量子力學存在的問題精選(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存在的問題主題范文，僅供參考，歡迎閱讀并收藏。
第1篇：量子力學存在的問題范文
量子力學課程是工科電類專業的一門非常重要的專業基礎課程。通過該課程的學習，使學生初步掌握量子力學的基本原理和基本方法，認識微觀世界的物理圖像以及微觀粒子的運動規律，了解宏觀世界與微觀世界的內在聯系和本質的區別。量子力學課程教學質量的好壞直接影響后續的如“固體物理學”、“半導體物理學”、“集成電路工藝原理”、“量子電子學”、“納米電子學”、“微電子技術”等課程的學習。
量子力學課程的學習要求學生具有良好的數學和物理基礎，對學生的邏輯思維能力和空間想象能力等要求較高，因此要學好量子力學，在我們教學的過程中，需要充分發揮學生的學習主動性和積極性。同時，隨著科學日新月異的發展，對量子力學課程的教學也不斷提出新的要求。如何充分激發學生的學習興趣，充分調動學生的學習主動性和能動性，切實提高量子力學課程的教學質量和教師的教學水平，已經成為擺在高校教師目前的一項重要課題。
該課程組在近幾年的教學改革和教學實踐中，本著高校應用型人才的培養需求，強調量子力學基本原理、基本思維方法的訓練，結合物理學史，充分激發學生的學習積極性；充分利用熟知軟件，理解物理圖像，激發學生學習主動性；結合現代科學知識，強調理論在實踐中的應用，取得了良好的教學效果。
目前工科電類專業普遍感覺量子力學課程難學，其主要原因在于：第一，量子力學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典的對應，而學習量子力學必須完全脫離以前在頭腦中根深蒂固的“經典”的觀念；第二，量子力學的概念與規律抽象，應用的數學知識比較多，公式推導復雜，計算困難；第三，雖然量子力學問題接近實際，但要學生理解和解決問題，還需要一個過程；由于上述問題的存在，使初學者都感到量子力學課程枯燥無味、晦澀難懂，而且隨著學科知識的飛速發展，知識的更新周期空前縮短，在有限的課時情況下，如何使學生在掌握扎實的基礎知識的同時，跟上時代的步伐，了解科學的前沿，以適應新世紀人才培養的需求，是擺在我們教育工作者面前的巨大挑戰。
2 結合物理學史激發學生學習興趣
興趣是最好的老師，在大學物理中，談到了19世紀末物理學所遇到的“兩朵烏云”，光電效應和紫外災難，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下，提出了光量子的概念，解釋了光電效應，并提出了光的波粒二象性；德布羅意又在愛因斯坦的啟發下，大膽的提出實物粒子也具有波粒二象性；對于物理學的第三朵烏云“原子的線狀光譜，”玻爾提出了關于氫原子的量子假設，解釋了氫原子的結構以及線狀光譜的實驗。后來還有薛定諤、海森堡、狄拉克等偉大的物理學家的努力，建立了一套嶄新的理論體系-量子力學。在教學的過程中，適當穿插量子力學的發展歷史以及偉大科學家的傳記故事，避免了量子力學課程“全是數學的推導”的現狀，這樣激發學生的學習興趣和學習熱情，通過對偉大科學家的介紹，培養刻苦鉆研的精神。實踐表明，這樣的教學模式大大提高了學生的學習主動性。
3 結合熟知軟件化抽象為形象
量子力學內容抽象，對一些典型的結論，可以用軟件模擬的方式實現物理圖像的重現。很多軟件如matlab、c語言等很多學生不是很熟練，而且編程較難，結合物理結論作圖較為困難；Excell是學生常用的軟件之一，簡單易學卻功能強大，幾乎每位同學都非常熟練，我們充分利用這一點，將Excell軟件應用到量子力學的教學過程中，取得了良好的效果。
如在一維無限深勢阱中，我們用解析法嚴格求解得到了波函數和能級的方程。而波函數的模方表示幾率密度。我們要求學生用Excell作圖，這樣得到粒子阱中的幾率分布，通過與經典幾率的比較（經典粒子在阱中各處出現的幾率應該相等）和經典能級的比較（經典的能量分布應該是連續的函數），通過學生的自我參與，充分激發了學生的求知欲望；從簡單的作圖，學生深刻理解了微觀粒子的運動狀態的波函數；微觀粒子的能量不再是連續的，而是量子化了的能級，當n趨于無窮大時微觀趨向于經典的結果，即經典是量子的極限情況；通過學生熟知的軟件，直觀的再現了物理圖像，學生會進一步來深刻思考這個結論的由來，傳統的教學中，我們先講薛定諤方程，然后再解這個方程，再利用邊界條件和波函數的標準條件，一步一步推導下來，這樣的教學模式有很多學生由于數學的基礎較為薄弱，推導過程又比較繁瑣，因此會逐步對課程失去了興趣，這也直接影響了后面章節的學習，而通過學生親自作圖實現的物理圖像，改變了傳統的“填鴨式”教學，最大限度的使學生參與到課程中，這樣的效果也將事半功倍了，大大提高了教學的效果。
4 結合科學發展前沿拓寬學生視野
在課程的教學中，除了注重理論基礎知識的講解和基礎知識的應用以外，還需介紹量子力學學科前沿發展的一些動態。結合教師的教學科研工作，將國內外反映量子力學方面的一些最新的成果融入到課程的教學之中，推薦和鼓勵學生閱讀反映這類問題的優秀網站、科研文章，使學生了解量子力學學科的發展前沿，從而達到拓寬學生視野，培養學生創新能力的目的。例如近年興起并迅速發展起來的量子信息、量子通訊、量子計算機等學科，其基礎理論就是量子力學的應用，了解了這些發展，學生會反過來進一步理解課程中如量子態、自旋等概念，量子態和自旋本身就是非常抽象的物理概念，他們沒有經典的對應，通過對實驗結果的理解，學生會進一步理解用態矢來表示一個量子態，由于電子的自旋只有兩個取向，正好與計算機存儲中二進制0和1相對應，這也正是量子計算機的基本原理，通過學生的主動學習，從而達到提高教學質量的目的。另外我們還要介紹量子力學在近代物理學、化學、材料學、生命學等交叉學科中的應用，拓寬學生的視野。
第2篇：量子力學存在的問題范文
在建立科學理論體系的過程中，往往需要以一系列巨量的、通常是至為復雜的實驗、歸納和演繹工作為基礎。而且人們一般相信科學知識就是在這個基礎上產生和累積起來的。但只要這種認識活動過程是為一個協調一致的目標所固有，只要它真正屬于科學研究自我累進的進程，則不論其如何復雜，仍只是過程性的，而不從根本上規定科學的性質、程序，乃至結論。這就使我們在考察復雜的科學認識活動時，可以抽取出高于具體手段的，基本上只屬于人類心智與外在世界相聯絡的東西，即科學語言，來作為認識的中介物。
要說明科學語言何以能成為這樣的中介，需要先對科學的認識結構加以分析。
作為一種形式化理論的近現代科學，其目的是力圖摹寫客觀實在。這種摹寫的認識論前提是一個外在的、自為的客體和作為其思維對立面的內在的主體間的雙重存在。這一認識論前提在科學認識方面衍生出一個更實用的前提，就是把客體看作是一種自在的“像”或者“結構”（包括動態結構，比如動力學所概括的各種關系和過程）。
這一自在的實在具有由它的“自明性”所保證的嚴格規范性。這種自明性只在涉及存在與意識的根本關系時才可能引起懷疑。而科學是以承認這種自明性為前提的。因此科學實際就是關于具有自明性的實在的思維重構。它必須限于處理自在的實在，因為科學的嚴格規范性（主要表現為邏輯性）是由實在的自明性所保證的，任何超越實在的描述都會破壞這種描述的前提。這一點對稍后關于量子力學的討論非常重要。
上述分析表明，科學的嚴格規范性并非如有唯理論傾向的觀點所認為的那樣，是來自思維，也并非如經驗論觀點所認為的來自具體手段對經驗表象的操作，也并不象當代某些科學哲學家所認為的純粹出于主體間的共同約定。科學的最高規范是存在在客觀實在中的，是來自客體的自明性。一切具體手段只是以這種規范為目標而去企及它。
在科學認識活動中，不論是一個思維過程還是一個實驗過程，如果其中缺失了語言過程，那就什么意義都不會有。科學語言與人類思維形態固然有很大的關系，但是它們可能在一個很高的層次上有著共同的根源。就認識的高度而言，思維形態作為人類的一種意識現象，對它進行本質的追究，至少目前還不能完全放在客觀實在的背景上。因此，在科學認識的層次上，思維形態完全可以被視為相對獨立的東西。而科學語言則是明確地被置于實在自身這一背景之中的。這就使我們實際上可以把科學語言看作一種知識，它與系統的科學知識具有完全相同的確切性，即它首先是與實在自身相諧合，然后才以這種特殊性成為思維與對象之間的中介。這才能保證，既使科學語言所述說的科學是關于實在的確切圖景，又使思維活動具備與實在相聯絡的手段。
科學語言作為一種知識所具備的上述特殊性，使它成為客觀實在圖景構成的基本要素，或科學知識的“基元”。思維形態不能獨立地形成知識，但思維形態卻提供某種方式，使科學語言所包含的知識基元獲得某種特定的加成和組合，從而構成一種系統化的理論。這就是語言在認識中的中介作用。由于任何事物都必須“觀念地”存乎人的意識中，才能為人的心智所把握，所以，在這個意義上，一個認識過程就是一個運用語言的過程。
二、數學語言
數學語言常常幾乎就是科學語言的同義詞。但實際上，科學語言所指的范圍遠比數學語言的范圍大，否則就不會出現量子力學公式的解釋問題。在自然科學發生以前，數學所起的作用也還不是后世的那種對科學的敘錄。只是由于精密推理的要求所導致的語言理想化，才推進了數學的應用。但歸根究底，數學與前面說的那種合乎客觀實在的知識基元是不同的。將數學用作科學的語言，必須滿足一個條件，即數學結構應當與實在的結構相關，但這一點并不是顯然成立的。
愛因斯坦曾分析過數學的公理學本質。他說，對一條幾何學公理而言，古老的解釋是，它是自明的，是某一先驗知識的表述，而近代的解釋是，公理是思想的自由創造，它無須與經驗知識或直覺有關，而只對邏輯上的公理有效性負責。愛因斯坦因此指出，現代公理學意義上的數學，不能對實在客體作出任何斷言。如果把歐幾里德幾何作現代公理學意義上的理解，那么，要使幾何學對客體的行為作出斷言，就必須加上這樣一個命題：固體之間的可能的排列關系，就象三維歐幾里德幾何里的形體的關系一樣。〔1〕只有這樣，歐幾里德幾何學才成為對剛體行為的一種描述。
愛因斯坦的這種看法與上文對科學語言的分析是基本上相通的。它可以說明，數學為什么會一貫作為科學的抽象和敘錄工具，或者它為什么看上去似乎具有作為科學語言的“先天”合理性。
首先，作為科學的推理和記載工具的數學，實際上是從思維對實在的一些很基本的把握之上增長起來的。歐幾里得幾何學中的“點”、“直線”這樣一些概念本身就是我們以某種方式看世界的知識。之所以能用這些概念和它們之間的關系去描繪實在，是因為這些“基元”已經包含了關于實在的信息（如剛體的實際行為）。
其次，數學體系的那種嚴密性其實主要是與人類思維的屬性有關，盡管思維的嚴密性并不是一開始就注入了數學之中。如前所述，思維的嚴密性是由實在的自明性來決定的，是習得的。這就是說，數學之所以與實在的結構相關，只是因為數學的基礎確切地說來自這種結構；而數學體系的自洽性是思維的翻版，因而是與實在的自明性同源的。
由此可見，數學與自然科學的不同僅表現在對于它們的結果的可靠性（或真實性）的驗證上。也就是說，科學和數學同樣作為思維與實在相互介定的產物，都有可能成為對實在結構的某種描述或“偽述”，并且都具有由實在的自明性所規定的嚴密性。但數學基本上只為邏輯自治負責，而科學卻僅僅為描述的真實性負責。
事實正是如此。數學自身并不代表真實的世界。它要成為物理學的敘錄，就必須為物理學關于實在結構的真實信息所重組。而用于重組實在圖景的每一個單元，實際上是與物理學的基本知識相一致的。如果在幾何光學中，歐幾里德幾何學不被“光線”及其傳播行為有關的概念重組，它就只是一個純粹的形式體系，而對光線的行為“不能作出斷言”。非歐幾何在現代物理學中的應用也同樣說明了這一點。
三、物理學語言
雖然物理學是嚴格數學化的典范，但物理學語言的歷史卻比數學應用于物理學的歷史要久遠得多。
在認識的邏輯起點上，僅當認識論關系上一個外在的、恒常的（相對于主體的運動變化而言）對象被提煉和廓清時，才能保證一種僅僅與對象自身的內在規定性有關的語言描述系統成為可能。對此，人類憑著最初的直覺而有了“外部世界”、“空間”、“時間”、“質料”、“運動”等觀念。顯然，這些觀念并非來自邏輯的推導或數學計算，它是人類世代傳承的關于世界的知識的基元。
然后，需要對客觀實在進行某種方式的剝離，才能使之通過語言進入我們的觀念。一個客觀實在，比如說，一個電子，當我們說“它”的時候，既指出了它作為離散的一個點（即它本身），又指出了它身處時空中的那個屬性。而后一點很重要，因為我們正是在廣延中才把握了它的存在，即從“它”與“其它”的關系中“找”出它來。
當我們按照古希臘人（比如亞里士多德）的方式問“它為什么是它”時，我們正在試圖剝離“它”之所以為“它”的屬性。但這個屬性因其離散的本質，在時空中必為一個“奇點”，因而不能得到更多的東西。這說明，我們的語言與時空的廣延性合若符節，而對離散性，即時空中的奇點，則無法說什么。如果我們按照伽利略的方式問“它是怎樣的”時，我們正是在描繪它與廣延有關的性質，即它與其它的關系。這在時空中呈現為一種結構和過程。對此我們有足夠的手段（和語言）進行摹寫。因為我們的語言，大多來自對時空中事物的經驗。我們運用語言的主要方式，即邏輯思維，也就是時空經驗的抽象和提升。
可見，近現代物理學語言是一種關于客觀實在的時空形式及過程的語言，是一種廣延性語言。幾何學之所以在科學史上扮演著至為重要的角色，首先不在于它的嚴格的形式化，而在于它是關于實在的時空形式及過程的一個有效而簡潔的概括，在于與物理學在面對實在時有著共同的切入點。
上述討論表明了近現代物理學語言格式包含著它的基本用法和一個根深蒂固的傳統，這是由客觀實在和復雜的歷史因素所規定的。至為關鍵的是，它必須而且只是關于實在的時空形式及過程的描述。可以想象，離開了這種用法和傳統，“另外的描述”是不可能在這種語言中獲得意義的。而這正是量子力學碰到的問題。
四、量子力學的語言問題
上文說明，在描摹實在時，人類本是缺乏固有的豐富語言的。西方自古希臘以來，由于主、客體間的某種相互介定而實現了有關實在的時空形式和過程的觀念及相應的邏輯思維方式。任何一種特定的語言，隨著時代的變遷和認識的深入，某些概念的含義會發生變化，并且還會產生新的語言基元。有時，這樣的變化和增長是革命性的。但不可忽視的是，任何有革命性的新觀念首先必須在與傳統語言的關系中獲得意義，才能成為“革命性的”。在自然科學中，一種新理論不論提出多么“新”的描述，它都必須仍然是關于時空形式及過程的，才能在整體的科學語言中獲得意義。例如，相對論放棄了絕對時空、進而放棄了粒子的觀念，但代之而起的那種連續區概念仍然是時空實在性的描述并與三維空間中的經驗有著直接聯系。
量子力學的情況則不同。微觀粒子從一個態躍遷到另一個態的中間過程沒有時空形式；客體的時空形式（波或粒子）取決于實驗安排；在不觀測的情況下，其時空形式是空缺的；并且，觀測所得的客體的時空形式并不表示客體在觀測之前的狀態。這意味著，要么微觀實在并不總是具有獨立存在的時空形式，要么是人類無法從認識的角度構成關于實在的時空形式的描述。這兩種選擇都將超出現有的物理學語言本身，而使經典物理學語言在用于解釋公式和實驗結果時受到限制。
量子力學的這個語言問題是眾所周知的。波爾試圖通過互補原理和并協原理把這種限制本身上升為新觀念的基礎。他多次強調，即使古典物理學的語言是不精確的、有局限性的，我們仍然不得不使用這種語言，因為我們沒有別的語言。對科學理論的理解，意味著在客觀地有規律地發生的事情上，取得一致看法。而觀測和交流的全過程，是要用古典物理學來表達的。〔2〕
量子力學的反對者愛因斯坦同樣清楚這里的語言問題。他把玻爾等人盡力把量子力學與實驗語言溝通起來所作的種種附加解釋稱之為“綏靖哲學”（Beruhigunsphilosophie）〔3〕或“文學”〔4〕，這實際上指明了互補原理等觀念是在與時空經驗相關的科學語言之外的。愛因斯坦拒絕承認量子力學是關于實在的完備描述，所以并不以為這些附加解釋會在將來成為科學語言的新的有機內容。薛定諤和玻姆等人從另一個角度作出的考慮，反映了他們以為玻爾、海森堡、泡利和玻恩等人的觀點回避了經典語言與實在之間的深刻矛盾，而囿于語言限制并為之作種種辯解。薛定諤說：“我只希望了解在原子內部發生了什么事情。我確實不介意您（指玻爾）選用什么語言去描述它。”〔5〕薛定諤認為，為了賦予波函數一種實在的解釋，一種全新的語言是可以考慮的。他建議將N個粒子組成的體系的波函數解釋為3N維空間中的波群，而所謂“粒子”則是干涉波的共振現象，從而徹底拋棄“粒子”的概念，使量子力學方程描述的對象具有連續的、確定的時空狀態。
固然，幾率波的解釋使得理論的數學結構不能對應于實在的時空結構，如果讓幾率成為實驗觀察中首要的東西，就會讓客觀實在在描述中成了一種“隱喻”。然而薛定諤的解釋由于與三維空間中的經驗沒有明顯的聯系，也成了另一種隱喻，仍然無法作為一種科學語言而獲得充分的意義。
玻姆的隱序觀念與薛定諤的解釋在語言問題上是相似的。他所說的“機械序”〔6〕其實就是以笛卡爾坐標為代表的關于廣延性空間的描述。這種描述由于經典物理學的某些限定而表現出明顯的局限性。玻姆認為量子力學并未對這種序作出真正的挑戰，在一定程度上指出了量子力學的保守性。他企圖建立一種“隱序物理學”，將量子解釋為多維實在的投影。他以全息攝影和其它一些思想實驗為比喻，試圖將客觀實在的物質形態、時空屬性和運動形式作全新的構造。但由于其基礎的薄弱，仍然只是導致了另一種脫離經驗的描述，也就是一種形而上學。
這里所說的“基礎”指的是，一種全新的語言涉及主客體間完全不同的相互介定。它涉及對客體的完全不同的剝離方式，也就是說，現行科學語言及其相關思維方式的整個基礎都將改變。然而，現實地說，這不是某一具有特定對象和方法的學科所能為的。
可見，試圖通過一種全新的語言來解決量子力學的語言問題是行不通的。這個問題比通常所能想象的要無可奈何得多。
五、量子力學何種程度上是“革命性”的
量子力學固然在解決微觀客體的問題方面，是迄今最成功的理論，然而這種應用上的重要性使人們有時相信，它在觀念上的革命也是成功的。其實，上述語言與實在圖景的沖突并未解決。量子力學的種種解釋無法在科學語言的基礎上必然過渡到那種非因果、非決定論觀念所暗示的宇宙圖景。這就使我們有必要對量子力學“革命性”的程度作審慎的認識。
正統的量子力學學者們都意識到應該通過發展思維的豐富性來解決面臨的困難。他們作出的重要努力的一個方面是提出了很多與經典物理學不同的新觀念，并希望這些新觀念能逐漸溶入人類的思想和語言。其中玻恩用大量的論述建議幾率的觀念應該取代嚴格因果律的概念。〔7〕測不準原理以及其中的廣義坐標、廣義動量都是為粒子而設想的，卻又不能描述粒子在時空中的行為，薛定諤認為應該放棄受限制的舊概念，而玻爾卻認為不能放棄，可以用互補原理來解決。玻爾還希望，波函數這樣的“新的不變量”將逐漸被人的直覺所把握，從而進入一般知識的范圍。〔8〕這相當于說，希望產生新的語言基元。
另一方面，海森堡等人提出，問題應該通過放棄“時空的客觀過程”這種思想來解決。〔9〕這又引起了量子力學的客觀性問題。
這些努力在很大程度上是具有保守性的。
我們試把量子力學與相對論作比較。相對論的革命性主要表現在，通過對時間和空間的相對性的分析，建立起時間、空間和運動的協變關系，從而了絕對時空、絕對同時性等舊觀念，并代之以新的時空觀。重要的是，在這里，絕對時空和絕對同時性是從理論上作為邏輯必然而排除掉的。四維時空不變量對三維空間和一維時間的性質依賴于觀察者的情形作了簡潔的概括，既不引起客觀性危機，又與人類的時空經驗有著直接關聯。相對論排除了物理學內部由于歷史和偶然因素形成的一些含混概念，并給出了更加準確明晰的時空圖景。它因此而在科學語言的范圍內進入了一般知識。
量子力學的情況則不同。它的保守性主要表現在：
第一，嚴格因果律并不是從理論的內部結構中邏輯地排除的。只是為了保護幾率波解釋，才不得不放棄嚴格因果律，這只是一種人為地避免邏輯矛盾的處理。
第二，不完全連續性、非完全決定論等觀念并沒有構成與人類的時空經驗相關聯的自洽的實在圖景。互補原理和并協原理并沒有從理論內部挽救出獨立存在于時空的客體的概念，又沒有證明這種概念是不必要的（如相對論之于“以太”那樣）。因此，量子力學的有關哲學解釋看似拋棄舊觀念，建立新觀念，實際上，卻由于這些從理論結構上說是附加的解釋超出了關于實在的描述，因而破壞了以實在的自明性為保證的描述的前提。所以它實際上對觀念的豐富和發展所作的貢獻是有限的。
第三，量子力學內在地不能過渡到關于個別客體的時空形式及過程的模型，使得它的反對者指責說這意味著位置和動量這樣的兩個性質不能同時是實在的。而為了保護客觀性，它的支持者說，粒子圖像和波動圖象并不表示客體的變化，而是表示關于對象的統計知識的變化。〔10〕這在關于實在的時空形式及過程的科學語言中，多少有不可知論的味道。
第四，人們必須習慣地設想一種新的“實在”觀念以便把充滿矛盾的經驗現象統一起來。在對客體的時空形式作抽象時，這種方法是有效的。而由于波函數對應的不是個別客體的行為，所以大多新的“實在”幾乎都是形而上學的構想。薛定諤和玻姆的多維實在、玻姆在闡釋哥本哈根學派觀點時提出的那種包含了無限潛在可能性的“第三客體”〔11〕，都屬于這種構想。玻恩也曾表示，量子力學描述的是同一實在的排斥而又互補的多個影像。〔12〕這有點象是在物理學語言中談論“混元”或“太極”一樣，很難說對觀念有積極的建設。
本文從科學語言的角度，對量子力學尤其是它的哲學基礎的保守性作出一些分析，這并不是在相對論和量子力學之間作價值上的優劣判斷。也許量子力學的真正價值恰恰在于它所碰到的困難是根本性的。
海森堡等人與新康德主義哲學家G·赫爾曼進行討論時，赫爾曼提出，在科學賴以發生的文化中，“客體”一詞之所以有意義，正在于它被實質、因果律等范疇所規定，放棄這些范疇和它們的決定作用，就是在總體上不承認經驗的可能性。〔13〕我們應該注意到，赫爾曼所使用的“經驗”一詞，實際上是人類對客觀事物的廣延性和分立性的經驗。這種經驗是科學的實在圖景成立的基礎或真實性的保證，邏輯是它的抽象和提升。
在本文的前三節已經談到，自從古希臘人力圖把日常語言理想化而創立了邏輯語言以來，西方的科學語言就一直是在實在的廣延性和分立性的介定下發展起來的。我們也許可以就此推測，對于人的認識而言，世界是廣延優勢的，但如果因此認為實在僅限于廣延性方面，卻是缺乏理由的。廣延性優勢在語言上的表現之一是幾何優勢。西方傳統中的代數學思想是代數幾何化，即借助空間想象來理解數的。不論畢達哥拉斯定理還是笛卡爾坐標都一樣。直角三角形的斜邊是直觀的，而根號2不是。我們可以用前者表明后者，而不能反過來。可是一個離散的數量本身究竟是什么呢？它是否與實在的另一方面或另一部分（非廣延的）相應？也許在微觀領域里不再是廣延優勢而量子力學的困難與此有關？
如果量子力學面臨的是實在的無限可能性向語言的有限性的挑戰，那么問題的解決就不單單是語言問題，甚至不單單是目前形態的物理學的問題。它將涉及整個認識活動的基礎。玻爾似乎是深刻地意識到這一點的。他說“要做比這些更多的事情完全是在我們目前的手段之外。”〔14〕他還有一句格言；“同一個正確的陳述相對立的必是一個錯誤的陳述；但是同一個深奧的真理相對立的則可能是另一個深奧的真理。”〔15〕
參考文獻和注釋
〔1〕〔3〕〔4〕《愛因斯坦文集》第一卷，商務印書館，1994，第137、241、304頁。
〔2〕〔5〕〔9〕〔13〕〔14〕〔15〕海森堡：《原子物理學的發展和社會》，中國社會科學出版社，1985，第141、84、82、131、47、112頁。
〔6〕玻姆：《卷入——展出的宇宙和意識》，載于羅嘉昌、鄭家棟主編：《場與有——中外哲學的比較與融通（一）》，東方出版社，1994年。
〔7〕玻恩：《關于因果和機遇的自然哲學》，商務印書館，1964年。
〔8〕〔12〕玻恩：《我這一代的物理學》，商務印書館，1964，第65、192頁。
第3篇：量子力學存在的問題范文
關鍵詞：物理本體；物理實體；量子現象；主觀；客觀
基金項目：國家社會科學基金項目“量子概率的哲學研究”（16BZX022）
中圖分類號：N03 文獻標識碼：A 文章編號：1003-854X（2017）06-0054-06
一、引言
時間和空間是人類所有經驗的背景。除去存在的事物，時間、空間什么也不是，不存在只有一件事物的時間、空間，時空是事物之間相互關系的一個方面。
人類通過感性經驗認知的時空，稱作經驗時空；以科學原理和科學方法指導認知的時空是科學時空；牛頓時空、狹義相對論時空、廣義相對論時空、量子力學時空，是經驗時空的科學提升和科學發展，稱作物理時空①。物理時空是科學時空。描述現象實體的時空是現象時空，經驗時空、物理時空、科學時空均是現象時空。而未經觀察的“自在實體（物理本體）”所在時空，稱為“本體時空”。“本體時空”是復數的②，因此，人類實質生活在復數時空中 。作為自然人，觀察者存在于“本體時空”，實時空是人類對時空認識的簡化③。
主體、客體、觀察信號是人類認知自然的三大基本要素④。一般“現象對觀察者的主觀依賴性”有其客觀原因，體現觀察信號的自然屬性對觀察者在認知中的影響。當把現象對觀察者的主觀依賴性轉化為時空的屬性后，就可以達到客觀描述物質世界⑤。所謂客觀描述就是理論計算與經驗及科學實驗結果相符。
考慮觀察信號的客觀作用并納入時空理論的科學建構之中，客觀描述物理現象，是物理學家的重要工作。一般，哲學認知中沒有明晰“觀察信號中介作用”的客觀地位，不管“機械反映論”，還是“能動反映論”，都自動將其融入“反映論”理論體系，尤其是前者，往往容易導致主觀唯心主義的滋生。
狹義相對論用光對時，考慮了光對建立時空的貢獻；牛頓時空是對時信號速度c趨于無窮大的極限情態；考慮引力場對建立時空的影響，引力時空是彎曲的，狹義相對論的平直時空是它的局域特例。從牛頓力學到狹義相對論再到廣義相對論，時空發生了變化，但主體與描述對象的關系沒有變，主體對客體的描述是客觀的。那么是否主體對認知對象完全沒有主觀影響？如果有，它如何產生，又如何消解，實現客觀描述物質世界？經典力學中，人類的處理方法是通過揭示“現象對觀察者的主觀依賴性”及其產生機理，在不同認知領域區分描述中可以忽略的和不可忽略的，能忽略的舍棄，不能忽略的轉化成時空的屬性，實現客觀描述；而從牛頓力學（或相對論力學）到量子力學，時空沒有變化，描述對象具有波粒二象性，“量子現象的主觀依賴性”更為突出。如何消解“量子現象對觀察者的主觀依賴性”，實現量子現象的客觀描述，一直是量子力學基礎討論的熱點。量子力學必須有自己的客觀描述量子現象的時空⑥。
量子力學時空是閔氏時空的復數拓展和推廣⑦，由此可以實現客觀描述量子世界。它與相對論時空有交集，也有異域。有因必有果，反之亦然，時間與因果關系等價⑧。量子力學中的非定域性，與能量、動量量子化及量子態的突變性相關聯。突變無須時間，導致因果鏈斷裂，與因果關聯的相互作用也被刪除，由此引進了類空間隔。平行并存量子態的出現，是不遵從因果律的量子力學新表現；當能量、動量和相互作用變得連續，宏觀時序得到恢復時，回到相對論時空，量子測量中“量子態和時空的坍縮”⑨ 是不同物理時空的轉換，希爾伯特空間只是它們的共同數學應用空間⑩。
時空不是絕對的，相對時空有更廣闊的含義，人類需要擴大對時空概念的認知，不同的認知層次有不同的時空對應，復數時空更為本質。人們不應該將所有領域的物理實體歸于某一時空描述，或者用一種時空的性質去否定另一種時空的存在。還是愛因斯坦說得好：是理論告訴我們能夠觀察到什么。當然，新的實驗事實又將告訴人們，理論及其對應的時空應該如何修改和發展。理論不同時空不同，時空具有建構特征。
二、時空的哲學認知與物理學描述
時空是哲學的基本概念，也是物理學的基本概念。哲學認為，時間和空間是物質的存在形式，既不存在沒有時空的物質，也不存在沒有物質的時空。笛卡爾指出，空間是事物的廣延性，時間是事物的持續性；康德認為，時空是感性材料的先天直觀形式；牛頓提出時間和空間是彼此分離，絕對不變的，強調數學的時間自我均勻流逝；萊布尼茨說，空間是現象的共存序列，時間與運動相聯系；黑格爾認為，事物運動的本質是空間和時間的直接統一。休謨認為，時、空上的接近和先后關系與因果性直接相關。中國的“宇”和“宙”就是空間和時間概念，它是把三維空間和一維時間概念同宇宙密切聯系在一起的最早應用{11}。
哲學具有啟示作用，但時空概念如果不與人的社會實踐、科學實驗、科學理論及其數學物理方法相聯系，就只能停留在形而上，無法上升為科學理論概念。
物理學中，空間從測量和描述物體及其運動的位置、形狀、方向中抽象出來；時間則從描述物體運動的持續性、周期性，以及事件發生的順序、因果性中抽象出來；空間和時間的性質，主要從物體運動及其相互作用的各種關系和度量中表現出來。描述物體的運動，先選定參照物，并在參照物上建立一個坐標系，一般參照物被抽象成點，它就是坐標系的原點；假定被描述物體的形體結構對討論的問題（或對參照物的時空）沒有影響，將物體抽象成質點，討論質點在坐標系中的運動及其相關規律，這就是物理學。由此，“時空是物質的存在形式”的哲學認知也就轉化為人類可操作的具體物理理論描述。
可見，時空的認知與人類的社會實踐、科學實驗、科學進步直接相關，離不開物理和數學方法的應用。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所依托的幾何學，在牛頓力學、狹義相對論、廣義相對論中得到了充分應用。由此，幾何學被賦予了物理意義。從牛頓力學到狹義相對論再到廣義相對論，時空發生了變化，但描述對象與觀察者之間的關系沒有變，描述是客觀的，并且描述對象都可抽象成經典的粒子，采用質點模型。量子力學不同，從牛頓力學（相對論力學）到量子力學，描述量子現象的時空沒有變化{12}，物理模型沒有變，但量子現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象。深入分析，解決的辦法有兩種，一是更換物理模型的同時也改變物理時空，消除“量子現象對觀察者的主觀依賴性”，實現客觀描述微觀量子客體；二是改變時空的同時，保留“量子現象對觀察者的主觀依賴性”，將本體、認識、時空融為一體，主觀納入客觀，模糊主客關系。雙4維時空量子力學基礎采用了第一種方法。通過場物質球模型，把點模型隱藏的空間自由度釋放出來；在改變物理模型的同時，也改變了描述時空；將不是點的微觀客體自身的空間分布特性，轉化為描述空間的屬性，客觀描述量子客體。我們認為，第二種方法將主觀認識不加區分地“融入時空”，有損客觀性、科W性，量子力學時空必須是描述客觀世界的時空。物理時空需要建構。
三、牛頓絕對時空中“現象對觀察者的主觀依賴性”及其“消解”
眾所周知，物理學對物體運動狀態的描述，理應包含參照物和被描述物體自身的時空特征，而參照物和物體自身的時空特征，必須通過觀察發現。觀察需要觀測信號，物體運動狀態及其時空特征必然帶有觀測信號的烙印{13}。
“物理本體”不可直接觀察，我們觀察到的是“物理實體”{14}。參照物與研究對象都有自己對應的物理時空，牛頓力學時空應該是兩者的綜合，而不應該只是參照物的時空。但是，牛頓力學中光速無窮大，在討論物體運動時，又假設研究對象的時空結構對討論的問題沒有影響，忽略不計，于是，研究對象抽象成了質點，整個理論體系就只有與參照物聯系的時空了。
任何具體物體都不會是質點。當用信號去觀察它時，物體自身的時空特征與物體的運動狀態與觀察信號的性質、強弱和傳播速度相關。質點模型忽略物體自身的幾何形象及其變化，忽略運動及觀察信號對物體自身時空特征的影響，參照物也不例外。在從參照物到坐標系的抽象中，抽掉運動及觀察信號對參照物時空特性的影響，就是抽掉物體運動及觀察信號對坐標系時空特性的影響，就是抽掉人的參與對時空認知的影響{15}。牛頓力學時空與物體運動及觀察者無關，絕對不變，基于絕對不動的以太之上。所以，牛頓可以把時間和空間從物質運動中分離出來，時間和空間也彼此分割，空間絕對不變，數學的、永遠流逝的時間絕對不變{16}。哲學的時空演變成了可操作的物理時空。這是宏觀低速運動對時空的簡化與抽象，理論與宏觀經驗及計算相符。
相互作用實在論認為，現實世界是人參與的世界，對一個研究對象的觀察，離不開主體、客體、觀察信號三個基本要素。參照物和觀察對象的運動和變化及其時空屬性，與觀察信號的性質相關。牛頓力學中，不是沒有現象對觀察主體的依賴性，而是在理論的建立中認為影響很小，可以忽略不計。牛頓力學是“物理本體=物理實體”的力學{17}。這與宏觀經驗和科學實驗相符，在宏觀低速運動層次實現了主客二分，理論被看作是對客觀實在的描述。牛頓力學中，物質告訴時空如何搭建描述背景，時空告訴物質如何在背景中運動。二者構成背景相關。
牛頓時空是均勻平直時空，相對勻速運動坐標系間的變換是伽利略變換。物理定律在伽利略換下具有協變性，相對性原理成立。
四、狹義相對論中“現象對觀察者的主觀依賴性”及其“消解”
狹義相對論建立之前，洛倫茲就認為高速運動中物體長度在運動方向發生收縮{18}。這是他站在牛頓時空立場，承認以太及絕對坐標系的存在對洛倫茲變換所作的解釋。描述時空沒有變，“現象對觀察者出現了主觀依賴性”。自然現象失去了客觀性，這是一次認識危機，屬19世紀末20世紀初兩朵烏云之一。
狹義相對論不同，它考慮宏觀高速運動中觀察信號對物體時空特征的影響。愛因斯坦在“火車對時”實驗中，他用“光”作為觀察、記錄、認知物體時空特征的信號{19}；通過參照物到坐標系的抽象，論證靜、動坐標系K與K′“同時性”不同，靜、動坐標系運動方向時空測量單位發生了變化；將洛倫茲所稱“運動物體自身運動方向上的長度收縮”演變成坐標系時空框架的屬性，還原質點模型，建立相對論力學。實現了觀察者對觀察對象的客觀描述。
狹義相對論中質點的動量、能量、位置和時間都有確定值，質點的運動具有確定的軌跡，這一點與牛頓力學相同。
狹義相對論時空的另一重要物理意義是揭示了“物理本體”的客觀實在性。
牛頓力學缺少相對論不可直接觀察的靜能（m0c2，m0c）對應物，物理本體=物理實體，哲學上的抽象時空直接過渡到牛頓物理時空。
狹義相對論不一樣，每一個物體都有一個不可直接觀察的靜能（m0c2，m0c）對應物，它在任何靜止參考系中都是不變量，是物理實體背后的物理本體，物理本體不變，變的是mc2、mc對應的物理實體。“物理本體”既不是形而上的（物自體），也不是形而下的（物體），是形而中的（靜能對應物）。它可以認知、可以理論建構，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”的真實存在性。“客觀物質世界”不是思維的產物。
狹義相對論中，物質告訴時空在運動方向如何修正測量單位，時空告訴物質如何長度收縮、時間減緩。時空具有相對性。
狹義相對論時空雖然也是均勻平直時空，但由于有上述“相對時空”的出現，時空度規與歐氏時空度規有明顯區別，所以稱為贗歐氏時空。
但狹義相對論仍然是只考慮光及光速的有限性對建立時空的影響，沒有考慮引力作用對建立時空的影響。如果考慮引力對時空的影響又如何呢？
五、廣義相對論中“現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進動問題和光走曲線的討論。站在牛頓平直時空的立場，觀察結果與理論計算不符。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。因為，牛頓力學也好，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空屬性的影響都沒有計入其中，而留在觀察者對“現象”的觀察、判斷之中，出現宇觀大尺度“現象對觀察者的主觀依賴性”。如果考慮引力場使時空發生彎曲，利用彎曲時空計算水星近日點進動和光走曲線現象，“現象對觀察者的主觀依賴性”就變成時空的屬性。“現象對觀察者的主觀依賴性”就得到了“消解”，觀察現象與理論結果就取得了一致。這里，物質使時空彎曲，時空告訴物質如何在彎曲時空中運動。廣義相對論實現了觀察者對觀察對象的客觀描述。
廣義相對論時空是彎曲的，時空度規是變化的。
六、量子力學中“現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，同一個電子，通過雙縫表現為波，而打在屏幕上又表現為粒子，電子集波和粒子于一身，“量子現象對觀察者的主觀依賴性”更為突出。經典力學中波動性和粒子性不能集物體于一身，量子力學與經典力學表現出深刻的矛盾。矛盾的產生，可能是描述微觀現象的時空出了問題。量子力學的研究領域是微觀世界，研究對象是微觀客體，不是經典的粒子，用以觀察的信號也不是連續的光，而是量子化了的光，通過光信號建立的時空應該與牛頓、相對論時空有所區別。而量子力學使用的還是牛頓時空、狹義相對論時空，時空沒有變，物理模型沒有變，而研究領域、觀察信號和研究“對象”變了。量子力學必須有自己對應的時空，將“量子現象對觀察者的主觀依賴性”，轉化為描述時空的屬性，實現客觀描述量子現象！ 雙4維時空量子力學就是為實現這一目標應運而生的。
現有量子力學“量子現象對觀察者的主觀依賴性”之所以難以消解，與量子力學中的點模型相關。許多量子現象與點模型隱藏的空間自由度有直接聯系，但點模型忽略了這些自由度對產生微觀量子現象的作用和影響。我們必須將隱藏的空g自由度還原于時空，才可能正確地認識、客觀描述量子現象。
可以公認，微觀客體不是點{20}，是一個有形客體，有一定的空間分布，不存在確定于某點的空間位置，這是客觀事實。理論上，牛頓時空幾何點位置是確定的，量子力學使用的是質點模型，0 維，位置也是確定的，牛頓時空可以精確描述質點的運動。那么微觀客體空間分布的不確定性如何處理？人們只好轉而認為點粒子在其“空間分布”區域位置具有概率屬性。微觀客體自身空間分布的客觀實在性在量子世界轉化成了一種主觀認知，賦予了微觀客體“內稟”的概率屬性，其運動產生概率分布，或稱其為概率波。
這是一個認識上的困惑，似乎量子力學描述失去了客觀實在性。這也是量子力學當今的困境。解決困難的方法是：（一）更換點模型，釋放點模型隱藏的自由度，展示“這些自由度對產生微觀現象的貢獻”；（二）建立適合量子力學自身的時空，將釋放的自由度植入其中，讓“量子現象對觀察者的主觀依賴性”變成量子力學時空自身的屬性。
雙4維時空量子力學的辦法是：（一）用“轉動場物質球”模型取代“質點”模型，釋放點模型隱藏的空間自由度；（二）將4維實時空M4（x）拓展到雙4維復時空W（x，k），且將“釋放的空間自由度――曲率k”作為雙4維復時空的虛部坐標；（三）4維曲率坐標將量子力學賦予微觀客體自身的概率屬性變成量子力學復時空的幾何屬性，場物質球自身的旋轉與運動產生物質波――物理波。
“場物質球”與“物質波”（類似對偶性假設）既是同一物理實在的兩種不同描述方式，更是微觀客體粒子性和波動性的統一，曲率的大小表示粒子性，曲率的變化表示波動性。場物質球的物質密度是曲率k的函數，因此，物質波既是場物質球的結構波又是場物質密度波。物質波不是傳播能量，而是傳播場物質球的結構或物質密度變化，可映射成實時空M4（x）的概率分布{21}，與實驗結果相一致。
這樣，點模型中“量子現象對觀察者的主觀依賴性”通過“釋放的自由度”轉變為時空W（x，k）的屬性，物質波傳播其中，量子現象是物質波所為。
研究表明，是量子測量引入的連續作用，使雙4維時空W（x，k）全域轉換到實時空M4（x），波動形態轉變成粒子形態（“相變”），球模型轉換成點模型，概率屬性內在其中，物質波自動映射成概率波，數學處理類似表象變換{22}。
簡言之，傳統量子力學，微觀客體簡化成質點，描述時空不變，人的主觀意識介入其中，將其空間分布特性――位置不確定性，變成點粒子的概率屬性，實現描述對象從客觀到主觀認知的轉變，具有位置不確定性的點粒子，其運動產生概率波；雙4維時空量子力學，微觀客體簡化成場物質球，“空間分布具體化為幾何曲率”，空間分布特性變成曲率坐標，仍然是從客觀到客觀，描述時空變成了復時空，曲率坐標在其虛部，場物質球的運動產生物質波――物理波。通過量子測量，物質波映射成概率波，球模型演變成點模型，顯示概率屬性，時空內在自動轉換，量子現象對觀察者的主觀依賴性消解在建構的時空理論中。具體論證方法是：
將靜態場物質球寫成自旋波動形式：Ψ0=е■，描述在復空間。ω0是常數，它的變化只與自身坐標系時間t0相關，全空間分布（物理本體所在空間）。設建在“靜態”場物質球上的坐標系為K0，觀察微觀客體從靜止開始作蛩僭碩，由洛倫茲變換：
微觀客體的運動速度不同，平面波相位不同。復相空間kμxμ即為物質波所在時空。物質波是物理波。
自由微觀客體的速度就是建在其上慣性坐標系的速度，慣性系間的坐標變換，隱藏速度突變――“超光速”概念，因為，連續變化會引進引力場破壞線性空間。不同慣性系中平面波之間，相位不同，類似量子力學中的不同本征態。這是相對論中的情形{24}。
但是，量子力學建立其理論體系時，把上述不同慣性系中的平面波（不同本征態，每一本征態則對應一慣性系），通過本征態突變躍遷假設（量子分割），切斷因果聯系，形成同一時空中“同時”并存的本征態的疊加。態的躍遷不需要時間，“超光速”（非定域），將類空間隔引入量子力學時空，破壞了原有的因果關系。疊加量子態的存在，是“違背”因果律在量子力學中的新表現。
量子力學時空顯然不是牛頓、狹義相對論時空，但量子力學卻誤認為量子躍遷引起的時空性質的變化是牛頓、狹義相對論時空中的特征，這當然會帶來不可調和的認知矛盾。
同一微觀客體，不同本征態“同時”并存的物理狀態，從整體看，是洛倫茲協變性在量子力學中的新表現。突變區“超光速”，是類空空間，“不遵從”因果律；釋放光子的運動在類光空間；而本征態自身在類時空間，微觀客體運動速度不能超過光速，需保持因果律，物質波討論的就是這一部分，就像相對論討論類時空間物理一樣。量子糾纏態將涉及到上述三種不同性質物理空間量子態的轉換，有完全合理的物理機制，不需要思維的特殊作用。不過，相對論長度收縮效應，將以物質波波長在運動方向上的收縮來體現。有了雙4維時空量子力學，量子力學與相對論就是相容的，光錐圖分析一樣適用。
相對論與量子力學的不同，關鍵在于認知層次發生了變化，光由連續場演變成了量子場。而我們用來觀察世界的光信號直接與時空相關，光的物理性質的變化，必然帶來物理空間性質的變化，帶來物理模型的變化，帶來量子力學時空W（x，k）與相對論時空M4（x）之間的區別，帶來對物質波――物理波的全新認知。我們預言，物質波有通訊應用價值{25}，但與量子力學非定域性無關。
《雙4維復時空量子力學基礎――量子概率的時空起源》的理論實踐表明，我們的工作是可取的{26}。結論是，量子力學中，物質告訴時空如何具有概率屬性，時空告訴物質如何作概率運動。量子現象對觀察者的主觀依賴性消解在對應的時空理論之中，實現了觀察者對量子現象的客觀描述。
雙4維時空是描述量子現象的物理時空，時空度規，無論實數部分，還是虛數部分，都是平直的{27}。
近年來，由于量子通訊技術的飛速發展，量子糾纏的物理基礎引起了人們的特別關注，波函數的物理本質，量子力學的非定域性討論十分熱烈。“量子現象對觀察者的主觀依賴性”更是討論的核心。人們甚至被量子現象的奇異性迷惑了，特別是，有科學家甚至認為：“客觀世界很有可能并不存在”。世界是人臆造出來的？科學實在論者當然不能贊成！更加深入的探討，我們將另文討論。
按照曹天予的評論，《雙4維復時空量子力學基礎――量子概率的時空起源》值得關注{28}。雙4維復時空與弦論、圈論比較，最大優點是將時空拓展、推廣到了復數空間，數學沒有那么復雜，而物理學基礎卻更加堅實、清晰。
七、結論與討論
1.“現象對觀察者的主觀依賴性”普遍存在于人與自然的關系之中，融入時空的只能是物理實體對時空有影響的部分，時空具有建構特征。
2. 物質運動與時空的關系：牛頓力學中，物質告訴時空如何搭建運動背景，時空告訴物質如何在背景上運動；狹義相對論中，物質告訴時空如何修正測量單位，時空告訴物質如何在運動方向長度收縮、時間減緩；廣義相對論中，物質告訴時空如何彎曲，時空告訴物質如何在彎曲時空中運動；量子力學中，物質告訴時空如何具有概率屬性，時空告訴物質如何作概率運動。
3. 量子力學時空是平直的，其方程是線性的，而廣義相對論時空是彎曲的，其方程是非線性的{29}。量子力學與廣義相對論的統一，不能機械地湊合，它們的統一，必須從改變時空的性質做起，建立相應的運動方程，并搭起非線性空間與線性空間的相互聯絡通道。
注釋：
① 趙國求：《雙4維時空量子力學基礎》，湖北科學技術出版社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維時空量子力學基礎》，湖北科學技術出版社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中。 辯證唯物主義認為主觀和客觀是對立的統一，客觀不依賴于主觀而獨立存在，主觀能動地反映客觀。
⑧ L?斯莫林：《通向量子引力的三條途徑》，李新洲等譯，上海科學技術出版社2003年版，第29―33頁。
⑨ 張永德：《量子菜根譚》，清華大學出版社2012年版，第29頁；趙國求：《雙4維時空量子力學基礎》，湖北科學技術出版社2016年版，第178頁。
{11} 馮契：《哲學大辭典》，上海辭書出版社2001年版，第1579―1582頁。
{12} 參見L?斯莫林：《物理學的困惑》，李泳譯，湖南科學技術出版社2008年版。
{14} 相互作用實在論中的基本概念：（1）物質：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、弱等力。（3）自在實體：指未經觀察的“自然客體”（相互作用實在論中，自在實體作為物理研究對象時稱物理本體）。（4）現象實體：經過觀察，系統的、穩定的、深刻反映事物本質的理性認知物。現象則表現自在實體非本質的一面。（相互作用實在論中，現象實體作為物理研究對象時稱物理實體）。（5）觀測信號：人類認知世界使用的探測信號。
{16} 參見伊?牛頓：《自然哲學之數學原理宇宙體系》，武漢出版社1996年版。
{18} 參見倪光炯等：《近代物理學》，上海科學技術出版社1980年版。
{19} 參見A?愛因斯坦：《相對論的意義》，科學出版社1979年版；愛因斯坦等：《物理學的進化》，周肇威譯，上海科學技術出版社1964年版。
{20} 坂田昌一：《坂田昌一科學哲學論文集》，安度譯，知識出版社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維時空量子力學基礎》，湖北科學技術出版社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維時空量子力學描述》，
《現代物理》2013年第5期；趙國求、李康、吳國林：《量子力學曲率詮釋論綱》，《武漢理工大學學報》（社會科學版）2013年第1期。
{28} 曹天予：《當代科學哲學中的庫恩挑戰》，《中國社會科學報》2016年5月31日。
第4篇：量子力學存在的問題范文
關鍵詞：空間；時間；質量；能量；科學技術
物理學是一門既古老又年輕的自然科學，它對現代科學技術的發展起著重要的作用。物理學和其他自然科學一樣，是研究自然界中物質運動的客觀規律的科學。細分起來物理學大致經過了四個發展階段。
1 物理學的發展過程
1.1 宏觀低速階段
研究宏觀低速的理論是牛頓力學，研究對象為宏觀低速運動的物體。例如：汽車、火車的運動，地球衛星的發射。在牛頓力學中，牛頓認為：質量、時間、空間都是絕對的。也就是說，對于時間來講不存在延長和收縮的問題，即時間是在一秒鐘，一秒鐘地或一個小時，一個小時地均勻流失。對于空間和質量來講也不存在著變大或變小的問題。牛頓力學的三大定律，就是在這樣的基礎上建立的。
1.2 宏觀高速階段
研究宏觀高速的理論是愛因斯坦的相對論力學，愛因斯坦在1905年發表了論文相對論力學。愛因斯坦認為空間、質量、時間都是相對的。并且找出了動質量和靜質量之間的關系：其中m0為靜質量；m為動質量。
1.3 微觀低速階段
其理論是薛定諤，海森堡兩個創立的量子力學。研究對象為分子、原子、電子、粒子等肉眼所看不見的物質。
1.4 微觀高速階段
理論是量子場論，研究對象為宇宙射線，放射性元素。例如“鐳”。量子場論就是粒子通過相互作用而被產生，湮滅或相互轉化的規律。例如：通過對天外射線射向地球宇宙射線的研究發現“反粒子”，即電子的反粒子正電子。負電子與正電子相互作用湮沒——轉化為二個γ光子，例如“閃電”。
2 物理學與工程技術的關系
物理學與工程技術有著密切的關系，他們之間是相互促進共同發展的。我們平時常說科學技術，實際上科學和技術是兩個不同的概念。科學解決理論問題，而技術解決實際問題。科學是發現自然界當中確實存在的事實，并且建立理論，把這些理論和現象聯系起來。科學主要是探索未知，而技術是把科學取得的成果和理論應用于實際當中，從而解決實際問題。所以技術是在理論相對比較成熟的領域里邊工作。科學與工程技術相互促進的模式主要有以下兩種。
2.1 技術——物理——技術
例如：蒸汽機的發明和蒸汽機在工業當中的應用形成了第一次工業革命——熱力學統計物理——蒸汽機效率的提高，內燃機，燃氣輪機的發明。這一次主要是這樣：由于蒸汽機的發明，在當初工業應用上，出現了很多應用技術的問題。例如蒸汽機發明的初期熱效率很低，大概不到5%。這樣，就對物理提出了很尖銳的問題。那就是熱機的效率最高能達到多少？熱機的效率有沒有上限？上限是多少？再一個就是通過什么樣的方式來提高熱機的效率？由于這些問題就促進了物理學的發展，正是在這些問題解決的過程當中，逐漸形成和建立了熱力學統計物理。而熱力學統計物理很好地回答了提高熱機效率的途徑，以及提高熱機效率的限度等等這些理論上的問題。
2.2 物理——技術——物理
例如：
①電磁學——發電機，電力電器，無線電通信技術——電磁學；電磁學從庫侖定律的發現，以及法拉第發現電磁感應定律，直到1865年麥克斯韋建立電磁學基本理論，這些都是科學家在實驗室里邊逐漸形成的，這都是理論建立的過程，而這些理論應用于實際就發明了電動機、發電機等其它電器以及無線電通信技術，而這些實用技術的進一步發展又給電磁學提出來了許多需要解決的實際問題。正是這些問題的逐步解決，使得電磁學更加的完善和在理論上進一步得到了提高。
②量子力學，半導體物理——晶體管超級大規模集成電路技術，電子計算機技術，激光技術——量子力學，激光物理；量子力學是20世紀初期為了解決物理上的一些疑難問題而建立起來的一種理論，這種理論應用于解決晶體的問題就形成了半導體技術，而半導體技術的進一步發展就發明了大規模集成電路和超大規模集成電路，而超大規模集成電路的發明是產生電子計算機的主要物質基礎，而正是由于電子計算機技術的發展又向量子力學提出了一些其他更加深刻需要解決的問題，而這些問題的解決就促進了量子力學的進一步發展和完善。
③狹義相對論，質能關系E=mc2， E=mc2——原子彈及核能的利用——核物理，粒子物理，高能物理；狹義相對論是20世紀初期愛因斯坦建立的一種理論，他是為了解決電磁學等其他物理學科上的一些經典物理當中理論上的一些不協調和不自恰這樣一種矛盾而提出的一種理論，這種理論當中有一個很重要的理論結果，那就是質能關系E=mc2，E=mc2。而這種質能關系被我們稱為打開核能寶庫的鑰匙，這一理論結果的應用直接導致了或者指導了核能的應用，而對于核能的進一步應用又提出了許多新的問題，而這些新問題的進一步解決使得理論更加完善而得到進一步提高，從而形成像核物理，粒子物理，以及高能物理等等，那么實際技術上問題的解決又進一步促進了物理學的發展。
3 結語
應該說物理和技術有著密切的聯系，物理原理及理論的初創式開發和應用都形成了當時的高新技術，物理學仍然是當代高新技術的主要源泉。所有新技術的產生都在物理學中經歷了長期醞釀。例如：1909年盧瑟福的粒子散射實驗——40年后的核能利用；1917年愛因斯坦的受激發射理論——1960年第一臺激光器的誕生等，整個信息技術的產生、發展，其硬件部分都是以物理學為基礎的。
參考文獻：
[1]張啟仁.經典場論 [M] .北京 ：科學出版社 ，2003.
[2]井孝功.量子力學 [M] .哈爾濱 ：哈爾濱工業大學出版社，2004.
[3]關洪.空間：從相對論到 M理論的歷史[M].北京 ：清華大學出版社 ，2004.
第5篇：量子力學存在的問題范文
【關鍵詞】量子模型 最優組合選擇 金融投資
一、引言
金融市場是一個龐大而復雜的系統，對金融市場的研究的歷史已經很長，過去的金融學家認為金融市場是一個隨機市場過程，在這種隨機環境下，如何進行最優的資源配置，以實現最有效的目標，獲得高效、方便實用的投資組合，不管對于個人投資者還是大型的金融投資機構都是必不可少的。隨著經濟全球一體化步伐的加快，可以投資的資產種類日益繁多，交易方式也日趨多樣化，這些都會對最后預期的總財富產生一定的影響。因此，當金融市場的這種不確定環境變得越來越復雜的時候，人們對投資組合選擇的深入研究，才具有更加重要的理論意義和現實意義。
19世紀初，Bachelier就開始研究金融市場的理論體系。但是金融市場系統的理論研究是從20世紀50年代初期開始的，1952年Markowitz發表了資產組合選擇理論，1964年Sharpe建立了資產定價模型，之后1973年Black和Scholes與Merton期權定價理論以及1976年Ross的套利定價理論等，他們所應有的工具基本上是經典理論中的一些方法，之后現資組合的研究大部分都是圍繞Markowitz投資組合理論而展開的。隨后量子理論從不同角度被引進到金融問題的研究中來。1998年Ilinksi采用量子場理論來描述了金融市場的動態變化，他運用場理論推導了資產價格和資金流動的速度隨時間演化的方程。之后，Schaden做了進一步的研究，他他運用市場投資者持有的總資產數和總現金作為基矢來構造金融市場的狀態空間，金融市場的不確定性由態矢迭加原理來刻畫。然后，陳澤乾教授從量子力學的角度用Maxwell-Boltzm統計重新推導了著名Cox-Ross-Rubinstei期權定價公式，還用量子力學中的Bose-Einstein統計得到了一個全新的期權定價公式。這些都表明在理論上存在著關于金融市場的和諧的“量子理論”――量子金融。
二、單期資本市場中量子模型下的最優組合問題
在數學上，量子是用復Hilbert空間來描述的，假設單期金融市場遵循某種量子統計規律，可由量子概率空間（Cn，ρ，B+S）來描述，其中ρ代表一個定態，B代表無風險資產，S代表風險資產。假設該金融市場有d+1種長期證券，其中第0種證券為無風險證券，另外d種證券為風險證券，一般情況下，我們把這個金融市場經濟記為（B，S）市場，其中S=（S1，S2，…，Sd）。
假定單期資本市場（B，S）是由一種無風險的證券價格B=（B0，B1）和d種風險證券價格S=（S0，S1）構成的，其中B0>0，S0>0，并且B1=B0R，S1=S0A，R>0，A是一個自伴算符列，且Aj滿足Ak=■λjkEjk，k=1，2，…，d，Ejk是Ak取值λjk的投影算子。
下面我們就來運用馬科維茨資產組合理論來研究量子金融市場的最優組合選擇問題。
假設投資者投資于風險證券的比例為ωj（j=1，2，…，d），根據馬科維茨模型中的假設條件，我們可以寫出約束條件：ω0=1-ωT1，其中1=（1，1，…，1）T。若給定收益b，其期望收益為：ωT（μ-R1）=b-R
風險資產組合的方差為：σ2（ωTA）=ωT∑ω
金融市場中的投資者所要求的最優投資資產組合必須要滿足下面條件之一：
（1）在預期收益水平確定的條件下即ωT（μ-R1）=b-R，求使得風險最小的ω。
（2）在風險水平確定的情況下σ2（ωTA）=ωT∑ω=σ，求使得收益最大的ω。
這兩個線性規劃問題是等價的，都能得到最優的投資組合選擇。下面對條件（1）用數學語言表示出來：min■ωT∑ω
s.t. ωT（μ-R1）=b-R
對ω求偏導數得：ωb=■ （1）
此時，資產組合的方差為：σ2（ωTA）=■
（1）式可以表示為在（b，σ）平面上的兩條直線，但是向下傾斜的直線是沒有研究價值的，因為金融市場中理性的投資者根本不可能選擇在同等風險下收益較小的證券投資組合。因此（1）式可以變形為下述直線：b=R+σ■ （2）
（2）式表明，如果量子金融市場存在無風險的資產，且在證券組合投資收益為b的條件下，風險最小的投資組合的風險為σ，則（b，σ）滿足（2）式，即（b，σ）在一條直線上。換句話說，在這種條件下，滿足最小方差的證券組合是存在的，與之相對應的證券組合就是最小方差證券組合。
綜上所述，如果在量子金融市場中存在無風險資產時，那么在給定證券組合收益的情況下，我們所求得的最小方差證券組合，其標準方差與收益滿足同一直線方程。這一直線的經濟意義很明顯，單個資產或組合資產的期望收益率由風險測度指標標準差來決定;風險越大收益率越高，風險越小收益率越低。因此，我們不能輕易下結論說隨即模型完全可以反映金融市場的不確定性，在一個量子金融概率空間中，我們用自算符來描述金融資產的價格變化，也許更符合金融市場資產價格的演化規律，從而讓我們的金融投資組合選擇更加精確，更加合理有效。
參考文獻：
[1]Feynman R P等著，張邦固等譯.量子力學與路徑積分[M].科學出版社，1986.
[2]李樹德.量子金融（英文版）[M].世界圖書出版社，2000.
第6篇：量子力學存在的問題范文
一、凝聚態物理的重要性
凝聚態物理主要從兩個方面體現其重要性：一方面體現為與相鄰學科（如粒子物理學）之間在概念、方法、技術等方面的滲透，促進材料科學、能源科學、環境科學等交叉學科的發展，并日益顯現出其強大的發展潛力。另一方面為研發和制備新型材料提供了強有力的理論數據和實驗支持，同時也為開發和拓展新領域提供了極具實用性的科學理論依據。
二、凝聚態物理的主要研究方向
隨著交叉學科的發展和技術需求的提高，凝聚物理的研究范圍更加廣闊，技術要求更加精密。凝聚態物理的主要研究方向有以下幾種。
1.軟物質物理學
軟物質概念于1991年提出，也稱為復雜液體。軟物質一般是由大分子或基團組成的，介于固體和液體之間的物相。一些常?的物質，如液晶、膠體、膜，生命體系物質諸如蛋白質、DNA、細胞等，都屬于軟物質。和由內能驅動的硬物質不同，軟物質的組織結構變化主要由熵驅動，變化過程中內能的變化很微小。
2.宏觀量子態
宏觀量子態是指用量子力學來描述宏觀體系的狀態，如超導中的電子庫珀對。宏觀量子態具有典型的量子力學性質，當前宏觀量子態領域研究的重點為耗散現象和退相干現象。
3.介觀物理與納米結構
介觀是指介于宏觀和微觀之間的體系。介觀物理學所研究的物質大小與納米科技的研究尺度有很大重合，所以這一研究方向也常稱之為“介觀物質和納米科技”。
4.固體電子論中的關聯區
凝聚態物理的前身――固體物理學研究的核心問題，就是固體中的電子行為。固體中的電子行為可根據電子間相互作用的大小分為三個區域，分別是強關聯區、中等關聯區和弱關聯區。現今研究固體電子論的大部分學者研究方向都是強關聯系統。
三、凝聚態物理的主要研究現象及其理論依據
目前凝聚態物理的主要研究現象有超導、光譜、弱相互作用、磁性研究（微磁學、鐵磁學、相圖、磁阻、巨磁阻抗效應等）、多向異性、子晶格、態密度、能隙、強關聯、激發態、量子通信、冷原子、霍爾效應等。
凝聚態物理所用的理論依據主要源于相變與臨界現象的理論，成熟完備的量子力學則是其堅定可靠的理論基石，在這兩種理論之下，凝聚態物理根植于相互作用的多粒子理論。凝聚態物理的前身――固體物理學中的一個重要理論依據是能帶理論。目前來說一些常用的理論方法有很多，比如蒙特?卡洛方法、波爾茨曼模型、分子動力學模擬、伊辛模型、有效場、平均場，等等。
四、目前凝聚態物理研究取得的一些成就
第7篇：量子力學存在的問題范文
【關鍵詞】記憶 認知 量子認知
人類認知領域和量子力學的相似性源于：調查對象與調查過程的不可分離性。我們無法在原子行為和與之有交互作用的測量儀器之間給出清晰的分界，儀器定義了原子行為出現的條件。在心理學中，通過調查個體的情緒認知狀態來反映個體狀態；社會科學中，通過觀察個體在選擇中的偏好來反映他的偏好。量子力學，特別是它的數學形式體系，旨在應對認識論的挑戰：我們怎樣才能了解一個隨我們對它的了解而改變的系統。本文在承認神經元層次物理作用的同時，將傳統物理力學無法解釋的部分帶進了量子理論范疇。
一、認知整體是不斷建構的
大腦記憶的形成基礎是對外界信息的接收，即對原始意識信息的感知。這些意識信息是記憶形成的必要條件。對于意識信息如何在大腦中被存儲，已成為研究記憶形成的關鍵。在量子認知的模型中，記憶存儲被看成是一種量子存儲。對可存儲的意識信息而言，量子計算存儲更符合意識信息片段式接收模式，以及大腦對信息的存儲龐雜性和低耗能的要求；量子糾纏可以解釋意識信息的容錯性和不確定性；眾多生物科學研究的結果為大腦中量子活動產生的可能性提供了支持。
微觀粒子行為所表現出來的概率性、不確定性與人類認知、決策有相似之處，它的運動極易被情景影響。認知信息并不處于一個固定的狀態，它受到不同時間、不同地點等外界環境因素的影響，在認知的進化過程中不斷進行修正與豐富，同時，個體的內省式觀察也是影響認知信息變化的重要因素。當下情境的記憶受到相關記憶點的糾纏影響，各時間點的記憶共同構成了當下提取出的記憶信息，因此在這個意義上各時間點的記憶是一個完整的整體。而認知整體在相關情境以及提取過程中不斷重新建構，對過去信息的回憶作為整體認知信息的部分具有整體的特征。
二、第一進程影響下的認知
認知系統在量子認知中被認為是多種概率性可能的組合，認知變量在被測量前不需要賦值，而賦值也僅僅是一種可能性，當且僅當觀察者測量的時候系統才會從組合態坍縮為單一態。這就像薛定諤的貓，雖然測量之前是無序的混亂狀態，但這些不確定在一定的概率下卻是最終結果的必要條件，有序和規律來自無序。測量的主體無法是系統本身，否則系統確定則與量子的不確定性相違背。因此測量來自系統之外，超越系統，是絕對自由的，稱為第一進程（process 1）。馮紐曼將第一進程視為個體意識中為達成某種特定回饋的意向，代表人類的心靈，量子物理被認為是用以解釋連接心靈與物理世界的通道。心靈是絕對自由的，但人卻不能成為神，這是受到量子芝諾效應[ 量子力學認為測量會改變被測量的系統。古希臘哲學家芝諾曾提出一個飛矢不動的悖論，根據這個悖論，在量子測量中當觀測頻繁到一定程度時量子體系會表現出芝諾效應，一個系統被連續不斷的測量，那么它將是不變的、不衰減的。圖靈認為，“假如一個系統處于某種特征狀態之下，現在每秒對這個系統進行N次測量，那么即便這個狀態是不穩定的，當N趨向無窮大的時候，系統狀態發生變化的概率是零，也就是測量可以消除運動”。]的限制。物理學家E.C.G.Sudarshan 和R.Misra將量子測量中類似矢不動悖論的現象被稱為“量子芝諾效應”。根據量子芝諾效應，測量的次數達到無窮多時，測量結果的概率性將消除。
僅規定“是”“否”兩個答案，其中“是”是期待回饋，個體僅提出問題，答案根據指定統計規律自然選擇。回答者不設定答案，而是根據提問逐漸形成答案。在測量過程中已經確定的意識狀態不會因自由意志再發生變化，前后問題的回答必須保持邏輯一致性。假設某一提問得到“是”，接著在原始狀態“是”演變的連續性時間尺度上進行相似的快速提問，根據量子動態規則，這些提問的答案很大可能上為“是”。在缺乏這種一系列快速的意向性提問時，原始狀態將迅速轉化為不同狀態。在這個例子中，量子隨機性的加入使意識的意向有效性被消除，無序形成了有序，即提問的不確定最終將答案確定下來。在這些答案的統計變化中量子規律形成強力趨勢消除了問題選擇帶來的有效影響。在此，個體控制著問題的提出，對答案進行測量的問題即第一進程，那么我們可以假設心理因素對物理世界具有潛在的影響力。
馮紐曼認為一個人的經驗生活是一連串的意識經驗，個體所經歷過的經驗事實會轉變為意識信息存儲于大腦。個體經歷過的經驗自我是意識經驗的一部分，經驗自我為意識的關注焦點提供了背景支持。他區分了第一進程干預和機械化的第二進程，第二進程在沒有第一進程干預時影響物理系統的演化。第二進程提出了對經典理論的量子化過程，它在沒有任何觀察系統的干預下對物理系統的演化進行具體說明。依據確定的第二進程機械化演化的人體的大腦必然會在持續演化中產生存在大量重疊和沖突的模糊行為模板，而非一個單一的清晰界定的行為模板。第一進程從這些混亂的可能性中提取出一對非此即彼的可能性，分別被稱為“是”和“否”。如果答案為“是”并且包含一個可形成對問題快速重新界定的積極評價因素，那么量子芝諾效應可以將這個積極評價轉變為積極行動。對量子芝諾效應性質的應用會促進物種生存。由這個量子模型所引起的意識作用力的物理功效可以合理地解釋我們的大腦怎樣及為何會以可以利用量子芝諾效應的方式進化。
第二進程下大腦產生未經個體意向性參與引導的混亂信息，個體無法決定這些信息的產生，下一個意識產生之前無法對頭腦中的信息做出預測。心靈在審視自我意識時，正如對這些信息進行測量，不同審視角度決定不同意識的產生，不斷進行相同角度的審視則可能得出同樣的意識。個體可以決定產生怎樣的意識，大腦中存在不為主體所知的絕對自由意識。在主體觀測之前并不能自我表征，意念投射的方向決定了意識產生的種類，大腦會集中處理所需信息，排除干擾信息，意向是意識的能量來源。在被主體意向投射之前各類信息混沌自處，提取后的模糊信息只有在不斷進行有意向性的測量后才能最終確定下來。人類生活環境的復雜性使個體無法預知自身未來的具體意識，被經驗環境所決定的個體又可以控制自身意識，這樣個體將察覺到的意識當作世界本身。
三、結語
人類認知的量子模型為人類認知和人類行為打開了全新的視角。首先，它引起對認知的整體模型的研究：認知不可以被完全分解為它的最簡組成部分，而是以整合系統運作。再者，這意味著人類認知是不斷進化的，受到同外部世界的交互作用以及其內部作用（如內省）的持續影響。這樣就為我們研究認知提供了一個內在語境的、可塑性的模型，它不具有確定的特征，而是在與環境的交互作用中逐漸形成。量子力學成功解釋了微觀系統中的一些問題，用量子力學的概念和形式為認知研究的發展提供了新的可能和啟發是人類認知過程中的巨大進步。
【參考文獻】
[1]Daniel L. Scharcter.The Seven Sins of Memory：how the mind forgets and remembers[M].Mariner Books，2002：272.
第8篇：量子力學存在的問題范文
[關鍵詞]計算材料學；綜合教學；課程起源
[中圖分類號] G40-011 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2016）08-0155-02
一、前言
計算材料學是一門正快速發展的材料科學與計算機科學交叉的新興學科，它能夠利用相應計算方法對材料的組成、結構、性能進行設計與模擬；廣泛涉及材料、物理、計算機、數學、化學等多門學科。[1]可以說，計算材料學是材料學理論和實驗的橋梁連接。[2]學習計算材料學能讓學生進行模擬實驗，使學生養成在制備材料前從理論上設計新材料并預測其性質的良好思路。
作為材料類專業的重要課程，我們在教學過程中存在著不少的問題：1.具有計算材料學研究背景的師資力量欠缺；2.授課方法單一、枯燥，課堂效果不好；3.實踐條件的欠缺很難保證教學效果。為了提高計算材料學課程的教學質量，使學生更好地掌握材料設計和性能預測的基本能力，我們結合存在的問題和教學改革的實踐，對計算材料學的課程教學提出一些改革方法。
二、了解起源，培養興趣
計算材料學是一門十分抽象、理論性極強的課程，書中理論眾多并伴隨著數不清的陌生的符號、公式和注釋，這往往讓學生在學習過程中望而卻步。傳統的計算材料學教學通常是讓學生在課后反復操練習題，以至可以靈活應用這些公式定律來解題。結果不言而喻，學生往往知其然，而不知其所以然，很難提起學習的興趣。因此，授之以魚，還得授之以漁，在教學過程中追本溯源，將理論的來龍去脈講述清楚，教給學生創造的思維和方法顯得更為重要。
計算材料學不僅蘊含著復雜的變量、方程和實驗方法等知識，而且還充滿了疑問，這些疑問把學生帶入充滿曲折的探索之旅。所以，在計算材料教學中將課程重點和難點融為一體，可以在不知不覺中起到“潤物細無聲”的獨特效果。
計算材料學課程教改的目標是轉變教學理念，讓學生懂得計算模擬的起源、材料計算設計的基本方法和基本內容以及與之相關的計算材料的前沿知識，引入與之相關的計算模擬案例介紹，從而使其具有一定的理論素養，培養其科學的態度、方法和精神。
三、引入拋錨式教學模式，提高課堂質量
拋錨式教學也稱實例式教學，是由美國溫特貝爾特大學匹波迪教育學院開發的一種教學模式。其要求學生在某種類型個案的實際環境中去感受和體驗問題，而不是聽經驗的間接介紹和講解。真實的感受案例或情境，可以激發學生興趣，引導學生觀察和思考，形成一種探索與研究的習慣。
根據課程的特點，適當選擇講述一些有關課程的起源與發展的案例，使其自然地融入課堂。再結合教材內容“見縫插針”，讓學生理解重要定理、公式是怎么來的，為什么要這么命名，相關定理、公式背后都有哪些有趣、有意義的故事，使學生產生一種情景記憶，而不是死記硬背，從而引導學生對知識點進行深入的學習和挖掘。
以本課程中的量子力學基礎為例，詳細介紹量子力學的發展歷程可以讓學生更好地理解量子力學的基本意義和它對于學好計算材料學的重要作用。如利用信息技術創設一個量子力學發展歷程的故事或一段經歷，用一根主線將求解量子力學波函數問題融入情境故事或經歷中，使學生趟著主線求解復雜的問題。見表1：[3] [4]
圍繞相關原理、公式如不確定性原理、薛定諤方程等，開發可共享的經驗，展開教學活動，使學生掌握態矢量、波粒二象性和量子測量等概念知識，老師在學生獲得概念知識的初始階段需要提供較多的指導。創造機會使學生擁有更多的自進行獨立探究或小組探究，圍繞求解薛定諤方程所做的近似求解思想和方法，查找或探究相關的隱藏或缺失的信息。
運用知識作為問題求解的工具。學生運用相關定理、公式中隱含的信息或線索，積極制訂解決問題的計劃。為此，學生需要先探究一些問題，以確定輔助解決整個問題的補充信息。教師們應該根據實際情況，將計算材料軟件如CASTEP、VASP和Abinit等引入教學中，使學生有接觸解決實際問題的工具的機會。同時，教師們更需要了解學生的理解能力、決策能力和推理能力，從而更好地為學生的問題求解提供“腳手架”。
制訂一套整合相關原理、公式的教學方案。引導學生們閱讀更多學科知識的內容，共同探究相關的故事，使學生們沉浸在相關的模擬情境中，從而加深對概念知識的理解并整合不同學生的概念知識，在潛移默化中培養學生的知識遷移能力。
共同分享所學內容。學生們將他們對相關原理、公式問題和拓展性問題探究結果呈現出來，從不同角度探討解決綜合問題的策略，深層次地理解學習內容，從而為學習共同體作出貢獻。[4]
四、以史為鑒，培養科學精神
科學精神包括探索精神、求真精神、民主精神、實踐精神和懷疑批判精神等等。中國的應試教育使得廣大學生太相信書本和教師，摧殘了學生批判性思維能力，因此在教學中可結合一些計算材料學的歷史，加強學生批判思維能力的培養。
例如，在計算材料學課堂中引入愛因斯坦對薛定諤、德布羅意等的觀點提出質疑的案例。[5]
愛因斯坦在1924年對泡利反對連續區理論的觀點上發表示了“完全的因果性”的看法，針對玻爾關于輻射的波動在本質上是幾率波的假設而評論：“玻爾關于輻射的意見是很有趣的。但是，我決不愿意被迫放棄嚴格的因果性，將對它進行更強有力的保衛。我覺得完全不能容忍這樣的想法，即認為電子受到輻射的照射，不僅它的跳躍時刻，而且它的方向都由它自己的自由意志去選擇。”
愛因斯坦對“量子力學僅可建立在可觀察量的基礎上”這一觀點也提出異議。1926年春天，他在海森堡的一次談話中，提出了“是理論決定我們能夠觀察到的東西”的觀點。
通過學習計算材科料學史，可以引導學生去發現和認識公式、方程的產生。如引導學生思考：從薛定諤方程產生到解決過程中真正創造了些什么？哪些思想、方法代表著薛定諤方程相對于以往的實質進步？科學工作者在求解薛定諤方程遇到瓶頸時，成功創造了近似求解的方法，這種方法可以從微擾理論到變分理論再到密度泛函理論，這不僅體現了量子力學理論的一大進步，更體現科學工作者對尋求真理的孜孜不倦的精神。[6]通過對計算材料科學史的學習，可以鍛煉學生的創造性思維，同時學習薛定諤為追求真理，而百折不撓、義無反顧、獻身科學的精神，感受薛定諤治學嚴謹、剛正真誠、淡泊名利的風范和人格魅力。
五、結論
計算材料學作為一門新興科學，是材料類專業人才培養中的重要基礎課程。然而在教學過程中由于師資力量薄弱、教學方法單一、研究對象復雜、實踐條件有限等問題，使學生的學習興趣低下、教學效果不明顯。我們在教學過程中應運用科學發展過程中蘊藏的豐富的教育資源，通過講授學科起源、發展以及應用的案例，使學生了解知識的形成過程，同時引入拋錨式教學模式將一個個真實生動的科學形象，融入日常課堂教學之中，從而提高課堂教學質量。同時，應有意識地加強計算材料學發展史的講授，使知識、原理和規律變得生動而鮮活，更使學生的科學思想、科研方法、科學精神、科學態度和科學素養等得到熏陶和培養。
[ 注 釋 ]
[1] 張躍，谷景華，尚家香.計算材料學基礎[M].北京：航空航天大學出版社，2007.
[2] （德）D?羅伯，項金鐘，吳興惠.計算材料學[M].北京：化學工業出版社，2002.
[3] 許良英.愛因斯坦文集[M].北京：商務印書館，1977（1）.
[4] （美）J?梅拉H?雷琴堡.量子理論的歷史發展[M].北京：科學出版社，1990.
第9篇：量子力學存在的問題范文
關鍵詞:經典相對論;宇宙學;量子引力;概念解釋;形而上學
正如巴特菲爾德和厄爾曼編撰的《物理學哲學》一書所言，近半個世紀以來，物理學哲學充滿活力有兩個重要的原因，第一是與所分析的科學哲學的形成期相關，第二則是近半個世紀以來物理學自身的研究有關。也正因此，在物理學哲學發展的進程中，其研究的論題和研究方法也隨著科學哲學和物理學自身的論題和方法進行著改變。在很長一個歷史時期內，物理學哲學曾經關注經驗物理學領域，物理學哲學的探討與對客觀性、真理性以及科學合理性的辯護分不開。而在當前宇宙學、量子引力發展的前沿時刻，《物理學哲學》一書體現了當代物理學哲學研究的新特點。本書與以往物理學哲學書籍最大的不同之處就在于，在以往物理學哲學著作往往重點討論統計物理學、相對論和量子力學的哲學問題的基礎上，增加了新的領域:“這些支柱的結合”———量子引力，并運用決定論和對稱性這兩個“能架起聯結物理學理論間(甚至三大支柱間)鴻溝的橋梁”的主題，把最終的討論由具體引向一般，從而讓我們看到兩個結論:第一，物理學哲學和物理學之間并不存在清晰的界限。第二，物理學概念的復雜化，想要借由物理學去豐富哲學，并非容易。本文主要就書中的“經典相對論”、“宇宙學中的哲學問題”和“量子引力”等內容進行分析，指出它們所揭示的物理學概念解釋的新特征以及物理學理論理解的新特征。
一相對論、宇宙學和量子引力哲學概要
巴特菲爾德在引言中指出，數學的相對論者在不斷深化我們對廣義相對論基礎的理解。大衛•馬拉蒙特的“經典相對論”［1］一文就明顯具有這樣的特點，并不討論經典相對論的歷史發展及其實驗依據，而是以微分幾何的語言，從概念和形式化的角度對相對論的結構以及相對論引發的一些基礎問題進行了分析和討論。首先從描述相對時空的結構開始，相對論的彎曲時空是一類幾何模型(M，gab)表示的相對時空，其中M為一個平滑的連續的四維流形，gab是M中的一個平滑的半黎曼度規。其中每個模型都代表一個與理論的約束條件相容的可能世界。M可以解釋為世界中點事件的流形，而gab的解釋則關乎四個物理學解釋性原理，由點粒子和光線的行為決定，由此把引力和時空幾何效應等同起來。當粒子只受到引力作用時，它的軌跡為彎曲時空的測地線。而任何質量粒子的加速度即偏離測地線的軌跡，由引力以外的力決定。馬拉蒙特詳細地描述了gab的解釋性原理和限定條件。在此基礎上分析了本征時間、某一點的空間時間分解及粒子動力學、物質場、愛因斯坦方程、類時曲線的匯與“公共空間”、基靈場與守恒量等內容。經典相對論中所有發生的事件都可以用物質場F表示，為時空流形M中的一個或者多個平滑張量或旋量，滿足包含gab的場方程。Tab為與F相關的能量－動量場，時空的彎曲受物質分布的影響，任意區域的時空度規和物質場會發生動力學相互作用，遵循愛因斯坦方程。在專題討論部分，關于閔可夫斯基時空中的相對同時性的地位，試圖還原愛因斯坦定義同時性對標準關系選擇的特定背景;關于牛頓引力理論的幾何化，將引力化的牛頓理論與愛因斯坦相對論進行了結構上的對比;關于時空的整體“因果結構”，關注了什么程度上時空的整體幾何結構能夠從其“因果結構”中得到。“宇宙哲學中的問題”［2］的作者是喬治•F．R．埃利斯。宇宙學哲學的部分在書中起著承上啟下的作用，因為一方面，宇宙學哲學的研究基于愛因斯坦廣義相對論引力理論時空曲率和宇宙的演化由物質決定的思想，用廣義相對論描述宇宙遠古時期之后的演化;另一方面，由于在黑洞以及宇宙大爆炸初期物質高密度狀態下無法忽略引力問題，因而無法避免引力理論。總的來說，整篇文章把當代宇宙學看作是觀測宇宙學、物理宇宙學、天文宇宙學與各種形式的量子宇宙學共生共長、互惠互補的綜合理論系統，想要給出一個“描繪真實宇宙起源和演化的理論”。主要內容分為兩大部分，第一部分為宇宙學概論，包括基本理論、熱大爆炸、宇宙觀測、因果和可視世界、理論的發展、暴脹、極早期宇宙、一致性模型等內容，并澄清了關于宇宙暴脹和超光速等問題的一些誤解。在埃利斯看來，“宇宙學正在由一種猜測性的事業向真正的科學轉變，這不僅帶來了與科學革命相近的多種哲學問題，也使得其他哲學問題更加緊迫，例如關于宇宙學中的說明和方法等問題。”因此文章第二部分進行的問題討論圍繞這些說明和方法問題展開，討論了宇宙的唯一性、宇宙在空間和時間上的巨大尺度、早期宇宙中的無約束能量、宇宙起源的解釋問題、作為背景存在的宇宙、宇宙學明確的哲學基礎、有關人類的問題:生命的精細調節、多元宇宙存在的可能性和存在的本質等九大問題。在此過程中，埃利斯提出了34個論點，關涉到這9個問題的方方面面，包括人擇原理和多重宇宙存在的可能性等。這些論述關乎幾何學、物理學和哲學，它們構成了宇宙學面面臨的哲學問題的環境及其與局域物理學之間的關系。埃利斯期望通過這一系列討論改變人們認為宇宙學只不過是確定一些物理參數的簡單看法。“量子引力”［3］一文的作者是卡羅爾•羅韋利，內容大致可分為四個方面。第一，量子引力的研究方法，包括早期的歷史和方向、目前的主要嘗試性理論等。量子引力的早期思想可以概括為“用一個理論來描述引力的量子特性”。期間出現的第一種方法是羅森菲爾德等人的“協變化”方法，通過引入一個虛構的“平坦空間”來考慮周圍度規的微小漲落，并且運用電磁場中的方法來對這些波進行量子化;第二種是伯格曼等人的“正則化”方法，研究和量子化整個廣義相對論的哈密頓函數，而不只是量子化其圍繞平坦空間的線性化函數;第三種是米斯納等人的路徑積分方法。目前主要的嘗試性理論主要介紹了基于協變化方法發展起來的弦理論和基于正則化方法發展起來的圈量子引力理論以及它們之間的爭論。第二，關于量子引力研究方法論問題。指出量子引力研究的理由包括經驗數據的缺乏和對引力是否應當量子化的思索。分析了當前量子引力研究中的各種態度以及科學知識的累積性和科學哲學的影響。第三，空間和時間的本質，包括廣義相對論的物理意義、背景無關性、時間的本質等。第四，與其他未決問題之間的關系，包括統一、量子引力學的解釋宇宙學常數、量子宇宙學等等。這些章節的詳細內容不是本文的重點，我們想要做的，是分析作者的研究方式所代表的當代物理學哲學研究的視野和方法的轉變。本書的研究方式明顯地具有兩個特征:第一個特征關乎物理學概念的解釋:物理學的概念解釋脫離不開數學形式化下的整體系統;第二個特征關乎新的物理學理論的理解:在理論的發展中處處顯示物理學和形而上學的交織統一。這兩個特征與這些物理學研究領域實驗檢驗的缺乏以及理論構造的特征密切相關。
二物理學概念解釋的新特征:數學形式化整體系統中的關聯解釋
巴特菲爾德相信當前基本物理學中的基礎問題會為物理學哲學提供從最為有趣且最為重要的問題，而我們關注的是本書處理這些基礎問題的方式。雖然從章節上來看，物理哲學的論題被劃分為若干個領域，但從內容上，完全可以看到作者的用心，站在當代數學物理學發展的高度用整體微分幾何等數學語言對物理學系統進行重新形式化和解釋，每一章節的緊密聯系使得物理學作為一個整體系統得以呈現。其中對每一個物理概念解釋的細節，正是物理學哲學追求的基礎問題的答案。可以說，概念解釋居于本書的核心地位，物理學哲學解釋問題的最重要的方式就是處理當代物理學中的概念和解釋問題。
(一)物理學概念的解釋:我們理解世界的基礎
物理學的發展時時刻刻影響著人們對世界的理解方式，其途徑就是物理學概念的解釋。經典物理學、相對論和量子力學曾極大地改變我們對世界的看法，它們在經驗上的有效性曾經強化過我們對科學理論客觀性和真理性的觀點，也曾讓很多物理學家追求理論的實用性而認為有些基礎性的問題毫無意義。但當前宇宙學和量子引力理論的提出，使人們重新注視廣義相對論和量子力學的不相容性的時候，從廣義相對論以來的一些基礎性問題和哲學問題得以重新復興。相對論為我們宇宙的時空結構確定了一類幾何模型，其中每個模型都代表了一個與理論的約束條件相融的可能世界或區域。而我們對時空的理解涉及整體時空結構和愛因斯坦方程的約束條件等等。宇宙學和量子引力的研究則讓我們明白，改變我們對空間和時間的理解的廣義相對論是在可以忽略引力的量子特性時對引力進行描述的場理論，那么真正的空間和時間的本質又是如何呢?我們對宇宙起源的理解繞不開量子引力方法的嘗試，但這種嘗試要受到很多約束，比如成熟量子引力理論的缺乏、量子力學基礎問題，比如測量問題、波函數的塌縮問題等。現在人們期望得到的成功量子引力的路徑基于目前理論的發展，比如惠勒－德維特方程和宇宙波函數思想、來自弦論思想的高維時空方法，或者圈量子引力的應用等。但這些問題是否能真正解決宇宙起源的問題卻并沒有確切的答案，比如維蘭金的創生虛無的真理論的理解要依賴于量子場論的精致框架和粒子物理學標準模型等很多結構，而這些基礎本身也是需要解釋的。可以說，我們理解世界的基礎就在于我們用于理解它的那些概念的意義。
(二)概念解釋的新特點:數學形式化下整體系統中的關聯解釋
巴特菲爾德在經典力學的辛約化中指出，經典力學的核心理論原理已經被歐拉、拉格朗日、哈密頓和雅可比等改寫，“我們已經認不出來了，因此對它們的哲學反思也發生了變化。”因此引入辛幾何、李代數等語言對理論進行形式化，旨在利用辛約化理論使連續對稱和守恒量之間產生聯系的特征，從理論結構上顯現經典力學與量子物理學的聯系，這是運用數學形式化系統展現物理學理論的對稱性本質。相對論、宇宙學和量子引力哲學部分，情況也是如此。整本書是站在當代數學發展的高度，運用拓撲學、群理論和微分幾何等重新形式化物理學的整個體系，并對其概念進行剖析的一個過程。而對基本問題的理解，則建立在概念剖析的基礎之上。在這些文章中，理論發展的歷史狀況和實驗成果，只是系統闡釋整個理論概念和解釋的背景而已。作者們的重點則放在用數學領域的發展和物理學理論形式化的訴求，促進對物理學理論結構的探索，進而把論題轉化為對其哲學問題的探討。理論的形式化體系、概念結構和物理學解釋是有機地結合在一起的。在牛頓引力的幾何化中，也是站在當代物理學和數學發展的高度，重新形式化作為相對論弱場近似的牛頓理論，得到與廣義相對論類似的數學結構，正是在這個意義上，才能夠好地發現兩個理論在何種條件和何種程度上是相符的，又在何種條件和何種程度上是區別的。在這個形式化的整體系統中，對于物理概念的解釋不再是孤立的解釋，而是站在理論的數學結構的高度，成為一個整體系統中的關聯解釋。這在很大程度上突出了物理學哲學中語義分析方法的重要性，因為沒有完全獨立的概念，物理學的概念定義之間互相依賴，只有在一個系統的語義結構中才能理解概念的意義。如普斯洛斯在這套愛思唯爾哲學手冊的《一般科學哲學》一書中所言:“理論解釋的唯一方式就是把它嵌入到同類概念的框架中，并嘗試著解開它們的相互關聯。”［4］
(三)舊概念重新解釋的意義:還原理論創立過
程中概念選擇的特定背景在物理學的發展中，每一次理論創新和進步都伴隨著新概念的提出或舊概念的重新解釋，站在理論發展的角度考慮，這樣的解釋會讓我們更好地理解物理學理論的提出、發展和變遷的合理性。比如蒙特在經典相對論一文中對閔可夫斯基時空環境下相對同時性關系的重新考慮。蒙特指出，當相對于一個四維速度矢量將一點上的矢量分解為“時間”和“空間”分量進行討論時，我們理所當然地相信包含正交性的相對同時性的標準認同。在解釋這種認同的理由時，根據方便在閔可夫斯基時空結構即狹義相對論體系下進行分析。他援引霍華德•斯坦的論述，指出采用相對同時性的標準(ε=1/2)的慣例是需要特定背景的。在他們看來，愛因斯坦是為了解決我們無法檢測到地球相對于以太的運動而采取的解決方案，以一種特定的方式(ε=1/2)來思考同時性，但如果并非從愛因斯坦最初的思路來考慮，而是從一個成功理論的高度來理解它，把相對論視為是針對時空結構不變性的論述時，其意義就完全不同了。這在很大程度上還原了愛因斯坦對同時性做出的“定義”中挑選出來的這種標準關系的實質，它可能并非一種自然的存在，而是理論選擇的特定需要，還原這個過程，對我們更好地理解理論和概念的本質有著重要的意義。
(四)新理論的概念澄清:科學進步的必然現象
物理學史上每一個新理論的誕生都會引起舊的概念的澄清，量子引力就是個很典型的例子。量子引力是對空間和時間本質的探索，它引導我們重新思考關于時間、空間、“在某處”、運動和因果觀測者的地位等很多問題。作為試圖把廣義相對論和量子理論結合的理論，我們需要以歷史的眼光重新追問。我們都知道，廣義相對論改變了我們對牛頓獨立于物質運動的絕對空間和時間的理解。量子力學則用我們關于運動的一般性理論替代了經典力學，并改變了物質、場和因果性的觀念。但量子力學的外在時間變量和量子場論靜止的背景時空都是和廣義相對論不相容的。而廣義相對論中引力場被假設為一個經典決定論的動力學場，無法處理小尺度引力的量子特性。因此，想要把二者進行結合的量子引力就遇到了困難。正因為如此，羅韋利直言盡管基礎物理學在經驗上有效，但它正處于一種深刻的概念混亂的狀態。雖然20世紀后半葉，物理學注重實用而忽略了這些基本問題，但量子引力告訴我們這些基本問題必須得到新的答案。但問題的澄清并沒有一條唯一明確的路可以走，超弦理論和圈量子引力在假設、成就、具體結果以及概念框架上都有著顯著的不同，但它們都有自己的代價，弦理論的思想基礎是為了消除廣義相對論的微擾量子化的困難，保留了量子場論的基本概念結構，其代價之一是放棄廣義相對論的廣義協變性。圈量子引力植根于描述廣義相對論的協變性，但它的代價是忽略了理論的不完備性，放棄了幺正性、時間演化、基本層次上的龐加萊不變性以及物理學對象是在空間中局域化的且在時空中演化的概念。可以看出的是，新理論澄清概念的過程是科學理論進步的必然現象，而這一過程是通過分析在描述世界結構時所產生的概念上的困難來對以往科學的研究框架予以質疑或辯護，這涉及的是對世界本質更深刻的哲學和形而上的思考。
三物理學理解的新特征:物理學和形而上學的交織統一
