量子力學對科技的影響精選(九篇)

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第1篇：量子力學對科技的影響范文

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給了法國人塞爾日·阿羅什和美國人大衛·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。”還有比小杜更早的，唐朝詩人崔備的《清溪路中寄諸公》：“別來無信息，可謂井瓶沉。”

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，心理上把信息的價格定成了真正的天價：“不乞隋珠與和璧，只乞鄉關新信息。”——千年前的唐宋中國，其高科技雖是世界第一，但信息技術還是跟現在沒法比的，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1948年就劃時代地把信息引為數學研究的對象，賦予其新的科學的涵義；至1956年，“人工智能”術語也出現了。可最早討論數據、信息、知識與智慧之間關系的，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？

我們迷失于數據中的信息在哪里？

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據中？

量子計算機和量子信息技術，提供了一種讓生命和智慧不要淹沒在數據的海洋中的途徑、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。客觀世界有物質、能量兩種存在形式，物質和能量可以互相轉換（見愛因斯坦的質能方程），量子理論就是從研究極度微觀領域物質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象和規則。經典物理學理論中的能量是連續變化的，可取任意值，但科學家們發現微觀世界中的很多物理現象無法解釋。1900年12月14日，普朗克在解釋“黑體輻射”時提出：像原子是一切物質的構成單元一樣，“能量子（量子）”是能量的最小單元，原子吸收或發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“物質波”概念，即一切物質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學轉換，對量子力學理論進行了系統的總結，成功地將相對論和量子力學兩大理論體系結合起來，使量子理論進入量子場論階段。

“量子”詞源拉丁語quantum，意為“某數量的某事物”。現代物理學中，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分割的最小的基本單位，則這個物理量（所有的有形性質）是“可量子化的”，或者說其物理量的數值會是特定的數值而非任意值。例如，在（休息狀態）的原子中，電子的能量是可量子化的，這能決定原子的穩定和一般問題。

雖然量子理論與我們日常經驗感覺的世界大不一樣，但量子力學已經在真實世界應用。激光器工作的原理，實際上就是激發一個特定量子散發能量。現代社會要處理大量數據和信息，需要計算的機器（計算機）。量子力學的突破，使瓦格納等于1930年發現半導體同時有導體和絕緣體的性質，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十億個微處理器。

隨著計算機科技的發展，發現能耗導致發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。費曼發現模擬量子現象時，數據量大至無法用電子計算機計算，在1982年提出用量子系統實現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，數學家彼得·秀爾提出量子質因子分解算法，因其可破解現行銀行和網絡應用中的加密，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，其算法由機器內部半導體集成邏輯電路來實現，其輸入態和輸出態都是傳統信號（輸入態和輸出態都是某一力學量的本征態），存儲數據的每個單元（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（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，用量子算法運算數據，輸入態和輸出態為一般的疊加態，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；因為量子態有疊加性（重疊）和相干性（牽連、糾纏）兩個本質特性，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（00、01、10、11），實現量子并行計算（量子計算機對每一個疊加分量實現的變換相當于一種傳統計算，所有傳統計算同時完成，并按一定的概率振幅疊加，給出量子計算機的輸出結果），從而呈指數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據。用量子力學語言說，傳統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個原子構成）的存儲器，可能存儲2的250次方個二進制數，比人類已知宇宙中的全部原子數還多。而且，集成芯片制造業很快將步入16納米的工藝，而量子效應將嚴重影響芯片的設計和生產，又因傳統技術的物理局限性，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”：一只被關在黑箱里的貓，箱里有毒藥瓶，瓶上有錘子，錘子由電子開關控制，電子開關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，錘落砸瓶放毒，則貓死。薛定諤構想的這個實驗，被引為解釋量子世界的經典。而量子理論認為，單個原子的狀態其實不是非此即彼，或說箱里的原子既衰變又沒有衰變，表現為一種概率；對應到貓，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。

宏觀態的確定性，其實是億萬微觀粒子、無數種概率的宏觀統計結果。微觀粒子通常表現為兩種截然不同的狀態糾纏一起，一旦用宏觀方法觀察這種量子態，只要稍一揭開箱蓋，疊加態立即就塌縮了（擾破壞掉），薛定諤貓就突然由量子的又死又活疊加態變成宏觀的確定態。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便會消失。科學家們長期以來頭疼的是，未找到既不破壞量子態，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，原子構成物質。他們研究光與物質間的基本相互作用，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，從而得到光子的數據。維因蘭德向碗中發射激光，通過觀測光譜線而得到碗底粒子的數據。

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。光鐘更接近現實，因為可操控單個量子，就能按意愿調控量子的振蕩（相當于鐘擺）頻率，越高越精；目前實驗的光鐘，若從宇宙產生起開始計時，至今只誤差5秒。光鐘可使衛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

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”、“電子的32個量子態”等讓常人倍感高深的說法。其中一些如今正在證實或變現。

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局，今天也不會有的問題了。目前世界的密碼系統大都采用單項數學函數的方式，應用了因數分解等數學原理，例如目前網絡上常用的密碼算法。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有密碼體系。可說量子這種技術在現代軍事上的意義不亞于核彈。但同時，量子信息技術也將發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鍵。量子密碼采用量子態作為密鑰，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學計算，而是由微觀粒子所遵循的物理規律來保證，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（有共同來源的兩個粒子存在著糾纏關系，似有“心靈感應”，無論距離多遠，一個粒子的狀態發生變化，另一個粒子也發生變化，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，從而留下痕跡。

第2篇：量子力學對科技的影響范文

關鍵詞 量子物理；現代信息技術；關系；原理應用

中圖分類號：O41 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2013）15-0001-02

量子物理是人們認識微觀世界結構和運動規律的科學，它的建立帶來了一系列重大的技術應用，使社會生產和生活發生了巨大的變革。量子世界的奇妙特性在提高運算速度、確保信息安全、增大信息容量等方面發揮重要的作用，基于量子物理基本原理的量子信息技術已成為當前各國研究與發展的重要科學技術領域。

隨著世界電子信息技術的迅猛發展，以微電子技術為基礎的信息技術即將達到物理極限，同時信息安全、隱私問題等越來越突出。2013年5月美國“棱鏡門”事件的爆發，引發了對保護信息安全的高度重視，將成為推動量子物理科學與現代信息技術的交融和相互促進發展的契機。因此，充分認識量子物理學的基本原理在現代信息技術中發展的基礎地位與作用，是促進現代信息技術發展的前提，也是豐富和發展量子物理學的需要。

1 量子物理基本原理

1）海森堡測不準原理。在量子力學中，任何兩組不可同時測量的物理量是共扼的，滿足互補性。在進行測量時，對其中一組量的精確測量必然導致另一組量的完全不確定，只能精確測定兩者之一。

2）量子不可克隆定理。在量子力學中，不能實現對各未知量子態的精確復制，因為要復制單個量子就只能先作測量，而測量必然改變量子的狀態，無法獲得與初始量子態完全相同的復制態。

3）態疊加原理。若量子力學系統可能處于和描述的態中，那么態中的線性疊加態也是系統的一個可能態。如果一個量子事件能夠用兩個或更多可分離的方式來實現，那么系統的態就是每一可能方式的同時迭加。

4）量子糾纏原理。是指微觀世界里，有共同來源的兩個微觀粒子之間存在著糾纏關系，不管它們距離多遠，只要一個粒子狀態發生變化，另一個粒子狀態隨即發生相應變化。換言之，存在糾纏關系的粒子無論何時何地，都能“感應”對方狀態的變化。

2 量子物理與現代信息技術的關系

2.1 量子物理是現代信息技術的基礎與先導

物理學一直是整個科學技術領域中的帶頭學科并成為整個自然科學的基礎，成為推動整個科學技術發展的最主要的動力和源泉。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，它不僅解釋了微觀世界里的許多現象、經驗事實，而且還開拓了一系列新的技術領域，直接導致了原子能、半導體、超導、激光、計算機、光通訊等一系列高新技術產業的產生和發展。可以說，從電話的發明到互聯網絡的實時通信，從晶體管的發明到高速計算機技術的成熟，量子物理開辟了一種全新的信息技術，使人類進人信息化的新時代，因此，量子物理學是現代信息技術發展的主要源泉，而且隨著現代科學技術的飛速發展，量子物理學的先導和基礎作用將更加顯著和重要。

2.2 量子物理為現代信息技術的持續發展提供新的原理和方法

現代信息技術本質上是應用了量子力學基本原理的經典調控技術，隨著世界科學技術的迅猛發展，以經典物理學為基礎的信息技術即將達到物理極限。因此，現代信息技術的突破，實現可持續發展必須借助于新的原理和新的方法。量子力學作為原子層次的動力學理論，經過飛速發展，已向其他自然科學的各學科領域以及高新技術全面地延伸，量子信息技術就是量子物理學與信息科學相結合產生的新興學科，它為信息科學技術的持續發展提供了新的原理和方法，使信息技術獲得了活力與新特性，量子信息技術也成為當今世界各國研究發展的熱點領域。因此，未來的信息技術將是應用到諸如量子態、相位、強關聯等深層次量子特性的量子調控技術，充分利用量子物理的新性質開發新的信息功能，突破現代信息技術的物理極限。

2.3 現代信息技術對量子物理學發展的影響

量子信息技術應用量子力學原理和方法來研究信息科學，從而開發出現經典信息無法做到的新信息功能，反過來，現代信息技術的發展大大地豐富了量子物理學的研究內容，也將不斷地影響量子物理學的研究方法，有力地將量子理論推向更深層次的發展階段，使人類對自然界的認識更深刻、更本質。近年來，隨著量子信息技術領域研究的不斷深入，量子信息技術的發展也使量子物理學研究取得了不少成果，如量子關聯、基于熵的不確定關系、量子開放系統環境的控制等問題研究取得了巨大進展。

3 基于量子物理學原理的量子信息技術

基于量子物理原理和方法的量子信息技術成為21世紀信息技術發展的方向，也是引領未來科技發展的重要領域。當前量子物理學的基本原理已經在量子密碼術、量子通信、量子計算機等方面得到充分的理論論證和一定的實踐應用。

3.1 量子計算機——量子疊加原理

經典計算機建立在經典物理學基礎上，遵循普通物理學電學原理的邏輯計算方式，即用電位高低表示0和1以進行運算，因此，經典計算機只能靠以縮小芯片布線間距，加大其單位面積上的數據處理量來提高運算速度。而量子計算遵循量子力學規律進行高速數學和邏輯運算、存儲及處理量子信息。計算方式是建立在微觀量子物理學關于量子具有波粒兩重性和雙位雙旋特性的基礎上，量子算法的中心思想是利用量子態的疊加態與糾纏態。在量子效應的作用下，量子比特可以同時處于0和1兩種相反的狀態（量子疊加），這使量子計算機可以同時進行大量運算，因此，量子計算的并行處理，使量子計算機實現了最快的計算速度。未來，基于量子物理原理的量子計算機，不僅運算速度快，存儲量大、功耗低，而且體積會大大縮小。

3.2 量子通信——量子糾纏原理

量子通信是一種利用量子糾纏效應進行信息傳遞的新型通信方式。量子通信主要涉及：量子密碼通信、量子遠程傳態和量子密集編碼等。從信息學上理解，量子通信是利用量子力學的量子態隱形傳輸或者其他基本原理，以量子系統特有屬性及量子測量方法，完成兩地之間的信息傳遞；從物理學上講，量子通信是采用量子通道來傳送量子信息，利用量子效應實現的高性能通信方式，突破現代通信物理極限。量子力學中的糾纏性與非定域性可以保障量子通信中的絕對安全的量子通信，保證量子信息的隱形傳態，實現遠距離信息轉輸。所以，與現代通信技術相比，量子通信具有巨大的優越性，具有保密性強、大容量、遠距離傳輸等特點，量子通信創建了新的通信原理和方法。

3.3 量子密碼——不可克隆定理

經典密碼是以數學為基礎，通過經典信號實現，在密鑰傳送過程中有可能被竊聽且不被覺察，故經典密碼的密鑰不安全。量子密碼是一種以現代密碼學和量子力學為基礎，利用量子物理學方法實現密碼思想和操作的新型密碼體制，通過量子信號實現。量子密碼主要基于量子物理中的測不準原理、量子不可克隆定理等，通信雙方在進行保密通信之前，首先使用量子光源，依照量子密鑰分配協議在通信雙方之間建立對稱密鑰，再使用建立起來的密鑰對明文進行加密，通過公開的量子信道，完成安全密鑰分發。因此量子密碼技術能夠保證：

1）絕對的安全性。對輸運光子線路的竊聽會破壞原通訊線路之間的相互關系，通訊會被中斷，且合法的通信雙方可覺察潛在的竊聽者并采取相應的措施。

2）不可檢測性。無論破譯者有多么強大的計算能力，都會在對量子的測量過程中改變量子的狀態而使得破譯者只能得到一些毫無意義的數據。因此，量子不可克隆定理既是量子密碼安全性的依靠，也給量子信息的提取設置了不可逾越的界限，即無條件安全性和對竊聽者的可檢測性成為量子密碼的兩個基本特征。

4 結論

量子物理是現代信息技術誕生的基礎，是現代信息技術突破物理極限，實現持續發展的動力與源泉。基于量子物理學的原理、特性，如量子疊加原理、量子糾纏原理、海森堡測不準原理和不可克隆定理等，使得量子計算機具有巨大的并行計算能力，提供功能更強的新型運算模式；量子通信可以突破現代信息技術的物理極限，開拓出新的信息功能；量子密碼絕對的安全性和不可檢測性，實現了絕對的保密通信。隨著量子物理學理論在信息技術中的深入應用，量子信息技術將開拓出后莫爾時代的新一代的信息技術。

參考文獻

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第3篇：量子力學對科技的影響范文

【關鍵詞】 量子通信技術 發展現狀 趨勢 研究

近年來量子通信在各類學術會議或期刊中頻頻出現，作為一個古老而又新鮮的話題，電視等各種媒體中經常出現各種關于量子通信技術重大突破的報道。在國家技術規劃中，“量子調控研究”被列為重大基礎科學研究計劃之一，在20-30年后預計量子技術將會給人類社會帶來巨大影響。量子通信技術的重要性，要求我們必須予以其關注。首先，我們應該對量子通信技術的發展現狀有一定了解。

一、量子通信技術的發展現狀

在量子通信的概念上，不同的角度對其有不同的表述。總體來說，量子通信是一種新型的通信方式，是量子力學和通信科學的綜合產物，它通過對量子糾纏效應的利用來傳遞信息。量子通信的基本思想主要包括兩部分，一為量子密鑰分發，二為量子態隱形傳輸。通過量子密鑰分發可以對安全的通信密碼加以建立，在一次一次的加密方式下，點對點方式的安全經典通信便得以實現，且這種安全性已經被數學嚴格證明，是迄今為止經典通信仍然做不到的。百公里量級的量子密鑰分發，目前的量子密鑰分發技術能夠輕松完成的，在光開關等技術輔佐下量子密鑰分發技術還可以實現量子密鑰分發網絡。量子態隱形傳輸是一種物理載體，能促使量子態（量子信息） 的空間轉移的同時又不移動量子態的實現，類似于將從一個信封內將密封信件內容轉移到另一個信封內且信息載體自身并不會被移動，這種經典通信中無法想象的事是基于量子糾纏態的分發與量子聯合測量完成的。量子中繼器這種以量子態隱形傳輸技術和量子存儲技術為基礎的技術可以促使任意遠距離量子密鑰分發及網絡的實現。

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的存在。1989年第一次演示成功量子密鑰傳輸，1997年量子態隱形傳輸的原理性實驗驗證由奧地利蔡林格小組在室內首次完成，2004年，該小組又將量子態隱形傳輸距離成功提高到600米。2007年開始我國架設了長達16 公里的自由空間量子信道，于2009年成功實現世界上量子隱形傳態的最遠距離。

二、量子通信技術的發展趨勢

量子通信技術的研究方向除了包括量子隱形傳態還包括量子安全直接通信等，突破了現有信息技術，引起了學術界和社會的高度重視。與傳統通信技術相比，量子通信除具有超強抗干擾能力外且不需對傳統信道進行借助；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。量子通信發展僅僅經歷了20年左右，但其發展卻十分迅猛，目前已經被很多國家和軍方給予高度關注。

量子通信在國防和軍事上具有廣闊的應用前景，作為量子技術的最大特征，量子技術的安全性是傳統加密通信所無可企及的。量子通信技術的超強保密性，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，也許現有計算機可能需要好幾萬年的時間，在現實中是完全無法接受且幾乎沒有實用價值的。但量子計算機卻能在幾分鐘內將加密算法破解，如果未來這種技術被投入實用，傳統的數學密碼體制將處于危險之中，而量子通信技術則能能夠抵御這種破解和威脅。此外，在民間通信領域量子通信技術的應用前景也同樣廣闊。中國科技大學在2009年對界上首個5 節點的全通型量子通信網絡進行組建后，使得實時語音量子保密通信被首次實現，城市范圍的安全量子通信網絡在這種“城域量子通信網絡”基礎上成為了現實。

各國正是瞅準了量子通信技術的無限應用前景，紛紛加大對量子通信技術方面的投入力度。在未來的量子通信技術還應注意一些關鍵性的問題，如單光子源成本的降低、通信傳輸距離的加大以及檢測概率的增強等，都仍需要進一步的研究。

參考文獻

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第4篇：量子力學對科技的影響范文

21世紀，人類已全面進入信息時代，人們生活的方方面面都離不開信息的交換，從農耕時代的相互喊話，到古代的飛鴿傳書，接著產生了電報、傳真，然后是大哥大，BB機，現在，世界各地都通過互聯網聯系起來，即便想隔千里，也可用手機通話，發短信，用QQ、MSN與世界另一端的朋友聊天。

網絡的速度是非常快的，電子在線纜中的傳輸速度接近光速，無線電池也是一種電磁波，能以光速傳播，大洋之中也鋪設有光纖，使信息跨越數萬公里如轉瞬即逝，按照光速30萬公里每秒來計算，圍繞地球一圈只需0.13秒，因此，即使我們撥打越洋電話，時間上的延遲可以說是忽略不計的。

隨著人類的腳步邁入太空，一個難題已擺在人類面前，那就是宇宙空間的巨大，通訊時間上的延遲已經達到了不可忽略的程度。比如美國六十年代的阿波羅計劃，人類登上月球之后，靠電波與地球保持聯系，由于月球與地球距離38萬公里，所以電磁波一去一回便要消耗兩秒多的時間，指揮中心說的話要1秒多那邊才聽到，那邊說的話也要1秒多這邊才聽到，這給信息的實時交流造成了不小的麻煩。

如果說兩秒鐘的延遲還可以接受，那么更遠距離的通訊就會影響巨大，比如2003年美國發射到火星的勇氣號與機遇號探測器，由于火星到地球的距離一直在改變，最近大約為5500萬公里，最遠的有4億多公里，也就是說光從地球到火星最少要用3分多鐘，最多要20多分鐘，所以平均下來，從地球發向火星的指令需要十幾分鐘的時間，這就對探測器的控制造成了很大的影響，如果要對一個錯誤指令做出修改，就需要十幾分鐘才能傳到，可能這個錯誤指令已造成許多嚴重后果，事實上，機遇號和勇氣號也因此重啟系統多次；勇氣號更是在09年4月由于錯誤指令被困于沙坑中，待指揮中心發出修正指令已經晚了，直到現在，勇氣號仍沒有脫困，并且可能永久困在這個沙坑中了。

如果再將距離放大，擴展到太陽系外，各種信息在時間上的延遲已達到了驚人的程度，目前人類飛行最遠的航天器是1977年9月發射的旅行者號1號（Voyagor 1）它目前已達到太陽系邊緣，距太陽170億公里，大于111個天文單位，（Astronomical Unit,1天文單位是地球到太陽的平均高，約1.496億公里），它發射的信號要13小時才能到達地球，如果它發生什么意外，信息傳回地球已是13小時之后了，這時再處理，這些事件已無力回天。

所以，人類如果想要成功的進軍太空，走出太陽系，我們就必須要解決通訊的時間延遲這一問題，下面，我將介紹一下我自己的一點想法以及對前人已有設想做一個小結。

一、理論基礎

在介紹我的想法之前，有必要說一說量子力學這一理論，量子力學（Quantum Mechanics）是研究微觀粒子的運動規律的物理學分支學科，主要研究各科基本粒子的結構，性質。它在20世紀初由普朗克，玻爾，海森堡，薜定諤等物理學家共同創立以彌補經典物理在描述微觀世界的不足。直到現在量子力學已與相對論成為現代物理的兩大基礎理論。

隨著量子力學的發展越來越多關于微觀世界的奇怪性質被人們所了解，它作出了許多對微觀世界物理現象的預言，其中大部分都已被證明是確實存在的，這其中也有許多在常人看來難以致信的結論，有海森堡測不準（Uncertainty Principle）原理，思想實驗薜定諤的貓等，這些結論都反映了微觀世界的不確定性和隨機性。在這其中有一個最令人驚訝的結論，也是我的想法的理論基礎，那就是微觀粒子間的量子糾纏（Quantum entanglement），它是由兩個以上的多個粒子組成的復合系統，簡單的說，就是兩個粒子在特定情況下會產生某種特殊關聯性（correlation），最令人吃驚的是如果影響其中一個粒子，另一個粒子就會同時發生一些性質的改變，它們是等時的，沒有時間上的延遲，這個結論與相對論的基本設定一切物質能量的速度都不可能超過光速相違背，因此，愛因斯坦與當時多位物理學家聯合起來反對量子力學。可是事實勝于雄辯，隨著人類技術的發展，1997年，奧地利物理學家首次實現了量子糾纏態的實驗，這一研究不斷取得可喜成果，到了2009年，中國科大和清華大學在北京架設了廠16公里的信息通道，并成功地進行了量子通訊實驗。創造了目前量子通訊最遠距離的世界紀錄。

二、設想

雖然各種實驗的成果是可喜的，但是我們還有很多問題要解決，比如我們目前進行的實驗都是有線的傳播信息的兩地需要光纖連接，并且目前我們只成功實現了光子的量子糾纏。

科技總是在不斷進步，這些難題終究會被克服，我們應該思考的時如何應用這些成果，又一海森堡測不準原理，我們不可能同時測出一個粒子在某一時刻的位置和動量，因此我們要獲取從另一個粒子傳過來的信息，就有了困難，我的想法是，利用超對稱粒子來實現量子通訊，所謂超對稱（SuPer symmetry)就是一種基本粒子間的關系，目前基本粒子可分為兩類，一類叫波色子（Boson），它們的自旋為整數，如光子為1，一類叫費米子（Fermion）,它們的自旋為半整數，如電子的自旋為1/2，根據超對稱理論，每一種波色子都有一種與它對稱的費米子，并且它們之間能夠相互轉換，如果我們使一對超對稱粒子產生量子糾纏，并將它們固定在磁場中，那么改變一個粒子的自旋，另一個粒子的自旋也會一起改變，這樣就會方便觀察了。

要實現量子通訊就必須隨時測量一對粒子的狀態，這樣做投資就會很巨大，那么能不能有一種能夠直接讀出信息的方法呢?其實對于這一問題已經有了一些設想的解決方案。科幻小說往往走在技術的前面，引導著技術的發展，在中國當代最具有實力的科幻作家劉慈欣的作品《三體》中就給出了一種解決方案：

第5篇：量子力學對科技的影響范文

關鍵詞：計算工具；圖靈模型；量子計算；哥德爾不完備定理；神諭

一、引言與計算的產生

在人類社會的早期時代，加減乘除的概念就被人們所認識到。隨著人類文明的發展和技術的進步，對求方程的解，求函數的微分和積分等概念也納入了計算的范疇。伴隨人類生產活動的不斷增加，人們對計算的要求也越來越大，計算工具也再不斷的改進。

二、遠古的計算工具

人們開始產生計算之日，便不斷尋求能方便進行和加速計算的工具。因此，計算和計算工具是息息相關的。

早在公元前5世紀，中國人已開始用算籌作為計算工具，并在公元前3世紀得到普遍的采用，一直沿用了二千年。后來，人們發明了算盤，并在15世紀得到普遍采用，取代了算籌。它是在算籌基礎上發明的，比算籌更加方便實用，同時還把算法口訣化，從而加快了計算速度。因此源用至今，并流傳到海外，成為一種國際性的計算工具。

三、近代計算系統

近代的科學發展促進了計算工具的發展：在1614年，對數被發明以后，乘除運算可以化為加減運算，對數計算尺便是依據這一特點來設計。1620年，岡特最先利用對數計算尺來計算乘除。1850年，曼南在計算尺上裝上光標，因此而受到當時科學工作者，特別是工程技術人員所廣泛采用。

機械式計算器是與計算尺同時出現的，是計算工具上的一大發明。帕斯卡于1642年發明了帕斯卡加法器。在1671年，萊布尼茨發明了一種能作四則運算的手搖計算器，是長1米的大盒子。自此以后，經過人們在這方面多年的研究，特別是經過托馬斯、奧德內爾等人的改良后，出現了多種多樣的手搖計算器，并風行全世界。

四、電動計算機

英國的巴貝奇于1834年，設計了一部完全程序控制的分析機，可惜礙于當時的機械技術所限制而沒有制成，但已包含了現代計算的基本思想和主要的組成部分了。

此后，由于電力技術有了很大的發展，電動式計算器便慢慢取代以人工為動力的計算器。1941年，德國的楚澤采用了繼電器，制成了第一部通用過程控制計算器，實現了100多年前巴貝奇的理想。

五、電子計算機

20世紀初，電子管的出現，使計算器的改革有了新的發展，并由于二次大戰的迫切的軍事需要，美國賓夕法尼亞大學和有關單位在1946年制成了第一臺電子計算器。

電子計算機的出現和發展，讓人類進入了一個全新的時代。它極大影響了經濟社會發展，并徹底改變了人們的生活。電子計算機是二十世紀最偉大的發明之一，也當之無愧地被認為是迄今為止由科學和技術所創造的最具影響力的現代工具。

在電子計算機和信息技術高速發展過程中，因特爾公司的創始人之一戈登·摩爾(Godon Moore) 對電子計算機產業所依賴的半導體技術的發展作出預言：半導體芯片的集成度將每兩年翻一番。事實證明，自二十世紀60 年代以后的數十年內，芯片的集成度和電子計算機的計算速度實際是每十八個月就翻一番，而價格卻隨之降低一倍。這種奇跡般的發展速率被公認為“摩爾定律”。

六、 “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二十一世紀三十年代，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二十一世紀前三十年內終止。

著名科學家，哈佛大學終身教授威爾遜(Edward O. 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。”

這段話成為許多科學家的座右銘，給人以啟示。科學需要夢想，甚至需要形而上的猜想。科學的預言有時在哲學看來有著形而上學的味道。而在人類面臨著計算科學的最大難題——計算的極限到來之時，DNA計算和量子計算為實現人類的這個夢想鋪開了宏偉藍圖。

七、DNA計算系統

1994年11月，美國計算機科學家阿德勒曼(L.Adleman)在美國《科學》上公布DNA計算機的理論，并成功運用DNA計算機解決了一個有向哈密頓路徑問題[7]。 DNA計算機的提出，產生于這樣一個發現，即生物與數學的相似性：(1)生物體異常復雜的結構是對由DNA序列表示的初始信息執行簡單操作(復制、剪接)的結果；(2)可計算函數f(ω)的結果可以通過在ω上執行一系列基本的簡單函數而獲得。

阿德勒曼不僅意識到這兩個過程的相似性，而且意識到可以利用生物過程來模擬數學過程。更確切地說是，DNA串可用于表示信息，酶可用于模擬簡單的計算。這是因為：首先，DNA是由稱作核昔酸的一些單元組成，這些核昔酸隨著附在其上的化學組或基的不同而不同。共有四種基：腺嘌呤、鳥嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶，分別用A、G、C、T表示。單鏈DNA可以看作是由符號A、G、C、T組成的字符串。從數學上講，這意味著可以用一個含有四個字符的字符集∑ =A、G、C、T來為信息編碼(電子計算機僅使用0和1這兩個數字)。其次，DNA序列上的一些簡單操作需要酶的協助，不同的酶發揮不同的作用。起作用的有四種酶：限制性內切酶，主要功能是切開包含限制性位點的雙鏈DNA；DNA連接酶，它主要是把一個DNA鏈的端點同另一個鏈連接在一起；DNA聚合酶，它的功能包括DNA的復制與促進DNA的合成；外切酶，它可以有選擇地破壞雙鏈或單鏈DNA分子。正是基于這四種酶的協作實現了DNA計算。

DNA計算與電子計算機完全不同，它的計算單元是裝在試管培養液中的DNA長鏈。通過控制試管的溫度和向試管中投放反應物，來進行計算。

八、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[11]：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。轉貼于 　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David Deutsch 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[15]。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）。

有種種跡象表明：量子計算至少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。

更重要的是，量子計算從本質上說是可逆的，朗道證明了可逆計算可以不消耗資源———也就是說，量子計算的運算速度可以不違背熵持續增加原理而無限增加。從這個例子我們可以直覺地認為量子計算在處理大規模計算問題時優越性是十分明顯的，但目前還沒法用數學證明這一點。

九、計算的本質

在人類文明的早期，人們就認識到“加減”這些計算活動，以及它們的重要性。隨著，計算工具的不斷改進，人們的“計算”本身的也不斷的加深了解。到后來開方、求方程的解、求微分求積分也被納入進計算的范疇。

“什么是計算？”問題一直到20世紀30年，才由哥德爾（K.Godel，1906-1978），丘奇(A.Church，1903-1995)，圖靈(A.M.TUI-ing，1912-1954)等數學家 的工作，人們才弄清楚什么是計算的本質，以及什么是可計算的，什么是不可計算的等根本性問題。

抽象地說，所謂計算，就是從一個符號串f變換成另一個符號串g。比如說，從符號串12+3變換成15就是一個加法計算。如果符號串f是x2，而符號串g是2x，從f到g的計算就是微分。定理證明也是如此，令f表示一組公理和推導規則，令g是一個定理，那么從f到g的一系列變換就是定理g的證明。從這個角度看，文字翻譯也是計算，如f代表一個英文句子，而g為含意相同的中文句子，那么從f到g就是把英文翻譯成中文。這些變換間有什么共同點？為 什么把它們都叫做計算？因為它們都是從己知符號(串)開始，一步一步地改變符號(串)，經過有限步驟，最后得到一個滿足預先規定的符號(串)的變換過程。

從類型上講，計算主要有兩大類：數值計算和符號推導。數值計算包括實數和函數的加減乘除、幕運算、開方運算、方程的求解等。符號推導包括代數與各種函數的恒等式、不等式的證明，幾何命題的證明等。但無論是數值計算還是符號推導，它們在本質上是等價的、一致的，即二者是密切關聯的，可以相互轉化，具有共同的計算本質。隨著數學的不斷發展，還可能出現新的計算類型。

隨著計算機日益廣泛而深刻的運用，計算這個原本專門的數學概念已經泛化到了人類的整個知識領域，并上升為一種極為普適的科學概念和哲學概念，成為人們認識事物、研究問題的一種新視角、新觀念和新方法。

十、“計算主義”的興起

隨著計算工具的發展，一些哲學家和科學家開始從計算的視角審視世界，科學家們不僅發現大腦和生命系統可被視作計算系統 ，而且發現整個世界事實上就是一個計算系統。當康韋證明細胞自動機與圖靈機等價時 ，就有人開始把整個宇宙看作是計算機。因為特定配置的細胞自動機原則上能模擬任何真實的過程。如果真是這樣，那么 ，我們便可以設想一種細胞自動機，它能模擬整個宇宙。實際上，我們完全可以把宇宙看作是一個三維的細胞自動機。基本粒子或其它什么層次的物質實體可以看作是這個細胞自動機格點上的物質狀態 ，支配它們運動變化的規律可以看作是它們的行為規則。在這些規則的作用下基本粒子發生各種變化，從而導致宇宙的演化。

總之，計算或算法的觀念在當今已經滲透到宇宙學、物理學、生物學乃至經濟學和社會科學等諸多領域。計算已不僅成為人們認識自然、生命、思維和社會的一種普適的觀念和方法 ，而且成為一種新的世界觀。一些學者認為：不僅生命和思維的本質是計算，自然事件的本質也是計算。

十一、量子計算中的神諭

人類的計算工具，從木棍、石頭到算盤，經過機械計算器，電器計算機，到現代的電子計算機，再到DNA計算機和量子計算。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”，機器可以用來搬動“算珠”，而且效率更高，速度更快的時候，人們自然想到利用機器來搬動算珠，誕生了機械計算設備。

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。

電子計算機后，人們改變了思路，即：到自然界中去發現那些符合圖靈模型的現象，例如DNA分子鏈的自我復制現象。DNA分子提供了AGCT四種堿基，相當于電子計算機中的2進制的0和1。DNA自我復制的機制，非常接近電子計算機的的模型——圖靈機模型。

可以說，DNA計算機是基于圖靈機的先進計算方式。但是它始終不能突破圖靈機的極限。即：在牛頓經典物理學下“確定世界”的計算模型。

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。

應為在此之前，所有計算均是模擬一個快速的“算盤”，即使是最先進電子計算機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。在DNA計算中，這種情況稍微復雜一點，可視為ATCG四種堿基所構成的擁有上百萬根軸，每根軸上有四個珠的“超級算盤”，盡管它的體積小到可以放在一根試管中。

量子計算則完全不同，對于量子計算的核心部件，類似與古代希臘世界中的“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。

十二、“神諭”的本質與哥德爾不完備性

量子計算在信息的承載體上與經典計算毫無區別:它同樣利用二進制比特——稱為量子比特——來進行運算。但是，量子力學的一個十分“反直覺”的奇特現象鑄就了量子比特與傳統比特的天壤之別。一個量子比特不僅僅可以表示信息“0”和“1”，還出人意料地可以表示一種“0”和“1”的疊加狀態。

我們可以清晰地看到量子計算的神奇以及它不同于經典計算之處。那么，為什么量子計算會顯示出如此奇怪的性質呢? 這些性質又有什么本質的物理原因呢[12]? 遺憾的是，迄今為止，科學家們還在為這些神奇的量子現象的本質而進行探索，答案不得而知。

人們對量子計算本質的無知來自于人們對量子世界內部的本質的認識還不統一。但這并不妨礙人們把量子計算最為超級計算機的想法。雖然它帶有強烈的工具主義傾向。

量子計算的科學研究依然在繼續，然而，對量子計算和量子力學本身的哲學研究卻已經顯示出人類的無奈和無助。也許，世界本身就是一個整體，我們僅僅從細處著眼永遠無法看到導致整體變化的內因。

哥德爾不完備性定理告訴我們，任何一個足夠強的一致的公理系統的完備性是不可證明的，而它的完備性的不可證明是可以證明的。

一些悲觀的科學家和哲學家認為：我們科學研究所依賴的各種公理系統是無法證明完備的，即現實世界的有些現象是無法被已有定律和規律來揭示，人們努力地試圖用這些已經發現的公理和規律去解釋量子計算、量子力學，去解釋自然和宇宙是不可行的。科學家們一直在努力解釋量子世界的本質，但也應該清醒，這些努力有可能最終是失敗的。而這些失敗恰恰證明了哥德爾不完備性定理的正確性。所以他們認為人類是無法認識某些規律的，一些迷題永遠是個迷。

十三、“神諭”的挑戰與人類自身的回應

筆者的觀點與上述不同，人類的思考能力，隨著工具的不斷進化而不斷加強，盡管在遠古時期，有些智者的思考能力已經遠遠超越了他們的時代，但是，在整體上，人類的思維能力和解決問題的能力是隨著經濟和科技的進步而不斷加強。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。

哥德爾的不完備性并不能組織人類對未知事物的新發現，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：

“計算工具不斷發展——整體思維能力的不斷增強——公理系統的不斷擴大——舊的神諭被解決——新的神諭不斷產生”不斷循環。

也許那時會出現新的“神諭”，而“神諭”的出現對人類來說并不是負面的，而是對人類整體思維能力和認識能力的一次挑戰。并將刺激著人類對宇宙和自身的更深刻認識。

無論量子計算的本質是否被發現，也不會妨礙量子計算時代的到來。量子計算是計算科學本身的一次新的革命，也許許多困擾人類的問題，將會隨著量子計算機工具的發展而得到解決，它將“計算科學”從牛頓時代引向量子時代，并會給人類文明帶來更加深刻的影響。

參考文獻

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[13] K.Gdel， “On formally undecidable propositions of Principia Mathematica and relatedsystems” ， New York: Dover Publications ， INC.， 1961 (Translated)

第6篇：量子力學對科技的影響范文

【論文關鍵詞】電子技術；理論與應用；近似計算；靜態分析

【論文摘要】本文首先探討了近似計算在靜態分析中的應用問題，其次分析了納米電子技術急需解決的若干關鍵問題和交互式電子技術應用手冊，最后電子技術在時間與頻率標準中的應用進行了相關的研究。因此，本文具有深刻的理論意義和廣泛的實際應用價值。

一、近似計算在靜態分析中的應用

在電子技術中應運中，近似計算貫穿其始終。然而，沒有近似計算是不可想象的。而精確計算在電子技術中往往行不通，也沒有其必要。盡管近似計算會引入一定的誤差，但這個誤差控制得好，不會對分析其它電路產生大的影響。所以關鍵在于我們如何掌握，特別是如何應用近似計算。

在工作點穩定電路中的應用要進行靜態分析，就必須求出三極管的基電壓，必須忽略三極管靜態基極電流。這樣，我們得到三極管的基射電子的相關過程及結論。

二、納米電子技術急需解決的若干關鍵問題

由于納米器件的特征尺寸處于納米量級，因此，其機理和現有的電子元件截然不同，理論方面有許多量子現象和相關問題需要解決，如電子在勢阱中的隧穿過程、非彈性散射效應機理等。盡管如此，納米電子學中急需解決的關鍵問題主要還在于納米電子器件與納米電子電路相關的納米電子技術方面，其主要表現在以下幾個方面。

（1）納米Si基量子異質結加工

要繼續把現有的硅基電子器件縮小到納米尺度，最直截了當的方法是采用外延、光刻等技術制造新一代的類似層狀蛋糕的納米半導體結構。其中，不同層通常是由不同勢能的半導體材料制成的，構建成納米尺度的量子勢阱，這種結構稱作“半導體異質結”。

（2）分子晶體管和導線組裝納米器件即使知道如何制造分子晶體管和分子導線，但把這些元件組裝成一個可以運轉的邏輯結構仍是一個非常棘手的難題。一種可能的途徑是利用掃描隧道顯微鏡把分子元件排列在一個平面上；另一種組裝較大電子器件的可能途徑是通過陣列的自組裝。盡管，PurdueUniversity等研究機構在這個方向上取得了可喜的進展，但該技術何時能夠走出實驗室進入實用，仍無法斷言。

（3）超高密度量子效應存儲器

超高密度存儲量子效應的電子“芯片”是未來納米計算機的主要部件，它可以為具備快速存取能力但沒有可動機械部件的計算機信息系統提供海量存儲手段。但是，有了制造納米電子邏輯器件的能力后，如何用這種器件組裝成超高密度存儲的量子效應存儲器陣列或芯片同樣給納米電子學研究者提出了新的挑戰。

（4）納米計算機的“互連問題”

一臺由數萬億的納米電子元件以前所未有的密集度組裝成納米計算機注定需要巧妙的結構及合理整體布局，而整體結構問題中首當其沖需要解決的就是所謂的“互連問題”。換句話說，就是計算結構中信息的輸入、輸出問題。納米計算機要把海量信息存儲在一個很小的空間內，并極快地使用和產生信息，需要有特殊的結構來控制和協調計算機的諸多元件，而納米計算元件之間、計算元件與外部環境之間需要有大量的連接。就現有傳統計算機設計的微型化而言，由于電線之間要相互隔開以避免過熱或“串線”，這樣就有一些幾何學上的考慮和限制，連接的數量不可能無限制地增加。因此，納米計算機導線間的量子隧穿效應和導線與納米電子器件之間的“連接”問題急需解決。

（5）納米/分子電子器件制備、操縱、設計、性能分析模擬環境

當前，分子力學、量子力學、多尺度計算、計算機并行技術、計算機圖形學已取得快速發展，利用這些技術建立一個能夠完成納米電子器件制備、操縱、設計與性能分析的模擬虛擬環境，并使納米技術研究人員獲得虛擬的體驗已成為可能。但由于現有計算機的速度、分子力學與量子力學算法的效率等問題，目前建立這種迅速、敏感、精細的量子模擬虛擬環境還存在巨大困難。

三、交互式電子技術手冊

交互式電子技術手冊經歷了5個發展階段，根據美國國防部的定義：加注索引的掃描頁圖、滾動文檔式電子技術手冊、線性結構電子技術手冊、基于數據庫的電子技術手冊和集成電子技術手冊。目前真正意義上的集成了人工智能、故障診斷的第5類集成電子技術手冊并不存在，大多數電子技術手冊基本上位于第4類及其以下的水平。需要聲明的是，各類電子技術手冊雖然代表不同的發展階段，但是各有優點，較低級別的電子技術手冊目前仍然有著各自的應用價值。由于類以上的電子技術手冊在信息的組織、管理、傳遞、獲取方面具有明顯的優點。簡單的說，電子技術手冊就是技術手冊的數字化。為了獲取信息的方便，數字化后的數據需要一個良好的組織管理和提供給用戶的形式，電子技術手冊的發展就是圍繞這一過程來進行的。

四、電子技術在時間與頻率標準中的應用

時間和頻率是描述同一周期現象的兩個參數，可由時間標準導出頻率標準，兩者可共用的一個基準。

第7篇：量子力學對科技的影響范文

  物理教學是一門基礎教育，它使受教育者獲得科學知識，掌握科學方法，培養科學精神。學生怕學物理的狀況，已成為一個國際性的問題。怎樣面對這一現實，如何迎接這一挑戰？“智者見智，仁者見仁”。筆者認為，培養學生的興趣才是提高教學效果的根本途徑。在這里，我們試圖從文化的角度和用科學的觀點來了解這個社會的現象，從而表達對中學物理教學未來發展的自己的看法。

1 中國與歐洲文化的對比

中國文化是建基于黃河河谷的大農業社會，以“人本”的家族文化為主，人與人的關系比人與自然界的關系更為密切和重要，社會的主要問題和興趣是在于人而不在于物。家族文化是一個整體文化，個體有義務要支持整體的共同性，而整體亦有義務要照顧個體的特殊性。人是來自現實的祖先，必須對祖先負責。中國文化是強調整體、務實、內向、兼容、義務、約束、合作和相對性，重視對個人天賦欲念的自我克制和自我修養的人為能力，稱之為“德”。人的問題只可以靠人自己去了解和處理，發展了人本的“人理(倫理)學”。無論從《易經》、《道家》、《儒家》到《諸子百家》等，都是以人本為基礎來發展。

歐洲文化建基于游牧文化。游牧人逐水草而居，多見樹木，少見人鄰。人與自然界的關系比人與人的關系更為密切和重要。生活的主要問題和興趣是在于物而不在于人。由于自然界的存在和變化，并非人力可以改變和控制，認為所有自然現象都來自能力最高的主宰。摘食獵魚的簡單生活，各人的功能差別不大，分工制度弱，獨立性強，自由性大，平等性高。生活環境的不斷改變，只有天，才有永恒的意義，傾向上天單極宗教的信仰。

2 科技的發展

科學是物質世界的了解，是一種思想系統，也是一種順其自然的思想活動，其探索的目標是“發現”。技術是物質世界的應用，是一種行動系統，也是一種事在人為的行動活動，其運作的目標是“發明”。早期的技術發展主要是靠嘗試和經驗，與科學的發展并沒有一定的姻親關系。后來的科技就是把科學與技術結合起來，利用科學知識來改進技術的發展，目標是“創新”。物理學是科學的基石。

3 物理學的發展

萌芽時代：物理學的起源是來自古希臘時代的幾個重要思想。

(1)自然現象是根據“固定的自然定律”而發生(賽勒斯thales，俗稱為科學之父)——定律概念和演繹邏輯。(2)要描述所有自然現象，數字是扮演中心角色(畢達哥拉斯pythag0ras)——數量描述。(3)要改變自然狀態，必需有起因(柏拉圖plato)——牛頓第二運動定律的廣泛含意。(4)物質的原子(德謨克利特democritus)和元素(亞里斯多德aristotle)的概念——物體結構的基本成份概念。古希臘文化是強調個人自由和思想系統的探索，奠定了基本的科學精神、態度、構思、概念、邏輯、原則和言語。希臘化時代：主要的興趣在解決實用問題，知識分類及技術成就。重要思想發展有：①幾何學定理的公理化(歐幾里得euclid)——演繹邏輯。②以地球為中心輸送圓的均速運動為主，運轉圓的均速運動為微擾，可以準確解釋包括太陽在內的各行星在天上的運動。③物體“比重”物性的發現(亞基米德archimedes)，后來進一步發展到“密度”物性。

黑暗時代：這是物理學發展a冬眠時代。(1)羅馬帝國：羅馬人是實用民族，他們強勢在軍事，行政和工程，而不在學術和科學。大量收集和發展希臘哲學思想，而很少有原始的創作。為了要準確解釋以地球為中心的行星運動，增加了偏心圓的微擾(托勒密ptolemy)。(2)中世紀：中世紀的歐洲是一個宗教和封建的封閉保守時代。研究希臘哲學和科學的中心便轉移到阿拉伯和波斯。(3)：二百年運動，動搖了歐洲的封建制度和教會權力。伊斯蘭的優秀文化開始對歐洲人開放。

復興時代：大亂之后必有大治。經歷過的浩劫之后，歐洲從一個保守封閉的教條社會轉入一個改革開放，實事求是和解放思想的文藝復興時代，由神本回歸到人本。文藝復興使歐洲恢復對人，人的成就和人的世界的興趣。文藝復興把歐洲從一個較為落后的社會在五百年內，先后超過伊斯蘭和中國社會。

3.1機動力學(mechan0dynamics)

從希臘時代到黑暗時代這一千六百多年，物理學發展的主要興趣上行星運動。發展以數學的歐幾里得幾何學為基礎，均速圓周運動為核心。到了復興時代，以既定的數學基礎來了解觀測的事實，改變為從事實去尋找事實背后的數學原理。由實是求事改變為實事求是，由以數學為基礎改變為以物理為基礎。

(1)天上行星的日心橢圓運動的發現(開普勒kepler)和地上物體的重力加速度及拋物線運動的了解(伽利略galileo)。

(2)機動力學的誕生：為了解決重力問題，牛頓認為，天上月球圍繞地球的運動與地上物體的拋物線運動是同一根源，及推出它們之間與地球中心距離的關系。他成功發現三個物體的運動定律：慣性定律，動力定律和反作用定律。更由第二和第三個定律推出物體之間的重力定律。

(3)牛頓動力定律理論的普遍化，以位能和動能取代外力和加速度：拉格朗日(lagran—ge)和哈密頓hamilton)。從物理定律推理到物理理論是符合從幾何公理推理到幾何定理的——演繹邏輯。

(4)牛頓動力學對隨機過程的應用：麥克斯韋(maxwell)，玻耳茲曼(boltzmann)。19世紀未，機動力學已發展成為宏觀物質世界一個完美的理論：完整，合理和前后一致。

3.2電動力學(electrodynamics)電磁現象

(1)電磁相互作用的關系：庫侖(coulomb)電荷與電荷和磁極與磁極的相互作用，奧斯特(oersted)磁極與電流的相互作用，安培(ampere)電流與電流的相互作用，法拉第(faraday)電荷與運動磁極的相互作用。

(2)法拉第提倡電磁的“本地作用”來代替“超距作用”，導致“電磁場”物理量的誕生。

(3)電磁學的基本定律：根據電磁相互作用的關系和以電磁場為基礎，麥克斯韋完成完整的“電磁場定律”，相當于牛頓機動力學中的物體重力定律。后來洛倫茲(lorentz)更進一步完成電荷在電磁場中運動的“電磁場力定律”。“輻射反作用力定律”也是電磁學一個基本定律，只是直到現在，符合邏輯的定律還未完成。

(4)帶電粒子動力學：洛倫茲的電磁場力是一個與速度有關的力。愛因斯坦(einstein)采用牛頓動力推出

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電磁場力在速度為零的情況，再用洛倫茲慣性變換，把速度為零情況的結果變換到速度不等于零的情況。結果推出帶電粒子在電磁場力的洛倫茲動量=v×牛頓動量。v是洛倫茲因子，與速度有關。fl=d(vp)／dt。相當于牛頓機動力學中的物體第二運動重力定律愛因斯坦后來把這方面的理論改稱為“狹義相對論”。在狹義相對論的基礎上，以微分幾何為工具，愛因斯坦用演繹方法建立他的重力場論，稱為“廣義相對論”。可以說是一種重力場的電磁化。到這個階段，除了輻射反作用力定律之外，電動力學基礎的探索已基本完成。

(5)電功力學定律理論的普遍化：相當于拉格朗日和哈密頓對牛頓動力定律的理論推廣和發展。

(6)電動力學對隨機過程的應用：無規則電磁場的統計特性的發展。其結果應該符合量子力學和量子動力學的結果。

3.3輻射動力學(radiodynamics)：輻射反映了物質世界的微觀結構。

(1)量子論的誕生：普朗克(planck)創立“量子”的新物理概念，成功解釋黑體輻射的實驗結果。后來，愛因斯坦和玻恩(born)分別用量子來成功解釋光電效應和氫原子光譜。

(2)量子力學：在數學的基礎上，由海森伯(heisenberg)，薛定諤(schrodinger)等所發展的量子數學系統(量子力學)，不但可以用來了解原子物理現象，也可以用來了解分子物理現象。

(3)基本粒子物理：基本粒子物理實驗觀察的新結果，促使大量相關理論的發展：量子電動力學，相對性量子力學，楊一(yang-mils)場等，其中楊一米場有更突破性的廣泛意義。

20世紀的世界發生了重大變化。(1)物理學發展已由宏觀的物質世界轉入微觀的物質世界。 (2)經過兩次世界大戰后，影響人類社會的重心已由歐洲社會，轉移到沒有傳統民族文化的美國移民社會。

4 中國文化與未來科學發展

雖然科學的發展是源于古希臘，但亦需要通過歐洲各種不同的文化時代，才可以孵育發展出來。歐洲文化對科學發展的優點可能已經到了飽和狀態。科學思想發展的進一步突破，必須要有新的文化來推動。中國文化對人理思想發展雖然是一個有五千多年的舊文化，但對物理思想發展卻是一種很新的文化。中國復雜而辯證的人理思想，吸收和結合歐洲簡單而演繹的物理思想，必定融合成為一種新力量，把科學發展推到更上一層樓，尤其是生命科學，醫理科學和心理科學。中國社會現在正是一個民族文化復興新時代的開始：改革開放，實事求是，解放思想，自主創新，可以比美歐洲后的文藝復興。中國是一個非常不均勻的大社會。各地區都有不同的方言、生活環境、生活方式、和風俗習慣，自然形成中國社會的多元多樣和多姿多彩。在這種復雜的文化環境，必須要因人制宜，因事制宜，或因地制宜，“一刀切”便會弄巧反拙。相反地，美國是一個非常均勻的大社會，自然形成美國社會的一體化思想。一體化社會并不符合中國社會的實際情況。

5 提高學生物理學習興趣的方法

了解以上物理學思想發展與文化關系后，我們來看一下在提高學生學習物理興趣的一些做法。

5.1聯系生活和生產實際

在物理教學中，如果注意結合學生熟悉的生活、生產實際，提出與教學有關的問題讓學生去思考，往往能激發起學生的學習興趣。例如：講授《光的折射》時，可先提出以下一些問題：透過老花鏡看緊靠鏡子的物體，顯得比原來怎么樣？透過老花鏡看遠處物體，物體又會怎樣呢？透過圓形金魚缸看缸里的魚發現魚會變大，透過裝滿水的杯子看插入的筷于發現筷子會在分界處折彎，這又是為什么呢？夏天，我們扎泥鰍時應扎的比觀察位置深還是淺些?帶著這些問題來學習，學生必然會產生興趣，從而達到提高課堂效率的作用，而課后又是課堂的延伸。

5.2制造學習上的懸念

在物理教學中，如果我們能夠不斷地制造懸念，使學生對新知識產生一種急于探求的心情，那么就會引起學生對新知識的興趣。例如在《超重與失重》一節的教學中，我們可以把一臺磅秤放在教室前頭，讓一個學生稱量自己的體重，然后觀察該學生突然尊下和站起瞬間磅秤發生的現象，此時，一般學生會感到好奇，基礎

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扎實的學生會感到是人對磅秤的壓力變大或變小，但不知原因，因此產生強烈興趣，同時渴望得到的答案，這樣老師講得輕松，學生學得愉快。

5.3保持刺激的新穎和變化

高中生對新鮮事物總是充滿好奇心，教學內容是否有興趣，興趣的大小，對教學效果都有直接的影響，在物理教學中若能經常保持刺激和變化，就能不斷引起學生的好奇心和新鮮感，從而激發起他們的興趣，使他們樂于學習、想要學習。

5.4及時給予成功的滿足

興趣是帶有情緒色彩的認識傾向，在物理學習中，如果學生獲得成功，就會產生愉快的情緒，若反復多次，學習和愉快的情緒則會建立固定的聯系，也就會形成越學越有興趣，越有興趣就越想學的良性循環。

5.5精心設計教學過程

第8篇：量子力學對科技的影響范文

關鍵詞：物理學；知識經濟；經典力學；工業革命；量子力學

在人類文明發展的進程中，物理學的每一次重大突破都帶動了科學技術的騰飛和社會經濟的變革。以科學技術為主要內容的“知識”改變著社會經濟的性質、特征和運行方式，給人類社會帶來了全面而深刻的影響。

一、從物理學發展理解經濟變革的根源

1、在農業經濟時代，土地是經濟發展最重要的資源。生產組織形式是自發的家庭生產方式，人類長期維持著經驗積累和簡單再生產，社會財富的增加相當緩慢。分配的主要依據是土地，擁有土地就擁有了財富和分配權，占有全部的剩余勞動成果。土地終極所有權掌握在皇帝手中，從而形成國家集權中軸支撐著社會。

科學巨匠牛頓，在哥白尼、伽利略、開普勒的基礎上，通過對天文學定律和力學實驗規律的高度概括總結，把物體的運動規律歸結為牛頓運動三定律和萬有引力定律。經典力學的成就，使機器發明成為可能，為首次工業革命提供了理論和技術支持。隨著蒸汽機的發明和使用，帶來了機器制造、交通運輸、礦山開采等產業的迅速發展，從而引起了從手工勞動向動力機器生產的飛躍，迎來了人類社會發展史上的新紀元。

2、工業經濟時代，機器、設備和原料是經濟發展最重要的資源。其主要特征是資本積累和擴大再生產，社會財富得以快速的增加，生產規模得到迅速擴大，然而最終卻導致了經濟危機。資本成為主要的分配依據，憑借著資本的大小，來瓜分社會財富和剩余勞動成果。機器大工業形成有組織的公司企業，資本被控制在資本家手中，公司企業就成為社會的中軸。

在奧斯特、法拉第的基礎上，麥克斯韋把神秘、抽象的電磁規律以數學方程完美地表示出來，從而形成了電磁場理論，同時預言了電磁波的存在。電磁場理論和實驗的巨大成就導致了電機、電燈、電報的發明和使用并引發了第二次工業革命。從此，人類全面進入了以機器大工業和社會化大生產為重要標志的工業經濟時代。

3、知識經濟是建立在知識和信息的生產、分配和使用之上的經濟。在知識經濟時代，知識將成為經濟發展最重要的資源，信息成為重要的商品和競爭要素。具有經濟發展可持續化、資產投入無形化、世界經濟一體化、經濟決策知識化等特點。知識型和科技型的勞動者，在社會生產中的作用日益增強，成為企業和經濟發展的關鍵，直接決定著企業的競爭能力和最終命運。

二、以物理學概念思考知識經濟的內涵

1、隨著信息技術的不斷發展，計算機日趨微型化，因特網使傳遞信息所需的時間節省了百萬倍，空間概念更是幾近消失。真可謂：“千里縮銀屏，數載化瞬息”。如果把信息視作物質，那么在相對高速地傳遞信息過程中，愛因斯坦相對論的“尺縮”和“鐘慢”效應會有什么體現呢？

知識經濟帶來了商業、金融、教育和文化娛樂的全球化，企事業單位在空間的分布狀態呈“無形化”和“分散性”。產品的開發與經營周期大為縮短，實現了所謂“實時運作經濟”。時間的“滯后效應”被引起重視，可持續發展問題變得極為突出。

2、物理學又是一門實驗科學，它的每一個原理和定律，都是在系統觀察和科學實驗的基礎上建立起來的，并且隨觀察和實驗水平的提高不斷完善和修正甚至被否定。如人們對光的認識就經歷了由粒子――波動――波粒二象性的曲折過程。量子理論認為一個電子究竟是粒子還是波？這要取決于選擇的實驗條件。這種不同尋常的作用對客觀實在的影響，在知識經濟中會有什么表現呢？

知識經濟對決策的基本要求是科學化、民主化、系統化和程序化。科學化就是要在決策中全面地應用知識。程序化就是把決策的過程分為準備謀劃、抉擇、控制與修正四個階段，每個階段又有若干步驟，它們是與觀察和實驗緊密聯系的。如準備階段中有關信息的收集和處理，謀劃時的預測或可行性研究都離不開觀察和調查；控制與修正階段的實施離不開實踐和檢驗。

3、縱觀物理學的發展歷史，從經典力學、電磁場理論到相對論、量子力學以及宇宙大爆炸、量子信息、統一場論等，展現在我們眼前的是一部充滿生機的探索和創新史。面對經濟全球化和日趨激烈的國際競爭，我們如何運用物理學的探索和創新精神面對知識經濟的挑戰？

探索和創新是物理學的靈魂，同樣也是知識經濟的靈魂。知識經濟提出經濟創新概念，即5個新：引入一種新產品，采用一種新的生產方法，開辟一個新的市場，獲得一種新的原料來源，實行一種新的企業組織形式。

綜上所述，物理學作為自然科學的基礎學科和帶頭學科，不僅為自然科學、工程技術提供了理論基礎和實驗技術，而且在社會經濟發展中發揮著極其重要的作用。瀏覽人類社會由農業經濟、工業經濟到知識經濟發展的歷史，不難看到物理學在其中扮演的角色。

作者單位：棗莊學院

參考文獻:

第9篇：量子力學對科技的影響范文

論文關鍵詞：大學生；量子物理；物理學史

量子力學是反映微觀粒子（分子、原子、原子核、基本粒子等）運動規律的理論。它是20世紀初在大量實驗事實和舊量子論基礎上建立起來的，是人們認識和理解微觀世界的基礎。量子物理和相對論的成就使得物理學從經典物理學發展到現代物理學，奠定了現代自然科學的主要基礎。量子力學的發現引發了一系列劃時代的科學發現與技術發明，對人類社會的進步作出了重要貢獻。通過量子物理的教學，有利于培養大學生的科學素質、科學思維方法和科研能力，培養學生的探索精神、創新精神、科學思維能力以及辯證唯物主義的科學觀。另外，量子物理是處于發展中的理論，怎樣將量子論和廣義相對論（引力作用）統一起來仍是困擾人們的問題。“弦理論”的提出使人們看到了希望，通過這部分的教學可以培養學生的橫、縱向思維和不斷追求科學真理的精神。因此，在大學物理的教學中應適當增加量子物理的教學內容。由于量子物理里好多概念、思想和宏觀世界里的完全不同，叫人無法理解，以致量子論的奠基人之一玻爾（Niels Bohr）都要說：“如果誰不為量子論而感到困惑，那他就是沒有理解量子論。”那么怎樣讓學生在輕松愉快的狀態下學好量子物理呢？在教學過程中適當引入物理學史有利于學生掌握其核心，既培養了學生的學習興趣，又有利于實現啟發式教學，而非純粹的概念和公式的教學。下面主要從幾個方面闡述物理學史在大學生學習中的重要作用。

一、非物理專業大學生學習量子物理的需要

即使是物理專業的學生，多數人在學習量子物理時一直如在云里霧里，雖然知道微觀粒子的波粒二象性，也知道不確定原理，了解原子的軌道理論，但是卻不知道為什么這樣。這一方面是由于量子物理里好多概念、思想和宏觀世界里的完全不同。另一方面，學生沒有掌握量子物理的核心，沒有從整體上把握量子物理的基石。一些教材對這部分的介紹也較少。如果在教學中能夠引入量子物理的發展史，不僅能吸引學生的注意力，調動學生的學習興趣，還有利于學生理解量子物理的概念和思想，使學生能夠身臨其境地感受到那場史詩般壯麗的革命，深刻體會量子論的偉大，有利于學生辯證唯物主義觀的形成。而非物理專業的學生與物理專業的學生相比，在學習量子物理時難度更大。這是由于物理專業的學生開設了許多物理專業課，如原子分子物理、物理學史等課程，為量子物理的學習奠定了基礎。而非物理專業的學生沒有前期的知識鋪墊，對知識的掌握難度增大。如果能適當加入量子發展史的介紹，不僅降低了學生學習難度，還激發了學生學習興趣，這就更突顯出物理學史在大學物理教學中的重要作用。

從整體上介紹量子物理的發展史可以使學生掌握量子物理的核心，從整體上把握量子物理的基石，即波恩的概率解釋、海森堡的不確定性原理和玻爾的互補原理。[2]這三大核心原理中，前兩者摧毀了經典世界的因果性理論，互補原理和不確定原理又合力搗毀了世界的客觀性和客觀實在性理論。一些實驗和理論斗爭的介紹不僅可以吸引學生的學習興趣，還可以培養學生的科學思維方法。19世紀末20世紀初，好多物理學家認為物理學大廈已經基本建成，后輩的工作只是做些細枝末節的修補和完善。但當時物理學天空漂浮著兩朵小烏云，一朵是“以太的絕對參考系”，另一朵是“黑體輻射的紫外線災難”。前者導致了相對論的建立，后者導致了量子物理的建立。

對量子物理三大基石的掌握，即波恩的概率解釋、海森堡的不確定性和玻爾的“互補原理”是量子物理的三大支柱。大學所學的量子物理學是基于這三個支柱的。這就像數學中的公理一樣，對于大學生而言不能去討論為什么，只能是是什么。

二、大學生素質教育的需要

大學物理的量子部分教學不同于物理專業學生的量子物理教學。大學物理教學的目的主要是增強學生分析問題和解決問題的能力，培養學生科學的思維方法、辯證唯物主義觀等素質教育，重在方法而非純理論教學。因此，大學物理的教學目的與任務是使學生對物理學的基本概念、基本理論和基本方法有比較系統的認識和正確的理解，為進一步學習打下堅實的基礎。更為重要的是，在大學物理課程的各個教學環節中，都應在傳授知識的同時注重培養學生分析問題和解決問題能力，注重培養學生科研探索精神和辯證唯物主義世界觀的形成。量子物理發展史的介紹和講解有助于培養學生這方面的能力。

1.辯證唯物主義世界觀的培養

在大學物理的教學過程中融入物理學史的內容有利于培養學生的辯證唯物主義世界觀。如關于光的本性的爭論持續了300年，光的波動理論和微粒理論艱苦卓絕地斗爭了300年。量子論就是在這種斗爭中逐漸建立起來的。托馬斯·楊的雙縫干涉實驗、菲涅爾的圓盤衍射等實驗形象的描述可使學生體會到光的波動性；而光電效應實驗、康普頓的X射線散射實驗等實驗的介紹可使學生深刻體會光的粒子性；德布羅意電子波及實物粒子波理論的介紹及戴維遜和革末關于電子的實驗，電子通過鎳塊時展現了X射線衍射圖案，證明了電子具有波動性，由此人們認識到了光及實物粒子的波粒二象性。這部分的教學可使學生領悟到看似毫不相干的量實際上存在著深刻的聯系，波動性和粒子性原來是不可分割的一個整體。就像漫畫中教皇善與惡的兩面，雖然在每個確定的時刻只有一面能夠體現出來，但它們確實集中在一個人的身上。從中學生們可以深刻體會到任何事物都存在兩面性，人們要辯證地看待問題。這部分歷史的簡單介紹還可以使學生深刻體會到人們對真理的認識是隨著科技的發展而不斷完善的過程，也是一個艱苦長期的斗爭過程。對光的波粒二象性的認識有利于培養學生辯證唯物主義世界觀。

2.分析問題和解決問題能力的培養

在大學物理的教學過程中適當引入一些實驗的描述或利用多媒體等手段演示實驗過程有利于培養學生的分析能力和解決能力。對康普頓實驗的講解分析可以培養學生的分析問題和解決問題的能力，尤其是康普頓的分析過程，而非純理論上的推導分析。康普頓在研究X射線被自由電子散射的時候發現一個奇怪的現象：散射出來的X射線分成兩個部分，一部分和原來的入射射線波長相同，而另一部分卻比原來的射線波長要長，具體的大小和散射角存在著函數關系。如果運用通常的波動理論，散射應該不會改變入射光的波長才對。但是怎么解釋多出來的那一部分波長變長的射線呢？康普頓苦苦思索，試圖從經典理論中尋找答案，卻撞得頭破血流。終于有一天，他作了一個破釜沉舟的決定，引入光量子的假設，把X射線看作能量為hν的光子束的集合。這個假定馬上讓他看到了曙光，眼前豁然開朗：那一部分波長變長的射線是因為光子和電子碰撞所引起的。光子像普通的小球那樣，不僅帶有能量，還具有動量。當它和電子相撞，便將自己的能量交換一部分給電子。這樣一來，光子的能量下降，根據公式E=hν，E下降導致ν下降，頻率變小，便是波長變大。這樣，X射線被自由電子散射的問題得到完美的解決。然后再進行理論推導，根據動量和能量守恒解決該問題，這樣不僅使學生印象深刻，還鍛煉了物理思維能力。

3.求實精神的培養

通過大學物理量子史部分的教學，介紹科學家嚴謹的治學態度、勇于追求真理的精神，培養學生追求真理的勇氣、嚴謹求實的科學態度和刻苦鉆研的作風。

4.科學觀察和思維能力的培養

在教學的過程中適當融入量子發展史的內容有利于培養學生科學觀察和思維能力。如玻爾的互補原理的提出過程。當海森堡完成“不確定原理”后向玻爾請教，兩人就“不確定原理”是從粒子性而來還是波動性而來展開了論戰，從而提出了互補原理：波和粒子在同一時刻是互斥的，但它們卻在一個更高的層次上統一在一起，作為電子的兩面性被納入一個整體概念中。這就是玻爾的“互補原理”。它連同波恩的概率解釋、海森堡的不確定性共同構成了量子論“哥本哈根解釋”的核心，至今仍然深刻地影響人們對于整個宇宙的終極認識。講解過程中應形象生動地描述海森堡和玻爾的討論過程及他的思維過程，使學生有種身臨其境的感覺，從而培養科學觀察和思維的能力。在教學過程中適當介紹思維實驗有利于培養學生的思維能力及科學分析能力。如海森堡不確定性原理的提出過程就借助了思維實驗及1935年愛因斯坦提出EPR思維實驗等。

5.創新意識的培養

通過學學物理學的研究方法、量子物理的發展史以及物理學家的成長經歷等，引導學生樹立科學的世界觀，激發學生的求知熱情、探索精神、創新欲望以及敢于向舊觀念挑戰的精神。如普朗克能量子假設的提出體現了敢于向舊觀念、權威學家挑戰的精神。而創新意識對一個學生來說是非常重要的，對社會生產力的發展也起著重要作用的。

6.科學美感的培養

以麥克斯韋方程組為例，描述麥氏方程所表現出的深刻、對稱、優美，使得每一個科學家都陶醉在其中，玻爾茲曼情不自禁地引用歌德的詩句“難道是上帝寫的這些嗎？”描述麥克斯韋方程組的美。一直到今天，麥氏方程組仍然被公認為科學美的典范。許多偉大的科學家都為它的魅力折服，并受它深深的影響，有著對于科學美的堅定信仰，甚至認為：對于一個科學理論來說，簡潔優美要比實驗數據的準確來得更為重要。依此引導學生認識物理學所具有的明快簡潔、均衡對稱、奇異相對、和諧統一等美學特征，培養學生的科學審美觀，使學生學會用美學的觀點欣賞和發掘科學的內在規律，逐步增強認識和掌握自然科學規律的能力。

7.科學探索精神的培養

物理學在追求著大統一。許多科學家獻身于這項偉大的事業，比如弦理論的提出。講述其發展過程可激發學生的科學探索精神。

三、科學發展的需要