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量子力学是近代物理的两大支柱之一,它的建立是20世纪划时代的成就之一,可以毫不夸张地说没有量子力学的建立,就没有人类的现代物质文明[1]。大批优秀的物理学家对原子物理的深入研究打开了量子力学的大门,这一人类新的认知很快延伸并运用到很多物理学领域,并且,导致了很多物理分支的诞生,如:核物理、粒子物理、凝聚态物理和激光物理等[2]。量子力学在近代物理中的地位如此之重,所以成为物理专业学生最重要的课程之一。但在实际教学过程中,学生普遍感到量子力学太过抽象、难以掌握。如何改革教学内容,将量子力学的基本观点由浅入深,使学生易于理解;如何改革教学手段,培养学生兴趣,使学生由被动学习变为主动学习。这是量子力学教学中遇到的主要问题。作者从几年的教学中摸索到一些经验,供大家参考。
一、教学内容和方法的改革
传统的本科量子力学教学一般包括了三大部分:第一部分是关于粒子的波粒二象性,正是因为微观粒子同时具有波动性和粒子性,才造成了一些牛顿力学无法解释的新现象,例如测不准关系、量子隧道效应等等;第二部分是介绍量子力学的基本原理,这部分是量子力学的核心内容,如波函数的统计解释、态叠加原理、电子自旋等;第三部分是量子力学的一些应用,如定态薛定谔方程的求解,微扰方法。以上三个部分相互联系构成了量子力学的整体框架[3]。随着量子力学的进一步发展,产生了很多新的现象和成果。例如量子通讯、量子计算机等等。许多学生对量子力学的兴趣就是从这些点点滴滴的新成果中得到的。如果我们仍按传统的内容授课,学生学完了这门课程发现感兴趣的那点东西完全没有接触到,就会对所学的量子力学感到怀疑,而且极大地挫伤了学习自然科学的兴趣。所以作者建议在教学过程中适当添加一些量子力学的新成果和新现象,来激发学生的学习兴趣[4]。在教学方法上也应该按照量子力学的特点有所改革。由于量子力学的许多观点和经典力学完全不同,如果我们还是按照经典力学的方法来讲,就会引起学生思维上的混乱,所以建议从一开始就建立全新的量子观点。例如轨道是一经典概念,在讲授玻尔的氢原子模型时仍然采用了轨道的概念,但在讲到后面又说轨道的概念是不对的,这样学生就会怀疑老师讲错误的内容教给了他们,形成逻辑上的混乱。我们应该从一开始就建立量子的观点,淡化轨道的概念,这样学生更容易接受。
二、重视绪论课的教学
兴趣是最好的老师。作为量子力学课程的第一节课,绪论课的讲授效果对学生学习量子力学的兴趣影响很大,所以绪论课直接影响到学生对学习量子力学这门课程的态度。当然很多学生非常重视这门课程,但学这门课的主要目的是为将来参加研究生入学考试,仅仅只是在行动上重视,而没有从思想上重视起来。如何使这部分学生从被动的学习量子力学变为主动地学习,这就要从第一节课开始培养。在上绪论课时作者主要通过以下几点来抓住学生的兴趣。首先列举早期与量子力学相关的诺贝尔物理学奖。诺贝尔奖得主历来都是万众瞩目的人物,学生当然也会有所关心,而且这些诺贝尔奖获得者的主要工作在量子力学这门课程中都会一一介绍,这样一方面通过举例子的方法强调了量子力学在自然科学中的重要地位,另一方面为学生探索什么样的工作才可以拿到诺贝尔奖留下悬念。抓住学生兴趣的第二个主要方法是列举一些量子力学中奇特的现象,激发学生探索奥秘的动力,例如波粒二象性带来的“穿墙术”、量子通讯、如何测量太阳表面温度等等,这些都很能激发学生学习量子力学的兴趣。综上所述,绪论课的教学在整个教学过程中至关重要,是引导学生打开量子力学广阔天地的一把钥匙。
三、重视物理学史的引入
随着量子力学学习的深入,学生会接触到越来越多的数学公式以及数学物理方法的内容,虽然学生会对量子力学的博大精深以及人类认知能力惊叹不已,但在学习过程中感觉越来越枯燥乏味。并且,学生学习量子力学的兴趣和信息在这个时候受到很大的考验,想要把丰硕的量子力学成果以及博大精深的内涵传达给学生,就得在适当的时候增加学生的学习兴趣。实际上,很多学生对量子力学的发展史有很浓厚的兴趣,甚至成为学生闲聊的素材,因此,在适当的时候讲述量子力学发展史可以增加学生学习量子力学的学习兴趣和热情。在讲授过程中,可以结合教学内容,融入量子力学发展史中的名人逸事和照片,如:索尔维会议上的大量有趣争论和物理学界智慧之脑的“明星照”,或用简单的方法用板书的形式推导量子力学公式。例如在讲到黑体辐射时,作者讲到普朗克仅仅用了插值的方法,就给出了一个完美的黑体辐射公式。而插值的方法普通的本科生都能熟练掌握,这一方面鼓励学生:看起来很高深的学问,其实都是由很简单的一系列知识组成,我们每个人都有可能在科学的发展过程中做出自己的贡献;另一方面教导学生,不要看不起很细微的东西,伟大的成就往往就是从这些地方开始。在讲到普朗克为了自己提出的理论感到后悔,甚至想尽一切的办法推翻自己的理论时,告诉学生科研的道路并不是一帆风顺的,坚持自己的信念有时候比学习更多的知识还要重要。在讲到德布罗意如何从一个纨绔子弟成长为诺贝尔奖获得者;在讲到薛定谔如何在不被导师重视的条件下建立了波动力学;在讲到海森堡如何为了重获玻尔的青睐,而建立了测不准关系;在讲到乌伦贝尔和古兹米特两个年轻人如何大胆“猜测”,提出了电子自旋假设,这些学生都听得津津有味。这些小故事不仅让学生从中掌握的量子力学的基本观点和发展过程,而且对培养学生的思维方法和科研品质都有很大帮助。
四、教学手段的改革
量子力学中有很多比较抽象原理、概念、推导过程和现象,这增加了学生理解的难度。而且在授课过程中有大量的公式推导过程,非常的枯燥。所以在教学过程中穿插一些多媒体的教学形式,多媒体的应用能够弥补传统教学的不足,比如:把瞬间的过程随意地延长和缩短,把复杂的难以用语言描述的过程用动画或图片的形式分解成详细的直观的步骤表达清楚[5]。相对于经典物理来说,量子力学课程的实验并不多,在讲解康普顿散射、史特恩-盖拉赫等实验时,可以运用多媒体技术,采用图形图像的形式模拟实验的全过程。用合适的教学软件对真实情景再现和模拟,让学生多册观察模拟实验的全过程。量子力学的一些东西不容易用语言表达清楚,在头脑中想象也不是简单的事情,多媒体的应用可以弥补传统教学的这块短板,形象地模拟实验,帮助学生理解和记忆。比如电子衍射的实验,我们不仅可以用语言和书本上的图片描述这个过程,还可以通过多媒体用动画的形式表现出来,让电子通过动画的形式一个一个打到屏幕上,形成一个一个单独的点来显示出电子的粒子性;在快进的形式描述足够长时间之后的情况,也就是得出电子的衍射图样,从而给出电子波动性的结论和波函数的统计解释,经过这样的教学形式,相信学生能够更加深刻地理解微观粒子的波粒二象性[6]。但在具体授课过程中不能完全地依赖于多媒体教学,例如在公式的推导过程中,传统的板书就非常接近人本身的思维模式,容易让学生掌握,如果用多媒体一带而过,往往效果非常的不好。所以教学过程中应该传统教学和多媒体教学并重,对于一些现象的东西多媒体表现更为出色;而一些理论方面的东西传统的板书更为有利,两者相互结合可以大大提高教学效率,增强课堂教学效果和调动学生的学习积极性[7]。
五、加强教学过程的管理
本书是玻姆力学的几位追随者,在他们几十年研究工作的基础之上,为推广和普及玻姆力学而撰写的一部专著。作者们认为,玻姆力学是纳入了隐变量概念的一种精确的物理理论,一种对于自然界量子描述的客观理论,一种没有量子哲学的量子理论。它坚持了量子理论必须描写客观实在。其基本思想是粒子被一个波导引,在物理空间中运动,这个波的波函数满足薛定谔方程,而粒子在组态空间的运动由依赖于波函数的速度通过引导方程确定。本书从这两个联立方程出发,详细地阐述了玻姆力学在各个方面的应用,它的相对论推广以及如何获取人们所熟知的量子力学规则。
全书内容在第1章引言之后分成3部分,总共12章:第1部分为量子平衡,含第2-4章:2. 量子平衡和绝对不确定性起源;3. 量子平衡和量子理论中算符作为可观测量的作用;4. 量子哲学:鸟瞰科学推理。第2部分为量子运动,含第5-8章:5. 通向经典世界的七个步骤;6. 关于穿过表面的量子概率流;7. 关于玻姆力学中速度的弱测量;8. 从玻姆力学导出的拓扑因子。第3部分为量子相对论,含第9-12章:9. 超面玻姆-狄拉克模式;10. 玻姆力学和量子场论;11. 没有观察者的量子时空:本体论行为和量子引力的概念基础;12. 实在性和量子理论中波函数的作用。
这是一部对近20年分布在各种期刊和书籍中的相关文章修改补充而成的高水平量子理论专著。作者选择的内容尽可能做到了全面和广泛,概念准确,推导简洁。全书自成一体,很便于有一定量子力学知识的数学家、物理学家和自然哲学家阅读。对量子理论的深刻含意和量子哲学感兴趣的所有的教学及研究人员,特别是高年级的大学生和研究生,本书都是一本很有价值的参考书。
丁亦兵,教授
(中国科学院大学)
关键词:量子力学 量子力学发展 质子和粒子
前言:量子力学是对牛顿物理学的根本否定。l9世纪末正当人们为经典物理取得重大成就欢呼的时候,一系列经典理论无法解释的现象一个接一个地发现了。在经典力学时期,物理学所探讨的主要是那些描述用比较直接的试验研究就可以接触到的物理现象的定律和理论。在宏观和慢速的世界中,牛顿定律和麦克斯韦电磁理论是很好的自然定律。而对于发生在原子和粒子这样小的物体中的物理现象,经典物理学就显得无能为力,很多现象没法解释。
1.量子力学的起源
量子论起源于经典物理学体系中出现的反常的经验问题,以及相伴随的概念问题。量子力学的发展主要归功于四位物理学家。德国的海森伯于1926年作出了量子力学理论的第一种表述。利用矩阵力学的理论,求得描述原子内部电子行为的一些可观察量的正确数值。接着,奥地利的薛定谔发表了波动力学,是量子力学的另一种数学表述。同年,德国的伯恩对上述两种数学表述作出可以接受的物理解释,并首先使用“量子力学”这个名词。1928年,英国的狄拉克又把上面的理论加以推广,并与狭义相对论结合起来。
量子力学是对牛顿物理学的根本否定。牛顿认为物质是由粒子组成的,粒子是一个实体,量子力学认为粒子是波,波是无边无际的。牛顿认为宇宙是一部机器,可以把研究对象分成几部分,然后对每一部分进行研究。量子力学认为自然界是深深地连通着的,一定不能把微观体系看成是由可以分开的部分组成的。因为两个粒子从实体看可以分开,从波的角度他们是纠缠在一起的。牛顿认为宇宙是可以预言的,而量子力学认为,自然界在微观层次上是由随机性和机遇支配的。牛顿认为自然界的变化是连续的,量子力学认为自然界的变化是以不连续的方式发生的。
2.量子力学的形成
2.1 量子假说的提出
1900年l2月14日,德国物理学家普朗克在柏林德国物理学会一次会议上提出了黑体辐射定律的推导,这一天被认为是量子力学理论的诞辰日。在推导辐射强度作为波长和绝对温度函数的理论表达式时,普朗克假设构成腔壁的原子的行经像极小电磁振子,各振子均有一个振荡的特征频率。振子发射电磁能量于空腔中,并自空腔中吸收电磁能量,因此可以由在辐射平衡状态的振子的特性而推出空腔辐射的特性。而关于原子的振子,普朗克作了两项
根本的假设,现简述如下:
① 振子不能为“任何能量”,只能为:
(1)
式中:为振子频率,为常数(现称为普朗克常数),只能为整数(现称为量子数),(1)式断言振子的能量只能是一份一份的,而不能是连续的,即振子能量是量子化的。
②振子并不连续放射能量,仅能以“跳跃”方式放射,或称“量子式”放射。当振子自一量状态改变至另一态时,即放出能量量子。因此,当改变一个单位时,放射之能量为:
只要振子仍在同一量子状态,则既不放射能量也不吸收能量。
2.2 爱因斯坦利用量子假说揭开光电效应之谜
爱因斯坦根据普朗克的量子假设推理认为:如果一个振动电荷的能量是量子化的,那么它的能量变化只能是从一个允许的能量瞬时地跃迁到另一个允许的能量,因为根本不允许它具有任何中间的能量值。而能量守恒就意味着,发射出的辐射必须是以一股瞬时的辐射进发的形式从振动电荷产生出来,而不是电磁波理论所预言的长时间的连续波。爱因斯坦得出结论:辐射永远以一个个小包、小粒子的形式出现,但不是象质子、电子那样的实物粒子。这些新粒子是辐射构成的;它们是可见光粒子、红外光粒子、 射线粒子等等。这些辐射粒子叫做光子。光子和实物粒子不同:它们永远以光速运动;它们的静止质量为零;振动的带电粒子产生光子。
3.量子力学的宇宙观
在原子的量子理论的探讨中,从对氢原子的研究中发现,氢原子有无数个量子态。而电子多于一个的原子有更复杂的量子态,这些量子态都从求解适合于该特定原子的薛定谔方程,并且要求其场刚好环绕原子核产生驻波而求得。由于这些量子态的每一个都是有特定频率的驻波,并且波的频率和它的能量相联系,预期每个量子态只有一个特殊的能量。这就是说,预期任何一个态的能量不会有任何量子不确定性。可以对每个态的能量大小作合理的猜测。由于质子作用于电子的力是吸引力,要把一个电子向外拖到离原子核更远的地方就必须做功。因此电子离原子核越远,电子的电磁能量就越高。
量子理论的中心思想是,一切东西都由不可预言的粒子构成,但这些粒子的统计行为遵循一种可以预言的波动图样。1927年,德国物理学家海森伯发现,这种波粒二象性意味着,微观世界具有一种内禀的,可以量化的不确定性。量子理论的最大特点也许是它的不确定性。量子不确定的实质是,完全相同的物理情况将导致不同的结果。哥本哈根学派解释的结论是,微观事件真的是不可预言的。而且,当我们说一个微观粒子的位置是不确定的时候,意思并不仅仅是我们缺乏有关其位置的知识。相反,意思是这个粒子的确没有确定的位置
结语:量子力学在低速、微观的现象范围内具有普遍适用的意义。它是现代物理学基础之一,在现代科学技术中的表面物理、半导体物理、凝聚态物理、粒子物理、低温超导物理、量子化学以及分子生物学等学科的发展中,都有重要的理论意义。量子力学的产生和发展标志着人类认识自然实现了从宏观世界向微观世界的重大飞跃。
参考文献
[1] 曾谨言.量子力学导论[M].2版.北京大学出版社,2OOO.
(一)经典物理中的粒子与波
在经典物理中,一般认为波和粒子存在着巨大的差别,那么这两者之间的不同之处到底在什么地方呢?
在经典物理中,一般认为粒子是在空间中独立离散的存在的物质,并且具有一定大小和质量,比如电子的质量为9.10938215(45)×10-31千克,虽然很小,但是我们可以通过实验间接地测量出来。此外,当粒子在某一方向上受到力的作用时,该粒子的速度大小会发生改变,也就是说,力在此时起到了阻碍或者加速运动的作用,改变了粒子的运动状态。而当两个粒子碰撞时,会产生动量的交换,若是在非弹性碰撞的条件下,还会有动能的损失。
与粒子不同,波是振动的传播,一般分为两种,一种是要依靠介质而存在的机械波,另一种为不需要介质也可以存在的电磁波,两者都无法在空间中占据一定的体积,因此也没有质量这个概念。由于波是一直运动着的,因此无法相对于某一参考系保持相对静止状态,虽然波一直在保持运动,但是其运动状态又与粒子的运动存在着非常大的不同。
(二)量子力学中的波粒二象性
通过上节的描述和对比,我们发现波和粒子无论在存在形式还是运动状态上,都存在着明显的不同,这也就是说在经典力学中,波和粒子是完全不同的两个物理现象。接下来我们再来讨论一下在量子力学中,波粒二象性在哪些方面体现了粒子的特征,在哪些方面又体现了波的特征。
在量子力学中,我们认为一切可承载能量的载体都是粒子,比如说在经典物理范围内的粒子,以及在量子力学中才体现出粒子性来的光子,此时的粒子,已不再要求其必须具有一定的体积和质量。
由于没有绝对的静止,所以根据德布罗意的假设“实物粒子也具有波动性”可以推知,一切的粒子都存在着波动,从而经典物理中相对静止的观念不得不被放弃。在量子力学中,一切的粒子的行为具有了波长,频率,但是此时的动量与能量的表达式为
其中为普朗克常量,这是在经典物理中,无论波还是粒子从未存在过的,因为这两个公式将粒子运动独有而波动没有的动量,波动独有的而粒子运动所没有的频率和波长统一了起来。由式子(3)可以看到,由于在经典物理一般处理的是动量比较大的物质,而普朗克常量又是一个很小的数值,因此其波动性没能体现出来。虽然粒子运动时具有了波的行为,会产生干涉和衍射现象,比如劳厄衍射光栅实验以及戴维逊和汤姆逊利用晶体所做的电子束衍射实验所验证的那样,但是,在受到力或者与其他粒子相互作用时,粒子依然保持着经典物理中粒子的特点,其运动状态(比如说动量和能量)依然会发生改变,比如在康普顿实验中我们知道,经过石墨散射后的X射线的波长会变长,能量相应的也会发生变化,这就使我们不得不放弃经典物理中波的传播速度和频率不会改变的法则。
通过以上讨论,我们发现波粒二象性既没有完全采用粒子的全部性质,也没有全部采用波的全部性质,在存在形式上保留了粒子离散性的特点,在运动形式上保留了波动的特点,但是在受力或者与其他粒子相互作用时又保留了粒子的特点。除了在两个经典物理概念中各自继承的概念外,还通过公式(3)、(4)等概念,扩展了我们对物理学的认识,公式(3),(4)也是量子力学超越经典物理,并将粒子性质与波动性质统一起来的关键点。
关键词 心身二元论 经典力学 观察者 意识
中图分类号:B089 文献标识码:A
意识涵盖了大部分的心理现象,它既是我们体验到的对心理状态的复杂的内省,又等同于“觉醒”的状态,或者感知状态。因此,在给意识下定义时就会出现困难,它所涉及的分支众多,难以用一个单一的定义将意识所包含的方面全部囊括其中。意识的核心问题是“现象性”,理解意识的关键在于弄清楚现象性本身的本质及其起源。在早期西方哲学历史上,意识问题是以“心身问题”为标志开始的,意识是“心灵”的一个特征。从最早时期开始,意识与死亡相关联,人们希望并且相信,意识是与物质性的身体相区别的东西。因此,对意识的研究首先要回溯到早期历史上的心身问题。
自从笛卡尔提出“心身二元论”,赋予“心灵”以实体地位以来,对于心灵是否存在、怎样存在、如果存在,心灵该如何与身体相互作用等问题的争论延续至今。笛卡尔认为,心灵与物质是独立的两个实体,物质具有广延的属性,却不能思考,心灵能够思考却不占有空间。从对日常经验的内在主义素朴描述出发来看,心灵与身体之间和谐地相互作用,促使人们能够相信,心灵必然有其独特的存在地位。为了说明两者如何互动作用,笛卡尔提出“松果腺”这一概念。但是“松果腺”的提出,却恰恰暴露出笛卡尔的心灵观念存在的矛盾。
从内在主义的角度看,心灵确实与物质相互作用,意愿、欲望能够促成行为的发生,导致行为对象的改变等。但是,由于心灵不具有广延且不占有空间的属性,又导致人们无法运用在经典力学基础之上形成的认知图式,来理解和说明心灵的存在形式,心灵怎样与物质相互作用更成为了一个难题。如果承认心灵的独特实体地位,则有悖于经典力学的科学原则,如果依照唯物主义的基本观点,把心灵与物质等同起来,用大脑内部的物质之间的相互作用来说明意识活动,则导致无法说明为什么存在主观体验和感受的问题,这显然又违背了人类体验的直觉。因此,无论是坚持二元论还是唯物主义一元论,心物互动问题都面临着极大的理论困难,坚持内在主义观点,就必须说明心灵有别于物质的本体论地位以及心身互动的作用机制;坚持唯物主义的观点,就必须说明为什么人会有主观体验和感受。本文认为,除了上述两种对心物关系的说明之外,存在第三种对心物关系的思考,即对经典力学原则在说明心灵问题上是否具有适用性的质疑:经典力学的原则是万能的吗?它是否能够作为评判心灵是否存在以及怎样存在的标准?心物关系问题难以有所进展,是否因为我们用来评判心灵存在的标准出了问题?量子力学能否作为新的研究范式来推进心灵的研究?
随着人们认知程度的提高,自然科学的发展,对心灵问题的讨论更加如火如荼。古老神秘的“心灵”概念也逐渐以“意识”这一崭新的形式出现在哲学、神经科学、心理学、计算机科学等多学科的交叉研究视域中。本文将以“意识”这一概念来论述笛卡尔心物二元论中所提及的“心灵”。
“有一种古老的观点:自然由两部分组成,一部分包含感觉和思想,另一部分在运动中包含有物质对象。这个观点在笛卡尔的时代复活,并成为经典物理学的基础。”①1687年,牛顿出版了著名的《自然哲学的数学原理》一书,掀起了科学的革命。在这本书中,宇宙被描述成一个遵循严格规律的大机器,依照数学的精密性在空间中运动。一切事物都可以被还原成遵循严格规律运动的物质实体,作为因果决定链条上的一环,按照既定的规律运行。因此,经典物理学的世界被冠以具有决定论和客观性的特征。但是在涉及到微观世界的对象时,经典物理学的基本原则就失效了。
意识问题是当代哲学、神经科学、心理学、计算机科学等多个交叉学科进行跨学科研究的热点难题。众多学科关注意识的原因在于,它是关乎人的本性根基和人与外部世界关系的根本性问题。不论是唯物主义立场,还是二元论立场来看待意识,都有不可回避的理论困难。
以上两种立场在说明意识问题的过程中,会遭遇到困难的原因,除了意识问题本身的复杂性之外,另一个重要的原因是,唯物主义和二元论均把研究宏观事物低速运动规律的经典力学,作为思考意识问题的理论基础。二元论产生的部分原因是迫于经典力学的还原论和客观性压力,人们无法调和与说明物质活动和意识之间存在形式的不协调,但是却又难以违背自己体验的常识,放弃意识的主观性特征。唯物主义则恰恰相反,它遵循经典力学的客观性、决定论、还原论等根本规律,把物质放在优先地位,试图用经典力学的规律来同化或拒斥意识的主观性特征。在一定程度上,二元论与唯物主义这两种相对立的立场都是以经典力学的原则为根本依据,朝着各自相反的方向建构自己的理论,但是,二元论从理论内部割裂了意识与物质的关联,而唯物主义又混淆了意识与物质的差别。
以牛顿运动定律为主要内容的经典力学在20世纪以前被称为最美的物理学,它通过把“意识”排斥在研究范围之外来实现其理论的完备性。它假定时空的绝对性和依据初始值可进行精确预测等特征,为人类认识自然、了解自身的本性描绘了一幅因果封闭、清晰可测的蓝图。世界上的任何物理系统都能够被分解为各个组成元素,各个组成元素只能够与彼此相邻的元素发生相互作用,物理系统遵循着严格的物理因果封闭定律,根据一定的可观测的物理量,能够做出无限精确的预测。经典力学的唯物主义世界观已经否定了意识是有别于物质,具有独立存在地位的实体。大脑是世界上最为精密且复杂的整体系统,它作为意识活动发生的场所已经是毋庸置疑的科学事实。按照经典力学的观点,大脑与意识同样应该遵守经典力学的根本原则,但显然意识的诸多属性以及对应的神经活动的规律都无法用经典力学来说明。
神经科学的研究成果已经表明,意识活动的发生受到大脑整体活动的控制,它并不是固定发生在大脑的某一个区域。同样,大脑的某一部分神经通路也不是意识发生的场所,完整的意识的出现,需要调动大脑内部不同脑区的神经元进行放电。不同的意识场景所对应的神经元活动的组合也不一样。就目前的神经研究成果而言,神经科学只能够对意识活动的说明进行基于科学经验上的描述,而不能够进行充分的因果说明。经典力学中的整体可以分解成部分的组合的原则,无法说明意识的高度统一性;相邻部分的因果互动原则更加无法解释不同脑区的神经活动,怎样能够作为单一的意识活动的组成部分。发生在个体大脑中的意识转瞬即逝,难以捕捉,甚至毫无规律可循。大脑内部呈现的意识场景为什么具有统一整合性和动态的分化性,归属于不同脑区的神经元为什么能同时放电而形成单一的意识场景,控制这些神经元活动的机制是什么?这些问题,对于研究宏观事物运动规律的经典力学而言存在困难。经典力学中不需要涉及对微观事物的化学过程的说明,而这一点对于大脑研究来说,则非常重要。
如果从大脑内部和大脑外部两个维度,来对意识进行一种描述上的区分,从大脑外部,引入一个“观察者”,那么对意识就可以做出两种不同的描述。这两种维度的描述之间的区别也表明,经典力学难以说明意识。
按照经典力学的原则,每个脑区的神经元只能够与它紧邻的神经元发生互动,并根据所处的大脑区域的定域性而非全局性来表征意识场景。对意识的内在描述不是从外在的“观察者”或者元素集合所体现出的整体功能性角度进行描述,而是对这些独立的神经元描述的组合的描述。“根据经典力学,对物理系统和它的动力学的状态的描述,能够在内在的层次上表达出来。但是人们怎样来理解经验的整体思想的发生呢?”②
外在描述是在引入一个外部“观察者”之后而做出的描述,观察者知道大脑内部描述是由诸多元素所构成,但是,他能够从外在维度对内部元素进行整合,使内部元素组合起来具有整体的表征属性。同时,外部的观察者能够从整体的功能性角度出发来进行整体表征,在观察者的意识中形成的整体性描述,不会受到各个不同脑区神经元活动的区域性限制。总之,这个外在的观察者不仅具备“知道”大脑内部是由多个元素组合的能力,还具备把这些元素集合成整体的能力。因此,在内在描述层次上的独立元素的集合,在外在层次上可以被称为是一个单一的整体。
从功能的角度出发,大脑被看作是一个功能性的整体,但是在经典力学的框架中,功能基本上不具备任何实际的意义,因为大脑的过程受到不同脑区神经活动的控制,然而,大脑部分与部分之间的相互作用不可能实现大脑的整体作用。从根本上来说,一个从外在层次所描述的功能性整体,所表现出来的整体性含义要比逻辑上独立的要素的简单集合要复杂得多,而这一点恰恰是与经典力学的根本原则相悖。因此,意识的整体功能性概念在经典力学框架中也无法得到合理的说明。
依据经典力学的法则,整体可以被分解为独立的局部要素的集合。“功能性”对于物理因果封闭定律而言是无效的,因而不具备任何存在的理由,唯一承认它的理由就是方便我们从外在层次对它进行直接的理解。
灵感与顿悟是经常出现在人类思考过程中的真实存在的心理现象,在艺术和科学研究中表现尤为明显。它们具有突发性、偶然性、丰富性、瞬息变化等特征,它们常常会受到当下场景或意识内容的刺激而产生,但是其产生的机制与结果却远远超出了人对当下对意识的研究水平。按照经典力学的可预测性原则,依据一定的可观测的物理量,就能够对事物做出精确的预测,但是在灵感和顿悟这类具有突发性的心理现象上,经典力学的根本原则显然不适用。
根据经典力学的根本原则来解决意识问题面临诸多的理论困难,意识的高度整合性和高度的分化性、主观体验的整体性和动态多样性、从外在的功能角度所描述的大脑的整体功能性特征、灵感和顿悟这类突发性的心理现象都无法从经典力学理论中得到科学合理的说明。
斯塔普(Henry Stapp)认为,对于经典力学而言,意识和行为之间的紧密关系不可能从逻辑上推导出来,相反,这恰恰意味着经典力学的不完整性。经典力学不能够蕴含意识的现象性方面,除非意识是一种副现象。但是,如果意识是副现象,则显然有悖了直觉。如果经典力学控制自然的整个动态过程,那么作为人类大脑高度进化发展结果的意识就是一个令人怀疑的神话。经典力学的动态原则既不蕴含现象实在的存在,也不能够对它们怎样从简单形式进化到高级阶段提供一种自然的动态说明。在经典力学的理论框架当中,人类的体验既没有存在地位,它也无法对大脑的动态作用提供充分合理的自然说明,那么我们就应该放弃用经典力学的整体逻辑结构来研究意识,并转而寻求一种能让我们的体验充分发挥动态作用,且完全不同的逻辑结构的模式,这一模式就是量子力学。
量子力学的诞生打破了人类对经典力学关于世界的固有认识,传统的物质观念、物理封闭因果定律、决定论和连续性观点都遭到了破坏。量子力学重新为人类描述了一个新奇的、感官不可知、反常识的世界。量子力学的理论框架内,大脑被看作一个量子系统。
意识与大脑之间的紧密联系已经是一个不争的科学事实,虽然经典力学在说明意识问题上存在许多的理论困难,但是科学的发展趋势表明,我们始终要在科学的框架内来说明意识。因此,意识研究必须转换一种新的研究范式。目前,最有希望将意识重新纳入到物质世界的科学理论只有量子力学。“冯诺依曼、诺伯特维纳和霍尔丹指出,自然的量子力学方面似乎是为了将意识重新纳入我们现有的物质概念而为意识量身定做。”③
经典力学与量子力学的不同之处在于,量子力学引入了“观察者”因素,测量结果不再是具有绝对的客观性。尤其是在对意识进行研究的过程中,“观察者”本身也作为物理系统的一部分而参与和影响着对意识的测量结果。由于意识具有高度的分化性,各种心理事件瞬息万变,每一次对意识的测量都会取得不同的结果,为了对意识现象做出完备的描述,每一次的测量结果彼此之间呈互补关系,这种互补性取消了在经典力学框架内应该具有的严格因果律,意识呈现出非因果性的特征。
当代著名的心灵哲学家查默斯也多次在其著作中谈到意识可能与量子力学有紧密的关系,但是对此他常常又持一种怀疑的态度。作为提出“意识的困难问题”而闻名于世的哲学家来说,他始终关注的是意识的主观经验问题,但是,在他看来,量子力学与经典力学相比,在意识问题上具有一定的优势,但是即便如此,这一范式目前还未能说明为什么会有主观感受的发生。“问题在于物理理论的基本元素都要归结到两点:结构和物理过程的动力学,但是从结构和动力学出发,我们只能获得更多的结构和动力学,而有意识的经验仍然没有被涉及。”④尽管如此,量子力学在意识研究上仍有许多探讨的空间。
注释
① Stapp, H.P.(1993)Mind, Matter, and Quantum Mechanics, Springer-Verlag.83.
论文摘要:人类的认识既不是完全客体性的也不是完全主体性的,它源于主体和客体的相互作用、交互规定,在不同方面、不同层次上体现着主体性或客体性。20世纪的 科学 从相对论、量子力学到混沌学、分形理论都体现了这一精神实质,本文在简单论述相对论、量子力学所体现的主体性与客体性后,着重分析了混沌学与分形理论中的主体性与客体性问题。
人类对客观世界的认识,是主体(人类)与客体(客观世界)相互作用的结果,所以对认识的理解必须从主体、客体及其相互作用方式三方面着眼。认识既不是完全客体的,也不是完全主体的,具体的认识是主客体在相互作用中交互规定的结果。 自然 现象在变化中有不变的东西,科学所研究的就是变化中的不变及潜在可能性的现实化。现实性不能超越潜在可能性的范围,它不是任意的、无 规律 的,其中存在着不依赖于主体的客观特征;有意义的、具体的事件即潜在可能性的具体实现,却是依赖于具体的环境条件,依赖于主体、测量工具或码尺的。认识中的主体规定体现了认识的主体性方面,客体规定体现了客体性方面,任何知识体系都同时包括这两个方面。20世纪物 理学 的重大成果相对论、量子力学、混沌学、分形理论虽然研究对象不同,所揭示的具体自然规律不同,但是在“认识源于主客体相互作用,兼有主体性与客体性”这一点上却是相同的。
一 相对论、量子力学中认识的主体性与客体性
(一)相对论中认识的主体性与客体性
相对论效应显著的是宇观的、高速运动的自然。相对论表明:对于同时性、时间间隔、空间间隔等一些物理现象,不同参照系观测结果不同,观测结果依赖于主体对参照系的选择,它反映了认识的主体性一面;对于四维时空间隔、物理定律的形式等,不同参照系观测结果相同,观测结果不依赖于主体对参照系的选择,而决定于观测对象自身的客观性质,它反映了认识的客体性一面。
根据狭义相对性原理,不同惯性系对同一物理过程进行的时、空描述,所得到的时间、空间坐标不同,时间间隔和空间间隔也不同,即所谓的“同时性的相对性”和“钟慢”、“尺缩”现象,不同惯性系对同一物理过程的时、空间隔测量值之间的对应关系,是由洛仑兹变换确定的[1],相对论因子(1-v2/c2)1/2具体体现了对时间间隔和空间间隔的测量依赖于主体(观测者)的程度和方式。狭义相对论中包含的这些“同时性的相对性”、“时间间隔和空间间隔的相对性”等,明确地表明了主体(观测者)对客体(被测过程)的认识并非与主体毫无关系,而是在一定程度上决定于主体与客体的相互关系,决定于主体对参照系的选择,这是对认识的主体性的体现。
狭义相对论中不同的惯性系对同一物理过程进行的时、空测量,所得到的时空坐标、时间间隔和空间间隔尽管不同,即时、空测量值依赖于观测者所选用的参照系,但是洛仑兹协变保持了原时“dt”(即minkowski四维时一空间隔dt 2=dx2+dy2+dz2-dτ2)不变[2],也就是说,不同参照系中的dt对于一个确定的物理过程来说是相等的,是不依赖于观测者对参照系的选择的。进一步地,广义相对性原理说明了,客体(被测过程)的真实的物理规律应该在任意坐标变换下形式不变[3],不存在优越的参照系,这是认识的客体性的体现。
可见,相对论中对同一物理过程的认识既有依赖于主体的部分也有不依赖于主体的部分。笔者要强调的是,由于对主体的任何有意义的作用,其发生方式与主体对客体的测量本质上是相同的,都是两者的相互作用,因而这种认识的主体性不是虚幻的、无意义的,而是真实的、有意义的,所以认为相对论反映的是完全的主体性或完全的客体性都是不正确的,任何具体的认识都是主客体相互作用、交互规定的结果,它既具有主体性又具有客体性。
(二)量子力学中认识的主体性与客体性
量子力学的研究对象是微观自然。以哥本哈根学派为代表的对量子力学的物理诠释,充分地说明了认识的主体性和客体性的双重规定。量子力学的测量理论表明“在所有场合,我们关于一切现象的知识都是通过对有关系统与测量仪器之间的相互作用的研究获得的”[4],在这一相互作用过程中,涉及到对象与仪器的一种非无限小的相互作用,这时仪器对观测对象的影响是无法补偿的、不可控制的,因而对体系态的描述不能只涉及到所考虑的对象,而且要涉及到对象与观测条件之间的一种关系[5]。客体以客观的潜在的可能性制约、规定了主体,主体(测量仪器)以具体的现实的环境条件规定着客体,具体的实现了的测量结果则是这种交互规定的结果,进而使其不可避免地打上了主客体双方的烙印。
一方面,量子力学突出地表明了认识对主体的依赖,由波函数所描述的一个微观客体的态,只是一些潜在的可能性,这些可能性实现的方式依赖于与客体相互作用的系统。明显地体现认识的主体性的是大家熟悉的微观客体的波粒二象性,以 电子 为例,它具有显示其粒子形象或波动形象的潜在可能性,至于究竟 发展 其中哪一种可能性,就要看它与何种系统相互作用,即要看主体是用晶体来测量它的衍射图样,还是用计数器测量它的光电效应。
另一方面,量子力学中认识的客体性体现在波函数能提供微观客体可能的最完备描述,[6]它所表示的系统的状态是一种混合态,是所有可能状态的叠加,它是客观的。具体的测量结果虽然部分地依赖于相应的操作算符,但其现实结果只能是基于唯一的波函数所提供的所有潜在可能性中的现实性,任何现实性只是潜在可能性中的一个,具体测量过程中潜在可能性实现的几率由波函数确定地给出。例如,电子在一个具体的测量中,究竟表现出波动性还是粒子性,具体的本征值是什么,虽然依赖于主体(测量装置),但是具体的、可变的现实背后有一般的、不变的客观根据——波函数。
由波函数表示的微观客体的潜在可能性和由具体测量过程提供的微观客体的现实性(实现了的可能性)相互补充才提供了对客体的真正的完备的描述,单纯强调认识的客体性或主体性都是偏面的,都不能说是对客体的真正的完备的描述,主客体在交互规定中才能产生真实的、具体的认识。所以说,量子力学中关于微观客体的完备的认识,既具有主体性又具有客体性。
综上所述,相对论、量子力学都表明了“人类的认识兼有主体性和客体性”这一原则,60年代后发展起来的混沌学、分形理论被认为是本世纪继相对论、量子力学之后的第三次物理学革命,它们的基本思想也体现了“人类的认识兼有主体性和客体性”这一原则,而且进一步深化、拓宽了这一原则的适用范围,更加明确了不存在完全排除观测者的纯粹的客观自然这一事实,说明以主客体相互作用为基础来考察人类认识的性质,具有重要的认识论和方法论意义。
二 混沌学中认识的主体性与客体性
混沌学的研究对象是非线性的、不稳定的自然。它发现了确定论系统的内在随机性,说明产生混沌现象的因素可归纳为两个方面:一定的非线性机制(不是所有的非线性机制)和非绝对精确的初始条件,即“一定的非线性机制”+“非绝对精确的初始条件”一混沌。体现主客体相互作用对认识的双重规定特征的是:一方面,客体对主体表现出的混沌特性即不可预测程度(预测精度随时间增长而减小)依赖于主体对客体初始条件的确定程度(在多大精度上知道其初始条件),所以它是不确定的、相对的、可变的,依赖于具体的主体对客体的相互作用行为,体现了认识的主体性。另一方面,一个确定的混沌系统,它的非线性机制是确定的、客观的,并且导致了其演化过程在整体层次上呈现出一些客观规律,如奇异吸引子具有一定的分数维,通向混沌的倍周期分叉过程中存在普适的费根鲍姆常数等,这些都反映了混沌的不依赖于主体的客观本质特征,体现了认识的客体性。
(一)混沌学中认识的主体性
初始条件是在起始时刻主体对客体所作测量的结果,测量越精确,主体(观测者)所获得的关于客体(被测系统) 系统)的知识越多。如果系统对初始条件不敏感,那么初始条件所包含的知识、信息(也就是主客体间的确定性关系)将保留下来,初始条件的不确定程度不会明显地扩大,因而可以依赖客体系统的动力学演化规律对系统的动态过程做出预测。相对而言,如果系统对初始条件是敏感的,这是由系统的非线性机制造成的,初始条件包含的主体对客体的知识就会由于非线性机制造成的指数型发散而丧失,即初始信息将以非线性机制确定的速率随着时间的流逝而逐渐丧失,这时依据客体系统的动力学方程就不能在稳定的精度内预测客体系统的长时间演化行为,客体对主体来说成为混沌的[7]。初始条件的确定是主体(观测者)与客体(被测系统)相互作用的结果,所以主体的性质、特征对初始条件有相应的规定,进而影响着客体系统相对于主体的混沌演化特征(可预测程度)。那么初始条件是怎样体现认识的主体性的呢?这是由初始条件总有非无限小的与主体相关的不确定域来体现的,这种不确定域的存在是因为:
一是物质本身所固有的。物质的存在都有一定的非局域性,都要占据一定的空间、时间、能量范围等,即事物在其测度空间中有非零体积。如微观客体的能级都是有一定宽度的,量子力学中的不可对易量有其本身固有的存在域,以动量和坐标为例,其中一个量可以用提高测量精度来减小其不确定度,而同时另一个量就会有由测不准关系制约的相应的不确定程度的增大,这种增大了的不确定度就不是能够再通过提高测量精度所能减小的,它是客体所固有的,换言之,测不准关系所表示的是由于存在最小作用量从而使得不可对易量间有不可消除的物质本身固有的不确定域。具体的是什么量不确定和不确定的程度依赖于主体对客体的作用方式,依赖于是测量客体的位置还是测量客体的动量,是倾向于表现客体的粒子性还是倾向于表现客体的波动性。这种认识的主体性与量子力学中的原则上是相同的。
二是测量过程本身的限制。任何测量都是精度有限的测量,不存在无限精确的测量,因为“测量”是主客体(测量者与被测系统)间的一种相互作用,这种相互作用必须通过测量工具来进行,所以测量结果的精确度不可能高于测量工具的精确度。虽然可以通过提高测量工具的精确度来提高测量结果的精确性,但原则上这种不精确性是不可能根本消除的,它是永远伴随着测量过程而存在的。这种不精确性直接产生于测量工具,也就直接受测量者(主体)的规定,在这种情况下初始条件的不确定程度决定于主体选择什么测量工具,选择什么精度的测量工具,在主体也是测量工具的意义上,还依赖于主体自身的特征。所以说,测量本身的限制也是测量过程中主体(测量者)的限制,这是一种重要的认识的主体规定。
三是由模糊性导致的。系统的模糊性导致分辨率降低,进而使精确的相轨道描述成为不可能的和不必要的,这时以相轨道可以重合但系统不会陷入其周期之中的非周期性来描述这种混沌行为将是方便的。对于某些宏观现象,如社会 经济 系统中的一些量,即使数值上是确定的,其实质上也是有较大模糊性的,这种模糊性使过高的精确度成为不必要的、没有意义的。经济系统中的产值、增长率等都具有模糊性,一千亿产值和 1千零50亿产值可能代表基本相同的经济状况,10%和9%的增长率所反映的经济状况可能没有什么不同。在这种情况下,对系统初始条件不确定域的考察,在相当大程度上依赖于主体的信息占有量、判断力和对考察过程的成本的考虑,这时认识的主体性将更强一些。
(二)混沌学中认识的客体性
混沌学中,对初始条件的确定体现着认识的主体性一面。而确定的非线性机制则是认识的客体性的基础,也是客体性的最集中体现。混沌并不是完全不确定的,混沌中有秩序,混沌中存在着不依赖于主体的反映客体系统固有性质的客观确定性。混沌学表明混沌现象产生于确定论系统,典型的有一维非线性映射方程 xn+1=f(α,xn),产生洛仑兹吸引子的非线性微分方程组[8]
这些方程本身是确定论的,反映着系统的不依赖于主体的客观性质。在此基础上,标志认识的客体性的还有适用于不同迭代过程的费根鲍姆普适常量δ、奇异吸引子确定的分数维(洛仑兹吸引子维数为2.06)等等呈现规律性的性质。
可见,在一个具体的能产生混沌的非线性系统中,同时包含了体现着主体性的初始条件和体现着客体性的非线性机制,两者的结合即主客体的相互规定、相互制约,决定了具体的主体与客体的关系,也就是具有主体性与客体性双重规定的“混沌”。
三 分形理论中认识的主体性与客体性
分形理论的研究对象是自相似的、无特征尺度的 自然 。在分形理论中实现了从欧氏测度到豪斯道夫测度的测度观的转变,分形理论的基本思想是对于没有特征尺度的客体,研究其标度变换下的不变性。标度的变换也即码尺的变换,用不同的码尺所测得的客体的结果,有随码尺的变化而变化的,也有随码尺的变化而保持不变的。分形理论中的这种标度变换思想具有重要的方法论意义,说明了主客体相互作用是一切测量及理论的基础,更是一切认识的基础。
(一)分形理论中认识的主体性
分形理论是以豪斯道夫测度理论为基础的,它的主体性集中地体现在两个方面:
首先,hausdroff测度及维数是分形理论的核心概念,也是整个分形理论的基础,hausdroff测度的定义为:
其中,是欧氏直径[9],它是构造一个集合x的hausdroff测度的基础。可见hausdroff测度是基于对被测集合的欧氏直径的定义,而这种直径其实就是主体对客体进行测量的媒介,的欧氏性质本身就反映了主体的特征,是人类习惯于欧氏方式的结果,它深深地打上了认识主体——人类的印记,深刻地说明了一切认识、一切 科学 规律 都是“人”的认识、“人”认识的规律,都必须使人能够理解,以人为出发点、为目的。因而可以说,分形理论虽然实现了从欧氏测度到hausdroff测度的测度观的转变,但它仍然未能摆脱以欧氏测度为表现形式的主体的规定。
其次,正是因为认识的主体——人是生活在欧氏空间中的,是以欧氏测度为基础的,人们所用的码尺(测量工具)是欧氏的,人们需要的测量结果即对人有意义的结果也都是欧氏的,所以可以说在人们对分形的研究中,具体结果是依赖于码尺的。以分形曲线为例,曼德布罗特(mandelbrot)给出的一般分形曲线的长度公式为,[10]对于此式可以有不同的理解,一种可被人们接受的理解是,即l是分形曲线的欧氏长度,是分形曲线的hausdroff长度,是码尺[11],此式是联系与的定量关系式,该式不仅对于实验测量较方便,而且明确地体现了以主客体相互作用、交互规定为基础的认识的主体性与客体性。
在式中,下面将谈到对于一个分形客体(这里为分形曲线)它的hausdroff测度(长度)及分维d是一定的,即存在且唯—,在这个前提下,主体(观测者)对客体(分形曲线)测量其长度时(人们需要的是欧氏长度),所得的曲线长度就只依赖于所选择的码尺的大小,选择—个码尺就是一个相应的曲线长度。大家熟悉的海岸线的长度和国家间边界的长度就是这种情况,不同国家对于其间的共同边界长度有不同的测量结果[12],就是由于他们测量时采用的是不同的码尺。
对分形客体的欧氏测量结果依赖于所选码尺,其原因在于“分形是在其无标度区间内整体与部分相似的形”,其在不同的尺度上都有相似的细节存在。而作为主体与分形客体间的测量媒介的码尺,其本身就是一个具体的、个别的“特征尺度”,那些小于其“特征尺度”的客体细节,将被它平滑掉,那些大于其“特征尺度”的客体特征将被保留下来。所以变换观测尺度时,缩小 的变换会在测量过程中把更多的细节记入观测结果,导致结果增大;扩大的变换会在测量过程中平滑掉小于码尺的细节,从而导致最后的结果缩小。因而在对分形的测量中,具体的测量结果依赖于所选择的码尺,主体选择什么样的码尺就会有与码尺相应的测量结果,这是分形中认识的主体性的集中反映。
(二)分形理论中认识的客体性
前文所述,分形的欧氏测度依赖于主体所选码尺的大小,它不是唯一确定的,这正说明了欧氏测度不能反映分形的本质特征。分形理论告诉我们,一个分形客体的hausdroff测度和维数是反映其本质特征的量,是认识的客体性的体现。
对于一个分形来说,其hausdroff维数dimx满足:
显然,对应于的d是唯一的,且d=dimx。也就是说,如果用dimx表示任意非空集合x的hausdroff维数,则用小于hausdroff维数的d值构造的hausdroff测度,而用大于hausdroff维数的d值构造的hausdroff测度,只有用dimx=d的值构造的hausdroff测度才会是有限值,且是唯一的有限值[13]。可见,对于一个特定的分形(简单分形)客体来说,它的hausdroff维数的d与hausdroff测度都是唯一的,它们是对分形的不依赖于主体的本质特征的反映,体现着认识的客体性方面。
四 结 语
以上概略地谈了相对论、量子力学和混沌学、分形理论中认识的主体性与客体性问题,这四个理论作为20世纪重要的科学理论,它们共同反映的自然观告诉我们:人所认识的自然不是具有独立实在性的自然,而是基于主客体相互作用的自然,是认识源于实践的自然。“排除观测者及其影响作用的是牛顿力学体系的理想情况,这个理想情况在现实中是不存在的”。[14]
当相互作用中主体对客体的干扰(原则上不可排除)在某些方面与客体的客观极限接近时,即干扰不可忽略、不可作为零来处理时,对客体的认识就不能排除主体的影响。如:相对论中,当v与c可比时,相对论因子 (1-v2/c2)1/2就与1有较大的偏离,这时那些具有相对速度v的不同参照系就会有明显不同的认识;量子力学中,当作用量与h可比时(接近最小作用量),主客体间的关系就要明显地受到测不准关系的制约;混沌学中,非线性机制使得系统对初始条件敏感,导致任何小的扰动都会对系统产生不可忽略的影响,所以产生混沌的非线性系统中,主体的干扰是不可忽略的;分形理论中,分形客体的无标度性使主体所用的码尺与分形客体的细节在不同尺度上都是可比的,所以导致了测量的欧氏结果随码尺的不同而变化。
可以说任何科学知识都是人对客观世界在现实的有限范围内通过主体与客体的相互作用得来的结果,所以它们没有例外地都具有主体性与客体性的双重性质。数学中的罗素悖论、哥德尔定理,物 理学 对熵与不可逆性的诠释,天文学中的人择原理, 哲学 中取代本体论的认识论与方法论等等都莫不如此。
参考 文献
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一、量子理论的建设性观点
19世纪关于黑体辐射的讨论,在应用Kirchhoff热辐射定律的推导中得出假象绝对黑体的能谱密度函数却与实验曲线有比较大的出入。其中,Rayleigh-Jeans的推导公式在高频区(γ∞)的无穷趋向与曲线极度不符合,称为“紫外灾难”。
在推导的过程中,在将黑体辐射场等效为电磁驻波振子(电磁横波,每一种频率的电磁波又对应不同的偏振方向,等效为一个简谐振子组成的多自由度力学体系)后,Plank和Rayleigh-Jeans处理的不同就在于能量连续性的假设上。由统计力学我们知道:
假设黑体箱长为L则应用边界条件:
e|=e|
可以推得单位体积在频率附近单位频率间隔电磁驻波振子数目为:
dγ
在能量的假设上,Rayleigh-Jeans采用经典Maxwell-Boltzmann分布,认为每一个驻波振子能量连续,并由能量均分定理得到=kT,所以:
能谱密度ρ(γ)=kT这就是在低频区比较满足实验规律的Rayleigh-Jeans公式。
对比可以发现,Plank在解释插值法求出的公式时,创造性地应用了能量单元的假设:
?缀=n?缀
同样由Maxwell-Boltzmann分布律可知:
==
同以上处理,ρ(γ)=・
为满足能谱密度通式ρ(γ)~γ,取εhγ后,便是满足黑体辐射曲线的Plank标准式。
问题解决的关键是对Plank常量h的讨论和引入,在h0的极限场合,便是实现了能量间断到连续的变化,从而为我们抽象出一种比经典理论更为普遍的量子理论。
二、创设性思想在高校物理教育中的启迪与思考
传统的高校物理教育特别是理论物理教育课程一般都是由力、热、光、电、原子物理等普通课程和电动力学、量子力学、理论力学、统计力学等四门高等物理组成,针对师范生教育工作,要理解适应“让师范生姓师”的社会需要,这就要求师范生的本科物理学习必须着眼于全局,从物理历史发展的脉络去把握整个课程结构,融会贯通,精益求精。
譬如,在普通物理的教育中要适当联系理论物理中的前沿理论和观点,为学生后续学习埋下伏笔;在理论物理的教学中,课堂不应当沉浸在漫天迷乱的公式推导中,要阐述每书写一行算式的内涵和思想,不能将物理的课堂演变成数学杂技的show场,思路断线往往是大部分学生迷惘、无法深入理解物理学科的第一绊脚石;与此同时,理论物理学科之间的联系也是很绵密的,正所谓“没有孤立的理论去阐述一个绝对封闭的对象”,物理的发展和创设性观点的提出在学科之间都是互通互融的,“一通百通”才能将物理科学学习的深入、透彻。中国古典文学《论语》也讲述:“道不远人。”所有的规律、真理都是朴素温和的,仔细揣度,让学生发现物理豁然开朗的淡然淳朴。
诚然,物理的学习也是需要知识串联的。《基础教育课程改革纲要》也提出:教学相长,教育应当互动,注重内容渗透,避免被动模仿的学习,培养学生独立谨慎的思维习惯。“学然知不足,教然知困”,课堂没有完美的结场,完美的课堂教育依然是show场。在学习过程中教师要时刻提醒学生注重课外相关知识的学习,从而立体地丰富自己的思维和认知水平。
类比于以上量子力学创立的思想假设,我们在教育学习中是否也应该关注这样一条流程:由史入手―说明目的―实验发现―观点假设―理论探究―实验佐证,让同学们明确物理究竟要解决什么问题,要阐述的是什么结论和观点,要启迪我们的是什么见闻。以上的教学互动流程不也正是当下人类科学研究的步骤和方法吗?大学物理这种教学思想为我们进一步培养科研人员和理论工作者奠定基础。
由史入手,把握问题的症结和新的解决思路。未来的教学中,我们要细细品味电动力学中涡旋电场和位移电流的概念;电磁学中安培针对分子电流的假说又是如何验证的;Landau关于作用原理的思考又是怎么拓展成分析力学的;一系列实验磁场的不同,又是如何把Zeeman pachen-back反常Zeeman等效应串联起来的。我认为,能够将体系淋漓尽致贯穿讲述的高校必然是探究发现的著名学府,能够把知识酝酿成智慧的学生必将有所造诣。
参考文献:
[1]曾谨言.量子力学(卷一).
只有让学生深刻认识结构化学的重要性,才能使他们产生学习兴趣,激发起学习的动力,充分发挥其主观能动性,使教学达到事半功倍的效果。
(1)结构化学是化学各学科的理论基础。
结构化学为化学各学科提供理论指导,是联系基础化学与高等化学的阶梯。结构化学已经渗透到现代化学的各个领域。以学生学习过的课程为例,无机化学中涉及了原子结构、分子结构、晶体结构和配合物结构等方面的内容;有机化学中运用杂化轨道理论和分子轨道理论说明有机物的结构,使用分子对称性理论描述分子空间结构,利用前线轨道理论解释化学反应机理等;仪器分析中紫外光谱中的电子跃迁、红外光谱中的简正振动、X射线衍射等,都与结构化学知识紧密相关。从这些学生熟悉的课程入手,可使他们很快体会到结构化学的重要基础地位。
(2)结构化学是分子设计的理论基础。
“结构决定性能,性能反映结构”。如果找到某类具有特殊性质的物质的规律性,就能设计出性能更好的分子。结构化学及在其基础上发展起来的计算化学、分子模拟等对分子设计起理论指导作用。为了让学生了解这方面的内容,可用如下实例进行说明。首先以石墨烯为例。碳元素是自然界中分布广泛并且与人类社会发展关系密切的重要元素。碳单质有多种存在形式,主要有石墨、金刚石、富勒烯、碳纳米管等,其中石墨烯由于其优良的结构性质而成为材料科学领域的研究热点。在教学中可先向学生提出问题:石墨烯的结构是怎样的呢?这就要从石墨的结构谈起。石墨为层状结构,同层的碳原子间以sp2杂化形成平面共价键,每个碳原子剩余一个p轨道未参与杂化,上面各有一个电子,这些p轨道互相平行且与sp2杂化轨道所在平面垂直,相互重叠形成离域大π键。π电子在整个碳原子平面方向运动,所以石墨可以导电和导热,可以用来制作电极和坩埚。而石墨的层与层之间以微弱的范德华力相结合,容易断开而滑动,所以石墨具有性,可以用来制作剂。石墨烯可以看做是只有一个原子层厚度的单层石墨片。2004年,石墨烯由英国曼彻斯特大学的海姆和诺沃肖洛夫通过微机械力剥离法制得,二人因在二维空间材料石墨烯方面的开创性实验而获得2010年诺贝尔物理学奖。从结构上来看,石墨烯可以看做是构成富勒烯、碳纳米管和石墨的基本组成单元。将其包裹成球得到富勒烯,沿着固定轴卷曲得到碳纳米管,多层堆叠在一起就形成了石墨。由于石墨烯独特的结构,决定了其具有多种优异特性,如低密度、高强度、良好的导热性、室温下较高的电子迁移率等,这些特性决定了它在半导体工业、材料、力学和光学领域拥有巨大的应用潜力。例如,石墨烯被分割时其基本物理性能并不改变,而硅不能分割成小于10nm的小片,否则将失去其电子性能。因此,石墨烯极有可能成为硅的替代品推动电子信息产业的发展。研究者正在不断对石墨烯的结构进行修饰和改造,以挖掘和发挥其优良性质,优化使用效果,扩大应用范围。通过这个例子,可以让学生深刻感受到结构化学与科技前沿领域的联系,意识到结构、性能、用途三者间的辩证关系。然后以计算机辅助药物设计为例进行讲解。作为在结构化学基础上发展起来的新兴交叉学科,计算化学正在科学领域内逐渐崭露头角。计算化学基于三维分子结构,以量子力学或经典力学原理为指导,确定算法并实现程序,再通过计算机运算来模拟和预测分子体系的性质;计算化学在实际生产中的一个重要应用就是计算机辅助药物设计。例如研究者通过生物学方面的研究,发现了与某类疾病相关的大分子如蛋白质,将其作为靶标(受体),并且通过X射线晶体衍射或核磁共振等方法测定了其三维结构,尤其是得到其作用(活性)位点的结构。这时就可以通过计算机模拟的方式,在数据库里寻找分子形状和理化性质与受体作用位点相匹配的小分子(配体),研究受体与配体的详细相互作用信息(包括结构信息和能量信息),合成并测试这些分子的生物活性,这样就有可能发现新的先导化合物,开发出治愈疾病的药物分子[。这就是基于受体结构的药物设计方法,可为药物开发节省大量时间和资金,已在药物设计方面取得了巨大成功。如HIV-1蛋白酶抑制剂的设计就是一个典型的成功案例,标志着计算机辅助药物设计从方法研究过渡到实际应用阶段。2013年的诺贝尔化学奖授予美国科学家卡普拉斯,莱维特和瓦谢尔,以表彰他们“为复杂化学体系发展多尺度模型”。这个奖项是对计算化学进步的认可,强调了计算化学在科学领域内越来越大的作用。在计算化学领域有两种主要的计算方法,一种是基于量子力学原理的量子力学计算方法,另一种是基于牛顿力学的分子力学/分子动力学模拟方法。将这两种方法有机结合、取长补短而建立起来的量子力学/分子力学方法已获得巨大成功。例如在研究药物分子与蛋白质结合时,对药物及与药物相作用的蛋白部分采取精确的量子力学计算,对蛋白的剩余部分采取快速的分子力学计算,这样就兼顾了准确性和计算量,取得了很好的结果。计算机作为当今化学家的工具就像试管一样重要,模拟是如此真实以至于传统实验的结果也能被计算机预测出来。莱维特曾经这样描述他的一个梦想:利用计算机处理复杂化学过程的能力,实现在分子水平上模拟一个完整生物,构建“数字生命”。通过这个例子,使学生认识到结构化学并非只是“纸上谈兵”,而是具有重要的实际应用,可以激发他们的学习兴趣。最后,向学生介绍结构化学的发展历史,将其发展史与诺贝尔奖紧密联系在一起,进一步突出其重要性。在结构化学中的一些重大科学发现和理论突破基本上都获得了诺贝尔奖。例如在开创量子力学的过程中,普朗克、爱因斯坦、玻尔、德布罗意、海森堡、薛定谔、狄拉克、泡利、波恩等都获得了诺贝尔物理学奖。另外,在研究物质结构的实验方法方面,如在X射线衍射法、核磁技术和应用、质谱技术、电子显微镜技术等领域,都有很多科学家获得诺贝尔奖。而且还有很多科学家因在结构方面的研究而获奖,如克里克、沃森和威尔金斯发现DNA双螺旋结构,科尔、克罗托和斯莫利发现富勒烯,谢克特曼发现准晶体等。将结构化学的发展史与化学史尤其是诺贝尔奖联系起来,能够培养学生的科学精神和素养,促使他们树立远大的科学理想,使他们获得强大的学习动力。
2结构化学的学习方法
在让学生意识到结构化学的重要性以后,接下来就要结合课程特点传授给他们结构化学的学习方法。首先要重视定理、公式和方法的数学计算和推导。在结构化学中尤其是量子力学部分涉及许多数学和物理方面的内容,比较抽象和难懂。对于定理、公式和方法,学生要尝试跟着教师的板书一起进行计算和推导,只有这样,才能理解这些定理、公式和方法,并有助于记忆。当然,并不是要求学生死记硬背,关键还是理解。要让学生体会到演算、推导和逻辑思维的快乐,感受科学的魅力。其次要提高对空间结构的想象能力。在分子结构和晶体结构等内容中,判断点群、堆积类型、结构型式等都需要发挥学生的空间想象能力。所以对于典型的分子结构和晶体结构要多看多想,通过观察实物模型和计算机三维模型,寻找特点和规律,根据定理和规则,把看到的具体模型简化成抽象结构,体味结构之美。最后要求学生要提前预习和及时复习。结构化学难度高、内容多,不提前预习很难跟上教师的讲课节奏。即使在课堂上听懂了,若课下不及时复习,经过一段时间后就容易忘记。因此,要提前预习以做好课前准备,及时复习以巩固所学知识。另外,要加强习题练习,通过做题来查找学习中的问题,加强对知识的理解。另外,还要向学生说明一些其他教学事宜。如介绍课外参考书和网络教学资源,说明模型实习的具体安排,制定课堂纪律,明确考试考核要求以及成绩构成百分比等。
3结语