時(shí)間:2023-05-30 10:16:46
開(kāi)篇:寫(xiě)作不僅是一種記錄,更是一種創(chuàng)造,它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感,將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇量子物理學(xué),希望這些內(nèi)容能成為您創(chuàng)作過(guò)程中的良師益友,陪伴您不斷探索和進(jìn)步。
過(guò)去100年里,科學(xué)家們已經(jīng)知道量子的行為非常奇特。在自然的微觀世界里,一些科學(xué)常識(shí)方面的定律被其內(nèi)部奇怪的量子物理學(xué)規(guī)律所顛覆。單個(gè)粒子很難從周?chē)h(huán)境中隔離觀測(cè),因而量子物理學(xué)中很多奇特現(xiàn)象無(wú)法被直接觀測(cè)到,也就是說(shuō)觀測(cè)會(huì)改變量子物理學(xué)中被察看的體系。這也是量子力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)的一個(gè)主要區(qū)別:在經(jīng)典力學(xué)中,一個(gè)物理系統(tǒng)的位置和動(dòng)量,可以同時(shí)被無(wú)限精確地確定和預(yù)言。在量子力學(xué)中則不然,測(cè)量過(guò)程本身會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成影響。根據(jù)量子理論中的基本原則沃納?海森伯的不確定原理,量子物體的所有屬性都不具有完全確定的值。例如,一個(gè)光子或一個(gè)電子不可能同時(shí)具有確定的位置和確定的動(dòng)量。對(duì)一確定的時(shí)刻,它也不可能有確定的能量。能量可隨時(shí)自發(fā)出現(xiàn)無(wú)法預(yù)言的變化。所考慮的時(shí)間間隔越短,這種能量隨機(jī)漲落就越大。而另一種情況下,量子物理學(xué)中的有些粒子的波函數(shù)形成不隨時(shí)間變化的概率分布,許多在經(jīng)典力學(xué)中隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程在量子力學(xué)中卻形成“定態(tài)波函數(shù)”。例如,原子中的一顆電子在其最低狀態(tài)下,在經(jīng)典力學(xué)中由一個(gè)圍繞原子核的圓形軌道來(lái)描寫(xiě),而在量子力學(xué)中則由一個(gè)靜態(tài)的、圍繞原子核的球狀波函數(shù)來(lái)描寫(xiě)。
因而在量子物理學(xué)中,時(shí)間的引入導(dǎo)致了許多重要而有趣的現(xiàn)象,光譜區(qū)域、共振和平衡態(tài),量子混合,動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性和不可逆性和“時(shí)間之箭”均與量子物理學(xué)中的時(shí)間衰變有關(guān)。這本書(shū)致力于為量子物理學(xué)中的漸近的時(shí)間衰變的相關(guān)概念和方法提供清晰而準(zhǔn)確的闡述。
本書(shū)內(nèi)容共6章:1.單粒子量子力學(xué)的數(shù)學(xué)和物理背景知識(shí);2.自由波包的傳播和漸近衰變:靜態(tài)相位方法和van der Corput方法;3.類(lèi)時(shí)間衰變和光譜特性的關(guān)系;4.一類(lèi)稀疏勢(shì)模型的時(shí)間衰變;5.共振和準(zhǔn)指數(shù)衰變;6量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)的連接:無(wú)限自由度的量子系統(tǒng)。
本書(shū)作者均來(lái)自巴西圣保羅大學(xué)。本書(shū)適合于學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)物理或量子理論的學(xué)生和相關(guān)研究人員。
楊盈瑩,助理研究員
(中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所)
美國(guó)物理學(xué)會(huì)評(píng)選的2006年度國(guó)際物理學(xué)重大進(jìn)展日前揭曉,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉研究小組發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上的關(guān)于“單光子量子態(tài)遠(yuǎn)程克隆”的研究成果榜上有名。這是繼2004年之后,中國(guó)科學(xué)家在國(guó)內(nèi)取得的研究成果再次被美國(guó)物理學(xué)會(huì)選為國(guó)際物理學(xué)年度重大進(jìn)展。
潘建偉教授及其同事利用國(guó)際領(lǐng)先的多光子糾纏技術(shù),在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了基于多光子糾纏的量子態(tài)遠(yuǎn)程克隆,隨后日本東京大學(xué)一個(gè)研究小組實(shí)現(xiàn)了基于連續(xù)變量的量子態(tài)遠(yuǎn)程克隆。這兩項(xiàng)工作一起被美國(guó)物理學(xué)會(huì)評(píng)選為2006年度國(guó)際物理學(xué)重大進(jìn)展。
我國(guó)一體化虛擬儀器問(wèn)世
近日,由重慶大學(xué)測(cè)試中心秦樹(shù)人教授承擔(dān)的《虛擬儀器關(guān)鍵技術(shù)的研究及其產(chǎn)業(yè)化》于2006年12月16日通過(guò)國(guó)家863項(xiàng)目辦公室組織的課題驗(yàn)收。專家說(shuō),這項(xiàng)成果表明我國(guó)在虛擬式儀器方面走出一條與歐美技術(shù)線路完全不同的自主創(chuàng)新路子,并成為國(guó)際上嵌入式一體化虛擬儀器研發(fā)的先行者。
秦樹(shù)人教授主持研發(fā)的“一體化虛擬儀器”是一種不同于歐美虛擬儀器的新技術(shù),它綜合了虛擬儀器與硬件化、智能化儀器的特點(diǎn),將虛擬儀器與傳統(tǒng)硬件化儀器相結(jié)合,形成嵌入式的一體化儀器系統(tǒng)。一體化虛擬儀器的支撐平臺(tái)由通用的計(jì)算機(jī)改為嵌入式CPU系統(tǒng),基本硬件平臺(tái)包括LCD、數(shù)據(jù)采集器、特制鍵盤(pán)和旋鈕等。由于集成了采集設(shè)備、調(diào)理設(shè)備和人機(jī)交互裝置,簡(jiǎn)化了計(jì)算機(jī)及其外設(shè)的電源系統(tǒng)、采集設(shè)備和調(diào)理設(shè)備的繁瑣性,有利于在測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)和工廠車(chē)間使用。和通用虛擬儀器系統(tǒng)相比,一體化虛擬儀器可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體校正,達(dá)到很可靠的高精度,具有更強(qiáng)的防止電磁干擾能力。
熒光RT-PCR技術(shù)可測(cè)知狂犬病
近日,由北京檢驗(yàn)檢疫局張鶴曉研究員主持研發(fā)了一種熒光RT-PCR技術(shù),這種技術(shù)可在4內(nèi)小時(shí)內(nèi)通過(guò)分析活體犬貓唾液樣本檢測(cè)出是否感染狂犬病病毒。
據(jù)了解,用傳統(tǒng)的檢測(cè)方法,檢測(cè)時(shí)間至少要2天,而該技術(shù)在國(guó)內(nèi)首次將TaqMan快速熒光RT-PCR檢測(cè)技術(shù)用于動(dòng)物源性狂犬病病毒的快速檢測(cè),4個(gè)小時(shí)就能得到檢測(cè)結(jié)果,為及時(shí)發(fā)現(xiàn)攜帶狂犬病病毒的犬貓爭(zhēng)取了時(shí)間。同時(shí),這種檢測(cè)方法可檢測(cè)樣品中極微量的病毒。與傳統(tǒng)的普通RT-PCR檢測(cè)方法相比較,該方法的靈敏度可提高100倍左右。此外,這種檢測(cè)方法還克服了傳統(tǒng)檢測(cè)方法中對(duì)犬貓腦組織切片實(shí)施檢測(cè)導(dǎo)致的方法繁雜、靈敏性差的弊端。
專家稱,該檢測(cè)技術(shù)的建立,為我國(guó)狂犬病病毒的快速檢測(cè)提供了一種新的可靠方法,對(duì)于狂犬病疫情的防控具有重要意義。
6000噸壓力數(shù)控折彎?rùn)C(jī)問(wèn)世
近日,壓力達(dá)6000噸、世界最大的數(shù)控折彎?rùn)C(jī)能在我國(guó)自主開(kāi)發(fā)成功。此產(chǎn)品是目前世界上最大噸位的數(shù)控折彎成型機(jī),集成創(chuàng)新特點(diǎn)顯著,具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán),整體技術(shù)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。
有關(guān)專家說(shuō),企業(yè)技術(shù)人員在這一裝備研發(fā)中,開(kāi)展了深度集成創(chuàng)新和部分原始創(chuàng)新,在國(guó)內(nèi)如果將長(zhǎng)達(dá)12米的鋼板送入折彎成型機(jī),很快就變成了一個(gè)又長(zhǎng)又粗的鋼管。首創(chuàng)的6缸電液伺服同步控制技術(shù),其定位精度和重復(fù)定位精度遠(yuǎn)高于國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品指標(biāo)。6000噸折彎?rùn)C(jī)的問(wèn)世將打破外國(guó)企業(yè)在這一重型數(shù)控裝備領(lǐng)域的壟斷局面。
高效無(wú)鹵阻燃高分子材料研制成功
有關(guān)媒體報(bào)道,在2006年7月1日正式實(shí)施的歐盟《關(guān)于在電子電氣設(shè)備中禁止使用某些有害物質(zhì)指令》,對(duì)中國(guó)的電子電器產(chǎn)品產(chǎn)生了非常大的影響,有數(shù)據(jù)顯示受直接影響的出口額將達(dá)三百多億美元。東北林業(yè)大學(xué)李斌教授帶領(lǐng)課題組創(chuàng)新研制成功可在電子電器中使用的高效無(wú)鹵阻燃高分子材料,成為可以應(yīng)對(duì)歐盟禁令的替代物。
李斌教授帶領(lǐng)相關(guān)人員歷經(jīng)3年艱苦努力和不懈攻關(guān),創(chuàng)新性地提出了適用于玻纖增強(qiáng)尼龍66的無(wú)鹵阻燃劑的分子設(shè)計(jì),合成了金屬離子改性聚磷酸蜜胺鹽(M-MPP)新型高效無(wú)鹵阻燃劑。該阻燃劑具有針狀的晶型結(jié)構(gòu),能明顯提高阻燃材料的力學(xué)性能,阻燃效果好,利于切割。據(jù)悉,這一課題被列為黑龍江省十五科技攻關(guān)重點(diǎn)項(xiàng)目。
我國(guó)成功發(fā)射“風(fēng)云二號(hào)”D氣象衛(wèi)星
2006年12月8日,中國(guó)在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用“三號(hào)甲”運(yùn)載火箭,成功將“風(fēng)云二號(hào)”D氣象衛(wèi)星送入預(yù)定軌道。
火箭發(fā)射24分鐘后,據(jù)西安衛(wèi)星測(cè)控中心和在太平洋執(zhí)行任務(wù)的“遠(yuǎn)望”號(hào)航天測(cè)量船報(bào)告,衛(wèi)星已經(jīng)成功進(jìn)入地球同步轉(zhuǎn)移軌道。經(jīng)過(guò)一系列控制,衛(wèi)星將最終定點(diǎn)于東經(jīng)86.5度赤道上空。
“風(fēng)云二號(hào)”D氣象衛(wèi)星是由中國(guó)航天科技集團(tuán)公司所屬上海航天技術(shù)研究院為主研制,可全天候?qū)Φ厍蜻M(jìn)行連續(xù)氣象監(jiān)視,獲取地球空間環(huán)境白天可見(jiàn)光云圖、晝夜紅外云圖和水汽分布圖;收集和轉(zhuǎn)發(fā)氣象、海洋、水文等觀測(cè)數(shù)據(jù);監(jiān)測(cè)太陽(yáng)X射線和空間粒子輻射數(shù)據(jù)等。衛(wèi)星重約1.39噸,在軌采用自旋穩(wěn)定方式,用戶為中國(guó)氣象局。
用于這次衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)的“三號(hào)甲”運(yùn)載火箭,由中國(guó)航天科技集團(tuán)公司所屬中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院為主研制。這次發(fā)射是系列運(yùn)載火箭的第94次飛行。
我國(guó)已培育2000多個(gè)小麥新品種
截至目前,我國(guó)采用傳統(tǒng)育種技術(shù)已育成小麥新品種2000多個(gè),為我國(guó)小麥生產(chǎn)做出了突出貢獻(xiàn)。
中國(guó)農(nóng)科院院長(zhǎng)翟虎渠在此間舉行的全國(guó)矮敗小麥育種研討會(huì)上表示,目前,我國(guó)生產(chǎn)上大面積種植的主要小麥品種的產(chǎn)量與世界上同類(lèi)生態(tài)區(qū)相比,已具有較高的水平,品種的品質(zhì)、抗性也取得明顯改進(jìn)。
據(jù)悉,“十五”時(shí)期,中國(guó)農(nóng)科院培育出以“輪選987”為代表的一批高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、多抗、廣適的“輪選”系列小麥優(yōu)良新品種,實(shí)現(xiàn)了我國(guó)小麥育種技術(shù)研究的重大突破,是我國(guó)農(nóng)業(yè)科技界的一項(xiàng)重大自主創(chuàng)新性的科技成果,屬國(guó)際首創(chuàng),達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。
中興通訊推出HSDPA終端產(chǎn)品
近日,作為中國(guó)最早投入3G的企業(yè)之一,中興通訊近日推出全系列HSDPA終端產(chǎn)品,這標(biāo)志著中國(guó)本土企業(yè)在3.5G終端技術(shù)研發(fā)上已與國(guó)際巨頭齊頭并進(jìn)。
HSDPA,即高速下行分組接入,又被稱為“3.5G技術(shù)”,是目前全球建設(shè)正酣的WCDMA3G技術(shù)的升級(jí)版,它可以在不改變現(xiàn)行網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的情況下,把速率提高到10.8兆以上。
作為全球3G終端領(lǐng)域的主要廠商,中興通訊近日展示了全系列HSDPA終端產(chǎn)品,包括三模手機(jī)和全球第一款支持AHSDA和DVB-H技術(shù)的電視手機(jī)。至此,中興通訊已具有全系列的HSDPA終端。
業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為,中興通訊3.5G手機(jī)的推出標(biāo)志著中國(guó)手機(jī)企業(yè)在技術(shù)上已與諾基亞、摩托羅拉等歐美巨頭一起走在行業(yè)前列。
江民殺毒軟件KV2007上市
2006年12月,國(guó)內(nèi)最大的計(jì)算機(jī)反病毒廠商江民科技宣布,經(jīng)過(guò)緊張的研發(fā),兼容VISTA版本的江民殺毒軟件KV2007已研發(fā)成功,江民殺毒軟件由此成為國(guó)內(nèi)首家支持微軟新一代操作系統(tǒng)VISTA的殺毒軟件。
據(jù)微軟稱,VISTA是微軟從2001年即開(kāi)始研發(fā),共計(jì)投入6000名軟件工程師研發(fā)推出的重量級(jí)產(chǎn)品,安全性是VSTA的最大亮點(diǎn)。VISTA安全中心集成了WindowsDefender等安全組件,并且應(yīng)用了一種PatchGuard的內(nèi)核保護(hù)技術(shù),這一技術(shù)能夠阻止病毒和木馬對(duì)內(nèi)核的修改,同時(shí)也成為殺毒軟件進(jìn)入VISTA內(nèi)核的一道門(mén)檻。正因如此,國(guó)際上一些殺毒廠商對(duì)于微軟不能提供足夠的技術(shù)資料的行為表達(dá)了不滿情緒,因?yàn)檫@將影響他們的殺毒軟件在VISTA內(nèi)核的工作。業(yè)內(nèi)人士表示,VISTA將把一些技術(shù)實(shí)力薄弱的小型反病毒廠商阻擋在大門(mén)之外。
二氧化碳造影輸送新裝置面世
由南京東南大學(xué)附屬中大醫(yī)院等單位在國(guó)內(nèi)首次研制成功的,具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“一體化二氧化碳?xì)怏w儲(chǔ)存與輸送裝置”,日前通過(guò)省級(jí)科技成果鑒定,并已在臨床成功應(yīng)用。
據(jù)課題主要負(fù)責(zé)人、著名介入放射專家、中大醫(yī)院介入放射治療中心主任滕皋軍教授介紹,將二氧化碳?xì)怏w用于血管造影,近年來(lái)越來(lái)越受到關(guān)注,但這對(duì)儲(chǔ)存與輸送二氧化碳的裝置有著很高的要求,國(guó)內(nèi)市場(chǎng)一直缺乏此類(lèi)產(chǎn)品,國(guó)外研制的裝置操作復(fù)雜、價(jià)格昂貴,所以該項(xiàng)技術(shù)很難在國(guó)內(nèi)廣泛開(kāi)展。南京東南大學(xué)附屬中大醫(yī)院等單位研制的“一體化二氧化碳?xì)怏w儲(chǔ)存與輸送裝置”,采用醫(yī)用高分子材料制成,主要由二氧化碳單向閥門(mén)的進(jìn)氣端、二氧化碳密封存儲(chǔ)袋等組成。
第四代燃料電池汽車(chē)樣車(chē)研制成功
記者從第二屆IEEE國(guó)際“汽車(chē)電子及安全”會(huì)議獲悉,由同濟(jì)大學(xué)、上燃動(dòng)力公司、上汽工程研究院、新源、神力燃料電池公司、蘇州星恒公司等共同開(kāi)發(fā)的第四代燃料電池汽車(chē)樣車(chē)已于2006年12月12日裝車(chē)成功。
據(jù)介紹,第四代燃料電池汽車(chē)運(yùn)用上海市的工業(yè)副產(chǎn)品――氫氣,不但節(jié)能環(huán)保,而且與使用普通內(nèi)燃機(jī)的汽車(chē)相比,燃料費(fèi)每百公里可節(jié)省20元左右,新能源汽車(chē)的前景非常光明。據(jù)悉,新一代燃料電池汽車(chē)將于2008年參與奧運(yùn)會(huì),并將在2010年“世界博覽會(huì)”期間與人們見(jiàn)面。
中日科學(xué)家發(fā)現(xiàn)記憶玻璃合金
【關(guān)鍵詞】原子物理學(xué)教學(xué);教學(xué)內(nèi)容;教學(xué)方法
0 引言
原子物理學(xué)是物理學(xué)專業(yè)的一門(mén)重要的專業(yè)基礎(chǔ)必修課,是繼力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)和電磁學(xué)之后的最后一門(mén)普通物理課程。原子物理學(xué)是普通物理的重要組成部分,它屬于近代物理[1]。原子物理學(xué)包括原子物理、原子核物理和粒子物理[2]。原子物理學(xué)是20世紀(jì)隨著量子力學(xué)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的,至今,原子物理學(xué)的許多問(wèn)題仍然是科學(xué)研究的前沿問(wèn)題。原子物理學(xué)是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ),是連接經(jīng)典物理與現(xiàn)代物理的橋梁。學(xué)好原子物理學(xué)能為后繼的量子力學(xué)、固體物理等課程打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。因此,學(xué)好原子物理學(xué)具有十分重要的意義。本文根據(jù)近幾年原子物理學(xué)教學(xué)實(shí)踐,分析了教學(xué)現(xiàn)狀,在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法上對(duì)原子物理學(xué)教學(xué)進(jìn)行了研究和實(shí)踐。
1 原子物理學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀
首先,原子物理學(xué)知識(shí)抽象、難懂,沒(méi)有清晰的物理圖像。原子物理學(xué)是研究原子的結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)規(guī)律及相互作用的一門(mén)科學(xué)。其研究的物質(zhì)結(jié)構(gòu)介于分子和原子核之間,線度約為10-10米,用肉眼是根本無(wú)法直接觀察的,只能在頭腦中想象。學(xué)生在學(xué)習(xí)的過(guò)程中普遍反映知識(shí)很抽象,摸不著頭腦,不像學(xué)習(xí)力學(xué)知識(shí)那樣,對(duì)物體運(yùn)動(dòng)有清晰的物理圖像。其次,教材內(nèi)容過(guò)于老化。20世紀(jì)30年代M.Born寫(xiě)了一本《原子物理學(xué)》,H.E.White寫(xiě)了一本《原子光譜導(dǎo)論》,這兩本書(shū)是原子物理學(xué)方面的經(jīng)典之作。現(xiàn)在的原子物理學(xué)教材體系一般遵循Born和White模式,大部分的教材內(nèi)容都是反映20世紀(jì)30年代前后的知識(shí),現(xiàn)代科技知識(shí)涉及太少。講授理論知識(shí)若缺乏實(shí)際應(yīng)用的介紹,將會(huì)使知識(shí)僵化,知識(shí)面狹窄,難以激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。
2 原子物理學(xué)教學(xué)內(nèi)容的研究與實(shí)踐
2.1 恰當(dāng)處理好玻爾理論與量子力學(xué)的關(guān)系
大部分的教材內(nèi)容一般都是按照原子物理學(xué)的發(fā)展歷史進(jìn)行編寫(xiě)的。從原子的光譜實(shí)驗(yàn)到玻爾提出的量子化假設(shè)理論(基于經(jīng)典物理基礎(chǔ)上的量子化,半經(jīng)典半量子,稱為舊量子理論),再由玻爾理論講授原子的能級(jí)、精細(xì)結(jié)構(gòu)、超精細(xì)結(jié)構(gòu)等。對(duì)于微觀領(lǐng)域,正確描述電子運(yùn)動(dòng)的是量子力學(xué)理論,玻爾理論是有其局限性的。最突出的問(wèn)題是電子的軌道運(yùn)動(dòng),根據(jù)玻爾理論,電子在庫(kù)侖力的作用下沿著一些特定的軌道繞原子核運(yùn)動(dòng)。在量子力學(xué)中,電子運(yùn)動(dòng)是由波函數(shù)來(lái)描述的,滿足薛定諤方程,電子的運(yùn)動(dòng)具有不確定性,只能用概率來(lái)表示,沒(méi)有軌道運(yùn)動(dòng)的概念,量子力學(xué)中是用“電子云”來(lái)形象說(shuō)明電子的運(yùn)動(dòng)。教學(xué)中若處理不好玻爾理論與量子力學(xué)的關(guān)系,會(huì)讓學(xué)生覺(jué)得知識(shí)有點(diǎn)混亂,莫衷一是。筆者認(rèn)為在原子物理學(xué)教學(xué)過(guò)程中,能用玻爾理論解決的問(wèn)題就盡量不要用量子力學(xué),如玻爾理論不能解決,則可定性地用量子力學(xué)知識(shí)來(lái)解釋,避免復(fù)雜的量子力學(xué)推導(dǎo)過(guò)程。原子物理學(xué)雖屬近代物理,但仍是普通物理學(xué)的重要組成部分,應(yīng)該具有普通物理學(xué)的特點(diǎn),要注重基本的物理實(shí)驗(yàn)、物理圖像、物理思想和物理模型[3]。若用量子力學(xué)進(jìn)行詳細(xì)的解釋,則要涉及波函數(shù)、算符、力學(xué)量、薛定諤方程、微擾理論等復(fù)雜的量子力學(xué)知識(shí),會(huì)淡化和掩蓋了原子物理學(xué)的基本的物理實(shí)驗(yàn)、物理圖像、物理思想和物理模型。恰當(dāng)處理好玻爾理論與量子力學(xué)的關(guān)系,既能使學(xué)生易于接受原子物理學(xué)知識(shí),又能為后繼的量子力學(xué)等課程打下基礎(chǔ),使原子物理學(xué)成為連接經(jīng)典物理和現(xiàn)代物理的橋梁。
2.2 緊密結(jié)合現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)知識(shí)
原子物理學(xué)是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ),隨著原子物理學(xué)的發(fā)展,新思想,新知識(shí)不斷被發(fā)現(xiàn),在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生了大量的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)。如與原子受激輻射有關(guān)的激光技術(shù);與原子的內(nèi)層電子激發(fā)有關(guān)系的X射線的熒光分析技術(shù)、計(jì)算層析技術(shù);與物質(zhì)波有關(guān)的電子顯微鏡;與原子能級(jí)分裂有關(guān)的電子順磁共振和核磁共振等等,其中X射線影像、核磁共振成像已應(yīng)用到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[4]。將這些科學(xué)技術(shù)知識(shí)引入到原子物理學(xué)教學(xué)中,不僅可以加深學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的印象,還可以開(kāi)闊他們的視野,激發(fā)學(xué)習(xí)興趣,培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí),取得良好的學(xué)習(xí)效果。
2.3 適當(dāng)引入物理學(xué)史
原子物理學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了許多重要的創(chuàng)造成果,包括1999年在內(nèi)共有96項(xiàng)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),其中就有66項(xiàng)是與原子物理學(xué)有關(guān)的,占到總獲獎(jiǎng)數(shù)的2/3。這些諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的成果不僅是原子物理學(xué)發(fā)展的重要里程碑,而且是前輩物理學(xué)家創(chuàng)造性研究的典范[5]。在教學(xué)過(guò)程中,適當(dāng)?shù)刂v解一些有代表性物理學(xué)家的工作背景、研究思路、研究方法以及他們?cè)诿鎸?duì)困難時(shí)的科學(xué)創(chuàng)新精神、非凡的膽識(shí),都會(huì)對(duì)學(xué)生留下深刻的印象,引起長(zhǎng)久的思考。例如,電子自旋假說(shuō)是20世紀(jì)初最重要的假設(shè)之一,電子自旋的提出在原子物理學(xué)發(fā)展歷史中具有里程碑的意義。1925年,荷蘭的兩位在讀大學(xué)生烏倫貝克和古德斯密特,在地球運(yùn)動(dòng)規(guī)律的啟發(fā)下,經(jīng)過(guò)深入研究,大膽提出了電子自旋假設(shè)。但誰(shuí)能想到這樣重要的理論是由兩個(gè)還沒(méi)畢業(yè)的大學(xué)生提出的。對(duì)于兩個(gè)年輕人來(lái)說(shuō),提出這樣的理論不僅需要?jiǎng)?chuàng)造精神,更需要非凡的勇氣和膽識(shí)。我們?cè)谡n堂教學(xué)中引入這樣的事例,在學(xué)生中激起了強(qiáng)烈的反響,引發(fā)了熱烈的討論,極大地提高了他們的學(xué)習(xí)熱情和學(xué)習(xí)興趣,同時(shí)也培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。
3 教學(xué)方法的研究與實(shí)踐
3.1 明確重難點(diǎn),有的放矢
原子物理學(xué)的知識(shí)面較廣,知識(shí)點(diǎn)松散,各知識(shí)點(diǎn)間的邏輯性、系統(tǒng)性不強(qiáng),再加上學(xué)時(shí)少,一般只有54學(xué)時(shí)左右,教學(xué)任務(wù)重。因此,教學(xué)方法就顯得尤為重要。按照原子物理學(xué)教學(xué)大綱,明確教學(xué)中的重難點(diǎn)。每堂課都要向?qū)W生明確哪些知識(shí)需要重點(diǎn)掌握,哪些需要理解,哪些需要了解。重難點(diǎn)知識(shí)要精講、細(xì)講,從物理實(shí)驗(yàn)、物理圖像、物理思想、物理模型到具體的推導(dǎo)過(guò)程都要講清楚,不惜面面俱到。理解性的內(nèi)容可講清楚物理思想和物理圖像,不必過(guò)多涉及細(xì)節(jié)性內(nèi)容。了解性的內(nèi)容可讓學(xué)生課下自行學(xué)習(xí),給出一些參考資料,讓學(xué)生以讀書(shū)報(bào)告的形式提交作業(yè)。明確教學(xué)中的重難點(diǎn),學(xué)生明確了學(xué)習(xí)目標(biāo),提高了學(xué)習(xí)的積極性,促進(jìn)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)。
3.2 傳統(tǒng)板書(shū)與多媒體教學(xué)的有機(jī)結(jié)合
傳統(tǒng)板書(shū)具有講課思路清晰,留給學(xué)生較多的思考時(shí)間,易于跟上講課思路等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)重要公式理論的推導(dǎo),系統(tǒng)知識(shí)的梳理具有良好的教學(xué)效果。多媒體教學(xué)可演示圖片、動(dòng)畫(huà)、影像資料,具有形象直觀的特點(diǎn),而且幻燈片記載的信息量大,放映時(shí)間少。在原子物理學(xué)教學(xué)中,將傳統(tǒng)板書(shū)與多媒體教學(xué)的有機(jī)結(jié)合起來(lái),能收到良好的教學(xué)效果。例如講電子的自旋―軌道相互作用時(shí),先用多媒體演示電子自旋運(yùn)動(dòng)和軌道運(yùn)動(dòng)的動(dòng)畫(huà),學(xué)生頭腦中有了清晰的物理圖像,然后再采用板書(shū)的形式詳細(xì)推導(dǎo)其作用規(guī)律,就比較容易理解。一些著名的物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)應(yīng)用,著名物理學(xué)家生平簡(jiǎn)介等都可以通過(guò)多媒體展示給學(xué)生。既能拓寬學(xué)生的知識(shí)面,還能活躍課程氣氛,激發(fā)學(xué)習(xí)興趣,提高學(xué)習(xí)積極性。
4 小結(jié)
原子物理學(xué)雖已有一百多年的歷史,但仍是具有生命力的,不斷向前發(fā)展的科學(xué),原子物理學(xué)教學(xué)也應(yīng)不斷地向前發(fā)展進(jìn)步。本文根據(jù)近幾年原子物理學(xué)教學(xué)實(shí)踐,在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法上對(duì)原子物理學(xué)教學(xué)進(jìn)行了研究和實(shí)踐。以期能與同行進(jìn)行討論,共同提高原子物理學(xué)教學(xué)水平。
【參考文獻(xiàn)】
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[3]高政祥.原子物理學(xué)教學(xué)改革的幾點(diǎn)探索[J].大學(xué)物理,2001(4):34.
本世紀(jì)以來(lái),物理學(xué)哲學(xué)研究有了長(zhǎng)足的進(jìn)步,這與現(xiàn)代物理學(xué)所具有的一些新特點(diǎn)有很大關(guān)系:一是本世紀(jì)理論物理學(xué)研究在許多方面超前于實(shí)驗(yàn)物理學(xué)的研究,人們無(wú)法對(duì)理論物理學(xué)的一些結(jié)構(gòu)及時(shí)通過(guò)觀察和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn),這就使得人們從認(rèn)識(shí)論和方法論角度對(duì)物理學(xué)思想的合理性和物理學(xué)理論自身邏輯結(jié)構(gòu)的自洽性的驗(yàn)前評(píng)價(jià)變得十分重要;二是當(dāng)今各種物理學(xué)理論(如相對(duì)論和量子論)在逐步統(tǒng)一過(guò)程中所顯現(xiàn)出的整體有機(jī)聯(lián)系的自然圖景和對(duì)在極端條件下(如宇宙爆炸初期)的物質(zhì)特性的探索都促使物理學(xué)與哲學(xué)進(jìn)一步融合起來(lái),使物理學(xué)家感到了從哲學(xué)的高度去更深刻地把握物理學(xué)前沿提出的種種物理學(xué)理論和概念問(wèn)題的必要性;三是當(dāng)代物理學(xué)所研究的微觀和宇觀客體的物理性質(zhì)與規(guī)律,由于不能被我們的感官所直接感知,這就必須從認(rèn)識(shí)論的角度說(shuō)明現(xiàn)代物理學(xué)理論描述的微觀或宇觀世界圖景的合理性與真實(shí)性,從而在微觀或宇觀世界與我們?nèi)粘I畹暮暧^世界之間建立起一道相互理解的橋梁。
正是現(xiàn)代物理學(xué)的這些特點(diǎn),決定了當(dāng)代物理學(xué)哲學(xué)的不同研究途徑,即從不同的角度出發(fā),對(duì)物理學(xué)進(jìn)行哲學(xué)反思,達(dá)到豐富和發(fā)展哲學(xué)認(rèn)識(shí)論與方法論以及加強(qiáng)對(duì)物理學(xué)理論和概念自身理解的目的。
一
物理學(xué)哲學(xué)的研究途徑之一是從通過(guò)對(duì)物理學(xué)概念,尤其是新物理學(xué)概念,物理意義的闡釋入手,提高到哲學(xué)高度進(jìn)行分析,進(jìn)而促進(jìn)了哲學(xué)的發(fā)展。這一方面是由于如量子力學(xué)創(chuàng)始人之一的海森堡所說(shuō):“一部物理學(xué)發(fā)展的歷史,不只是一本單純的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的流水帳,它同時(shí)還伴隨著概念的發(fā)展,或者概念的引進(jìn)。……因?yàn)檎歉拍畹牟淮_定性迫使物理學(xué)家著手研究哲學(xué)問(wèn)題”。(〔(7)〕,第185頁(yè)),另一方面則是因?yàn)槲锢韺W(xué)是研究最基本的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué),所以許多最基本的物理學(xué)概念,如物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)、時(shí)間、空間、宇宙等也同時(shí)是哲學(xué)的基本概念,這些基本概念的變化不僅導(dǎo)致物理學(xué)理論的變更,也標(biāo)志著哲學(xué)的重大發(fā)展。因此,對(duì)這些基本概念的理解,往往是各個(gè)哲學(xué)流派之間爭(zhēng)論的焦點(diǎn)。而對(duì)這些概念的哲學(xué)爭(zhēng)論,又總是圍繞著物理學(xué)的最新進(jìn)展而展開(kāi),所以從物理學(xué)概念入手進(jìn)行物理學(xué)哲學(xué)的研究是中外許多哲學(xué)家和物理學(xué)家最為關(guān)注的研究途徑。
科學(xué)研究從問(wèn)題開(kāi)始,而現(xiàn)代物理學(xué)的建立則是從概念問(wèn)題的突破開(kāi)始的。普朗克1900年為了解決黑體輻射問(wèn)題提出了作用量子的概念,但他受經(jīng)典物理學(xué)思維框架的約束,當(dāng)時(shí)并沒(méi)有深刻的理解這個(gè)概念實(shí)質(zhì)性的物理意義,只把它當(dāng)成了一般的工作假說(shuō)加以運(yùn)用。只是當(dāng)愛(ài)因斯坦(1905年)運(yùn)用這個(gè)概念建立起光量子假說(shuō)后,它的實(shí)質(zhì)性的、突破傳統(tǒng)經(jīng)典思維模式的巨大意義才得以凸現(xiàn)出來(lái),并引起物理學(xué)界乃至于后來(lái)哲學(xué)界的廣泛關(guān)注。玻爾、海森堡等人沿此思路建立了原子結(jié)構(gòu)模型,并最終建立了量子力學(xué)理論,對(duì)量子概念物理意義的探討又導(dǎo)致與傳統(tǒng)決定論思維模式相悖的非決定論思維模式的產(chǎn)生,這不僅使物理學(xué)的理論基礎(chǔ)發(fā)生了根本的變化,而且使傳統(tǒng)的認(rèn)識(shí)論觀念也有了重大的轉(zhuǎn)變。
當(dāng)人們對(duì)邁克爾遜—莫雷實(shí)驗(yàn)的否定結(jié)果迷惑不解時(shí),彭加勒、洛侖茲等人為了維護(hù)牛頓的絕對(duì)時(shí)空不得不提出“虛擬時(shí)間”的概念來(lái)解釋這一奇怪的結(jié)果。愛(ài)因斯坦則從麥克斯韋電磁學(xué)理論與經(jīng)典力學(xué)伽利略變換之間的矛盾中看出了問(wèn)題的實(shí)質(zhì)所在。他看出了牛頓所謂的絕對(duì)時(shí)間并非是有物理意義的真實(shí)時(shí)間,而彭加勒、洛侖茲等人認(rèn)為是“虛擬時(shí)間”的概念卻是在實(shí)際觀測(cè)中可以測(cè)量到的真實(shí)時(shí)間,這不僅使邁克爾遜—莫雷實(shí)驗(yàn)的難題迎刃而解,而且一舉建立了狹義相對(duì)論。從這里又引發(fā)了一輪重新認(rèn)識(shí)時(shí)間和空間這一對(duì)古老哲學(xué)概念的熱潮。
隨著廣義相對(duì)論的提出和現(xiàn)代宇宙學(xué)的建立,使人們對(duì)時(shí)間和空間的研究進(jìn)入了一個(gè)新階段。哲學(xué)家們紛紛依據(jù)物理學(xué)的最新研究成果對(duì)時(shí)間空間概念進(jìn)行新的闡釋,乃至于給一些古老的哲學(xué)命題,如康德的“二律背反”以新的說(shuō)明。(參見(jiàn)〔(1)〕原蘇聯(lián)和我國(guó)的一些哲學(xué)工作者通過(guò)對(duì)相對(duì)論時(shí)間和空間概念與物質(zhì)運(yùn)動(dòng)、物質(zhì)分布狀態(tài)關(guān)系的分析,進(jìn)一步論證了恩格斯當(dāng)年對(duì)時(shí)間和空間這對(duì)哲學(xué)范疇的正確定義。隨著現(xiàn)代宇宙學(xué)的興起和發(fā)展,人們對(duì)“宇宙”概念也有了新的認(rèn)識(shí),于是,有關(guān)宇宙有限還是無(wú)限、哲學(xué)的“宇宙”概念與現(xiàn)代宇宙學(xué)所說(shuō)的“宇宙”之間究竟是什么關(guān)系等問(wèn)題的討論,又成了哲學(xué)界和科學(xué)界共同關(guān)心的熱點(diǎn)。可是,當(dāng)人們正沉浸在廣義相對(duì)論解決宇宙演化問(wèn)題所取得的成就時(shí),卻不得不沮喪地發(fā)現(xiàn),所有已知的物理學(xué)定律在廣義相對(duì)論時(shí)空曲面的奇點(diǎn)處都失效了。從理論上來(lái)說(shuō),所謂宇宙大爆炸最初的原始火球在數(shù)學(xué)上的表示就應(yīng)該是一個(gè)奇點(diǎn),也就是說(shuō),如果宇宙起源于奇點(diǎn),我們難以用現(xiàn)有的任何物理學(xué)定律說(shuō)明宇宙爆炸的原因。于是有的科學(xué)家戲稱說(shuō),既然宇宙是上帝創(chuàng)造的,那么只好把這個(gè)問(wèn)題留給上帝,膽敢問(wèn)這個(gè)問(wèn)題的人,上帝將使他下地獄。
英國(guó)著名物理學(xué)家霍金是最早開(kāi)始研究奇點(diǎn)問(wèn)題的物理學(xué)家之一,近年來(lái)也是他提出了試圖用量子引力理論來(lái)繞開(kāi)奇點(diǎn)問(wèn)題的方法。他為了避免當(dāng)年費(fèi)因曼處理微觀粒子時(shí)假設(shè)的各態(tài)歷經(jīng)的技術(shù)困難,并類(lèi)比他用交換虛粒子來(lái)說(shuō)明粒子間相互作用的方法,提出了“虛時(shí)間”的概念。雖然如他自己所說(shuō):“虛時(shí)間”是一個(gè)意義明確的數(shù)學(xué)概念,“就普遍的量子力學(xué)而言,我們可以把我們對(duì)虛時(shí)和歐幾里得時(shí)空的運(yùn)用,僅僅視作一個(gè)計(jì)算實(shí)時(shí)空答案的數(shù)學(xué)方法(或手段)。”(〔(8)〕,第162頁(yè))但由于量子引力理論假定宇宙沒(méi)有任何邊界,“宇宙將完全是獨(dú)立的,不受外界任何事物的影響。它既不會(huì)被創(chuàng)造,也不會(huì)被消滅,它將只是存在”。(〔(8)〕,第164頁(yè))而“虛時(shí)間”的應(yīng)用,則使人們繞開(kāi)了宇宙起源于奇點(diǎn)和終止于奇點(diǎn)這種用奇點(diǎn)構(gòu)成時(shí)空邊界的困難,讓物理學(xué)定律在任何時(shí)空區(qū)間都有效。正是有這個(gè)意義上霍金認(rèn)為:“所謂的虛時(shí)實(shí)際上是實(shí)的,而我們所說(shuō)的實(shí)時(shí)只是我們想象中虛構(gòu)的事物”,“也許我們所說(shuō)的虛時(shí)實(shí)際上是更基本的東西,而我們稱作實(shí)時(shí)的只是為了幫助我們描述我們想象中的宇宙模樣而創(chuàng)造的一種想法。”(〔(8)〕,第168頁(yè))
霍金對(duì)科學(xué)理論的看法持有工具論的立場(chǎng),但對(duì)于“虛時(shí)間”的概念是否如他所說(shuō)是更基本的東西,不在于理論上是否更為合用,而在于它是否能夠作出可觀察的預(yù)言并在實(shí)踐中得到確證。在此以前,我們至少應(yīng)當(dāng)接受本世紀(jì)初的教訓(xùn),不要把我們現(xiàn)有的物理學(xué)理論所描述的時(shí)空概念又看成是絕對(duì)不可改變的,更不應(yīng)該在沒(méi)有充分理解一些物理學(xué)家所提出的新物理概念的明確物理意義之前,甚至在沒(méi)有仔細(xì)閱讀霍金原著的上下文意思之前,就把他們與哲學(xué)中的后現(xiàn)代主義思潮拉扯在一起。在這里,重溫一下愛(ài)因斯坦的一段話,可能對(duì)我們會(huì)有所啟發(fā):“為了科學(xué),就必須反復(fù)地批判這些基本概念,以免我們會(huì)不自覺(jué)地受到它們的支配。在傳統(tǒng)的基本概念的貫徹使用碰到難以解決的矛盾而引起了觀念發(fā)展的那些情況,這就變得特別明顯。”(〔(15)〕,第586頁(yè))
近期物理學(xué)哲學(xué)的發(fā)展中可能更加值得注意的動(dòng)向是,隨著本世紀(jì)許多新興學(xué)科的興起,使許多新的科學(xué)概念越來(lái)越滲入到哲學(xué)研究之中,如系統(tǒng)、信息、控制、混沌、有序、無(wú)序等等概念,早已不再是某些專門(mén)學(xué)科的專業(yè)術(shù)語(yǔ)。由于這些概念的普適性,它們已成為各門(mén)學(xué)科中廣泛使用,乃至于在日常生活中經(jīng)常提到的概念。它們不可避免地會(huì)逐步上升為哲學(xué)范疇。對(duì)這些新概念的產(chǎn)生和普及,物理學(xué)有很大的貢獻(xiàn),正是由于本世紀(jì)對(duì)遠(yuǎn)離平衡態(tài)熱力學(xué)的研究,才加深了人們對(duì)時(shí)間方向性,對(duì)物質(zhì)系統(tǒng)的演化,對(duì)有序、無(wú)序、混沌等等物質(zhì)狀態(tài)的認(rèn)識(shí),從而也極大豐富了哲學(xué)的內(nèi)容。下面我們還將談到,正是由于這些研究引起了人們思維觀念的巨大變化。從而也使得傳統(tǒng)的哲學(xué)在許多方面發(fā)生了革命性的變革。
對(duì)概念的更高層次的元理論研究已不局限于物理學(xué)哲學(xué)的范圍,而是在更為廣泛的科學(xué)哲學(xué)層次里展開(kāi)的,不過(guò),由于物理學(xué)相對(duì)于其他學(xué)科而言更為成熟,更為精確,物理學(xué)史的研究也比其他學(xué)科史更為細(xì)致,所以許多科學(xué)哲學(xué)家仍利用對(duì)某些物理學(xué)概念的分析作為闡述自己觀點(diǎn)和與他人論爭(zhēng)的依據(jù)。例如,庫(kù)恩和費(fèi)耶阿本德通過(guò)對(duì)“質(zhì)量”這個(gè)概念在經(jīng)典力學(xué)與相對(duì)論中的不同涵義,以及“電子”這個(gè)術(shù)語(yǔ)在不同時(shí)期指稱對(duì)象意義變化的分析,得出了前后相繼的科學(xué)理論或不同范式之間不可通約的觀點(diǎn)(參見(jiàn)〔(14)〕、〔(22)〕),從而引起了科學(xué)哲學(xué)界的極大爭(zhēng)議。而普特南等人則同樣根據(jù)對(duì)“電子”一詞涵義變化的分析,說(shuō)明了他的有關(guān)自然種類(lèi)名詞因果—?dú)v史指稱理論,并駁斥了庫(kù)恩和費(fèi)耶阿本德的不可通約性的觀點(diǎn)。
目前,隨著物理學(xué)和哲學(xué)的進(jìn)展,沿著這個(gè)途徑的物理學(xué)哲學(xué)研究正在蓬勃發(fā)展。一方面,新的物理學(xué)概念不斷涌現(xiàn),人們常常需要從物理學(xué)之外對(duì)這些概念進(jìn)行闡釋才能理解它們更深刻更普遍的意義,而這些概念的廣泛應(yīng)用也不斷充實(shí)了哲學(xué)的內(nèi)容;另一方面,哲學(xué)自身的發(fā)展也需要不斷從自然科學(xué),包括物理學(xué)概念的變革中吸取養(yǎng)料,提出新的問(wèn)題、新的觀點(diǎn),拓展新的思路。
二
物理學(xué)哲學(xué)研究的另一個(gè)途徑是通過(guò)物理學(xué)前沿哲學(xué)問(wèn)題的討論,使一些傳統(tǒng)的哲學(xué)觀點(diǎn)產(chǎn)生根本變革。這條途徑在很大程度上離不開(kāi)對(duì)新物理概念的分析。從這個(gè)意義上說(shuō),它與前面所討論的途徑并無(wú)根本的區(qū)別,只是這條途徑更著重于對(duì)物理學(xué)前沿所涉及到的一些基本哲學(xué)問(wèn)題,如認(rèn)識(shí)過(guò)程中主客體之間的關(guān)系,因果性的決定論與非決定論以及與其相關(guān)的必然性與偶然性的關(guān)系,可知論與不可知論,實(shí)在論和工具論等等,進(jìn)行進(jìn)入地探討。
本世紀(jì)在物理學(xué)界和科學(xué)哲學(xué)界影響最大的一場(chǎng)爭(zhēng)論就是愛(ài)因斯坦和以玻爾為首的哥本哈根學(xué)派關(guān)于量子力學(xué)理論基礎(chǔ)的爭(zhēng)論,這場(chǎng)爭(zhēng)論的和至今余波未息的爭(zhēng)論焦點(diǎn)集中在對(duì)愛(ài)因斯坦等人提出的EPR悖論的理解上。這場(chǎng)發(fā)生在量子力學(xué)創(chuàng)始人之間的爭(zhēng)論雖然是從對(duì)諸如量子力學(xué)中波函數(shù)的物理意義、海森堡不確定性原理(或譯測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系)和玻爾互補(bǔ)原理的理解開(kāi)始,進(jìn)而討論到量子力學(xué)是否完備的問(wèn)題,但這場(chǎng)似乎只是純物理學(xué),甚至是理論物理學(xué)的科學(xué)爭(zhēng)論,一開(kāi)始就帶上了濃厚的哲學(xué)色彩。
這主要是因?yàn)槲⒂^客體所表現(xiàn)出來(lái)的諸如波粒二象性等特征,用描繪宏觀現(xiàn)象的日常語(yǔ)言實(shí)在難以準(zhǔn)確表達(dá)其確切含義,再加上對(duì)微觀客體的實(shí)驗(yàn)安排也呈現(xiàn)出與經(jīng)典物理學(xué)實(shí)驗(yàn)許多不同的特征。如何正確理解量子力學(xué)的數(shù)學(xué)符號(hào)所蘊(yùn)涵的物理意義?量子力學(xué)描述的微觀客體的行為特征究竟是不受主體干擾的客觀規(guī)律所致,還是宏觀儀器對(duì)微觀客體不可避免的干擾下主客體相互作用的結(jié)果?微觀客體所表現(xiàn)出的隨機(jī)性究竟是微觀客體的本質(zhì)特征,還是認(rèn)識(shí)主體認(rèn)識(shí)局限性的結(jié)果?進(jìn)而,到對(duì)微觀客體行為的理論描述究竟應(yīng)當(dāng)堅(jiān)持決定論的思維模式,還是非決定論的思維模式,用愛(ài)因斯坦的話來(lái)說(shuō),就是我們是否相信上帝會(huì)擲骰子?物理理論的每個(gè)元素是否都必須在實(shí)在中有它的對(duì)應(yīng)物,亦或物理理論只是一種對(duì)實(shí)在的本體論承諾,甚至只是我們?yōu)榱私忉尙F(xiàn)象或解決問(wèn)題的方便而使用的一種工具或符號(hào)系統(tǒng)?這些問(wèn)題早已不是物理學(xué)本身所能解決的,但又是物理學(xué)家們不得不解決的,人類(lèi)不倦的求知欲促使他們轉(zhuǎn)而尋求哲學(xué)的幫助。這就使得本世紀(jì)初許多量子力學(xué)的創(chuàng)始人都是哲學(xué)家,普朗克、愛(ài)因斯坦、玻爾、玻恩、海森堡、薛定鍔等人在哲學(xué)界的影響并不比他們?cè)诳茖W(xué)界的影響小。他們的哲學(xué)觀點(diǎn)往往是本世紀(jì)科學(xué)哲學(xué)討論問(wèn)題的出發(fā)點(diǎn),由此而引發(fā)的實(shí)在論與非實(shí)在論之爭(zhēng)仍是科學(xué)哲學(xué)界的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。他們的哲學(xué)專著又成了許多一流科學(xué)家案頭必備的讀物,以便隨時(shí)從中得到智慧的啟迪。實(shí)際上,愛(ài)因斯坦與玻爾這場(chǎng)上升到哲學(xué)的爭(zhēng)論,經(jīng)過(guò)貝爾等人的努力,重又變成了用物理學(xué)實(shí)驗(yàn)可以進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)檢驗(yàn)的問(wèn)題,檢驗(yàn)的結(jié)果雖不足以最終決定誰(shuí)是誰(shuí)非(盡管哥本哈根學(xué)派明顯占了上風(fēng)),但卻明確說(shuō)明了物理學(xué)與哲學(xué)的密切關(guān)系,物理學(xué)哲學(xué)絕不是純思辨的玄學(xué)。
當(dāng)然,一流科學(xué)家也是哲學(xué)家的現(xiàn)象絕不僅限于量子力學(xué)領(lǐng)域。彭加勒、布里奇曼等人不僅在物理學(xué)界享有盛譽(yù),甚至還是一些哲學(xué)流派(約定主義,操作主義)的創(chuàng)始人。維納、普里高津等人雖然算不上正統(tǒng)的哲學(xué)家,但他們的哲學(xué)素養(yǎng)卻為世人所公認(rèn),他們的科學(xué)成就對(duì)哲學(xué)思維方式的影響應(yīng)當(dāng)說(shuō)有劃時(shí)代的意義。從康德提出星云假說(shuō)開(kāi)始在當(dāng)時(shí)占統(tǒng)治地位的形而上學(xué)世界觀上打開(kāi)了第一個(gè)缺口,但完成這個(gè)星云假說(shuō)的拉普拉斯卻把從牛頓開(kāi)始的機(jī)械決定論思維推向了極端,并且產(chǎn)生了巨大的影響。如果說(shuō)量子力學(xué)哥本哈根學(xué)派的非決定論思想是對(duì)這種機(jī)械決定論思想發(fā)起的一場(chǎng)重要挑戰(zhàn)的話,那么由于量子力學(xué)只涉及到微觀領(lǐng)域,還不足以在思想界和科學(xué)界抵消拉普拉斯的影響。19世紀(jì)德國(guó)古典哲學(xué)家們總結(jié)的辯證法思想雖然曾對(duì)19世紀(jì)科學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生過(guò)影響,但由于其思辨色彩太濃也受到了許多科學(xué)家的抵制。但貝塔朗菲、維納等人創(chuàng)立了系統(tǒng)科學(xué),尤其是普里高津等人從熱力學(xué)等實(shí)證的經(jīng)驗(yàn)科學(xué)本身得出系統(tǒng)演化的思想以后,普遍聯(lián)系和發(fā)展的觀點(diǎn)對(duì)于科學(xué)家們來(lái)說(shuō),不再是外在的哲學(xué)教條,而是在科學(xué)中必須嚴(yán)格遵守的思維準(zhǔn)則。更重要的是,自組織理論、非線性科學(xué)所揭示偶然性與必然性之間的新聯(lián)接清楚地表明,非決定論的思維方式絕不僅限于微觀領(lǐng)域,嚴(yán)格因果決定論在我們?nèi)粘I钪幸膊皇瞧毡檫m用。我們不能再用嚴(yán)格因果決定的觀點(diǎn)來(lái)作為可知與不可知的界限,我們知道我們認(rèn)識(shí)的某些界限(例如長(zhǎng)期準(zhǔn)確天氣預(yù)報(bào)的不可能)也是可知,甚至是認(rèn)識(shí)深化的表現(xiàn)。對(duì)看似無(wú)序的混沌現(xiàn)象的研究,卻使我們能夠說(shuō)明許多過(guò)去簡(jiǎn)直無(wú)法理解的復(fù)雜現(xiàn)象,例如天氣變化,中樞神經(jīng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)等等。物理學(xué)哲學(xué)在這方面的研究方興未艾,盡管已有了一些成果,但還只能算是剛剛起步。物理學(xué)哲學(xué)的發(fā)展,已經(jīng)引起了越來(lái)越多在物理學(xué)前沿領(lǐng)域工作的第一流科學(xué)家們的注意,對(duì)他們的研究工作產(chǎn)生了一定的啟迪作用。
三
利用當(dāng)代物理學(xué)及其相關(guān)學(xué)科的最新成果構(gòu)建新的自然圖景,并對(duì)此進(jìn)行哲學(xué)反思是物理學(xué)哲學(xué)的又一研究途徑。其實(shí),這個(gè)研究傳統(tǒng)由來(lái)已久,哲學(xué)既是一種理論化、系統(tǒng)化的世界觀,對(duì)世界作一個(gè)總體的描繪和系統(tǒng)全面的認(rèn)識(shí)就是它的首要任務(wù)。古代自然哲學(xué)憑借哲學(xué)家自己的直觀和猜測(cè)來(lái)構(gòu)建整體的世界自然圖景,結(jié)果是五花八門(mén),莫衷一是。自從近代科學(xué)誕生以后,哲學(xué)家們(即使是宗教哲學(xué)家)或多或少都要依居他們所知的自然科學(xué)成果來(lái)構(gòu)建自己的自然圖景,但他們對(duì)這幅圖景的理解或解釋卻可以由于他們的信仰而有很大的差異,甚至根本對(duì)立,尤其是當(dāng)他們面對(duì)最新的科學(xué)成果,而這些科學(xué)成果表現(xiàn)出了一些與傳統(tǒng)哲學(xué)不同的思維方式時(shí),更會(huì)使哲學(xué)家們對(duì)這些科學(xué)成果的理解上產(chǎn)生更大的差異,由此而引起的爭(zhēng)論往往成為哲學(xué)界的熱點(diǎn)。
現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展使古老的涉及到自然圖景的爭(zhēng)論,如物質(zhì)是否無(wú)限可分和宇宙是否無(wú)限等問(wèn)題又增添了許多新的內(nèi)容。
上世紀(jì)末物理學(xué)中關(guān)于X射線、電子和放射性現(xiàn)象的三大發(fā)現(xiàn)打破了原子不可再分的古老神話,揭開(kāi)了人類(lèi)對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)探索的新篇章。隨著原子結(jié)構(gòu)和基本粒子的大量發(fā)現(xiàn),物質(zhì)無(wú)限可分的觀點(diǎn)似乎得到了科學(xué)實(shí)驗(yàn)的有力證明。但正當(dāng)人們信心百倍地探索到更深層次的亞基本粒子結(jié)構(gòu)——夸克層次的時(shí)候,卻碰到了在實(shí)驗(yàn)中無(wú)法測(cè)到自由夸克的所謂“夸克禁閉”現(xiàn)象。那么,這個(gè)目前得到量子色動(dòng)力學(xué)理論說(shuō)明的現(xiàn)象是否意味著物質(zhì)有不可再分極限的古老原子論觀點(diǎn)又有抬頭的可能呢?對(duì)這個(gè)問(wèn)題的爭(zhēng)論正在繼續(xù)進(jìn)行。
相對(duì)論的建立不僅賦予時(shí)間和空間概念以新的含義,而且極大地改變了人們對(duì)自然圖景的看法,尤其是廣義相對(duì)論對(duì)宇宙時(shí)空幾何結(jié)構(gòu)的描述,使從牛頓時(shí)代建立起來(lái)的宇宙圖景發(fā)生了重大的變革。現(xiàn)代宇宙學(xué)的誕生向人們描繪了一幅宇宙演化的生動(dòng)圖景,一方面更充分地說(shuō)明了宇宙中事物普遍聯(lián)系和無(wú)限發(fā)展的辯證唯物主義觀點(diǎn),另一方面也使人們對(duì)宇宙時(shí)空結(jié)構(gòu)是否無(wú)限的問(wèn)題產(chǎn)生了新的疑惑。顯然,過(guò)去停留在從純哲學(xué)思辨或純邏輯學(xué)論證(如康德的“二律背反”)上來(lái)討論宇宙有限無(wú)限這一古老問(wèn)題是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠了。離開(kāi)了對(duì)現(xiàn)代宇宙學(xué),天體物理學(xué),乃至于非歐幾何學(xué)的深刻理解來(lái)奢談這一問(wèn)題,已顯得是隔靴搔癢,不得要領(lǐng)了。
實(shí)際上,今天我們討論自然圖景的問(wèn)題還不能僅僅停留在物理學(xué)層次上,我們這個(gè)時(shí)代已經(jīng)形成了關(guān)于自然進(jìn)化的自組織理論和全球生態(tài)學(xué)的理論,這些綜合性的學(xué)科已經(jīng)大大豐富和更新了我們的自然圖景。這迫使我們不僅要立足于當(dāng)代物理學(xué)發(fā)展的最新成果,而且還要聯(lián)系到其他學(xué)科發(fā)展的最新成果,樹(shù)立把自然界看成是不斷演化的有機(jī)體的認(rèn)識(shí)原則,去構(gòu)筑最新的完整的自然圖景。這顯然對(duì)哲學(xué)家提出了更高的要求。當(dāng)然,即使如此,物理學(xué)仍然是各門(mén)經(jīng)驗(yàn)自然科學(xué)的基礎(chǔ)。任何對(duì)自然圖景的描述,都不可能脫離這個(gè)基礎(chǔ)。這一發(fā)展趨勢(shì)只是為物理學(xué)哲學(xué)的這一研究途徑開(kāi)辟了更為廣闊的發(fā)展前景。
四
物理學(xué)方法論的研究也是物理學(xué)哲學(xué)的一個(gè)重要內(nèi)容。物理學(xué)理論的發(fā)展總是與物理學(xué)方法的更新與發(fā)展緊密相連,相輔相成的。例如,近代物理學(xué)的誕生,就得益于伽利略,牛頓等人在研究方法上的大膽創(chuàng)造與革新,他們把觀察、實(shí)驗(yàn)等經(jīng)驗(yàn)方法與數(shù)學(xué)、邏輯等理論方法有機(jī)結(jié)合起來(lái),還創(chuàng)造了諸如將形象思維和邏輯思維巧妙結(jié)合的理想實(shí)驗(yàn)方法(伽利略),甚至發(fā)明新的數(shù)學(xué)工具——微積分(牛頓)。這些方法上的成就不僅大大推進(jìn)了物理學(xué)的進(jìn)展,而且具有重大的方法論意義,為以后物理學(xué)的發(fā)展起了巨大的示范作用。現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展更清楚地表明,物理學(xué)每前進(jìn)一步,都伴隨著方法上的重大革新與改進(jìn);而物理學(xué)作為一門(mén)基礎(chǔ)科學(xué),它的每一步發(fā)展,又為人們創(chuàng)造新的方法、設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備提供了新的理論基礎(chǔ),從而不僅為本學(xué)科的發(fā)展開(kāi)辟了新的領(lǐng)域,創(chuàng)造了新的條件,而且還大大影響和促進(jìn)了其他學(xué)科的發(fā)展。本世紀(jì)物理學(xué)借助相對(duì)論和量子力學(xué)的相繼建立取得了重大的進(jìn)展,而如何將二者更緊密結(jié)合起來(lái)創(chuàng)造一種統(tǒng)一的物理學(xué)似乎是下個(gè)世紀(jì)物理學(xué)發(fā)展的一個(gè)方向。如何為實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)取得方法上的突破便成了當(dāng)前物理學(xué)方法論研究中的一個(gè)熱門(mén)問(wèn)題。
美國(guó)哲學(xué)家蒯因曾經(jīng)把知識(shí)體系比喻成為一個(gè)整體場(chǎng)。他說(shuō):“整個(gè)科學(xué)是一個(gè)力場(chǎng),它的邊界條件就是經(jīng)驗(yàn),在場(chǎng)的周?chē)?jīng)驗(yàn)的沖突引起內(nèi)部的再調(diào)整。”(〔(18)〕,第694頁(yè))也就是說(shuō)科學(xué)的理論陳述和與之相應(yīng)的數(shù)學(xué)、邏輯和形而上學(xué)陳述一起組成了這個(gè)整體的知識(shí)場(chǎng),“根據(jù)任何單一的相反經(jīng)驗(yàn)要給哪些陳述的再評(píng)價(jià)的問(wèn)題上有很大的選擇自由,并無(wú)任何特殊的經(jīng)驗(yàn)是和場(chǎng)內(nèi)部的任何特殊陳述相聯(lián)系的”。(同上)為了適應(yīng)經(jīng)驗(yàn)的變化,例如說(shuō)要解釋一個(gè)新的觀察現(xiàn)象,不僅可以改變理論陳述,也可以調(diào)整其他的陳述,如改變一種數(shù)學(xué)方法,調(diào)整我們的本體論信念,乃至于修改有關(guān)的邏輯規(guī)則,“有人曾經(jīng)提出甚至邏輯的排中律的修正作為簡(jiǎn)化量子力學(xué)的方法”(同上)。蒯因的上述想法并非是純哲學(xué)的思辨。現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展已更清楚地表現(xiàn)出了理論與方法之間這種聯(lián)動(dòng)的特征。
首先,現(xiàn)代物理學(xué)對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)和宇宙起源的探索,涉及諸如“夸克禁閉”和真空特性等問(wèn)題,解決這些問(wèn)題,一方面依賴于理論的進(jìn)一步突破,另一方面也依賴于實(shí)驗(yàn)手段的改進(jìn)。
其次,本世紀(jì)初,相對(duì)論與量子力學(xué)的思想一經(jīng)形成,就可以在19世紀(jì)下半葉新興的數(shù)學(xué)分支中找到相應(yīng)的數(shù)學(xué)工具,如非歐幾何學(xué)、張量分析、線性代數(shù)等等。在有關(guān)基本粒子的規(guī)范場(chǎng)論中,群論也得到了很好的應(yīng)用,但隨著現(xiàn)代物理學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展,數(shù)學(xué)手段已顯得不夠得力。例如,目前關(guān)于大統(tǒng)一理論的研究難以取得有效的突破,癥結(jié)究竟是在相對(duì)論與量子力學(xué)自身難以統(tǒng)一,需要建立一種能取代二者的新理論,還是缺乏必要的數(shù)學(xué)處理方法就是尚待解決的問(wèn)題。
第三,在量子力學(xué)的賴辛巴哈解釋中,賴辛巴哈試圖建立一種消除形式邏輯排中律的三值邏輯來(lái)消除用經(jīng)典語(yǔ)言描述微觀客體行為時(shí)與量子力學(xué)結(jié)論相悖的因果異常。這種新的邏輯形式揭示了用傳統(tǒng)形式邏輯描述不確定現(xiàn)象時(shí)的困難。(參見(jiàn)〔(5)〕)沿著賴辛巴哈的思路,有人進(jìn)一步發(fā)展出應(yīng)用抽象代數(shù)學(xué)中“格演算”的工具,用基本聯(lián)詞“遇”與“接”來(lái)取代“與”和“或”用以更好地刻劃量子領(lǐng)域中的“亦此亦彼”現(xiàn)象,并使這種最子邏輯可以用一種廣義的命題演算工具表述。(參見(jiàn)〔(23)〕)雖然這一設(shè)想還沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用,但畢竟給我們一個(gè)啟示。量子物理的理論具有高度的辯證性質(zhì),“非此即彼”的形式邏輯思維已不足以解釋量子物理實(shí)驗(yàn)中眾多的“亦此亦彼”的現(xiàn)象,而一種新的邏輯思維方式可能是現(xiàn)代物理學(xué)取得進(jìn)一步突破的關(guān)鍵。這正如日本物理學(xué)家武谷三男所說(shuō):“量子力學(xué)的情況,如果從我們通常的觀念看來(lái),是充滿著矛盾和難以克服的困難,但量子力學(xué)卻是以獨(dú)特的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)卓越而合理地把握了它,要理解這種邏輯結(jié)構(gòu),唯有依靠辯證邏輯。”(〔(3)〕,第100—101頁(yè))形式邏輯產(chǎn)生了古希臘時(shí)期,是人類(lèi)對(duì)宏觀事件進(jìn)行思維時(shí)對(duì)規(guī)律的總結(jié)。但當(dāng)我們深入到前人未曾接觸過(guò)的微觀和宇觀領(lǐng)域時(shí),由于物質(zhì)決定意識(shí),我們的思維方式是否也應(yīng)該發(fā)生某種變化呢?現(xiàn)在的問(wèn)題是,針對(duì)現(xiàn)代物理學(xué)中出現(xiàn)的一些難以解決的問(wèn)題,如EPR悖論,我們除了繼續(xù)在物理學(xué)理論上尋求突破之外,是否也可以換一種邏輯思維方式,甚至如本世紀(jì)一些杰出物理學(xué)家,如玻爾、普里高津等人所說(shuō)的那樣,現(xiàn)代物理學(xué)可以從古老的東方文化中吸取有益的營(yíng)養(yǎng),來(lái)幫助尋求現(xiàn)代物理學(xué)的突破口呢?
五
以上我們雖然分別評(píng)述了物理學(xué)哲學(xué)研究的不同途徑,但這并不意味著物理學(xué)哲學(xué)研究途徑之間的差別就是涇渭分明的,恰恰相反,正如我們?cè)谏厦鏀⑹鲋幸呀?jīng)表露出來(lái)的那樣,這些研究途徑之間是緊密相連、相輔相成的,其區(qū)別只在于我們研究的問(wèn)題傾重點(diǎn)不同罷了。任何最新自然圖景的構(gòu)建都要建立在自然科學(xué)前沿的研究成果之上,對(duì)自然科學(xué)前沿問(wèn)題的正確理解就是構(gòu)建新自然圖景的關(guān)鍵所在。但任何新理論成就的取得又都離不開(kāi)概念的更新和對(duì)這些概念的澄清。上述研究當(dāng)然也離不開(kāi)對(duì)物理學(xué)方法的反思和創(chuàng)造。總之,當(dāng)代物理學(xué)哲學(xué)是對(duì)物理學(xué)的歷史與現(xiàn)狀進(jìn)行全面反思的一門(mén)哲學(xué)分支學(xué)科,它的研究既會(huì)對(duì)物理學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展有一定的啟發(fā)作用,也由于涉及到哲學(xué)的本體論、認(rèn)識(shí)論和方法論的各個(gè)方面,又會(huì)對(duì)豐富和發(fā)展當(dāng)代哲學(xué)做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。
近年來(lái),我國(guó)一些物理學(xué)家和自然辯證法工作者運(yùn)用辯證唯物主義思想,從以上各條途徑上全面展開(kāi)了研究,尤其是對(duì)物理學(xué)前沿科學(xué)成果所產(chǎn)生的哲學(xué)問(wèn)題的辯論,例如,涉及到大爆炸宇宙學(xué)的有關(guān)宇宙有限無(wú)限問(wèn)題,涉及到“夸克禁閉”現(xiàn)象的物質(zhì)是否無(wú)限可分問(wèn)題,對(duì)有關(guān)EPR悖論的阿斯佩克特實(shí)驗(yàn)結(jié)果的理解問(wèn)題等等,都引起了哲學(xué)界和部分物理學(xué)家的廣泛關(guān)注。我們還注意到,國(guó)內(nèi)一些哲學(xué)教科書(shū)已經(jīng)根據(jù)上述問(wèn)題的討論充實(shí)和更新了有關(guān)的教學(xué)內(nèi)容,這是值得欣慰的。但我們也應(yīng)當(dāng)看到,我國(guó)目前物理學(xué)哲學(xué)研究的水平與國(guó)外同行相比還有一定差距。其主要表現(xiàn)就是對(duì)當(dāng)代物理學(xué)基本思想的理解還不深,還難以提出獨(dú)到的令物理學(xué)界和哲學(xué)界都信服的觀點(diǎn),而當(dāng)年賴辛巴哈、波普爾、邦格等哲學(xué)家參與有關(guān)量子力學(xué)基礎(chǔ)問(wèn)題的爭(zhēng)論時(shí),都曾提出過(guò)令當(dāng)時(shí)還健在的量子力學(xué)創(chuàng)始人和眾多諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)金得主都不得不重視的觀點(diǎn)。(參見(jiàn)〔(3)〕、〔(4)〕、〔(5)〕)這主要是因?yàn)槲覈?guó)第一流的物理學(xué)家關(guān)心物理學(xué)哲學(xué)的人數(shù)還太少,而受過(guò)專門(mén)物理學(xué)訓(xùn)練的哲學(xué)工作者(包括自然辯證法工作者)也不多,二者之間交流的機(jī)會(huì)就更少。我們熱情地期待,會(huì)有更多的哲學(xué)和物理學(xué)工作者參加到物理學(xué)哲學(xué)研究的行列中來(lái)。
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強(qiáng)、弱、電三種相互作用的標(biāo)準(zhǔn)模型的建立與精確檢驗(yàn)是20世紀(jì)物理學(xué)最偉大的成就之一,它把基本粒子的強(qiáng)、弱、電三種相互作用的描述成功地統(tǒng)一起來(lái),成為人類(lèi)揭示最深層次物質(zhì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)有力的工具。但是,迄今一直未能把引力統(tǒng)一進(jìn)來(lái)始終是極大憾事。究其原因在于引力的量子化帶來(lái)一系列長(zhǎng)期困擾物理學(xué)界,至今仍難以解決的嚴(yán)重問(wèn)題。積極探尋這些問(wèn)題的解決辦法,近年來(lái)成為理論物理學(xué)家極為關(guān)注的熱點(diǎn)。本書(shū)正是作者為解決問(wèn)題而孜孜不倦、努力奮斗的結(jié)果。在本書(shū)中作者認(rèn)真地考查了這些研究活動(dòng)所涉及的物理概念與哲學(xué)基礎(chǔ),特別是評(píng)論了人們提出的各種建議與模型的前提和自洽性。
作者曾與L.Susskind合作寫(xiě)過(guò)一本關(guān)于黑洞的書(shū),介紹靜態(tài)幾何的量子物理與相對(duì)論以及視界物理的一些信息。然而作者最近研究表明對(duì)于一旦納入動(dòng)力學(xué)描寫(xiě)時(shí),這些結(jié)果必須做一些定性的修改。本書(shū)是作為以前出版的那部書(shū)的進(jìn)一步詳細(xì)的闡釋和擴(kuò)充,但是也包含了一些新的材料,其中包括詳細(xì)考查在相對(duì)論框架內(nèi)納入量子力學(xué)的基本自洽性,包括了動(dòng)力學(xué)空間相關(guān)幾何學(xué),并擴(kuò)展了前一本書(shū)寫(xiě)作中涉及物理學(xué)基礎(chǔ)的一些討論,嘗試探討微觀物理學(xué)中可以與引力的微觀理論自洽的內(nèi)容。本書(shū)特別強(qiáng)調(diào):在尋找最優(yōu)雅的物理現(xiàn)象的模型時(shí)人們必須記住:物理學(xué)是一門(mén)實(shí)驗(yàn)科學(xué)。他希望以此激勵(lì)讀者對(duì)于新知識(shí),特別是通過(guò)實(shí)驗(yàn)探索物質(zhì)性質(zhì)的興趣。
全書(shū)內(nèi)容分成兩大部分,共包括9章。第一部分 伽利略相對(duì)論與狹義相對(duì)論,含第1-4章:1.經(jīng)典狹義相對(duì)論;2.量子力學(xué)、經(jīng)典力學(xué)和狹義相對(duì)論;3.粒子相互作用的微觀形式;4.量子力學(xué)中的群論。 第二部分 廣義相對(duì)論,含第5-9章:5.廣義相對(duì)論基礎(chǔ); 6.彎曲時(shí)空背景中的量子力學(xué);7.視界與陷俘區(qū)的物理學(xué); 8.宇宙學(xué); 9.相互作用系統(tǒng)的引力。
本書(shū)以物理系和自然哲學(xué)領(lǐng)域的大學(xué)生和研究生以及數(shù)學(xué)和粒子物理領(lǐng)域的研究人員為主要的讀者對(duì)象。對(duì)于物理模型以及與主流物理學(xué)自洽的實(shí)驗(yàn)感興趣的理論物理與自然哲學(xué)家也是一部重要的參考書(shū)。但閱讀本書(shū)的讀者應(yīng)當(dāng)具有量子力學(xué)、廣義相對(duì)論、統(tǒng)計(jì)物理學(xué)和物理學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)。
一、反常霍爾效應(yīng)的前世
(一)霍爾效應(yīng)
霍爾效應(yīng)是美國(guó)物理學(xué)家霍爾于1879年發(fā)現(xiàn)的一個(gè)物理效應(yīng)。在一個(gè)通有電流的導(dǎo)體中,如果施加一個(gè)垂直于電流方向的磁場(chǎng),由于洛倫茲力的作用,電子的運(yùn)動(dòng)軌跡將產(chǎn)生偏轉(zhuǎn),從而在垂直于電流和磁場(chǎng)方向的導(dǎo)體兩端產(chǎn)生電壓,這一現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)。
霍爾效應(yīng)在應(yīng)用技術(shù)中非常重要,特別是在現(xiàn)代汽車(chē)上廣泛得到應(yīng)用。
(二)量子霍爾效應(yīng)
作為微觀電子世界的量子行為在宏觀尺度上的完美體現(xiàn),量子霍爾效應(yīng)(強(qiáng)磁場(chǎng)中,縱向電壓和橫向電流的比值隨著磁場(chǎng)增強(qiáng)而出現(xiàn)的量子化特點(diǎn))一直在凝聚態(tài)物理研究中占據(jù)著極其重要的地位。1980年左右,德國(guó)科學(xué)家馮·克利青發(fā)現(xiàn)了整數(shù)量子霍爾效應(yīng),獲得1985年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1982年,美國(guó)物理學(xué)家崔琦和施特默等發(fā)現(xiàn)了分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng),這個(gè)效應(yīng)不久由另一位美國(guó)物理學(xué)家勞弗林給出理論解釋,他們?nèi)藰s獲1998年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
量子霍爾效應(yīng)在未來(lái)電子器件中發(fā)揮特殊的作用,可以用于制備低能耗的高速電子器件。例如,如果把量子霍爾效應(yīng)引入計(jì)算機(jī)芯片,將會(huì)克服電腦的發(fā)熱和能量耗散問(wèn)題。然而它需要的強(qiáng)磁場(chǎng)設(shè)備不但價(jià)格昂貴,而且體積龐大(衣柜大小),也不適合于個(gè)人電腦和便攜式計(jì)算機(jī)。
二、反常量子霍爾效應(yīng)
1880年,霍爾在研究磁性金屬的霍爾效應(yīng)時(shí)發(fā)現(xiàn),即使不加外磁場(chǎng)也可以觀測(cè)到霍爾效應(yīng),這種零磁場(chǎng)中的霍爾效應(yīng)就是反常霍爾效應(yīng)。反常霍爾效應(yīng)與普通的霍爾效應(yīng)在本質(zhì)上完全不同,反常霍爾效應(yīng)是由于材料本身的自發(fā)磁化而產(chǎn)生的,因此這是一個(gè)全新的量子效應(yīng),有可能是量子霍爾效應(yīng)家族的最后一個(gè)重要成員。如果能在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)零磁場(chǎng)中的量子霍爾效應(yīng),利用其無(wú)耗散的邊緣態(tài)發(fā)展新一代的低能耗晶體管和電子學(xué)器件,從而解決電腦發(fā)熱問(wèn)題和其它的一些瓶頸問(wèn)題,推動(dòng)信息技術(shù)的進(jìn)步。但反常霍爾效應(yīng)的量子化對(duì)材料性質(zhì)的要求非常苛刻,美國(guó)、德國(guó)、日本等科學(xué)家未取得最后成功。
2009年,清華大學(xué)薛其坤院士帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)向量子反常霍爾效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)發(fā)起沖擊。
2010年,中科院物理所的方忠、戴希理論團(tuán)隊(duì)與拓?fù)浣^緣體理論的開(kāi)創(chuàng)者之一、斯坦福大學(xué)的張首晟等合作,提出了實(shí)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)的最佳體系。由清華大學(xué)的薛其坤、王亞愚、陳曦、賈金鋒研究組,與中科院物理所的馬旭村、何珂、王立莉研究組及呂力研究組組成的實(shí)驗(yàn)攻關(guān)團(tuán)隊(duì)合作,開(kāi)始向量子反常霍爾效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)發(fā)起沖擊。截止到2013年的四年中,團(tuán)隊(duì)生長(zhǎng)和測(cè)量了1000多個(gè)樣品,利用分子束外延的方法使之長(zhǎng)出一層幾納米厚的薄膜,然后再摻進(jìn)去鉻離子,生長(zhǎng)了高質(zhì)量的磁性摻雜拓?fù)浣^緣體薄膜,將其制備成輸運(yùn)器件并在幾毫開(kāi)的極低溫度環(huán)境下對(duì)其磁電阻和反常霍爾效應(yīng)進(jìn)行了精密測(cè)量。終于發(fā)現(xiàn)在一定的外加?xùn)艠O電壓范圍內(nèi),此材料在零磁場(chǎng)中的反常霍爾電阻達(dá)到了量子霍爾效應(yīng)的特征值h/e2~25800歐姆,世界難題得以攻克。薛其坤院士說(shuō):這是我們團(tuán)隊(duì)精誠(chéng)合作、聯(lián)合攻關(guān)的共同成果,是中國(guó)科學(xué)家的集體榮譽(yù)。
三、量子反常霍爾效應(yīng)的意義及發(fā)展前景
量子反常霍爾效應(yīng)之所以如此重要,是因?yàn)樾?yīng)可能在未來(lái)電子器件中發(fā)揮特殊作用,無(wú)需高強(qiáng)磁場(chǎng),就可以制備低能耗的高速電子器件,例如極低能耗的芯片——這意味著計(jì)算機(jī)未來(lái)可能更新?lián)Q代。
霍爾效應(yīng)是諾貝爾獎(jiǎng)的富礦。最近一次也是第三次與霍爾效應(yīng)有關(guān)的諾貝爾獎(jiǎng)是2010年的諾貝爾物理獎(jiǎng)。2005年,英國(guó)科學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫成功地在實(shí)驗(yàn)中從石墨中分離出石墨烯,在常溫下觀察到量子霍爾效應(yīng)。他們于2010年獲諾獎(jiǎng)。石墨烯這種“超薄的碳膜”厚度只有0.335納米,是至今發(fā)現(xiàn)的厚度最薄和強(qiáng)度最高的材料。
此外,量子自旋霍爾效應(yīng)于2007年被發(fā)現(xiàn),2010年獲得歐洲物理獎(jiǎng),2012年獲得美國(guó)物理學(xué)會(huì)巴克利獎(jiǎng)。
如果對(duì)該定理的證明成立的話,對(duì)于今后以超越目前標(biāo)準(zhǔn)模型來(lái)解釋物理現(xiàn)象的嘗試,將很可能具有引導(dǎo)的作用,而且一定可以運(yùn)用在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)未來(lái)可能發(fā)現(xiàn)的任何未知粒子的研究上。大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)位于瑞士日內(nèi)瓦附近的粒子物理實(shí)驗(yàn)室,該實(shí)驗(yàn)室簡(jiǎn)稱CERN(European Organization for NuclearResearch,歐洲核子研究中心)。
卡迪是英國(guó)牛津大學(xué)的理論物理學(xué)家,他表示:“我很高興。如果這個(gè)證明是對(duì)的,那我1988年提出的假說(shuō)能夠成立。”
卡迪的假說(shuō)稱為“a定理”,認(rèn)為以能量激發(fā)量子場(chǎng)的方式,在高能狀態(tài)時(shí)比在低能狀態(tài)時(shí)為多。
位于以色列雷霍沃特的魏茨曼科學(xué)研究所的學(xué)者左哈·寇馬高斯基和亞當(dāng)·施維默,在2011年7月對(duì)卡迪的假說(shuō)提出了證明。在經(jīng)過(guò)其他理論物理學(xué)家的檢驗(yàn)之后,他們的論證如今漸漸獲得接受。
美國(guó)新澤西州普林斯頓高等研究院的理論物理學(xué)家奈森·塞博格說(shuō):“我認(rèn)為這個(gè)論證正確的可能性很高。”
統(tǒng)一原理
由于很多量子場(chǎng)理論尚未被完全解答,所以無(wú)法對(duì)粒子的活動(dòng)做綜合性的預(yù)測(cè),量子色動(dòng)力學(xué)即為一例。這個(gè)描述夸克和膠子之間交互作用的強(qiáng)核力理論,其尚未完全解答的部分,讓物理學(xué)家無(wú)法把對(duì)高能量、近距離尺度的夸克和遠(yuǎn)距離、低能量尺度的粒子,例如質(zhì)子和中子等的研究連接起來(lái)。
羅伯特·麥爾斯是加拿大滑鐵盧皮瑞米特研究所的理論物理學(xué)家。他表示,雖然有許多研究試圖把近距離與遠(yuǎn)距離尺度的量子場(chǎng)理論聯(lián)系起來(lái),但實(shí)際上,其中能夠適用于所有理論的通則很少。
不過(guò),卡迪的a定理有可能成為這樣的一種通則。a定理的一個(gè)版本在二維的情形中已經(jīng)被證實(shí),但卡迪認(rèn)為在四維的情形下也會(huì)成立,譬如我們現(xiàn)在生活的這個(gè)三維空間加上時(shí)間。不幸的是,該定理在2008年時(shí)似乎被了,因?yàn)楫?dāng)時(shí)有兩位物理學(xué)家提出了反例:一個(gè)違反卡迪a定理規(guī)則的量子場(chǎng)理論。
之后,塞博格和他的同事于2010年重新檢驗(yàn)這個(gè)反例,并發(fā)現(xiàn)了其中的瑕疵。此舉為其他學(xué)者檢驗(yàn)卡迪的假說(shuō)以及施維默和寇馬高斯基提出證明鋪了一條路。
雖然施維默和寇馬高斯基的證明未臻完善,尚有需要厘清的部分和詳細(xì)檢查的步驟,但麥爾斯認(rèn)為該證明是對(duì)的。他說(shuō):“如果這個(gè)證明全面完成了,將成為一個(gè)威力強(qiáng)大的原理,如果不夠完整,也仍然是大多數(shù)情況下可成立的通則。”
肯·印德利蓋特是加利福尼亞州圣地亞哥大學(xué)的理論物理學(xué)家。他對(duì)這一說(shuō)法表示同意,并補(bǔ)充說(shuō)明:數(shù)學(xué)家要求證明一定要毫無(wú)破綻,但是物理學(xué)家通常只要這個(gè)證明在大多數(shù)情況下是對(duì)的,就可以了,并且對(duì)于任何進(jìn)一步深入的探究都非常感興趣。
麥特·斯特瑞斯勒是位于新伯朗斯威的新澤西州羅格斯大學(xué)的理論物理學(xué)家。在其博客中,他認(rèn)為這個(gè)證明成就非凡,因?yàn)橐坏┯幸粋€(gè)精巧的想法確立了之后,整個(gè)論證就會(huì)水到渠成。
基礎(chǔ)日益穩(wěn)固
現(xiàn)在卡迪的假說(shuō)得到了有力的支持,很可能會(huì)被更加廣泛地運(yùn)用。其中成果最豐富的將會(huì)是量子場(chǎng)研究領(lǐng)域中眾多企圖超越標(biāo)準(zhǔn)模型而提出的統(tǒng)一物理學(xué)理論,包括超對(duì)稱理論。根據(jù)超對(duì)稱理論,所有已知的粒子都有一個(gè)尚未發(fā)現(xiàn)且超重的對(duì)應(yīng)粒子。a定理的用處是可以根據(jù)一個(gè)理論在低能量范疇所做出的預(yù)測(cè)來(lái)幫忙縮小在高能量狀態(tài)時(shí)預(yù)測(cè)的范圍,反之亦然。
物理學(xué)家希望大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)可以找到超對(duì)稱現(xiàn)象的證據(jù)或其他標(biāo)準(zhǔn)模型以外的粒子,到時(shí)候理論物理學(xué)家會(huì)需要所有可用的方法來(lái)解釋這些發(fā)現(xiàn)。麥爾斯預(yù)言a定理“將會(huì)是理論物理學(xué)家理解物理現(xiàn)象的指導(dǎo)工具”。
愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論說(shuō),宇宙源自奇點(diǎn)大爆炸。但這理論并不具備完善的時(shí)空量子結(jié)構(gòu),因此,我們無(wú)從得知物質(zhì)緊密匯聚的極限與引力強(qiáng)度的范圍。物理學(xué)家需要一套新的量子引力理論,才能明了究竟發(fā)生了什么事情。
根據(jù)“圈量子引力理論”,空間可被細(xì)分為許多具有體積的“原子”單位。由于它們僅有有限的容量可儲(chǔ)存物質(zhì)與能量,因此奇點(diǎn)是無(wú)法真正存在的。
若果真如此,宇宙產(chǎn)生的時(shí)間就有可能推到大爆炸之前。大爆炸前的宇宙或許曾非常劇烈地收縮成具有極大密度的一點(diǎn),然后反轉(zhuǎn)整個(gè)過(guò)程。簡(jiǎn)單地說(shuō),就是由大崩塌導(dǎo)致大反彈,最后才變成大爆炸。
由于原子的概念在現(xiàn)代已經(jīng)是老生常談,我們很難想象它曾經(jīng)是個(gè)多么荒誕不經(jīng)的想法。幾個(gè)世紀(jì)前,當(dāng)科學(xué)家第一次假設(shè)原子存在時(shí),他們絕望地認(rèn)為這么小的東西絕不可能觀測(cè)得到,甚至有許多人質(zhì)疑原子這樣的概念是否合乎科學(xué)。不過(guò),原子存在的證據(jù)逐漸累積,終于在1905年因?yàn)閻?ài)因斯坦分析了液體中微塵顆粒隨機(jī)跳動(dòng)的布朗運(yùn)動(dòng),達(dá)到了高峰。即便如此,物理學(xué)家仍然花了20年才提出解釋原子的理論, 也就是量子力學(xué)。又過(guò)了30年之后,物理學(xué)家米勒才第一次用顯微鏡觀察到原子的身影。今天,物理學(xué)各領(lǐng)域的發(fā)展,幾乎都以物質(zhì)原子的特殊性質(zhì)為基礎(chǔ)。
物理學(xué)家對(duì)時(shí)間與空間組成的理解亦經(jīng)過(guò)了類(lèi)似的過(guò)程,但還未達(dá)到成熟的階段。正如從物質(zhì)的行為可看出它們是由原子構(gòu)成的一樣,空間與時(shí)間的行為也暗示了它們具有某些細(xì)微的結(jié)構(gòu)――可能是由類(lèi)似 “時(shí)空原子”組成的馬賽克構(gòu)造,或是某種網(wǎng)狀系統(tǒng)。物質(zhì)原子是化合物不可分割的最小單位;同理,想象中的“時(shí)空原子”是時(shí)空不可分割的最小單位,一般認(rèn)為它們的直徑只有大約10-35米,小到連當(dāng)今可探測(cè)到10-18米的距離的最強(qiáng)大的儀器都無(wú)法看到。所以,許多科學(xué)家甚至質(zhì)疑這種“時(shí)空原子” 的概念是否合乎科學(xué)原理,不過(guò), 也有許多科學(xué)家不受影響,相繼提出間接觀測(cè)“時(shí)空原子”的方法。
看似最有希望的方式,與宇宙的觀測(cè)有關(guān)。如果能倒轉(zhuǎn)宇宙的時(shí)間,我們所見(jiàn)的星系會(huì)全都匯聚到一個(gè)無(wú)限小的點(diǎn):大爆炸奇點(diǎn)。愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論預(yù)言,宇宙在該點(diǎn)上具有無(wú)窮大的密度與溫度,一般認(rèn)為,這是宇宙的起點(diǎn),物質(zhì)、空間與時(shí)間從此誕生。不過(guò),這種詮釋有些過(guò)頭了,因?yàn)闊o(wú)限大的數(shù)值表示廣義相對(duì)論本身在此失效。為了理解大爆炸時(shí)究竟發(fā)生了什么,物理學(xué)家必須發(fā)展出一套超越相對(duì)論的、能夠捕捉到時(shí)空細(xì)微結(jié)構(gòu)的量子引力論,以攻克廣義相對(duì)論完全無(wú)能為力的問(wèn)題。
該結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)產(chǎn)生于太初宇宙的致密環(huán)境中,從現(xiàn)今物質(zhì)與輻射的分布上或許能看出一些蛛絲馬跡。簡(jiǎn)單地說(shuō),假如“時(shí)空原子”確實(shí)存在,我們將不會(huì)像物質(zhì)原子一樣得花上好幾百年才找到證據(jù)。靠點(diǎn)運(yùn)氣,我們或許就能在未來(lái)10年內(nèi)知道此事的大致輪廓。
物理學(xué)家已經(jīng)設(shè)計(jì)出一些量子引力的可能理論,每個(gè)理論都將量子原理以不同的方式應(yīng)用在廣義相對(duì)論上。我的工作鎖定在“圈量子引力理論”,那是在20世紀(jì)90年代經(jīng)過(guò)兩個(gè)步驟發(fā)展出來(lái)的理論。首先,理論物理學(xué)家以數(shù)學(xué)方法重新將廣義相對(duì)論公式化,讓它看起來(lái)很像古典的電磁理論;這一理論就是因?yàn)槟M于電場(chǎng)和磁力線而得名的。其次,依循某些與扭結(jié)數(shù)學(xué)相同的創(chuàng)新程序,將量子原理應(yīng)用到環(huán)圈上,以此導(dǎo)出的量子引力理論,預(yù)測(cè)了“時(shí)空原子”的存在。
其他的理論,像弦理論與所謂的“因果動(dòng)力三角形”等,并沒(méi)有預(yù)言“時(shí)空原子”,但認(rèn)為有其他的方式可讓極短的距離成為不可分割的物理量。這些理論間的差異已引起了許多爭(zhēng)論,但對(duì)我而言,它們之間的矛盾并沒(méi)有大到不可調(diào)和的地步。舉例來(lái)說(shuō),若想統(tǒng)一在微弱引力狀況下粒子間的交互作用,弦理論是非常有用的理論,但若想分析在引力場(chǎng)強(qiáng)大的奇點(diǎn)上究竟發(fā)生了什么事情,“圈量子引力”的原子建構(gòu)則更為有效。
圈量子引力理論
“圈量子引力理論”是由阿貝?阿希提卡、李?施莫林、卡洛?洛華利等人發(fā)展出來(lái)的量子引力理論,與弦理論一起成為目前將引力論量子化最成功的理論。
物理學(xué)家阿貝?阿希提卡稱:“盡管愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論在解釋宇宙方面表現(xiàn)出眾,甚至可以描述到宇宙的起源,但是在接近宇宙大爆炸時(shí),物質(zhì)密度變得極大,相對(duì)論就不再適用了。要解釋大爆炸之前的宇宙,我們就得應(yīng)用量子理論,而在愛(ài)因斯坦時(shí)代,這種理論還沒(méi)有出現(xiàn)。”
阿希提卡和他的兩位博士后研究員托馬斯?保羅斯基和帕姆普里特?辛格,正試圖用量子理論解釋大爆炸前的宇宙形態(tài)。他們利用“圈量子引力理論”建立了數(shù)學(xué)模型,可以直接描述宇宙大爆炸,甚至解釋爆炸前的情景。另一方面,阿希提卡說(shuō),在大爆炸之前存在著另一個(gè)時(shí)空幾何的宇宙,與現(xiàn)在的宇宙十分相似,只是它不是在膨脹,而是隨著時(shí)間的推移逐步縮小。他還說(shuō),其實(shí)宇宙的變遷并非傳統(tǒng)意義上的大爆炸,而是一次量子跳躍。
“圈量子引力理論”被認(rèn)為是將廣義相對(duì)論和量子物理學(xué)相統(tǒng)一的最有效手段。“這種理論假定時(shí)空幾何本身有離散的‘原子’結(jié)構(gòu),”阿希提卡解釋道,“與我們熟悉的時(shí)空連續(xù)性不同,‘圈量子引力理論’認(rèn)為空間是由一維量子構(gòu)成,在接近大爆炸時(shí),這種構(gòu)造被劇烈地打破,量子自身的屬性使得物質(zhì)引力相互排斥,而非相互吸引。
這個(gè)暑假,讀完了《時(shí)間簡(jiǎn)史》,我才知道自己在這個(gè)物理學(xué)大師面前是有多么的渺小,斯蒂芬霍金。大師帶給我們的,是物理學(xué)的精華,根據(jù)他的文字,我有一些自己的想法。
首先是書(shū)里面提到的思想,這種思想對(duì)于現(xiàn)代物理學(xué)的進(jìn)步有重大的意義,既將經(jīng)典廣義相對(duì)論與量子理論的結(jié)合。現(xiàn)代物理學(xué)近百年的發(fā)展史來(lái)看,許多人都在做類(lèi)似的嘗試,包括愛(ài)因斯坦他自己也在做與量子理論相和諧的相對(duì)論的延伸理論,不過(guò)他知難而退了,最后他把目光又放在了宇宙常數(shù)上,這是這個(gè)天才的失敗之處。不少人為了量子理論和相對(duì)論的和諧,做了許多邊緣學(xué)科,但我個(gè)人認(rèn)為,都不如霍金大師做的那么徹底——量子引力論,量子是物質(zhì)粒子的非連續(xù)運(yùn)動(dòng),而所有的量子困惑都起源于這種非連續(xù)運(yùn)動(dòng)。量子理論與引力的結(jié)合,即量子引力理論,目前還處于研究階段。這種理論的歷史說(shuō)來(lái)話長(zhǎng),著名的廣義相對(duì)論家彭羅斯在昌德拉塞卡解出Dirac方程后,和霍金一道證明了黑洞的面積定理,隨后霍金做出了黑洞熱輻射定理,既從黑洞面積的非減性能讓人自然而然的想起叫做熵的物理量,黑洞處也具有熵的特性。
從數(shù)學(xué)角度來(lái)看,不管量子引力論是不是大統(tǒng)一理論,但它有它的意義,對(duì)物理學(xué)有很好的影響。
霍金對(duì)于時(shí)間箭頭的描述十分有趣,讓我不禁想起曾經(jīng)尋根究底的哲學(xué)與科學(xué)理論齊頭并進(jìn)的時(shí)代,但是現(xiàn)在科學(xué)對(duì)于哲學(xué)家來(lái)說(shuō),太具有數(shù)學(xué)化了,使得維特根斯坦都說(shuō):哲學(xué)只剩下了分析語(yǔ)言了。
時(shí)間箭頭分為三種,1、熱力學(xué)箭頭,根據(jù)熱力學(xué)第二定律熵總是隨著時(shí)間的推移而增加,反之時(shí)間隨著熵的增加而推移。2、心理學(xué)時(shí)間箭頭,既我們認(rèn)為時(shí)間的推移方向。3、宇宙學(xué)時(shí)間箭頭,宇宙隨著時(shí)間的推移而膨脹,反之時(shí)間隨著宇宙膨脹而推移。
由于用數(shù)學(xué)方法建立穩(wěn)態(tài)的宇宙模型是非常艱難的一件事,所以,我們規(guī)定,我們的世界中時(shí)間算是實(shí)時(shí)間,我們可以假設(shè)有一種虛時(shí)間,用虛數(shù)來(lái)計(jì)量時(shí)間,在虛時(shí)間的宇宙里沒(méi)有奇點(diǎn),所以,在虛時(shí)間里,不會(huì)有任何科學(xué)定律被違反,但是在實(shí)時(shí)間里,注定會(huì)有一個(gè)奇點(diǎn),科學(xué)定律注定會(huì)在此處被違反,但我們的疑惑是我們生活在的世界里,是否一定是實(shí)時(shí)間?我們目前的發(fā)現(xiàn)不足以證明我們的宇宙中存不存在奇點(diǎn),這種將是個(gè)謎。
初三:量子的意志
量子力學(xué)完美地解釋了在各種尺度之下物質(zhì)的行為,在所有物質(zhì)科學(xué)中是最成功的理論,但也是最詭異的理論。
在量子領(lǐng)域里,粒子似乎可以同時(shí)出現(xiàn)在兩個(gè)地方,信息傳遞速度可以比光速快,而貓可以同時(shí)既是死的又是活的!物理學(xué)家已經(jīng)對(duì)這些量子世界中吊詭的事情困惑了90年,但他們現(xiàn)在還是一籌莫展。當(dāng)演化論和宇宙論已經(jīng)成為一般知識(shí)時(shí),量子理論仍然讓人認(rèn)為是奇特的異常事物;盡管在設(shè)計(jì)電子產(chǎn)品時(shí),它是很棒的操作手冊(cè),此外就沒(méi)什么用處了。由于人們對(duì)于量子理論的意義有著深度混淆,便繼續(xù)加深一種印象:量子理論想急切傳達(dá)的深?yuàn)W道理,與日常生活無(wú)關(guān),而且因?yàn)檫^(guò)于怪異,以至于一點(diǎn)也不重要。
在2001年,有個(gè)研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)始發(fā)展一種模型,或許可以去除量子物理的吊詭之處,至少也會(huì)讓這些吊詭不那么令人不安。這個(gè)模型被稱為量子貝氏主義,它重新思考波函數(shù)的意義。
在正統(tǒng)量子理論中,一個(gè)物體(例如電子)可用波函數(shù)來(lái)表示,也就是說(shuō)波函數(shù)是一種用來(lái)描述物體性質(zhì)的數(shù)學(xué)式子。如果你想預(yù)測(cè)電子的行為,只需推導(dǎo)出它的波函數(shù)如何隨時(shí)間變化,計(jì)算的結(jié)果可以給你電子具有某種性質(zhì)(例如電子位于某處)的概率。但是如果物理學(xué)家進(jìn)一步假設(shè)波函數(shù)是真實(shí)的事物,麻煩就來(lái)了。
量子貝氏主義結(jié)合了量子理論與概率理論,認(rèn)為波函數(shù)不是客觀實(shí)在的事物;反之,它主張把波函數(shù)作為使用手冊(cè),是觀察者對(duì)于周遭(量子)世界做出適當(dāng)判斷的數(shù)學(xué)工具。明確一點(diǎn)講,觀察者了解一件事:自己的行為與抉擇會(huì)無(wú)可避免地以無(wú)法預(yù)測(cè)的方式影響被觀測(cè)系統(tǒng),因此用波函數(shù)來(lái)指明自己判斷量子系統(tǒng)具有某種特定性質(zhì)的概率大小。另一個(gè)觀察者也用波函數(shù)來(lái)描述他所看到的世界,對(duì)于同一量子系統(tǒng)而言,可能會(huì)得到完全不同的結(jié)論。觀察者的人數(shù)有多少,一個(gè)系統(tǒng)(一個(gè)事件)可能擁有不同的波函數(shù)就有多少。在觀察者相互溝通、并且修正了各自的波函數(shù)以涵蓋新得到的知識(shí)之后,一個(gè)有條理的世界觀就浮現(xiàn)了。
最近才轉(zhuǎn)而接受量子貝氏主義的美國(guó)康奈爾大學(xué)理論物理學(xué)家摩明這么說(shuō):“在此觀點(diǎn)之下,波函數(shù)或許是‘我們所發(fā)現(xiàn)最有威力的抽象概念’。”
波函數(shù)不是真實(shí)的事物,這種想法早在20世紀(jì)30年代就出現(xiàn)了,那時(shí)量子力學(xué)創(chuàng)建者之一的尼爾斯·波爾在其文章中已經(jīng)這么說(shuō)。他認(rèn)為量子理論僅僅是計(jì)算工具,即量子論只是“純符號(hào)性”的架構(gòu)而已,而波函數(shù)是工具的一部分。量子貝氏主義是第一個(gè)為波耳的主張找到數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的模型,它把量子理論與貝氏統(tǒng)計(jì)結(jié)合起來(lái)。貝氏統(tǒng)計(jì)是一門(mén)有200年歷史的統(tǒng)計(jì)學(xué),這門(mén)學(xué)問(wèn)把“概率”定義成某種類(lèi)似“主觀信念”的事物。一旦新信息出現(xiàn),我們的主觀信念也必須跟著更新。針對(duì)如何更新,貝氏統(tǒng)計(jì)定下了明確的數(shù)學(xué)規(guī)則。量子貝氏主義把波函數(shù)解釋成一種會(huì)依據(jù)貝氏統(tǒng)計(jì)規(guī)則來(lái)更新的主觀信念,如此一來(lái),量子貝氏主義的鼓吹者相信神秘的量子力學(xué)吊詭就消失了。
以電子為例,每當(dāng)我們偵測(cè)到一個(gè)電子,就會(huì)發(fā)現(xiàn)它一定是位于某個(gè)位置;但是當(dāng)我們不去看它,則電子的波函數(shù)可能是散開(kāi)的,代表了電子在某一時(shí)刻處于不同地方的可能性;如果我們?cè)偃タ此謺?huì)看到電子出現(xiàn)在某一個(gè)位置。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)說(shuō)法,觀測(cè)促使波函數(shù)在一瞬間“崩陷”而集中于某一個(gè)位置之上。
空間各處的崩陷發(fā)生于同一時(shí)刻,這種情形似乎違背了“局域性原理”(即物體的任何改變一定是由其附近的另一物體所引起的),如此一來(lái)就會(huì)引發(fā)一些如愛(ài)因斯坦稱為“鬼魅般的超距作用”的困惑。
量子力學(xué)一誕生,物理學(xué)家就知道“波函數(shù)的崩陷”是這個(gè)理論深深困擾人的一項(xiàng)特點(diǎn)。這個(gè)令人不安的謎促使物理學(xué)家發(fā)展出各種量子力學(xué)的詮釋,但是都沒(méi)能完全成功。
然而量子貝氏主義說(shuō)量子力學(xué)根本沒(méi)有任何詭異之處。波函數(shù)崩陷只是表示觀察者依據(jù)新信息,忽然且不連續(xù)地更新了他原先分配的概率,就好像醫(yī)生依據(jù)新的計(jì)算機(jī)斷層掃描結(jié)果,而修正了對(duì)癌癥病人病況的判斷。量子系統(tǒng)并沒(méi)有經(jīng)歷什么奇怪、不可解釋的變化,改變的是(觀察者選用的)波函數(shù),波函數(shù)呈現(xiàn)的是觀察者個(gè)人的期待。
關(guān)鍵詞:量子通信定義 量子通信理論由來(lái) 駁倒愛(ài)因斯坦的實(shí)驗(yàn)論據(jù)
一、量子通信定義
量子通信(Quantum Teleportation)是指利用量子糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息傳遞的一種新型的通訊方式。量子通訊是近二十年發(fā)展起來(lái)的新型交叉學(xué)科,是量子論和信息論相結(jié)合的新的研究領(lǐng)域。量子通信主要涉及:量子密碼通信、量子遠(yuǎn)程傳態(tài)和量子密集編碼等,近來(lái)這門(mén)學(xué)科已逐步從理論走向?qū)嶒?yàn),并向?qū)嵱没l(fā)展。高效安全的信息傳輸日益受到人們的關(guān)注。基于量子力學(xué)的基本原理,量子通信具有高效率和絕對(duì)安全等特點(diǎn),并因此成為國(guó)際上量子物理和信息科學(xué)的研究熱點(diǎn)。
二、量子通信理論由來(lái)
“1935年5月的一天早晨,愛(ài)因斯坦像往常一樣準(zhǔn)時(shí)來(lái)到普林斯頓高等研究院的辦公室。他來(lái)普林斯頓小鎮(zhèn)快兩年了,已經(jīng)熟悉并開(kāi)始喜歡這個(gè)恬靜的“室外桃園”。辦公桌上放著他和助手波多爾斯基、羅森一起剛剛發(fā)表在《物理評(píng)論》上的論文。他拿起來(lái)看了看,臉上露出孩子般頑皮的微笑――這回他終于可以戰(zhàn)勝老對(duì)手玻爾了。與此同時(shí),在大西洋彼岸的哥本哈根大學(xué)玻爾研究所,愛(ài)因斯坦的文章立刻引起了物理學(xué)家玻爾的關(guān)注和不安。這對(duì)他來(lái)說(shuō)簡(jiǎn)直是個(gè)晴天霹靂!玻爾立刻放下所有的工作,他說(shuō):‘我們必須睡在問(wèn)題上。’愛(ài)因斯坦和玻爾是20世紀(jì)兩位最偉大的物理學(xué)家,他們都為量子理論的建立做出了奠基性的貢獻(xiàn)。然而,他們對(duì)于這個(gè)理論的含義卻一直爭(zhēng)論不休。這一爭(zhēng)論被稱為‘關(guān)于物理學(xué)靈魂的論戰(zhàn)’。”――引自郭光燦院士《愛(ài)因斯坦的幽靈:量子糾纏之謎》。
郭光燦院士書(shū)中所指的“物理學(xué)靈魂”的論戰(zhàn),與“量子糾纏”現(xiàn)象有著莫大的關(guān)系。 在量子力學(xué)中,有共同來(lái)源的兩個(gè)微觀粒子之間存在著某種糾纏關(guān)系,不管它們被分開(kāi)多遠(yuǎn),只要一個(gè)粒子發(fā)生變化就能立即影響到另外一個(gè)粒子,即兩個(gè)處于糾纏態(tài)的粒子無(wú)論相距多遠(yuǎn),都能“感知”和影響對(duì)方的狀態(tài),這就是量子糾纏。盡管愛(ài)因斯坦最早注意到微觀世界中這一現(xiàn)象的存在,但卻不愿意接受它,并斥之為“幽靈般的超距作用(spooky action at a distance)”。
三、駁倒愛(ài)因斯坦的實(shí)驗(yàn)論據(jù)
對(duì)EPR實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證始于1960年,在1980年終于獲得有說(shuō)服力的結(jié)果。這些是實(shí)驗(yàn)大多都是以光子來(lái)做為自旋關(guān)聯(lián)。主要是利用院子的級(jí)聯(lián)輻射,選擇出光子動(dòng)量為0的情形。1982年,法國(guó)物理學(xué)家艾倫•愛(ài)斯派克特(Alain Aspect)和他的小組成功地完成了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn),證實(shí)了微觀粒子“量子糾纏”(quantum entanglement)的現(xiàn)象確實(shí)存在,這一結(jié)論對(duì)西方科學(xué)的主流世界觀產(chǎn)生了重大的沖擊。它證實(shí)了任何兩種物質(zhì)之間,不管距離多遠(yuǎn),都有可能相互影響,不受四維時(shí)空的約束,是非局域的(nonlocal),宇宙在冥冥之中存在深層次的內(nèi)在聯(lián)系。
四、突破傳統(tǒng)的通信方式
1993年,C.H.Bennett提出了量子通信的概念;同年,6位來(lái)自不同國(guó)家的科學(xué)家,提出了利用經(jīng)典與量子相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)量子隱形傳送的方案:將某個(gè)粒子的未知量子態(tài)傳送到另一個(gè)地方,把另一個(gè)粒子制備到該量子態(tài)上,而原來(lái)的粒子仍留在原處。在量子通信系統(tǒng)中,共享信息的兩個(gè)人必須共享幾乎一致的兩個(gè)成對(duì)產(chǎn)生并永遠(yuǎn)纏結(jié)在一起的光子。一旦信息被帶到第一個(gè)光子上,它將會(huì)消失并重現(xiàn)在第二個(gè)光子上,以實(shí)現(xiàn)不加外力方式傳輸信息。不加外力傳輸?shù)母拍钍且粤孔游锢韺W(xué)為基礎(chǔ)的,它所使用的是具有波、粒兩重性但沒(méi)有電荷和質(zhì)量的光子,而不是常規(guī)使用的電子。在量子通信中,報(bào)文是以不加外力傳輸方式傳輸?shù)摹2患油饬鬏敺绞骄褪鞘剐畔⒃谝粋€(gè)地方消失,從而使其能在另一個(gè)地方出現(xiàn)的過(guò)程。它不需要通過(guò)空中、太空或線路傳輸。在這一過(guò)程中,發(fā)送者與接收者共享所需光子的數(shù)量,決于所發(fā)送報(bào)文的長(zhǎng)度。在量子通信中,由于光子只能成對(duì)產(chǎn)生,因此,所有量子的不加外力方式只能在一個(gè)發(fā)送者和一個(gè)接收者之間進(jìn)行。如果接收者需要將報(bào)文傳送給其他人,則每次必須共享和使用纏結(jié)在一起的新的一對(duì)光子。因此,量子網(wǎng)絡(luò)必須一個(gè)鏈路一個(gè)鏈路地建立。
利用量子信息技術(shù)之一量子密碼術(shù),可實(shí)其基本思想是:將原物的信息分成經(jīng)典信息和量子信息兩部分,它們分別經(jīng)由經(jīng)典通道和量子通道傳送給接收者。經(jīng)典信息是發(fā)送者對(duì)原物進(jìn)行某種測(cè)量而獲得的,量子信息是發(fā)送者在測(cè)量中未提取的其余信息;接收者在獲得這兩種信息后,就可以制備出原物量子態(tài)的完全復(fù)制品。該過(guò)程中傳送的僅僅是原物的量子態(tài),而不是原物本身。發(fā)送者甚至可以對(duì)這個(gè)量子態(tài)一無(wú)所知,而接收者是將別的粒子處于原物的量子態(tài)上。在這個(gè)方案中,糾纏態(tài)的非定域性起著至關(guān)重要的作用。量子隱形傳態(tài)不僅在物理學(xué)領(lǐng)域?qū)θ藗冋J(rèn)識(shí)與揭示自然界的神秘規(guī)律具有重要意義,而且可以用量子態(tài)作為信息載體,通過(guò)量子態(tài)的傳送完成大容量信息的傳輸,實(shí)現(xiàn)原則上不可破譯的量子保密通信。
五、量子通信的發(fā)展?fàn)顩r
量子通信具有傳統(tǒng)通信方式所不具備的絕對(duì)安全特性,不但在國(guó)家安全、金融等信息安全領(lǐng)域有著重大的應(yīng)用價(jià)值和前景,而且逐漸走進(jìn)人們的日常生活。
為了讓量子通信從理論走到現(xiàn)實(shí),從上世紀(jì)90年代開(kāi)始,國(guó)內(nèi)外科學(xué)家做了大量的研究工作。自1993年美國(guó)IBM的研究人員提出量子通信理論以來(lái),美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)、國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局都對(duì)此項(xiàng)目進(jìn)行了深入的研究,歐盟在1999年集中國(guó)際力量致力于量子通信的研究,研究項(xiàng)目多達(dá)12個(gè),日本郵政省把量子通信作為21世紀(jì)的戰(zhàn)略項(xiàng)目。我國(guó)從上世紀(jì)80年代開(kāi)始從事量子光學(xué)領(lǐng)域的研究,近幾年來(lái),中國(guó)科技大學(xué)的量子研究小組在量子通信方面取得了突出的成績(jī)。
2006年夏,我國(guó)中國(guó)科技大學(xué)教授潘建偉小組、美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、歐洲慕尼黑大學(xué)―維也納大學(xué)聯(lián)合研究小組各自獨(dú)立實(shí)現(xiàn)了誘騙態(tài)方案,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了超過(guò)100公里的誘騙態(tài)量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn),由此打開(kāi)了量子通信走向應(yīng)用的大門(mén)。2008年底,潘建偉的科研團(tuán)隊(duì)成功研制了基于誘騙態(tài)的光纖量子通信原型系統(tǒng),在合肥成功組建了世界上首個(gè)3節(jié)點(diǎn)鏈狀光量子電話網(wǎng),成為國(guó)際上報(bào)道的絕對(duì)安全的實(shí)用化量子通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)研究的兩個(gè)團(tuán)隊(duì)之一(另一小組為歐洲聯(lián)合實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì))。
“糾纏”是量子力學(xué)的一個(gè)基本特征,而且這種現(xiàn)象有多種不同的形式。日前,瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家顯示了怎樣把不同形式的量子“糾纏態(tài)”有效而系統(tǒng)地分類(lèi)。研究人員指出,這一方法非常重要,因?yàn)樗兄陬A(yù)測(cè)將一種量子態(tài)應(yīng)用于新技術(shù)的可能性有多大。
量子現(xiàn)象通常在經(jīng)典物理學(xué)中找不到相匹配的部分,典型例子就是量子糾纏:糾纏的粒子之間無(wú)論相隔有多遠(yuǎn),好像都能直接地互相影響,就像能隔著任意遙遠(yuǎn)的空間互相“通信”似的。愛(ài)因斯坦曾把這種行為叫做“幽靈般地超距作用”。當(dāng)兩個(gè)以上粒子相糾纏時(shí),它們之間的互相影響表現(xiàn)為不同的形式。糾纏現(xiàn)象為何有這些不同的表現(xiàn),科學(xué)家尚未完全理解,至今也還沒(méi)有一般性的方法,系統(tǒng)地將糾纏狀態(tài)劃分類(lèi)別。現(xiàn)在,研究小組開(kāi)發(fā)出一種方法,能把既定的量子態(tài)歸入某一類(lèi)可能的糾纏態(tài)。
該方法指出,不同類(lèi)型的糾纏態(tài)與幾何形體即多面體有關(guān),這些形體代表“空間”,也就是某種糾纏的可用空間。一種給定的狀態(tài)是否屬于某種多面體,可以通過(guò)檢測(cè)個(gè)別粒子來(lái)確定,而檢測(cè)方法有很多。新方法通過(guò)檢測(cè)個(gè)別粒子來(lái)描述糾纏態(tài)特征的可能性,不僅效率很高,而且不必同時(shí)檢測(cè)許多粒子,這是與其他方法的不同之處,也意味著它能擴(kuò)展到多粒子系統(tǒng)。
該校理論物理學(xué)院教授馬提亞·克里斯丹德解釋說(shuō):“對(duì)3個(gè)粒子來(lái)說(shuō),有兩種根本不同的糾纏類(lèi)型,一種是通常認(rèn)為的更‘有用’的。而對(duì)4個(gè)粒子來(lái)說(shuō),粒子間糾纏的方式已近乎無(wú)數(shù)種,隨著每增加一個(gè)粒子,糾纏的復(fù)雜程度會(huì)迅速增加。”論文第一作者、他的博士生邁克爾·沃特說(shuō),“我們的糾纏多面體方法,把這些狀態(tài)劃分為有限的體系,大大減少了復(fù)雜性。”
多粒子量子系統(tǒng)可能在未來(lái)技術(shù)中發(fā)揮重要作用,做到在經(jīng)典物理學(xué)框架下完全不可能的事情。從反竊聽(tīng)信息傳輸、解決計(jì)算難題的高效算法,到改進(jìn)照相印刷分辨率的技術(shù)等。在這些應(yīng)用中,糾纏態(tài)是基本資源,精確地表現(xiàn)了經(jīng)典物理學(xué)與量子力學(xué)不同的地方。在合適使用的情況下,這些復(fù)雜狀態(tài)為各種新奇應(yīng)用開(kāi)辟了道路。
研究人員在計(jì)算中顯示,糾纏多面體的方法不僅是一種簡(jiǎn)潔的數(shù)學(xué)構(gòu)造,而且在現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)條件下也能可靠地發(fā)揮作用,這預(yù)示著新方法可以直接用于那些使用了新奇量子技術(shù)的系統(tǒng)。