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第1篇：量子力學(xué)的核心范文

本書的主要目的，就是要證明這樣的替代物是存在的，它與50年前人們討論的所謂唯象隨機(jī)量子力學(xué)以及隨機(jī)零點(diǎn)場理論密切相關(guān)。這是一種漲落場，屬于經(jīng)典Maxwell方程的解，但是在零溫下有非零平均能。作者們認(rèn)為量子化源于經(jīng)典物理與這種零點(diǎn)場漲落緊密聯(lián)系的深刻隨機(jī)過程，而量子力學(xué)的基本理論建筑在第一原理的基礎(chǔ)上，這個原理揭示從更深層次的隨機(jī)過程引發(fā)的涌現(xiàn)（Emergency，或譯突現(xiàn)）現(xiàn)象的量子化。

作者們在本書所呈現(xiàn)的理論觀點(diǎn)是經(jīng)過長時間的努力尋找而獲得的答案。長期以來，科研人員試圖尋找答案的以下問題：哪些概念對量子力學(xué)的發(fā)展起重要作用；是什么為這些概念提供了物理基礎(chǔ)；量子力學(xué)背后的物理學(xué)的最新發(fā)現(xiàn)中，有哪些對這些問題的回答形成了綜合的和自洽的新的理論框架。

作者認(rèn)為任何物質(zhì)系統(tǒng)都是一個開放系統(tǒng)，它們永久地接觸隨機(jī)零點(diǎn)輻射場，并與其達(dá)到平衡狀態(tài)。從這個基礎(chǔ)出發(fā)，導(dǎo)出量子力學(xué)形式體系的核心以及非相對論QED的相對論修正，同時揭示了基本的物理機(jī)制。本書打開了通向進(jìn)一步探索并揭示物理的新大門。讀者會看到，這一任務(wù)遠(yuǎn)沒有結(jié)束，仍存在很多問題沒有考察到，期待進(jìn)一步研究。

本書闡明了量子理論一些核心特點(diǎn)的根源，諸如原子的穩(wěn)定性，電子自旋，量子漲落、量子非定域性和糾纏。這里發(fā)展的理論重新確認(rèn)了諸如實(shí)在性、因果性、局域性和客觀性等基本的科學(xué)原理

全書內(nèi)容共分10章：1.量子力學(xué)：某些問題；2.唯象隨機(jī)方法：通向量子力學(xué)的簡捷途徑；3.普朗克分布，漲落零點(diǎn)場的一個必然推論；4.通向薛定諤方程的漫長旅途；5.通向海森伯量子力學(xué)之路；6.超越薛定諤方程；7.解開量子糾纏； 8.量子力學(xué)的因果性、非定域性和糾纏； 10.零點(diǎn)場波（和）物質(zhì)。

本書適合熟悉量子力學(xué)的最基本概念和結(jié)果的讀者閱讀。其內(nèi)容適用于從事理論物理、數(shù)學(xué)物理、實(shí)驗(yàn)物理、量子化學(xué)和物理哲學(xué)的研究人員、研究生和教師參考。

丁亦兵，教授

（中國科學(xué)院大學(xué)）

Ding Yibing，Professor

（The University，CAS）Ignatios Antoniadis et al

Supersymmetry After the

Higgs Discovery

2014

http：///book/

10.1007/978-3-662-44172-5

第2篇：量子力學(xué)的核心范文

關(guān)鍵詞 量子力學(xué) 教學(xué)內(nèi)容 教學(xué)方法

中圖分類號：G420 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Teaching Methods and Practice of Quantum Mechanics of

Materials Physics Professional

FU Ping

(College of Materials Science and Engineering, Wuhan Institute of Technology, Wuhan, Hubei 430073)

Abstract For the difficulties faced by students in Materials professional to learn quantum mechanics physics course, by a summary of teaching practice in recent years, from the teaching content, teaching methods and means of exploration and practice, students mobilize the enthusiasm and initiative, and achieved good teaching results.

Key words quantum mechanics; teaching content; teaching methods

0 引言

量子力學(xué)是研究微觀粒子（如原子、分子、原子核和基本粒子等）運(yùn)動規(guī)律的物理學(xué)分支學(xué)科，它和相對論是矗立在20世紀(jì)之初的兩座科學(xué)豐碑，一起構(gòu)成了現(xiàn)代物理學(xué)的兩塊理論基石。相對論和量子力學(xué)徹底改變了經(jīng)典物理學(xué)的世界觀，并且深化了人類對自然界的認(rèn)識，改造了人類的宇宙觀和思想方法，它使人們對物質(zhì)存在的方式及其運(yùn)動形態(tài)等的認(rèn)識產(chǎn)生了一個質(zhì)的飛躍。

量子力學(xué)是材料物理專業(yè)一門承前啟后的專業(yè)基礎(chǔ)必修課：量子力學(xué)的教學(xué)必須以數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，包括線性代數(shù)、概率論、高等數(shù)學(xué)、數(shù)理方法等，其又是后續(xù)課程材料科學(xué)基礎(chǔ)、固體物理、材料物理、納米材料等的理論基礎(chǔ)。可見，量子力學(xué)課程在材料物理專業(yè)的課程體系中占有非常重要的地位，學(xué)生掌握的程度直接影響后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)。作者近年來一直從事量子力學(xué)的教學(xué)工作，針對量子力學(xué)課程教學(xué)過程中存在的現(xiàn)象和問題，進(jìn)行了較深入細(xì)致的思考與探討，在實(shí)際教學(xué)過程中對本課程的教學(xué)方法進(jìn)行了探索與實(shí)踐，收到了較好的教學(xué)效果。

1 量子力學(xué)教學(xué)面臨的難點(diǎn)

量子力學(xué)研究的是微觀粒子的運(yùn)動規(guī)律，微觀粒子同宏觀粒子不同，看不見，摸不著，只有借助于探測器才能察覺它的存在和屬性。材料物理專業(yè)學(xué)生之前學(xué)習(xí)的基本上是經(jīng)典物理，而量子力學(xué)理論無法用經(jīng)典理論進(jìn)行解釋，學(xué)生對此感到難于理解。因此，經(jīng)典物理的傳統(tǒng)觀念對學(xué)生思想的束縛，構(gòu)成了學(xué)生學(xué)習(xí)量子力學(xué)的思想障礙；量子力學(xué)可以說無處不“數(shù)學(xué)”， 由于材料物理專業(yè)學(xué)生在數(shù)學(xué)基礎(chǔ)方面與物理專業(yè)學(xué)生相比較為薄弱，在學(xué)習(xí)過程中普遍感到數(shù)學(xué)計(jì)算繁難，對大段的數(shù)學(xué)推導(dǎo)表現(xiàn)出畏難情緒。可見，量子力學(xué)對數(shù)學(xué)的精彩詮釋卻構(gòu)成了學(xué)生學(xué)習(xí)量子力學(xué)的心理障礙。這兩大障礙勢必會影響量子力學(xué)和后續(xù)課程的學(xué)習(xí)。在這種情況下，我們應(yīng)當(dāng)怎樣開展量子力學(xué)教學(xué)從而使學(xué)生重視并努力學(xué)好該課程就成了一個嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

2 明確教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)、有的放矢

要講授一門課程，首先應(yīng)該對課程內(nèi)容有一個清晰的認(rèn)識。量子力學(xué)的內(nèi)容可以包括三個方面：一是介紹產(chǎn)生新概念的歷史背景及一些重要實(shí)驗(yàn)；二是提出一系列不同于經(jīng)典物理學(xué)的基本概念與原理，如波函數(shù)、算符等概念和相關(guān)原理，是該課程的核心；三是給出解決具體實(shí)際問題的方法。三部分內(nèi)容相互聯(lián)系，層層推進(jìn)，形成完整的知識體系。作為引導(dǎo)者，教師應(yīng)在這三部分內(nèi)容的教學(xué)過程中幫助學(xué)生成功地突破兩大束縛。第一部分內(nèi)容教師應(yīng)考慮如何引導(dǎo)學(xué)生入門，從習(xí)慣古典概念轉(zhuǎn)而接受量子概念。在講授這部分內(nèi)容時要將重點(diǎn)放在“經(jīng)典”向“量子”的過渡上，引出量子力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)在研究方法上的顯著不同：經(jīng)典力學(xué)是將其研究對象作為連續(xù)的不間斷的整體對待，而量子力學(xué)將其研究對象看成的間斷的、不連續(xù)的。學(xué)生在學(xué)習(xí)這部分時應(yīng)仔細(xì)“品嘗”其中的“滋味”，以便啟發(fā)自己的思維自然地產(chǎn)生一個飛躍，完成思想的突破。第二、三部分是量子力學(xué)學(xué)習(xí)的重點(diǎn)與難點(diǎn)，并且涉及大量的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，教師應(yīng)采取適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)手段，突出重點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)難點(diǎn)。在物理學(xué)研究中，數(shù)學(xué)只是用來表達(dá)物理思想并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行邏輯演算的工具，不能將物理內(nèi)容淹沒在復(fù)雜的數(shù)學(xué)形式當(dāng)中。通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)才能得到的結(jié)論，只需告訴學(xué)生，從數(shù)學(xué)上可以得到這樣的結(jié)果就可以了，無需將重點(diǎn)放在繁難的數(shù)學(xué)推導(dǎo)上，否則會使學(xué)生本末倒置，忽略了對量子力學(xué)思想的理解。這樣的教學(xué)可以幫助學(xué)生突破心理障礙，不會一提量子力學(xué)就想到復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，從而產(chǎn)生抵觸情緒。成功地突破這兩大障礙，是學(xué)習(xí)量子力學(xué)的關(guān)鍵。

3 教學(xué)方法的改革

3.1 利用現(xiàn)代技術(shù)改進(jìn)教學(xué)手段

傳統(tǒng)的板書教學(xué)能夠形成系統(tǒng)性的知識框架，教師在板書推導(dǎo)的過程中，學(xué)生有時間反應(yīng)和思考，緊跟教師的思路，從而可以詳細(xì)、循序漸進(jìn)地吸收所學(xué)知識，并培養(yǎng)了良好的思維習(xí)慣。但全程板書會導(dǎo)致上課節(jié)奏慢，授課內(nèi)容有限。目前隨著高校教學(xué)改革的推進(jìn)，授課學(xué)時相繼減少，對于傳統(tǒng)教學(xué)方式來講，要完成教學(xué)任務(wù)比較困難。這就要借助現(xiàn)代科技手段進(jìn)行教學(xué)改革，包括多媒體課件的使用和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)。但是在量子力學(xué)教學(xué)中，一些繁雜公式的推導(dǎo)，如果使用多媒體課件，節(jié)奏會較快，導(dǎo)致學(xué)生目不暇接，來不及做筆記，更來不及思考，不利于講授內(nèi)容的消化吸收。鑒于此，對于量子力學(xué)課程，教學(xué)過程應(yīng)采用板書和多媒體技術(shù)相結(jié)合的方式，充分發(fā)揮二者的優(yōu)勢，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

3.2 建設(shè)習(xí)題庫

量子力學(xué)課程理論抽象，要深入理解這些理論，在熟練掌握教材基本知識的基礎(chǔ)上，需要通過大量習(xí)題的演練，循序漸近，才能檢驗(yàn)自己理解的程度，真正學(xué)好這門課程。因此在教學(xué)過程中，強(qiáng)調(diào)做習(xí)題的重要性。有針對性地根據(jù)材料物理專業(yè)量子力學(xué)的教學(xué)大綱和教學(xué)內(nèi)容，參考多本量子力學(xué)教材和習(xí)題集，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)建設(shè)量子力學(xué)習(xí)題庫，題型包括選擇、填空、證明、簡答和計(jì)算題等，內(nèi)容涵蓋各知識點(diǎn)，從簡到繁、由淺至深。題庫操作方便，學(xué)生可自行操作，并對所做結(jié)果進(jìn)行實(shí)時檢查，從而清楚自己掌握本課程的程度。這一方式在近幾年的教學(xué)中取得了良好的教學(xué)效果。

3.3 加強(qiáng)與學(xué)生互動，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性

教學(xué)是一個師生互動的過程，應(yīng)讓學(xué)生始終處于主動學(xué)習(xí)的位置而不是被動的接受。量子力學(xué)課程的學(xué)習(xí)更應(yīng)積極調(diào)動學(xué)生的積極性，因此教師應(yīng)在教學(xué)過程中加強(qiáng)與學(xué)生的互動。增設(shè)課前提問、課后討論環(huán)節(jié)，認(rèn)真批改作業(yè)，積極發(fā)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)過程中存在的問題，并及時對問題進(jìn)行深入講解，解決問題。另外，由于量子力學(xué)是建立在一系列基本假定基礎(chǔ)之上的，抽象難懂，鑒于學(xué)生難接受的情況，在授課時注意理論聯(lián)系實(shí)際，盡可能進(jìn)行知識的滲透和遷移，將量子力學(xué)在實(shí)際中的應(yīng)用穿插于教學(xué)之中，豐富教學(xué)內(nèi)容，開拓學(xué)生視野，從而調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。

4 結(jié)語

通過近年來教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)和探索，形成了一套適合材料物理專業(yè)量子力學(xué)課程教學(xué)的方法，該方法教學(xué)效果良好。在近幾年的研究生入學(xué)考試中，學(xué)生量子力學(xué)課程的成績優(yōu)秀，說明采用這樣的教學(xué)方法是成功的。

資助項(xiàng)目：武漢工程大學(xué)2010年校級教學(xué)研究項(xiàng)目（X201037）

第3篇：量子力學(xué)的核心范文

圖景。

一、量子力學(xué)突破了經(jīng)典科學(xué)的機(jī)械決定論，遵循因果加統(tǒng)計(jì)的非機(jī)械決定論

經(jīng)典力學(xué)是關(guān)于機(jī)械運(yùn)動的科學(xué)，機(jī)械運(yùn)動是自然界最簡單也是最普遍的運(yùn)動。說它最簡單，因?yàn)闄C(jī)械運(yùn)動比較容易認(rèn)識，牛頓等人又采取高度簡化的方法研究力學(xué)，獲得了空前成功；說它最普遍，因?yàn)闄C(jī)械力學(xué)有廣泛的用途，容易把它絕對化。[2]機(jī)械決定論是建立在經(jīng)典力學(xué)的因果觀之上，解釋原因和結(jié)果的存在方式和聯(lián)系方式的理論。機(jī)械決定論認(rèn)為因和果之間的聯(lián)系具有確定性，無論從因到果的軌跡多么復(fù)雜，沿著軌跡尋找總能確定出原因或結(jié)果；機(jī)械決定論的核心在于只要初始狀態(tài)一定，則未來狀態(tài)可以由因果法則進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測。[3]其實(shí)，機(jī)械決定論僅僅適用于宏觀物體，而對于微觀領(lǐng)域以及客觀世界中大量存在的偶然現(xiàn)象的研究就產(chǎn)生了統(tǒng)計(jì)決定論。[4]

量子力學(xué)是對經(jīng)典物理學(xué)在微觀領(lǐng)域的一次革命。量子力學(xué)所揭示的微觀世界的運(yùn)動規(guī)律以及以玻爾為代表的哥本哈根學(xué)派對量子力學(xué)的理解，同物理學(xué)機(jī)械決定論是根本相悖的。[5]按照量子理論，微觀粒子運(yùn)動遵守統(tǒng)計(jì)規(guī)律，我們不能說某個電子一定在什么地方出現(xiàn)，而只能說它在某處出現(xiàn)的幾率有多大。

玻恩的統(tǒng)計(jì)解釋指出，因果性是表示事件關(guān)系之中一種必然性觀念，而機(jī)遇則恰恰相反地意味著完全不確定性，自然界同時受到因果律和機(jī)遇律的某種混合方式的支配。在量子力學(xué)中，幾率性是基本概念，統(tǒng)計(jì)規(guī)律是基本規(guī)律。物理學(xué)原理的方向發(fā)生了質(zhì)的改變：統(tǒng)計(jì)描述代替了嚴(yán)格的因果描述，非機(jī)械決定論代替了機(jī)械決定論的統(tǒng)治。

經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)雖然也提出了幾率的概念，但未能從根本上動搖嚴(yán)格決定論，量子力學(xué)的沖擊則使機(jī)械決定論的大廈坍塌了。量子力學(xué)揭示并論證了人們對微觀世界的認(rèn)識具有不可避免的隨機(jī)性，它不遵循嚴(yán)格的因果律。任何微觀事件的測定都要受到測不準(zhǔn)關(guān)系的限定，不可能確切地知道它們的位置和動量、時間和能量，只能描述和預(yù)言微觀對象的可能的行為。因此，量子力學(xué)必須是幾率的、統(tǒng)計(jì)的。而且，隨著認(rèn)識的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)量子統(tǒng)計(jì)的隨機(jī)性，不是由于我們知識和手段的不完備性造成的，而是由微觀世界本身的必然性（主客體相互作用）所注定。

二、量子力學(xué)使得科學(xué)認(rèn)識方法由還原論轉(zhuǎn)化為整體論

還原論作為一種認(rèn)識方法，是指把高級運(yùn)動形式歸結(jié)為低級運(yùn)動形式，用研究低級運(yùn)動形式所得出的結(jié)論代替對高級運(yùn)動形式的本質(zhì)認(rèn)識的觀點(diǎn)。它用已分析得出的客觀世界中的主要的、穩(wěn)定的觀點(diǎn)和規(guī)律去解釋、說明要研究的對象。其目的是簡化、縮小客體的多樣性。這種方法在人類認(rèn)識處于初級水平上無疑是有效的。如牛頓將開普勒和伽利略的定律成功地還原為他的重力定律。但是還原論形而上學(xué)的本質(zhì)，以及完全還原是不可能的，決定了還原論不能揭示世界的全貌。

量子力學(xué)認(rèn)為整體與部分的劃分只有相對意義，整體的特征絕非部分的疊加，而是部分包含著整體。部分作為一個單元，具有與整體同等甚至還要大的復(fù)雜性。部分不僅與周圍環(huán)境發(fā)生一定的外在聯(lián)系，同時還要表現(xiàn)出“主體性”，可將自身的內(nèi)在聯(lián)系傳遞到周邊，并直接參與整體的變化。因而，部分與整體呈現(xiàn)了有機(jī)的自覺因果關(guān)系。在特定的臨界狀態(tài)，部分的少許變化將引起整體的突變。[6]

波粒二象性是微觀世界的本質(zhì)特征，也是量子論、量子力學(xué)理論思想的靈魂。用經(jīng)典觀點(diǎn)來看，也就是按照還原論的思想，粒子與波毫無共同之處，二者難以形成直觀的統(tǒng)一圖案，這是經(jīng)典物理學(xué)通過部分還原認(rèn)識整體的方法，是“向上的原因”。可是微觀粒子在某些實(shí)驗(yàn)條件下，只表現(xiàn)波動性；而在另一些實(shí)驗(yàn)條件下，只表現(xiàn)粒子性。這兩種實(shí)驗(yàn)結(jié)果不能同時在一次實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)。于是，玻爾的互補(bǔ)原理就在客觀上揭示了微觀世界的矛盾和我們關(guān)于微觀世界認(rèn)識的矛盾，并試圖尋找一種解決矛盾的方法，這就是微觀粒子既具有粒子性又具有波動性，即波粒二象性。這就是整體論觀點(diǎn)強(qiáng)調(diào)的“向下的原因”，即從整體到部分。同樣，海森伯的測不準(zhǔn)原理說明不能同時測量微觀粒子的動量和位置，這也說明絕不能把宏觀物體的可觀測量簡單盲目地還原到微觀。由此我們可以看出，造成經(jīng)典科學(xué)觀與現(xiàn)代科學(xué)觀認(rèn)識論和方法論不同的根本在于思考和觀察問題的層面不同。經(jīng)典科學(xué)一味地強(qiáng)調(diào)外在聯(lián)系觀，而量子力學(xué)則更強(qiáng)調(diào)關(guān)注事物內(nèi)部的有機(jī)聯(lián)系。所以，量子力學(xué)把內(nèi)在聯(lián)系作為原因從根本上動搖了還原論觀點(diǎn)。

三、量子力學(xué)使得科學(xué)思維方式由追求簡單性發(fā)展到探索復(fù)雜性

從經(jīng)典科學(xué)思維方式來看，世界在本質(zhì)上是簡單的。牛頓就說過，自然界喜歡簡單化，而不喜歡用什么多余的原因以夸耀自己。追求簡單性是經(jīng)典科學(xué)奮斗的目標(biāo)，也是推動它獲取成功的動力。開普勒以三條簡明的定律揭示了看似復(fù)雜的太陽系行星運(yùn)動，牛頓更是用單一的萬有引力說明了千變?nèi)f化的天體行為。因而現(xiàn)代科學(xué)是用簡單性解釋復(fù)雜性，這就隱去了自然界的豐富多樣性。

量子力學(xué)初步揭示了客觀世界的復(fù)雜性。經(jīng)典科學(xué)的簡單性是與把物理世界理想化相聯(lián)系的。經(jīng)典物理學(xué)所研究的是理想的物質(zhì)客體。它不但用理想化的“質(zhì)點(diǎn)”、“剛體”、“理想氣體”來描述物體，而且把研究對象的條件理想化，使研究的視野僅僅局限于人們自己制定的范圍之內(nèi)。而客觀世界并不是如此，特別是進(jìn)入微觀領(lǐng)域，微觀粒子運(yùn)動的幾率性、隨機(jī)性；觀測對象和觀測主體不可分割性等都足以說明自然界本身并不是我們想象的那么簡單。

在現(xiàn)代科學(xué)中，牛頓的經(jīng)典力學(xué)成了相對論的低速現(xiàn)象的特例，成為非線性科學(xué)中交互作用近似為零的情況，在量子力學(xué)中是測不準(zhǔn)關(guān)系可以忽略時的理論表述。復(fù)雜性的提出并不是要消滅簡單性，而是為了打破簡單性獨(dú)占的一統(tǒng)地位。復(fù)雜性是把簡單性作為一個特例包含其中，正如莫蘭所說的，復(fù)雜性是簡單性和復(fù)雜性的統(tǒng)一。復(fù)雜性比簡單性更基本，可能性比現(xiàn)實(shí)性更基本，演化比存在更基本。[7]今天的科學(xué)思維方式，不是以現(xiàn)實(shí)來限制可能，而是從可能中選擇現(xiàn)實(shí)；不是以既存的實(shí)體來確定演化，而是在演化中認(rèn)識和把握實(shí)體。復(fù)雜性主張考察被研究對象的復(fù)雜性，在對其作出層次與類別上的區(qū)分之后再進(jìn)行溝通，而不是僅僅限于孤立和分離，它強(qiáng)調(diào)的是一種整體的協(xié)同。

四、量子力學(xué)使科學(xué)活動中主客體分離邁向主客互動

經(jīng)典科學(xué)思維方式的一個指導(dǎo)觀念就是，認(rèn)為科學(xué)應(yīng)該客觀地、不附加任何主觀成分地獲取“照本來樣子的”世界知識。玻爾告訴人們，根本不存在所謂的“真實(shí)”，除非你首先描述測量物理量的方式，否則談?wù)撊魏挝锢砹慷际菦]有意義的！測量，這一不被經(jīng)典物理學(xué)考慮的問題，在面對量子世界如此微小的測量對象時，成為一個難以把握的手段。因?yàn)檠芯空叩慕槿雽α孔邮澜绠a(chǎn)生了致命的干擾，使得測量中充滿了不確定性。在海森伯看來，在我們的研究工作由宏觀領(lǐng)域進(jìn)入微觀領(lǐng)域時，我們就會遇到一個矛盾：我們的觀測儀器是宏觀的，可是研究對象卻是微觀的；宏觀儀器必然要對微觀粒子產(chǎn)生干擾，這種干擾本身又對我們的認(rèn)識產(chǎn)生了干擾；人只能用反映宏觀世界的經(jīng)典概念來描述宏觀儀器所觀測到的結(jié)果，可是這種經(jīng)典概念在描述微觀客體時又不能不加以限制。這突破了經(jīng)典科學(xué)完全可以在不影響客體自然存在的狀態(tài)下進(jìn)行觀測的假定，從而建立了科學(xué)活動中主客體互動的關(guān)系。

例如，關(guān)于光到底是粒子還是波，辯論了三百多年。玻爾認(rèn)為這完全取決于我們?nèi)绾稳ビ^察它。一種實(shí)驗(yàn)安排，人們可以看到光的波現(xiàn)象；另一種實(shí)驗(yàn)安排，人們又可以看到光的粒子現(xiàn)象。但就光子這個整體概念而言，它卻表現(xiàn)出波粒二象性。因此，海森伯就說，我們觀測的不是自然本身，而是由我們用來探索問題的方法所揭示的自然。[8]

量子力學(xué)的發(fā)展表明，不存在一個客觀的、絕對的世界。唯一存在的，就是我們能夠觀測到的世界。物理學(xué)的全部意義，不在于它能夠描述出自然“是什么”，而在于它能夠明確，關(guān)于自然我們能夠“說什么”。

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[摘要]20世紀(jì)三次物理學(xué)革命之一的量子力學(xué)突破了經(jīng)典科學(xué)的機(jī)械決定論，使之轉(zhuǎn)化為非機(jī)械決定論；使得科學(xué)認(rèn)識方法由還原論轉(zhuǎn)化為整體論；使得科學(xué)思維方式由追求簡單性到探索復(fù)雜性；確立了科學(xué)活動中主客體互動關(guān)系。

關(guān)鍵詞：量子力學(xué)；經(jīng)典科學(xué)世界圖景；

參考文獻(xiàn)：

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第4篇：量子力學(xué)的核心范文

【關(guān)鍵詞】課程體系 教學(xué)內(nèi)容 優(yōu)化研究

【中圖分類號】O43；O56 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2012）08-0181-02

光學(xué)與原子物理學(xué)是物理類專業(yè)的重要的基礎(chǔ)課，其前與力學(xué)、電磁學(xué)、熱學(xué)課程相銜接，其后承載著理論物理以及專業(yè)方向課程。由于這兩門課程在課程設(shè)置中具體的位置，再考慮課程本身的學(xué)術(shù)特色，這兩門課程的教學(xué)對學(xué)生創(chuàng)新能力和理論應(yīng)用能力的培養(yǎng)有其特殊的作用。工科院校有注重實(shí)踐、技術(shù)培養(yǎng)的傳統(tǒng)及其較完備的設(shè)施，客觀上為這兩門課程的能力培養(yǎng)提供了條件。我們要充分認(rèn)識工科院校的這種客觀優(yōu)勢和課程的學(xué)術(shù)特色，優(yōu)化課程體系和教學(xué)內(nèi)容，將課程的學(xué)術(shù)特色、學(xué)校的客觀優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為能力培養(yǎng)的特色和優(yōu)勢。

一、光學(xué)的課程體系及教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)

光學(xué)既是一門重要的基礎(chǔ)性學(xué)科，又是一門應(yīng)用性十分活躍、交叉滲透極其廣泛的物理課程。“在長期的發(fā)展過程中，光學(xué)形成了一套行之有效的特殊方法和儀器設(shè)備”【1】，即數(shù)理解析與幾何圖形相結(jié)合的理論研究方法、精密測量的設(shè)計(jì)與應(yīng)用特征。光學(xué)的這種學(xué)術(shù)特色對學(xué)生素質(zhì)能力的培養(yǎng)有其獨(dú)到之處。因此，通過對光學(xué)課程體系和教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化，突出課程的理論研究方法及其實(shí)踐性、滲透性【2】，有利于培養(yǎng)學(xué)生的交叉綜合性分析能力和依據(jù)理論的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、精密檢測能力，提高學(xué)生的創(chuàng)新性思維意識。

1.課程體系的架構(gòu)

以折射率和位相為核心概念，以費(fèi)馬原理和惠更斯-菲涅爾原理為基本原理，按照幾何光學(xué)、波動光學(xué)和量子光學(xué)的順序，研究光的傳播特性（波動性）及其粒子性，展示其數(shù)理解析與幾何圖像相結(jié)合的理論研究方法，突出課程在工程技術(shù)中的應(yīng)用以及與現(xiàn)代光學(xué)的滲透【1，3】。

體系框圖：

2.教學(xué)內(nèi)容的組織思路

以體現(xiàn)課程體系為原則，按48課時選取并組織、安排教學(xué)內(nèi)容思路如下【1，2】。

第一章 緒論：突出光學(xué)與其他學(xué)科的交叉滲透與應(yīng)用。（2學(xué)時）

第二章 幾何光學(xué)：以費(fèi)馬原理為基礎(chǔ)，以常見的光學(xué)儀器（單球面、薄透鏡、放大鏡等）成像為載體，展示數(shù)理解析與幾何圖像相結(jié)合的研究方法、突出光學(xué)儀器的設(shè)計(jì)思。（10學(xué)時）

第三章 光的干涉：以波的相干疊加為理論基礎(chǔ)，以等傾和等厚干涉為載體，展示數(shù)理解析與幾何圖像相結(jié)合的研究方法、突出相干理論在精密測量技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用。（12學(xué)時）

第四章 光的衍射：以惠更斯-菲涅爾原理為基礎(chǔ)，以菲涅爾衍射、夫瑯和費(fèi)衍射、光柵衍射為載體，展示數(shù)理解析與幾何圖像相結(jié)合的研究方法、突出其分光特性在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用。（10學(xué)時）

第五章 光的偏振：以光的偏振理論為基礎(chǔ)，以偏振器件為載體，展示數(shù)理解析與幾何圖像相結(jié)合的研究方法、注重向磁至旋光及磁光盤滲透。（10學(xué)時）

第六章 量子光學(xué)：以光的量子論為基礎(chǔ)，以光的輻射和激光為載體，注重向量子光學(xué)以及非線性光學(xué)滲透。（4學(xué)時） 二、原子物理學(xué)的課程體系和教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)

原子物理學(xué)是用近似的、不完整的量子力學(xué)理論和方法研究原子的運(yùn)動及其構(gòu)成的課程。其學(xué)術(shù)特色是完全以實(shí)驗(yàn)（觀察）事實(shí)為依據(jù)建立或選取理論模型，對問題做出恰當(dāng)?shù)慕忉尅Ｔ撜n程研究對象抽象，理論的系統(tǒng)性、完整性不強(qiáng)。但原子物理學(xué)是基礎(chǔ)物理課程中蘊(yùn)含了創(chuàng)新性思維最多的課程，其研究手段和方法為其它相關(guān)領(lǐng)域所通用【4】。因此，通過原子物理課程的教學(xué)，主要是培養(yǎng)學(xué)生依據(jù)研究客體進(jìn)行理論建模的能力，提高學(xué)生創(chuàng)新理論框架、簡化理論處理、取舍運(yùn)算結(jié)果的意識和水平。

1.課程體系的架構(gòu)

以光譜和德布羅意波為核心概念，采用近似的量子力學(xué)方法（經(jīng)典理論+量子力學(xué)）研究原子（氫原子、堿金屬、多電子原子、外場中的原子）與原子核的結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動規(guī)律，展示課程的理論創(chuàng)新特色以及在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)、工程實(shí)踐中的多層次應(yīng)用。

體系框圖：

2.教學(xué)內(nèi)容的組織思路

以體現(xiàn)課程體系為原則，按48課時選取并組織教學(xué)內(nèi)容，思路如下。

序論：突出課程特點(diǎn)與學(xué)習(xí)中應(yīng)注意的問題。（2學(xué)時）

第一章 原子的結(jié)構(gòu)：以α粒子散射實(shí)驗(yàn)和原子核式結(jié)構(gòu)為載體，突出盧瑟福散射技術(shù)在材料分析中的應(yīng)用。（5學(xué)時）

第二章 量子力學(xué)基礎(chǔ)：以三個實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，依托量子力學(xué)的基本原理，突出理論創(chuàng)新的特色、思路和方法。（8學(xué)時）

第三章 氫原子：以半經(jīng)典半量子論為理論基礎(chǔ)，以氫原子為載體，突出理論建模以及光譜分析在科學(xué)研究、工程實(shí)踐中的應(yīng)用。（8學(xué)時）

第四章 堿金屬原子：以電子的軌道貫穿、極化理論為基礎(chǔ)，以堿金屬原子為載體，展示理論修正方法以及光譜分析在科學(xué)研究和精密檢測中的應(yīng)用。（8學(xué)時）

第五章 多電子原子：以泡利不相容原理及Hunt定則為理論基礎(chǔ)，以多電子原子為載體，突出量子規(guī)律以及光譜分析在科學(xué)研究中的應(yīng)用。（6學(xué)時）

第六章 外場中的原子：以磁場和原子的相互作用為基礎(chǔ)，以Zeeman效應(yīng)為載體，展示磁效應(yīng)在材料磁性，磁共振技術(shù)中的應(yīng)用。（5學(xué)時）

第七章 原子核物理學(xué)：以核結(jié)合能為基礎(chǔ)，以核裂變和聚變?yōu)檩d體，突出原子能、核技術(shù)的利用以及放射線的探測、防護(hù)。（6學(xué)時）

參考文獻(xiàn)：

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第5篇：量子力學(xué)的核心范文

2000多年前的物理學(xué)，中國、古希臘都有研究，但是真正意義上的精確科學(xué)，也就是說用數(shù)學(xué)、微積分這樣的精確科學(xué)，實(shí)際上是在中世紀(jì)即在15世紀(jì)16世紀(jì)的時候，也就是牛頓、伽利略的時代，開創(chuàng)了物理學(xué)精確科學(xué)的先河，此后物理學(xué)得到了很大發(fā)展，后來的熱學(xué)、電磁學(xué)、聲學(xué)、連續(xù)介質(zhì)動力學(xué)等問題也在十七、十八、十九三個世紀(jì)取得了很大發(fā)展。現(xiàn)在就從牛頓、伽利略時代起談?wù)勎锢韺W(xué)的發(fā)展與人類的文明進(jìn)步的關(guān)系。

一、工業(yè)革命前的人類文明

工業(yè)革命前的物理學(xué)雖然在漫長的歷史進(jìn)程中不斷發(fā)展，但是并沒有給人類帶來生產(chǎn)力上的巨大改變，人類還處于刀耕火種的農(nóng)業(yè)時代，那是的生產(chǎn)力很低下，人們的生活水平上千年來沒有真正的突破。

二、人類的機(jī)械化時代

牛頓力學(xué)的建立和熱力學(xué)的發(fā)展導(dǎo)致了第一次工業(yè)革命

1665年夏，年僅23的牛頓因英國爆發(fā)瘟疫而避居鄉(xiāng)下，他一生最重要的成果，幾乎所有的重要數(shù)學(xué)物理思想多誕生與不這個時期。在他45歲時，劃時代的偉大巨著《自然哲學(xué)之?dāng)?shù)學(xué)原理》出版，奠定了整個經(jīng)典物理學(xué)的基礎(chǔ)，并對其他自然科學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了不可磨滅的推動和影響。

三、人類的電氣化時代

經(jīng)典電磁學(xué)是研究宏觀電磁現(xiàn)象和客觀物體的電磁性質(zhì)。人們很早就接觸到電和磁的現(xiàn)象，并知道磁棒有南北兩極。在18世紀(jì)，發(fā)現(xiàn)電荷有兩種：正電荷和負(fù)電荷。不論是電荷還是磁極都是同性相斥，異性相吸，作用力的方向在電荷之間或磁極之間的連接線上，力的大小和它們之間的距離的平方成反比。在這兩點(diǎn)上和萬有引力很相似。18世紀(jì)末發(fā)現(xiàn)電荷能夠流動，這就是電流。但長期沒有發(fā)現(xiàn)電和磁之間的聯(lián)系。

19世紀(jì)前期，奧斯特發(fā)現(xiàn)電流可以使小磁針偏轉(zhuǎn)。而后安培發(fā)現(xiàn)作用力的方向和電流的方向，以及磁針到通過電流的導(dǎo)線的垂直線方向相互垂直。不久之后，法拉第又發(fā)現(xiàn)，當(dāng)磁棒插入導(dǎo)線圈時，導(dǎo)線圈中就產(chǎn)生電流。這些實(shí)驗(yàn)表明，在電和磁之間存在著密切的聯(lián)系。法拉第用過的線圈

電和磁之間的聯(lián)系被發(fā)現(xiàn)后，人們認(rèn)識到電磁力的性質(zhì)在一些方面同萬有引力相似。為此法拉第引進(jìn)了力線的概念，認(rèn)為電流產(chǎn)生圍繞著導(dǎo)線的磁力線，電荷向各個方向產(chǎn)生電力線，并在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生了電磁場的概念。

19世紀(jì)下半葉，麥克斯韋總結(jié)宏觀電磁現(xiàn)象的規(guī)律，并引進(jìn)位移電流的概念。這個概念的核心思想是：變化著的電場能產(chǎn)生磁場；變化著的磁場也能產(chǎn)生電場。在此基礎(chǔ)上他提出了一組偏微分方程來表達(dá)電磁現(xiàn)象的基本規(guī)律。這套方程稱為麥克斯韋方程組，磁學(xué)的基本方程。麥克斯韋的電磁理論預(yù)言了電磁波的存在，其傳播速度等于光速。于是人們認(rèn)識到麥克斯韋的電磁理論正確地反映了宏觀電磁現(xiàn)象的規(guī)律，肯定了光也是一種電磁波。該理論實(shí)現(xiàn)了物理學(xué)的第三次綜合，即電、磁、光的綜合。

四、人類的高科技時代

人類社會發(fā)展到今天，已進(jìn)入信息時代、核能時代、新材料時代和太空時代，也就是說進(jìn)入了高科技時代。而這一切的基礎(chǔ)是20世紀(jì)物理學(xué)革命的產(chǎn)物――相對論和量子力學(xué)。

19世紀(jì)，經(jīng)典物理學(xué)的成就到達(dá)了頂峰。可是，世紀(jì)末的邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)和黑體輻射實(shí)驗(yàn)形成了物理學(xué)萬里晴空中的“兩朵烏云”；而電子、X射線和放射性等新發(fā)現(xiàn)，使經(jīng)典物理學(xué)遇到了極大的困難。有的物理學(xué)家呼喚：“我們?nèi)匀辉谄诖诙€牛頓。”需要巨人的時代造就了巨人。這第二個牛頓便是愛因斯坦。

1905年，愛因斯坦以“同時”的相對性為突破口，提出了“光速不變原理”和物理規(guī)律在慣性系中不變的“相對性原理”，導(dǎo)出了洛侖茲變換，從而驅(qū)散了第一朵“烏云”。這就是狹義相對論。在此基礎(chǔ)上，他又得到的質(zhì)能相當(dāng)?shù)耐普揈=mc2，預(yù)示了原子能利用的可能。

1913～1916年，愛因斯坦從引力場中一切物體具有相同的加速度得到啟發(fā)，提出了“加速參照系與引力場等效”和物理規(guī)律在非慣性系中不變的“相對性原理”，從而得到了引力場方程。這就是廣義相對論。他預(yù)言，光線從太陽旁邊通邊時會發(fā)生彎曲。1919年，英國天文學(xué)家愛丁頓以全日蝕觀測證實(shí)了這一預(yù)言，從而開創(chuàng)了現(xiàn)代天文學(xué)的新紀(jì)元。愛因斯坦也因此名噪全球。

1900年，普朗克為驅(qū)散第二朵“烏云”，提出了“能量子”假設(shè)，量子論誕生了。1905年，愛因斯坦在此基礎(chǔ)上提出“光量子”假說，用光的波粒二象性成功地解釋了“光電效變”。同年，他把量子概念用點(diǎn)陣振動來解釋固體比熱。1912年，愛因斯坦又由量子概念提出了光化學(xué)當(dāng)量定律。1916年，他由玻爾的原子理論提出了自發(fā)發(fā)射和受激發(fā)射的概念，孕育了激光技術(shù)。此后，對量子力學(xué)的建立作出重要貢獻(xiàn)的著名物理學(xué)家還有：1923年提出實(shí)物粒子也具有波粒二象性的德布羅意，1925年建立量子力學(xué)的矩陣力學(xué)體系的玻恩和海森伯等，1926年建立量子力學(xué)的波動方程的薛定諤。同年，玻恩給出了波函數(shù)的統(tǒng)計(jì)詮釋，海森伯提出反映微觀世界特性的“不確定度關(guān)系”。量子力學(xué)揭示了微觀世界的基本規(guī)律，為原子物理學(xué)、固體物理學(xué)、核物理學(xué)和粒子物理學(xué)的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。它是20世紀(jì)物理學(xué)革命的。

第6篇：量子力學(xué)的核心范文

[關(guān)鍵詞]：計(jì)算科學(xué)　計(jì)算工具　圖靈模型　量子計(jì)算

中圖分類號：TP301

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A　文章編號：1003-8809(2010)-09-0004-01

1、“摩爾定律”與“計(jì)算的極限”

人類是否可以將電子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度永無止境地提升?傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的提高有沒有極限?對此問題，學(xué)者們在進(jìn)行嚴(yán)密論證后給出了否定的答案。如果電子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力無限提高，最終地球上所有的能量將轉(zhuǎn)換為計(jì)算的結(jié)果――造成熵的降低，這種向低熵方向無限發(fā)展的運(yùn)動被哲學(xué)界認(rèn)為是禁止的，因此，傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力必有上限。

而以IBM研究中心朗道(R.Landauer)為代表的理論科學(xué)家認(rèn)為到21世紀(jì)30年代，芯片內(nèi)導(dǎo)線的寬度將窄到納米尺度(1納米=10-9米)，此時，導(dǎo)線內(nèi)運(yùn)動的電子將不再遵循經(jīng)典物理規(guī)律――牛頓力學(xué)沿導(dǎo)線運(yùn)行，而是按照量子力學(xué)的規(guī)律表現(xiàn)出奇特的“電子亂竄”的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致芯片無法正常工作；同樣，芯片中晶體管的體積小到一定臨界尺寸(約5納米)后，晶體管也將受到量子效應(yīng)干擾而呈現(xiàn)出奇特的反常效應(yīng)。

哲學(xué)家和科學(xué)家對此問題的看法十分一致：摩爾定律不久將不再適用。也就是說，電子計(jì)算機(jī)計(jì)算能力飛速發(fā)展的可喜景象很可能在21世紀(jì)前30年內(nèi)終止。著名科學(xué)家，哈佛大學(xué)終身教授威爾遜(EdwardO.Wilson)指出：“科學(xué)代表著一個時代最為大膽的猜想(形而上學(xué))。它純粹是人為的。但我們相信，通過追尋“夢想―發(fā)現(xiàn)―解釋―夢想”的不斷循環(huán)，我們可以開拓一個個新領(lǐng)域，世界最終會變得越來越清晰，我們最終會了解宇宙的奧妙。所有的美妙都是彼此聯(lián)系和有意義的。”[論/文/網(wǎng)LunWenNe#Com]

2、量子計(jì)算系統(tǒng)

量子計(jì)算最初思想的提出可以追溯到20世紀(jì)80年代。物理學(xué)家費(fèi)曼RichardP.Feynman曾試圖用傳統(tǒng)的電子計(jì)算機(jī)模擬量子力學(xué)對象的行為。他遇到一個問題：量子力學(xué)系統(tǒng)的行為通常是難以理解同時也是難以求解的。以光的干涉現(xiàn)象為例，在干涉過程中，相互作用的光子每增加一個，有可能發(fā)生的情況就會多出一倍，也就是問題的規(guī)模呈指數(shù)級增加。模擬這樣的實(shí)驗(yàn)所需的計(jì)算量實(shí)在太大了，不過，在費(fèi)曼眼里，這卻恰恰提供一個契機(jī)。因?yàn)榱硪环矫妫孔恿W(xué)系統(tǒng)的行為也具有良好的可預(yù)測性：在干涉實(shí)驗(yàn)中，只要給定初始條件，就可以推測出屏幕上影子的形狀。費(fèi)曼推斷認(rèn)為如果算出干涉實(shí)驗(yàn)中發(fā)生的現(xiàn)象需要大量的計(jì)算，那么搭建這樣一個實(shí)驗(yàn)，測量其結(jié)果，就恰好相當(dāng)于完成了一個復(fù)雜的計(jì)算。因此，只要在計(jì)算機(jī)運(yùn)行的過程中，允許它在真實(shí)的量子力學(xué)對象上完成實(shí)驗(yàn)，并把實(shí)驗(yàn)結(jié)果整合到計(jì)算中去，就可以獲得遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度。

在費(fèi)曼設(shè)想的啟發(fā)下，1985年英國牛津大學(xué)教授多伊奇DavidDeutsch提出是否可以用物理學(xué)定律推導(dǎo)出一種超越傳統(tǒng)的計(jì)算概念的方法即推導(dǎo)出更強(qiáng)的丘奇――圖靈論題。費(fèi)曼指出使用量子計(jì)算機(jī)時，不需要考慮計(jì)算是如何實(shí)現(xiàn)的，即把計(jì)算看作由“神諭”來實(shí)現(xiàn)的：這類計(jì)算在量子計(jì)算中被稱為“神諭”(Oracle)。種種跡象表明：量子計(jì)算在一些特定的計(jì)算領(lǐng)域內(nèi)確實(shí)比傳統(tǒng)計(jì)算更強(qiáng)，例如，現(xiàn)代信息安全技術(shù)的安全性在很大程度上依賴于把一個大整數(shù)(如1024位的十進(jìn)制數(shù))分解為兩個質(zhì)數(shù)的乘積的難度。這個問題是一個典型的“困難問題”，困難的原因是目前在傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)上還沒有找到一種有效的辦法將這種計(jì)算快速地進(jìn)行。目前，就是將全世界的所有大大小小的電子計(jì)算機(jī)全部利用起來來計(jì)算上面的這個1024位整數(shù)的質(zhì)因子分解問題，大約需要28萬年，這已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了人類所能夠等待的時間。而且，分解的難度隨著整數(shù)位數(shù)的增多指數(shù)級增大，也就是說如果要分解2046位的整數(shù)，所需要的時間已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過宇宙現(xiàn)有的年齡。而利用一臺量子計(jì)算機(jī)，我們只需要大約40分鐘的時間就可以分解1024位的整數(shù)了。

3、量子計(jì)算中的神諭

人類的計(jì)算工具，從木棍、石頭到算盤，經(jīng)過電子管計(jì)算機(jī)，晶體管計(jì)算機(jī)，到現(xiàn)在的電子計(jì)算機(jī)，再到量子計(jì)算。筆者發(fā)現(xiàn)這其中的過程讓人思考：首先是人們發(fā)現(xiàn)用石頭或者棍棒可以幫助人們進(jìn)行計(jì)算，隨后，人們發(fā)明了算盤，來幫助人們進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)人們發(fā)現(xiàn)不僅人手可以搬動“算珠”，機(jī)器也可以用來搬動“算珠”，而且效率更高，速度更快。隨后，人們用繼電器替代了純機(jī)械，最后人們用電子代替了繼電器。就在人們改進(jìn)計(jì)算工具的同時，數(shù)學(xué)家們開始對計(jì)算的本質(zhì)展開了研究，圖靈機(jī)模型告訴了人們答案。

量子計(jì)算的出現(xiàn)，則徹底打破了這種認(rèn)識與創(chuàng)新規(guī)律。它建立在對量子力學(xué)實(shí)驗(yàn)的在現(xiàn)實(shí)世界的不可計(jì)算性。試圖利用一個實(shí)驗(yàn)來代替一系列復(fù)雜的大量運(yùn)算。可以說，這是一種革命性的思考與解決問題的方式。

因?yàn)樵诖酥埃杏?jì)算均是模擬一個快速的“算盤”，即使是最先進(jìn)的電子計(jì)算機(jī)的CPU內(nèi)部，64位的寄存器(register)，也是等價于一個有著64根軸的二進(jìn)制算盤。量子計(jì)算則完全不同，對于量子計(jì)算的核心部件，類似于古代希臘中的“神諭”，沒有人弄清楚神諭內(nèi)部的機(jī)理，卻對“神諭”內(nèi)部產(chǎn)生的結(jié)果深信不疑。人們可以把它當(dāng)作一個黑盒子，人們通過輸入，可以得到輸出，但是對于黑盒子內(nèi)部發(fā)生了什么和為什么這樣發(fā)生確并不知道。

4、“神諭”的挑戰(zhàn)與人類自身的回應(yīng)人類的思考能力

隨著計(jì)算工具的不斷進(jìn)化而不斷加強(qiáng)。電子計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，大大加強(qiáng)了人類整體的科研能力，那么，量子計(jì)算系統(tǒng)的產(chǎn)生，會給人類整體帶來更加強(qiáng)大的科研能力和思考能力，并最終解決困擾當(dāng)今時代的量子“神諭”。不僅如此，量子計(jì)算系統(tǒng)會更加深刻的揭示計(jì)算的本質(zhì)，把人類對計(jì)算本質(zhì)的認(rèn)識從牛頓世界中擴(kuò)充到量子世界中。

如果觀察歷史，會發(fā)現(xiàn)人類文明不斷增多的“發(fā)現(xiàn)”已經(jīng)構(gòu)成了我們理解世界的“公理”，人們的公理系統(tǒng)在不斷的增大，隨著該系統(tǒng)的不斷增大，人們認(rèn)清并解決了許多問題。人類的認(rèn)識模式似乎符合下面的規(guī)律：

第7篇：量子力學(xué)的核心范文

關(guān)鍵詞：自然哲學(xué)　量子革命　系統(tǒng)辯證法

關(guān)于20世紀(jì)科學(xué)革命，有人說只須記住三件事：相對論、量子革命和混沌學(xué)（系統(tǒng)科學(xué)中最突出的新分支）。正是這三大科學(xué)革命為人類建構(gòu)全新的自然圖景（也就是新穎的自然哲學(xué)）作出了決定性的貢獻(xiàn)。這里所謂自然哲學(xué)是指人對自然的哲學(xué)反思。自然哲學(xué)的中心問題就是基于人與自然的關(guān)系來研究自然本體最一般的性質(zhì)和人類的世界圖景。

一

自然哲學(xué)在哲學(xué)史上有過兩個全盛時期（古希臘及近代機(jī)械論），只是在謝林、黑格爾之后衰落了。由于20世紀(jì)三大科學(xué)革命的強(qiáng)大影響，自然哲學(xué)正在當(dāng)代復(fù)興起來，這是十分令人鼓舞的。我們先從三大科學(xué)革命說起。

首先要提到的是相對論革命對改造人類世界圖景的貢獻(xiàn)。在1905年的狹義相對論中，時空性質(zhì)依賴于參照系等概念是對“觀察無關(guān)性”的經(jīng)典信念的初次沖擊；1915年的廣義相對論把引力場（它具有整體全息相關(guān)性）確立為新的“獨(dú)立的實(shí)在”，這是對牛頓的實(shí)體觀的又一次打擊。接著要論述的是量子革命，它比相對論革命更為深刻地改變著人類的世界圖景。因?yàn)?925年以后所創(chuàng)建的量子力學(xué)進(jìn)一步使笛卡兒與牛頓以來的主客絕對二分原則、實(shí)體主義原則乃至嚴(yán)格決定論原則都受到猛烈沖擊。最后要強(qiáng)調(diào)的是系統(tǒng)科學(xué)革命。20世紀(jì)中葉以來近半個世紀(jì)系統(tǒng)科學(xué)的蓬勃發(fā)展表明，從總體上說，系統(tǒng)自然觀集中體現(xiàn)了當(dāng)代自然圖景的精華，因此系統(tǒng)自然觀幾乎成了當(dāng)代自然科學(xué)的世界圖景的代名詞，貝塔朗菲稱之為“一種新的自然哲學(xué)”。20年代所出現(xiàn)的懷特海的“機(jī)體論哲學(xué)”則是這種自然哲學(xué)之先聲。

當(dāng)代的系統(tǒng)自然觀借助于維納的控制論(1949)、貝塔朗菲的一般系統(tǒng)論(1948)、普利高津的耗散結(jié)構(gòu)論(1969)和哈肯的協(xié)同學(xué)(1971)等理論復(fù)活了亞里士多德的機(jī)體論和內(nèi)在目的論的自然哲學(xué)。〔1〕控制論通過對“動物（即生命系統(tǒng)）和機(jī)器（即非生命系統(tǒng)）的通用規(guī)律”的研究表明，自動機(jī)器通過反饋調(diào)節(jié)機(jī)制可以表現(xiàn)出與神經(jīng)控制同樣的合目的性或規(guī)律。[1]維納在《控制論》中對牛頓的嚴(yán)格決定論進(jìn)行了深刻有力的批判，肯定了統(tǒng)計(jì)力學(xué)家吉布斯把偶然性引進(jìn)到科學(xué)中來的重大的方法論意義，并突破了目的論與機(jī)械論之間的兩極對立。莫諾在《偶然性與必然性——略論現(xiàn)代生物學(xué)的自然哲學(xué)》(1971)一書中，則用生物微觀控制論表明，借助于生物化學(xué)和分子生物學(xué)層次的反饋機(jī)制以及微觀-宏觀相互作用，完全偶然的基因突變最終可以納入物種進(jìn)化的必然軌道；耗散結(jié)構(gòu)論表明，在遠(yuǎn)離平衡態(tài)條件下開放系統(tǒng)可以通過非線性正反饋機(jī)制的作用表現(xiàn)出有序化和合目的性；協(xié)同學(xué)還進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)序參量是整個自組織過程的主宰如此等等。總之，所有這些自動機(jī)器和自組織理論都表明，無須超自然的神力和神秘的“生命力”，自然系統(tǒng)也象自動機(jī)一樣可以憑借內(nèi)在機(jī)制的作用呈現(xiàn)合目的性。從這個特定意義上說，認(rèn)為宇宙＝巨大的超級自動機(jī)的“機(jī)械論”是對的，而非神學(xué)性的宇宙“內(nèi)在目的論”也是對的。從歷史上看，牛頓的機(jī)械論自然哲學(xué)是對亞里士多德的目的論自然哲學(xué)的否定。現(xiàn)在，我們的立足于系統(tǒng)科學(xué)的新自然哲學(xué)則應(yīng)看作一種“否定之否定”。它是對機(jī)械論與目的論自然哲學(xué)的更高的辯證綜合。

當(dāng)代自然哲學(xué)（它以系統(tǒng)自然觀及其系統(tǒng)辯證法為核心或靈魂）最有革命性的一個方面，也許表現(xiàn)在反嚴(yán)格決定論和對偶然性客觀意義的新認(rèn)識。直到現(xiàn)在為止，一般人都相信“近似決定論”：只要近似知道一個系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)律和初始條件就可以足夠好地計(jì)算出系統(tǒng)的近似行為。可是混沌學(xué)中著名的“蝴蝶效應(yīng)”，即系統(tǒng)演化進(jìn)程對初始條件的敏感依賴性，卻斷然否決了牛頓-拉普拉斯決定論的任何翻版（如“近似決定論”）的有效性。美國氣象學(xué)家洛侖茲在1961年發(fā)現(xiàn)，實(shí)際上長期天氣預(yù)報(bào)是不可能的。因?yàn)榧词箤τ趪?yán)格確定的氣象方程組，初始條件的小誤差，也會導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。諸如珞珈山的蝴蝶拍拍翅膀那樣的初始小擾動，經(jīng)由地球大氣系統(tǒng)中的逐級放大，最終可能在南美洲引起大風(fēng)暴。這種由決定論引出來的混沌，對經(jīng)典觀念的打擊是毀滅性的。混沌革命加強(qiáng)并深化了量子革命。

通過量子力學(xué)、分子生物學(xué)、協(xié)同學(xué)乃至混沌學(xué)的研究，現(xiàn)代科學(xué)家越來越認(rèn)識到，偶然性在自然界具有不容忽視的本體論地位，以及研究偶然性的內(nèi)在機(jī)制的重要性。為恩格斯贊同過的黑格爾關(guān)于“必然性自己規(guī)定自己為偶然性，……偶然性又寧可說是絕對的必然性”（〔2〕，第562—563頁）的辯證論斷，得到最新自然科學(xué)的支持。正如馬克斯·玻恩在《關(guān)于因果與機(jī)遇的自然哲學(xué)》(1951)中所注意到的，量子世界是由因果與機(jī)遇聯(lián)合統(tǒng)治的，其中機(jī)遇是有規(guī)則的。同樣，在哈肯的協(xié)同學(xué)演化方程（如福克-普朗克方程和郎之萬方程）中，決定論力項(xiàng)與隨機(jī)力項(xiàng)是共同起作用的。在混沌理論中，混沌本是由決定論規(guī)律引出的內(nèi)在的無序和不規(guī)則性，然而對混沌吸引子的相空間圖解研究卻表明，即使混沌也有精細(xì)結(jié)構(gòu)，其中機(jī)遇也是有規(guī)則的，偶然性與必然性相互作用的深層非線性機(jī)制是可以認(rèn)識的。從量子力學(xué)到系統(tǒng)科學(xué)的研究表明，概率統(tǒng)計(jì)定律是比嚴(yán)格決定論定律更好的認(rèn)識工具，但原有的“大數(shù)定律”與“統(tǒng)計(jì)平均值”等概念對于描述偶然性已經(jīng)顯得太粗糙了，非線性數(shù)學(xué)該出陣參戰(zhàn)了。因?yàn)槲ㄓ薪柚诜蔷€性數(shù)學(xué)才可能認(rèn)清偶然性起作用的深層結(jié)構(gòu)機(jī)制。

當(dāng)代自然哲學(xué)中的系統(tǒng)整體論思想也是相當(dāng)有革命性的。自從歐幾里得、阿基米德以來，“整體＝部分和”的公理已經(jīng)成為背景知識不可缺少的一部分。這一觀念也是牛頓的機(jī)械論自然哲學(xué)的一個基本要素（它與實(shí)體主義、還原主義相協(xié)調(diào)）。然而，一般系統(tǒng)論中的貝塔朗菲原理“整體不等于各部分簡單相加的總和”，卻斷然取消了歐幾里得的公理，以整體論取代了機(jī)械論的還原主義。量子力學(xué)中的全域相關(guān)性和粒子物理學(xué)中的新奇現(xiàn)象（“基本”粒子分割到一定限度，將出現(xiàn)“部分大于整體”的佯謬）以及生態(tài)系統(tǒng)的整體關(guān)聯(lián)性（卡普拉《轉(zhuǎn)折點(diǎn)》，1989）都支持貝塔朗菲的系統(tǒng)整體觀。

總之，以現(xiàn)代物理學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)為代表的當(dāng)代科學(xué)革命已經(jīng)引起了人類自然圖景的根本變革，人們有理由期待一種浸透著量子力學(xué)辯證法和系統(tǒng)科學(xué)辯證法精神的全新的自然哲學(xué)的出現(xiàn)。

二

現(xiàn)在我們轉(zhuǎn)入當(dāng)代自然哲學(xué)的主要疑難及其可能解法的討論。

鑒于機(jī)械論自然哲學(xué)所遇到的困難，當(dāng)代自然哲學(xué)所要討論的主要問題可以歸結(jié)如下：1.自然本體的性質(zhì)問題。物理實(shí)在究竟是孤立的實(shí)體還是依賴于系統(tǒng)場境的存在？“潛在”是否也是物理實(shí)在的基本形態(tài)之一？究竟是否存在終極實(shí)在？2.物理實(shí)在所遵循的規(guī)律究竟是決定論還是非決定論的？自然系統(tǒng)究竟是必然性還是偶然性所支配的？偶然性應(yīng)當(dāng)具有怎么樣的本體論地位（是否應(yīng)當(dāng)有）？3.所謂“觀察者侵入物理事件”的實(shí)質(zhì)是什么？主客二分的合理界限是什么？4.系統(tǒng)整體論與還原主義孰是孰非？5.目的論的新解釋問題。自然系統(tǒng)本身能有目的性嗎？能代替上帝作為選擇主體的地位嗎？目的論是否真與機(jī)械論勢不兩立？它又如何與神學(xué)劃清界線？下面我們將依次詳細(xì)分析這些問題：

1.自然本體或物理實(shí)在的性質(zhì)問題。

牛頓機(jī)械論自然哲學(xué)的本體論或?qū)嵲谟^的要害就在于實(shí)體主義。一切物理實(shí)在被認(rèn)為都有實(shí)體性、實(shí)存性，自然被等同于實(shí)體的集合（簡單相加的總和），一種在絕對空間構(gòu)架中的機(jī)械性的存在物。然而，在新的原子科學(xué)中，從前認(rèn)為不容置疑的“實(shí)體實(shí)存”原則已經(jīng)失效。明確的電子“軌道”或光子“路徑”等經(jīng)典性觀念在量子力學(xué)中是不允許的。電子實(shí)際上以“電子云”方式存在著，它并沒有絕對分明的輪廓，而且只是或然地顯現(xiàn)出來。如“測不準(zhǔn)關(guān)系”所要求的，電子的位置與相應(yīng)的動量具有天生的不確定性，決不可能同時有確定的值，因而人們決不可能同時測量到其確定的值。所有這些事實(shí)，如果從牛頓的經(jīng)典本體論的眼光來看簡直是不可理解的，因?yàn)椤皾撛谛浴庇^念完全沒有地位。

實(shí)際上，現(xiàn)代物理學(xué)家海森伯在批判牛頓機(jī)械論實(shí)在觀的基礎(chǔ)上，確實(shí)發(fā)展了一種全新的、更廣義的“潛在”實(shí)在觀。他根據(jù)量子力學(xué)事實(shí)總結(jié)出，潛在是介于可能與現(xiàn)實(shí)之間的物理實(shí)在的新型式，它被認(rèn)為特別適用于微觀客體。海森伯尖銳地指出：“在量子論中顯示的實(shí)在概念的變化，并不是過去的簡單的繼續(xù)，而卻象是現(xiàn)代科學(xué)結(jié)構(gòu)的真正破裂。”（〔3〕，第2頁）“幾率波的概念是牛頓以來理論物理學(xué)中全新的東西。……它是亞里士多德哲學(xué)中‘潛在’(potentia)這個老概念的定量表述。它引入了某種介乎實(shí)際的事件和事件的觀念之間的東西，這是正好介乎可能性和實(shí)在性之間的一種新奇的物理實(shí)在。”（〔3〕，第11頁）“事件并不一定是確定的，而是可能發(fā)生或傾向于發(fā)生的事情便構(gòu)成了宇宙中的實(shí)在”。（〔4〕，第177頁）

總之，海森伯認(rèn)為量子理論意味著實(shí)在觀念的革命，牛頓機(jī)械論的實(shí)在觀念已經(jīng)失效。他舉例說，幾率波、量子態(tài)、電子軌道等都與統(tǒng)計(jì)期望值相關(guān)聯(lián)，表示傾向性的、潛在的物理實(shí)在，這是物理實(shí)在的新形式。

現(xiàn)代粒子物理學(xué)的新假說把潛在性觀念發(fā)展到海森伯本人始料所不及的程度。喬弗利·丘(Geoffrey Chew)著名的粒子靴絆學(xué)說[2]，斷然否定了終極實(shí)體的可能性，揭示了自然本體的自助的、生成的本性。按照我的看法，它使系統(tǒng)實(shí)在論與系統(tǒng)辯證法完全本體論化了！由于任何粒子都可以充當(dāng)基礎(chǔ)粒子，用以構(gòu)成其他粒子，因此說穿了沒有任何一種粒子是真正的“基本粒子”，這就是所謂“基本粒子并不基本”。從根本上說，自然界不可能還原到任何一種或幾種終極的實(shí)體。說一個質(zhì)子可以由中子和π介子所構(gòu)成，或者說它是由Λ超子和K介子所構(gòu)成，或者說它是由兩個核子和一個反核子所構(gòu)成，甚至說是由場的連續(xù)質(zhì)所構(gòu)成。所有這一切可能性是同樣真實(shí)地存在的。應(yīng)當(dāng)說，所有這些陳述都同樣地正確又同樣地不完善。因?yàn)檎鎸?shí)世界等于所有這些潛在的“可能世界”互相疊加的總和。借用日本物理學(xué)家武谷三男的話來說：“作為終極要素的實(shí)體——基本粒子本身也是相互流動地相互轉(zhuǎn)化的。這件革了以前的物質(zhì)觀，顯示了辯證邏輯的正確性。”（〔5〕，第28頁）

我們的進(jìn)一步的問題是：作為自然本體的物理實(shí)在究竟是否可以歸結(jié)為互相孤立的實(shí)體？還是從本質(zhì)上說只能是依賴系統(tǒng)場境的整體全息相關(guān)的存在？在對著名的EPR假想[3]的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)中所表現(xiàn)出來的量子關(guān)聯(lián)（即遠(yuǎn)距粒子之間的整體相關(guān)性）很好地回答了這一問題。正如美國科學(xué)哲學(xué)家西莫尼(A.Shimony)所指出：“我們生活在一個實(shí)驗(yàn)結(jié)果正在開始闡明哲學(xué)問題的非凡時代”。而今最新實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，兩個相隔幾米且又沒有彼此傳遞信息機(jī)制的實(shí)體可能被相互糾結(jié)在一起，即它們的行為可以有極顯著的相關(guān)性，以致對其中一個實(shí)體進(jìn)行測量將瞬時地影響到另一個實(shí)體的測量結(jié)果。這個新奇的實(shí)驗(yàn)結(jié)果斷然否定了愛因斯坦等人(EPR)的預(yù)設(shè)（即“空間上遠(yuǎn)隔的客體的實(shí)在狀態(tài)必定是彼此獨(dú)立的”），卻符合量子力學(xué)的系統(tǒng)整體觀。正如玻爾所注意到的，量子現(xiàn)象是作為整體而存在的，其中所反映出來的內(nèi)在關(guān)聯(lián)是不可消解的。量子現(xiàn)象的整體性不允許人們對它作機(jī)械的切割并把這種切割物認(rèn)作它自身。因此我們有理由說，量子力學(xué)的整體實(shí)在觀是與系統(tǒng)整體觀相通的，量子辯證法與系統(tǒng)辯證法相互滲透，量子革命與系統(tǒng)科學(xué)革命相互支持。因此，作為科學(xué)革命的結(jié)晶，新自然哲學(xué)主張，物理實(shí)在的部分性質(zhì)取決于整體，取決于系統(tǒng)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，從根本上說，自然本體是整體全息相關(guān)的存在。

2.決定論與非決定論疑難，偶然性的本體論地位問題。

從前認(rèn)為不容置疑的機(jī)械論自然哲學(xué)的“嚴(yán)格決定論”預(yù)設(shè)，如今在新的原子科學(xué)中也已經(jīng)失效。人們向來認(rèn)為，自然科學(xué)和“自然科學(xué)唯物主義”有一個不可動搖的支柱：這就是嚴(yán)格決定論。對自然科學(xué)的這種見解，最典型地表現(xiàn)在拉普拉斯杜撰的那個精靈故事中，據(jù)說這個精靈（超智慧者）知道世界現(xiàn)況的一切決定因素，因而能夠無歧義地得出世界在過去或未來的其他一切狀態(tài)。這個被后人稱作“拉普拉斯妖”的理想實(shí)驗(yàn)正是嚴(yán)格決定論的化身。可是，現(xiàn)在在微觀領(lǐng)域里發(fā)現(xiàn)了與這種嚴(yán)格決定論原則相違背的種種反常事實(shí)。簡略地說，熱學(xué)與分子物理學(xué)的研究表明，氣體分子運(yùn)動是包含不確定性的自然進(jìn)程，由于初始條件捉摸不定，單個分子的運(yùn)動狀態(tài)成為純粹的偶然事件。分子運(yùn)動論乃至統(tǒng)計(jì)力學(xué)的建立表明，概率統(tǒng)計(jì)定律也是自然描述不可缺少的一種基本形式。

強(qiáng)調(diào)概率統(tǒng)計(jì)定律重要性的科學(xué)思想反映到自然哲學(xué)中去，就成為“統(tǒng)計(jì)決定論”。其要旨可概括如下：對于一些包含不確定性的自然過程，雖然嚴(yán)格決定論不能直接應(yīng)用，但若應(yīng)用統(tǒng)計(jì)方法研究大量單個偶然事件的平均行為，卻可以找出明顯的統(tǒng)計(jì)規(guī)律性。換句話說，這些自然過程在統(tǒng)計(jì)平均意義上仍是決定論性的。這是決定論的弱化形式之一。

統(tǒng)計(jì)決定論的科學(xué)基礎(chǔ)在于經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)。統(tǒng)計(jì)力學(xué)的基本出發(fā)點(diǎn)則在于，認(rèn)為盡管大量分子的集團(tuán)行為滿足統(tǒng)計(jì)規(guī)律，但從底層基礎(chǔ)而言，單個分子（單個過程）仍遵守牛頓定律，滿足嚴(yán)格決定論。這樣，統(tǒng)計(jì)決定論并不把不確定性歸因于基礎(chǔ)規(guī)律的不同，而是把它歸因于初始條件的難以捉摸（即人類知識的不完備性）。因此，統(tǒng)計(jì)決定論只是嚴(yán)格決定論的補(bǔ)充形式。

然而，將概率統(tǒng)計(jì)觀點(diǎn)真正貫徹到底，最終導(dǎo)致量子物理學(xué)的興起，而測不準(zhǔn)關(guān)系的發(fā)現(xiàn)則使嚴(yán)格決定論淪為無意義的空想。

在現(xiàn)代科學(xué)家中第一個對“非完全決定論”（即under-determinism，這個詞的不恰當(dāng)?shù)奶娲~是indeterminism，即非決定論）有十分清醒認(rèn)識的是哥廷根學(xué)派的馬克斯·玻恩。他在名著《關(guān)于因果和機(jī)遇的自然哲學(xué)》中對非完全決定論作了比其他量子物理學(xué)家（如玻爾、海森伯等）更為系統(tǒng)和透徹的分析。通過對玻恩文本的適當(dāng)解釋、調(diào)整與轉(zhuǎn)譯，我們可以提煉出對當(dāng)代自然哲學(xué)極有價值的內(nèi)容和決定論／非決定論問題的辯證解。〔7〕

非完全決定論的最主要或最有特色的一種表現(xiàn)形式，是與量子力學(xué)相應(yīng)的概率決定論。其要點(diǎn)如下：(1)單個（量子）過程內(nèi)在地是幾率性的、非決定性質(zhì)的；(2)“自然界同時受到因果律和機(jī)遇律的某種混合方式的支配。”（〔8〕，第9頁）(3)機(jī)遇律是自然律的終極形式，偶然性有規(guī)則，“它們是用數(shù)學(xué)上的概率論表述出來的。”（〔8〕，第7頁）

關(guān)于自然界究竟是由必然性還是偶然性所支配的，是決定論性還是非決定論性的那個爭論，波普有一個著名的比喻：“云和鐘”。“云”就是天上的云，代表極端不確定性，它非常不規(guī)則、毫無秩序又有點(diǎn)難以預(yù)測；“鐘”就是家家都有的時鐘，代表高度的確定性，它非常有規(guī)則、有秩序又是高度可預(yù)測的。這是兩個不同的極端，一端變化莫測，另一端高度精確。一般的自然事物往往處在這兩個極端之間。波普用“所有的云都是鐘”（當(dāng)然也可以說“所有自然事物都是鐘”）表示決定論，用“所有的鐘都是云”（當(dāng)然也可以說“所有自然事物都是云”）表示非決定論。波普終于認(rèn)識到，人類理性需要的是“處于完全的偶然性和完全的決定論之間的某種中間物，即處于完全的云和完善的鐘之間的某種中間物。”（〔6〕，第239—240頁）這種完全的偶然論（非決定論）和完全的決定論的中間物，我們可以恰當(dāng)?shù)胤Q作“非完全決定論”，它意味著對偶然性與必然性、因果與機(jī)遇的某種辯證綜合，這就是當(dāng)代自然哲學(xué)對這一爭論所作的正確解。以上我們是借用M.玻恩與波普的話，經(jīng)校正、轉(zhuǎn)譯納入自己的概念框架，并用以闡發(fā)自己的“非完全決定論”觀點(diǎn)。〔7〕

現(xiàn)代生物學(xué)和生物微觀控制論也為非完全決定論提供新的佐證。莫諾在其名著《偶然性與必然性（略論現(xiàn)代生物學(xué)的自然哲學(xué)）》中，從分子生物學(xué)的材料出發(fā)，有力地抨擊了嚴(yán)格決定論，并為恢復(fù)偶然性在自然哲學(xué)中的本體論地位付出極大的努力。莫諾是這樣說的：

當(dāng)偶然事件——因?yàn)樗偸仟?dú)一無二的，所以本質(zhì)上是無法預(yù)測的——一旦摻入了DNA的結(jié)構(gòu)之中，就會被機(jī)械而忠實(shí)地進(jìn)行復(fù)制和轉(zhuǎn)錄，……從純粹偶然性的范圍中被延伸出來以后，偶然性事件也就進(jìn)入了必然性的范圍，進(jìn)入了相互排斥、不可調(diào)和的確定性的范圍了。因?yàn)樽匀贿x擇就是在宏觀水平上、在生物體的水平上起作用的。自然選擇能夠獨(dú)自從一個噪聲源泉中譜寫出生物界的全部樂曲。（著重號為引者所加）（〔9〕，第88頁）

莫諾這段話應(yīng)當(dāng)看作關(guān)于生物自然界的非完全決定論，關(guān)于極小幾率的偶然事件向極嚴(yán)格規(guī)律轉(zhuǎn)化過程的生動說明。特別是最后那句話是說明生物界的偶然性與必然性的相互聯(lián)系、相互作用方式的絕妙比喻。當(dāng)然，由于莫諾有時十分不恰當(dāng)?shù)貙?yán)格決定論與辯證唯物論混為一談，應(yīng)當(dāng)注意他的言論本身具有兩重性。（〔10〕，第324頁）

非完全決定論的內(nèi)容還由于系統(tǒng)科學(xué)的興起而得到了進(jìn)一步豐富和加強(qiáng)。有人因之稱作系統(tǒng)決定論。其要旨可概括如下：

一般的自然界的復(fù)雜系統(tǒng)（在自然哲學(xué)中姑且撇開社會系統(tǒng)），不能由它的構(gòu)成要素和子系統(tǒng)通過簡單相加和線性因果鏈無歧義地決定其整體功能和行為。但系統(tǒng)的存在與演化仍有相當(dāng)確定的規(guī)律可循，機(jī)遇與因果共同決定著系統(tǒng)的存在和發(fā)展，因而系統(tǒng)在整體上仍有決定性。

具體地說，系統(tǒng)演化的主要機(jī)理就在于機(jī)遇性漲落、反饋和非線性作用。人們常喜歡將借助于系統(tǒng)科學(xué)特有的資料所認(rèn)識的辯證法，稱作“系統(tǒng)辯證法”。系統(tǒng)科學(xué)從自己的角度闡明了因果與機(jī)遇、決定性與隨機(jī)性的辯證法：自組織系統(tǒng)作為遠(yuǎn)離平衡態(tài)的開放系統(tǒng)，以偶然的隨機(jī)的漲落為誘導(dǎo)，通過正反饋和非線性放大，某一漲落在矛盾競爭之中取得支配地位，成為序參量，于是使系統(tǒng)的演化納入必然的軌道，建立時空、功能上的新的有序狀態(tài)。系統(tǒng)辯證法與矛盾辯證法在自組織動力學(xué)機(jī)制的解釋上是高度一致的：當(dāng)自組織系統(tǒng)處于不穩(wěn)定點(diǎn)時，系統(tǒng)內(nèi)部矛盾全面展開并有所激化，與各種子系統(tǒng)及其要素的局部耦合關(guān)系和運(yùn)動特性相聯(lián)系的模式和參量都異常活躍，各種參量的漲落此起彼伏，它們都蘊(yùn)含著一定的結(jié)構(gòu)與組織的胚芽，為了建立自己的獨(dú)立模式并爭奪對全局的支配權(quán)，它們之間進(jìn)行激烈的競爭與對抗，時而“又聯(lián)合又斗爭”，最后才選拔出作為主導(dǎo)模式的序參量。非完全決定論在協(xié)同學(xué)的描述系統(tǒng)演化的數(shù)學(xué)方程中也得到反映。如郎之萬方程（描述布朗運(yùn)動的）和福克-普朗克方程中，概率論描述與因果性描述共處于一體，隨機(jī)作用項(xiàng)與決定論作用項(xiàng)被綜合在一起，偶然性與必然性因子被綜合在一起。從自然哲學(xué)看，它們體現(xiàn)了機(jī)遇律與因果律的辯證綜合。

3.物理事件與觀察的關(guān)系、主體-客體相互作用問題。

從前認(rèn)為不容置疑的“客觀事件與任何觀測無關(guān)”的自然哲學(xué)信條，如今在新的原子科學(xué)中同樣也正在失效。正如海森伯所指出，經(jīng)典物理學(xué)的真正核心，也就是物理事件在時間、空間上的客觀進(jìn)程與任何觀測無關(guān)的信念，由于許多量子實(shí)驗(yàn)的發(fā)現(xiàn)而受到?jīng)_擊。而現(xiàn)代物理學(xué)的真正力量就存在于自然界為我們提供的那些新的思想方法之中。因此，再指望用新實(shí)驗(yàn)去發(fā)現(xiàn)與觀測無關(guān)的“純客觀事件”或不依賴于觀察者和相關(guān)參照系的“絕對時間”，就無異于指望極地探險(xiǎn)家在南極圈尚未勘查過的地方會發(fā)現(xiàn)“世界盡頭”，那只能是不切實(shí)際的幻想。（〔4〕，第4頁和第9頁）對原子、電子那樣的客體的任何一次射線照射或觀測都足以破壞其初始狀態(tài)，而且由于或然性和不可逆性，這種狀態(tài)不可恢復(fù)。

玻爾為量子力學(xué)所作的“互補(bǔ)性詮釋”中一個最基本的思想是：觀察者（主體）與被觀察者（客體）之間的嚴(yán)格劃界是不可能的，因?yàn)樵趯?shí)際過程中兩者處在緊密相連的相互作用之中。無論是純粹的“主體”即可以）“無干擾”地進(jìn)行觀察的觀察者）或是純粹的“客體”（可以絕對隔絕外界作用而界定被觀察系統(tǒng)的孤立狀態(tài)）概念都只是經(jīng)典物理學(xué)所作的理想化，而這兩種理想化既是相互補(bǔ)充又是相互排斥的。〔11〕這就是玻爾著名的“我們既是觀眾（觀察者），又是演員（被觀察者）”辯證論斷的真實(shí)含義。

實(shí)際上，從當(dāng)代自然哲學(xué)的眼光看，這是很自然的：人（觀察者）本來就是自然（被觀察者）不可分割的一部分，我們只能用一種內(nèi)在化的眼光來看待自然，而不可能象上帝那樣用完全超脫的外在化眼光看自然，這就是問題的癥結(jié)所在。

正如羅森菲爾德所指出，所謂“觀察者介入原子事件進(jìn)程”的局勢，容易產(chǎn)生科學(xué)事實(shí)的客觀性被敗壞的假象，因此我們必須與機(jī)械論和不可救藥的唯心主義劃清界線。羅森菲爾德本人正是以辯證法為武器在與機(jī)械論和唯心主義劃界的過程中闡明了觀察者與物理事件的辯證關(guān)系的客觀性質(zhì)。（〔12〕，第140頁）海森伯說得很分明：“量子論并不包含真正的主觀特征，它并不引進(jìn)物理學(xué)家的精神作為原子事件的一部分”。（〔3〕，第22頁）可見，“客體行為與觀測有關(guān)”原則并不意味著我們可以拋棄客觀實(shí)在而接受主觀主義。

4.系統(tǒng)整體實(shí)在觀問題。在闡述以上各個問題的過程中，我們實(shí)際上已經(jīng)闡明了整體實(shí)在觀的基本觀點(diǎn)：“整體不同于各部分機(jī)械相加的總和”。自然本體是依賴于系統(tǒng)場境的存在、處在相對相關(guān)中的存在，是整體全息相關(guān)的實(shí)在。正如D.玻姆所指出的，按照量子概念，世界是作為統(tǒng)一的不可分割的整體而存在的，其中即使是每個部分內(nèi)在的性質(zhì)（波或粒子）也在一定程度上依賴于場境。其實(shí)，人本身就是自然的產(chǎn)物，自然不可分割的一部分，人只能作為參與者并在相互作用過程中用內(nèi)在化的觀點(diǎn)來理解自然本體。只是在系統(tǒng)及其諸要素之間的相互作用可以忽視的情況下，還原主義才是近似地有效的。

5.自然本體目的性的（自組織解釋）問題。簡單地說，當(dāng)代自然哲學(xué)的目的論觀是亞里士多德內(nèi)在目的論的復(fù)活和發(fā)展，是現(xiàn)代系統(tǒng)科學(xué)目的論觀的升華。宇宙象是一個有機(jī)統(tǒng)一的整體，自然系統(tǒng)（包括生命系統(tǒng)和非生命自組織系統(tǒng)）的結(jié)構(gòu)、功能和演化過程的合目的性可以通過自然本身的自組織機(jī)制的作用得到合理解釋。〔1〕

例如，自然選擇的實(shí)質(zhì)問題是由生物哲學(xué)所提出的一個重要問題。按照生物控制論的初步解答，關(guān)于生物進(jìn)化的自然選擇機(jī)制實(shí)質(zhì)上就是一種以偶然的突變?yōu)樗夭模ㄟ^反饋調(diào)節(jié)的最優(yōu)化控制機(jī)制。艾根的超循環(huán)理論則進(jìn)一步明確，在大分子的自組織階段，在生化反應(yīng)的超循環(huán)中選擇價值高的突變不斷通過過濾和正反饋放大，形成功能性的組織，強(qiáng)化、優(yōu)化并向更高水平進(jìn)化。這里，一方面自然選擇表現(xiàn)為自然本身的純物質(zhì)性的有規(guī)則的相互作用過程，但它不同于牛頓的機(jī)械因果性模式，因?yàn)槠渲型蛔兣c選擇機(jī)制、機(jī)遇與因果是辯證地聯(lián)合起作用的；另一方面，盡管它排除了自然神力的干預(yù)，卻仍然是合目的性的過程，因?yàn)樗凶砸龑?dǎo)的、自動調(diào)節(jié)的功能（使物種或分子擬種適應(yīng)環(huán)境）。這樣，按系統(tǒng)辯證法重新解釋過的合理的目的論又能與神學(xué)劃清界線。

三

正如我們已經(jīng)看到的，20世紀(jì)早期的相對論量子論革命向統(tǒng)治思想界長達(dá)二三百年之久的機(jī)械論自然哲學(xué)，提出了全面的詰難和挑戰(zhàn)，并給予毀滅性的打擊。當(dāng)代自然哲學(xué)正是在克服舊自然哲學(xué)的危機(jī)，在回答新興自然科學(xué)所提出的詰難和挑戰(zhàn)的過程中逐步建立起來的。20世紀(jì)中葉以來以系統(tǒng)科學(xué)群為代表的新興科學(xué)的迅速發(fā)展，豐富了當(dāng)代自然哲學(xué)的內(nèi)涵，加速了人類自然圖景革新的步伐。

總起來說，當(dāng)代自然哲學(xué)的核心觀點(diǎn)，可以簡要地重新概括如下：

1.自然本體是依賴于系統(tǒng)場境的、在關(guān)系中生成的、流動的實(shí)在，作為孤立實(shí)體的終極實(shí)在根本不存在，“潛在”是物理實(shí)在的一種新形式；2.自然系統(tǒng)遵循非完全決定論（即決定論與非決定論的中間物），它是由因果與機(jī)遇聯(lián)合統(tǒng)治的，此兩者互斥又互補(bǔ)。偶然性的本體論地位是：它是自然本體本質(zhì)中的一個規(guī)定、一個方面和一個要素。偶然性存在精細(xì)的非線性作用機(jī)制（由混沌革命所發(fā)現(xiàn)！）。3.物理事件與觀測有關(guān)，人作為自然系統(tǒng)的一分子只能用參與者的身分和內(nèi)在化的觀點(diǎn)來觀察自然，絕對的主客二分只是不切實(shí)際的幻想；4.系統(tǒng)整體觀在總體上比還原主義更為合理，不過為了進(jìn)行精細(xì)的研究，有節(jié)制的還原主義仍是必不可少的和有啟發(fā)力的，兩者其實(shí)是互斥又互補(bǔ)的。5.自然系統(tǒng)的合目的性可以按自組織觀點(diǎn)得到最合理的解釋，目的論與機(jī)械論也是互斥又互補(bǔ)的。

最后，我們所要強(qiáng)調(diào)的是偶然性的恰當(dāng)?shù)谋倔w論地位問題。迄今仍有不少讀者受過時的哲學(xué)教科書的影響，把偶然性當(dāng)作一種外在的、主觀的、局部的、非本質(zhì)的和不穩(wěn)定的或暫時的東西。其實(shí)這種看法有違辯證法的本意，可以毫不客氣地說它屬于機(jī)械論的范疇。通過對量子辯證法與系統(tǒng)辯證法的研究，我們可以十分有把握地說：機(jī)遇或偶然性在本體論中恰恰是一種內(nèi)在的、固有的、普遍的、本質(zhì)的和永久性的成分。借用列寧論“假象”的話來說，偶然性是“本質(zhì)的一個規(guī)定、一個方面和一個環(huán)節(jié)”，是“本質(zhì)自身在自身中的表現(xiàn)”。機(jī)遇與偶然性是客觀的并且具有自己的非常獨(dú)特的規(guī)律。在新自然哲學(xué)中，我們不能再滿足于把偶然性看作必然性的“補(bǔ)充形式”的外在化理解，而要比以往任何時候都更加清醒地認(rèn)識到，機(jī)遇與因果相互聯(lián)結(jié)、相互滲透，辯證地融為一體。在非完全決定論中，偶然性恢復(fù)了它本來應(yīng)有的本體論地位，機(jī)遇與因果，偶然性與必然性以幾率或統(tǒng)計(jì)性乃至“混沌吸引子”為中介辯證地聯(lián)結(jié)在一起。在相空間中混沌吸引子的精巧的無窮嵌套的自相似結(jié)構(gòu)，精確而形象地展示出系統(tǒng)演化過程中機(jī)遇與因果如何聯(lián)合起作用的深層非線性機(jī)制，進(jìn)一步豐富了對自然本體辯證內(nèi)涵的認(rèn)識。

應(yīng)當(dāng)說，這是量子辯證法與系統(tǒng)辯證法對矛盾辯證法的一項(xiàng)貢獻(xiàn)，它們本應(yīng)是相得益彰的。

參考文獻(xiàn)

〔1〕桂起權(quán)：《目的論自然哲學(xué)之復(fù)活》，載“自然辯證法研究”1995(7)，并收入?yún)菄⒅骶帯蹲匀徽軐W(xué)》一書，中國社科出版社1994年版。

〔2〕《馬克思恩格斯全集》第20卷。

〔3〕海森伯：《物理學(xué)與哲學(xué)》商務(wù)印書館1984年版。

〔4〕海森伯：《嚴(yán)密自然科學(xué)基礎(chǔ)近年來的變化》上海譯文出版社1978年版。

〔5〕《武谷三男物理學(xué)方法論論文集》商務(wù)印書館1975年版。

〔6〕波普：《客觀知識》，上海譯文出版社1987年版。

〔7〕桂起權(quán)：《非完全決定論：因果與機(jī)遇的辯證綜合》，載“科學(xué)技術(shù)與辯證法”1991(2)。

〔8〕玻恩：《關(guān)于因果和機(jī)遇的自然哲學(xué)》商務(wù)印書館1964年版。

〔9〕莫諾：《偶然性與必然性（略論現(xiàn)代生物學(xué)的自然哲學(xué)）》，上海人民出版社1977年版。

〔10〕桂起權(quán)：《科學(xué)思想的源流》武漢大學(xué)出版社1994年版。

〔11〕桂來權(quán)《析量子力學(xué)中的辯證法思想—玻爾互補(bǔ)性構(gòu)架之真諦》，載“哲學(xué)研究”1994(10)。

〔12〕羅森菲爾德：《量子革命》商務(wù)印書館1991年版。

注釋：

[1]正是在這一意義上，梁實(shí)秋在《遠(yuǎn)東英漢大辭典》中，將控制論(cybernetics)譯作神經(jīng)機(jī)械學(xué)。

第8篇：量子力學(xué)的核心范文

量子通信，安全“大衛(wèi)士”

說起量子衛(wèi)星，就得先講講什么是量子。對一般人來說，“量子”一詞似乎有點(diǎn)深奧，難以理解。實(shí)際上，量子是組成物質(zhì)的基本單元，是能量不能再分割的最小單位。如，量子是光能量的最小單位，不存在“半個光子”。

量子通信的安全性，就是基于單個光子的不可分割性和量子態(tài)的不可復(fù)制性，從而保證了信息不被竊聽和不可破解的安全性。

量子通信絕對安全，還因?yàn)榱孔佑袃蓚€基本特性，即量子的疊加和量子糾纏。量子疊加，是指一個量子系統(tǒng)可以處在不同量子態(tài)的疊加態(tài)上。也就是說，任何一個干擾包括光照都會使量子改變狀態(tài)，即它剛才還在隨機(jī)蹦Q，忽然就停止不動了，變幻莫測。

著名的“薛定諤虐貓”理論就形象描述了這一現(xiàn)象：裝在盒子里的貓，在盒子沒打開時，貓可以同時既是活的又是死的，只有打開看才知道。這表明，量子狀態(tài)隨機(jī)變化，兩種狀態(tài)可疊加存在，這就是量子的疊加態(tài);量子糾纏，是指量子間具有像孫悟空和其分身那樣“心有靈犀”的功能，兩個量子無論相隔多遠(yuǎn)，若對其中一個量子態(tài)做任何改變，另一個會立刻感受到，并做相應(yīng)的狀態(tài)改變，這就為遠(yuǎn)距離同步傳遞不被破解的信息提供了可能性。

歐洲、美國、日本等國的科學(xué)家很早就對量子通信進(jìn)行研究實(shí)驗(yàn)，但由于種種原因而成效甚微。我國研究量子通信雖然起步較晚，于2011年才啟動量子衛(wèi)星研制計(jì)劃，然而在黨和國家極其重視和大力支持下，一舉獲得開創(chuàng)性的突破，成功地發(fā)射了“墨子號”量子衛(wèi)星，成為這一科技領(lǐng)域的領(lǐng)路者。

“墨子號”開創(chuàng)安全通信新時代

“墨子號”量子衛(wèi)星發(fā)射后，將實(shí)驗(yàn)遠(yuǎn)距離傳輸不可破解信息的方式，即衛(wèi)星升空后，其主要任務(wù)是建立一個量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)，并在太空中首次進(jìn)行量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)，從而展現(xiàn)一種讓用戶免受最精明的竊聽者傷害的安全網(wǎng)絡(luò)，開創(chuàng)安全通信的新時代。

潘建偉院士是研制“墨子號”量子衛(wèi)星的領(lǐng)軍人物。20世紀(jì)80年代初，法國科學(xué)家阿蘭?阿斯佩首次用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了“量子糾纏”現(xiàn)象存在后，潘建偉于20世紀(jì)90年代赴量子力學(xué)創(chuàng)始人薛定諤的祖國奧地利留學(xué)，學(xué)習(xí)最先進(jìn)、最完整的量子科學(xué)知識，奠定了其在量子科學(xué)方面的基礎(chǔ)。潘建偉學(xué)成回國后，很快就投入到量子通信方面的研究實(shí)驗(yàn)。

2003年，潘建偉研究小組正式成立，主攻自由空間量子通信方面的研究。他們在實(shí)驗(yàn)點(diǎn)制備出成對的糾纏光子，再利用專門設(shè)計(jì)加工的發(fā)射望遠(yuǎn)鏡將容易發(fā)散的細(xì)小光束“增肥”后，向東西相距13千米的兩個實(shí)驗(yàn)站發(fā)送。然后，實(shí)驗(yàn)站的接收端用同樣型號的望遠(yuǎn)鏡收集。實(shí)驗(yàn)人員發(fā)現(xiàn)，在如此遠(yuǎn)距離的傳送中，竟有許多糾纏光子“夫妻對”仍能保持相互糾纏狀態(tài)，其攜帶信息的數(shù)量和質(zhì)量完全能滿足基于衛(wèi)星的全球化量子通信的要求。

在國家的大力支持下，量子衛(wèi)星研制團(tuán)隊(duì)經(jīng)過精心研究實(shí)驗(yàn)，終于在2016年8月16日將我國研制的世界首顆量子衛(wèi)星成功發(fā)射。這次發(fā)射不僅使我國走到世界量子通信研究領(lǐng)域的最前沿，更重要的是，它使我們在獲得網(wǎng)絡(luò)安全“圣杯”（即令黑客無法滲透的數(shù)字通信系統(tǒng)）方面大大領(lǐng)先于全球競爭對手。

全球的量子通信網(wǎng)絡(luò)，起步

首顆量子衛(wèi)星上天，我國在國際上將率先實(shí)現(xiàn)高速星地量子通信，借助連接地面光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)，初步構(gòu)成全球量子通信網(wǎng)絡(luò)。

據(jù)潘建偉院士透露，京滬干線大尺度光纖量子通信骨干網(wǎng)工程將于2016年下半年完工交付。該工程將構(gòu)建千公里級高可信、可擴(kuò)展、軍民融合的廣域光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)，并建成大尺度量子通信技術(shù)驗(yàn)證、應(yīng)用研究和應(yīng)用示范研究平臺。

參與量子衛(wèi)星研制的奧地利科學(xué)家/潘建偉導(dǎo)師蔡林格強(qiáng)調(diào)說：“量子衛(wèi)星有助于信息傳遞者和接收者遠(yuǎn)距離交換令信息無法破解的密鑰，而量子衛(wèi)星將首先同北京交換密鑰，今后還可在北京和維也納之間分發(fā)量子密鑰”，逐步構(gòu)筑成全球量子通信網(wǎng)絡(luò)。

值得慶賀的是，“墨子號”衛(wèi)星發(fā)射后一直表現(xiàn)很好，所有參數(shù)都已達(dá)標(biāo)，有些甚至高于預(yù)期。“墨子號”衛(wèi)星發(fā)射升空一周時，中科院國家天文臺興隆觀測站觀測到罕見的紅、綠光束。人們形象地說，“墨子號”實(shí)現(xiàn)了天地“握手”， 這一觀測顯示“墨子號”可以正常通信聯(lián)系了。

量子通信，許你美好未來

目前，量子通信這一“永不被破解”的信息安全傳輸方式，已在市場上得以產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，如工商銀行等多家銀行率先試用量子通信加密技術(shù)。工商銀行通過國盾的量子加密技術(shù)，將數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)中心傳輸?shù)酵堑牧硪粋€機(jī)房內(nèi)。這樣做是因?yàn)橥ㄟ^設(shè)備產(chǎn)生量子密鑰，再對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密傳輸是不會被竊取的，這對金融數(shù)據(jù)傳輸非常必要。

早在2008年10月，中國科技大學(xué)通過實(shí)驗(yàn)將合肥市內(nèi)的本校區(qū)、杏林苑、濱湖新區(qū)三個本不相干的點(diǎn)連接在一起。由于這三個點(diǎn)組成三節(jié)點(diǎn)可擴(kuò)展的量子通信網(wǎng)絡(luò)，因而實(shí)現(xiàn)了全球首個量子保密電話系統(tǒng)建設(shè)，開創(chuàng)了量子通信網(wǎng)的先河。隨后，五節(jié)點(diǎn)，四十六節(jié)點(diǎn)，合肥、濟(jì)南城域網(wǎng)，“京滬”城際網(wǎng)……量子通信網(wǎng)在不斷擴(kuò)張。

如今量子通信衛(wèi)星發(fā)射成功后，量子通信網(wǎng)絡(luò)如虎添翼，就能真正升到“廣域”“洲際”傳播，為信息保密傳輸開辟了“天地一體”的廣闊天地。預(yù)計(jì)今年12月貫通的量子通信京滬干線（總長2000多千米）建成后，將主要用于軍事、金融、政務(wù)等領(lǐng)域的信息安全傳輸。此外，媒體、大型企業(yè)、金融機(jī)構(gòu)等都可以成為量子通信用戶。量子通信關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)，初步形成構(gòu)建空地一體廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)體系的能力，并在全天時量子通信上取得突破。

量子通信的應(yīng)用前景美好，但普及應(yīng)用是逐步進(jìn)行的，就像電話、手機(jī)的普及過程一樣。起初，量子通信會應(yīng)用于科學(xué)研究、國防、政務(wù)和金融等領(lǐng)域，之后才會在大眾中廣泛應(yīng)用。至于要讓每個人都能用上，估計(jì)需要10至15年。屆時，每個人的家里、手機(jī)上或許會有一個量子加密芯片，銀行轉(zhuǎn)款、電子賬戶等操作將不用擔(dān)心被盜用或者遭到攻擊。

量子計(jì)算機(jī)，有望走入現(xiàn)實(shí)

更引人注目的是，隨著對量子科學(xué)的深入研究和量子衛(wèi)星的成功發(fā)射，進(jìn)一步促進(jìn)了量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展。

在“墨子號”發(fā)射前不久，中國科技大學(xué)量子實(shí)驗(yàn)室成功研發(fā)出半導(dǎo)體量子芯片和量子存儲技術(shù)，取得了量子計(jì)算機(jī)研制的突破性進(jìn)展。量子芯片用于計(jì)算機(jī)的邏輯運(yùn)算和信息處理，被稱為計(jì)算機(jī)的“大腦”;有了量子存儲裝置，科學(xué)家利用它能實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離的量子信息傳輸。因此，該技術(shù)的突破特別振奮人心。

為什么要研制量子計(jì)算機(jī)？早在1981年，物理學(xué)家理查德?費(fèi)曼就提出了此觀點(diǎn)：如果用傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)模擬量子力學(xué)，那么微觀粒子的數(shù)量越多，計(jì)算量就越大，也就越不可能實(shí)現(xiàn)模擬。這種情況下要實(shí)現(xiàn)量子力學(xué)的模擬，就必須用和它的原理相同的方式。人們認(rèn)為他的說法有道理，而且也得到事實(shí)的證明。于是，量子力學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)便開始結(jié)合，人們開始研究量子計(jì)算機(jī)了。

量子計(jì)算機(jī)優(yōu)勢大，關(guān)鍵在于它一個量子位可同時處于0和1兩個狀態(tài)，這是由量子疊加特性決定的。與此形成對比的是，傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)中的晶體管一次只能處于0或1的狀態(tài)。如此一來，如果要進(jìn)行海量運(yùn)算量子計(jì)算機(jī)更合適。

因?yàn)椋瑐鹘y(tǒng)電子計(jì)算機(jī)只能按時間順序來進(jìn)行運(yùn)算;而量子計(jì)算機(jī)能做到超并行運(yùn)算，即它的N個量子位可同時表示2的N次方個狀態(tài)，數(shù)量呈指數(shù)增長。譬如，目前我國性能最強(qiáng)大的天河二號超級計(jì)算機(jī)需要100年才能處理的任務(wù)，一臺量子計(jì)算機(jī)只需0.01秒就能完成。

因而，量子計(jì)算機(jī)適用于龐大運(yùn)算量的項(xiàng)目，如太空探測、核爆模擬、密碼破解、氣候變化、藥物研究和模擬復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)等。量子計(jì)算機(jī)對解決精確的天氣預(yù)報(bào)和大城市交通擁堵等難題，也能大顯身手，迎接挑戰(zhàn)。

現(xiàn)在量子計(jì)算機(jī)研制已露出希望的曙光，出現(xiàn)這種具有高超速運(yùn)算能力的計(jì)算機(jī)已為時不遠(yuǎn)。目前，中國科技大學(xué)研制的量子芯片已達(dá)到容錯計(jì)算的精度，但邏輯比特?cái)?shù)量僅有3個，當(dāng)邏輯比特?cái)?shù)量超過30個時，量子計(jì)算的性能將超越傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。看來，量子計(jì)算機(jī)由科幻變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)已指日可待。

第9篇：量子力學(xué)的核心范文

[關(guān)鍵詞] 密碼學(xué) 研究進(jìn)展 發(fā)展方向

自從人類有了通信的需要以來,怎樣在通信中保密以及如何破譯密碼就是一對永恒的話題。現(xiàn)在常用的標(biāo)準(zhǔn)加密方式是用一串隨機(jī)數(shù)字對信息進(jìn)行編碼,當(dāng)這種加密被惡意用戶竊聽時,不會留下任何痕跡,使得合法用戶無法察覺,而惡意用戶只要掌握了恰當(dāng)?shù)姆椒?其任何密碼都可以被破譯成明文。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展在使密碼術(shù)更復(fù)雜的同時,也降低了破譯密碼的難度。那么到底什么樣的傳輸加密方式才是最安全的呢?在量子理論支配的世界里,這一切將會完全改變。

一、量子密碼術(shù)的核心:量子密鑰分配原理

量子密碼術(shù)是密碼術(shù)與量子力學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物,它利用了系統(tǒng)所具有的量子性質(zhì)。首先想到將量子物理用于密碼術(shù)的是美國科學(xué)家Wiesner。Wiesner于1970年提出,可利用單量子態(tài)制造不可偽造的“電子鈔票”。但這個設(shè)想的實(shí)現(xiàn)需要長時間保存單量子態(tài),不太現(xiàn)實(shí)。Bennett和Brassard在研究中發(fā)現(xiàn),單量子態(tài)雖然不好保存但可用于傳輸信息。1984年,Bennett和Brassard提出了第一個量子密碼術(shù)方案,稱為BB84方案,由此迎來了量子密碼術(shù)的新時期。

量子密碼術(shù)并不用于傳輸密文,而是用于建立、傳輸密碼本。量子密鑰分配是量子密碼術(shù)的核心組成部分。在量子密鑰分發(fā)中,總是用一個光子攜帶一個比特的信息,根據(jù)量子力學(xué)的不確定性原理以及量子不可克隆定理,任何竊聽者的存在都會被發(fā)現(xiàn),從而保證密碼本的絕對安全,也就保證了加密信息的絕對安全。

BB84協(xié)議采用四個非正交態(tài)作為量子信息態(tài),且這四個態(tài)分屬于兩組共軛基,每組基內(nèi)的兩個態(tài)是相互正交的。兩組基互為共軛是指一組基中的任一基矢在另一組基中的任何基矢上的投影都相等。光子的線偏振量和圓偏振量就是互為共軛的量。不論是用左旋圓還是右旋圓偏振基測量線偏振光子,都是各以一半的幾率得到左旋或右旋圓偏振態(tài)。反之亦然。下面我們假定Alice(信息發(fā)送者)與Bob(信息接受者)約定用這兩種偏振基中的四種偏振態(tài)來實(shí)現(xiàn)量子密鑰分配,操作步驟如下:

(1)Alice隨機(jī)地選擇右旋、左旋、水平或垂直四種中任一種偏振態(tài)的光子發(fā)送給Bob;

(2)Bob隨機(jī)地獨(dú)立選擇線偏振基或圓偏振基測量該光子的偏振態(tài);

(3)Bob確定實(shí)際所測量的偏振態(tài)(只有Bob自己知道,其中包含一些未被檢測到的空態(tài));

(4)Bob公布他監(jiān)測到時所采用的測量基(如通過電話告訴Alice),但不公布測量到那個偏振態(tài)。Alice告訴Bob那些測量基是正確的并保留下來,其余的丟棄掉;

(5)Alice和Bob僅保留相同基矢的態(tài),并按約定的規(guī)則轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制序列(如左旋圓偏振態(tài)和水平線偏振態(tài)代表比特“1”,右旋圓偏振態(tài)和垂直線偏振態(tài)代表比特“0”)。

二、量子密碼術(shù)實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展

量子密鑰分配最早由Bennett等人在89年實(shí)驗(yàn)成功。在該實(shí)驗(yàn)中,信息由光子的偏振態(tài)編碼。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是:光子在自由空間中只傳輸了32cm。誤碼率為4%,有效傳輸率很低(10分鐘傳送了105比特),但竊聽者能截獲的比特?cái)?shù)只有6×10-171個,這說明安全程度非常高,足以顯示量子密鑰分發(fā)的潛力和誘人前景。

目前在量子密碼術(shù)實(shí)驗(yàn)研究上進(jìn)展最快的國家為英國、瑞士和美國。英國國防研究部于1993年首先在光纖中實(shí)現(xiàn)了基于BB84方案的相位編碼量子密鑰分發(fā),光纖傳輸長度為10公里。這項(xiàng)研究后來轉(zhuǎn)到英國通訊實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,到1995年經(jīng)多方改進(jìn),在30公里長的光纖傳輸中成功實(shí)現(xiàn)了量子密鑰分發(fā)。與偏振編碼相比,相位編碼的好處是對光的偏振態(tài)要求不那么苛刻。在長距離的光纖傳輸中,光的偏振性會退化,造成誤碼率的增加。然而,瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)的Muller等人于1993年基于BB84方案的偏振編碼方案,在1.1公里長的光纖中傳輸1.3微米波長的光子,誤碼率僅為0.54%,并于1995年在日內(nèi)瓦湖底鋪設(shè)的23公里長民用光通信光纜中進(jìn)行了實(shí)地表演,誤碼率為3.4%。1997年,他們利用Faraday鏡消除了光纖中的雙折射等影響因素,使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性和使用的方便性大大提高,被稱為“即插即用”的量子密碼方案。他們利用該方案成功演示了23km的密鑰傳輸,干涉度達(dá)99.8%,比特率為20 kbit/s,誤碼率僅為1.35%。1998年美國的los Alsmos國家實(shí)驗(yàn)室的R.J.Hughes等人用兩臺M-Z干涉儀,但使用B92協(xié)議,使用衰減為0.3db/km的1.3μm通信光纖,性能更好的InGaAa探測器,成功地在8km的地下光纜中進(jìn)行了密鑰傳送,誤碼率僅為9.3%。同年,英國BT實(shí)驗(yàn)室的Townsend等人又將傳輸距離增加到了50 km。這個長度已經(jīng)足以讓一所銀行和它的分支機(jī)構(gòu)或者政府各部門的辦公室之間建立量子密碼通信的網(wǎng)絡(luò)。

在中國,量子密碼通信的研究雖然起步較晚,但已取得了不俗的成果。中科院物理所于1995年以BB84方案在國內(nèi)首次做了演示性實(shí)驗(yàn),華東師范大學(xué)用B92方案做了在距離較短的自由空間里實(shí)驗(yàn)。2000年,中科院物理所與研究生院合作,在850納米的單模光纖中完成了1.1公里的量子密碼通信演示性實(shí)驗(yàn)。日前,由中國科技大學(xué)中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與瑞典皇家理工學(xué)院微電子與應(yīng)用物理系量子電子與量子光學(xué)小組共同組建的聯(lián)合課題組,在世界上首次完成了采用標(biāo)記單光子源的誘騙態(tài)量子密碼實(shí)驗(yàn),將量子密碼技術(shù)的實(shí)際安全性進(jìn)一步提高。

三、量子密碼術(shù)安全性證明

1.分流竊聽。竊聽者希望從通信信號中分出一部分信號,通過測量這些信號以獲取信息。這在經(jīng)典通訊中是沒有問題的,但在量子密碼系統(tǒng)中是不可能成功的,因?yàn)檫@里攜帶信息的是單個光子,根據(jù)量子力學(xué)的基本原理,它們是不能被分割的。Eve(竊聽者)如果設(shè)法截獲到該光子,則Bob必然沒有收到,因而該光子在Alice和Bob比照結(jié)果并形成密鑰的過程中被丟棄了,Eve沒有得到有用的信息,反之,Bob測到的光子就肯定沒有被Eve截獲,因而Alice和Bob之間建立的密鑰肯定是安全的。

2.攔截/發(fā)送竊聽。在這種竊聽手段中,竊聽者采用與接受者相同的測量方法,利用選擇性測量獲取發(fā)送者發(fā)送的信息,然后根據(jù)她本人測量的結(jié)果再偽造發(fā)送一個信息給合法接受者。此時的竊聽者與無人竊聽時的接收者地位是相同的,因而它的選擇性測量的結(jié)果也由兩種可能:要么選對測量基,要么選錯。若她選對了,則她的竊聽行為沒有造成任何影響,若她選錯了,則她的測量行為將會完全破壞原來的信息態(tài)。在隨后的公開對照階段,合法通信雙方就可以發(fā)現(xiàn)她的存在。在Alice和Bob完成一組密鑰傳遞后,公開隨機(jī)地比較一部分?jǐn)?shù)據(jù),若二者間沒有差別,則認(rèn)為無人竊聽,反之,則有人竊聽。比較的數(shù)目越大,Eve暴露的可能性越高。

3.攔截/克隆竊聽。這種竊聽方式似乎是可行的。在這種竊聽方式中,Eve把截獲的光子復(fù)制一個備份并將原光子再發(fā)送給Bob,然而量子不可克隆定理告訴我們,任何未知的量子態(tài)是不可復(fù)制的。如果要對其進(jìn)行復(fù)制就首先要對其進(jìn)行測量,而一旦進(jìn)行測量,那么將會對其量子形態(tài)造成改變,合法的通信雙方則可由此而察覺到有人在竊聽。因而在Eve事先并不知道Alice發(fā)送的是哪種量子態(tài)的光子時,她想復(fù)制該光子是辦不到的。

四、量子密碼通信系統(tǒng)的發(fā)展前景及未來的發(fā)展方向

從量子理論的最基本概念出發(fā),由理論上提出設(shè)想,到今天幾十公里的密鑰分配,接近實(shí)用化的量子密碼傳輸系統(tǒng),這一切都是最近幾年發(fā)生的。在如此短的時間內(nèi)取得如此飛速的發(fā)展,說明了社會對它需求的迫切性。時至今日,由于Internet及各種局域網(wǎng)的開通,銀行業(yè)務(wù)中電子支付系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用等,安全性就成為首先考慮的問題之一,這給量子密碼的應(yīng)用提供了巨大的空間。目前較為普遍的觀點(diǎn)認(rèn)為,未來量子密碼通信系統(tǒng)可能向這些方向發(fā)展:(1)尋找量子密碼應(yīng)用的新領(lǐng)域。(2)利用量子中繼技術(shù)增加傳輸距離。(3)提高比特傳輸率。(4)小型與集成化。

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