量子力学的核心精选(九篇)
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第1篇：量子力学的核心范文
本书的主要目的，就是要证明这样的替代物是存在的，它与50年前人们讨论的所谓唯象随机量子力学以及随机零点场理论密切相关。这是一种涨落场，属于经典Maxwell方程的解，但是在零温下有非零平均能。作者们认为量子化源于经典物理与这种零点场涨落紧密联系的深刻随机过程，而量子力学的基本理论建筑在第一原理的基础上，这个原理揭示从更深层次的随机过程引发的涌现（Emergency，或译突现）现象的量子化。
作者们在本书所呈现的理论观点是经过长时间的努力寻找而获得的答案。长期以来，科研人员试图寻找答案的以下问题：哪些概念对量子力学的发展起重要作用；是什么为这些概念提供了物理基础；量子力学背后的物理学的最新发现中，有哪些对这些问题的回答形成了综合的和自洽的新的理论框架。
作者认为任何物质系统都是一个开放系统，它们永久地接触随机零点辐射场，并与其达到平衡状态。从这个基础出发，导出量子力学形式体系的核心以及非相对论QED的相对论修正，同时揭示了基本的物理机制。本书打开了通向进一步探索并揭示物理的新大门。读者会看到，这一任务远没有结束，仍存在很多问题没有考察到，期待进一步研究。
本书阐明了量子理论一些核心特点的根源，诸如原子的稳定性，电子自旋，量子涨落、量子非定域性和纠缠。这里发展的理论重新确认了诸如实在性、因果性、局域性和客观性等基本的科学原理
全书内容共分10章：1.量子力学：某些问题；2.唯象随机方法：通向量子力学的简捷途径；3.普朗克分布，涨落零点场的一个必然推论；4.通向薛定谔方程的漫长旅途；5.通向海森伯量子力学之路；6.超越薛定谔方程；7.解开量子纠缠； 8.量子力学的因果性、非定域性和纠缠； 10.零点场波（和）物质。
本书适合熟悉量子力学的最基本概念和结果的读者阅读。其内容适用于从事理论物理、数学物理、实验物理、量子化学和物理哲学的研究人员、研究生和教师参考。
丁亦兵，教授
（中国科学院大学）
Ding Yibing，Professor
（The University，CAS）Ignatios Antoniadis et al
Supersymmetry After the
Higgs Discovery
2014
http：///book/
10.1007/978-3-662-44172-5
第2篇：量子力学的核心范文
关键词 量子力学 教学内容 教学方法
中图分类号：G420 文献标识码：A
Teaching Methods and Practice of Quantum Mechanics of
Materials Physics Professional
FU Ping
(College of Materials Science and Engineering, Wuhan Institute of Technology, Wuhan, Hubei 430073)
Abstract For the difficulties faced by students in Materials professional to learn quantum mechanics physics course, by a summary of teaching practice in recent years, from the teaching content, teaching methods and means of exploration and practice, students mobilize the enthusiasm and initiative, and achieved good teaching results.
Key words quantum mechanics; teaching content; teaching methods
0 引言
量子力学是研究微观粒子（如原子、分子、原子核和基本粒子等）运动规律的物理学分支学科，它和相对论是矗立在20世纪之初的两座科学丰碑，一起构成了现代物理学的两块理论基石。相对论和量子力学彻底改变了经典物理学的世界观，并且深化了人类对自然界的认识，改造了人类的宇宙观和思想方法，它使人们对物质存在的方式及其运动形态等的认识产生了一个质的飞跃。
量子力学是材料物理专业一门承前启后的专业基础必修课：量子力学的教学必须以数学为基础，包括线性代数、概率论、高等数学、数理方法等，其又是后续课程材料科学基础、固体物理、材料物理、纳米材料等的理论基础。可见，量子力学课程在材料物理专业的课程体系中占有非常重要的地位，学生掌握的程度直接影响后续专业课程的学习。作者近年来一直从事量子力学的教学工作，针对量子力学课程教学过程中存在的现象和问题，进行了较深入细致的思考与探讨，在实际教学过程中对本课程的教学方法进行了探索与实践，收到了较好的教学效果。
1 量子力学教学面临的难点
量子力学研究的是微观粒子的运动规律，微观粒子同宏观粒子不同，看不见，摸不着，只有借助于探测器才能察觉它的存在和属性。材料物理专业学生之前学习的基本上是经典物理，而量子力学理论无法用经典理论进行解释，学生对此感到难于理解。因此，经典物理的传统观念对学生思想的束缚，构成了学生学习量子力学的思想障碍；量子力学可以说无处不“数学”， 由于材料物理专业学生在数学基础方面与物理专业学生相比较为薄弱，在学习过程中普遍感到数学计算繁难，对大段的数学推导表现出畏难情绪。可见，量子力学对数学的精彩诠释却构成了学生学习量子力学的心理障碍。这两大障碍势必会影响量子力学和后续课程的学习。在这种情况下，我们应当怎样开展量子力学教学从而使学生重视并努力学好该课程就成了一个严峻的挑战。
2 明确教学重点和难点、有的放矢
要讲授一门课程，首先应该对课程内容有一个清晰的认识。量子力学的内容可以包括三个方面：一是介绍产生新概念的历史背景及一些重要实验；二是提出一系列不同于经典物理学的基本概念与原理，如波函数、算符等概念和相关原理，是该课程的核心；三是给出解决具体实际问题的方法。三部分内容相互联系，层层推进，形成完整的知识体系。作为引导者，教师应在这三部分内容的教学过程中帮助学生成功地突破两大束缚。第一部分内容教师应考虑如何引导学生入门，从习惯古典概念转而接受量子概念。在讲授这部分内容时要将重点放在“经典”向“量子”的过渡上，引出量子力学与经典力学在研究方法上的显著不同：经典力学是将其研究对象作为连续的不间断的整体对待，而量子力学将其研究对象看成的间断的、不连续的。学生在学习这部分时应仔细“品尝”其中的“滋味”，以便启发自己的思维自然地产生一个飞跃，完成思想的突破。第二、三部分是量子力学学习的重点与难点，并且涉及大量的数学推导，教师应采取适当的教学手段，突出重点，强调难点。在物理学研究中，数学只是用来表达物理思想并在此基础上进行逻辑演算的工具，不能将物理内容淹没在复杂的数学形式当中。通过数学推导才能得到的结论，只需告诉学生，从数学上可以得到这样的结果就可以了，无需将重点放在繁难的数学推导上，否则会使学生本末倒置，忽略了对量子力学思想的理解。这样的教学可以帮助学生突破心理障碍，不会一提量子力学就想到复杂的数学推导，从而产生抵触情绪。成功地突破这两大障碍，是学习量子力学的关键。
3 教学方法的改革
3.1 利用现代技术改进教学手段
传统的板书教学能够形成系统性的知识框架，教师在板书推导的过程中，学生有时间反应和思考，紧跟教师的思路，从而可以详细、循序渐进地吸收所学知识，并培养了良好的思维习惯。但全程板书会导致上课节奏慢，授课内容有限。目前随着高校教学改革的推进，授课学时相继减少，对于传统教学方式来讲，要完成教学任务比较困难。这就要借助现代科技手段进行教学改革，包括多媒体课件的使用和网络教学。但是在量子力学教学中，一些繁杂公式的推导，如果使用多媒体课件，节奏会较快，导致学生目不暇接，来不及做笔记，更来不及思考，不利于讲授内容的消化吸收。鉴于此，对于量子力学课程，教学过程应采用板书和多媒体技术相结合的方式，充分发挥二者的优势，调动学生的学习积极性。
3.2 建设习题库
量子力学课程理论抽象，要深入理解这些理论，在熟练掌握教材基本知识的基础上，需要通过大量习题的演练，循序渐近，才能检验自己理解的程度，真正学好这门课程。因此在教学过程中，强调做习题的重要性。有针对性地根据材料物理专业量子力学的教学大纲和教学内容，参考多本量子力学教材和习题集，利用计算机技术建设量子力学习题库，题型包括选择、填空、证明、简答和计算题等，内容涵盖各知识点，从简到繁、由浅至深。题库操作方便，学生可自行操作，并对所做结果进行实时检查，从而清楚自己掌握本课程的程度。这一方式在近几年的教学中取得了良好的教学效果。
3.3 加强与学生互动，调动学生的学习积极性
教学是一个师生互动的过程，应让学生始终处于主动学习的位置而不是被动的接受。量子力学课程的学习更应积极调动学生的积极性，因此教师应在教学过程中加强与学生的互动。增设课前提问、课后讨论环节，认真批改作业，积极发现学生学习过程中存在的问题，并及时对问题进行深入讲解，解决问题。另外，由于量子力学是建立在一系列基本假定基础之上的，抽象难懂，鉴于学生难接受的情况，在授课时注意理论联系实际，尽可能进行知识的渗透和迁移，将量子力学在实际中的应用穿插于教学之中，丰富教学内容，开拓学生视野，从而调动学生的学习兴趣和积极性。
4 结语
通过近年来教学经验的总结和探索，形成了一套适合材料物理专业量子力学课程教学的方法，该方法教学效果良好。在近几年的研究生入学考试中，学生量子力学课程的成绩优秀，说明采用这样的教学方法是成功的。
资助项目：武汉工程大学2010年校级教学研究项目（X201037）
第3篇：量子力学的核心范文
图景。
一、量子力学突破了经典科学的机械决定论，遵循因果加统计的非机械决定论
经典力学是关于机械运动的科学，机械运动是自然界最简单也是最普遍的运动。说它最简单，因为机械运动比较容易认识，牛顿等人又采取高度简化的方法研究力学，获得了空前成功；说它最普遍，因为机械力学有广泛的用途，容易把它绝对化。[2]机械决定论是建立在经典力学的因果观之上，解释原因和结果的存在方式和联系方式的理论。机械决定论认为因和果之间的联系具有确定性，无论从因到果的轨迹多么复杂，沿着轨迹寻找总能确定出原因或结果；机械决定论的核心在于只要初始状态一定，则未来状态可以由因果法则进行准确预测。[3]其实，机械决定论仅仅适用于宏观物体，而对于微观领域以及客观世界中大量存在的偶然现象的研究就产生了统计决定论。[4]
量子力学是对经典物理学在微观领域的一次革命。量子力学所揭示的微观世界的运动规律以及以玻尔为代表的哥本哈根学派对量子力学的理解，同物理学机械决定论是根本相悖的。[5]按照量子理论，微观粒子运动遵守统计规律，我们不能说某个电子一定在什么地方出现，而只能说它在某处出现的几率有多大。
玻恩的统计解释指出，因果性是表示事件关系之中一种必然性观念，而机遇则恰恰相反地意味着完全不确定性，自然界同时受到因果律和机遇律的某种混合方式的支配。在量子力学中，几率性是基本概念，统计规律是基本规律。物理学原理的方向发生了质的改变：统计描述代替了严格的因果描述，非机械决定论代替了机械决定论的统治。
经典统计力学虽然也提出了几率的概念，但未能从根本上动摇严格决定论，量子力学的冲击则使机械决定论的大厦坍塌了。量子力学揭示并论证了人们对微观世界的认识具有不可避免的随机性，它不遵循严格的因果律。任何微观事件的测定都要受到测不准关系的限定，不可能确切地知道它们的位置和动量、时间和能量，只能描述和预言微观对象的可能的行为。因此，量子力学必须是几率的、统计的。而且，随着认识的发展，人们发现量子统计的随机性，不是由于我们知识和手段的不完备性造成的，而是由微观世界本身的必然性（主客体相互作用）所注定。
二、量子力学使得科学认识方法由还原论转化为整体论
还原论作为一种认识方法，是指把高级运动形式归结为低级运动形式，用研究低级运动形式所得出的结论代替对高级运动形式的本质认识的观点。它用已分析得出的客观世界中的主要的、稳定的观点和规律去解释、说明要研究的对象。其目的是简化、缩小客体的多样性。这种方法在人类认识处于初级水平上无疑是有效的。如牛顿将开普勒和伽利略的定律成功地还原为他的重力定律。但是还原论形而上学的本质，以及完全还原是不可能的，决定了还原论不能揭示世界的全貌。
量子力学认为整体与部分的划分只有相对意义，整体的特征绝非部分的叠加，而是部分包含着整体。部分作为一个单元，具有与整体同等甚至还要大的复杂性。部分不仅与周围环境发生一定的外在联系，同时还要表现出“主体性”，可将自身的内在联系传递到周边，并直接参与整体的变化。因而，部分与整体呈现了有机的自觉因果关系。在特定的临界状态，部分的少许变化将引起整体的突变。[6]
波粒二象性是微观世界的本质特征，也是量子论、量子力学理论思想的灵魂。用经典观点来看，也就是按照还原论的思想，粒子与波毫无共同之处，二者难以形成直观的统一图案，这是经典物理学通过部分还原认识整体的方法，是“向上的原因”。可是微观粒子在某些实验条件下，只表现波动性；而在另一些实验条件下，只表现粒子性。这两种实验结果不能同时在一次实验中出现。于是，玻尔的互补原理就在客观上揭示了微观世界的矛盾和我们关于微观世界认识的矛盾，并试图寻找一种解决矛盾的方法，这就是微观粒子既具有粒子性又具有波动性，即波粒二象性。这就是整体论观点强调的“向下的原因”，即从整体到部分。同样，海森伯的测不准原理说明不能同时测量微观粒子的动量和位置，这也说明绝不能把宏观物体的可观测量简单盲目地还原到微观。由此我们可以看出，造成经典科学观与现代科学观认识论和方法论不同的根本在于思考和观察问题的层面不同。经典科学一味地强调外在联系观，而量子力学则更强调关注事物内部的有机联系。所以，量子力学把内在联系作为原因从根本上动摇了还原论观点。
三、量子力学使得科学思维方式由追求简单性发展到探索复杂性
从经典科学思维方式来看，世界在本质上是简单的。牛顿就说过，自然界喜欢简单化，而不喜欢用什么多余的原因以夸耀自己。追求简单性是经典科学奋斗的目标，也是推动它获取成功的动力。开普勒以三条简明的定律揭示了看似复杂的太阳系行星运动，牛顿更是用单一的万有引力说明了千变万化的天体行为。因而现代科学是用简单性解释复杂性，这就隐去了自然界的丰富多样性。
量子力学初步揭示了客观世界的复杂性。经典科学的简单性是与把物理世界理想化相联系的。经典物理学所研究的是理想的物质客体。它不但用理想化的“质点”、“刚体”、“理想气体”来描述物体，而且把研究对象的条件理想化，使研究的视野仅仅局限于人们自己制定的范围之内。而客观世界并不是如此，特别是进入微观领域，微观粒子运动的几率性、随机性；观测对象和观测主体不可分割性等都足以说明自然界本身并不是我们想象的那么简单。
在现代科学中，牛顿的经典力学成了相对论的低速现象的特例，成为非线性科学中交互作用近似为零的情况，在量子力学中是测不准关系可以忽略时的理论表述。复杂性的提出并不是要消灭简单性，而是为了打破简单性独占的一统地位。复杂性是把简单性作为一个特例包含其中，正如莫兰所说的，复杂性是简单性和复杂性的统一。复杂性比简单性更基本，可能性比现实性更基本，演化比存在更基本。[7]今天的科学思维方式，不是以现实来限制可能，而是从可能中选择现实；不是以既存的实体来确定演化，而是在演化中认识和把握实体。复杂性主张考察被研究对象的复杂性，在对其作出层次与类别上的区分之后再进行沟通，而不是仅仅限于孤立和分离，它强调的是一种整体的协同。
四、量子力学使科学活动中主客体分离迈向主客互动
经典科学思维方式的一个指导观念就是，认为科学应该客观地、不附加任何主观成分地获取“照本来样子的”世界知识。玻尔告诉人们，根本不存在所谓的“真实”，除非你首先描述测量物理量的方式，否则谈论任何物理量都是没有意义的！测量，这一不被经典物理学考虑的问题，在面对量子世界如此微小的测量对象时，成为一个难以把握的手段。因为研究者的介入对量子世界产生了致命的干扰，使得测量中充满了不确定性。在海森伯看来，在我们的研究工作由宏观领域进入微观领域时，我们就会遇到一个矛盾：我们的观测仪器是宏观的，可是研究对象却是微观的；宏观仪器必然要对微观粒子产生干扰，这种干扰本身又对我们的认识产生了干扰；人只能用反映宏观世界的经典概念来描述宏观仪器所观测到的结果，可是这种经典概念在描述微观客体时又不能不加以限制。这突破了经典科学完全可以在不影响客体自然存在的状态下进行观测的假定，从而建立了科学活动中主客体互动的关系。
例如，关于光到底是粒子还是波，辩论了三百多年。玻尔认为这完全取决于我们如何去观察它。一种实验安排，人们可以看到光的波现象；另一种实验安排，人们又可以看到光的粒子现象。但就光子这个整体概念而言，它却表现出波粒二象性。因此，海森伯就说，我们观测的不是自然本身，而是由我们用来探索问题的方法所揭示的自然。[8]
量子力学的发展表明，不存在一个客观的、绝对的世界。唯一存在的，就是我们能够观测到的世界。物理学的全部意义，不在于它能够描述出自然“是什么”，而在于它能够明确，关于自然我们能够“说什么”。
[摘要]20世纪三次物理学革命之一的量子力学突破了经典科学的机械决定论，使之转化为非机械决定论；使得科学认识方法由还原论转化为整体论；使得科学思维方式由追求简单性到探索复杂性；确立了科学活动中主客体互动关系。
关键词：量子力学；经典科学世界图景；
参考文献：
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[5]彭桓武.量子力学80寿诞[J].大学物理，2006，25(8)：1-2.
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第4篇：量子力学的核心范文
【关键词】课程体系 教学内容 优化研究
【中图分类号】O43；O56 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2012）08-0181-02
光学与原子物理学是物理类专业的重要的基础课，其前与力学、电磁学、热学课程相衔接，其后承载着理论物理以及专业方向课程。由于这两门课程在课程设置中具体的位置，再考虑课程本身的学术特色，这两门课程的教学对学生创新能力和理论应用能力的培养有其特殊的作用。工科院校有注重实践、技术培养的传统及其较完备的设施，客观上为这两门课程的能力培养提供了条件。我们要充分认识工科院校的这种客观优势和课程的学术特色，优化课程体系和教学内容，将课程的学术特色、学校的客观优势转化为能力培养的特色和优势。
一、光学的课程体系及教学内容的设计
光学既是一门重要的基础性学科，又是一门应用性十分活跃、交叉渗透极其广泛的物理课程。“在长期的发展过程中，光学形成了一套行之有效的特殊方法和仪器设备”【1】，即数理解析与几何图形相结合的理论研究方法、精密测量的设计与应用特征。光学的这种学术特色对学生素质能力的培养有其独到之处。因此，通过对光学课程体系和教学内容的优化，突出课程的理论研究方法及其实践性、渗透性【2】，有利于培养学生的交叉综合性分析能力和依据理论的实验设计、精密检测能力，提高学生的创新性思维意识。
1.课程体系的架构
以折射率和位相为核心概念，以费马原理和惠更斯-菲涅尔原理为基本原理，按照几何光学、波动光学和量子光学的顺序，研究光的传播特性（波动性）及其粒子性，展示其数理解析与几何图像相结合的理论研究方法，突出课程在工程技术中的应用以及与现代光学的渗透【1，3】。
体系框图：
2.教学内容的组织思路
以体现课程体系为原则，按48课时选取并组织、安排教学内容思路如下【1，2】。
第一章 绪论：突出光学与其他学科的交叉渗透与应用。（2学时）
第二章 几何光学：以费马原理为基础，以常见的光学仪器（单球面、薄透镜、放大镜等）成像为载体，展示数理解析与几何图像相结合的研究方法、突出光学仪器的设计思。（10学时）
第三章 光的干涉：以波的相干叠加为理论基础，以等倾和等厚干涉为载体，展示数理解析与几何图像相结合的研究方法、突出相干理论在精密测量技术领域的应用。（12学时）
第四章 光的衍射：以惠更斯-菲涅尔原理为基础，以菲涅尔衍射、夫琅和费衍射、光栅衍射为载体，展示数理解析与几何图像相结合的研究方法、突出其分光特性在现代科学技术中的应用。（10学时）
第五章 光的偏振：以光的偏振理论为基础，以偏振器件为载体，展示数理解析与几何图像相结合的研究方法、注重向磁至旋光及磁光盘渗透。（10学时）
第六章 量子光学：以光的量子论为基础，以光的辐射和激光为载体，注重向量子光学以及非线性光学渗透。（4学时） 二、原子物理学的课程体系和教学内容的设计
原子物理学是用近似的、不完整的量子力学理论和方法研究原子的运动及其构成的课程。其学术特色是完全以实验（观察）事实为依据建立或选取理论模型，对问题做出恰当的解释。该课程研究对象抽象，理论的系统性、完整性不强。但原子物理学是基础物理课程中蕴含了创新性思维最多的课程，其研究手段和方法为其它相关领域所通用【4】。因此，通过原子物理课程的教学，主要是培养学生依据研究客体进行理论建模的能力，提高学生创新理论框架、简化理论处理、取舍运算结果的意识和水平。
1.课程体系的架构
以光谱和德布罗意波为核心概念，采用近似的量子力学方法（经典理论+量子力学）研究原子（氢原子、碱金属、多电子原子、外场中的原子）与原子核的结构及其运动规律，展示课程的理论创新特色以及在现代科学技术、工程实践中的多层次应用。
体系框图：
2.教学内容的组织思路
以体现课程体系为原则，按48课时选取并组织教学内容，思路如下。
序论：突出课程特点与学习中应注意的问题。（2学时）
第一章 原子的结构：以α粒子散射实验和原子核式结构为载体，突出卢瑟福散射技术在材料分析中的应用。（5学时）
第二章 量子力学基础：以三个实验为基础，依托量子力学的基本原理，突出理论创新的特色、思路和方法。（8学时）
第三章 氢原子：以半经典半量子论为理论基础，以氢原子为载体，突出理论建模以及光谱分析在科学研究、工程实践中的应用。（8学时）
第四章 碱金属原子：以电子的轨道贯穿、极化理论为基础，以碱金属原子为载体，展示理论修正方法以及光谱分析在科学研究和精密检测中的应用。（8学时）
第五章 多电子原子：以泡利不相容原理及Hunt定则为理论基础，以多电子原子为载体，突出量子规律以及光谱分析在科学研究中的应用。（6学时）
第六章 外场中的原子：以磁场和原子的相互作用为基础，以Zeeman效应为载体，展示磁效应在材料磁性，磁共振技术中的应用。（5学时）
第七章 原子核物理学：以核结合能为基础，以核裂变和聚变为载体，突出原子能、核技术的利用以及放射线的探测、防护。（6学时）
参考文献：
[1]赵凯华.新概念物理教程——光学[M].北京：高等教育出版社，2004：6
[2]吴寿煜，吴大炜.试论21世纪物理专业《光学》之教学改革[J].黑龙江高教研究，2004（6）：101-103
第5篇：量子力学的核心范文
2000多年前的物理学，中国、古希腊都有研究，但是真正意义上的精确科学，也就是说用数学、微积分这样的精确科学，实际上是在中世纪即在15世纪16世纪的时候，也就是牛顿、伽利略的时代，开创了物理学精确科学的先河，此后物理学得到了很大发展，后来的热学、电磁学、声学、连续介质动力学等问题也在十七、十八、十九三个世纪取得了很大发展。现在就从牛顿、伽利略时代起谈谈物理学的发展与人类的文明进步的关系。
一、工业革命前的人类文明
工业革命前的物理学虽然在漫长的历史进程中不断发展，但是并没有给人类带来生产力上的巨大改变，人类还处于刀耕火种的农业时代，那是的生产力很低下，人们的生活水平上千年来没有真正的突破。
二、人类的机械化时代
牛顿力学的建立和热力学的发展导致了第一次工业革命
1665年夏，年仅23的牛顿因英国爆发瘟疫而避居乡下，他一生最重要的成果，几乎所有的重要数学物理思想多诞生与不这个时期。在他45岁时，划时代的伟大巨著《自然哲学之数学原理》出版，奠定了整个经典物理学的基础，并对其他自然科学的发展产生了不可磨灭的推动和影响。
三、人类的电气化时代
经典电磁学是研究宏观电磁现象和客观物体的电磁性质。人们很早就接触到电和磁的现象，并知道磁棒有南北两极。在18世纪，发现电荷有两种：正电荷和负电荷。不论是电荷还是磁极都是同性相斥，异性相吸，作用力的方向在电荷之间或磁极之间的连接线上，力的大小和它们之间的距离的平方成反比。在这两点上和万有引力很相似。18世纪末发现电荷能够流动，这就是电流。但长期没有发现电和磁之间的联系。
19世纪前期，奥斯特发现电流可以使小磁针偏转。而后安培发现作用力的方向和电流的方向，以及磁针到通过电流的导线的垂直线方向相互垂直。不久之后，法拉第又发现，当磁棒插入导线圈时，导线圈中就产生电流。这些实验表明，在电和磁之间存在着密切的联系。法拉第用过的线圈
电和磁之间的联系被发现后，人们认识到电磁力的性质在一些方面同万有引力相似。为此法拉第引进了力线的概念，认为电流产生围绕着导线的磁力线，电荷向各个方向产生电力线，并在此基础上产生了电磁场的概念。
19世纪下半叶，麦克斯韦总结宏观电磁现象的规律，并引进位移电流的概念。这个概念的核心思想是：变化着的电场能产生磁场；变化着的磁场也能产生电场。在此基础上他提出了一组偏微分方程来表达电磁现象的基本规律。这套方程称为麦克斯韦方程组，磁学的基本方程。麦克斯韦的电磁理论预言了电磁波的存在，其传播速度等于光速。于是人们认识到麦克斯韦的电磁理论正确地反映了宏观电磁现象的规律，肯定了光也是一种电磁波。该理论实现了物理学的第三次综合，即电、磁、光的综合。
四、人类的高科技时代
人类社会发展到今天，已进入信息时代、核能时代、新材料时代和太空时代，也就是说进入了高科技时代。而这一切的基础是20世纪物理学革命的产物――相对论和量子力学。
19世纪，经典物理学的成就到达了顶峰。可是，世纪末的迈克尔逊-莫雷实验和黑体辐射实验形成了物理学万里晴空中的“两朵乌云”；而电子、X射线和放射性等新发现，使经典物理学遇到了极大的困难。有的物理学家呼唤：“我们仍然在期待着第二个牛顿。”需要巨人的时代造就了巨人。这第二个牛顿便是爱因斯坦。
1905年，爱因斯坦以“同时”的相对性为突破口，提出了“光速不变原理”和物理规律在惯性系中不变的“相对性原理”，导出了洛仑兹变换，从而驱散了第一朵“乌云”。这就是狭义相对论。在此基础上，他又得到的质能相当的推论E=mc2，预示了原子能利用的可能。
1913～1916年，爱因斯坦从引力场中一切物体具有相同的加速度得到启发，提出了“加速参照系与引力场等效”和物理规律在非惯性系中不变的“相对性原理”，从而得到了引力场方程。这就是广义相对论。他预言，光线从太阳旁边通边时会发生弯曲。1919年，英国天文学家爱丁顿以全日蚀观测证实了这一预言，从而开创了现代天文学的新纪元。爱因斯坦也因此名噪全球。
1900年，普朗克为驱散第二朵“乌云”，提出了“能量子”假设，量子论诞生了。1905年，爱因斯坦在此基础上提出“光量子”假说，用光的波粒二象性成功地解释了“光电效变”。同年，他把量子概念用点阵振动来解释固体比热。1912年，爱因斯坦又由量子概念提出了光化学当量定律。1916年，他由玻尔的原子理论提出了自发发射和受激发射的概念，孕育了激光技术。此后，对量子力学的建立作出重要贡献的著名物理学家还有：1923年提出实物粒子也具有波粒二象性的德布罗意，1925年建立量子力学的矩阵力学体系的玻恩和海森伯等，1926年建立量子力学的波动方程的薛定谔。同年，玻恩给出了波函数的统计诠释，海森伯提出反映微观世界特性的“不确定度关系”。量子力学揭示了微观世界的基本规律，为原子物理学、固体物理学、核物理学和粒子物理学的发展奠定了理论基础。它是20世纪物理学革命的。
第6篇：量子力学的核心范文
[关键词]：计算科学 计算工具 图灵模型 量子计算
中图分类号：TP301
文献标识码：A 文章编号：1003-8809(2010)-09-0004-01
1、“摩尔定律”与“计算的极限”
人类是否可以将电子计算机的运算速度永无止境地提升?传统计算机计算能力的提高有没有极限?对此问题，学者们在进行严密论证后给出了否定的答案。如果电子计算机的计算能力无限提高，最终地球上所有的能量将转换为计算的结果――造成熵的降低，这种向低熵方向无限发展的运动被哲学界认为是禁止的，因此，传统电子计算机的计算能力必有上限。
而以IBM研究中心朗道(R.Landauer)为代表的理论科学家认为到21世纪30年代，芯片内导线的宽度将窄到纳米尺度(1纳米=10-9米)，此时，导线内运动的电子将不再遵循经典物理规律――牛顿力学沿导线运行，而是按照量子力学的规律表现出奇特的“电子乱窜”的现象，从而导致芯片无法正常工作；同样，芯片中晶体管的体积小到一定临界尺寸(约5纳米)后，晶体管也将受到量子效应干扰而呈现出奇特的反常效应。
哲学家和科学家对此问题的看法十分一致：摩尔定律不久将不再适用。也就是说，电子计算机计算能力飞速发展的可喜景象很可能在21世纪前30年内终止。著名科学家，哈佛大学终身教授威尔逊(EdwardO.Wilson)指出：“科学代表着一个时代最为大胆的猜想(形而上学)。它纯粹是人为的。但我们相信，通过追寻“梦想―发现―解释―梦想”的不断循环，我们可以开拓一个个新领域，世界最终会变得越来越清晰，我们最终会了解宇宙的奥妙。所有的美妙都是彼此联系和有意义的。”[论/文/网LunWenNe#Com]
2、量子计算系统
量子计算最初思想的提出可以追溯到20世纪80年代。物理学家费曼RichardP.Feynman曾试图用传统的电子计算机模拟量子力学对象的行为。他遇到一个问题：量子力学系统的行为通常是难以理解同时也是难以求解的。以光的干涉现象为例，在干涉过程中，相互作用的光子每增加一个，有可能发生的情况就会多出一倍，也就是问题的规模呈指数级增加。模拟这样的实验所需的计算量实在太大了，不过，在费曼眼里，这却恰恰提供一个契机。因为另一方面，量子力学系统的行为也具有良好的可预测性：在干涉实验中，只要给定初始条件，就可以推测出屏幕上影子的形状。费曼推断认为如果算出干涉实验中发生的现象需要大量的计算，那么搭建这样一个实验，测量其结果，就恰好相当于完成了一个复杂的计算。因此，只要在计算机运行的过程中，允许它在真实的量子力学对象上完成实验，并把实验结果整合到计算中去，就可以获得远远超出传统计算机的运算速度。
在费曼设想的启发下，1985年英国牛津大学教授多伊奇DavidDeutsch提出是否可以用物理学定律推导出一种超越传统的计算概念的方法即推导出更强的丘奇――图灵论题。费曼指出使用量子计算机时，不需要考虑计算是如何实现的，即把计算看作由“神谕”来实现的：这类计算在量子计算中被称为“神谕”(Oracle)。种种迹象表明：量子计算在一些特定的计算领域内确实比传统计算更强，例如，现代信息安全技术的安全性在很大程度上依赖于把一个大整数(如1024位的十进制数)分解为两个质数的乘积的难度。这个问题是一个典型的“困难问题”，困难的原因是目前在传统电子计算机上还没有找到一种有效的办法将这种计算快速地进行。目前，就是将全世界的所有大大小小的电子计算机全部利用起来来计算上面的这个1024位整数的质因子分解问题，大约需要28万年，这已经远远超过了人类所能够等待的时间。而且，分解的难度随着整数位数的增多指数级增大，也就是说如果要分解2046位的整数，所需要的时间已经远远超过宇宙现有的年龄。而利用一台量子计算机，我们只需要大约40分钟的时间就可以分解1024位的整数了。
3、量子计算中的神谕
人类的计算工具，从木棍、石头到算盘，经过电子管计算机，晶体管计算机，到现在的电子计算机，再到量子计算。笔者发现这其中的过程让人思考：首先是人们发现用石头或者棍棒可以帮助人们进行计算，随后，人们发明了算盘，来帮助人们进行计算。当人们发现不仅人手可以搬动“算珠”，机器也可以用来搬动“算珠”，而且效率更高，速度更快。随后，人们用继电器替代了纯机械，最后人们用电子代替了继电器。就在人们改进计算工具的同时，数学家们开始对计算的本质展开了研究，图灵机模型告诉了人们答案。
量子计算的出现，则彻底打破了这种认识与创新规律。它建立在对量子力学实验的在现实世界的不可计算性。试图利用一个实验来代替一系列复杂的大量运算。可以说，这是一种革命性的思考与解决问题的方式。
因为在此之前，所有计算均是模拟一个快速的“算盘”，即使是最先进的电子计算机的CPU内部，64位的寄存器(register)，也是等价于一个有着64根轴的二进制算盘。量子计算则完全不同，对于量子计算的核心部件，类似于古代希腊中的“神谕”，没有人弄清楚神谕内部的机理，却对“神谕”内部产生的结果深信不疑。人们可以把它当作一个黑盒子，人们通过输入，可以得到输出，但是对于黑盒子内部发生了什么和为什么这样发生确并不知道。
4、“神谕”的挑战与人类自身的回应人类的思考能力
随着计算工具的不断进化而不断加强。电子计算机和互联网的出现，大大加强了人类整体的科研能力，那么，量子计算系统的产生，会给人类整体带来更加强大的科研能力和思考能力，并最终解决困扰当今时代的量子“神谕”。不仅如此，量子计算系统会更加深刻的揭示计算的本质，把人类对计算本质的认识从牛顿世界中扩充到量子世界中。
如果观察历史，会发现人类文明不断增多的“发现”已经构成了我们理解世界的“公理”，人们的公理系统在不断的增大，随着该系统的不断增大，人们认清并解决了许多问题。人类的认识模式似乎符合下面的规律：
第7篇：量子力学的核心范文
关键词：自然哲学 量子革命 系统辩证法
关于20世纪科学革命，有人说只须记住三件事：相对论、量子革命和混沌学（系统科学中最突出的新分支）。正是这三大科学革命为人类建构全新的自然图景（也就是新颖的自然哲学）作出了决定性的贡献。这里所谓自然哲学是指人对自然的哲学反思。自然哲学的中心问题就是基于人与自然的关系来研究自然本体最一般的性质和人类的世界图景。
一
自然哲学在哲学史上有过两个全盛时期（古希腊及近代机械论），只是在谢林、黑格尔之后衰落了。由于20世纪三大科学革命的强大影响，自然哲学正在当代复兴起来，这是十分令人鼓舞的。我们先从三大科学革命说起。
首先要提到的是相对论革命对改造人类世界图景的贡献。在1905年的狭义相对论中，时空性质依赖于参照系等概念是对“观察无关性”的经典信念的初次冲击；1915年的广义相对论把引力场（它具有整体全息相关性）确立为新的“独立的实在”，这是对牛顿的实体观的又一次打击。接着要论述的是量子革命，它比相对论革命更为深刻地改变着人类的世界图景。因为1925年以后所创建的量子力学进一步使笛卡儿与牛顿以来的主客绝对二分原则、实体主义原则乃至严格决定论原则都受到猛烈冲击。最后要强调的是系统科学革命。20世纪中叶以来近半个世纪系统科学的蓬勃发展表明，从总体上说，系统自然观集中体现了当代自然图景的精华，因此系统自然观几乎成了当代自然科学的世界图景的代名词，贝塔朗菲称之为“一种新的自然哲学”。20年代所出现的怀特海的“机体论哲学”则是这种自然哲学之先声。
当代的系统自然观借助于维纳的控制论(1949)、贝塔朗菲的一般系统论(1948)、普利高津的耗散结构论(1969)和哈肯的协同学(1971)等理论复活了亚里士多德的机体论和内在目的论的自然哲学。〔1〕控制论通过对“动物（即生命系统）和机器（即非生命系统）的通用规律”的研究表明，自动机器通过反馈调节机制可以表现出与神经控制同样的合目的性或规律。[1]维纳在《控制论》中对牛顿的严格决定论进行了深刻有力的批判，肯定了统计力学家吉布斯把偶然性引进到科学中来的重大的方法论意义，并突破了目的论与机械论之间的两极对立。莫诺在《偶然性与必然性——略论现代生物学的自然哲学》(1971)一书中，则用生物微观控制论表明，借助于生物化学和分子生物学层次的反馈机制以及微观-宏观相互作用，完全偶然的基因突变最终可以纳入物种进化的必然轨道；耗散结构论表明，在远离平衡态条件下开放系统可以通过非线性正反馈机制的作用表现出有序化和合目的性；协同学还进一步发现序参量是整个自组织过程的主宰如此等等。总之，所有这些自动机器和自组织理论都表明，无须超自然的神力和神秘的“生命力”，自然系统也象自动机一样可以凭借内在机制的作用呈现合目的性。从这个特定意义上说，认为宇宙＝巨大的超级自动机的“机械论”是对的，而非神学性的宇宙“内在目的论”也是对的。从历史上看，牛顿的机械论自然哲学是对亚里士多德的目的论自然哲学的否定。现在，我们的立足于系统科学的新自然哲学则应看作一种“否定之否定”。它是对机械论与目的论自然哲学的更高的辩证综合。
当代自然哲学（它以系统自然观及其系统辩证法为核心或灵魂）最有革命性的一个方面，也许表现在反严格决定论和对偶然性客观意义的新认识。直到现在为止，一般人都相信“近似决定论”：只要近似知道一个系统的运行规律和初始条件就可以足够好地计算出系统的近似行为。可是混沌学中著名的“蝴蝶效应”，即系统演化进程对初始条件的敏感依赖性，却断然否决了牛顿-拉普拉斯决定论的任何翻版（如“近似决定论”）的有效性。美国气象学家洛仑兹在1961年发现，实际上长期天气预报是不可能的。因为即使对于严格确定的气象方程组，初始条件的小误差，也会导致灾难性的后果。诸如珞珈山的蝴蝶拍拍翅膀那样的初始小扰动，经由地球大气系统中的逐级放大，最终可能在南美洲引起大风暴。这种由决定论引出来的混沌，对经典观念的打击是毁灭性的。混沌革命加强并深化了量子革命。
通过量子力学、分子生物学、协同学乃至混沌学的研究，现代科学家越来越认识到，偶然性在自然界具有不容忽视的本体论地位，以及研究偶然性的内在机制的重要性。为恩格斯赞同过的黑格尔关于“必然性自己规定自己为偶然性，……偶然性又宁可说是绝对的必然性”（〔2〕，第562—563页）的辩证论断，得到最新自然科学的支持。正如马克斯·玻恩在《关于因果与机遇的自然哲学》(1951)中所注意到的，量子世界是由因果与机遇联合统治的，其中机遇是有规则的。同样，在哈肯的协同学演化方程（如福克-普朗克方程和郎之万方程）中，决定论力项与随机力项是共同起作用的。在混沌理论中，混沌本是由决定论规律引出的内在的无序和不规则性，然而对混沌吸引子的相空间图解研究却表明，即使混沌也有精细结构，其中机遇也是有规则的，偶然性与必然性相互作用的深层非线性机制是可以认识的。从量子力学到系统科学的研究表明，概率统计定律是比严格决定论定律更好的认识工具，但原有的“大数定律”与“统计平均值”等概念对于描述偶然性已经显得太粗糙了，非线性数学该出阵参战了。因为唯有借助于非线性数学才可能认清偶然性起作用的深层结构机制。
当代自然哲学中的系统整体论思想也是相当有革命性的。自从欧几里得、阿基米德以来，“整体＝部分和”的公理已经成为背景知识不可缺少的一部分。这一观念也是牛顿的机械论自然哲学的一个基本要素（它与实体主义、还原主义相协调）。然而，一般系统论中的贝塔朗菲原理“整体不等于各部分简单相加的总和”，却断然取消了欧几里得的公理，以整体论取代了机械论的还原主义。量子力学中的全域相关性和粒子物理学中的新奇现象（“基本”粒子分割到一定限度，将出现“部分大于整体”的佯谬）以及生态系统的整体关联性（卡普拉《转折点》，1989）都支持贝塔朗菲的系统整体观。
总之，以现代物理学与系统科学为代表的当代科学革命已经引起了人类自然图景的根本变革，人们有理由期待一种浸透着量子力学辩证法和系统科学辩证法精神的全新的自然哲学的出现。
二
现在我们转入当代自然哲学的主要疑难及其可能解法的讨论。
鉴于机械论自然哲学所遇到的困难，当代自然哲学所要讨论的主要问题可以归结如下：1.自然本体的性质问题。物理实在究竟是孤立的实体还是依赖于系统场境的存在？“潜在”是否也是物理实在的基本形态之一？究竟是否存在终极实在？2.物理实在所遵循的规律究竟是决定论还是非决定论的？自然系统究竟是必然性还是偶然性所支配的？偶然性应当具有怎么样的本体论地位（是否应当有）？3.所谓“观察者侵入物理事件”的实质是什么？主客二分的合理界限是什么？4.系统整体论与还原主义孰是孰非？5.目的论的新解释问题。自然系统本身能有目的性吗？能代替上帝作为选择主体的地位吗？目的论是否真与机械论势不两立？它又如何与神学划清界线？下面我们将依次详细分析这些问题：
1.自然本体或物理实在的性质问题。
牛顿机械论自然哲学的本体论或实在观的要害就在于实体主义。一切物理实在被认为都有实体性、实存性，自然被等同于实体的集合（简单相加的总和），一种在绝对空间构架中的机械性的存在物。然而，在新的原子科学中，从前认为不容置疑的“实体实存”原则已经失效。明确的电子“轨道”或光子“路径”等经典性观念在量子力学中是不允许的。电子实际上以“电子云”方式存在着，它并没有绝对分明的轮廓，而且只是或然地显现出来。如“测不准关系”所要求的，电子的位置与相应的动量具有天生的不确定性，决不可能同时有确定的值，因而人们决不可能同时测量到其确定的值。所有这些事实，如果从牛顿的经典本体论的眼光来看简直是不可理解的，因为“潜在性”观念完全没有地位。
实际上，现代物理学家海森伯在批判牛顿机械论实在观的基础上，确实发展了一种全新的、更广义的“潜在”实在观。他根据量子力学事实总结出，潜在是介于可能与现实之间的物理实在的新型式，它被认为特别适用于微观客体。海森伯尖锐地指出：“在量子论中显示的实在概念的变化，并不是过去的简单的继续，而却象是现代科学结构的真正破裂。”（〔3〕，第2页）“几率波的概念是牛顿以来理论物理学中全新的东西。……它是亚里士多德哲学中‘潜在’(potentia)这个老概念的定量表述。它引入了某种介乎实际的事件和事件的观念之间的东西，这是正好介乎可能性和实在性之间的一种新奇的物理实在。”（〔3〕，第11页）“事件并不一定是确定的，而是可能发生或倾向于发生的事情便构成了宇宙中的实在”。（〔4〕，第177页）
总之，海森伯认为量子理论意味着实在观念的革命，牛顿机械论的实在观念已经失效。他举例说，几率波、量子态、电子轨道等都与统计期望值相关联，表示倾向性的、潜在的物理实在，这是物理实在的新形式。
现代粒子物理学的新假说把潜在性观念发展到海森伯本人始料所不及的程度。乔弗利·丘(Geoffrey Chew)著名的粒子靴绊学说[2]，断然否定了终极实体的可能性，揭示了自然本体的自助的、生成的本性。按照我的看法，它使系统实在论与系统辩证法完全本体论化了！由于任何粒子都可以充当基础粒子，用以构成其他粒子，因此说穿了没有任何一种粒子是真正的“基本粒子”，这就是所谓“基本粒子并不基本”。从根本上说，自然界不可能还原到任何一种或几种终极的实体。说一个质子可以由中子和π介子所构成，或者说它是由Λ超子和K介子所构成，或者说它是由两个核子和一个反核子所构成，甚至说是由场的连续质所构成。所有这一切可能性是同样真实地存在的。应当说，所有这些陈述都同样地正确又同样地不完善。因为真实世界等于所有这些潜在的“可能世界”互相叠加的总和。借用日本物理学家武谷三男的话来说：“作为终极要素的实体——基本粒子本身也是相互流动地相互转化的。这件革了以前的物质观，显示了辩证逻辑的正确性。”（〔5〕，第28页）
我们的进一步的问题是：作为自然本体的物理实在究竟是否可以归结为互相孤立的实体？还是从本质上说只能是依赖系统场境的整体全息相关的存在？在对著名的EPR假想[3]的实验检验中所表现出来的量子关联（即远距粒子之间的整体相关性）很好地回答了这一问题。正如美国科学哲学家西莫尼(A.Shimony)所指出：“我们生活在一个实验结果正在开始阐明哲学问题的非凡时代”。而今最新实验结果表明，两个相隔几米且又没有彼此传递信息机制的实体可能被相互纠结在一起，即它们的行为可以有极显著的相关性，以致对其中一个实体进行测量将瞬时地影响到另一个实体的测量结果。这个新奇的实验结果断然否定了爱因斯坦等人(EPR)的预设（即“空间上远隔的客体的实在状态必定是彼此独立的”），却符合量子力学的系统整体观。正如玻尔所注意到的，量子现象是作为整体而存在的，其中所反映出来的内在关联是不可消解的。量子现象的整体性不允许人们对它作机械的切割并把这种切割物认作它自身。因此我们有理由说，量子力学的整体实在观是与系统整体观相通的，量子辩证法与系统辩证法相互渗透，量子革命与系统科学革命相互支持。因此，作为科学革命的结晶，新自然哲学主张，物理实在的部分性质取决于整体，取决于系统的内在关联，从根本上说，自然本体是整体全息相关的存在。
2.决定论与非决定论疑难，偶然性的本体论地位问题。
从前认为不容置疑的机械论自然哲学的“严格决定论”预设，如今在新的原子科学中也已经失效。人们向来认为，自然科学和“自然科学唯物主义”有一个不可动摇的支柱：这就是严格决定论。对自然科学的这种见解，最典型地表现在拉普拉斯杜撰的那个精灵故事中，据说这个精灵（超智慧者）知道世界现况的一切决定因素，因而能够无歧义地得出世界在过去或未来的其他一切状态。这个被后人称作“拉普拉斯妖”的理想实验正是严格决定论的化身。可是，现在在微观领域里发现了与这种严格决定论原则相违背的种种反常事实。简略地说，热学与分子物理学的研究表明，气体分子运动是包含不确定性的自然进程，由于初始条件捉摸不定，单个分子的运动状态成为纯粹的偶然事件。分子运动论乃至统计力学的建立表明，概率统计定律也是自然描述不可缺少的一种基本形式。
强调概率统计定律重要性的科学思想反映到自然哲学中去，就成为“统计决定论”。其要旨可概括如下：对于一些包含不确定性的自然过程，虽然严格决定论不能直接应用，但若应用统计方法研究大量单个偶然事件的平均行为，却可以找出明显的统计规律性。换句话说，这些自然过程在统计平均意义上仍是决定论性的。这是决定论的弱化形式之一。
统计决定论的科学基础在于经典统计力学。统计力学的基本出发点则在于，认为尽管大量分子的集团行为满足统计规律，但从底层基础而言，单个分子（单个过程）仍遵守牛顿定律，满足严格决定论。这样，统计决定论并不把不确定性归因于基础规律的不同，而是把它归因于初始条件的难以捉摸（即人类知识的不完备性）。因此，统计决定论只是严格决定论的补充形式。
然而，将概率统计观点真正贯彻到底，最终导致量子物理学的兴起，而测不准关系的发现则使严格决定论沦为无意义的空想。
在现代科学家中第一个对“非完全决定论”（即under-determinism，这个词的不恰当的替代词是indeterminism，即非决定论）有十分清醒认识的是哥廷根学派的马克斯·玻恩。他在名著《关于因果和机遇的自然哲学》中对非完全决定论作了比其他量子物理学家（如玻尔、海森伯等）更为系统和透彻的分析。通过对玻恩文本的适当解释、调整与转译，我们可以提炼出对当代自然哲学极有价值的内容和决定论／非决定论问题的辩证解。〔7〕
非完全决定论的最主要或最有特色的一种表现形式，是与量子力学相应的概率决定论。其要点如下：(1)单个（量子）过程内在地是几率性的、非决定性质的；(2)“自然界同时受到因果律和机遇律的某种混合方式的支配。”（〔8〕，第9页）(3)机遇律是自然律的终极形式，偶然性有规则，“它们是用数学上的概率论表述出来的。”（〔8〕，第7页）
关于自然界究竟是由必然性还是偶然性所支配的，是决定论性还是非决定论性的那个争论，波普有一个著名的比喻：“云和钟”。“云”就是天上的云，代表极端不确定性，它非常不规则、毫无秩序又有点难以预测；“钟”就是家家都有的时钟，代表高度的确定性，它非常有规则、有秩序又是高度可预测的。这是两个不同的极端，一端变化莫测，另一端高度精确。一般的自然事物往往处在这两个极端之间。波普用“所有的云都是钟”（当然也可以说“所有自然事物都是钟”）表示决定论，用“所有的钟都是云”（当然也可以说“所有自然事物都是云”）表示非决定论。波普终于认识到，人类理性需要的是“处于完全的偶然性和完全的决定论之间的某种中间物，即处于完全的云和完善的钟之间的某种中间物。”（〔6〕，第239—240页）这种完全的偶然论（非决定论）和完全的决定论的中间物，我们可以恰当地称作“非完全决定论”，它意味着对偶然性与必然性、因果与机遇的某种辩证综合，这就是当代自然哲学对这一争论所作的正确解。以上我们是借用M.玻恩与波普的话，经校正、转译纳入自己的概念框架，并用以阐发自己的“非完全决定论”观点。〔7〕
现代生物学和生物微观控制论也为非完全决定论提供新的佐证。莫诺在其名著《偶然性与必然性（略论现代生物学的自然哲学）》中，从分子生物学的材料出发，有力地抨击了严格决定论，并为恢复偶然性在自然哲学中的本体论地位付出极大的努力。莫诺是这样说的：
当偶然事件——因为它总是独一无二的，所以本质上是无法预测的——一旦掺入了DNA的结构之中，就会被机械而忠实地进行复制和转录，……从纯粹偶然性的范围中被延伸出来以后，偶然性事件也就进入了必然性的范围，进入了相互排斥、不可调和的确定性的范围了。因为自然选择就是在宏观水平上、在生物体的水平上起作用的。自然选择能够独自从一个噪声源泉中谱写出生物界的全部乐曲。（着重号为引者所加）（〔9〕，第88页）
莫诺这段话应当看作关于生物自然界的非完全决定论，关于极小几率的偶然事件向极严格规律转化过程的生动说明。特别是最后那句话是说明生物界的偶然性与必然性的相互联系、相互作用方式的绝妙比喻。当然，由于莫诺有时十分不恰当地将严格决定论与辩证唯物论混为一谈，应当注意他的言论本身具有两重性。（〔10〕，第324页）
非完全决定论的内容还由于系统科学的兴起而得到了进一步丰富和加强。有人因之称作系统决定论。其要旨可概括如下：
一般的自然界的复杂系统（在自然哲学中姑且撇开社会系统），不能由它的构成要素和子系统通过简单相加和线性因果链无歧义地决定其整体功能和行为。但系统的存在与演化仍有相当确定的规律可循，机遇与因果共同决定着系统的存在和发展，因而系统在整体上仍有决定性。
具体地说，系统演化的主要机理就在于机遇性涨落、反馈和非线性作用。人们常喜欢将借助于系统科学特有的资料所认识的辩证法，称作“系统辩证法”。系统科学从自己的角度阐明了因果与机遇、决定性与随机性的辩证法：自组织系统作为远离平衡态的开放系统，以偶然的随机的涨落为诱导，通过正反馈和非线性放大，某一涨落在矛盾竞争之中取得支配地位，成为序参量，于是使系统的演化纳入必然的轨道，建立时空、功能上的新的有序状态。系统辩证法与矛盾辩证法在自组织动力学机制的解释上是高度一致的：当自组织系统处于不稳定点时，系统内部矛盾全面展开并有所激化，与各种子系统及其要素的局部耦合关系和运动特性相联系的模式和参量都异常活跃，各种参量的涨落此起彼伏，它们都蕴含着一定的结构与组织的胚芽，为了建立自己的独立模式并争夺对全局的支配权，它们之间进行激烈的竞争与对抗，时而“又联合又斗争”，最后才选拔出作为主导模式的序参量。非完全决定论在协同学的描述系统演化的数学方程中也得到反映。如郎之万方程（描述布朗运动的）和福克-普朗克方程中，概率论描述与因果性描述共处于一体，随机作用项与决定论作用项被综合在一起，偶然性与必然性因子被综合在一起。从自然哲学看，它们体现了机遇律与因果律的辩证综合。
3.物理事件与观察的关系、主体-客体相互作用问题。
从前认为不容置疑的“客观事件与任何观测无关”的自然哲学信条，如今在新的原子科学中同样也正在失效。正如海森伯所指出，经典物理学的真正核心，也就是物理事件在时间、空间上的客观进程与任何观测无关的信念，由于许多量子实验的发现而受到冲击。而现代物理学的真正力量就存在于自然界为我们提供的那些新的思想方法之中。因此，再指望用新实验去发现与观测无关的“纯客观事件”或不依赖于观察者和相关参照系的“绝对时间”，就无异于指望极地探险家在南极圈尚未勘查过的地方会发现“世界尽头”，那只能是不切实际的幻想。（〔4〕，第4页和第9页）对原子、电子那样的客体的任何一次射线照射或观测都足以破坏其初始状态，而且由于或然性和不可逆性，这种状态不可恢复。
玻尔为量子力学所作的“互补性诠释”中一个最基本的思想是：观察者（主体）与被观察者（客体）之间的严格划界是不可能的，因为在实际过程中两者处在紧密相连的相互作用之中。无论是纯粹的“主体”即可以）“无干扰”地进行观察的观察者）或是纯粹的“客体”（可以绝对隔绝外界作用而界定被观察系统的孤立状态）概念都只是经典物理学所作的理想化，而这两种理想化既是相互补充又是相互排斥的。〔11〕这就是玻尔著名的“我们既是观众（观察者），又是演员（被观察者）”辩证论断的真实含义。
实际上，从当代自然哲学的眼光看，这是很自然的：人（观察者）本来就是自然（被观察者）不可分割的一部分，我们只能用一种内在化的眼光来看待自然，而不可能象上帝那样用完全超脱的外在化眼光看自然，这就是问题的症结所在。
正如罗森菲尔德所指出，所谓“观察者介入原子事件进程”的局势，容易产生科学事实的客观性被败坏的假象，因此我们必须与机械论和不可救药的唯心主义划清界线。罗森菲尔德本人正是以辩证法为武器在与机械论和唯心主义划界的过程中阐明了观察者与物理事件的辩证关系的客观性质。（〔12〕，第140页）海森伯说得很分明：“量子论并不包含真正的主观特征，它并不引进物理学家的精神作为原子事件的一部分”。（〔3〕，第22页）可见，“客体行为与观测有关”原则并不意味着我们可以抛弃客观实在而接受主观主义。
4.系统整体实在观问题。在阐述以上各个问题的过程中，我们实际上已经阐明了整体实在观的基本观点：“整体不同于各部分机械相加的总和”。自然本体是依赖于系统场境的存在、处在相对相关中的存在，是整体全息相关的实在。正如D.玻姆所指出的，按照量子概念，世界是作为统一的不可分割的整体而存在的，其中即使是每个部分内在的性质（波或粒子）也在一定程度上依赖于场境。其实，人本身就是自然的产物，自然不可分割的一部分，人只能作为参与者并在相互作用过程中用内在化的观点来理解自然本体。只是在系统及其诸要素之间的相互作用可以忽视的情况下，还原主义才是近似地有效的。
5.自然本体目的性的（自组织解释）问题。简单地说，当代自然哲学的目的论观是亚里士多德内在目的论的复活和发展，是现代系统科学目的论观的升华。宇宙象是一个有机统一的整体，自然系统（包括生命系统和非生命自组织系统）的结构、功能和演化过程的合目的性可以通过自然本身的自组织机制的作用得到合理解释。〔1〕
例如，自然选择的实质问题是由生物哲学所提出的一个重要问题。按照生物控制论的初步解答，关于生物进化的自然选择机制实质上就是一种以偶然的突变为素材，通过反馈调节的最优化控制机制。艾根的超循环理论则进一步明确，在大分子的自组织阶段，在生化反应的超循环中选择价值高的突变不断通过过滤和正反馈放大，形成功能性的组织，强化、优化并向更高水平进化。这里，一方面自然选择表现为自然本身的纯物质性的有规则的相互作用过程，但它不同于牛顿的机械因果性模式，因为其中突变与选择机制、机遇与因果是辩证地联合起作用的；另一方面，尽管它排除了自然神力的干预，却仍然是合目的性的过程，因为它有自引导的、自动调节的功能（使物种或分子拟种适应环境）。这样，按系统辩证法重新解释过的合理的目的论又能与神学划清界线。
三
正如我们已经看到的，20世纪早期的相对论量子论革命向统治思想界长达二三百年之久的机械论自然哲学，提出了全面的诘难和挑战，并给予毁灭性的打击。当代自然哲学正是在克服旧自然哲学的危机，在回答新兴自然科学所提出的诘难和挑战的过程中逐步建立起来的。20世纪中叶以来以系统科学群为代表的新兴科学的迅速发展，丰富了当代自然哲学的内涵，加速了人类自然图景革新的步伐。
总起来说，当代自然哲学的核心观点，可以简要地重新概括如下：
1.自然本体是依赖于系统场境的、在关系中生成的、流动的实在，作为孤立实体的终极实在根本不存在，“潜在”是物理实在的一种新形式；2.自然系统遵循非完全决定论（即决定论与非决定论的中间物），它是由因果与机遇联合统治的，此两者互斥又互补。偶然性的本体论地位是：它是自然本体本质中的一个规定、一个方面和一个要素。偶然性存在精细的非线性作用机制（由混沌革命所发现！）。3.物理事件与观测有关，人作为自然系统的一分子只能用参与者的身分和内在化的观点来观察自然，绝对的主客二分只是不切实际的幻想；4.系统整体观在总体上比还原主义更为合理，不过为了进行精细的研究，有节制的还原主义仍是必不可少的和有启发力的，两者其实是互斥又互补的。5.自然系统的合目的性可以按自组织观点得到最合理的解释，目的论与机械论也是互斥又互补的。
最后，我们所要强调的是偶然性的恰当的本体论地位问题。迄今仍有不少读者受过时的哲学教科书的影响，把偶然性当作一种外在的、主观的、局部的、非本质的和不稳定的或暂时的东西。其实这种看法有违辩证法的本意，可以毫不客气地说它属于机械论的范畴。通过对量子辩证法与系统辩证法的研究，我们可以十分有把握地说：机遇或偶然性在本体论中恰恰是一种内在的、固有的、普遍的、本质的和永久性的成分。借用列宁论“假象”的话来说，偶然性是“本质的一个规定、一个方面和一个环节”，是“本质自身在自身中的表现”。机遇与偶然性是客观的并且具有自己的非常独特的规律。在新自然哲学中，我们不能再满足于把偶然性看作必然性的“补充形式”的外在化理解，而要比以往任何时候都更加清醒地认识到，机遇与因果相互联结、相互渗透，辩证地融为一体。在非完全决定论中，偶然性恢复了它本来应有的本体论地位，机遇与因果，偶然性与必然性以几率或统计性乃至“混沌吸引子”为中介辩证地联结在一起。在相空间中混沌吸引子的精巧的无穷嵌套的自相似结构，精确而形象地展示出系统演化过程中机遇与因果如何联合起作用的深层非线性机制，进一步丰富了对自然本体辩证内涵的认识。
应当说，这是量子辩证法与系统辩证法对矛盾辩证法的一项贡献，它们本应是相得益彰的。
参考文献
〔1〕桂起权：《目的论自然哲学之复活》，载“自然辩证法研究”1995(7)，并收入吴国盛主编《自然哲学》一书，中国社科出版社1994年版。
〔2〕《马克思恩格斯全集》第20卷。
〔3〕海森伯：《物理学与哲学》商务印书馆1984年版。
〔4〕海森伯：《严密自然科学基础近年来的变化》上海译文出版社1978年版。
〔5〕《武谷三男物理学方法论论文集》商务印书馆1975年版。
〔6〕波普：《客观知识》，上海译文出版社1987年版。
〔7〕桂起权：《非完全决定论：因果与机遇的辩证综合》，载“科学技术与辩证法”1991(2)。
〔8〕玻恩：《关于因果和机遇的自然哲学》商务印书馆1964年版。
〔9〕莫诺：《偶然性与必然性（略论现代生物学的自然哲学）》，上海人民出版社1977年版。
〔10〕桂起权：《科学思想的源流》武汉大学出版社1994年版。
〔11〕桂来权《析量子力学中的辩证法思想—玻尔互补性构架之真谛》，载“哲学研究”1994(10)。
〔12〕罗森菲尔德：《量子革命》商务印书馆1991年版。
注释：
[1]正是在这一意义上，梁实秋在《远东英汉大辞典》中，将控制论(cybernetics)译作神经机械学。
第8篇：量子力学的核心范文
量子通信，安全“大卫士”
说起量子卫星，就得先讲讲什么是量子。对一般人来说，“量子”一词似乎有点深奥，难以理解。实际上，量子是组成物质的基本单元，是能量不能再分割的最小单位。如，量子是光能量的最小单位，不存在“半个光子”。
量子通信的安全性，就是基于单个光子的不可分割性和量子态的不可复制性，从而保证了信息不被窃听和不可破解的安全性。
量子通信绝对安全，还因为量子有两个基本特性，即量子的叠加和量子纠缠。量子叠加，是指一个量子系统可以处在不同量子态的叠加态上。也就是说，任何一个干扰包括光照都会使量子改变状态，即它刚才还在随机蹦Q，忽然就停止不动了，变幻莫测。
著名的“薛定谔虐猫”理论就形象描述了这一现象：装在盒子里的猫，在盒子没打开时，猫可以同时既是活的又是死的，只有打开看才知道。这表明，量子状态随机变化，两种状态可叠加存在，这就是量子的叠加态;量子纠缠，是指量子间具有像孙悟空和其分身那样“心有灵犀”的功能，两个量子无论相隔多远，若对其中一个量子态做任何改变，另一个会立刻感受到，并做相应的状态改变，这就为远距离同步传递不被破解的信息提供了可能性。
欧洲、美国、日本等国的科学家很早就对量子通信进行研究实验，但由于种种原因而成效甚微。我国研究量子通信虽然起步较晚，于2011年才启动量子卫星研制计划，然而在党和国家极其重视和大力支持下，一举获得开创性的突破，成功地发射了“墨子号”量子卫星，成为这一科技领域的领路者。
“墨子号”开创安全通信新时代
“墨子号”量子卫星发射后，将实验远距离传输不可破解信息的方式，即卫星升空后，其主要任务是建立一个量子密钥分发网络，并在太空中首次进行量子纠缠分发实验，从而展现一种让用户免受最精明的窃听者伤害的安全网络，开创安全通信的新时代。
潘建伟院士是研制“墨子号”量子卫星的领军人物。20世纪80年代初，法国科学家阿兰・阿斯佩首次用实验证实了“量子纠缠”现象存在后，潘建伟于20世纪90年代赴量子力学创始人薛定谔的祖国奥地利留学，学习最先进、最完整的量子科学知识，奠定了其在量子科学方面的基础。潘建伟学成回国后，很快就投入到量子通信方面的研究实验。
2003年，潘建伟研究小组正式成立，主攻自由空间量子通信方面的研究。他们在实验点制备出成对的纠缠光子，再利用专门设计加工的发射望远镜将容易发散的细小光束“增肥”后，向东西相距13千米的两个实验站发送。然后，实验站的接收端用同样型号的望远镜收集。实验人员发现，在如此远距离的传送中，竟有许多纠缠光子“夫妻对”仍能保持相互纠缠状态，其携带信息的数量和质量完全能满足基于卫星的全球化量子通信的要求。
在国家的大力支持下，量子卫星研制团队经过精心研究实验，终于在2016年8月16日将我国研制的世界首颗量子卫星成功发射。这次发射不仅使我国走到世界量子通信研究领域的最前沿，更重要的是，它使我们在获得网络安全“圣杯”（即令黑客无法渗透的数字通信系统）方面大大领先于全球竞争对手。
全球的量子通信网络，起步
首颗量子卫星上天，我国在国际上将率先实现高速星地量子通信，借助连接地面光纤量子通信网络，初步构成全球量子通信网络。
据潘建伟院士透露，京沪干线大尺度光纤量子通信骨干网工程将于2016年下半年完工交付。该工程将构建千公里级高可信、可扩展、军民融合的广域光纤量子通信网络，并建成大尺度量子通信技术验证、应用研究和应用示范研究平台。
参与量子卫星研制的奥地利科学家/潘建伟导师蔡林格强调说：“量子卫星有助于信息传递者和接收者远距离交换令信息无法破解的密钥，而量子卫星将首先同北京交换密钥，今后还可在北京和维也纳之间分发量子密钥”，逐步构筑成全球量子通信网络。
值得庆贺的是，“墨子号”卫星发射后一直表现很好，所有参数都已达标，有些甚至高于预期。“墨子号”卫星发射升空一周时，中科院国家天文台兴隆观测站观测到罕见的红、绿光束。人们形象地说，“墨子号”实现了天地“握手”， 这一观测显示“墨子号”可以正常通信联系了。
量子通信，许你美好未来
目前，量子通信这一“永不被破解”的信息安全传输方式，已在市场上得以产业应用，如工商银行等多家银行率先试用量子通信加密技术。工商银行通过国盾的量子加密技术，将数据从数据中心传输到同城的另一个机房内。这样做是因为通过设备产生量子密钥，再对数据进行加密传输是不会被窃取的，这对金融数据传输非常必要。
早在2008年10月，中国科技大学通过实验将合肥市内的本校区、杏林苑、滨湖新区三个本不相干的点连接在一起。由于这三个点组成三节点可扩展的量子通信网络，因而实现了全球首个量子保密电话系统建设，开创了量子通信网的先河。随后，五节点，四十六节点，合肥、济南城域网，“京沪”城际网……量子通信网在不断扩张。
如今量子通信卫星发射成功后，量子通信网络如虎添翼，就能真正升到“广域”“洲际”传播，为信息保密传输开辟了“天地一体”的广阔天地。预计今年12月贯通的量子通信京沪干线（总长2000多千米）建成后，将主要用于军事、金融、政务等领域的信息安全传输。此外，媒体、大型企业、金融机构等都可以成为量子通信用户。量子通信关键技术的研发，初步形成构建空地一体广域量子通信网络体系的能力，并在全天时量子通信上取得突破。
量子通信的应用前景美好，但普及应用是逐步进行的，就像电话、手机的普及过程一样。起初，量子通信会应用于科学研究、国防、政务和金融等领域，之后才会在大众中广泛应用。至于要让每个人都能用上，估计需要10至15年。届时，每个人的家里、手机上或许会有一个量子加密芯片，银行转款、电子账户等操作将不用担心被盗用或者遭到攻击。
量子计算机，有望走入现实
更引人注目的是，随着对量子科学的深入研究和量子卫星的成功发射，进一步促进了量子计算机的发展。
在“墨子号”发射前不久，中国科技大学量子实验室成功研发出半导体量子芯片和量子存储技术，取得了量子计算机研制的突破性进展。量子芯片用于计算机的逻辑运算和信息处理，被称为计算机的“大脑”;有了量子存储装置，科学家利用它能实现超远距离的量子信息传输。因此，该技术的突破特别振奋人心。
为什么要研制量子计算机？早在1981年，物理学家理查德・费曼就提出了此观点：如果用传统电子计算机模拟量子力学，那么微观粒子的数量越多，计算量就越大，也就越不可能实现模拟。这种情况下要实现量子力学的模拟，就必须用和它的原理相同的方式。人们认为他的说法有道理，而且也得到事实的证明。于是，量子力学和计算机科学便开始结合，人们开始研究量子计算机了。
量子计算机优势大，关键在于它一个量子位可同时处于0和1两个状态，这是由量子叠加特性决定的。与此形成对比的是，传统电子计算机中的晶体管一次只能处于0或1的状态。如此一来，如果要进行海量运算量子计算机更合适。
因为，传统电子计算机只能按时间顺序来进行运算;而量子计算机能做到超并行运算，即它的N个量子位可同时表示2的N次方个状态，数量呈指数增长。譬如，目前我国性能最强大的天河二号超级计算机需要100年才能处理的任务，一台量子计算机只需0.01秒就能完成。
因而，量子计算机适用于庞大运算量的项目，如太空探测、核爆模拟、密码破解、气候变化、药物研究和模拟复杂的化学反应等。量子计算机对解决精确的天气预报和大城市交通拥堵等难题，也能大显身手，迎接挑战。
现在量子计算机研制已露出希望的曙光，出现这种具有高超速运算能力的计算机已为时不远。目前，中国科技大学研制的量子芯片已达到容错计算的精度，但逻辑比特数量仅有3个，当逻辑比特数量超过30个时，量子计算的性能将超越传统计算机。看来，量子计算机由科幻变为现实已指日可待。
第9篇：量子力学的核心范文
[关键词] 密码学 研究进展 发展方向
自从人类有了通信的需要以来,怎样在通信中保密以及如何破译密码就是一对永恒的话题。现在常用的标准加密方式是用一串随机数字对信息进行编码,当这种加密被恶意用户窃听时,不会留下任何痕迹,使得合法用户无法察觉,而恶意用户只要掌握了恰当的方法,其任何密码都可以被破译成明文。随着计算机技术的发展在使密码术更复杂的同时,也降低了破译密码的难度。那么到底什么样的传输加密方式才是最安全的呢?在量子理论支配的世界里,这一切将会完全改变。
一、量子密码术的核心:量子密钥分配原理
量子密码术是密码术与量子力学结合的产物,它利用了系统所具有的量子性质。首先想到将量子物理用于密码术的是美国科学家Wiesner。Wiesner于1970年提出,可利用单量子态制造不可伪造的“电子钞票”。但这个设想的实现需要长时间保存单量子态,不太现实。Bennett和Brassard在研究中发现,单量子态虽然不好保存但可用于传输信息。1984年,Bennett和Brassard提出了第一个量子密码术方案,称为BB84方案,由此迎来了量子密码术的新时期。
量子密码术并不用于传输密文,而是用于建立、传输密码本。量子密钥分配是量子密码术的核心组成部分。在量子密钥分发中,总是用一个光子携带一个比特的信息,根据量子力学的不确定性原理以及量子不可克隆定理,任何窃听者的存在都会被发现,从而保证密码本的绝对安全,也就保证了加密信息的绝对安全。
BB84协议采用四个非正交态作为量子信息态,且这四个态分属于两组共轭基,每组基内的两个态是相互正交的。两组基互为共轭是指一组基中的任一基矢在另一组基中的任何基矢上的投影都相等。光子的线偏振量和圆偏振量就是互为共轭的量。不论是用左旋圆还是右旋圆偏振基测量线偏振光子,都是各以一半的几率得到左旋或右旋圆偏振态。反之亦然。下面我们假定Alice(信息发送者)与Bob(信息接受者)约定用这两种偏振基中的四种偏振态来实现量子密钥分配,操作步骤如下:
(1)Alice随机地选择右旋、左旋、水平或垂直四种中任一种偏振态的光子发送给Bob;
(2)Bob随机地独立选择线偏振基或圆偏振基测量该光子的偏振态;
(3)Bob确定实际所测量的偏振态(只有Bob自己知道,其中包含一些未被检测到的空态);
(4)Bob公布他监测到时所采用的测量基(如通过电话告诉Alice),但不公布测量到那个偏振态。Alice告诉Bob那些测量基是正确的并保留下来,其余的丢弃掉;
(5)Alice和Bob仅保留相同基矢的态,并按约定的规则转化为二进制序列(如左旋圆偏振态和水平线偏振态代表比特“1”,右旋圆偏振态和垂直线偏振态代表比特“0”)。
二、量子密码术实验研究进展
量子密钥分配最早由Bennett等人在89年实验成功。在该实验中,信息由光子的偏振态编码。实验的结果是:光子在自由空间中只传输了32cm。误码率为4%,有效传输率很低(10分钟传送了105比特),但窃听者能截获的比特数只有6×10-171个,这说明安全程度非常高,足以显示量子密钥分发的潜力和诱人前景。
目前在量子密码术实验研究上进展最快的国家为英国、瑞士和美国。英国国防研究部于1993年首先在光纤中实现了基于BB84方案的相位编码量子密钥分发,光纤传输长度为10公里。这项研究后来转到英国通讯实验室进行,到1995年经多方改进,在30公里长的光纤传输中成功实现了量子密钥分发。与偏振编码相比,相位编码的好处是对光的偏振态要求不那么苛刻。在长距离的光纤传输中,光的偏振性会退化,造成误码率的增加。然而,瑞士日内瓦大学的Muller等人于1993年基于BB84方案的偏振编码方案,在1.1公里长的光纤中传输1.3微米波长的光子,误码率仅为0.54%,并于1995年在日内瓦湖底铺设的23公里长民用光通信光缆中进行了实地表演,误码率为3.4%。1997年,他们利用Faraday镜消除了光纤中的双折射等影响因素,使得系统的稳定性和使用的方便性大大提高,被称为“即插即用”的量子密码方案。他们利用该方案成功演示了23km的密钥传输,干涉度达99.8%,比特率为20 kbit/s,误码率仅为1.35%。1998年美国的los Alsmos国家实验室的R.J.Hughes等人用两台M-Z干涉仪,但使用B92协议,使用衰减为0.3db/km的1.3μm通信光纤,性能更好的InGaAa探测器,成功地在8km的地下光缆中进行了密钥传送,误码率仅为9.3%。同年,英国BT实验室的Townsend等人又将传输距离增加到了50 km。这个长度已经足以让一所银行和它的分支机构或者政府各部门的办公室之间建立量子密码通信的网络。
在中国,量子密码通信的研究虽然起步较晚,但已取得了不俗的成果。中科院物理所于1995年以BB84方案在国内首次做了演示性实验,华东师范大学用B92方案做了在距离较短的自由空间里实验。2000年,中科院物理所与研究生院合作,在850纳米的单模光纤中完成了1.1公里的量子密码通信演示性实验。日前,由中国科技大学中科院量子信息重点实验室与瑞典皇家理工学院微电子与应用物理系量子电子与量子光学小组共同组建的联合课题组,在世界上首次完成了采用标记单光子源的诱骗态量子密码实验,将量子密码技术的实际安全性进一步提高。
三、量子密码术安全性证明
1.分流窃听。窃听者希望从通信信号中分出一部分信号,通过测量这些信号以获取信息。这在经典通讯中是没有问题的,但在量子密码系统中是不可能成功的,因为这里携带信息的是单个光子,根据量子力学的基本原理,它们是不能被分割的。Eve(窃听者)如果设法截获到该光子,则Bob必然没有收到,因而该光子在Alice和Bob比照结果并形成密钥的过程中被丢弃了,Eve没有得到有用的信息,反之,Bob测到的光子就肯定没有被Eve截获,因而Alice和Bob之间建立的密钥肯定是安全的。
2.拦截/发送窃听。在这种窃听手段中,窃听者采用与接受者相同的测量方法,利用选择性测量获取发送者发送的信息,然后根据她本人测量的结果再伪造发送一个信息给合法接受者。此时的窃听者与无人窃听时的接收者地位是相同的,因而它的选择性测量的结果也由两种可能:要么选对测量基,要么选错。若她选对了,则她的窃听行为没有造成任何影响,若她选错了,则她的测量行为将会完全破坏原来的信息态。在随后的公开对照阶段,合法通信双方就可以发现她的存在。在Alice和Bob完成一组密钥传递后,公开随机地比较一部分数据,若二者间没有差别,则认为无人窃听,反之,则有人窃听。比较的数目越大,Eve暴露的可能性越高。
3.拦截/克隆窃听。这种窃听方式似乎是可行的。在这种窃听方式中,Eve把截获的光子复制一个备份并将原光子再发送给Bob,然而量子不可克隆定理告诉我们,任何未知的量子态是不可复制的。如果要对其进行复制就首先要对其进行测量,而一旦进行测量,那么将会对其量子形态造成改变,合法的通信双方则可由此而察觉到有人在窃听。因而在Eve事先并不知道Alice发送的是哪种量子态的光子时,她想复制该光子是办不到的。
四、量子密码通信系统的发展前景及未来的发展方向
从量子理论的最基本概念出发,由理论上提出设想,到今天几十公里的密钥分配,接近实用化的量子密码传输系统,这一切都是最近几年发生的。在如此短的时间内取得如此飞速的发展,说明了社会对它需求的迫切性。时至今日,由于Internet及各种局域网的开通,银行业务中电子支付系统的广泛应用等,安全性就成为首先考虑的问题之一,这给量子密码的应用提供了巨大的空间。目前较为普遍的观点认为,未来量子密码通信系统可能向这些方向发展:(1)寻找量子密码应用的新领域。(2)利用量子中继技术增加传输距离。(3)提高比特传输率。(4)小型与集成化。
参考文献:
[1][美]斯皮尔曼.经典密码学与现代密码学[M].北京:清华大学出版社,2005.
[2]桂有珍,等.量子密码术[J].物理学进展,2002,(4).
