量子力學和相對論的關系精選(九篇)
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第1篇：量子力學和相對論的關系范文
關鍵詞：科學史；近代物理；教學改革；高等教育
中圖分類號：G642.3 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）50-0072-03
近代物理是高等學府物理類、化學類和電子類學科的一門必修課，通常放在講授完大學物理之后。大學物理的內容主要是理論力學、電動力學、熱力學和統計物理。近代物理的內容主要是相對論和量子力學。由于相對論和量子力學離我們的日常生活經驗比較遠，所以學起來比較晦澀難懂。本文介紹了筆者如何通過講授近代物理知識和對應的近代物理科學史相接合，來提高同學們對近代物理的理解和興趣。
一、近代物理科學史簡介
近代物理的科學史是一部十分生動活潑的歷史，時間跨度大概是從1900年到現代。這段時間可以說是十分不平凡和波瀾壯闊的一百多年。這期間發生了人類歷史上僅有的二次世界大戰，其中涌現的具有極高才華和貢獻的科學家數量差不多抵得上人類歷史上前五千年的科學家數量總合。而人物傳記作家也多對他們的人生經歷極為感興趣，出了很多關于他們的傳記[1-3]。另外這些近代物理學家們很多本身也頗博學多才，具有良好的文學才能和修養，因此很多人他們自己也出自傳。這些傳記和自傳都能給《近代物理》課堂上的科學史教學提供豐富的素材和參考。相對論和量子力學的理論和公式雖然比較高深難懂，但是它們解釋的現象由于跟人們的日常經驗相悖，所以還是會引起人們廣泛的興趣。比如時間和空間是不可分的，物體的動量和時間不能同時精確測量，光速是宇宙中最快的速度，這些一般人憑經驗的確很難理解。進而人們也會對提出和發現這些理論的科學家們（如愛因斯坦）感興趣。圖1為作者按照時間順序出場依次在課堂上介紹的量子力學史上各個重要的歷史人物。這些科學人物大多數彼此交往比較密切，在學術上好像切磋和影響，進而也加速了思想火花的碰撞和創新性理論的誕生。
在課堂上講述近代物理科學史的過程中，還可以幫助同學們了解在學術研究過程中需要注意的問題。比如搞科研不能囿于自己的私密空間，而要鼓勵多做學術交流。學術交流的好處是：（1）可以了解最新的研究動態；象在近代物理史上著名的哥本哈根學派就是個很好的例子。1921年，在著名量子物理學家波爾的倡議下，成立了哥本哈根大學理論物理學研究所，由此形成哥本哈根學派。其中波恩、海森堡、泡利以及狄拉克等都是這個學派的主要成員。由于哥本哈根學派提供了很好的學術交流環境和學術氛圍，在這個學派里鼓勵發表不同的觀點，不迷信權威，所以涌現出了很多重要的量子力學成果。（2）可以發現自己的不足；比如愛因斯坦于1919年在剛開始推導廣義相對論的時候，在公式里人為增加了一個常數項，從而得出他起先所認為的靜態宇宙模型。不過1922年亞歷山大?弗里德曼摒棄了這個常數項，從而得出相應的宇宙膨脹理論。比利時牧師勒梅特應用這些解構造了宇宙大爆炸的最早模型，模型預言宇宙是從一個高溫致密的狀態演化而來。到1929年，哈勃等人又用實際的觀測證明我們的宇宙的確處于膨脹狀態。通過學術交流，愛因斯坦終于接受了宇宙膨脹理論，并承認添加宇宙常數項是他一生中犯下的最大錯誤。（3）可以激發自己的靈感；比如波爾在1911年從丹麥哥本哈根大學獲得博士學位后去英國學習，先在劍橋湯姆遜主持的卡文迪許實驗室工作，幾個月后又去曼徹斯特在盧瑟福的手下搞科研，這使得他對湯姆遜關于原子的西瓜模型和盧瑟福的核式原子模型了如指掌，同時他又很熟悉普朗克和愛因斯坦的量子學說，這些學術交流活動激發了他的靈感，使得他最終于1913年初創造性地把普朗克的量子說和盧瑟福的原子核概念結合起來，提出了自己的波爾原子模型。（4）可以激勵自己不斷進步和成長。比如薛定諤在1925年受到愛因斯坦關于單原子理想氣體的量子理論和德布羅意的物質波的假說的啟發，從經典力學和幾何光學間的類比提出了對應于波動光學的波動力學方程，從而奠定了波動力學的基礎。但是他一開始并不清楚他自己建立的波動方程中的波具體代表什么物理概念。起初他試圖把波函數解釋為三維空間中的振動，把振幅解釋為電荷密度，把粒子解釋為波包，但他無法解決“波包擴散”的問題。最終經過他與波恩的多次學術交流，他逐漸認識到波函數其實是代表粒子在某時某個位置出現的幾率，是一種幾率波。
二、近代物理知識簡介
近代物理的知識主要分為兩大類：相對論和量子力學。相對論分為狹義相對論和廣義相對論，內容包括伽利略坐標系、邁克爾遜-莫雷實驗、洛倫茲變換、閔可夫斯基空間、質能關系式和相對論能量-動量關系式等。量子力學知識包括黑體輻射、光電效應、波爾原子模型、康普頓效應、德布羅意波、戴維遜和革末實驗證實了電子的波動性、不確定性原理和薛定諤方程等。這些近代物理理論的公式通常比較復雜，需要用到高等數學的知識，比如薛定諤方程是一個偏微分方程，狄拉克方程里包含矩陣。因而對于近代物理公式的求解就變得十分困難，也不太直觀。圖2羅列了按時間順序出現的課堂上需要講授的量子力學公式。
黑體輻射公式描述的是頻譜（單色能密度）u（v，T）和溫度以及頻率的關系式。光電效應是指每種金屬存在截止頻率。當照射在金屬上的頻率小于截止頻率時，不管光強多大，照射時間多長，也不會有光電子產生。而當照射在金屬上的頻率大于截止頻率時，不管光強多小，也會產生光電子，且響應時間小于1納秒。光電子具有各種初速度，其最大初動能與光輻射頻率成線性關系，而與光輻射強度無關。當頻率在截止頻率之上時，單位時間內發射出來的電子數目即光電流強度與光輻射強度成正比。在光電效應理論中，光的能量和光的頻率成正比，光的動量和光的波長成反比。
波爾的原子模型給出了電子在分立軌道上的能量公式。能量和電荷的四次方成正比，跟定態的平方成反比。電子在定態具有分立的能量，在定態運動時不輻射電磁能量；但電子可以從一個定態能級躍遷到另一個能量低的定態能級，相應于兩個能級差的能量將作為光子被釋放出來。德布羅意公式則是給出了物體的能量和動量與其說對應的物質波的波長和頻率之間的關系。動量和波長成反比，而能量和頻率成正比。薛定諤方程精確地給出了物質波函數的表現形式。微觀粒子的量子態可用波函數表示。當波函數確定，粒子的任何一個力學量及它們的各種可能的測量值的幾率就完全確定。波函數跟粒子的質量和勢能相關。波函數的自變量中包含空間坐標和時間坐標。由于薛定諤方程中出現虛數i，所以波函數原則上應是復數。它同時滿足能量守恒，是線性的、單值解的。它給出的自由粒子解與簡單的德布羅意波相一致，滿足因果律。相對于薛定諤方程之于非相對論量子力學，狄拉克方程[4]是相對論量子力學的一項描述自旋-1/2粒子的波函數方程，不帶矛盾地同時遵守了狹義相對論與量子力學兩者的原理，實則為薛定諤方程的洛倫茲協變式。這個方程預言了反粒子的存在。
三、近代物理科學史和近代物理知識的結合講解
近代物理課如果只是講解近代物理知識，往往顯得枯燥無味，難以理解。其實任何科學知識都不是憑空產生的，往往經歷了好幾代人的不懈努力，最終從量變到質變，導致相對論或量子力學的建立。薛定諤方程也不是一蹴而就，而是經過很多科學家幾十年的努力。如果一開始就講解薛定諤方程，同學們通常很難理解。而如果采用循序漸進的方法并結合科學史來講，抽絲剝繭，逐漸揭開真理的面紗，那么同學們不光饒有興趣，而且更容易理解。圖3列出了結合科學史和科學人物的近代物理講解流程。在講解科學史的過程中，重點講解科學人物和他們的研究方法，以及這些近代物理公式是怎么一步步得來的。通過近代物理知識和科學史的結合講解，可以啟發同學，讓他們了解任何知識都是建立在前人知識和研究的基礎上。比如普朗克的黑體輻射公式來自于瑞利-金斯定律和維恩位移定律的啟發。瑞利-金斯定律能夠解釋低頻率下的結果，卻無法解釋高頻率下的測量結果。而維恩位移定律能夠解釋高頻率下的結果，卻無法解釋低頻率下的測量結果。而普朗克公式是把這兩種定律公式進行一下內插。通過這種歷史背景的介紹，同學們就對普朗克公式的來龍去脈知道得一清二楚，對此公式也就理解得更深刻。普朗克公式其實一開始是一個不得已而為之的公式，然后普朗克對此公式進行反推，發現只有認為能量是量子化的，才能得出跟實驗結果相吻合的普朗克公式。能量是非連續而是分立的，即使這個想法在當時是多么背離人的日常經驗和驚世駭俗，由于它是唯一的解釋，普朗克也就不得不接受了這個能量量子化思想。
而能量量子化這個理論不管在當時看上去多么荒謬，還是有人慧眼識珠的。5年之后的1905年，愛因斯坦憑著他對物理學的敏銳欣然接受了能量量子化這個觀點，并在此基礎上解釋了光電效應。近代物理的科學史是一環扣一環，十分引人入勝。在課堂上授課時通過人物->公式->人物…->公式的順序把所有近代物理的公式合理地銜接起來，自成一個整體，同學們學習起來就會思路清晰，公式也會記得牢，進而對公式能活學活用。普朗克和愛因斯坦彼此惺惺相惜，而普朗克也是少數很快發現愛因斯坦狹義相對論重要性的人之一。在愛因斯坦發表光電效應的8年之后，波爾也接受了能量量子化這個觀點，并進而創新性地提出了三個假設：（1）定態假設，即電子只能在一系列分立的軌道上繞核運動，這些軌道對應確定能量值的穩定態，電子在這些狀態（軌道）上不輻射電磁波；（2）躍遷假設，即原子在不同定態之間躍遷，以電磁輻射形式吸收或發射能量；（3）角動量量子化假設，即電子軌道角動量是分立的，首尾位相相同的環波才能穩定存在。波爾根據這三種假設成功推導出了氫原子的光譜公式，和實驗結果完全吻合。
接下來就輪到德布羅意登場。在波爾提出原子模型的10年之后，1923年德布羅意創新性地在他的博士論文里提出了波粒二象性的觀點。以前的量子論觀點都是圍繞光和能量，沒有觸及實際的物質或粒子。而德布羅意破天荒地提出任何物體都具有波粒二象性，既包括光，也包括電子、原子甚至人體等所有宇宙中的物體。德布羅意當時的博士生導師朗之萬不認可這個觀點，但是他比較有責任心，沒有直接否決掉德布羅意的博士論文，而是把論文寄給愛因斯坦定奪。而愛因斯坦對物理的理解十分透徹，他馬上承認了德布羅意的博士論文的正確性，并且將論文送去柏林科學院，使此理論在物理學界廣為傳播。1924年，德布羅意又提出可以用晶體作光柵觀察電子束的衍射來驗證他的波粒二象性理論，因為電子的波長和晶格間距處于同一個數量級。很快就有人響應了德布羅意的實驗設想，1927年，克林頓?戴維森和雷斯特?革末用電子轟擊鎳晶體，果然發現電子的衍射圖譜，和布拉格定律預測的一模一樣，這證實了德布羅意的波粒二象性理論正確無誤。既然電子是一個波，那就應該有個波動方程。所以德布羅意的理論極大地啟發了海森堡和薛定諤，導致這兩位科學家同時在1925年分別發表了薛定諤方程和矩陣力學，兩者可以得到同樣的結果。薛定諤隨后證明，兩者在數學上是等效的。薛定諤方程使用微分方程的形式，比矩陣力學容易理解，所以近代物理的授課一般只講薛定諤方程。薛定諤提出了薛定諤方程之后，又有個新問題，就是此方程不符合相對論協變性原理，即物理規律的形式在任何的慣性參考系中應該是相同的。所以需要有另外一個量子力學方程來滿足相對論。這個任務最終是3年之后（即1928年）由狄拉克來完成的。至此，在講述有趣的近代物理科學史的同時同學們也掌握了豐富的近代物理知識。
總而言之，在近代物理的教學過程中結合近代物理科學史進行授課，提高了同學們對于近代物理知識的理解和興趣，避免了填鴨式的教育，讓同學們在掌握知識的同時更了解了科學家們科學的研究方法，“授之以漁不如授之以魚”。該教改收到了十分良好的效果。
參考文獻：
[1]格雷克.牛頓傳[M].北京：高等教育出版社，2004.
[2]艾薩克森.愛因斯坦傳[M].長沙：湖南科技出版社，2012.
第2篇：量子力學和相對論的關系范文
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，從而推翻了絕對時空、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。
第3篇：量子力學和相對論的關系范文
1、相對論是20世紀杰出的物理學家阿爾伯特·愛因斯坦提出的。相對論是關于時空和引力的理論，依其研究對象的不同可分為狹義相對論和廣義相對論。
2、相對論和量子力學的提出給物理學帶來了革命性的變化，它們共同奠定了現代物理學的基礎。相對論極大地改變了人類對宇宙和自然的“常識性”觀念，提出了“同時的相對性”、“四維時空”、“彎曲時空”等全新的概念。不過近年來，人們對于物理理論的分類有了一種新的認識——以其理論是否是決定論的來劃分經典與非經典的物理學，即“非經典的=量子的”。在這個意義下，相對論仍然是一種經典的理論。
3、狹義相對論在狹義相對性原理的基礎上統一了牛頓力學和麥克斯韋電動力學兩個體系，指出它們都服從狹義相對性原理，都是對洛倫茲變換協變的，牛頓力學只不過是物體在低速運動下很好的近似規律。廣義相對論又在廣義協變的基礎上，通過等效原理，建立了局域慣性長與普遍參照系數之間的關系，得到了所有物理規律的廣義協變形式，并建立了廣義協變的引力理論，而牛頓引力理論只是它的一級近似。
4、這就從根本上解決了以前物理學只限于慣性系的問題，從邏輯上得到了合理的安排。相對論嚴格地考察了時間、空間、物質和運動這些物理學的基本概念，給出了科學而系統的時空觀和物質觀，從而使物理學在邏輯上成為完美的科學體系。
（來源：文章屋網 ）
第4篇：量子力學和相對論的關系范文
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
第5篇：量子力學和相對論的關系范文
[關鍵詞]普通物理 現代化 內容體系 方法手段
眾所周知，物理學分為經典物理和近代物理。五十年代以前，普通物理只講經典物理，五十年代以來情況發生了很大變化，各國的普通物理中紛紛增添了近代物理的內容，如天體物理，生物物理和技術等。這是科學高速發展和知識更新的必然結果。因此，普通物理課程要與時代接軌就不得不進行改革。本文從“如何進行改革”、“面臨的困難”以及“取得的成效”這三個方面來探討普通物理課程改革問題。
一、普通物理課程現代化的重要性
普通物理學是大學學習前一個階段的主要知識之一，同時也是其他學科或為本學科后續課程服務的基礎。因此，既要重視物理學本身內在的邏輯性和整體的系統性，也要重視與其他學科技術銜接的協調性以及現代科技和物理前沿發展的協同性。毋庸置疑，普通物理學與現代科學技術以及物理學前沿接口的問題，長期以來一直沒有解決好。這已經成為普通物理學教育發展的障礙，從這個意義上講，普通物理學的現代化問題已是迫在眉睫。
二、普通物理課程現代化所涉及的內容
1.教學內容的現代化。近幾年的分析表明，對課程現代化的改革概括起來主要有以下兩個方面：①運用現代的觀點，橫向拓寬和縱向延伸經典物理的內容，也就是用現代的觀點對經典物理概念和規律進行審視，或修正或補充，或重新評價或引深發揮，挖掘新意。例如，在講解力的概念時，介紹四種基本的自然力；在講解守恒定律時，插入對稱性理論；在講授熱學時，補充信息熵，耗散結構的內容；在講授狹義相對論時加進廣義相對論等。②另辟蹊徑，介紹現代物理科學的新發展。教學某些章節之后，可配置一些閱讀參考材料；或開設第二課堂，組織專題講座或報告會，介紹科技前沿的熱點題目；或開設選修課，講解近代物理內容；還可以通過習題和例題滲進現代科技新成就等。上述舉措不但有利于課程內容的現代化建設，開闊學生視野，激發學生的熱情，也有利于教師自身素質的提高。
2.教學體系的現代化。教學體系的現代化應從有利于培養學生的科學素質角度出發。科學技術的研究對象和領域正向深度和廣度發展，科學技術的研究方法也由分析方法向系統方法轉移。長期使用分析方法，容易產生孤立的靜止的看待事物和思考問題的習慣性與局限性。系統方法是把科學研究對象當做一個系統來處理，即把研究對象看成是若干相關聯的部分所組成的有機整體，分析各部分在整體中的層次方向。如在教學中將光學與振動和波動一起講，狹義相對論在力學后面講，改變以往將物理內容分為力學、熱學、電磁學、光學、近代物理幾部分的模式，在組織好傳統教學內容的基礎上，大膽地將物理學新成果、新技術、新思想、新方法有機地結合到經典課程內容里。如熱學部分加強熵的內容，介紹在信息科學及其他學科中的應用；磁學部分介紹磁鏡原理、磁流體發電等；光學部分介紹光全息等。要把經典部分和現代部分、現代物理內容與經典物理內容有機地融為一體，教師需要不斷地深入研究與探索。
3.教學方法手段的現代化。要進行教學內容體系的改革，目前的學時就顯得緊張。因此，教學方法和教學手段的現代化是至關重要的。教學方法的現代化應以現代教育理論為基礎，處理好教師和學生的關系，重在加強學生能力和素質的培養。教學手段的現代化要求充分運用教學媒體和其他工具以增強教學效果，如幻燈、投影、錄像、CAI等。運用現代化教學手段能使物理課既深入又生動，而且信息量大，有力地保證了教學改革的順利進行。
三、普通物理課程現代化改革所面臨的困難
普通物理課程的現代化面臨二個矛盾：一是課程現代化與學時的矛盾；二是如何進行現代化。
先談課程現代化與學時的矛盾。就程守誅、江之永先生合編的普通物理教材來說，從1961年第一版到1979年第二版，一直到1982年的修訂本，很明顯，是在不斷地對原來的經典內容進行改革，并充實了近代物理的內容。如狹義相對論、量子力學、激光技術等。教材內容不斷增加，而學時不可能增加，甚至可能減少（因為新的學科，如計算機應用課程的開設）。這就是課程現代化與學時的矛盾。再談如何進行現代化的問題。現在的普通物理一般分為經典物理和近代物理兩部分，近代物理的理論基礎是相對論和量子力學。眾所周知，相對論和量子力學不僅包含大量的數學知識，而且還非常抽象。怎樣避開高深、枯燥的數學，用形象化的圖畫來表示抽象的東西，這就要求教師要用普通物理的風格來講相對論和量子力學。在普通物理課程中，對當前物理學中最前沿的熱點作適當的介紹固然是課程現代化的一個方案，但如何用普通物理的風格對前沿物理學熱點作適當的介紹仍是擺在教師及教育工作者面前的一個難題。
總之，普通物理現代化是一項重要而艱難的任務。通過幾年的實踐，普通物理現代化取得了成果，但也存在矛盾。這說明普通物理現代化是一項長期而細致的工作，絕不能一蹴而就。需要廣大教育工作者不斷積累經驗，互相交流，去弊存利，把普通物理課程現代化改革逐步推向前進。
參考文獻：
[1]趙凱華.普通物理現代化問題[J].大學物理,1992,11,(9):6.
第6篇：量子力學和相對論的關系范文
[關鍵詞]物理學理論 計算機技術 量子計算機
中圖分類號：O4-39 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）27-0198-01
一、近代物理學理論的發展與現代物理學理論
現代物理學的發展即為19世紀至今，是現代物理學理論發展不斷壯大的時期。
當力學，熱力學，統計學，電磁學都發展的很完善時，有“兩個不穩定因素”打破了物理界的當時的境況，推動了物理學的變革。第一個是邁克爾遜-莫雷實驗，即在實驗中沒測到“以太風”，也就是說不存在真正的參考系，光速與光源運動無關，光速各向同性。第二個是黑體輻射實驗，用經典物理學理論無法解釋實驗結果。
20世紀初，愛因斯坦打破了傳統的物理學理論，提出了俠義相對論，徹底了之前牛頓提出的絕對時空觀的理論。十年后又創立了廣義相對論，闡述了萬有引力的實質。
物理學界的第二個穩定因素――黑體輻射實驗，通過普朗克，愛因斯坦，玻爾等一大批物理學家的努力下，量子力學應時誕生了。隨著薛定諤波動方程解釋物質與波的關系，量子力學愈來愈趨于完善。
量子力學與相對論力學在現代物理學理論發展中是不可忽略的偉大成就。這兩個的研究的對象也發生了改變，由低速到高速，宏觀到微觀等，物理學理論也日趨成熟。
二物理學理論是計算機誕生的基礎
物理學作為理論基礎：隨著微積分、力學三大定律、萬有引力定律，經典光學理論的建立，總所周知的一位偉大的物理學家――牛頓的整個力學的體系也完美的呈現于人們眼中。一對天才數學家布爾和德莫根歷經無數次的推演證明，挖掘出了數理邏輯中那閃耀著最亮的光輝――布爾代數：電磁理論則是偉大的物理學家法拉第和麥克斯文創立的！而微觀領域上的量子力學經由多位物理學家――德布羅意、玻爾、愛因斯坦、海森伯、薛定諤建立;還有電子三極管經過無數次實驗也被德弗雷斯發明出來了。
上世紀40年代，200多位的專家研制小組由美國國防部任命的莫奇利和埃克特領導著并且克服了無數困難，兩年中堅持的開發創新，人類第一臺計算機――ENIAC（1946）在賓夕法尼亞大學研制成功！這不僅是第一臺電子管數字積分計算機更是人類文明進步的一大步。
隨著第一臺計算機的成功研制的第二年，一種不僅小而且安全可靠，又不會變熱，結構也什么簡單的晶體管在美國的科學家巴丁等人研制出來。德克薩斯一器和仙童公司也緊跟著飛速發展的科技的步伐，在1953年成功的生產出了首個集成電路。次年，得克薩斯儀器公司首先的宣布他們擁有了集成電路的生產線，這意味著集成電路可以大量的投入生產和使用，然后TRADIC――首臺晶體管計算機誕生了，這個在體積上要小很多的計算機就誕生了。
伴隨著集成電路的出現，第三代計算機則是誕生在60年代中期。同樣是由IBM公司生產出的IBN600系列計算機成為了第三代計算機的代表產品。早一些的INTEL8080CPU的晶體管集成度超過5000管/片，1977年在一個小小的硅片上就可包含幾萬個管子。
隨著時間的推移，以大比例的集成電路當作邏輯元件和存儲器的第四代計算機也向著微型或巨型改。計算機的處理器也由8086不停地在轉化，到了我們熟知的奔騰系列。
不管是計算機的理論基礎還是硬件設施，其實都是以物理學理論為根本的。物理學理論與計算機技術在未來的日子里互相補益，會不斷的推動科學向前飛速發展的。
三、計算機零件應用的物理學理論
液晶屏，一聽名字就可以想象得到它是以液晶材料為基本組件的。實際上液晶屏就是把液晶材料填充于兩塊平行板之間，并且利用電壓來改變其材料內部的分子排列情況，控制遮光與透光以顯示明暗不同，鱗次櫛比的圖案。如果想要顯示彩色的圖案時，只要把帶著三元色的濾光層加入到兩塊平行板之間就可以了。液晶屏的廣泛應用還因為其功耗十分的低，應用電池的電子產品都可以配置液晶屏。由于液晶介于固態與液態之間，那么就可以既體現固態晶體所有的光學特性，還可以表現出液態的流動特性。總結液晶的物理特性可歸納為：粘性、彈性和其極化性。
目前的CPU一般就是包括三個部分：基板、核心、針腳。大家都知道有一種電腦的硬件的組成的基本單位十分的重要，就是晶體管，而CPU的主要的組成也是晶體管。AMD主流CPU內核在早期的Palomino核心和Thoroughbred-B核心的配備，通常采用3750萬個晶體管，而Barton核心使用了5400萬個晶體管，核心Opteron處理器使用多達1.06億個晶體管;。因此，實際上說的CPU核心構成的最基本單位就是晶體管的的芯數，針腳。所說的基板通常是印刷電路板，它承載著核心與針腳。然后該晶體管通過電路連接，成為一個不可或缺的整體，然后可以去分成不同的執行單元，每個單元又可以去處理不同的數據，這樣有秩序的完成每個任務，才會準確而快速，這也是CPU為何擁有如此強大的處理能力的原因。
其實還有很多的零件都運用了大量的物理學理論。下面向大家介紹一下比較先進的計算機――量子計算機。
四、簡介量子計算機
從物理觀點看，計算機是一個物理系統.計算過程是一個物理過程。量子計算機是一個量子力學系統，量子計算過程就是這個量子力學系統內量子態的演化過程。
量子計算機以量子力學建立邏輯體系，與量子計算機有關的量子力學的原理，即量子狀態的主要性質包括：狀態疊加、干涉性、狀態變化、糾纏、不可復制性與不確定性。
量子計算機具有學術價值和產業價值不可估量。對人類的文明，它實際上是一個很大的進步，我認為最主要的方面則是它的工業價值。最直接的應用各種各樣的量子算法，他就可以用于商用化。
可以回想機器在20年前的悲慘境況和現在的春分得意，利用機器學習是很難在工業部門查找數值，因為計算能力的時候真的很爛。然后還要測試幾個月，誰還有時間來調整參數啊。而這兩十年間，計算機體系結構不斷的優化下，機器學習強大了好多倍。想想看，如果我們比今天的計算能力更強大，我們無法想象一個強大的AI強量子任務不是指日可待？而當每家每戶都有一個量子計算機，互聯網將演變成什么形式？總之，商業量子計算機將是未來科技的發動機，就像蒸汽機是工業文明的象征，量子計算機的前景值得我們期待！
我國科技飛速發展的今天，我們不難發現現代生活已經步入了一個電子的天堂，計算機將會發揮它不可估量的價值，而作文計算機技術的支架――物理學理論也在不斷的發展著，這就要求我們在緊跟著的腳步，努力研究，發現問題、認識問題、解決問題，逐漸的將我們國力壯大，2020年全面建成小康社會。
參考文獻
[1] 王炳根.百年物理學發展的回顧與未來的展望[J].南平師專學報. 1997，04：11-14.
第7篇：量子力學和相對論的關系范文
二十世紀即將結，二十一世紀即將來臨，二十世紀是光輝燦爛的一個世紀，是個類社會發展最迅速的一個世紀，是科學技術發展最迅速的一個世紀，也是物理學發展最迅速的一個世紀。在這一百年中發生了物理學革命，建立了相對信紙和量子力學，完成了從經典物理學到現代物理學的轉變。在二十世紀二、三十年代以后，現代物理學在深度和廣度上有了進一步的蓬勃發展，產生了一系列的新學科的交叉學科、邊緣學科，人類對物質世界的規律有了更深刻的認識，物理學理論達到了一個新高度，現代物理學達到了成熟的階段。
在此世紀之交的時候，人們自然想展望一下二十一世紀物理學的發展前景，探索今后物理學發展的方向。我想談一談我對這個問題的一些看法和觀點。首先，我們來回顧一下上一個世紀之交物理學發展的情況，把當前的情況與一百年前的情況作比較對于探索二十一世紀物理學發展的方向是很有幫助的。
一、歷史的回顧
十九世紀末二十世紀初，經典物物學的各個分支學科均發展到了完善、成熟的階段，隨著熱力學和統計力學的建立以及麥克斯韋電磁場理論的建立，經典物理學達到了它的頂峰，當時人們以系統的形式描繪出一幅物理世界的清晰、完整的圖畫，幾乎能完美地解釋所有已經觀察到的物理現象。由于經典物理學的巨大成就，當時不少物理學家產生了這樣一種思想：認為物理學的大廈已經建成，物理學的發展基本上已經完成，人們對物理世界的解釋已經達到了終點。物理學的一些基本的、原則的問題都已經解決，剩下來的只是進一步精確化的問題，即在一些細節上作一些補充和修正，使已知公式中的各個常數測得更精確一些。
然而，在十九世紀末二十世紀初，正當物理學家在慶賀物理學大廈落成之際，科學實驗卻發現了許多經典物理學無法解釋的事實。首先是世紀之交物理學的三大發現：電子、X射線和放射性現象的發現。其次是經典物理學的萬里晴空中出現了兩朵“烏云”：“以太漂移”的“零結果”和黑體輻射的“紫外災難”。[1]這些實驗結果與經典物理學的基本概念及基本理論有尖銳的矛盾，經典物理學的傳統觀念受到巨大的沖擊，經典物理發生了“嚴重的危機”。由此引起了物理學的一場偉大的革命。愛因斯坦創立了相對論；海林堡、薛定諤等一群科學家創立了量子力學。現代物理學誕生了！
把物理學發展的現狀與上一個世紀之交的情況作比較，可以看到兩者之間有相似之外，也有不同之處。
在相對論和量子力學建立起來以后，現代物理學經過七十多年的發展，已經達到了成熟的階段。人類對物質世界規律的認識達到了空前的高度，用現有的理論幾乎能夠很好地解釋現在已知的一切物理現象。可以說，現代物理學的大廈已經建成。在這一點上，目前有情況與上一個世紀之交的情況很相似。因此，有少數物理學家認為今后物理學不會有革命性的進展了，物理學的根本性的問題、原則問題都已經解決了，今后能做到的只是在現有理論的基礎上在深度和廣度兩方面發展現代物理學，對現有的理論作一些補充和修正。然而，由于有了一百年前的歷史經驗，多數物理學家并不贊成這種觀點，他們相信物理學遲早會有突破性的發展。另一方面，雖然在微觀世界和宇宙學領域中有一些物理現象是現代物理學的理論不能很好地解釋的，但是這些矛盾并不是嚴重到了非要徹底改造現有理認紗可的程度。在這方面，目前的情況與上一個世紀之交的情況不同。在上一個世紀之交，經典物理學發生了“嚴重的危機”；而在本世紀之交，現代物理學并無“危機”。因此，我認為目前發生現代物理學革命的條件似乎尚不成熟。
雖然在微觀世界和宇宙學領域中有一些物理現象是現代物理學的理論不能很好地解釋的，但是這些矛盾并不是嚴重到了非要徹底改造現有理認紗可的程度。在這方面，目前的情況與上一個世紀之交的情況不同。在上一個世紀之交，經典物理學發生了“嚴重的危機”；而在本世紀之交，現代物理學并無“危機”。因此，我認為目前發生現代物理學革命的條件似乎尚不成熟。客觀物質世界是分層次的。一般說來，每個層次中的體系都由大量的小體系（屬于下一個層次）構成。從一定意義上說，宏觀與微觀是相對的，宏觀體系由大量的微觀系統構成。物質世界從微觀到宏觀分成很多層次。物理學研究的目的包括：探索各層次的運動規律和探索各層次間的聯系。
回顧二十世紀物理學的發展，是在三個方向上前進的。在二十一世紀，物理學也將在這三個方向上繼續向前發展。
1）在微觀方向上深入下去。在這個方向上，我們已經了解了原子核的結構，發現了大量的基本粒子及其運規律，建立了核物理學和粒子物理學，認識到強子是由夸克構成的。今后可能會有新的進展。但如果要探索更深層次的現象，必須有更強大得多的加速器，而這是非常艱巨的任務，所以我認為近期內在這個方向上難以有突破性的進展。
2）在宏觀方向上拓展開去。1948年美國的伽莫夫提出“大爆炸”理論，當時并未引起重視。1965年美國的彭齊亞斯和威爾遜觀測到宇宙背景輻射，再加上其他的觀測結果，為“大爆炸”理論提供了有力的證據，從此“大爆炸”理論得到廣泛的支持，1981年日本的佐藤勝彥和美國的古斯同時提出暴脹理論。八十年代以后，英國的霍金[2,3]等人開始論述宇宙的創生，認為宇宙從“無”誕生，今后在這個方向上將會繼續有所發展。從根本上來說，現代宇宙學的繼續發展有賴于向廣漠的宇宙更遙遠處觀測的新結果，這需要人類制造出比哈勃望遠鏡性能更優越得多的、各個波段的太空天文望遠鏡，這是很艱巨的任務。
我個人對于近年來提出的宇宙創生學說是不太信的，并且認為“大爆炸”理論只是對宇宙的一個近似的描述。因為現在的宇宙學研究的只是我們能觀測到的范圍以內的“宇宙”，而我相信宇宙是無限的，在我們這個“宇宙”以外還有無數個“宇宙”，這些宇宙不是互不相干、各自孤立的，而是互相有影響、有作用的。現代宇宙學只研究我們這個“宇宙”，當然只能得到近似的結果，把他們的延伸到“宇宙”創生了初及遙遠的未來，則失誤更大。
3）深入探索各層次間的聯系。
這正是統計物理學研究的主要內容。二十世紀在這方面取得了巨大的成就，先是非平衡態統計物理學有了得大的發展，然后建立了“耗散結構”理論、協同論和突變論，接著混沌論和分形論相繼發展起來了。近年來把這些分支學科都納入非線性科學的范疇。相信在二十一世紀非線性科學的發展有廣闊的前景。
上述的物理學的發展依然現代物理學現有的基本理論的框架內。在下個世紀，物理學的基本理論應該怎樣發展呢？有一些物理學家在追求“超統一理論”。在這方面，起初是愛因斯坦、海森堡等天才科學家努力探索“統一場論”；直到1967、1968年，美國的溫伯格和巴基斯坦的薩拉姆提出統一電磁力和弱力的“電弱理論”；目前有一些物理學家正在探索加上強力的“大統一理論”以及再加上引力把四種力都統一起來的“超統一理論”，他們的探索能否成功尚未定論。
愛因斯坦當初探索“統一場論”是基于他的“物理世界統一性”的思想[4]，但是他努力探索了三十年，最終沒有成功。我對此有不同的觀點，根據辯證唯物主義的基本原理，我認為“物質世界是既統一，又多樣化的”。且莫論追求“超統一理論”能否成功，即便此理論完成了，它也不是物理學發展的終點。因為“在絕對的總的宇宙發展過程中，各個具體過程的發展都是相對的，因而在絕對真理的長河中，人們對于在各個一定發展階段上的具體過程的認識只具有相對的真理性。無數相對的真理之總和，就是絕對的真理。”“人們在實踐中對于真理的認識也就永遠沒有完結。”[5]
現代物理學的革命將怎樣發生呢？我認為可能有兩個方面值得考試：
1）客觀世界可能不是只有四種力。第五、第六……種力究竟何在呢？現在我們不知道。我的直覺是：將來最早發現的第五種力可能存在于生命現象中。物質構成了生命體之后，其運動和變化實在太奧妙了，我們沒有認識的問題實在太多了，我們今天對于生命科學的認識猶如亞里斯多德時代的人們對于物理學的認識，因此在這方面取得突破性的進展是很可能的。我認為，物理學業與生命科學的交叉點是二十一世紀物理學發展的方向之一，與此有關的最關于復雜性研究的非線性科學的發展。
2）現代物理學理論也只是相對真理，而不是絕對真理。應該通過審思現代物理學理論基礎的不完善性來探尋現代物理學革命的突破口，在下一節中將介紹我的觀點。
三、現代物理學的理論基礎是完美的嗎？
相對論和量子力學是現代物理學的兩大支柱，這兩大支柱的理論基礎是否十全十美的
呢？我們來審思一下這個問題。
1）對相對論的審思
當年愛因斯坦就是從關于光速和關于時間要領的思考開始，創立了狹義相對論[1]。我們今天探尋現代物理學革命的突破口，也應該從重新審思時空的概念入手。愛因勞動保護坦創立狹義相對論是從講座慣性系中不同地點的兩個“事件”的同時性開始的[4]，他規定用光信號校正不同地點的兩個時鐘來定義“同時”，這樣就很自然地導出了洛侖茲變換，進一步導致一個四維時空（x，y，z，ict）（c是光速）。為什么愛因勞動保護擔提出用光信號來校正時鐘，而不用別的信號呢？在他的論文中沒有說明這個問題，其實這是有深刻含意的。
時間、空間是物質運動的表現形式，不能脫離物理質運動談論時間、空間，在定義時空時應該說明是關于什么運動的時空。現代物理學認為超距作用是不存在的，A處發生的“事件”影響B處的“事件”必須通過一定的場傳遞過去，傳遞需要一定的時間，時間、空間的定義與這個傳遞速度是密切相關的。如果這種場是電磁場，則電磁相互作用傳遞的速度就是光速。因此，愛因斯坦定義的時空實際上是關于由電磁相互作用引起的物質運動的時空，適用于描述這種運動。
愛因斯坦把他定義的時間應用于所有的物質運動，實際上就暗含了這樣的假設：引力相互作用的傳遞速度也是光速c.但是引力相互作用是否也是以光速傳遞的呢？令引力相互作用的傳遞速度為c＇。至今為止，并無實驗事實證明c＇等于c。愛因斯坦因他的“物質世界統一性”的世界觀而在實際上假定了c=c＇。我持有“物質世界既統一，又多樣化的”以觀點，再加之電磁力和引力的強度在數量級上相差太多，因此我相相信c＇可能不等于c。工樣，關于由電磁力引起的物質運動的四維時空（x，y，z，ict）和關于由引力引起的運動的時空（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）是不同的。如果研究的問題只涉及一種相互作用，則按照現在的理論建立起來的運動方程的形式不變。例如，愛因斯坦引力場方程的形式不變，只需把常數c改為c＇。如果研究的問題涉及兩種相互作用，則需要建立新的理論。不過，首要的事情是由實驗事實來判斷c＇和c是否相等；如果不相等，需要導出c＇的數值。
我在二十多年前開始形成上述觀點，當時測量引力波是眾所矚目的一個熱點，我曾對那些實驗寄予厚望，希望能從實驗結果推算出c＇是否等于c。令人遺憾的是，經過長斯的努力引引力波實驗沒有獲得肯定的結果，隨后這項工作冷下去了。根據愛國斯坦理論預言的引力波是微弱的，如果在現代實驗技術能夠達到的測量靈敏度和準確度之下，這樣弱的引力波應該能夠探測到的話，長期的實驗得不到肯定的結果似乎暗示了害因斯坦理論的缺點。應該從c＇可能不等于c這個角度來考慮問題，如果c＇和c有較大的差異，則可能導出引力波的強度比根據愛因勞動保護坦理論預言的強度弱得多的結果。
弱力、強力與引力、電磁力有本質的不同，前兩者是短程力，后兩者是長程力。不同的相互作用是通過傳遞不同的媒介粒子而實現的。引力相互作用的傳遞者是引力子；電磁相互作用的傳遞者是光子；弱相互作用的傳遞者是規范粒子（光子除外）；強相互作用的傳遞者是介子。引力子和光子的靜質量為零，按照愛因斯坦的理論，引力相互作用和電磁相互作用的傳遞速度都是光速。并且與傳遞粒子的靜質量和能量有關，因而其傳遞速度是多種多樣的。
在研究由弱或強相互作用引起的物質運動時，定義慣性系中不同的地點的兩個“事件”的“同時”，是否應該用弱力或強力信號取代光信號呢？我對核物理學和粒子物理學是外行，不想貿然回答這個問題。如果應該用弱力或強力信號取代光信號，那么關于由弱力或強力引起的物質運動的時空和關于由電磁力引起的運動的時空（x，y，z，ict）及關于由引力引起的運動的時空（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）
有很大的不同。設弱或強相互作用的傳遞速度為c＇＇，c＇＇不是常數，而是可變的，則關于由弱或強力引起的運動的時空為（x＇＇，y＇＇，z＇＇，Ic＇＇t＇＇），時間t＇＇和空間（x＇＇，y＇＇，z＇＇）將是c＇的函數。然而，很可能應該這樣來考慮問題：關于由弱力引起的運動的時空，在定義中應該以規范粒子的靜質量取作零時的速度c1取代光速c。由于“電弱理論”把弱力和電磁力統一起來了，因此有可能c1=c，則關于由弱力引起的運動的時空和關于由電磁力引起的運動的時空是相同的，同為（x，y，z，ict）。關于由強力引起的運動的時空，在定義中應該以介子的靜質量取作零（在理論上取作零，在實際上沒有靜質量為零的介子）時的速度c＇＇取代光速c，c＇＇可能不等于c。則關于由強力引起的運動的時空（x＇＇，y＇＇，z＇＇，Ic＇＇t＇＇）不同于（x，y，z，ict）或（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）。無論上述兩種考慮中哪一種是對的，整個物質世界的時空將是高于四維的多維時空。對于由短程力（或只是強力）引起的物質運動，如果時空有了新的一義，就需要建立新的理論，也就是說需要建立新的量子場論、新的核物理學和新的粒子物理學等。如果研究的問題既清及長程力，又涉及短程力（尤其是強力），則更需要建立新的理論。
1）對量子力學的審思
從量子力學發展到量子場論的時候，遇到了“發散困難”[6]。1946——1949年間，日本的朝永振一郎、美國的費曼和施溫格提出“重整化”方法，克服了“發散困難”。但是“重整化”理論仍然存在著邏輯上的缺陷，并沒有徹底克服這一困難。“發散困難”的一個基本原因是粒子的“固有”能量（靜止能量）與運動能量、相互作用能量合在一起計算[6]，這與德布羅意波在υ=0時的異性。
現在我陷入一個兩難的處境：如果采用傳統的德布羅意關系，就只得接受不合理的德布羅意波奇異性；如果采納修正的德布羅意關系，就必須面對使新的理論滿足相對論協變性的難題。是否有解決問題的其他途徑呢？我認為這個問題或許還與時間、空間的定義有關。現在的量子力學理論中時寬人的定義實質上依然是決定論的定義，而不確定原理是微觀世界的一條基本規律，所以時間、空間都不是嚴格確定的，決定論的時空要領不再適用。在時間或空間的間隔非常小的時候，描寫事情順序的“前”、“后”概念將失去意義。此外，在重新定義時空時還應考慮相關的物質運動的類別。模糊數學已經發展得相當成熟了，把這個數學工具用到微觀世界時空的定義中去可能是很值得一試的。
1）在二十一世紀物理學將在三個方向上繼續向前發展（1）在微觀方向上深入下去；（2）在宏觀方向上拓展開去；（3）深入探索各層次間的聯系，進一步發展非線性科學。
2）可能應該從兩方面去控尋現代物理學革命的突破口。（1）發現客觀世界中已知的四種力以外的其他力；（2）通過審思相對論和量子力學的理論基礎，重新定義時間、空間，建立新的理論
第8篇：量子力學和相對論的關系范文
>> 關于宇宙—經驗不夠，理論來湊 風格不夠 配飾來湊 畫不夠，文來湊 戲不夠，雙胞胎來湊？ 飯不夠湯來湊功能不夠插件幫忙 《別讓我走》深沉不夠 愛情來湊 高質量的秀不夠，showroom來湊 氣質不夠設備來湊 簡聽發光耳機 凱迪拉克ATS―L：時間不夠？彈幕來湊！ 錢不夠 政策湊 球員不夠教練湊 字數不夠妙招湊 氣色不夠唇色湊 客流不夠政府湊 顯存不夠內存湊 小個子博主的顯高穿衣術 身高不夠 衣品來湊 孩子睡不夠 喜歡吃來湊 宇宙隊員來報到 氣血不夠 艾灸來補 宇宙演化的最新理論 常見問題解答 當前所在位置：中國 > 政治 > 關于宇宙—經驗不夠,理論來湊 關于宇宙—經驗不夠,理論來湊 雜志之家、寫作服務和雜志訂閱支持對公帳戶付款！安全又可靠！ document.write("作者： 澤亞·梅拉里")
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“想象一下，有一天你醒來后，突然意識到自己生活在一個電腦游戲中—”加拿大物理學家馬克·范拉姆斯東克說。這聽起來像是科幻電影，但對他來說，這個場景是思考現實的一種方式。如果這是真實的，“我們周圍的所有東西—整個三維物理世界，就是別處一個二維芯片的編碼信息所產生的幻覺。”也就是說，我們的宇宙及其三維空間，只是低維度基質所投射出的全息圖（hologram）。即使從理論物理學的一般標準來看，這種“全息原理”也是很奇特的。
不過有一小部分研究人員認為這還不夠奇特，范拉姆斯東克就是其中之一。他們認為，如果現代物理的兩大支柱，廣義相對論（把引力描述為空間和時間的彎曲）以及統領原子世界的量子力學，都不能解釋空間和時間的存在，其他現有理論就更不可能了。
范拉姆斯東克和同事確信，只有解釋出空間和時間的起源，物理學才是完整的。而這樣的構想將需要大膽的設想，例如“全息圖”概念。只有對現實進行激烈的概念重建，才能夠解釋，當黑洞中心無限致密的“奇點”將時空結構扭曲得超越了我們所有認知時，到底發生了什么；這也是研究者統一原子尺度的量子理論與星際尺度的廣義相對論的唯一途徑。已經有幾論物理學家在為這個大統一理論而奮斗。“所有的經驗告訴我們，不應該存在兩個關于現實的截然不同的基本觀念—必然存在一個可以包羅萬象的宏大理論，”美國物理學家阿布依·阿希提卡如是說。找尋這樣的宏大理論是一個艱巨的挑戰。
本文介紹了一些有前景的研究理論以及一些用于檢驗這些理論的新觀點。 熱力學引力
有哪些證據顯示，存在比空間和時間更基本的東西？
20世紀70年代初，當量子力學和引力與熱力學之間的聯系越來越清晰時，一系列驚人的發現給出了一個令人興奮的線索。
1974年英國劍橋大學的斯蒂芬·霍金證明，黑洞周圍空間的量子效應使得黑洞向外釋放熱輻射。其他物理學家很快驗證了這種現象的普遍性。
1995 年，美國物理學家特德·雅各布森把這兩個發現合并為一，假設空間中的每一點都處在一個微小的“黑洞視界面上”，每一點都滿足“熵—面積”的關系。在這樣的假設下，他發現只需利用熱力學中的概念，通過數學方法就可以得到廣義相對論的愛因斯坦方程，而不需要時空彎曲的觀點。
2010年，這個觀點又被荷蘭弦理論學家埃里克·韋爾蘭德推進了一步。他證明了無論時空的組分是什么，它們的統計熱力學都能自動地生成牛頓萬有引力定律。印度宇宙學家他努·帕德馬納班也發現，愛因斯坦方程可以寫成一種與熱力學定律一致的形式，引力的許多其他理論也可以做這樣的改寫。帕德馬納班正在嘗試用熱力學的方法來解釋暗能量的起源和大小。 因果集
加拿大物理學家拉斐爾·索爾金是因果集理論的先驅，這個理論假設時空的基石只是簡單的數學點，通過一條條鏈連接起來，每條鏈都從過去指向未來。每一條這樣的鏈都是因果關系的簡要表示，意味著較早的點會影響較晚的點，但反之不成立。這樣形成的網絡就像一棵不斷長大的樹，逐漸長成了時空。“你可以想象空間從許多點中產生，與溫度從許多原子中出現是類似的。”索爾金說，“問‘一個原子的溫度是什么？’這個問題是沒有意義的，只有對于一大堆原子，溫度的概念才有意義。”
上世紀80年代末，索爾金利用這個理論框架來估算可觀測的宇宙所包含的點的數目，他還推測出，這些點應該都會產生一種微弱的內在能量，最終導致了宇宙的加速膨脹。幾年后，暗能量的發現證實了他的推測。“人們通常認為量子引力的預言是無法檢驗的，但這就是一個可檢驗的例子。”英國量子引力學家喬·亨森說，“如果暗能量的值更大或者為零，因果集理論就被排除了。” 全息
范拉姆斯東克根據全息原理，提出了一個完全不同的關于時空起源的觀點。黑洞以類似全息圖的方式將全部熵儲存在表面，受此現象啟發，美國弦理論學家胡安·馬爾達塞納，首先給出了黑洞全息原理的準確數學表達式。這一極有影響力的全息宇宙模型發表于1998年。在這個模型中，宇宙的三維內部包含著僅由引力控制的弦和黑洞，而宇宙的二維邊界包含的粒子和基本場，則滿足沒有引力的普通量子定律。三維空間中，假想居民看不到二維邊界，因為它是無限遠的。但這并不影響數學推導：在三維宇宙中發生的任何事情，都可以等價地用二維邊界中的方程很好地描述出來，反之亦然。
2010年，范拉姆斯東克研究了邊界中的量子粒子相互“糾纏”（這意味著測量一個粒子會不可避免地影響到另一個）的情形。范拉姆斯東克總結說，三維宇宙實際上是被邊界上的量子糾纏扯到一起的。在某種程度上，這意味著量子糾纏和時空是同樣的東西。或者就像馬爾達塞納指出的那樣，“這說明量子是最基礎的，時空是由其衍生出來的。”
更多內容，詳見《科學美國人》中文版《環球科學》2013年12月號 新知科技改變生活
【上月球種菜】人類未來能否在月球上生活？科學家打算先嘗試在月球上種菜。按照計劃，NASA將在2015年，通過一艘商業太空船，向月球運輸一些植物種子以及適合這些植物生長5至10天的材料。植物的生長過程將被全程記錄并傳送回地球，以對比植物在地球與月球上的生長差異。
—中國青年報
【捕獲幽靈粒子】 “冰立方” 研究項目的科學家在《科學》發文稱，位于南極冰層一英里下的“冰立方”巨型中微子探測器，已發現28個來自太陽系外的高能中微子。中微子是一種中性粒子，可不受干擾地筆直劃過宇宙，通過反向查找這些粒子的源頭，科學家將可以得到各種宇宙事件的第一手資料。
—環球科學雜志社
第9篇：量子力學和相對論的關系范文
打開自然科學教科書，映入眼簾的是哥白尼、牛頓、達爾文、法拉第、愛因斯坦等一連串外國科學家閃光的名字。歷史將會牢記、人類也將會牢記他們！細心的讀者也許會沮喪地發現：在這一串閃光的名字中很難找到中國科學家！
據不完全統計，近一百多年來因為科學貢獻而被寫進自然科學教科書的中國科學家也就100名左右，除去那些驗證性、修正性工作而自己沒有重大原始創新的科學家，剩下的可能不足50名，而有正式數學公式傳世（被寫進教科書）的中國科學家更是不足30名。甘永超，憑借“波粒二象關系式（Gan矩陣與Gan變換）”成為了最新加入這一群體的中國學者。
與卡門-錢學森公式、錢偉長方程、吳文俊公式……相比，甘永超可謂名不見經傳，然而他提出的“波粒二象關系式”卻能把量子力學的兩大開山之作（德國物理學家普朗克1900年提出的能量子假說：ε=hv，獲1918年諾貝爾物理學獎；法國物理學家德布羅意1923年提出的物質波假說：λ=h/p，獲1929年諾貝爾物理學獎）完美地統一起來，并且還可以揭示“波”與“粒子”之間的直接、線性關系并給出精準的數學表達（那可是物理學所面臨的尚未征服的山峰中的最高峰），就像愛因斯坦的質能關系式揭示“質量”與“能量”的直接、線性關系并給出精準的數學表達一樣！此外，該公式還揭示了“物質”與“空間”之間的必然聯系，就像愛因斯坦的相對論揭示“時間”與“空間”、“質量”與“能量”之間的必然聯系一樣。
早在大學時代，甘永超就對物質結構理論，尤其是波粒二象性產生了濃厚興趣。后經我國科學界泰斗王淦昌院士推薦而成為上海大學物理系主任沈文達教授（沈先生早年曾師從諾貝爾物理學獎獲得者、量子光學之父、哈佛大學教授羅伊·格勞伯）的研究生。經過20多年錘煉，甘永超創立的一個物理公式（波粒二象關系式）、兩個物理模型（“π型三重波粒二象性”與“太極粒子波”）已經被寫進“21世紀高等院校教材”《自然科學概論》（婁兆文等編、科學出版社、2012年版44-48頁）。這是一百多年以來很少見到的事情。當然，其間的曲折可能一言難盡。這里僅就甘永超所提出的一個物理公式、兩個物理模型稍作介紹。
“波粒二象關系式（Gan矩陣與Gan變換）”不僅數學形式對稱、優美，而且還可以作為量子力學的基本原理而直接導出量子力學的兩大開山之作（普朗克的能量子假設和德布羅意的物質波假設），精辟地揭示“波”與“粒子”、“物質”與“空間”之間的緊密聯系。我們知道，實物（粒子）與場（波）之間的關系被前蘇聯科學家瑞德尼克在《量子力學史話》中稱之為“物理學所面臨的尚未征服的山峰中的最高峰”，所以，對“波粒二象關系式（Gan矩陣與Gan變換）”的研究，將會打開一座巨大的寶藏，只是這座寶藏（波粒二象關系式的物理內涵）神秘莫測，我們現在還遠遠沒有弄清楚。
作為初步推斷，“波粒二象關系式”至少是對“π型三重波粒二象性”這一物理模型的數學抽象，而“太極粒子波”則又是對“π型三重波粒二象性”（當然也包括“波粒二象關系式”） 的進一步解讀和發展。事實上，這一個物理公式、兩個物理模型，首尾呼應，渾然天成，開辟了繼“分子物理”、“原子物理”、“原子核物理”、“粒子物理”之后的又一個新學科與新領域“波與粒子的統一——‘太極粒子波物理’”并預言了一種新式武器——“巨粒子炮”的存在。
我們知道，“第一種波粒二象性（光的波粒二象性）”由愛因斯坦1905年揭示、密立根1916年驗證，“第二種波粒二象性（實物粒子的波粒二象性）”由德布羅意1923年揭示、戴維森和小湯姆孫1927年驗證，兩者的揭示與驗證曾四次頒發諾貝爾物理學獎。然而，盡管前兩種波粒二象性的揭示與驗證四獲諾貝爾物理學獎，但“波粒二象性之謎”卻并沒有完全揭開，它與“光的本性之謎”、“粒子與場的關系之謎”、“物質世界的最基本結構單元之謎”依然是物理學前沿的四大疑難問題。對此，甘永超基于他“經典電磁場按光子對應分解”亦即“第三種波粒二象性”的揭示，完成了“三種波粒二象性的和諧統一”并揭示了微觀客體的“π型三重波粒二象性”——這是比“光的波粒二象性”、“實物粒子的波粒二象性”更高層次的理論，蘊含著物質世界的更深刻本質。在這里，“光的波粒二象性”與“實物粒子的波粒二象性”雖然四獲諾貝爾獎，卻不過是“π型三重波粒二象性”的兩個分支或者推論，屬于管中窺豹、瞎子摸象，只有“π型三重波粒二象性”才是揭示微觀客體深刻本質的實質性內容。換言之，我們司空見慣的“電磁波”與“光量子”不過是“太極光子波”的兩種變化形式，就像“白骨精”變化而成的“村姑”與“老媼”一樣。
