量子力学中的基本假设精选(九篇)

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第1篇：量子力学中的基本假设范文

【关键词】量子力学；教学方法；物理思想

“量子力学”是20世纪物理学对人类科学研究两大标志性贡献之一，已经成为理工科专业最重要的基础课程之一，学生熟练掌握量子力学的基本概念和基本理论，具备利用量子力学理论分析问题和解决问题的能力。对提高学生科学素，养培养学生的探索精神和创新意识及亦具有十分重要的意义。但是，量子力学理论与学生长期以来接触到的经典物理体系相去甚远，尤其是处理问题的思路和手段与经典物理截然不同，但它们之间又不无关联，许多量子力学中的基本概念和基本理论是类比经典物理中的相关内容得出的。思维上的冲突导致学生在学习这门课程时困惑不堪。此外，这门课程理论性较强，众多学生陷于烦琐的数学推导之中，导致学习兴趣缺失。针对这些教学中的问题，如何激发学生学习本课程的热情，充分调动学生的积极性和主动性，已经成为摆在教师面前的重要课题。对“量子力学”课程的教学内容应作一些合理的调整。

1 合理安排教学内容

1.1 理清脉络，强化知识背景

从经典物理所面临的困难出发，到半经典半量子理论的形成，最终到量子理论的建立，对量子力学的发展脉络进行细致的、实事求是的分析，特别是对量子理论早期的概念发展有一个准确清晰的理解，弄清楚到底哪些概念和原理是已经证明为正确并得到公认的，还存在哪些不完善的地方。这样一方面可使学生对量子力学中基本概念和基本理论的形成和建立的科学历史背景有一深刻了解，有助于学生理清经典物理与量子理论之间的界限和区别，加深他们对这些基本概念和基本理论的理解；另一方面，可使学生对蕴藏在这一历程中的智慧火花和科学思维方法有一全面的了解，有助于培养学生的创新意识及科学素养。比如：对于玻尔理论，由于对量子化假设很难用已经成形的经典理论来解释，学生往往会觉得不可思议，难以理解。为此，在讲解这部分内容时，很有必要介绍一下玻尔理论产生的历史背景，告诉学生在玻尔的量子化假设之前就已经出现了普朗克的量子论和爱因斯坦的光量子概念，且大量关于原子光谱的实验数据也已经被掌握，之前卢瑟福提出的简单行星模型却与经典物理理论及实验事实存在严重背离。为了解决这些问题，玻尔理论才应运而生。在用量子力学求解氢原子定态波函数时，还可以通过定态波函数的概率分布图，向学生介绍所谓的玻尔轨道并不是真实存在的，只是电子出现几率比较大的区域。通过这样讲述，学生可以清晰地体会到玻尔理论的承上启下的作用，而又不至于将其与量子力学中的概念混为一谈。

1.2 重在物理思想，压缩数学推导

在物理学研究中，数学只是用来表述物理思想并在此基础上进行逻辑演算的工具，教师不能将深刻的物理思想淹没在复杂的数学形式之中。因此，在教学过程中，教师要着重于加强基本概念和基本理论的讲授，把握这些概念和理论中所蕴含的物理实质。对一些涉及繁难数学推导的内容，在教学中刻意忽略具体数学推导过程，着重于使学生掌握其中的思想方法。例如：在一维线性谐振子问题的教学中，对于数学方面的问题，只要求学生能正确写出薛定谔方程、记住其结论即可，重点放在该类问题所蕴含的物理意义及对现成结论的应用上。这样，学生就不会感到枯燥无味，而能始终保持较高的学习热情。

2 改进教学方法

“量子力学”这门课程本身实验基础薄弱、理论性较强，物理图像不够直观，一味采取传统的灌输式教学，学生势必感到枯燥，甚至厌烦。学习效果自然大打折扣。为了提高学生学习兴趣，激发其学习的积极性，培养其科学探索精神及创新能力，在教学方法上应进行积极的探索。

2.1 发挥学生主体作用

在必要的教学内容讲解外，每节课都留出一定的师生互动时间。教师通过创设问题情景，引导学生进行研究讨论，或者针对已讲授内容，使学生对已学内容进行复习、总结、辨析，以加深理解；或者针对未讲授内容，激发学生学习新知识的兴趣（比如，在讲授完一维无限深方势阱和一维线性谐振子这

两个典型的束缚态问题后就可引导学生思考“非束缚态下微观粒子又将表现出什么样的行为”），这样学生就会积极地预习下节内容；或者选择一些有代表性的习题，让学生提出不同的解决办法，培养学生的创新能力。对于在课堂上不能解决的问题，积极鼓励学生利用图书馆及网络资源等寻求解决，培养学生的科学探索精神。此外，还可使学生自由组合，挑选他们感兴趣的与课程有关的题目进行讨论、调研并完成小组论文，这一方面激发学生的自主学习积极性，另一方面使其接受初步的科研训练，一举两得。

2.2 注重构建物理图像

在实际教学中着重注意物理图像的构建，使学生对一些难以理解的概念和理论形成较为直观的印象，从而形成深刻的记忆和理解。例如：借助电子束衍射实验，通过三个不同的实验过程（强电子束、弱电子束及弱电子束长时间曝光），即可为实物粒子的波粒二象性构建出一幅清晰的物理图像；借助电子束衍射实验图像，再以光波类比电子波，即可凝练出波函数的统计解释；借助电子双缝衍射实验图像，可使学生更易接受和理解态叠加原理；借助解析几何中的坐标系，可很好地为学生建立起表象的物理图像。尽管这其中光波和电子波、坐标系和表象这些概念之间有本质上的区别，但借助这些学生已经熟知和深刻理解的概念，可使学生非常容易地接受和理解量子力学中难以言明的概念和理论，同时，也可使学生掌握这种物理图像的构建能力，对培养学生的创新思维具有非常积极地作用。

3 教学手段和考核方式改革

3.1 课程教学采用多种先进的教学方式

如安排小组讨论课，对难于理解的概念和规律进行讨论。先是各小组内讨论，再是小组间辩论，最后老师对各小组讨论和辩论的观点进行评述和指正。例如，在讲到微观粒子的波函数时，有的学生会认为是全部粒子组成波函数，有的学生会认为是经典物理学的波。这些问题的讨论激发了学生的求知欲望，从而进一步激发了学生对一些不易理解的概念和量子原理进行深入理解，直至最后充分理解这些内容。另外课程作业布置小论文，邀请国内外专家开展系列量子力学讲座等都是不错的方式。

3.2 坚持研究型教学方式

把课程教学和科研相结合，在教学过程中针对教学内容，吸取科研中的研究成果，通过结合最新的科研动态，向学生讲授在相关领域的应用以培养学生学习兴趣。在量子力学诞生后，作为现代物理学的两大支柱之一的现代物理学的每一个分支及相关的边缘学科都离不开量子力学这个基础，量子理论与其他学科的交叉越来越多。例如：基本粒子、原子核、原子、分子、凝聚态物理到中子星、黑洞各个层次的研究以量子力学为基础；量子力学在通信和纳米技术中的应用；量子理论在生物学中的应用；量子力学与正在研究的量子计算机的关系等，在教学中适当地穿插这些知识，扩大学生的知识面，消除学生对量子力学的片面认识，提高学生学习兴趣和主动性。

量子力学从诞生到发展的物理学史所包含的创新思维是迄今为止哪一门学科都难以比拟的。在20世纪初，经典物理学晴空万里，然而黑体辐射、光电效应、原子光谱等物理现象的实验结果严重冲击经典物理学理论，让经典物理学陷入危机四伏的境地。量子力学的诞生，开启了人类科学发展的新思维。开展好量子力学的教学活动，在教学过程中展现量子力学数学形式之美，使学生在科学海洋中得到美的享受，有利于极大的提高学生的科学素养，从精神上熏陶他们的创新精神。

【参考文献】

[1]周世勋.量子力学教程[m].高教出版社，1979.

第2篇：量子力学中的基本假设范文

关键词：经典理论 量子力学 联系

中图分类号：O413.1 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）08（a）-0143-02

量子力学于20世纪早期建立以来，经过飞速的发展，逐渐成为现代物理学科中不可分割的一部分。量子力学是现代量子理论的核心，它的发展不仅关乎人类的物质文明，还使人们对量子世界的认识有了革命性的进展[1]。

但是，量子力学并不是一个完备的理论，其体系中还存在许多问题，特别是微观与宏观，即经典理论与量子力学的联系。为解决这些迷惑，历史上相关科学家提出了很多实验与理论。该文旨在以量子力学发展史上提出的几个实验为例，对其进行简单分析，以展示经典理论与量子力学的联系。

1 问题的提出

1935年3月，爱因斯坦等人在EPR论文中提出了“量子纠缠态”的概念，所谓的“量子纠缠态”是以两个及以上粒子为对象的。在某种意义上，“量子纠缠态”可以理解为是把迭加态应用于两个及以上的粒子。若存在两个处于“量子纠缠态”的粒子，那这两个粒子一定是相互关联的，用量子力学的知识去理解，只要人们不去探测，那么每个粒子的状态都不能够确定。但是，假如同时使这两个粒子保持某一时刻的状态不变，也就是说，使两个粒子的迭加态在一瞬间坍缩，粒子1这时会保持一个状态不再发生变化，根据守恒定律，粒子2将会处于一个与粒子1状态相对应的状态。如果二者相距非常遥远，又不存在超距作用的话，是不可能在一瞬间实现两个粒子的相互通信的。但超距作用与当今很多理论是相悖的，于是，这里就形成了佯谬，即“EPR佯谬”。

同年，薛定谔提出了一个实验，后人称之为“薛定谔的猫”。设想把一只猫关在盒子里，盒中有一个不受猫直接干扰的装置，这套装置是由其中的原子衰变进行触发，若原子衰变，装置会被触发，猫会立即死去。于是，量子力学中的原子核衰变间接决定了经典理论中猫的生死。由量子力学可知，原子核应该处于一种迭加态，这种迭加态是由“衰变”和“不衰变”两个状态形成的，那么猫应该也是处在一种迭加态，这种迭加态应该是由“死”与“生”两个状态形成的，猫的生死不再是一个客观存在，而是依赖于观察者的观测。显然，这与常理是相悖的[2]。

这两个佯谬的根源是相同的，都是经典理论与量子理论之间的关系。

2 近代研究进展

2.1 验证量子纠缠的存在

华裔物理学家Yanhua Shih[3]曾做过一个被称为“幽灵成像”的实验，其实验过程及现象大致可以描述为：假设存在一个纠缠光源，这个光源可以发出两种互为纠缠的光子，通过偏振器使两种光子相互分离，令第一束光子通过一个狭缝，第二束不处理，然后观察两束光的投影，结果发现第二束光的投影形状与第一束光通过的狭缝形状完全相同。

人们发现，如果仅仅使用经典理论，实验现象是无法解释的，必须应用量子理论，才能解释“幽灵成像”的现象。这个实验也恰好验证了“量子纠缠”现象的存在。

2.2 量子世界中的欧姆定律

欧姆定律是由德国物理学家Ohm于19世纪早期提出来的，它是一种基于观察材料的电学传输性质得到的经验定律，其内容是：在同一电路中，导体中的电流跟导体两端所加的电压成正比，跟导体自身电阻成反比，即 （U指导体两端电压；R指导体电阻；I指通过导体的电流）。

18世纪二、三十年代，人们认为经典方法在宏观领域是正确的，但是在微观领域将会被打破。Landauer公式给出了纳米线电阻的计算方法，即（h为普朗克常量；e为电子电量；N为横波模式数量）；而在宏观中，（为材料的密度；l为样品的长度；s为样品的横截面积）。由此发现，在宏观领域，样品的电阻是随着样品的长度增加而增加的，而在微观领域，样品的电阻与样品的长度没有关系。

Weber[4]等人制备了原子尺度的纳米线并进行观察，实验发现，在微观领域，欧姆定律也是满足的。Ferry[5]认为样品的电阻是由多种机理所导致的，而他最后得到的结果正是由于多种机理的相互叠加。经过分析，他认为欧姆定律何时开始生效取决于纳米线中电子耗散的力度，力度越大说明开始生效时的尺度越小。但这也同时引发了另一个问题的思考：低温条件下，欧姆定律是仍然成立的，也就是说经典理论仍然成立，但往往是希望在低温下研究比较纯粹的量子效应。低温条件下欧姆定律的成立要求在进行实验研究时，必须花费更多的精力来使得经典理论与量子理论分离开。

2.3 生活中的量子力学――光合作用与量子力学

Scholes等[6]从两种不同的海藻中提取出了一种名为捕光色素复合体的化学物质，并在其正常的生活条件下，通过二维电子光谱术对其作用机理进行了分析研究。他们首先使用了飞秒激光脉冲模拟太阳光来激发这些蛋白，发现了会长时间存在的量子状态。也就是说，这些蛋白吸收的光能能够在同一时刻存在于不同地点，而这实际上是一种量子迭加态。由此可见，量子力学与光合作用是有很大联系的。

3 结语

从近几年来量子力学的基本问题和相关的实验研究可以看出，虽然经典理论与量子理论的联系仍然是一个悬而未决的问题，但是当代科学家已经能够通过各种精妙的实验逐步解决历史遗留的一个个谜团，使得微观领域的单个量子的测量与控制成为可能，并且积极研究宏观现象的微观本质，将生活与量子力学逐渐的联系起来。对于“经典理论与量子力学的联系”这一专题还需要进行不断研究，使量子力学得到进一步完善与发展。

参考文献

[1] 孙昌璞.量子力学若干基本问题研究的新进展[J].物理，2001，30（5）：310-316.

[2] 孙昌璞.经典与量子边界上的“薛定谔猫”[J].科学，2001（3）：2，7-11.

[3] Shih Y. The Physics of Ghost Imaging[J].2008.

[4] Weber B， Mahapatra S， Ryu H， et al. Ohm's law survives to the atomic scale[J].Science，2012，335（6064）：64-67.

第3篇：量子力学中的基本假设范文

经典物理的产生一般认为从文艺复兴时期开始，前期经过许多科学家，特别是伽利略、笛卡尔、惠更斯等先贤的努力，建立起力学的实验基础。牛顿总结前人的成果，确立了经典力学的基本理论体系，麦克斯韦、玻尔兹曼等确立了经典统计力学和电磁场理论。经典物理经过几百年的不断发展和完善，形成了自然科学中唯一有完整的理论、思想、数学推理和研究方法体系的学科。牛顿力学和麦克斯韦电动力学号称经典物理的两大支柱，牛顿和麦克斯韦在物理学界的位置，可以相比于中医学的先圣张仲景。

现代物理从20世纪初始兴起，由爱因斯坦、玻尔为代表的众多科学家的杰出工作，创立了相对论和量子力学，开创了物理学的新局面。以相对论和量子力学标志的、研究微观、高速物理现象的新的理论和方法体系，统称现代物理学。现代物理学在原子、分子、固体、原子核、天体力学和宇宙学、等离子体、激光技术、基本粒子、半导体、超导的研究中得到了广泛的应用。

有人称相对论和量子力学的创立是“物理学上的一次革命”。更多的局外人则认为现代物理是一种全新的理论，完全推翻和取代了经典物理学，经典物理已经完成了自己的历史使命，现代社会已经不再需要她。这其实是一种误解。如果我们从历史和现实的的角度重新审视事实，就会发现，经典物理没有被抛弃，她不仅是现代物理产生的温床、理论与方法的启示、研究的工具，更是现代社会的顶梁柱，仍在现今众多高科技领域中发挥着不可替代的作用。下面，我从以下三个方面讨论现代物理与经典物理的关系，从而说明重视经典是物理发展的需要，是现代科学、社会发展的需要。

1 现代是经典恰当的扩展

爱因斯坦在创立狭义相对论时，提出了两个基本假定：相对性原理和光速不变原理[1]。首先我们注意到，爱因斯坦的相对性原理与伽利略相对性原理惊人地相似，比较一下就可以看到：

伽利略相对本文由收集整理性原理（由伽利略等人经过反复多次的实验检验而提出）：一个相对于惯性参照系做匀速直线运动的系统，其内部所发生的一切力学过程，都不受系统运动的影响，或一切惯性系统都是等价的。

爱因斯坦假定，不仅力学过程，所有的物理过程都不受系统运动的影响，即：

物理学的基本规律在相互作匀速运动的一切参照系中都是相同的；或：一切惯性系统都是等价的。

从中我们不仅看出，爱因斯坦对伽利略的相对原理有着非常深刻的、超出常人的理解，已经达到了熟能生巧的地步，自然会有如此随手拈来、为我所用的“上工”境界；也看出创造经典的先贤们的超前意识和睿智之魅力所在。

再看光速不变原理，只要对经典电磁理论稍有了解的人都会发现，麦克斯韦的电磁理论完全可以给出明确的关于光速不变的预言。这是因为，只要从著名的麦克斯韦方程组出发，利用简单的数学推演，可以毫不困难地导出电磁场波动方程，不仅预言了电磁波的存在，还给出了电磁波在真空中的传播速度。用c表示电磁波在真空中的速度，c的大小是：

c=■≈3.0×10■米秒

其中μ■为真空磁导率，ε■为真空介电常数，由于μ■和ε■数值的大小固定，与参照系的选择无关，换句话说，与系统的运动状态无关，这正是光速（光属于电磁波）不变原理。

爱因斯坦在创立狭义相对论时，对当时著名的、能够证明光速不变的迈克耳孙光干涉实验并不知晓，他能参考的资料只有经典电动力学，麦克斯韦方程组和电磁场波动方程表达的深刻内涵才是他提出光速不变假设的根据。

2 现代是对经典的包容而非否定

无论是相对论和量子力学，都无法否定经典物理，也没有否定经典的企图。相反，所有的新理论都试图找到和经典的联系，如果找不到应有的联系，这样的新理论有可能破产。所以，相对论和量子力学实际都包含了经典。这与所有的后世中医大家，在发表自己的新见解时，都要证明自己的观点与《内经》、《伤寒论》有内在联系如出一辙。

相对性原理最著名的数学表示即洛仑兹变换，具体表述如下：设两个相对有匀速运动，速度为v参照系统，它们沿v方向各自建立的直角的坐标系分别为x，y，z，t和x’，y’，x’，z’，t’，若初始时，两坐标原点重合，两坐标系由以下变换公式[1]联系：

x′=■ y′=y z′=z t′=■

式中 c 是前面提到的光速，具体数值为30万公里每秒。我们通常能见到的物体运动速度，如汽车、火车、飞机，能达到1公里每秒的速度并不多见，宇宙飞船的速度，也最多达到10几公里每秒，即使将来提高100倍，与光速相比仍显得微不足道。而上式表明，当系统的相对速度v远远达不到光速的时候，（日常中大量事实正是如此）上面的公式就变成伽利略变换：

x′=x-vt y′=y z′=z t′=t

说明洛仑兹变换与经典的伽利略变换并没有矛盾，前者包含了后者，后者用更加广泛。

再看量子力学，量子力学的基本原理是测不准关系[2]。其典型的表述是：粒子的位置和动量不能同时确定。它们在某一方向上不确定量的乘积大于或等于h/2。即

δx？誗δpx≥■， h=6.62×10-32焦耳秒

可以看出，h是一个很小的量，小到什么程度呢？小数点后面有34个0！是6的百亿亿亿亿分之一。一般气体分子够小

转贴于

的了，如氧气分子质量为10-23的数量级，常温下速度大约为102的数量级，则动量为10-21的数量级，和h相比大了10万亿倍，完全可以不考虑测不准关系的影响。所以，当我们研究的对象系统中物理量的数量级远远大于普朗克常数时，不确定度数值相对来讲，必然微不足道，量子力学很自然地回归到经典力学。也可以说，测不准关系包容了经典力学，后者应用更为广泛。

3 现代对经典的接收和继承

现代物理不是空中楼阁，它是采用经典的材料和艺术，一砖一瓦构建的绝美珍品。在现代物理学中，经典的概念、定义、研究方法无处不在，发挥着主导的、关键的作用。在相对论力学中，我们可以看到力、加速度和动量以及它们的矢量形式，能量、拉格朗日量、哈密顿量等在经典中熟知的力学量。这些力学量全部统一到了满足洛仑兹协变的四维形式中去。至于经典电磁理论中所有规律，由于自然地满足相对性协变，几乎很少更改地进入相对论，成为相对论的重要的组成部分。

在量子力学中，同样采用了经典力学的所有量，只是为了描述测不准关系、描述系统的状态需要，力学量在不同的表象中可以有不同的形式，可以是标量、矢量、张量算符。如在坐标表象中，动量具有梯度矢量的算符形式，哈密顿量则包含了拉普拉斯算符。量子力学的创立者之一海森堡更是心有灵犀，他把测不准关系表示成为力学量的对易关系[2]：

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这很容易想到经典力学中的泊松括号

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第4篇：量子力学中的基本假设范文

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申明:本网站内容仅用于学术交流，如有侵犯您的权益，请及时告知我们，本站将立即删除有关内容。 许多研究者认为，只有当物理学不仅能够解释空间和时间的表现，还能解释其起源时，它才算是完整的。

“想象一下，有一天你醒来后，突然意识到自己生活在一个电脑游戏中—”加拿大物理学家马克·范拉姆斯东克说。这听起来像是科幻电影，但对他来说，这个场景是思考现实的一种方式。如果这是真实的，“我们周围的所有东西—整个三维物理世界，就是别处一个二维芯片的编码信息所产生的幻觉。”也就是说，我们的宇宙及其三维空间，只是低维度基质所投射出的全息图（hologram）。即使从理论物理学的一般标准来看，这种“全息原理”也是很奇特的。

不过有一小部分研究人员认为这还不够奇特，范拉姆斯东克就是其中之一。他们认为，如果现代物理的两大支柱，广义相对论（把引力描述为空间和时间的弯曲）以及统领原子世界的量子力学，都不能解释空间和时间的存在，其他现有理论就更不可能了。

范拉姆斯东克和同事确信，只有解释出空间和时间的起源，物理学才是完整的。而这样的构想将需要大胆的设想，例如“全息图”概念。只有对现实进行激烈的概念重建，才能够解释，当黑洞中心无限致密的“奇点”将时空结构扭曲得超越了我们所有认知时，到底发生了什么；这也是研究者统一原子尺度的量子理论与星际尺度的广义相对论的唯一途径。已经有几论物理学家在为这个大统一理论而奋斗。“所有的经验告诉我们，不应该存在两个关于现实的截然不同的基本观念—必然存在一个可以包罗万象的宏大理论，”美国物理学家阿布依·阿希提卡如是说。找寻这样的宏大理论是一个艰巨的挑战。

本文介绍了一些有前景的研究理论以及一些用于检验这些理论的新观点。 热力学引力

有哪些证据显示，存在比空间和时间更基本的东西？

20世纪70年代初，当量子力学和引力与热力学之间的联系越来越清晰时，一系列惊人的发现给出了一个令人兴奋的线索。

1974年英国剑桥大学的斯蒂芬·霍金证明，黑洞周围空间的量子效应使得黑洞向外释放热辐射。其他物理学家很快验证了这种现象的普遍性。

1995 年，美国物理学家特德·雅各布森把这两个发现合并为一，假设空间中的每一点都处在一个微小的“黑洞视界面上”，每一点都满足“熵—面积”的关系。在这样的假设下，他发现只需利用热力学中的概念，通过数学方法就可以得到广义相对论的爱因斯坦方程，而不需要时空弯曲的观点。

2010年，这个观点又被荷兰弦理论学家埃里克·韦尔兰德推进了一步。他证明了无论时空的组分是什么，它们的统计热力学都能自动地生成牛顿万有引力定律。印度宇宙学家他努·帕德马纳班也发现，爱因斯坦方程可以写成一种与热力学定律一致的形式，引力的许多其他理论也可以做这样的改写。帕德马纳班正在尝试用热力学的方法来解释暗能量的起源和大小。 因果集

加拿大物理学家拉斐尔·索尔金是因果集理论的先驱，这个理论假设时空的基石只是简单的数学点，通过一条条链连接起来，每条链都从过去指向未来。每一条这样的链都是因果关系的简要表示，意味着较早的点会影响较晚的点，但反之不成立。这样形成的网络就像一棵不断长大的树，逐渐长成了时空。“你可以想象空间从许多点中产生，与温度从许多原子中出现是类似的。”索尔金说，“问‘一个原子的温度是什么？’这个问题是没有意义的，只有对于一大堆原子，温度的概念才有意义。”

上世纪80年代末，索尔金利用这个理论框架来估算可观测的宇宙所包含的点的数目，他还推测出，这些点应该都会产生一种微弱的内在能量，最终导致了宇宙的加速膨胀。几年后，暗能量的发现证实了他的推测。“人们通常认为量子引力的预言是无法检验的，但这就是一个可检验的例子。”英国量子引力学家乔·亨森说，“如果暗能量的值更大或者为零，因果集理论就被排除了。” 全息

范拉姆斯东克根据全息原理，提出了一个完全不同的关于时空起源的观点。黑洞以类似全息图的方式将全部熵储存在表面，受此现象启发，美国弦理论学家胡安·马尔达塞纳，首先给出了黑洞全息原理的准确数学表达式。这一极有影响力的全息宇宙模型发表于1998年。在这个模型中，宇宙的三维内部包含着仅由引力控制的弦和黑洞，而宇宙的二维边界包含的粒子和基本场，则满足没有引力的普通量子定律。三维空间中，假想居民看不到二维边界，因为它是无限远的。但这并不影响数学推导：在三维宇宙中发生的任何事情，都可以等价地用二维边界中的方程很好地描述出来，反之亦然。

2010年，范拉姆斯东克研究了边界中的量子粒子相互“纠缠”（这意味着测量一个粒子会不可避免地影响到另一个）的情形。范拉姆斯东克总结说，三维宇宙实际上是被边界上的量子纠缠扯到一起的。在某种程度上，这意味着量子纠缠和时空是同样的东西。或者就像马尔达塞纳指出的那样，“这说明量子是最基础的，时空是由其衍生出来的。”

更多内容，详见《科学美国人》中文版《环球科学》2013年12月号 新知科技改变生活

【上月球种菜】人类未来能否在月球上生活？科学家打算先尝试在月球上种菜。按照计划，NASA将在2015年，通过一艘商业太空船，向月球运输一些植物种子以及适合这些植物生长5至10天的材料。植物的生长过程将被全程记录并传送回地球，以对比植物在地球与月球上的生长差异。

—中国青年报

【捕获幽灵粒子】 “冰立方” 研究项目的科学家在《科学》发文称，位于南极冰层一英里下的“冰立方”巨型中微子探测器，已发现28个来自太阳系外的高能中微子。中微子是一种中性粒子，可不受干扰地笔直划过宇宙，通过反向查找这些粒子的源头，科学家将可以得到各种宇宙事件的第一手资料。

—环球科学杂志社

第5篇：量子力学中的基本假设范文

关键词：电动力学；知识结构；逻辑体系；研究方法

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）33-0167-02

本文根据我校的教学实际并结合电动力学的教学特点，分别介绍了学生学习和教师教学过程中应明确的电动力学的地位、知识结构和逻辑体系以及研究方法，希望能为电动力学的学习与教学提供有益的帮助。

一、明确电动力学的地位

电动力学主要阐述宏观电磁场理论，其研究对象是电磁场的基本属性、它的运动规律以及它和带电物质之间的相互作用，可见它与自然界中的四种基本相互作用（引力相互作用、电磁相互作用、弱相互作用、强相互作用）之一有直接联系。由于光的理论本质是电磁理论，所以电动力学还是光学理论的基础。电动力学作为物理学专业一门理论基础课，是理论物理（理论力学、热力学统计物理、电动力学、量子力学）的重要组成部分，包括物理学发展史上具有里程碑意义的两个物理理论，即麦克斯韦电磁理论和爱因斯坦狭义相对论。本课程最重要、最直接的先行课程是电磁学和数学物理方法，后继课程是量子力学、固体物理等。因此，电动力学要在电磁学的基础上，利用数学工具严格、定量地讲清宏观电磁相互作用的基本概念、基本理论和基本方法，使学生加深对电磁场性质和时空概念的理解，获得本课程领域内分析和处理一些基本问题的初步能力。同时为后继相关课程打下必要的基础。

以上将经典电磁场理论放在整个物理学中做了概括的论述，目的是为了使学生对它的地位和意义有一个恰当的认识，避免过份强调本学科的作用，造成“只见树木，不见森林”的错觉。

二、明确电动力学的知识结构和逻辑体系

在课程内容体系和结构的组成与安排上，一般采用两种方法：“从特殊到一般”的分析归纳法和“从一般到特殊”的演绎法，这两种方法是同样重要的。但是，多年来电动力学的教学大大忽视了分析归纳法，实际上这不符合物理学发展的规律。从认识论的角度来看，分析归纳法所指的“从特殊到一般”就是由实践到理论的过程，即将丰富的实践经验进行深入的分析，由表及里，去伪存真，总结概括出带有规律性的东西而上升为理论。演绎法所指的“从一般到特殊”就是由理论再到实践的过程，即理论要经过实践检验，并且经过实践检验而被证明是正确的理论再指导实践。由此可见，分析归纳法与演绎法的结合正是在某一个认识层次上实践―理论―实践的全过程，同时体现了理论与实践的紧密结合。因此，在电动力学课程内容体系和结构的安排上，可力求从实验事实出发，提出问题，分析问题，总结出规律和假设，再经实验验证升华为科学理论，在更为普遍的意义上解决实际问题。这样，使分析归纳法和演绎法有机地结合起来，更好地贯穿理论联系实际的重要原则。具体来说，对于麦克斯韦理论的讲述，是从静电场、静磁场和时变场的实验定律出发，分析在时变场情形下所出现的深刻矛盾，为解决矛盾提出位移电流这一科学假设，并总结出麦克斯韦方程组和洛伦兹力公式。之后的大量实验验证了它是在随时间变化的普遍情形下完全正确的电磁场理论。然后以此理论为基础，讨论在特殊情形和不同方面电磁场的性质和运动规律，如电磁波的传播，电磁波的辐射、散射和衍射，运动带电粒子的辐射等。对于狭义相对论的阐述，也同样注重理论原理与实验基础之间的紧密结合。

在国内外，有些电动力学书的逻辑体系与上述不同。其中一类是以归纳法和演绎法并重，先详细讨论静态场与似稳场，然后用归纳法得出麦克斯韦方程组，以后就用演绎法讨论电磁波的辐射、传播等问题；第二类是以静电场为起点，应用狭义相对论对库仑力进行洛伦兹变换，从中引出磁场的概念，导出磁场的场方程，继续推出麦克斯韦方程组，然后讨论辐射、传播等问题，基本逻辑体系仍属于演绎法范畴；此外，还有采用“逐步公理法”的逻辑体系，它以矢量场的亥姆霍兹定理为核心，对每种具体电磁场，根据实验规律对该场的源和“涡源”提出假设（即公理），然后对每种场做深入的研究，这也是一种以演绎法为主的逻辑体系；还有人采用分析力学方法，引入电磁场的拉格朗日函数，导出电磁场的基本规律等。

三、注意学习电动力学的研究方法

第6篇：量子力学中的基本假设范文

【关键词】思想实验科学素养

利用科学发展史知识对于培养学生的科学素养具有重要的意义，如何利用科学史中的有关思想实验史料来培养学生的科学素养是个值得研究的问题，对于思想实验，有些老师往往只重视了思想实验的知识功能，对于其丰富的思想内涵则较少进行挖掘，特别是它对于培养学生科学素养的意义。本文试图对此进行探讨。

1什么是思想实验

根据中国大百科全书可知，思想实验 （thought experiment）是一种按照实验程序设计的并在思维中进行的特殊论证方法。它既不同于真实实验，也有别于形式逻辑的推理。是按照假想的实验手段和步骤，进行思维推理，得出合乎逻辑的结果。在物理学发展的历史过程中伽利略、爱因斯坦等许多科学大师都曾经借助思想实验延伸其理论的触角。

从科学思想实验发展的历史，我们可以看到思想实验主要特点。

1.1 可操作性。思想实验不是实际进行的实验，但是它是按照实验的格式展开的，是可操作的。

1.2 严密的逻辑性。思想实验的操作过程，既是想象自由展开的过程，又是逻辑运动的过程。在这中间，逻辑起着主导作用，它引导、控制着想象，保证想象既是丰富的．又不是胡思乱想。

1.3 高度的创造性。科学家做思想实验的目的，是为了揭示事物内部的规律性。因此其探索是前无先例的，带有高度的创造性。

2什么是科学素养

科学素养（scientific literacy）概念的形成与发展经历了长期的演进过程，并且随着科学技术的发展和变革，概念的含义也将不断变化。本文采用以下观点。科学素养的基本要素包括以下几个方面。

一是科学知识与技能，是人们在科学实践中获得的关于客观世界的各种事物的本质及规律性的认识程度和实际操作本领。

二是科学方法与能力，是人们在认识和改造客观世界的实践中总结出来的，并能在实践中正确运用的思维和行为方式，以及把握事物本质的策略与熟练程度。

三是科学行为与习惯。科学习惯是长期积累和科学行为的定型。

四是科学精神、态度与价值观。科学精神是指人所具有的科学的意识、思维活动和一般心理状态，其中以推动并指引一个人采取决定和行动的科学的原则、信念和标准组成的科学价值观为核心。科学态度则指个体在科学价值观的支配下，对某一对象所持的评论和行为倾向。

我国在制定中学"科学"标准时，认为科学素养还应该涉及科学、技术与社会的关系方面。这些都是科学素养所包含的重要内容。

3利用思想实验培养学生的科学素养的途径

思想实验可以对所研究的过程设想出真实实验暂时不可能或原则上不可能达到的实验条件，进行逻辑论证。在这个过程中，不仅包含有丰富的科学知识与技能，体现了物理学研究事物的方式与方法，而且也蕴含着人类认识事物，研究事物时所伴随的丰富的科学精神和人文精神。这些对于提高学生的科学素养都是具有重要意义的，都是值得挖掘与充分利用的。

3.1 挖掘科学史中思想实验提高学生科学素养

伽利略是第一位思想实验大师，他重视实验对理论的检验作用，但由于外部环境的恶劣、实验条件的简陋以及哲学思想的影响，因此思想实验是一个常用的方法，并依此获得许多重要的发现与结论。

重力作用下的落体运动在伽利略的力学中占据着中心位置，他在关于落体运动的讨论中仍然运用了他早先提出的"落体佯谬"，对亚里士多德的落体定律提出诘难，然后逐步显示出他的研究的全部丰富内容，在这个思想实验中，他已把早先所说的密度相同而大小不同的物体改变成重量不同的物体。对话是这样进行的：

"如果让两块石头（其中之一的重量十倍于另一块的重量）同时从比如说100腕尺高处落下，那么这两块石头下落的速率便会不同，那较重的石块落到地面时，另一块石头只不过下落了10腕尺。"

"如果我们取天然速率不同的两个物体，显而易见，如果把那两个物体连接在一起，速率较大的那个物体将会因受到速率较小物体的影响其速率要减慢一些，而速率较小的物体将因受到速率较大的物体的影响其速率要快一些。……但是，如果这是对的话，并假定一块大石头以8的速率运动，而一块较小的石块以4的速率运动，那么把二者连在一起，这两块石头将以小于8的速率运动；但两块连在一起的石头当然比先前以8的速率运动的更重。可见，较重的物体反而比较轻的物体运动的慢，而这个效应同你的设想是相反的。"

这个佯谬不仅揭示了亚里士多德理论的破绽和逻辑混乱，同时也表明了，运用这种思想实验的推理法，比起永远可能被人挑剔的真实实验，有时会更有说服力的一个包含着错误的理论。

在这个过程中，不仅说明了重力作用下的落体运动规律，而且体现了物理学研究问题的方法，如认真观察现象，提出要研究的问题，并对问题提出猜想与假设，然后进行论证。更蕴含了丰富的科学精神与科学态度，对于前人的观点不是盲目的接受，而是具有怀疑精神，敢于提出问题，实事求是地面对科学并勇于坚持。这些都是科学素养的范畴，因此，从物理学的重大发现中吸取营养，对提高学生的科学素养是大有裨益的。

3.2利用物理学方法中的思想实验提高学生科学素养

如果所设想的条件是完全理想化的，如绝对真空、绝对光滑等，在这种条件下所进行的论证称为理想实验法，它是思想实验的一种重要形式。

这一部分在中学的物理教学中涉及的知识很多。如牛顿运动定律等。真正代表近代科学方法论精神的伽利略与牛顿。伽利略最先倡导并实践了实验加数学的方法，但是他所谓的实验并不是培根意义上的观察实验，而是理想化实验。地球上的任何力学实验都不能避免摩擦力的影响，但是认识基本的力学规律，又要从观念上排除这种摩擦力，这就需要全新的概念体系来支撑将做得实验，包括设计、实施和解释实验结果，只有这种理想化的实验才可能与数学处理相配套。伽利略的研究程序可以分为三个阶段：直观分解、数学演绎、实验证明。牛顿在吸收前人经验的基础上做了进一步完善，牛顿的方法可以称之为"归纳-演绎"法，并且认为演绎的结果必须重新诉诸实验确证。牛顿运动定律就是这些过程的直接结果。

牛顿运动定律不仅内容上说明了自然界的重要定律，他的研究方法、研究思想同样也具有重要的价值。它是以观察和实验中了解到的资料作为出发点，把自然现象合理简化并建立起恰当的物理模型；运用思想实验，即在绝对简化理想条件下，运用思维中的逻辑演绎推理导出某种科学结论，再去接受科学实践的检验的过程。

从这个研究的过程本身我们可以发现其中不仅包括科学知识，而且还涉及一种比较完善的物理学的研究方法，这对后人进行进一步的研究具有重要的借鉴意义。发现过程本身也暗含了牛顿对于科学的浓厚兴趣和科学探究的整个过程。这些都是培养科学素养的重要素材，应该给予充分利用。

3.3利用现代物理学研究中的思想实验部分提高学生科学素养

新课程强调科学与社会，技术的联系，必须看到，现代科技已经逐渐渗透到了我们生活的方方面面，因此需要学生对于现代物理学有些初步的认识。如中学物理课本加入了关于爱因斯坦的相对论和一些量子力学的简单介绍。但是现代物理学的研究，无论在微观还是宏观上越来越多地进入了不能完全直接靠实验证实或证伪的领域。相对论和量子力学是现代物理学的两大支柱，其中都包含有丰富思想实验的部分。

1961年诺贝尔物理学奖获得者美国物理学家霍夫斯塔斯曾说过："我相信任何一个喜欢自然的人都应该学习量子力学，并不是他的数学而是他的思想"。进入21世纪，无论是中学生或者是全体公民都应该不同程度的知道一点什么是量子力学，量子力学的基本概念，基本思想，量子力学有什么作用，已经起到了什么作用，这些都是很必要的。

使学生能了解科学与技术的区别与联系，初步认识科学推动技术进步、技术又促进科学发展的相互关系，初步认识社会需求是科学技术发展的强大动力等科学、技术与社会的关系。同时能使学生增长见识，激起学生的好奇心，培养科学精神。这也是培养学生科学素养的一个重要方面。

4进行思想实验教学时的注意事项

4．1 处理好思想实验与真实实验的关系

思想实验是一种理性的思维活动。但不是脱离实际的主观臆想，而是以实践为基础．按照实验的格式操作展开，对实际过程做出更深入一层的抽象分析，其推理过程是以一定的逻辑法则为根据的。而这些逻辑法则，都是从长期的社会实践中总结出来且为实践所证实了的。

思想实验和真实实验又是紧密联系和互补的。科学中的理论、规律是从大量实验事实中总结概括出来的，科学中的假设、争论也有赖于真实实验的验证。

有时两者往往密不可分地穿插在一起，真实实验为思想实验提供经验材料，思想实验对经验材料进行理性加工，并为真实实验提供理论指导。从伽利略发现落体定律和惯性定律的活动中，可以明显地看到这一点。

4．2不能忽略物理学史中被证实为错误的思想实验

在科学研究中，通过再多的科学实验都不能完全证实一个理论，这是归纳法的本质所决定的，但是一个否定例证就足以证伪一个理论。在物理学的思想实验中，有的已被否定，但不能因此就贬低它的作用，那些被证伪的思想实验往往是一个新理论产生的重要基石，如伽利略在给出著名的"落体佯谬"的最初说法时，他所说的是同样材料而不同大小的物体，并非指所有的物体，其前提是错误的，结论也是有局限性的，但是他的过程本身是非常有意义的，为他后来得出普遍的结论提供了重要的基础。这些过程都是需要进一步挖掘的，这样才能让学生明白科学研究的真实过程，对于培养学生的科学素养是具有丰富的教育意义的。

4．3 思想实验是一种相对独立的科学方法

在科学研究中，思想实验能够成为一种不替代的科学方法，是由于思想实验以其科学思维的严密性、精确性补充了真实实验的不足。比如，验证广义相对论的某些实验条件，或者某些条件在任何时代都不能被满足，比如，验证牛顿第一定律所需要的无摩擦力的平面。但是，这些条件在逻辑上是可以实现的，这样，人们可以避开实际的技术困难。在思维中把这些条件制作出来，或者对现在条件进行理想化抽象，在想象中实现这些条件。进而在头脑中展开类似于真实实验的"仿真"过程，推断被研究事物的内部规律。

必须看到，思想实验中包含有丰富的思想内涵，有利于进行积极的科学文化教育，而且思想实验作为一种科学方法将在更广阔的领域中应用。

参考文献

［1］ 顾志跃．科学教育概论［M］ 北京：科学出版社，1999．2．

［2］杨仲耆 申先甲．物理学思想史［M］长沙：湖南教育出版社，1993

［3］潘传增等．简明物理学史教程［M］济南：山东科学技术出版杜,1999．

［4］李艳平、申先甲．物理学史教程［M］北京：科学出版社，2003

［5］查有梁等．物理教学论［M］广西：广西教育出版社，1997

第7篇：量子力学中的基本假设范文

【关键词】波动性；粒子性；波粒二象性；螺旋波

一直以来，人们普遍认为波粒二象性是一种微观系统中的物理现象，不可能出现在宏观系统中。然而，最近人们通过对螺旋波的研究发现，螺旋波也具有波粒二象性（1），这表明在宏观系统中也存在波粒二象性。然而文献[1]没有给出直观的螺旋波的波粒二象性，本文通过设计外部扰动，给出了直观的直观的螺旋波的波粒二象性图象。螺旋波普遍存在于自然界中，近年来的心脏实验研究表明，心动过速及心颤致死与螺旋波的自组织及螺旋波破裂有密切的关系。掌握螺旋波的波粒二象性，有利于对螺旋波进行有效控制。总之，正确认识微观和宏观系统中的波粒二象性，不仅有助于认识客观世界，也能够利用波粒二象性造福人类。

1900年德国物理学家普朗克提出一个与经典物理概念不同的新假设：空腔壁中电子的振动可视为就在一维简谐振子，它吸收或发射电磁辐射能量时，不是过去经典物理所认为的那样可以连续地吸收或发射能量，而是以与振子的频率成正比的能量子（hν）为基本单元，一份一份地吸收或发射能量，即能量E=nh ，n=1，2，3，……（正整数），h为普朗克常量（4）。

1905年，受普朗克研究思想的启发，德国物理学家爱因斯坦提出光在本质上是由光量子组成的假设。他认为两个物体辐射的能量不仅在吸收和发射的过程是一份份的，而且，电磁波在空间的传播途径也是一连串的能量量子流 h （5）。接着写出了著名的光电效应方程 ，其中 为逸出功。1908年爱因斯坦证明在统计的特性下，黑体辐射既呈现波动性又呈现粒子性，首次提出了“波粒二象性”。根据爱因斯坦的量子理论，由光的波动性和粒子性这两种性质可得出光子的能量和动量与光子的关系是E=h ，P=h /c 。这两种性质是由普朗克常量联系起来的。从爱因斯坦公式可知，光子是具有波粒二象性的。

为了能圆满地解释微观体系中粒子的各种量子性质，以克服经典理论所面临的困难，奥地利年轻的物理学家薛定谔，从德布罗意提出的物质波的思想出发，于1926年建立了微观体系中的物质波波动方程，并应用这个方程成功地计算出了氢原子和简谐振子的量子化能谱，得到与实验完全符合的结果。这个波动方程后来被称为薛定谔方程，成为实物粒子波动的非相对论性理论。薛定谔通过它把原子的离散能级和微分方程在一定的边界条件下的本征问题联系在一起，用于光和电子碰撞、原子在电场和磁场中运动等问题中，得到了比以前理论更符合实际的结果。

1、螺旋波的波动性

事实上，从电子衍射实验分析可知，电子所呈现出来的粒子性总是经典概念中的具有一定质量和电荷等属性的“颗粒性”，但并不与“粒子有确切的轨道”的概念有必然的联系；而呈现出的波动性也只是波动最本质的东西――波的相干叠加性，但并不一定与某种实在的物理量在空间的波动联系在一起。所以波恩在1926年用薛定谔方程来处理散射问题时提出概率波，他认为量子力学中的波函数所描述的，并不像经典波那样代表什么实在的物理量的波动，只不过是刻画粒子在空间的概率分布而已（5）。

我们也可以用电子晶体衍射实验的衍射图样来理解概率波。从电子的波动性看，衍射图样反映出波在图样上各点的强度分布 2，衍射图样上亮的地方说明波强度大，暗的地方说明波的强度弱；从电子的粒子性看，衍射图样反映出电子数目分布，衍射图样亮的地方说明到达的电子数目多，而暗的地方说明到达的电子数目少；对单个电子来说，衍射图样反映出一个电子被散射后打到照片上各点的几率分布，亮的地方说明电子到达的几率大，暗的地方说明到达的几率小。而综合电子的波动性和粒子性来看，可知电子波在相片上的各点的强度正比于一个电子在底片上相应各点出现的几率。

最简单的可激发系统可以用一个双变量反应扩散方程解释，下面就用 模型来说明螺旋波的产生。 模型的动力学方程（1）如下（8）：

其中 为系统变量， 是扩散项。 是一个远小于1的量，它的存在使变量 的动力学行为有不同的时间尺度。

为研究螺旋波的产生，我们固定取参数a=0.84，b=0.07，ε=0.05在数值解方程（1）过程中，时间离散采用二阶龙格库塔方法，空间离散采用二阶差分方法。空间步长为， = =0.4，时间步长取 =0.02，计算区域空间离散成Nx×Ny=400 格点，即取计算区域边长为L=400×0.4=160。

在二维系统中，如果初始态是一个受激发的点，系统会形成一个环状的波形向外扩张，如果这个点激发源是周期的，则会观察到稳定的靶波。要观察到螺旋波，可以用线激发源在左边界上产生一个平行波（一列平面波），该波向右边界传播。当这列波运动到中间时，把这列平面波的从中间抹掉半个波[如图1（a）所示]，这样在这列平面波在截断处形成一个缺陷（它就是螺旋波波头所在位置）。在远离这个缺陷的区域，平面波波峰的邻近点受左右两个方向上扩散而来的触发变量的影响，比较容易激发，因而波速较高；而在这个缺陷所在区域，平面波波峰的邻近点由于只受到来自一个方向上的触发变量的激发，激发强度相对来说比较弱小，因而波速较慢。这样，从整体上看，当平面波向前传播时，缺陷点的相对位置会有一个滞后，这个滞后使得平面波在缺陷点附近弯曲。线波的局部运动方向发生变化，由于这种缺陷效应总是存在的 ，随着时间的增长，平面状波会逐渐转变为螺旋波（9）[如图1（b）-（d）所示]。

图1（a） 图1（b）

图1（c） 图1（d）

图1 螺旋波的产生过程。（a） t=0 平面波被从中间截去半个波，中间形成一个缺陷。（b） t=1.6s时，缺陷点的相对位置有一个滞后。（c）t=6.8s （d）t=32s，逐渐形成一个完整的螺旋波。

螺旋波与靶波不同，它是自激的，不需要一个周期的激发源，同时它是以缺陷为中心自组织形成的一类特殊的波，而且系统中所有的动力学行为都要受到这个中心点缺陷行为的限制。在系统中制造一个缺陷比较容易，但系统中一旦产生了缺陷就很难将其消除。

2、螺旋波的粒子性

下面用数值计算方法来研究螺旋波的粒子性，即研究螺旋波对外部扰动的响应。所使用的模型由方程（1a）描述，为了研究螺旋波对外部扰动的响应，我们在系统的 区域加上一个恒定大小的外力F，这时方程（1a）改为：

（a）t= 0 （b）t=100s

（c） t=200s （d）t=300s

图2在外部扰动下不同时刻的螺旋波斑图。t=0时刻扰动加在以格点（350，200）为中心半径R=5的区域， F=0.5，（a）t=0，（b）t=100s，（c）t=200s，（d）t=300s。

首先考虑外部扰动远离波头（波核）的情况，扰动对螺旋波的影响。设t=0时系统处于平稳的螺旋波态，如图2（a）所示。此时，在系统中以（350，200）为中心半径处于R=5的区域加上一个恒定扰动F=0.5。结果如图2（b），（c），（d）所示，可知，当扰动远离波头时对螺旋波运动无影响。

下面考虑外部扰动就加在波头附近的情况下扰动对螺旋波的影响。仍取图2（a）为初态，扰动加在以格点（200，200）为中心半径为R=5的区域，这时螺旋波波头在扰动区域内。当恒定扰动力F=0.2，得到结果如图3（a）（b）所示。

（a） t=100s （b）t=200s

图3在外部扰动下不同时刻的螺旋波斑图。扰动加在以格点（200，200）为中心半径R=5的区域，F=0.2。

从图3可以看出，随着时间的变化而螺旋波却一直保持原来的运动状态。结果表明，当F 较小时，外部扰动对螺旋波运动也不产生任何影响。当扰动F=0.5时，结果如图4所示：

（a）t=0s （b）t=15s

（c）t=20s （d）t=50s

（e） t=100s （f）t=200s

图4在外部扰动下不同时刻的螺旋波斑图。t=0时刻外部扰动加在以格点（200，200）为中心半径R=5的区域，F=0.5。

从图2至图4可知，如果螺旋波波头附近无扰动或扰动较小时，螺旋波运动不受外部扰动的影响，但当在螺旋波波头附近的扰动足够大时，扰动会放大，最后导致螺旋波的频率发生很大的变化，波长变长，表现在它对外部扰动的响应是有局域性。外部扰动对螺旋波的影响与 粒子被原子核散射相似。把外部扰动看做原子核，螺旋波看做 粒子，螺旋波波头到外部扰动区域的距离为瞄准距离。由上述结果可以看出，只有当瞄准距离足够小时螺旋波运动受影响，才表现出螺旋波的粒子性。由此可见宏观系统中自维持螺旋波具有粒子性。

3、结论

螺旋波在宏观系统中是普遍存在的 ，它的形成可以通过 模型来观测。螺旋波是一个自维持的波，在整个介质具有波动性，它也和微观世界中的粒子一样具有存在波粒二象性。我们通过由数值实验说明：在远离波头处加一个局域化的扰动时，扰动对螺旋波没有影响，而在波头所在位置附近加一足够大的扰动时，螺旋波会受到很大的影响。当扰动消除后，螺旋波又很快恢复到原来的状态。这些说明了螺旋波对外部扰动的响应表现为局域化的实体，所以螺旋波具有粒子性。

螺旋波的波粒二象性与微观粒子的波粒二象性有些不同的地方，螺旋波的二象性是可以同时存在的。螺旋波存在于宏观系统中，这说明宏观系统中也存在波粒二象性。这个结论了传统中认为波粒二象性只存在于微观系统世界中的看法。

参考文献

[1] V. Biktasheva* PHYSICAL REVIEW E 67， 026221 ～2003！

[2] 吴强 《光学》 科学出版社 （2006）（第1至6页、231至250页）

[3] 孟泉水、常琳 《量子力学中一个基本物理思想的前因后论》西安科技大学基础课部（710054）

[4] 王晓欧 《物理学概论》 同济大学出版社 （2007） （第179至201页）

[5] 曾谨言 《量子力学教程》 科学出版社 （2003）（第xi至7页）

第8篇：量子力学中的基本假设范文

【关键词】霍金/无边界宇宙/虚时间/时间机器/概率论/实证论

【正文】

一、无边界宇宙和虚时间

大爆炸宇宙论已经取得了非常重大的成果，对大爆炸后百分之一秒直到今天的宇宙演化情况论述得已经十分清楚，并且得到了微波背景辐射等实际观测的强有力的支持。然而，在宇宙极早期遇到了极大困难。霍金(S.W.Hawking)和彭罗斯(R.Penrose)于1970年证明了“宇宙奇性定理”[1]：在极一般的条件下，按照广义相对论，宇宙大爆炸必然从一个奇点开始。由此，他们共同获得1988年的沃尔夫物理奖。然而宇宙在大爆炸奇点处，一切科学定律包括广义相对论本身都失效了，连时空概念也失效了。所以奇点是不可能真实存在的，是非物理的。这就构成宇宙学最大的疑难：奇性疑难。因此，奇性定理也表明，广义相对论是不完备的，它无法告诉我们宇宙是如何开始的。霍金说：“广义相对论导致了自身的失效：它预言它不能预言宇宙。”[2]在宇宙极早期，整个宇宙非常微小，必须考虑量子效应。所以，对于宇宙奇性疑难，必须用量子引力论才能解决。

1983年霍金和哈特尔(J.B.Hartle)“宇宙的波函数”[3]，开创了量子宇宙学的研究。他们认为，宇宙的量子状态由波函数来描述，而这宇宙的波函数是惠勒－德威特(Wheeler-DeWitt)方程的解。这个波函数给出宇宙按照特征量分布的概率幅。他们创造性地建立了量子宇宙“微超空间模型”，正式提出“无边界宇宙”设想，即“宇宙的边界条件就是没有边界”。他们引入了“虚时间”（tiτ）（这里i[2]=-1，即用虚数表示的时间）概念。因为物质和能量会使时空向其自身弯曲，在实时间方向就不可避免地导致奇性，时空在奇性处到达尽头。而虚时间方向与实时间方向成直角，空间的三个方向也都和实时间方向成直角，这表明虚时间的行为和在空间中的三个方向相类似。宇宙中物质引起的时空曲率就使三个空间方向和这个虚时间方向绕到后面再相遇到一起，形成一个闭合面。它们像是地球的表面，只不过多了两维。地球的表面具有有限的面积，但是它没有任何奇性、边界或边缘。霍金幽默地说：“我曾环球旅行过，而没有落到外面去。”只有当宇宙处于这种无边界状态时，科学定律才能确定每种可能历史的概率，才能确定宇宙应该如何运行。在虚时间里，没有使科学定律在该处失效的奇点，也没有需要乞求上帝的宇宙边缘。宇宙在虚时间中既没有创生也没有终结，它就是存在。量子力学中的奇特效应（例如隧道效应）可以看作是在“虚时间”中发生的。实时间中的演化是因果性的，而虚时间中的演化是随机的。人们甚至可以进一步猜测，宇宙中的一切随机行为都是起因于和虚时间相关的行为。如果你用虚时间来测量时间方向，你就会得到空间和时间之间的完全对称性，这在数学上是非常美妙和自然的观念。无边界假设就是利用这个数学的单纯化，导致所有可能的宇宙的初始条件中的最简单的理论。宇宙的量子态由对所有紧致的欧氏度规的历史在“虚时间”中求和的路径积分所定义。这历史是没有任何奇性或者任何开端或终结的，它由具有有限尺度却没有边界的弯曲空间组成。在其中发生的一切可完全由物理学定律所确定。于是在虚时间中出现的东西可被计算出来，而如果你知道宇宙在虚时间里的历史，你就能计算出它在实时间中的行为。用这种方法，我们可望得到一个完整的统一理论，它能预言宇宙的一切。这宇宙是有限的无边界的闭合宇宙模型。由此，我们得到一个“自含”的而且“自足”的宇宙。即宇宙是包容一切的，在它之外不存在任何东西。而且这宇宙不是可以任意赋予初始条件和边界条件的一般系统。霍金说：“有一次爱因斯坦问道：‘在建造宇宙时，上帝有多少选择呢？’如果无边界假设是正确的，在选取初始条件上，它就根本没有自由。它只有选择宇宙要服从的定律的自由。”[4]宇宙的演化服从科学定律表明理论的自治性，而宇宙的无边界性表明宇宙的自足性。量子宇宙学必须是自洽的和自足的，因此无边界宇宙是科学上的一种非常漂亮的理论。霍金和他指导的博士吴忠超先生证明了在无边界假设条件下，宇宙必须从零动量态向三维几何态演化，于是经典奇性被量子效应所抹平[5]。由此，奇性疑难得到解决。

无边界宇宙思想可以解释我们生活于其中的宇宙。这是一个各向同性的均匀的具有微小扰动的膨胀宇宙，它是具有一维时间和三维空间的洛伦兹时空，霍金认为它在其诞生时刻由一个四维的欧几里得空间进行解析延拓而来。1985年，霍金根据无边界假设，导出了宇宙在普朗克极早期的暴胀行为以及由量子涨落导致的宇宙结构的谱[6]。我们可以在微波背景辐射的涨落中观察到宇宙中那些微扰的谱。这些结果迄今与无边界假设相一致。在宇宙中的任何测量都可以按照宇宙的波函数来表述。这样，无边界假设使宇宙学成为真正的科学，因为人们可以预言任何观察的结果。

在这之前的1981年，霍金应梵蒂冈教廷科学院之邀，在宇宙学会议上首次发表了“无边界宇宙”的思想。会议之后，教皇接见与会者。按照西方的传统，教徒在此时必须在教皇前行跪礼。但是当霍金驱动轮椅来到教皇前时，历史上奇异的一幕出现了，教皇离开其座位并跪下，使他便于脸对脸和霍金会晤。这使得四周的教徒们目瞪口呆，且不说霍金自己所深爱的无边界宇宙理论正是无神论的彻底体现（[2]，译者序）。霍金说：“教皇告诉我们，在大爆炸之后的宇宙演化是可以研究的，但不应该去过问大爆炸本身，因为那是创生的时刻因而是上帝的事务。那时我心中暗喜，他并不知道我刚刚在会议上作过的演讲主题——时空是有限而无界的可能性，就表明着没有开端、没有创生的时刻。”([4]，p.110)

无边界宇宙理论原来只能处理闭合宇宙的问题。但是，我们的宇宙究竟是闭合的还是开放的，这取决于现今宇宙的物质密度。ρ与临界密度ρ[，c]的比值，我们称这比值为宇宙学密度Ω＝ρ／ρ[，c]。当Ω＞1，引力场足够强，宇宙膨胀到某时将会收缩，它的曲率是正的，这就是闭合宇宙；当Ω＜1，曲率为负，就是开放宇宙，它将永远膨胀下去；当Ω＝1，曲率为零，是平直的临界情况，它也将膨胀下去。按照暴胀模型原来的理论，我们的宇宙恰好是Ω＝1的临界情况，这很不自然。我们的宇宙到底是什么情况？这有赖于对宇宙的实际观测，现在人们还说不清楚。因此，开放宇宙的可能性是存在的。1998年，霍金和图鲁克(N.Turok)“无假真空的开放暴胀”[7]，将霍金原来的闭合宇宙的量子论推广到开放情况。他们利用无边界假设，在一个最简单的暴胀模型中，经过路径积分的计算，导致现今的宇宙学密度Ω≈0.01。这样，他们修改了原暴胀模型关于Ω＝1的临界预言，论证了开放暴胀宇宙的可能性。

现在霍金正继续发展他这美妙的无边界宇宙思想和虚时间概念[8-9]。

二、时序保护猜想——物理学定律严禁时间机器

1992年，霍金提出一个能维护时间次序的“时序保护猜想”[10]：物理学定律严禁时间机器。所谓“时间机器”，就是违背因果律而能将时间倒转回到过去的旅行机制。许多科幻小说都描写了这一神奇现象。最早于1937年，司托库姆(J.van Stockum)发现了爱因斯坦场方程的一个解，它描述一个快速旋转的无限长柱体起着时间机器的作用。但是人们认为实际上不存在任何“无限长”的物体而否定了它的真实性。后来人们又通过虫洞、宇宙弦等奇异物制造了时间机器。但是物理学家已经证明，与实验吻合的物理学理论绝对不会违背因果律。1988年，霍金的好朋友索恩(K.S.Thorne)和他的学生们的文章“虫洞、时间机器和弱能量条件”[11]发表，引起了很多评论和误解。一些报刊上出现标题为“物理学家发明时间机器”的文章。索思本人说：“就算物理学定律允许时间机器（事实上，我怀疑这一点），人类现在的技术能力离这时间机器的实现还远得很，比洞穴野人离太空旅行还要遥远。”[12]霍金对时间机器提出了严厉的批评。他幽默地说：“我们还不清楚在一个黑洞中究竟会发生什么。广义相对论的方程允许这样的解，允许人们进入一个黑洞并从其它地方的一个白洞里出来。白洞是黑洞的时间反演。这似乎为星际的快速旅行提供了可能性。麻烦在于这种旅行的速度太快了，以致于如果通过黑洞的旅行成为可能，则似乎无法阻拦你在出发之前已经返回。那时你可以做一些事，比如杀死你的母亲，因为她一开始就反对你进入黑洞。看来物理学定律严禁这种时间旅行，这也许对于我们（以及我们的母亲们）的存活是个幸事。似乎有一种时序保护机构，不允许向过去旅行，这使得这世界对于历史学家是安全的。如果一个人向过去旅行，将会发生的是不确定原理的效应在那里产生大量的辐射，这辐射要么把时空卷曲得太厉害以致不可能在时间中倒退回去，要么使时空在类似于大爆炸和大挤压的奇性处终结。不管哪种情况，我们的过去都不会受到居心叵测之徒的威胁。最近我进行的一些计算支持这个时序保护假设。其实，我们不能进行时间旅行的最好证据是，我们从来没有遭受到从未来来的游客的侵犯。”[13]霍金认为，大自然憎恶时间机器。大自然是通过真空涨落束的生长来维护时间顺序的。他指出：“当我们想做时间机器时，不论用什么样的事物（例如虫洞、旋转柱、宇宙弦或其它什么东西），在它成为时间机器前，总会有一束真空涨落穿过它，并破坏它。”他还说：“自由意志的概念和科学定律属于不同的范畴。如果人们想从科学定律推出人类行为的话，他就会在自参考系统的逻辑二律背反中陷入困境。这正如时间旅行若可能的话人们会遇到的麻烦，我认为永远不可能作时间旅行。”([13]，p.97)

三、时间箭头

霍金论述了科学定律不能区分前进和后退的时间方向。这是因为粒子物理学中的CPT定理指出：科学定律在C、P、T联合变换下保持不变。（这里C是正、反粒子变换；P是宇称变换；T是时间反演变换。）而在正常情况下，科学定律在CP联合变换下不变，于是在T变换下也必然不变。霍金接着指出，至少存在三种“时间箭头”将过去与将来区分开来：第一，热力学时间箭头：无序度或熵增加的时间方向，这正是热力学第二定律所指明的时间方向；第二，心理学时间箭头：我们心理感觉时间流逝的方向，在这个方向上我们只能记住过去而不是未来；第三，宇宙学时间箭头：即宇宙在膨胀而不是收缩的方向。

霍金论证了心理学时间箭头与热力学时间箭头本质上是一致的。又通过无边界假设论证了在宇宙膨胀时，三种时间箭头是一致的。因为按照无边界假设，宇宙没有边界、边缘或奇点，所以时间的开端必须是光滑而有序的时空点。这就要求宇宙必然从一个非常光滑而有序的状态开始膨胀，随时间逐渐演化成无序的状态，于是就与热力学时间箭头一致。霍金还进一步论证了只有在膨胀相中才有适合智慧生命的条件。

然而，当宇宙将来可能坍缩时，情况如何呢？霍金曾经错误地认为，宇宙坍缩时，无序度会减小。即宇宙学时间箭头反向时，热力学时间箭头和心理学时间箭头也会跟着反向。霍金幽默地说：“处在收缩相的人们将以倒退的方式生活：他们在出生之前已经死去，并且随着宇宙收缩变得更年轻。”这实际上就等于承认了时间机器。这也就导致无论什么情况下，三种时间箭头都保持一致。后来在裴志(D.Page)等人的启发下，霍金认识到自己犯了一个大错误。而导致他出错的原因是，他原以为收缩相仅仅是膨胀相的时间反演。那样，宇宙收缩变小时，应该回到光滑而有序的状态。但是裴志指出，无边界条件没有要求收缩相必须是膨胀相的时间反演。而且在一个稍微复杂的模型中，宇宙的坍缩与膨胀非常不同。实际上，无边界条件意味着宇宙在坍缩时无序度继续增加。即当宇宙时间箭头反向时，热力学时间箭头和心理学时间箭头并不会跟着反向。([4]，pp.131-139)这实际上也进一步否定了时间机器的可能性。物理学决不会违背因果律。

四、实证论与实在论

1992年，霍金在剑桥凯尔斯学院作了关于科学哲学的讲演。他说：“在我认为存在一个有待于人们去研究和理解的宇宙的意义上，我愿承认自己是个实在主义者。但是没有理论，我们关于宇宙就不能说什么是实在的。因此，我认为物理理论不过是我们用以描写观察结果的数学模型。如果该理论是优雅的模型，它能描写大量的观测，并能预言新观测的结果，则它就是一个好理论。除此之外，问它是否和实在相对应就没有任何意义，因为我们不知道什么与理论无关的实在。这种科学理论的观点可能使我成为一个实证主义者。然而我所说的实证主义似乎是人们为描写宇宙而寻找新定律新方法仅有的可能的立场。因为我们没有和实在概念无关的模型。如果某物与我们用以解释它的理论或模型无关，何以知道它是实在的？而如果我们认为，实在依我们的理论而定，又怎么可以用实在来作为我们哲学的基础呢？”([13]，p.30-34)这里，霍金明确指出了所谓“实在”的相对性、任意性和不确定性。因此科学哲学不能以此为基础。

霍金以相对论和量子力学以及宇宙大爆炸奇点和虚时间为例指出：“在科学的哲学方面很难成为实在主义者，因为我们认为的实在是以我们所采用的理论为前提。我能肯定，洛伦兹和费兹杰朗德在按照牛顿的绝对时空观来解释光速实验时都认为自己是实在主义者，因为这种时空观似乎和常识以及实验相对应。……我敢断定，爱因斯坦、海森伯和狄拉克对于他们是否为实在主义者或者工具主义者根本不在乎。他们只是关心现存的理论不能相互协调。在发展理论物理中，寻求逻辑自洽总比实验结果更重要。我想强调的是，至少对于一名理论物理学家而言，把理论视作一种模型的实证主义方法，是理解宇宙的仅有手段。”([13]，p.34)因此，科学哲学的根基必须是也只能是逻辑自洽的理性的实证论。

五、确定论和概率论

霍金利用“虚时间”概念对史瓦西黑洞度规进行坐标变换，研究了相应的量子场论。利用在虚时间方向具有温度倒数的周期的欧氏时空上的所有场求和的路径积分，求出了相应温度下的热力学配分函数。从而得到黑洞具有的极其独特的内秉引力熵，它恰好是黑洞视界面积的四分之一。黑洞熵的存在，说明引力场不同于其它相互作用场，它使黑洞时空具有独特的拓扑结构。这引力熵说明黑洞引起信息丧失。由此，霍金指出存在一种新的不确定性：“信息丧失意味着，在黑洞消失之后，原来处于量子纯态的系统演化的终态就变成混合量子态，即不同纯态的一个系综。每一个纯态具有各自的概率。但是因为任何一种状态都不确定，不能利用和任何量子态干涉的办法把这终态的概率减小到零。这表明引力在物理中，引进了一种新水平的不确定性，这种不确定性超越于通常和量子理论相关的不确定性之上。在某种意义上，我们已经在微波背景辐射的涨落中观测到这种额外的不确定性。这表示科学决定论的终结，我们不能确定地预言未来。看来上帝在他的袖子里仍有一些令人无法捉摸的诡计。”([2]，pp.55-56)“这样当爱因斯坦讲‘上帝不掷骰子’时，他错了。对黑洞的思索向人们提示，上帝不仅掷骰子，而且有时还把骰子掷到人们看不到的地方去，使人们迷惑不已。”([2]，p.23)

六、宇宙终极理论

霍金相信宇宙是可以认识的，是可以完全理解的。他希望存在宇宙终极理论，并乐观地追求这理论。他说：“我不同意这样的观点，说宇宙是神秘的，是某种人们可有直觉但却永远不能完全分析和理解的东西。……我们对于宇宙还有大量无知和不解之处。但是我们过去尤其是一百年内所取得的进步，足以使人相信，我们能够完全理解宇宙。我们不会永远在黑暗中摸索。我们会在宇宙的完整理论上取得突破。在那种情形下，我们就真正成为宇宙的主宰。”（[12]，序言）“如果我们确实发现了一套完整的理论，它应该在一般的原理上及时让所有人（而不仅仅是少数科学家）所理解。那时，我们所有人，包括哲学家、科学家以及普普通通的人，都能够参加为何我们和宇宙存在问题的讨论。如果我们对此找到了答案，则将是人类理智的最终胜利——因为那时我们知道了上帝的精神。”([4]，p.156)他又说：“也许这种希望只不过是海市蜃楼；也许根本就没有终极理论，而且即便有我们也找不到。但是努力寻求完整的理解总比对人类精神的绝望要好得多。”（[13]，序言）

霍金在追求宇宙终极理论的同时，又冷静地认识到，我们不可能穷尽对宇宙的完全认识。其实，人类的认识只能是相对真理，人类在无穷的相对真理的长河中不断探索，不断进步，不断逼近终极的绝对真理，但是不会走到尽头，也不可能预言宇宙的一切。霍金说：“即使我们发现了一套完整的统一理论，这并不表明我们能够一般地预言事件。因为第一我们无法避免不确定原理给我们的预言能力设立的极限。第二除了非常简单的情况，我们无法准确解出这理论的方程。在牛顿引力论中，我们甚至连三体运动问题都不能准确解出。我们在从数学方程来预言人类行为上只取得了很少的成功！所以，即使我们确实找到了基本定律的完整集合，在未来的岁月里，仍然存在发展得更好的近似方法，使我们在复杂而现实的情形下，能够完成对可能结果的有用预言的智慧的富有挑战性的任务。”([4]，p.152)又说：“即使存在一个可能的统一理论，那只不过是一组规则或方程。是什么赋予这些方程以生命去制造一个为它们所描述的宇宙？通常建立一个数学模型的科学方法无法回答，为什么必须存在一个为此模型所描述的宇宙？”([4]，p.156)这里霍金提出了宇宙学的最大问题，即宇宙的存在性问题。他强调：“一个完全的、协调的统一理论只是第一步，我们的目标是完全理解宇宙和我们自身的存在。”([4]，p.152)

参考文献

[1]　S.W. Hawking and R. Penrose. The Singularities of Gravitation Collapse and Cosmology. Proceedings of the Royal of Lodon. 1970，A314:529.

[2]　S.霍金：《时空本性》，杜欣欣、吴忠超译，湖南科学技术出版社，1996:70.

[3]　J.B.Hartle and S.W. Hawking . Wave Function of the Universe， Phys. Rev. 1983，D28(12):2960.

[4]　S.霍金：《时间简史》，许明贤、吴忠超译，湖南科学技术出版社，1992:155.

[5]　吴忠超：无边界宇宙没有奇性，《中国科学》，A辑，1996，26(12):1105.

[6]　S.W.Hawking and J.G.Moss， Nucl.Phys.1985，B224:180.

[7]　S.W.Hawking and Neil Turok. Open inflation without false vacua，phys. Lett.，1998，B425: 25-32.

[8]　S.W.Hawking， T.Hertog， and H.S.Reall. Brane New World，Phys. Rev. 2000， D 62:043501.

[9]　S.W. Hawking and T.Hertog.Trace Anomaly Driven Inflation， Phys. Rev. 2001， D 63:083504.

[10] S.W. Hawking. The Chronology Protection Conjecture， Phys. Rev. 1992， D46:603.

[11]　M.S. Morris， K.S. Thorne， and U. Yurtsever. Wormholes， Time Machines and the Weak Energy Condition， Phys.Rev. Lett， 1988，61:1446.

第9篇：量子力学中的基本假设范文

要】本篇主要是因为人们对绝对论的认识局限在理论方面，更多人认为太过于哲理，与现代物理的联系不是太密切。加上我们一直认为只有公式才是人们认识物理的工具，所以本篇通过对单摆和简谐振动中的共振现象以及光电效应，还有其他物理现象的研究，重新完善物理学上的一些认识，列出来一些公式让大家更好的认识绝对论中的一些原则。同时希望通过这篇论文让更多的人们更好的来认识这个物质世界。

【关键词】简谐振动；洛伦茨变换；单摆周期；共振现象；波动函数值方程式；物质场的质量

单摆是初中以及高中物理教学中的一个重要实验，它揭示了一个重要的规律：单摆的等时性，即在摆角很小的情况下（＜10度），忽咯空气阻力等外部因素。在遵守胡克定律的范围之下，单摆的周期只与摆长（L）及摆球所处的位置的重力加速度（G）有关。单摆的周期公式：T=2∏√L/G。这是加利洛在小时候根据灯的晃动逐渐等到的规律；单摆的等时性。并制作了时钟。

爱因斯坦说他最大的错误是引进了宇宙常数，其实那是小问题。他的二个更大的错误：1.他认为时间可以倒流；2.他把光速当成宇宙的限速而且把它当成相对论的基础。

说一下爱因斯坦的理论依据，那就是著名的洛伦茨变换。利用这个变换可以解释运动物体的时间和尺寸变化了。我们看一下他的公式和推导过程；　狭义相对论中关于不同惯性系之间物理事件时空坐标变换的基本关系式。设两个惯性系为S系和S′系，它们相应的笛卡尔坐标轴彼此平行，S′系相对于S系沿x方向运动，速度为v，且当t=t′=0时，S′系与S系的坐标原点重合，则事件在这两个惯性系的时空坐标之间的洛伦兹变换为　x′=γ（x－vt），y′=y，z′=z，t′=γ（t－vx/（c*c）），式中γ=（1－v2/c2）^-1/2；c为真空中的光速。不同惯性系中的物理定律必须在洛伦兹变换下保持形式不变。

在相对论以前，H.A.洛伦兹从存在绝对静止以太的观念出发，考虑物体运动发生收缩的物质过程得出洛伦兹变换　。在洛伦兹理论中，变换所引入的量仅仅看作是数学上的辅助手段，并不包含相对论的时空观。爱因斯坦与洛伦兹不同，以观察到的事实为依据，立足于两条基本原理：相对性原理和光速不变原理，着眼于修改运动、时间、空间等基本概念，重新导出洛伦兹变换，并赋予洛伦兹变换崭新的物理内容。在狭义相对论中，洛伦兹变换是最基本的关系式，狭义相对论的运动学结论和时空性质，如同时性的相对性、长度收缩、时间延缓、速度变换公式、相对论多普勒效应等都可以从洛伦兹变换中直接得出

大家看二个问题：1.相对性原理即S与S’二个惯性系等价，而且各惯性系内各点也等价。这是一个错误的假设，因为在空间中S与S’不等价，各点也不会等价。（当然，在后来的广义相对论中他又说因为时空弯曲，各点不能等价，前后相左）；2.光速不变　以光速不变确定常数γ，如果物质运动超过光速，物质就不存在了。也就是限定物质的运动不能超过光速，我无语。可怜的爱因斯坦。

可是测量我们做过的许多实验，发现物质在运动时：时间在测量上真的改变了，尺子也真的变短了。好像时间真的可以倒流，物质运动时特别高速运动时，时间真的变化了。

我来和大家解释一下吧：不是时间变化了，而是时钟真的变化了。因为时钟变化了，所以所有的洛伦茨变换中时间变换应该看成时钟变化。时钟的运动是有规律的，当你改变它的一些因素，它就发生变化。单摆的T=2∏√L/G，当L变化时T变化，当G变化时T也变化的。所以这一个时钟在运动时，和静止时周期T是不同的。你想已经变化了的时钟，你如何测出不变的结果。你的一秒已经变成人家的一年，你还当成时间可以改变，时空可以倒流了。二个坐标系也是如此道理，已经变化了，你还说可以等价，时空只好变化了。这是爱因斯坦的悲哀。时空里的物质变化了，当成时空变化。时间不会变，空间也不会变，但是这里面的物质可以发生改变，而且可以任意变化。

爱因斯坦认为不需要引力，但他用G（重力加速度）。我是根本不存在万有引力，但我也用G。不同的是我的G是物质场之间的一个相互作用，由整体到局部，由微观到宏观，物质场之间的一个作用（下面会详细说明这一原理）。所以在惯性系内的各点作用也不会相同，任一点都不会相同。为什么说的那么复杂呢？我也不想，可是我们这世界就是这么：在任一点上并不等价。所有的物质都按照自己的规律运行着，在任一点上都有不同的量子运行方式。所以我们研究物质运动一定看什么环境，什么地点，以及物质的量子运行方式。否则，我们得不到正确的解释。

当物质从S运动到S’点对于观测者而言时钟的T（周期）不同的，时钟可以变快也可以变化慢。这一点我们可以做试验的，而且我们有太多的时钟或者罗盘失灵的情况了。在遵守胡克定律的范围之内时钟麼名奇妙的变化，因为√L/G变化了，变化的越大，他的反应就越大，这是时钟变化的原因。我们再说一下尺子为什么变短。

上世纪，爱因斯坦和玻尔的论战持续了几十年，直到他们都去世也没有结束。他们的争论，玻尔一直占了上风。为此阿斯派特做了一系列著名的实验，阿斯派特的实验详细地证明了量子理论的正确性。当然，还有争议，但是人们开始相信这个世界是有量子组成的了。运动的尺子的确可能变短，但是也有可能变长。先不要争论，我给大家来认真的分析一下：尺子是不是由量子组成的？一个尺子是不是可以分成无数的小尺子？一个小尺子是不是可以看成一个量子？如果这些都可以的话：一个尺子是不是可以看成是大量的量子在运动，就是说L=∑DL。如果我们只给尺子一个方向的力，尺子只有一个方向的运动时，那么在胡克定律的范围之内，所有量子尺子会压缩尺寸，尺子会变短。

但是我今天给大家设计一个实验，让运动的尺子变长（这是相对论无法解释的）。高速来拉动尺子，并且在尺子的后面加一个物体并和尺子同时运动，但是只拉尺子。如果这样实验的话，我告诉大家：尺子会变长。因为所有的小尺子在拉力的作用下拉长了，那么反应到全部，尺子马上变长。当然大家可能会笑的：我的绝对论，里面什么样外面什么样；大的什么样，小的什么样。其实，这篇论文也是要把绝对论的原则给大家解释清楚的，免得大家认为我是在说哲理。爱因斯坦真的不知道这个世界是有量子来组成的，也不知道所有的量子都有自己的运行方式；更不知道所有的量子运行方式只能在一定的范围存在，超过这个范围量子运行方式就会改变。

我们再说一个现象：拉箱子。一下不动，二下不动，那么三下就可以拉动；推物体也是一样原理。大家一定听过这么一件事：一个人用小锤击打大块铁的事，他打了一二个小时上万次。当然，他也一定要按照一定规律才可以实现，如果乱来那就永远不会实现的。如果用牛顿的F=ma来看，这永远不会动。力不在了就没有作用力了，再打也是白搭，如何打也是白搭。再说一个画外话：任何人不准说我没有实验基础。我的实验基础就是生活的点点滴滴，无穷无尽。不需要精密的仪器，我也能完成最高级的实验。水滴穿石，已经几千万年了，比那个实验室都准确。绿豆只煮难烂，大钟不击自鸣，还要我再举例吗？

物质的运动是有小的物质运动来完成的，大物质是有小物质组成的，物质的运动是所有的量子共同完成的。我们击打一次，物质不动但是有一部分量子动了，但是大多量子没动它也动不了。当越来越多的量子，最后当所有的量子动了，那么物质的整体也就动了。牛顿力学的物质运动规律太硬性了，所以在处理微观粒子上不是太理想。既然今天我们认可物质是量子来组成的，那么我们在研究物质运动时就要从量子说起，那我们就要用到统计学∑，研究物质就要用到高等数学微积分原理。其实这正是量子力学的魅力：把大的变小，有小成大

我一直不用太多方程式，是因为这世界是真实的生命，无时无刻不在运动。但方程式是计算工具，在一定程度上使用是完全有必要的，方程式是人们认识世界的一个依据。我在这里列几个力学方程式供大家研究认证，同时与经典力学比较一下，重新理解物质运动规律。

1　F=ma变换式：F∑F，F∫DF，∫df=ma，ma∫dma，ma∑dma。（这里M是物质场的质量特性，以下雷同）。

2　W=FS　变化式：W=∫DFS，FS∑FS，S∫DS，F∫DF

3　P=MV　变换式：P=∫DMV，P∑P，依次类推把经典力学的公式建在大量的量子运动的基础上去研究。物质的运动是在量子运动的基础上进行的，物质运动不是连续的，但是是有规律的。

爱因斯坦的E=mc2，其实错到天边了。不是我不给他留面子，我也知道人们会说原子弹如何如何。我只说一句：原子弹释放的能量一定大于E=MC2。人们没有把所有能量计算在内，只是估算罢了。如果还有人不服，我再提醒一句：真空不空。水变成冰释放能量了，为什么质量没减少（当然也会有变化，但不是E=mc2，那是质量特性的波动函数变化）。

物质释放的能量与质量的关系并不大，也不能说没有关系。一斤木材和一百斤木材如果燃烧，的确不同。但是那是质变，我这里主要说量变（量子运行方式的改变）。在上篇中我说一个瓶子可以装下一个恒星的能量，那么在这篇我更近一步：一个量子就可以拥有一个恒星的力量。说一句让人吃惊的话，我们每个人的身体都可以拥有十个太阳的能量。大家想想物质有多大的能量或能释放多大的能量根本是不是取决于物质的量子运行方式？，结合一下传统的质量概念，我们还是使用物质场的概念来理解吧。

木材和钢铁以及石头这些物质从量子上看组成可以说是相同的，都是质子，中子，电子等等组成的。（这一点如果有人和我争论的话，我没时间）但是量子运行方式的不同造成了我们看到的截然不同的物质。大家高兴吗？因为这才是真正的物理理论，这才是真正解释物质和物质运动的原理。这世界是由量子来组成的，所有的量子都有自己的运行方式。这是经得起考验的真理，我们做实验吧。

再列一个公式；波动函数方程式H=E∝KC。H：波动函数值

E：能量（包括物质内部和外加能量）　K：系数

C：物质场（包括物质场的质量特性以及物质场的一定范围内的量子运行方式）。上篇论文没列这个方程式，是因为大家对量子运行方式的认识不是太深刻。我从来不大包大揽，量子运行方式的不同，物质和物质运动完全不同。

时间永远不会倒流，只会不停的向前走，即使我们运行的比光速快一万倍，我们依然不停的衰老。所以我们都要珍惜生命，爱惜时间。爱因斯坦把光速限为宇宙的最高速，基础不对，结果还用说吗？对相对论我再也不想说什么了。现在全世界都知道相对论不对了，那大家就尝试一下理解我的论文吧。我们要肯定爱因斯坦是一个真正的科学家，因为他努力去尝试了一种认识世界的方法，而且爱因斯坦一直是一个诚实谦虚的人，不像我如此的肆无忌惮，口无遮拦。

空气动力学的原理和我们用石头在水面上打水漂难道不是一样吗？我们没发明飞机时，古人就已经在打水漂了。认识世界不一定需要我们的精密仪器，但我不是反对使用精密仪器，只是说一种思维方法。所有的物理定律应该是相通的，我们再来看看光电效应现象吧。

其实，这是爱因斯坦的一个认识的局限：光电效应方程式E=hv。E：光子能量　h：普朗克常量　v。：光子的频率。E=hv-W。（W。=hv。）

不一一解释了。爱因斯坦的光子说很好的，我不明白后来他为什么限定光速。光不是连续的，也是量子组成的，光的确以量子的形式存在的。我现在更进一步，把这个方程式和牛顿力学连起来：E=hv-W。=1/2MV2（M：电子的质量特性）。大家看这个方程式，是不是太眼熟了。大笑吧，亲爱的朋友，因为你很快就可以得到比光速快的物质了；马上你就可以看到光速不过是一个普通的掉渣的速度了。狂舞吧，我的读者，你已经开始认识这个世界不过是一粒微尘了，一点都不神秘。时间和空间都不过是一个测量工具，量子的运行方式才是物质的源头。

M物质场的质量特性。这里给大家说光子是一个物质场。既然物质场存在质量特性，那么光子就可能存在质量特性，那么电子也会存在质量特性。所以提高hv。（入射光的频率）发射出来的电子就会加速，如果同一类电子的质量特性相差不大，我们近似相等。那么当hv。足够，发射电子的速度就可以轻松超过光速。所有的宏观和微观理论就可以完美统一了，它们原来可以使用相同的方程式，我的读者不应该高兴吗？