量子力學基礎原理精選(九篇)

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第1篇：量子力學基礎原理范文

乍看,題目好象哲學的。不屑哲學,只談物理。

大量研究表明,目前為止的實驗已經給出物質世界準確信息,物理學重要任務之一就在于找出這信息并揭示其內在規律。遺憾的是,目前為止的理論(無例外)均未能如此。然而國內外學界卻一致認為理論物理大廈框架——《量子力學》已經建成,剩下只是裝修和美化了。

但經本文研究表明,《量子力學》對一些基本物理學問題的實質并不清楚,往往似是而非。然而《量子力學》卻娓娓動聽、夸夸其談,實則以其昏昏使人昭昭!請看事實:

1.1 關于“量子化”根源問題。

微觀世界“量子化”已被證實,人們已經公認。但接踵而來的就是“量子化”根源問題,又機制怎樣?這本是物理學根本任務之一。已有的理論包括愛因斯坦、玻爾、量子力學都未能回答。然而量子力學家們卻置這本職任務于不顧,翩翩起舞與數學喧賓奪主、相互玩弄!

就是說,《量子力學》是在未有弄清量子化根源前提下侈談“量子”的“科學”。其結果只能使原子結構憑空量子化,量子化則成為無源之水,無本之木。這就是目前物理科學之現狀!

可有人,例如一位量子力學教授辯論時說:“量子化是電子自身固有屬性,陰極射線中的電子能量也是量子化的”。

雖然,這量子力學家利用了“微小量子”數學“極限”概念進行詭辯,顯得很聰明,但卻誤了人類物理學前程!

不可否認的事實是:陰極射線中的電子、X射線韌致輻射電子、高能加速器中電子或其它自由電子能量都連續可變,決不表現量子化!這無疑表明量子化不是電子自身固有屬性。那末,原子結構中能量量子化必有其它原因。顯然這是基本物理學問題,作為理論物理又是非弄清不可的問題。其它科學例如數學,由于任務不同尚可不必關心量子化根源問題。然,作為理論物理決不可以!本文如下將準確具體討論量子化根源問題以及物質世界又怎樣量子化的,并給出8位數字有效精度與實驗完全相符的計算結果。 1.2 理論與實踐關系問題

既然憑空將電子能量量子化,就難免臆造之嫌,所以《量子力學》就下意識往實驗上靠――“符合”試驗。然而,既下意識就難免拙劣,請看事實:

世界著名理論物理第六冊——《量子力學》(文獻 [1]) 中著:“量子力學,可建立于數個基本假定上,大體上這些基本假定分屬兩大項……,兩項的假定便構成一量子力學完整系統”。

這明確表明,量子力學就是建立在基本假定上的(種種猜測)。“科學學”研究還表明:任何建立在基本假定上的東西都不可能是科學!然而量子力學家們卻娓娓動聽說:“量子力學是建立在實驗基礎上的科學”。這不是彌天大謊么?!

文獻 [1] 在建立對易關系:

pq -qp = (?/i)E ――――――――― (1)

時說:“這是一基本假定”。并告誡人們:“不可懂”!就是說(1)式不能用任何數學——物理方法導出,即:不否認這是一種猜測。然而,(1)式就是昭著世界的“波動方程”的基礎,也就是量子力學的理論基礎。

所以確切地說,量子力學就是建立在基本假定上的種種猜測。這分明表現的是量子力學家們主觀意識!

研究表明,量子力學所謂實驗基礎,首先在于德布羅意“物質波”理論。認真研究表明,物質波究竟是什么?德布羅意本人未有弄清,后人至今仍未弄清,又怎能說“建立在實驗基礎上”呢?!

研究表明,量子力學的實際過程是:德布羅意對自然現象進行一次連他自己也弄不清的抽象(猜測)(以下證明),提出“物質波”概念。量子力學對這不清的概念又進行一次抽象(猜測)(以下證明),提出“波函數”(Ψ)概念,并且通過一種算符將其作用到一個基本假定即(1)式上,便鑄成了著名的“波動方程” ——量子力學的理論基礎:

(h2/2m)2Ψ + (E-V)Ψ = 0 ――――― (2)

由于量子力學憑空引進“波函數Ψ”,實際上就賦予了電子神奇性質。正是這種神奇性質使得量子力學具備了非凡詭辯能力。

1.3 量子力學詭辯倫理

1.3.1 關于理論基礎詭辯

以上及以下討論都證明,量子力學是,由于缺乏了解,錯誤地估計了試驗(以下嚴格證明),用了錯誤的基本假定(不能由任何合理方法導出)而形成的,錯誤理論。然而量子力學家們卻口口聲聲:“量子力學是建立在實驗基礎上地科學”。這分明是在詭辯,再加上社會意識,量子力學又具備了狡辯能力。 1.3.2 關于物質波的狡辯

對于“物質波”概念,量子力學 [1] 應用了三個基本假定:其一假定“對易關系”即(1)式,由此構成量子力學骨架;其二假定“測不準原理”,由此編造了電子“幾率云”圖像;其三假定“波粒互補原理”,這種原理本身就是一種詭辯,因為“波粒二象性”問題目前仍屬困難不解的世界性難題。于是量子力學精心泡制出“波函數Ψ”并強加給電子。經如此之假定,電子便具備了神奇性質——量子力學家們的主觀意識。

然而“波函數”的物理意義究竟是什么?量子力學家們著實應向人們交代清楚,遺憾的是任何學家都未能如愿。實際上對波函數Ψ的真實物理意義,量子力學家們也只是:你知、我知、天知、地知,凡人不可知。這分明是狡辯理論!

如果需要,量子力學(文獻 [1])首先拿出:

2πa=n ―――――――――――――― (3)

很明顯式中 2πa是粒子中心軌跡。于是說,物質波是粒子軌跡波動。此說極易征服初學者,但此說問題也易敗露。量子力學立即改變說法,言(3) 式系近代物理概念,對此不能用經典概念理解。于是又出現:

1.3.3 關于“經典”與“近代”狡辯

量子力學經常炫耀是近代科學理論,已經超脫經典,又不時貶低經典理論。

然而,以下討論完全證明:量子力學除了主觀臆造因素外,完全沒有離開經典物理一步,也未超出經典物理一點,就連波函數 Ψ 的表達式(無例外)也完全是經典數學和經典力學關系式,并且以下用不可否認的事實——量子力學所犯經典錯誤,表明量子力學連經典理論也不通。所以,量子力學所謂超脫經典,正在于一些基本假定連同主觀臆造。在此種意義上說,量子力學不僅超脫經典,而且也超脫科學! 1.3.4 量子力學方法論狡辯

確切說,量子力學不能給波函數 Ψ 做出完整的真實物理學定義,但在理論中卻輪番使用: ①波函數 Ψ 表示粒子中心軌跡波動;②波函數 Ψ 表示粒子出現幾率;③波函數 Ψ 表示彌撒物質波包三種概念。有了三種概念,又可各取所需,自然一切物理問題都“迎刃而解”了。

然而,量子力學同時又“有權”輪番否定這三種概念。但卻不是自我否定,而是另一種需要——否定其它理論,其中包括真理。要指出的是,量子力學輪番使用三種概念,又輪番否定這三種概念,并不是在同一時間同一地點進行的。因為應用一種概念的同時又否定這種概念,這是賣矛又賣盾的故事,連兒童都知道是蠢事。顯然量子力學家比兒童高明得多,這叫認識方法狡辯。

似這樣,在哲學面前,用“建立在實驗基礎上”量子力學可以蒙混過關;其它科學由于研究任務不同,不會關心“量子化”根源,又由“領地”限制也無權過問波函數的真實意義;量子力學又可各取所需輪番應用和輪番否定①、②、③三種概念。于是,量子力學便以狡辯贏得了世界理論權威!

1.4 關于“符合”試驗問題

以下將證明,量子力學所謂符合實驗,實際上系對實驗的猜測。量子力學很善于做貌似合理實則謬誤的猜測(以下揭示),并美其名曰“符合”試驗。其實,對實驗的真實物理過程并不清楚,又何談相符呢?請看事實:

基于玻爾理論的成功,量子力學作兩項重要推廣。 心理學原因,人們對這種推廣又愿意接受。然而卻出現本質性原則錯誤,請看:

1.4.1 量子力學推廣(一)

由于氫原子的試驗電離能與玻爾理論真實能級相近,于是量子力學推廣為:

試驗電離能 = 原子真實能級 ―――――――――― (4)

將該式推廣到多電子原子中顯然很省力氣,但這是嚴重錯誤。請看氦原子事實:

試驗(文獻[1])測得氦原子兩個電離能,這里分別用 E1,E2 表示為:

E1= 1.80(Rhc) = 24.58(ev) ―――――――― (5)

E2= 5.80(Rhc) = 79.01(ev) ―――――――― (6)

量子力學[1]認為這就是氦原子的兩個真實能級。

若用 E玻 表示類氫氦離子基態能玻爾理論值,則

E玻 = 54.42(ev) ――――――――――――― (7)

顯然下式成立:

E2 = E1+ E玻 ―――――――――――――― (8)

該式明確表明 E2 不是氦原子的真實能級,因為其中包含有 E1 ,即第一電離能。

那么,實驗值 E2 即(8)式表示什么物理內容呢?

研究表明:要使氦原子第二電子電離,儀器必先付出能量 E1=24.58(ev) 先使第一電子電離,這好比代價,氦原子于是變成類氫氦離子,其基態能為 E玻=54.42(ev)。要使它電離,儀器必須再付出與 E玻 相等的能量,才能使第2電子電離。那么儀器付出總能量必為 E2=E1+E玻,這就是氦原子電離實驗真實過程,由此不難結論:

1.4.2 據電離實驗本文結論

電離實驗結論一:氫原子及類氫氦離子玻爾理論值正確。

電離實驗結論二:目前電離能實驗值 ≠ 原子真實能級。

電離實驗結論三:所有元素最低能級皆為其類氫離子能級,不存在比這更低的能級。 然而量子力學(文獻[1]、[3])卻競相用“微擾法”、“變分法”乃至用修正核電荷方法逼近計算這氦原子的“能級”E2 :

E2= 5.80(Rhc) = 79.01(ev) ―――――― (9)

第2篇：量子力學基礎原理范文

關鍵詞:量子力學;量子測量;偏振

中圖分類號:O413．1 文獻標識碼:A 文章編號:1000-0712(2016)03-0005-03

量子力學是近代物理學的基礎，并且其應用領域已延伸至化學、生物等許多交叉學科當中，這一課程已成為當今大學生物理教學中一個極為重要的組成部分．由于量子力學主要是描述微觀世界結構、運動與變化規律的學科，微小尺度下的許多自然現象與人們日常生活經驗相距甚遠，量子力學的概念有悖于人們的直覺，難以被初學者接受．如果在教學中能夠結合具體的物理實驗，從現象到本質引導學生思考，就可以使抽象的量子概念落實到對具體實驗現象的歸納總結上來．偏振光實驗是一個現象直觀而且學生容易操作的普通物理實驗，在學生掌握的已有知識基礎上，進行新內容的教學，符合初學者的認知規律．利用光的偏振現象來闡述量子力學基本概念已被一些國內外經典教材采納，如物理學大師狄拉克所著的《量子力學原理》［1］，費因曼所著的《費因曼物理學講義》［2］，曾謹言教授所著的《量子力學卷1》［3］，趙凱華、羅蔚茵教授合著的《量子物理》［4］等教材．在本文中，筆者結合自己的教學體驗，著重從可觀測量和測量的角度來考慮問題，在以上經典教材的基礎上，進一步整理和挖掘光子偏振所能體現的量子力學基本概念．從量子力學的角度對偏振實驗現象進行分析，使同學們對態空間、量子力學表象、波函數統計解釋、態疊加原理等量子力學概念有一個直觀形象的認識，領會量子力學若干基本假定的內涵思想．最后，從量子角度分析了一個有趣的偏振光實驗，加深學生對量子力學基本概念的理解，并展示了量子力學的奇妙特性．

1偏振光實驗的經典解釋

如圖1(a)所示，沿著光線傳播的方向，順次擺放兩個偏振片P1、P2．光束經過P1后變為與其透振方向一致且光強為I0的偏振光．兩偏振片P1和P2的透振方向之間夾角為θ，由馬呂斯定律可知，透過偏振片P2的光的強度為I0cos2θ．按照經典的光學理論，此現象可理解如下:在一個與光傳播方向垂直的平面內選定一個xy平面直角坐標系，這里為了描述問題的方便，選定x軸沿P2的透振方向．如圖1(b)所示，透過偏振片P1的光電場矢量E可分解為兩個分量:沿x方向振動的電場矢量Ex和沿y方向振動的電場矢量Ey．偏振光照射到P2偏振片時，投影到y方向的電場矢量被吸收，投影到x方向的電場矢量透過，振幅增加了一個常數因子cosθ，因而強度變為原來的cos2θ倍，這正是馬呂斯定律所給出的結果．

2偏振光實驗體現的量子力學概念

下面我們由偏振光的實驗現象出發，引出量子態、態空間等量子概念，并用量子力學的語言來描述單個光子與偏振片發生相互作用的過程，討論在多個光子情況下的量子行為與馬呂斯定律的一致性．

2．1量子態

從實驗得知，當線偏振光用于激發光電子時，激發出的光電子分布有一個優越的方向(與光偏振方向有關)，根據光電效應，每個電子的發射對應吸收一個光子，可見，光的偏振性質是與它的粒子性質緊密聯系的，人們必須把線偏振光看成是在同一方向上偏振的許多光子組成，這樣我們可以說單個光子處在某個偏振態上．沿x方向偏振的光束里，每個光子處在|x〉偏振態，沿y方向偏振的光束中，每個光子處在|y〉偏振態．假設我們在實驗中把光的強度降到足夠低，以至于光子是一個一個到達偏振片的．在圖1所示的例子中，通過P1偏振片的光子處在沿P1透振方向的偏振態上，如果P2與P1透振方向一致(θ=0)，則此光子完全透過P2，如果P2與P1透振方向正交(θ=π/2)，則被完全吸收．如果P1與P2透振方向之間角度介于兩者之間，會是一種什么樣的情形，會不會有部分光子被吸收，部分光子透過的情況發生，但是實驗上從來沒有觀察到部分光子的情形，只存在兩種可能的情況:光子變到量子態|y〉，被整個吸收;或變到量子態|x〉，完全透過．下面我們用量子力學的語言來描述單個光子與偏振片發生相互作用的過程，引入量子測量、態空間、表象、態疊加原理、波函數統計解釋等量子概念．

2．2量子測量、態空間、表象

單個光子與偏振片發生相互作用的過程，可以看成是一個量子測量的過程，偏振片作為一個測量裝置，迫使光子的偏振態在透振方向和與其相垂直的方向上作出選擇，測量的結果只有兩個，透過或被吸收，透過光子的偏振方向與透振方向一致，被吸收光子的偏振方向與透振方向垂直，可見光子經過測量后只可能處在兩種偏振狀態，這正是量子特性的反應．在量子力學中，針對一個具體的量子體系，對某一力學量進行測量，測量后得到的值是這一力學量的本征值，我們稱它為本征結果，相應的量子態坍縮到此本征結果所對應的本征態上，所有可能的本征態則構成一組正交、規一、完備的本征函數系，此本征函數系足以展開這個量子體系的任何一個量子態．很自然，我們在這里把經過偏振片測量后，所得到的兩種可能測量結果(透過或吸收)作為本征結果，它們分別對應的兩種偏振狀態，此兩種偏振狀態可以作為正交、規一、完備的函數系，組成一個完備的態空間，任何偏振態都可以按照這兩種偏振態來展開，展開系數給出一個具體的表示，這就涉及到量子力學表象問題．在量子力學中，如果要具體描述一個量子態通常要選擇一個表象，表象的選取依據某一個力學量(或力學量完備集)的本征值(或各力學量本征值組合)所對應的本征函數系，本征函數系作為正交、規一、完備的基矢組可以用來展開任何一個量子態，展開系數的排列組合給出某一個量子態在具體表象中的表示．結合我們的例子，組成基矢組的兩種偏振狀態取決于和光子發生相互作用的偏振片，具體說來是由偏振片的透振方向決定．在具體分析問題時，為了處理問題的方便，光子與哪一個偏振片發生相互作用，在數學形式上，就把光子的偏振狀態按照此偏振片所決定的基矢組展開，這涉及到怎么合理選擇表象的問題．

2．3態疊加原理、波函數統計解釋

以上簡單的試驗也可以作為一個形象的例子來說明量子力學中的態疊加原理．態疊加原理的一種表述為［5］:設系統有一組完備集態函數{φi}，i=1，2，．．．，t，則系統中的任意態|ψ〉，可以由這組態函數線性組合(疊加)而成(1)另一種描述為:如果{φi}，i=1，2，．．．，t是體系可以實現的狀態(波函數)，則它們的任何線性疊加式總是表示體系可以實現的狀態．在我們的例子中，任何一個偏振片所對應的透振態和吸收態構成完備集態函數，任何一個偏振態都能夠在以此偏振片透振方向所決定的基矢組中展開，參照圖1所示，通過偏振片P1的偏振態可以在以偏振片P2透振方向所決定的基矢組{|x〉，［y)}中表示為(2)相反，|x〉、|y〉基矢的任意疊加態也都是光子可能實現的偏振態．量子力學還假定，當物理體系處于疊加態式(1)時，可以認為體系處于φi量子態的概率為|ci|2．從前面的分析我們知道，當用偏振片P2對偏振態|P1〉進行測量時，此狀態隨機地坍縮到|x〉偏振態或|y〉偏振態，坍縮到|x〉偏振態的概率為cos2θ，也就是單個光子透過偏振片的概率，多次統計的結果恰好與馬呂斯定律相對應，這充分體現了波函數的概率統計解釋．

3典型例子

在教學中我們可以引入一個有趣形象的例子，進一步加深對量子力學基本概念的理解．如圖2(a)所示，一束光入射到兩個順序排列的偏振片上，偏振片P3的透振方向相對于偏振片P1的透振方向順時針轉過90°角，我們不妨在一個與光傳播方向垂直的平面內選定一個xy平面直角坐標系，P1的透振方向沿x軸，P3的透振方向沿y軸．光通過偏振片P1后變成光強為I0的偏振光，偏振方向與偏振片P1透振方向平行，但與P3的透振方向垂直，則光完全被偏振片P3吸收，不能透過．下面我們將看到一個有趣的現象，在偏振片P1和偏振片P3間插入一個偏振片P2，其透振方向在P1和P3之間，這時光竟可以透過P3偏振片．對此試驗，我們可由馬呂斯定律給出經典的解釋．我們不妨設P2的透振方向相對于P1順時針轉過45°角，通過偏振片P1后，變為光強是I0的偏振光，且偏振方向與P1透振方向一致;再通過偏振片P2后，光強變為I0/2，偏振方向沿順時針轉過45°角，與偏振片P2透振方向一致;最后通過偏振片P3后，光強進一步減弱為I0/4，偏振方向又沿順時針改變45°角，與偏振片P3透振方向一致．可以看到一個有趣的現象，雖然介于偏振片P1和P2間的光束其偏振方向與偏振片P3的透振方向正交，但最后透過偏振片P3的光束其偏振方向卻恰恰沿偏振片P3的透振方向，這正是中間偏振片P2所起的作用．下面用我們前面分析偏振光與偏振片相互作用過程中，所建立起來的量子概念給出具體解釋．取直角坐標系xy，x軸沿偏振片P1的透振方向，基矢組為{|x〉，［y)};由偏振片P2的透振方向所決定的基矢組為{|x'〉，［y')}，其透振方向沿x'方向，如圖3所示，兩組基矢之間的關系可表示為(3)由偏振片P3所決定的基矢組仍為{|x〉，|y〉}，不過透過的光子處在|y〉基矢態．光子透過偏振片P1后，其偏振狀態處在|x〉態，由式(3)，此狀態可以按P2的基矢組展開為(4)根據式(4)，經過P2偏振片的測量，光子有1/2的概率坍縮到|x'〉態，光子透過P2，有1/2的概率坍縮到|y'〉態，光子被吸收．由式(3)，|x'〉態在由偏振片P3所決定的基矢組同樣展開為3的測量下，偏振狀態發生改變，有1/2的概率坍縮到|y〉態，透過偏振片，有1/2的概率坍縮到|x〉態，被偏振片吸收，總體來說透過偏振片P1的光子有1/4的概率透過偏振片P3，與經典的馬呂斯定律相一致．特別注意到光子透過偏振片P1后，狀態為|x〉態，與|y〉態正交，沒有|y〉態的組分，但光子透過偏振片P3后卻正處在|y〉態，這充分體現了測量可以使量子態改變的量子假定，展示了量子測量的奇妙特性．

4總結

結合對偏振光實驗的量子解釋，我們分析了若干重要的量子力學概念．但嚴格說來，光子的問題不屬于量子力學問題，只有在量子場論中才能處理．采用光子的偏振情形來討論某些量子概念，理論上雖稍欠嚴謹，但如上文所述，確實能夠直觀形象地反映量子力學中的若干基本假定，使抽象的量子力學概念落實到對具體實驗的分析中來，易于被初學者接受，我們不妨在學生開始學習量子力學時引入此例，有助于學生理解抽象的量子概念，領會量子力學的思維方式．

參考文獻:

［1］狄拉克．量子力學原理［M］．北京:科學出版社，1966．

［2］費因曼．費因曼物理學講義［M］．上海:上海科學出版社，2005．

［3］曾謹言．量子力學卷1．［M］．北京:科學出版社，2006．

［4］趙凱華，羅蔚茵．量子物理［M］．北京:高等教育出版社，2001．

第3篇：量子力學基礎原理范文

量子力學是近代物理的兩大支柱之一，它的建立是20世紀劃時代的成就之一，可以毫不夸張地說沒有量子力學的建立，就沒有人類的現代物質文明[1]。大批優秀的物理學家對原子物理的深入研究打開了量子力學的大門，這一人類新的認知很快延伸并運用到很多物理學領域，并且，導致了很多物理分支的誕生，如：核物理、粒子物理、凝聚態物理和激光物理等[2]。量子力學在近代物理中的地位如此之重，所以成為物理專業學生最重要的課程之一。但在實際教學過程中，學生普遍感到量子力學太過抽象、難以掌握。如何改革教學內容，將量子力學的基本觀點由淺入深，使學生易于理解；如何改革教學手段，培養學生興趣，使學生由被動學習變為主動學習。這是量子力學教學中遇到的主要問題。作者從幾年的教學中摸索到一些經驗，供大家參考。

一、教學內容和方法的改革

傳統的本科量子力學教學一般包括了三大部分：第一部分是關于粒子的波粒二象性，正是因為微觀粒子同時具有波動性和粒子性，才造成了一些牛頓力學無法解釋的新現象，例如測不準關系、量子隧道效應等等；第二部分是介紹量子力學的基本原理，這部分是量子力學的核心內容，如波函數的統計解釋、態疊加原理、電子自旋等；第三部分是量子力學的一些應用，如定態薛定諤方程的求解，微擾方法。以上三個部分相互聯系構成了量子力學的整體框架[3]。隨著量子力學的進一步發展，產生了很多新的現象和成果。例如量子通訊、量子計算機等等。許多學生對量子力學的興趣就是從這些點點滴滴的新成果中得到的。如果我們仍按傳統的內容授課，學生學完了這門課程發現感興趣的那點東西完全沒有接觸到，就會對所學的量子力學感到懷疑，而且極大地挫傷了學習自然科學的興趣。所以作者建議在教學過程中適當添加一些量子力學的新成果和新現象，來激發學生的學習興趣[4]。在教學方法上也應該按照量子力學的特點有所改革。由于量子力學的許多觀點和經典力學完全不同，如果我們還是按照經典力學的方法來講，就會引起學生思維上的混亂，所以建議從一開始就建立全新的量子觀點。例如軌道是一經典概念，在講授玻爾的氫原子模型時仍然采用了軌道的概念，但在講到后面又說軌道的概念是不對的，這樣學生就會懷疑老師講錯誤的內容教給了他們，形成邏輯上的混亂。我們應該從一開始就建立量子的觀點，淡化軌道的概念，這樣學生更容易接受。

二、重視緒論課的教學

興趣是最好的老師。作為量子力學課程的第一節課，緒論課的講授效果對學生學習量子力學的興趣影響很大，所以緒論課直接影響到學生對學習量子力學這門課程的態度。當然很多學生非常重視這門課程，但學這門課的主要目的是為將來參加研究生入學考試，僅僅只是在行動上重視，而沒有從思想上重視起來。如何使這部分學生從被動的學習量子力學變為主動地學習，這就要從第一節課開始培養。在上緒論課時作者主要通過以下幾點來抓住學生的興趣。首先列舉早期與量子力學相關的諾貝爾物理學獎。諾貝爾獎得主歷來都是萬眾矚目的人物，學生當然也會有所關心，而且這些諾貝爾獎獲得者的主要工作在量子力學這門課程中都會一一介紹，這樣一方面通過舉例子的方法強調了量子力學在自然科學中的重要地位，另一方面為學生探索什么樣的工作才可以拿到諾貝爾獎留下懸念。抓住學生興趣的第二個主要方法是列舉一些量子力學中奇特的現象，激發學生探索奧秘的動力，例如波粒二象性帶來的“穿墻術”、量子通訊、如何測量太陽表面溫度等等，這些都很能激發學生學習量子力學的興趣。綜上所述，緒論課的教學在整個教學過程中至關重要，是引導學生打開量子力學廣闊天地的一把鑰匙。

三、重視物理學史的引入

隨著量子力學學習的深入，學生會接觸到越來越多的數學公式以及數學物理方法的內容，雖然學生會對量子力學的博大精深以及人類認知能力驚嘆不已，但在學習過程中感覺越來越枯燥乏味。并且，學生學習量子力學的興趣和信息在這個時候受到很大的考驗，想要把豐碩的量子力學成果以及博大精深的內涵傳達給學生，就得在適當的時候增加學生的學習興趣。實際上，很多學生對量子力學的發展史有很濃厚的興趣，甚至成為學生閑聊的素材，因此，在適當的時候講述量子力學發展史可以增加學生學習量子力學的學習興趣和熱情。在講授過程中，可以結合教學內容，融入量子力學發展史中的名人逸事和照片，如：索爾維會議上的大量有趣爭論和物理學界智慧之腦的“明星照”，或用簡單的方法用板書的形式推導量子力學公式。例如在講到黑體輻射時，作者講到普朗克僅僅用了插值的方法，就給出了一個完美的黑體輻射公式。而插值的方法普通的本科生都能熟練掌握，這一方面鼓勵學生：看起來很高深的學問，其實都是由很簡單的一系列知識組成，我們每個人都有可能在科學的發展過程中做出自己的貢獻；另一方面教導學生，不要看不起很細微的東西，偉大的成就往往就是從這些地方開始。在講到普朗克為了自己提出的理論感到后悔，甚至想盡一切的辦法推翻自己的理論時，告訴學生科研的道路并不是一帆風順的，堅持自己的信念有時候比學習更多的知識還要重要。在講到德布羅意如何從一個紈绔子弟成長為諾貝爾獎獲得者；在講到薛定諤如何在不被導師重視的條件下建立了波動力學；在講到海森堡如何為了重獲玻爾的青睞，而建立了測不準關系；在講到烏倫貝爾和古茲米特兩個年輕人如何大膽“猜測”，提出了電子自旋假設，這些學生都聽得津津有味。這些小故事不僅讓學生從中掌握的量子力學的基本觀點和發展過程，而且對培養學生的思維方法和科研品質都有很大幫助。

四、教學手段的改革

量子力學中有很多比較抽象原理、概念、推導過程和現象，這增加了學生理解的難度。而且在授課過程中有大量的公式推導過程，非常的枯燥。所以在教學過程中穿插一些多媒體的教學形式，多媒體的應用能夠彌補傳統教學的不足，比如：把瞬間的過程隨意地延長和縮短，把復雜的難以用語言描述的過程用動畫或圖片的形式分解成詳細的直觀的步驟表達清楚[5]。相對于經典物理來說，量子力學課程的實驗并不多，在講解康普頓散射、史特恩-蓋拉赫等實驗時，可以運用多媒體技術，采用圖形圖像的形式模擬實驗的全過程。用合適的教學軟件對真實情景再現和模擬，讓學生多冊觀察模擬實驗的全過程。量子力學的一些東西不容易用語言表達清楚，在頭腦中想象也不是簡單的事情，多媒體的應用可以彌補傳統教學的這塊短板，形象地模擬實驗，幫助學生理解和記憶。比如電子衍射的實驗，我們不僅可以用語言和書本上的圖片描述這個過程，還可以通過多媒體用動畫的形式表現出來，讓電子通過動畫的形式一個一個打到屏幕上，形成一個一個單獨的點來顯示出電子的粒子性；在快進的形式描述足夠長時間之后的情況，也就是得出電子的衍射圖樣，從而給出電子波動性的結論和波函數的統計解釋，經過這樣的教學形式，相信學生能夠更加深刻地理解微觀粒子的波粒二象性[6]。但在具體授課過程中不能完全地依賴于多媒體教學，例如在公式的推導過程中，傳統的板書就非常接近人本身的思維模式，容易讓學生掌握，如果用多媒體一帶而過，往往效果非常的不好。所以教學過程中應該傳統教學和多媒體教學并重，對于一些現象的東西多媒體表現更為出色；而一些理論方面的東西傳統的板書更為有利，兩者相互結合可以大大提高教學效率，增強課堂教學效果和調動學生的學習積極性[7]。

五、加強教學過程的管理

第4篇：量子力學基礎原理范文

【關鍵詞】密度算符 壓縮相干態 正規乘積

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2015）10-0161-02

一、引言

量子力學是在19世紀末20世紀初建立和發展起來的一門科學，它的建立是20世紀劃時代的成就之一。量子力學與我們的生活密切相關，可以毫不夸張的說，沒有量子力學，就沒有人類的現代物質文明。量子力學規律已成功地運用于包括材料、化學、生命、信息和制藥等領域，對于物理專業的本科生來說，量子力學是物理學專業最重要的基礎課程之一，它是學習固體物理、材料科學、材料物理與化學、激光原理、激光物理與技術等專業課程的重要基礎[1，2]。通過量子力學的學習，使得學生能夠熟練地掌握量子力學的基本理論，具備利用量子力學基本理論分析和解決問題的能力。在物理學課程當中，量子力學的教學既是重點又是難點。

相干態[3，4]作為量子力學中的一個核心概念，不僅是量子物理學中的一個有效方法，而且是激光理論的重要支柱，對了解量子力學理論具有重要的意義，在教學和科研中都具有基礎性的作用。相干態的概念最初是薛定諤在1926年提出的[3]，對于諧振子位勢，他找到了這樣的態。直到1963年格勞伯等人系統地建立起光子相干態，并研究它的相干性與非經典性，同時又證明相干態是諧振子湮滅算符的本征態[4]。現在相干態已被廣泛地應用于物理學的各個領域。實際上，相干態是最小測不準態，而且兩個正交位相振幅算符有著相同的起伏，在相空間中，相干態的起伏呈圓形，相干態在相空間平移或者轉動時此圓保持不變。對于壓縮態而言，它是泛指一個正交相位振幅算符的起伏比相干態相應分量的起伏小的量子態，其代價是另一個正交相位振幅算符的起伏增大，但兩者的乘積等同于相干態的相應量。壓縮態是一類非經典光場，呈現出非經典性質，例如反聚束效應、亞泊松分布等. 壓縮態由于其在光通訊、高精度干涉測量以及微弱信號檢測方面具有廣泛的應用前景使得對它的研究成為量子力學領域的研究熱點。

理論上，產生壓縮相干態的方式主要有對真空態先平移后壓縮（第一類壓縮相干態）和先壓縮后平移（第二類壓縮相干態）兩種方式，鑒于很多教材上認為這兩種方式產生的壓縮相干態完全等同，考慮到壓縮算符與平移算符的不對易，而且各量子力學教科書上每提及這兩種壓縮態的區別時闡述都比較模糊，不能向廣大讀者提供一個清晰的結論，又考慮到密度算符包含了某一個量子態的全部信息，所以有必要推導出這兩種壓縮相干態的密度算符并做分析比較，以闡明二者的異同。

二、第一類壓縮相干態

對比式（10）和（14）可知，由于產生壓縮相干態的方式不同，壓縮算符和平移算符之間不對易，得出的兩類壓縮相干態密度算符也有差異，并不是之前一些教科書里闡述的二者是完全等同的。

第5篇：量子力學基礎原理范文

關鍵詞：物理本體；物理實體；量子現象；主觀；客觀

基金項目：國家社會科學基金項目“量子概率的哲學研究”（16BZX022）

中圖分類號：N03 文獻標識碼：A 文章編號：1003-854X（2017）06-0054-06

一、引言

時間和空間是人類所有經驗的背景。除去存在的事物，時間、空間什么也不是，不存在只有一件事物的時間、空間，時空是事物之間相互關系的一個方面。

人類通過感性經驗認知的時空，稱作經驗時空；以科學原理和科學方法指導認知的時空是科學時空；牛頓時空、狹義相對論時空、廣義相對論時空、量子力學時空，是經驗時空的科學提升和科學發展，稱作物理時空①。物理時空是科學時空。描述現象實體的時空是現象時空，經驗時空、物理時空、科學時空均是現象時空。而未經觀察的“自在實體（物理本體）”所在時空，稱為“本體時空”。“本體時空”是復數的②，因此，人類實質生活在復數時空中 。作為自然人，觀察者存在于“本體時空”，實時空是人類對時空認識的簡化③。

主體、客體、觀察信號是人類認知自然的三大基本要素④。一般“現象對觀察者的主觀依賴性”有其客觀原因，體現觀察信號的自然屬性對觀察者在認知中的影響。當把現象對觀察者的主觀依賴性轉化為時空的屬性后，就可以達到客觀描述物質世界⑤。所謂客觀描述就是理論計算與經驗及科學實驗結果相符。

考慮觀察信號的客觀作用并納入時空理論的科學建構之中，客觀描述物理現象，是物理學家的重要工作。一般，哲學認知中沒有明晰“觀察信號中介作用”的客觀地位，不管“機械反映論”，還是“能動反映論”，都自動將其融入“反映論”理論體系，尤其是前者，往往容易導致主觀唯心主義的滋生。

狹義相對論用光對時，考慮了光對建立時空的貢獻；牛頓時空是對時信號速度c趨于無窮大的極限情態；考慮引力場對建立時空的影響，引力時空是彎曲的，狹義相對論的平直時空是它的局域特例。從牛頓力學到狹義相對論再到廣義相對論，時空發生了變化，但主體與描述對象的關系沒有變，主體對客體的描述是客觀的。那么是否主體對認知對象完全沒有主觀影響？如果有，它如何產生，又如何消解，實現客觀描述物質世界？經典力學中，人類的處理方法是通過揭示“現象對觀察者的主觀依賴性”及其產生機理，在不同認知領域區分描述中可以忽略的和不可忽略的，能忽略的舍棄，不能忽略的轉化成時空的屬性，實現客觀描述；而從牛頓力學（或相對論力學）到量子力學，時空沒有變化，描述對象具有波粒二象性，“量子現象的主觀依賴性”更為突出。如何消解“量子現象對觀察者的主觀依賴性”，實現量子現象的客觀描述，一直是量子力學基礎討論的熱點。量子力學必須有自己的客觀描述量子現象的時空⑥。

量子力學時空是閔氏時空的復數拓展和推廣⑦，由此可以實現客觀描述量子世界。它與相對論時空有交集，也有異域。有因必有果，反之亦然，時間與因果關系等價⑧。量子力學中的非定域性，與能量、動量量子化及量子態的突變性相關聯。突變無須時間，導致因果鏈斷裂，與因果關聯的相互作用也被刪除，由此引進了類空間隔。平行并存量子態的出現，是不遵從因果律的量子力學新表現；當能量、動量和相互作用變得連續，宏觀時序得到恢復時，回到相對論時空，量子測量中“量子態和時空的坍縮”⑨ 是不同物理時空的轉換，希爾伯特空間只是它們的共同數學應用空間⑩。

時空不是絕對的，相對時空有更廣闊的含義，人類需要擴大對時空概念的認知，不同的認知層次有不同的時空對應，復數時空更為本質。人們不應該將所有領域的物理實體歸于某一時空描述，或者用一種時空的性質去否定另一種時空的存在。還是愛因斯坦說得好：是理論告訴我們能夠觀察到什么。當然，新的實驗事實又將告訴人們，理論及其對應的時空應該如何修改和發展。理論不同時空不同，時空具有建構特征。

二、時空的哲學認知與物理學描述

時空是哲學的基本概念，也是物理學的基本概念。哲學認為，時間和空間是物質的存在形式，既不存在沒有時空的物質，也不存在沒有物質的時空。笛卡爾指出，空間是事物的廣延性，時間是事物的持續性；康德認為，時空是感性材料的先天直觀形式；牛頓提出時間和空間是彼此分離，絕對不變的，強調數學的時間自我均勻流逝；萊布尼茨說，空間是現象的共存序列，時間與運動相聯系；黑格爾認為，事物運動的本質是空間和時間的直接統一。休謨認為，時、空上的接近和先后關系與因果性直接相關。中國的“宇”和“宙”就是空間和時間概念，它是把三維空間和一維時間概念同宇宙密切聯系在一起的最早應用{11}。

哲學具有啟示作用，但時空概念如果不與人的社會實踐、科學實驗、科學理論及其數學物理方法相聯系，就只能停留在形而上，無法上升為科學理論概念。

物理學中，空間從測量和描述物體及其運動的位置、形狀、方向中抽象出來；時間則從描述物體運動的持續性、周期性，以及事件發生的順序、因果性中抽象出來；空間和時間的性質，主要從物體運動及其相互作用的各種關系和度量中表現出來。描述物體的運動，先選定參照物，并在參照物上建立一個坐標系，一般參照物被抽象成點，它就是坐標系的原點；假定被描述物體的形體結構對討論的問題（或對參照物的時空）沒有影響，將物體抽象成質點，討論質點在坐標系中的運動及其相關規律，這就是物理學。由此，“時空是物質的存在形式”的哲學認知也就轉化為人類可操作的具體物理理論描述。

可見，時空的認知與人類的社會實踐、科學實驗、科學進步直接相關，離不開物理和數學方法的應用。笛卡爾平直空間、閔可夫斯基空間、黎曼空間都已作為物理學所依托的幾何學，在牛頓力學、狹義相對論、廣義相對論中得到了充分應用。由此，幾何學被賦予了物理意義。從牛頓力學到狹義相對論再到廣義相對論，時空發生了變化，但描述對象與觀察者之間的關系沒有變，描述是客觀的，并且描述對象都可抽象成經典的粒子，采用質點模型。量子力學不同，從牛頓力學（相對論力學）到量子力學，描述量子現象的時空沒有變化{12}，物理模型沒有變，但量子現象對觀察者有明顯的主觀依賴性，難以客觀描述微觀量子現象。深入分析，解決的辦法有兩種，一是更換物理模型的同時也改變物理時空，消除“量子現象對觀察者的主觀依賴性”，實現客觀描述微觀量子客體；二是改變時空的同時，保留“量子現象對觀察者的主觀依賴性”，將本體、認識、時空融為一體，主觀納入客觀，模糊主客關系。雙4維時空量子力學基礎采用了第一種方法。通過場物質球模型，把點模型隱藏的空間自由度釋放出來；在改變物理模型的同時，也改變了描述時空；將不是點的微觀客體自身的空間分布特性，轉化為描述空間的屬性，客觀描述量子客體。我們認為，第二種方法將主觀認識不加區分地“融入時空”，有損客觀性、科W性，量子力學時空必須是描述客觀世界的時空。物理時空需要建構。

三、牛頓絕對時空中“現象對觀察者的主觀依賴性”及其“消解”

眾所周知，物理學對物體運動狀態的描述，理應包含參照物和被描述物體自身的時空特征，而參照物和物體自身的時空特征，必須通過觀察發現。觀察需要觀測信號，物體運動狀態及其時空特征必然帶有觀測信號的烙印{13}。

“物理本體”不可直接觀察，我們觀察到的是“物理實體”{14}。參照物與研究對象都有自己對應的物理時空，牛頓力學時空應該是兩者的綜合，而不應該只是參照物的時空。但是，牛頓力學中光速無窮大，在討論物體運動時，又假設研究對象的時空結構對討論的問題沒有影響，忽略不計，于是，研究對象抽象成了質點，整個理論體系就只有與參照物聯系的時空了。

任何具體物體都不會是質點。當用信號去觀察它時，物體自身的時空特征與物體的運動狀態與觀察信號的性質、強弱和傳播速度相關。質點模型忽略物體自身的幾何形象及其變化，忽略運動及觀察信號對物體自身時空特征的影響，參照物也不例外。在從參照物到坐標系的抽象中，抽掉運動及觀察信號對參照物時空特性的影響，就是抽掉物體運動及觀察信號對坐標系時空特性的影響，就是抽掉人的參與對時空認知的影響{15}。牛頓力學時空與物體運動及觀察者無關，絕對不變，基于絕對不動的以太之上。所以，牛頓可以把時間和空間從物質運動中分離出來，時間和空間也彼此分割，空間絕對不變，數學的、永遠流逝的時間絕對不變{16}。哲學的時空演變成了可操作的物理時空。這是宏觀低速運動對時空的簡化與抽象，理論與宏觀經驗及計算相符。

相互作用實在論認為，現實世界是人參與的世界，對一個研究對象的觀察，離不開主體、客體、觀察信號三個基本要素。參照物和觀察對象的運動和變化及其時空屬性，與觀察信號的性質相關。牛頓力學中，不是沒有現象對觀察主體的依賴性，而是在理論的建立中認為影響很小，可以忽略不計。牛頓力學是“物理本體=物理實體”的力學{17}。這與宏觀經驗和科學實驗相符，在宏觀低速運動層次實現了主客二分，理論被看作是對客觀實在的描述。牛頓力學中，物質告訴時空如何搭建描述背景，時空告訴物質如何在背景中運動。二者構成背景相關。

牛頓時空是均勻平直時空，相對勻速運動坐標系間的變換是伽利略變換。物理定律在伽利略換下具有協變性，相對性原理成立。

四、狹義相對論中“現象對觀察者的主觀依賴性”及其“消解”

狹義相對論建立之前，洛倫茲就認為高速運動中物體長度在運動方向發生收縮{18}。這是他站在牛頓時空立場，承認以太及絕對坐標系的存在對洛倫茲變換所作的解釋。描述時空沒有變，“現象對觀察者出現了主觀依賴性”。自然現象失去了客觀性，這是一次認識危機，屬19世紀末20世紀初兩朵烏云之一。

狹義相對論不同，它考慮宏觀高速運動中觀察信號對物體時空特征的影響。愛因斯坦在“火車對時”實驗中，他用“光”作為觀察、記錄、認知物體時空特征的信號{19}；通過參照物到坐標系的抽象，論證靜、動坐標系K與K′“同時性”不同，靜、動坐標系運動方向時空測量單位發生了變化；將洛倫茲所稱“運動物體自身運動方向上的長度收縮”演變成坐標系時空框架的屬性，還原質點模型，建立相對論力學。實現了觀察者對觀察對象的客觀描述。

狹義相對論中質點的動量、能量、位置和時間都有確定值，質點的運動具有確定的軌跡，這一點與牛頓力學相同。

狹義相對論時空的另一重要物理意義是揭示了“物理本體”的客觀實在性。

牛頓力學缺少相對論不可直接觀察的靜能（m0c2，m0c）對應物，物理本體=物理實體，哲學上的抽象時空直接過渡到牛頓物理時空。

狹義相對論不一樣，每一個物體都有一個不可直接觀察的靜能（m0c2，m0c）對應物，它在任何靜止參考系中都是不變量，是物理實體背后的物理本體，物理本體不變，變的是mc2、mc對應的物理實體。“物理本體”既不是形而上的（物自體），也不是形而下的（物體），是形而中的（靜能對應物）。它可以認知、可以理論建構，但又不可直接觀察。相對于牛頓，愛因斯坦相對論揭示了“物理本體”的真實存在性。“客觀物質世界”不是思維的產物。

狹義相對論中，物質告訴時空在運動方向如何修正測量單位，時空告訴物質如何長度收縮、時間減緩。時空具有相對性。

狹義相對論時空雖然也是均勻平直時空，但由于有上述“相對時空”的出現，時空度規與歐氏時空度規有明顯區別，所以稱為贗歐氏時空。

但狹義相對論仍然是只考慮光及光速的有限性對建立時空的影響，沒有考慮引力作用對建立時空的影響。如果考慮引力對時空的影響又如何呢？

五、廣義相對論中“現象對觀察者的主觀依賴性”及其“消解”

廣義相對論中有水星近日點進動問題和光走曲線的討論。站在牛頓平直時空的立場，觀察結果與理論計算不符。這不是儀器的精度不夠，也不是操作失誤，而是理論本身的問題。因為，牛頓力學也好，狹義相對論也好，討論引力問題，引力場對參照物和研究對象時空屬性的影響都沒有計入其中，而留在觀察者對“現象”的觀察、判斷之中，出現宇觀大尺度“現象對觀察者的主觀依賴性”。如果考慮引力場使時空發生彎曲，利用彎曲時空計算水星近日點進動和光走曲線現象，“現象對觀察者的主觀依賴性”就變成時空的屬性。“現象對觀察者的主觀依賴性”就得到了“消解”，觀察現象與理論結果就取得了一致。這里，物質使時空彎曲，時空告訴物質如何在彎曲時空中運動。廣義相對論實現了觀察者對觀察對象的客觀描述。

廣義相對論時空是彎曲的，時空度規是變化的。

六、量子力學中“現象對觀察者的主觀依賴性”及其“消解”

微觀客體具有波粒二象性，同一個電子，通過雙縫表現為波，而打在屏幕上又表現為粒子，電子集波和粒子于一身，“量子現象對觀察者的主觀依賴性”更為突出。經典力學中波動性和粒子性不能集物體于一身，量子力學與經典力學表現出深刻的矛盾。矛盾的產生，可能是描述微觀現象的時空出了問題。量子力學的研究領域是微觀世界，研究對象是微觀客體，不是經典的粒子，用以觀察的信號也不是連續的光，而是量子化了的光，通過光信號建立的時空應該與牛頓、相對論時空有所區別。而量子力學使用的還是牛頓時空、狹義相對論時空，時空沒有變，物理模型沒有變，而研究領域、觀察信號和研究“對象”變了。量子力學必須有自己對應的時空，將“量子現象對觀察者的主觀依賴性”，轉化為描述時空的屬性，實現客觀描述量子現象！ 雙4維時空量子力學就是為實現這一目標應運而生的。

現有量子力學“量子現象對觀察者的主觀依賴性”之所以難以消解，與量子力學中的點模型相關。許多量子現象與點模型隱藏的空間自由度有直接聯系，但點模型忽略了這些自由度對產生微觀量子現象的作用和影響。我們必須將隱藏的空g自由度還原于時空，才可能正確地認識、客觀描述量子現象。

可以公認，微觀客體不是點{20}，是一個有形客體，有一定的空間分布，不存在確定于某點的空間位置，這是客觀事實。理論上，牛頓時空幾何點位置是確定的，量子力學使用的是質點模型，0 維，位置也是確定的，牛頓時空可以精確描述質點的運動。那么微觀客體空間分布的不確定性如何處理？人們只好轉而認為點粒子在其“空間分布”區域位置具有概率屬性。微觀客體自身空間分布的客觀實在性在量子世界轉化成了一種主觀認知，賦予了微觀客體“內稟”的概率屬性，其運動產生概率分布，或稱其為概率波。

這是一個認識上的困惑，似乎量子力學描述失去了客觀實在性。這也是量子力學當今的困境。解決困難的方法是：（一）更換點模型，釋放點模型隱藏的自由度，展示“這些自由度對產生微觀現象的貢獻”；（二）建立適合量子力學自身的時空，將釋放的自由度植入其中，讓“量子現象對觀察者的主觀依賴性”變成量子力學時空自身的屬性。

雙4維時空量子力學的辦法是：（一）用“轉動場物質球”模型取代“質點”模型，釋放點模型隱藏的空間自由度；（二）將4維實時空M4（x）拓展到雙4維復時空W（x，k），且將“釋放的空間自由度――曲率k”作為雙4維復時空的虛部坐標；（三）4維曲率坐標將量子力學賦予微觀客體自身的概率屬性變成量子力學復時空的幾何屬性，場物質球自身的旋轉與運動產生物質波――物理波。

“場物質球”與“物質波”（類似對偶性假設）既是同一物理實在的兩種不同描述方式，更是微觀客體粒子性和波動性的統一，曲率的大小表示粒子性，曲率的變化表示波動性。場物質球的物質密度是曲率k的函數，因此，物質波既是場物質球的結構波又是場物質密度波。物質波不是傳播能量，而是傳播場物質球的結構或物質密度變化，可映射成實時空M4（x）的概率分布{21}，與實驗結果相一致。

這樣，點模型中“量子現象對觀察者的主觀依賴性”通過“釋放的自由度”轉變為時空W（x，k）的屬性，物質波傳播其中，量子現象是物質波所為。

研究表明，是量子測量引入的連續作用，使雙4維時空W（x，k）全域轉換到實時空M4（x），波動形態轉變成粒子形態（“相變”），球模型轉換成點模型，概率屬性內在其中，物質波自動映射成概率波，數學處理類似表象變換{22}。

簡言之，傳統量子力學，微觀客體簡化成質點，描述時空不變，人的主觀意識介入其中，將其空間分布特性――位置不確定性，變成點粒子的概率屬性，實現描述對象從客觀到主觀認知的轉變，具有位置不確定性的點粒子，其運動產生概率波；雙4維時空量子力學，微觀客體簡化成場物質球，“空間分布具體化為幾何曲率”，空間分布特性變成曲率坐標，仍然是從客觀到客觀，描述時空變成了復時空，曲率坐標在其虛部，場物質球的運動產生物質波――物理波。通過量子測量，物質波映射成概率波，球模型演變成點模型，顯示概率屬性，時空內在自動轉換，量子現象對觀察者的主觀依賴性消解在建構的時空理論中。具體論證方法是：

將靜態場物質球寫成自旋波動形式：Ψ0=е■，描述在復空間。ω0是常數，它的變化只與自身坐標系時間t0相關，全空間分布（物理本體所在空間）。設建在“靜態”場物質球上的坐標系為K0，觀察微觀客體從靜止開始作蛩僭碩，由洛倫茲變換：

微觀客體的運動速度不同，平面波相位不同。復相空間kμxμ即為物質波所在時空。物質波是物理波。

自由微觀客體的速度就是建在其上慣性坐標系的速度，慣性系間的坐標變換，隱藏速度突變――“超光速”概念，因為，連續變化會引進引力場破壞線性空間。不同慣性系中平面波之間，相位不同，類似量子力學中的不同本征態。這是相對論中的情形{24}。

但是，量子力學建立其理論體系時，把上述不同慣性系中的平面波（不同本征態，每一本征態則對應一慣性系），通過本征態突變躍遷假設（量子分割），切斷因果聯系，形成同一時空中“同時”并存的本征態的疊加。態的躍遷不需要時間，“超光速”（非定域），將類空間隔引入量子力學時空，破壞了原有的因果關系。疊加量子態的存在，是“違背”因果律在量子力學中的新表現。

量子力學時空顯然不是牛頓、狹義相對論時空，但量子力學卻誤認為量子躍遷引起的時空性質的變化是牛頓、狹義相對論時空中的特征，這當然會帶來不可調和的認知矛盾。

同一微觀客體，不同本征態“同時”并存的物理狀態，從整體看，是洛倫茲協變性在量子力學中的新表現。突變區“超光速”，是類空空間，“不遵從”因果律；釋放光子的運動在類光空間；而本征態自身在類時空間，微觀客體運動速度不能超過光速，需保持因果律，物質波討論的就是這一部分，就像相對論討論類時空間物理一樣。量子糾纏態將涉及到上述三種不同性質物理空間量子態的轉換，有完全合理的物理機制，不需要思維的特殊作用。不過，相對論長度收縮效應，將以物質波波長在運動方向上的收縮來體現。有了雙4維時空量子力學，量子力學與相對論就是相容的，光錐圖分析一樣適用。

相對論與量子力學的不同，關鍵在于認知層次發生了變化，光由連續場演變成了量子場。而我們用來觀察世界的光信號直接與時空相關，光的物理性質的變化，必然帶來物理空間性質的變化，帶來物理模型的變化，帶來量子力學時空W（x，k）與相對論時空M4（x）之間的區別，帶來對物質波――物理波的全新認知。我們預言，物質波有通訊應用價值{25}，但與量子力學非定域性無關。

《雙4維復時空量子力學基礎――量子概率的時空起源》的理論實踐表明，我們的工作是可取的{26}。結論是，量子力學中，物質告訴時空如何具有概率屬性，時空告訴物質如何作概率運動。量子現象對觀察者的主觀依賴性消解在對應的時空理論之中，實現了觀察者對量子現象的客觀描述。

雙4維時空是描述量子現象的物理時空，時空度規，無論實數部分，還是虛數部分，都是平直的{27}。

近年來，由于量子通訊技術的飛速發展，量子糾纏的物理基礎引起了人們的特別關注，波函數的物理本質，量子力學的非定域性討論十分熱烈。“量子現象對觀察者的主觀依賴性”更是討論的核心。人們甚至被量子現象的奇異性迷惑了，特別是，有科學家甚至認為：“客觀世界很有可能并不存在”。世界是人臆造出來的？科學實在論者當然不能贊成！更加深入的探討，我們將另文討論。

按照曹天予的評論，《雙4維復時空量子力學基礎――量子概率的時空起源》值得關注{28}。雙4維復時空與弦論、圈論比較，最大優點是將時空拓展、推廣到了復數空間，數學沒有那么復雜，而物理學基礎卻更加堅實、清晰。

七、結論與討論

1.“現象對觀察者的主觀依賴性”普遍存在于人與自然的關系之中，融入時空的只能是物理實體對時空有影響的部分，時空具有建構特征。

2. 物質運動與時空的關系：牛頓力學中，物質告訴時空如何搭建運動背景，時空告訴物質如何在背景上運動；狹義相對論中，物質告訴時空如何修正測量單位，時空告訴物質如何在運動方向長度收縮、時間減緩；廣義相對論中，物質告訴時空如何彎曲，時空告訴物質如何在彎曲時空中運動；量子力學中，物質告訴時空如何具有概率屬性，時空告訴物質如何作概率運動。

3. 量子力學時空是平直的，其方程是線性的，而廣義相對論時空是彎曲的，其方程是非線性的{29}。量子力學與廣義相對論的統一，不能機械地湊合，它們的統一，必須從改變時空的性質做起，建立相應的運動方程，并搭起非線性空間與線性空間的相互聯絡通道。

注釋：

① 趙國求：《雙4維時空量子力學基礎》，湖北科學技術出版社2016年版，第5頁；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國求：《雙4維時空量子力學基礎》，湖北科學技術出版社2016年版，第5、105、9、147、179、94、133―136、106、151、151、159、152、149頁。

⑤ 主觀與客觀：“客觀”，觀察者外在于被觀察事物；“主觀”，觀察者參與到被觀察事物當中。 辯證唯物主義認為主觀和客觀是對立的統一，客觀不依賴于主觀而獨立存在，主觀能動地反映客觀。

⑧ L?斯莫林：《通向量子引力的三條途徑》，李新洲等譯，上海科學技術出版社2003年版，第29―33頁。

⑨ 張永德：《量子菜根譚》，清華大學出版社2012年版，第29頁；趙國求：《雙4維時空量子力學基礎》，湖北科學技術出版社2016年版，第178頁。

{11} 馮契：《哲學大辭典》，上海辭書出版社2001年版，第1579―1582頁。

{12} 參見L?斯莫林：《物理學的困惑》，李泳譯，湖南科學技術出版社2008年版。

{14} 相互作用實在論中的基本概念：（1）物質：外在世界的本原。（2）基本相互作用：遍指自然力，有引力，電磁、強、弱等力。（3）自在實體：指未經觀察的“自然客體”（相互作用實在論中，自在實體作為物理研究對象時稱物理本體）。（4）現象實體：經過觀察，系統的、穩定的、深刻反映事物本質的理性認知物。現象則表現自在實體非本質的一面。（相互作用實在論中，現象實體作為物理研究對象時稱物理實體）。（5）觀測信號：人類認知世界使用的探測信號。

{16} 參見伊?牛頓：《自然哲學之數學原理宇宙體系》，武漢出版社1996年版。

{18} 參見倪光炯等：《近代物理學》，上海科學技術出版社1980年版。

{19} 參見A?愛因斯坦：《相對論的意義》，科學出版社1979年版；愛因斯坦等：《物理學的進化》，周肇威譯，上海科學技術出版社1964年版。

{20} 坂田昌一：《坂田昌一科學哲學論文集》，安度譯，知識出版社2001年版，第140頁。

{23} 參見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；趙國求：《雙4維時空量子力學基礎》，湖北科學技術出版社2016年版，第149頁。

{26} 參見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；趙國求：《雙4維時空量子力學描述》，

《現代物理》2013年第5期；趙國求、李康、吳國林：《量子力學曲率詮釋論綱》，《武漢理工大學學報》（社會科學版）2013年第1期。

{28} 曹天予：《當代科學哲學中的庫恩挑戰》，《中國社會科學報》2016年5月31日。

第6篇：量子力學基礎原理范文

量子力學的成功和困惑

用宏觀物理學的方法研究原子的性質及其相互作用時，只能通過測量微觀量的平均值，大平均過程掩蓋了原子水平上的重要效應。操控單個微觀粒子，研究單個粒子的行為和性質以及少數粒子的相互作用，一直是就是物理學家夢寐以求的事。隨著實驗技術的發展，控制單個微觀粒子的愿望成為可能。特別是1960年激光的發明和在這以后激光技術的發展，可以隨我們所需改變激光的頻率，控制激光束的延續時間并使激光束聚焦到一個原子大小的范圍。從這以后，實驗技術和實驗方法有了極大的發展，利用激光可以使原子或離子冷卻到接近絕對零度，就是使它們的運動速度減到非常小，直至幾乎停止。還實現了利用特殊的電磁場來陷俘單個原子或離子。物理實驗技術的進展使研究單個或少數幾個粒子的性質、深入研究光子和物質粒子的相互作用有了可能。這不僅打開了高科技應用的廣闊前景，還為證實和發展量子物理學的基本原理提供了實驗基礎。

量子力學已有100多年歷史，量子力學理論取得了輝煌的成功。現代的高科技產品，如計算機芯片、激光、醫用磁共振等等無不是在量子力學理論基礎上發展起來的。量子力學被認為是最精確、最成功的物理理論，可是人們對量子力學的基本原理始終存在著疑問，那些創立量子力學的物理大師們自己都不滿意量子力學的基本假設。在這些大師之間以及他們的后繼者中，關于量子力學的理論基礎是否完善的問題爭論不休，新的解釋層出不窮，至今還沒有得出令人滿意的結論。

量子力學描寫微觀世界的規律，但人類的直接經驗都是關于宏觀世界的。我們的測量儀器以及人類感官本身都是宏觀物體，儀器測量到的和我們直接感知的都是大量原子組成的宏觀物體。在經典物理學中，觀察不影響被觀察對象的運動狀態，例如，我們能夠觀察一個行星的運動，追隨它的運動軌跡，行星的狀態變化與觀察者無關，不受我們觀察的影響。可是，對微觀世界的觀察就完全不是這樣，當我們研究一個量子體系時，經過測量后的量子體系原來的狀態總是被破壞了。例如，光子進入光電探測器后，光子就被吸收；電子被探測器件接收后，該電子原來的狀態就改變了。宏觀儀器對量子系統測量的結果，都必須轉換為經典物理學的語言。要直接觀察并且非破壞性（non-demolition）地測量量子體系的量子性質是難以做到的事情，所以，量子力學所預言的量子世界的奇特性質一直令物理學家和公眾感到神秘難解。

2012年諾貝爾物理獎獲得者和他們的同事們的工作，突破了經典物理學實驗和人類直接經驗的限制，他們直接觀察到了個別粒子的量子行為。瓦因蘭德小組做的是在電場中陷俘離子，用光子對它做非破壞性的操控。阿羅什小組是在空腔中陷俘單個光子，用原子進行非破壞性的測量。他們異曲同工，都對單個量子粒子進行實驗測量，研究量子力學的基本原理。這些研究不僅對量子理論的基本原理的進一步闡明有重要意義，并且有廣闊的應用前景。

阿羅什：把光子囚禁起來

阿羅什畢業于法國高等師范學校。1971年他在巴黎第六大學獲得博士學位，導師是柯亨-塔諾季（Claude Cohen-Tannoudji），1997年諾貝爾物理學獎得主。從20世紀60年代開始阿羅什就在法國高等師范學校物理系的卡斯特勒-布羅塞爾實驗室（Kastler-Brossel Laboratory）工作。該實驗室是以獲諾貝爾物理學獎的阿爾夫萊德?卡斯特勒（Alfred Kastler）的名字命名的。1972～1973年，阿羅什曾到美國斯坦福大學，在諾貝爾物理學獎獲得者肖洛的實驗室中工作。

阿羅什說，他們的成功主要得益于卡斯特勒-布羅塞爾實驗室特有的學術環境和物質條件。他們組成了極其出色的研究小組，并且將共同積累的知識和技能傳授給一代又一代的學生。阿羅什還說，他給研究生和本科生的講課也有助于研究工作，在準備新課的過程中他注意到了光和物質相互作用的不同方面。阿羅什認為，國際交流學者參加研究不僅帶來專門的知識和技能，也帶來不同的科學文化以補充他們自身的不足。他覺得幸運的是，在長期的微觀世界探索中，他和他的同事們能夠自由地選擇他們的研究方向，而不必勉強地提出可能的應用前景作為依據。

阿羅什小組的主要成就是發展了非破壞性的方法檢測單個光子。用通常的方法檢測光子，都是吸收光子并把它轉換為電流（光電探測器）或轉化為化學能量（照相底片）（動物的眼睛是將光子轉化為神經的電脈沖的）。總之，光子被測量到后立即消失。近半個世紀以來，雖然人類發展出了量子非破壞性測量，但這些測量只能用于大量光子的情況。而阿羅什和同事們做到了反復測量記錄同一個光子。

光的速度非常快，達每秒30萬公里，所以要控制、測量單個光子，必須將光子關閉在一個小的區域內，并使其在足夠長的時間內不逃逸或被吸收。阿羅什小組實驗成功的關鍵是制成反射率極高的凹面鏡。反射鏡是在金屬底板上鍍以超導材料鈮，鏡面拋光到不平整度只有幾個納米（1納米=100萬分之一毫米），光子因鏡面不平而散射逃逸的機會非常小。空腔由兩個凹面鏡相對安放組成，鏡間距離27毫米。整個設備安置在絕對溫度1度以下的環境中。一個微波光子在腔中停留時間可達十分之一秒，即在兩面鏡子之間來回反射10 億次以上，差不多相當于繞地球一周。可以說阿羅什小組創造了限制在很小的有限體積內的光子壽命的世界紀錄。

阿羅什小組的另一項創造性貢獻是利用利用里德伯原子作為探測器，實現非破壞性測量單個光子。所謂里德伯原子，是激發到很高的能量軌道上的原子，這種原子的體積比正常原子大許多。他們用銣（原子序數37）原子，把它的價電子激發到第50層的圓形軌道上（主量子數n=50）。這種情況下，外層電子從n=50 的軌道躍遷到相鄰的軌道n=49和n=51，發射或吸收微波光子頻率分別為54.3GHz（千兆赫茲）和51.1GHz。正常的原子半徑在0.1納米以下，銣原子中電子占據的最外層軌道為n=5；當它的最外面的電子跑到n=50的圓形軌道上時，原子的半徑達到100多納米，原子半徑增大了1000倍以上。這樣的原子好比一個很大的無線電天線，容易和電磁場相互作用。

瓦因蘭德：讓離子停下來

瓦因蘭德和阿羅什同年，都生于1944年。1965年，瓦因蘭德畢業于美國加利福尼亞大學伯克利分校；1970年在哈佛大學獲博士學位，博士論文題目是“氘原子微波激射器”，導師是拉姆齊（Norman Ramsey）。以后他到華盛頓大學，在德默爾特（Hans Dehmelt）的實驗室做博士后研究。德默爾特是1989年諾貝爾物理獎獲得者。1975年，瓦因蘭德和德默爾同發表了討論激光冷卻離子的論文，這是有關激光致冷的開創性論文，被學術界同仁廣泛引用，其中包括獲1977年諾貝爾物理學獎的朱棣文、菲利普斯和柯亨-塔諾季等。

1975年，瓦因蘭德到隸屬于美國商業部的美國國家標準與技術研究所工作。在那里，他創建了儲存離子研究小組。在過去多年的工作中，他做出了多項世界第一的研究成果，終于獲得了諾貝爾物理學獎。他是15年來美國國家標準與技術研究所第四位獲諾貝爾物理獎的研究人員之一，研究激光致冷的菲利普斯也是其中之一。

制造量子計算機的建議方法有多種，許多科學家正在對不同的方案進行實驗研究。瓦因蘭德小組從事的陷俘離子的方法是最成功的方法之一。他們利用特殊排列的幾個電極組合產生特定的電場，形成陷阱，將汞的一價離子限制在三個電極組成的空間中。三個電極包括兩端各有一個相對的電極和一個環形電極，離子由激光束控制。

在常溫下，原子運動的平均速度為每秒數百米，以這種速度運動的離子會立即逃逸出陷阱。要將離子陷俘在電場陷阱中，離子的運動速度必須非常小。只有在極低的溫度下，離子或原子的運動速度才能變得很小。可以利用激光使離子冷卻，使離子的速度減小到幾乎停止的狀態。將特定頻率的激光束對著原子或離子射來的方向照射時，原子在迎面射來的光子的一次次沖擊下，速度就慢了下來。當然，原子或離子吸收了光子又要再把它發射出去，發射光子時原子也要受到反沖。但原子或離子發射光子的方向是隨機的，各種方向都有，結果反沖效應平均為零，只有迎面射來的光子被吸收后起到了減速的作用。但僅僅用這種方法還不能使原子速度降低到近乎停止，還要加上其他方法。速度已經很小的離子在陷阱中受電場的作用，還在以一定的頻率振動，這種振動的能量和離子內部的能量狀態耦合起來，形成復雜的能級。在適當頻率的激光束照射下，離子吸收光子后又重新放出光子，落回原來內部能量最低的狀態，同時帶動離子振動能量的變化。在適當控制的條件下，重復這樣的過程，就可以使離子振動能量逐步減少，直到振動能量達到最低的量子狀態，離子近于完全停止。這時，離子就可以隨意操控了。

瓦因蘭德小組利用利用陷俘離子做成一個量子可控非門（Controlled NOT）。當然可控非門只是最簡單的量子計算機的元件，一臺能工作的計算機需要多得多的元件，離制成實用的量子計算機還非常遙遠。然而前景是光明的，包括瓦因蘭德在內的許多科學家正積極研究，攻克難關，希望在本世紀內將量子計算機研制成功。

瓦因蘭德和同事們還利用陷俘的離子制造出了當今世界上最精確的原子鐘。他的研究工作也可以檢驗量子力學基本原理，如進行“薛定諤貓”的實驗。

不為盛名所惑

阿羅什和瓦因蘭德有許多相同的地方。他們都在世界第一流的實驗室中工作；巧的是，他們每人各有兩位獲諾貝爾物理學獎的老師；他們都有合作30年以上的同事組成的穩定的研究小組，還有許多優秀的學生和合作者，其中包括外國的訪問學者。在他們的諾貝爾獎報告中，他們的老師、同事以及和他們的工作有密切關系的、前人的研究都一一提到。兩人都還提到有100多位學生、博士后和訪問學者也做出了貢獻，強調成績是大家努力的結果。

瓦因蘭德和阿羅什也有一點很大的不同。阿羅什的研究目的偏重于探索自然界的奧秘，沒有非常明確的應用目標，雖然他知道自己的研究成果肯定有長遠的應用前景。他所屬的卡斯特勒-布羅塞爾實驗室也沒有要求其研究一開始就必須有明確的應用目的。不過，即使在法國高等師范學校，這種待遇也只有像阿羅什這樣的資深科學家才能得到。而瓦因蘭德所在的美國國家標準與技術研究所本身就具有明確的實用目標：促進美國的創新和產業競爭能力，開創新的測量科學，推進美國的技術水平。該研究所的研究都是目標長遠，技術含量高，能在世界上領先的項目。這些項目實際上都是結合遠期應用的基礎性研究。

瓦因蘭德和阿羅什還有一個共同點，就是除了做研究以外，都在大學教課。阿羅什認為備課的過程促使他從多方面考慮基本原理，也有助于研究工作。而從學生的角度來看，能聽到優秀的科學家講課，和他們直接交流，不僅能學到當今前沿的科學知識，還可以學習到優秀科學家的治學精神和思想方法。

榮摘諾獎桂冠是否改變了科學家本人的生活呢？據英國廣播公司（BBC）在線版消息稱，阿羅什本人僅僅提前了20分鐘被組委會告知自己獲獎的消息。

“我很幸運，”阿羅什說，但他指的并不是自己得獎這回事，“（接到來電時）我正在一條街上，旁邊就有個長椅，所以我第一時間就坐了下來。”他形容那一刻的心情，“當我看到是瑞典的來電區號，我意識到這是真實的，那種感覺，你知道，真是勢不可擋。”

不過據諾獎官網的推特稱，阿羅什接到獲獎的確切消息后，打了個電話給自己的孩子，然后開了瓶香檳慶祝。再然后，他又回實驗室工作去了。

（作者單位：復旦大學物理系）

阿羅什小組設備示意圖

第7篇：量子力學基礎原理范文

量子力學完美地解釋了在各種尺度之下物質的行為，在所有物質科學中是最成功的理論，但也是最詭異的理論。

在量子領域里，粒子似乎可以同時出現在兩個地方，信息傳遞速度可以比光速快，而貓可以同時既是死的又是活的！物理學家已經對這些量子世界中吊詭的事情困惑了90年，但他們現在還是一籌莫展。當演化論和宇宙論已經成為一般知識時，量子理論仍然讓人認為是奇特的異常事物；盡管在設計電子產品時，它是很棒的操作手冊，此外就沒什么用處了。由于人們對于量子理論的意義有著深度混淆，便繼續加深一種印象：量子理論想急切傳達的深奧道理，與日常生活無關，而且因為過于怪異，以至于一點也不重要。

在2001年，有個研究團隊開始發展一種模型，或許可以去除量子物理的吊詭之處，至少也會讓這些吊詭不那么令人不安。這個模型被稱為量子貝氏主義，它重新思考波函數的意義。

在正統量子理論中，一個物體（例如電子）可用波函數來表示，也就是說波函數是一種用來描述物體性質的數學式子。如果你想預測電子的行為，只需推導出它的波函數如何隨時間變化，計算的結果可以給你電子具有某種性質（例如電子位于某處）的概率。但是如果物理學家進一步假設波函數是真實的事物，麻煩就來了。

量子貝氏主義結合了量子理論與概率理論，認為波函數不是客觀實在的事物；反之，它主張把波函數作為使用手冊，是觀察者對于周遭（量子）世界做出適當判斷的數學工具。明確一點講，觀察者了解一件事：自己的行為與抉擇會無可避免地以無法預測的方式影響被觀測系統，因此用波函數來指明自己判斷量子系統具有某種特定性質的概率大小。另一個觀察者也用波函數來描述他所看到的世界，對于同一量子系統而言，可能會得到完全不同的結論。觀察者的人數有多少，一個系統（一個事件）可能擁有不同的波函數就有多少。在觀察者相互溝通、并且修正了各自的波函數以涵蓋新得到的知識之后，一個有條理的世界觀就浮現了。

最近才轉而接受量子貝氏主義的美國康奈爾大學理論物理學家摩明這么說：“在此觀點之下，波函數或許是‘我們所發現最有威力的抽象概念’。”

波函數不是真實的事物，這種想法早在20世紀30年代就出現了，那時量子力學創建者之一的尼爾斯·波爾在其文章中已經這么說。他認為量子理論僅僅是計算工具，即量子論只是“純符號性”的架構而已，而波函數是工具的一部分。量子貝氏主義是第一個為波耳的主張找到數學基礎的模型，它把量子理論與貝氏統計結合起來。貝氏統計是一門有200年歷史的統計學，這門學問把“概率”定義成某種類似“主觀信念”的事物。一旦新信息出現，我們的主觀信念也必須跟著更新。針對如何更新，貝氏統計定下了明確的數學規則。量子貝氏主義把波函數解釋成一種會依據貝氏統計規則來更新的主觀信念，如此一來，量子貝氏主義的鼓吹者相信神秘的量子力學吊詭就消失了。

以電子為例，每當我們偵測到一個電子，就會發現它一定是位于某個位置；但是當我們不去看它，則電子的波函數可能是散開的，代表了電子在某一時刻處于不同地方的可能性；如果我們再去看它，又會看到電子出現在某一個位置。根據標準說法，觀測促使波函數在一瞬間“崩陷”而集中于某一個位置之上。

空間各處的崩陷發生于同一時刻，這種情形似乎違背了“局域性原理”（即物體的任何改變一定是由其附近的另一物體所引起的），如此一來就會引發一些如愛因斯坦稱為“鬼魅般的超距作用”的困惑。

量子力學一誕生，物理學家就知道“波函數的崩陷”是這個理論深深困擾人的一項特點。這個令人不安的謎促使物理學家發展出各種量子力學的詮釋，但是都沒能完全成功。

然而量子貝氏主義說量子力學根本沒有任何詭異之處。波函數崩陷只是表示觀察者依據新信息，忽然且不連續地更新了他原先分配的概率，就好像醫生依據新的計算機斷層掃描結果，而修正了對癌癥病人病況的判斷。量子系統并沒有經歷什么奇怪、不可解釋的變化，改變的是（觀察者選用的）波函數，波函數呈現的是觀察者個人的期待。

第8篇：量子力學基礎原理范文

【關鍵詞】中學 化學教學 量子空間論

【中圖分類號】G633.8 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2013）10-0154-01

（小敘）：課篇第一章節細讀、研讀、探透性知識點。

1.尋找研究方法 2.課題的研究內容

3.課題研究的一些成果 4.鞏固建筑語錄

【序言】

化學是在分子、原子層次上研究物質性質、組成、結構與變化規律的科學。化學不斷地發展著，目前，人們發現和合成的物質已有幾千萬種，其中很多是自然界中原本不存在的；這極大地改善了人類的生存和發展條件，豐富了人們的生活。

例如：

1.納米銅（1nm=10?9m ）具有超塑延展性，在室溫下可拉長50多倍而不出現裂紋。

2.用隔水透氣的高分子薄膜做的鳥籠。

3.單晶硅為信息技術和新能源開發提供了基礎材料。

4.用玻璃鋼制成的船體。

總之，作為實用的、富于創造性的中心學科，化學在能源、材料、醫藥、信息、環境和生命科學等研究領域以及工農業生產中發揮著其他學科所不能替代的重要潛質作用。近年來，“綠色化學”的提出，使更多的化學生產工藝和產品向著環境友好的方向發展，化學必將使世界變得更加絢麗光彩。

【尋找研究方法】

第一單元 走進化學世界；

1.物質的變化和性質

2.化學是一門以實驗為基礎的科學

3.走進化學實驗室

第二、三單元 我們周圍的空氣與自然界的水；空氣、氧氣（氧氣的制取）、水的組成、分子和原子、水的凈化。“愛護水資源”。

第四、五單元 物質構成的奧妙、簡單統計應用；原子的構成、元素、離子、化學式與化合價 ：

如何正確書寫化學方程式”？利用化學方程式的簡單計算？

第六、七單元 C與C的氧化物燃料及其利用；

分析：金剛石、石墨和C60 （1.CO2 的制取？ 2.CO2 與CO的區別、聯系？）

應用：燃燒和滅火？燃料和熱量？

環保問題：“燃料對環境的影響”

自留田地：“石油和煤的綜合利用？”

第八、九單元 金屬與溶液的問題；

熟記、認識：金屬、金屬材料、金屬的化學性質；

金屬資源的利用和保護、溶液的形成；

溶解度、溶質的質量分數。

第十、十一、十二單元 酸與堿 、鹽與化肥 、“化學與生活”。

生活中常見的：1.酸與堿

2.酸與堿之間會發生什么反應

3.鹽

4.化學肥料

人體：1.人類重要的營養物質

2.化學元素與人體健康

3.有機合成材料

學生自認化學常用儀器。學習“附錄”相關記錄 。

【課題的研究內容】

無機化學中量子（分子、原子）力學論

量子化學（Quantum chemistry）是理論化學的一個分支學科，是應用量子力學的基礎原理和方法研究化學問題的一門基礎科學。研究范圍包括穩定和不穩定分子的結構、性能及其結構與性能之間的關系；分子與分子之間的相互碰撞和相互反應等問題。

量子化學是理論化學的一個分支學科，是應用量子力學的基本原理和方法，研究化學問題的一門基礎科學。

1927年海特勒和倫敦用量子力學基礎原理討論氫分子結構問題，說明了兩個氫原子能夠結合成一個穩定的氫分子的原因，并且利用相當近似的計算方法，算出其結合能。由此，使人們認識到可以用量子力學原理討論分子結構問題，從而逐漸形成了量子化學這一分支學科。

【課題研究的一些成果】

生物大分子體系的量子化學計算一直是一個具有挑戰性的研究領域，尤其是生物大分子體系的理論研究具有重要意義。由于量子化學可以在分子、電子水平上對體系進行精細的理論研究，是其它理論研究方法所難以替代的。因此要深入理解有關酶的催化作用、基因的復制與突變、藥物與受體之間的識別與結合過程及作用方式等，都很有必要運用量子化學的方法對這些生物大分子體系進行研究。毫無疑問，這種研究可以幫助人們有目的地調控酶的催化作用，甚至可以有目的地修飾酶的結構，設計并合成人工酶；可以揭示遺傳與變異的奧妙，進而調控基因的復制與突變，使之造福于人類；可以根據藥物與受體的結合過程和作用特點設計高效低毒的新藥等等，可見運用量子化學的手段來研究生命現象是十分有意義的。

【鞏固建筑語錄】

化學中常見“離子反應”包括：“酸、堿、鹽在水溶液中的電離”和“離子反應及其發生的條件”兩部分。

無機化學中最關鍵的是要有實觀性：基礎高層次的“化學方程式”們。

其次，稀土元素中的各種化學量變、質變及各種物理、化學性反應。

再次，金屬的利用、及高等積存用途。

還有，就是氣體的大力層存在行式。如同：水、陸、空，人類的生活方式。

參考文獻：

[1]初中九年級化學上、下冊課本，人民出版社出版，2011年版。

第9篇：量子力學基礎原理范文

關鍵詞：空間；時間；質量；能量；科學技術

物理學是一門既古老又年輕的自然科學，它對現代科學技術的發展起著重要的作用。物理學和其他自然科學一樣，是研究自然界中物質運動的客觀規律的科學。細分起來物理學大致經過了四個發展階段。

1 物理學的發展過程

1.1 宏觀低速階段

研究宏觀低速的理論是牛頓力學，研究對象為宏觀低速運動的物體。例如：汽車、火車的運動，地球衛星的發射。在牛頓力學中，牛頓認為：質量、時間、空間都是絕對的。也就是說，對于時間來講不存在延長和收縮的問題，即時間是在一秒鐘，一秒鐘地或一個小時，一個小時地均勻流失。對于空間和質量來講也不存在著變大或變小的問題。牛頓力學的三大定律，就是在這樣的基礎上建立的。

1.2 宏觀高速階段

研究宏觀高速的理論是愛因斯坦的相對論力學，愛因斯坦在1905年發表了論文相對論力學。愛因斯坦認為空間、質量、時間都是相對的。并且找出了動質量和靜質量之間的關系：其中m0為靜質量；m為動質量。

1.3 微觀低速階段

其理論是薛定諤，海森堡兩個創立的量子力學。研究對象為分子、原子、電子、粒子等肉眼所看不見的物質。

1.4 微觀高速階段

理論是量子場論，研究對象為宇宙射線，放射性元素。例如“鐳”。量子場論就是粒子通過相互作用而被產生，湮滅或相互轉化的規律。例如：通過對天外射線射向地球宇宙射線的研究發現“反粒子”，即電子的反粒子正電子。負電子與正電子相互作用湮沒——轉化為二個γ光子，例如“閃電”。

2 物理學與工程技術的關系

物理學與工程技術有著密切的關系，他們之間是相互促進共同發展的。我們平時常說科學技術，實際上科學和技術是兩個不同的概念。科學解決理論問題，而技術解決實際問題。科學是發現自然界當中確實存在的事實，并且建立理論，把這些理論和現象聯系起來。科學主要是探索未知，而技術是把科學取得的成果和理論應用于實際當中，從而解決實際問題。所以技術是在理論相對比較成熟的領域里邊工作。科學與工程技術相互促進的模式主要有以下兩種。

2.1 技術——物理——技術

例如：蒸汽機的發明和蒸汽機在工業當中的應用形成了第一次工業革命——熱力學統計物理——蒸汽機效率的提高，內燃機，燃氣輪機的發明。這一次主要是這樣：由于蒸汽機的發明，在當初工業應用上，出現了很多應用技術的問題。例如蒸汽機發明的初期熱效率很低，大概不到5%。這樣，就對物理提出了很尖銳的問題。那就是熱機的效率最高能達到多少？熱機的效率有沒有上限？上限是多少？再一個就是通過什么樣的方式來提高熱機的效率？由于這些問題就促進了物理學的發展，正是在這些問題解決的過程當中，逐漸形成和建立了熱力學統計物理。而熱力學統計物理很好地回答了提高熱機效率的途徑，以及提高熱機效率的限度等等這些理論上的問題。

2.2 物理——技術——物理

例如：

①電磁學——發電機，電力電器，無線電通信技術——電磁學；電磁學從庫侖定律的發現，以及法拉第發現電磁感應定律，直到1865年麥克斯韋建立電磁學基本理論，這些都是科學家在實驗室里邊逐漸形成的，這都是理論建立的過程，而這些理論應用于實際就發明了電動機、發電機等其它電器以及無線電通信技術，而這些實用技術的進一步發展又給電磁學提出來了許多需要解決的實際問題。正是這些問題的逐步解決，使得電磁學更加的完善和在理論上進一步得到了提高。

②量子力學，半導體物理——晶體管超級大規模集成電路技術，電子計算機技術，激光技術——量子力學，激光物理；量子力學是20世紀初期為了解決物理上的一些疑難問題而建立起來的一種理論，這種理論應用于解決晶體的問題就形成了半導體技術，而半導體技術的進一步發展就發明了大規模集成電路和超大規模集成電路，而超大規模集成電路的發明是產生電子計算機的主要物質基礎，而正是由于電子計算機技術的發展又向量子力學提出了一些其他更加深刻需要解決的問題，而這些問題的解決就促進了量子力學的進一步發展和完善。

③狹義相對論，質能關系E=mc2， E=mc2——原子彈及核能的利用——核物理，粒子物理，高能物理；狹義相對論是20世紀初期愛因斯坦建立的一種理論，他是為了解決電磁學等其他物理學科上的一些經典物理當中理論上的一些不協調和不自恰這樣一種矛盾而提出的一種理論，這種理論當中有一個很重要的理論結果，那就是質能關系E=mc2，E=mc2。而這種質能關系被我們稱為打開核能寶庫的鑰匙，這一理論結果的應用直接導致了或者指導了核能的應用，而對于核能的進一步應用又提出了許多新的問題，而這些新問題的進一步解決使得理論更加完善而得到進一步提高，從而形成像核物理，粒子物理，以及高能物理等等，那么實際技術上問題的解決又進一步促進了物理學的發展。

3 結語

應該說物理和技術有著密切的聯系，物理原理及理論的初創式開發和應用都形成了當時的高新技術，物理學仍然是當代高新技術的主要源泉。所有新技術的產生都在物理學中經歷了長期醞釀。例如：1909年盧瑟福的粒子散射實驗——40年后的核能利用；1917年愛因斯坦的受激發射理論——1960年第一臺激光器的誕生等，整個信息技術的產生、發展，其硬件部分都是以物理學為基礎的。

參考文獻：

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