量子力学的基本原理精选(九篇)

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第1篇：量子力学的基本原理范文

关键词 量子力学 量子教育学 主观性

中图分类号：O413.1 文献标识码：A

量子力学所涵盖的一些思想，在哲学的研究中体现比较广泛，也对教学理论方面起了重要的作用，可以说量子力学对哲学思想的发展有着重要的促进作用。量子力学着重利用图景等表象来认识周围的世界，强调因果关系的认识，对后期形成的教育学理论具有参考性。但是，借助量子力学所形成的“量子教育学”则有很大的不同，这一教育学对原来的量子理论认识存在较大的偏差，充分强调自然科学。

1量子力学的缘起

1900年，量子假说出现在众人的认知里，现在的量子力学仍在不断完善，为后期的科学发展提供了重要的理论基础，可以说量子力学是量子理论的中心，它促进了原子能等一些先进技术的发展，为社会的重大发明打下基础，使人们更加清晰地认识到微观世界，并利用微观运动来更好地服务社会，是人类的重要发现，也是社会的伟大进步。

2量子力学的宇宙观

在宇宙世界中，对量子理论有较多的探讨，从已经存在的氢原子中，找到了量子级别的状态。对于电子而言，比原子更为复杂，这就要求必须要满足求解该原子的特定的方程来解出，并且要求其 场刚好环绕原子核产生驻波而求得。此外，量子态与别的驻波不一样，都有自己特定的频率，并与所蕴含的能量有关，每种量子状态都有所表征的能量。这就是说，预期任何一个态的能量都是一个具体量子所确定的，并不是模棱两可的，只要是有理论依据，就可以科学地估测态的能量多少。由于质子与电子之间存在着相互吸引的力，要想移动一个电子就必须要克服引力做功。

3量子的思维方式

人类思想总是处于不断发展中，当两种思想发生交集时，就会形成一个比较完整的、令人惊叹的思想成果，正如牛顿的世界观与量子理论产生彼此弥合的交集，才会让思想发展得如此迅速，才会让社会发展如此的快。量子思维方式给人类一个重要的启示，要求以人为中心，以人为主体。随着时代的进步和经济发展，信息技术逐渐融入了人的智慧和思想，他们彼此都是看不见的，没有确定的形状，但彼此交汇起来以后，就成了一种可以量化的物质，这是由于物质性比较弱。其实，量子物理学所产生相关的科学智慧，是人类社会发展的重要因素，也是文明进步的重要保障，可以说，量子物理学是计算机重要的组成部分，所形成的计算机芯片是重要的思维体现，量子物理学不仅是科学进步的前提，更是信息发展的重要保障，量子思维更是现代社会发展的必要方式。

4“量子教育学”的唯心主义

从产生量子力学后，“量子教育学”也随之不断发展，虽然也涉及到一些教育学方面的观点，但这些观点都是被众人早就接受了。如：学习是一个整体的过程，在这个过程中各知识点是相互联系、彼此交错的，以及还谈到了关键词：服务、个性化、互补等，但是，这些所谓的观点及结论不是原汁原味的，也不是从量子力学中演变而来，而是与它的原理相悖，从本质上讲，“量子教育学”就是一种唯心主义的表现。

贝克莱比较重视经验，认为所学的知识来源于经验，但是他却犯了一个致命的错误，认为感觉是世界真正存在的东西，其他的都是看不见的。他认为，知识是一切力量之源，但感觉是我们去探索未知世界，追求至高真理的唯一手段，只有能感觉到，才能被发现。也就是说：我们的主观性决定了我们所看见的世界，这也是量子教育学诠释的观点。他认为，只要消除了事物与观念的差异，认同事物等同于所谓的观念，并且观念可以感知任何世界上存在的事物，这样才会让我们的知识更加具有生命力。

5“量子教育学”的曲解

正所周知，量子力学不可能槲ㄐ闹饕搴筒豢芍论创造理论基础，而“量子教育学”却是唯心主义的重要思想来源，这是“量子教育学”对量子力学核心思维的歪曲，或者说对量子力学没有正确的认识，造成思想上出现截然不同的主张，另外，“量子教育学”过分强调感觉和经验，导致偏向于不可知论，与量子力学的思想相悖而驰。

“量子教育学”对量子力学概念和方法认识的偏差表现有。为了进一步认识光的本质特性，提出了波粒二象性的观念。此后，玻尔提出了“气补原理”，再一次诠释了波粒二象性的本质。“测不准”原理而是在某一个方面有较大的缺陷，不是粒子在宏观世界的不适用，只是说明不能单一地应用某一个方面，只有同时应用时才能为物理现象提高全面的解释。玻尔认为，波粒二象性在整个量子力学中的地位较高，它是一种可以很好地描述一种物理现象的原理，也可以说是解释因果关系的一种原理，它可以相互促进、相互排斥，这种互斥的关系不可或缺，这种互补关系后来被广大学者所接受。

6结语

近年来，量子力学逐渐被广大研究者重视起来，探讨量子力学的基本原理以及与量子教育学的重要关系，在量子理论的发展过程中，这已经留下了较多的论争。可以肯定的是量子力学对于科学的进步贡献了一份力量，把微观世界与宏观世界联系起来，而量子教育学并不是量子力学的正确认识，就本身的发展情况来看，量子教育学认同了后现代主义，成为了唯心主义的重要依据。

参考文献

[1] 贺天平.量子力学多世界解释的哲学审视[J].中国社会科学，2012（01）：48-61，207.

[2] 乌云高娃.量子力学发展综述[J].信息技术，2006（06）：154-157.

[3] 母小勇.量子力学与“量子教育学”[J].教育理论与实践，2006（07）：1-5.

第2篇：量子力学的基本原理范文

量子力学是近代物理的两大支柱之一，它的建立是20世纪划时代的成就之一，可以毫不夸张地说没有量子力学的建立，就没有人类的现代物质文明[1]。大批优秀的物理学家对原子物理的深入研究打开了量子力学的大门，这一人类新的认知很快延伸并运用到很多物理学领域，并且，导致了很多物理分支的诞生，如：核物理、粒子物理、凝聚态物理和激光物理等[2]。量子力学在近代物理中的地位如此之重，所以成为物理专业学生最重要的课程之一。但在实际教学过程中，学生普遍感到量子力学太过抽象、难以掌握。如何改革教学内容，将量子力学的基本观点由浅入深，使学生易于理解；如何改革教学手段，培养学生兴趣，使学生由被动学习变为主动学习。这是量子力学教学中遇到的主要问题。作者从几年的教学中摸索到一些经验，供大家参考。

一、教学内容和方法的改革

传统的本科量子力学教学一般包括了三大部分：第一部分是关于粒子的波粒二象性，正是因为微观粒子同时具有波动性和粒子性，才造成了一些牛顿力学无法解释的新现象，例如测不准关系、量子隧道效应等等；第二部分是介绍量子力学的基本原理，这部分是量子力学的核心内容，如波函数的统计解释、态叠加原理、电子自旋等；第三部分是量子力学的一些应用，如定态薛定谔方程的求解，微扰方法。以上三个部分相互联系构成了量子力学的整体框架[3]。随着量子力学的进一步发展，产生了很多新的现象和成果。例如量子通讯、量子计算机等等。许多学生对量子力学的兴趣就是从这些点点滴滴的新成果中得到的。如果我们仍按传统的内容授课，学生学完了这门课程发现感兴趣的那点东西完全没有接触到，就会对所学的量子力学感到怀疑，而且极大地挫伤了学习自然科学的兴趣。所以作者建议在教学过程中适当添加一些量子力学的新成果和新现象，来激发学生的学习兴趣[4]。在教学方法上也应该按照量子力学的特点有所改革。由于量子力学的许多观点和经典力学完全不同，如果我们还是按照经典力学的方法来讲，就会引起学生思维上的混乱，所以建议从一开始就建立全新的量子观点。例如轨道是一经典概念，在讲授玻尔的氢原子模型时仍然采用了轨道的概念，但在讲到后面又说轨道的概念是不对的，这样学生就会怀疑老师讲错误的内容教给了他们，形成逻辑上的混乱。我们应该从一开始就建立量子的观点，淡化轨道的概念，这样学生更容易接受。

二、重视绪论课的教学

兴趣是最好的老师。作为量子力学课程的第一节课，绪论课的讲授效果对学生学习量子力学的兴趣影响很大，所以绪论课直接影响到学生对学习量子力学这门课程的态度。当然很多学生非常重视这门课程，但学这门课的主要目的是为将来参加研究生入学考试，仅仅只是在行动上重视，而没有从思想上重视起来。如何使这部分学生从被动的学习量子力学变为主动地学习，这就要从第一节课开始培养。在上绪论课时作者主要通过以下几点来抓住学生的兴趣。首先列举早期与量子力学相关的诺贝尔物理学奖。诺贝尔奖得主历来都是万众瞩目的人物，学生当然也会有所关心，而且这些诺贝尔奖获得者的主要工作在量子力学这门课程中都会一一介绍，这样一方面通过举例子的方法强调了量子力学在自然科学中的重要地位，另一方面为学生探索什么样的工作才可以拿到诺贝尔奖留下悬念。抓住学生兴趣的第二个主要方法是列举一些量子力学中奇特的现象，激发学生探索奥秘的动力，例如波粒二象性带来的“穿墙术”、量子通讯、如何测量太阳表面温度等等，这些都很能激发学生学习量子力学的兴趣。综上所述，绪论课的教学在整个教学过程中至关重要，是引导学生打开量子力学广阔天地的一把钥匙。

三、重视物理学史的引入

随着量子力学学习的深入，学生会接触到越来越多的数学公式以及数学物理方法的内容，虽然学生会对量子力学的博大精深以及人类认知能力惊叹不已，但在学习过程中感觉越来越枯燥乏味。并且，学生学习量子力学的兴趣和信息在这个时候受到很大的考验，想要把丰硕的量子力学成果以及博大精深的内涵传达给学生，就得在适当的时候增加学生的学习兴趣。实际上，很多学生对量子力学的发展史有很浓厚的兴趣，甚至成为学生闲聊的素材，因此，在适当的时候讲述量子力学发展史可以增加学生学习量子力学的学习兴趣和热情。在讲授过程中，可以结合教学内容，融入量子力学发展史中的名人逸事和照片，如：索尔维会议上的大量有趣争论和物理学界智慧之脑的“明星照”，或用简单的方法用板书的形式推导量子力学公式。例如在讲到黑体辐射时，作者讲到普朗克仅仅用了插值的方法，就给出了一个完美的黑体辐射公式。而插值的方法普通的本科生都能熟练掌握，这一方面鼓励学生：看起来很高深的学问，其实都是由很简单的一系列知识组成，我们每个人都有可能在科学的发展过程中做出自己的贡献；另一方面教导学生，不要看不起很细微的东西，伟大的成就往往就是从这些地方开始。在讲到普朗克为了自己提出的理论感到后悔，甚至想尽一切的办法推翻自己的理论时，告诉学生科研的道路并不是一帆风顺的，坚持自己的信念有时候比学习更多的知识还要重要。在讲到德布罗意如何从一个纨绔子弟成长为诺贝尔奖获得者；在讲到薛定谔如何在不被导师重视的条件下建立了波动力学；在讲到海森堡如何为了重获玻尔的青睐，而建立了测不准关系；在讲到乌伦贝尔和古兹米特两个年轻人如何大胆“猜测”，提出了电子自旋假设，这些学生都听得津津有味。这些小故事不仅让学生从中掌握的量子力学的基本观点和发展过程，而且对培养学生的思维方法和科研品质都有很大帮助。

四、教学手段的改革

量子力学中有很多比较抽象原理、概念、推导过程和现象，这增加了学生理解的难度。而且在授课过程中有大量的公式推导过程，非常的枯燥。所以在教学过程中穿插一些多媒体的教学形式，多媒体的应用能够弥补传统教学的不足，比如：把瞬间的过程随意地延长和缩短，把复杂的难以用语言描述的过程用动画或图片的形式分解成详细的直观的步骤表达清楚[5]。相对于经典物理来说，量子力学课程的实验并不多，在讲解康普顿散射、史特恩-盖拉赫等实验时，可以运用多媒体技术，采用图形图像的形式模拟实验的全过程。用合适的教学软件对真实情景再现和模拟，让学生多册观察模拟实验的全过程。量子力学的一些东西不容易用语言表达清楚，在头脑中想象也不是简单的事情，多媒体的应用可以弥补传统教学的这块短板，形象地模拟实验，帮助学生理解和记忆。比如电子衍射的实验，我们不仅可以用语言和书本上的图片描述这个过程，还可以通过多媒体用动画的形式表现出来，让电子通过动画的形式一个一个打到屏幕上，形成一个一个单独的点来显示出电子的粒子性；在快进的形式描述足够长时间之后的情况，也就是得出电子的衍射图样，从而给出电子波动性的结论和波函数的统计解释，经过这样的教学形式，相信学生能够更加深刻地理解微观粒子的波粒二象性[6]。但在具体授课过程中不能完全地依赖于多媒体教学，例如在公式的推导过程中，传统的板书就非常接近人本身的思维模式，容易让学生掌握，如果用多媒体一带而过，往往效果非常的不好。所以教学过程中应该传统教学和多媒体教学并重，对于一些现象的东西多媒体表现更为出色；而一些理论方面的东西传统的板书更为有利，两者相互结合可以大大提高教学效率，增强课堂教学效果和调动学生的学习积极性[7]。

五、加强教学过程的管理

第3篇：量子力学的基本原理范文

【关键词】量子计算；量子计算机；量子算法；量子信息处理

1、引言

在人类刚刚跨入21山_纪的时刻，！日_界科技的重大突破之一就是量子计算机的诞生。德国科学家已在实验室研制成功5个量子位的量子计算机，而美国LosAlamos国家实验室正在进行7个量子位的量子计算机的试验。它预示着人类的信息处理技术将会再一次发生巨大的飞跃，而研究面向量子计算机以量子计算为基础的量子信息处理技术已成为一项十分紧迫的任务。

2、子计算的物理背景

任何计算装置都是一个物理系统。量子计算机足根据物理系统的量子力学性质和规律执行计算任务的装置。量子计算足以量子计算目L为背景的计算。是在量了力。4个公设（postulate）下做出的代数抽象。Feylllilitn认为，量子足一种既不具有经典耗子性，亦不具有经典渡动性的物理客体（例如光子）。亦有人将量子解释为一种量，它反映了一些物理量（如轨道能级）的取值的离散性。其离散值之问的差值（未必为定值）定义为量子。按照量子力学原理，某些粒子存在若干离散的能量分布。称为能级。而某个物理客体（如电子）在另一个客体（姻原子棱）的离散能级之间跃迁（transition。粒子在不同能量级分布中的能级转移过程）时将会吸收或发出另一种物理客体（如光子），该物理客体所携带的能量的值恰好是发生跃迁的两个能级的差值。这使得物理“客体”和物理“量”之问产生了一个相互沟通和转化的桥梁；爱因斯坦的质能转换关系也提示了物质和能量在一定条件下是可以相互转化的因此。量子的这两种定义方式是对市统并可以相互转化的。量子的某些独特的性质为量了计算的优越性提供了基础。

3、量子计算机的特征

量子计算机，首先是能实现量子计算的机器，是以原子量子态为记忆单元、开关电路和信息储存形式，以量子动力学演化为信息传递与加工基础的量子通讯与量子计算，是指组成计算机硬件的各种元件达到原子级尺寸，其体积不到现在同类元件的1%。量子计算机是一物理系统，它能存储和处理关于量子力学变量的信息。量子计算机遵从的基本原理是量子力学原理：量子力学变量的分立特性、态迭加原理和量子相干性。信息的量子就是量子位，一位信息不是0就是1，量子力学变量的分立特性使它们可以记录信息：即能存储、写入、读出信息，信息的一个量子位是一个二能级（或二态）系统，所以一个量子位可用一自旋为1/2的粒子来表示，即粒子的自旋向上表示1，自旋向下表示0；或者用一光子的两个极化方向来表示0和1；或用一原子的基态代表0第一激发态代表1。就是说在量子计算机中，量子信息是存储在单个的自旋’、光子或原子上的。对光子来说，可以利用Kerr非线性作用来转动一光束使之线性极化，以获取写入、读出；对自旋来说，则是把电子（或核）置于磁场中，通过磁共振技术来获取量子信息的读出、写入；而写入和读出一个原子存储的信息位则是用一激光脉冲照射此原子来完成的。量子计算机使用两个量子寄存器，第一个为输入寄存器，第二个为输出寄存器。函数的演化由幺正演化算符通过量子逻辑门的操作来实现。单量子位算符实现一个量子位的翻转。两量子位算符，其中一个是控制位，它确定在什么情况下目标位才发生改变；另一个是目标位，它确定目标位如何改变；翻转或相位移动。还有多位量子逻辑门，种类很多。要说清楚量子计算，首先看经典计算。经典计算机从物理上可以被描述为对输入信号序列按一定算法进行交换的机器，其算法由计算机的内部逻辑电路来实现。经典计算机具有如下特点：

a）其输入态和输出态都是经典信号，用量子力学的语言来描述，也即是：其输入态和输出态都是某一力学量的本征态。如输入二进制序列0110110，用量子记号，即10110110>。所有的输入态均相互正交。对经典计算机不可能输入如下叠加Cl10110110>+C2I1001001>。

b）经典计算机内部的每一步变换都将正交态演化为正交态，而一般的量子变换没有这个性质，因此，经典计算机中的变换（或计算）只对应一类特殊集。

相应于经典计算机的以上两个限制，量子计算机分别作了推广。量子计算机的输入用一个具有有限能级的量子系统来描述，如二能级系统（称为量子比特），量子计算机的变换（即量子计算）包括所有可能的幺正变换。因此量子计算机的特点为：

a）量子计算机的输入态和输出态为一般的叠加态，其相互之间通常不正交；

b）量子计算机中的变换为所有可能的幺正变换。得出输出态之后，量子计算机对输出态进行一定的测量，给出计算结果。由此可见，量子计算对经典计算作了极大的扩充，经典计算是一类特殊的量子计算。量子计算最本质的特征为量子叠加性和相干性。量子计算机对每一个叠加分量实现的变换相当于一种经典计算，所有这些经典计算同时完成，并按一定的概率振幅叠加起来，给出量子计算的输出结果。这种计算称为量子并行计算，量子并行处理大大提高了量子计算机的效率，使得其可以完成经典计算机无法完成的工作，这是量子计算机的优越性之一。

4、量子计算机的应用

量子计算机惊人的运算能使其能够应用于电子、航空、航人、人文、地质、生物、材料等几乎各个学科领域，尤其是信息领域更是迫切需要量子计算机来完成大量数据处理的工作。信息技术与量子计算必然走向结合，形成新兴的量子信息处理技术。目前，在信息技术领域有许多理论上非常有效的信息处理方法和技术，由于运算量庞大，导致实时性差，不能满足实际需要，因此制约了信息技术的发展。量子计算机自然成为继续推动计算速度提高，进而引导各个学科全面进步的有效途径之一。在目前量子计算机还未进入实际应用的情况下，深入地研究量子算法是量子信息处理领域中的主要发展方向，其研究重点有以下三个方面；

（1）深刻领悟现有量子算法的木质，从中提取能够完成特定功能的量子算法模块，用其代替经典算法中的相应部分，以便尽可能地减少现有算法的运算量；

（2）以现有的量子算法为基础，着手研究新型的应用面更广的信息处理量子算法；

（3）利用现有的计算条件，尽量模拟量子计算机的真实运算环境，用来验证和开发新的算法。

5、量子计算机的应用前景

目前经典的计算机可以进行复杂计算，解决很多难题。但依然存在一些难解问题，它们的计算需要耗费大量的时间和资源，以致在宇宙时间内无法完成。量子计算研究的一个重要方向就是致力于这类问题的量子算法研究。量子计算机首先可用于因子分解。因子分解对于经典计算机而言是难解问题，以至于它成为共钥加密算法的理论基础。按照Shor的量子算法，量子计算机能够以多项式时间完成大数质因子的分解。量子计算机还可用于数据库的搜索。1996年，Grover发现了未加整理数据库搜索的Grover迭代量子算法。使用这种算法，在量子计算机上可以实现对未加整理数据库Ⅳ的平方根量级加速搜索，而且用这种加速搜索有可能解决经典上所谓的NP问题。量子计算机另一个重要的应用是计算机视觉，计算机视觉是一种通过二维图像理解三维世界的结构和特性的人工智能。计算机视觉的一个重要领域是图像处理和模式识别。由于图像包含的数据量很大，以致不得不对图像数据进行压缩。这种压缩必然会损失一部分原始信息。

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第4篇：量子力学的基本原理范文

【关键词】中学 化学教学 量子空间论

【中图分类号】G633.8 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2013）10-0154-01

（小叙）：课篇第一章节细读、研读、探透性知识点。

1.寻找研究方法 2.课题的研究内容

3.课题研究的一些成果 4.巩固建筑语录

【序言】

化学是在分子、原子层次上研究物质性质、组成、结构与变化规律的科学。化学不断地发展着，目前，人们发现和合成的物质已有几千万种，其中很多是自然界中原本不存在的；这极大地改善了人类的生存和发展条件，丰富了人们的生活。

例如：

1.纳米铜（1nm=10?9m ）具有超塑延展性，在室温下可拉长50多倍而不出现裂纹。

2.用隔水透气的高分子薄膜做的鸟笼。

3.单晶硅为信息技术和新能源开发提供了基础材料。

4.用玻璃钢制成的船体。

总之，作为实用的、富于创造性的中心学科，化学在能源、材料、医药、信息、环境和生命科学等研究领域以及工农业生产中发挥着其他学科所不能替代的重要潜质作用。近年来，“绿色化学”的提出，使更多的化学生产工艺和产品向着环境友好的方向发展，化学必将使世界变得更加绚丽光彩。

【寻找研究方法】

第一单元 走进化学世界；

1.物质的变化和性质

2.化学是一门以实验为基础的科学

3.走进化学实验室

第二、三单元 我们周围的空气与自然界的水；空气、氧气（氧气的制取）、水的组成、分子和原子、水的净化。“爱护水资源”。

第四、五单元 物质构成的奥妙、简单统计应用；原子的构成、元素、离子、化学式与化合价 ：

如何正确书写化学方程式”？利用化学方程式的简单计算？

第六、七单元 C与C的氧化物燃料及其利用；

分析：金刚石、石墨和C60 （1.CO2 的制取？ 2.CO2 与CO的区别、联系？）

应用：燃烧和灭火？燃料和热量？

环保问题：“燃料对环境的影响”

自留田地：“石油和煤的综合利用？”

第八、九单元 金属与溶液的问题；

熟记、认识：金属、金属材料、金属的化学性质；

金属资源的利用和保护、溶液的形成；

溶解度、溶质的质量分数。

第十、十一、十二单元 酸与碱 、盐与化肥 、“化学与生活”。

生活中常见的：1.酸与碱

2.酸与碱之间会发生什么反应

3.盐

4.化学肥料

人体：1.人类重要的营养物质

2.化学元素与人体健康

3.有机合成材料

学生自认化学常用仪器。学习“附录”相关记录 。

【课题的研究内容】

无机化学中量子（分子、原子）力学论

量子化学（Quantum chemistry）是理论化学的一个分支学科，是应用量子力学的基础原理和方法研究化学问题的一门基础科学。研究范围包括稳定和不稳定分子的结构、性能及其结构与性能之间的关系；分子与分子之间的相互碰撞和相互反应等问题。

量子化学是理论化学的一个分支学科，是应用量子力学的基本原理和方法，研究化学问题的一门基础科学。

1927年海特勒和伦敦用量子力学基础原理讨论氢分子结构问题，说明了两个氢原子能够结合成一个稳定的氢分子的原因，并且利用相当近似的计算方法，算出其结合能。由此，使人们认识到可以用量子力学原理讨论分子结构问题，从而逐渐形成了量子化学这一分支学科。

【课题研究的一些成果】

生物大分子体系的量子化学计算一直是一个具有挑战性的研究领域，尤其是生物大分子体系的理论研究具有重要意义。由于量子化学可以在分子、电子水平上对体系进行精细的理论研究，是其它理论研究方法所难以替代的。因此要深入理解有关酶的催化作用、基因的复制与突变、药物与受体之间的识别与结合过程及作用方式等，都很有必要运用量子化学的方法对这些生物大分子体系进行研究。毫无疑问，这种研究可以帮助人们有目的地调控酶的催化作用，甚至可以有目的地修饰酶的结构，设计并合成人工酶；可以揭示遗传与变异的奥妙，进而调控基因的复制与突变，使之造福于人类；可以根据药物与受体的结合过程和作用特点设计高效低毒的新药等等，可见运用量子化学的手段来研究生命现象是十分有意义的。

【巩固建筑语录】

化学中常见“离子反应”包括：“酸、碱、盐在水溶液中的电离”和“离子反应及其发生的条件”两部分。

无机化学中最关键的是要有实观性：基础高层次的“化学方程式”们。

其次，稀土元素中的各种化学量变、质变及各种物理、化学性反应。

再次，金属的利用、及高等积存用途。

还有，就是气体的大力层存在行式。如同：水、陆、空，人类的生活方式。

参考文献：

[1]初中九年级化学上、下册课本，人民出版社出版，2011年版。

第5篇：量子力学的基本原理范文

1 核磁共振磁矩理论介绍

1.1 磁矩概念介绍

核磁共振理论中一个最重要的名词就是磁矩，它体现了流体原子在静磁场下的核磁能量。由普通物理学得知闭合载流线圈磁矩μ=isn，其中i为电流强度、s为闭合面积、n为与电流方向成右手螺旋法则的单方向矢量[1]。闭合载流线圈的磁矩为一矢量，其长度为is而方向与该载流线圈的方向矢量相同。当在磁感应强度（磁通密度）为b的均匀磁场中，作用在载流线圈上的磁矩mf为磁矩μ与b的矢量积mf=μbsinθ。图1为磁矩示意图。

图1 磁矩示意图

磁矩mf力图使载流线圈磁矩μ的方向与磁场b一致，在磁场b中载流线圈具有的势能为e=-μbcosθ，其中θ是μ和b的夹角。由此可见μ和b方向一致时，系统势能最低，最为稳定；当两者反向时系统势能最高，最不稳定。

1.2 磁矩宏观表现介绍

在实际应用中，人们关注的是大量粒子的宏观行为，即大量微观体系行为的宏观表现。例如核磁测井所关注的是地层中大量氢核的综合效应，而单个氢核的特性只是理解宏观特性的基础。含有磁矩的某种样品，当没有外磁场时，其磁矩取向是随机的。宏观表现为没有磁性。当有外磁场时，将会有更多的磁矩顺着外磁场的方向排列，各个磁矩都绕着磁场方向进动，核自旋的空间取向将与塞曼能级相对应。达到热平衡时，磁矩的取向服从波尔兹曼分布，纵向分量与磁场方向一致的核磁矩数目略大于反方向的磁矩数目，其矢量和不再等于零，呈现一定大小的宏观磁矩，称为磁化矢量。图2为磁矩的宏观表现示意图。

图2 核矩的宏观表现示意图

单位体积的磁化矢量称为磁化强度，通常用m0表示，如

下式：

m0=nμi2/kt×b0=§×b0 （1）

其中§=nμi2/kt称为该样品的磁化率，μi为样品的氢原子核磁矩，n为单位体积样品内的粒子数，k为玻耳兹曼常数，t为样品的热力学温度。

2 核磁共振基本理论分析

2.1 经典物理解释

核磁共振测井主要测量地层中的氢原子信息，可用量子力学做精确描述。但在工程应用中为描述方便，往往采用经典力学或半经典力学方法。为此先说明核磁旋进的概念。图3是一个旋转着的陀螺，当它的旋转轴偏离垂线时，通过重心的重力作用并不能使它倒下，而是使其轴线沿图中圆环所示的轨迹和方向做圆周运动，不断改变自旋轴的方向。这种运动在力学中叫作旋进或进动。如果做自旋运动的带电物体具有磁矩，若磁矩偏离外磁场方向，将绕磁场方向进动[2]。按照经典理论，具有磁矩的原子核，由于自旋运动相当于一个高速旋转着的陀螺。磁矩在外磁场b0中受到一个力矩μ×b0的作用，在此力矩的作用下核磁矩绕b0进动，称为拉莫尔进动，其角频率为（即对应该点氢原子核的拉莫尔频率）ω0=-γb0，其中γ为氢原子的旋磁比系数，即动量矩与磁矩的比值。

当γ>0的核绕b0作左旋圆运动e-iω0t；γ<0的核绕b0作右旋圆运动eiω0t。其磁矩μ的旋转示意图如图3右侧所示。当核磁矩μ以角频率ω0围绕b0进动时，若对原子核系统再加上一个垂直于b0且角频率为ω1的旋转磁场b1，在ω1=ω0的条件下，将能使μ和b0之间的夹角发生变化。磁矩μ在静磁场b0中的能量为e=-μb0cosθ，当θ发生变化时，μ在b0中的能量也发生变化。若θ增加，则是核磁矩从外加交变磁场中吸收能量，这就是核磁共振现象。发生核磁共振的条件是ω1=ω0=γb0，磁性核的进动称之为拉莫尔进动，ω0称之为拉莫尔频率，它与静磁场的磁感应强度b0成正比。

2.2 量子力学解释

原子核从某一能量状态转变到另一能量状态称为原子核在能级之间的跃迁。对于1h核来说，i=1/2，2i+1=2，所以只有两个能级：-1/2i和+1/2i。跃迁就只能在这两个能级之间进行，根据量子力学理论，若将电磁波作用于原子核系统，当电磁波频率所决定的量子的能量hn正好等于原子核两个相邻能级之间的能量差时，原子核就会吸收电磁波，引起核能态在两个相邻能级之间的跃迁，这就是核磁共振现象[3]。在此系统中，低能态的核不断从旋转磁场中吸收能量而转变为高能态的核，原来过剩的低能态的核就逐渐减少，吸收信号的强度就会减弱，最后完全消失，达到饱和。产生核磁共振的条件是：

hν （2）

式中，?=h/2π，h是普朗克常数，ν是电磁波的频率。共振频率ν和g（或γ）及磁感应强度b0成正比，而当指示核素选定后（如1h），旋磁比γ为常数，共振频率只与b0有关。对质子（1h）：

（3）

第6篇：量子力学的基本原理范文

关键词： 微磁学 交换作用 经典交换作用

1.引言

在真实的磁化过程中，交换作用能、磁各向异性能和静磁能中任何一项都不能忽略。如果这些能量项作为微扰加入海森堡哈密顿量中，然后用量子力学的方法求解，那就是最为理想的了。但是，实际上即使不附加其他能量项，也必须做粗略的近似才能求解。所以，微磁学应运而生，它没有顾及量子力学，忽略了物质的原子本性，而采用介质的经典物理方法处理问题，这种经典理论是与M（T）的量子理论（忽略了静磁作用）并行发展起来的，它起源于1935年Landau和Lishitz关于两个反方向磁畴间畴壁结构的论文及1940―1941年W.F.Jr.Brwon的几篇论文。Brwon将此经典理论命名为“微磁学”，此理论忽略了原子理论的微观性质，用宏观的观点讨论问题并认为材料是连续的。因而，采用了经典矢量来代替自旋，并且在“连续介质”的极限下，为了使其能与麦克斯韦方程组一起使用，采用了一项经典的能量项来代替量子力学中的交换作用能。本文主要考虑交换作用能经典的代替项，并通过分析，讨论它的适用性与局限性。

2.何为“交换作用”

在顺磁体中，其原子磁矩只与外磁场相互这样。而在铁磁体中情况却不相同，其原子的自旋之间存在着相互作用，每个自旋都力图使其他自旋沿着它的方向取向，自旋间的相互作用来源于自旋的量子力学性质，交换作用没有经典的对应物，是量子力学中电子波函数的重叠引起的。这些自旋之间存在着一种力，这种力试图使所有的自旋平行排列，这就是所谓的交换作用，可以用自旋和自旋之间的交换作用能表示，交换作用能正比于•

ε=-′J

其中，求和符号旁边的分号表示求和时排除i=j，因为能与自旋发生作用，除此之外，此式遍及材料中所有的原子自旋。系数J称为交换积分。系数的正负是这样定义的，如果J为正，则自旋平行取向，如果J为负，则自旋反平行取向，分别意味着铁磁性耦合与反铁磁耦合。

对于交换积分J，目前尚不能根据基本原理计算出，只能假设给出哈密顿量，而J作为一个参量，其数值由理论与某些实验（通常是居里温度）值的比较来确定。

3.“经典”的交换作用

“交换作用”是一种非常“短程”的作用力，它只能在邻，也可能在次近邻自旋之间产生作用，而对较远的自旋没有作用，将自旋算符近似地用经典矢量表示，则交换作用能有〈1〉式给出，如果只能是最邻近自旋之间的J不等于零，则：

ε=-′J•=-JScosφ

其中，φ为自旋和之间的夹角。

可以预期，相邻自旋之间的夹角“总”是很小的，因为交换作用是极短程的作用力，不允许产生大的夹角。当φ很小时。可以假设每个平面上有几个自旋，这些平面相互平行，此时则有：

ε=JSφ

在计算中将所有自旋相互平行的状态作为参考状态，减去参考状态的能量即得到上述表示式。这意味着重新定义了交换作用能的零点。但是，不必担心，只要互相一致，重新定义是合理的。

如图1所示，设为平行于局域自旋方程的单位矢量，在小角度的场合，|φ|≈|-|。需指出，这一定义也意味着平行于磁化强度矢量的局部方向。不仅定义在格点上，而且是一个连续变量，其泰勒级数展开的一级近似为：

|-|=|（•）|

其中，是从格点i到格点j的位置矢径

将〈4〉式代入〈3〉式，则得：

ε=JS•［（•）］

上式中的第二个求和遍及格点i到所有邻近的位置矢径，例如对晶格常数为a的简单立方晶格，需要六个位置矢径S=a（±1，±1，±）求和。对于三种立方晶格很容易求和，计算表明三种立方晶格的表达式相同，只是系数因子不同。

将对i的求和变换为对整个铁磁体求积分，则立方晶体交换作用能的表达式为：

ε=?蘩wd?，w=1/2C［（m）+（m）+（m）］

其中C=c

上式中，a为晶胞棱边的长度，c为常数，其数值对于简单立方，体心立方，面心立方分别为1，2和4。

4.交换作用与“经典”的交换作用

前面已经提到，交换作用没有经典的对应物，是量子力学中电子波函数的重叠引起的。实际的交换能量论即〈1〉式来源于库仑作用，因为它应用了反映pauli不相容原理的行列式。根据pauli不相容原理，两个相同自旋的电子不能处于同一个位置，因此，它们的重叠就比经典电子的重叠小（详情参见文献1），因为交换能量项的主要特征是其积分中包含了对自旋波函数的求和，因自旋波函数是彼此正交的，如果自旋不平行取向，则积分为零。所以，这一项能量实际上表征了两个自旋爬行取向，以及反爬行取向的两个姿态的能量“岔值”，其作用在于力图使自旋彼此平行取向（或者反平行取向，这取决于交换积分的正负）。

但是，在“经典”的交换作用中，恰恰忽略了交换作用最为重要的一点，即电子的自旋波函数，而是以经典的矢量来代替自旋。而这一变化，促使了经典的能量论代替了量子力学的交换作用能，这一变化，使得交换能量的计算显得更加简捷方便，也便于解决目前考虑到量子力学性质时难以解决的问题，比如，对三种立方晶格即（简单立方，体心立方，面心立方）交换作用能的积分，以及对两个反方向磁畴间畴壁结构的求解问题等。

可是，既然经典交换作用已经忽略了物质的原子本性，不以经典矢量来代替自旋。那么，我们在利用经典交换作用解决问题时，就必须忽略它带来的局限性和一些限制。

5.经典交换作用的应用和限制

在上一节中已经提到，经典交换能量式为：

ε=JS•［（•）］

其对三种立方晶格交换作用能的表达式为：

ε=?蘩wd?，w=1/2C［（m）+（m）+（m）］

其中C=c

a为晶胞棱边的长度，c为常数，而对六角密堆晶体，譬如能对Si的体积同样给出〈6〉式，只是系数C不同，其值为：

C=

其中a为最邻近原子间的距离。

对于低对称性的晶体，〈6〉式需做某种修改。不多对于大多数有实际意义的情况，可以认为这一表达式仍然是交换作用的很好近似，比如连续介质的假设是物理真实的很好近似一样。将常数C看作是材料的一个物理参数，其数值可以通过理论计算结果及测量数据的拟合而求得。当然，如果已知交换积分J，那么从理论表达式〈7〉和〈8〉也可求出常数C。

不过，J与温度有关。靠近居里温度T的J值不再适用于微磁学计算，因为微磁学往往适用于室温附近。通常用铁磁共振实验可以较准确地测出交换常数C，对于铁和镍，其数量级C≈2×10erg/cm。

对于解决晶体中磁化强度矢量的方向随空间位置变化的问题〈6〉式给出的交换作用能量是非常有用的工具。假设磁化强度矢量的数值在晶体内处处相同，且等于M（T），再均匀磁化，即晶体各点的磁化强度矢量均平行取向时，磁化强度的微商为零。交换作用能随磁化强度矢量的空间变化率的增大而增加，正如所预期的，交换作用能力图避免磁化强度矢量随位置的急剧变化。

但是，交换作用能的使用是有其限制的，我们绝不能在超出其有效的近似范围去应用它。它主要有以下限制。

5.1与材料是连续的基本假设有关

如果所涉及的任何特征长度都远大于晶胞的尺寸，则材料是连续的，这个假设是合理的。但是，事先并不能完全保证这一点，不过，必须牢记，如果某个微磁学计算中涉及以长度为量纲的参数，只有在这些参数的数值远大于晶格常数是结果才是可信的。

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5.2温度不能太高

将格点上的自旋变为连续变量时，的数值在整个晶体内便自动的变为一个常数。同时实验证实，磁畴中的数值是材料常数M（T），只与温度有关，格点上具有固定自旋的图像对于实际材料并不是一种很好的近似（参见文献1）。下式给出的实验事实

||=M（T）

只有在较大的体积中求平均时才正确，而当涨落足以使从一点到另一点有差别时，在每个点上（9）式就不满足了。因为缺乏更好的模型，微磁学理论仍假设〈6〉式到处成立。因此，这个理论不能应用于居里点附近，因为居里点附近很小的“局部”场都会改变的数值。

同时对此理论来做必要的修改前，不能应用于高温。如果假设尚不清楚，不过已有一些推行此理论的尝试，其中取得重大步骤的是Minnaja（参见文献2），他证明在存在热涨落的情况下，应该用下列交换作用能密度的表达式代替〈6〉式。

w=［（m）+（m）+（m）］

其中，M为矢量的数值，是位置的函数。但是，这一理论仍存在问题，没有用确定值的另一关系式代替（9）式，因而这部分工作尚未完成。另外在“成核问题”（Nucleation）的研究中（9）式是可以忽略的。

5.3这些近似只适用于相邻自旋间“小夹角的情况”

不过，由于交换作用力是极短程的作用力，一般地讲：相邻自旋间的夹角预期是很小的。但是，这一普遍的规则并不排除一些非寻常情况下的例外，譬如在材料拐角处，由于其他能量项的制约磁化强度必须翻转方向，如果以为〈6〉式是严格正确的，那么，形式上自旋夹角的不连续跃变会使交换作用能变为无穷大。因此，不能认为〈6〉式是严格成立的，因为它毕竟是〈2〉式的近似表达式。而自旋跃变时，〈2〉式并不趋于无穷大。〈3〉式总是有限的，而取近似的结果导致无穷大。这意味着这种近似方法不适用此特殊情况，应该采用别的方法进行研究。

6．结语

虽然经典的交换作用的使用存在诸多限制，在应对一些特殊情况时，问题也的确存在。但不可否认的是，对于大多数的问题，目前来说，别无选择，只能采用〈6〉式。对于特殊的问题，我们就需采用一些特殊的技术。因而，在没有找到更好的办法之前，经典的交换作用不失为一种很好的方法。

参考文献：

［1］A.Aharoni.铁磁学性理论导论［M］.兰州：兰州大学出版社.

［2］Minnaja.N（1970）.Micromagaetics at high temperature.phy.s.Rev.B.1，1151-9.

［3］钟文定.铁磁学（中）［M］.北京：科学出版社，1998.

第7篇：量子力学的基本原理范文

量子纠缠态的性质刻画特别是它的大小测量是一个有意义的课题。研究表明量子纠缠态的大小一般可以由纯态的冯诺伊曼熵来衡量，对于一个两量子比特系统，冯诺伊曼熵大的态可以通过局域量子操作及经典通讯变换为另一个冯诺伊曼熵小的态。但是对高维系统，却经常存在两个量子纠缠态并不能互相转化的情况，甚至存在更复杂比如所谓纠缠催化的情况：即在纠缠态转换过程中有辅助的纠缠态起到类似化学催化剂的现象。在刻画这些纠缠态性质方面，大家最近发现冯诺伊曼熵的推广即任伊熵是一个好的量子纠缠大小的测度，可以准确的刻画纠缠转化行为。同时随着量子信息科学的发展，人们也希望能利用量子信息科学里的一些技术和方法来研究比如凝聚态系统的一些量子行为，例如对量子相变的刻画。反过来也希望凝聚态物理对物质量子相的性质研究能对量子信息处理和量子计算是否可以在这些系统实现给出提示。

最近，中科院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）理论室范桁研究员、博士生崔健与新加坡国立大学等合作在不同量子相的不同量子计算能力方面的研究取得重要进展（Nature Commun.3，812（2012））。他们通过对模型基态任伊熵的偏导正负性的判断，发现其行为可以准确区分凝聚态模型的不同量子相，而且不同的量子相确实在量子计算的能力方面是不同的。

量子计算的实现在方法上大致可以被分为两种，量子逻辑门方法和绝热量子计算方法。研究表明这两种方法在计算能力和计算复杂度方面是等价的。他们选取了一种可以用绝热量子计算实现的量子算法，通过对一维横场伊辛模型和XY模型基态纠缠任伊熵的分析发现，在绝热量子计算的实现过程中，在一些量子相里，绝热量子计算需要整体相干操作，而在另一些量子相里，绝热量子计算可以通过较简单的局域操作辅助以经典通讯。而对比如量子搜索的研究表明，局域操作在所谓的量子加速方面并不起作用。从而表明不同的量子相具有不同的量子计算能力。

凝聚态模型基态的任伊熵研究对量子相变的刻画及在量子计算中的作用是一个新的方法，不同量子相有不同的量子计算能力这个结论对具体物理系统的选取有指导意义。相关工作发表在近期Nature Commun.上（Nature Commun.3.812（2012））。

第8篇：量子力学的基本原理范文

一、数学科学是人类社会发展的精神产物

人类是动物进化的产物，最初也完全没有数量的概念．但人类发达的大脑对客观世界的认识已经达到更加理性和抽象的地步．这样，在漫长的生活实践中，由于记事和分配生活用品等方面的需要，才逐渐产生了数的概念．比如捕获了一头野兽，就用1块石子代表；捕获了3头，就放3块石子．“结绳记事”也是地球上许多相隔很近的古代人类共同做过的事．我国古书《易经》中有"结绳而治"的记载．传说古代波斯王打仗时也常用绳子打结来计算天数．用利器在树皮上或兽皮上刻痕，或用小棍摆在地上计数也都是古人常用的办法．这些办法用得多了，就逐渐形成数的概念和记数的符号．

数的概念最初不论在哪个地区都是1、2、3、4…这样的自然数开始的．随着人们活动范围的增广，认识自然利用自然能力的提高，数学在不断的向纵深和多元化发展 ，现在一些数学知识很难在现实生活中找到它的原型．

二、数学科学是人类社会发展的力量

人们认识领域扩大，对物质生活追求的提高，需要不断的认识自然，探索大自然的奥秘来为人类服务，就对各门科学的发展提出了新的发展的要求．其他科学的发展离不开数学的支撑．华罗庚说：“宇宙之大，粒子之微，火箭之速，化工之巧，地球之迷，日用之繁，无处不用数学．”爱因斯坦正是深受数学家黎曼的著作之影响而建立了广义相对论；量子力学的创始人海森堡采用了数学中的矩阵来描述物理量，从而建立了量子力学．1917年数学家拉顿在积分几何研究中引入了一种数学变换（拉顿变换），几十年后柯尔马克和洪斯菲尔德巧妙地运用拉顿变换，设计出X射线断层扫描仪——CT，为医学诊断技术作出了巨大贡献．1991年的海湾战争前，美国曾顾虑伊拉克会点燃科威特的油井而引起全球性污染，一家公司利用流体力学的基本原理及热传导方程建立了数学模型，用计算机仿真，得出否定结果，对美军发动海湾战争起了相当大的作用．在经济和管理过程中，数学技术在其中每一个环节都扮演了重要角色．任何一个产品，从原材料检验、下料、分类、运输、供应，到产品毛坯的准备、加工、物流、贮存、检测、装配、包装，到销售、服务、市场开发，直到市场信息反馈、成本核算、产品改进设计等等，数学中的最优化决策论原理促进了产品设计、生产与开发的科学化

三、数学科学可以提高劳动者的素质，促进生产力的飞跃

人类文明的进步还体现在民族素质的提高．生产力的决定因素是人，人类素质的提高促进生产力的进一步发展，一个民族的强弱在很大程度上取决于全体公民数学素质的高低．

第9篇：量子力学的基本原理范文

二十世纪即将结，二十一世纪即将来临，二十世纪是光辉灿烂的一个世纪，是个类社会发展最迅速的一个世纪，是科学技术发展最迅速的一个世纪，也是物理学发展最迅速的一个世纪。在这一百年中发生了物理学革命，建立了相对信纸和量子力学，完成了从经典物理学到现代物理学的转变。在二十世纪二、三十年代以后，现代物理学在深度和广度上有了进一步的蓬勃发展，产生了一系列的新学科的交叉学科、边缘学科，人类对物质世界的规律有了更深刻的认识，物理学理论达到了一个新高度，现代物理学达到了成熟的阶段。

在此世纪之交的时候，人们自然想展望一下二十一世纪物理学的发展前景，探索今后物理学发展的方向。我想谈一谈我对这个问题的一些看法和观点。首先，我们来回顾一下上一个世纪之交物理学发展的情况，把当前的情况与一百年前的情况作比较对于探索二十一世纪物理学发展的方向是很有帮助的。

一、历史的回顾

十九世纪末二十世纪初，经典物物学的各个分支学科均发展到了完善、成熟的阶段，随着热力学和统计力学的建立以及麦克斯韦电磁场理论的建立，经典物理学达到了它的顶峰，当时人们以系统的形式描绘出一幅物理世界的清晰、完整的图画，几乎能完美地解释所有已经观察到的物理现象。由于经典物理学的巨大成就，当时不少物理学家产生了这样一种思想：认为物理学的大厦已经建成，物理学的发展基本上已经完成，人们对物理世界的解释已经达到了终点。物理学的一些基本的、原则的问题都已经解决，剩下来的只是进一步精确化的问题，即在一些细节上作一些补充和修正，使已知公式中的各个常数测得更精确一些。

然而，在十九世纪末二十世纪初，正当物理学家在庆贺物理学大厦落成之际，科学实验却发现了许多经典物理学无法解释的事实。首先是世纪之交物理学的三大发现：电子、X射线和放射性现象的发现。其次是经典物理学的万里晴空中出现了两朵“乌云”：“以太漂移”的“零结果”和黑体辐射的“紫外灾难”。[1]这些实验结果与经典物理学的基本概念及基本理论有尖锐的矛盾，经典物理学的传统观念受到巨大的冲击，经典物理发生了“严重的危机”。由此引起了物理学的一场伟大的革命。爱因斯坦创立了相对论；海林堡、薛定谔等一群科学家创立了量子力学。现代物理学诞生了！

把物理学发展的现状与上一个世纪之交的情况作比较，可以看到两者之间有相似之外，也有不同之处。

在相对论和量子力学建立起来以后，现代物理学经过七十多年的发展，已经达到了成熟的阶段。人类对物质世界规律的认识达到了空前的高度，用现有的理论几乎能够很好地解释现在已知的一切物理现象。可以说，现代物理学的大厦已经建成。在这一点上，目前有情况与上一个世纪之交的情况很相似。因此，有少数物理学家认为今后物理学不会有革命性的进展了，物理学的根本性的问题、原则问题都已经解决了，今后能做到的只是在现有理论的基础上在深度和广度两方面发展现代物理学，对现有的理论作一些补充和修正。然而，由于有了一百年前的历史经验，多数物理学家并不赞成这种观点，他们相信物理学迟早会有突破性的发展。另一方面，虽然在微观世界和宇宙学领域中有一些物理现象是现代物理学的理论不能很好地解释的，但是这些矛盾并不是严重到了非要彻底改造现有理认纱可的程度。在这方面，目前的情况与上一个世纪之交的情况不同。在上一个世纪之交，经典物理学发生了“严重的危机”；而在本世纪之交，现代物理学并无“危机”。因此，我认为目前发生现代物理学革命的条件似乎尚不成熟。

虽然在微观世界和宇宙学领域中有一些物理现象是现代物理学的理论不能很好地解释的，但是这些矛盾并不是严重到了非要彻底改造现有理认纱可的程度。在这方面，目前的情况与上一个世纪之交的情况不同。在上一个世纪之交，经典物理学发生了“严重的危机”；而在本世纪之交，现代物理学并无“危机”。因此，我认为目前发生现代物理学革命的条件似乎尚不成熟。客观物质世界是分层次的。一般说来，每个层次中的体系都由大量的小体系（属于下一个层次）构成。从一定意义上说，宏观与微观是相对的，宏观体系由大量的微观系统构成。物质世界从微观到宏观分成很多层次。物理学研究的目的包括：探索各层次的运动规律和探索各层次间的联系。

回顾二十世纪物理学的发展，是在三个方向上前进的。在二十一世纪，物理学也将在这三个方向上继续向前发展。

1）在微观方向上深入下去。在这个方向上，我们已经了解了原子核的结构，发现了大量的基本粒子及其运规律，建立了核物理学和粒子物理学，认识到强子是由夸克构成的。今后可能会有新的进展。但如果要探索更深层次的现象，必须有更强大得多的加速器，而这是非常艰巨的任务，所以我认为近期内在这个方向上难以有突破性的进展。

2）在宏观方向上拓展开去。1948年美国的伽莫夫提出“大爆炸”理论，当时并未引起重视。1965年美国的彭齐亚斯和威尔逊观测到宇宙背景辐射，再加上其他的观测结果，为“大爆炸”理论提供了有力的证据，从此“大爆炸”理论得到广泛的支持，1981年日本的佐藤胜彦和美国的古斯同时提出暴胀理论。八十年代以后，英国的霍金[2,3]等人开始论述宇宙的创生，认为宇宙从“无”诞生，今后在这个方向上将会继续有所发展。从根本上来说，现代宇宙学的继续发展有赖于向广漠的宇宙更遥远处观测的新结果，这需要人类制造出比哈勃望远镜性能更优越得多的、各个波段的太空天文望远镜，这是很艰巨的任务。

我个人对于近年来提出的宇宙创生学说是不太信的，并且认为“大爆炸”理论只是对宇宙的一个近似的描述。因为现在的宇宙学研究的只是我们能观测到的范围以内的“宇宙”，而我相信宇宙是无限的，在我们这个“宇宙”以外还有无数个“宇宙”，这些宇宙不是互不相干、各自孤立的，而是互相有影响、有作用的。现代宇宙学只研究我们这个“宇宙”，当然只能得到近似的结果，把他们的延伸到“宇宙”创生了初及遥远的未来，则失误更大。

3）深入探索各层次间的联系。

这正是统计物理学研究的主要内容。二十世纪在这方面取得了巨大的成就，先是非平衡态统计物理学有了得大的发展，然后建立了“耗散结构”理论、协同论和突变论，接着混沌论和分形论相继发展起来了。近年来把这些分支学科都纳入非线性科学的范畴。相信在二十一世纪非线性科学的发展有广阔的前景。

上述的物理学的发展依然现代物理学现有的基本理论的框架内。在下个世纪，物理学的基本理论应该怎样发展呢？有一些物理学家在追求“超统一理论”。在这方面，起初是爱因斯坦、海森堡等天才科学家努力探索“统一场论”；直到1967、1968年，美国的温伯格和巴基斯坦的萨拉姆提出统一电磁力和弱力的“电弱理论”；目前有一些物理学家正在探索加上强力的“大统一理论”以及再加上引力把四种力都统一起来的“超统一理论”，他们的探索能否成功尚未定论。

爱因斯坦当初探索“统一场论”是基于他的“物理世界统一性”的思想[4]，但是他努力探索了三十年，最终没有成功。我对此有不同的观点，根据辩证唯物主义的基本原理，我认为“物质世界是既统一，又多样化的”。且莫论追求“超统一理论”能否成功，即便此理论完成了，它也不是物理学发展的终点。因为“在绝对的总的宇宙发展过程中，各个具体过程的发展都是相对的，因而在绝对真理的长河中，人们对于在各个一定发展阶段上的具体过程的认识只具有相对的真理性。无数相对的真理之总和，就是绝对的真理。”“人们在实践中对于真理的认识也就永远没有完结。”[5]

现代物理学的革命将怎样发生呢？我认为可能有两个方面值得考试：

1）客观世界可能不是只有四种力。第五、第六……种力究竟何在呢？现在我们不知道。我的直觉是：将来最早发现的第五种力可能存在于生命现象中。物质构成了生命体之后，其运动和变化实在太奥妙了，我们没有认识的问题实在太多了，我们今天对于生命科学的认识犹如亚里斯多德时代的人们对于物理学的认识，因此在这方面取得突破性的进展是很可能的。我认为，物理学业与生命科学的交叉点是二十一世纪物理学发展的方向之一，与此有关的最关于复杂性研究的非线性科学的发展。

2）现代物理学理论也只是相对真理，而不是绝对真理。应该通过审思现代物理学理论基础的不完善性来探寻现代物理学革命的突破口，在下一节中将介绍我的观点。

三、现代物理学的理论基础是完美的吗？

相对论和量子力学是现代物理学的两大支柱，这两大支柱的理论基础是否十全十美的

呢？我们来审思一下这个问题。

1）对相对论的审思

当年爱因斯坦就是从关于光速和关于时间要领的思考开始，创立了狭义相对论[1]。我们今天探寻现代物理学革命的突破口，也应该从重新审思时空的概念入手。爱因劳动保护坦创立狭义相对论是从讲座惯性系中不同地点的两个“事件”的同时性开始的[4]，他规定用光信号校正不同地点的两个时钟来定义“同时”，这样就很自然地导出了洛仑兹变换，进一步导致一个四维时空（x，y，z，ict）（c是光速）。为什么爱因劳动保护担提出用光信号来校正时钟，而不用别的信号呢？在他的论文中没有说明这个问题，其实这是有深刻含意的。

时间、空间是物质运动的表现形式，不能脱离物理质运动谈论时间、空间，在定义时空时应该说明是关于什么运动的时空。现代物理学认为超距作用是不存在的，A处发生的“事件”影响B处的“事件”必须通过一定的场传递过去，传递需要一定的时间，时间、空间的定义与这个传递速度是密切相关的。如果这种场是电磁场，则电磁相互作用传递的速度就是光速。因此，爱因斯坦定义的时空实际上是关于由电磁相互作用引起的物质运动的时空，适用于描述这种运动。

爱因斯坦把他定义的时间应用于所有的物质运动，实际上就暗含了这样的假设：引力相互作用的传递速度也是光速c.但是引力相互作用是否也是以光速传递的呢？令引力相互作用的传递速度为c＇。至今为止，并无实验事实证明c＇等于c。爱因斯坦因他的“物质世界统一性”的世界观而在实际上假定了c=c＇。我持有“物质世界既统一，又多样化的”以观点，再加之电磁力和引力的强度在数量级上相差太多，因此我相相信c＇可能不等于c。工样，关于由电磁力引起的物质运动的四维时空（x，y，z，ict）和关于由引力引起的运动的时空（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）是不同的。如果研究的问题只涉及一种相互作用，则按照现在的理论建立起来的运动方程的形式不变。例如，爱因斯坦引力场方程的形式不变，只需把常数c改为c＇。如果研究的问题涉及两种相互作用，则需要建立新的理论。不过，首要的事情是由实验事实来判断c＇和c是否相等；如果不相等，需要导出c＇的数值。

我在二十多年前开始形成上述观点，当时测量引力波是众所瞩目的一个热点，我曾对那些实验寄予厚望，希望能从实验结果推算出c＇是否等于c。令人遗憾的是，经过长斯的努力引引力波实验没有获得肯定的结果，随后这项工作冷下去了。根据爱国斯坦理论预言的引力波是微弱的，如果在现代实验技术能够达到的测量灵敏度和准确度之下，这样弱的引力波应该能够探测到的话，长期的实验得不到肯定的结果似乎暗示了害因斯坦理论的缺点。应该从c＇可能不等于c这个角度来考虑问题，如果c＇和c有较大的差异，则可能导出引力波的强度比根据爱因劳动保护坦理论预言的强度弱得多的结果。

弱力、强力与引力、电磁力有本质的不同，前两者是短程力，后两者是长程力。不同的相互作用是通过传递不同的媒介粒子而实现的。引力相互作用的传递者是引力子；电磁相互作用的传递者是光子；弱相互作用的传递者是规范粒子（光子除外）；强相互作用的传递者是介子。引力子和光子的静质量为零，按照爱因斯坦的理论，引力相互作用和电磁相互作用的传递速度都是光速。并且与传递粒子的静质量和能量有关，因而其传递速度是多种多样的。

在研究由弱或强相互作用引起的物质运动时，定义惯性系中不同的地点的两个“事件”的“同时”，是否应该用弱力或强力信号取代光信号呢？我对核物理学和粒子物理学是外行，不想贸然回答这个问题。如果应该用弱力或强力信号取代光信号，那么关于由弱力或强力引起的物质运动的时空和关于由电磁力引起的运动的时空（x，y，z，ict）及关于由引力引起的运动的时空（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）

有很大的不同。设弱或强相互作用的传递速度为c＇＇，c＇＇不是常数，而是可变的，则关于由弱或强力引起的运动的时空为（x＇＇，y＇＇，z＇＇，Ic＇＇t＇＇），时间t＇＇和空间（x＇＇，y＇＇，z＇＇）将是c＇的函数。然而，很可能应该这样来考虑问题：关于由弱力引起的运动的时空，在定义中应该以规范粒子的静质量取作零时的速度c1取代光速c。由于“电弱理论”把弱力和电磁力统一起来了，因此有可能c1=c，则关于由弱力引起的运动的时空和关于由电磁力引起的运动的时空是相同的，同为（x，y，z，ict）。关于由强力引起的运动的时空，在定义中应该以介子的静质量取作零（在理论上取作零，在实际上没有静质量为零的介子）时的速度c＇＇取代光速c，c＇＇可能不等于c。则关于由强力引起的运动的时空（x＇＇，y＇＇，z＇＇，Ic＇＇t＇＇）不同于（x，y，z，ict）或（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）。无论上述两种考虑中哪一种是对的，整个物质世界的时空将是高于四维的多维时空。对于由短程力（或只是强力）引起的物质运动，如果时空有了新的一义，就需要建立新的理论，也就是说需要建立新的量子场论、新的核物理学和新的粒子物理学等。如果研究的问题既清及长程力，又涉及短程力（尤其是强力），则更需要建立新的理论。

1）对量子力学的审思

从量子力学发展到量子场论的时候，遇到了“发散困难”[6]。1946——1949年间，日本的朝永振一郎、美国的费曼和施温格提出“重整化”方法，克服了“发散困难”。但是“重整化”理论仍然存在着逻辑上的缺陷，并没有彻底克服这一困难。“发散困难”的一个基本原因是粒子的“固有”能量（静止能量）与运动能量、相互作用能量合在一起计算[6]，这与德布罗意波在υ=0时的异性。

现在我陷入一个两难的处境：如果采用传统的德布罗意关系，就只得接受不合理的德布罗意波奇异性；如果采纳修正的德布罗意关系，就必须面对使新的理论满足相对论协变性的难题。是否有解决问题的其他途径呢？我认为这个问题或许还与时间、空间的定义有关。现在的量子力学理论中时宽人的定义实质上依然是决定论的定义，而不确定原理是微观世界的一条基本规律，所以时间、空间都不是严格确定的，决定论的时空要领不再适用。在时间或空间的间隔非常小的时候，描写事情顺序的“前”、“后”概念将失去意义。此外，在重新定义时空时还应考虑相关的物质运动的类别。模糊数学已经发展得相当成熟了，把这个数学工具用到微观世界时空的定义中去可能是很值得一试的。

1）在二十一世纪物理学将在三个方向上继续向前发展（1）在微观方向上深入下去；（2）在宏观方向上拓展开去；（3）深入探索各层次间的联系，进一步发展非线性科学。

2）可能应该从两方面去控寻现代物理学革命的突破口。（1）发现客观世界中已知的四种力以外的其他力；（2）通过审思相对论和量子力学的理论基础，重新定义时间、空间，建立新的理论