量子力学的基本理论篇1

从电子测量的发展趋势以及目前电子测量课程在教学中存在的问题，提出教学模式改革的具体思路和改革措施。基于传统教学模式已经不能满足课程发展要求，学校要从电子测量课程的理论教学、实践操作、教学方法等方向出发，通过现代化教育资源和手段对课程进行全面化改革，促使学生善于思考、勤于动手、勇于创新，以满足当今社会应用型人才的培养需求。

关键词：

电子测量；多角度；教学改革；研究

0引言

电子测量是现代科学获取信息的重要手段，是现代电子科学研究的必备基础。电子测量技术课程是电子信息工程专业必修的专业基础课，同时也是理论性、应用性以及综合性很强的课程。电子测量技术课程不仅仅是学生学习其他专业课程的基础课程，而且是从事电子行业的专业基础，，该课程的对于电子专业学生来说至关重要，它直接影响学生后续专业的学习，进而影响步入社会以后从事电子行业的求职道路。电子测量技术课程的特点很鲜明，实践性和应用性较强，主要考察学生的思考能力和实践能力。针对此特点，以提高学生的实践能力、创新能力、思考能力为目标，满足当今社会的发展和需求，本文提出从理论教学内容、实践内容、教学方法等多个方面有针对性的对课程进行教学改革，从多个角度出发，以提高电子测量技术的教学质量，更容易让学生掌握所学的电子测量技术的基本知识。在学习中能够熟练应用电子测量技术的相关方法，在实践中综合运用相关知识和方法解决实际问题，为自己以后的学习和工作打下坚实的基础。

1改善理论教学内容

传统的电子测量技术理论课程的教学模式比较单一，无法让学生详细的了解并掌握最新的测量仪器的使用。所以传统教学模式的局限性就表现在学习结果上。由于电子测量的应用性和综合性很强，仅仅依靠书本知识和教师的理论讲解无法做到深入浅出、清晰透彻，学生也只能半知半解，云里雾里，难以激发学习的兴趣和求知欲。因此，改善传统的理论教学刻不容缓。电子测量技术的教学内容主要包括经典内容和技术更新两个方面。经典内容主要包括各种参量的测量方法、测量误差的来源与修正、测量结果和数据处理等测量基础理论知识，以及常用电子测量仪器的电路组成原理、正确操作使用、故障分析与排除等。教师在教学过程中应当适当向学生展示优秀的毕业设计作品，并讲解其基本构造、工作原理和使用方法等，积极引导学生去思考，以提高学生的思考能力和创新能力，增强其学习的积极性和主动性。经典内容的教学，能够让学生熟练掌握电子测量理论知识，能够根据实际情况选择合适的测量仪器，使用合理的测量方法。现如今是技术更新非常迅猛的时代，在教学中要尽可能的向学生传递最新的电子测量技术信息，为学生进行简单讲解，同时要鼓励学生积极提问和发言。传统的电子测量仪器已经逐渐被淘汰，比如指针式的电压表、电流表，而智能化的、数字化的电子测量仪器越来越普及，逐渐将传统的电子测量仪器淘汰。因此在课堂上要对落后的、逐渐被淘汰的测量仪器、模拟仪器进行简单概述。通过向学生展示最新的电子测量技术的应用动态，以及先进的电子测量仪器在各个领域的应用，让学生感受到技术更新带来的巨大变化，让学生了解更多的知识和技术，使学生所学内容跟随技术更新的步伐。

2提高实践内容

为了让学生更加快速的轻松进行学习，并且能够有效掌握实践内容，可以将实践内容进行分类。第一类实践内容为基本实践内容，主要为准确掌握各类测量仪器的使用方法，比如测量波形、电阻值、电容等。学生通过对这些基本实践内容的学习，加深了对理论知识的理解，有利于学生对多种电子测量仪器在实际生活中的应用。在课堂上教师将理论与实践相结合，不应该像传统的教学模式一样，教师只注重课堂上理论知识的讲解，而忽略实践内容的展开。传统教学模式很容易造成理论与实践的脱节，课堂上理论知识学的很好，到了实践内容上又会对理论知识产生模糊印象。因此，课堂教学模式要注重理论联系实际，让学生在实际操作中加深对理论知识的理解，合理利用多媒体教学，为学生展示各类实验，在实践中让每个学生投入其中，增强学生的动手能力。第二类实践内容为综合实践内容，主要涉及简易测量仪器的设计等。此类实践内容一般将理论知识应用到设计当中，以实践应用推动理论教学。整个设计过程中，教师要对学生阐述实践项目设计目标、相关资料等，并正确引导学生查阅参考文献。学生需要根据所学知识构建设计思路，选择测量仪器，制动设计流程，汇总数据，填写实验报告。在整个实践内容的开展的过程中，学校和教师为学生提供了一个好的平台，使学生的综合实践能力得到提升和锻炼。

3丰富教学方法

电子测量技术作为一门理科类课程，理论知识内容抽象，不易理解。因此，在教学过程中，教师要配合现代化教学资源，例如多媒体课堂，能够有效地利用图形、文字、声音甚至影像，这样不仅能够提升学生的学习兴趣和积极性，而且大大提高了教学质量和效率。多媒体教学能够充实教学内容，提高教学效果，顺利完成教学目标。将电子测量技术以图像、声音、影像的形式呈现于课堂，通过视觉和听觉向学生传递最新的电子测量信息，以图像向学生展示测量仪器的每一个结构组成，以声音的形式向学生介绍其工作原理及其作用，让学生更深入、更便捷的掌握电子测量知识。

4结语

随着信息技术的飞速发展，电子测量多角度教学的改革挣脱了传统教学模式的束缚，增加了课堂教学的多样性和丰富性，这不仅加深了学生对于电子测量知识的重视，也调动了学生学习的积极性和主动性。通过多角度教学改革，学生的思考能力、创新能力、动手能力得到大大提升。而教学改革要立足于学科本身，能够做到与时俱进，才能达到教学改革的成效。

参考文献

[1]台德艳，晏菁，张勤.基于电子信息专业的电子测量技术课程教学改革研究[J].电脑知识与技术，2015，18（11）：131-133.

[2]徐杰，王娟，王安华.《电子测量技术》课程多角度教学改革的研究[J].《齐齐哈尔大学学报》（哲学社会科学版），2013，5（10）：179-180.

量子力学的基本理论篇2

理论物理作为大学物理系本科的必修课，在大学生用一年到两年的时间学完普通物理之后开始学习。传统的所谓四大力学，即理论力学、热力学和统计力学、电动力学、量子力学，应该在第三年和第四年学完。这四门课的分量都很重，用到的数学知识很多超过基础的高等数学的范围。因此，合适的教材对于师生都很重要。著名教材为数不少，最著名的像兰道和他的助手撰写的大部头巨著，堪称经典；但其难度通常超过一般大学生的接受水平，因而一些导论性的教程更受欢迎。而随着现论物理学不断向着更高水平、更深层次和更为广泛的领域的发展，教材的内容也不断地更新。本书正是在这种思想指导下编写而成的。

作者从事大学理论物理学位课程教学30多年，积累了丰富的经验，对传统的理论物理的讲授模式形成了自己一些独特的看法。他尝试以5个模块形式，把他认为应该掌握的理论物理内容以一种统一的和自成体系的形式纳入到单独的一卷教程之中。这5个模块涵盖了20世纪理论物理学的所有重要分支，包括非相对论量子力学，热与统计物理、多体理论，经典场论（包括狭义相对论和电磁学）以及相对论量子力学和夸克与轻子的相互作用的规范理论。

本书把这5个模块分成20章。第一模块为非相对论量子力学，含第1-4章：1.量子力学的基本概念；2.表象理论；3.近似方法；4.散射理论。第二模块为热与统计物理，含第5-12章：5.热力学基础；6.量子态和温度；7.微观状态的概率和熵；8.单原子理想气体；9.经典热力学的应用；10.热力学势及导数；11.物质转换和相图；12.FermiDirac和BoseEinstein统计。第三模块为多体理论，含第13-16章：13.多粒子系统量子力学和低温热力学；14.二次量子化；15.相互作用电子气；16.超导。第四模块为经典场论和广义相对论.含第17-18章：17.场的经典理论；18.广义相对论。第五模块为相对论量子力学和规范理论，含第19-20章：19.相对论量子力学；20.夸克和轻子相互作用的规范理论。

本书的一个突出特点是完整地给出了所有重要结果的详细数学证明，使一个完成了高中数学课程和大学第一年物理学学位课程的学生能够理解和欣赏理论物理很多重要结果的导出过程。只要是完成了较高一点水平的数学课程，读者都会发现，书中的每一部分都是他们所需要的。

本书描写的理论概念和方法通常包含在一年级研究生的课程中。本书附录中列出了一份推荐阅读的书目清单，以便读者参考。

量子力学的基本理论篇3

弦论唯一的弱点在于至今还没有任何实验证据的支持。不可思议的是，这个理应是致命的弱点却没有妨碍弦论的霸业。要了解如此奇特的现象得从弦论的起源讲起。一个标准的故事是这样的：20世纪物理学有两大基石――量子力学和相对论。前者处理微观世界的现象，在这个架构下，基本粒子是没有大小的点粒子。

至于重力，就得依靠爱因斯坦的广义相对论。爱因斯坦方程式就是在指明物质分布和时空曲率之间的关系。大致_卜讲，质量密度大的地方，曲率电就大。曲率如果不大，爱因斯坦理论与古典牛顿重力理论的结果大致相同。两者若有差异时，观测数据都站在广义相对论这一边。尤其是当曲率很大时，牛顿理论就完全不适用。

到目前为止，自然界中观察到的物理现象，归根结底都可以分别收纳到量子力学或广义相对论的架构里。可是量子力学和广义相对论有深刻的矛盾之处，广义相对论违反了量子力学中的“测不准原理”，所以我们得要修正广义相对论以适应量子力学，或反过来修正量子力学。总之，必然得有一门称为量子重力论的学问，能够包容量子力学和广义相对论。寻找量子重力论极端困难，主因之一是欠缺实验的引导，因为没有又小又重的粒子可以拿来实验。

量子力学的基本理论篇4

一、易学自然观

《周易》包括《易经》和《易传》两部分，实际上是上古巫文化化出的符号、周初时期占筮验词集锦和战国末年理性诠释的统合。作为《易传》的十篇释文已经完全脱离卜筮，建立起一套以阴阳为纲阐释变化的理论体系。汉兴，《周易》作为官学传习和研究的对象，被尊称为“五经”之首；汉易已经纳入阴阳五行学说，隋唐时期易学即以其理性向科学领域渗透；进而逐渐形成以符号系统与以阴阳为纲纪相结合的范畴体系和理论结构。

易学对宇宙的基本观点是：阴阳相涵相因、流变会通，构成一个合谐互补的有机整体。

张立文教授在《王船山易学思想略论》〔1-191〕中指出：船山的本体哲学，统体会通于和合。所谓和合者，就是“阴阳未分，二气合一，氤氲太和之真体”。《易传》有言“形而上者谓之道，形而下者谓之器”，作者认定道器是虚实范畴，虚与实的主要差异在于隐与显。“形而上者是隐也”，隐不是无，而是潜在，是形而下所以存在的根据。“形而下者是显也”，指有形质的东西，“即形之成乎物而可见可循者也”。即此可知，显指可见可循的事物和现象，隐指寓于“器”而起作用的现象背后更本质的东西；而隐又不是虚无，“道不虚生，则凡道皆实也”。从而推定道乃实存之体，得出道器交与为体、相涵相因、流变会通的两系统结构论。

道和器的关系究竟如何？就逻辑上讲，“形上者乃形之所自生”，因为凡器皆有形，由“形”逻辑上得出对应于“形下”必然存在着“形上”。就二者的主从关系讲，“当其未形而隐然有不可喻之天则，天以之化”，依此概括二者的关系为：道是器存在的依据；道通过器而表现自己，一切显性的运动变化之因皆源之于道。再就孰先孰后的角度讲，是“理不先而气不后”，二者既不存在先后、本末之别，也就从根本上排除了天理、神创的观念。

张教授立足于人文（兼及自然）阐述问题，认为“王船山道器、气关系，充分体现和贯彻了《周易》和合人文的精神”，本文专门讨论自然而不涉及人文。依据形上学本体哲学，自然界的物理客体应该分两类，即“形之已成乎物”和“未形”，二者的本质区别在于形下之“显”和形上之“隐”。

小结：易学自然观是两系统结构论。从静态角度讲，“万物（包括宇宙自身）负阴而抱阳，冲气以为和”；从动态角度讲，“阴变阳，阳变阴，其变无穷”。所谓的易，就是讲阴阳变化之理的学问，即“易以道阴阳”。

二、两种物理学理论

物理学作为一门学术的名称，是从亚里士多德的希腊文著作延续下来的，这个希腊词的意思是探讨自然的秩序和原理的“自然学”，亚氏又称其为自然哲学。大约到18世纪中叶，由于学科内容的分化，自然史和化学从物理学中独立出来，18世纪后半叶法国讨论过留下的物理学意味着什么，结果是把物理学分为一般物理学和特殊物理学。前者指牛顿力学或由《自然哲学的数学原理》导出的以数学描述质点运动的传统，后者包括声、光、电、磁等广泛领域。通常都把这种划分说成是数学科学传统和实验物理学的分离。

1829年，泊松把当时法国物理学的思想倾向归为两类：物理力学和解析力学。他把前者的特征描述为“它的唯一的原理是把一切还原为分子运动，而这些分子是把力的效果从一点传到另一点并保持这些力之平衡作用的核心”，即期望用天体运动的牛顿平方反比定律数学格式，精密地描述宇宙一切现象，称牛顿范式；而后者则强调现象的解析格式，轻视对物理原因进行讨论，称非牛顿范式。1840年以后，牛顿范式的地位被非牛顿范式所取代；与之同时，拉格朗日原理被泊松和哈密顿予以发展，使力学成为完全分析的形式，并且以能量取代力的概念体系。本应该由之意识到“根本不存在纯粹的力学现象，实际上运动总是结合着热和电磁的变化，它们也规定运动”〔2-9〕，从而结束牛顿的“力学神话”，可惜的是西方哲学没有能够为物理学提供合适的自然观，以后的物理学就在迷茫中走了许多弯路。对两种范式的本质差异，一般都视为用几何法还是用解析法的数学问题。

19世纪30年代之后，随着实验物理学的成熟，出现了实验物理学和理论物理学之区分；物理学的理论又分原理理论和构造理论两类。前者是先使用分析法在经验中发现自然过程的普遍特征（即原理），然后给出各种过程必须满足的数学形式的判据，比如牛顿力学；后者又叫“假说—演绎”法，即先确立“想象的原理”（即“假说”），然后采用反证法通过由原理导出的结论对原理进行证明，给出的内容与经验所显示的现象吻合得愈多愈一致，特别是能够从假说来预言现象并得到证实，这种构造理论就愈成功。依据这种分类方法，一般都承认17世纪牛顿的《原理》和惠更斯的《论光》就分别代表了原理理论和构造理论。对这两种理论划分的依据主要在于思维方式，即前者采用分析法而后者采用综合法。

三、两类物理客体

牛顿的《原理》和惠更斯的《论光》，从近代物理学奠基开始，两种截然不同的理论分别传承为两种体系，即牛顿范式——原理理论，惠更斯范式——构造理论，其本质差异不在思维方式和数学形式之不同，也不在是采用数学方法还是实验方法之别，而在于研究的客体分属于根本不同的两类。

以质量对物体进行计量，并假定质量都集中在一个质点，以相互传递力的作用描述运动，是牛顿范式的核心观念；非牛顿范式研究的光、热、电、磁等现象，都不能以质量进行计量，最终认识到了这种现象都与“能量”直接相关，并且以能量取代了力学概念体系。

而今首当其冲应该明确的是物理学根本就不直觉研究“物质”，正象无法品尝水果一样，因为二者都是抽象的类概念。物理学只研究质量、能量、电量、时间和空间之间的关系，两种理论的适用范围不同，前者是关于质量系统的理论，后者则适用于能量系统。以往不适当地把能量说成是物质运动的形式（如“能即运动”）〔3-526〕，是产生混乱的肇端。现代物理学已经确认物理客体分两类：宇观上有分立的天球和连续辐射，微观上分粒子和场，粒子物理学分费米子和玻色子，理论物理学称其为物质粒子和相互作用；物理学理论也分用质量计量和时空描述、用能量计量和位形描述两个系统。“我们首先把宇宙的物质内容分成两个部分：“物质”即诸如夸克、电子和缪介子等粒子，以及“相互作用”诸如引力和电磁力等等”〔4-38〕。当代著名物理学家霍金居然会说出如此不合逻辑的荒唐话，不难看出“物质”这个误用概念带来的混乱是何等严重。

物理客体不能用“物质”这个概念进行抽象和概括，而应该分为质量和能量两个系统，二者的本质差异有3：1、分立和连续；2、有无静质量；3、量传递时物理客体仅只振动而不发生运动方向的位移。确认能量系统存在的依据有5：1、德西特从广义相对论场方程得出没有物质的宇宙时空解；2、无限的（负能电子）海的发现；3、爱因斯坦说：“依据广义相对论没有以太的空间是不可思议的”；4、3K微波背景辐射证明“空间”不空；5、粒子物理学的实验发现，绝大多数粒子为瞬息亿变的动态网络。

“全〖ZZ(〗空间〖ZZ)〗充满着相互作用着的各种不同的场”〔2-387〕，这种分布着某种物理量的空间，不同于经典物理学中作为参量的空间。“场从数学上表述了能量局域性概念”，“是一个具有无穷多自由度的动力系统”〔2-353〕。即此可知，一切自然现象虽表现为质量系统单元个体的运动和变化，动变之因却源于能量系统的作用；而能量系统本身不通过作用于质量系统的效应也根本就无法观测。物理学早已将物理客体分为弥散态粒子和凝聚态物体，3K微波辐射发现之后，就应该从分类学的角度再增添一种连续态网络；进而将弥散态粒子分为质量子和能量子，如此一来，物理世界图象就会变得非常清晰。

物理客体分物体、粒子、网络三类，分别用质量、电量（或荷质比）、能量计量；人类生活的现实世界属于质量系统（从天球到原子乃至质子、电子），能量系统则是一切运动变化的动力之源；所有的共振态、复合态粒子均属于能量系统的动态网络，只有那些稳定的能量子才有现实意义；不同能量子的有序组合构成信息（从质量系统讲，传递信息必须有载体，而对能量系统，信息和载体则合而为一，于此无暇展开讨论），可以用于操作质量系统的变化和存储一切自然现象。

小结：物理客体分两个系统三种态。质量系统和能量系统确实属于“负阴而抱阳，冲气以为和”的状态；作为两系统“中介”的弥散态，是演绎世间万象的“大舞台”；何以产生质量和电量，是现实世界存在的最根本机制。

四、时间和空间

无论哲学还是物理学，时间和空间都是一对非常重要的范畴，同时又是亘古至今争论最多直到今天还没有取得共识的两个概念。16世纪之前，基本上没有留下多少值得关注的重要论点；牛顿为了创立完整的力学体系，不得不提出人类历史上第一个时空构架。他认为物质是在绝对空间中运动，时间不跟任何物质对象相关、自身等速地在那里流；时间和空间各自独立互不相关。亦即是说时间和空间仅只是描述运动的参量。

现代物理学的发现则是：“广义相对论用空时结构的几何性质来表示引力场”〔2-328〕，场不但“是某种物理量的空间分布”，还是“一个具有无穷多自由度的动力系统”〔2-353〕。很显然，时空结构应该被理解为改变物体或带电粒子运动状态的作用量。

依据质能两系统结构论看待，即使在牛顿力学体系中，时空结构也是作用量而不是描述运动的参量。比如牛顿力学的第一号自然力——重力G=mg，如果没有g作用于m，物体就不会自由下落，很显然g是使m自由下落的作用量。如果用电磁作用相类比，g可以被称为引力场强，其作用效应跟电场作用于电量没什么两样。自从发现了动量和能量守恒之后，牛顿力学方程基本上已经不再使用，足以说明牛顿力学非常片面，能够沟通三个领域最基本的物理量只有动量和动能，根本就不需要力这个概念。

时间和空间究竟指什么？答曰：二者分别是对能量系统单元个体持续性和广延性的计量，恰如用质量计量物体、用电量计量带电粒子那样。

“空间一时间未必是一种可以认为离开物理实在的实际客体而独立存在的东西。物理客体不是在空间之中，而是这些客体有着空间的广延性”〔5-112〕。爱因斯坦如果对中国古典哲学稍有理解，就会再说一句：这些客体还有着时间的持续性。这种“物理实在的实际客体”即指能量系统而言。

能量系统虽是连续态，探究其具体作用时却需要量子化。假定其最小单元为h，由ε＝hν＝h/T可知，只要测出周期T，即可以知道具体的能量值，同理测出波长即可知动量。故而可以说时间和空间是对能量系统两种属性的计量。

董光璧教授猜想对于不同的相互作用，应该“各有其时空结构”，是有道理的。用于电动力学的时空结构已经非常成功，“对于电磁相互作用，相对论提供的时空结构和量子论提供的能量结构，既在逻辑上自洽又与经验相符”〔2-429〕；而对于质量，发挥作用的时空结构有ι2t-2和ιt-1两种，对行星的运行则有R3/T2＝K。

小结：时空不是独立的存在，而是用于计量能量系统属性的概念构架。对于物体或带电粒子，不同的时空结构作用于质量和电量可得能量和动量；对于能量系统，只需要用T和λ对基本单元个体计量，即是能量和动量。

五、两种运动

讨论过物理学不应该使用“物质”这个哲学范畴，明确了物理客体分质量、能量两个系统，确立了质量、电量、能量和时空是基本的物理量，并且弄清了时（T）空（λ）可以直接作为计量能量和动量的基本量，不同时空结构又分别是驱动质量或电量的基本作用量之后，还应该讨论一下运动形式问题。

亚里士多德很早就提出自然运动和强迫运动区分之必要，物理学界至今都没有认真对待。所谓自然运动，应该是不受人的干预，不准附加任何人为条件的运动，比如自由落体、自组织系统的变化和行星运转等（下文称绝对运动）；所谓的强迫运动当指人为增添了特设条件的运动，比如将物体抬高、摆钟和日常生活中经常发生的许多运动。

牛顿力学除自由落体之外，几乎都有附加条件，将运动定义为一个物体对另一个物体的位移，运动的基点建立在物体对物体的作用（即力）之上，并将物体看作一个质点等，基本上都属于质量系统的相对运动。现代物理学发现的因果关系被破坏，基本上都产生于对绝对运动和相对运动的作用机制之混淆。

“一个钟所处的引力势越低（深），它走得越慢，而那里发出的光在引力势较高处去接收就会发生红移”〔5-92〕，亦即是说原子钟在那里发出的光频率较小，周期变大。如果是摆钟，依据T＝2πL/g，由于g变大，周期就必然变小。两种钟的结果居然完全相反，基于什么原因呢？这就恰好能够说明相对运动和绝对运动的作用机制不同，显示的结果就必然会适得其反。由于原子钟的频率直接决定于能量子的频率，属于绝对运动；而摆钟的周期则由作用量g与弹性势的平衡决定，属于相对运动，g变大时相对而言等于固定不变的弹性势变小，故而钟的周期亦随之变小。“量子理论和每一种合理的真实世界观念都冲突”〔6-127〕；“量子力学改变了古典物理学的因果观和实在论”〔2-328〕。这些观念产生于发现了绝对运动和相对运动效果迥异，感到困惑的原因是没有树立起时间和空间“不再是事件在其中发生的被动的背景”，“相反的，它们现在成为动力学的量”〔4-53〕，根源在于没有突破“物质”一元论的樊篱。

问起广义相对论场方程的意义，通常的回答是：“物质和能量要使时空向其自身弯曲”〔4-60〕，反过来弯曲时空的曲率又决定着物体运动的路径。这种表述本来存在一个因果互易的逻辑循环，只需要将误用概念“物质”去掉，就变成了非常明晰的单因（能量）决定单果（质量运动路径）的关系。再如“势函数V表示质量系统对空间任意点的引力作用”〔2-361〕，实质上则是势函数表示任意时空点对质量的趋动作用。作用和被作用的因果关系弄颠倒的原因，许多都出在用相对运动的观念去解释绝对运动；产生这种观念的根源又非常久远和牢固，先是哲学上把物质说成第一性，继而近代科学一开始就决定只研究属于第一性的质量和重量，外加担心宗教神学找麻烦，所有物理学理论就都必须把物质或质量说成是运动变化的起因。依据两系统结构论，动因仅来源于能量系统。

宇观上的星体都是绝对运动，很早很早之前就受到许多哲人的关注，他们的不少观点由于跟相对运动的理论不合，都受到了冷遇。欧拉认为“一切物理过程都是以太与物质相互作用的结果”〔2-180〕，欧多克斯认为“日、月和行星分别固定在想象的匀速转动的天球上，星体本身不动，它们随着天球运动”〔2-51〕，笛卡尔的观点更明确：“宇宙空间充满媒质的旋涡运动，天体被媒质的旋涡推动”〔2-145〕；最直观形象的描述莫过于那个阴阳互动的太极图，那是华夏先民无数代人仰观俯察智慧的结晶。天空中所有星系或星系团无不都是一个涡旋，其中不少涡旋的中心根本就找不到质量（被称为质量丢失的暗物质）。很显然这些涡旋都是能量积累形成的畸变时空，那些特定的R3/2＝K的不同旋线上，都可能会有星体在做自然运动，根本就不需要什么引力作为向心力，自然也就没有必要去找切线力的源。

易学中虽说没有“自组织”这个词，王船山却早就讲清了自组织的作用机制。“阳变阴合，乘机而为动静”，“二气之动，交感而生，凝滞而成物我之万象”，如果将质量子和能量子类比为阴阳，这种说法还满有道理的。

小结：运动有相对和绝对之别。因果关系被破坏的原因大都生之于用相对运动的理论去解释绝对运动，根源在于物质一元论不能作为物理学的哲学基础。

六、唯物宇宙观

科学思想作为文化的一部分，在相当长的时间内世界各地都是沿着自己的传统在发展；从16世纪开始，随着西方殖民主义的掠夺，希腊传统的科学逐渐传播到世界各地。如今所说的近代科学，主要指希腊科学传统的扩展，其间也不乏阿拉伯、中国和印度等地科学成果的积累。物理学思想的发展在很大程度上跟古希腊哲学有着非常密切的关系，古希腊哲学的自然观主张人与自然分离。

在古希腊文化传统中，从公元1世纪基督教创立开始，就出现了理性和信仰、哲学和神学的纷争，科学思想的发展亦被打上深深的烙印。基督教成为国教之后，“知识服从信仰”成为教会的基本准则之一，于是就有人提出“学问来源于经验”与之抗衡。

基督教创立不太久，某些护教派发现那些愚昧贫乏的教义抵抗不住古希腊、罗马文化，特别是哲学，就开始从古希腊、罗马哲学中寻找为教义辩护的依据，从而发展出貌似科学的神学，进而宣布真正的哲学和真正的宗教是同一的和信仰先于理性的原则。中世纪的欧洲几乎一切学术都在宗教神学的桎梏之下，自然科学也不例外，布鲁诺被活活烧死，伽利略遭受终生监禁，都因为他们的理论对神学不利。

唯物主义宇宙观针对信仰先于理性提出物质第一性、意识第二性，自然科学总算找到了哲学基础。由于近代科学确定只研究属于第一性的质量和重量，而不研究与感觉有关的第二性，即把意识范畴留给宗教，总算争得了一席之地。当我们立足于现代科学的成果和困惑，去反思物理学发展的历史时发现，把物质和意识的关系视为全部、特别是近代哲学重大基本问题的唯物主义哲学，根本就不能作为物理学的理论基础。为了从神学桎梏下挣脱出来，选择第一性、第二性之分的哲学虽说必要，终归总逃不掉为临时应付而“举债”付出更高的代价。

物质和意识对立，对立的双方是自然和人，这是古希腊自然与人分离自然观的延续。这种哲学适用的范围应该是人天系统，即探讨的中心课题是人与自然的关系；而物理学则属于纯客观地探讨自然界的秩序和原理的学问，亦即是说它只研究物质和物质之间的联系、相互作用和运动变化规律等问题，丝毫不涉及物质与意识关系的内容。故而我们认为，唯物主义宇宙观虽说使物理学摆脱了宗教神学的束缚，而成为一门独立的学科，却不能做为物理学的哲学基础。

自然界是一个有机整体，要探讨其运动变化的规律，就不应该将所有的物理客体用“物质”一个概念概括。因为变化只能发生在至少两种客体之间，如MN和NM；而MM则是永远无法观测的。

“科学史界越来越多的学者认识到，站在现代科学的立场寻找历史来龙去脉的做法有误入歧途的危险，转而采取从原来的境况中重新阐释科学思想”〔7-2〕，不少人发现了《周易》中保留着自然学的原初形式，可以为科学发展提供有益的哲学启迪。本人沿着这条进路摸索多年，学习探寻的心得是，物理学只有依据两系统结构论的自然观，才可以讨论变与不变。

易以道阴阳；万物负阴而抱阳，冲气以为和；阴变阳，阳变阴，其变无穷；阳变阴合，乘机而为动静；二气之动，交感而生，凝滞而成物我之万象——仅依据上述五句富涵哲理的格言，对物质、时间、空间、运动和因果关系等重要概念做一些简要的剖析，就可以理出一条新的思路。如果依据两系统结构论，对物理学的概念和理论进行一次新的整合与梳理，极有可能会将物理学带出当前的困境。不当之处，敬请各位师长、同仁指正。

参考书目：

1、朱伯昆主编《国际易学研究》第三辑，华夏出版社1997年版

2、董光璧等著《世界物理学史》吉林教育出版社1994年版

3、《马克思恩格斯选集》第三卷人民出版社1972年版

4、(英)霍金著《霍金讲演录》湖南科技出版社1995年版

5、倪光炯等著《近代物理》上海科技出版社1979年版

量子力学的基本理论篇5

Abstract：Quantummechanicsdevelopedfromasubjectthatisbuilttoanswerclassicalphysicalproblemstoasubjectstudyingmotivationlawofmicroscopicparticles，amajorelementarycoursetostudentsinnuclearphysicsandothernuclearmajors.WeopentheQuantumMechanicsCoursetostudentsinthosemajorsandinitialeffectachieved.

关键词：量子力学；模块化；教学

Keywords：quantummechanics；modular；teaching

中图分类号：G42文献标识码：A文章编号：1006-4311（2013）04-0258-01

0引言

随着科学技术的迅猛发展，能源紧缺问题十分严峻，各国都在大力发展核电事业，我国“十一五规划”也将核电和核技术应用与发展列为重点。党中央、国务院十分关心核工业的发展，做出了和平利用原子能，积极促进核电发展的战略决策。核科学与技术等即将迎来前所未有的发展。作为省部共建的南华大学，是中国核类本科专业齐全、本科生培养规模大、核类人才培养层次较完整的高校，18个涉核专业，核支撑专业和学位点24个，我校的核科学技术等领域在中南地区乃至全国都具有一定的优势。如何办好这些核类本科专业，突出南华大学的“核”特色，这些都成为了值得我们研究的新课题。量子力学是从研究经典问题出发而发展起来的一门微观粒子运动规律的学科，是原子物理学、原子核物理等学科的重要基础。量子力学有知识面广、抽象难以理解的特点。怎样使其更好的为核类专业学生服务成为我们新的教学难点。

1量子力学的教学目标分析

我校核物理专业的量子力学课程，授课时间在大三第一学期，共64学时。教材以[1-3]为主，阐述波函数和薛定谔方程、量子力学量、态和表象、微扰理论、自旋和全同粒子等具体内容，使学生能够系统掌握量子力学的理论知识和体系结构，分析和处理一些核物理中的实际问题。

量子力学对于核物理专业学生来说教学目标和教学内容及其深度有较高的要求；而对于核类其他专业，量子力学只作为原子物理和原子核物理的基础课，在专业知识的掌握方面要求相对要低些，只需要掌握一些基本理论，能用量子力学定性解释一些简单的核物理实验现象即可。

2量子力学的模块化教学初探

量子力学是关于微观粒子运动规律的学科。在教学中我们发现，除了量子力学基本分析方法之外，是一些基本理论模型，如一维无限深势阱、势垒贯穿理论等对于核工程类专业学生后续学科的理论学习有很好的指导作用，在教学中我们加深对这些方面的讲解，力图通过本课程为学生以后的学习打下坚实基础。

量子力学是一门基础理论。如何使其更好的为核类学生服务是我们一直关注的问题，在教学实践的基础上结合量子力学理论体系结构的特点，我们提出模块化改革教学的理论，以解决各专业对量子力学学习要求的不一致，将量子力学分为波函数及薛定谔方程模块、量子力学量模块、表象变换模块、微扰论及粒子自旋模块、散射理论模块等五个模块。对不同的核类专业，教学内容有不同的模块结构和相应的课时分配计划。

对于核物理专业，其对量子力学理论知识要求较高，在教学实践工作中必须强调课程知识体系的全面性和深入性，加大对理论基础的讲解力度，让其掌握利用量子力学理论去分析和解决常见的微观现象。我们较系统地讲解这五大模块，引导学生利用已学量子力学知识去解决一些核物理问题。

对于核类其他专业，如核工程与核技术、核科学与核技术、核反应堆工程等专业，其对量子力学基础知识要求较低，在教学过程中保证教学内容的连续性和体系的完整性的同时，选择其中的波函数及薛定谔方程模块、量子力学量模块和微扰论模块重点来讲解，表象及表象变换略去不讲，对于散射模块，也只做简单的介绍。

3结束语

在日常教学中，我们运用模块化的思想，给核类专业的学生讲授量子力学，取到了良好的成绩。我们注重总结并收集反馈意见，研究调整模块结构及其课时分配计划，在模块化教学的框架下适当修改完善，已取得一定成效。

参考文献：

[1]周世勋.量子力学教程（第二版）[M].北京：高等教育出版社，2009.

量子力学的基本理论篇6

2012年7月，有5个周一、5个周二和5个周日，你没有注意到吧？这种现象每823年才发生一次。7月16日，月亮、金星和木星在天空形成笑脸；7月25日，火土合月。天象大吉呀！你在7月可有喜了？

对于想弄清宇宙终极真理的科学界来说，喜报频传。7月3日和4日，美国费米实验室和欧洲核研究组织相继十分高调地宣布，发现了一种亚原子粒子，极可能是有“上帝粒子”之称的“黑格斯玻色子（Higgsboson）”。

你在普遍奉行庸俗实用主义的当下中国，尽可理直气壮地问：黑格斯玻色子有什么用？答：除了支持物理学的“标准模型（StandardModel）”理论，现实中尚无用——但无用之用，多是大用。此时此刻，正如彼时刻——1897年，汤姆逊发现了电子，其实在现实中也是无用之用，而电子已经与今日人们的生活密不可分了。

发现“基本粒子”的历程

我们所生存的这个宇宙，是大约137亿年前从一个质点的“大爆炸”而“无中生有”地产生的。而宇宙万物是由数种相同的微小粒子构成的，认识这些粒子及其构成宇宙万物的机制，具有重要的科学意义。

科学家们原来认为原子是构成物质世界的最小粒子，而电子的发现打破了原子“不可分”的观念，又打破了物质结构的“终极”观念，科学家们面临一个陌生的美丽新世界。科学家提出“基本粒子”概念，指构成物质的最基本、最小单位的粒子，开始以为是亚原子结构，但后来认识到“基本粒子”也有能再细分的复杂结构，即基本粒子的定义随着人类的认识而有所变化。质子、中子的大小只有原子的1/100000，而轻子和夸克的大小还不到质子、中子的1/10000，在现有最高倍的电子显微镜下也不能观察到。

发现电子不久，科学家们发现了放射性；上世纪20年代，利用放射性射线这把“刀”切割原子，发现其由原子核和电子构成；上世纪30年代，用放射性射线轰击原子核，又发现原子核由质子和中子组成。约在同期，还发现原子核的弱衰变中一定伴有不带电的中微子。上世纪40到60年代，用外层空间高能的宇宙射线和人造高能加速器，发现了多种亚原子结构的粒子。科学家们把所认识到的粒子分为轻子（lepton）和强子（hadron）两类。

至今实验上还没有发现轻子有任何结构，所以常被认为是最基本的粒子之一。除了电子e-，1953年，发现电子中微子e；1962年，发现μ子μ-和μ子中微子μ，且中微子有不同类型；1975年，发现了τ子τ-；2000年，发现τ子中微子τ。即“标准模型”中的12种基本轻子都已在实验中发现了：3种带一个单位负电荷的粒子e-、μ-、τ-及与之对应的3种不带电的中微子e、μ、τ，加上这6种粒子各自的反粒子。

上世纪60年代，盖尔曼和茨威格提出，强子是由更基本的粒子“夸克”（quark，此词来自乔伊斯小说《为芬尼根守灵》中的诗句）组成的。夸克带有分数电荷，是电子电量的2/3或-1/3倍，自旋为1/2。最初提出有3种（称作“味”）夸克，分别是上夸克u、下夸克d和奇异夸克s。上世纪70年代，发现J/ψ和Υ粒子，又引入粲夸克c和底夸克b。1994年发现顶夸克t，许多人认为这是最后一种夸克。这6味夸克也各有相应的反夸克。强子包括重子（baryon）和介子（meson）；在夸克模型中，重子即是由3个夸克组成的复合粒子或3个反夸克组成反重子，介子是由1个夸克和1个反夸克组成的束缚态，这一对夸克和反夸克可以是不同味的。

夸克和轻子两个家族可分为3代。第1代的粒子质量最轻，而第3代的粒子最重。现存的物质主要是由第1代的基本粒子组成，而第2、3代粒子大多已衰变成为第1代粒子。轻子和夸克是科学家们迄今认识的物质最小单元的最前沿。

四种力及“标准模型”理论

构成物质的微粒之所以能聚集到一起，是因为微粒之间有相互作用力“拉聚”它们。牛顿首先发现了万有引力；科学家们后来又发现了电磁作用力，而放射性与电磁力和强作用力、弱作用力都有关。即物质间已知的基本相互作用力有四种：万有引力、强作用力、弱作用力和电磁作用力。引力和电磁力，凭着肉眼的经验也能察觉，即它们在日常尺度上还有明显不为0的强度。强作用和弱作用只在原子核的尺度内，才有明显不为0的强度，超出微小的距离则速趋于0；强作用的力度又比弱作用大得多。轻子是只参与弱相互作用、电磁力和引力作用，而不参与强相互作用的粒子；强子是所有受到强作用力影响的亚原子粒子。量子物理学认为，粒子之间的基本相互作用是通过“交换”某种粒子来传递的，即基本相互作用力都是由媒介子（mediator）传递的。

由上可知宇宙间的基本粒子有：轻子、夸克和媒介子。量子物理学里，所有这些粒子都有标定各自基本特性的四种量子属性：质量、能量、磁矩和自旋。按这些粒子在高密度或低温度时量子属性（主要是自旋）的不同，在量子物理学中又分成两大类：一类是以费米的名字命名的“费米子（fermion）”，另一类是以玻色的名字命名的“玻色子（boson）”。费米子的自旋为半整数，费米子遵循费米—狄拉克统计规律和泡利不相容原理，即没有任何两个费米子能有同样的量子态，即在同一时间同一地点不可能有特性（电荷、动量和自旋朝向等）完全相同的费米子，就像飞机上同一个座位不能同时坐着两个孪生乘客。玻色子的自旋为0或整数，由玻色子或偶数个费米子组成的复合粒子的自旋也是0或整数（即也是玻色子），玻色子遵从玻色—爱因斯坦统计规律，但不遵守泡利不相容原理，即一个量子态可以容纳无穷多个玻色子，所以低温时可出现玻色—爱因斯坦凝聚现象。在形成宇宙万物中，费米子和玻色子的“用途”是：费米子是构成物质的粒子，玻色子是传递作用力的粒子（又统称为规范玻色子），或说费米子通过玻色子的联结作用，而形成了物质世界。

爱因斯坦的相对论解决了重力问题之后，理论物理学家开始尝试建立统一的模型，以解释通强作用、弱作用、电磁作用三种力相互作用的所有粒子。科学家们较早认识到，电磁力和强作用力在相对论变换下都具有“矢量（轴矢量）”的性质；1956年，李政道、杨振宁提出宇称不守恒，开辟了认识弱作用也有矢量（轴矢量）性的正确道路。强作用、弱作用、电磁作用三种作用力都有这种性质，保证了它们可能成为与时空联系起来的规范相互作用，这为后来建立标准模型起了重要的作用。而1954年，杨振宁和米尔斯提出“杨—米尔斯理论”，为现代规范场理论——非阿贝尔规范理论奠基。1962年，格拉肖在杨—米尔斯理论基础上初步提出弱作用和电磁作用的统一模型。1964年，黑格斯机制（自发破缺机制）在理论上成功地解决了规范场量子的质量问题。为温伯格和萨拉姆的弱电统一模型的提供了重要的基础理论。1968年，温伯格和萨拉姆在黑格斯机制和格拉肖的基础上完善了电弱统一理论，这是后来标准模型的重要基础。1972年，特霍夫和威特曼证明具有自发破缺的规范场论是可重整的，可重整是后来建立标准模型的重要原则。1973年维尔切克、格罗斯和波利策提出一种关于夸克的渐近自由理论，解释了质子和中子的成分夸克为何从来都不会分离，这导致了量子色动力学的诞生，量子色动力学也是标准模型的重要基础。

1975年，格拉肖等在前述科学探索的基础上，把弱作用、电磁作用、强作用三种作用力统一起来建立了标准模型。由于引力的强度很弱，在构成日常尺度物体时可完全忽略，所以，标准模型在四种基本相互作用力中只涉及强作用、弱作用和电磁作用三种力，让这三种基本相互作用“原初性”地作用在夸克和轻子之间，其相互作用的形式都由具体的规范对称性规定，其中的强作用、弱作用还能在各自的量子（规范场粒子）之间作用，因而能成功地把它们相对统一起来，用以解释组成宇宙万物的最基本粒子及其间的交互作用力。标准模型所涉及的是极其微观的物质世界规律理论，在这个世界中，所有物质单元都具有粒子及波动二相性，且符合20世纪前期建立的量子力学和狭义相对论两个理论体系中的量子化和相对论性规律。量子论和相对论的结合推动了量子场论的建立，量子场论是粒子物理的主要理论工具，也是标准模型的基础理论。标准模型中，对应万有引力、强作用力、弱作用力和电磁作用力的媒介子分别是：引力子（尚未在实验中发现引力子）g、介子或胶子（gloun）、玻色子（如W±、Z0）和光子γ。

黑格斯玻色子为什么是“上帝粒子”

有多位物理学家在探索标准模型理论的过程中获得了诺贝尔奖。但在建立标准模型的过程中，有一个“拦路虎”，不去除则后边一切都免谈——自从1666年苹果砸中牛顿，牛顿发现了万有引力之后，物理学家就在寻找什么是质量？质量从何而来？轻子、夸克及传递的弱作用规范粒子都是具有静质量的量子，但用一般方法“产生”质量，规范场粒子的规范性质，会破坏色荷、电荷或时空的对称性（洛仑兹不变性）。或者说，统一描述电磁作用和弱作用的对称性必须是自发破缺的，否则所有粒子都将没有质量。自发破缺就是某一个场在能量的最低态（即真空态）不具有这种对称性。

1964年，英国物理学家黑格斯（今年83岁）提出，存在一个不带色荷和电荷的标量粒子场（称黑格斯场），能够在真空态具有非0的取值（即真空期望值）实现电弱对称的自发破缺——电磁作用和弱作用在能量低于一定条件后将呈现为不同的相互作用；进而预言存在黑格斯玻色子，黑格斯玻色子是物质的质量之源，其他粒子在黑格斯玻色子构成的场中，受其作用而产生惯性，最终才有了质量。即是说，黑格斯场造成物理真空的对称性破坏，而实现规范粒子质量的“产生”。

通俗地说，黑格斯提出，在宇宙大爆炸中，黑格斯玻色子使粒子得到质量（万有引力则将质量变成重量），使星辰得以诞生。如果没有质量，粒子只会以光速乱窜，无法结合起来成为物质世界。黑格斯假定宇宙间存在一片波浪场，无数的黑格斯玻色子减慢了粒子的飞行，就像蜜糖粘住苍蝇一样，并使粒子获得质量。越容易碰撞黑格斯玻色子的粒子，越难以被加速。黑格斯粒子具有质量，在宇宙创生之初完成使命之后即衰变了。黑格斯理论被视为了解宇宙的关键。

标准模型理论认为的基本粒子可以分为轻子、夸克、规范玻色子和黑格斯玻色子四大类，所有的粒子在强作用、弱作用和电磁作用三种力的框架内相互作用，统一在标准模型之下。这个理论看似完美和谐，其预言的62种基本粒子中，迄今已经被实验证实了61种，但第62种即黑格斯玻色子，虽然早几年前就有消息说在实验中发现了，但至今还未最终确证其是否存在，这也成为标准模型的命门。

黑格斯坚信有黑格斯玻色子存在，但当别人提到“黑格斯玻色子”时，黑格斯总是诚惶诚恐，因为他觉得“不配用自己的名字”命名这种粒子；而且对“上帝粒子”的外号更加反感，因为黑格斯坚称自己是无神论者。这个外号来自诺贝尔物理学奖获得者莱德曼在1993年的科普著作《上帝粒子：假如宇宙是答案，究竟什么是问题？》，莱德曼后来说自己本来叫它“Goddamnparticle（××粒子）”，但书商觉得三俗，改成了“Godparticle”。这本书中的结尾表达了物理学家们对找到“上帝粒子”的期望：“天空中出现了一道炫目的光芒，一束光亮照亮了我们这位沙滩主人。在巴赫B小调弥撒曲庄严、高潮的和弦配乐下，也可能是在斯特拉文斯基的短笛独奏《春之祭》中，天空中的光慢慢地变成了上帝的脸，微笑着，但带着极度甜蜜的悲伤表情。”

霍金打赌100美元，怀疑有黑格斯玻色子的存在，不过这次他很可能要输了——他也不是头一次在科学打赌中输了。霍金在其著作《大设计》中说，宇宙创生之初，至少人格（或神格）化的上帝没有起作用。而我从佛教的经典看，如果实验证明存在黑格斯玻色子，也不过是又一次证明了佛陀关于宇宙创生的说法——佛教也是无神论的宗教。本文讲科学，文字又长又不轻松，此话题就按下不表也。

未来之路

不管黑格斯玻色子是否存在，标准模型都是物理学取得的最重大成就之一。