導(dǎo)語(yǔ)：如何才能寫好一篇相對(duì)論和量子力學(xué)的關(guān)系，這就需要搜集整理更多的資料和文獻(xiàn)，歡迎閱讀由公務(wù)員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

本書共25章：1. 引言；2. 數(shù)學(xué)綜述；3. 量子力學(xué)的規(guī)則；4. 基本定律與和波動(dòng)力學(xué)間的關(guān)聯(lián)；5.量子力學(xué)規(guī)律的進(jìn)一步說明；6. 一維波動(dòng)力學(xué)的后續(xù)發(fā)展；7. 角動(dòng)量的理論；8. 三維波動(dòng)力學(xué)：氫原子；9. 對(duì)束縛態(tài)問題的時(shí)間無(wú)關(guān)近似；10. 微擾理論的應(yīng)用：氫原子的束縛態(tài)；11. 相同粒子；12. 原子的結(jié)構(gòu)；13. 分子；14. 物質(zhì)的穩(wěn)定性；15. 光子；16. 非相對(duì)論帶電粒子與輻射間的相互作用；17. 微擾理論中的其它課題；18. 散射；19. 特殊相對(duì)論和量子力學(xué)：KleinGordon方程；20. 狄拉克方程；21. 相對(duì)論自旋-1/2粒子與外部電磁場(chǎng)的相互作用；22. 狄拉克場(chǎng)；23. 相對(duì)論電子、正電子和光子之間的相互作用；24. 弱相互作用的量子力學(xué)；25. 量子測(cè)量問題。每章的結(jié)尾有練習(xí)題。書的末尾有3個(gè)附錄、引文的出處、參考書目和主題索引。

本書著者Eugene D. Commins是美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校物理系的退休教授，是該校優(yōu)秀的研究生導(dǎo)師。他的主要研究領(lǐng)域是實(shí)驗(yàn)原子物理學(xué)。他是美國(guó)國(guó)家科學(xué)院（NAS）院士，美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)（AAAS）成員，美國(guó)物理學(xué)會(huì)（APS）成員。他曾多次獲得教學(xué)獎(jiǎng)，包括2005年美國(guó)物理學(xué)教師協(xié)會(huì)頒發(fā)的奧斯卡金獎(jiǎng)，這是對(duì)有杰出貢獻(xiàn)的物理教師的最高獎(jiǎng)。他發(fā)表過不少論著。不幸的是，本書出版后不久，作者去世了（1932-2015）。

本書的內(nèi)容在許多方面與其它的量子力學(xué)教科書不同。傳統(tǒng)的量子力學(xué)大多是在直角坐標(biāo)或極坐標(biāo)中討論或展開量子力學(xué)問題，而本書較多地在希爾伯特（Hilbert）矢量空間探索量子力學(xué)問題，還利用了與傳統(tǒng)量子力學(xué)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，數(shù)學(xué)工具不同，因此對(duì)量子力學(xué)各種關(guān)系的表征也不同。本書是物理系大學(xué)生和研究生的教科書和參考書。也是物理學(xué)家有價(jià)值的參考書。

篇2

關(guān)鍵詞：空間；時(shí)間；質(zhì)量；能量；科學(xué)技術(shù)

物理學(xué)是一門既古老又年輕的自然科學(xué)，它對(duì)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展起著重要的作用。物理學(xué)和其他自然科學(xué)一樣，是研究自然界中物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的客觀規(guī)律的科學(xué)。細(xì)分起來(lái)物理學(xué)大致經(jīng)過了四個(gè)發(fā)展階段。

1 物理學(xué)的發(fā)展過程

1.1 宏觀低速階段

研究宏觀低速的理論是牛頓力學(xué)，研究對(duì)象為宏觀低速運(yùn)動(dòng)的物體。例如：汽車、火車的運(yùn)動(dòng)，地球衛(wèi)星的發(fā)射。在牛頓力學(xué)中，牛頓認(rèn)為：質(zhì)量、時(shí)間、空間都是絕對(duì)的。也就是說，對(duì)于時(shí)間來(lái)講不存在延長(zhǎng)和收縮的問題，即時(shí)間是在一秒鐘，一秒鐘地或一個(gè)小時(shí)，一個(gè)小時(shí)地均勻流失。對(duì)于空間和質(zhì)量來(lái)講也不存在著變大或變小的問題。牛頓力學(xué)的三大定律，就是在這樣的基礎(chǔ)上建立的。

1.2 宏觀高速階段

研究宏觀高速的理論是愛因斯坦的相對(duì)論力學(xué)，愛因斯坦在1905年發(fā)表了論文相對(duì)論力學(xué)。愛因斯坦認(rèn)為空間、質(zhì)量、時(shí)間都是相對(duì)的。并且找出了動(dòng)質(zhì)量和靜質(zhì)量之間的關(guān)系：其中m0為靜質(zhì)量；m為動(dòng)質(zhì)量。

1.3 微觀低速階段

其理論是薛定諤，海森堡兩個(gè)創(chuàng)立的量子力學(xué)。研究對(duì)象為分子、原子、電子、粒子等肉眼所看不見的物質(zhì)。

1.4 微觀高速階段

理論是量子場(chǎng)論，研究對(duì)象為宇宙射線，放射性元素。例如“鐳”。量子場(chǎng)論就是粒子通過相互作用而被產(chǎn)生，湮滅或相互轉(zhuǎn)化的規(guī)律。例如：通過對(duì)天外射線射向地球宇宙射線的研究發(fā)現(xiàn)“反粒子”，即電子的反粒子正電子。負(fù)電子與正電子相互作用湮沒——轉(zhuǎn)化為二個(gè)γ光子，例如“閃電”。

2 物理學(xué)與工程技術(shù)的關(guān)系

物理學(xué)與工程技術(shù)有著密切的關(guān)系，他們之間是相互促進(jìn)共同發(fā)展的。我們平時(shí)常說科學(xué)技術(shù)，實(shí)際上科學(xué)和技術(shù)是兩個(gè)不同的概念?？茖W(xué)解決理論問題，而技術(shù)解決實(shí)際問題。科學(xué)是發(fā)現(xiàn)自然界當(dāng)中確實(shí)存在的事實(shí)，并且建立理論，把這些理論和現(xiàn)象聯(lián)系起來(lái)?？茖W(xué)主要是探索未知，而技術(shù)是把科學(xué)取得的成果和理論應(yīng)用于實(shí)際當(dāng)中，從而解決實(shí)際問題。所以技術(shù)是在理論相對(duì)比較成熟的領(lǐng)域里邊工作?？茖W(xué)與工程技術(shù)相互促進(jìn)的模式主要有以下兩種。

2.1 技術(shù)——物理——技術(shù)

例如：蒸汽機(jī)的發(fā)明和蒸汽機(jī)在工業(yè)當(dāng)中的應(yīng)用形成了第一次工業(yè)革命——熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理——蒸汽機(jī)效率的提高，內(nèi)燃機(jī)，燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)明。這一次主要是這樣：由于蒸汽機(jī)的發(fā)明，在當(dāng)初工業(yè)應(yīng)用上，出現(xiàn)了很多應(yīng)用技術(shù)的問題。例如蒸汽機(jī)發(fā)明的初期熱效率很低，大概不到5%。這樣，就對(duì)物理提出了很尖銳的問題。那就是熱機(jī)的效率最高能達(dá)到多少？熱機(jī)的效率有沒有上限？上限是多少？再一個(gè)就是通過什么樣的方式來(lái)提高熱機(jī)的效率？由于這些問題就促進(jìn)了物理學(xué)的發(fā)展，正是在這些問題解決的過程當(dāng)中，逐漸形成和建立了熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理。而熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理很好地回答了提高熱機(jī)效率的途徑，以及提高熱機(jī)效率的限度等等這些理論上的問題。

2.2 物理——技術(shù)——物理

例如：

①電磁學(xué)——發(fā)電機(jī)，電力電器，無(wú)線電通信技術(shù)——電磁學(xué)；電磁學(xué)從庫(kù)侖定律的發(fā)現(xiàn)，以及法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)定律，直到1865年麥克斯韋建立電磁學(xué)基本理論，這些都是科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室里邊逐漸形成的，這都是理論建立的過程，而這些理論應(yīng)用于實(shí)際就發(fā)明了電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)等其它電器以及無(wú)線電通信技術(shù)，而這些實(shí)用技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展又給電磁學(xué)提出來(lái)了許多需要解決的實(shí)際問題。正是這些問題的逐步解決，使得電磁學(xué)更加的完善和在理論上進(jìn)一步得到了提高。

②量子力學(xué)，半導(dǎo)體物理——晶體管超級(jí)大規(guī)模集成電路技術(shù)，電子計(jì)算機(jī)技術(shù)，激光技術(shù)——量子力學(xué)，激光物理；量子力學(xué)是20世紀(jì)初期為了解決物理上的一些疑難問題而建立起來(lái)的一種理論，這種理論應(yīng)用于解決晶體的問題就形成了半導(dǎo)體技術(shù)，而半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展就發(fā)明了大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路，而超大規(guī)模集成電路的發(fā)明是產(chǎn)生電子計(jì)算機(jī)的主要物質(zhì)基礎(chǔ)，而正是由于電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展又向量子力學(xué)提出了一些其他更加深刻需要解決的問題，而這些問題的解決就促進(jìn)了量子力學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展和完善。

③狹義相對(duì)論，質(zhì)能關(guān)系E=mc2， E=mc2——原子彈及核能的利用——核物理，粒子物理，高能物理；狹義相對(duì)論是20世紀(jì)初期愛因斯坦建立的一種理論，他是為了解決電磁學(xué)等其他物理學(xué)科上的一些經(jīng)典物理當(dāng)中理論上的一些不協(xié)調(diào)和不自恰這樣一種矛盾而提出的一種理論，這種理論當(dāng)中有一個(gè)很重要的理論結(jié)果，那就是質(zhì)能關(guān)系E=mc2，E=mc2。而這種質(zhì)能關(guān)系被我們稱為打開核能寶庫(kù)的鑰匙，這一理論結(jié)果的應(yīng)用直接導(dǎo)致了或者指導(dǎo)了核能的應(yīng)用，而對(duì)于核能的進(jìn)一步應(yīng)用又提出了許多新的問題，而這些新問題的進(jìn)一步解決使得理論更加完善而得到進(jìn)一步提高，從而形成像核物理，粒子物理，以及高能物理等等，那么實(shí)際技術(shù)上問題的解決又進(jìn)一步促進(jìn)了物理學(xué)的發(fā)展。

3 結(jié)語(yǔ)

應(yīng)該說物理和技術(shù)有著密切的聯(lián)系，物理原理及理論的初創(chuàng)式開發(fā)和應(yīng)用都形成了當(dāng)時(shí)的高新技術(shù)，物理學(xué)仍然是當(dāng)代高新技術(shù)的主要源泉。所有新技術(shù)的產(chǎn)生都在物理學(xué)中經(jīng)歷了長(zhǎng)期醞釀。例如：1909年盧瑟福的粒子散射實(shí)驗(yàn)——40年后的核能利用；1917年愛因斯坦的受激發(fā)射理論——1960年第一臺(tái)激光器的誕生等，整個(gè)信息技術(shù)的產(chǎn)生、發(fā)展，其硬件部分都是以物理學(xué)為基礎(chǔ)的。

參考文獻(xiàn)：

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[3]關(guān)洪.空間：從相對(duì)論到 M理論的歷史[M].北京 ：清華大學(xué)出版社 ，2004.

篇3

1、相對(duì)論是20世紀(jì)杰出的物理學(xué)家阿爾伯特·愛因斯坦提出的。相對(duì)論是關(guān)于時(shí)空和引力的理論，依其研究對(duì)象的不同可分為狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論。

2、相對(duì)論和量子力學(xué)的提出給物理學(xué)帶來(lái)了革命性的變化，它們共同奠定了現(xiàn)代物理學(xué)的基礎(chǔ)。相對(duì)論極大地改變了人類對(duì)宇宙和自然的“常識(shí)性”觀念，提出了“同時(shí)的相對(duì)性”、“四維時(shí)空”、“彎曲時(shí)空”等全新的概念。不過近年來(lái)，人們對(duì)于物理理論的分類有了一種新的認(rèn)識(shí)——以其理論是否是決定論的來(lái)劃分經(jīng)典與非經(jīng)典的物理學(xué)，即“非經(jīng)典的=量子的”。在這個(gè)意義下，相對(duì)論仍然是一種經(jīng)典的理論。

3、狹義相對(duì)論在狹義相對(duì)性原理的基礎(chǔ)上統(tǒng)一了牛頓力學(xué)和麥克斯韋電動(dòng)力學(xué)兩個(gè)體系，指出它們都服從狹義相對(duì)性原理，都是對(duì)洛倫茲變換協(xié)變的，牛頓力學(xué)只不過是物體在低速運(yùn)動(dòng)下很好的近似規(guī)律。廣義相對(duì)論又在廣義協(xié)變的基礎(chǔ)上，通過等效原理，建立了局域慣性長(zhǎng)與普遍參照系數(shù)之間的關(guān)系，得到了所有物理規(guī)律的廣義協(xié)變形式，并建立了廣義協(xié)變的引力理論，而牛頓引力理論只是它的一級(jí)近似。

4、這就從根本上解決了以前物理學(xué)只限于慣性系的問題，從邏輯上得到了合理的安排。相對(duì)論嚴(yán)格地考察了時(shí)間、空間、物質(zhì)和運(yùn)動(dòng)這些物理學(xué)的基本概念，給出了科學(xué)而系統(tǒng)的時(shí)空觀和物質(zhì)觀，從而使物理學(xué)在邏輯上成為完美的科學(xué)體系。

（來(lái)源：文章屋網(wǎng) ）

篇4

[關(guān)鍵詞]量子體系 對(duì)稱性 守恒定律

一、引言

對(duì)稱性是自然界最普遍、最重要的特性。近代科學(xué)表明，自然界的所有重要的規(guī)律均與某種對(duì)稱性有關(guān)，甚至所有自然界中的相互作用，都具有某種特殊的對(duì)稱性——所謂“規(guī)范對(duì)稱性”。實(shí)際上，對(duì)稱性的研究日趨深入，已越來(lái)越廣泛的應(yīng)用到物理學(xué)的各個(gè)分支：量子論、高能物理、相對(duì)論、原子分子物理、晶體物理、原子核物理，以及化學(xué)（分子軌道理論、配位場(chǎng)理論等）、生物（DNA的構(gòu)型對(duì)稱性等）和工程技術(shù)。

何謂對(duì)稱性？按照英國(guó)《韋氏國(guó)際辭典》中的定義：“對(duì)稱性乃是分界線或中央平面兩側(cè)各部分在大小、形狀和相對(duì)位置的對(duì)應(yīng)性”。這里講的是人們觀察客觀事物形體上的最直觀特征而形成的認(rèn)識(shí)，也就是所謂的幾何對(duì)稱性。

關(guān)于對(duì)稱性和守恒定律的研究一直是物理學(xué)中的一個(gè)重要領(lǐng)域，對(duì)稱性與守恒定律的本質(zhì)和它們之間的關(guān)系一直是人們研究的重要內(nèi)容。在經(jīng)典力學(xué)中，從牛頓方程出發(fā)，在一定條件下可以導(dǎo)出力學(xué)量的守恒定律，粗看起來(lái)，守恒定律似乎是運(yùn)動(dòng)方程的結(jié)果．但從本質(zhì)上來(lái)看，守恒定律比運(yùn)動(dòng)方程更為基本，因?yàn)樗硎隽俗匀唤绲囊恍┢毡榉▌t，支配著自然界的所有過程，制約著不同領(lǐng)域的運(yùn)動(dòng)方程．物理學(xué)關(guān)于對(duì)稱性探索的一個(gè)重要進(jìn)展是諾特定理的建立，定理指出，如果運(yùn)動(dòng)定律在某一變換下具有不變性，必相應(yīng)地存在一條守恒定律．簡(jiǎn)言之，物理定律的一種對(duì)稱性，對(duì)應(yīng)地存在一條守恒定律．經(jīng)典物理范圍內(nèi)的對(duì)稱性和守恒定律相聯(lián)系的諾特定理后來(lái)經(jīng)過推廣，在量子力學(xué)范圍內(nèi)也成立．在量子力學(xué)和粒子物理學(xué)中，又引入了一些新的內(nèi)部自由度，認(rèn)識(shí)了一些新的抽象空間的對(duì)稱性以及與之相應(yīng)的守恒定律，這就給解決復(fù)雜的微觀問題帶來(lái)好處，尤其現(xiàn)在根據(jù)量子體系對(duì)稱性用群論的方法處理問題，更顯優(yōu)越。

在物理學(xué)中，尤其是在理論物理學(xué)中，我們所說的對(duì)稱性指的是體系的拉格朗日量或者哈密頓量在某種變換下的不變性。這些變換一般可分為連續(xù)變換、分立變換和對(duì)于內(nèi)稟參量的變換。每一種變換下的不變性，都對(duì)應(yīng)一種守恒律，意味著存在某種不可觀測(cè)量。例如，時(shí)間平移不變性，對(duì)應(yīng)能量守恒，意味著時(shí)間的原點(diǎn)不可觀測(cè)；空間平移評(píng)議不變性，對(duì)應(yīng)動(dòng)量守恒，意味著空間的絕對(duì)位置不可觀測(cè)；空間旋轉(zhuǎn)不變性，對(duì)應(yīng)角動(dòng)量守恒，意味著空間的絕對(duì)方向不可觀測(cè)，等等。在物理學(xué)中對(duì)稱性與守恒定律占著重要地位，特別是三個(gè)普遍的守恒定律——?jiǎng)恿?、能量、角?dòng)量守恒，其重要性是眾所周知，并且在工程技術(shù)上也得到廣泛的應(yīng)用。因此，為了對(duì)守恒定律的物理實(shí)質(zhì)有較深刻的理解，必須研究體系的時(shí)空對(duì)稱性與守恒定律之間的關(guān)系。

本文將著重討論非相對(duì)論情形下討論量子體系的時(shí)空對(duì)稱性與三個(gè)守恒定律的關(guān)系，并在最后給出一些我們常見的對(duì)稱變換與守恒定律的簡(jiǎn)單介紹。

二、對(duì)稱變換及其性質(zhì)

一個(gè)力學(xué)系統(tǒng)的對(duì)稱性就是它的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的不變性，在經(jīng)典力學(xué)里，運(yùn)動(dòng)規(guī)律由拉格朗日函數(shù)決定，因而時(shí)空對(duì)稱性表現(xiàn)為拉格朗日函數(shù)在時(shí)空變換下的不變性．在量子力學(xué)里，運(yùn)動(dòng)規(guī)律是薛定諤方程，它決定于系統(tǒng)的哈密頓算符，因此，量子力學(xué)系統(tǒng)的對(duì)稱性表現(xiàn)為哈密頓算符的不變性。

對(duì)稱變換就是保持體系的哈密頓算符不變的變換．在變換S（例如空間平移、空間轉(zhuǎn)動(dòng)等）下，體系的任何狀態(tài)ψ變?yōu)棣转╯）。

三、對(duì)稱變換與守恒量的關(guān)系

經(jīng)典力學(xué)中守恒量就是在運(yùn)動(dòng)過程中不隨時(shí)間變化的量，從此考慮過渡到量子力學(xué)，當(dāng)是厄米算符，則表示某個(gè)力學(xué)量，而

然而，當(dāng)不是厄米算符，則就不表示力學(xué)量.但是，若為連續(xù)變換時(shí)，我們就很方便的找到了力學(xué)量守恒。

設(shè)是連續(xù)變換，于是可寫成為=1+IλF，λ為一無(wú)窮小參量，當(dāng)λ0時(shí)，為恒等變換?？紤]到除時(shí)間反演外，時(shí)空對(duì)稱變換都是幺正變換，所以

（8）式中忽略λ的高階小量，由上式看到

即F是厄米算符，F(xiàn)稱為變換算符的生成元。由此可見，當(dāng)不是厄米算符時(shí)，與某個(gè)力學(xué)量F相對(duì)應(yīng)。再根據(jù)可得

（10）

可見F是體系的一個(gè)守恒量。

從上面的討論說明，量子體系的對(duì)稱性，對(duì)應(yīng)著力學(xué)量的守恒，下面具體討論時(shí)空對(duì)稱性與動(dòng)量、能量、角動(dòng)量守恒。

1.空間平移不變性（空間均勻性）與動(dòng)量守恒。

空間平移不變性就是指體系整體移動(dòng)δr時(shí)，體系的哈密頓算符保持不變．當(dāng)沒有外場(chǎng)時(shí)，體系就是具有空間平移不變性。

設(shè)體系的坐標(biāo)自r平移到，那么波函數(shù)ψ(r)變換到ψ(s)(r)

2.空間旋轉(zhuǎn)不變性（空間各向同性）與角動(dòng)量守恒

空間旋轉(zhuǎn)不變性就是指體系整體繞任意軸n旋δφ時(shí)，體系的哈密頓算符不變。當(dāng)體系處于中心對(duì)稱場(chǎng)或無(wú)外場(chǎng)時(shí)，體系具有空間旋轉(zhuǎn)不變性。

3.時(shí)間平移不變性與能量守恒

時(shí)間平移不變性就是指體系作時(shí)間平移時(shí)，其哈密頓算符不變。當(dāng)體系處于不變外場(chǎng)或沒有外場(chǎng)時(shí)，體系的哈密頓算符與時(shí)間無(wú)關(guān)（），體系具有時(shí)間平移不變性。

和空間平移討論類似，時(shí)間平移算符δt對(duì)波函數(shù)的作用就是使體系從態(tài)變?yōu)闀r(shí)間平移態(tài)：

同樣，將（27）式的右端在T的領(lǐng)域展開為泰勒級(jí)數(shù)

四、結(jié)語(yǔ)

從上面的討論我們可以看到，三個(gè)守恒定律都是由于體系的時(shí)空對(duì)稱性引起的，這說明物質(zhì)運(yùn)動(dòng)與時(shí)間空間的對(duì)稱性有著密切的聯(lián)系，并且這三個(gè)守恒定律的確立為后來(lái)認(rèn)識(shí)普遍運(yùn)動(dòng)規(guī)律提供了線索和啟示，曾加了我們對(duì)對(duì)稱性和守恒定律的認(rèn)識(shí)．對(duì)稱性和守恒定律之間的聯(lián)系，使我們認(rèn)識(shí)到，任何一種對(duì)稱性，或者說一種拉格朗日或哈密頓的變換不變性，都對(duì)應(yīng)著一種守恒定律和一種不可觀測(cè)量，這一結(jié)論在我們的物理研究中具有極其重要的意義，尤其是在粒子物理學(xué)和物理學(xué)中，重子數(shù)守恒、輕子數(shù)守恒和同位旋守恒等內(nèi)稟參量的守恒在我們的研究中起著重要的作用．下表中我們簡(jiǎn)要給出一些對(duì)稱性和守恒律之間的關(guān)系。

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［5］于祖榮.核物理中的群論方法.原子能出版社，1993.

［6］卓崇培，劉文杰.時(shí)空對(duì)稱性與守恒定律.人民教育出版社，1982.

［7］曾謹(jǐn)言，錢伯初.量子力學(xué)專題分析 （上冊(cè)）.高等教育出版社，1990.207-208.

［8］李政道.場(chǎng)論與粒子物理 （上冊(cè)）.科學(xué)出版社，1980.112-119.

篇5

20世紀(jì)初期，阿爾伯特?愛因斯坦對(duì)牛頓宇宙學(xué)說的地位造成了影響深遠(yuǎn)的撼動(dòng)，他向人們展示了宇宙的兩個(gè)新特性：一是質(zhì)量可以造成空間的彎曲，二是空間和時(shí)間具有內(nèi)在相關(guān)性。他把這一新的概念稱為時(shí)空。盡管這一觀點(diǎn)令人震驚，但它的公式和牛頓的方程一樣，連貫并且流暢。

然而，近期一小群研究人員發(fā)現(xiàn)，時(shí)空本身具有內(nèi)在的隨機(jī)性，這使得牛頓第零定律在小尺度上也不再適用了。

讓我們來(lái)探究這一發(fā)現(xiàn)的意義。

首先，什么是時(shí)空？你或許還記得在平面幾何當(dāng)中，如果取兩個(gè)點(diǎn)，通過第一個(gè)點(diǎn)畫x軸和y軸（也就是把該點(diǎn)當(dāng)作原點(diǎn)），那么這兩個(gè)點(diǎn)之間的距離就是x2+y2的平方根，其中x和y是第二個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)。在三維空間中，對(duì)應(yīng)的距離用x2+y2+z2的平方根表示。這些距離是恒定的，它們的值不會(huì)因?yàn)樽鴺?biāo)的畫法而改變。

那么，如果把時(shí)間作為第四維呢？

四維時(shí)空中的一個(gè)點(diǎn)被稱作一個(gè)“事件”：它在空間上的位置由x軸、y軸和z軸確定，在時(shí)間上的位置由t確定。那么，兩個(gè)“事件”之間的距離是多少？用類推的方法，很容易認(rèn)為這一距離是x2+y2+z2+t2的平方根，但事實(shí)并不是這樣。如果采用不同的坐標(biāo)系，這一距離就會(huì)變化，所以它事實(shí)上并不能真的被看作距離。愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，恒定距離是x2+y2+z2-ct2的平方根， 其中c代表光速。如果你采用不同的坐標(biāo)系，x、y、z和t的值可能發(fā)生變化，x2+y2+z2-ct2的平方根卻不會(huì)。

愛因斯坦通過一個(gè)絕妙而且高度復(fù)雜的邏輯鏈推理得出，引力的實(shí)質(zhì)是時(shí)空自身的幾何學(xué)特性――它的曲率。而這一曲率是質(zhì)量造成的。愛因斯坦說，如果宇宙中沒有質(zhì)量，那么時(shí)空就是平坦的，也就是沒有曲率。

想要理解空間的曲率，可以想象一只在球體表面爬行的蟲子。這只蟲子要怎樣才能知道它不是在一個(gè)無(wú)盡的平面上呢？如果這只蟲子沿一個(gè)方向走，它最終會(huì)回到最初的地方。或者，如果這只蟲子以正確的角度畫一個(gè)坐標(biāo)軸，它就會(huì)發(fā)現(xiàn)從起始點(diǎn)到任一點(diǎn)的距離并不是x2+y2的平方根。這只聰明的蟲子或許就會(huì)推導(dǎo)出，自己處在一個(gè)曲面上。

因此，曲率影響兩點(diǎn)之間的距離，而質(zhì)量決定曲率。

》 在真空中，粒子和反粒子不斷產(chǎn)生。

這就是愛因斯坦時(shí)空概念的要義。但是他的相對(duì)論僅僅是20世紀(jì)物理學(xué)的兩大革命性突破之一，另一項(xiàng)是量子力學(xué)。因此，提出這樣的問題就會(huì)顯得很自然：量子力學(xué)怎樣影響時(shí)空的幾何學(xué)特性？這是當(dāng)今物理學(xué)試圖解決的最大的問題之一。隨機(jī)時(shí)空似乎是答案的一部分。

量子力學(xué)的核心是海森堡不確定性原理。該原理指出，每個(gè)物理系統(tǒng)都一定會(huì)具有一些殘余能量，即使是在絕對(duì)零度。這一殘余能量被稱為零點(diǎn)能，即使是時(shí)空中的真空也具有。在真空中，粒子和反粒子持續(xù)產(chǎn)生，然后互相碰撞使對(duì)方湮滅。粒子的突然產(chǎn)生和消失導(dǎo)致真空的零點(diǎn)能隨時(shí)間波動(dòng)。因?yàn)槟芰亢唾|(zhì)量是等效的（E=mc2），質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生時(shí)空彎曲， 真空能量波動(dòng)會(huì)產(chǎn)生時(shí)空彎曲的波動(dòng)，而這會(huì)造成時(shí)空中兩點(diǎn)之間距離的變化。這就意味著，在小尺度上，時(shí)空是隨機(jī)而無(wú)序的。

如果我們?cè)谝粋€(gè)不那么小的范圍里看量子波動(dòng)，這一區(qū)域內(nèi)的波動(dòng)傾向于抵消。但是如果我們?cè)谝粋€(gè)無(wú)限小的范圍里考察這個(gè)現(xiàn)象，比如一個(gè)點(diǎn)，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)無(wú)限的能量。這不禁讓人

思考：在什么尺度上才能捕捉到我們感興趣的物理現(xiàn)象？它當(dāng)然要足夠小，但也不能小到它的能量龐大到無(wú)法把握。什么才是這一距離最合適的測(cè)量單位呢？

》 普朗克探究了距離的自然單位是什么的問題，這一自然單位應(yīng)該基于普適常數(shù)。

為了回答這一問題，我們采用普朗克的思考方式。普朗克是量子力學(xué)之父，他曾經(jīng)探求過距離的自然單位是什么的問題。所謂自然單位，就是不基于米的仲裁標(biāo)準(zhǔn)。他提出了一種使用普適常數(shù)的自然單位：真空中的光速（c）;表示重力場(chǎng)強(qiáng)度的重力常數(shù)（G）;普朗克常數(shù)（h），該常數(shù)表示粒子能量和頻率之間的關(guān)系。普朗克確定了我們現(xiàn)在知道的普朗克長(zhǎng)度lp，數(shù)值為hG/c3的平方根。普朗克長(zhǎng)度是一個(gè)非常短的距離，大概為10-35米，是一個(gè)質(zhì)子直徑的億兆分之一。這個(gè)距離太小了，目前無(wú)法被測(cè)量，或許永遠(yuǎn)都無(wú)法被測(cè)量。

但是普朗克長(zhǎng)度具有重要意義。弦理論對(duì)點(diǎn)已經(jīng)有了完整的研究，并且認(rèn)為普朗克長(zhǎng)度是已知可能的最小距離。更新的圈量子引力理論提出了相同的說法。極小體積內(nèi)能量被無(wú)限放大的問題得以避免，因?yàn)楦鶕?jù)這一理論，這種極小體積根本不存在。

普朗克長(zhǎng)度還有另外一個(gè)重要的應(yīng)用。相對(duì)論指出，身處快速行進(jìn)的參考系中的觀察者測(cè)量的距離會(huì)縮短，即所謂的洛倫茲收縮。但是普朗克長(zhǎng)度是唯一可以通過c、G和h這樣的常數(shù)推算

出的距離， 所以在任何一個(gè)參考系中的測(cè)量值都是相同的，不會(huì)受到洛倫茲收縮的影響。但這意味著，在這一尺度上，相對(duì)論也不適用。我們需要新的理論來(lái)解釋這一現(xiàn)象，而隨機(jī)時(shí)空理論很可能提供了這樣一個(gè)解釋。普朗克長(zhǎng)度無(wú)法因洛倫茲收縮而變短，表明它是長(zhǎng)度的一個(gè)基本量子，或者說單位。因此，普朗克長(zhǎng)度很可能是時(shí)空的最小尺寸，比普朗克長(zhǎng)度更小的尺寸可以被認(rèn)為是不存在的。

現(xiàn)在，我們終于可以描述隨機(jī)時(shí)空了。首先，它是顆粒狀的，尺寸大約相當(dāng)于普朗克長(zhǎng)度。

其次，這些顆粒之間的距離定義并不明確。量子力學(xué)指出，一個(gè)物體越大，它的量子學(xué)特性就越不明顯。因此，我們可以認(rèn)為時(shí)空中某一區(qū)域內(nèi)的質(zhì)量增加，這一區(qū)域的隨機(jī)性就越小。（這一點(diǎn)和相對(duì)論相似。相對(duì)論指出，一個(gè)區(qū)域內(nèi)的質(zhì)量越多，它產(chǎn)生的曲率就越高。）隨機(jī)時(shí)空認(rèn)為，如果宇宙中沒有質(zhì)量，時(shí)空就是平坦的，如同愛因斯坦相對(duì)論指出的那樣。但這是完全隨機(jī)的，無(wú)法被實(shí)際確定。如果沒有質(zhì)量，我們還要空間干什么？

第三，在隨機(jī)時(shí)空理論中，因?yàn)樵谶@一尺度上的隨機(jī)特性，這些粒子可以隨意飄動(dòng)，這一點(diǎn)和弦理論以及圈量子引力理論不同。如果把隨機(jī)時(shí)空中的粒子描述為一盒鵝卵石，隨機(jī)性就像輕微晃動(dòng)這個(gè)盒子，讓石子們來(lái)回移動(dòng)。我們希望這些活動(dòng)的體積元素（鵝卵石）能夠解釋在普朗克長(zhǎng)度上相對(duì)論不適用的問題。這是因?yàn)橄鄬?duì)論是一種建立在牛頓第零定律之上的理論，它需要連貫流暢的數(shù)學(xué)函數(shù)，但在普朗克長(zhǎng)度上，這種流暢的函數(shù)不再適用。

牛頓可能會(huì)感到吃驚。 他認(rèn)為空間和時(shí)間是一個(gè)沒有特征的空虛，只是讓他的三大運(yùn)動(dòng)定律能夠適用的框架，而這也確實(shí)見于每天在我們身邊上演著的一切。隨機(jī)時(shí)空理論卻設(shè)定了一個(gè)不確定的時(shí)空，這個(gè)時(shí)空超出了連貫流暢的函數(shù)所能描述的范圍。

篇6

人類以新的視野觀察和認(rèn)識(shí)世界

相對(duì)論是研究時(shí)間、空間、運(yùn)動(dòng)這三者關(guān)系的理論體系的總稱，它是這100多年來(lái)人類最偉大的兩個(gè)理論之一（另一個(gè)偉大理論是量子力學(xué)）。相對(duì)論的偉大是不足以用諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)來(lái)評(píng)價(jià)的。如果真有一個(gè)上帝的話，上帝過去總是說：“人類一思考，上帝就發(fā)笑?！毕鄬?duì)論誕生之后，上帝改口了：“人類一思考，上帝就發(fā)慌?！?/p>

相對(duì)論是關(guān)于時(shí)空和引力的基本理論，依據(jù)研究的對(duì)象不同，分為狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論。相對(duì)論從邏輯思想上統(tǒng)一了經(jīng)典物理學(xué)，使經(jīng)典物理學(xué)成為一個(gè)完美的科學(xué)體系。狹義相對(duì)論在狹義相對(duì)性原理的基礎(chǔ)上統(tǒng)一了牛頓力學(xué)和麥克斯韋動(dòng)力學(xué)兩個(gè)體系，指出它們都服從狹義相對(duì)性原理，都是對(duì)洛倫茲變換協(xié)變的，牛頓力學(xué)只不過是物體在低速運(yùn)動(dòng)下很好的近似規(guī)律。廣義相對(duì)論又在廣義協(xié)變的基礎(chǔ)上，通過等效原理，建立了局域慣性場(chǎng)與普遍參照系數(shù)的問題，從邏輯上得到了合理的安排。相對(duì)論嚴(yán)格考察了時(shí)間、空間、物質(zhì)和運(yùn)動(dòng)這些物理學(xué)的基本概念，給出了科學(xué)而系統(tǒng)的時(shí)空觀和物質(zhì)觀，從而使物理學(xué)在邏輯上成為完美的科學(xué)體系。

狹義相對(duì)論給出了物體在高速運(yùn)動(dòng)下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并提示了質(zhì)量與能量相當(dāng)，著名的質(zhì)能關(guān)系式，即E=MC2，可以用來(lái)計(jì)算核反應(yīng)過程中所釋放的能量，并導(dǎo)致了原子彈的誕生。廣義相對(duì)論建立了完善的引力理論，而引力理論主要涉及的是天體。至今，相對(duì)論宇宙學(xué)進(jìn)一步發(fā)展，而引力波物理、致密天體物理和黑洞物理這些屬于相對(duì)論天體物理學(xué)的分支學(xué)科都有一定的進(jìn)展，吸引了許多科學(xué)家為之奮斗。

相對(duì)論極大地改變了人類對(duì)宇宙和自然的“常識(shí)性”觀念，提出了“同時(shí)的相對(duì)性”“四維時(shí)空”“彎曲時(shí)空”等全新的概念。它發(fā)展了牛頓力學(xué)，推動(dòng)物理學(xué)發(fā)展到一個(gè)新的高度。一位法國(guó)物理學(xué)家曾經(jīng)這樣評(píng)價(jià)愛因斯坦：“在我們這一時(shí)代的物理學(xué)家中，愛因斯坦將位于最前列。他現(xiàn)在是、將來(lái)也還是人類宇宙中最光輝的巨星之一”，“按照我的看法，他也許比牛頓更偉大，因?yàn)樗麑?duì)于科學(xué)的貢獻(xiàn)，將更加深入地進(jìn)入人類思想基本要領(lǐng)的結(jié)構(gòu)中?！?/p>

對(duì)稱性原理對(duì)物理學(xué)研究有著十分重要的指導(dǎo)意義，愛因斯坦最善于應(yīng)用這一原理，整個(gè)相對(duì)論都是在此基礎(chǔ)上建立起來(lái)的。特別是在建立廣義相對(duì)論的過程中，愛因斯坦還對(duì)原理做了創(chuàng)造性發(fā)展。過去是實(shí)驗(yàn)方程對(duì)稱性，但愛因斯坦認(rèn)為“這個(gè)鏈很有趣，如果從洛倫茲對(duì)稱性以外的對(duì)稱性出發(fā)，推導(dǎo)出方程，再利用它進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不是更好嗎”？愛因斯坦成功地實(shí)現(xiàn)了這個(gè)關(guān)系的倒置。他所說的這種新的對(duì)稱性就是引力場(chǎng)方程在非歐幾里德空間的協(xié)變。

相對(duì)論的建立也把化學(xué)和生物學(xué)推向了新的高峰。19世紀(jì)末，化學(xué)領(lǐng)域取得了巨大的成就，但也遇到了巨大的困難。其主要原因是“原子不可分，元素不能變”的觀念根深蒂固。20世紀(jì)物理學(xué)的這場(chǎng)革命，從根本上改變了化學(xué)的基本概念，并使之獲得了很多新的研究方法。由物理學(xué)家開創(chuàng)的化學(xué)鍵理論，X射線衍射法的運(yùn)用，推動(dòng)了結(jié)構(gòu)化學(xué)的發(fā)展。20世紀(jì)后的化學(xué)，主要通過研究電子在分子和原子中的分布和運(yùn)動(dòng)，由此更深刻地揭示物質(zhì)的性質(zhì)和化學(xué)變化的規(guī)律。

分子生物學(xué)創(chuàng)立于20世紀(jì)50年代，物理學(xué)對(duì)其形成和發(fā)展產(chǎn)生了舉足輕重的作用。X射線衍射方法的運(yùn)用使生物大分子晶體結(jié)構(gòu)分析成為可能。特別是薛定諤于1944年出版的《生命是什么》一書“從思想上喚起生物學(xué)革命”。該書在運(yùn)用統(tǒng)計(jì)物理的概念分析生命現(xiàn)象后指出，生命物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)必然服從已知的物理學(xué)定律。這啟發(fā)了人們用物理學(xué)的思想和方法探討生命物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。

科技和社會(huì)產(chǎn)生了諸多變革

100年前，愛因斯坦發(fā)表了具有劃時(shí)代意義的5篇物理學(xué)論文，奠定了相對(duì)論的基礎(chǔ)，并為量子理論的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。原子能、晶體管、計(jì)算機(jī)、激光、納米材料、宇宙飛船、生命科學(xué)等20世紀(jì)重大的發(fā)明，都是由愛因斯坦開創(chuàng)的近代物理學(xué)的結(jié)晶。

相對(duì)論和量子力學(xué)的建立使人類進(jìn)入到信息時(shí)代。固體物理已有幾個(gè)世紀(jì)的歷史，直到20世紀(jì)初，由于X射線衍射的發(fā)現(xiàn)以及金屬的自由電子論和能帶理論的提出才使其成熟了。20世紀(jì)30年代后，量子力學(xué)使它成為一門研究固體多種物理性質(zhì)、微觀結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部運(yùn)動(dòng)規(guī)律的學(xué)科。近年來(lái)，固體物理的研究對(duì)象由晶體擴(kuò)展到非晶體和物體的表面，故更名為凝聚態(tài)物理學(xué)。半導(dǎo)體材料、磁性材料、納米材料等是它研究的主要對(duì)象，這為計(jì)算機(jī)的誕生和發(fā)展奠定了科學(xué)和技術(shù)基礎(chǔ)。 電路板

信息革命始于20世紀(jì)40年代，以計(jì)算機(jī)問世為標(biāo)志，目前方興未艾。從1904年發(fā)明二極管起，到1946年世界上第一臺(tái)電子管計(jì)算機(jī)研制成功為止，是信息技術(shù)史上的“電子管時(shí)期”。1947年隨著半導(dǎo)體晶體管的問世，信息技術(shù)史進(jìn)入了“晶體管時(shí)期”。此后，集成電路的發(fā)明打破了電路與元件分離的傳統(tǒng)觀念，使電子設(shè)備微型化。經(jīng)過大規(guī)模集成電路階段后，超大規(guī)模集成電路又在迅猛發(fā)展。而計(jì)算機(jī)就是由這些物理元件組成的信息處理器。以激光器發(fā)明為標(biāo)志的光電子技術(shù)，使信息技術(shù)上了一個(gè)新臺(tái)階。因?yàn)椴捎霉庾幼鳛樾畔⑤d體，其響應(yīng)速度比電子快3個(gè)數(shù)量級(jí)，也不存在電磁串?dāng)_等。待到光子集成電路問世后，計(jì)算機(jī)的發(fā)展將更迅速，應(yīng)用前景將更廣闊。前兩次工業(yè)革命延伸的是人的肢體功能，這次革命拓展的是人的大腦功能。因此，信息革命是更深刻的革命。海灣戰(zhàn)爭(zhēng)、科索沃戰(zhàn)爭(zhēng)和伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)就是最有力的證明。

20世紀(jì)初愛因斯坦相對(duì)論開啟的科技革命和20世紀(jì)六七十年代開始的高科技時(shí)代，對(duì)人類思想文化的影響更是震撼性的。以網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)為例，我們由此可窺一斑而知全豹。由于數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用，人類從觀念到生活方式都發(fā)生了天翻地覆的變化?？梢哉f，計(jì)算機(jī)、信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)影響到了當(dāng)今思想文化的每個(gè)角落。姑且不說數(shù)字技術(shù)改變了幾百年來(lái)鉛與火的印刷，上千年筆與紙的書寫，現(xiàn)在文化的交流、知識(shí)信息的傳播，甚至到了動(dòng)一下指頭，點(diǎn)擊上網(wǎng)即可實(shí)現(xiàn)的地步。這與以前關(guān)山隔阻，需飛越千山萬(wàn)水，克服重重困難才能達(dá)到目的的情況相比，簡(jiǎn)直有天壤之別。

相對(duì)論與我們的生活息息相關(guān)

盡管大多數(shù)人至今還不知道相對(duì)論究竟是怎么回事，但事實(shí)上，它早就深刻地影響到整個(gè)人類社會(huì)，直接或間接地影響了我們每一個(gè)人的生活。1919年，愛因斯坦在與兒子埃德瓦的談話中說：“當(dāng)一只甲蟲在一根彎曲的樹枝上爬行的時(shí)候，它并沒有覺察到這根樹枝是彎曲的，我有幸覺察到了甲蟲沒有覺察到的東西?！睈垡蛩固沟倪@一覺察，在其后近100年中改變了整個(gè)世界，并且，這種改變現(xiàn)在還在繼續(xù)。

GPS導(dǎo)航系統(tǒng)現(xiàn)在已經(jīng)是一個(gè)滿大街都可以看到的常用小電器了，可能每個(gè)司機(jī)都有一個(gè)車載的導(dǎo)航系統(tǒng)，或者手機(jī)里裝有一個(gè)導(dǎo)航軟件。如果沒有相對(duì)論，那么導(dǎo)航系統(tǒng)就會(huì)出大問題。愛因斯坦指出：“傳統(tǒng)的時(shí)間概念只能在簡(jiǎn)單的條件下才能確定，當(dāng)多種因素暫時(shí)聯(lián)系起來(lái)的時(shí)候，傳統(tǒng)的計(jì)時(shí)方法就會(huì)失去作用?！币?yàn)楦鶕?jù)相對(duì)論，衛(wèi)星上的時(shí)鐘會(huì)比地面上的時(shí)鐘走得快，每天大約快38微秒（0.000038秒），如果不校正的話，GPS導(dǎo)航系統(tǒng)每天積累的誤差將超過10千米（這個(gè)誤差是垂直方向上的，不是水平方向上的），如果美軍用這個(gè)來(lái)導(dǎo)航導(dǎo)彈的話，那麻煩就大了。因此，在GPS衛(wèi)星發(fā)射前，要先把其時(shí)鐘的走動(dòng)頻率調(diào)慢100億分之4.465，把10.23兆赫調(diào)為10.22999999543兆赫，這些數(shù)字全靠有了相對(duì)論才能那么精確地計(jì)算出來(lái)。

篇7

二十世紀(jì)即將結(jié)，二十一世紀(jì)即將來(lái)臨，二十世紀(jì)是光輝燦爛的一個(gè)世紀(jì)，是個(gè)類社會(huì)發(fā)展最迅速的一個(gè)世紀(jì)，是科學(xué)技術(shù)發(fā)展最迅速的一個(gè)世紀(jì)，也是物理學(xué)發(fā)展最迅速的一個(gè)世紀(jì)。在這一百年中發(fā)生了物理學(xué)革命，建立了相對(duì)信紙和量子力學(xué)，完成了從經(jīng)典物理學(xué)到現(xiàn)代物理學(xué)的轉(zhuǎn)變。在二十世紀(jì)二、三十年代以后，現(xiàn)代物理學(xué)在深度和廣度上有了進(jìn)一步的蓬勃發(fā)展，產(chǎn)生了一系列的新學(xué)科的交叉學(xué)科、邊緣學(xué)科，人類對(duì)物質(zhì)世界的規(guī)律有了更深刻的認(rèn)識(shí)，物理學(xué)理論達(dá)到了一個(gè)新高度，現(xiàn)代物理學(xué)達(dá)到了成熟的階段。

在此世紀(jì)之交的時(shí)候，人們自然想展望一下二十一世紀(jì)物理學(xué)的發(fā)展前景，探索今后物理學(xué)發(fā)展的方向。我想談一談我對(duì)這個(gè)問題的一些看法和觀點(diǎn)。首先，我們來(lái)回顧一下上一個(gè)世紀(jì)之交物理學(xué)發(fā)展的情況，把當(dāng)前的情況與一百年前的情況作比較對(duì)于探索二十一世紀(jì)物理學(xué)發(fā)展的方向是很有幫助的。

一、歷史的回顧

十九世紀(jì)末二十世紀(jì)初，經(jīng)典物物學(xué)的各個(gè)分支學(xué)科均發(fā)展到了完善、成熟的階段，隨著熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)力學(xué)的建立以及麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的建立，經(jīng)典物理學(xué)達(dá)到了它的頂峰，當(dāng)時(shí)人們以系統(tǒng)的形式描繪出一幅物理世界的清晰、完整的圖畫，幾乎能完美地解釋所有已經(jīng)觀察到的物理現(xiàn)象。由于經(jīng)典物理學(xué)的巨大成就，當(dāng)時(shí)不少物理學(xué)家產(chǎn)生了這樣一種思想：認(rèn)為物理學(xué)的大廈已經(jīng)建成，物理學(xué)的發(fā)展基本上已經(jīng)完成，人們對(duì)物理世界的解釋已經(jīng)達(dá)到了終點(diǎn)。物理學(xué)的一些基本的、原則的問題都已經(jīng)解決，剩下來(lái)的只是進(jìn)一步精確化的問題，即在一些細(xì)節(jié)上作一些補(bǔ)充和修正，使已知公式中的各個(gè)常數(shù)測(cè)得更精確一些。

然而，在十九世紀(jì)末二十世紀(jì)初，正當(dāng)物理學(xué)家在慶賀物理學(xué)大廈落成之際，科學(xué)實(shí)驗(yàn)卻發(fā)現(xiàn)了許多經(jīng)典物理學(xué)無(wú)法解釋的事實(shí)。首先是世紀(jì)之交物理學(xué)的三大發(fā)現(xiàn)：電子、X射線和放射性現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)。其次是經(jīng)典物理學(xué)的萬(wàn)里晴空中出現(xiàn)了兩朵“烏云”：“以太漂移”的“零結(jié)果”和黑體輻射的“紫外災(zāi)難”。[1]這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果與經(jīng)典物理學(xué)的基本概念及基本理論有尖銳的矛盾，經(jīng)典物理學(xué)的傳統(tǒng)觀念受到巨大的沖擊，經(jīng)典物理發(fā)生了“嚴(yán)重的危機(jī)”。由此引起了物理學(xué)的一場(chǎng)偉大的革命。愛因斯坦創(chuàng)立了相對(duì)論；海林堡、薛定諤等一群科學(xué)家創(chuàng)立了量子力學(xué)?，F(xiàn)代物理學(xué)誕生了！

把物理學(xué)發(fā)展的現(xiàn)狀與上一個(gè)世紀(jì)之交的情況作比較，可以看到兩者之間有相似之外，也有不同之處。

在相對(duì)論和量子力學(xué)建立起來(lái)以后，現(xiàn)代物理學(xué)經(jīng)過七十多年的發(fā)展，已經(jīng)達(dá)到了成熟的階段。人類對(duì)物質(zhì)世界規(guī)律的認(rèn)識(shí)達(dá)到了空前的高度，用現(xiàn)有的理論幾乎能夠很好地解釋現(xiàn)在已知的一切物理現(xiàn)象?？梢哉f，現(xiàn)代物理學(xué)的大廈已經(jīng)建成。在這一點(diǎn)上，目前有情況與上一個(gè)世紀(jì)之交的情況很相似。因此，有少數(shù)物理學(xué)家認(rèn)為今后物理學(xué)不會(huì)有革命性的進(jìn)展了，物理學(xué)的根本性的問題、原則問題都已經(jīng)解決了，今后能做到的只是在現(xiàn)有理論的基礎(chǔ)上在深度和廣度兩方面發(fā)展現(xiàn)代物理學(xué)，對(duì)現(xiàn)有的理論作一些補(bǔ)充和修正。然而，由于有了一百年前的歷史經(jīng)驗(yàn)，多數(shù)物理學(xué)家并不贊成這種觀點(diǎn)，他們相信物理學(xué)遲早會(huì)有突破性的發(fā)展。另一方面，雖然在微觀世界和宇宙學(xué)領(lǐng)域中有一些物理現(xiàn)象是現(xiàn)代物理學(xué)的理論不能很好地解釋的，但是這些矛盾并不是嚴(yán)重到了非要徹底改造現(xiàn)有理認(rèn)紗可的程度。在這方面，目前的情況與上一個(gè)世紀(jì)之交的情況不同。在上一個(gè)世紀(jì)之交，經(jīng)典物理學(xué)發(fā)生了“嚴(yán)重的危機(jī)”；而在本世紀(jì)之交，現(xiàn)代物理學(xué)并無(wú)“危機(jī)”。因此，我認(rèn)為目前發(fā)生現(xiàn)代物理學(xué)革命的條件似乎尚不成熟。

雖然在微觀世界和宇宙學(xué)領(lǐng)域中有一些物理現(xiàn)象是現(xiàn)代物理學(xué)的理論不能很好地解釋的，但是這些矛盾并不是嚴(yán)重到了非要徹底改造現(xiàn)有理認(rèn)紗可的程度。在這方面，目前的情況與上一個(gè)世紀(jì)之交的情況不同。在上一個(gè)世紀(jì)之交，經(jīng)典物理學(xué)發(fā)生了“嚴(yán)重的危機(jī)”；而在本世紀(jì)之交，現(xiàn)代物理學(xué)并無(wú)“危機(jī)”。因此，我認(rèn)為目前發(fā)生現(xiàn)代物理學(xué)革命的條件似乎尚不成熟?？陀^物質(zhì)世界是分層次的。一般說來(lái)，每個(gè)層次中的體系都由大量的小體系（屬于下一個(gè)層次）構(gòu)成。從一定意義上說，宏觀與微觀是相對(duì)的，宏觀體系由大量的微觀系統(tǒng)構(gòu)成。物質(zhì)世界從微觀到宏觀分成很多層次。物理學(xué)研究的目的包括：探索各層次的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和探索各層次間的聯(lián)系。

回顧二十世紀(jì)物理學(xué)的發(fā)展，是在三個(gè)方向上前進(jìn)的。在二十一世紀(jì)，物理學(xué)也將在這三個(gè)方向上繼續(xù)向前發(fā)展。

1）在微觀方向上深入下去。在這個(gè)方向上，我們已經(jīng)了解了原子核的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了大量的基本粒子及其運(yùn)規(guī)律，建立了核物理學(xué)和粒子物理學(xué)，認(rèn)識(shí)到強(qiáng)子是由夸克構(gòu)成的。今后可能會(huì)有新的進(jìn)展。但如果要探索更深層次的現(xiàn)象，必須有更強(qiáng)大得多的加速器，而這是非常艱巨的任務(wù)，所以我認(rèn)為近期內(nèi)在這個(gè)方向上難以有突破性的進(jìn)展。

2）在宏觀方向上拓展開去。1948年美國(guó)的伽莫夫提出“大爆炸”理論，當(dāng)時(shí)并未引起重視。1965年美國(guó)的彭齊亞斯和威爾遜觀測(cè)到宇宙背景輻射，再加上其他的觀測(cè)結(jié)果，為“大爆炸”理論提供了有力的證據(jù)，從此“大爆炸”理論得到廣泛的支持，1981年日本的佐藤勝?gòu)┖兔绹?guó)的古斯同時(shí)提出暴脹理論。八十年代以后，英國(guó)的霍金[2,3]等人開始論述宇宙的創(chuàng)生，認(rèn)為宇宙從“無(wú)”誕生，今后在這個(gè)方向上將會(huì)繼續(xù)有所發(fā)展。從根本上來(lái)說，現(xiàn)代宇宙學(xué)的繼續(xù)發(fā)展有賴于向廣漠的宇宙更遙遠(yuǎn)處觀測(cè)的新結(jié)果，這需要人類制造出比哈勃望遠(yuǎn)鏡性能更優(yōu)越得多的、各個(gè)波段的太空天文望遠(yuǎn)鏡，這是很艱巨的任務(wù)。

我個(gè)人對(duì)于近年來(lái)提出的宇宙創(chuàng)生學(xué)說是不太信的，并且認(rèn)為“大爆炸”理論只是對(duì)宇宙的一個(gè)近似的描述。因?yàn)楝F(xiàn)在的宇宙學(xué)研究的只是我們能觀測(cè)到的范圍以內(nèi)的“宇宙”，而我相信宇宙是無(wú)限的，在我們這個(gè)“宇宙”以外還有無(wú)數(shù)個(gè)“宇宙”，這些宇宙不是互不相干、各自孤立的，而是互相有影響、有作用的?，F(xiàn)代宇宙學(xué)只研究我們這個(gè)“宇宙”，當(dāng)然只能得到近似的結(jié)果，把他們的延伸到“宇宙”創(chuàng)生了初及遙遠(yuǎn)的未來(lái)，則失誤更大。

3）深入探索各層次間的聯(lián)系。

這正是統(tǒng)計(jì)物理學(xué)研究的主要內(nèi)容。二十世紀(jì)在這方面取得了巨大的成就，先是非平衡態(tài)統(tǒng)計(jì)物理學(xué)有了得大的發(fā)展，然后建立了“耗散結(jié)構(gòu)”理論、協(xié)同論和突變論，接著混沌論和分形論相繼發(fā)展起來(lái)了。近年來(lái)把這些分支學(xué)科都納入非線性科學(xué)的范疇。相信在二十一世紀(jì)非線性科學(xué)的發(fā)展有廣闊的前景。

上述的物理學(xué)的發(fā)展依然現(xiàn)代物理學(xué)現(xiàn)有的基本理論的框架內(nèi)。在下個(gè)世紀(jì)，物理學(xué)的基本理論應(yīng)該怎樣發(fā)展呢？有一些物理學(xué)家在追求“超統(tǒng)一理論”。在這方面，起初是愛因斯坦、海森堡等天才科學(xué)家努力探索“統(tǒng)一場(chǎng)論”；直到1967、1968年，美國(guó)的溫伯格和巴基斯坦的薩拉姆提出統(tǒng)一電磁力和弱力的“電弱理論”；目前有一些物理學(xué)家正在探索加上強(qiáng)力的“大統(tǒng)一理論”以及再加上引力把四種力都統(tǒng)一起來(lái)的“超統(tǒng)一理論”，他們的探索能否成功尚未定論。

愛因斯坦當(dāng)初探索“統(tǒng)一場(chǎng)論”是基于他的“物理世界統(tǒng)一性”的思想[4]，但是他努力探索了三十年，最終沒有成功。我對(duì)此有不同的觀點(diǎn)，根據(jù)辯證唯物主義的基本原理，我認(rèn)為“物質(zhì)世界是既統(tǒng)一，又多樣化的”。且莫論追求“超統(tǒng)一理論”能否成功，即便此理論完成了，它也不是物理學(xué)發(fā)展的終點(diǎn)。因?yàn)椤霸诮^對(duì)的總的宇宙發(fā)展過程中，各個(gè)具體過程的發(fā)展都是相對(duì)的，因而在絕對(duì)真理的長(zhǎng)河中，人們對(duì)于在各個(gè)一定發(fā)展階段上的具體過程的認(rèn)識(shí)只具有相對(duì)的真理性。無(wú)數(shù)相對(duì)的真理之總和，就是絕對(duì)的真理?！薄叭藗?cè)趯?shí)踐中對(duì)于真理的認(rèn)識(shí)也就永遠(yuǎn)沒有完結(jié)?！盵5]

現(xiàn)代物理學(xué)的革命將怎樣發(fā)生呢？我認(rèn)為可能有兩個(gè)方面值得考試：

1）客觀世界可能不是只有四種力。第五、第六……種力究竟何在呢？現(xiàn)在我們不知道。我的直覺是：將來(lái)最早發(fā)現(xiàn)的第五種力可能存在于生命現(xiàn)象中。物質(zhì)構(gòu)成了生命體之后，其運(yùn)動(dòng)和變化實(shí)在太奧妙了，我們沒有認(rèn)識(shí)的問題實(shí)在太多了，我們今天對(duì)于生命科學(xué)的認(rèn)識(shí)猶如亞里斯多德時(shí)代的人們對(duì)于物理學(xué)的認(rèn)識(shí)，因此在這方面取得突破性的進(jìn)展是很可能的。我認(rèn)為，物理學(xué)業(yè)與生命科學(xué)的交叉點(diǎn)是二十一世紀(jì)物理學(xué)發(fā)展的方向之一，與此有關(guān)的最關(guān)于復(fù)雜性研究的非線性科學(xué)的發(fā)展。

2）現(xiàn)代物理學(xué)理論也只是相對(duì)真理，而不是絕對(duì)真理。應(yīng)該通過審思現(xiàn)代物理學(xué)理論基礎(chǔ)的不完善性來(lái)探尋現(xiàn)代物理學(xué)革命的突破口，在下一節(jié)中將介紹我的觀點(diǎn)。

三、現(xiàn)代物理學(xué)的理論基礎(chǔ)是完美的嗎？

相對(duì)論和量子力學(xué)是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大支柱，這兩大支柱的理論基礎(chǔ)是否十全十美的

呢？我們來(lái)審思一下這個(gè)問題。

1）對(duì)相對(duì)論的審思

當(dāng)年愛因斯坦就是從關(guān)于光速和關(guān)于時(shí)間要領(lǐng)的思考開始，創(chuàng)立了狹義相對(duì)論[1]。我們今天探尋現(xiàn)代物理學(xué)革命的突破口，也應(yīng)該從重新審思時(shí)空的概念入手。愛因勞動(dòng)保護(hù)坦創(chuàng)立狹義相對(duì)論是從講座慣性系中不同地點(diǎn)的兩個(gè)“事件”的同時(shí)性開始的[4]，他規(guī)定用光信號(hào)校正不同地點(diǎn)的兩個(gè)時(shí)鐘來(lái)定義“同時(shí)”，這樣就很自然地導(dǎo)出了洛侖茲變換，進(jìn)一步導(dǎo)致一個(gè)四維時(shí)空（x，y，z，ict）（c是光速）。為什么愛因勞動(dòng)保護(hù)擔(dān)提出用光信號(hào)來(lái)校正時(shí)鐘，而不用別的信號(hào)呢？在他的論文中沒有說明這個(gè)問題，其實(shí)這是有深刻含意的。

時(shí)間、空間是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的表現(xiàn)形式，不能脫離物理質(zhì)運(yùn)動(dòng)談?wù)摃r(shí)間、空間，在定義時(shí)空時(shí)應(yīng)該說明是關(guān)于什么運(yùn)動(dòng)的時(shí)空?，F(xiàn)代物理學(xué)認(rèn)為超距作用是不存在的，A處發(fā)生的“事件”影響B(tài)處的“事件”必須通過一定的場(chǎng)傳遞過去，傳遞需要一定的時(shí)間，時(shí)間、空間的定義與這個(gè)傳遞速度是密切相關(guān)的。如果這種場(chǎng)是電磁場(chǎng)，則電磁相互作用傳遞的速度就是光速。因此，愛因斯坦定義的時(shí)空實(shí)際上是關(guān)于由電磁相互作用引起的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的時(shí)空，適用于描述這種運(yùn)動(dòng)。

愛因斯坦把他定義的時(shí)間應(yīng)用于所有的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)，實(shí)際上就暗含了這樣的假設(shè)：引力相互作用的傳遞速度也是光速c.但是引力相互作用是否也是以光速傳遞的呢？令引力相互作用的傳遞速度為c＇。至今為止，并無(wú)實(shí)驗(yàn)事實(shí)證明c＇等于c。愛因斯坦因他的“物質(zhì)世界統(tǒng)一性”的世界觀而在實(shí)際上假定了c=c＇。我持有“物質(zhì)世界既統(tǒng)一，又多樣化的”以觀點(diǎn)，再加之電磁力和引力的強(qiáng)度在數(shù)量級(jí)上相差太多，因此我相相信c＇可能不等于c。工樣，關(guān)于由電磁力引起的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的四維時(shí)空（x，y，z，ict）和關(guān)于由引力引起的運(yùn)動(dòng)的時(shí)空（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）是不同的。如果研究的問題只涉及一種相互作用，則按照現(xiàn)在的理論建立起來(lái)的運(yùn)動(dòng)方程的形式不變。例如，愛因斯坦引力場(chǎng)方程的形式不變，只需把常數(shù)c改為c＇。如果研究的問題涉及兩種相互作用，則需要建立新的理論。不過，首要的事情是由實(shí)驗(yàn)事實(shí)來(lái)判斷c＇和c是否相等；如果不相等，需要導(dǎo)出c＇的數(shù)值。

我在二十多年前開始形成上述觀點(diǎn)，當(dāng)時(shí)測(cè)量引力波是眾所矚目的一個(gè)熱點(diǎn)，我曾對(duì)那些實(shí)驗(yàn)寄予厚望，希望能從實(shí)驗(yàn)結(jié)果推算出c＇是否等于c。令人遺憾的是，經(jīng)過長(zhǎng)斯的努力引引力波實(shí)驗(yàn)沒有獲得肯定的結(jié)果，隨后這項(xiàng)工作冷下去了。根據(jù)愛國(guó)斯坦理論預(yù)言的引力波是微弱的，如果在現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)技術(shù)能夠達(dá)到的測(cè)量靈敏度和準(zhǔn)確度之下，這樣弱的引力波應(yīng)該能夠探測(cè)到的話，長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)得不到肯定的結(jié)果似乎暗示了害因斯坦理論的缺點(diǎn)。應(yīng)該從c＇可能不等于c這個(gè)角度來(lái)考慮問題，如果c＇和c有較大的差異，則可能導(dǎo)出引力波的強(qiáng)度比根據(jù)愛因勞動(dòng)保護(hù)坦理論預(yù)言的強(qiáng)度弱得多的結(jié)果。

弱力、強(qiáng)力與引力、電磁力有本質(zhì)的不同，前兩者是短程力，后兩者是長(zhǎng)程力。不同的相互作用是通過傳遞不同的媒介粒子而實(shí)現(xiàn)的。引力相互作用的傳遞者是引力子；電磁相互作用的傳遞者是光子；弱相互作用的傳遞者是規(guī)范粒子（光子除外）；強(qiáng)相互作用的傳遞者是介子。引力子和光子的靜質(zhì)量為零，按照愛因斯坦的理論，引力相互作用和電磁相互作用的傳遞速度都是光速。并且與傳遞粒子的靜質(zhì)量和能量有關(guān)，因而其傳遞速度是多種多樣的。

在研究由弱或強(qiáng)相互作用引起的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，定義慣性系中不同的地點(diǎn)的兩個(gè)“事件”的“同時(shí)”，是否應(yīng)該用弱力或強(qiáng)力信號(hào)取代光信號(hào)呢？我對(duì)核物理學(xué)和粒子物理學(xué)是外行，不想貿(mào)然回答這個(gè)問題。如果應(yīng)該用弱力或強(qiáng)力信號(hào)取代光信號(hào)，那么關(guān)于由弱力或強(qiáng)力引起的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的時(shí)空和關(guān)于由電磁力引起的運(yùn)動(dòng)的時(shí)空（x，y，z，ict）及關(guān)于由引力引起的運(yùn)動(dòng)的時(shí)空（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）

有很大的不同。設(shè)弱或強(qiáng)相互作用的傳遞速度為c＇＇，c＇＇不是常數(shù)，而是可變的，則關(guān)于由弱或強(qiáng)力引起的運(yùn)動(dòng)的時(shí)空為（x＇＇，y＇＇，z＇＇，Ic＇＇t＇＇），時(shí)間t＇＇和空間（x＇＇，y＇＇，z＇＇）將是c＇的函數(shù)。然而，很可能應(yīng)該這樣來(lái)考慮問題：關(guān)于由弱力引起的運(yùn)動(dòng)的時(shí)空，在定義中應(yīng)該以規(guī)范粒子的靜質(zhì)量取作零時(shí)的速度c1取代光速c。由于“電弱理論”把弱力和電磁力統(tǒng)一起來(lái)了，因此有可能c1=c，則關(guān)于由弱力引起的運(yùn)動(dòng)的時(shí)空和關(guān)于由電磁力引起的運(yùn)動(dòng)的時(shí)空是相同的，同為（x，y，z，ict）。關(guān)于由強(qiáng)力引起的運(yùn)動(dòng)的時(shí)空，在定義中應(yīng)該以介子的靜質(zhì)量取作零（在理論上取作零，在實(shí)際上沒有靜質(zhì)量為零的介子）時(shí)的速度c＇＇取代光速c，c＇＇可能不等于c。則關(guān)于由強(qiáng)力引起的運(yùn)動(dòng)的時(shí)空（x＇＇，y＇＇，z＇＇，Ic＇＇t＇＇）不同于（x，y，z，ict）或（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）。無(wú)論上述兩種考慮中哪一種是對(duì)的，整個(gè)物質(zhì)世界的時(shí)空將是高于四維的多維時(shí)空。對(duì)于由短程力（或只是強(qiáng)力）引起的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)，如果時(shí)空有了新的一義，就需要建立新的理論，也就是說需要建立新的量子場(chǎng)論、新的核物理學(xué)和新的粒子物理學(xué)等。如果研究的問題既清及長(zhǎng)程力，又涉及短程力（尤其是強(qiáng)力），則更需要建立新的理論。

1）對(duì)量子力學(xué)的審思

從量子力學(xué)發(fā)展到量子場(chǎng)論的時(shí)候，遇到了“發(fā)散困難”[6]。1946——1949年間，日本的朝永振一郎、美國(guó)的費(fèi)曼和施溫格提出“重整化”方法，克服了“發(fā)散困難”。但是“重整化”理論仍然存在著邏輯上的缺陷，并沒有徹底克服這一困難?！鞍l(fā)散困難”的一個(gè)基本原因是粒子的“固有”能量（靜止能量）與運(yùn)動(dòng)能量、相互作用能量合在一起計(jì)算[6]，這與德布羅意波在υ=0時(shí)的異性。

現(xiàn)在我陷入一個(gè)兩難的處境：如果采用傳統(tǒng)的德布羅意關(guān)系，就只得接受不合理的德布羅意波奇異性；如果采納修正的德布羅意關(guān)系，就必須面對(duì)使新的理論滿足相對(duì)論協(xié)變性的難題。是否有解決問題的其他途徑呢？我認(rèn)為這個(gè)問題或許還與時(shí)間、空間的定義有關(guān)?，F(xiàn)在的量子力學(xué)理論中時(shí)寬人的定義實(shí)質(zhì)上依然是決定論的定義，而不確定原理是微觀世界的一條基本規(guī)律，所以時(shí)間、空間都不是嚴(yán)格確定的，決定論的時(shí)空要領(lǐng)不再適用。在時(shí)間或空間的間隔非常小的時(shí)候，描寫事情順序的“前”、“后”概念將失去意義。此外，在重新定義時(shí)空時(shí)還應(yīng)考慮相關(guān)的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的類別。模糊數(shù)學(xué)已經(jīng)發(fā)展得相當(dāng)成熟了，把這個(gè)數(shù)學(xué)工具用到微觀世界時(shí)空的定義中去可能是很值得一試的。

1）在二十一世紀(jì)物理學(xué)將在三個(gè)方向上繼續(xù)向前發(fā)展（1）在微觀方向上深入下去；（2）在宏觀方向上拓展開去；（3）深入探索各層次間的聯(lián)系，進(jìn)一步發(fā)展非線性科學(xué)。

2）可能應(yīng)該從兩方面去控尋現(xiàn)代物理學(xué)革命的突破口。（1）發(fā)現(xiàn)客觀世界中已知的四種力以外的其他力；（2）通過審思相對(duì)論和量子力學(xué)的理論基礎(chǔ)，重新定義時(shí)間、空間，建立新的理論

篇8

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(duì)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(duì)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(lái)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(gè)全盛時(shí)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(lái)，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(duì)論革命對(duì)改造人類世界圖景的貢獻(xiàn)。在1905年的狹義相對(duì)論中，時(shí)空性質(zhì)依賴于參照系等概念是對(duì)“觀察無(wú)關(guān)性”的經(jīng)典信念的初次沖擊；1915年的廣義相對(duì)論把引力場(chǎng)（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(duì)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(duì)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(lái)的主客絕對(duì)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(lái)近半個(gè)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)?！?〕控制論通過對(duì)“動(dòng)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(dòng)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(duì)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(lái)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(duì)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(gè)自組織過程的主宰如此等等?？傊羞@些自動(dòng)機(jī)器和自組織理論都表明，無(wú)須超自然的神力和神秘的“生命力”，自然系統(tǒng)也象自動(dòng)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(gè)特定意義上說，認(rèn)為宇宙＝巨大的超級(jí)自動(dòng)機(jī)的“機(jī)械論”是對(duì)的，而非神學(xué)性的宇宙“內(nèi)在目的論”也是對(duì)的。從歷史上看，牛頓的機(jī)械論自然哲學(xué)是對(duì)亞里士多德的目的論自然哲學(xué)的否定?，F(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(duì)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(gè)方面，也許表現(xiàn)在反嚴(yán)格決定論和對(duì)偶然性客觀意義的新認(rèn)識(shí)。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(gè)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?？墒腔煦鐚W(xué)中著名的“蝴蝶效應(yīng)”，即系統(tǒng)演化進(jìn)程對(duì)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(guó)氣象學(xué)家洛侖茲在1961年發(fā)現(xiàn)，實(shí)際上長(zhǎng)期天氣預(yù)報(bào)是不可能的。因?yàn)榧词箤?duì)于嚴(yán)格確定的氣象方程組，初始條件的小誤差，也會(huì)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(dòng)，經(jīng)由地球大氣系統(tǒng)中的逐級(jí)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(lái)的混沌，對(duì)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(lái)越認(rèn)識(shí)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(duì)的必然性”（〔2〕，第562—563頁(yè)）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?？?普朗克方程和郎之萬(wàn)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(wú)序和不規(guī)則性，然而對(duì)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(shí)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(shí)工具，但原有的“大數(shù)定律”與“統(tǒng)計(jì)平均值”等概念對(duì)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(lái)，“整體＝部分和”的公理已經(jīng)成為背景知識(shí)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(gè)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(jiǎn)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(chǎng)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(shì)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(jiǎn)單相加的總和），一種在絕對(duì)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(duì)分明的輪廓，而且只是或然地顯現(xiàn)出來(lái)。如“測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系”所要求的，電子的位置與相應(yīng)的動(dòng)量具有天生的不確定性，決不可能同時(shí)有確定的值，因而人們決不可能同時(shí)測(cè)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(lái)看簡(jiǎn)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(jiǎn)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(yè)）“幾率波的概念是牛頓以來(lái)理論物理學(xué)中全新的東西?！莵喞锸慷嗟抡軐W(xué)中‘潛在’(potentia)這個(gè)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(yè)）“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(yè)）

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(gè)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(gè)核子和一個(gè)反核子所構(gòu)成，甚至說是由場(chǎng)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(lái)說：“作為終極要素的實(shí)體——基本粒子本身也是相互流動(dòng)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?！保ā?〕，第28頁(yè)）

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(chǎng)境的整體全息相關(guān)的存在？在對(duì)著名的EPR假想[3]的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)中所表現(xiàn)出來(lái)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(guó)科學(xué)哲學(xué)家西莫尼(A.Shimony)所指出：“我們生活在一個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果正在開始闡明哲學(xué)問題的非凡時(shí)代”。而今最新實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，兩個(gè)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(duì)其中一個(gè)實(shí)體進(jìn)行測(cè)量將瞬時(shí)地影響到另一個(gè)實(shí)體的測(cè)量結(jié)果。這個(gè)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(lái)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(duì)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(lái)認(rèn)為，自然科學(xué)和“自然科學(xué)唯物主義”有一個(gè)不可動(dòng)搖的支柱：這就是嚴(yán)格決定論。對(duì)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(gè)精靈故事中，據(jù)說這個(gè)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(wú)歧義地得出世界在過去或未來(lái)的其他一切狀態(tài)。這個(gè)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?？墒?，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(jiǎn)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(dòng)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(gè)分子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)成為純粹的偶然事件。分子運(yùn)動(dòng)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(duì)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(gè)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(gè)分子（單個(gè)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(shí)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(cè)不準(zhǔn)關(guān)系的發(fā)現(xiàn)則使嚴(yán)格決定論淪為無(wú)意義的空想。

在現(xiàn)代科學(xué)家中第一個(gè)對(duì)“非完全決定論”（即under-determinism，這個(gè)詞的不恰當(dāng)?shù)奶娲~是indeterminism，即非決定論）有十分清醒認(rèn)識(shí)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(duì)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(duì)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(duì)當(dāng)代自然哲學(xué)極有價(jià)值的內(nèi)容和決定論／非決定論問題的辯證解?！?〕

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(gè)（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(shí)受到因果律和機(jī)遇律的某種混合方式的支配?！保ā?〕，第9頁(yè)）(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(lái)的?！保ā?〕，第7頁(yè)）

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(gè)爭(zhēng)論，波普有一個(gè)著名的比喻：“云和鐘”?！霸啤本褪翘焐系脑疲順O端不確定性，它非常不規(guī)則、毫無(wú)秩序又有點(diǎn)難以預(yù)測(cè)；“鐘”就是家家都有的時(shí)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(cè)的。這是兩個(gè)不同的極端，一端變化莫測(cè)，另一端高度精確。一般的自然事物往往處在這兩個(gè)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(shí)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?！保ā?〕，第239—240頁(yè)）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(duì)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(duì)這一爭(zhēng)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(wú)二的，所以本質(zhì)上是無(wú)法預(yù)測(cè)的——一旦摻入了DNA的結(jié)構(gòu)之中，就會(huì)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(lái)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(gè)噪聲源泉中譜寫出生物界的全部樂曲。（著重號(hào)為引者所加）（〔9〕，第88頁(yè)）

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(dòng)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(shí)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(yè)）

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(huì)系統(tǒng)），不能由它的構(gòu)成要素和子系統(tǒng)通過簡(jiǎn)單相加和線性因果鏈無(wú)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(shí)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(jìng)爭(zhēng)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(shí)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(dòng)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(shí)，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(dòng)特性相聯(lián)系的模式和參量都異?；钴S，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(zhēng)奪對(duì)全局的支配權(quán)，它們之間進(jìn)行激烈的競(jìng)爭(zhēng)與對(duì)抗，時(shí)而“又聯(lián)合又斗爭(zhēng)”，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(wàn)方程（描述布朗運(yùn)動(dòng)的）和?？?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(cè)無(wú)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(shí)間、空間上的客觀進(jìn)程與任何觀測(cè)無(wú)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(cè)無(wú)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(duì)時(shí)間”，就無(wú)異于指望極地探險(xiǎn)家在南極圈尚未勘查過的地方會(huì)發(fā)現(xiàn)“世界盡頭”，那只能是不切實(shí)際的幻想。（〔4〕，第4頁(yè)和第9頁(yè)）對(duì)原子、電子那樣的客體的任何一次射線照射或觀測(cè)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(gè)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(wú)論是純粹的“主體”即可以）“無(wú)干擾”地進(jìn)行觀察的觀察者）或是純粹的“客體”（可以絕對(duì)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?！?1〕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(lái)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(lái)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(shì)，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(yè)）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(yè)）可見，“客體行為與觀測(cè)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(gè)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(chǎng)境的存在、處在相對(duì)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(gè)部分內(nèi)在的性質(zhì)（波或粒子）也在一定程度上依賴于場(chǎng)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(lái)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(jiǎn)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(gè)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?！?〕

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(gè)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?，通過反饋調(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(jià)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(dòng)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(duì)論量子論革命向統(tǒng)治思想界長(zhǎng)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(lái)的。20世紀(jì)中葉以來(lái)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(lái)說，當(dāng)代自然哲學(xué)的核心觀點(diǎn)，可以簡(jiǎn)要地重新概括如下：

1.自然本體是依賴于系統(tǒng)場(chǎng)境的、在關(guān)系中生成的、流動(dòng)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(gè)規(guī)定、一個(gè)方面和一個(gè)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(cè)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(lái)觀察自然，絕對(duì)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(shí)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(shí)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(duì)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(lái)說，偶然性是“本質(zhì)的一個(gè)規(guī)定、一個(gè)方面和一個(gè)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(shí)候都更加清醒地認(rèn)識(shí)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(lái)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(wú)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(duì)自然本體辯證內(nèi)涵的認(rèn)識(shí)。

應(yīng)當(dāng)說，這是量子辯證法與系統(tǒng)辯證法對(duì)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?guó)盛主編《自然哲學(xué)》一書，中國(guó)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(lái)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(shí)》，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(lái)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)。

篇9

手機(jī)給我們帶來(lái)的便捷當(dāng)然是頂呱呱的。要說手機(jī)這玩意能耐，那是沒的說。這小小玩意既是順風(fēng)耳，也是千里眼，既能打電話也可以發(fā)短信，既能攝影又能照相，既可寫來(lái)也能畫，既能上網(wǎng)瀏覽又能打游戲，當(dāng)然還會(huì)哄著你看新聞查資料聽音樂做錄音，更有視頻對(duì)話導(dǎo)航定位等等千奇百怪的功能，也畢恭畢敬地等你寵幸備用。

應(yīng)該說，手機(jī)使用起來(lái)要多方便就有多方便，老少爺們姑娘娃兒，拿起來(lái)就可以操作。能達(dá)到如此便捷的水準(zhǔn)，我們無(wú)論如何都要對(duì)手機(jī)設(shè)計(jì)者們心存一份感激之情。正是眾多設(shè)計(jì)者鍥而不舍，不遺余力地創(chuàng)新打造、潛心研發(fā)，不斷將高精尖科學(xué)技術(shù)濃縮進(jìn)這個(gè)小小的方塊，才使得大眾能充分享受到現(xiàn)代科技所帶來(lái)的種種澤惠。光說手機(jī)大小，僅僅十幾年，設(shè)計(jì)者們變戲法似地，把過去的大哥大磚頭微縮成了掌上寶，既超輕超薄、整屏高清，還具有微型電腦的種種功能。

不要小看這小小的手中玩物，我們打起電話或者搗鼓起來(lái)看似簡(jiǎn)單，而在這簡(jiǎn)單背后，實(shí)際上是大量的系統(tǒng)工程在給予支持。單說通電話一項(xiàng)，就得有六大系統(tǒng)共同摻和：通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)、地面雷達(dá)發(fā)射接收系統(tǒng)、中繼站、程控交換系統(tǒng)、基站無(wú)線電微波覆蓋系統(tǒng)、手機(jī)收發(fā)終端系統(tǒng)。這些還只是表面看得見摸得著的內(nèi)容，而這些系統(tǒng)肚子里面的科學(xué)理論，毫無(wú)疑問都是頂尖的，比如當(dāng)今最偉大的二個(gè)科學(xué)理論——相對(duì)論和量子力學(xué)，就在其中發(fā)揮了領(lǐng)跑作用。

相對(duì)論里一個(gè)很重要結(jié)論說，高速飛行航天器上的時(shí)鐘跟地面比會(huì)走得慢些。這個(gè)慢的數(shù)字雖然極小極小，但長(zhǎng)年累月的積累，就會(huì)產(chǎn)生蝴蝶效應(yīng)——一只蝴蝶翅膀的扇動(dòng)可能引來(lái)暴風(fēng)雨，那么全球定位系統(tǒng)就會(huì)差之千里了，也即衛(wèi)星找不到地球之家，地面雷達(dá)尋不著衛(wèi)星了。因此這極小的時(shí)差就必須用相對(duì)論來(lái)修正。而龐大的衛(wèi)星通信系統(tǒng)和數(shù)以億計(jì)的手機(jī)之間，存在著極其復(fù)雜的互聯(lián)關(guān)系，為消除它們之間的纏繞，這就需要運(yùn)用量子力學(xué)的概率理論進(jìn)行模糊處理。怎么樣，這些道道夠味了吧。

篇10

關(guān)鍵詞：大學(xué)生；量子物理；物理學(xué)史

作者簡(jiǎn)介：丁艷麗（1979-），女，回族，遼寧遼陽(yáng)人，沈陽(yáng)化工大學(xué)數(shù)理系，講師；母繼榮（1964-），女，河北樂亭人，沈陽(yáng)化工大學(xué)數(shù)理系，副教授。（遼寧　沈陽(yáng)　110142）

中圖分類號(hào)：G642.0?????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?????文章編號(hào)：1007-0079（2012）35-0067-02

量子力學(xué)是反映微觀粒子（分子、原子、原子核、基本粒子等）運(yùn)動(dòng)規(guī)律的理論。[1]它是20世紀(jì)初在大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)和舊量子論基礎(chǔ)上建立起來(lái)的，是人們認(rèn)識(shí)和理解微觀世界的基礎(chǔ)。量子物理和相對(duì)論的成就使得物理學(xué)從經(jīng)典物理學(xué)發(fā)展到現(xiàn)代物理學(xué)，奠定了現(xiàn)代自然科學(xué)的主要基礎(chǔ)。量子力學(xué)的發(fā)現(xiàn)引發(fā)了一系列劃時(shí)代的科學(xué)發(fā)現(xiàn)與技術(shù)發(fā)明，對(duì)人類社會(huì)的進(jìn)步作出了重要貢獻(xiàn)。通過量子物理的教學(xué)，有利于培養(yǎng)大學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)、科學(xué)思維方法和科研能力，培養(yǎng)學(xué)生的探索精神、創(chuàng)新精神、科學(xué)思維能力以及辯證唯物主義的科學(xué)觀。另外，量子物理是處于發(fā)展中的理論，怎樣將量子論和廣義相對(duì)論（引力作用）統(tǒng)一起來(lái)仍是困擾人們的問題。“弦理論”的提出使人們看到了希望，通過這部分的教學(xué)可以培養(yǎng)學(xué)生的橫、縱向思維和不斷追求科學(xué)真理的精神。因此，在大學(xué)物理的教學(xué)中應(yīng)適當(dāng)增加量子物理的教學(xué)內(nèi)容。由于量子物理里好多概念、思想和宏觀世界里的完全不同，叫人無(wú)法理解，以致量子論的奠基人之一玻爾（Niels Bohr）都要說：“如果誰(shuí)不為量子論而感到困惑，那他就是沒有理解量子論?！盵2]那么怎樣讓學(xué)生在輕松愉快的狀態(tài)下學(xué)好量子物理呢？在教學(xué)過程中適當(dāng)引入物理學(xué)史有利于學(xué)生掌握其核心，既培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又有利于實(shí)現(xiàn)啟發(fā)式教學(xué)，而非純粹的概念和公式的教學(xué)。下面主要從幾個(gè)方面闡述物理學(xué)史在大學(xué)生學(xué)習(xí)中的重要作用。

一、非物理專業(yè)大學(xué)生學(xué)習(xí)量子物理的需要

即使是物理專業(yè)的學(xué)生，多數(shù)人在學(xué)習(xí)量子物理時(shí)一直如在云里霧里，雖然知道微觀粒子的波粒二象性，也知道不確定原理，了解原子的軌道理論，但是卻不知道為什么這樣。這一方面是由于量子物理里好多概念、思想和宏觀世界里的完全不同。另一方面，學(xué)生沒有掌握量子物理的核心，沒有從整體上把握量子物理的基石。一些教材對(duì)這部分的介紹也較少。如果在教學(xué)中能夠引入量子物理的發(fā)展史，不僅能吸引學(xué)生的注意力，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還有利于學(xué)生理解量子物理的概念和思想，使學(xué)生能夠身臨其境地感受到那場(chǎng)史詩(shī)般壯麗的革命，深刻體會(huì)量子論的偉大，有利于學(xué)生辯證唯物主義觀的形成。而非物理專業(yè)的學(xué)生與物理專業(yè)的學(xué)生相比，在學(xué)習(xí)量子物理時(shí)難度更大。這是由于物理專業(yè)的學(xué)生開設(shè)了許多物理專業(yè)課，如原子分子物理、物理學(xué)史等課程，為量子物理的學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)。而非物理專業(yè)的學(xué)生沒有前期的知識(shí)鋪墊，對(duì)知識(shí)的掌握難度增大。如果能適當(dāng)加入量子發(fā)展史的介紹，不僅降低了學(xué)生學(xué)習(xí)難度，還激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，這就更突顯出物理學(xué)史在大學(xué)物理教學(xué)中的重要作用。

從整體上介紹量子物理的發(fā)展史可以使學(xué)生掌握量子物理的核心，從整體上把握量子物理的基石，即波恩的概率解釋、海森堡的不確定性原理和玻爾的互補(bǔ)原理。[2]這三大核心原理中，前兩者摧毀了經(jīng)典世界的因果性理論，互補(bǔ)原理和不確定原理又合力搗毀了世界的客觀性和客觀實(shí)在性理論。一些實(shí)驗(yàn)和理論斗爭(zhēng)的介紹不僅可以吸引學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還可以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維方法。19世紀(jì)末20世紀(jì)初，好多物理學(xué)家認(rèn)為物理學(xué)大廈已經(jīng)基本建成，后輩的工作只是做些細(xì)枝末節(jié)的修補(bǔ)和完善。但當(dāng)時(shí)物理學(xué)天空漂浮著兩朵小烏云，一朵是“以太的絕對(duì)參考系”，另一朵是“黑體輻射的紫外線災(zāi)難”。前者導(dǎo)致了相對(duì)論的建立，后者導(dǎo)致了量子物理的建立。

對(duì)量子物理三大基石的掌握，即波恩的概率解釋、海森堡的不確定性和玻爾的“互補(bǔ)原理”是量子物理的三大支柱。大學(xué)所學(xué)的量子物理學(xué)是基于這三個(gè)支柱的。這就像數(shù)學(xué)中的公理一樣，對(duì)于大學(xué)生而言不能去討論為什么，只能是是什么。

二、大學(xué)生素質(zhì)教育的需要

大學(xué)物理的量子部分教學(xué)不同于物理專業(yè)學(xué)生的量子物理教學(xué)。大學(xué)物理教學(xué)的目的主要是增強(qiáng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的思維方法、辯證唯物主義觀等素質(zhì)教育，重在方法而非純理論教學(xué)。因此，大學(xué)物理的教學(xué)目的與任務(wù)是使學(xué)生對(duì)物理學(xué)的基本概念、基本理論和基本方法有比較系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)和正確的理解，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。更為重要的是，在大學(xué)物理課程的各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)中，都應(yīng)在傳授知識(shí)的同時(shí)注重培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題能力，注重培養(yǎng)學(xué)生科研探索精神和辯證唯物主義世界觀的形成。量子物理發(fā)展史的介紹和講解有助于培養(yǎng)學(xué)生這方面的能力。

1.辯證唯物主義世界觀的培養(yǎng)

在大學(xué)物理的教學(xué)過程中融入物理學(xué)史的內(nèi)容有利于培養(yǎng)學(xué)生的辯證唯物主義世界觀。如關(guān)于光的本性的爭(zhēng)論持續(xù)了300年，光的波動(dòng)理論和微粒理論艱苦卓絕地斗爭(zhēng)了300年。量子論就是在這種斗爭(zhēng)中逐漸建立起來(lái)的。托馬斯·楊的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)、菲涅爾的圓盤衍射等實(shí)驗(yàn)形象的描述可使學(xué)生體會(huì)到光的波動(dòng)性；而光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)、康普頓的X射線散射實(shí)驗(yàn)等實(shí)驗(yàn)的介紹可使學(xué)生深刻體會(huì)光的粒子性；德布羅意電子波及實(shí)物粒子波理論的介紹及戴維遜和革末關(guān)于電子的實(shí)驗(yàn)，電子通過鎳塊時(shí)展現(xiàn)了X射線衍射圖案，證明了電子具有波動(dòng)性，由此人們認(rèn)識(shí)到了光及實(shí)物粒子的波粒二象性。這部分的教學(xué)可使學(xué)生領(lǐng)悟到看似毫不相干的量實(shí)際上存在著深刻的聯(lián)系，波動(dòng)性和粒子性原來(lái)是不可分割的一個(gè)整體。就像漫畫中教皇善與惡的兩面，雖然在每個(gè)確定的時(shí)刻只有一面能夠體現(xiàn)出來(lái)，但它們確實(shí)集中在一個(gè)人的身上。從中學(xué)生們可以深刻體會(huì)到任何事物都存在兩面性，人們要辯證地看待問題。這部分歷史的簡(jiǎn)單介紹還可以使學(xué)生深刻體會(huì)到人們對(duì)真理的認(rèn)識(shí)是隨著科技的發(fā)展而不斷完善的過程，也是一個(gè)艱苦長(zhǎng)期的斗爭(zhēng)過程。對(duì)光的波粒二象性的認(rèn)識(shí)有利于培養(yǎng)學(xué)生辯證唯物主義世界觀。

2.分析問題和解決問題能力的培養(yǎng)

在大學(xué)物理的教學(xué)過程中適當(dāng)引入一些實(shí)驗(yàn)的描述或利用多媒體等手段演示實(shí)驗(yàn)過程有利于培養(yǎng)學(xué)生的分析能力和解決能力。對(duì)康普頓實(shí)驗(yàn)的講解分析可以培養(yǎng)學(xué)生的分析問題和解決問題的能力，尤其是康普頓的分析過程，而非純理論上的推導(dǎo)分析?？灯疹D在研究X射線被自由電子散射的時(shí)候發(fā)現(xiàn)一個(gè)奇怪的現(xiàn)象：散射出來(lái)的X射線分成兩個(gè)部分，一部分和原來(lái)的入射射線波長(zhǎng)相同，而另一部分卻比原來(lái)的射線波長(zhǎng)要長(zhǎng)，具體的大小和散射角存在著函數(shù)關(guān)系。如果運(yùn)用通常的波動(dòng)理論，散射應(yīng)該不會(huì)改變?nèi)肷涔獾牟ㄩL(zhǎng)才對(duì)。但是怎么解釋多出來(lái)的那一部分波長(zhǎng)變長(zhǎng)的射線呢？康普頓苦苦思索，試圖從經(jīng)典理論中尋找答案，卻撞得頭破血流。終于有一天，他作了一個(gè)破釜沉舟的決定，引入光量子的假設(shè)，把X射線看作能量為hν的光子束的集合。這個(gè)假定馬上讓他看到了曙光，眼前豁然開朗：那一部分波長(zhǎng)變長(zhǎng)的射線是因?yàn)楣庾雍碗娮优鲎菜鸬摹９庾酉衿胀ǖ男∏蚰菢?，不僅帶有能量，還具有動(dòng)量。當(dāng)它和電子相撞，便將自己的能量交換一部分給電子。這樣一來(lái)，光子的能量下降，根據(jù)公式E=hν，E下降導(dǎo)致ν下降，頻率變小，便是波長(zhǎng)變大。這樣，X射線被自由電子散射的問題得到完美的解決。然后再進(jìn)行理論推導(dǎo)，根據(jù)動(dòng)量和能量守恒解決該問題，這樣不僅使學(xué)生印象深刻，還鍛煉了物理思維能力。

3.求實(shí)精神的培養(yǎng)

通過大學(xué)物理量子史部分的教學(xué)，介紹科學(xué)家嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、勇于追求真理的精神，培養(yǎng)學(xué)生追求真理的勇氣、嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度和刻苦鉆研的作風(fēng)。

4.科學(xué)觀察和思維能力的培養(yǎng)

在教學(xué)的過程中適當(dāng)融入量子發(fā)展史的內(nèi)容有利于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)觀察和思維能力。如玻爾的互補(bǔ)原理的提出過程。當(dāng)海森堡完成“不確定原理”后向玻爾請(qǐng)教，兩人就“不確定原理”是從粒子性而來(lái)還是波動(dòng)性而來(lái)展開了論戰(zhàn)，從而提出了互補(bǔ)原理：波和粒子在同一時(shí)刻是互斥的，但它們卻在一個(gè)更高的層次上統(tǒng)一在一起，作為電子的兩面性被納入一個(gè)整體概念中。這就是玻爾的“互補(bǔ)原理”。它連同波恩的概率解釋、海森堡的不確定性共同構(gòu)成了量子論“哥本哈根解釋”的核心，至今仍然深刻地影響人們對(duì)于整個(gè)宇宙的終極認(rèn)識(shí)。講解過程中應(yīng)形象生動(dòng)地描述海森堡和玻爾的討論過程及他的思維過程，使學(xué)生有種身臨其境的感覺，從而培養(yǎng)科學(xué)觀察和思維的能力。在教學(xué)過程中適當(dāng)介紹思維實(shí)驗(yàn)有利于培養(yǎng)學(xué)生的思維能力及科學(xué)分析能力。如海森堡不確定性原理的提出過程就借助了思維實(shí)驗(yàn)及1935年愛因斯坦提出EPR思維實(shí)驗(yàn)等。[3]

5.創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)

通過學(xué)學(xué)物理學(xué)的研究方法、量子物理的發(fā)展史以及物理學(xué)家的成長(zhǎng)經(jīng)歷等，引導(dǎo)學(xué)生樹立科學(xué)的世界觀，激發(fā)學(xué)生的求知熱情、探索精神、創(chuàng)新欲望以及敢于向舊觀念挑戰(zhàn)的精神。如普朗克能量子假設(shè)的提出體現(xiàn)了敢于向舊觀念、權(quán)威學(xué)家挑戰(zhàn)的精神。而創(chuàng)新意識(shí)對(duì)一個(gè)學(xué)生來(lái)說是非常重要的，對(duì)社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展也起著重要作用的。

6.科學(xué)美感的培養(yǎng)

以麥克斯韋方程組為例，描述麥?zhǔn)戏匠趟憩F(xiàn)出的深刻、對(duì)稱、優(yōu)美，使得每一個(gè)科學(xué)家都陶醉在其中，玻爾茲曼情不自禁地引用歌德的詩(shī)句“難道是上帝寫的這些嗎？”描述麥克斯韋方程組的美。[2]一直到今天，麥?zhǔn)戏匠探M仍然被公認(rèn)為科學(xué)美的典范。許多偉大的科學(xué)家都為它的魅力折服，并受它深深的影響，有著對(duì)于科學(xué)美的堅(jiān)定信仰，甚至認(rèn)為：對(duì)于一個(gè)科學(xué)理論來(lái)說，簡(jiǎn)潔優(yōu)美要比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確來(lái)得更為重要。依此引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)物理學(xué)所具有的明快簡(jiǎn)潔、均衡對(duì)稱、奇異相對(duì)、和諧統(tǒng)一等美學(xué)特征，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)審美觀，使學(xué)生學(xué)會(huì)用美學(xué)的觀點(diǎn)欣賞和發(fā)掘科學(xué)的內(nèi)在規(guī)律，逐步增強(qiáng)認(rèn)識(shí)和掌握自然科學(xué)規(guī)律的能力。

7.科學(xué)探索精神的培養(yǎng)

物理學(xué)在追求著大統(tǒng)一。許多科學(xué)家獻(xiàn)身于這項(xiàng)偉大的事業(yè)，比如弦理論的提出。講述其發(fā)展過程可激發(fā)學(xué)生的科學(xué)探索精神。

三、科學(xué)發(fā)展的需要

科學(xué)發(fā)展到今天，是建立在前人取得成就的基礎(chǔ)上的。牛頓都說：“我站在了巨人的肩上?！币允窞殍b，才能少走彎路。物理學(xué)發(fā)展到今天只剩下了最后一個(gè)分歧，但也很可能是最難以調(diào)和和統(tǒng)一的分歧，即量子物理和引力理論。只有了解和掌握了前輩所創(chuàng)造的財(cái)富，才能找到解決物理大統(tǒng)一的有效道路，才能實(shí)現(xiàn)物理學(xué)的夢(mèng)想。這需要幾代人的共同努力，可能需要幾十年甚至幾百年才有可能實(shí)現(xiàn)。很多人正在為之不斷努力，這也是人們不斷追求的科學(xué)理想。

大學(xué)生量子物理的學(xué)習(xí)需要適當(dāng)引入物理學(xué)史，這既有利于學(xué)生學(xué)好大學(xué)物理，培養(yǎng)學(xué)生的辯證唯物主義世界觀、分析問題和解決解決問題的能力、求實(shí)精神、科學(xué)觀察和思維的能力、創(chuàng)新意識(shí)及科學(xué)探索精神，又有助于啟發(fā)式教學(xué)。

參考文獻(xiàn)：

[1]周世勛.量子力學(xué)教程[M].第1版.北京：高等教育出版社，2002.

[2]曹天元.上帝擲骰子么：量子物理史話[M].沈陽(yáng)：遼寧教育出版社，