量子力學的核心精選(九篇)
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第1篇：量子力學的核心范文
本書的主要目的，就是要證明這樣的替代物是存在的，它與50年前人們討論的所謂唯象隨機量子力學以及隨機零點場理論密切相關。這是一種漲落場，屬于經典Maxwell方程的解，但是在零溫下有非零平均能。作者們認為量子化源于經典物理與這種零點場漲落緊密聯系的深刻隨機過程，而量子力學的基本理論建筑在第一原理的基礎上，這個原理揭示從更深層次的隨機過程引發的涌現（Emergency，或譯突現）現象的量子化。
作者們在本書所呈現的理論觀點是經過長時間的努力尋找而獲得的答案。長期以來，科研人員試圖尋找答案的以下問題：哪些概念對量子力學的發展起重要作用；是什么為這些概念提供了物理基礎；量子力學背后的物理學的最新發現中，有哪些對這些問題的回答形成了綜合的和自洽的新的理論框架。
作者認為任何物質系統都是一個開放系統，它們永久地接觸隨機零點輻射場，并與其達到平衡狀態。從這個基礎出發，導出量子力學形式體系的核心以及非相對論QED的相對論修正，同時揭示了基本的物理機制。本書打開了通向進一步探索并揭示物理的新大門。讀者會看到，這一任務遠沒有結束，仍存在很多問題沒有考察到，期待進一步研究。
本書闡明了量子理論一些核心特點的根源，諸如原子的穩定性，電子自旋，量子漲落、量子非定域性和糾纏。這里發展的理論重新確認了諸如實在性、因果性、局域性和客觀性等基本的科學原理
全書內容共分10章：1.量子力學：某些問題；2.唯象隨機方法：通向量子力學的簡捷途徑；3.普朗克分布，漲落零點場的一個必然推論；4.通向薛定諤方程的漫長旅途；5.通向海森伯量子力學之路；6.超越薛定諤方程；7.解開量子糾纏； 8.量子力學的因果性、非定域性和糾纏； 10.零點場波（和）物質。
本書適合熟悉量子力學的最基本概念和結果的讀者閱讀。其內容適用于從事理論物理、數學物理、實驗物理、量子化學和物理哲學的研究人員、研究生和教師參考。
丁亦兵，教授
（中國科學院大學）
Ding Yibing，Professor
（The University，CAS）Ignatios Antoniadis et al
Supersymmetry After the
Higgs Discovery
2014
http：///book/
10.1007/978-3-662-44172-5
第2篇：量子力學的核心范文
關鍵詞 量子力學 教學內容 教學方法
中圖分類號：G420 文獻標識碼：A
Teaching Methods and Practice of Quantum Mechanics of
Materials Physics Professional
FU Ping
(College of Materials Science and Engineering, Wuhan Institute of Technology, Wuhan, Hubei 430073)
Abstract For the difficulties faced by students in Materials professional to learn quantum mechanics physics course, by a summary of teaching practice in recent years, from the teaching content, teaching methods and means of exploration and practice, students mobilize the enthusiasm and initiative, and achieved good teaching results.
Key words quantum mechanics; teaching content; teaching methods
0 引言
量子力學是研究微觀粒子（如原子、分子、原子核和基本粒子等）運動規律的物理學分支學科，它和相對論是矗立在20世紀之初的兩座科學豐碑，一起構成了現代物理學的兩塊理論基石。相對論和量子力學徹底改變了經典物理學的世界觀，并且深化了人類對自然界的認識，改造了人類的宇宙觀和思想方法，它使人們對物質存在的方式及其運動形態等的認識產生了一個質的飛躍。
量子力學是材料物理專業一門承前啟后的專業基礎必修課：量子力學的教學必須以數學為基礎，包括線性代數、概率論、高等數學、數理方法等，其又是后續課程材料科學基礎、固體物理、材料物理、納米材料等的理論基礎。可見，量子力學課程在材料物理專業的課程體系中占有非常重要的地位，學生掌握的程度直接影響后續專業課程的學習。作者近年來一直從事量子力學的教學工作，針對量子力學課程教學過程中存在的現象和問題，進行了較深入細致的思考與探討，在實際教學過程中對本課程的教學方法進行了探索與實踐，收到了較好的教學效果。
1 量子力學教學面臨的難點
量子力學研究的是微觀粒子的運動規律，微觀粒子同宏觀粒子不同，看不見，摸不著，只有借助于探測器才能察覺它的存在和屬性。材料物理專業學生之前學習的基本上是經典物理，而量子力學理論無法用經典理論進行解釋，學生對此感到難于理解。因此，經典物理的傳統觀念對學生思想的束縛，構成了學生學習量子力學的思想障礙；量子力學可以說無處不“數學”， 由于材料物理專業學生在數學基礎方面與物理專業學生相比較為薄弱，在學習過程中普遍感到數學計算繁難，對大段的數學推導表現出畏難情緒。可見，量子力學對數學的精彩詮釋卻構成了學生學習量子力學的心理障礙。這兩大障礙勢必會影響量子力學和后續課程的學習。在這種情況下，我們應當怎樣開展量子力學教學從而使學生重視并努力學好該課程就成了一個嚴峻的挑戰。
2 明確教學重點和難點、有的放矢
要講授一門課程，首先應該對課程內容有一個清晰的認識。量子力學的內容可以包括三個方面：一是介紹產生新概念的歷史背景及一些重要實驗；二是提出一系列不同于經典物理學的基本概念與原理，如波函數、算符等概念和相關原理，是該課程的核心；三是給出解決具體實際問題的方法。三部分內容相互聯系，層層推進，形成完整的知識體系。作為引導者，教師應在這三部分內容的教學過程中幫助學生成功地突破兩大束縛。第一部分內容教師應考慮如何引導學生入門，從習慣古典概念轉而接受量子概念。在講授這部分內容時要將重點放在“經典”向“量子”的過渡上，引出量子力學與經典力學在研究方法上的顯著不同：經典力學是將其研究對象作為連續的不間斷的整體對待，而量子力學將其研究對象看成的間斷的、不連續的。學生在學習這部分時應仔細“品嘗”其中的“滋味”，以便啟發自己的思維自然地產生一個飛躍，完成思想的突破。第二、三部分是量子力學學習的重點與難點，并且涉及大量的數學推導，教師應采取適當的教學手段，突出重點，強調難點。在物理學研究中，數學只是用來表達物理思想并在此基礎上進行邏輯演算的工具，不能將物理內容淹沒在復雜的數學形式當中。通過數學推導才能得到的結論，只需告訴學生，從數學上可以得到這樣的結果就可以了，無需將重點放在繁難的數學推導上，否則會使學生本末倒置，忽略了對量子力學思想的理解。這樣的教學可以幫助學生突破心理障礙，不會一提量子力學就想到復雜的數學推導，從而產生抵觸情緒。成功地突破這兩大障礙，是學習量子力學的關鍵。
3 教學方法的改革
3.1 利用現代技術改進教學手段
傳統的板書教學能夠形成系統性的知識框架，教師在板書推導的過程中，學生有時間反應和思考，緊跟教師的思路，從而可以詳細、循序漸進地吸收所學知識，并培養了良好的思維習慣。但全程板書會導致上課節奏慢，授課內容有限。目前隨著高校教學改革的推進，授課學時相繼減少，對于傳統教學方式來講，要完成教學任務比較困難。這就要借助現代科技手段進行教學改革，包括多媒體課件的使用和網絡教學。但是在量子力學教學中，一些繁雜公式的推導，如果使用多媒體課件，節奏會較快，導致學生目不暇接，來不及做筆記，更來不及思考，不利于講授內容的消化吸收。鑒于此，對于量子力學課程，教學過程應采用板書和多媒體技術相結合的方式，充分發揮二者的優勢，調動學生的學習積極性。
3.2 建設習題庫
量子力學課程理論抽象，要深入理解這些理論，在熟練掌握教材基本知識的基礎上，需要通過大量習題的演練，循序漸近，才能檢驗自己理解的程度，真正學好這門課程。因此在教學過程中，強調做習題的重要性。有針對性地根據材料物理專業量子力學的教學大綱和教學內容，參考多本量子力學教材和習題集，利用計算機技術建設量子力學習題庫，題型包括選擇、填空、證明、簡答和計算題等，內容涵蓋各知識點，從簡到繁、由淺至深。題庫操作方便，學生可自行操作，并對所做結果進行實時檢查，從而清楚自己掌握本課程的程度。這一方式在近幾年的教學中取得了良好的教學效果。
3.3 加強與學生互動，調動學生的學習積極性
教學是一個師生互動的過程，應讓學生始終處于主動學習的位置而不是被動的接受。量子力學課程的學習更應積極調動學生的積極性，因此教師應在教學過程中加強與學生的互動。增設課前提問、課后討論環節，認真批改作業，積極發現學生學習過程中存在的問題，并及時對問題進行深入講解，解決問題。另外，由于量子力學是建立在一系列基本假定基礎之上的，抽象難懂，鑒于學生難接受的情況，在授課時注意理論聯系實際，盡可能進行知識的滲透和遷移，將量子力學在實際中的應用穿插于教學之中，豐富教學內容，開拓學生視野，從而調動學生的學習興趣和積極性。
4 結語
通過近年來教學經驗的總結和探索，形成了一套適合材料物理專業量子力學課程教學的方法，該方法教學效果良好。在近幾年的研究生入學考試中，學生量子力學課程的成績優秀，說明采用這樣的教學方法是成功的。
資助項目：武漢工程大學2010年校級教學研究項目（X201037）
第3篇：量子力學的核心范文
圖景。
一、量子力學突破了經典科學的機械決定論，遵循因果加統計的非機械決定論
經典力學是關于機械運動的科學，機械運動是自然界最簡單也是最普遍的運動。說它最簡單，因為機械運動比較容易認識，牛頓等人又采取高度簡化的方法研究力學，獲得了空前成功；說它最普遍，因為機械力學有廣泛的用途，容易把它絕對化。[2]機械決定論是建立在經典力學的因果觀之上，解釋原因和結果的存在方式和聯系方式的理論。機械決定論認為因和果之間的聯系具有確定性，無論從因到果的軌跡多么復雜，沿著軌跡尋找總能確定出原因或結果；機械決定論的核心在于只要初始狀態一定，則未來狀態可以由因果法則進行準確預測。[3]其實，機械決定論僅僅適用于宏觀物體，而對于微觀領域以及客觀世界中大量存在的偶然現象的研究就產生了統計決定論。[4]
量子力學是對經典物理學在微觀領域的一次革命。量子力學所揭示的微觀世界的運動規律以及以玻爾為代表的哥本哈根學派對量子力學的理解，同物理學機械決定論是根本相悖的。[5]按照量子理論，微觀粒子運動遵守統計規律，我們不能說某個電子一定在什么地方出現，而只能說它在某處出現的幾率有多大。
玻恩的統計解釋指出，因果性是表示事件關系之中一種必然性觀念，而機遇則恰恰相反地意味著完全不確定性，自然界同時受到因果律和機遇律的某種混合方式的支配。在量子力學中，幾率性是基本概念，統計規律是基本規律。物理學原理的方向發生了質的改變：統計描述代替了嚴格的因果描述，非機械決定論代替了機械決定論的統治。
經典統計力學雖然也提出了幾率的概念，但未能從根本上動搖嚴格決定論，量子力學的沖擊則使機械決定論的大廈坍塌了。量子力學揭示并論證了人們對微觀世界的認識具有不可避免的隨機性，它不遵循嚴格的因果律。任何微觀事件的測定都要受到測不準關系的限定，不可能確切地知道它們的位置和動量、時間和能量，只能描述和預言微觀對象的可能的行為。因此，量子力學必須是幾率的、統計的。而且，隨著認識的發展，人們發現量子統計的隨機性，不是由于我們知識和手段的不完備性造成的，而是由微觀世界本身的必然性（主客體相互作用）所注定。
二、量子力學使得科學認識方法由還原論轉化為整體論
還原論作為一種認識方法，是指把高級運動形式歸結為低級運動形式，用研究低級運動形式所得出的結論代替對高級運動形式的本質認識的觀點。它用已分析得出的客觀世界中的主要的、穩定的觀點和規律去解釋、說明要研究的對象。其目的是簡化、縮小客體的多樣性。這種方法在人類認識處于初級水平上無疑是有效的。如牛頓將開普勒和伽利略的定律成功地還原為他的重力定律。但是還原論形而上學的本質，以及完全還原是不可能的，決定了還原論不能揭示世界的全貌。
量子力學認為整體與部分的劃分只有相對意義，整體的特征絕非部分的疊加，而是部分包含著整體。部分作為一個單元，具有與整體同等甚至還要大的復雜性。部分不僅與周圍環境發生一定的外在聯系，同時還要表現出“主體性”，可將自身的內在聯系傳遞到周邊，并直接參與整體的變化。因而，部分與整體呈現了有機的自覺因果關系。在特定的臨界狀態，部分的少許變化將引起整體的突變。[6]
波粒二象性是微觀世界的本質特征，也是量子論、量子力學理論思想的靈魂。用經典觀點來看，也就是按照還原論的思想，粒子與波毫無共同之處，二者難以形成直觀的統一圖案，這是經典物理學通過部分還原認識整體的方法，是“向上的原因”。可是微觀粒子在某些實驗條件下，只表現波動性；而在另一些實驗條件下，只表現粒子性。這兩種實驗結果不能同時在一次實驗中出現。于是，玻爾的互補原理就在客觀上揭示了微觀世界的矛盾和我們關于微觀世界認識的矛盾，并試圖尋找一種解決矛盾的方法，這就是微觀粒子既具有粒子性又具有波動性，即波粒二象性。這就是整體論觀點強調的“向下的原因”，即從整體到部分。同樣，海森伯的測不準原理說明不能同時測量微觀粒子的動量和位置，這也說明絕不能把宏觀物體的可觀測量簡單盲目地還原到微觀。由此我們可以看出，造成經典科學觀與現代科學觀認識論和方法論不同的根本在于思考和觀察問題的層面不同。經典科學一味地強調外在聯系觀，而量子力學則更強調關注事物內部的有機聯系。所以，量子力學把內在聯系作為原因從根本上動搖了還原論觀點。
三、量子力學使得科學思維方式由追求簡單性發展到探索復雜性
從經典科學思維方式來看，世界在本質上是簡單的。牛頓就說過，自然界喜歡簡單化，而不喜歡用什么多余的原因以夸耀自己。追求簡單性是經典科學奮斗的目標，也是推動它獲取成功的動力。開普勒以三條簡明的定律揭示了看似復雜的太陽系行星運動，牛頓更是用單一的萬有引力說明了千變萬化的天體行為。因而現代科學是用簡單性解釋復雜性，這就隱去了自然界的豐富多樣性。
量子力學初步揭示了客觀世界的復雜性。經典科學的簡單性是與把物理世界理想化相聯系的。經典物理學所研究的是理想的物質客體。它不但用理想化的“質點”、“剛體”、“理想氣體”來描述物體，而且把研究對象的條件理想化，使研究的視野僅僅局限于人們自己制定的范圍之內。而客觀世界并不是如此，特別是進入微觀領域，微觀粒子運動的幾率性、隨機性；觀測對象和觀測主體不可分割性等都足以說明自然界本身并不是我們想象的那么簡單。
在現代科學中，牛頓的經典力學成了相對論的低速現象的特例，成為非線性科學中交互作用近似為零的情況，在量子力學中是測不準關系可以忽略時的理論表述。復雜性的提出并不是要消滅簡單性，而是為了打破簡單性獨占的一統地位。復雜性是把簡單性作為一個特例包含其中，正如莫蘭所說的，復雜性是簡單性和復雜性的統一。復雜性比簡單性更基本，可能性比現實性更基本，演化比存在更基本。[7]今天的科學思維方式，不是以現實來限制可能，而是從可能中選擇現實；不是以既存的實體來確定演化，而是在演化中認識和把握實體。復雜性主張考察被研究對象的復雜性，在對其作出層次與類別上的區分之后再進行溝通，而不是僅僅限于孤立和分離，它強調的是一種整體的協同。
四、量子力學使科學活動中主客體分離邁向主客互動
經典科學思維方式的一個指導觀念就是，認為科學應該客觀地、不附加任何主觀成分地獲取“照本來樣子的”世界知識。玻爾告訴人們，根本不存在所謂的“真實”，除非你首先描述測量物理量的方式，否則談論任何物理量都是沒有意義的！測量，這一不被經典物理學考慮的問題，在面對量子世界如此微小的測量對象時，成為一個難以把握的手段。因為研究者的介入對量子世界產生了致命的干擾，使得測量中充滿了不確定性。在海森伯看來，在我們的研究工作由宏觀領域進入微觀領域時，我們就會遇到一個矛盾：我們的觀測儀器是宏觀的，可是研究對象卻是微觀的；宏觀儀器必然要對微觀粒子產生干擾，這種干擾本身又對我們的認識產生了干擾；人只能用反映宏觀世界的經典概念來描述宏觀儀器所觀測到的結果，可是這種經典概念在描述微觀客體時又不能不加以限制。這突破了經典科學完全可以在不影響客體自然存在的狀態下進行觀測的假定，從而建立了科學活動中主客體互動的關系。
例如，關于光到底是粒子還是波，辯論了三百多年。玻爾認為這完全取決于我們如何去觀察它。一種實驗安排，人們可以看到光的波現象；另一種實驗安排，人們又可以看到光的粒子現象。但就光子這個整體概念而言，它卻表現出波粒二象性。因此，海森伯就說，我們觀測的不是自然本身，而是由我們用來探索問題的方法所揭示的自然。[8]
量子力學的發展表明，不存在一個客觀的、絕對的世界。唯一存在的，就是我們能夠觀測到的世界。物理學的全部意義，不在于它能夠描述出自然“是什么”，而在于它能夠明確，關于自然我們能夠“說什么”。
[摘要]20世紀三次物理學革命之一的量子力學突破了經典科學的機械決定論，使之轉化為非機械決定論；使得科學認識方法由還原論轉化為整體論；使得科學思維方式由追求簡單性到探索復雜性；確立了科學活動中主客體互動關系。
關鍵詞：量子力學；經典科學世界圖景；
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第4篇：量子力學的核心范文
【關鍵詞】課程體系 教學內容 優化研究
【中圖分類號】O43；O56 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2012）08-0181-02
光學與原子物理學是物理類專業的重要的基礎課，其前與力學、電磁學、熱學課程相銜接，其后承載著理論物理以及專業方向課程。由于這兩門課程在課程設置中具體的位置，再考慮課程本身的學術特色，這兩門課程的教學對學生創新能力和理論應用能力的培養有其特殊的作用。工科院校有注重實踐、技術培養的傳統及其較完備的設施，客觀上為這兩門課程的能力培養提供了條件。我們要充分認識工科院校的這種客觀優勢和課程的學術特色，優化課程體系和教學內容，將課程的學術特色、學校的客觀優勢轉化為能力培養的特色和優勢。
一、光學的課程體系及教學內容的設計
光學既是一門重要的基礎性學科，又是一門應用性十分活躍、交叉滲透極其廣泛的物理課程。“在長期的發展過程中，光學形成了一套行之有效的特殊方法和儀器設備”【1】，即數理解析與幾何圖形相結合的理論研究方法、精密測量的設計與應用特征。光學的這種學術特色對學生素質能力的培養有其獨到之處。因此，通過對光學課程體系和教學內容的優化，突出課程的理論研究方法及其實踐性、滲透性【2】，有利于培養學生的交叉綜合性分析能力和依據理論的實驗設計、精密檢測能力，提高學生的創新性思維意識。
1.課程體系的架構
以折射率和位相為核心概念，以費馬原理和惠更斯-菲涅爾原理為基本原理，按照幾何光學、波動光學和量子光學的順序，研究光的傳播特性（波動性）及其粒子性，展示其數理解析與幾何圖像相結合的理論研究方法，突出課程在工程技術中的應用以及與現代光學的滲透【1，3】。
體系框圖：
2.教學內容的組織思路
以體現課程體系為原則，按48課時選取并組織、安排教學內容思路如下【1，2】。
第一章 緒論：突出光學與其他學科的交叉滲透與應用。（2學時）
第二章 幾何光學：以費馬原理為基礎，以常見的光學儀器（單球面、薄透鏡、放大鏡等）成像為載體，展示數理解析與幾何圖像相結合的研究方法、突出光學儀器的設計思。（10學時）
第三章 光的干涉：以波的相干疊加為理論基礎，以等傾和等厚干涉為載體，展示數理解析與幾何圖像相結合的研究方法、突出相干理論在精密測量技術領域的應用。（12學時）
第四章 光的衍射：以惠更斯-菲涅爾原理為基礎，以菲涅爾衍射、夫瑯和費衍射、光柵衍射為載體，展示數理解析與幾何圖像相結合的研究方法、突出其分光特性在現代科學技術中的應用。（10學時）
第五章 光的偏振：以光的偏振理論為基礎，以偏振器件為載體，展示數理解析與幾何圖像相結合的研究方法、注重向磁至旋光及磁光盤滲透。（10學時）
第六章 量子光學：以光的量子論為基礎，以光的輻射和激光為載體，注重向量子光學以及非線性光學滲透。（4學時） 二、原子物理學的課程體系和教學內容的設計
原子物理學是用近似的、不完整的量子力學理論和方法研究原子的運動及其構成的課程。其學術特色是完全以實驗（觀察）事實為依據建立或選取理論模型，對問題做出恰當的解釋。該課程研究對象抽象，理論的系統性、完整性不強。但原子物理學是基礎物理課程中蘊含了創新性思維最多的課程，其研究手段和方法為其它相關領域所通用【4】。因此，通過原子物理課程的教學，主要是培養學生依據研究客體進行理論建模的能力，提高學生創新理論框架、簡化理論處理、取舍運算結果的意識和水平。
1.課程體系的架構
以光譜和德布羅意波為核心概念，采用近似的量子力學方法（經典理論+量子力學）研究原子（氫原子、堿金屬、多電子原子、外場中的原子）與原子核的結構及其運動規律，展示課程的理論創新特色以及在現代科學技術、工程實踐中的多層次應用。
體系框圖：
2.教學內容的組織思路
以體現課程體系為原則，按48課時選取并組織教學內容，思路如下。
序論：突出課程特點與學習中應注意的問題。（2學時）
第一章 原子的結構：以α粒子散射實驗和原子核式結構為載體，突出盧瑟福散射技術在材料分析中的應用。（5學時）
第二章 量子力學基礎：以三個實驗為基礎，依托量子力學的基本原理，突出理論創新的特色、思路和方法。（8學時）
第三章 氫原子：以半經典半量子論為理論基礎，以氫原子為載體，突出理論建模以及光譜分析在科學研究、工程實踐中的應用。（8學時）
第四章 堿金屬原子：以電子的軌道貫穿、極化理論為基礎，以堿金屬原子為載體，展示理論修正方法以及光譜分析在科學研究和精密檢測中的應用。（8學時）
第五章 多電子原子：以泡利不相容原理及Hunt定則為理論基礎，以多電子原子為載體，突出量子規律以及光譜分析在科學研究中的應用。（6學時）
第六章 外場中的原子：以磁場和原子的相互作用為基礎，以Zeeman效應為載體，展示磁效應在材料磁性，磁共振技術中的應用。（5學時）
第七章 原子核物理學：以核結合能為基礎，以核裂變和聚變為載體，突出原子能、核技術的利用以及放射線的探測、防護。（6學時）
參考文獻：
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[2]吳壽煜，吳大煒.試論21世紀物理專業《光學》之教學改革[J].黑龍江高教研究，2004（6）：101-103
第5篇：量子力學的核心范文
2000多年前的物理學，中國、古希臘都有研究，但是真正意義上的精確科學，也就是說用數學、微積分這樣的精確科學，實際上是在中世紀即在15世紀16世紀的時候，也就是牛頓、伽利略的時代，開創了物理學精確科學的先河，此后物理學得到了很大發展，后來的熱學、電磁學、聲學、連續介質動力學等問題也在十七、十八、十九三個世紀取得了很大發展。現在就從牛頓、伽利略時代起談談物理學的發展與人類的文明進步的關系。
一、工業革命前的人類文明
工業革命前的物理學雖然在漫長的歷史進程中不斷發展，但是并沒有給人類帶來生產力上的巨大改變，人類還處于刀耕火種的農業時代，那是的生產力很低下，人們的生活水平上千年來沒有真正的突破。
二、人類的機械化時代
牛頓力學的建立和熱力學的發展導致了第一次工業革命
1665年夏，年僅23的牛頓因英國爆發瘟疫而避居鄉下，他一生最重要的成果，幾乎所有的重要數學物理思想多誕生與不這個時期。在他45歲時，劃時代的偉大巨著《自然哲學之數學原理》出版，奠定了整個經典物理學的基礎，并對其他自然科學的發展產生了不可磨滅的推動和影響。
三、人類的電氣化時代
經典電磁學是研究宏觀電磁現象和客觀物體的電磁性質。人們很早就接觸到電和磁的現象，并知道磁棒有南北兩極。在18世紀，發現電荷有兩種：正電荷和負電荷。不論是電荷還是磁極都是同性相斥，異性相吸，作用力的方向在電荷之間或磁極之間的連接線上，力的大小和它們之間的距離的平方成反比。在這兩點上和萬有引力很相似。18世紀末發現電荷能夠流動，這就是電流。但長期沒有發現電和磁之間的聯系。
19世紀前期，奧斯特發現電流可以使小磁針偏轉。而后安培發現作用力的方向和電流的方向，以及磁針到通過電流的導線的垂直線方向相互垂直。不久之后，法拉第又發現，當磁棒插入導線圈時，導線圈中就產生電流。這些實驗表明，在電和磁之間存在著密切的聯系。法拉第用過的線圈
電和磁之間的聯系被發現后，人們認識到電磁力的性質在一些方面同萬有引力相似。為此法拉第引進了力線的概念，認為電流產生圍繞著導線的磁力線，電荷向各個方向產生電力線，并在此基礎上產生了電磁場的概念。
19世紀下半葉，麥克斯韋總結宏觀電磁現象的規律，并引進位移電流的概念。這個概念的核心思想是：變化著的電場能產生磁場；變化著的磁場也能產生電場。在此基礎上他提出了一組偏微分方程來表達電磁現象的基本規律。這套方程稱為麥克斯韋方程組，磁學的基本方程。麥克斯韋的電磁理論預言了電磁波的存在，其傳播速度等于光速。于是人們認識到麥克斯韋的電磁理論正確地反映了宏觀電磁現象的規律，肯定了光也是一種電磁波。該理論實現了物理學的第三次綜合，即電、磁、光的綜合。
四、人類的高科技時代
人類社會發展到今天，已進入信息時代、核能時代、新材料時代和太空時代，也就是說進入了高科技時代。而這一切的基礎是20世紀物理學革命的產物――相對論和量子力學。
19世紀，經典物理學的成就到達了頂峰。可是，世紀末的邁克爾遜-莫雷實驗和黑體輻射實驗形成了物理學萬里晴空中的“兩朵烏云”；而電子、X射線和放射性等新發現，使經典物理學遇到了極大的困難。有的物理學家呼喚：“我們仍然在期待著第二個牛頓。”需要巨人的時代造就了巨人。這第二個牛頓便是愛因斯坦。
1905年，愛因斯坦以“同時”的相對性為突破口，提出了“光速不變原理”和物理規律在慣性系中不變的“相對性原理”，導出了洛侖茲變換，從而驅散了第一朵“烏云”。這就是狹義相對論。在此基礎上，他又得到的質能相當的推論E=mc2，預示了原子能利用的可能。
1913～1916年，愛因斯坦從引力場中一切物體具有相同的加速度得到啟發，提出了“加速參照系與引力場等效”和物理規律在非慣性系中不變的“相對性原理”，從而得到了引力場方程。這就是廣義相對論。他預言，光線從太陽旁邊通邊時會發生彎曲。1919年，英國天文學家愛丁頓以全日蝕觀測證實了這一預言，從而開創了現代天文學的新紀元。愛因斯坦也因此名噪全球。
1900年，普朗克為驅散第二朵“烏云”，提出了“能量子”假設，量子論誕生了。1905年，愛因斯坦在此基礎上提出“光量子”假說，用光的波粒二象性成功地解釋了“光電效變”。同年，他把量子概念用點陣振動來解釋固體比熱。1912年，愛因斯坦又由量子概念提出了光化學當量定律。1916年，他由玻爾的原子理論提出了自發發射和受激發射的概念，孕育了激光技術。此后，對量子力學的建立作出重要貢獻的著名物理學家還有：1923年提出實物粒子也具有波粒二象性的德布羅意，1925年建立量子力學的矩陣力學體系的玻恩和海森伯等，1926年建立量子力學的波動方程的薛定諤。同年，玻恩給出了波函數的統計詮釋，海森伯提出反映微觀世界特性的“不確定度關系”。量子力學揭示了微觀世界的基本規律，為原子物理學、固體物理學、核物理學和粒子物理學的發展奠定了理論基礎。它是20世紀物理學革命的。
第6篇：量子力學的核心范文
[關鍵詞]：計算科學 計算工具 圖靈模型 量子計算
中圖分類號：TP301
文獻標識碼：A 文章編號：1003-8809(2010)-09-0004-01
1、“摩爾定律”與“計算的極限”
人類是否可以將電子計算機的運算速度永無止境地提升?傳統計算機計算能力的提高有沒有極限?對此問題，學者們在進行嚴密論證后給出了否定的答案。如果電子計算機的計算能力無限提高，最終地球上所有的能量將轉換為計算的結果――造成熵的降低，這種向低熵方向無限發展的運動被哲學界認為是禁止的，因此，傳統電子計算機的計算能力必有上限。
而以IBM研究中心朗道(R.Landauer)為代表的理論科學家認為到21世紀30年代，芯片內導線的寬度將窄到納米尺度(1納米=10-9米)，此時，導線內運動的電子將不再遵循經典物理規律――牛頓力學沿導線運行，而是按照量子力學的規律表現出奇特的“電子亂竄”的現象，從而導致芯片無法正常工作；同樣，芯片中晶體管的體積小到一定臨界尺寸(約5納米)后，晶體管也將受到量子效應干擾而呈現出奇特的反常效應。
哲學家和科學家對此問題的看法十分一致：摩爾定律不久將不再適用。也就是說，電子計算機計算能力飛速發展的可喜景象很可能在21世紀前30年內終止。著名科學家，哈佛大學終身教授威爾遜(EdwardO.Wilson)指出：“科學代表著一個時代最為大膽的猜想(形而上學)。它純粹是人為的。但我們相信，通過追尋“夢想―發現―解釋―夢想”的不斷循環，我們可以開拓一個個新領域，世界最終會變得越來越清晰，我們最終會了解宇宙的奧妙。所有的美妙都是彼此聯系和有意義的。”[論/文/網LunWenNe#Com]
2、量子計算系統
量子計算最初思想的提出可以追溯到20世紀80年代。物理學家費曼RichardP.Feynman曾試圖用傳統的電子計算機模擬量子力學對象的行為。他遇到一個問題：量子力學系統的行為通常是難以理解同時也是難以求解的。以光的干涉現象為例，在干涉過程中，相互作用的光子每增加一個，有可能發生的情況就會多出一倍，也就是問題的規模呈指數級增加。模擬這樣的實驗所需的計算量實在太大了，不過，在費曼眼里，這卻恰恰提供一個契機。因為另一方面，量子力學系統的行為也具有良好的可預測性：在干涉實驗中，只要給定初始條件，就可以推測出屏幕上影子的形狀。費曼推斷認為如果算出干涉實驗中發生的現象需要大量的計算，那么搭建這樣一個實驗，測量其結果，就恰好相當于完成了一個復雜的計算。因此，只要在計算機運行的過程中，允許它在真實的量子力學對象上完成實驗，并把實驗結果整合到計算中去，就可以獲得遠遠超出傳統計算機的運算速度。
在費曼設想的啟發下，1985年英國牛津大學教授多伊奇DavidDeutsch提出是否可以用物理學定律推導出一種超越傳統的計算概念的方法即推導出更強的丘奇――圖靈論題。費曼指出使用量子計算機時，不需要考慮計算是如何實現的，即把計算看作由“神諭”來實現的：這類計算在量子計算中被稱為“神諭”(Oracle)。種種跡象表明：量子計算在一些特定的計算領域內確實比傳統計算更強，例如，現代信息安全技術的安全性在很大程度上依賴于把一個大整數(如1024位的十進制數)分解為兩個質數的乘積的難度。這個問題是一個典型的“困難問題”，困難的原因是目前在傳統電子計算機上還沒有找到一種有效的辦法將這種計算快速地進行。目前，就是將全世界的所有大大小小的電子計算機全部利用起來來計算上面的這個1024位整數的質因子分解問題，大約需要28萬年，這已經遠遠超過了人類所能夠等待的時間。而且，分解的難度隨著整數位數的增多指數級增大，也就是說如果要分解2046位的整數，所需要的時間已經遠遠超過宇宙現有的年齡。而利用一臺量子計算機，我們只需要大約40分鐘的時間就可以分解1024位的整數了。
3、量子計算中的神諭
人類的計算工具，從木棍、石頭到算盤，經過電子管計算機，晶體管計算機，到現在的電子計算機，再到量子計算。筆者發現這其中的過程讓人思考：首先是人們發現用石頭或者棍棒可以幫助人們進行計算，隨后，人們發明了算盤，來幫助人們進行計算。當人們發現不僅人手可以搬動“算珠”，機器也可以用來搬動“算珠”，而且效率更高，速度更快。隨后，人們用繼電器替代了純機械，最后人們用電子代替了繼電器。就在人們改進計算工具的同時，數學家們開始對計算的本質展開了研究，圖靈機模型告訴了人們答案。
量子計算的出現，則徹底打破了這種認識與創新規律。它建立在對量子力學實驗的在現實世界的不可計算性。試圖利用一個實驗來代替一系列復雜的大量運算。可以說，這是一種革命性的思考與解決問題的方式。
因為在此之前，所有計算均是模擬一個快速的“算盤”，即使是最先進的電子計算機的CPU內部，64位的寄存器(register)，也是等價于一個有著64根軸的二進制算盤。量子計算則完全不同，對于量子計算的核心部件，類似于古代希臘中的“神諭”，沒有人弄清楚神諭內部的機理，卻對“神諭”內部產生的結果深信不疑。人們可以把它當作一個黑盒子，人們通過輸入，可以得到輸出，但是對于黑盒子內部發生了什么和為什么這樣發生確并不知道。
4、“神諭”的挑戰與人類自身的回應人類的思考能力
隨著計算工具的不斷進化而不斷加強。電子計算機和互聯網的出現，大大加強了人類整體的科研能力，那么，量子計算系統的產生，會給人類整體帶來更加強大的科研能力和思考能力，并最終解決困擾當今時代的量子“神諭”。不僅如此，量子計算系統會更加深刻的揭示計算的本質，把人類對計算本質的認識從牛頓世界中擴充到量子世界中。
如果觀察歷史，會發現人類文明不斷增多的“發現”已經構成了我們理解世界的“公理”，人們的公理系統在不斷的增大，隨著該系統的不斷增大，人們認清并解決了許多問題。人類的認識模式似乎符合下面的規律：
第7篇：量子力學的核心范文
關鍵詞：自然哲學 量子革命 系統辯證法
關于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（系統科學中最突出的新分支）。正是這三大科學革命為人類建構全新的自然圖景（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系來研究自然本體最一般的性質和人類的世界圖景。
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，時空性質依賴于參照系等概念是對“觀察無關性”的經典信念的初次沖擊；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。最后要強調的是系統科學革命。20世紀中葉以來近半個世紀系統科學的蓬勃發展表明，從總體上說，系統自然觀集中體現了當代自然圖景的精華，因此系統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。
當代的系統自然觀借助于維納的控制論(1949)、貝塔朗菲的一般系統論(1948)、普利高津的耗散結構論(1969)和哈肯的協同學(1971)等理論復活了亞里士多德的機體論和內在目的論的自然哲學。〔1〕控制論通過對“動物（即生命系統）和機器（即非生命系統）的通用規律”的研究表明，自動機器通過反饋調節機制可以表現出與神經控制同樣的合目的性或規律。[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；耗散結構論表明，在遠離平衡態條件下開放系統可以通過非線性正反饋機制的作用表現出有序化和合目的性；協同學還進一步發現序參量是整個自組織過程的主宰如此等等。總之，所有這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”，自然系統也象自動機一樣可以憑借內在機制的作用呈現合目的性。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。現在，我們的立足于系統科學的新自然哲學則應看作一種“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（它以系統自然觀及其系統辯證法為核心或靈魂）最有革命性的一個方面，也許表現在反嚴格決定論和對偶然性客觀意義的新認識。直到現在為止，一般人都相信“近似決定論”：只要近似知道一個系統的運行規律和初始條件就可以足夠好地計算出系統的近似行為。可是混沌學中著名的“蝴蝶效應”，即系統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年發現，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，經由地球大氣系統中的逐級放大，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，對經典觀念的打擊是毀滅性的。混沌革命加強并深化了量子革命。
通過量子力學、分子生物學、協同學乃至混沌學的研究，現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在機制的重要性。為恩格斯贊同過的黑格爾關于“必然性自己規定自己為偶然性，……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合統治的，其中機遇是有規則的。同樣，在哈肯的協同學演化方程（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律引出的內在的無序和不規則性，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構，其中機遇也是有規則的，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。從量子力學到系統科學的研究表明，概率統計定律是比嚴格決定論定律更好的認識工具，但原有的“大數定律”與“統計平均值”等概念對于描述偶然性已經顯得太粗糙了，非線性數學該出陣參戰了。因為唯有借助于非線性數學才可能認清偶然性起作用的深層結構機制。
當代自然哲學中的系統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、還原主義相協調）。然而，一般系統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性和粒子物理學中的新奇現象（“基本”粒子分割到一定限度，將出現“部分大于整體”的佯謬）以及生態系統的整體關聯性（卡普拉《轉折點》，1989）都支持貝塔朗菲的系統整體觀。
總之，以現代物理學與系統科學為代表的當代科學革命已經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科學辯證法精神的全新的自然哲學的出現。
二
現在我們轉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如下：1.自然本體的性質問題。物理實在究竟是孤立的實體還是依賴于系統場境的存在？“潛在”是否也是物理實在的基本形態之一？究竟是否存在終極實在？2.物理實在所遵循的規律究竟是決定論還是非決定論的？自然系統究竟是必然性還是偶然性所支配的？偶然性應當具有怎么樣的本體論地位（是否應當有）？3.所謂“觀察者侵入物理事件”的實質是什么？主客二分的合理界限是什么？4.系統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問題。
牛頓機械論自然哲學的本體論或實在觀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”原則已經失效。明確的電子“軌道”或光子“路徑”等經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出來。如“測不準關系”所要求的，電子的位置與相應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，現代物理學家海森伯在批判牛頓機械論實在觀的基礎上，確實發展了一種全新的、更廣義的“潛在”實在觀。他根據量子力學事實總結出，潛在是介于可能與現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，而卻象是現代科學結構的真正破裂。”（〔3〕，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。”（〔3〕，第11頁）“事件并不一定是確定的，而是可能發生或傾向于發生的事情便構成了宇宙中的實在”。（〔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失效。他舉例說，幾率波、量子態、電子軌道等都與統計期望值相關聯，表示傾向性的、潛在的物理實在，這是物理實在的新形式。
現代粒子物理學的新假說把潛在性觀念發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，它使系統實在論與系統辯證法完全本體論化了！由于任何粒子都可以充當基礎粒子，用以構成其他粒子，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。說一個質子可以由中子和π介子所構成，或者說它是由Λ超子和K介子所構成，或者說它是由兩個核子和一個反核子所構成，甚至說是由場的連續質所構成。所有這一切可能性是同樣真實地存在的。應當說，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化的。這件革了以前的物質觀，顯示了辯證邏輯的正確性。”（〔5〕，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為互相孤立的實體？還是從本質上說只能是依賴系統場境的整體全息相關的存在？在對著名的EPR假想[3]的實驗檢驗中所表現出來的量子關聯（即遠距粒子之間的整體相關性）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果正在開始闡明哲學問題的非凡時代”。而今最新實驗結果表明，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在一起，即它們的行為可以有極顯著的相關性，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果。這個新奇的實驗結果斷然否定了愛因斯坦等人(EPR)的預設（即“空間上遠隔的客體的實在狀態必定是彼此獨立的”），卻符合量子力學的系統整體觀。正如玻爾所注意到的，量子現象是作為整體而存在的，其中所反映出來的內在關聯是不可消解的。量子現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整體觀相通的，量子辯證法與系統辯證法相互滲透，量子革命與系統科學革命相互支持。因此，作為科學革命的結晶，新自然哲學主張，物理實在的部分性質取決于整體，取決于系統的內在關聯，從根本上說，自然本體是整體全息相關的存在。
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，如今在新的原子科學中也已經失效。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，最典型地表現在拉普拉斯杜撰的那個精靈故事中，據說這個精靈（超智慧者）知道世界現況的一切決定因素，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。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。可是，現在在微觀領域里發現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成為純粹的偶然事件。分子運動論乃至統計力學的建立表明，概率統計定律也是自然描述不可缺少的一種基本形式。
強調概率統計定律重要性的科學思想反映到自然哲學中去，就成為“統計決定論”。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用，但若應用統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計規律性。換句話說，這些自然過程在統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。
統計決定論的科學基礎在于經典統計力學。統計力學的基本出發點則在于，認為盡管大量分子的集團行為滿足統計規律，但從底層基礎而言，單個分子（單個過程）仍遵守牛頓定律，滿足嚴格決定論。這樣，統計決定論并不把不確定性歸因于基礎規律的不同，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，統計決定論只是嚴格決定論的補充形式。
然而，將概率統計觀點真正貫徹到底，最終導致量子物理學的興起，而測不準關系的發現則使嚴格決定論淪為無意義的空想。
在現代科學家中第一個對“非完全決定論”（即under-determinism，這個詞的不恰當的替代詞是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）更為系統和透徹的分析。通過對玻恩文本的適當解釋、調整與轉譯，我們可以提煉出對當代自然哲學極有價值的內容和決定論／非決定論問題的辯證解。〔7〕
非完全決定論的最主要或最有特色的一種表現形式，是與量子力學相應的概率決定論。其要點如下：(1)單個（量子）過程內在地是幾率性的、非決定性質的；(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。”（〔8〕，第9頁）(3)機遇律是自然律的終極形式，偶然性有規則，“它們是用數學上的概率論表述出來的。”（〔8〕，第7頁）
關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”。“云”就是天上的云，代表極端不確定性，它非常不規則、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。”（〔6〕，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，我們可以恰當地稱作“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，經校正、轉譯納入自己的概念框架，并用以闡發自己的“非完全決定論”觀點。〔7〕
現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（略論現代生物學的自然哲學）》中，從分子生物學的材料出發，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，所以本質上是無法預測的——一旦摻入了DNA的結構之中，就會被機械而忠實地進行復制和轉錄，……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）
莫諾這段話應當看作關于生物自然界的非完全決定論，關于極小幾率的偶然事件向極嚴格規律轉化過程的生動說明。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地將嚴格決定論與辯證唯物論混為一談，應當注意他的言論本身具有兩重性。（〔10〕，第324頁）
非完全決定論的內容還由于系統科學的興起而得到了進一步豐富和加強。有人因之稱作系統決定論。其要旨可概括如下：
一般的自然界的復雜系統（在自然哲學中姑且撇開社會系統），不能由它的構成要素和子系統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。但系統的存在與演化仍有相當確定的規律可循，機遇與因果共同決定著系統的存在和發展，因而系統在整體上仍有決定性。
具體地說，系統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科學特有的資料所認識的辯證法，稱作“系統辯證法”。系統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：自組織系統作為遠離平衡態的開放系統，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，于是使系統的演化納入必然的軌道，建立時空、功能上的新的有序狀態。系統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：當自組織系統處于不穩定點時，系統內部矛盾全面展開并有所激化，與各種子系統及其要素的局部耦合關系和運動特性相聯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構與組織的胚芽，為了建立自己的獨立模式并爭奪對全局的支配權，它們之間進行激烈的競爭與對抗，時而“又聯合又斗爭”，最后才選拔出作為主導模式的序參量。非完全決定論在協同學的描述系統演化的數學方程中也得到反映。如郎之萬方程（描述布朗運動的）和福克-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，它們體現了機遇律與因果律的辯證綜合。
3.物理事件與觀察的關系、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”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的信念，由于許多量子實驗的發現而受到沖擊。而現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現與觀測無關的“純客觀事件”或不依賴于觀察者和相關參照系的“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現“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，而且由于或然性和不可逆性，這種狀態不可恢復。
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的孤立狀態）概念都只是經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。〔11〕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系的客觀性質。（〔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”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場境的存在、處在相對相關中的存在，是整體全息相關的實在。正如D.玻姆所指出的，按照量子概念，世界是作為統一的不可分割的整體而存在的，其中即使是每個部分內在的性質（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在化的觀點來理解自然本體。只是在系統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在目的論的復活和發展，是現代系統科學目的論觀的升華。宇宙象是一個有機統一的整體，自然系統（包括生命系統和非生命自組織系統）的結構、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，關于生物進化的自然選擇機制實質上就是一種以偶然的突變為素材，通過反饋調節的最優化控制機制。艾根的超循環理論則進一步明確，在大分子的自組織階段，在生化反應的超循環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、優化并向更高水平進化。這里，一方面自然選擇表現為自然本身的純物質性的有規則的相互作用過程，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、自動調節的功能（使物種或分子擬種適應環境）。這樣，按系統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
正如我們已經看到的，20世紀早期的相對論量子論革命向統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，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的過程中逐步建立起來的。20世紀中葉以來以系統科學群為代表的新興科學的迅速發展，豐富了當代自然哲學的內涵，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場境的、在關系中生成的、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合統治的，此兩者互斥又互補。偶然性的本體論地位是：它是自然本體本質中的一個規定、一個方面和一個要素。偶然性存在精細的非線性作用機制（由混沌革命所發現！）。3.物理事件與觀測有關，人作為自然系統的一分子只能用參與者的身分和內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，有節制的還原主義仍是必不可少的和有啟發力的，兩者其實是互斥又互補的。5.自然系統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，我們所要強調的是偶然性的恰當的本體論地位問題。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、非本質的和不穩定的或暫時的東西。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在的、固有的、普遍的、本質的和永久性的成分。借用列寧論“假象”的話來說，偶然性是“本質的一個規定、一個方面和一個環節”，是“本質自身在自身中的表現”。機遇與偶然性是客觀的并且具有自己的非常獨特的規律。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，機遇與因果相互聯結、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有的本體論地位，機遇與因果，偶然性與必然性以幾率或統計性乃至“混沌吸引子”為中介辯證地聯結在一起。在相空間中混沌吸引子的精巧的無窮嵌套的自相似結構，精確而形象地展示出系統演化過程中機遇與因果如何聯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涵的認識。
應當說，這是量子辯證法與系統辯證法對矛盾辯證法的一項貢獻，它們本應是相得益彰的。
參考文獻
〔1〕桂起權：《目的論自然哲學之復活》，載“自然辯證法研究”1995(7)，并收入吳國盛主編《自然哲學》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》商務印書館1984年版。
〔4〕海森伯：《嚴密自然科學基礎近年來的變化》上海譯文出版社1978年版。
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〔7〕桂起權：《非完全決定論：因果與機遇的辯證綜合》，載“科學技術與辯證法”1991(2)。
〔8〕玻恩：《關于因果和機遇的自然哲學》商務印書館1964年版。
〔9〕莫諾：《偶然性與必然性（略論現代生物學的自然哲學）》，上海人民出版社1977年版。
〔10〕桂起權：《科學思想的源流》武漢大學出版社1994年版。
〔11〕桂來權《析量子力學中的辯證法思想—玻爾互補性構架之真諦》，載“哲學研究”1994(10)。
〔12〕羅森菲爾德：《量子革命》商務印書館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)譯作神經機械學。
第8篇：量子力學的核心范文
量子通信，安全“大衛士”
說起量子衛星，就得先講講什么是量子。對一般人來說，“量子”一詞似乎有點深奧，難以理解。實際上，量子是組成物質的基本單元，是能量不能再分割的最小單位。如，量子是光能量的最小單位，不存在“半個光子”。
量子通信的安全性，就是基于單個光子的不可分割性和量子態的不可復制性，從而保證了信息不被竊聽和不可破解的安全性。
量子通信絕對安全，還因為量子有兩個基本特性，即量子的疊加和量子糾纏。量子疊加，是指一個量子系統可以處在不同量子態的疊加態上。也就是說，任何一個干擾包括光照都會使量子改變狀態，即它剛才還在隨機蹦Q，忽然就停止不動了，變幻莫測。
著名的“薛定諤虐貓”理論就形象描述了這一現象：裝在盒子里的貓，在盒子沒打開時，貓可以同時既是活的又是死的，只有打開看才知道。這表明，量子狀態隨機變化，兩種狀態可疊加存在，這就是量子的疊加態;量子糾纏，是指量子間具有像孫悟空和其分身那樣“心有靈犀”的功能，兩個量子無論相隔多遠，若對其中一個量子態做任何改變，另一個會立刻感受到，并做相應的狀態改變，這就為遠距離同步傳遞不被破解的信息提供了可能性。
歐洲、美國、日本等國的科學家很早就對量子通信進行研究實驗，但由于種種原因而成效甚微。我國研究量子通信雖然起步較晚，于2011年才啟動量子衛星研制計劃，然而在黨和國家極其重視和大力支持下，一舉獲得開創性的突破，成功地發射了“墨子號”量子衛星，成為這一科技領域的領路者。
“墨子號”開創安全通信新時代
“墨子號”量子衛星發射后，將實驗遠距離傳輸不可破解信息的方式，即衛星升空后，其主要任務是建立一個量子密鑰分發網絡，并在太空中首次進行量子糾纏分發實驗，從而展現一種讓用戶免受最精明的竊聽者傷害的安全網絡，開創安全通信的新時代。
潘建偉院士是研制“墨子號”量子衛星的領軍人物。20世紀80年代初，法國科學家阿蘭?阿斯佩首次用實驗證實了“量子糾纏”現象存在后，潘建偉于20世紀90年代赴量子力學創始人薛定諤的祖國奧地利留學，學習最先進、最完整的量子科學知識，奠定了其在量子科學方面的基礎。潘建偉學成回國后，很快就投入到量子通信方面的研究實驗。
2003年，潘建偉研究小組正式成立，主攻自由空間量子通信方面的研究。他們在實驗點制備出成對的糾纏光子，再利用專門設計加工的發射望遠鏡將容易發散的細小光束“增肥”后，向東西相距13千米的兩個實驗站發送。然后，實驗站的接收端用同樣型號的望遠鏡收集。實驗人員發現，在如此遠距離的傳送中，竟有許多糾纏光子“夫妻對”仍能保持相互糾纏狀態，其攜帶信息的數量和質量完全能滿足基于衛星的全球化量子通信的要求。
在國家的大力支持下，量子衛星研制團隊經過精心研究實驗，終于在2016年8月16日將我國研制的世界首顆量子衛星成功發射。這次發射不僅使我國走到世界量子通信研究領域的最前沿，更重要的是，它使我們在獲得網絡安全“圣杯”（即令黑客無法滲透的數字通信系統）方面大大領先于全球競爭對手。
全球的量子通信網絡，起步
首顆量子衛星上天，我國在國際上將率先實現高速星地量子通信，借助連接地面光纖量子通信網絡，初步構成全球量子通信網絡。
據潘建偉院士透露，京滬干線大尺度光纖量子通信骨干網工程將于2016年下半年完工交付。該工程將構建千公里級高可信、可擴展、軍民融合的廣域光纖量子通信網絡，并建成大尺度量子通信技術驗證、應用研究和應用示范研究平臺。
參與量子衛星研制的奧地利科學家/潘建偉導師蔡林格強調說：“量子衛星有助于信息傳遞者和接收者遠距離交換令信息無法破解的密鑰，而量子衛星將首先同北京交換密鑰，今后還可在北京和維也納之間分發量子密鑰”，逐步構筑成全球量子通信網絡。
值得慶賀的是，“墨子號”衛星發射后一直表現很好，所有參數都已達標，有些甚至高于預期。“墨子號”衛星發射升空一周時，中科院國家天文臺興隆觀測站觀測到罕見的紅、綠光束。人們形象地說，“墨子號”實現了天地“握手”， 這一觀測顯示“墨子號”可以正常通信聯系了。
量子通信，許你美好未來
目前，量子通信這一“永不被破解”的信息安全傳輸方式，已在市場上得以產業應用，如工商銀行等多家銀行率先試用量子通信加密技術。工商銀行通過國盾的量子加密技術，將數據從數據中心傳輸到同城的另一個機房內。這樣做是因為通過設備產生量子密鑰，再對數據進行加密傳輸是不會被竊取的，這對金融數據傳輸非常必要。
早在2008年10月，中國科技大學通過實驗將合肥市內的本校區、杏林苑、濱湖新區三個本不相干的點連接在一起。由于這三個點組成三節點可擴展的量子通信網絡，因而實現了全球首個量子保密電話系統建設，開創了量子通信網的先河。隨后，五節點，四十六節點，合肥、濟南城域網，“京滬”城際網……量子通信網在不斷擴張。
如今量子通信衛星發射成功后，量子通信網絡如虎添翼，就能真正升到“廣域”“洲際”傳播，為信息保密傳輸開辟了“天地一體”的廣闊天地。預計今年12月貫通的量子通信京滬干線（總長2000多千米）建成后，將主要用于軍事、金融、政務等領域的信息安全傳輸。此外，媒體、大型企業、金融機構等都可以成為量子通信用戶。量子通信關鍵技術的研發，初步形成構建空地一體廣域量子通信網絡體系的能力，并在全天時量子通信上取得突破。
量子通信的應用前景美好，但普及應用是逐步進行的，就像電話、手機的普及過程一樣。起初，量子通信會應用于科學研究、國防、政務和金融等領域，之后才會在大眾中廣泛應用。至于要讓每個人都能用上，估計需要10至15年。屆時，每個人的家里、手機上或許會有一個量子加密芯片，銀行轉款、電子賬戶等操作將不用擔心被盜用或者遭到攻擊。
量子計算機，有望走入現實
更引人注目的是，隨著對量子科學的深入研究和量子衛星的成功發射，進一步促進了量子計算機的發展。
在“墨子號”發射前不久，中國科技大學量子實驗室成功研發出半導體量子芯片和量子存儲技術，取得了量子計算機研制的突破性進展。量子芯片用于計算機的邏輯運算和信息處理，被稱為計算機的“大腦”;有了量子存儲裝置，科學家利用它能實現超遠距離的量子信息傳輸。因此，該技術的突破特別振奮人心。
為什么要研制量子計算機？早在1981年，物理學家理查德?費曼就提出了此觀點：如果用傳統電子計算機模擬量子力學，那么微觀粒子的數量越多，計算量就越大，也就越不可能實現模擬。這種情況下要實現量子力學的模擬，就必須用和它的原理相同的方式。人們認為他的說法有道理，而且也得到事實的證明。于是，量子力學和計算機科學便開始結合，人們開始研究量子計算機了。
量子計算機優勢大，關鍵在于它一個量子位可同時處于0和1兩個狀態，這是由量子疊加特性決定的。與此形成對比的是，傳統電子計算機中的晶體管一次只能處于0或1的狀態。如此一來，如果要進行海量運算量子計算機更合適。
因為，傳統電子計算機只能按時間順序來進行運算;而量子計算機能做到超并行運算，即它的N個量子位可同時表示2的N次方個狀態，數量呈指數增長。譬如，目前我國性能最強大的天河二號超級計算機需要100年才能處理的任務，一臺量子計算機只需0.01秒就能完成。
因而，量子計算機適用于龐大運算量的項目，如太空探測、核爆模擬、密碼破解、氣候變化、藥物研究和模擬復雜的化學反應等。量子計算機對解決精確的天氣預報和大城市交通擁堵等難題，也能大顯身手，迎接挑戰。
現在量子計算機研制已露出希望的曙光，出現這種具有高超速運算能力的計算機已為時不遠。目前，中國科技大學研制的量子芯片已達到容錯計算的精度，但邏輯比特數量僅有3個，當邏輯比特數量超過30個時，量子計算的性能將超越傳統計算機。看來，量子計算機由科幻變為現實已指日可待。
第9篇：量子力學的核心范文
[關鍵詞] 密碼學 研究進展 發展方向
自從人類有了通信的需要以來,怎樣在通信中保密以及如何破譯密碼就是一對永恒的話題。現在常用的標準加密方式是用一串隨機數字對信息進行編碼,當這種加密被惡意用戶竊聽時,不會留下任何痕跡,使得合法用戶無法察覺,而惡意用戶只要掌握了恰當的方法,其任何密碼都可以被破譯成明文。隨著計算機技術的發展在使密碼術更復雜的同時,也降低了破譯密碼的難度。那么到底什么樣的傳輸加密方式才是最安全的呢?在量子理論支配的世界里,這一切將會完全改變。
一、量子密碼術的核心:量子密鑰分配原理
量子密碼術是密碼術與量子力學結合的產物,它利用了系統所具有的量子性質。首先想到將量子物理用于密碼術的是美國科學家Wiesner。Wiesner于1970年提出,可利用單量子態制造不可偽造的“電子鈔票”。但這個設想的實現需要長時間保存單量子態,不太現實。Bennett和Brassard在研究中發現,單量子態雖然不好保存但可用于傳輸信息。1984年,Bennett和Brassard提出了第一個量子密碼術方案,稱為BB84方案,由此迎來了量子密碼術的新時期。
量子密碼術并不用于傳輸密文,而是用于建立、傳輸密碼本。量子密鑰分配是量子密碼術的核心組成部分。在量子密鑰分發中,總是用一個光子攜帶一個比特的信息,根據量子力學的不確定性原理以及量子不可克隆定理,任何竊聽者的存在都會被發現,從而保證密碼本的絕對安全,也就保證了加密信息的絕對安全。
BB84協議采用四個非正交態作為量子信息態,且這四個態分屬于兩組共軛基,每組基內的兩個態是相互正交的。兩組基互為共軛是指一組基中的任一基矢在另一組基中的任何基矢上的投影都相等。光子的線偏振量和圓偏振量就是互為共軛的量。不論是用左旋圓還是右旋圓偏振基測量線偏振光子,都是各以一半的幾率得到左旋或右旋圓偏振態。反之亦然。下面我們假定Alice(信息發送者)與Bob(信息接受者)約定用這兩種偏振基中的四種偏振態來實現量子密鑰分配,操作步驟如下:
(1)Alice隨機地選擇右旋、左旋、水平或垂直四種中任一種偏振態的光子發送給Bob;
(2)Bob隨機地獨立選擇線偏振基或圓偏振基測量該光子的偏振態;
(3)Bob確定實際所測量的偏振態(只有Bob自己知道,其中包含一些未被檢測到的空態);
(4)Bob公布他監測到時所采用的測量基(如通過電話告訴Alice),但不公布測量到那個偏振態。Alice告訴Bob那些測量基是正確的并保留下來,其余的丟棄掉;
(5)Alice和Bob僅保留相同基矢的態,并按約定的規則轉化為二進制序列(如左旋圓偏振態和水平線偏振態代表比特“1”,右旋圓偏振態和垂直線偏振態代表比特“0”)。
二、量子密碼術實驗研究進展
量子密鑰分配最早由Bennett等人在89年實驗成功。在該實驗中,信息由光子的偏振態編碼。實驗的結果是:光子在自由空間中只傳輸了32cm。誤碼率為4%,有效傳輸率很低(10分鐘傳送了105比特),但竊聽者能截獲的比特數只有6×10-171個,這說明安全程度非常高,足以顯示量子密鑰分發的潛力和誘人前景。
目前在量子密碼術實驗研究上進展最快的國家為英國、瑞士和美國。英國國防研究部于1993年首先在光纖中實現了基于BB84方案的相位編碼量子密鑰分發,光纖傳輸長度為10公里。這項研究后來轉到英國通訊實驗室進行,到1995年經多方改進,在30公里長的光纖傳輸中成功實現了量子密鑰分發。與偏振編碼相比,相位編碼的好處是對光的偏振態要求不那么苛刻。在長距離的光纖傳輸中,光的偏振性會退化,造成誤碼率的增加。然而,瑞士日內瓦大學的Muller等人于1993年基于BB84方案的偏振編碼方案,在1.1公里長的光纖中傳輸1.3微米波長的光子,誤碼率僅為0.54%,并于1995年在日內瓦湖底鋪設的23公里長民用光通信光纜中進行了實地表演,誤碼率為3.4%。1997年,他們利用Faraday鏡消除了光纖中的雙折射等影響因素,使得系統的穩定性和使用的方便性大大提高,被稱為“即插即用”的量子密碼方案。他們利用該方案成功演示了23km的密鑰傳輸,干涉度達99.8%,比特率為20 kbit/s,誤碼率僅為1.35%。1998年美國的los Alsmos國家實驗室的R.J.Hughes等人用兩臺M-Z干涉儀,但使用B92協議,使用衰減為0.3db/km的1.3μm通信光纖,性能更好的InGaAa探測器,成功地在8km的地下光纜中進行了密鑰傳送,誤碼率僅為9.3%。同年,英國BT實驗室的Townsend等人又將傳輸距離增加到了50 km。這個長度已經足以讓一所銀行和它的分支機構或者政府各部門的辦公室之間建立量子密碼通信的網絡。
在中國,量子密碼通信的研究雖然起步較晚,但已取得了不俗的成果。中科院物理所于1995年以BB84方案在國內首次做了演示性實驗,華東師范大學用B92方案做了在距離較短的自由空間里實驗。2000年,中科院物理所與研究生院合作,在850納米的單模光纖中完成了1.1公里的量子密碼通信演示性實驗。日前,由中國科技大學中科院量子信息重點實驗室與瑞典皇家理工學院微電子與應用物理系量子電子與量子光學小組共同組建的聯合課題組,在世界上首次完成了采用標記單光子源的誘騙態量子密碼實驗,將量子密碼技術的實際安全性進一步提高。
三、量子密碼術安全性證明
1.分流竊聽。竊聽者希望從通信信號中分出一部分信號,通過測量這些信號以獲取信息。這在經典通訊中是沒有問題的,但在量子密碼系統中是不可能成功的,因為這里攜帶信息的是單個光子,根據量子力學的基本原理,它們是不能被分割的。Eve(竊聽者)如果設法截獲到該光子,則Bob必然沒有收到,因而該光子在Alice和Bob比照結果并形成密鑰的過程中被丟棄了,Eve沒有得到有用的信息,反之,Bob測到的光子就肯定沒有被Eve截獲,因而Alice和Bob之間建立的密鑰肯定是安全的。
2.攔截/發送竊聽。在這種竊聽手段中,竊聽者采用與接受者相同的測量方法,利用選擇性測量獲取發送者發送的信息,然后根據她本人測量的結果再偽造發送一個信息給合法接受者。此時的竊聽者與無人竊聽時的接收者地位是相同的,因而它的選擇性測量的結果也由兩種可能:要么選對測量基,要么選錯。若她選對了,則她的竊聽行為沒有造成任何影響,若她選錯了,則她的測量行為將會完全破壞原來的信息態。在隨后的公開對照階段,合法通信雙方就可以發現她的存在。在Alice和Bob完成一組密鑰傳遞后,公開隨機地比較一部分數據,若二者間沒有差別,則認為無人竊聽,反之,則有人竊聽。比較的數目越大,Eve暴露的可能性越高。
3.攔截/克隆竊聽。這種竊聽方式似乎是可行的。在這種竊聽方式中,Eve把截獲的光子復制一個備份并將原光子再發送給Bob,然而量子不可克隆定理告訴我們,任何未知的量子態是不可復制的。如果要對其進行復制就首先要對其進行測量,而一旦進行測量,那么將會對其量子形態造成改變,合法的通信雙方則可由此而察覺到有人在竊聽。因而在Eve事先并不知道Alice發送的是哪種量子態的光子時,她想復制該光子是辦不到的。
四、量子密碼通信系統的發展前景及未來的發展方向
從量子理論的最基本概念出發,由理論上提出設想,到今天幾十公里的密鑰分配,接近實用化的量子密碼傳輸系統,這一切都是最近幾年發生的。在如此短的時間內取得如此飛速的發展,說明了社會對它需求的迫切性。時至今日,由于Internet及各種局域網的開通,銀行業務中電子支付系統的廣泛應用等,安全性就成為首先考慮的問題之一,這給量子密碼的應用提供了巨大的空間。目前較為普遍的觀點認為,未來量子密碼通信系統可能向這些方向發展:(1)尋找量子密碼應用的新領域。(2)利用量子中繼技術增加傳輸距離。(3)提高比特傳輸率。(4)小型與集成化。
參考文獻:
[1][美]斯皮爾曼.經典密碼學與現代密碼學[M].北京:清華大學出版社,2005.
[2]桂有珍,等.量子密碼術[J].物理學進展,2002,(4).
