量子力学存在的问题精选(九篇)

前言：一篇好文章的诞生，需要你不断地搜集资料、整理思路，本站小编为你收集了丰富的量子力学存在的问题主题范文，仅供参考，欢迎阅读并收藏。

第1篇：量子力学存在的问题范文

量子力学课程是工科电类专业的一门非常重要的专业基础课程。通过该课程的学习，使学生初步掌握量子力学的基本原理和基本方法，认识微观世界的物理图像以及微观粒子的运动规律，了解宏观世界与微观世界的内在联系和本质的区别。量子力学课程教学质量的好坏直接影响后续的如“固体物理学”、“半导体物理学”、“集成电路工艺原理”、“量子电子学”、“纳米电子学”、“微电子技术”等课程的学习。

量子力学课程的学习要求学生具有良好的数学和物理基础，对学生的逻辑思维能力和空间想象能力等要求较高，因此要学好量子力学，在我们教学的过程中，需要充分发挥学生的学习主动性和积极性。同时，随着科学日新月异的发展，对量子力学课程的教学也不断提出新的要求。如何充分激发学生的学习兴趣，充分调动学生的学习主动性和能动性，切实提高量子力学课程的教学质量和教师的教学水平，已经成为摆在高校教师目前的一项重要课题。

该课程组在近几年的教学改革和教学实践中，本着高校应用型人才的培养需求，强调量子力学基本原理、基本思维方法的训练，结合物理学史，充分激发学生的学习积极性；充分利用熟知软件，理解物理图像，激发学生学习主动性；结合现代科学知识，强调理论在实践中的应用，取得了良好的教学效果。

1 当前的现状及存在的主要问题

目前工科电类专业普遍感觉量子力学课程难学，其主要原因在于：第一，量子力学它是一门全新的课程理论体系，其基本理论思想与解决问题的方法都没有经典的对应，而学习量子力学必须完全脱离以前在头脑中根深蒂固的“经典”的观念；第二，量子力学的概念与规律抽象，应用的数学知识比较多，公式推导复杂，计算困难；第三，虽然量子力学问题接近实际，但要学生理解和解决问题，还需要一个过程；由于上述问题的存在，使初学者都感到量子力学课程枯燥无味、晦涩难懂，而且随着学科知识的飞速发展，知识的更新周期空前缩短，在有限的课时情况下，如何使学生在掌握扎实的基础知识的同时，跟上时代的步伐，了解科学的前沿，以适应新世纪人才培养的需求，是摆在我们教育工作者面前的巨大挑战。

2 结合物理学史激发学生学习兴趣

兴趣是最好的老师，在大学物理中，谈到了19世纪末物理学所遇到的“两朵乌云”，光电效应和紫外灾难，1900年，普朗克提出了能量子的概念，解决了黑体辐射的问题；后来，爱因斯坦在普朗克的启发下，提出了光量子的概念，解释了光电效应，并提出了光的波粒二象性；德布罗意又在爱因斯坦的启发下，大胆的提出实物粒子也具有波粒二象性；对于物理学的第三朵乌云“原子的线状光谱，”玻尔提出了关于氢原子的量子假设，解释了氢原子的结构以及线状光谱的实验。后来还有薛定谔、海森堡、狄拉克等伟大的物理学家的努力，建立了一套崭新的理论体系-量子力学。在教学的过程中，适当穿插量子力学的发展历史以及伟大科学家的传记故事，避免了量子力学课程“全是数学的推导”的现状，这样激发学生的学习兴趣和学习热情，通过对伟大科学家的介绍，培养刻苦钻研的精神。实践表明，这样的教学模式大大提高了学生的学习主动性。

3 结合熟知软件化抽象为形象

量子力学内容抽象，对一些典型的结论，可以用软件模拟的方式实现物理图像的重现。很多软件如matlab、c语言等很多学生不是很熟练，而且编程较难，结合物理结论作图较为困难；Excell是学生常用的软件之一，简单易学却功能强大，几乎每位同学都非常熟练，我们充分利用这一点，将Excell软件应用到量子力学的教学过程中，取得了良好的效果。

如在一维无限深势阱中，我们用解析法严格求解得到了波函数和能级的方程。而波函数的模方表示几率密度。我们要求学生用Excell作图，这样得到粒子阱中的几率分布，通过与经典几率的比较（经典粒子在阱中各处出现的几率应该相等）和经典能级的比较（经典的能量分布应该是连续的函数），通过学生的自我参与，充分激发了学生的求知欲望；从简单的作图，学生深刻理解了微观粒子的运动状态的波函数；微观粒子的能量不再是连续的，而是量子化了的能级，当n趋于无穷大时微观趋向于经典的结果，即经典是量子的极限情况；通过学生熟知的软件，直观的再现了物理图像，学生会进一步来深刻思考这个结论的由来，传统的教学中，我们先讲薛定谔方程，然后再解这个方程，再利用边界条件和波函数的标准条件，一步一步推导下来，这样的教学模式有很多学生由于数学的基础较为薄弱，推导过程又比较繁琐，因此会逐步对课程失去了兴趣，这也直接影响了后面章节的学习，而通过学生亲自作图实现的物理图像，改变了传统的“填鸭式”教学，最大限度的使学生参与到课程中，这样的效果也将事半功倍了，大大提高了教学的效果。

4 结合科学发展前沿拓宽学生视野

在课程的教学中，除了注重理论基础知识的讲解和基础知识的应用以外，还需介绍量子力学学科前沿发展的一些动态。结合教师的教学科研工作，将国内外反映量子力学方面的一些最新的成果融入到课程的教学之中，推荐和鼓励学生阅读反映这类问题的优秀网站、科研文章，使学生了解量子力学学科的发展前沿，从而达到拓宽学生视野，培养学生创新能力的目的。例如近年兴起并迅速发展起来的量子信息、量子通讯、量子计算机等学科，其基础理论就是量子力学的应用，了解了这些发展，学生会反过来进一步理解课程中如量子态、自旋等概念，量子态和自旋本身就是非常抽象的物理概念，他们没有经典的对应，通过对实验结果的理解，学生会进一步理解用态矢来表示一个量子态，由于电子的自旋只有两个取向，正好与计算机存储中二进制0和1相对应，这也正是量子计算机的基本原理，通过学生的主动学习，从而达到提高教学质量的目的。另外我们还要介绍量子力学在近代物理学、化学、材料学、生命学等交叉学科中的应用，拓宽学生的视野。

第2篇：量子力学存在的问题范文

在建立科学理论体系的过程中，往往需要以一系列巨量的、通常是至为复杂的实验、归纳和演绎工作为基础。而且人们一般相信科学知识就是在这个基础上产生和累积起来的。但只要这种认识活动过程是为一个协调一致的目标所固有，只要它真正属于科学研究自我累进的进程，则不论其如何复杂，仍只是过程性的，而不从根本上规定科学的性质、程序，乃至结论。这就使我们在考察复杂的科学认识活动时，可以抽取出高于具体手段的，基本上只属于人类心智与外在世界相联络的东西，即科学语言，来作为认识的中介物。

要说明科学语言何以能成为这样的中介，需要先对科学的认识结构加以分析。

作为一种形式化理论的近现代科学，其目的是力图摹写客观实在。这种摹写的认识论前提是一个外在的、自为的客体和作为其思维对立面的内在的主体间的双重存在。这一认识论前提在科学认识方面衍生出一个更实用的前提，就是把客体看作是一种自在的“像”或者“结构”（包括动态结构，比如动力学所概括的各种关系和过程）。

这一自在的实在具有由它的“自明性”所保证的严格规范性。这种自明性只在涉及存在与意识的根本关系时才可能引起怀疑。而科学是以承认这种自明性为前提的。因此科学实际就是关于具有自明性的实在的思维重构。它必须限于处理自在的实在，因为科学的严格规范性（主要表现为逻辑性）是由实在的自明性所保证的，任何超越实在的描述都会破坏这种描述的前提。这一点对稍后关于量子力学的讨论非常重要。

上述分析表明，科学的严格规范性并非如有唯理论倾向的观点所认为的那样，是来自思维，也并非如经验论观点所认为的来自具体手段对经验表象的操作，也并不象当代某些科学哲学家所认为的纯粹出于主体间的共同约定。科学的最高规范是存在在客观实在中的，是来自客体的自明性。一切具体手段只是以这种规范为目标而去企及它。

在科学认识活动中，不论是一个思维过程还是一个实验过程，如果其中缺失了语言过程，那就什么意义都不会有。科学语言与人类思维形态固然有很大的关系，但是它们可能在一个很高的层次上有着共同的根源。就认识的高度而言，思维形态作为人类的一种意识现象，对它进行本质的追究，至少目前还不能完全放在客观实在的背景上。因此，在科学认识的层次上，思维形态完全可以被视为相对独立的东西。而科学语言则是明确地被置于实在自身这一背景之中的。这就使我们实际上可以把科学语言看作一种知识，它与系统的科学知识具有完全相同的确切性，即它首先是与实在自身相谐合，然后才以这种特殊性成为思维与对象之间的中介。这才能保证，既使科学语言所述说的科学是关于实在的确切图景，又使思维活动具备与实在相联络的手段。

科学语言作为一种知识所具备的上述特殊性，使它成为客观实在图景构成的基本要素，或科学知识的“基元”。思维形态不能独立地形成知识，但思维形态却提供某种方式，使科学语言所包含的知识基元获得某种特定的加成和组合，从而构成一种系统化的理论。这就是语言在认识中的中介作用。由于任何事物都必须“观念地”存乎人的意识中，才能为人的心智所把握，所以，在这个意义上，一个认识过程就是一个运用语言的过程。

二、数学语言

数学语言常常几乎就是科学语言的同义词。但实际上，科学语言所指的范围远比数学语言的范围大，否则就不会出现量子力学公式的解释问题。在自然科学发生以前，数学所起的作用也还不是后世的那种对科学的叙录。只是由于精密推理的要求所导致的语言理想化，才推进了数学的应用。但归根究底，数学与前面说的那种合乎客观实在的知识基元是不同的。将数学用作科学的语言，必须满足一个条件，即数学结构应当与实在的结构相关，但这一点并不是显然成立的。

爱因斯坦曾分析过数学的公理学本质。他说，对一条几何学公理而言，古老的解释是，它是自明的，是某一先验知识的表述，而近代的解释是，公理是思想的自由创造，它无须与经验知识或直觉有关，而只对逻辑上的公理有效性负责。爱因斯坦因此指出，现代公理学意义上的数学，不能对实在客体作出任何断言。如果把欧几里德几何作现代公理学意义上的理解，那么，要使几何学对客体的行为作出断言，就必须加上这样一个命题：固体之间的可能的排列关系，就象三维欧几里德几何里的形体的关系一样。〔1〕只有这样，欧几里德几何学才成为对刚体行为的一种描述。

爱因斯坦的这种看法与上文对科学语言的分析是基本上相通的。它可以说明，数学为什么会一贯作为科学的抽象和叙录工具，或者它为什么看上去似乎具有作为科学语言的“先天”合理性。

首先，作为科学的推理和记载工具的数学，实际上是从思维对实在的一些很基本的把握之上增长起来的。欧几里得几何学中的“点”、“直线”这样一些概念本身就是我们以某种方式看世界的知识。之所以能用这些概念和它们之间的关系去描绘实在，是因为这些“基元”已经包含了关于实在的信息（如刚体的实际行为）。

其次，数学体系的那种严密性其实主要是与人类思维的属性有关，尽管思维的严密性并不是一开始就注入了数学之中。如前所述，思维的严密性是由实在的自明性来决定的，是习得的。这就是说，数学之所以与实在的结构相关，只是因为数学的基础确切地说来自这种结构；而数学体系的自洽性是思维的翻版，因而是与实在的自明性同源的。

由此可见，数学与自然科学的不同仅表现在对于它们的结果的可靠性（或真实性）的验证上。也就是说，科学和数学同样作为思维与实在相互介定的产物，都有可能成为对实在结构的某种描述或“伪述”，并且都具有由实在的自明性所规定的严密性。但数学基本上只为逻辑自治负责，而科学却仅仅为描述的真实性负责。

事实正是如此。数学自身并不代表真实的世界。它要成为物理学的叙录，就必须为物理学关于实在结构的真实信息所重组。而用于重组实在图景的每一个单元，实际上是与物理学的基本知识相一致的。如果在几何光学中，欧几里德几何学不被“光线”及其传播行为有关的概念重组，它就只是一个纯粹的形式体系，而对光线的行为“不能作出断言”。非欧几何在现代物理学中的应用也同样说明了这一点。

三、物理学语言

虽然物理学是严格数学化的典范，但物理学语言的历史却比数学应用于物理学的历史要久远得多。

在认识的逻辑起点上，仅当认识论关系上一个外在的、恒常的（相对于主体的运动变化而言）对象被提炼和廓清时，才能保证一种仅仅与对象自身的内在规定性有关的语言描述系统成为可能。对此，人类凭着最初的直觉而有了“外部世界”、“空间”、“时间”、“质料”、“运动”等观念。显然，这些观念并非来自逻辑的推导或数学计算，它是人类世代传承的关于世界的知识的基元。

然后，需要对客观实在进行某种方式的剥离，才能使之通过语言进入我们的观念。一个客观实在，比如说，一个电子，当我们说“它”的时候，既指出了它作为离散的一个点（即它本身），又指出了它身处时空中的那个属性。而后一点很重要，因为我们正是在广延中才把握了它的存在，即从“它”与“其它”的关系中“找”出它来。

当我们按照古希腊人（比如亚里士多德）的方式问“它为什么是它”时，我们正在试图剥离“它”之所以为“它”的属性。但这个属性因其离散的本质，在时空中必为一个“奇点”，因而不能得到更多的东西。这说明，我们的语言与时空的广延性合若符节，而对离散性，即时空中的奇点，则无法说什么。如果我们按照伽利略的方式问“它是怎样的”时，我们正是在描绘它与广延有关的性质，即它与其它的关系。这在时空中呈现为一种结构和过程。对此我们有足够的手段（和语言）进行摹写。因为我们的语言，大多来自对时空中事物的经验。我们运用语言的主要方式，即逻辑思维，也就是时空经验的抽象和提升。

可见，近现代物理学语言是一种关于客观实在的时空形式及过程的语言，是一种广延性语言。几何学之所以在科学史上扮演着至为重要的角色，首先不在于它的严格的形式化，而在于它是关于实在的时空形式及过程的一个有效而简洁的概括，在于与物理学在面对实在时有着共同的切入点。

上述讨论表明了近现代物理学语言格式包含着它的基本用法和一个根深蒂固的传统，这是由客观实在和复杂的历史因素所规定的。至为关键的是，它必须而且只是关于实在的时空形式及过程的描述。可以想象，离开了这种用法和传统，“另外的描述”是不可能在这种语言中获得意义的。而这正是量子力学碰到的问题。

四、量子力学的语言问题

上文说明，在描摹实在时，人类本是缺乏固有的丰富语言的。西方自古希腊以来，由于主、客体间的某种相互介定而实现了有关实在的时空形式和过程的观念及相应的逻辑思维方式。任何一种特定的语言，随着时代的变迁和认识的深入，某些概念的含义会发生变化，并且还会产生新的语言基元。有时，这样的变化和增长是革命性的。但不可忽视的是，任何有革命性的新观念首先必须在与传统语言的关系中获得意义，才能成为“革命性的”。在自然科学中，一种新理论不论提出多么“新”的描述，它都必须仍然是关于时空形式及过程的，才能在整体的科学语言中获得意义。例如，相对论放弃了绝对时空、进而放弃了粒子的观念，但代之而起的那种连续区概念仍然是时空实在性的描述并与三维空间中的经验有着直接联系。

量子力学的情况则不同。微观粒子从一个态跃迁到另一个态的中间过程没有时空形式；客体的时空形式（波或粒子）取决于实验安排；在不观测的情况下，其时空形式是空缺的；并且，观测所得的客体的时空形式并不表示客体在观测之前的状态。这意味着，要么微观实在并不总是具有独立存在的时空形式，要么是人类无法从认识的角度构成关于实在的时空形式的描述。这两种选择都将超出现有的物理学语言本身，而使经典物理学语言在用于解释公式和实验结果时受到限制。

量子力学的这个语言问题是众所周知的。波尔试图通过互补原理和并协原理把这种限制本身上升为新观念的基础。他多次强调，即使古典物理学的语言是不精确的、有局限性的，我们仍然不得不使用这种语言，因为我们没有别的语言。对科学理论的理解，意味着在客观地有规律地发生的事情上，取得一致看法。而观测和交流的全过程，是要用古典物理学来表达的。〔2〕

量子力学的反对者爱因斯坦同样清楚这里的语言问题。他把玻尔等人尽力把量子力学与实验语言沟通起来所作的种种附加解释称之为“绥靖哲学”（Beruhigunsphilosophie）〔3〕或“文学”〔4〕，这实际上指明了互补原理等观念是在与时空经验相关的科学语言之外的。爱因斯坦拒绝承认量子力学是关于实在的完备描述，所以并不以为这些附加解释会在将来成为科学语言的新的有机内容。薛定谔和玻姆等人从另一个角度作出的考虑，反映了他们以为玻尔、海森堡、泡利和玻恩等人的观点回避了经典语言与实在之间的深刻矛盾，而囿于语言限制并为之作种种辩解。薛定谔说：“我只希望了解在原子内部发生了什么事情。我确实不介意您（指玻尔）选用什么语言去描述它。”〔5〕薛定谔认为，为了赋予波函数一种实在的解释，一种全新的语言是可以考虑的。他建议将N个粒子组成的体系的波函数解释为3N维空间中的波群，而所谓“粒子”则是干涉波的共振现象，从而彻底抛弃“粒子”的概念，使量子力学方程描述的对象具有连续的、确定的时空状态。

固然，几率波的解释使得理论的数学结构不能对应于实在的时空结构，如果让几率成为实验观察中首要的东西，就会让客观实在在描述中成了一种“隐喻”。然而薛定谔的解释由于与三维空间中的经验没有明显的联系，也成了另一种隐喻，仍然无法作为一种科学语言而获得充分的意义。

玻姆的隐序观念与薛定谔的解释在语言问题上是相似的。他所说的“机械序”〔6〕其实就是以笛卡尔坐标为代表的关于广延性空间的描述。这种描述由于经典物理学的某些限定而表现出明显的局限性。玻姆认为量子力学并未对这种序作出真正的挑战，在一定程度上指出了量子力学的保守性。他企图建立一种“隐序物理学”，将量子解释为多维实在的投影。他以全息摄影和其它一些思想实验为比喻，试图将客观实在的物质形态、时空属性和运动形式作全新的构造。但由于其基础的薄弱，仍然只是导致了另一种脱离经验的描述，也就是一种形而上学。

这里所说的“基础”指的是，一种全新的语言涉及主客体间完全不同的相互介定。它涉及对客体的完全不同的剥离方式，也就是说，现行科学语言及其相关思维方式的整个基础都将改变。然而，现实地说，这不是某一具有特定对象和方法的学科所能为的。

可见，试图通过一种全新的语言来解决量子力学的语言问题是行不通的。这个问题比通常所能想象的要无可奈何得多。

五、量子力学何种程度上是“革命性”的

量子力学固然在解决微观客体的问题方面，是迄今最成功的理论，然而这种应用上的重要性使人们有时相信，它在观念上的革命也是成功的。其实，上述语言与实在图景的冲突并未解决。量子力学的种种解释无法在科学语言的基础上必然过渡到那种非因果、非决定论观念所暗示的宇宙图景。这就使我们有必要对量子力学“革命性”的程度作审慎的认识。

正统的量子力学学者们都意识到应该通过发展思维的丰富性来解决面临的困难。他们作出的重要努力的一个方面是提出了很多与经典物理学不同的新观念，并希望这些新观念能逐渐溶入人类的思想和语言。其中玻恩用大量的论述建议几率的观念应该取代严格因果律的概念。〔7〕测不准原理以及其中的广义坐标、广义动量都是为粒子而设想的，却又不能描述粒子在时空中的行为，薛定谔认为应该放弃受限制的旧概念，而玻尔却认为不能放弃，可以用互补原理来解决。玻尔还希望，波函数这样的“新的不变量”将逐渐被人的直觉所把握，从而进入一般知识的范围。〔8〕这相当于说，希望产生新的语言基元。

另一方面，海森堡等人提出，问题应该通过放弃“时空的客观过程”这种思想来解决。〔9〕这又引起了量子力学的客观性问题。

这些努力在很大程度上是具有保守性的。

我们试把量子力学与相对论作比较。相对论的革命性主要表现在，通过对时间和空间的相对性的分析，建立起时间、空间和运动的协变关系，从而了绝对时空、绝对同时性等旧观念，并代之以新的时空观。重要的是，在这里，绝对时空和绝对同时性是从理论上作为逻辑必然而排除掉的。四维时空不变量对三维空间和一维时间的性质依赖于观察者的情形作了简洁的概括，既不引起客观性危机，又与人类的时空经验有着直接关联。相对论排除了物理学内部由于历史和偶然因素形成的一些含混概念，并给出了更加准确明晰的时空图景。它因此而在科学语言的范围内进入了一般知识。

量子力学的情况则不同。它的保守性主要表现在：

第一，严格因果律并不是从理论的内部结构中逻辑地排除的。只是为了保护几率波解释，才不得不放弃严格因果律，这只是一种人为地避免逻辑矛盾的处理。

第二，不完全连续性、非完全决定论等观念并没有构成与人类的时空经验相关联的自洽的实在图景。互补原理和并协原理并没有从理论内部挽救出独立存在于时空的客体的概念，又没有证明这种概念是不必要的（如相对论之于“以太”那样）。因此，量子力学的有关哲学解释看似抛弃旧观念，建立新观念，实际上，却由于这些从理论结构上说是附加的解释超出了关于实在的描述，因而破坏了以实在的自明性为保证的描述的前提。所以它实际上对观念的丰富和发展所作的贡献是有限的。

第三，量子力学内在地不能过渡到关于个别客体的时空形式及过程的模型，使得它的反对者指责说这意味着位置和动量这样的两个性质不能同时是实在的。而为了保护客观性，它的支持者说，粒子图像和波动图象并不表示客体的变化，而是表示关于对象的统计知识的变化。〔10〕这在关于实在的时空形式及过程的科学语言中，多少有不可知论的味道。

第四，人们必须习惯地设想一种新的“实在”观念以便把充满矛盾的经验现象统一起来。在对客体的时空形式作抽象时，这种方法是有效的。而由于波函数对应的不是个别客体的行为，所以大多新的“实在”几乎都是形而上学的构想。薛定谔和玻姆的多维实在、玻姆在阐释哥本哈根学派观点时提出的那种包含了无限潜在可能性的“第三客体”〔11〕，都属于这种构想。玻恩也曾表示，量子力学描述的是同一实在的排斥而又互补的多个影像。〔12〕这有点象是在物理学语言中谈论“混元”或“太极”一样，很难说对观念有积极的建设。

本文从科学语言的角度，对量子力学尤其是它的哲学基础的保守性作出一些分析，这并不是在相对论和量子力学之间作价值上的优劣判断。也许量子力学的真正价值恰恰在于它所碰到的困难是根本性的。

海森堡等人与新康德主义哲学家G·赫尔曼进行讨论时，赫尔曼提出，在科学赖以发生的文化中，“客体”一词之所以有意义，正在于它被实质、因果律等范畴所规定，放弃这些范畴和它们的决定作用，就是在总体上不承认经验的可能性。〔13〕我们应该注意到，赫尔曼所使用的“经验”一词，实际上是人类对客观事物的广延性和分立性的经验。这种经验是科学的实在图景成立的基础或真实性的保证，逻辑是它的抽象和提升。

在本文的前三节已经谈到，自从古希腊人力图把日常语言理想化而创立了逻辑语言以来，西方的科学语言就一直是在实在的广延性和分立性的介定下发展起来的。我们也许可以就此推测，对于人的认识而言，世界是广延优势的，但如果因此认为实在仅限于广延性方面，却是缺乏理由的。广延性优势在语言上的表现之一是几何优势。西方传统中的代数学思想是代数几何化，即借助空间想象来理解数的。不论毕达哥拉斯定理还是笛卡尔坐标都一样。直角三角形的斜边是直观的，而根号2不是。我们可以用前者表明后者，而不能反过来。可是一个离散的数量本身究竟是什么呢？它是否与实在的另一方面或另一部分（非广延的）相应？也许在微观领域里不再是广延优势而量子力学的困难与此有关？

如果量子力学面临的是实在的无限可能性向语言的有限性的挑战，那么问题的解决就不单单是语言问题，甚至不单单是目前形态的物理学的问题。它将涉及整个认识活动的基础。玻尔似乎是深刻地意识到这一点的。他说“要做比这些更多的事情完全是在我们目前的手段之外。”〔14〕他还有一句格言；“同一个正确的陈述相对立的必是一个错误的陈述；但是同一个深奥的真理相对立的则可能是另一个深奥的真理。”〔15〕

参考文献和注释

〔1〕〔3〕〔4〕《爱因斯坦文集》第一卷，商务印书馆，1994，第137、241、304页。

〔2〕〔5〕〔9〕〔13〕〔14〕〔15〕海森堡：《原子物理学的发展和社会》，中国社会科学出版社，1985，第141、84、82、131、47、112页。

〔6〕玻姆：《卷入——展出的宇宙和意识》，载于罗嘉昌、郑家栋主编：《场与有——中外哲学的比较与融通（一）》，东方出版社，1994年。

〔7〕玻恩：《关于因果和机遇的自然哲学》，商务印书馆，1964年。

〔8〕〔12〕玻恩：《我这一代的物理学》，商务印书馆，1964，第65、192页。

第3篇：量子力学存在的问题范文

关键词：物理本体；物理实体；量子现象；主观；客观

基金项目：国家社会科学基金项目“量子概率的哲学研究”（16BZX022）

中图分类号：N03 文献标识码：A 文章编号：1003-854X（2017）06-0054-06

一、引言

时间和空间是人类所有经验的背景。除去存在的事物，时间、空间什么也不是，不存在只有一件事物的时间、空间，时空是事物之间相互关系的一个方面。

人类通过感性经验认知的时空，称作经验时空；以科学原理和科学方法指导认知的时空是科学时空；牛顿时空、狭义相对论时空、广义相对论时空、量子力学时空，是经验时空的科学提升和科学发展，称作物理时空①。物理时空是科学时空。描述现象实体的时空是现象时空，经验时空、物理时空、科学时空均是现象时空。而未经观察的“自在实体（物理本体）”所在时空，称为“本体时空”。“本体时空”是复数的②，因此，人类实质生活在复数时空中 。作为自然人，观察者存在于“本体时空”，实时空是人类对时空认识的简化③。

主体、客体、观察信号是人类认知自然的三大基本要素④。一般“现象对观察者的主观依赖性”有其客观原因，体现观察信号的自然属性对观察者在认知中的影响。当把现象对观察者的主观依赖性转化为时空的属性后，就可以达到客观描述物质世界⑤。所谓客观描述就是理论计算与经验及科学实验结果相符。

考虑观察信号的客观作用并纳入时空理论的科学建构之中，客观描述物理现象，是物理学家的重要工作。一般，哲学认知中没有明晰“观察信号中介作用”的客观地位，不管“机械反映论”，还是“能动反映论”，都自动将其融入“反映论”理论体系，尤其是前者，往往容易导致主观唯心主义的滋生。

狭义相对论用光对时，考虑了光对建立时空的贡献；牛顿时空是对时信号速度c趋于无穷大的极限情态；考虑引力场对建立时空的影响，引力时空是弯曲的，狭义相对论的平直时空是它的局域特例。从牛顿力学到狭义相对论再到广义相对论，时空发生了变化，但主体与描述对象的关系没有变，主体对客体的描述是客观的。那么是否主体对认知对象完全没有主观影响？如果有，它如何产生，又如何消解，实现客观描述物质世界？经典力学中，人类的处理方法是通过揭示“现象对观察者的主观依赖性”及其产生机理，在不同认知领域区分描述中可以忽略的和不可忽略的，能忽略的舍弃，不能忽略的转化成时空的属性，实现客观描述；而从牛顿力学（或相对论力学）到量子力学，时空没有变化，描述对象具有波粒二象性，“量子现象的主观依赖性”更为突出。如何消解“量子现象对观察者的主观依赖性”，实现量子现象的客观描述，一直是量子力学基础讨论的热点。量子力学必须有自己的客观描述量子现象的时空⑥。

量子力学时空是闵氏时空的复数拓展和推广⑦，由此可以实现客观描述量子世界。它与相对论时空有交集，也有异域。有因必有果，反之亦然，时间与因果关系等价⑧。量子力学中的非定域性，与能量、动量量子化及量子态的突变性相关联。突变无须时间，导致因果链断裂，与因果关联的相互作用也被删除，由此引进了类空间隔。平行并存量子态的出现，是不遵从因果律的量子力学新表现；当能量、动量和相互作用变得连续，宏观时序得到恢复时，回到相对论时空，量子测量中“量子态和时空的坍缩”⑨ 是不同物理时空的转换，希尔伯特空间只是它们的共同数学应用空间⑩。

时空不是绝对的，相对时空有更广阔的含义，人类需要扩大对时空概念的认知，不同的认知层次有不同的时空对应，复数时空更为本质。人们不应该将所有领域的物理实体归于某一时空描述，或者用一种时空的性质去否定另一种时空的存在。还是爱因斯坦说得好：是理论告诉我们能够观察到什么。当然，新的实验事实又将告诉人们，理论及其对应的时空应该如何修改和发展。理论不同时空不同，时空具有建构特征。

二、时空的哲学认知与物理学描述

时空是哲学的基本概念，也是物理学的基本概念。哲学认为，时间和空间是物质的存在形式，既不存在没有时空的物质，也不存在没有物质的时空。笛卡尔指出，空间是事物的广延性，时间是事物的持续性；康德认为，时空是感性材料的先天直观形式；牛顿提出时间和空间是彼此分离，绝对不变的，强调数学的时间自我均匀流逝；莱布尼茨说，空间是现象的共存序列，时间与运动相联系；黑格尔认为，事物运动的本质是空间和时间的直接统一。休谟认为，时、空上的接近和先后关系与因果性直接相关。中国的“宇”和“宙”就是空间和时间概念，它是把三维空间和一维时间概念同宇宙密切联系在一起的最早应用{11}。

哲学具有启示作用，但时空概念如果不与人的社会实践、科学实验、科学理论及其数学物理方法相联系，就只能停留在形而上，无法上升为科学理论概念。

物理学中，空间从测量和描述物体及其运动的位置、形状、方向中抽象出来；时间则从描述物体运动的持续性、周期性，以及事件发生的顺序、因果性中抽象出来；空间和时间的性质，主要从物体运动及其相互作用的各种关系和度量中表现出来。描述物体的运动，先选定参照物，并在参照物上建立一个坐标系，一般参照物被抽象成点，它就是坐标系的原点；假定被描述物体的形体结构对讨论的问题（或对参照物的时空）没有影响，将物体抽象成质点，讨论质点在坐标系中的运动及其相关规律，这就是物理学。由此，“时空是物质的存在形式”的哲学认知也就转化为人类可操作的具体物理理论描述。

可见，时空的认知与人类的社会实践、科学实验、科学进步直接相关，离不开物理和数学方法的应用。笛卡尔平直空间、闵可夫斯基空间、黎曼空间都已作为物理学所依托的几何学，在牛顿力学、狭义相对论、广义相对论中得到了充分应用。由此，几何学被赋予了物理意义。从牛顿力学到狭义相对论再到广义相对论，时空发生了变化，但描述对象与观察者之间的关系没有变，描述是客观的，并且描述对象都可抽象成经典的粒子，采用质点模型。量子力学不同，从牛顿力学（相对论力学）到量子力学，描述量子现象的时空没有变化{12}，物理模型没有变，但量子现象对观察者有明显的主观依赖性，难以客观描述微观量子现象。深入分析，解决的办法有两种，一是更换物理模型的同时也改变物理时空，消除“量子现象对观察者的主观依赖性”，实现客观描述微观量子客体；二是改变时空的同时，保留“量子现象对观察者的主观依赖性”，将本体、认识、时空融为一体，主观纳入客观，模糊主客关系。双4维时空量子力学基础采用了第一种方法。通过场物质球模型，把点模型隐藏的空间自由度释放出来；在改变物理模型的同时，也改变了描述时空；将不是点的微观客体自身的空间分布特性，转化为描述空间的属性，客观描述量子客体。我们认为，第二种方法将主观认识不加区分地“融入时空”，有损客观性、科W性，量子力学时空必须是描述客观世界的时空。物理时空需要建构。

三、牛顿绝对时空中“现象对观察者的主观依赖性”及其“消解”

众所周知，物理学对物体运动状态的描述，理应包含参照物和被描述物体自身的时空特征，而参照物和物体自身的时空特征，必须通过观察发现。观察需要观测信号，物体运动状态及其时空特征必然带有观测信号的烙印{13}。

“物理本体”不可直接观察，我们观察到的是“物理实体”{14}。参照物与研究对象都有自己对应的物理时空，牛顿力学时空应该是两者的综合，而不应该只是参照物的时空。但是，牛顿力学中光速无穷大，在讨论物体运动时，又假设研究对象的时空结构对讨论的问题没有影响，忽略不计，于是，研究对象抽象成了质点，整个理论体系就只有与参照物联系的时空了。

任何具体物体都不会是质点。当用信号去观察它时，物体自身的时空特征与物体的运动状态与观察信号的性质、强弱和传播速度相关。质点模型忽略物体自身的几何形象及其变化，忽略运动及观察信号对物体自身时空特征的影响，参照物也不例外。在从参照物到坐标系的抽象中，抽掉运动及观察信号对参照物时空特性的影响，就是抽掉物体运动及观察信号对坐标系时空特性的影响，就是抽掉人的参与对时空认知的影响{15}。牛顿力学时空与物体运动及观察者无关，绝对不变，基于绝对不动的以太之上。所以，牛顿可以把时间和空间从物质运动中分离出来，时间和空间也彼此分割，空间绝对不变，数学的、永远流逝的时间绝对不变{16}。哲学的时空演变成了可操作的物理时空。这是宏观低速运动对时空的简化与抽象，理论与宏观经验及计算相符。

相互作用实在论认为，现实世界是人参与的世界，对一个研究对象的观察，离不开主体、客体、观察信号三个基本要素。参照物和观察对象的运动和变化及其时空属性，与观察信号的性质相关。牛顿力学中，不是没有现象对观察主体的依赖性，而是在理论的建立中认为影响很小，可以忽略不计。牛顿力学是“物理本体=物理实体”的力学{17}。这与宏观经验和科学实验相符，在宏观低速运动层次实现了主客二分，理论被看作是对客观实在的描述。牛顿力学中，物质告诉时空如何搭建描述背景，时空告诉物质如何在背景中运动。二者构成背景相关。

牛顿时空是均匀平直时空，相对匀速运动坐标系间的变换是伽利略变换。物理定律在伽利略换下具有协变性，相对性原理成立。

四、狭义相对论中“现象对观察者的主观依赖性”及其“消解”

狭义相对论建立之前，洛伦兹就认为高速运动中物体长度在运动方向发生收缩{18}。这是他站在牛顿时空立场，承认以太及绝对坐标系的存在对洛伦兹变换所作的解释。描述时空没有变，“现象对观察者出现了主观依赖性”。自然现象失去了客观性，这是一次认识危机，属19世纪末20世纪初两朵乌云之一。

狭义相对论不同，它考虑宏观高速运动中观察信号对物体时空特征的影响。爱因斯坦在“火车对时”实验中，他用“光”作为观察、记录、认知物体时空特征的信号{19}；通过参照物到坐标系的抽象，论证静、动坐标系K与K′“同时性”不同，静、动坐标系运动方向时空测量单位发生了变化；将洛伦兹所称“运动物体自身运动方向上的长度收缩”演变成坐标系时空框架的属性，还原质点模型，建立相对论力学。实现了观察者对观察对象的客观描述。

狭义相对论中质点的动量、能量、位置和时间都有确定值，质点的运动具有确定的轨迹，这一点与牛顿力学相同。

狭义相对论时空的另一重要物理意义是揭示了“物理本体”的客观实在性。

牛顿力学缺少相对论不可直接观察的静能（m0c2，m0c）对应物，物理本体=物理实体，哲学上的抽象时空直接过渡到牛顿物理时空。

狭义相对论不一样，每一个物体都有一个不可直接观察的静能（m0c2，m0c）对应物，它在任何静止参考系中都是不变量，是物理实体背后的物理本体，物理本体不变，变的是mc2、mc对应的物理实体。“物理本体”既不是形而上的（物自体），也不是形而下的（物体），是形而中的（静能对应物）。它可以认知、可以理论建构，但又不可直接观察。相对于牛顿，爱因斯坦相对论揭示了“物理本体”的真实存在性。“客观物质世界”不是思维的产物。

狭义相对论中，物质告诉时空在运动方向如何修正测量单位，时空告诉物质如何长度收缩、时间减缓。时空具有相对性。

狭义相对论时空虽然也是均匀平直时空，但由于有上述“相对时空”的出现，时空度规与欧氏时空度规有明显区别，所以称为赝欧氏时空。

但狭义相对论仍然是只考虑光及光速的有限性对建立时空的影响，没有考虑引力作用对建立时空的影响。如果考虑引力对时空的影响又如何呢？

五、广义相对论中“现象对观察者的主观依赖性”及其“消解”

广义相对论中有水星近日点进动问题和光走曲线的讨论。站在牛顿平直时空的立场，观察结果与理论计算不符。这不是仪器的精度不够，也不是操作失误，而是理论本身的问题。因为，牛顿力学也好，狭义相对论也好，讨论引力问题，引力场对参照物和研究对象时空属性的影响都没有计入其中，而留在观察者对“现象”的观察、判断之中，出现宇观大尺度“现象对观察者的主观依赖性”。如果考虑引力场使时空发生弯曲，利用弯曲时空计算水星近日点进动和光走曲线现象，“现象对观察者的主观依赖性”就变成时空的属性。“现象对观察者的主观依赖性”就得到了“消解”，观察现象与理论结果就取得了一致。这里，物质使时空弯曲，时空告诉物质如何在弯曲时空中运动。广义相对论实现了观察者对观察对象的客观描述。

广义相对论时空是弯曲的，时空度规是变化的。

六、量子力学中“现象对观察者的主观依赖性”及其“消解”

微观客体具有波粒二象性，同一个电子，通过双缝表现为波，而打在屏幕上又表现为粒子，电子集波和粒子于一身，“量子现象对观察者的主观依赖性”更为突出。经典力学中波动性和粒子性不能集物体于一身，量子力学与经典力学表现出深刻的矛盾。矛盾的产生，可能是描述微观现象的时空出了问题。量子力学的研究领域是微观世界，研究对象是微观客体，不是经典的粒子，用以观察的信号也不是连续的光，而是量子化了的光，通过光信号建立的时空应该与牛顿、相对论时空有所区别。而量子力学使用的还是牛顿时空、狭义相对论时空，时空没有变，物理模型没有变，而研究领域、观察信号和研究“对象”变了。量子力学必须有自己对应的时空，将“量子现象对观察者的主观依赖性”，转化为描述时空的属性，实现客观描述量子现象！ 双4维时空量子力学就是为实现这一目标应运而生的。

现有量子力学“量子现象对观察者的主观依赖性”之所以难以消解，与量子力学中的点模型相关。许多量子现象与点模型隐藏的空间自由度有直接联系，但点模型忽略了这些自由度对产生微观量子现象的作用和影响。我们必须将隐藏的空g自由度还原于时空，才可能正确地认识、客观描述量子现象。

可以公认，微观客体不是点{20}，是一个有形客体，有一定的空间分布，不存在确定于某点的空间位置，这是客观事实。理论上，牛顿时空几何点位置是确定的，量子力学使用的是质点模型，0 维，位置也是确定的，牛顿时空可以精确描述质点的运动。那么微观客体空间分布的不确定性如何处理？人们只好转而认为点粒子在其“空间分布”区域位置具有概率属性。微观客体自身空间分布的客观实在性在量子世界转化成了一种主观认知，赋予了微观客体“内禀”的概率属性，其运动产生概率分布，或称其为概率波。

这是一个认识上的困惑，似乎量子力学描述失去了客观实在性。这也是量子力学当今的困境。解决困难的方法是：（一）更换点模型，释放点模型隐藏的自由度，展示“这些自由度对产生微观现象的贡献”；（二）建立适合量子力学自身的时空，将释放的自由度植入其中，让“量子现象对观察者的主观依赖性”变成量子力学时空自身的属性。

双4维时空量子力学的办法是：（一）用“转动场物质球”模型取代“质点”模型，释放点模型隐藏的空间自由度；（二）将4维实时空M4（x）拓展到双4维复时空W（x，k），且将“释放的空间自由度――曲率k”作为双4维复时空的虚部坐标；（三）4维曲率坐标将量子力学赋予微观客体自身的概率属性变成量子力学复时空的几何属性，场物质球自身的旋转与运动产生物质波――物理波。

“场物质球”与“物质波”（类似对偶性假设）既是同一物理实在的两种不同描述方式，更是微观客体粒子性和波动性的统一，曲率的大小表示粒子性，曲率的变化表示波动性。场物质球的物质密度是曲率k的函数，因此，物质波既是场物质球的结构波又是场物质密度波。物质波不是传播能量，而是传播场物质球的结构或物质密度变化，可映射成实时空M4（x）的概率分布{21}，与实验结果相一致。

这样，点模型中“量子现象对观察者的主观依赖性”通过“释放的自由度”转变为时空W（x，k）的属性，物质波传播其中，量子现象是物质波所为。

研究表明，是量子测量引入的连续作用，使双4维时空W（x，k）全域转换到实时空M4（x），波动形态转变成粒子形态（“相变”），球模型转换成点模型，概率属性内在其中，物质波自动映射成概率波，数学处理类似表象变换{22}。

简言之，传统量子力学，微观客体简化成质点，描述时空不变，人的主观意识介入其中，将其空间分布特性――位置不确定性，变成点粒子的概率属性，实现描述对象从客观到主观认知的转变，具有位置不确定性的点粒子，其运动产生概率波；双4维时空量子力学，微观客体简化成场物质球，“空间分布具体化为几何曲率”，空间分布特性变成曲率坐标，仍然是从客观到客观，描述时空变成了复时空，曲率坐标在其虚部，场物质球的运动产生物质波――物理波。通过量子测量，物质波映射成概率波，球模型演变成点模型，显示概率属性，时空内在自动转换，量子现象对观察者的主观依赖性消解在建构的时空理论中。具体论证方法是：

将静态场物质球写成自旋波动形式：Ψ0=е■，描述在复空间。ω0是常数，它的变化只与自身坐标系时间t0相关，全空间分布（物理本体所在空间）。设建在“静态”场物质球上的坐标系为K0，观察微观客体从静止开始作蛩僭硕，由洛伦兹变换：

微观客体的运动速度不同，平面波相位不同。复相空间kμxμ即为物质波所在时空。物质波是物理波。

自由微观客体的速度就是建在其上惯性坐标系的速度，惯性系间的坐标变换，隐藏速度突变――“超光速”概念，因为，连续变化会引进引力场破坏线性空间。不同惯性系中平面波之间，相位不同，类似量子力学中的不同本征态。这是相对论中的情形{24}。

但是，量子力学建立其理论体系时，把上述不同惯性系中的平面波（不同本征态，每一本征态则对应一惯性系），通过本征态突变跃迁假设（量子分割），切断因果联系，形成同一时空中“同时”并存的本征态的叠加。态的跃迁不需要时间，“超光速”（非定域），将类空间隔引入量子力学时空，破坏了原有的因果关系。叠加量子态的存在，是“违背”因果律在量子力学中的新表现。

量子力学时空显然不是牛顿、狭义相对论时空，但量子力学却误认为量子跃迁引起的时空性质的变化是牛顿、狭义相对论时空中的特征，这当然会带来不可调和的认知矛盾。

同一微观客体，不同本征态“同时”并存的物理状态，从整体看，是洛伦兹协变性在量子力学中的新表现。突变区“超光速”，是类空空间，“不遵从”因果律；释放光子的运动在类光空间；而本征态自身在类时空间，微观客体运动速度不能超过光速，需保持因果律，物质波讨论的就是这一部分，就像相对论讨论类时空间物理一样。量子纠缠态将涉及到上述三种不同性质物理空间量子态的转换，有完全合理的物理机制，不需要思维的特殊作用。不过，相对论长度收缩效应，将以物质波波长在运动方向上的收缩来体现。有了双4维时空量子力学，量子力学与相对论就是相容的，光锥图分析一样适用。

相对论与量子力学的不同，关键在于认知层次发生了变化，光由连续场演变成了量子场。而我们用来观察世界的光信号直接与时空相关，光的物理性质的变化，必然带来物理空间性质的变化，带来物理模型的变化，带来量子力学时空W（x，k）与相对论时空M4（x）之间的区别，带来对物质波――物理波的全新认知。我们预言，物质波有通讯应用价值{25}，但与量子力学非定域性无关。

《双4维复时空量子力学基础――量子概率的时空起源》的理论实践表明，我们的工作是可取的{26}。结论是，量子力学中，物质告诉时空如何具有概率属性，时空告诉物质如何作概率运动。量子现象对观察者的主观依赖性消解在对应的时空理论之中，实现了观察者对量子现象的客观描述。

双4维时空是描述量子现象的物理时空，时空度规，无论实数部分，还是虚数部分，都是平直的{27}。

近年来，由于量子通讯技术的飞速发展，量子纠缠的物理基础引起了人们的特别关注，波函数的物理本质，量子力学的非定域性讨论十分热烈。“量子现象对观察者的主观依赖性”更是讨论的核心。人们甚至被量子现象的奇异性迷惑了，特别是，有科学家甚至认为：“客观世界很有可能并不存在”。世界是人臆造出来的？科学实在论者当然不能赞成！更加深入的探讨，我们将另文讨论。

按照曹天予的评论，《双4维复时空量子力学基础――量子概率的时空起源》值得关注{28}。双4维复时空与弦论、圈论比较，最大优点是将时空拓展、推广到了复数空间，数学没有那么复杂，而物理学基础却更加坚实、清晰。

七、结论与讨论

1.“现象对观察者的主观依赖性”普遍存在于人与自然的关系之中，融入时空的只能是物理实体对时空有影响的部分，时空具有建构特征。

2. 物质运动与时空的关系：牛顿力学中，物质告诉时空如何搭建运动背景，时空告诉物质如何在背景上运动；狭义相对论中，物质告诉时空如何修正测量单位，时空告诉物质如何在运动方向长度收缩、时间减缓；广义相对论中，物质告诉时空如何弯曲，时空告诉物质如何在弯曲时空中运动；量子力学中，物质告诉时空如何具有概率属性，时空告诉物质如何作概率运动。

3. 量子力学时空是平直的，其方程是线性的，而广义相对论时空是弯曲的，其方程是非线性的{29}。量子力学与广义相对论的统一，不能机械地凑合，它们的统一，必须从改变时空的性质做起，建立相应的运动方程，并搭起非线性空间与线性空间的相互联络通道。

注释：

① 赵国求：《双4维时空量子力学基础》，湖北科学技术出版社2016年版，第5页；Cao Tian Yu， From Current Algebra to Quantum Chromodynamics： A Case for Structural Realism， Cambridge： Cambridge University Press， 2010， pp.202-241.

② Rocher Edouard， Noumenon： Elementaryentity of a Newmechanics， J. Math. Phys.， 1972， 13（12）， pp.1919-1925.

③④⑥⑦⑩{13}{15}{17}{21}{22}{24}{25}{27} w国求：《双4维时空量子力学基础》，湖北科学技术出版社2016年版，第5、105、9、147、179、94、133―136、106、151、151、159、152、149页。

⑤ 主观与客观：“客观”，观察者外在于被观察事物；“主观”，观察者参与到被观察事物当中。 辩证唯物主义认为主观和客观是对立的统一，客观不依赖于主观而独立存在，主观能动地反映客观。

⑧ L・斯莫林：《通向量子引力的三条途径》，李新洲等译，上海科学技术出版社2003年版，第29―33页。

⑨ 张永德：《量子菜根谭》，清华大学出版社2012年版，第29页；赵国求：《双4维时空量子力学基础》，湖北科学技术出版社2016年版，第178页。

{11} 冯契：《哲学大辞典》，上海辞书出版社2001年版，第1579―1582页。

{12} 参见L・斯莫林：《物理学的困惑》，李泳译，湖南科学技术出版社2008年版。

{14} 相互作用实在论中的基本概念：（1）物质：外在世界的本原。（2）基本相互作用：遍指自然力，有引力，电磁、强、弱等力。（3）自在实体：指未经观察的“自然客体”（相互作用实在论中，自在实体作为物理研究对象时称物理本体）。（4）现象实体：经过观察，系统的、稳定的、深刻反映事物本质的理性认知物。现象则表现自在实体非本质的一面。（相互作用实在论中，现象实体作为物理研究对象时称物理实体）。（5）观测信号：人类认知世界使用的探测信号。

{16} 参见伊・牛顿：《自然哲学之数学原理宇宙体系》，武汉出版社1996年版。

{18} 参见倪光炯等：《近代物理学》，上海科学技术出版社1980年版。

{19} 参见A・爱因斯坦：《相对论的意义》，科学出版社1979年版；爱因斯坦等：《物理学的进化》，周肇威译，上海科学技术出版社1964年版。

{20} 坂田昌一：《坂田昌一科学哲学论文集》，安度译，知识出版社2001年版，第140页。

{23} 参见Guo Qiu Zhao， Describe Quantum Mechanics in Dual 4d Complex Space-Time and the Ontological Basis of Wave Function， Journal of Modern Physics， 2014， 5（16）， p.1684；赵国求：《双4维时空量子力学基础》，湖北科学技术出版社2016年版，第149页。

{26} 参见Guo Qiu Zhao， Describe Quantum Mechanics in Dual 4d Complex Space-Time and the Ontological Basis of Wave Function， Journal of Modern Physics， 2014， 5（16）， p.1684；赵国求：《双4维时空量子力学描述》，

《现代物理》2013年第5期；赵国求、李康、吴国林：《量子力学曲率诠释论纲》，《武汉理工大学学报》（社会科学版）2013年第1期。

{28} 曹天予：《当代科学哲学中的库恩挑战》，《中国社会科学报》2016年5月31日。

第4篇：量子力学存在的问题范文

关键词：空间；时间；质量；能量；科学技术

物理学是一门既古老又年轻的自然科学，它对现代科学技术的发展起着重要的作用。物理学和其他自然科学一样，是研究自然界中物质运动的客观规律的科学。细分起来物理学大致经过了四个发展阶段。

1 物理学的发展过程

1.1 宏观低速阶段

研究宏观低速的理论是牛顿力学，研究对象为宏观低速运动的物体。例如：汽车、火车的运动，地球卫星的发射。在牛顿力学中，牛顿认为：质量、时间、空间都是绝对的。也就是说，对于时间来讲不存在延长和收缩的问题，即时间是在一秒钟，一秒钟地或一个小时，一个小时地均匀流失。对于空间和质量来讲也不存在着变大或变小的问题。牛顿力学的三大定律，就是在这样的基础上建立的。

1.2 宏观高速阶段

研究宏观高速的理论是爱因斯坦的相对论力学，爱因斯坦在1905年发表了论文相对论力学。爱因斯坦认为空间、质量、时间都是相对的。并且找出了动质量和静质量之间的关系：其中m0为静质量；m为动质量。

1.3 微观低速阶段

其理论是薛定谔，海森堡两个创立的量子力学。研究对象为分子、原子、电子、粒子等肉眼所看不见的物质。

1.4 微观高速阶段

理论是量子场论，研究对象为宇宙射线，放射性元素。例如“镭”。量子场论就是粒子通过相互作用而被产生，湮灭或相互转化的规律。例如：通过对天外射线射向地球宇宙射线的研究发现“反粒子”，即电子的反粒子正电子。负电子与正电子相互作用湮没——转化为二个γ光子，例如“闪电”。

2 物理学与工程技术的关系

物理学与工程技术有着密切的关系，他们之间是相互促进共同发展的。我们平时常说科学技术，实际上科学和技术是两个不同的概念。科学解决理论问题，而技术解决实际问题。科学是发现自然界当中确实存在的事实，并且建立理论，把这些理论和现象联系起来。科学主要是探索未知，而技术是把科学取得的成果和理论应用于实际当中，从而解决实际问题。所以技术是在理论相对比较成熟的领域里边工作。科学与工程技术相互促进的模式主要有以下两种。

2.1 技术——物理——技术

例如：蒸汽机的发明和蒸汽机在工业当中的应用形成了第一次工业革命——热力学统计物理——蒸汽机效率的提高，内燃机，燃气轮机的发明。这一次主要是这样：由于蒸汽机的发明，在当初工业应用上，出现了很多应用技术的问题。例如蒸汽机发明的初期热效率很低，大概不到5%。这样，就对物理提出了很尖锐的问题。那就是热机的效率最高能达到多少？热机的效率有没有上限？上限是多少？再一个就是通过什么样的方式来提高热机的效率？由于这些问题就促进了物理学的发展，正是在这些问题解决的过程当中，逐渐形成和建立了热力学统计物理。而热力学统计物理很好地回答了提高热机效率的途径，以及提高热机效率的限度等等这些理论上的问题。

2.2 物理——技术——物理

例如：

①电磁学——发电机，电力电器，无线电通信技术——电磁学；电磁学从库仑定律的发现，以及法拉第发现电磁感应定律，直到1865年麦克斯韦建立电磁学基本理论，这些都是科学家在实验室里边逐渐形成的，这都是理论建立的过程，而这些理论应用于实际就发明了电动机、发电机等其它电器以及无线电通信技术，而这些实用技术的进一步发展又给电磁学提出来了许多需要解决的实际问题。正是这些问题的逐步解决，使得电磁学更加的完善和在理论上进一步得到了提高。

②量子力学，半导体物理——晶体管超级大规模集成电路技术，电子计算机技术，激光技术——量子力学，激光物理；量子力学是20世纪初期为了解决物理上的一些疑难问题而建立起来的一种理论，这种理论应用于解决晶体的问题就形成了半导体技术，而半导体技术的进一步发展就发明了大规模集成电路和超大规模集成电路，而超大规模集成电路的发明是产生电子计算机的主要物质基础，而正是由于电子计算机技术的发展又向量子力学提出了一些其他更加深刻需要解决的问题，而这些问题的解决就促进了量子力学的进一步发展和完善。

③狭义相对论，质能关系E=mc2， E=mc2——原子弹及核能的利用——核物理，粒子物理，高能物理；狭义相对论是20世纪初期爱因斯坦建立的一种理论，他是为了解决电磁学等其他物理学科上的一些经典物理当中理论上的一些不协调和不自恰这样一种矛盾而提出的一种理论，这种理论当中有一个很重要的理论结果，那就是质能关系E=mc2，E=mc2。而这种质能关系被我们称为打开核能宝库的钥匙，这一理论结果的应用直接导致了或者指导了核能的应用，而对于核能的进一步应用又提出了许多新的问题，而这些新问题的进一步解决使得理论更加完善而得到进一步提高，从而形成像核物理，粒子物理，以及高能物理等等，那么实际技术上问题的解决又进一步促进了物理学的发展。

3 结语

应该说物理和技术有着密切的联系，物理原理及理论的初创式开发和应用都形成了当时的高新技术，物理学仍然是当代高新技术的主要源泉。所有新技术的产生都在物理学中经历了长期酝酿。例如：1909年卢瑟福的粒子散射实验——40年后的核能利用；1917年爱因斯坦的受激发射理论——1960年第一台激光器的诞生等，整个信息技术的产生、发展，其硬件部分都是以物理学为基础的。

参考文献：

[1]张启仁.经典场论 [M] .北京 ：科学出版社 ，2003.

[2]井孝功.量子力学 [M] .哈尔滨 ：哈尔滨工业大学出版社，2004.

[3]关洪.空间：从相对论到 M理论的历史[M].北京 ：清华大学出版社 ，2004.

第5篇：量子力学存在的问题范文

【关键词】量子模型 最优组合选择 金融投资

一、引言

金融市场是一个庞大而复杂的系统，对金融市场的研究的历史已经很长，过去的金融学家认为金融市场是一个随机市场过程，在这种随机环境下，如何进行最优的资源配置，以实现最有效的目标，获得高效、方便实用的投资组合，不管对于个人投资者还是大型的金融投资机构都是必不可少的。随着经济全球一体化步伐的加快，可以投资的资产种类日益繁多，交易方式也日趋多样化，这些都会对最后预期的总财富产生一定的影响。因此，当金融市场的这种不确定环境变得越来越复杂的时候，人们对投资组合选择的深入研究，才具有更加重要的理论意义和现实意义。

19世纪初，Bachelier就开始研究金融市场的理论体系。但是金融市场系统的理论研究是从20世纪50年代初期开始的，1952年Markowitz发表了资产组合选择理论，1964年Sharpe建立了资产定价模型，之后1973年Black和Scholes与Merton期权定价理论以及1976年Ross的套利定价理论等，他们所应有的工具基本上是经典理论中的一些方法，之后现资组合的研究大部分都是围绕Markowitz投资组合理论而展开的。随后量子理论从不同角度被引进到金融问题的研究中来。1998年Ilinksi采用量子场理论来描述了金融市场的动态变化，他运用场理论推导了资产价格和资金流动的速度随时间演化的方程。之后，Schaden做了进一步的研究，他他运用市场投资者持有的总资产数和总现金作为基矢来构造金融市场的状态空间，金融市场的不确定性由态矢迭加原理来刻画。然后，陈泽乾教授从量子力学的角度用Maxwell-Boltzm统计重新推导了著名Cox-Ross-Rubinstei期权定价公式，还用量子力学中的Bose-Einstein统计得到了一个全新的期权定价公式。这些都表明在理论上存在着关于金融市场的和谐的“量子理论”――量子金融。

二、单期资本市场中量子模型下的最优组合问题

在数学上，量子是用复Hilbert空间来描述的，假设单期金融市场遵循某种量子统计规律，可由量子概率空间（Cn，ρ，B+S）来描述，其中ρ代表一个定态，B代表无风险资产，S代表风险资产。假设该金融市场有d+1种长期证券，其中第0种证券为无风险证券，另外d种证券为风险证券，一般情况下，我们把这个金融市场经济记为（B，S）市场，其中S=（S1，S2，…，Sd）。

假定单期资本市场（B，S）是由一种无风险的证券价格B=（B0，B1）和d种风险证券价格S=（S0，S1）构成的，其中B0>0，S0>0，并且B1=B0R，S1=S0A，R>0，A是一个自伴算符列，且Aj满足Ak=■λjkEjk，k=1，2，…，d，Ejk是Ak取值λjk的投影算子。

下面我们就来运用马科维茨资产组合理论来研究量子金融市场的最优组合选择问题。

假设投资者投资于风险证券的比例为ωj（j=1，2，…，d），根据马科维茨模型中的假设条件，我们可以写出约束条件：ω0=1-ωT1，其中1=（1，1，…，1）T。若给定收益b，其期望收益为：ωT（μ-R1）=b-R

风险资产组合的方差为：σ2（ωTA）=ωT∑ω

金融市场中的投资者所要求的最优投资资产组合必须要满足下面条件之一：

（1）在预期收益水平确定的条件下即ωT（μ-R1）=b-R，求使得风险最小的ω。

（2）在风险水平确定的情况下σ2（ωTA）=ωT∑ω=σ，求使得收益最大的ω。

这两个线性规划问题是等价的，都能得到最优的投资组合选择。下面对条件（1）用数学语言表示出来：min■ωT∑ω

s.t. ωT（μ-R1）=b-R

对ω求偏导数得：ωb=■ （1）

此时，资产组合的方差为：σ2（ωTA）=■

（1）式可以表示为在（b，σ）平面上的两条直线，但是向下倾斜的直线是没有研究价值的，因为金融市场中理性的投资者根本不可能选择在同等风险下收益较小的证券投资组合。因此（1）式可以变形为下述直线：b=R+σ■ （2）

（2）式表明，如果量子金融市场存在无风险的资产，且在证券组合投资收益为b的条件下，风险最小的投资组合的风险为σ，则（b，σ）满足（2）式，即（b，σ）在一条直线上。换句话说，在这种条件下，满足最小方差的证券组合是存在的，与之相对应的证券组合就是最小方差证券组合。

综上所述，如果在量子金融市场中存在无风险资产时，那么在给定证券组合收益的情况下，我们所求得的最小方差证券组合，其标准方差与收益满足同一直线方程。这一直线的经济意义很明显，单个资产或组合资产的期望收益率由风险测度指标标准差来决定;风险越大收益率越高，风险越小收益率越低。因此，我们不能轻易下结论说随即模型完全可以反映金融市场的不确定性，在一个量子金融概率空间中，我们用自算符来描述金融资产的价格变化，也许更符合金融市场资产价格的演化规律，从而让我们的金融投资组合选择更加精确，更加合理有效。

参考文献：

[1]Feynman R P等著，张邦固等译.量子力学与路径积分[M].科学出版社，1986.

[2]李树德.量子金融（英文版）[M].世界图书出版社，2000.

第6篇：量子力学存在的问题范文

一、凝聚态物理的重要性

凝聚态物理主要从两个方面体现其重要性：一方面体现为与相邻学科（如粒子物理学）之间在概念、方法、技术等方面的渗透，促进材料科学、能源科学、环境科学等交叉学科的发展，并日益显现出其强大的发展潜力。另一方面为研发和制备新型材料提供了强有力的理论数据和实验支持，同时也为开发和拓展新领域提供了极具实用性的科学理论依据。

二、凝聚态物理的主要研究方向

随着交叉学科的发展和技术需求的提高，凝聚物理的研究范围更加广阔，技术要求更加精密。凝聚态物理的主要研究方向有以下几种。

1.软物质物理学

软物质概念于1991年提出，也称为复杂液体。软物质一般是由大分子或基团组成的，介于固体和液体之间的物相。一些常?的物质，如液晶、胶体、膜，生命体系物质诸如蛋白质、DNA、细胞等，都属于软物质。和由内能驱动的硬物质不同，软物质的组织结构变化主要由熵驱动，变化过程中内能的变化很微小。

2.宏观量子态

宏观量子态是指用量子力学来描述宏观体系的状态，如超导中的电子库珀对。宏观量子态具有典型的量子力学性质，当前宏观量子态领域研究的重点为耗散现象和退相干现象。

3.介观物理与纳米结构

介观是指介于宏观和微观之间的体系。介观物理学所研究的物质大小与纳米科技的研究尺度有很大重合，所以这一研究方向也常称之为“介观物质和纳米科技”。

4.固体电子论中的关联区

凝聚态物理的前身――固体物理学研究的核心问题，就是固体中的电子行为。固体中的电子行为可根据电子间相互作用的大小分为三个区域，分别是强关联区、中等关联区和弱关联区。现今研究固体电子论的大部分学者研究方向都是强关联系统。

三、凝聚态物理的主要研究现象及其理论依据

目前凝聚态物理的主要研究现象有超导、光谱、弱相互作用、磁性研究（微磁学、铁磁学、相图、磁阻、巨磁阻抗效应等）、多向异性、子晶格、态密度、能隙、强关联、激发态、量子通信、冷原子、霍尔效应等。

凝聚态物理所用的理论依据主要源于相变与临界现象的理论，成熟完备的量子力学则是其坚定可靠的理论基石，在这两种理论之下，凝聚态物理根植于相互作用的多粒子理论。凝聚态物理的前身――固体物理学中的一个重要理论依据是能带理论。目前来说一些常用的理论方法有很多，比如蒙特?卡洛方法、波尔茨曼模型、分子动力学模拟、伊辛模型、有效场、平均场，等等。

四、目前凝聚态物理研究取得的一些成就

第7篇：量子力学存在的问题范文

【关键词】记忆 认知 量子认知

人类认知领域和量子力学的相似性源于：调查对象与调查过程的不可分离性。我们无法在原子行为和与之有交互作用的测量仪器之间给出清晰的分界，仪器定义了原子行为出现的条件。在心理学中，通过调查个体的情绪认知状态来反映个体状态；社会科学中，通过观察个体在选择中的偏好来反映他的偏好。量子力学，特别是它的数学形式体系，旨在应对认识论的挑战：我们怎样才能了解一个随我们对它的了解而改变的系统。本文在承认神经元层次物理作用的同时，将传统物理力学无法解释的部分带进了量子理论范畴。

一、认知整体是不断建构的

大脑记忆的形成基础是对外界信息的接收，即对原始意识信息的感知。这些意识信息是记忆形成的必要条件。对于意识信息如何在大脑中被存储，已成为研究记忆形成的关键。在量子认知的模型中，记忆存储被看成是一种量子存储。对可存储的意识信息而言，量子计算存储更符合意识信息片段式接收模式，以及大脑对信息的存储庞杂性和低耗能的要求；量子纠缠可以解释意识信息的容错性和不确定性；众多生物科学研究的结果为大脑中量子活动产生的可能性提供了支持。

微观粒子行为所表现出来的概率性、不确定性与人类认知、决策有相似之处，它的运动极易被情景影响。认知信息并不处于一个固定的状态，它受到不同时间、不同地点等外界环境因素的影响，在认知的进化过程中不断进行修正与丰富，同时，个体的内省式观察也是影响认知信息变化的重要因素。当下情境的记忆受到相关记忆点的纠缠影响，各时间点的记忆共同构成了当下提取出的记忆信息，因此在这个意义上各时间点的记忆是一个完整的整体。而认知整体在相关情境以及提取过程中不断重新建构，对过去信息的回忆作为整体认知信息的部分具有整体的特征。

二、第一进程影响下的认知

认知系统在量子认知中被认为是多种概率性可能的组合，认知变量在被测量前不需要赋值，而赋值也仅仅是一种可能性，当且仅当观察者测量的时候系统才会从组合态坍缩为单一态。这就像薛定谔的猫，虽然测量之前是无序的混乱状态，但这些不确定在一定的概率下却是最终结果的必要条件，有序和规律来自无序。测量的主体无法是系统本身，否则系统确定则与量子的不确定性相违背。因此测量来自系统之外，超越系统，是绝对自由的，称为第一进程（process 1）。冯纽曼将第一进程视为个体意识中为达成某种特定回馈的意向，代表人类的心灵，量子物理被认为是用以解释连接心灵与物理世界的通道。心灵是绝对自由的，但人却不能成为神，这是受到量子芝诺效应[ 量子力学认为测量会改变被测量的系统。古希腊哲学家芝诺曾提出一个飞矢不动的悖论，根据这个悖论，在量子测量中当观测频繁到一定程度时量子体系会表现出芝诺效应，一个系统被连续不断的测量，那么它将是不变的、不衰减的。图灵认为，“假如一个系统处于某种特征状态之下，现在每秒对这个系统进行N次测量，那么即便这个状态是不稳定的，当N趋向无穷大的时候，系统状态发生变化的概率是零，也就是测量可以消除运动”。]的限制。物理学家E.C.G.Sudarshan 和R.Misra将量子测量中类似矢不动悖论的现象被称为“量子芝诺效应”。根据量子芝诺效应，测量的次数达到无穷多时，测量结果的概率性将消除。

仅规定“是”“否”两个答案，其中“是”是期待回馈，个体仅提出问题，答案根据指定统计规律自然选择。回答者不设定答案，而是根据提问逐渐形成答案。在测量过程中已经确定的意识状态不会因自由意志再发生变化，前后问题的回答必须保持逻辑一致性。假设某一提问得到“是”，接着在原始状态“是”演变的连续性时间尺度上进行相似的快速提问，根据量子动态规则，这些提问的答案很大可能上为“是”。在缺乏这种一系列快速的意向性提问时，原始状态将迅速转化为不同状态。在这个例子中，量子随机性的加入使意识的意向有效性被消除，无序形成了有序，即提问的不确定最终将答案确定下来。在这些答案的统计变化中量子规律形成强力趋势消除了问题选择带来的有效影响。在此，个体控制着问题的提出，对答案进行测量的问题即第一进程，那么我们可以假设心理因素对物理世界具有潜在的影响力。

冯纽曼认为一个人的经验生活是一连串的意识经验，个体所经历过的经验事实会转变为意识信息存储于大脑。个体经历过的经验自我是意识经验的一部分，经验自我为意识的关注焦点提供了背景支持。他区分了第一进程干预和机械化的第二进程，第二进程在没有第一进程干预时影响物理系统的演化。第二进程提出了对经典理论的量子化过程，它在没有任何观察系统的干预下对物理系统的演化进行具体说明。依据确定的第二进程机械化演化的人体的大脑必然会在持续演化中产生存在大量重叠和冲突的模糊行为模板，而非一个单一的清晰界定的行为模板。第一进程从这些混乱的可能性中提取出一对非此即彼的可能性，分别被称为“是”和“否”。如果答案为“是”并且包含一个可形成对问题快速重新界定的积极评价因素，那么量子芝诺效应可以将这个积极评价转变为积极行动。对量子芝诺效应性质的应用会促进物种生存。由这个量子模型所引起的意识作用力的物理功效可以合理地解释我们的大脑怎样及为何会以可以利用量子芝诺效应的方式进化。

第二进程下大脑产生未经个体意向性参与引导的混乱信息，个体无法决定这些信息的产生，下一个意识产生之前无法对头脑中的信息做出预测。心灵在审视自我意识时，正如对这些信息进行测量，不同审视角度决定不同意识的产生，不断进行相同角度的审视则可能得出同样的意识。个体可以决定产生怎样的意识，大脑中存在不为主体所知的绝对自由意识。在主体观测之前并不能自我表征，意念投射的方向决定了意识产生的种类，大脑会集中处理所需信息，排除干扰信息，意向是意识的能量来源。在被主体意向投射之前各类信息混沌自处，提取后的模糊信息只有在不断进行有意向性的测量后才能最终确定下来。人类生活环境的复杂性使个体无法预知自身未来的具体意识，被经验环境所决定的个体又可以控制自身意识，这样个体将察觉到的意识当作世界本身。

三、结语

人类认知的量子模型为人类认知和人类行为打开了全新的视角。首先，它引起对认知的整体模型的研究：认知不可以被完全分解为它的最简组成部分，而是以整合系统运作。再者，这意味着人类认知是不断进化的，受到同外部世界的交互作用以及其内部作用（如内省）的持续影响。这样就为我们研究认知提供了一个内在语境的、可塑性的模型，它不具有确定的特征，而是在与环境的交互作用中逐渐形成。量子力学成功解释了微观系统中的一些问题，用量子力学的概念和形式为认知研究的发展提供了新的可能和启发是人类认知过程中的巨大进步。

【参考文献】

[1]Daniel L. Scharcter.The Seven Sins of Memory：how the mind forgets and remembers[M].Mariner Books，2002：272.

第8篇：量子力学存在的问题范文

[关键词]计算材料学；综合教学；课程起源

[中图分类号] G40-011 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2016）08-0155-02

一、前言

计算材料学是一门正快速发展的材料科学与计算机科学交叉的新兴学科，它能够利用相应计算方法对材料的组成、结构、性能进行设计与模拟；广泛涉及材料、物理、计算机、数学、化学等多门学科。[1]可以说，计算材料学是材料学理论和实验的桥梁连接。[2]学习计算材料学能让学生进行模拟实验，使学生养成在制备材料前从理论上设计新材料并预测其性质的良好思路。

作为材料类专业的重要课程，我们在教学过程中存在着不少的问题：1.具有计算材料学研究背景的师资力量欠缺；2.授课方法单一、枯燥，课堂效果不好；3.实践条件的欠缺很难保证教学效果。为了提高计算材料学课程的教学质量，使学生更好地掌握材料设计和性能预测的基本能力，我们结合存在的问题和教学改革的实践，对计算材料学的课程教学提出一些改革方法。

二、了解起源，培养兴趣

计算材料学是一门十分抽象、理论性极强的课程，书中理论众多并伴随着数不清的陌生的符号、公式和注释，这往往让学生在学习过程中望而却步。传统的计算材料学教学通常是让学生在课后反复操练习题，以至可以灵活应用这些公式定律来解题。结果不言而喻，学生往往知其然，而不知其所以然，很难提起学习的兴趣。因此，授之以鱼，还得授之以渔，在教学过程中追本溯源，将理论的来龙去脉讲述清楚，教给学生创造的思维和方法显得更为重要。

计算材料学不仅蕴含着复杂的变量、方程和实验方法等知识，而且还充满了疑问，这些疑问把学生带入充满曲折的探索之旅。所以，在计算材料教学中将课程重点和难点融为一体，可以在不知不觉中起到“润物细无声”的独特效果。

计算材料学课程教改的目标是转变教学理念，让学生懂得计算模拟的起源、材料计算设计的基本方法和基本内容以及与之相关的计算材料的前沿知识，引入与之相关的计算模拟案例介绍，从而使其具有一定的理论素养，培养其科学的态度、方法和精神。

三、引入抛锚式教学模式，提高课堂质量

抛锚式教学也称实例式教学，是由美国温特贝尔特大学匹波迪教育学院开发的一种教学模式。其要求学生在某种类型个案的实际环境中去感受和体验问题，而不是听经验的间接介绍和讲解。真实的感受案例或情境，可以激发学生兴趣，引导学生观察和思考，形成一种探索与研究的习惯。

根据课程的特点，适当选择讲述一些有关课程的起源与发展的案例，使其自然地融入课堂。再结合教材内容“见缝插针”，让学生理解重要定理、公式是怎么来的，为什么要这么命名，相关定理、公式背后都有哪些有趣、有意义的故事，使学生产生一种情景记忆，而不是死记硬背，从而引导学生对知识点进行深入的学习和挖掘。

以本课程中的量子力学基础为例，详细介绍量子力学的发展历程可以让学生更好地理解量子力学的基本意义和它对于学好计算材料学的重要作用。如利用信息技术创设一个量子力学发展历程的故事或一段经历，用一根主线将求解量子力学波函数问题融入情境故事或经历中，使学生趟着主线求解复杂的问题。见表1：[3] [4]

围绕相关原理、公式如不确定性原理、薛定谔方程等，开发可共享的经验，展开教学活动，使学生掌握态矢量、波粒二象性和量子测量等概念知识，老师在学生获得概念知识的初始阶段需要提供较多的指导。创造机会使学生拥有更多的自进行独立探究或小组探究，围绕求解薛定谔方程所做的近似求解思想和方法，查找或探究相关的隐藏或缺失的信息。

运用知识作为问题求解的工具。学生运用相关定理、公式中隐含的信息或线索，积极制订解决问题的计划。为此，学生需要先探究一些问题，以确定辅助解决整个问题的补充信息。教师们应该根据实际情况，将计算材料软件如CASTEP、VASP和Abinit等引入教学中，使学生有接触解决实际问题的工具的机会。同时，教师们更需要了解学生的理解能力、决策能力和推理能力，从而更好地为学生的问题求解提供“脚手架”。

制订一套整合相关原理、公式的教学方案。引导学生们阅读更多学科知识的内容，共同探究相关的故事，使学生们沉浸在相关的模拟情境中，从而加深对概念知识的理解并整合不同学生的概念知识，在潜移默化中培养学生的知识迁移能力。

共同分享所学内容。学生们将他们对相关原理、公式问题和拓展性问题探究结果呈现出来，从不同角度探讨解决综合问题的策略，深层次地理解学习内容，从而为学习共同体作出贡献。[4]

四、以史为鉴，培养科学精神

科学精神包括探索精神、求真精神、民主精神、实践精神和怀疑批判精神等等。中国的应试教育使得广大学生太相信书本和教师，摧残了学生批判性思维能力，因此在教学中可结合一些计算材料学的历史，加强学生批判思维能力的培养。

例如，在计算材料学课堂中引入爱因斯坦对薛定谔、德布罗意等的观点提出质疑的案例。[5]

爱因斯坦在1924年对泡利反对连续区理论的观点上发表示了“完全的因果性”的看法，针对玻尔关于辐射的波动在本质上是几率波的假设而评论：“玻尔关于辐射的意见是很有趣的。但是，我决不愿意被迫放弃严格的因果性，将对它进行更强有力的保卫。我觉得完全不能容忍这样的想法，即认为电子受到辐射的照射，不仅它的跳跃时刻，而且它的方向都由它自己的自由意志去选择。”

爱因斯坦对“量子力学仅可建立在可观察量的基础上”这一观点也提出异议。1926年春天，他在海森堡的一次谈话中，提出了“是理论决定我们能够观察到的东西”的观点。

通过学习计算材科料学史，可以引导学生去发现和认识公式、方程的产生。如引导学生思考：从薛定谔方程产生到解决过程中真正创造了些什么？哪些思想、方法代表着薛定谔方程相对于以往的实质进步？科学工作者在求解薛定谔方程遇到瓶颈时，成功创造了近似求解的方法，这种方法可以从微扰理论到变分理论再到密度泛函理论，这不仅体现了量子力学理论的一大进步，更体现科学工作者对寻求真理的孜孜不倦的精神。[6]通过对计算材料科学史的学习，可以锻炼学生的创造性思维，同时学习薛定谔为追求真理，而百折不挠、义无反顾、献身科学的精神，感受薛定谔治学严谨、刚正真诚、淡泊名利的风范和人格魅力。

五、结论

计算材料学作为一门新兴科学，是材料类专业人才培养中的重要基础课程。然而在教学过程中由于师资力量薄弱、教学方法单一、研究对象复杂、实践条件有限等问题，使学生的学习兴趣低下、教学效果不明显。我们在教学过程中应运用科学发展过程中蕴藏的丰富的教育资源，通过讲授学科起源、发展以及应用的案例，使学生了解知识的形成过程，同时引入抛锚式教学模式将一个个真实生动的科学形象，融入日常课堂教学之中，从而提高课堂教学质量。同时，应有意识地加强计算材料学发展史的讲授，使知识、原理和规律变得生动而鲜活，更使学生的科学思想、科研方法、科学精神、科学态度和科学素养等得到熏陶和培养。

[ 注 释 ]

[1] 张跃，谷景华，尚家香.计算材料学基础[M].北京：航空航天大学出版社，2007.

[2] （德）D・罗伯，项金钟，吴兴惠.计算材料学[M].北京：化学工业出版社，2002.

[3] 许良英.爱因斯坦文集[M].北京：商务印书馆，1977（1）.

[4] （美）J・梅拉H・雷琴堡.量子理论的历史发展[M].北京：科学出版社，1990.

第9篇：量子力学存在的问题范文

关键词:经典相对论;宇宙学;量子引力;概念解释;形而上学

正如巴特菲尔德和厄尔曼编撰的《物理学哲学》一书所言，近半个世纪以来，物理学哲学充满活力有两个重要的原因，第一是与所分析的科学哲学的形成期相关，第二则是近半个世纪以来物理学自身的研究有关。也正因此，在物理学哲学发展的进程中，其研究的论题和研究方法也随着科学哲学和物理学自身的论题和方法进行着改变。在很长一个历史时期内，物理学哲学曾经关注经验物理学领域，物理学哲学的探讨与对客观性、真理性以及科学合理性的辩护分不开。而在当前宇宙学、量子引力发展的前沿时刻，《物理学哲学》一书体现了当代物理学哲学研究的新特点。本书与以往物理学哲学书籍最大的不同之处就在于，在以往物理学哲学著作往往重点讨论统计物理学、相对论和量子力学的哲学问题的基础上，增加了新的领域:“这些支柱的结合”———量子引力，并运用决定论和对称性这两个“能架起联结物理学理论间(甚至三大支柱间)鸿沟的桥梁”的主题，把最终的讨论由具体引向一般，从而让我们看到两个结论:第一，物理学哲学和物理学之间并不存在清晰的界限。第二，物理学概念的复杂化，想要借由物理学去丰富哲学，并非容易。本文主要就书中的“经典相对论”、“宇宙学中的哲学问题”和“量子引力”等内容进行分析，指出它们所揭示的物理学概念解释的新特征以及物理学理论理解的新特征。

一相对论、宇宙学和量子引力哲学概要

巴特菲尔德在引言中指出，数学的相对论者在不断深化我们对广义相对论基础的理解。大卫•马拉蒙特的“经典相对论”［1］一文就明显具有这样的特点，并不讨论经典相对论的历史发展及其实验依据，而是以微分几何的语言，从概念和形式化的角度对相对论的结构以及相对论引发的一些基础问题进行了分析和讨论。首先从描述相对时空的结构开始，相对论的弯曲时空是一类几何模型(M，gab)表示的相对时空，其中M为一个平滑的连续的四维流形，gab是M中的一个平滑的半黎曼度规。其中每个模型都代表一个与理论的约束条件相容的可能世界。M可以解释为世界中点事件的流形，而gab的解释则关乎四个物理学解释性原理，由点粒子和光线的行为决定，由此把引力和时空几何效应等同起来。当粒子只受到引力作用时，它的轨迹为弯曲时空的测地线。而任何质量粒子的加速度即偏离测地线的轨迹，由引力以外的力决定。马拉蒙特详细地描述了gab的解释性原理和限定条件。在此基础上分析了本征时间、某一点的空间时间分解及粒子动力学、物质场、爱因斯坦方程、类时曲线的汇与“公共空间”、基灵场与守恒量等内容。经典相对论中所有发生的事件都可以用物质场F表示，为时空流形M中的一个或者多个平滑张量或旋量，满足包含gab的场方程。Tab为与F相关的能量－动量场，时空的弯曲受物质分布的影响，任意区域的时空度规和物质场会发生动力学相互作用，遵循爱因斯坦方程。在专题讨论部分，关于闵可夫斯基时空中的相对同时性的地位，试图还原爱因斯坦定义同时性对标准关系选择的特定背景;关于牛顿引力理论的几何化，将引力化的牛顿理论与爱因斯坦相对论进行了结构上的对比;关于时空的整体“因果结构”，关注了什么程度上时空的整体几何结构能够从其“因果结构”中得到。“宇宙哲学中的问题”［2］的作者是乔治•F．R．埃利斯。宇宙学哲学的部分在书中起着承上启下的作用，因为一方面，宇宙学哲学的研究基于爱因斯坦广义相对论引力理论时空曲率和宇宙的演化由物质决定的思想，用广义相对论描述宇宙远古时期之后的演化;另一方面，由于在黑洞以及宇宙大爆炸初期物质高密度状态下无法忽略引力问题，因而无法避免引力理论。总的来说，整篇文章把当代宇宙学看作是观测宇宙学、物理宇宙学、天文宇宙学与各种形式的量子宇宙学共生共长、互惠互补的综合理论系统，想要给出一个“描绘真实宇宙起源和演化的理论”。主要内容分为两大部分，第一部分为宇宙学概论，包括基本理论、热大爆炸、宇宙观测、因果和可视世界、理论的发展、暴胀、极早期宇宙、一致性模型等内容，并澄清了关于宇宙暴胀和超光速等问题的一些误解。在埃利斯看来，“宇宙学正在由一种猜测性的事业向真正的科学转变，这不仅带来了与科学革命相近的多种哲学问题，也使得其他哲学问题更加紧迫，例如关于宇宙学中的说明和方法等问题。”因此文章第二部分进行的问题讨论围绕这些说明和方法问题展开，讨论了宇宙的唯一性、宇宙在空间和时间上的巨大尺度、早期宇宙中的无约束能量、宇宙起源的解释问题、作为背景存在的宇宙、宇宙学明确的哲学基础、有关人类的问题:生命的精细调节、多元宇宙存在的可能性和存在的本质等九大问题。在此过程中，埃利斯提出了34个论点，关涉到这9个问题的方方面面，包括人择原理和多重宇宙存在的可能性等。这些论述关乎几何学、物理学和哲学，它们构成了宇宙学面面临的哲学问题的环境及其与局域物理学之间的关系。埃利斯期望通过这一系列讨论改变人们认为宇宙学只不过是确定一些物理参数的简单看法。“量子引力”［3］一文的作者是卡罗尔•罗韦利，内容大致可分为四个方面。第一，量子引力的研究方法，包括早期的历史和方向、目前的主要尝试性理论等。量子引力的早期思想可以概括为“用一个理论来描述引力的量子特性”。期间出现的第一种方法是罗森菲尔德等人的“协变化”方法，通过引入一个虚构的“平坦空间”来考虑周围度规的微小涨落，并且运用电磁场中的方法来对这些波进行量子化;第二种是伯格曼等人的“正则化”方法，研究和量子化整个广义相对论的哈密顿函数，而不只是量子化其围绕平坦空间的线性化函数;第三种是米斯纳等人的路径积分方法。目前主要的尝试性理论主要介绍了基于协变化方法发展起来的弦理论和基于正则化方法发展起来的圈量子引力理论以及它们之间的争论。第二，关于量子引力研究方法论问题。指出量子引力研究的理由包括经验数据的缺乏和对引力是否应当量子化的思索。分析了当前量子引力研究中的各种态度以及科学知识的累积性和科学哲学的影响。第三，空间和时间的本质，包括广义相对论的物理意义、背景无关性、时间的本质等。第四，与其他未决问题之间的关系，包括统一、量子引力学的解释宇宙学常数、量子宇宙学等等。这些章节的详细内容不是本文的重点，我们想要做的，是分析作者的研究方式所代表的当代物理学哲学研究的视野和方法的转变。本书的研究方式明显地具有两个特征:第一个特征关乎物理学概念的解释:物理学的概念解释脱离不开数学形式化下的整体系统;第二个特征关乎新的物理学理论的理解:在理论的发展中处处显示物理学和形而上学的交织统一。这两个特征与这些物理学研究领域实验检验的缺乏以及理论构造的特征密切相关。

二物理学概念解释的新特征:数学形式化整体系统中的关联解释

巴特菲尔德相信当前基本物理学中的基础问题会为物理学哲学提供从最为有趣且最为重要的问题，而我们关注的是本书处理这些基础问题的方式。虽然从章节上来看，物理哲学的论题被划分为若干个领域，但从内容上，完全可以看到作者的用心，站在当代数学物理学发展的高度用整体微分几何等数学语言对物理学系统进行重新形式化和解释，每一章节的紧密联系使得物理学作为一个整体系统得以呈现。其中对每一个物理概念解释的细节，正是物理学哲学追求的基础问题的答案。可以说，概念解释居于本书的核心地位，物理学哲学解释问题的最重要的方式就是处理当代物理学中的概念和解释问题。

(一)物理学概念的解释:我们理解世界的基础

物理学的发展时时刻刻影响着人们对世界的理解方式，其途径就是物理学概念的解释。经典物理学、相对论和量子力学曾极大地改变我们对世界的看法，它们在经验上的有效性曾经强化过我们对科学理论客观性和真理性的观点，也曾让很多物理学家追求理论的实用性而认为有些基础性的问题毫无意义。但当前宇宙学和量子引力理论的提出，使人们重新注视广义相对论和量子力学的不相容性的时候，从广义相对论以来的一些基础性问题和哲学问题得以重新复兴。相对论为我们宇宙的时空结构确定了一类几何模型，其中每个模型都代表了一个与理论的约束条件相融的可能世界或区域。而我们对时空的理解涉及整体时空结构和爱因斯坦方程的约束条件等等。宇宙学和量子引力的研究则让我们明白，改变我们对空间和时间的理解的广义相对论是在可以忽略引力的量子特性时对引力进行描述的场理论，那么真正的空间和时间的本质又是如何呢?我们对宇宙起源的理解绕不开量子引力方法的尝试，但这种尝试要受到很多约束，比如成熟量子引力理论的缺乏、量子力学基础问题，比如测量问题、波函数的塌缩问题等。现在人们期望得到的成功量子引力的路径基于目前理论的发展，比如惠勒－德维特方程和宇宙波函数思想、来自弦论思想的高维时空方法，或者圈量子引力的应用等。但这些问题是否能真正解决宇宙起源的问题却并没有确切的答案，比如维兰金的创生虚无的真理论的理解要依赖于量子场论的精致框架和粒子物理学标准模型等很多结构，而这些基础本身也是需要解释的。可以说，我们理解世界的基础就在于我们用于理解它的那些概念的意义。

(二)概念解释的新特点:数学形式化下整体系统中的关联解释

巴特菲尔德在经典力学的辛约化中指出，经典力学的核心理论原理已经被欧拉、拉格朗日、哈密顿和雅可比等改写，“我们已经认不出来了，因此对它们的哲学反思也发生了变化。”因此引入辛几何、李代数等语言对理论进行形式化，旨在利用辛约化理论使连续对称和守恒量之间产生联系的特征，从理论结构上显现经典力学与量子物理学的联系，这是运用数学形式化系统展现物理学理论的对称性本质。相对论、宇宙学和量子引力哲学部分，情况也是如此。整本书是站在当代数学发展的高度，运用拓扑学、群理论和微分几何等重新形式化物理学的整个体系，并对其概念进行剖析的一个过程。而对基本问题的理解，则建立在概念剖析的基础之上。在这些文章中，理论发展的历史状况和实验成果，只是系统阐释整个理论概念和解释的背景而已。作者们的重点则放在用数学领域的发展和物理学理论形式化的诉求，促进对物理学理论结构的探索，进而把论题转化为对其哲学问题的探讨。理论的形式化体系、概念结构和物理学解释是有机地结合在一起的。在牛顿引力的几何化中，也是站在当代物理学和数学发展的高度，重新形式化作为相对论弱场近似的牛顿理论，得到与广义相对论类似的数学结构，正是在这个意义上，才能够好地发现两个理论在何种条件和何种程度上是相符的，又在何种条件和何种程度上是区别的。在这个形式化的整体系统中，对于物理概念的解释不再是孤立的解释，而是站在理论的数学结构的高度，成为一个整体系统中的关联解释。这在很大程度上突出了物理学哲学中语义分析方法的重要性，因为没有完全独立的概念，物理学的概念定义之间互相依赖，只有在一个系统的语义结构中才能理解概念的意义。如普斯洛斯在这套爱思唯尔哲学手册的《一般科学哲学》一书中所言:“理论解释的唯一方式就是把它嵌入到同类概念的框架中，并尝试着解开它们的相互关联。”［4］

(三)旧概念重新解释的意义:还原理论创立过

程中概念选择的特定背景在物理学的发展中，每一次理论创新和进步都伴随着新概念的提出或旧概念的重新解释，站在理论发展的角度考虑，这样的解释会让我们更好地理解物理学理论的提出、发展和变迁的合理性。比如蒙特在经典相对论一文中对闵可夫斯基时空环境下相对同时性关系的重新考虑。蒙特指出，当相对于一个四维速度矢量将一点上的矢量分解为“时间”和“空间”分量进行讨论时，我们理所当然地相信包含正交性的相对同时性的标准认同。在解释这种认同的理由时，根据方便在闵可夫斯基时空结构即狭义相对论体系下进行分析。他援引霍华德•斯坦的论述，指出采用相对同时性的标准(ε=1/2)的惯例是需要特定背景的。在他们看来，爱因斯坦是为了解决我们无法检测到地球相对于以太的运动而采取的解决方案，以一种特定的方式(ε=1/2)来思考同时性，但如果并非从爱因斯坦最初的思路来考虑，而是从一个成功理论的高度来理解它，把相对论视为是针对时空结构不变性的论述时，其意义就完全不同了。这在很大程度上还原了爱因斯坦对同时性做出的“定义”中挑选出来的这种标准关系的实质，它可能并非一种自然的存在，而是理论选择的特定需要，还原这个过程，对我们更好地理解理论和概念的本质有着重要的意义。

(四)新理论的概念澄清:科学进步的必然现象

物理学史上每一个新理论的诞生都会引起旧的概念的澄清，量子引力就是个很典型的例子。量子引力是对空间和时间本质的探索，它引导我们重新思考关于时间、空间、“在某处”、运动和因果观测者的地位等很多问题。作为试图把广义相对论和量子理论结合的理论，我们需要以历史的眼光重新追问。我们都知道，广义相对论改变了我们对牛顿独立于物质运动的绝对空间和时间的理解。量子力学则用我们关于运动的一般性理论替代了经典力学，并改变了物质、场和因果性的观念。但量子力学的外在时间变量和量子场论静止的背景时空都是和广义相对论不相容的。而广义相对论中引力场被假设为一个经典决定论的动力学场，无法处理小尺度引力的量子特性。因此，想要把二者进行结合的量子引力就遇到了困难。正因为如此，罗韦利直言尽管基础物理学在经验上有效，但它正处于一种深刻的概念混乱的状态。虽然20世纪后半叶，物理学注重实用而忽略了这些基本问题，但量子引力告诉我们这些基本问题必须得到新的答案。但问题的澄清并没有一条唯一明确的路可以走，超弦理论和圈量子引力在假设、成就、具体结果以及概念框架上都有着显著的不同，但它们都有自己的代价，弦理论的思想基础是为了消除广义相对论的微扰量子化的困难，保留了量子场论的基本概念结构，其代价之一是放弃广义相对论的广义协变性。圈量子引力植根于描述广义相对论的协变性，但它的代价是忽略了理论的不完备性，放弃了幺正性、时间演化、基本层次上的庞加莱不变性以及物理学对象是在空间中局域化的且在时空中演化的概念。可以看出的是，新理论澄清概念的过程是科学理论进步的必然现象，而这一过程是通过分析在描述世界结构时所产生的概念上的困难来对以往科学的研究框架予以质疑或辩护，这涉及的是对世界本质更深刻的哲学和形而上的思考。

三物理学理解的新特征:物理学和形而上学的交织统一