量子力学概述
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量子力学概述范文第1篇
【关键词】超弦/M理论/圈量子引力/哲学反思
【正文】
本文分四部分。首先明确什么是量子引力？其次给出当代量子引力发展简史，更次概述当代量子引力研究主要成果，最后探讨量子引力的一些哲学反思。
一、什么是量子引力？
当代基础物理学中最大的挑战性课题，就是把广义相对论与量子力学协调起来[1]。这个问题的研究，将会引起我们关于空间、时间、相互作用（运动）和物质结构诸观念的深刻变革，从而实现20世纪基础物理学所提出的空间时间观念的量子革命。
广义相对论是经典的相对论性引力场理论，量子力学是量子物理学的核心。凡是研究广义相对论和量子力学相互结合的理论，就称为量子引力理论，简称量子引力。探讨量子引力卓有成效的理论，主要有两种形式。第一，是把广义相对论进行量子化，正则量子引力属于此种。第二，是对一个不同于广义相对论的经典理论进行量子化，而广义相对论则作为它的低能极限，超弦／M理论则属于这种。
圈(Loop)量子引力[2]是当前正则量子引力的流行形式。正则量子引力是只有引力作用时的量子引力，和超弦／M理论相比，它不包括其它不同作用。它的基本概念是应用标准量子化手续于广义相对论，而广义相对论则写成正则的即Hamiltonian形式。正则量子引力根据历史发展大体上可分为朴素量子引力和圈量子引力。粗略来说，前者发生于1986年前，后者发生于1986年后。朴素量子引力由于存在着紫外发散的重正化困难，从而圈量子引力发展成为当前正则量子引力的代表。
超弦／M理论的目的，在于提供己知四种作用即引力和强、弱、电作用统一的量子理论。理论的基本实体不是点粒子，而是1维弦、2维简单膜和多维brane（广义膜）的延展性物质客体。超弦是具有超对称性的弦，它不意味着表示单个粒子或单种作用，而是通过弦的不同振动模式表示整个粒子谱系列。
圈量子引力和超弦／M理论之外，当代量子引力还有其它不同方案。例如，Euclidean量子引力、拓扑场论、扭量理论、非对易几何等。
二、当代量子引力研究进展
我们主要给出超弦／M理论和圈量子引力研究的重大进展。
1.超弦／M理论方面[3]
弦理论简称弦论，虽然在20纪70年代中期，已经知道其中自动包含引力现象，但因存在一些困难，只是到80年代中期才取得突破性进展。
1)80年代超弦理论
弦论发展可粗略分为早期弦理论（70年代）、超弦理论（80年代）和M理论（90年代）三个时期。我们从80年代超弦理论开始，简述其研究进展。
1981年，M·Green和J.Schwarz提出一种崭新的超对称弦理论，简称超弦理论，认为弦具有超对称性质，弦的特征长度已不再是强子的尺度（～10[-13]厘米），而是Planck尺度（～10[-33]厘米）。
1984年，Green和Schwarz证明[4]，当规范群取为SO(32)时，超弦I型的杨－Mills反常消失，4粒子开弦圈图是有限的。
1985年，D.Gross，J.Harvey[5]等4人提出10维杂化弦概念，这种弦是由D=26的玻色弦和D=10超弦混合而成。杂化弦有E[，8]×E[，8]和SO(32)两种。
同年，P.Candlas，G.Horowitz，A.Strominger和E.Witten[6]对10维杂化弦E[，8]×E[，8]的额外空间6维进行紧致化，最重要的一类为Calabi－丘流形。但是这类流形总数多到数百万个，应该根据什么原则来选取作为我们世界的C－丘流形，至今还不清楚，虽然近10多年来，这方面的努力从来未中断过。
1986年，提出建立超弦协变场论问题，促进了对非微扰超弦理论的探讨。在诸种探讨方案中，以E.Witten的非对易几何最为突出[7]。
同年，人们详细地研究了超弦唯象学，例如E[，6]以下如何破缺及相应的物理学，对紧致空间已不限于C－丘流形，还包括轨形(Orbifold)、倍集空间等。
人们常把1984-86年期间对超弦研究的突破，称为第一次超弦革命。在此期间建立了超弦的五种相互独立的10维理论，而且是微扰的。它们是I型、IIA型、IIB型、杂化E[，8]×E[，8]型和SO(32)型。
2)90年代M理论
经过80年代末期和90年代初期，对超弦理论的对偶性、镜对称及拓扑改变等的研究，到1995年五种超弦微扰理论的统一性问题获得重大突破，从此第二次超弦革命开始出现。
1995年，Witten在南加州大学举行的95年度弦会议上发表演讲，点燃起第二次超弦革命。Witten根据诸种超弦间的对偶性及其在不同弦真空中的关联，猜测存在某一个根本理论能够把它们统一起来，这个根本理论Witten取名为M理论。这一年内Witten、P.Horava、A.Dabhulkar等人，给出ⅡA型弦和M理论间的关系[8]、I型弦和杂化SO(32)型弦间的关系、杂化弦E[，8]×E[，8]型和M理论间的关系等。
1996年，J.Polchinski、P.Townscend、C.Baches等人认识到D-branes的重要性。积极进行D-branes动力学研究[9]，取得一定成果。同年，A.Strominger、C.Vafe应用D-brane思想，计算了黑洞这种极端情形的熵和面积关系[10]，得到了和Bekenstein-Hawking的熵－面积的相同表示式。G.Callon、J.Maldacena对具有不同角动量与电荷的黑洞所计算的结果指出，黑洞遵从量子力学的一般原理。G.Collins探讨了量子黑洞信息损失问题。
1997年，T.Banks、J.Susskind等人提出矩阵弦理论，研究了M理论和矩阵模型间的联系和区别。
同年，Maldacena提出AdS/CFT对偶性[11]，即一种Anti-de Sitter空间中的IIB型超弦及其边界上的共形场论之间的对偶性假设，人们称为Maldacena猜测。这个猜测对于我们世界的Randall-Sundrum膜模型的提出及Hawking确立果壳中宇宙的思想，都有不少的启示。
2.圈量子引力方面[12]
1)二十世纪80年代
1982年，印度物理学家A.Sen在Phys.Rev.和Phys.Lett.上相继发表两篇文章，把广义相对论引力场方程表述成简单而精致的形式。
1986年，A.Ashtekar研究了Sen提出的方程，认为该方程已经表述了广义相对论的核心内容。一年后，他给出了广义相对论新的流行形式，从而对于在Planck标度的空间时间几何量，可以进行具体计算，并作出精确的数量性预言。这种表述是此后正则量子引力进一步发展的关键。
同年，T.Jacobson和L.Smolin求出Wilson圈解。在引进经典Ashtekar变量后，他们在圈为光滑且非自相交情形下，求出了正则量子引力的WDW方程解。此后，他们又找到了即使在圈相交情况下的更多解。
1987年，由于Hamiltonian约束的Wilson圈解的发现，C.Revolli和Smolin引进观测量的经典Possion代数的圈表示，并使微分同胚约束用纽结(knot)态完全解出。
1988年，V.Husain等人用纽结理论(knot theory)，研究了量子约束方程的精确解及诸解间的关系，从而认为纽结理论支配引力场的物理量子态。同年，Witten引进拓朴量子场论(TQFT)的概念。
2)二十世纪90年代
1990年，Rovelli和Smolin指出，对于在大尺度几何近似变为平直时态的研究，可以预言Planck尺度空间具有几何断续性。对于编织的这些态，在微观很小尺度上具有“聚合物”的类似结构，可以看作为J.Wheeler时空泡沫的形式化。
1993年，J.Iwasaki和Rovelli探讨了量子引力中引力子的表示，引力子显示为时空编织纤维的拓朴修正。
1994年，Rovelli和Smolin第一次计算了面积算子和体积算子的本征值[13]，得出它们的本征谱为断续的重大结论。此后不久，物理学者曾用多种不同方法证明和推广这个结论，指出在Planck标度，空间面积和体积的本征谱，确实具有分立性。
1995年，Rovelli和Smolin利用自旋网络基[14]，解决了关于用圈基所长期存在的不完备性困难。此后不久，自旋网络形式体系，便由J.Baez彻底阐明。
1996年，Rovelli应用K.Krasnov观念，从圈量子引力基本上导出了黑洞熵的Bekenstein-Hawking公式[15]。
1998年，Smolin研究圈和弦间的相似性，开始探讨圈量子引力和弦论的统一问题。
三、当代量子引力理论主要成就
1.超弦／M理论方面
1)弦及brane概念的提出
广义相对论中的奇性困难、量子场论中的紫外发散本质、朴素量子引力中的重正化问题，看来都起源于理论的纯粹几何的点模型。超弦理论提出轻子、夸克、规范粒子等微观粒子都是延伸在空间的一个区域中，它们都是1维的广延性物质，类似于弦状，其特征长度为Planck长度。M理论更推广了弦的概念，认为粒子类似于多维的brane，其线度大小为Planck长度。为简单起见，我们把brane也称作膜。超弦／M理论中，用有限大小的微观粒子替代粒子物理标准模型中纯粹几何的点粒子，这是极为重要且富有成效的革命性观念。
2)五种微扰超弦理论
这五种超弦的不同在于未破缺的超对称荷的数目和所具有的规范群。I型有N=1超对称性，含有开弦和闭弦，开弦零模描述杨－Mills场，闭弦零模描述超引力。ⅡA型有N=2超对称性，旋量为Majorana-Weyl旋量，不具有手征性，自动无反常，只含有闭弦，零模描述N=2超引力。IIB型同样有N=2超对称性，具有手征性。杂化弦是由左旋D=10超弦和左旋D=26玻色弦杂化而成，只包含可定向闭弦，有手征性和N=1超对称性，可以描述引力及杨－Mills作用。
3)超弦唯象学
从唯象学角度来看，杂化弦型是重要的，E[，8]×E[，8]是由紧致16维右旋坐标场(26-10=16)而产生的，即由16维内部空间紧致化而得到，也就是说在紧致化后得到D=10，N=1，E[，8]×E[，8]的超弦理论。
但是迄今为止，物理学根据实验认定我们的现实空间是三维的，时间是一维的，把四维时空(D=4)作为我们的现实时空。因此我们必须把10维时空紧致化得到低能有效四维理论，为此人们认为从D=10维理论出发，通过紧致化有
M[10]M[4]×K
此中K为C－丘流形，此内部紧致空间维数为10-4=6，M[4]为Minkowski空间，从而得到4维Minkowski空间低能有效理论。其重要结论有：
(1)由D=10，E[，8]×E[，8]超弦理论（M[10]中规范群为E[，8]×E[，8]）紧致化为D=4，E[，6]×E[，8]、N=1超对称理论。
(2)夸克和轻子的代数Ng完全由K流形的拓朴性质决定：为Euler示性数χ，系拓朴不变量。
(3)对称破缺问题。已知超弦四维有效理论为N=1，规范群为E[，6]×E[，8]的超对称杨—Mills理论，现实模型要求破缺。首先由第二个E[，8]进行超对称破缺，然后对大统一群E[，6]已进行破缺，从而引力作用在E[，8]中，弱、电、强作用在E[，6]中，实现了四种作用的统一。
4)T和S′对偶性
尽管五种超弦理论在广义相对论和量子力学统合上，取得了不少进展，但是五种超弦理论则是相互独立的，理论却是微扰的。尽管在超弦唯象学中，原则上－丘流形K一旦固定下来，在D=4时空中所有零质量费米子和玻色子（包括Higgs粒子）就会被确定下来，但是－丘真空态总数则可多到数百万个，应该根据什么原则来选取－丘真空态，目前还不清楚。T对偶性和S对偶性的提出，正是五种超弦理论融通的主要桥梁。
在M理论的孕育过程中，对偶性起了重要作用。弦论中存在着一种在大小紧致空间之间的对偶性。例如ⅡA型弦在某一半径为R[，A]的圆周上紧致化和ⅡB型在另一半径为R[，8]的圆周上紧致化，两者是等效的，则有关系R[，B]=(m[2，s]R[，A])[-1]。于是当R[，A]从无穷大变到零时，R[，B]从零变到无穷大。这给出了ⅡA弦和ⅡB弦之间的联系。两种杂化弦E[，8]×E[，8]和SO(32)也存在类似联系，尽管在技术性细节上有些差别，但本质上却是同样的。
A.Sen证明，在超对称理论中，必然存在着既带电荷又带磁荷的粒子。当这一猜测推广到弦论后，它被称作为S对偶性。S对偶性是强耦合与弱耦合间的对称性，由于耦合强度对应于膨胀子场，杂化弦SO(32)和I型弦可通过各自的膨胀子连系起来。
5)M理论和五种超弦、11维超引力间的联系
M理论作为10维超弦理论的11维扩展，包含了各种各样维数的brane，弦和二维膜只是它的两种特殊情况。M理论的最终目标，是用一个单一理论来描述已知的四种作用。M理论成功的标志，在于把量子力学和广义相对论的新理论框架中相容起来。
附图
上面给出五种超弦理论、11维超引力和M理论相容的一个框架示意图[16]，即M理论网络。此网络揭示了五种超弦理论、11维超引力都是单一M理论的特殊情形。当然至今M理论的具体形式仍未给出，它还处于初级阶段。
6)推导量子黑洞的熵－面积公式。
在某些情形下，D-branes可以解释成黑洞，或者说是黑branes，其经典意义是任何物质（包括光在内）都不能从中逃逸出的客体。于是开弦可以看成是具有一部分隐藏在黑branes之内的闭弦。Hawking认为黑洞并不完全是黑的，它可以辐射出能量。黑洞有熵，熵是用量子态来衡量一个系统的无序程度。在M理论之前，如何计算黑洞量子态数目是没有能力的。Strominger和Vafa利用D-brane方法，计算了黑－branes中的量子态数目，发现计算所得的的熵－面积公式，和Hawking预言的精确一致，即Bekenstein-Hawking公式，这无疑是M理论的一个卓越成就。
对于具有不同角动量和电荷的黑洞所计算结果指出，黑洞遵从量子力学的一般原理，这说明黑洞和量子力学是十分融洽的。
2.圈量子引力方面
1)Hamiltonian约束的精确解。
圈量子引力惊人结果之一，是可以求出Hamiltonian约束的精确解。其关键在于Hamiltonian约束的作用量，只是在s－纽结的结点处不等于零。所以不具有结点的s－纽结，才是量子Einstein动力学求出的物理态。但是这些解的物理诠释，至今还是模糊不清的。
其它的多种解也已求得，特别是联系连络表示的陈－Simons项和圈表示中的Jones多项式解，J.Pullin已经详细研究过。Witten用圈变换把这两种解联系起来。
2)时间演化问题
人们试图通过求解Hamiltonian约束，获得在概念上是很好定义的、并排除冻结时间形式来描述量子引力场的时间演化。一种选择是研究和某些物质变量相耦合的引力自由度随时间演化，这种探讨会导致物理Hamiltonian的试探性定义的建立，并在强耦合微扰展开中，对S纽结态间的跃迁振幅逐级进行考查。
3)杨－Mills理论的重正化问题
T.Thiemann把含有费米子圈的量子引力，探索性地推广到杨－Mills理论进行研究。他指出在量子Hamiltonian约束中，杨－Mills项可以严格形式给出定义。在这个探索中，紫外发散看来不再出现，从而强烈支持在量子引力中引进自然切割，即可摆脱传统量子场论的紫外发散困难。
4)面积和体积量度的断续性
圈量子引力最著名的物理成果，是给出了在Planck标度的空间几何量具有分立性的论断。例如面积
此中lp是Planck长度，j[，i]是第i个半整数。体积也有类似的量子化公式。
这个结论表明对应于测量的几何量算子，特别是面积算子和体积算子具有分立的本征值谱。根据量子力学，这意味着理论所预言的面积和体积的物理测量必定产生量子化的结果。由于最小的本征值数量级是Planck标度，这说明没有任何途径可以观测到比Planck标度更小的面积（～10[-66]厘米[2]）和体积（～10[-99]厘米[3]）。从此可见，空间由类似于谐振子振动能量的量子所构成，其几何量本征谱具有复杂结构。
5)推导量子黑洞的熵－面积公式
已知Schwarzchild黑洞熵S和面积A的关系，是Bekenstein和Hawking所给出，其公式为：
附图
这里k是Boltzman常量，是Planck常量，G[，N]为牛顿引力常量，c为光速。对这个关系式的深层理解和由物理本质上加以推导，M理论已经作过，现在我们看下圈量子引力的结果。
应用圈量子引力，通过统计力学加以计算，Krasnov和Rovelli导出
附图
此处γ为任意常数，β是实数(～1/4π)，显然如果取γ＝β，则由式(3)即可得到式(2)。这就是说，从圈量子引力所得出的黑洞熵－面积关系式，在相差一个常数值因子上和Bekenstein-Hawking熵－面积公式是相容的。
Bekenstein-Hawking熵公式的推导，对圈量子引力理论是一个重大成功，尽管这个事实的精确含义目前还在议论，而且γ的意义也还不够清楚。
四、量子引力理论的哲学反思
我们从空间和时间的断续性、运动（相互作用）基本规律的统一性、物质结构基本单元的存在性三个方面进行哲学探讨。
1.空间和时间的断续性
当代基础物理学的核心问题，是在Planck标度破除空间时间连续性的经典观念，而代之以断续性的量子绘景。量子引力理论对空间分立性的揭示和论证，看来是最为成功的。
超弦／M理论认为，我们世界是由弦和brane构成的。根据弦论中给出的新的不确定性关系，弦必然有位置的模糊性，其线度存在一有限小值，弦、膜、或brane的线度是Planck长度，从而一维空间是量子化的。由此推知，面积和体积也应该是量子化的。二维面积量子的数量级为10[-66]厘米[2]，三维体积量子的数量级为10[-99]厘米[3]等。
对于圈量子引力，其最突出的物理成果是具体导出了计算面积和体积的量子化公式。粗略说来，面积的数量级是Planck长度lp的二次方，体积的数量级是lp的三次方。这就令人信服地论证了在Planck标度，面积和体积具有断续性或分立性，从而根本上否定了空间在微观上为连续性的经典观念。
依据空间和时间量度的量子性，芝诺悖论就是不成立的，阿基里斯在理论上也完全可以追上在他前面的乌龟。类似的，《庄子·天下》篇中的“一尺之捶，日取其半，万世不竭”这个论断在很小尺度上显然也是不成立的。古代哲学中这两个难题的困人之处，从空间时间断续性来看，是由于预先设定了空间和时间的度量，始终是连续变化的经典性质。实际上在微观领域，空间和时间存在着不可分的基本单元。
2.运动（相互作用）基本规律的统一性
20世纪基础物理学巨大成功之一，就是建立了粒子物理学的标准模型，理论上它是筑基于量子规范场论的。这个模型给出了夸克、轻子层次强、弱、电作用的SU(3)×SU(2)×U(1)规范群结构，在一定程度上统一了强、弱、电三种相互作用的规律。但是它不含有引力作用。
超弦／M理论的探讨，在于构建包含引力在内的四种作用统一的物理理论。传递不同相互作用的粒子如光子（电磁作用）、弱玻色子（弱作用）、胶子（强作用）和引力子（引力作用），对应于弦的各种不同振动模式，夸克、轻子层次粒子间的作用，就是弦间的相互作用。在Planck标度，超弦／M理论是四种基本作用统一理论的最佳侯选者，也就是所说的万物理论(Theory of everything)的最佳侯选者。
在Planck时期，物质运动或四种作用基本规律的统一性，正是反映了我们宇宙在众多复杂性中所显现的一种基本简单性。
3.物质微观结构的基本单元的存在性[17]
世界是由物质构成的，物质通常是有结构的，但是物质结构在层次上是否具有基本单元，即德谟克利特式的“原子”是否存在？这是一个长期反复争论而又常新的课题。当代几种不同的量子引力，尽管对某些问题存在着不同的见解，但是关于这个问题从实质上来看，却给出了一致肯定的回答。
超弦／M理论认为，构成我们世界的物质微观基本单元是具有广延性的弦和brane，并非所谓的只有位置没有大小的数学抽象点粒子。粒子物理学标准模型中的粒子，都是弦或brane的激发。弦和brane的线度是有限短的Planck长度，它们正是构成我们世界的物质基本单元，即德谟克利特式的“原子”，这是超弦／M理论为现今所有粒子提供的本体性统一。
圈量子引力给出了在Planck标度面积和体积的量子化性质，即断续的本征值谱，面积和体积分别存在着最小值。由于在圈量子引力中，脱离引力场的背景空间是不存在的，而引子场是物质的一种形态，因此脱离物质的纯粹空间也就是不存在的。空间体积和面积的不连续性和基本单元的存在，正是物质微观结构的断续性和基本单元的存在性的最有力论据。
总之，超弦／M理论和圈量子引力从不同的侧面，对量子引力的本质和规律作出了一定的揭示，它们在Planck标度领域一致地得出了空间量子化和物质微观结构基本单元存在的结论。这无疑是人们在20世纪末期对我们世界空间时间经典观念的重大突破，也是广义相对论和量子力学统合的成果；同时更是哲学上关于空间和时间是物质存在的客观形式，没有无物质的空间和时间，也没有无空间和时间的物质学说的一曲凯歌！
【参考文献】
[1] G.Horowitz.Quantum gravity at the turn of the millennium.gr-qc/0011089.22.
[2] C.Rovelli.Loop quantum gravity.gr-qc/9710008 10.Oct.1997.
[3] M.Kaku.Introduction to superstring and M-theory.Second Editon.Springer.New York，1999.
[4] M.Green，J.Schwarz.Anomally cancellations in supersymmetric D=10 gauge theory and superstring theory.Phys.Lett.149B(1984)11.
[5] D.Gross，J.Horvey，E.Martine and R.Rohm.Heterotic string.Phys.Rev.Lett 54(1985)502.
[6] P.Candelas，G.Horowitz A.Strominger and E.Witten.Vacuum configurations for superstrings.Nucl.Phys.B258(1985)46.
[7] E.Witten.Non-commutative geometry and string field theory.Nucl.Phys.B276(1986)291.
[8] E.Witten.String-string duality conjecture in various.dimensions.Nucl.Phys.B443(1995)307.
[9] C.Baches.D-brane dynamics.Phys.Lett.B374(1996)37.
[10] A.Strominger，C.Vafa.Microscopic origin of the Bekenstein-Hawking entropy.Phys.Lett.B379(1996)99.
[11] J.Maldacena.The large-Nlimit of superconformal field theories and supergravity.hep-th/9711200.
[12] C.Rovelli.Notes for a brief history of quantum gravity.gr-qc/0006061.23Jan，2001.
[13] C.Rovelli，L.Smolin.Descreteness of area and volume in quantum gravity.gr-qc/9411005.
[14] C.Rovelli，L.Smolin.Spin networks and quantum gravity.Phys.Rev.D52(1995)5743.
[15] C.Rovlli，Black hole entropy from loop quantum gravity.Phys.Rev.Lett.74(1996)3288.
量子力学概述范文第2篇
关键词： 科学实在论 内在实在论 带人面的实在论
美国当代著名科学哲学家希拉里．普特南（Hilary Putnam ）作为科学实在论的主要代表人物之一，原本是一个唯物主义的科学实在论者，然而由于受到自尼采以来兴起的，人本主义、后现代主义即非理性主义、多元主义、相对主义、怀疑主义和认识论的无政府主义的哲学思潮的影响，尤其是经过80年代科学实在论与反实在论的激烈争论，使他开始逐渐对科学实在论立场产生怀疑，并最终由强实在论转变为弱实在论，由科学实在论向人本主义实在论退让。《带人面的实在论》一书就集中体现了他的这一根本立场的动摇。那么，普特南又为什么仅仅表现为一种立场上的转变，而不放弃实在论，却坚持捍卫一种内在实在论，并进一步从人的立场给予阐释呢？
一、从科学实在论立场退却
众所周知，W．塞拉斯作为美国科学实在论的创始人，因受其父R．塞拉斯的物理实在论的薰陶，具有坚定的唯物主义立场。正是这一基本立场对普特南的强烈影响，使他成为继W． 塞拉斯之后最具代表性和感染力的科学实在论者。概括普特南的哲学，主要在如下方面突出了“科学实在论”的基本观点和思想：
在科学观上，他认为成熟的科学理论近于真实，前后相继的理论拥有共同的指称，这证明科学研究的对象是客观存在的。基于这种客观实在性，他反对库恩的范式信念、不可通约性和科学革命的理论；坚持认为科学知识通过逐渐累积的方式而增长是科学的基本特征。库恩所反对的传统累积观的错误在于：原来用于辨认一个实体或自然种类的那些属性不必一定属于该实体或种类；人们也许会在后来发现那些属性并不是决定性的；也可能在其它的实体或自然种类中发现。因此，我们必须拒绝认为最初给某一实体或自然种类所指定的属性就构成了指称它们的那些名词的“意义”。实际上，在科学发展的不同时期的连续性中和不同的科学理论之间的可比较性中，以及不同概念的变化中保持的某些共同的东西，不是传统理论所主张的构成名词或概念的不可改变的意义，而是固定的指称。换句话说，尽管人们对于一个事物所说的话不同，但都是谈的“相同的事物”。这是根据最初一次“命名”的因果关系得到的逻辑保证。以后所谈的有关属性便都必然地归属于那个最初指称者。另外，既然科学是逐渐累积而增长的，是对客观对象的认识，因此科学进步也是无可怀疑的。新的科学理论总是比旧的科学理论能提供更正确的预言、更好的控制自然界的方法和更接近于科学真理。
在本体论上，虽然他声称自己的实在论既不是唯物主义实在论，也不是形而上学实在论，而是趋同实在论，但是他的唯物主义立场却是显而易见的。比如他说：“如果给出适当的条件（包括适当语言的其它方面），‘有电子流经导线’这个陈述可以和‘房间里有一把椅子’的陈述，或‘我头痛’这个陈述同样在客观上是真的。在椅子（或感觉）存在的任何意义上，电子都存在着。”（〔1〕，第848页）即在他看来，任何一个科学术语都是有所指的，即便是“电子”这样的术语也如同“椅子”一类的词汇一样具有客观实在的指谓对象。
在认识论上，普特南坚持“真理符合说”；强调科学理论的任务就是表述外部世界；决定科学陈述的真假，既不是人们的主观感觉，也不是人的内心结构或语言，而是外部事物。他说：“如果没有一个描述性术语有所指谓，那么在理论科学中，真理的概念会出现什么问题呢？也许所有的理论句子都是‘假的’；或者当谓词无所指谓时，就代之以为指定真值所作出的某种约定。总之，对于包括理论术语的句子来说，‘真值’概念会变得没有什么意思。所以也就无所谓真理了。”（[2]，p.25）为此，他认为只有坚持科学实在论的真理符合论才能把科学研究 引上正确轨道。只是这种符合不是绝对的符合，而是存存一种趋同现象，即较新的理论总比较旧的理论更逼进真理。
但是，在长期的理论研究中，尤其是面对反实在论的激烈挑战，使他逐渐发现自己的科学实在论立场中存在许多疑点。一是“词和特定客体之间”、“表达与实在之间”是否一致的问题。他认为自己过去把追求概念与实在之间的吻合与一致看作是实在论的目的，认为概念或符号表达式可以通过指谓世界中的事物和事件而获得意义，是将问题过分简单化了。这种“一致性”理论实质上是一种朴素的常识观念，而“常识在这个世界中已经没有任何地位”。二是如果人们仅仅从反对“证实原则”的角度来批判分析哲学，那只是简单地把自己描绘成为一个实在论者。事实上，具有组织信息功能的大脑，所能够熟练操作和把握的只是对某物的“感觉”、有关某物的“信息”、“符号”等等，而不是某物本身。换句话说，人的认识只能局限于感觉和影像方面，而与客观性无关。这个长期存在的、而且从未被真正解决的主体和客体、观察者和观察对象之间的矛盾性是动摇实在论的基础。三是当代的科学观不在于研究所谓的“主客观相符合的真理”是什么，而在于真理的价值、真理的意义，如何产生真理，如何从事科学发现、科学应用，即主要是认识论、方法论和价值观的问题，是生活、行为惯例和社会实践的问题；方法、实践和价值问题不解决，“真理”问题就不能够解决。他说，他提出有关真理的合理性标准的最终目的是为了说明我们如何才能够认识到真理，以及如何才能够理解这个世界。这种反思的结果使他从早期的强实在论立场撤退，力图以弱实在论的形式来摆脱科学实在论面临的困境。其具体做法是：
1．他以纠正实证主义的“证实原则”和证实方法为前提， 从以客观实在为基础的本体实在论转向以感觉经验为基础的认识实在论。由于比早期更自觉地注重逻辑问题，更倾向于对真理概念进行逻辑思考，故他从注重本体论上的“一致性”立场转变到认识论上的“逻辑性”立场上来看待和分析真理。在转变后的普特南看来，真理主要是语言、意义和实用价值的问题；一切概念和符号只有在使用中才有意义，不论它们是个人心理的还是公众性的，“它们本身如果不被使用就不是概念。符号本身并不内在地指称什么。”（[3]，p．18）只有在人们进行认识活动时，才能够将它们同特定的对象相对应。在这里，普特南实际上继承了维特根斯坦后期哲学的实用主义观点，突出了“指称问题上的语境的重要作用”；暗示了符号和概念的意义都是社会地和历史地被确定的，因而也都是变化的和相对的，确立了一种文化上和概念上的相对主义观点。
2．他放弃了“真理符合说”，提出了真理是理想化的， 是逻辑地被证实了的可能性的思想。他说，真理是在理想化的证实意义上与证实相一致的。它与靠现存证据的证实是对立的。这种理想化的证实和真理发展的可能性是多种多样的。那种机械的和僵化的真或假的“二价原则”只能是对具有各种可能性的真理发展的约束和限制，因为真理在本质上不是直观地、外在地可参照的，而是理性范围内的、逻辑的、抽象的、内在的相互关系。真理不涉及。直接外在的经验证实。比如一位具有实在论思想的科学家，如果他拥有某种逻辑，他就会认为有某种行为在保护着真理。这样，“如果他认为理论T1是真的，而且认为理论T2也是真的，那么从逻辑上，他就会认为T1和T2，即T1和T2的结合也是真的。”（[4]，p．90）为此，他非常欣赏康德的自在之物和不可知论的观点，认为康德是最先提出内在真理观的人，认为“康德不仅放弃了我们的观念和物自体之间的相似的概念，甚至还放弃了任何抽象同构的概念。这就意味着他的哲学中不存在真理符合理论”。他说，从康德的著作中能够引出的唯一答案是：“一种知识，即一个‘真陈述’，是这样一个陈述，它能够在一和我们的本性实际上可能具有的充分的经验基础上被有理性的东西所接受。而在其它任何意义上，‘真理’都无法为我们接受和理解，真理就是最完善的适合性。”（[3]，p．64）这也就是普特南的有关真理的“合理性”的构想。
3． 他认为真正具有逻辑性的真理概念是概率的或非决定论的实在论观点，即非传统的形而上学的决定论观点。传统的所谓“与实在一致”是一种非认识论关系。为此他表明：在经典逻辑和决定论的本体论的意义上，他不是一个实在论者。他说，传统的两分法将事实判断与价值判断完全割裂开来是太绝对了。判断是不是事实的唯一标准就是看接受它是不是合理的。“事实陈述本身，以及我们据以决定什么是事实和什么不是事实的科学探究实践，都预设了价值。”（[3]，p．128 ）没有价值，也就没有事实和世界。“我们必须具有理性的可接受性标准，才能有一个经验的世界，这些标准展示了我们理想思辨的理智概念的一部分。简言之，我主张‘实在世界’依赖于我们的价值，当然后者也依赖于前者。”（[3]，p．134）再一方面，他也反对在多种现象之后， 总存在一个反映共同的和终极本质的单一的“实在”的形而上学假定。他认为，在现实中并不存在任何特定的意向性现象的一切情形共同具有的可以科学地描述的性质。因此，也不要企图探察现象背后的实在和本质。但是，在量子力学所展示的非决定论的本体论的意义上，他仍然坚持自己是一个科学实在论者。
4．在坚持真理是一种极限，因而具有趋向性的基础上， 他又进一步把真理看作是一种可能性、而非现实性，真理不是已经达到，而只是趋向，而且可能有多种趋向。因此一个陈述被证实，只是说它有成为真理的可能性，不等于它就是真理。比如，牛顿的万有引力理论以及根据这一理论所作出的一些预言，虽然已经多次得到证实，但并不等于说它就是真理，因为“这里的困难是，起到真理作用的谓词，即导致成功预测的谓词并不具有真理的性质。”（[4]，p．90）再一方面，一个命题或句子的证实条件总是随着人类的整个知识体系的变化而变化；它不可能永远被固定。我们不仅可以发现现在认为被已经证实了的一些命题或理论是错的，而且可以发现现在认为是正确的程序也是不正确的，而其它的程序则更好。所以，当下被证实的命题或理论可能是假的，而导致我们相信这个命题或理论的检验也可能是非常不可靠的。既然真理只是一种可能性和理想化的证实，而非完全现实的证实，所以真理是多维的。这种多维性能够更好地反映世界复杂的内在结构。只坚持一种真理的观点是狭隘的和站不住脚的。
二、保卫内在实在论
面对反实在论的不断冲击，普特南并没有完全退出实在论的阵地，相反在1990年出版的《拥有人面的实在论》一书中又公开提出“保卫内在实在论”的口号。那么究竟何谓“内在实在论”呢？普特南解释说，以前的“形而上学实在论”主要有三种：其一主张世界是由总量恒定的非精神客体构成的，即朴素的唯物主义或客观主义；其二主张只存在一种有关这个世界的实际情形的真实而完整的描述，即经验主义或真理一元论；其三主张真理只涉及一致性，即观念与实在之间的符合论或一致论。这三种观点除了拥有一套华而不实的东西外，并没有什么清楚明白的内容。离开一种哲学传统，所谓“客体”、“总量恒定”、“非精神的”、“有关世界的唯一真实而完整的描述”都没有确切的性质与含义。所以，依照内在实在论的观点，这三种形而上学实在论，实质上都不是各自独立的，而是内在地相互联系、相互依存的，并依赖于各种进一步的假设和概念，否则必将陷入自相矛盾。比如一个形而上学实在论者，如果他承认“存在一种构成世界的总量恒定的非精神物质”，那么他就不能不接受真理符合论；如果他说，“存在一种构成世界的总量恒定的非精神物质”，但这种物质只有在“内在真理”的意义上，即在构成认识主体的一部分的意义上，才可以被当作真，这样，也就等于否定了物质的客观实在性。而内在实在论既不否定物质世界的客观实在性，也不否定真理的绝对性。它认为“真理是一种性质，这一性质不同于论证、或现存证据的或然性；它不是仅仅取决于说话者的现存记忆和经验，而是我们不应该抛弃的对实在的一种洞察。”（[5]，p．32）
那么在内在实在论看来，应该怎样理解抽象层次上的词和概念的指谓或理论描绘的世界图象呢？普特南说，一般科学上的术语、概念都有确定不移的指谓，从而显示了它们的客观实在性。比如最有争议的“电子”，反实在论者总是否定它的真实存在，然而科学家们却坚信其存在已经得到证明。否则为什么我们会认为玻尔在1900年和1934年使用的同一个词“电子”是合理的，并认定他的两种截然不同的理论是描述同一个对象？
“虽然玻尔在1900 年的主观概率度规（subjectiveprobability metric）并不是他在1934年的主观概率度规：但这并不是说，在玻尔的习用语汇中‘电子’这个词，或是任何其它的德语词，是否改变了它的指谓（reference）”。（[5]，p．33）在这种情况下， 假设为真的原理告诉我们，应当采纳玻尔一贯指称过的那个被称之为电子的东西。我们应该说，我们有了一个关于相同实体的不同理论，而不应该说，有多少种理论就有多少种实体。所以不论是词和概念，还是理论的辩护和解释都存在客观性。
当然不能否定解释具有主观性，但是这并不意味着指谓也是主观的；不能说只存在“理性重建”或“经验建构”的事实，不存在有关科学和日常实践中说话者所指谓的客观事实。恰好相反，“我们拥有一种独立于一般程序和实践的指谓概念；我们一直是通过这种程序和实践认定处于不同地位，拥有不同信念背景的人们，其所作所为实际上涉及的是同一事物。”（[5]，p．34）以人类对植物的认识为例，毫无疑问我们都会认为200年前人类称作“植物”的东西， 与今天人类叫做“植物”的东西是一类（或近似于我们今天叫做“植物”的东西）。尽管我们不同意200年前人类对植物的本质特征持有的观念，因为200年来人类语言中绝大多数的常用词都或多或少地改变了它们的指谓含义，但是如果所有这些都被认为是主观的，如果翻译实践也是主观的，那么我们就看不到任何有关指谓和真理的理论之间或语言之间的概念能够完全保留下来。
但是如果认为所有的指谓都是客观的，那么又怎么样为客观辩护？是否在大家都作了一致理解的情况下就是客观的，在理解不一致的地方就是主观的？如果是这样，那么决定于人们确立的“多数”一致的标准有多高，也取决于时间、地点和文化。比如在宗教领域，教皇的一贯正确性，早就被作为客观证明了的东西。这样一来，就必然使人想到这一点，“证实了的东西不一定是指人们实际上说已得到证实的东西，而是人类中某种理想的有‘能力’的成员所要说的东西得到辩护。”（[5] ，p．35）这种为客观性提出的论据， 实际上与街上那些把所有哲学当作主观的东西的人们所提出的论据并无二致。因此，为客观辩护的标准也不应是大家认为的“一致”，客观就是指指谓对象的实在性。不论是翻译的概念、解释的概念还是辩护的概念，只要拥有指谓对象就具有客观性。
所以，“我相信存在一种真理的概念，或说得普通一点，存在正确的概念。这种概念，我们经常使用，而且完全不是形而上学实在论者用以描述‘符合’本体事实状况的概念。”（[5]，p．40）比如从日常生活与理智实践的观点上看，把点作为个体的理论和把点作为极限的理论在适当的环境中，两者都是正确的。根据超距作用描述物体间的相互作用的理论和根据场的概念描述同样情况的物理学理论，两者也都可以是正确的。这也就是说，在人们的日常生活中包含着真理的认识；在精确的理性思维和实践中也包含着真理的认识；在科学的、数学化的认识形态中有真理，在非科学的、非数学化的认识中也有真理。对象是一个，而承担真理的知识形态和科学理论却可以是多种多样的。
普特南说，每一位哲学家都为自己构绘出一幅有关外部世界的哲学概念图，这并不是件坏事。坏的是忘记它们是图，并把它们看作就是“这个世界”。与其他哲学家一样，普特南也有一幅概念图，在他的图中，从理论的两种不相容的本体论，即唯物主义和唯心主义的本体论都可以是正确的意义上看，客体是与理论相依赖的。说这些本体论都是正确的，并不是说存在着与拥有广延性的实体一样的“在那里头”的场以及逻辑建构意义上的场；也不是说同时存在绝对时空点和仅仅作为界限的点。而是说各种表述和各种理论在一定场合下都同样是适宜的。在实用主义的传统中，它是说，各种手段在其为之设计的关系中，如果功能是相同的话，那么它们在我们所能控制的各方面都是等效的。
既然客体是与理论相依赖的，所谓真理是根据某一语言中各分项间以及固有的非理论化实体中各分项间的“对应联系”而定义或解释的思想就必须被放弃，而确立这样一种观念或认识论的图景：“真理不过是观念理性化的可接受性。”那些被认定为“真”的东西，在赋有“理性和可感觉性”的生物拥有的经验与智力的基础上，应被认为是有保证的。但是我们却不能草拟一种有关“实在”的保证理论（即一种有关保证的“本质”的理论），更不用说一种观念化的保证理论了。在实践中，我们实际上也没有建构起一种有关世界的独一无二的理论，只是建构起各种不同的理论，而且不是所有的理论都是等效的。因为我们实践的多元论必然导致理论的多元论。所以在普特南的概念图中，存在许多个世界，而不是一个世界；这个世界作为描绘的对象当然有客观性，但也有多面性和模糊性。不过模糊的谓项并没有什么错误，错误的是在特定场合中太模糊，这常常是一些实在论者忽略或错误表述的另一个事实。
三、人本主义倾向
在科学实在论与反实在论的激烈争论中，普特南虽然没有完全抛弃实在论，并力图保卫它，但是在实在论的内涵方面，他已从早期的客观实在的立场转向客观实在对人的依赖性立场，即从外在实在论转向内在实在论；从科学知识的独立性转向对认识主体、认识工具的依存性；从科学理论的辩护和证明转向科学理论的解释；从真理的趋同性和符合论转向真理的多元论和实用论；从欣赏唯物主义转向欣赏唯心主义和操作主义；从注重本体论研究转向到注重认识论和方法论研究，继而又转向到注重人类的日常生活和社会实践的研究。而所有这一切，尤其是他的内在实在论立场集中地反映了他的实在论日益带有人本主义色彩。这种带人性的实在论色彩可以从如下方面证明：
首先在对待科学和世界的态度问题上，他对尼采所谓的“随着科学范围的日益扩大，它所触及的悖论的地方也就越多”的观点表示欣赏，并进一步考察：是否随着科学知识范围的不断扩大，科学和这个世界本身也变得愈来愈自相矛盾。以只有少数人理解和熟悉的量子力学为例，一方面，它与经典物理学相区别的独特性就在于：有关这一理论的任何应用都需要没有被包括在这一理论系统之内的“科学仪器”或“观察者”的存在；另一方面，“原则上又没有关于整个宇宙的量子力学理论”。许多量子力学的创始人都已经注意到：在理论系统和观察者的切面之间，用来测量和检验理论应用的仪器最终是靠在观察者一边的。以至玻尔在他的所谓“哥本哈根解释”中明确表示：“只有与特殊的实验场景中的特殊的测量仪器相联系，该系统中的每一种性质才被认为是有意义的和存在的。”（[5]，p．4 ）这也正是许多人认为量子力学与经典物理学不可比较的原因所在。然而要想利用测量仪器获得满意的描述和结果，就必须利用同样存在于经典物理学中的语言和数学公式。这样，在玻尔看来，量子力学又没有简单地使经典物理学废弃不用。
从上述量子力学和经典物理学的关系上看，这好象是足够悖谬的，但是普特南却证明：量子物理学对于经典物理学的依赖性却不是悖论。在他看来，所谓的量子力学理论只不过是“牛顿的想象力所要求的一部分”。因为牛顿的物理学拥有一种特殊的感染力；它对几个世纪以来的神学、哲学、心理学、乃至整个文化都产生了巨大的影响；它给予我们的是“上帝的视野”，是上帝对整个宇宙的洞察。这个宇宙是一架巨大的机器。如果你是一个唯物主义者，就会认为我们自身就是这架巨大机器的一个分系统。如果你是一个二元论者，就会认为只有我们的身体才是这架机器的一部分。迄今以来，我们对于这架机器的测量、观察和物理学上的描绘，只不过是整个事物内部的相互作用。这幅完美的宇宙图的梦，即实际上包括描绘这个宇宙的理论家—观察者在内的宇宙图的梦，既是物理学的梦，也是形而上学的梦，甚至象笛卡尔这样的二元论者也梦想构绘一幅完美的宇宙图。值得注意的是，所有梦想绘制一幅宇宙图的人都感觉到需要一门额外的基础科学，即一门与描述“灵魂、思维或智力”的心理学有关的基础科学，以实现自己的美梦。自十七世纪以来，整个西方文化一直在做着这种美梦，而且凡是借助一种真正的科学理论，利用实验或数学方法从事过这种工作的人都一定感觉到这是一场梦。
但是，玻尔的哥本哈根解释却恰恰放弃了这种梦想。象康德一样，玻尔感觉到这个世界“本身”是超越描绘它的人类思维的能力的。即便是一个“经验的世界”，即我们的经验的世界也不能只凭借一幅图就实现其完整的描绘，而常常需要的是不同类型图的互补。在一些实验场合中必须绘制一幅波动图，在另一些实验场合中又必须绘制一幅粒子图。要放弃只利用一种描绘来说明所有场合的观念；要确立物理学概念与实验场合相互依存的思想；要认识到在观察者与观察对象，即整个宇宙系统之间存在一个不可逾越的鸿沟，这是量子力学的核心，是与经典物理学不同的本质所在。但是，却不能由此说量子力学与经典物理学是完全对立的。只能说量子力学在本质上涵盖了经典物理学的应用。比如冯诺依曼（Von Neumann ）的经典著作就向我们表明了如何利用纯粹的量子力学术语来分析测量的案例。所以，量子力学与经典物理学之间具有一种依存关系和包含关系，并不相互矛盾。只是经典物理学认为它所描绘的世界是唯一真实的世界，而量子力学则认为人类只能描绘包含自身在内的世界，而且这个世界因实验场合的变化而变化，人类理智无能力认识一个“自在”的世界。
这是不是说，普特南已经成为一个地地道道的不可知论者和康德意义上的形而上学实在论者？关于形而上学，普特南说，“作为人类生活中的一种事实，在一种意义上，哲学的任务是克服形而上学；而在另一种意义上，它的任务又是持续形而上学的讨论。每一个哲学家都会一面在叫喊，“这项事业是徒劳的、轻薄的、疯狂的——我们必须说：停止！”，而另一面又叫唤，“这项事业完全是最一般、最抽象层次上的反映，停止它将是对理性的一种犯罪。”当然，哲学问题是不可解决的，但是正如S.卡威尔（Stanley Cavell）曾经论述的，“存在有关它们的或是更好或是更坏的思考方式。”不论有多少人认为哲学作为一种认识论和方法论是如何的无益和带来了怎样灾难性的失败，但“我还是想展示一些原理，这些原理在我们面对一些叫做形而上学的事情以及一些叫做认识论的事情遭受失败而感到失望的时候不应当抛弃。”（[5]，p．19）哲学虽然不能构成存在、知识和文化得以确立的基座， 但是作为一种讲话和思维的方式对于人类的实践和精神无疑有着重要价值。当然哲学的重要性不在于说“我拒绝实在论者与反实在论者的争论”，但是它却可以表明实在论者和反实在论者都歪曲了我们借助概念而生活的生命。一场争论是无益的，并不意味着相互竞争的图象是不重要的。因为哲学所编造的幻觉属于人类生活自身的本性，而且需要进一步阐明。
那么普特南究竟展示了哪些不应当抛弃的哲学原理呢？1 ）在一般情况下，人们所作的陈述不管是否有根据，都是事实，但是其中多数事实都是“价值事实”。2 ）一个陈述的意义不管是否有根据都不取决于处于一种文化中的多数公民的口头评判，而是取决于一定的社会、文化背景和实际功用。3）有根据的断言的规范和标准是社会历史的产物；它们是随时间而演变着的。4 ）这些规范和标准总是反映我们的兴趣和价值，而我们的理智兴趣图通常只是人类兴趣图的一部分。5 ）一切事物（包括有根据的断言）的规范和标准都能够改变。存在着更好或更坏的规范和标准。这五条原理概括到一点：评判一切陈述和命题都取决于人们的兴趣和价值；人们的兴趣和价值观念变了，一个陈述或命题是否有根据和理由也就变了。这既是一种实用主义的哲学观点，也是一种人本主义的哲学观点。一切有无、真伪、好坏都以人而论。
既然如此，普特南虽然一再强调要保护内在实在论，然而他的“实在论”已经完全人本主义化了。这正象他自己所陈述的，“如果说我们所说的和我们所做的就是一个‘实在论者’，那么我们最好都是实在论者——用小r代表这类实在论者。 但是关于‘实在论’的形而上学说法却超出拥有小r的实在论之外，而具有某种哲学幻想的特征。”（[5]，p．26）对于小r的实在论来说，它不需要回答形而上学实在论者渴望解答的问题。诸如：“一个具体客体（空—时域）的存在怎么可能是一种约定？A（椅子）和B（空—时域）的同一性怎么可能是一种约定？”等问题。在小r看来，这些恰恰是生活中的一种事实。他能够感觉到它。 那对于其他人是一种压力的东西，对于他来说，则可能是一种有趣的东西。而形而上学实在论的基本特征则集中体现在这一观念中，即主张“解决哲学问题的方式是构造一个比较好的科学的世界图景”（[6]，p．107）为此他们总是竭力描绘一幅巨大的先验论的图画； 在这幅图中存在一套固定的“独立于语言”的客体（其中一些是抽象的，另一些是具体的），以及术语与它们的附加物之间的一种“关系”。普特南认为，形而上学实在论的宇宙图景只是部分地与它意欲解释的常识观点相一致。从常识的观点上看，形而上学实在论所描绘的图象是非常模糊的。“我们抓牢哲学家们的拥有小r的实在论，放弃拥有大R的实在论（形而上学实在论）完全没有任何错。”（[5]，p．28）
作为结论，普特南所描绘的有关这个世界的图象是：“一方面没有任何东西能为之辩护，只能够通过成功来证明它正当；而成功又要通过人的兴趣和价值来判断，而人的兴趣和价值不仅在进化着，并同时获得改造，而且与我们的有关这个世界本身的进化着的图象相互作用。正象必须抛弃‘约定和事实’的绝对两分法一样，基于类似的理由，也必须抛弃‘事实和价值’的绝对两分法。另一方面，它又毕竟是这个世界本身的图象的一部分，而这个世界既不是我们意志的产物，也不是我们以某种方式讲话的气质的产物。”（[5]，p．29）换句话说，既不是我们制造了这个世界，也不是我们的语言或文化制造了这个世界；这个世界不是从无中生有的；它不是一种产品，而是：“世界就是世界”。但是，我们所认识的这个世界却是与理论相依赖的，是与我们的兴趣、价值观念和最后的审视紧密相关的。
参考文献
[1] 刘放桐主编：《现代西方哲学》，人民出版社，1990。
[2] Hilary Putnam，Meaning and the Moral Science，1978.
[3] Hilary Putnam， Reason， Truth and History， CambridgeUniversity Press，1981.
[4] A.Baruch，Readings in the Philosophy of Science， 3ed，New Jersey，1989.
量子力学概述范文第3篇
【关键词】 量子通信 金融信息 接口标准 安全性设计 检测规范
一、概述
金融信息系统的安全稳定依赖于通信网络，而随着技术的不断发展，其所面临的安全风险种类也将更多、范围更大、层次更深入；随着人类计算能力的不断提高，依赖算法复杂性来增加安全等级的传统加密手段，已经逐渐不能抵御日益强大的计算机。因此，迫切需要研究新的安全通信技术，通过技术创新，为构筑高安全等级的新一代金融信息系统通信基础设施提供新思路、新方法。
对于金融系统的客户而言，其交易过程是否安全、其交易结果的数据是否得到高可信度的存储，一直是倍加关注的焦点。对金融系统本身，不管是网络交易、手机交易各种新式交易手段，还是传统的交易所柜台交易，以及对数据存储的要求（冗灾备份），始终表现出对信息安全的高度关注。国际金融行业普遍使用的基于复杂计算问题的加密算法都无法回避算法被破解的隐患。更严重的后果是，己方不知情密码体系遭到破解而仍在使用，所有金融秘密即一览无遗地暴露在对方眼下。
而在目前可实用化保密通信体系中唯有量子保密通信具有严格的安全性证明。量子通信是量子密码术与现代通信技术结合的产物，可实现无条件安全的通信数据传输。1984年，Benett和Brassard 提出了首个量子密钥分发协议（Quantum Key Distribution，QKD），即BB84协议【1】。后来诱骗态方法的提出【2】成功地解决了非理想单光子源存在的问题，很大程度地拓展了量子通信距离。目前实用化QKD系统中，大多采用基于诱骗态方案的BB84协议。
应用量子保密通信原理性技术手段，在物理层上实现金融数据量子加密传输与存储解决方案，作为未来金融与资讯领域的先进通信安全技术手段储备，满足未来金融与资讯领域的通信安全重大需求，具有重要的战略意义。在这个过程中，迫切需要制定量子通信设备在金融信息领域中的相关标准和规范，尤其是接口协议标准、安全性设计标准、产品测试规范等，这是量子通信技术在各个领域中产业化推广的必经之路，是大规模推广量子通信产品的有效途径。本文就将对以上几个研究课题和方向进行初步探讨，旨在启动金融量子设备的相关标准和规范的研究和探讨。
二、量子通信设备管控与密钥接口标准的研究
2.1研究目的
通过量子网络，量子通信设备能够为通信双方安全地分配量子密钥，而目前大部分经典设备依然使用经典密码学算法对通信数据进行加解密处理，因此有被破解和篡改的风险。为了便于量子通信设备与传统设备融合，更好实现管控指令和密钥数据的安全可靠传输，以及在行业内大规模推广，需要制定一个标准的管控与密钥接口。
2.2研究内容
该接口主要实现量子设备与应用设备之间的管控指令和密钥数据交互，主要研究内容包括：
1.研究应用设备向量子设备申请量子密钥的流程，同时充分考虑量子设备与传统密码设备之间的差异，如时延、成码率等；
2.应用设备与量子设备之间接口的密钥传输可靠性研究，充分考虑量子密钥产生的非连续、突发等特性；
3.研究应用设备与量子设备之间的管控方式，结合量子设备的固有特点，比如需要结合量子信道切换等等；
4.研究应用设备对量子设备的异常处理方式，确保接口或设备异常时能够及时上报管控系统并得到相应的处理。
三、量子通信设备安全性设计研究
3.1研究目的
从原理上来说，量子密钥分发不依赖于计算的复杂性来保证通信安全，而是基于量子力学基本原理，从原理上保证了一旦存在窃听就必然被发现。换言之，一旦成功在通信双方建立了密钥，这组密钥就是安全的，而这种密钥从原理上是无法被破解的。量子密码系统的安全性不会受到计算能力和数学水平的不断提高的威胁，从而保证了利用量子密码系统加密的信息不仅在现在是安全的，而且在未来都是安全的。因此，量子保密通信是人类已知唯一的具有长期安全性保障的安全通信解决方案。
然而，对于实际设备，即使严格遵循理论依据进行密钥提取，也需要考虑很多其它因素导致的安全患，比如电磁泄漏、远程侵入、器件不完美等，另外还有很多管理制度方面的安全隐患。
因此，有必要从设计角度对量子通信设备提一些安全性要求，用于指导后续量子设备的设计和开发。
3.2研究内容
这里的安全性设计，重点关注量子通信设备实现的合规性、抗量子攻击、设备软硬件的安全性等，主要研究内容如下：
1.研究对QKD密码协议过程的评测方法，对产品是否遵循量子密钥分发协议进行评估；
2.研究评估量子设备抗量子攻击的方法，提出相关抗量子攻击的评判标准和方式；
3.针对量子设备算法相关的主要过程，如身份认证、隐私放大等，研究评估核心算法安全性的评判标准；
4.分析量子设备在金融信息系统实际应用环境下的可能安全隐患，给出量子设备在软硬件方面的安全性设计要求。
四、量子通信设备环境检测规范的研究
4.1研究目的
作为一款新产品，有必要制定出一套金融领域应用环境下量子设备的入围检测规范和标准，一方面可以提高设备在实际系统运行的可靠性，另一方面，也可以为后续量子通信设备应用于金融系统提供必要的测评依据。
4.2研究内容
这里拟研究的环境检测规范，重点是关注量子设备在实际环境下运行效果。主要研究内容包括：
1.研究如何进行不同长度光缆及其在各种环境下的模型建立；
2.通过分析量子设备在实际电磁环境下的运行情况，给出光量子编码技术在该环境下的可行性或是否可行的检测方法；
3.分析量子设备在不同环境下的关键运行参数，尤其是错误率、成码率等，给出评估设备是否能在实际环境中使用的评测标准；
五、结语
金融信息系统的安全稳定依赖于通信网络，而随着技术的不断发展，其所面临的安全风险种类也将更多、范围更大、层次更深入；因此，迫切需要研究新的安全通信技术，通过技术创新，为构筑高安全等级的新一代金融信息系统通信基础设施提供新思路、新方法。而量子通信技术目前已经由实验室走向应用，从国家安全的角度来看，使用量子通信手段，提高金融信息数据通信网的可靠性、安全性和稳定性，是一个值得研究和发展的方向，两者结合能够有利于金融信息的保密传输。从国内外大趋势来看，光纤量子通信技术已经逐步实用化和产业化，这为量子通信技术融入金融信息系统提供了得天独厚的条件，金融量子通信网络的产业化前景值得期待。
在这一大的背景需求下，本文提出了上述研究和应用方向，旨在启动量子设备的相关标准和规范的研究和探讨。短期内，可以为量子设备在金融信息领域的应用示范提供设计依据；中长期来看，可以此为契机逐步制定和推广行业标准甚至国家标准，让更多的企业和科研院所参与到量子通信产业化中来，为最终实现金融信息系统量子安全通信网络奠定基础。
参 考 文 献
量子力学概述范文第4篇
关键词：自由意志;强决定论;非决定论;相融主义
中图分类号：B-49 文献标志码：A 文章编号：1002-2589（2015）04-0096-02
“决定者和自由意志的支持者的争论会一直持续直到人类会死里复活。”这是12世纪波斯诗人、神秘主义者鲁米的话。从人们怀疑他们的行为可能被一些不可知的并且超越他们的能力的条件所决定开始，自由意志的问题就从人类历史中被提出来了。这就是决定论的学说在关于自由意志的辩论中很占重要地位的原因。关于自由意志的讨论已经影响了宗教和科学领域。人们在不断地追求自由，为了自由的生活，自由的思考，人类不断更新着自己的社会，从而也就推动了社会的不断进步。伴随着人们对自由的渴望，人们对于自由的思考也从来没停过，所以就产生了自由意志的问题。
要理解“自由意志问题”，我们可以从分析两个熟悉的概念入手：自由和责任。我们为什么要自由，并且要更多的自由呢？因为更多的自由能够满足我们的欲望。在一个自由的社会，我们可以买我们想要的东西，可以去我们喜欢的地方旅游，我们可以选择看任意一场电影，我们可以选择任何一本书来读等等。但是这些自由是表面的自由。自由意志则涉及更深入的问题。假如我们有最大限度选择的自由来满足自己的欲望，但是我们的实际上做出的选择被其他人所操纵，比如有权势的人。在此种情形中，虽说我们拥有很多选择的自由，但是我们意志的自由是受到限制的。也就是说，我们对自己的意志没有终极的控制力。在某种程度上，拥有自由意志就是做你自己。我们时常认为自己有选择的余地，但是这些选择也是在当前的经济、政治条件下进行的选择。也就是说，我们并没有完全的自由。有些哲学家认为，完全的自由是一种幻觉，人类不可能会拥有。我们可以设想，当科技社会人文发展到人们能想象到什么就能做到什么的时候，那么我们是否就拥有终极的控制力了呢。答案是否定的，人类始终会受到自然规律的制约。即使我可以想象科技发展到人能够瞬间移动等，科技依靠的仍然是规律，我们仍然受着制约而不是完全的自由。以上是研究自由意志的一种方法，另一种方法是思考有责任，应受谴责和赞扬的概念。比如一个青年犯罪，从他的成长环境等一系列因素考虑，我们可以得到一些关于动机啊，人格的信息，进而可以推理如果任何一个在这种环境下成长起来的人，都会成为跟这个青年一样的人。我们需要考虑的是，这个青年在何种程度上应该对现在的自己负责，他变成这样的人都是社会环境造成的吗，或者他在选择成为这种人的时候扮演了何种角色。这些关键的问题，涉及了这个年轻人的终极责任。我们知道，父母、社会、基因组成、成长环境对我们成为什么样的人有影响，但是这些影响是决定性的，还是留下了些什么让我们去承担部分的责任呢？关于这个年轻人仅仅是个受害者，还是对其行为有一些责任的问题，就是他拥有自由意志还是被一些因素所决定或者不是完全被决定。
自由意志问题，并不是单纯的一个问题，而是由许多问题一起构成的，概括来看，就是我们能否自由地支配我们的行动，也就是我们是否有自由意志，我们在多大程度上能这么做，支配我们行为的这种支配的本质是什么？围绕这些问题，无数哲学家开始了探讨，本文就是对这一问题各类思想的一个整理，以及一些自己的想法。
一、自由意志问题概述
我们说一个人有自由意识，是当且仅当这个人在选择做一件事的时候他还有另外的选择，也就是说这件事对于他来说是有选择余地的，是可以按照自己意愿来自由决定该怎么做的。所以那些在别人胁迫或环境限制下所做出的决定是不能说是自由意志下的产物。
自由意志问题总结起来是三个矛盾的命题：第一，每件事的发生都是有原因的。第二，有些人的有些行为是自由的。第三，因为所有事都是有原因引起的，包括那些人们觉得自由的行为，所以人们是没有自由意志的。
我们可以看到，这三个命题单独来看都是正确的，但放在一起，却会产生不可调和的矛盾，所以哲学家们就开始思考解决这个矛盾的方法。解决这个问题的方法大致可以归纳为三类：强决定论，非决定论，相融主义。
二、自由意志问题解决方案
1.强决定论
强决定论是在三个条件中否认第二个条件，也就是认为人是没有自由意志的，“世界的未来是在一个不可避免的模式中确定下来的。”[1]这里强决定论有四种形式：物理决定论、心理决定论、神学决定论、逻辑决定论。所谓物理决定论，就是说我们所有的事件都受到自然规律的制约，如果物理系统是决定了的，那么这个系统产生的结果就是一定的，不可能会有其他的不同结果产生。例如我们根据我们已有的天体信息，万有引力的作用，天体之间的运转，我们确定了冥王星并不是一颗行星，而只是一颗矮行星，修正了之前的错误，所以由此可见，只要知道了一切物理系统中的影响因素，就会得出唯一的一个结果。而心理决定论是认为，“人的所有行为都是同一种遗传和环境条件的结果，这些条件引起神经性的强制行为。”神学决定论顾名思义是认为世间万物都是由神决定的，神决定了一切，人类只能被动接受。而逻辑决定论是指，一些逻辑真的句子是永恒真的，是已经被决定了的，比如说A、B两队比赛，A队会胜利，A队不会胜利，这其中一定有一个为真，假设前一个为真，那么另一个就必定为假，所以说A队会胜利，这个事实是谁也不能改变的。
但反对强决定论的人们也提出了反例，不解决这些反例，强决定论是无法成立的。
第一个反例是，本来人们一直是认为这世上不会存在着没有原因的事物，也就是没有人会反对条件一。但随着现代科技的进步，人们发现了在量子力学中，粒子的运动轨迹是无法预测的，也没有任何规律可循，所以说这个反例就直接挑战了条件一，也就是认为一切事物都是有原因的。
反例二是认为，如果人们没有自由意志，那道德责任何在？比如说，一个人犯了谋杀罪，但他会杀人是因为他从小的生活环境，后来的际遇，自己的性格为人，遇事的反应态度，所以最后导致了他不得不杀人，那如果这样说来，杀人并不是他能决定的，而是各种因素的结合注定了他的犯罪，所以他并不必承担任何的罪责。所以如果强决定论成立，那么每个人都不必承担任何的道德责任，反正违不违反道德和法律都不是个人所能决定的，一切顺其自然就可以了。但事实上现实中不道德行为就会受到谴责，违反了法律就要接受法律的制裁。可以说这是对强决定论最有力的反驳。
反例三是说，我们如果接受了强决定论，就是说我们承认了我们的所有行为都是注定的，是不受我们自己控制的，但我们知道，我们生活中有很多行为都是可以有别的选择的，比如说我们在吃饭选择吃什么，去买衣服买哪件，有无数的选择，这就说明我们是有自由意志的。
2.非决定论
非决定论就是在三个条件中否定第一个条件，也就是认为这世上并不是所有的事情都是有原因的，我们的未来谁都不能确定，没发生的事我们也不可能所有的都能预测到。比如说，我们上面提到的量子运动，就可以说它的运动是毫无原因可言的，那么就不能排除可能还有其他的事件是没有任何原因的，那么就可以第一个条件了。
反例就是不受控制的手臂。因为按照非决定论观点，我们有些事的发生是没有原因的，而假设人身上有一条不受任何控制的手臂，它随意摆动，它的运动毫无规律，不受人的控制，那么它甩到哪都是有可能的，那么它打到了谁，或者是它去拿刀伤害别人都是可能的，所以这就不能够说这是这条手臂主人的责任。所以它和强决定论的问题一样，就是会导致道德责任的缺失。
3.相融主义
相融主义主要分为两类，就是传统相融主义和等级相融主义。传统相融主义是在三个条件中否认了条件三，也就是承认万事都有原因，也认为人们是有自由意识的，代表人物是托马斯・霍布斯。他认为万事都有原因，而人们有自由是当且仅当他的行为是产生于他自己的意愿，而且他同时还拥有其他选择。
摩尔的相融主义是认为除了那些已经发生的，其他没有任何事是可能发生的，也就是说已经发生的事是没有其他可能性的了，同时他也认为已经发生了的事是有其他可能性的。这两个可以同真，是因为这个可能的意义不同，一种是对既定事实的现实的否定，而另一个是说出了理论上的可能性。
而等级相融主义认为，人的一阶欲望对于某件事或某物体的欲望，而人的二阶欲望是一种对欲望的欲望，也就是对一阶欲望的一种欲望，而二阶意志则是对二阶欲望的一种选择，也就是决定自己想要的是哪个二阶欲望。这有个例子是说，有一个瘾君子，他不知道吸毒不好，所以他深深地沉迷于吸毒，我们认为他是没有自由意志的，另外有个瘾君子，他知道吸毒不好，但他因为吸毒上了瘾，他想停止，却停止不下来，所以说他也是没有自由意志的，而第三个瘾君子，他知道吸毒不好，但他就是想吸毒，认为吸毒即使有危害，但不在乎危害，享受吸毒，我们就可以说他是有自由意志的。
三、强决定论之我见
我个人是同意强决定论，我觉得人是没有自由意志的。
尼采认为我们应该学着去接受我们的命运，甚至学着爱自己的命运，然后继续生活在没有自由意志这种幻觉的打扰下。
首先对于第一个反例，就是量子力学领域的粒子运动，科学家说它运动轨迹没有原因，但万事没有绝对，既然随着科技的发展，我们发现了没有原因的量子的运动轨迹，那么难道就不可能在未来有新的突破吗？现在没发现它的原因，有可能是现在的研究水平有限，或人们还有什么忽略的，未来的某一天，有可能就找到原因了，人们不能被眼前的观点所束缚，也不能迷信于权威。
反例二是说会导致道德责任缺失。但我认为，一个人他会犯罪，虽然是已经被决定了的，但也不能逃脱责任，因为这只能说是他自己的不幸，他的家庭环境这样，性格这样，他当时遇到的情况是这样，也是没有办法的，这已经注定了。
反例三是说我们都觉得自己有自由意志。但我觉得这可能只是人们的一种偏见，我们只是自负地认为我们可以自己决定事情的走向，但殊不知这可能只是一种迷思，比如你以为你的晚餐地点是自己决定的，但有可能你当时身边吃饭的地方那边是最合适的，距离合适，时间许可，所以一切原因最后促成了你的晚餐地点。这世上没有什么事是可以靠感觉就确定的，所以说我们自己的固有观念是可以被的。
综上所述，笔者觉得之前对强决定论的反驳其实都不是本质上不能的，强决定论有它存在的理由。我们不能因为有违我们的常识，就拒不接受新的观点，毕竟真理可能是残酷的。
量子力学概述范文第5篇
本文重点对半导体硅材料，GaAs和InP单晶材料，半导体超晶格、量子阱材料，一维量子线、零维量子点半导体微结构材料，宽带隙半导体材料，光子晶体材料，量子比特构建与材料等目前达到的水平和器件应用概况及其发展趋势作了概述。最后，提出了发展我国半导体材料的建议。
关键词 半导体 材料 量子线 量子点 材料 光子晶体
1半导体材料的战略地位
上世纪中叶，单晶硅和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研制成功，导致了电子工业革命；上世纪70年代初石英光导纤维材料和GaAs激光器的发明，促进了光纤通信技术迅速发展并逐步形成了高新技术产业，使人类进入了信息时代。超晶格概念的提出及其半导体超晶格、量子阱材料的研制成功，彻底改变了光电器件的设计思想，使半导体器件的设计与制造从“杂质工程”发展到“能带工程”。纳米科学技术的发展和应用，将使人类能从原子、分子或纳米尺度水平上控制、操纵和制造功能强大的新型器件与电路，必将深刻地影响着世界的政治、经济格局和军事对抗的形式，彻底改变人们的生活方式。
2几种主要半导体材料的发展现状与趋势
2.1硅材料
从提高硅集成电路成品率，降低成本看，增大直拉硅（CZ－Si）单晶的直径和减小微缺陷的密度仍是今后CZ－Si发展的总趋势。目前直径为8英寸（200mm）的Si单晶已实现大规模工业生产，基于直径为12英寸（300mm）硅片的集成电路（IC‘s）技术正处在由实验室向工业生产转变中。目前300mm，0.18μm工艺的硅ULSI生产线已经投入生产，300mm，0.13μm工艺生产线也将在2003年完成评估。18英寸重达414公斤的硅单晶和18英寸的硅园片已在实验室研制成功，直径27英寸硅单晶研制也正在积极筹划中。
从进一步提高硅IC‘S的速度和集成度看，研制适合于硅深亚微米乃至纳米工艺所需的大直径硅外延片会成为硅材料发展的主流。另外，SOI材料，包括智能剥离（Smart cut）和SIMOX材料等也发展很快。目前，直径8英寸的硅外延片和SOI材料已研制成功，更大尺寸的片材也在开发中。
理论分析指出30nm左右将是硅MOS集成电路线宽的“极限”尺寸。这不仅是指量子尺寸效应对现有器件特性影响所带来的物理限制和光刻技术的限制问题，更重要的是将受硅、SiO2自身性质的限制。尽管人们正在积极寻找高K介电绝缘材料（如用Si3N4等来替代SiO2），低K介电互连材料，用Cu代替Al引线以及采用系统集成芯片技术等来提高ULSI的集成度、运算速度和功能，但硅将最终难以满足人类不断的对更大信息量需求。为此，人们除寻求基于全新原理的量子计算和DNA生物计算等之外，还把目光放在以GaAs、InP为基的化合物半导体材料，特别是二维超晶格、量子阱，一维量子线与零维量子点材料和可与硅平面工艺兼容GeSi合金材料等，这也是目前半导体材料研发的重点。
2.2 GaAs和InP单晶材料
GaAs和InP与硅不同，它们都是直接带隙材料，具有电子饱和漂移速度高，耐高温，抗辐照等特点；在超高速、超高频、低功耗、低噪音器件和电路，特别在光电子器件和光电集成方面占有独特的优势。
目前，世界GaAs单晶的总年产量已超过200吨，其中以低位错密度的垂直梯度凝固法（VGF）和水平（HB）方法生长的2－3英寸的导电GaAs衬底材料为主；近年来，为满足高速移动通信的迫切需求，大直径（4，6和8英寸）的SI－GaAs发展很快。美国莫托罗拉公司正在筹建6英寸的SI－GaAs集成电路生产线。InP具有比GaAs更优越的高频性能，发展的速度更快，但研制直径3英寸以上大直径的InP单晶的关键技术尚未完全突破，价格居高不下。
GaAs和InP单晶的发展趋势是：
（1）。增大晶体直径，目前4英寸的SI－GaAs已用于生产，预计本世纪初的头几年直径为6英寸的SI－GaAs也将投入工业应用。
（2）。提高材料的电学和光学微区均匀性。
（3）。降低单晶的缺陷密度，特别是位错。
（4）。GaAs和InP单晶的VGF生长技术发展很快，很有可能成为主流技术。
2.3半导体超晶格、量子阱材料
半导体超薄层微结构材料是基于先进生长技术（MBE，MOCVD）的新一代人工构造材料。它以全新的概念改变着光电子和微电子器件的设计思想，出现了“电学和光学特性可剪裁”为特征的新范畴，是新一代固态量子器件的基础材料。
（1）Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料。
GaAIAs／GaAs，GaInAs／GaAs，AIGaInP／GaAs；GalnAs／InP，AlInAs／InP，InGaAsP／InP等GaAs、InP基晶格匹配和应变补偿材料体系已发展得相当成熟，已成功地用来制造超高速，超高频微电子器件和单片集成电路。高电子迁移率晶体管（HEMT），赝配高电子迁移率晶体管（P－HEMT）器件最好水平已达fmax=600GHz，输出功率58mW，功率增益6.4db；双异质结双极晶体管（HBT）的最高频率fmax也已高达500GHz，HEMT逻辑电路研制也发展很快。基于上述材料体系的光通信用1.3μm和1.5μm的量子阱激光器和探测器，红、黄、橙光发光二极管和红光激光器以及大功率半导体量子阱激光器已商品化；表面光发射器件和光双稳器件等也已达到或接近达到实用化水平。目前，研制高质量的1.5μm分布反馈（DFB）激光器和电吸收（EA）调制器单片集成InP基多量子阱材料和超高速驱动电路所需的低维结构材料是解决光纤通信瓶颈问题的关键，在实验室西门子公司已完成了80×40Gbps传输40km的实验。另外，用于制造准连续兆瓦级大功率激光阵列的高质量量子阱材料也受到人们的重视。
虽然常规量子阱结构端面发射激光器是目前光电子领域占统治地位的有源器件，但由于其有源区极薄（～0.01μm）端面光电灾变损伤，大电流电热烧毁和光束质量差一直是此类激光器的性能改善和功率提高的难题。采用多有源区量子级联耦合是解决此难题的有效途径之一。我国早在1999年，就研制成功980nm InGaAs带间量子级联激光器，输出功率达5W以上；2000年初，法国汤姆逊公司又报道了单个激光器准连续输出功率超过10瓦好结果。最近，我国的科研工作者又提出并开展了多有源区纵向光耦合垂直腔面发射激光器研究，这是一种具有高增益、极低阈值、高功率和高光束质量的新型激光器，在未来光通信、光互联与光电信息处理方面有着良好的应用前景。
为克服PN结半导体激光器的能隙对激光器波长范围的限制，1994年美国贝尔实验室发明了基于量子阱内子带跃迁和阱间共振隧穿的量子级联激光器，突破了半导体能隙对波长的限制。自从1994年InGaAs／InAIAs／InP量子级联激光器（QCLs）发明以来，Bell实验室等的科学家，在过去的7年多的时间里，QCLs在向大功率、高温和单膜工作等研究方面取得了显着的进展。2001年瑞士Neuchatel大学的科学家采用双声子共振和三量子阱有源区结构使波长为9.1μm的QCLs的工作温度高达312K，连续输出功率3mW.量子级联激光器的工作波长已覆盖近红外到远红外波段（3－87μm），并在光通信、超高分辨光谱、超高灵敏气体传感器、高速调制器和无线光学连接等方面显示出重要的应用前景。中科院上海微系统和信息技术研究所于1999年研制成功120K 5μm和250K 8μm的量子级联激光器；中科院半导体研究所于2000年又研制成功3.7μm室温准连续应变补偿量子级联激光器，使我国成为能研制这类高质量激光器材料为数不多的几个国家之一。
目前，Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料作为超薄层微结构材料发展的主流方向，正从直径3英寸向4英寸过渡；生产型的MBE和M0CVD设备已研制成功并投入使用，每台年生产能力可高达3.75×104片4英寸或1.5×104片6英寸。英国卡迪夫的MOCVD中心，法国的Picogiga MBE基地，美国的QED公司，Motorola公司，日本的富士通，NTT，索尼等都有这种外延材料出售。生产型MBE和MOCVD设备的成熟与应用，必然促进衬底材料设备和材料评价技术的发展。
（2）硅基应变异质结构材料。
硅基光、电器件集成一直是人们所追求的目标。但由于硅是间接带隙，如何提高硅基材料发光效率就成为一个亟待解决的问题。虽经多年研究，但进展缓慢。人们目前正致力于探索硅基纳米材料（纳米Si／SiO2），硅基SiGeC体系的Si1－yCy/Si1－xGex低维结构，Ge／Si量子点和量子点超晶格材料，Si／SiC量子点材料，GaN／BP／Si以及GaN／Si材料。最近，在GaN／Si上成功地研制出LED发光器件和有关纳米硅的受激放大现象的报道，使人们看到了一线希望。
另一方面，GeSi／Si应变层超晶格材料，因其在新一代移动通信上的重要应用前景，而成为目前硅基材料研究的主流。Si/GeSi MODFET和MOSFET的最高截止频率已达200GHz，HBT最高振荡频率为160GHz，噪音在10GHz下为0.9db，其性能可与GaAs器件相媲美。
尽管GaAs／Si和InP／Si是实现光电子集成理想的材料体系，但由于晶格失配和热膨胀系数等不同造成的高密度失配位错而导致器件性能退化和失效，防碍着它的使用化。最近，Motolora等公司宣称，他们在12英寸的硅衬底上，用钛酸锶作协变层（柔性层），成功的生长了器件级的GaAs外延薄膜，取得了突破性的进展。
2.4一维量子线、零维量子点半导体微结构材料
基于量子尺寸效应、量子干涉效应，量子隧穿效应和库仑阻效应以及非线性光学效应等的低维半导体材料是一种人工构造（通过能带工程实施）的新型半导体材料，是新一代微电子、光电子器件和电路的基础。它的发展与应用，极有可能触发新的技术革命。
目前低维半导体材料生长与制备主要集中在几个比较成熟的材料体系上，如GaAlAs／GaAs，In（Ga）As／GaAs，InGaAs／InAlAs／GaAs，InGaAs／InP，In（Ga）As／InAlAs／InP，InGaAsP／InAlAs／InP以及GeSi／Si等，并在纳米微电子和光电子研制方面取得了重大进展。俄罗斯约飞技术物理所MBE小组，柏林的俄德联合研制小组和中科院半导体所半导体材料科学重点实验室的MBE小组等研制成功的In（Ga）As／GaAs高功率量子点激光器，工作波长lμm左右，单管室温连续输出功率高达3.6～4W.特别应当指出的是我国上述的MBE小组，2001年通过在高功率量子点激光器的有源区材料结构中引入应力缓解层，抑制了缺陷和位错的产生，提高了量子点激光器的工作寿命，室温下连续输出功率为1W时工作寿命超过5000小时，这是大功率激光器的一个关键参数，至今未见国外报道。
在单电子晶体管和单电子存贮器及其电路的研制方面也获得了重大进展，1994年日本NTT就研制成功沟道长度为30nm纳米单电子晶体管，并在150K观察到栅控源－漏电流振荡；1997年美国又报道了可在室温工作的单电子开关器件，1998年Yauo等人采用0.25微米工艺技术实现了128Mb的单电子存贮器原型样机的制造，这是在单电子器件在高密度存贮电路的应用方面迈出的关键一步。目前，基于量子点的自适应网络计算机，单光子源和应用于量子计算的量子比特的构建等方面的研究也正在进行中。
与半导体超晶格和量子点结构的生长制备相比，高度有序的半导体量子线的制备技术难度较大。中科院半导体所半导体材料科学重点实验室的MBE小组，在继利用MBE技术和SK生长模式，成功地制备了高空间有序的InAs／InAI（Ga）As／InP的量子线和量子线超晶格结构的基础上，对InAs／InAlAs量子线超晶格的空间自对准（垂直或斜对准）的物理起因和生长控制进行了研究，取得了较大进展。
王中林教授领导的乔治亚理工大学的材料科学与工程系和化学与生物化学系的研究小组，基于无催化剂、控制生长条件的氧化物粉末的热蒸发技术，成功地合成了诸如ZnO、SnO2、In2O3和Ga2O3等一系列半导体氧化物纳米带，它们与具有圆柱对称截面的中空纳米管或纳米线不同，这些原生的纳米带呈现出高纯、结构均匀和单晶体，几乎无缺陷和位错；纳米线呈矩形截面，典型的宽度为20－300nm，宽厚比为5－10，长度可达数毫米。这种半导体氧化物纳米带是一个理想的材料体系，可以用来研究载流子维度受限的输运现象和基于它的功能器件制造。香港城市大学李述汤教授和瑞典隆德大学固体物理系纳米中心的Lars Samuelson教授领导的小组，分别在SiO2／Si和InAs／InP半导体量子线超晶格结构的生长制各方面也取得了重要进展。
低维半导体结构制备的方法很多，主要有：微结构材料生长和精细加工工艺相结合的方法，应变自组装量子线、量子点材料生长技术，图形化衬底和不同取向晶面选择生长技术，单原子操纵和加工技术，纳米结构的辐照制备技术，及其在沸石的笼子中、纳米碳管和溶液中等通过物理或化学方法制备量子点和量子线的技术等。目前发展的主要趋势是寻找原子级无损伤加工方法和纳米结构的应变自组装可控生长技术，以求获得大小、形状均匀、密度可控的无缺陷纳米结构。
2.5宽带隙半导体材料
宽带隙半导体材主要指的是金刚石，III族氮化物，碳化硅，立方氮化硼以及氧化物（ZnO等）及固溶体等，特别是SiC、GaN和金刚石薄膜等材料，因具有高热导率、高电子饱和漂移速度和大临界击穿电压等特点，成为研制高频大功率、耐高温、抗辐照半导体微电子器件和电路的理想材料；在通信、汽车、航空、航天、石油开采以及国防等方面有着广泛的应用前景。另外，III族氮化物也是很好的光电子材料，在蓝、绿光发光二极管（LED）和紫、蓝、绿光激光器（LD）以及紫外探测器等应用方面也显示了广泛的应用前景。随着1993年GaN材料的P型掺杂突破，GaN基材料成为蓝绿光发光材料的研究热点。目前，GaN基蓝绿光发光二极管己商品化，GaN基LD也有商品出售，最大输出功率为0.5W.在微电子器件研制方面，GaN基FET的最高工作频率（fmax）已达140GHz，fT=67 GHz，跨导为260ms／mm；HEMT器件也相继问世，发展很快。此外，256×256 GaN基紫外光电焦平面阵列探测器也已研制成功。特别值得提出的是，日本Sumitomo电子工业有限公司2000年宣称，他们采用热力学方法已研制成功2英寸GaN单晶材料，这将有力的推动蓝光激光器和GaN基电子器件的发展。另外，近年来具有反常带隙弯曲的窄禁带InAsN，InGaAsN，GaNP和GaNAsP材料的研制也受到了重视，这是因为它们在长波长光通信用高T0光源和太阳能电池等方面显示了重要应用前景。
以Cree公司为代表的体SiC单晶的研制已取得突破性进展，2英寸的4H和6H SiC单晶与外延片，以及3英寸的4H SiC单晶己有商品出售；以SiC为GaN基材料衬低的蓝绿光LED业已上市，并参于与以蓝宝石为衬低的GaN基发光器件的竟争。其他SiC相关高温器件的研制也取得了长足的进步。目前存在的主要问题是材料中的缺陷密度高，且价格昂贵。
II－VI族兰绿光材料研制在徘徊了近30年后，于1990年美国3M公司成功地解决了II－VI族的P型掺杂难点而得到迅速发展。1991年3M公司利用MBE技术率先宣布了电注入（Zn，Cd）Se／ZnSe兰光激光器在77K（495nm）脉冲输出功率100mW的消息，开始了II－VI族兰绿光半导体激光（材料）器件研制的。经过多年的努力，目前ZnSe基II－VI族兰绿光激光器的寿命虽已超过1000小时，但离使用差距尚大，加之GaN基材料的迅速发展和应用，使II－VI族兰绿光材料研制步伐有所变缓。提高有源区材料的完整性，特别是要降低由非化学配比导致的点缺陷密度和进一步降低失配位错和解决欧姆接触等问题，仍是该材料体系走向实用化前必须要解决的问题。
宽带隙半导体异质结构材料往往也是典型的大失配异质结构材料，所谓大失配异质结构材料是指晶格常数、热膨胀系数或晶体的对称性等物理参数有较大差异的材料体系，如GaN／蓝宝石（Sapphire），SiC／Si和GaN／Si等。大晶格失配引发界面处大量位错和缺陷的产生，极大地影响着微结构材料的光电性能及其器件应用。如何避免和消除这一负面影响，是目前材料制备中的一个迫切要解决的关键科学问题。这个问题的解泱，必将大大地拓宽材料的可选择余地，开辟新的应用领域。
目前，除SiC单晶衬低材料，GaN基蓝光LED材料和器件已有商品出售外，大多数高温半导体材料仍处在实验室研制阶段，不少影响这类材料发展的关键问题，如GaN衬底，ZnO单晶簿膜制备，P型掺杂和欧姆电极接触，单晶金刚石薄膜生长与N型掺杂，II－VI族材料的退化机理等仍是制约这些材料实用化的关键问题，国内外虽已做了大量的研究，至今尚未取得重大突破。
3光子晶体
光子晶体是一种人工微结构材料，介电常数周期的被调制在与工作波长相比拟的尺度，来自结构单元的散射波的多重干涉形成一个光子带隙，与半导体材料的电子能隙相似，并可用类似于固态晶体中的能带论来描述三维周期介电结构中光波的传播，相应光子晶体光带隙（禁带）能量的光波模式在其中的传播是被禁止的。如果光子晶体的周期性被破坏，那么在禁带中也会引入所谓的“施主”和“受主”模，光子态密度随光子晶体维度降低而量子化。如三维受限的“受主”掺杂的光子晶体有希望制成非常高Q值的单模微腔，从而为研制高质量微腔激光器开辟新的途径。光子晶体的制备方法主要有：聚焦离子束（FIB）结合脉冲激光蒸发方法，即先用脉冲激光蒸发制备如Ag/MnO多层膜，再用FIB注入隔离形成一维或二维平面阵列光子晶体；基于功能粒子（磁性纳米颗粒Fe2O3，发光纳米颗粒CdS和介电纳米颗粒TiO2）和共轭高分子的自组装方法，可形成适用于可光范围的三维纳米颗粒光子晶体；二维多空硅也可制作成一个理想的3－5μm和1.5μm光子带隙材料等。目前，二维光子晶体制造已取得很大进展，但三维光子晶体的研究，仍是一个具有挑战性的课题。最近，Campbell等人提出了全息光栅光刻的方法来制造三维光子晶体，取得了进展。
4量子比特构建与材料
随着微电子技术的发展，计算机芯片集成度不断增高，器件尺寸越来越小（nm尺度）并最终将受到器件工作原理和工艺技术限制，而无法满足人类对更大信息量的需求。为此，发展基于全新原理和结构的功能强大的计算机是21世纪人类面临的巨大挑战之一。1994年Shor基于量子态叠加性提出的量子并行算法并证明可轻而易举地破译目前广泛使用的公开密钥Rivest，Shamir和Adlman（RSA）体系，引起了人们的广泛重视。
所谓量子计算机是应用量子力学原理进行计的装置，理论上讲它比传统计算机有更快的运算速度，更大信息传递量和更高信息安全保障，有可能超越目前计算机理想极限。实现量子比特构造和量子计算机的设想方案很多，其中最引人注目的是Kane最近提出的一个实现大规模量子计算的方案。其核心是利用硅纳米电子器件中磷施主核自旋进行信息编码，通过外加电场控制核自旋间相互作用实现其逻辑运算，自旋测量是由自旋极化电子电流来完成，计算机要工作在mK的低温下。
这种量子计算机的最终实现依赖于与硅平面工艺兼容的硅纳米电子技术的发展。除此之外，为了避免杂质对磷核自旋的干扰，必需使用高纯（无杂质）和不存在核自旋不等于零的硅同位素（29Si）的硅单晶；减小SiO2绝缘层的无序涨落以及如何在硅里掺入规则的磷原子阵列等是实现量子计算的关键。量子态在传输，处理和存储过程中可能因环境的耦合（干扰），而从量子叠加态演化成经典的混合态，即所谓失去相干，特别是在大规模计算中能否始终保持量子态间的相干是量子计算机走向实用化前所必需克服的难题。
5发展我国半导体材料的几点建议
鉴于我国目前的工业基础，国力和半导体材料的发展水平，提出以下发展建议供参考。
5.1硅单晶和外延材料硅材料作为微电子技术的主导地位
至少到本世纪中叶都不会改变，至今国内各大集成电路制造厂家所需的硅片基本上是依赖进口。目前国内虽已可拉制8英寸的硅单晶和小批量生产6英寸的硅外延片，然而都未形成稳定的批量生产能力，更谈不上规模生产。建议国家集中人力和财力，首先开展8英寸硅单晶实用化和6英寸硅外延片研究开发，在“十五”的后期，争取做到8英寸集成电路生产线用硅单晶材料的国产化，并有6～8英寸硅片的批量供片能力。到2010年左右，我国应有8～12英寸硅单晶、片材和8英寸硅外延片的规模生产能力；更大直径的硅单晶、片材和外延片也应及时布点研制。另外，硅多晶材料生产基地及其相配套的高纯石英、气体和化学试剂等也必需同时给以重视，只有这样，才能逐步改观我国微电子技术的落后局面，进入世界发达国家之林。
5.2 GaAs及其有关化合物半导体单晶材料发展建议
GaAs、InP等单晶材料同国外的差距主要表现在拉晶和晶片加工设备落后，没有形成生产能力。相信在国家各部委的统一组织、领导下，并争取企业介入，建立我国自己的研究、开发和生产联合体，取各家之长，分工协作，到2010年赶上世界先进水平是可能的。要达到上述目的，到“十五”末应形成以4英寸单晶为主2－3吨／年的SI－GaAs和3－5吨／年掺杂GaAs、InP单晶和开盒就用晶片的生产能力，以满足我国不断发展的微电子和光电子工业的需术。到2010年，应当实现4英寸GaAs生产线的国产化，并具有满足6英寸线的供片能力。
5.3发展超晶格、量子阱和一维、零维半导体微结构材料的建议
（1）超晶格、量子阱材料从目前我国国力和我们已有的基础出发，应以三基色（超高亮度红、绿和蓝光）材料和光通信材料为主攻方向，并兼顾新一代微电子器件和电路的需求，加强MBE和MOCVD两个基地的建设，引进必要的适合批量生产的工业型MBE和MOCVD设备并着重致力于GaAlAs／GaAs，InGaAlP／InGaP， GaN基蓝绿光材料，InGaAs／InP和InGaAsP／InP等材料体系的实用化研究是当务之急，争取在“十五”末，能满足国内2、3和4英寸GaAs生产线所需要的异质结材料。到2010年，每年能具备至少100万平方英寸MBE和MOCVD微电子和光电子微结构材料的生产能力。达到本世纪初的国际水平。
宽带隙高温半导体材料如SiC，GaN基微电子材料和单晶金刚石薄膜以及ZnO等材料也应择优布点，分别做好研究与开发工作。
（2）一维和零维半导体材料的发展设想。基于低维半导体微结构材料的固态纳米量子器件，目前虽然仍处在预研阶段，但极其重要，极有可能触发微电子、光电子技术新的革命。低维量子器件的制造依赖于低维结构材料生长和纳米加工技术的进步，而纳米结构材料的质量又很大程度上取决于生长和制备技术的水平。因而，集中人力、物力建设我国自己的纳米科学与技术研究发展中心就成为了成败的关键。具体目标是，“十五”末，在半导体量子线、量子点材料制备，量子器件研制和系统集成等若干个重要研究方向接近当时的国际先进水平；2010年在有实用化前景的量子点激光器，量子共振隧穿器件和单电子器件及其集成等研发方面，达到国际先进水平，并在国际该领域占有一席之地。可以预料，它的实施必将极大地增强我国的经济和国防实力。
本文限于篇幅，只讨论了几种最重要的半导体材料，II－VI族宽禁带与II－VI族窄禁带红外半导体材料，高效太阳电池材料Cu（In，Ga）Se2，CuIn（Se，S）等以及发展迅速的有机半导体材料等没有涉及。
量子力学概述范文第6篇
【关键词】生态服务；数字化；景观
近来，随着城市住宅区域开发质量的不断提高，居住区的环境建构正在向低碳倡导、注重人文、技术与情感高度结合的方向前进。人们不再仅仅只关注户型、价格等因素，而更加注重房子的综合品质，小区居住环境是否适宜等等。社会压力的不断增大，舒适、自然、健良的居住环境成为人们的普遍追求。相应地，诸如多新生概念在居住区设计中能否实现；如何更好地做到人工技术与自然艺术的完美结合，实现现代文化与传统精髓有机统一，融居住区景观、人、自然为一体，成为当前景观设计师们需要多加关注的问题。
1 “景观数字化”概念的提出及其手段介绍
20世纪初，量子力学和相对论的提出极大地改变了人们的思维模式。1946年，建立在二进制代码基础上的世上首台电子计算机ENIAC（埃尼阿克）诞生。计算机的非线性数学模型，开辟了人类对客观世界的人工模拟。反到的建筑学领域，首先就是设计方式和方法的重要变革。信息数字化技术掀起了景观设计工作的技术性变化，生发出了人机交流、创建数字模型、多媒体等工作模式；而且促使景观设计本身也产生了多种多样的表现语言，最新一轮的设计理念更新方向是将景观设计与生态应用，目的是使居住区的人居结构更为合理。数字化的技术在居住区景观设计中的应用，使在过去的景观设计工作中常常遇到的非线性扭曲面等难题都得以解决，而且对空间进行调整时也不必再受到形体的约束。数字虚拟化技术的发展，为建筑设计师们想像力的驰骋提供了更为广阔的支持平台，使得住宅区景观设计形式得到了空前的扩展。设计师利用当今流行的图形分析、虚拟设计和数字化控制技术，设计师们摆脱了传统的线形思维方法，使更多种不规则、动态的、复杂类景观的实现成为可能。
2 住宅区景观设计的数字化
住宅区景观数字化设计就是指通过虚拟现实、参数化控制、生态模拟，遥感监控等多种技术的有机的整合，并开发和应用数据库对设计进行评估，规避设计风险，节约资源，实现可持续发展。
住宅区景观设计数字化包括已有的各种规划设计图纸的数字化和应用各种绘图软件进行住宅区景观的数字化规划设计，各种规划、各种住宅区景观照片和住宅区景观模型都是进行住宅区景观数字化设计的一手资料，将上述资料全部数字化以后，后将之和绘图软件绘制的设计图一起建立一个对应的数据库，形成一个完整的数据库。
3 居住区景观数字化的生态服务设计原则及方式
居住区生态环境指的是居民区表面外观及空间构造形式，绿地、道路及主体建筑构是居住区景观的基本设计成分。进行生态服务设计时设计师们要注意以下原则：一、保护。尽可能保护所有不可再生资源，尽可能保护原有的自然景观和生态景观。二、利用。尽可能利用已有条件，如规划区内废弃的建筑、现在植被、地形特点等等元素，结合居住区的功能要求进行二次设计，将现有元素进行再利用，这样可以既能节约城区资源又不浪费自然能源。三、尊重。尊重规划区范围内存在的生态物种多样性，特别是对于植物群落，不仅要尊重还要保护还要采取措施进行维持。这样才能尽量减少对于原生态的干扰和破环，促进生态系统的有序循环。
居住区景观数字化的生态服务设计方式有以下几种：
3.1 居住区景观数字化设计中的水资源设计
3.1.1 节水
绿地和植被景观灌溉是居住区水资源使用的最重要的部分，运营成本巨大，更关键的是会造成大量的水资源浪费。但居住区内的绿地景观又不可能不进行最基本维护，那么既然必须做，那就只好在设计时对于相应的技术进行科学设置。首先，可以想办法提高灌溉效率，设计利用滴灌方式对绿色景观进行灌溉。因其灌溉的准确性，这样做不仅可以省水，而且还能促进植物吸收养分，快速成长。其次，可以针对天然水收集来进行设计。居住区内的所有植被景观都使用居住区居民用水来进行灌溉，在某种程度上来说其实是一种浪费。完全可以在居住区内结合住区内的生态水处理系统加设一个集雨系统，用这个系统收集的水来进行灌溉不但经济，而且天然水灌溉更有利于植物景观生长。
3.1.2 集水
居住区如果使用大面积的不透水管道和地面，雨水就会被集中排放掉，易因为排水不及时而遭遇“于内地看海景”的尴尬。
在进行居住区水坏境设计时，一方面可以结合规划地内的地理条件多设置生态渗水池及聚水绿地，等到雨时再结合人工沟渠将雨水和地表水引入其中。其间当水流经过到植被区域和透水性较好的土壤区时，其中的污染物会自然得以过滤。这样就设出了一个天然降水、地面水、渗水池、和聚水绿地组成的开放式集排系统，不便能缓解水对植被的侵蚀，而且还促进了地表水向地下的渗透，达到了一定的节水目的。另一方面设计师可以考虑运用透水建材铺一定比例的居住地面，这样就可以帮助下雨时向地面渗水。
3.2 居住区景观数字化设计中的植物资源设计
3.2.1 护表土
我们的景观设计师要考虑到：第一、在居住区建设过程中，一定会出现道路开挖、建筑地基、公共广场建设等等现象，如果直接开挖可能会造成土壤的风化危及土壤中微小生物的生存，影响土壤的再利用。所以在景观设计时就要提出对于施工区域内的地表土实施专业储存；第二、在原有土壤结构健康的条件下，进行因地制宜。因为任何土壤的生态结构都有其内在的适应性，不适当的的改良反而会对其原有结构造成破坏，不利于土壤可持续的利用，设计师只要对其加强保护即可；第三，居住区建设施工时会用到大量建筑设备，不可避免会对原有地表形成挤压式破坏，但绿色景观的健康成长需要相对松软的土壤结构，所以对于表层土要实施翻耕，以恢复其活力。
3.2.2 利用植物资源
进行植物景观设计时，设计师们应把植物作为一种综合性资源来看待，尽量挑选出量有利于居住区生态维护的植物群落类型，在居住区自然地理条件允许的范围内，整体的生态服务规划和审美需求挑选多种类弄的物种种群，以利于达到未来居住区内生物多样性的稳定发展。此外，要在设计中避免对于居住区内原有植物生长环境的改变，因为一旦居住区内本源植物群落遭到破坏有可能遭到污染，将很难再自我恢复。
4 结束语
改善人居环境，居住区景观数字化设计最重要的目标。在居住区景观数字化设计工作进行中，景观设计师在考虑到居住区方方面面的实际因素，才能达到最大程度满足广大居民对居住环境的需求。
参考文献：
[1]赵霞,徐刚.居住区景观策划浅议[J].中华民居.2010(12):1
[2]唐涵.浅谈生态居住区规划设计[J].文海艺苑.2010(2):23-24．
量子力学概述范文第7篇
关键词：混沌理论；拓扑传递特性；混沌控制
中图分类号：TP271文献标识码：A文章编号：1009-2374（2009）06-0129-02
一、混沌概述
（一）混沌的定义
从数学上来讲，“混沌”这一词没有一个统一的严格定义，比较常用的有Li-Yorke、Devaney、Marotto意义下的三种定义。下面给出Devaney基于拓扑学的混沌定义：
定义：设V是一个度量空间，映射如果满足下列三个条件，便称f在V是混沌的。
（1）对初值敏感依赖；
（2）拓扑传递性：对V上的任一对开集X，Y，存在K>0，使；
（3）f的周期点集在V中稠密。
在定义中，对初值敏感依赖用数学语言描述是：存在δ>0，对任意的ε>0和任意的x∈V ，在x的ε邻域内存在 y和自然数n，使得 。用中国成语描述就是：“失之毫厘，差以千里”。这种敏感性并不局限于系统状态的初始值，同时适用于系统参数，著名的Logistic混沌系统就具有这种对初始条件、系统参数的极度敏感性。1979年美国气象学家洛仑兹（Edward Lorenz）在一次演讲中提到，巴西的一只小蝴蝶煽动一下翅膀，有可能在得克萨斯州引起一场龙卷风，这就是所谓的“蝴蝶效应”，“蝴蝶效应”使得系统具有长期不可预测性。这种初始条件敏感性不仅存在于自然界，同样也存在于人类社会中。1997年东南亚金融风暴的始作俑者乔治・索罗斯就被人称为“犹太蝴蝶”，因为据说是他在当年3月份大量抛售泰国铢，导致泰国铢汇率狂泻，并逐渐演变为席卷东南亚的金融“龙卷风”。
图1为受迫Duffing方程，，当两个初始条件相差很小时（如x（0）＝2.01与x（0）＝2.02），解x（t）随时间的变化和解在相平面（ ）上的相轨迹。
所谓拓扑传递特性，是指对于任意两个区域，在其中一个区域内至少存在一个点，系统从该点出发，经过一定时间后能转移到另外一个区域。更直接的说，具有拓扑传递特性的系统有这样的一些特点，系统从它的任意小邻域内出发，最终可以到达其它任何领域，这实际上意味着系统具有遍历性。同时，这类系统也不能被细分或不能被分解为两个互不影响的子系统。
周期轨道的稠密性是指在系统吸引子中稠密地嵌入着周期轨道，从数学上讲，对于V中的任意一点，要么它是周期轨道，要么在它的任意邻域内，总存在无穷个周期轨道，且这些周期轨道都是系统的解。从整体来看，混沌系统中看不到单个轨道，而是一簇轨道的保络，其中稠密地嵌入了无穷的周期轨道。
（二） 通向混沌运动的途径
通向混沌的道路主要有三条：倍周期分叉道路，阵发性道路和茹厄勒（Ruelle）-塔根司（Takens）道路。
1．倍周期分叉道路。系统运动变化的周期是一种有序状态，在一定的条件下，改变参数能使系统轨道一分为二，即周期加倍，参数继续改变，轨道的辟裂就继续发生，由二到四到八成倍周期增长，最终丧失周期而进入混沌。例如虫口模型 ， 在大于3以后，即为倍周期分叉通向混沌。美国物理学家费根鲍姆（M.J.Feigenbaum）的发现，是倍周期分叉中最为杰出的研究。为探索混沌的内在规律找到了一条道路。
2．阵发性道路。阵发性表示时间域中系统不规则行为和规则行为的随机交替现象。在非平衡系统中，某些参数的变化达到某一临界值时，系统会出现表现在时间行为上的时而周期，时而混乱，在两者之间随机震荡的状况，最终进入混沌。阵发性混沌最早见之于Lorenz模型，它与倍周期分叉所产生的混沌是孪生姐妹，凡是能观察到倍周期分叉的系统，原则上都可发现阵发性混沌现象。
3．茹厄勒-塔根司道路。当流体系统发生湍流（混沌）时，其显著特点是系统同时存在着多种频率的振荡。因此由于某些参数的变化使得系统内有不同频率的振荡相互耦合时，系统就会产生一系列新的耦合频率的运动而导致混沌。茹厄勒和塔根司两人在1971年以及纽豪（Newhause）在1978年分别用实验证明了实际上在三次分叉后，规则运动就变得高度不稳定而进入混沌，即不动点极限环二位环面混沌。
（三）混沌判别方法
系统是否存在混沌？系统是否处于混沌状态？这是研究混沌首先遇到的问题。下面主要谈三种常用的方法：
1．替代数据法。替代数据法是由 Theiler 等人提出来的。该方法的实现步骤为：首先作零假设（假设所讨论的时间序列为线性随机序列），按照一定的算法由待检验序列出发产生出一组既满足假设条件又保留了原序列的傅里叶（Fourier）功率谱值的替代数据，分别计算待检验数据及替代数据的李雅普洛夫（Lyapunov）指数或关联指数等指标，再根据原序列和替代数据指标的显著性差异水平，在一定的置信度内决定接受零假设还是拒绝零假设。
2．G-P算法。G-P算法是由Grassberger&Procaccia提出的。计算序列的关联维数 ，并根据关联维数的值来判定序列的特性。这种方法的判断准则是：当D2=1时，系统处于自持周期振荡状态；D2=2时，系统具有两种不可约频率的准周期振荡；当D2不是整数或大于2时，系统表现出对初始条件敏感的混沌振荡。
3．Lyapunov指数法。Lyapunov 指数用于量度在相空间中初始条件不同的两条相邻轨迹随时间按指数律吸引或分离的程度，这种轨迹收敛或发散的比率称 Lyapunov 指数。
Lyapunov 指数λ实际上就是系统在各次迭代点处导数绝对值的对数平均，它从统计特性上反映了非线性系统的动力学特性。在混沌的诊断中，λ起着非常重要的作用：若λ0（且有限），系统即不会稳定在不动点，也不存在稳定的周期解，同时也不会发散，表明系统进入混沌；分叉点对应于稳定轨迹的边缘，故λ=0。
此外，判别混沌的方法还有Poincare截面法、功率谱法、分维法和拓扑熵法等，但其核心仍是计算 Lyapunov 指数。
二、混沌的应用方向
混沌现象在现实世界里随处可见，但直到上世纪混沌现象才被人们发现。尽管混沌理论发展到现在还不是很完善，但是最近几年混沌应用发展很快，几乎各行各业中都有人在研究混沌的应用。
（一）混沌控制
混沌控制的基本思想就是人为地利用初始条件的微小变化来保持系统稳定或直接利用这一点来控制系统的状态。在以下领域混沌都能起到有效的控制作用，如飞机机翼的振动控制、电力传送系统、涡轮机、化学反应、医学上的心脏起博器、传送带、经济规划、电脑网络、航空航天等。美国航空航天局在1978年发射了一艘飞船，1983年，为了重新设置一颗绕太阳旋转的彗星的运行轨道，NASA的工程师们运用卫星本身的推进系统、月球对卫星轨道的影响以及太阳本身的扰动，成功地对该卫星进行了重新定位。当时还没有提出“混沌控制”这个专业术语，但这次事件确实用到混沌控制的基本思想。实际上卫星、月球和太阳组成了一个开始提到的三体问题，即混沌系统，天才的工程师们就是利用了混沌系统对初始条件的敏感性――通过残存的很少一部分飞船燃料，使飞船自身状态得到微小变化以达到控制飞船的目的，这在非混沌系统中是不可能的。
（二）混沌同步
混沌同步是指由一个自治的系统出发，构造新的混沌系统，使它们具有共同的同步混沌轨道。1989年Tom Carroll创造了第一个同步混沌电子电路。在工程上设计理想的同步混沌系统还处于起步阶段，但有很好的应用前景。通过比较两个同样的混沌信号（即混沌同步）可以用于信息加密，也可以通过除去混沌信号而获知信息的内容，人为产生的服从某些规律的信号还能够用于信息的传输。
（三）混沌的短期预测
严格来说我们的世界是一个非线性的世界，混沌现象随处可见，尽管目前已经对混沌应用作了大量研究，但混沌至今还没有统一的数学定义，混沌应用更是个全新的学科领域，因此混沌理论及其应用都还有待于进一步探索，也预示着混沌应用具有巨大潜力。随着人们对混沌认识的不断深入，将能更好地控制和利用混沌为人类服务，甚至一些用已有的科学知识无法解决的疑难问题都将迎刃而解。
参考文献
[1]代榕．混沌保密通信系统的设计与研究 [D]．广西师范大学，2008．
[2]杨朝羽．时空混沌的控制研究[D]．广西师范大学，2008．
[3]王磊．混沌系统的控制与同步研究[D]．西华大学，2007．
量子力学概述范文第8篇
《时间简史》的重点就是概述黑洞和宇宙奇点大爆炸理论，它从爱因斯坦的相对论开始一步一步的探讨，补充了广义相对论中的一些不足。这里给大家分享一些关于初中生时间简史读后感范文，供大家参考。
初中生时间简史读后感范文1浩瀚的宇宙、神秘的地球，以及那些目前为止人类尚不足以弄明白的事物总是像磁铁般地吸引着有着强烈好奇心的人们。无论是年少的还是年长的，人们总是去不断的学习，为的是能更好地了解我们周围的各种事物。本学期有幸在学校的安排下，我们教研组内集体讨论说要看此书。
翻着这本书，总有一种似懂非懂，一会儿看懂，一会儿不懂的感觉;同时又感觉到一个个精彩故事，情节跌宕起伏，不忍放下。简史从思索宇宙的年轻人演讲到宇宙演化的图像，从牛顿宇宙到相对论，之后讲了弯曲空间、黑洞、大爆炸、虫洞等等理论。一个个理论诞生、发展，一层一层的剖析，然后又被新的理论替代，每一个理论像一个个时代的英雄从弱小到伟大，从成长到衰落。使我们在阅读霍金先生高深思维的同时，也惊叹其优秀的文学逻辑。简史的普及版是以普及科学知识为目的的着作，除了让我们懂得一些基本的知识外，更教会我们如何正确地看待世界以及我们周围的许许多多的奇异的事情，让我们学会了用科学的眼光来看待事物，而不是遇到难懂的事物就盲目的相信迷信之类的歪理邪说。
这本书让我学到了许多新的知识，这些知识让我们觉得深思给人以启示。如人存原理是指我们之所以看到宇宙是这个样子，是因为如果它不是这样的话，我们就不会在这里去观察它。从人存原理又涉及了达尔文的自然选择，霍金先生很精辟的说，许多科学理论也非常符合达尔文的自然选择。其思想是，在任何自我繁殖的有机组织群体中，不同个体的遗传物质和成长存在变异。这些差别意味着，某些个体比其他个体更能得出有关它们周围世界的正确结论并相就地行为。这些个体就更可能戚并繁衍，自然选择赋予我们推理能力，这就要我们去寻找完备的统一理论，不会误导我们去得到错误的结论。因此我们以前所认定的牛顿三大理论也有错误，因为牛顿认为时间都是绝对性的，然后爱因斯坦提出来了相对论，他不断的完善他的相对论，从狭义相对论到广义相对论，但我们并不认为广义相对论一定是统一的完美的理论。除此之外，如以太物质，弯曲空间，等效原理，双子生佯谬，膨胀宇宙，黑洞原理，虫洞理论，四维空间，时间与温度的关联等等都给了我知识与心灵的双重冲击。
一本好书不仅能教给别人知识，更主要的是能让读者有所思有所感，时间简史就是这样一本让人有所思有所感的好书。
初中生时间简史读后感范文2记得很小很小的时候就听过霍金与《时间简史》这两个名字，当时只是好奇;再大些的时候，一次课本上出现了身患异症的霍金与死神一次次的搏斗故事，当时只是敬仰;时隔四五年，有一次在参考书中看到《时间简史》这个名字，意识驱动我一定要看看。趁着期末考试刚一结束，就一人匆匆忙忙感到新华书店，找了半天还询问了图书管理员才与这本书见面。
我欢乐的拿着这部精装版的《时间简史》回到了家。既然书名叫做《时间简史》，那么书中所写的一切自然是和时间有关的了。为了讲明时间，作者从宇宙开始写起，而后说到空间，而后又说到黑洞，而后再说到虫洞，最后才得到了结论。书中的语言都充满了知识性与专业性，让我感到懵懵懂懂的。时间与空间，在我看来根本是风牛马不相即是两回事，而书中将时间与空间联系在一起。
然而，从任何方向看，宇宙都是一样的。宇宙是无限的，因为他是无限的，所以画任何一条线都可以认为是中线，任何一个地方都可以是宇宙的中心，也都可以认为是宇宙的边缘。
空间和时间是一个整体，有空间的地方就有时间，有时间的地方就有空间。那么宇宙在膨胀，时间就在延续，宇宙一旦停止膨胀，时间也就停止。那就是世界末日。时间和空间只能是一个整体，它们之间的夹角只能是零。因为它们在大爆炸之前交与一个奇点，所以它们不可能品行。时间和空间是一个整体意味着它们不可能单独存在。这样，必然的结论是：空间和时间是连续的，那么它们有速度吗?因为空间有速度，所以时间必然存在一个速度，即空间膨胀的速度等于时间的速度。
那么时间的速度(宇宙膨胀的速度)与光速相比呢?如果时间的速度>光速，我们认为是超光速。而超光速是不成立的!因为我们的速度等价于时间的速度，我们是无法看到光的。如果时间的速度=光速，或许这种更为大多数人认同。而如果时间的速度
这本书中还讲到了关于时间扭曲与曲线的问题。我对黑洞很感兴趣，以前也专门看过关于黑洞的一些资料片。据我了解的，黑洞是一种物质，它的密度要比其他物质远远大的多。在初中学关于物质密度时了解到：密度最小的是宇宙空间的物质，而最大的就是黑洞了。因为黑洞的体积不足一个乒乓球大，而质量却是太阳的几万倍。它的力量足以使时间扭曲，光线无法逃脱它的魔掌。有科学家指出，广大的宇宙空间中存在上万个黑洞，而且在不停的运动中。假设在太阳附近出现一个黑洞，那么整个太阳将在3——4分钟内被撕成碎片。初看还不懂为什么要用“撕”这个动词，而在看了模拟影片后，我感触到了黑洞那种残暴的手段……
我只是一个刚刚上高一的学生，出于多次与霍金、《时间简史》的巧遇，才看了这本经典巨著。有个最大的感受就是越看到后来出现的问题越多，有越多的事情想不通，或许我学的知识还太浅薄，但我相信随着我的不断成长，我会完全看懂这部书的!
初中生时间简史读后感范文3由英国物理学家斯蒂芬·霍金创作的科学巨著《时间简史》，包括黑洞、宇宙的起源和命运、宇宙图像、空间和时间、宇宙膨胀、不确定性原理等内容，为了能让科普的效果最佳化，霍金以尽可能浅显易懂的语言地介绍了远星系、粒子、黑洞、反物质等相关知识，并阐述了宇宙的起源、空间和时间以及相对论等经典命题。
在读过这本书之后，发现虽然霍金虽然已经尽可能地用深入浅出的语言描述，让更多的人可以容易理解，但是也有很多地方读起来比较难于理解，而且会发现学过的大学物理可以在很大程度上为理解他的一些问题奠定坚实的基础，对我们理解这本书有极大的益处。
读完《时间简史》后，我印象最深的有以下三个方面：第一，奇点理论。在这个理论中，认为在宇宙大爆炸之前，整个宇宙是浓缩成一个点的，而这个点，就称之为奇点。它被认为是这个宇宙的开端。而这个奇点正是霍金和另一位科学家罗杰·彭罗斯利用数学计算得出的，他们两人创立了现代宇宙论的数学结构理论。第二方面是无边界宇宙模型。结合了广义相对论和量子力学，霍金提出了有限无边界宇宙。这个模型我们应该怎么理解?
以地球为例，它是有限的，可是当我们在地球上一直向一个方向前进，却永远也走不到尽头，这就是无边界的的体现。第三个，黑洞是有辐射的。一个物体质量越大，引力也就越大。一般一个恒星在衰老之后，由于引力而收缩到一个体积很小，但是引力很大的状态时，就形成了黑洞。不过，有温度的物质就会发射粒子，可是黑洞引力非常大，粒子怎么逃脱呢?关于这个矛盾的问题，霍金认为，黑洞也是有辐射的，不过辐射不是从黑洞里面发射出来的，而是从黑洞的边缘，边缘空虚的空间。这里产生的负离子会被黑洞吸收，但是一些运气比较好的正离子可以逃出黑洞。处于外面的我们，就会发现黑洞有辐射。这个辐射也被称之为霍金辐射。
这些科学理论，极大地丰富了我的课外精神生活，也增加了我对科学的兴趣，相信在《时间简史》的感召下，有更多的人会变得热爱科学，热爱探索。
初中生时间简史读后感范文4浩瀚的宇宙中，有太多的谜团，他们就像一块磁石一样牢牢的吸引着我们，使我们十分密切的关注着这些谜团的研究近况。这个假期，我有幸从朋友家中借到史蒂芬·霍金著的《时间简史》，我正襟危坐，准备细细品味一番，感受霍金文字的魔力。
当我翻开书，发现自己果真“不虚此行”，书中观点独到、措词精准，在“相对论”与“弯由空间”之两章节中，作者以引人入胜的方式，把它们阐释得深入浅出，淋漓尽致，霍金用谐恢的笔调向大众展示了观点，而又不让人感到单调与乏味。
我一向不崇信什么牛鬼蛇神，对科学情有独钟，而《时间简史》就是用那些简学先辈的实验结果，以及人们对这种的看法与态度去编写的，而且作者还不失时机的纳入理论和观测的最新成果，使人兴奋不已。且书中完全没能那些认读者昏昏欲睡的长篇大论，都是用极其精练的短式文章，更是加深了我对它的好感。
被人搅浑的河水，你一时很难看清河底，你越是急躁，就越看不到，只有平静内心，等尘埃、沙石落定，这是河底的游鱼、彩石、蠕虫就一目了然了。这就是我阅读《时间简史》的心得，虽然书经人修改已变得通俗易懂，可有的地方还需要慢慢品味才能体会出用意，才能更加深入，更加透彻的读懂，倘若你这时心急气躁，就会欲速不达，一段时间内很难读懂。
更加精彩的是，书中还有许多插图，帮助我们们读懂它，还附有作者对未来宇宙的大胆推测与猜想。优美的词句记我们恍然置身于宇宙中，亲眼目睹诸如“宇宙大爆炸”、“黑洞”等事件或事物，作者也十分有心地介绍了如牛顿、伽利略、阿尔伯特等科学狂人的生平，俗话说“听君一席话，胜读十年书”。可看完《时间简史》后发现，书中的知识与精髓相当于“听君十席话”。
再谈本书作者，斯蒂芬·霍金，大家都学过《轮椅上的巨人》，就是说霍金的，他因患“渐冻症”，被禁锢在一把轮椅上40年之久，但他身残志不残，使之化为优势，克服了身体缺陷而成为国际之“超星”，他不能写字，甚至口齿不清，但他超越了“相对论”、“量子学”、“大爆炸”等论理，迈入了浩大的宇宙中，尽管他那么无助的坐在轮椅上，但他的思想却超越了宇宙。
约翰·弥乐顿讲得没错：“头脑是他自己的住处，他在其中可制造地狱的天堂，也可制造天堂的地狱。”
让我们记住《时间简史》，它对我们终生有莫大帮助，我们将受益匪浅。
初中生时间简史读后感范文5时值暑期，正是充电的好时候。上网一查，100本书一字排开，再仔细一看，我的眼球立刻被一本书吸引了，那本书正是《宇宙简史》。茫茫书海独见一书，此书当然不同凡响。自己平时一直喜欢看一些科普类的书，对《时间简史》也早已有所见闻，适逢暑假，又恰见这本仰慕已久的书的姐妹篇，当然立即拍案决定购买此书。这是一本写给普通人的科学巨著，用最简单的语言阐述了最深奥的宇宙原理。在不断汲取着新知识的同时，从书中我也收获了许多其他的东西，这些已超过了知识本身给我带来的启迪。《时间简史》已给我带来了一轮强烈的冲击，而《宇宙简史》把这股冲击延续了下去。
我喜欢这本书，因为我漫步在知识的世界中。曾几何时，自己对于宇宙充满了无尽的幻想和渴望，想着天上的星星，想着天上的月亮。现在，我依然喜欢眺望星空，看着颗颗流星，看着五彩的星座。从书中，我了解了更多关于黑洞的故事，揭开了反物质神秘的面纱，知道了更多遥远星系的奥秘。从书中，我掌握了许多天文学的知识，让自己与遥远的未知更近了一步。
我喜欢这本书，因为我从中学会了一种对待人生的态度。“我们之所以看到宇宙是这个样子，只是因为如果他不是这个样子，我们就不会在这里去观察它。”从书中，我感悟到的是那颗对科学执着严谨的心，那颗对一切充满好奇的心，那颗刨根问底的心。科学家们的不懈追求，为的是人类科学文明的进步，特别是对于外太空的探索，从不曾止步。所以读罢此书，我更感受到的即是这种孜孜不倦的精神。