念的發(fā)展范文

自從 Thompson 于100多年前發(fā)現(xiàn)了作為第一個(gè)基本粒子的電子以來，粒子物理逐漸成為現(xiàn)代科學(xué)的前沿，受到了普遍的關(guān)注，吸引了越來越多的實(shí)驗(yàn)家和理論家投入其中。他們企圖發(fā)現(xiàn)物質(zhì)的最深層結(jié)構(gòu)，探究這些最基本組分之間的作用力，并致力于這些作用力的統(tǒng)一描述的實(shí)驗(yàn)和理論研究。粒子物理實(shí)驗(yàn)家和理論家們當(dāng)前還面對許多需要進(jìn)一步努力解決的難題。比如，到底有多少代夸克和輕子存在？費(fèi)米子質(zhì)量是怎么來的？“上帝的粒子”Higgs粒子究竟有沒有？CP破壞來源是什么？為什么物質(zhì)與反物質(zhì)如此的不平衡？引力怎樣才能與其它相互作用統(tǒng)一起來？

本書不僅涵蓋了幾乎所有重要的基本概念和最新的發(fā)展，還詳細(xì)地介紹了天體物理學(xué)、宇宙學(xué)與粒子物理之間的新的交叉學(xué)科，即所謂的天體粒子物理學(xué)的基本知識(shí)。

本書的兩位作者（兄弟二人）都是巴基斯坦著名的理論粒子物理學(xué)家、諾獎(jiǎng)得主Salam 的學(xué)生，從事粒子物理研究幾十年。本書是他們在世界多所大學(xué)講授粒子物理的講義發(fā)展而成的。第1版出版于1992年，2000年出版了第2版，對于原書做了很多修改和補(bǔ)充。本書是2012年出版的第3版。它對于原書做了大量的更新和擴(kuò)充。有7章徹底改寫了。添加了許多新的內(nèi)容和大量習(xí)題。

全書內(nèi)容共分成18章：1. 導(dǎo)論； 2. 散射和粒子的相互作用； 3. 時(shí)空對稱性；4. 內(nèi)部對稱性；5. U-群和SU（3）；6. SU（6）和夸克模型；7. 色、規(guī)范原理和量子色動(dòng)力學(xué)；8. 重味； 9. 重夸克等效理論； 10. 弱相互作用；11. 強(qiáng)子弱流的性質(zhì)和手征對稱性；12. 中微子； 13. 弱電統(tǒng)一； 14. 深度非彈性散射； 15.重味的弱衰變； 16. 粒子的混合與CP-破壞； 17. 大統(tǒng)一、超對稱和弦； 18. 宇宙學(xué)和天體粒子物理學(xué)。書末有兩個(gè)附錄，分別簡要地介紹了量子場論和重整化群與運(yùn)行耦合常數(shù)的基本知識(shí)。

本書對于粒子物理的介紹非常豐富，推導(dǎo)很詳細(xì)，而且盡量不用形式化的量子場論而更多地依靠量子力學(xué)知識(shí)。因此適合于廣泛的讀者，諸如高能物理、粒子物理、原子核物理學(xué)、天文學(xué)和天體粒子物理學(xué)等領(lǐng)域的研究生和研究人員，選做粒子物理的教材和重要的參考書。

第6篇：量子力學(xué)基本概念的發(fā)展范文

關(guān)鍵詞：熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理 教學(xué)內(nèi)容 教學(xué)方法 考核方式 材料物理專業(yè)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）07（c）-0170-02

材料物理專業(yè)是材料科學(xué)與物理學(xué)的一個(gè)交叉學(xué)科，專業(yè)特點(diǎn)要求在課程設(shè)置上既有材料科學(xué)方面的課程又要有物理類課程。安徽工業(yè)大學(xué)材料物理專業(yè)于2003年開始進(jìn)行籌劃建設(shè)，2005年實(shí)現(xiàn)了首次招生。經(jīng)過幾年的探索、規(guī)劃和實(shí)踐，基本完成了專業(yè)定位和課程體系設(shè)置[1]，正逐步完善專業(yè)建設(shè)?，F(xiàn)階段，保留了量子力學(xué)，熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理（以下簡稱熱統(tǒng)）和固體物理學(xué)作為本專業(yè)的物理類必修課程。其中，熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，無論對后續(xù)的物理類還是材料類課程的學(xué)習(xí)都起到承上啟下的知識(shí)連接作用。本課程的設(shè)置目的使學(xué)生能夠熟練掌握熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)力學(xué)的基本原理和研究方法，逐步建立分析微觀世界的思路和方法，訓(xùn)練學(xué)生嚴(yán)格的邏輯思維能力，培養(yǎng)演繹推理能力，提高解決具體問題的能力。

1 熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理課程教學(xué)中存在的主要問題

熱統(tǒng)課程內(nèi)容由熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理兩部分組成。其中，熱力學(xué)是研究熱現(xiàn)象的宏觀理論，它從若干經(jīng)驗(yàn)定律出發(fā)，通過嚴(yán)密的邏輯演繹方法，最終給出系統(tǒng)的宏觀熱性質(zhì)；而統(tǒng)計(jì)物理則是研究熱現(xiàn)象的微觀理論，它從微觀粒子的力學(xué)規(guī)律出發(fā)，加上統(tǒng)計(jì)假設(shè)，獲得系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)。從內(nèi)容上來看，熱統(tǒng)課程的理論性強(qiáng)，教學(xué)內(nèi)容繁雜。尤其，在當(dāng)前高校推行素質(zhì)教育和培養(yǎng)應(yīng)用型人才的指導(dǎo)下，基礎(chǔ)理論課課程教學(xué)學(xué)時(shí)均有不同程度的壓縮。我校熱統(tǒng)課程安排為40個(gè)學(xué)時(shí)，由此帶來了教學(xué)學(xué)識(shí)少和教學(xué)內(nèi)容多的嚴(yán)重矛盾。我們根據(jù)我校材料物理專業(yè)特色方向和后續(xù)課程，在熱統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容上做出了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

現(xiàn)行的熱統(tǒng)教材理論性強(qiáng)，較適合理科生使用，缺乏較合適的工科材料類學(xué)生使用的熱統(tǒng)教材。在組織教學(xué)中，我們以汪志誠編寫的《熱力學(xué)?統(tǒng)計(jì)物理（第四版）》作為主要參考教材[2]，同時(shí)綜合了多本經(jīng)典教材，如：胡承正編著的《熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)》，包景東編著的《熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理簡明教程》等[3～4]。根據(jù)我校材料物理專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和專業(yè)特色方向，本著“先進(jìn)、有效、有用”的原則，對熱統(tǒng)課程的教學(xué)內(nèi)容應(yīng)該進(jìn)行認(rèn)真清理與重構(gòu)，形成適合本校實(shí)際的課程講義。

在教學(xué)方法和考核方式上也應(yīng)根據(jù)我校實(shí)際進(jìn)行相應(yīng)的改革。熱統(tǒng)課程是一個(gè)理論性強(qiáng)的課程，其中的物理概念抽象，物理公式繁雜。安徽工業(yè)大學(xué)材料物理專業(yè)是在工科背景下成立并發(fā)展起來的，學(xué)生的數(shù)理基礎(chǔ)相對薄弱，在學(xué)習(xí)的過程中會(huì)有些吃力。長期的教學(xué)實(shí)踐告訴我們，如果采取傳統(tǒng)的灌輸式教學(xué)方法，只能使熱統(tǒng)課堂教學(xué)枯燥無味，學(xué)生被動(dòng)的接受知識(shí)，失去了學(xué)習(xí)興趣，甚至對后續(xù)的專業(yè)課學(xué)習(xí)產(chǎn)生抵觸情緒。另外，傳統(tǒng)的閉卷考試常造成學(xué)生不重視平時(shí)的學(xué)習(xí)過程，期末復(fù)習(xí)只看教學(xué)課件，期待老師劃重點(diǎn)，搞突擊記憶。

針對上述現(xiàn)狀，我們嘗試著進(jìn)行了教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)方法和考核方式的改革和實(shí)踐。

2 教學(xué)內(nèi)容的改革

2.1 優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

熱統(tǒng)課程的熱力學(xué)部分與先修課程，如大學(xué)物理、物理化學(xué)和工程化學(xué)基礎(chǔ)的部分內(nèi)容重復(fù)率較高。我們在充分了解本專業(yè)學(xué)生的先修課程和后續(xù)課程的教學(xué)內(nèi)容后，對與其他課程有交叉重疊的部分進(jìn)行了壓縮和刪減。比如：熱力學(xué)部分的熱力學(xué)基本定律，熱力學(xué)函數(shù)，化學(xué)平衡條件，理想氣體的化學(xué)平衡等都在先修課程里面作為重點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行講授的。在實(shí)際教學(xué)時(shí)，只作復(fù)習(xí)性的簡述或以學(xué)生自學(xué)的方式完成。但為保證熱力學(xué)基本概念與規(guī)律的嚴(yán)格性與系統(tǒng)性，對重要的基本概念和定律還是進(jìn)行重點(diǎn)講解。通過這樣的調(diào)整，節(jié)省了熱力學(xué)部分的教學(xué)學(xué)時(shí)，加大了統(tǒng)計(jì)物理部分的學(xué)時(shí)講授。統(tǒng)計(jì)物理是從宏觀系統(tǒng)的微觀結(jié)構(gòu)入手，從內(nèi)容上與量子力學(xué)和固體物理課程聯(lián)系緊密，也為后續(xù)的計(jì)算材料學(xué)課程，甚至可為本科畢業(yè)論文工作提供前期的知識(shí)準(zhǔn)備。在統(tǒng)計(jì)物理教學(xué)部分，將在先修課程中學(xué)習(xí)過的麥克斯韋速度分布率和能均分定理略講；固體的熱容量的德拜理論是固體物理課程的重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容，在熱統(tǒng)教學(xué)中，這部分只簡單提及。經(jīng)過這樣的教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化后，節(jié)省了課時(shí)，加強(qiáng)了課程之間的聯(lián)系，提高了教學(xué)效率。

2.2 適當(dāng)引入材料學(xué)科前沿內(nèi)容

創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)要求課程內(nèi)容要體現(xiàn)先進(jìn)性和現(xiàn)代化。通過合理的補(bǔ)充與熱統(tǒng)課程相關(guān)的材料學(xué)和物理學(xué)最新的學(xué)術(shù)成就與進(jìn)展，有意識(shí)的突出課程的廣度，豐富和具體化基本理論內(nèi)容。增加學(xué)科前沿內(nèi)容，我們從兩個(gè)方面進(jìn)行。一方面是在講授基礎(chǔ)理論知識(shí)的同時(shí)，引入與該知識(shí)密切相關(guān)的科學(xué)技術(shù)發(fā)展的介紹。例如：在對溫度和溫標(biāo)作復(fù)習(xí)簡述的時(shí)候，介紹測溫儀表和測溫技術(shù)。電阻溫度計(jì)，熱電偶測溫技術(shù)，紅外測溫技術(shù)等在后續(xù)的材料類課程學(xué)習(xí)，課程設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)及畢業(yè)論文工作是非常重要的一部分。在講授氣體的節(jié)流和膨脹過程一節(jié)時(shí)，介紹了獲得低溫的技術(shù)，以及與低溫有關(guān)的材料性能的變化，超導(dǎo)電現(xiàn)象的發(fā)展歷史及科研現(xiàn)狀等；在講授單元系的相變時(shí)，加強(qiáng)了對二級相變和臨界現(xiàn)象的講授，介紹了磁性材料，超導(dǎo)材料，超流體等方面的最新研究進(jìn)展；在統(tǒng)計(jì)物理部分，介紹玻色-愛因斯坦凝聚的新進(jìn)展，講授統(tǒng)計(jì)物理部分的金屬中的自由電子時(shí)，適當(dāng)介紹計(jì)算材料學(xué)和計(jì)算物理方面的研究現(xiàn)狀等。另一方面是通過鼓勵(lì)學(xué)生現(xiàn)場聽取相關(guān)的學(xué)術(shù)報(bào)告，或者觀看相關(guān)報(bào)告的視頻。通過前沿知識(shí)的適當(dāng)引進(jìn)，開闊了學(xué)生的視野，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)和科研興趣，獲得了較好的教學(xué)效果。

2.3 注重理論聯(lián)系實(shí)際

材料類專業(yè)是應(yīng)用性很強(qiáng)的專業(yè)，要求熱統(tǒng)課程教學(xué)內(nèi)容要體現(xiàn)實(shí)用性，加強(qiáng)理論與實(shí)際的聯(lián)系。我們鼓勵(lì)學(xué)生通過本科生科研訓(xùn)練計(jì)劃（SRTP）和大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃的方式參與相關(guān)教師的課題研究，或者開設(shè)課程設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)。如在講授相變的章節(jié)時(shí)，為了讓學(xué)生加深對二級相變的理解，開設(shè)了高溫超導(dǎo)轉(zhuǎn)變的實(shí)驗(yàn)，巨磁電阻材料的相變實(shí)驗(yàn)等。組織學(xué)生參觀學(xué)校相關(guān)的實(shí)驗(yàn)室，如參觀計(jì)算材料實(shí)驗(yàn)室，使學(xué)生了解相圖的理論計(jì)算方法，第一性原理計(jì)算及材料設(shè)計(jì)方法。經(jīng)過這樣的訓(xùn)練，學(xué)生對物理概念有了深入的理解，提高學(xué)生的應(yīng)用能力，研究能力和創(chuàng)新能力。

3 教學(xué)方法和考核方式的改革

3.1 學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)

在組織課堂教學(xué)時(shí)，認(rèn)真貫徹以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)的教學(xué)思想，加強(qiáng)師生互動(dòng)，爭取使學(xué)生由被動(dòng)接受知識(shí)變?yōu)橹鲃?dòng)探索知識(shí)。在課前，給學(xué)生預(yù)留思考題進(jìn)行課前預(yù)習(xí)，讓學(xué)生帶著問題去聽課，做到有的放矢。在組織教學(xué)時(shí)，對重點(diǎn)章節(jié)進(jìn)行精講，適時(shí)開展物理基本概念和基本問題的討論，啟發(fā)學(xué)生思考和推理。對相對容易理解的章節(jié)組織學(xué)生自學(xué)，或者制作成ppt課件，在課堂上講解，教師在做總結(jié)式講授。課后，要求學(xué)生獨(dú)立完成作業(yè)和習(xí)題，以期加深對基本概念的理解和應(yīng)用。

3.2 重物理思想 簡化數(shù)學(xué)推導(dǎo)

在組織教學(xué)的過程中，重點(diǎn)講解基本概念，突出物理思想。借助于多媒體教學(xué)，對于較抽象、難理解的概念和原理，可通過制作圖文并茂的課件，或者觀看相關(guān)視頻的方式，使抽象的概念形象化，增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)。適當(dāng)補(bǔ)充基本概念辨析題和思考題以促進(jìn)學(xué)生對基本概念的深入理解和掌握。對于必要的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，使用板書的方式進(jìn)行詳解和推導(dǎo)，留給學(xué)生足夠的時(shí)間思考并跟上教師的思路。

3.3 考核方式的改革

考核是教學(xué)過程的主要環(huán)節(jié)之一，應(yīng)具有實(shí)用性和針對性，并能體現(xiàn)學(xué)生的綜合素質(zhì)。我們在考核方面，加大了平時(shí)成績的比例，增加了課堂回答問題，課堂討論，撰寫科研小論文等環(huán)節(jié)的考核。在期末的閉卷考試中，減少死記硬背的概念題和公式，把考核重點(diǎn)放在學(xué)生對基本物理概念的理解和基本理論知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用上。

4 實(shí)踐效果

在教學(xué)實(shí)踐中逐步形成了適合我校材料物理專業(yè)實(shí)際的熱統(tǒng)課程講義。實(shí)踐證明，改革措施在緩解授課學(xué)時(shí)與教學(xué)內(nèi)容的矛盾，拓寬學(xué)生知識(shí)面等方面效果顯著。尤其，熱統(tǒng)課程作為材料物理專業(yè)的前期先修基礎(chǔ)課，對后續(xù)的課程學(xué)習(xí)起著承上啟下的重要作用。通過上述的教學(xué)改革后，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性大大提高，熱愛本專業(yè)的學(xué)習(xí)，踴躍參加SRTP和大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的計(jì)劃，甚至部分同學(xué)提前加入教師團(tuán)隊(duì)的課題組，對未來的工作或者繼續(xù)深造充滿信心。

參考文獻(xiàn)

[1] 方道來，童六牛，夏愛林，等.材料物理專業(yè)定位及課程體系設(shè)置的探索[J].安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：社會(huì)科學(xué)版，2011（23）：104-105.

[2] 汪志誠.熱力學(xué)?統(tǒng)計(jì)物理[M].北京：高等教育出版社，2010.

第7篇：量子力學(xué)基本概念的發(fā)展范文

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)的一場偉大的革命。愛因斯坦創(chuàng)立了相對論；海林堡、薛定諤等一群科學(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?？梢哉f，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?？陀^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年美國的彭齊亞斯和威爾遜觀測到宇宙背景輻射，再加上其他的觀測結(jié)果，為“大爆炸”理論提供了有力的證據(jù)，從此“大爆炸”理論得到廣泛的支持，1981年日本的佐藤勝彥和美國的古斯同時(shí)提出暴脹理論。八十年代以后，英國的霍金[2,3]等人開始論述宇宙的創(chuàng)生，認(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)一場論”；直到1967、1968年，美國的溫伯格和巴基斯坦的薩拉姆提出統(tǒng)一電磁力和弱力的“電弱理論”；目前有一些物理學(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)一場論”是基于他的“物理世界統(tǒng)一性”的思想[4]，但是他努力探索了三十年，最終沒有成功。我對此有不同的觀點(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)展都是相對的，因而在絕對真理的長河中，人們對于在各個(gè)一定發(fā)展階段上的具體過程的認(rèn)識(shí)只具有相對的真理性。無數(shù)相對的真理之總和，就是絕對的真理。”“人們在實(shí)踐中對于真理的認(rèn)識(shí)也就永遠(yuǎn)沒有完結(jié)。”[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)理論也只是相對真理，而不是絕對真理。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）對相對論的審思

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。如果這種場是電磁場，則電磁相互作用傳遞的速度就是光速。因此，愛因斯坦定義的時(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)測量引力波是眾所矚目的一個(gè)熱點(diǎn)，我曾對那些實(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)該能夠探測到的話，長期的實(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）對量子力學(xué)的審思

從量子力學(xué)發(fā)展到量子場論的時(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?！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，就必須面對使新的理論滿足相對論協(xié)變性的難題。是否有解決問題的其他途徑呢？我認(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)基本概念的發(fā)展范文

關(guān)鍵詞：Gaussian程序；教學(xué)實(shí)踐；應(yīng)用教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）27-0162-02

Gaussian程序起源于上世紀(jì)七八十年代，當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)硬件條件很差，只能計(jì)算比較簡單的分子，且計(jì)算級別較低，所以幾乎不能應(yīng)用于解決化學(xué)問題。隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算方法的不斷優(yōu)化改良，到上世紀(jì)八九十年代，人們已經(jīng)逐漸可以借助量子化學(xué)計(jì)算程序去對實(shí)驗(yàn)中的化學(xué)體系進(jìn)行模擬和研究。值得一提的是，1998年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予科恩和波普爾，以表彰他們在理論化學(xué)領(lǐng)域做出的重大貢獻(xiàn)。他們的工作使實(shí)驗(yàn)和理論能夠共同協(xié)力探討分子體系的性質(zhì)，引起整個(gè)化學(xué)領(lǐng)域經(jīng)歷一場革命的變化，使化學(xué)不再是一門純粹的實(shí)驗(yàn)科學(xué)。其中，波普爾正是Gaussian程序的原創(chuàng)者之一，此次得獎(jiǎng)也是為Gaussian程序在世界范圍內(nèi)被接受和認(rèn)可奠定了基礎(chǔ)。Gaussian的版本從上世紀(jì)開始有Gaussian 70、Gaussian 80、Gaussian 90、Gaussian 98等一系列程序。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著Gaussian 98、Gaussian 03、Gaussian 09[1]等版本的持續(xù)更新和改進(jìn)，Gaussian程序的功能也越來越強(qiáng)大，應(yīng)用范圍也越來越廣。目前，Gaussian的主要功能包括：過渡態(tài)能量和結(jié)構(gòu)、反應(yīng)路徑、熱力學(xué)性質(zhì)、分子軌道、鍵和反應(yīng)能量、原子電荷和電勢、核磁性質(zhì)、紅外和拉曼光譜、振動(dòng)頻率、極化率和超極化率等，計(jì)算不僅可以對具體體系的基態(tài)進(jìn)行計(jì)算，還可以對其激發(fā)態(tài)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)進(jìn)行研究。另外，它還可以用來預(yù)測周期體系的能量、結(jié)構(gòu)和分子軌道。因此，Gaussian可以作為功能強(qiáng)大的工具，用于研究許多化學(xué)領(lǐng)域的課題，例如取代基的影響，化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，勢能曲面和激發(fā)能等。該程序近年來的高速發(fā)展和廣泛應(yīng)用使其成為化學(xué)學(xué)科的科研教學(xué)人員必須掌握的工具之一。目前國內(nèi)很多知名高校和科研院所都已經(jīng)開展了Gaussian程序應(yīng)用這門課程，并且作為相關(guān)專業(yè)本科生和研究生的必修課程。鑒于此，我院于2014年也開展了Gaussian程序應(yīng)用作為研究生選修課程，這對于提高我院研究生專業(yè)素養(yǎng)和科研水平具有重要的意義。

一、Gaussian程序應(yīng)用的參考教材選取

有很多關(guān)于Gaussian程序應(yīng)用方面的書籍，包括中文的和英文的。針對這門課來說，我選擇的參考教材主要是Foresman和Frisch編著的《Exploring chemistry with electronic structure methods》[2]以及可在Gaussian官網(wǎng)下載的與其配套的例子。該書分為三個(gè)部分，分別是基本概念和技術(shù)（包括第一章計(jì)算模型、第二章單點(diǎn)能計(jì)算、第三章幾何優(yōu)化、第四章 頻率分析）、計(jì)算化學(xué)方法（包括第五章基族的影響、第六章理論方法的選擇、第七章高精度計(jì)算）和應(yīng)用部分（包括第八章研究反應(yīng)和反應(yīng)性、第九章激發(fā)態(tài)、第十章溶液中的反應(yīng)）。我選擇此書的出發(fā)點(diǎn)是：它的內(nèi)容從基礎(chǔ)到應(yīng)用、從淺至深地介紹了Gaussian程序的主要功能和應(yīng)用。書中的例子涉及分子能量和結(jié)構(gòu)研究、過渡態(tài)的能量和結(jié)構(gòu)研究、化學(xué)鍵以及反應(yīng)的能量、振動(dòng)頻率、分子軌道、偶極矩和多極矩、原子電荷和電勢、紅外和拉曼光譜、核磁、極化率和超極化率、熱力學(xué)性質(zhì)、IRC反應(yīng)途徑等計(jì)算，另外還舉例模擬了在氣相和溶液中的體系、模擬基態(tài)和激發(fā)態(tài)分子的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)。這些具體例子能夠幫助從事化學(xué)及其相關(guān)領(lǐng)域的科研工作人員、教師和研究生等從不同的視角把握分子模型設(shè)計(jì)和計(jì)算模擬的策略、原則和方法，從而能夠讓研究人員全面了解Gaussian程序計(jì)算的模擬方法和應(yīng)用實(shí)例。

二、Gaussian教學(xué)內(nèi)容的選取

Gaussian程序主要是以分子力學(xué)和量子力學(xué)等為理論依據(jù)，借助計(jì)算機(jī)模擬進(jìn)行化學(xué)問題研究的一門交叉學(xué)科。該課程教學(xué)涉及內(nèi)容多、范圍廣，這就要求學(xué)生具有良好的數(shù)學(xué)、計(jì)算化學(xué)、結(jié)構(gòu)化學(xué)、物理化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、無機(jī)化學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)等眾多專業(yè)知識(shí)的積累。學(xué)習(xí)這門課有助于拓寬學(xué)生的知識(shí)面，培養(yǎng)學(xué)生綜合多種學(xué)科知識(shí)，解決實(shí)際復(fù)雜的化學(xué)問題的能力。然而這門課理論概念抽象，學(xué)生理解起來非常困難，教學(xué)難度也較大。選修這門課的學(xué)生主要來自物理化學(xué)專業(yè)和有機(jī)化學(xué)專業(yè)。對于物理化學(xué)專業(yè)的學(xué)生來說，他們的結(jié)構(gòu)化學(xué)、計(jì)算化學(xué)和物理化學(xué)知識(shí)基礎(chǔ)較好，這門課的學(xué)習(xí)不是非常困難。然而對于有機(jī)化學(xué)專業(yè)的學(xué)生來說，這門課學(xué)起來就比較困難了，因?yàn)樗麄兊挠?jì)算化學(xué)、結(jié)構(gòu)化學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)知識(shí)比較薄弱。如何將抽象的化學(xué)知識(shí)簡單化，形象化，幫助學(xué)生理解復(fù)雜的有機(jī)反應(yīng)機(jī)理，提高學(xué)習(xí)積極性，這對老師的教學(xué)方法和方式有很高的要求。

針對不同化學(xué)專業(yè)學(xué)生的特點(diǎn)和他們將來要從事的職業(yè)，我更加注重實(shí)踐教學(xué)而不是抽象概念的講解和公式的推導(dǎo)。對于量子化學(xué)計(jì)算中涉及的一些算法學(xué)生只需了解，如果有學(xué)生對于基礎(chǔ)知識(shí)非常感興趣，我建議他們?nèi)ヂ犃孔恿W(xué)和結(jié)構(gòu)化學(xué)課程。在課堂上，我重點(diǎn)講解Gaussian程序的常用計(jì)算方法、思路和一些典型案例，以及如何運(yùn)用這些方法解決科研中碰到的實(shí)際問題。比如講解什么是半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算、什么是Hartree-Fock近似、什么是密度泛函理論、什么是分子力學(xué)算法等，講解他們的區(qū)別以及在不同情況下如何選擇不同的算法。此外，我還重點(diǎn)講解基于量化計(jì)算的分子結(jié)構(gòu)（包括穩(wěn)定態(tài)和過渡態(tài)）的優(yōu)化，分子光譜的計(jì)算和反應(yīng)機(jī)理研究。這些內(nèi)容對于化學(xué)專業(yè)的學(xué)生來說都是非常有意義的，可以幫助他們后續(xù)的科研工作。為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生的自主性，讓學(xué)生積極參與到課堂的專題實(shí)驗(yàn)交流活動(dòng)，提高課堂教學(xué)的效果，我會(huì)教學(xué)生使用一些軟件圖形界面如Gaussview等，直接生動(dòng)地展示和分析一些分子的三維結(jié)構(gòu)，將抽象的化學(xué)分子通過色彩鮮艷的三維立體形象界面予以展示，并教會(huì)他們?nèi)绾问褂肎aussview建立分子模型和分析計(jì)算結(jié)果。在用Gaussview軟件建立模型的過程中，我首先對主工具欄里邊的元素工具和環(huán)工具等建模工具做了講解，然后再對編輯工具即鍵長、鍵角和二面角工具做了使用演示，另外還講了加H工具和原子消除工具的使用。事實(shí)上，上述的這幾個(gè)工具如果能掌握好，學(xué)生們基本上就能根據(jù)所學(xué)化學(xué)知識(shí)來建立相應(yīng)的分子的三維結(jié)構(gòu)模型。隨后，在課堂上我再演示如何用鼠標(biāo)操作來旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)、縮放和疊加結(jié)構(gòu)，如何用鼠標(biāo)操作來改變分子的顯示形式和顏色，如何查看結(jié)果如能量數(shù)據(jù)，以及如何顯示分子的原子電荷和分子軌道性質(zhì)等。等學(xué)生基本掌握了Gaussview的模型建立和結(jié)果分析工具，我會(huì)給他們講解如何將分子模型通過設(shè)置不同的關(guān)鍵詞來提交相應(yīng)任務(wù)給Gaussian程序去執(zhí)行，如結(jié)構(gòu)優(yōu)化的關(guān)鍵詞是OPT，頻率計(jì)算的關(guān)鍵詞是FREQ等。由于Gaussian的功能強(qiáng)大，授課時(shí)間有限，我們只介紹一些基本操作和簡單例子給學(xué)生。例如讓學(xué)生對鄰位、間位和對位的二取代苯進(jìn)行在不同計(jì)算級別（如HF/6-31G（d，p）水平下）進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化模擬，然后對其能量比較分析哪個(gè)異構(gòu)體在氣相和液相下最穩(wěn)定。對于反應(yīng)機(jī)理，我會(huì)讓學(xué)生通過尋找一些簡單的常見化學(xué)反應(yīng)如Diels-Alder反應(yīng)、SN2親核取代反應(yīng)的過渡態(tài)的構(gòu)型來加深對反應(yīng)通道的理解，通過IRC計(jì)算直觀的看出化學(xué)反應(yīng)中分子結(jié)構(gòu)的變化。此外，我還會(huì)講一些實(shí)例介紹光譜的預(yù)測，比如首先我們會(huì)在基態(tài)下用DFT方法優(yōu)化發(fā)光分子的結(jié)構(gòu)，然后對其進(jìn)行TDDFT計(jì)算來預(yù)測其紫外吸收光譜和熒光光譜等發(fā)光性質(zhì)，從而為功能分子的設(shè)計(jì)提供便利。最后，根據(jù)本院實(shí)際科研需要，我們會(huì)適當(dāng)進(jìn)行一些應(yīng)用教學(xué)來滿足不同專業(yè)學(xué)生的需求。

三、開展Gaussian程序應(yīng)用課程的前景展望

自然科學(xué)發(fā)展的歷史和規(guī)律表明，多學(xué)科的優(yōu)勢交叉促進(jìn)了最基本的微觀過程和最復(fù)雜的宏觀過程的統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。在這個(gè)信息大爆炸的時(shí)代，Gaussian這一量子化學(xué)計(jì)算程序應(yīng)運(yùn)而生并被廣泛認(rèn)可和應(yīng)用。它既要求使用者有一定的量子力學(xué)等數(shù)理基礎(chǔ)來理解計(jì)算流程，而且要求他們對于化學(xué)問題有深刻認(rèn)識(shí)和獨(dú)特見解，屬于一門高度交叉的新興方法和工具，涉及應(yīng)用化學(xué)、理論化學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)等眾多領(lǐng)域。目前，Gaussian程序已經(jīng)成為理論化學(xué)計(jì)算中的常規(guī)方法之一，開展此門課程可以使科學(xué)研究人將其用于未來的反應(yīng)機(jī)理研究、反應(yīng)的立體和化學(xué)選擇性的解釋、化合物結(jié)構(gòu)及其光譜等性質(zhì)預(yù)測，并可指導(dǎo)設(shè)計(jì)小分子催化劑甚至新型催化反應(yīng)，減少實(shí)驗(yàn)上的盲目性和偶然性，從而達(dá)到節(jié)省人力、物力和財(cái)力的最終目的。

理論計(jì)算化學(xué)在近幾十年來取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，已從根本上改變了人們對于化學(xué)只是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)的認(rèn)知，它已經(jīng)成為化學(xué)學(xué)科的一個(gè)重要組成部分。我國的理論計(jì)算研究發(fā)展迅速，化學(xué)學(xué)科正處于從單純實(shí)驗(yàn)到以實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算相輔相成轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵時(shí)期，從專業(yè)發(fā)展的角度而言，開展理論計(jì)算化學(xué)相關(guān)課程如Gaussian程序應(yīng)用具有非常廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展空間。

參考文獻(xiàn)：

第9篇：量子力學(xué)基本概念的發(fā)展范文

20世紀(jì)后半葉，物理學(xué)在此前建立起來的狹義相對論、量子力學(xué)、量子電動(dòng)力學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理和許多重要物理實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，以前所未有的速度發(fā)展著。許多物理學(xué)的分支學(xué)科，如原子、分子物理、原子核物理、固體物理、等離子體物理以及粒子物理等，都得到極大發(fā)展。與此同時(shí)，科學(xué)發(fā)展的另一個(gè)重要特征是學(xué)科間相互滲透和交叉綜合。物理學(xué)和其他學(xué)科相互滲透，產(chǎn)生了一系列交叉學(xué)科和邊緣學(xué)科，如化學(xué)物理、生物物理、大氣物理、海洋物理、地球物理等等。物理學(xué)的新概念、新理論和新的實(shí)驗(yàn)方法向其他學(xué)科轉(zhuǎn)移，促成各學(xué)科的發(fā)展并成為其組成部分。

20世紀(jì)后半葉，新技術(shù)特別是高新技術(shù)發(fā)展之快也是前所未有的。高技術(shù)包含的科學(xué)知識(shí)高度密集，綜合性極高，如紅外和紅外成像技術(shù)、激光技術(shù)、計(jì)算技術(shù)、信息技術(shù)、航天技術(shù)、生物技術(shù)等等，都無一例外地與物理學(xué)等學(xué)科的基本概念、基本理論和基本實(shí)驗(yàn)方法密切相關(guān)，其發(fā)展在很大程度上依賴包括物理學(xué)在內(nèi)的各學(xué)科的發(fā)展。

現(xiàn)代軍事科學(xué)技術(shù)的知識(shí)密集性、綜合性極高，處于科學(xué)技術(shù)的前沿，近幾年來的局部戰(zhàn)爭向人們展示，現(xiàn)代戰(zhàn)爭在相當(dāng)大程度上是高新技術(shù)的較量?，F(xiàn)代軍事科學(xué)技術(shù)離不開物理學(xué)和物理學(xué)的新成就，如紅外夜視、激光制導(dǎo)、激光雷達(dá)、三相彈等都與物理學(xué)原理和物理學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)密切相關(guān)。

這一切都表明，在科學(xué)技術(shù)發(fā)展的進(jìn)程中，物理學(xué)不但在歷史上曾經(jīng)是處于主導(dǎo)地位的，在20世紀(jì)是處于主導(dǎo)地位的，而且毫無疑問，21世紀(jì)物理學(xué)在科學(xué)技術(shù)發(fā)展中也必將處于主導(dǎo)地位，它的作用將會(huì)更加突出。

大學(xué)物理課是一門重要基礎(chǔ)課，它的作用一方面是為學(xué)生較系統(tǒng)地打好必要的物理基礎(chǔ)，另一方面是使學(xué)生初步學(xué)習(xí)科學(xué)的思維方法和研究方法，這些都起著增強(qiáng)適應(yīng)能力、開闊劉義洪盈贅大爭物雙教爭敬沮思路、激發(fā)探索和創(chuàng)新精神、提高人才素質(zhì)的重要作用。學(xué)好大學(xué)物理，不僅對學(xué)生在校學(xué)習(xí)十分重要，而且對學(xué)生畢業(yè)后的工作和在工作中進(jìn)一步學(xué)習(xí)新理論、新知識(shí)、新技術(shù)、不斷更新知識(shí)，都將發(fā)生深遠(yuǎn)的影響。物理課的這一作用，特別為許多專家、教授、高級工程技術(shù)專家所強(qiáng)調(diào)。

我國工科大學(xué)物理的學(xué)時(shí)一直少于理科。因此，目前實(shí)施的教學(xué)內(nèi)容，主要是傳統(tǒng)物理課內(nèi)容在給定學(xué)時(shí)范圍內(nèi)一再精選后形成的。總的來講，工科大學(xué)生的物理基礎(chǔ)較薄弱，物理知識(shí)面也較窄，特別是近代物理和現(xiàn)代工程技術(shù)有關(guān)的物理基礎(chǔ)和現(xiàn)代工程技術(shù)方面的新知識(shí)更顯薄弱。如我們的課程基本要求中沒有物性學(xué)、分子、原子核、粒子等內(nèi)容;沒有偏振光干涉、核磁共振、穆斯堡爾效應(yīng)等內(nèi)容;量子物理、統(tǒng)計(jì)物理等近代物理基礎(chǔ)的基本概念、基本理論和知識(shí)甚為薄弱。這些內(nèi)容，工科一般專業(yè)在后續(xù)課中多不再涉及，而它們恰恰是當(dāng)今學(xué)習(xí)新理論、新知識(shí)和新技術(shù)所要涉及的，有些甚至已成為當(dāng)今高新技術(shù)的組成部分。在這個(gè)意義上講，大學(xué)物理課內(nèi)容“老的多、新的少”。因此，更新內(nèi)容，加強(qiáng)現(xiàn)代物理和現(xiàn)代工程技術(shù)有關(guān)知識(shí)，特別是有關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)，是工科物理教學(xué)改革必須面向的首要問題。

二、工科物理課教學(xué)改革

工科大學(xué)物理課程的教學(xué)改革是很復(fù)雜的，也是很困難的，不可能一嗽而就。應(yīng)該堅(jiān)持以下原則:不應(yīng)改變物理課作為基礎(chǔ)課的地位和作用，應(yīng)著力研究現(xiàn)代高級工程技術(shù)人才應(yīng)具備什么樣的物理基礎(chǔ);要重點(diǎn)研究如何處理好經(jīng)典物理和近代物理及有關(guān)近代內(nèi)容的關(guān)系;應(yīng)在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維方法和分析問題、解決問題能力上加大力度，與研究教學(xué)內(nèi)容改革的同時(shí)，還必須系統(tǒng)地研究教學(xué)方法、考試方法等教學(xué)環(huán)節(jié)的改革。

工科大學(xué)物理課內(nèi)容改革的重點(diǎn)在于加強(qiáng)物理學(xué)基礎(chǔ)(包括經(jīng)典物理基礎(chǔ)和近代物理基礎(chǔ))，同時(shí)適當(dāng)?shù)亟榻B反映現(xiàn)代物理和現(xiàn)代工程技術(shù)的新知識(shí)，擴(kuò)大學(xué)生的知識(shí)面，在整個(gè)教學(xué)過程中提高學(xué)生分析及解決問題的能力和獨(dú)立獲取知識(shí)的能力。由于工科物理課程教學(xué)時(shí)數(shù)少，只靠課程內(nèi)容和體系本身改革回旋余地小，改革要將課內(nèi)課外、理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)、課與課間關(guān)系諸方面綜合考慮。

（一)課程教學(xué)內(nèi)容改革，應(yīng)以物理課程教學(xué)基本要求為依據(jù)。在保證經(jīng)典的前提下，進(jìn)一步精選經(jīng)典物理內(nèi)容，突出教學(xué)內(nèi)容及能力培養(yǎng)，避免過分強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)性和嚴(yán)密性等，在整個(gè)經(jīng)典物理教學(xué)過程中應(yīng)貫徹加強(qiáng)近代思想;在近代物理基礎(chǔ)的基本要求部分，加強(qiáng)量子力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理基礎(chǔ)知識(shí)，以利于學(xué)生在校和離校后進(jìn)一步學(xué)習(xí)新理論、新知識(shí)和新技術(shù);加強(qiáng)現(xiàn)代工程技術(shù)物理基礎(chǔ)專題，這部分內(nèi)容應(yīng)側(cè)重物理原理，而不要停留在科普水平上，上述三部分內(nèi)容的講授學(xué)時(shí)，分別約占總學(xué)時(shí)的58%、27%和15%。

(二)開設(shè)物理類和技術(shù)類專題選修課(或講座)。物理類選修課:如現(xiàn)代物理導(dǎo)論、混沌、原子和分子物理、核物理、天體物理、等離子體物理、凝聚態(tài)物理、嫡和信息、傅里葉光學(xué)、非線性光學(xué)、非線性力學(xué)等、技術(shù)類選修課:如現(xiàn)代工程技術(shù)專題、激光技術(shù)、光散射技術(shù)、全息技術(shù)、穆斯堡爾譜學(xué)、核磁共振技術(shù)、薄膜技術(shù)、換能器、紅外技術(shù)、低溫和超導(dǎo)等。選修課應(yīng)著重物理概念、物理思想和方法，不追求數(shù)學(xué)嚴(yán)密性，不過分強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)性和完整性。

(三)教學(xué)手段改革是教學(xué)改革的重要組成部分。粉筆加教鞭不適應(yīng)改革的需要已經(jīng)成為人們的共識(shí)。近幾年來，有許多院校在多媒體輔助教學(xué)上做了大量的工作。實(shí)踐證明，把多媒體技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)可以改變信息的包裝形式，在計(jì)算機(jī)上把圖、文、聲、像集成在一起，提高教學(xué)內(nèi)容的表現(xiàn)力和感染力，能調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)運(yùn)用多種感觀積極參與多媒體的活動(dòng)，使學(xué)生由知識(shí)的被動(dòng)接受轉(zhuǎn)為主動(dòng)發(fā)現(xiàn)。同時(shí)，這也為教學(xué)研究提供了有力工具，為教學(xué)的順暢實(shí)施與高效提供了可靠的技術(shù)保障。在提高認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，加大這方面的資金投人，多媒體輔助教學(xué)必將成為21世紀(jì)教學(xué)手段的主體。而多媒體輔助教學(xué)軟件也應(yīng)向智能化方向發(fā)展。1997年n月6日，中國物理學(xué)會(huì)正式宣布中國物理教育網(wǎng)建立。這就為網(wǎng)上教學(xué)和科研提供了方便，物理教育工作者應(yīng)充分利用這一有利條件，從網(wǎng)上獲取信息服務(wù)于教學(xué)。名校、名師更應(yīng)在網(wǎng)上傳播自己的教法和經(jīng)驗(yàn)，使大家受益。