量子力学的认识

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量子力学的认识范文第1篇

关键词：量子力学；经典科学世界图景；非机械决定论；整体论；复杂性；主客体互动

Abstract:Asoneofthreerevolutionsofphysicsin20thcentury,quantummechanicshasgreatlytransformedtheworldviewofclassicalscienceinmanyaspects.Quantummechanicsbreaksthoughthemechanicaldeterminisminclassicalscience,transformingitintononmechanicaldeterminism;itchangesscientificcognitiveprocessfromthetheoryofreductionismtothetheoryofwholism;itshiftsthewayofthinkingfrompursuingsimplicitytoexploringthecomplexity;italsoestablishestheinteractionbetweensubjectandobjectinscientificresearches.

Keywords:quantummechanics;worldviewofclassicalscience;nonmechanicaldeterminism;wholism;complexity;interactionbetweensubjectandobject

经典科学基本上是指由培根、牛顿、笛卡儿等开创的，近三百年内发展起来的一整套观点、方法、学说。经典科学世界图景的最大特征是机械论和还原论，片面强调分解而忽视综合。以玻尔、海森伯、玻恩、泡利、诺伊曼等为代表的哥本哈根学派的量子力学理论三部曲：统计解释—测不准原理—互补原理所反映的主要观点是：微观粒子的各种力学量（位置、动量、能量等）的出现都是几率性的；量子力学对微观粒子运动的几率性描述是完备的，对几率性的原因不需要也不可能有更深的解释；决定论不适用于量子力学领域；仪器的作用同观察对象具有不可分割性，确立了科学活动中主客体互动关系。[1]量子力学的发展从根本上改变了经典科学世界图景。

一、量子力学突破了经典科学的机械决定论，遵循因果加统计的非机械决定论

经典力学是关于机械运动的科学，机械运动是自然界最简单也是最普遍的运动。说它最简单，因为机械运动比较容易认识，牛顿等人又采取高度简化的方法研究力学，获得了空前成功；说它最普遍，因为机械力学有广泛的用途，容易把它绝对化。[2]机械决定论是建立在经典力学的因果观之上，解释原因和结果的存在方式和联系方式的理论。机械决定论认为因和果之间的联系具有确定性，无论从因到果的轨迹多么复杂，沿着轨迹寻找总能确定出原因或结果；机械决定论的核心在于只要初始状态一定，则未来状态可以由因果法则进行准确预测。[3]其实，机械决定论仅仅适用于宏观物体，而对于微观领域以及客观世界中大量存在的偶然现象的研究就产生了统计决定论。[4]

量子力学是对经典物理学在微观领域的一次革命。量子力学所揭示的微观世界的运动规律以及以玻尔为代表的哥本哈根学派对量子力学的理解，同物理学机械决定论是根本相悖的。[5]按照量子理论，微观粒子运动遵守统计规律，我们不能说某个电子一定在什么地方出现，而只能说它在某处出现的几率有多大。

玻恩的统计解释指出，因果性是表示事件关系之中一种必然性观念，而机遇则恰恰相反地意味着完全不确定性，自然界同时受到因果律和机遇律的某种混合方式的支配。在量子力学中，几率性是基本概念，统计规律是基本规律。物理学原理的方向发生了质的改变：统计描述代替了严格的因果描述，非机械决定论代替了机械决定论的统治。

经典统计力学虽然也提出了几率的概念，但未能从根本上动摇严格决定论，量子力学的冲击则使机械决定论的大厦坍塌了。量子力学揭示并论证了人们对微观世界的认识具有不可避免的随机性，它不遵循严格的因果律。任何微观事件的测定都要受到测不准关系的限定，不可能确切地知道它们的位置和动量、时间和能量，只能描述和预言微观对象的可能的行为。因此，量子力学必须是几率的、统计的。而且，随着认识的发展，人们发现量子统计的随机性，不是由于我们知识和手段的不完备性造成的，而是由微观世界本身的必然性（主客体相互作用）所注定。

二、量子力学使得科学认识方法由还原论转化为整体论

还原论作为一种认识方法，是指把高级运动形式归结为低级运动形式，用研究低级运动形式所得出的结论代替对高级运动形式的本质认识的观点。它用已分析得出的客观世界中的主要的、稳定的观点和规律去解释、说明要研究的对象。其目的是简化、缩小客体的多样性。这种方法在人类认识处于初级水平上无疑是有效的。如牛顿将开普勒和伽利略的定律成功地还原为他的重力定律。但是还原论形而上学的本质，以及完全还原是不可能的，决定了还原论不能揭示世界的全貌。

量子力学认为整体与部分的划分只有相对意义，整体的特征绝非部分的叠加，而是部分包含着整体。部分作为一个单元，具有与整体同等甚至还要大的复杂性。部分不仅与周围环境发生一定的外在联系，同时还要表现出“主体性”，可将自身的内在联系传递到周边，并直接参与整体的变化。因而，部分与整体呈现了有机的自觉因果关系。在特定的临界状态，部分的少许变化将引起整体的突变。[6]

波粒二象性是微观世界的本质特征，也是量子论、量子力学理论思想的灵魂。用经典观点来看，也就是按照还原论的思想，粒子与波毫无共同之处，二者难以形成直观的统一图案，这是经典物理学通过部分还原认识整体的方法，是“向上的原因”。可是微观粒子在某些实验条件下，只表现波动性；而在另一些实验条件下，只表现粒子性。这两种实验结果不能同时在一次实验中出现。于是，玻尔的互补原理就在客观上揭示了微观世界的矛盾和我们关于微观世界认识的矛盾，并试图寻找一种解决矛盾的方法，这就是微观粒子既具有粒子性又具有波动性，即波粒二象性。这就是整体论观点强调的“向下的原因”，即从整体到部分。同样，海森伯的测不准原理说明不能同时测量微观粒子的动量和位置，这也说明绝不能把宏观物体的可观测量简单盲目地还原到微观。由此我们可以看出，造成经典科学观与现代科学观认识论和方法论不同的根本在于思考和观察问题的层面不同。经典科学一味地强调外在联系观，而量子力学则更强调关注事物内部的有机联系。所以，量子力学把内在联系作为原因从根本上动摇了还原论观点。

三、量子力学使得科学思维方式由追求简单性发展到探索复杂性

从经典科学思维方式来看，世界在本质上是简单的。牛顿就说过，自然界喜欢简单化，而不喜欢用什么多余的原因以夸耀自己。追求简单性是经典科学奋斗的目标，也是推动它获取成功的动力。开普勒以三条简明的定律揭示了看似复杂的太阳系行星运动，牛顿更是用单一的万有引力说明了千变万化的天体行为。因而现代科学是用简单性解释复杂性，这就隐去了自然界的丰富多样性。

量子力学初步揭示了客观世界的复杂性。经典科学的简单性是与把物理世界理想化相联系的。经典物理学所研究的是理想的物质客体。它不但用理想化的“质点”、“刚体”、“理想气体”来描述物体，而且把研究对象的条件理想化，使研究的视野仅仅局限于人们自己制定的范围之内。而客观世界并不是如此，特别是进入微观领域，微观粒子运动的几率性、随机性；观测对象和观测主体不可分割性等都足以说明自然界本身并不是我们想象的那么简单。

在现代科学中，牛顿的经典力学成了相对论的低速现象的特例，成为非线性科学中交互作用近似为零的情况，在量子力学中是测不准关系可以忽略时的理论表述。复杂性的提出并不是要消灭简单性，而是为了打破简单性独占的一统地位。复杂性是把简单性作为一个特例包含其中，正如莫兰所说的，复杂性是简单性和复杂性的统一。复杂性比简单性更基本，可能性比现实性更基本，演化比存在更基本。[7]今天的科学思维方式，不是以现实来限制可能，而是从可能中选择现实；不是以既存的实体来确定演化，而是在演化中认识和把握实体。复杂性主张考察被研究对象的复杂性，在对其作出层次与类别上的区分之后再进行沟通，而不是仅仅限于孤立和分离，它强调的是一种整体的协同。

四、量子力学使科学活动中主客体分离迈向主客互动

经典科学思维方式的一个指导观念就是，认为科学应该客观地、不附加任何主观成分地获取“照本来样子的”世界知识。玻尔告诉人们，根本不存在所谓的“真实”，除非你首先描述测量物理量的方式，否则谈论任何物理量都是没有意义的！测量，这一不被经典物理学考虑的问题，在面对量子世界如此微小的测量对象时，成为一个难以把握的手段。因为研究者的介入对量子世界产生了致命的干扰，使得测量中充满了不确定性。在海森伯看来，在我们的研究工作由宏观领域进入微观领域时，我们就会遇到一个矛盾：我们的观测仪器是宏观的，可是研究对象却是微观的；宏观仪器必然要对微观粒子产生干扰，这种干扰本身又对我们的认识产生了干扰；人只能用反映宏观世界的经典概念来描述宏观仪器所观测到的结果，可是这种经典概念在描述微观客体时又不能不加以限制。这突破了经典科学完全可以在不影响客体自然存在的状态下进行观测的假定，从而建立了科学活动中主客体互动的关系。

例如，关于光到底是粒子还是波，辩论了三百多年。玻尔认为这完全取决于我们如何去观察它。一种实验安排，人们可以看到光的波现象；另一种实验安排，人们又可以看到光的粒子现象。但就光子这个整体概念而言，它却表现出波粒二象性。因此，海森伯就说，我们观测的不是自然本身，而是由我们用来探索问题的方法所揭示的自然。[8]

量子力学的发展表明，不存在一个客观的、绝对的世界。唯一存在的，就是我们能够观测到的世界。物理学的全部意义，不在于它能够描述出自然“是什么”，而在于它能够明确，关于自然我们能够“说什么”。

参考文献：

[1]林德宏.科学思想史[M].第2版.南京：江苏科学技术出版社，2004：270-271.

[2]郭奕玲，沈慧君.物理学史[M].第2版.北京：清华大学出版社，1993：1-2.

[3]刘敏，董华.从经典科学到系统科学[J].科学管理研究，2006，24(2)：44-47.

[4]宋伟.因果性、决定论与科学规律[J].自然辩证法研究，1995,11(9)：25-30.

[5]彭桓武.量子力学80寿诞[J].大学物理，2006，25(8)：1-2.

[6]疏礼兵，姜巍.近现代科学观的演进及其启示[J].科学管理研究，2004,22(5)：56-58.

量子力学的认识范文第2篇

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）

量子力学的认识范文第3篇

关键词:量子力学;量子测量;偏振

中图分类号:O413．1 文献标识码:A 文章编号:1000-0712(2016)03-0005-03

量子力学是近代物理学的基础，并且其应用领域已延伸至化学、生物等许多交叉学科当中，这一课程已成为当今大学生物理教学中一个极为重要的组成部分．由于量子力学主要是描述微观世界结构、运动与变化规律的学科，微小尺度下的许多自然现象与人们日常生活经验相距甚远，量子力学的概念有悖于人们的直觉，难以被初学者接受．如果在教学中能够结合具体的物理实验，从现象到本质引导学生思考，就可以使抽象的量子概念落实到对具体实验现象的归纳总结上来．偏振光实验是一个现象直观而且学生容易操作的普通物理实验，在学生掌握的已有知识基础上，进行新内容的教学，符合初学者的认知规律．利用光的偏振现象来阐述量子力学基本概念已被一些国内外经典教材采纳，如物理学大师狄拉克所著的《量子力学原理》［1］，费因曼所著的《费因曼物理学讲义》［2］，曾谨言教授所著的《量子力学卷1》［3］，赵凯华、罗蔚茵教授合著的《量子物理》［4］等教材．在本文中，笔者结合自己的教学体验，着重从可观测量和测量的角度来考虑问题，在以上经典教材的基础上，进一步整理和挖掘光子偏振所能体现的量子力学基本概念．从量子力学的角度对偏振实验现象进行分析，使同学们对态空间、量子力学表象、波函数统计解释、态叠加原理等量子力学概念有一个直观形象的认识，领会量子力学若干基本假定的内涵思想．最后，从量子角度分析了一个有趣的偏振光实验，加深学生对量子力学基本概念的理解，并展示了量子力学的奇妙特性．

1偏振光实验的经典解释

如图1(a)所示，沿着光线传播的方向，顺次摆放两个偏振片P1、P2．光束经过P1后变为与其透振方向一致且光强为I0的偏振光．两偏振片P1和P2的透振方向之间夹角为θ，由马吕斯定律可知，透过偏振片P2的光的强度为I0cos2θ．按照经典的光学理论，此现象可理解如下:在一个与光传播方向垂直的平面内选定一个xy平面直角坐标系，这里为了描述问题的方便，选定x轴沿P2的透振方向．如图1(b)所示，透过偏振片P1的光电场矢量E可分解为两个分量:沿x方向振动的电场矢量Ex和沿y方向振动的电场矢量Ey．偏振光照射到P2偏振片时，投影到y方向的电场矢量被吸收，投影到x方向的电场矢量透过，振幅增加了一个常数因子cosθ，因而强度变为原来的cos2θ倍，这正是马吕斯定律所给出的结果．

2偏振光实验体现的量子力学概念

下面我们由偏振光的实验现象出发，引出量子态、态空间等量子概念，并用量子力学的语言来描述单个光子与偏振片发生相互作用的过程，讨论在多个光子情况下的量子行为与马吕斯定律的一致性．

2．1量子态

从实验得知，当线偏振光用于激发光电子时，激发出的光电子分布有一个优越的方向(与光偏振方向有关)，根据光电效应，每个电子的发射对应吸收一个光子，可见，光的偏振性质是与它的粒子性质紧密联系的，人们必须把线偏振光看成是在同一方向上偏振的许多光子组成，这样我们可以说单个光子处在某个偏振态上．沿x方向偏振的光束里，每个光子处在|x〉偏振态，沿y方向偏振的光束中，每个光子处在|y〉偏振态．假设我们在实验中把光的强度降到足够低，以至于光子是一个一个到达偏振片的．在图1所示的例子中，通过P1偏振片的光子处在沿P1透振方向的偏振态上，如果P2与P1透振方向一致(θ=0)，则此光子完全透过P2，如果P2与P1透振方向正交(θ=π/2)，则被完全吸收．如果P1与P2透振方向之间角度介于两者之间，会是一种什么样的情形，会不会有部分光子被吸收，部分光子透过的情况发生，但是实验上从来没有观察到部分光子的情形，只存在两种可能的情况:光子变到量子态|y〉，被整个吸收;或变到量子态|x〉，完全透过．下面我们用量子力学的语言来描述单个光子与偏振片发生相互作用的过程，引入量子测量、态空间、表象、态叠加原理、波函数统计解释等量子概念．

2．2量子测量、态空间、表象

单个光子与偏振片发生相互作用的过程，可以看成是一个量子测量的过程，偏振片作为一个测量装置，迫使光子的偏振态在透振方向和与其相垂直的方向上作出选择，测量的结果只有两个，透过或被吸收，透过光子的偏振方向与透振方向一致，被吸收光子的偏振方向与透振方向垂直，可见光子经过测量后只可能处在两种偏振状态，这正是量子特性的反应．在量子力学中，针对一个具体的量子体系，对某一力学量进行测量，测量后得到的值是这一力学量的本征值，我们称它为本征结果，相应的量子态坍缩到此本征结果所对应的本征态上，所有可能的本征态则构成一组正交、规一、完备的本征函数系，此本征函数系足以展开这个量子体系的任何一个量子态．很自然，我们在这里把经过偏振片测量后，所得到的两种可能测量结果(透过或吸收)作为本征结果，它们分别对应的两种偏振状态，此两种偏振状态可以作为正交、规一、完备的函数系，组成一个完备的态空间，任何偏振态都可以按照这两种偏振态来展开，展开系数给出一个具体的表示，这就涉及到量子力学表象问题．在量子力学中，如果要具体描述一个量子态通常要选择一个表象，表象的选取依据某一个力学量(或力学量完备集)的本征值(或各力学量本征值组合)所对应的本征函数系，本征函数系作为正交、规一、完备的基矢组可以用来展开任何一个量子态，展开系数的排列组合给出某一个量子态在具体表象中的表示．结合我们的例子，组成基矢组的两种偏振状态取决于和光子发生相互作用的偏振片，具体说来是由偏振片的透振方向决定．在具体分析问题时，为了处理问题的方便，光子与哪一个偏振片发生相互作用，在数学形式上，就把光子的偏振状态按照此偏振片所决定的基矢组展开，这涉及到怎么合理选择表象的问题．

2．3态叠加原理、波函数统计解释

以上简单的试验也可以作为一个形象的例子来说明量子力学中的态叠加原理．态叠加原理的一种表述为［5］:设系统有一组完备集态函数{φi}，i=1，2，．．．，t，则系统中的任意态|ψ〉，可以由这组态函数线性组合(叠加)而成(1)另一种描述为:如果{φi}，i=1，2，．．．，t是体系可以实现的状态(波函数)，则它们的任何线性叠加式总是表示体系可以实现的状态．在我们的例子中，任何一个偏振片所对应的透振态和吸收态构成完备集态函数，任何一个偏振态都能够在以此偏振片透振方向所决定的基矢组中展开，参照图1所示，通过偏振片P1的偏振态可以在以偏振片P2透振方向所决定的基矢组{|x〉，［y)}中表示为(2)相反，|x〉、|y〉基矢的任意叠加态也都是光子可能实现的偏振态．量子力学还假定，当物理体系处于叠加态式(1)时，可以认为体系处于φi量子态的概率为|ci|2．从前面的分析我们知道，当用偏振片P2对偏振态|P1〉进行测量时，此状态随机地坍缩到|x〉偏振态或|y〉偏振态，坍缩到|x〉偏振态的概率为cos2θ，也就是单个光子透过偏振片的概率，多次统计的结果恰好与马吕斯定律相对应，这充分体现了波函数的概率统计解释．

3典型例子

在教学中我们可以引入一个有趣形象的例子，进一步加深对量子力学基本概念的理解．如图2(a)所示，一束光入射到两个顺序排列的偏振片上，偏振片P3的透振方向相对于偏振片P1的透振方向顺时针转过90°角，我们不妨在一个与光传播方向垂直的平面内选定一个xy平面直角坐标系，P1的透振方向沿x轴，P3的透振方向沿y轴．光通过偏振片P1后变成光强为I0的偏振光，偏振方向与偏振片P1透振方向平行，但与P3的透振方向垂直，则光完全被偏振片P3吸收，不能透过．下面我们将看到一个有趣的现象，在偏振片P1和偏振片P3间插入一个偏振片P2，其透振方向在P1和P3之间，这时光竟可以透过P3偏振片．对此试验，我们可由马吕斯定律给出经典的解释．我们不妨设P2的透振方向相对于P1顺时针转过45°角，通过偏振片P1后，变为光强是I0的偏振光，且偏振方向与P1透振方向一致;再通过偏振片P2后，光强变为I0/2，偏振方向沿顺时针转过45°角，与偏振片P2透振方向一致;最后通过偏振片P3后，光强进一步减弱为I0/4，偏振方向又沿顺时针改变45°角，与偏振片P3透振方向一致．可以看到一个有趣的现象，虽然介于偏振片P1和P2间的光束其偏振方向与偏振片P3的透振方向正交，但最后透过偏振片P3的光束其偏振方向却恰恰沿偏振片P3的透振方向，这正是中间偏振片P2所起的作用．下面用我们前面分析偏振光与偏振片相互作用过程中，所建立起来的量子概念给出具体解释．取直角坐标系xy，x轴沿偏振片P1的透振方向，基矢组为{|x〉，［y)};由偏振片P2的透振方向所决定的基矢组为{|x'〉，［y')}，其透振方向沿x'方向，如图3所示，两组基矢之间的关系可表示为(3)由偏振片P3所决定的基矢组仍为{|x〉，|y〉}，不过透过的光子处在|y〉基矢态．光子透过偏振片P1后，其偏振状态处在|x〉态，由式(3)，此状态可以按P2的基矢组展开为(4)根据式(4)，经过P2偏振片的测量，光子有1/2的概率坍缩到|x'〉态，光子透过P2，有1/2的概率坍缩到|y'〉态，光子被吸收．由式(3)，|x'〉态在由偏振片P3所决定的基矢组同样展开为3的测量下，偏振状态发生改变，有1/2的概率坍缩到|y〉态，透过偏振片，有1/2的概率坍缩到|x〉态，被偏振片吸收，总体来说透过偏振片P1的光子有1/4的概率透过偏振片P3，与经典的马吕斯定律相一致．特别注意到光子透过偏振片P1后，状态为|x〉态，与|y〉态正交，没有|y〉态的组分，但光子透过偏振片P3后却正处在|y〉态，这充分体现了测量可以使量子态改变的量子假定，展示了量子测量的奇妙特性．

4总结

结合对偏振光实验的量子解释，我们分析了若干重要的量子力学概念．但严格说来，光子的问题不属于量子力学问题，只有在量子场论中才能处理．采用光子的偏振情形来讨论某些量子概念，理论上虽稍欠严谨，但如上文所述，确实能够直观形象地反映量子力学中的若干基本假定，使抽象的量子力学概念落实到对具体实验的分析中来，易于被初学者接受，我们不妨在学生开始学习量子力学时引入此例，有助于学生理解抽象的量子概念，领会量子力学的思维方式．

参考文献:

［1］狄拉克．量子力学原理［M］．北京:科学出版社，1966．

［2］费因曼．费因曼物理学讲义［M］．上海:上海科学出版社，2005．

［3］曾谨言．量子力学卷1．［M］．北京:科学出版社，2006．

［4］赵凯华，罗蔚茵．量子物理［M］．北京:高等教育出版社，2001．

量子力学的认识范文第4篇

关键词：维势垒波函数；教学研究；化学

中图分类号：G642 文献标识码：B 文章编号：1002-7661（2013）26-152-01

具有一定能量E的粒子，沿着X轴运动，碰到高度为V0的势垒，按照经典力学的观点，如果E小于V，则粒子不能进入势垒，将会被完全弹回去。但从量子力学的观点来看，考虑粒子的波动性，有一部分波会穿过势垒，像这种粒子穿过比它动能更高的势垒，称为遂穿效应 [1]。在教学过程中，如果生硬的讲解该部分内容，大部分学生会不知所云，难以理解，有没有可能寻求一种容易方便学生理解的方式来讲解呢？为此我们摸索采用数值化形象教学，下面我们以一维势垒为例，利用计算机数值模拟方法，实时观察波函数是如何穿过势垒的，该方法有利于学生深入理解遂穿效应的基本原理，对教授和理解量子力学大有裨益。

在图一中给出了势垒穿透的波动示意图。向左传播一列波函数 沿着一维直线传播，碰到势垒后，一部分会有一定几率透过势垒，透射部分波函数为 。一部分会被势垒弹回去；反射部分波函数为 。为了求解波函数的贯穿，我们需要求解非含时薛定谔方程[1]

。

我们在本文中，为了实时贯穿波函数的贯穿过程，我们利用含时方法求解薛定谔方程[2，3]

。

含时波函数为：

公式中H是体系的哈密顿算符：

我们给定初始波函数，就可以利用演化算符求得任意一时刻的体系的波函数，从而观察波函数是如何贯穿势垒整个过程的。

图一：遂穿效应示意图

在数值模拟中，我们选用Eckart 势垒，具体形式为：

中心位置处在R=15bohr处。高度为0.5eV。传播初始时刻，我们构建了一个高斯波包[4，5]

波函数在不同时刻的分布情况如图二所示。初始波函数分布如图二中T=0 a.u. 所示。中心位置在22 bohr位置处， 中心能量为0.4 eV，宽度为0.7 bohr，向X轴左方向运动。传播时间1900 a.u. 时候，波函数传播到势垒位置，到时间2300 a.u. 时，波函数分布如图所示。波函数部分被弹回，可以看见图中17bohr处，波函数被弹回形成的小山峰。小山峰分布是入射波函数与被弹回来的波函数叠加而形成的震荡山峰。从图中可以很明显看出，随着时间的推移，在3100 a.u.后，波函数有两个明显的山峰分布，一个在势垒的左边，为透射波函数部分，一个在势垒的右边，是被弹出波函数部分。

图二：波函数在不同时刻的分布情况

本文以一维粒子的直线运动为例，构建初始波包，利用演化算符研究时间相关的波包与Eckart 势垒相互作用。研究了不同时刻的体系波函数的分布状态，形象的观察和研究了量子力学的遂穿效应。为量子力学的形象化教学提供了一些思路。

参考文献：

量子力学的认识范文第5篇

他说，长期以来，主导基础物理研究的是西方发达国家，我国由于经费投入不足、研究积累薄弱等客观原因，一直与世界先进水平存在不小差距。但更为重要的差距在认识层面。比如，我们就常常听到这样的疑问：你这个基础研究有什么用？如回答“没有”，下一个问题就是：能得诺贝尔奖吗？如果回答还是否定的，再下一个问题就是：既没有实际用途，又不能得诺贝尔奖，花费时间搞这个基础研究有什么用？

这位科学家遇到的问题，想必很多科研人员也都遇到过。实际上，这种急功近利的心态在科技界和普通公众中并不鲜见，甚至还比较普遍。如果这种认识和心态长期存在而不予以纠正，将会严重阻碍我国基础科学研究乃至整个科技事业的发展。

如在科学决策方面，某些“没用”的基础科研项目得不到经费支持，从而错失可以获取重大科研成果的机会；又如年轻人不去学“没用”的基础科研专业，导致一些重要基础科研领域面临后继无人的困境；再比如某些基础研究领域出现了很好的研究态势，露出一点苗头时，科研人员就急于求成抢发论文，结果反而被其他国家跟踪反超。还有的科研人员为了尽快出名、出成绩，甚至不惜造假、作弊等。

其实基础研究有其自身的特点，它需要长期积累、坚持不懈，产出成果的周期也较长，成果的作用也并不是立马就可以显现的。例如，20世纪初由马克思・普朗克、尼尔斯・波尔等物理学家共同创造的量子力学， 它与相对论一起被认为是现代物理学的两大基本支柱。通过量子力学的发展，人们对物质的结构以及其相互作用的见解被革命化地改变。通过量子力学，许多现象才得以真正地被解释，新的、无法凭直觉想象出来的现象被预言，接着又被验证。除通过广义相对论描写的引力外，至今所有其他物理基本相互作用均可以在量子力学的框架内描写。

量子力学的认识范文第6篇

Abstract:Science generates the scientific thought, Scientific thought guides the development of science . This paper sorts out the revolution of science in the 20th century, and then analyzes the scientific thought in the 20th-century.

关键词:科学科学革命科学思想

Key word:Sciencescientific thoughtthe revolution of science

作者简介:赵福成,河北师范大学法政学院2007级科学技术哲学专业硕士研究生。

20世纪发生的两次科学革命是科学长期发展和积累的结果,但其深刻性和广泛性,是历代科学革命所无法比拟的。这驱使不少科学家去研究现代物理学革命的特征,探索科学发展的规律。

一、20世纪两次全局性的科学革命

第一次是现代物理学革命。x射线直接地揭开了原子的秘密;汤姆孙发现电子标志着人类对物质微观结构的开始;卢瑟福提出的原子模型,揭示了粒子和它的构造是怎样的;质子中子的发现,对于认识原子核的内部具有重要意义;汤川秀树提出介子学说,还提出了核力场的方程和核力的势,即汤川势的表达式;狄拉克提出了反粒子理论;盖尔曼提出了介子有一堆正反夸克组成,重子由三个夸克组成;爱因斯坦的相对论是关于时空和引力的基本理论,分为狭义相对论和广义相对论;从普朗克的能量子假说,到爱因斯坦的光量子假说,薛定谔的波动观念,到玻恩对函数的统计解释,海森伯的测不准原理及玻尔的互补原理,实现了量子力学的建立。

第二次是综合性科学革命。标志性事件是:1946年第一台计算机问世;弗里德曼提出的非静态宇宙模型,认为宇宙是可能膨胀的;哈勃确定了星系红移和距离之间的线性关系,证实了宇宙膨胀理论;勒梅特提出了宇宙爆炸说;伽莫夫把核物理学的知识同宇宙膨胀理论结合起来,发展了大爆炸理论,并用它来说明化学元素的起源;1948年系统论、信息论、控制论建立;申农与贝塔朗菲代表作的出版,标志着交叉科学信息论、控制论、一般系统论的诞生;1957年,古德等为系统工程论奠定了基础;60年代以来,又出现了新的交叉科学――突变论、协同论和耗散结构理论;50年代板块构造学说问世,魏格纳提出大陆漂移说,由地幔对流说、海底扩张说等阶段,到勒比雄等提出了全球大地板块构造学说;1969年耗散结构理论问世;应用计算机对大气科学和流体力学进行数值研究;分析力学中数学理论的进展,以及统计物理中远离平衡态系统性态的研究,促进了非线性科学的发展; 1971年新兴综合性学科协同学问世;1972年突变理论问世并发展成为一个新的数学分支。

二、对两次科学革命的科学思想浅析

(一)从历时性(纵向)看20世纪科学思想的变迁

分析这两次科学革命,我们可以把20世纪的科学思想分为两个阶段。在20世纪上半叶,科学的基础性、主导型成果是相对论和量子力学,提出了关于时空相对性、空间弯曲、质量和能量的关系、作用量子、波粒二象性、测量中主客体的关系、量子力学的统计性解释等思想,科学认识进入了宏观高速运动领域、微观领域和宇观领域。在20世纪下半叶,主要科学成果是宇宙大爆炸理论、板块构造理论、分子生物学理论以及耗散结构理论、协同学、混沌学、量子场论、量子宇宙学、规范场论、弦理论等,还提出了宇宙膨胀、全球地质观、遗传信息、系统自组织理论思想以及多重宇宙、多重历史、黑洞辐射、时间圈环、多维空间、虚粒子、虚时间等猜想。

(二)从共时性(横向)看20世纪科学思想的特征

20世纪的科学有两大思潮:追求统一性与探索复杂性。

追求自然的统一性,一直是科学追求的基本目标。基于牛顿力学、电磁场学、化学原子论等近代科学硕果,到20世纪初,科学家们认为自然界统一于原子和力。到20世纪50年代,爱因斯坦是追求统一性的主要代表,他试图把自然界的物质和作用统一于场。爱因斯坦是对以牛顿为代表的力学机械论的主要批判者,他的相对论有力的冲击了绝对主义自然观、科学观和思维方式,相对论本身也是追求统一的产物,它追求力学与电磁学、惯性系与非惯性系的统一。可是爱因斯坦在统一场论的过程中,又戏剧性的转向了绝对主义。在爱因斯坦之后,追求统一性的思潮发展为追求4种基本作用的“大统一”,不少科学家甚至追求包罗万象的终极理论。量子场论、量子宇宙学、弦理论都体现出科学家追求统一的努力。

量子力学初步揭示了微观世界的复杂性,强调自然世界的不确定性和微观世界不同与宏观世界的特殊性。以玻尔为代表的哥本哈根学派对量子力学的解释,同物理学机械论是根本相悖的。爱因斯坦与哥本哈根学派的争论,是坚持物理学机械论和反对无力学机械论这两种思潮的争论。

在20世纪后50年,普利高津提出了探索性的口号,使他成为复杂性科学思潮的主要代表。量子宇宙学、弦理论并不是根据现有的实验建构起来的,也很难用实验来验证,在一定意义上可以说具有“超验性”。在这种背景下,科学日益趋向数学化、模型化,思辨的色彩也越来越浓。狄拉克说,数学是特别适合于处理抽象概念的工具,在这个领域数学的力量是没有限制的。到了霍金,这种意识就更加强烈了,数学模型被看做是追求统一的工具。20世纪上半叶,马赫等人都上升到哲学,从哲学高度进行探索和解释。这将对21世纪科学的发展具有重要的启迪意义。

参考文献:

[1] 周林等 科学家论方法[M ] 内蒙古人民出版社,1985年

[2] 狄拉克 量子力学原理[M ] 科学出版社,1965年

量子力学的认识范文第7篇

关键词：波粒二象性 理解 认识 量子力学

在近代物理学中，波粒二象性是一个具有极高知名度的词汇。但许多人对其的了解仅限于表面，对其本质概念、意义、诞生、发展的了解程度都不高，本文将于此对这些进行一定程度的介绍说明。

一、波粒二象性的概念

波粒二象性是一种量子力学概念，用于描述一种特殊的物质特征，即物质同时具有波动性和粒子性。最初，这种概念只被用来诠释光的特性，但随着相关研究的不断发展，人们认为所有的微观粒子都具备波粒二象性，该概念的应用和研究领域都得到了极大的拓展。

根据量子力学理论，微观粒子均具有波粒二象性，但在通常情况下往往体现为单一性质。因为当微观粒子体现出波动性时，粒子性会变得不显著，相对的，当微观粒子体现出粒子性时，波动性会变得不显著，两种性质何者体现出来取决于不同的条件。因此，从本质上来看，波粒二象性这种概念也可以看作是在描述微观粒子的这种特殊行为。

如前文所述，波粒二象性最初是爱因斯坦为诠释光的性质问题所提出的，属于光量子学说的一部分。根据该理论，光的构成基础是光子，这是一种光能量子，拥有动能与动量，因此光虽然在宏观上会体现出明显的波动性，但在微观上则是粒子性更为显著，即光具有波粒二象性。这种说法完美地解释了光电效应，因为光电效应中的电子是被光子撞击出去的，而光子带有能量，能量值为光频率与普朗克常数之积（光电效应方程），光子想要击出电子，携带的能量必须达到一定值。根据量子化效应，电子在接受光子能量时只能整份接受，所以光子能否把电子击出取决于每个光子的单份能量，而不是总能量。虽然光强越高，光子数量也就越多，但光强对单份光子的能量并无影响。因此，最终决定光子能否击飞电子的是决定单份光子能量的光子频率，而光子频率同时决定了光的颜色。因为蓝光比红光的频率要高，所以蓝光的单份光子能量更高，这能量会在与电子撞击时整份转移给电子，将电子击飞，由此就引发了光电效应。红光的频率比蓝光低，单份光子能量也低，虽然光强高、光子数量多，但光子均不足以击飞电子，所以无法产生光电效应。

二、波粒二象性的研究发展

1.波粒二象性提出前的相关研究

光是自然界中非常特殊的一种物质，在传统物理的研究中，人们尝试通过光所引发的现象来解析光的本质，但却遭遇了很大的困难与分歧。光既能引发一些只有波才能引发的现象比如折射、反射、散射等，也能引发部分只有粒子才能引发的现象，比如偏振现象、光电效应等。直到爱因斯坦在1905年提出光具有波粒二象性之前，两派物理学家已经为此争论了数百年。在这两派观点中，波动说的理论体系比较完善，能解释绝大多数宏观现象，而且随着横波理论与合成波理论的提出，原本波动性无法解释的偏振现象也得到了解释，因此波动说在历史上相当长的一段时期里都是解释光的性质的主流学说。但该派理论始终无法找到光波载体这种波的最基本要素，所以一直不够完善，光电效应发现后，波动说的根基更是直接被动摇。粒子说的理论体系则相对缺乏完善性，对光的多种宏观波动性现象都缺乏有力的解释，但在波动性理论无法解释的多种现象上，粒子说都可以做出相当完美的诠释。在这种互有优劣的情况下，两派理论被长期争论可以说是理所当然的。

2.波粒二象性的提出

1887年，光电效应被德国物理学家赫兹发现，这种特殊的光效应令波动说与粒子说都陷入了一种尴尬的境地。首先，虽然光的波动说在当时已经成为主流，但波动说完全无法解释光电效应现象。另一方面，一直以来都能解释波动说无法解释的光学现象的粒子说也只能对光电效应做出部分解释，虽然根据粒子说理论，可以认为光电效应中的电子是被光的粒子撞击出去的，但为什么蓝光可以引发光电效应而红光不能，这点连粒子说也无法解释。可以说，光电效应令两派学说同时面临瓶颈。

在这种情况下，普朗克的能量子理论给了爱因斯坦极大的启发，他以此为基础提出了光量子的概念，认为光能量并非连续分布，而是分作无数份彼此集中的，这样一来光就会同时具备波动性和粒子性，即光具有波粒二象性。该理论几乎完美地解释了包括光电效应在内的所有宏观与微观光学现象，引起了物理学界的极大震动，爱因斯坦也凭该理论获得了1921年的诺贝尔奖。

需要注意的是，爱因斯坦虽然提出了光的波粒二象性，但在该理论中，无论是波动性还是粒子性都与经典物理学中的概念有一定的差异。换言之，光作为波的性质不属于经典波，作为粒子的性质也不属于经典粒子。因此，爱因斯坦所提出的波粒二象性更近似于一种概念上的统一，这也是其在量子力学中的应用基础。

3.波粒二象性的研究拓展

光的波粒二象性提出后，作为其基础之一的光电效应方程在1916年得到了实证，此后该概念开始在物理学界得到了广泛的认可，针对其进行的深化和拓展研究也越来越多。在诸多研究成果中，以德布罗意的研究成果最为显赫，他针对波粒二象性理论进行逆向思考，对传统的实物微观粒子进行了重诠释，提出实物微观粒子与光一样具有波粒二象性，这将波粒二象性从光学的理论概念拓展到整个量子力学领域的理论概念，极大地促进了量子力学的发展。

结语：

总体来说，波粒二象性理论为物理学界的发展做出了极大贡献，不仅解释了光的本质，而且奠定了量子力学的基础。但近年来，随着相对论量子力学的进一步发展，该理论也受到了一定的质疑，这会是未来的物理学界极为关注的一个问题。

参考文献：

[1] 黄志洵. 波粒二象性理论的成就与存留问题[J]. 北京广播学院学报（自然科学版），2000（04）

[2] 孔令文. 论述光的波粒二象性[J]. 邯郸师专学报， 2000（03）

量子力学的认识范文第8篇

 

引言：

 

量子通信是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式。这一新型通信技术是伴随着通信技术的不断发展和物理学领域的不断研究而发展起来的，是近二十年发展起来的新型交叉学科，是量子论和信息论相结合的新的研究领域。近年来这门学科已逐步从理论走向实验，以其特有的高效性和安全性等特点而被军事等领域广泛研究应用，并向实用化发展。同时，随着社会科技和经济的不断发展，普通民众对信息传输的要求也日益提高，对信息传输的稳定性、安全性要求也不断提高，因此也急需这一技术来作为对现有通信手段的补充和优化，以不断提高信息传输的质量。这种无论是来自军事等特殊领域还是来自普通民众等普通领域对信息传输的高要求都促使着量子通信技术不断研究与发展，以满足人们不断严苛的通信需求。

 

一、量子通信的发展概述

 

量子通信技术是在量子力学的基础上发展起来的。量子力学诞生于1926年，是人类对微观世界加以认识的理论基础之一。量子力学和相对论之间的不相容性在1935年被爱因斯坦、波多尔基斯和罗森论证后，约翰?贝尔于1964年提出贝尔理论，阿斯派克等人于1982年证明了超光速响应的存在。在这一基础上，美国科学家贝内特于1993年首次提出了量子通信的概念。这一概念的提出，使爱因斯坦的量子纠缠效益开始真正发挥其威力。

 

自量子通信概念提出以后，6位来自不同国家的科学家，基于量子纠缠理论，提出了利用经典与量子相结合的方法实现量子隐形传送的方案，这是量子通信最初的基本方案。量子隐形传态不仅在物理学领域对人们认识与揭示自然界的神秘规律具有重要意义，而且可以用量子态作为信息载体，通过量子态的传送完成大容量信息的传输，实现原则上不可破译的量子保密通信。

 

1997年在奥地利留学的中国青年学者潘建伟与荷兰学者波密斯特等人合作，首次实现了未知量子态的远程传输。这是国际上首次在实验上成功地将一个量子态从甲地的光子传送到乙地的光子上。实验中传输的只是表达量子信息的“状态”，作为信息载体的光子本身并不被传输。此后经过二十多年的发展，量子通信这门学科已逐步从理论走向实验，并向实用化发展，主要涉及的领域包括：量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等。

 

二、量子通信技术简介

 

量子通信即指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式。量子是不可分的最小能量单位，“光量子”即为光的最小能量单位。量子通信的理论基础是量子纠缠。在量子世界中，存在着一种“纠缠”效应，所谓量子纠缠指的是两个或多个量子系统之间存在非定域、非经典的强关联。这种“纠缠”效应能够在两个完全相同的某量子态粒子之间建立某种联系，当其中一个的状态发生变化时，另一个也会发生相同的变化，而且这种变化与时间和空间无关。另外由于对粒子的任何测量都会导致其量子态的变化，所以同时这种变化时不可能被第三者所知获的。利用量子的纠缠效应，我们可以进行绝密和瞬时的通信。因此具有极大的研究价值。

 

量子密码通信原理是基于“海森堡测不准”原理的发展的。在量子物理学中“海森堡测不准”原理表明，如果人们开始准确了解到基本粒子动量的变化，那么也就开始丧失对该粒子位置变化的认识。所以如果使用光去观察基本粒子，照亮粒子的光的行为都会使之改变路线，从而无法发现该粒子的实际位置。因此对传输光子线路的窃听会破坏原通讯路线之间的相互联系，通讯会被终端。另外还有“单量子不可复制”定理，这是上述原理的推论，是指在不知道量子状态的情况下复制单个量子是不可能的，因为要复制单个量子必须先做测量，而测量必然会改变量子状态。根据这两个原理，即使量子密码不幸被获取，也会因测量过程中对量子状态的改变而得到一些几乎无意义的信息。

 

量子远程传态是经由经典通道和量子通道传送未知量子态。通俗来讲就是将甲地的某一粒子的未知量子态在乙地的另一粒子上还原出来。因量子力学的不确定原理和量子态不可克隆原理，限制人们将原量子态的所有信息精确地全部提取出来，因此必须将原量子态的所有信息分为经典信息和量子信息两部分，它们分别由经典通道和量子通道送到乙地，根据这些信息，在乙地构造出原量子态的全貌。但这一过程并不传输任何的能量或物质，只是传输一种量子态。

 

量子密集编码是用量子通道传送经典比特，即使用量子纠缠现象可以实现只传送一个量子比特，而传送两个比特的经典信息。具体方法是信息的传送者(Alice)和接受者(Bob)各拥有处于最大纠缠态中的一个粒子，Alice可以对她手中的粒子施加四种可能的幺正变换以编码两个比特的经典信息，由于两个粒子处于纠缠态，对一个粒子的任何操作都会对另一个粒子产生影响，引起另一个粒子的态发生相应的变化。Alice对它的纠缠粒子施加幺正变换后，两系统处于四个Bell基态之一，为了使Bob能读出Alice编码的信息，Alice必须再把她的粒子传送给Bob，Bob再对两个粒子实施联合Bell 基测量，测量结果可使Bob提出2比特的经典信息，在这过程中，Alice仅传送给Bob一个粒子，但却能成功的传送2比特的经典信息，这就是所谓的“密集编码”。

 

三、量子通信技术的发展前景

 

量子通信技术依托于发达的现代信息技术和先进的量子技术而发展起来的，以其独特的优势而被广泛关注。与传统通信技术相比较，量子通信具有抗干扰力强、保密性高、传输速度快等优点。因此，它的发展应用前景很广阔。一方面，在国家政府和军事领域，由于其保密性极高，几乎不可能被敌方破译，且这种量子通信技术能够抵御未来量子计算机技术带来的威胁，因此会被不断研究和应用。另一方面，在民用通信技术领域，早在2009年9月，中国科技大学组建了世界上首个5节点的全通型量子通信网络，首次实现了实时语音量子保密通信。“城域量子通信网络”使得城市范围的安全量子通信网络成为现实。因此，量子通信在未来的民用领域也将被广泛研究应用。

 

结语

 

量子通信是通信技术的又一次划时代革命，与目前采用的传统通信技术相比，量子通信在保密性、通信容量、通信时效等方面都具有十分明显的优势，是未来通信发展的主要方向。虽然量子通信有着广阔的应用前景，但在单元技术和理论方面还有许多需要解决的问题。在信息产业作为国民经济重要组成部分的今天，需要在量子通信这一领域继续加大投入和研究力度，为进入量子通信时代打下坚实的基础，不断服务于现代人类的发展需求。