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量子力學總結(jié)范文第1篇

關(guān)鍵詞：經(jīng)典理論 量子力學 聯(lián)系

中圖分類號：O413.1 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）08（a）-0143-02

量子力學于20世紀早期建立以來，經(jīng)過飛速的發(fā)展，逐漸成為現(xiàn)代物理學科中不可分割的一部分。量子力學是現(xiàn)代量子理論的核心，它的發(fā)展不僅關(guān)乎人類的物質(zhì)文明，還使人們對量子世界的認識有了革命性的進展[1]。

但是，量子力學并不是一個完備的理論，其體系中還存在許多問題，特別是微觀與宏觀，即經(jīng)典理論與量子力學的聯(lián)系。為解決這些迷惑，歷史上相關(guān)科學家提出了很多實驗與理論。該文旨在以量子力學發(fā)展史上提出的幾個實驗為例，對其進行簡單分析，以展示經(jīng)典理論與量子力學的聯(lián)系。

1 問題的提出

1935年3月，愛因斯坦等人在EPR論文中提出了“量子糾纏態(tài)”的概念，所謂的“量子糾纏態(tài)”是以兩個及以上粒子為對象的。在某種意義上，“量子糾纏態(tài)”可以理解為是把迭加態(tài)應(yīng)用于兩個及以上的粒子。若存在兩個處于“量子糾纏態(tài)”的粒子，那這兩個粒子一定是相互關(guān)聯(lián)的，用量子力學的知識去理解，只要人們不去探測，那么每個粒子的狀態(tài)都不能夠確定。但是，假如同時使這兩個粒子保持某一時刻的狀態(tài)不變，也就是說，使兩個粒子的迭加態(tài)在一瞬間坍縮，粒子1這時會保持一個狀態(tài)不再發(fā)生變化，根據(jù)守恒定律，粒子2將會處于一個與粒子1狀態(tài)相對應(yīng)的狀態(tài)。如果二者相距非常遙遠，又不存在超距作用的話，是不可能在一瞬間實現(xiàn)兩個粒子的相互通信的。但超距作用與當今很多理論是相悖的，于是，這里就形成了佯謬，即“EPR佯謬”。

同年，薛定諤提出了一個實驗，后人稱之為“薛定諤的貓”。設(shè)想把一只貓關(guān)在盒子里，盒中有一個不受貓直接干擾的裝置，這套裝置是由其中的原子衰變進行觸發(fā)，若原子衰變，裝置會被觸發(fā)，貓會立即死去。于是，量子力學中的原子核衰變間接決定了經(jīng)典理論中貓的生死。由量子力學可知，原子核應(yīng)該處于一種迭加態(tài)，這種迭加態(tài)是由“衰變”和“不衰變”兩個狀態(tài)形成的，那么貓應(yīng)該也是處在一種迭加態(tài)，這種迭加態(tài)應(yīng)該是由“死”與“生”兩個狀態(tài)形成的，貓的生死不再是一個客觀存在，而是依賴于觀察者的觀測。顯然，這與常理是相悖的[2]。

這兩個佯謬的根源是相同的，都是經(jīng)典理論與量子理論之間的關(guān)系。

2 近代研究進展

2.1 驗證量子糾纏的存在

華裔物理學家Yanhua Shih[3]曾做過一個被稱為“幽靈成像”的實驗，其實驗過程及現(xiàn)象大致可以描述為：假設(shè)存在一個糾纏光源，這個光源可以發(fā)出兩種互為糾纏的光子，通過偏振器使兩種光子相互分離，令第一束光子通過一個狹縫，第二束不處理，然后觀察兩束光的投影，結(jié)果發(fā)現(xiàn)第二束光的投影形狀與第一束光通過的狹縫形狀完全相同。

人們發(fā)現(xiàn)，如果僅僅使用經(jīng)典理論，實驗現(xiàn)象是無法解釋的，必須應(yīng)用量子理論，才能解釋“幽靈成像”的現(xiàn)象。這個實驗也恰好驗證了“量子糾纏”現(xiàn)象的存在。

2.2 量子世界中的歐姆定律

歐姆定律是由德國物理學家Ohm于19世紀早期提出來的，它是一種基于觀察材料的電學傳輸性質(zhì)得到的經(jīng)驗定律，其內(nèi)容是：在同一電路中，導體中的電流跟導體兩端所加的電壓成正比，跟導體自身電阻成反比，即 （U指導體兩端電壓；R指導體電阻；I指通過導體的電流）。

18世紀二、三十年代，人們認為經(jīng)典方法在宏觀領(lǐng)域是正確的，但是在微觀領(lǐng)域?qū)淮蚱啤andauer公式給出了納米線電阻的計算方法，即（h為普朗克常量；e為電子電量；N為橫波模式數(shù)量）；而在宏觀中，（為材料的密度；l為樣品的長度；s為樣品的橫截面積）。由此發(fā)現(xiàn)，在宏觀領(lǐng)域，樣品的電阻是隨著樣品的長度增加而增加的，而在微觀領(lǐng)域，樣品的電阻與樣品的長度沒有關(guān)系。

Weber[4]等人制備了原子尺度的納米線并進行觀察，實驗發(fā)現(xiàn)，在微觀領(lǐng)域，歐姆定律也是滿足的。Ferry[5]認為樣品的電阻是由多種機理所導致的，而他最后得到的結(jié)果正是由于多種機理的相互疊加。經(jīng)過分析，他認為歐姆定律何時開始生效取決于納米線中電子耗散的力度，力度越大說明開始生效時的尺度越小。但這也同時引發(fā)了另一個問題的思考：低溫條件下，歐姆定律是仍然成立的，也就是說經(jīng)典理論仍然成立，但往往是希望在低溫下研究比較純粹的量子效應(yīng)。低溫條件下歐姆定律的成立要求在進行實驗研究時，必須花費更多的精力來使得經(jīng)典理論與量子理論分離開。

2.3 生活中的量子力學――光合作用與量子力學

Scholes等[6]從兩種不同的海藻中提取出了一種名為捕光色素復合體的化學物質(zhì)，并在其正常的生活條件下，通過二維電子光譜術(shù)對其作用機理進行了分析研究。他們首先使用了飛秒激光脈沖模擬太陽光來激發(fā)這些蛋白，發(fā)現(xiàn)了會長時間存在的量子狀態(tài)。也就是說，這些蛋白吸收的光能能夠在同一時刻存在于不同地點，而這實際上是一種量子迭加態(tài)。由此可見，量子力學與光合作用是有很大聯(lián)系的。

3 結(jié)語

從近幾年來量子力學的基本問題和相關(guān)的實驗研究可以看出，雖然經(jīng)典理論與量子理論的聯(lián)系仍然是一個懸而未決的問題，但是當代科學家已經(jīng)能夠通過各種精妙的實驗逐步解決歷史遺留的一個個謎團，使得微觀領(lǐng)域的單個量子的測量與控制成為可能，并且積極研究宏觀現(xiàn)象的微觀本質(zhì)，將生活與量子力學逐漸的聯(lián)系起來。對于“經(jīng)典理論與量子力學的聯(lián)系”這一專題還需要進行不斷研究，使量子力學得到進一步完善與發(fā)展。

參考文獻

[1] 孫昌璞.量子力學若干基本問題研究的新進展[J].物理，2001，30（5）：310-316.

[2] 孫昌璞.經(jīng)典與量子邊界上的“薛定諤貓”[J].科學，2001（3）：2，7-11.

[3] Shih Y. The Physics of Ghost Imaging[J].2008.

[4] Weber B， Mahapatra S， Ryu H， et al. Ohm's law survives to the atomic scale[J].Science，2012，335（6064）：64-67.

量子力學總結(jié)范文第2篇

論文摘要：針對鄭州輕工業(yè)學院量子力學教學現(xiàn)狀，結(jié)合“量子力學”的課程特點，立足于提高學生學習積極性和培養(yǎng)學生科學探索精神及創(chuàng)新能力，簡要介紹了近年來在教學內(nèi)容、教學方法、教學手段和考核方法等方面進行的一些改革嘗試。

論文關(guān)鍵詞：量子力學；教學改革；物理思想

“量子力學”是20世紀物理學對科學研究和人類文明進步的兩大標志性貢獻之一，已經(jīng)成為物理學專業(yè)及部分工科專業(yè)最重要的基礎(chǔ)課程之一，是學習“固體物理”、“材料科學”、“材料物理與化學”和“激光原理”等課程的重要基礎(chǔ)。通過這門課程的學習，學生能熟練掌握量子力學的基本概念和基本理論，具備利用量子力學理論分析問題和解決問題的能力。同時，這門課程對培養(yǎng)學生的探索精神和創(chuàng)新意識及科學素養(yǎng)亦具有十分重要的意義。然而，“量子力學”本身是一門非常抽象的課程，眾多學生談“量子”色變，教學效果可想而知。如何激發(fā)學生學習本課程的熱情，充分調(diào)動學生的積極性和主動性，提高量子力學的教學水平和教學質(zhì)量，已經(jīng)成為擺在教師面前的重要課題。近年來，筆者在借鑒前人經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合鄭州輕工業(yè)學院（以下簡稱“我?！保┙虒W實際，在“量子力學”的教學內(nèi)容和教學方法方面做了一些有益的改革嘗試，取得了較好的效果。

一、“量子力學”教學內(nèi)容的改革

量子力學理論與學生長期以來接觸到的經(jīng)典物理體系相去甚遠，尤其是處理問題的思路和手段與經(jīng)典物理截然不同，但它們之間又不無關(guān)聯(lián)，許多量子力學中的基本概念和基本理論是類比經(jīng)典物理中的相關(guān)內(nèi)容得出的。因此，在“量子力學”教學中，一方面需要學生摒棄在經(jīng)典物理學習中形成的固有觀念和認識，另一方面在學習某些基本概念和基本理論時又要求學生建立起與經(jīng)典物理之間的聯(lián)系以形成較為直觀的物理圖像，這種思維上的沖突導致學生在學習這門課程時困惑不堪。此外，這門課程理論性較強，眾多學生陷于煩瑣的數(shù)學推導之中，導致學習興趣缺失。針對以上教學中發(fā)現(xiàn)的問題，筆者對“量子力學”課程的教學內(nèi)容作了一些有益的調(diào)整。

1.理清脈絡(luò)，強化知識背景

從經(jīng)典物理所面臨的困難出發(fā)，到半經(jīng)典半量子理論的形成，最終到量子理論的建立，對量子力學的發(fā)展脈絡(luò)進行細致的、實事求是的分析，特別是對量子理論早期的概念發(fā)展有一個準確清晰的理解，弄清楚到底哪些概念和原理是已經(jīng)證明為正確并得到公認的，還存在哪些不完善的地方。這樣一方面可使學生對量子力學中基本概念和基本理論的形成和建立的科學歷史背景有一深刻了解，有助于學生理清經(jīng)典物理與量子理論之間的界限和區(qū)別，加深他們對這些基本概念和基本理論的理解；另一方面，可使學生對蘊藏在這一歷程中的智慧火花和科學思維方法有一全面的了解，有助于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識及科學素養(yǎng)。比如：對于玻爾理論，由于對量子化假設(shè)很難用已經(jīng)成形的經(jīng)典理論來解釋，學生往往會覺得不可思議，難以理解。為此，在講解這部分內(nèi)容時，很有必要介紹一下玻爾理論產(chǎn)生的歷史背景，告訴學生在玻爾的量子化假設(shè)之前就已經(jīng)出現(xiàn)了普朗克的量子論和愛因斯坦的光量子概念，且大量關(guān)于原子光譜的實驗數(shù)據(jù)也已經(jīng)被掌握，之前盧瑟福提出的簡單行星模型卻與經(jīng)典物理理論及實驗事實存在嚴重背離。為了解決這些問題，玻爾理論才應(yīng)運而生。在用量子力學求解氫原子定態(tài)波函數(shù)時，還可以通過定態(tài)波函數(shù)的概率分布圖，向?qū)W生介紹所謂的玻爾軌道并不是真實存在的，只是電子出現(xiàn)幾率比較大的區(qū)域。通過這樣講述，學生可以清晰地體會到玻爾理論的承上啟下的作用，而又不至于將其與量子力學中的概念混為一談。

2.重在物理思想，壓縮數(shù)學推導

在物理學研究中，數(shù)學只是用來表述物理思想并在此基礎(chǔ)上進行邏輯演算的工具，教師不能將深刻的物理思想淹沒在復雜的數(shù)學形式之中。因此，在教學過程中，教師要著重于加強基本概念和基本理論的講授，把握這些概念和理論中所蘊含的物理實質(zhì)。對一些涉及繁難數(shù)學推導的內(nèi)容，在教學中刻意忽略具體數(shù)學推導過程，著重于使學生掌握其中的思想方法。例如：在一維線性諧振子問題的教學中，對于數(shù)學方面的問題，只要求學生能正確寫出薛定諤方程、記住其結(jié)論即可，重點放在該類問題所蘊含的物理意義及對現(xiàn)成結(jié)論的應(yīng)用上。這樣，學生就不會感到枯燥無味，而能始終保持較高的學習熱情。

二、教學方法改革

傳統(tǒng)的“填鴨式”教學法把課堂變成了教師的“一言堂”，使得學生在教學活動中始終處于被動接受地位，極大地壓制了學生學習的主觀能動性，十分不利于知識的獲取以及對學生創(chuàng)新能力及科學思維的培養(yǎng)。而且，“量子力學”這門課程本身實驗基礎(chǔ)薄弱、理論性較強，物理圖像不夠直觀，一味采取灌輸式教學，學生勢必感到枯燥，甚至厭煩。長期以往，學習積極性必然受挫，學習效果自然大打折扣。為了提高學生學習興趣，激發(fā)其學習的積極性，培養(yǎng)其科學探索精神及創(chuàng)新能力，筆者在教學方法上進行了一些有益的探索。

1.發(fā)揮學生主體作用

除卻必要的教學內(nèi)容講解外，每節(jié)課都留出一定的師生互動時間。教師通過創(chuàng)設(shè)問題情景，引導學生進行研究討論，或者針對已講授內(nèi)容，使學生對已學內(nèi)容進行復習、總結(jié)、辨析，以加深理解；或者針對未講授內(nèi)容，激發(fā)學生學習新知識的興趣（比如，在講授完一維無限深方勢阱和一維線性諧振子這兩個典型的束縛態(tài)問題后就可引導學生思考“非束縛態(tài)下微觀粒子又將表現(xiàn)出什么樣的行為”），這樣學生就會積極地預習下節(jié)內(nèi)容；或者選擇一些有代表性的習題，讓學生提出不同的解決辦法，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。對于在課堂上不能解決的問題，積極鼓勵學生利用圖書館及網(wǎng)絡(luò)資源等尋求解決，培養(yǎng)學生的科學探索精神。此外，還可使學生自由組合，挑選他們感興趣的與課程有關(guān)的題目進行討論、調(diào)研并完成小組論文，這一方面激發(fā)學生的自主學習積極性，另一方面使其接受初步的科研訓練，一舉兩得。 轉(zhuǎn)貼于

2.注重構(gòu)建物理圖像

在實際教學中著重注意物理圖像的構(gòu)建，使學生對一些難以理解的概念和理論形成較為直觀的印象，從而形成深刻的記憶和理解。例如：借助電子束衍射實驗，通過三個不同的實驗過程（強電子束、弱電子束及弱電子束長時間曝光），即可為實物粒子的波粒二象性構(gòu)建出一幅清晰的物理圖像；借助電子束衍射實驗圖像，再以光波類比電子波，即可凝練出波函數(shù)的統(tǒng)計解釋；借助電子雙縫衍射實驗圖像，可使學生更易接受和理解態(tài)疊加原理；借助解析幾何中的坐標系，可很好地為學生建立起表象的物理圖像。盡管這其中光波和電子波、坐標系和表象這些概念之間有本質(zhì)上的區(qū)別，但借助這些學生已經(jīng)熟知和深刻理解的概念，可使學生非常容易地接受和理解量子力學中難以言明的概念和理論，同時，也可使學生掌握這種物理圖像的構(gòu)建能力，對培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維具有非常積極地作用。

三、教學手段和考核方式改革

1.課程教學采用多種先進的教學方式

如安排小組討論課，對難于理解的概念和規(guī)律進行討論。先是各小組內(nèi)討論，再是小組間辯論，最后老師對各小組討論和辯論的觀點進行評述和指正。例如，在講到微觀粒子的波函數(shù)時，有的學生認為是全部粒子組成波函數(shù)，有的學生認為是經(jīng)典物理學的波。這些問題的討論激發(fā)了學生的求知欲望，從而進一步激發(fā)了學生對一些不易理解的概念和量子原理進行深入理解，直至最后充分理解這些內(nèi)容。另外課程作業(yè)布置小論文，邀請國內(nèi)外專家開展系列量子力學講座等都是不錯的方式。

2.堅持研究型教學方式

把課程教學和科研相結(jié)合，在教學過程中針對教學內(nèi)容，吸取科研中的研究成果，通過結(jié)合最新的科研動態(tài)，向?qū)W生講授在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用以培養(yǎng)學生學習興趣。在量子力學誕生后，作為現(xiàn)代物理學的兩大支柱之一的現(xiàn)代物理學的每一個分支及相關(guān)的邊緣學科都離不開量子力學這個基礎(chǔ)，量子理論與其他學科的交叉越來越多。例如：基本粒子、原子核、原子、分子、凝聚態(tài)物理到中子星、黑洞各個層次的研究以量子力學為基礎(chǔ)；量子力學在通信和納米技術(shù)中的應(yīng)用；量子理論在生物學中的應(yīng)用；量子力學與正在研究的量子計算機的關(guān)系等，在教學中適當?shù)卮┎暹@些知識，擴大學生的知識面，消除學生對量子力學的片面認識，提高學生學習興趣和主動性。

3.利用量子力學課程將人文教育與專業(yè)教學相結(jié)合

量子力學從誕生到發(fā)展的物理學史所包含的創(chuàng)新思維是迄今為止哪一門學科都難以比擬的。在19世紀末至20世紀初，經(jīng)典物理學晴空萬里，然而黑體輻射、光電效應(yīng)、原子光譜等物理現(xiàn)象的實驗結(jié)果嚴重沖擊經(jīng)典物理學理論，讓經(jīng)典物理學陷入危機四伏的境地。1900年，德國物理學家普朗克創(chuàng)造性地引入了能量子的概念，成功地解釋了黑體輻射現(xiàn)象，量子概念誕生。1905年，愛因斯坦進一步完善了量子化觀念，指出能量不僅在吸收和輻射時是不連續(xù)的（普朗克假設(shè)），而且在物質(zhì)相互作用中也是不連續(xù)的。1913年，玻爾將量子化概念引入到原子中，成功解釋了有近30年歷史的巴爾末經(jīng)驗光譜公式。泡利突破玻爾半經(jīng)典、半量子論的局限，給予了令玻爾理論不安的反常塞曼效應(yīng)以合理解釋。1924年，德布羅意突破普朗克能量子觀念提出微觀粒子具有波粒二象性，開始與經(jīng)典理論分庭抗禮。和學生一起重溫量子力學史的發(fā)展之路，在教學過程中展現(xiàn)量子力學數(shù)學形式之美，使學生在科學海洋中得到美的享受，從精神上熏陶他們的創(chuàng)新精神。

4.考試方式改革

在本課程的教學中采用了教考分離，通過小考題的形式復習章節(jié)內(nèi)容，根據(jù)學生的實際水平適當輔導答疑，注重學生對量子力學基礎(chǔ)知識理解的考核。對于評價系統(tǒng)的建立，其中平時成績（包括作業(yè)、討論、綜合表現(xiàn)等）占30％，期末考試占70％。從實施的效果來看，督促了學生的學習，收到了較好的效果，受到學生的歡迎。

量子力學總結(jié)范文第3篇

多年以前，高科技最牛的美國就已不把電子計算機列為高科技產(chǎn)品了。

但巨高性能計算機仍是信息時代的高科技標志物件之一。2012年諾貝爾物理學獎發(fā)給了法國人塞爾日·阿羅什和美國人大衛(wèi)·維恩蘭德，這兩位科學家的研究成果為新一代超級量子計算機的誕生提供了可能性。

惡搞一下：法國人浪漫，而簡稱美國人為美人，那么，浪漫人美人=？

文藝范兒的信息

不往濫俗里想，那么，答案就是很文藝化的表達了。其實，“信息”最初是相當文藝范兒的，而不是20世紀中期才開始熱門起來的科技詞匯。

一般認為，中文的“信息”一詞出自南唐詩人李中《暮春懷故人》：“夢斷美人沉信息，目穿長路倚樓臺。”—— “美眉音信消息全無啊，夢里也夢不到你，我獨自上樓倚欄，望眼欲穿望到長路盡頭也不見你。”這么拙劣地意譯，也讓人感覺到深深的思念。

其實，在李中之前一百多年，與李商隱齊名的唐朝大詩人杜牧《寄遠》里就有“信息”了：“塞外音書無信息，道旁車馬起塵埃?！边€有比小杜更早的，唐朝詩人崔備的《清溪路中寄諸公》：“別來無信息，可謂井瓶沉?！?/p>

宋朝的婉約派大詞人柳永、李清照也用過“信息”這個詞。因金兵入侵而流離失所的李清照思念當年安樂的故鄉(xiāng)，心理上把信息的價格定成了真正的天價：“不乞隋珠與和璧，只乞鄉(xiāng)關(guān)新信息?！薄昵暗奶扑沃袊?，其高科技雖是世界第一，但信息技術(shù)還是跟現(xiàn)在沒法比的，要靠驛馬、鴻雁甚至人步行來傳遞信息，速度慢而效率低，信息珍貴啊。

在地球的西方呢？雖然香農(nóng)1948年就劃時代地把信息引為數(shù)學研究的對象，賦予其新的科學的涵義；至1956年，“人工智能”術(shù)語也出現(xiàn)了?？勺钤缬懻摂?shù)據(jù)、信息、知識與智慧之間關(guān)系的，卻是得過諾貝爾文學獎的大詩人艾略特（T. S. Eliot；錢鐘書故意譯為“愛利惡德”）。他在1934年的詩歌“The Rock”中寫道：

Where is the Life we have lost in living？

Where is the wisdom we have lost in knowledge？

Where is the knowledge we have lost in information？

Where is the information we have lost in data？

我們迷失于生活中的生命在哪里？

我們迷失于知識中的智慧在哪里？

我們迷失于信息中的知識在哪里？

我們迷失于數(shù)據(jù)中的信息在哪里？

盡管第四句是好事者后加的，但詩人還是直指本質(zhì)地提出了信息暴炸時代最困擾人的難題：如何不讓我們的生命和智慧都迷失在數(shù)據(jù)中？

量子計算機和量子信息技術(shù)，提供了一種讓生命和智慧不要淹沒在數(shù)據(jù)的海洋中的途徑、工具和可能。

量子與量子計算機

量子理論是現(xiàn)代物理學的兩大基石之一，為從微觀理解宏觀提供了理論基礎(chǔ)?？陀^世界有物質(zhì)、能量兩種存在形式，物質(zhì)和能量可以互相轉(zhuǎn)換（見愛因斯坦的質(zhì)能方程），量子理論就是從研究極度微觀領(lǐng)域物質(zhì)的能量入手而建立起來的。

我們知道，微觀世界中有許多不同于宏觀世界的現(xiàn)象和規(guī)則。經(jīng)典物理學理論中的能量是連續(xù)變化的，可取任意值，但科學家們發(fā)現(xiàn)微觀世界中的很多物理現(xiàn)象無法解釋。1900年12月14日，普朗克在解釋“黑體輻射”時提出：像原子是一切物質(zhì)的構(gòu)成單元一樣，“能量子（量子）”是能量的最小單元，原子吸收或發(fā)射能量是一份一份地進行的。這是量子物理理論的誕生。

1905年，愛因斯坦把量子概念引進光的傳播過程，提出“光量子（光子）”的概念，并提出光的“波粒二象性”。1920年代，德布羅意提出“物質(zhì)波”概念，即一切物質(zhì)粒子均有波粒二象性，海森堡等建立了量子矩陣力學，薛定諤建立了量子波動力學，量子理論進入了量子力學階段。1928年，狄拉克完成了矩陣力學和波動力學之間的數(shù)學轉(zhuǎn)換，對量子力學理論進行了系統(tǒng)的總結(jié)，成功地將相對論和量子力學兩大理論體系結(jié)合起來，使量子理論進入量子場論階段。

“量子”詞源拉丁語quantum，意為“某數(shù)量的某事物”?，F(xiàn)代物理學中，某些物理量的變化是以最小的單位跳躍式進行的，而不是連續(xù)的，這個最小的基本單位叫做量子；或者說，一個物理量如果有不可連續(xù)分割的最小的基本單位，則這個物理量（所有的有形性質(zhì)）是“可量子化的”，或者說其物理量的數(shù)值會是特定的數(shù)值而非任意值。例如，在（休息狀態(tài)）的原子中，電子的能量是可量子化的，這能決定原子的穩(wěn)定和一般問題。

雖然量子理論與我們?nèi)粘＝?jīng)驗感覺的世界大不一樣，但量子力學已經(jīng)在真實世界應(yīng)用。激光器工作的原理，實際上就是激發(fā)一個特定量子散發(fā)能量?，F(xiàn)代社會要處理大量數(shù)據(jù)和信息，需要計算的機器（計算機）。量子力學的突破，使瓦格納等于1930年發(fā)現(xiàn)半導體同時有導體和絕緣體的性質(zhì)，后來才有了用于電子計算機的同時作為電子信號放大器和轉(zhuǎn)換器的晶體管，再有了集成電路芯片，今天的一個尖端芯片可集聚數(shù)十億個微處理器。

隨著計算機科技的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)能耗導致發(fā)熱而影響芯片集成度，限制了計算速度；能耗源于計算過程中的不可逆操作，但計算機都可找到對應(yīng)的可逆計算機且不影響運算能力。既然都能改為可逆操作，在量子力學中則可用一個幺正變換來表示。1969年，威斯納提出“基于量子力學的計算設(shè)備”，豪勒夫等于1970年代論述了“基于量子力學的信息處理”。1980年代量子計算機的理論變得很熱鬧。費曼發(fā)現(xiàn)模擬量子現(xiàn)象時，數(shù)據(jù)量大至無法用電子計算機計算，在1982年提出用量子系統(tǒng)實現(xiàn)通用計算以減少運算時間；杜斯于1985年提出量子圖靈機模型。1994年，數(shù)學家彼得·秀爾提出量子質(zhì)因子分解算法，因其可破解現(xiàn)行銀行和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的加密，許多人開始研究實際的量子計算機。

在物理上，傳統(tǒng)的電子計算機可以被描述為對輸入信號串行按一定算法進行變換的機器，其算法由機器內(nèi)部半導體集成邏輯電路來實現(xiàn)，其輸入態(tài)和輸出態(tài)都是傳統(tǒng)信號（輸入態(tài)和輸出態(tài)都是某一力學量的本征態(tài)），存儲數(shù)據(jù)的每個單元（比特bit）要么是“0”要么是“1”，即在某一時間僅能存儲4個二進制數(shù)（00、01、10、11）中的一個。而量子計算機靠控制原子或小分子的狀態(tài)，用量子算法運算數(shù)據(jù)，輸入態(tài)和輸出態(tài)為一般的疊加態(tài)，其相互之間通常不正交，其中的變換為所有可能的幺正變換；因為量子態(tài)有疊加性（重疊）和相干性（牽連、糾纏）兩個本質(zhì)特性，量子比特（量子位qubit）可是“0”或“1”或兩個“0”或兩個“1”，即可同時存儲4個二進制數(shù)（00、01、10、11），實現(xiàn)量子并行計算（量子計算機對每一個疊加分量實現(xiàn)的變換相當于一種傳統(tǒng)計算，所有傳統(tǒng)計算同時完成，并按一定的概率振幅疊加，給出量子計算機的輸出結(jié)果），從而呈指數(shù)級地提高了運算能力——一臺未來的量子計算機3分鐘就能搞定當今世界上所有電子計算機合起來100萬年才能處理完的數(shù)據(jù)。用量子力學語言說，傳統(tǒng)計算機是沒有用到量子力學中重疊和牽連特性的一種特殊的量子計算機。從理論上講，一個250量子比特（由250個原子構(gòu)成）的存儲器，可能存儲2的250次方個二進制數(shù)，比人類已知宇宙中的全部原子數(shù)還多。而且，集成芯片制造業(yè)很快將步入16納米的工藝，而量子效應(yīng)將嚴重影響芯片的設(shè)計和生產(chǎn)，又因傳統(tǒng)技術(shù)的物理局限性，硅芯片已到盡頭，突破的希望在于量子計算。

量子世界的死貓活貓與粒子控制

喜好科技的文藝青年可能看過美劇《生活大爆炸》，其中有那只著名的“薛定諤貓”：一只被關(guān)在黑箱里的貓，箱里有毒藥瓶，瓶上有錘子，錘子由電子開關(guān)控制，電子開關(guān)由一個獨立的放射性原子控制；若原子核衰變放出粒子觸動開關(guān)，錘落砸瓶放毒，則貓死。薛定諤構(gòu)想的這個實驗，被引為解釋量子世界的經(jīng)典。而量子理論認為，單個原子的狀態(tài)其實不是非此即彼，或說箱里的原子既衰變又沒有衰變，表現(xiàn)為一種概率；對應(yīng)到貓，則是既死又活。若我們不揭開蓋子觀察，永遠也不知道貓的死活，它永遠處于非死非活的疊加態(tài)。

宏觀態(tài)的確定性，其實是億萬微觀粒子、無數(shù)種概率的宏觀統(tǒng)計結(jié)果。微觀粒子通常表現(xiàn)為兩種截然不同的狀態(tài)糾纏一起，一旦用宏觀方法觀察這種量子態(tài)，只要稍一揭開箱蓋，疊加態(tài)立即就塌縮了（擾破壞掉），薛定諤貓就突然由量子的又死又活疊加態(tài)變成宏觀的確定態(tài)。用實驗研究量子，首先要捕獲單個的量子。即若不分離出單個粒子，則粒子神秘的量子性質(zhì)便會消失?？茖W家們長期以來頭疼的是，未找到既不破壞量子態(tài)，又能實際觀測它的實驗方法，他們只能在頭腦中進行思想實驗，而無法實際驗證其預言。

而阿羅什和維恩蘭德的研究，發(fā)明了在保持個體粒子的量子力學屬性的情況下對其進行觀測和操控的方法，則可實證地說出薛定諤貓究竟是死貓還是活貓，而且為研制超級量子計算機帶來了更大可能，因為量子計算機中最基礎(chǔ)的部分——得到1個量子比特已獲成功。

光子和原子是量子世界中的兩種基本粒子，光子形成可見光或其他電磁波，原子構(gòu)成物質(zhì)。他們研究光與物質(zhì)間的基本相互作用，方法大同小異：維因蘭德利用光或光子來捕捉、控制以及測量帶電原子或者離子。他平行放置兩面極精巧的鏡子，鏡間是真空空腔，溫度接近絕對零度（約-273℃）。一個光子進入空腔后，在兩鏡面間不斷反射。阿羅什則通過發(fā)射原子穿過阱，控制并測量了捕獲的光子或粒子。他用一系列電極營造出一個電場囚籠，粒子像是被裝進碗里的玻璃球；然后用激光冷卻粒子，最終有一個最冷的粒子停在了碗底。阿羅什在捕獲單個光子后，引入了特殊的里德伯原子，作為觀測工具，從而得到光子的數(shù)據(jù)。維因蘭德向碗中發(fā)射激光，通過觀測光譜線而得到碗底粒子的數(shù)據(jù)。

2007年以來，加拿大、美國、德國和中國的科學家都說自己研制出了某種級別的量子計算機，但到今天卻仍無一個投入實用。光鐘更接近現(xiàn)實，因為可操控單個量子，就能按意愿調(diào)控量子的振蕩（相當于鐘擺）頻率，越高越精；目前實驗的光鐘，若從宇宙產(chǎn)生起開始計時，至今只誤差5秒。光鐘可使衛(wèi)星定位和計算太空船的位置更精確……

神話般的量子信息技術(shù)

科幻作家克萊頓（著有《侏羅紀公園》、《失去的世界》等）在科幻小說《時間線》中，曾文藝化地描述量子計算，用了“量子多宇宙”、“量子泡沫蟲洞”、“量子運輸”、“量子糾纏態(tài)”、“電子的32個量子態(tài)”等讓常人倍感高深的說法。其中一些如今正在證實或變現(xiàn)。

如果清朝政府的通信密碼不被日本破譯，那么李鴻章后去日本談判時就很可能是另外一種結(jié)局，今天也不會有的問題了。目前世界的密碼系統(tǒng)大都采用單項數(shù)學函數(shù)的方式，應(yīng)用了因數(shù)分解等數(shù)學原理，例如目前網(wǎng)絡(luò)上常用的密碼算法。秀爾提出的量子算法利用量子計算的并行性，能輕松破解以大數(shù)因式分解算法為根基的密碼體系。量子算法中，量子搜尋算法等也能分分鐘攻破現(xiàn)有密碼體系?？烧f量子這種技術(shù)在現(xiàn)代軍事上的意義不亞于核彈。但同時，量子信息技術(shù)也將發(fā)展出一種理論上永遠無法破譯的密碼——量子密碼。

保密通信分為加密、接收、解密三個過程，密鑰的保密和不被破解至為關(guān)鍵。量子密碼采用量子態(tài)作為密鑰，是不可復制的，至少在理論上是無破譯的可能。量子通信是用量子態(tài)的微觀粒子攜帶的量子信息作為加密和解密用的密鑰，其密鑰安全性不再由數(shù)學計算，而是由微觀粒子所遵循的物理規(guī)律來保證，竊密者只有突破物理法則才有可能盜取密鑰（根據(jù)海森堡的測不準原理，任何測量都無法窮盡量子的所有信息）。而且量子通信中，量子糾纏態(tài)（有共同來源的兩個粒子存在著糾纏關(guān)系，似有“心靈感應(yīng)”，無論距離多遠，一個粒子的狀態(tài)發(fā)生變化，另一個粒子也發(fā)生變化，速度遠遠超過光速，一旦受擾即不再糾纏。愛因斯坦稱這種發(fā)生機理至今未解的量子糾纏為“幽靈般的超距作用”）被用于傳輸和保證信息安全，使任何竊密行為都會擾亂傳送密鑰的量子狀態(tài)，從而留下痕跡。

量子力學總結(jié)范文第4篇

量子力學誕生于1926年，是人類對微觀世界加以認識的理論基礎(chǔ)之一。量子力學和相對論之間的不相容性在1935年被愛因斯坦、波多爾基斯和羅森論證后，約翰•貝爾于1964年提出貝爾理論，，阿斯派克等人于1982年證明了超光速響應(yīng)的存在。1989年第一次演示成功量子密鑰傳輸，1997年量子態(tài)隱形傳輸?shù)脑硇詫嶒烌炞C由奧地利蔡林格小組在室內(nèi)首次完成，2004年，該小組又將量子態(tài)隱形傳輸距離成功提高到600米。2007年開始我國架設(shè)了長達16公里的自由空間量子信道，于2009年成功實現(xiàn)世界上量子隱形傳態(tài)的最遠距離。

二、量子通信技術(shù)的發(fā)展趨勢

量子通信技術(shù)的研究方向除了包括量子隱形傳態(tài)還包括量子安全直接通信等，突破了現(xiàn)有信息技術(shù)，引起了學術(shù)界和社會的高度重視。與傳統(tǒng)通信技術(shù)相比，量子通信除具有超強抗干擾能力外且不需對傳統(tǒng)信道進行借助；與此同時量子通信的密碼被破譯的可能性幾乎沒有，具有較強的保密性；另外，量子通信幾乎不存在線路時延，傳輸速度很快。量子通信發(fā)展僅僅經(jīng)歷了20年左右，但其發(fā)展卻十分迅猛，目前已經(jīng)被很多國家和軍方給予高度關(guān)注。

量子通信在國防和軍事上具有廣闊的應(yīng)用前景，作為量子技術(shù)的最大特征，量子技術(shù)的安全性是傳統(tǒng)加密通信所無可企及的。量子通信技術(shù)的超強保密性，能夠有效保證己方軍事密件和軍事行動不被敵方破譯及偵析，在國防和軍事領(lǐng)域顯示出無與倫比的魅力。另一方面，在破解復雜的加密算法上，也許現(xiàn)有計算機可能需要好幾萬年的時間，在現(xiàn)實中是完全無法接受且?guī)缀鯖]有實用價值的。但量子計算機卻能在幾分鐘內(nèi)將加密算法破解，如果未來這種技術(shù)被投入實用，傳統(tǒng)的數(shù)學密碼體制將處于危險之中，而量子通信技術(shù)則能能夠抵御這種破解和威脅。

在民間通信領(lǐng)域量子通信技術(shù)的應(yīng)用前景也同樣廣闊。中國科技大學在2009年對界上首個5節(jié)點的全通型量子通信網(wǎng)絡(luò)進行組建后，使得實時語音量子保密通信被首次實現(xiàn)，城市范圍的安全量子通信網(wǎng)絡(luò)在這種“城域量子通信網(wǎng)絡(luò)”基礎(chǔ)上成為了現(xiàn)實。

三、總結(jié)

量子力學總結(jié)范文第5篇

關(guān)鍵詞：自然哲學　量子革命　系統(tǒng)辯證法

關(guān)于20世紀科學革命，有人說只須記住三件事：相對論、量子革命和混沌學（系統(tǒng)科學中最突出的新分支）。正是這三大科學革命為人類建構(gòu)全新的自然圖景（也就是新穎的自然哲學）作出了決定性的貢獻。這里所謂自然哲學是指人對自然的哲學反思。自然哲學的中心問題就是基于人與自然的關(guān)系來研究自然本體最一般的性質(zhì)和人類的世界圖景。

一

自然哲學在哲學史上有過兩個全盛時期（古希臘及近代機械論），只是在謝林、黑格爾之后衰落了。由于20世紀三大科學革命的強大影響，自然哲學正在當代復興起來，這是十分令人鼓舞的。我們先從三大科學革命說起。

首先要提到的是相對論革命對改造人類世界圖景的貢獻。在1905年的狹義相對論中，時空性質(zhì)依賴于參照系等概念是對“觀察無關(guān)性”的經(jīng)典信念的初次沖擊；1915年的廣義相對論把引力場（它具有整體全息相關(guān)性）確立為新的“獨立的實在”，這是對牛頓的實體觀的又一次打擊。接著要論述的是量子革命，它比相對論革命更為深刻地改變著人類的世界圖景。因為1925年以后所創(chuàng)建的量子力學進一步使笛卡兒與牛頓以來的主客絕對二分原則、實體主義原則乃至嚴格決定論原則都受到猛烈沖擊。最后要強調(diào)的是系統(tǒng)科學革命。20世紀中葉以來近半個世紀系統(tǒng)科學的蓬勃發(fā)展表明，從總體上說，系統(tǒng)自然觀集中體現(xiàn)了當代自然圖景的精華，因此系統(tǒng)自然觀幾乎成了當代自然科學的世界圖景的代名詞，貝塔朗菲稱之為“一種新的自然哲學”。20年代所出現(xiàn)的懷特海的“機體論哲學”則是這種自然哲學之先聲。

當代的系統(tǒng)自然觀借助于維納的控制論(1949)、貝塔朗菲的一般系統(tǒng)論(1948)、普利高津的耗散結(jié)構(gòu)論(1969)和哈肯的協(xié)同學(1971)等理論復活了亞里士多德的機體論和內(nèi)在目的論的自然哲學?！?〕控制論通過對“動物（即生命系統(tǒng)）和機器（即非生命系統(tǒng)）的通用規(guī)律”的研究表明，自動機器通過反饋調(diào)節(jié)機制可以表現(xiàn)出與神經(jīng)控制同樣的合目的性或規(guī)律。[1]維納在《控制論》中對牛頓的嚴格決定論進行了深刻有力的批判，肯定了統(tǒng)計力學家吉布斯把偶然性引進到科學中來的重大的方法論意義，并突破了目的論與機械論之間的兩極對立。莫諾在《偶然性與必然性——略論現(xiàn)代生物學的自然哲學》(1971)一書中，則用生物微觀控制論表明，借助于生物化學和分子生物學層次的反饋機制以及微觀-宏觀相互作用，完全偶然的基因突變最終可以納入物種進化的必然軌道；耗散結(jié)構(gòu)論表明，在遠離平衡態(tài)條件下開放系統(tǒng)可以通過非線性正反饋機制的作用表現(xiàn)出有序化和合目的性；協(xié)同學還進一步發(fā)現(xiàn)序參量是整個自組織過程的主宰如此等等?？傊羞@些自動機器和自組織理論都表明，無須超自然的神力和神秘的“生命力”，自然系統(tǒng)也象自動機一樣可以憑借內(nèi)在機制的作用呈現(xiàn)合目的性。從這個特定意義上說，認為宇宙＝巨大的超級自動機的“機械論”是對的，而非神學性的宇宙“內(nèi)在目的論”也是對的。從歷史上看，牛頓的機械論自然哲學是對亞里士多德的目的論自然哲學的否定?，F(xiàn)在，我們的立足于系統(tǒng)科學的新自然哲學則應(yīng)看作一種“否定之否定”。它是對機械論與目的論自然哲學的更高的辯證綜合。

當代自然哲學（它以系統(tǒng)自然觀及其系統(tǒng)辯證法為核心或靈魂）最有革命性的一個方面，也許表現(xiàn)在反嚴格決定論和對偶然性客觀意義的新認識。直到現(xiàn)在為止，一般人都相信“近似決定論”：只要近似知道一個系統(tǒng)的運行規(guī)律和初始條件就可以足夠好地計算出系統(tǒng)的近似行為。可是混沌學中著名的“蝴蝶效應(yīng)”，即系統(tǒng)演化進程對初始條件的敏感依賴性，卻斷然否決了牛頓-拉普拉斯決定論的任何翻版（如“近似決定論”）的有效性。美國氣象學家洛侖茲在1961年發(fā)現(xiàn)，實際上長期天氣預報是不可能的。因為即使對于嚴格確定的氣象方程組，初始條件的小誤差，也會導致災難性的后果。諸如珞珈山的蝴蝶拍拍翅膀那樣的初始小擾動，經(jīng)由地球大氣系統(tǒng)中的逐級放大，最終可能在南美洲引起大風暴。這種由決定論引出來的混沌，對經(jīng)典觀念的打擊是毀滅性的?；煦绺锩訌姴⑸罨肆孔痈锩?。

通過量子力學、分子生物學、協(xié)同學乃至混沌學的研究，現(xiàn)代科學家越來越認識到，偶然性在自然界具有不容忽視的本體論地位，以及研究偶然性的內(nèi)在機制的重要性。為恩格斯贊同過的黑格爾關(guān)于“必然性自己規(guī)定自己為偶然性，……偶然性又寧可說是絕對的必然性”（〔2〕，第562—563頁）的辯證論斷，得到最新自然科學的支持。正如馬克斯·玻恩在《關(guān)于因果與機遇的自然哲學》(1951)中所注意到的，量子世界是由因果與機遇聯(lián)合統(tǒng)治的，其中機遇是有規(guī)則的。同樣，在哈肯的協(xié)同學演化方程（如福克-普朗克方程和郎之萬方程）中，決定論力項與隨機力項是共同起作用的。在混沌理論中，混沌本是由決定論規(guī)律引出的內(nèi)在的無序和不規(guī)則性，然而對混沌吸引子的相空間圖解研究卻表明，即使混沌也有精細結(jié)構(gòu)，其中機遇也是有規(guī)則的，偶然性與必然性相互作用的深層非線性機制是可以認識的。從量子力學到系統(tǒng)科學的研究表明，概率統(tǒng)計定律是比嚴格決定論定律更好的認識工具，但原有的“大數(shù)定律”與“統(tǒng)計平均值”等概念對于描述偶然性已經(jīng)顯得太粗糙了，非線性數(shù)學該出陣參戰(zhàn)了。因為唯有借助于非線性數(shù)學才可能認清偶然性起作用的深層結(jié)構(gòu)機制。

當代自然哲學中的系統(tǒng)整體論思想也是相當有革命性的。自從歐幾里得、阿基米德以來，“整體＝部分和”的公理已經(jīng)成為背景知識不可缺少的一部分。這一觀念也是牛頓的機械論自然哲學的一個基本要素（它與實體主義、還原主義相協(xié)調(diào)）。然而，一般系統(tǒng)論中的貝塔朗菲原理“整體不等于各部分簡單相加的總和”，卻斷然取消了歐幾里得的公理，以整體論取代了機械論的還原主義。量子力學中的全域相關(guān)性和粒子物理學中的新奇現(xiàn)象（“基本”粒子分割到一定限度，將出現(xiàn)“部分大于整體”的佯謬）以及生態(tài)系統(tǒng)的整體關(guān)聯(lián)性（卡普拉《轉(zhuǎn)折點》，1989）都支持貝塔朗菲的系統(tǒng)整體觀。

總之，以現(xiàn)代物理學與系統(tǒng)科學為代表的當代科學革命已經(jīng)引起了人類自然圖景的根本變革，人們有理由期待一種浸透著量子力學辯證法和系統(tǒng)科學辯證法精神的全新的自然哲學的出現(xiàn)。

二

現(xiàn)在我們轉(zhuǎn)入當代自然哲學的主要疑難及其可能解法的討論。

鑒于機械論自然哲學所遇到的困難，當代自然哲學所要討論的主要問題可以歸結(jié)如下：1.自然本體的性質(zhì)問題。物理實在究竟是孤立的實體還是依賴于系統(tǒng)場境的存在？“潛在”是否也是物理實在的基本形態(tài)之一？究竟是否存在終極實在？2.物理實在所遵循的規(guī)律究竟是決定論還是非決定論的？自然系統(tǒng)究竟是必然性還是偶然性所支配的？偶然性應(yīng)當具有怎么樣的本體論地位（是否應(yīng)當有）？3.所謂“觀察者侵入物理事件”的實質(zhì)是什么？主客二分的合理界限是什么？4.系統(tǒng)整體論與還原主義孰是孰非？5.目的論的新解釋問題。自然系統(tǒng)本身能有目的性嗎？能代替上帝作為選擇主體的地位嗎？目的論是否真與機械論勢不兩立？它又如何與神學劃清界線？下面我們將依次詳細分析這些問題：

1.自然本體或物理實在的性質(zhì)問題。

牛頓機械論自然哲學的本體論或?qū)嵲谟^的要害就在于實體主義。一切物理實在被認為都有實體性、實存性，自然被等同于實體的集合（簡單相加的總和），一種在絕對空間構(gòu)架中的機械性的存在物。然而，在新的原子科學中，從前認為不容置疑的“實體實存”原則已經(jīng)失效。明確的電子“軌道”或光子“路徑”等經(jīng)典性觀念在量子力學中是不允許的。電子實際上以“電子云”方式存在著，它并沒有絕對分明的輪廓，而且只是或然地顯現(xiàn)出來。如“測不準關(guān)系”所要求的，電子的位置與相應(yīng)的動量具有天生的不確定性，決不可能同時有確定的值，因而人們決不可能同時測量到其確定的值。所有這些事實，如果從牛頓的經(jīng)典本體論的眼光來看簡直是不可理解的，因為“潛在性”觀念完全沒有地位。

實際上，現(xiàn)代物理學家海森伯在批判牛頓機械論實在觀的基礎(chǔ)上，確實發(fā)展了一種全新的、更廣義的“潛在”實在觀。他根據(jù)量子力學事實總結(jié)出，潛在是介于可能與現(xiàn)實之間的物理實在的新型式，它被認為特別適用于微觀客體。海森伯尖銳地指出：“在量子論中顯示的實在概念的變化，并不是過去的簡單的繼續(xù)，而卻象是現(xiàn)代科學結(jié)構(gòu)的真正破裂?！保ā?〕，第2頁）“幾率波的概念是牛頓以來理論物理學中全新的東西。……它是亞里士多德哲學中‘潛在’(potentia)這個老概念的定量表述。它引入了某種介乎實際的事件和事件的觀念之間的東西，這是正好介乎可能性和實在性之間的一種新奇的物理實在?！保ā?〕，第11頁）“事件并不一定是確定的，而是可能發(fā)生或傾向于發(fā)生的事情便構(gòu)成了宇宙中的實在”。（〔4〕，第177頁）

總之，海森伯認為量子理論意味著實在觀念的革命，牛頓機械論的實在觀念已經(jīng)失效。他舉例說，幾率波、量子態(tài)、電子軌道等都與統(tǒng)計期望值相關(guān)聯(lián)，表示傾向性的、潛在的物理實在，這是物理實在的新形式。

現(xiàn)代粒子物理學的新假說把潛在性觀念發(fā)展到海森伯本人始料所不及的程度。喬弗利·丘(Geoffrey Chew)著名的粒子靴絆學說[2]，斷然否定了終極實體的可能性，揭示了自然本體的自助的、生成的本性。按照我的看法，它使系統(tǒng)實在論與系統(tǒng)辯證法完全本體論化了！由于任何粒子都可以充當基礎(chǔ)粒子，用以構(gòu)成其他粒子，因此說穿了沒有任何一種粒子是真正的“基本粒子”，這就是所謂“基本粒子并不基本”。從根本上說，自然界不可能還原到任何一種或幾種終極的實體。說一個質(zhì)子可以由中子和π介子所構(gòu)成，或者說它是由Λ超子和K介子所構(gòu)成，或者說它是由兩個核子和一個反核子所構(gòu)成，甚至說是由場的連續(xù)質(zhì)所構(gòu)成。所有這一切可能性是同樣真實地存在的。應(yīng)當說，所有這些陳述都同樣地正確又同樣地不完善。因為真實世界等于所有這些潛在的“可能世界”互相疊加的總和。借用日本物理學家武谷三男的話來說：“作為終極要素的實體——基本粒子本身也是相互流動地相互轉(zhuǎn)化的。這件革了以前的物質(zhì)觀，顯示了辯證邏輯的正確性?！保ā?〕，第28頁）

我們的進一步的問題是：作為自然本體的物理實在究竟是否可以歸結(jié)為互相孤立的實體？還是從本質(zhì)上說只能是依賴系統(tǒng)場境的整體全息相關(guān)的存在？在對著名的EPR假想[3]的實驗檢驗中所表現(xiàn)出來的量子關(guān)聯(lián)（即遠距粒子之間的整體相關(guān)性）很好地回答了這一問題。正如美國科學哲學家西莫尼(A.Shimony)所指出：“我們生活在一個實驗結(jié)果正在開始闡明哲學問題的非凡時代”。而今最新實驗結(jié)果表明，兩個相隔幾米且又沒有彼此傳遞信息機制的實體可能被相互糾結(jié)在一起，即它們的行為可以有極顯著的相關(guān)性，以致對其中一個實體進行測量將瞬時地影響到另一個實體的測量結(jié)果。這個新奇的實驗結(jié)果斷然否定了愛因斯坦等人(EPR)的預設(shè)（即“空間上遠隔的客體的實在狀態(tài)必定是彼此獨立的”），卻符合量子力學的系統(tǒng)整體觀。正如玻爾所注意到的，量子現(xiàn)象是作為整體而存在的，其中所反映出來的內(nèi)在關(guān)聯(lián)是不可消解的。量子現(xiàn)象的整體性不允許人們對它作機械的切割并把這種切割物認作它自身。因此我們有理由說，量子力學的整體實在觀是與系統(tǒng)整體觀相通的，量子辯證法與系統(tǒng)辯證法相互滲透，量子革命與系統(tǒng)科學革命相互支持。因此，作為科學革命的結(jié)晶，新自然哲學主張，物理實在的部分性質(zhì)取決于整體，取決于系統(tǒng)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，從根本上說，自然本體是整體全息相關(guān)的存在。

2.決定論與非決定論疑難，偶然性的本體論地位問題。

從前認為不容置疑的機械論自然哲學的“嚴格決定論”預設(shè)，如今在新的原子科學中也已經(jīng)失效。人們向來認為，自然科學和“自然科學唯物主義”有一個不可動搖的支柱：這就是嚴格決定論。對自然科學的這種見解，最典型地表現(xiàn)在拉普拉斯杜撰的那個精靈故事中，據(jù)說這個精靈（超智慧者）知道世界現(xiàn)況的一切決定因素，因而能夠無歧義地得出世界在過去或未來的其他一切狀態(tài)。這個被后人稱作“拉普拉斯妖”的理想實驗正是嚴格決定論的化身?？墒牵F(xiàn)在在微觀領(lǐng)域里發(fā)現(xiàn)了與這種嚴格決定論原則相違背的種種反常事實。簡略地說，熱學與分子物理學的研究表明，氣體分子運動是包含不確定性的自然進程，由于初始條件捉摸不定，單個分子的運動狀態(tài)成為純粹的偶然事件。分子運動論乃至統(tǒng)計力學的建立表明，概率統(tǒng)計定律也是自然描述不可缺少的一種基本形式。

強調(diào)概率統(tǒng)計定律重要性的科學思想反映到自然哲學中去，就成為“統(tǒng)計決定論”。其要旨可概括如下：對于一些包含不確定性的自然過程，雖然嚴格決定論不能直接應(yīng)用，但若應(yīng)用統(tǒng)計方法研究大量單個偶然事件的平均行為，卻可以找出明顯的統(tǒng)計規(guī)律性。換句話說，這些自然過程在統(tǒng)計平均意義上仍是決定論性的。這是決定論的弱化形式之一。

統(tǒng)計決定論的科學基礎(chǔ)在于經(jīng)典統(tǒng)計力學。統(tǒng)計力學的基本出發(fā)點則在于，認為盡管大量分子的集團行為滿足統(tǒng)計規(guī)律，但從底層基礎(chǔ)而言，單個分子（單個過程）仍遵守牛頓定律，滿足嚴格決定論。這樣，統(tǒng)計決定論并不把不確定性歸因于基礎(chǔ)規(guī)律的不同，而是把它歸因于初始條件的難以捉摸（即人類知識的不完備性）。因此，統(tǒng)計決定論只是嚴格決定論的補充形式。

然而，將概率統(tǒng)計觀點真正貫徹到底，最終導致量子物理學的興起，而測不準關(guān)系的發(fā)現(xiàn)則使嚴格決定論淪為無意義的空想。

在現(xiàn)代科學家中第一個對“非完全決定論”（即under-determinism，這個詞的不恰當?shù)奶娲~是indeterminism，即非決定論）有十分清醒認識的是哥廷根學派的馬克斯·玻恩。他在名著《關(guān)于因果和機遇的自然哲學》中對非完全決定論作了比其他量子物理學家（如玻爾、海森伯等）更為系統(tǒng)和透徹的分析。通過對玻恩文本的適當解釋、調(diào)整與轉(zhuǎn)譯，我們可以提煉出對當代自然哲學極有價值的內(nèi)容和決定論／非決定論問題的辯證解?！?〕

非完全決定論的最主要或最有特色的一種表現(xiàn)形式，是與量子力學相應(yīng)的概率決定論。其要點如下：(1)單個（量子）過程內(nèi)在地是幾率性的、非決定性質(zhì)的；(2)“自然界同時受到因果律和機遇律的某種混合方式的支配?！保ā?〕，第9頁）(3)機遇律是自然律的終極形式，偶然性有規(guī)則，“它們是用數(shù)學上的概率論表述出來的?！保ā?〕，第7頁）

關(guān)于自然界究竟是由必然性還是偶然性所支配的，是決定論性還是非決定論性的那個爭論，波普有一個著名的比喻：“云和鐘”?！霸啤本褪翘焐系脑?，代表極端不確定性，它非常不規(guī)則、毫無秩序又有點難以預測；“鐘”就是家家都有的時鐘，代表高度的確定性，它非常有規(guī)則、有秩序又是高度可預測的。這是兩個不同的極端，一端變化莫測，另一端高度精確。一般的自然事物往往處在這兩個極端之間。波普用“所有的云都是鐘”（當然也可以說“所有自然事物都是鐘”）表示決定論，用“所有的鐘都是云”（當然也可以說“所有自然事物都是云”）表示非決定論。波普終于認識到，人類理性需要的是“處于完全的偶然性和完全的決定論之間的某種中間物，即處于完全的云和完善的鐘之間的某種中間物?！保ā?〕，第239—240頁）這種完全的偶然論（非決定論）和完全的決定論的中間物，我們可以恰當?shù)胤Q作“非完全決定論”，它意味著對偶然性與必然性、因果與機遇的某種辯證綜合，這就是當代自然哲學對這一爭論所作的正確解。以上我們是借用M.玻恩與波普的話，經(jīng)校正、轉(zhuǎn)譯納入自己的概念框架，并用以闡發(fā)自己的“非完全決定論”觀點?！?〕

現(xiàn)代生物學和生物微觀控制論也為非完全決定論提供新的佐證。莫諾在其名著《偶然性與必然性（略論現(xiàn)代生物學的自然哲學）》中，從分子生物學的材料出發(fā)，有力地抨擊了嚴格決定論，并為恢復偶然性在自然哲學中的本體論地位付出極大的努力。莫諾是這樣說的：

當偶然事件——因為它總是獨一無二的，所以本質(zhì)上是無法預測的——一旦摻入了DNA的結(jié)構(gòu)之中，就會被機械而忠實地進行復制和轉(zhuǎn)錄，……從純粹偶然性的范圍中被延伸出來以后，偶然性事件也就進入了必然性的范圍，進入了相互排斥、不可調(diào)和的確定性的范圍了。因為自然選擇就是在宏觀水平上、在生物體的水平上起作用的。自然選擇能夠獨自從一個噪聲源泉中譜寫出生物界的全部樂曲。（著重號為引者所加）（〔9〕，第88頁）

莫諾這段話應(yīng)當看作關(guān)于生物自然界的非完全決定論，關(guān)于極小幾率的偶然事件向極嚴格規(guī)律轉(zhuǎn)化過程的生動說明。特別是最后那句話是說明生物界的偶然性與必然性的相互聯(lián)系、相互作用方式的絕妙比喻。當然，由于莫諾有時十分不恰當?shù)貙栏駴Q定論與辯證唯物論混為一談，應(yīng)當注意他的言論本身具有兩重性。（〔10〕，第324頁）

非完全決定論的內(nèi)容還由于系統(tǒng)科學的興起而得到了進一步豐富和加強。有人因之稱作系統(tǒng)決定論。其要旨可概括如下：

一般的自然界的復雜系統(tǒng)（在自然哲學中姑且撇開社會系統(tǒng)），不能由它的構(gòu)成要素和子系統(tǒng)通過簡單相加和線性因果鏈無歧義地決定其整體功能和行為。但系統(tǒng)的存在與演化仍有相當確定的規(guī)律可循，機遇與因果共同決定著系統(tǒng)的存在和發(fā)展，因而系統(tǒng)在整體上仍有決定性。

具體地說，系統(tǒng)演化的主要機理就在于機遇性漲落、反饋和非線性作用。人們常喜歡將借助于系統(tǒng)科學特有的資料所認識的辯證法，稱作“系統(tǒng)辯證法”。系統(tǒng)科學從自己的角度闡明了因果與機遇、決定性與隨機性的辯證法：自組織系統(tǒng)作為遠離平衡態(tài)的開放系統(tǒng)，以偶然的隨機的漲落為誘導，通過正反饋和非線性放大，某一漲落在矛盾競爭之中取得支配地位，成為序參量，于是使系統(tǒng)的演化納入必然的軌道，建立時空、功能上的新的有序狀態(tài)。系統(tǒng)辯證法與矛盾辯證法在自組織動力學機制的解釋上是高度一致的：當自組織系統(tǒng)處于不穩(wěn)定點時，系統(tǒng)內(nèi)部矛盾全面展開并有所激化，與各種子系統(tǒng)及其要素的局部耦合關(guān)系和運動特性相聯(lián)系的模式和參量都異常活躍，各種參量的漲落此起彼伏，它們都蘊含著一定的結(jié)構(gòu)與組織的胚芽，為了建立自己的獨立模式并爭奪對全局的支配權(quán)，它們之間進行激烈的競爭與對抗，時而“又聯(lián)合又斗爭”，最后才選拔出作為主導模式的序參量。非完全決定論在協(xié)同學的描述系統(tǒng)演化的數(shù)學方程中也得到反映。如郎之萬方程（描述布朗運動的）和?？?普朗克方程中，概率論描述與因果性描述共處于一體，隨機作用項與決定論作用項被綜合在一起，偶然性與必然性因子被綜合在一起。從自然哲學看，它們體現(xiàn)了機遇律與因果律的辯證綜合。

3.物理事件與觀察的關(guān)系、主體-客體相互作用問題。

從前認為不容置疑的“客觀事件與任何觀測無關(guān)”的自然哲學信條，如今在新的原子科學中同樣也正在失效。正如海森伯所指出，經(jīng)典物理學的真正核心，也就是物理事件在時間、空間上的客觀進程與任何觀測無關(guān)的信念，由于許多量子實驗的發(fā)現(xiàn)而受到?jīng)_擊。而現(xiàn)代物理學的真正力量就存在于自然界為我們提供的那些新的思想方法之中。因此，再指望用新實驗去發(fā)現(xiàn)與觀測無關(guān)的“純客觀事件”或不依賴于觀察者和相關(guān)參照系的“絕對時間”，就無異于指望極地探險家在南極圈尚未勘查過的地方會發(fā)現(xiàn)“世界盡頭”，那只能是不切實際的幻想。（〔4〕，第4頁和第9頁）對原子、電子那樣的客體的任何一次射線照射或觀測都足以破壞其初始狀態(tài)，而且由于或然性和不可逆性，這種狀態(tài)不可恢復。

玻爾為量子力學所作的“互補性詮釋”中一個最基本的思想是：觀察者（主體）與被觀察者（客體）之間的嚴格劃界是不可能的，因為在實際過程中兩者處在緊密相連的相互作用之中。無論是純粹的“主體”即可以）“無干擾”地進行觀察的觀察者）或是純粹的“客體”（可以絕對隔絕外界作用而界定被觀察系統(tǒng)的孤立狀態(tài)）概念都只是經(jīng)典物理學所作的理想化，而這兩種理想化既是相互補充又是相互排斥的?！?1〕這就是玻爾著名的“我們既是觀眾（觀察者），又是演員（被觀察者）”辯證論斷的真實含義。

實際上，從當代自然哲學的眼光看，這是很自然的：人（觀察者）本來就是自然（被觀察者）不可分割的一部分，我們只能用一種內(nèi)在化的眼光來看待自然，而不可能象上帝那樣用完全超脫的外在化眼光看自然，這就是問題的癥結(jié)所在。

正如羅森菲爾德所指出，所謂“觀察者介入原子事件進程”的局勢，容易產(chǎn)生科學事實的客觀性被敗壞的假象，因此我們必須與機械論和不可救藥的唯心主義劃清界線。羅森菲爾德本人正是以辯證法為武器在與機械論和唯心主義劃界的過程中闡明了觀察者與物理事件的辯證關(guān)系的客觀性質(zhì)。（〔12〕，第140頁）海森伯說得很分明：“量子論并不包含真正的主觀特征，它并不引進物理學家的精神作為原子事件的一部分”。（〔3〕，第22頁）可見，“客體行為與觀測有關(guān)”原則并不意味著我們可以拋棄客觀實在而接受主觀主義。

4.系統(tǒng)整體實在觀問題。在闡述以上各個問題的過程中，我們實際上已經(jīng)闡明了整體實在觀的基本觀點：“整體不同于各部分機械相加的總和”。自然本體是依賴于系統(tǒng)場境的存在、處在相對相關(guān)中的存在，是整體全息相關(guān)的實在。正如D.玻姆所指出的，按照量子概念，世界是作為統(tǒng)一的不可分割的整體而存在的，其中即使是每個部分內(nèi)在的性質(zhì)（波或粒子）也在一定程度上依賴于場境。其實，人本身就是自然的產(chǎn)物，自然不可分割的一部分，人只能作為參與者并在相互作用過程中用內(nèi)在化的觀點來理解自然本體。只是在系統(tǒng)及其諸要素之間的相互作用可以忽視的情況下，還原主義才是近似地有效的。

5.自然本體目的性的（自組織解釋）問題。簡單地說，當代自然哲學的目的論觀是亞里士多德內(nèi)在目的論的復活和發(fā)展，是現(xiàn)代系統(tǒng)科學目的論觀的升華。宇宙象是一個有機統(tǒng)一的整體，自然系統(tǒng)（包括生命系統(tǒng)和非生命自組織系統(tǒng)）的結(jié)構(gòu)、功能和演化過程的合目的性可以通過自然本身的自組織機制的作用得到合理解釋。〔1〕

例如，自然選擇的實質(zhì)問題是由生物哲學所提出的一個重要問題。按照生物控制論的初步解答，關(guān)于生物進化的自然選擇機制實質(zhì)上就是一種以偶然的突變?yōu)樗夭?，通過反饋調(diào)節(jié)的最優(yōu)化控制機制。艾根的超循環(huán)理論則進一步明確，在大分子的自組織階段，在生化反應(yīng)的超循環(huán)中選擇價值高的突變不斷通過過濾和正反饋放大，形成功能性的組織，強化、優(yōu)化并向更高水平進化。這里，一方面自然選擇表現(xiàn)為自然本身的純物質(zhì)性的有規(guī)則的相互作用過程，但它不同于牛頓的機械因果性模式，因為其中突變與選擇機制、機遇與因果是辯證地聯(lián)合起作用的；另一方面，盡管它排除了自然神力的干預，卻仍然是合目的性的過程，因為它有自引導的、自動調(diào)節(jié)的功能（使物種或分子擬種適應(yīng)環(huán)境）。這樣，按系統(tǒng)辯證法重新解釋過的合理的目的論又能與神學劃清界線。

三

正如我們已經(jīng)看到的，20世紀早期的相對論量子論革命向統(tǒng)治思想界長達二三百年之久的機械論自然哲學，提出了全面的詰難和挑戰(zhàn)，并給予毀滅性的打擊。當代自然哲學正是在克服舊自然哲學的危機，在回答新興自然科學所提出的詰難和挑戰(zhàn)的過程中逐步建立起來的。20世紀中葉以來以系統(tǒng)科學群為代表的新興科學的迅速發(fā)展，豐富了當代自然哲學的內(nèi)涵，加速了人類自然圖景革新的步伐。

總起來說，當代自然哲學的核心觀點，可以簡要地重新概括如下：

1.自然本體是依賴于系統(tǒng)場境的、在關(guān)系中生成的、流動的實在，作為孤立實體的終極實在根本不存在，“潛在”是物理實在的一種新形式；2.自然系統(tǒng)遵循非完全決定論（即決定論與非決定論的中間物），它是由因果與機遇聯(lián)合統(tǒng)治的，此兩者互斥又互補。偶然性的本體論地位是：它是自然本體本質(zhì)中的一個規(guī)定、一個方面和一個要素。偶然性存在精細的非線性作用機制（由混沌革命所發(fā)現(xiàn)?。?.物理事件與觀測有關(guān)，人作為自然系統(tǒng)的一分子只能用參與者的身分和內(nèi)在化的觀點來觀察自然，絕對的主客二分只是不切實際的幻想；4.系統(tǒng)整體觀在總體上比還原主義更為合理，不過為了進行精細的研究，有節(jié)制的還原主義仍是必不可少的和有啟發(fā)力的，兩者其實是互斥又互補的。5.自然系統(tǒng)的合目的性可以按自組織觀點得到最合理的解釋，目的論與機械論也是互斥又互補的。

最后，我們所要強調(diào)的是偶然性的恰當?shù)谋倔w論地位問題。迄今仍有不少讀者受過時的哲學教科書的影響，把偶然性當作一種外在的、主觀的、局部的、非本質(zhì)的和不穩(wěn)定的或暫時的東西。其實這種看法有違辯證法的本意，可以毫不客氣地說它屬于機械論的范疇。通過對量子辯證法與系統(tǒng)辯證法的研究，我們可以十分有把握地說：機遇或偶然性在本體論中恰恰是一種內(nèi)在的、固有的、普遍的、本質(zhì)的和永久性的成分。借用列寧論“假象”的話來說，偶然性是“本質(zhì)的一個規(guī)定、一個方面和一個環(huán)節(jié)”，是“本質(zhì)自身在自身中的表現(xiàn)”。機遇與偶然性是客觀的并且具有自己的非常獨特的規(guī)律。在新自然哲學中，我們不能再滿足于把偶然性看作必然性的“補充形式”的外在化理解，而要比以往任何時候都更加清醒地認識到，機遇與因果相互聯(lián)結(jié)、相互滲透，辯證地融為一體。在非完全決定論中，偶然性恢復了它本來應(yīng)有的本體論地位，機遇與因果，偶然性與必然性以幾率或統(tǒng)計性乃至“混沌吸引子”為中介辯證地聯(lián)結(jié)在一起。在相空間中混沌吸引子的精巧的無窮嵌套的自相似結(jié)構(gòu)，精確而形象地展示出系統(tǒng)演化過程中機遇與因果如何聯(lián)合起作用的深層非線性機制，進一步豐富了對自然本體辯證內(nèi)涵的認識。

應(yīng)當說，這是量子辯證法與系統(tǒng)辯證法對矛盾辯證法的一項貢獻，它們本應(yīng)是相得益彰的。

參考文獻

〔1〕桂起權(quán)：《目的論自然哲學之復活》，載“自然辯證法研究”1995(7)，并收入?yún)菄⒅骶帯蹲匀徽軐W》一書，中國社科出版社1994年版。

〔2〕《馬克思恩格斯全集》第20卷。

〔3〕海森伯：《物理學與哲學》商務(wù)印書館1984年版。

〔4〕海森伯：《嚴密自然科學基礎(chǔ)近年來的變化》上海譯文出版社1978年版。

〔5〕《武谷三男物理學方法論論文集》商務(wù)印書館1975年版。

〔6〕波普：《客觀知識》，上海譯文出版社1987年版。

〔7〕桂起權(quán)：《非完全決定論：因果與機遇的辯證綜合》，載“科學技術(shù)與辯證法”1991(2)。

〔8〕玻恩：《關(guān)于因果和機遇的自然哲學》商務(wù)印書館1964年版。

〔9〕莫諾：《偶然性與必然性（略論現(xiàn)代生物學的自然哲學）》，上海人民出版社1977年版。

〔10〕桂起權(quán)：《科學思想的源流》武漢大學出版社1994年版。

〔11〕桂來權(quán)《析量子力學中的辯證法思想—玻爾互補性構(gòu)架之真諦》，載“哲學研究”1994(10)。

〔12〕羅森菲爾德：《量子革命》商務(wù)印書館1991年版。

注釋：

[1]正是在這一意義上，梁實秋在《遠東英漢大辭典》中，將控制論(cybernetics)譯作神經(jīng)機械學。