量子力学中的基本假设范文

导语：如何才能写好一篇量子力学中的基本假设，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

篇1

内容简介：共分光和光的传播，几何光学成像，干涉，衍射，变换光学与全息照相，偏振，光与物质的相互作用、光的量子性等七章和两个附录。

2、《量子力学教程》，作者：周世勋。

内容简介：包括绪论、波函数和薛定谔方程、量子力学中的力学量、态和力学量的表象、微扰理论、散射、自旋与全同粒子等七章。书中在阐述表象理论的基础时，引入了近代文献通用的狄喇克符号，还通过线性谐振子的例子介绍了占有数表象。

3、《量子力学》，作者：高守恩、杨建宋。

篇2

关键词:量子力学;量子测量;偏振

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

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

1偏振光实验的经典解释

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

2偏振光实验体现的量子力学概念

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

2．1量子态

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

2．2量子测量、态空间、表象

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

2．3态叠加原理、波函数统计解释

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

3典型例子

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

4总结

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

参考文献:

［1］狄拉克．量子力学原理［M］．北京:科学出版社，1966．

［2］费因曼．费因曼物理学讲义［M］．上海:上海科学出版社，2005．

［3］曾谨言．量子力学卷1．［M］．北京:科学出版社，2006．

［4］赵凯华，罗蔚茵．量子物理［M］．北京:高等教育出版社，2001．

篇3

摘要：量子力学与相对论一起被认为是现代物理学的两大基本支柱。随着数字媒体业的迅猛发展，当今世界已进入信息风暴的时代，媒体与艺术的高结合性与诉求性使人们不得不用科学的眼光重新审视。本文从两种科学理论出发，阐述媒体与艺术的科学特性，同时将科学的研究方法融入媒体与艺术的研究当中，提出传播扩展粒度的新观念，有助于判定数字媒介扩展空间量的大小。

关键词：量子力学；相对论；媒体；传播扩展粒度；艺术；科学

随着媒体业的迅猛发展，当今世界已进入信息风暴的时代，媒体与艺术的高结合性与诉求性使人们不得不用科学的眼光重新审视。清华大学是中国最重要的高等学府之一，同时也是国家核心研究机构。在清华大学设有“艺术科学中心媒体实验室”，将艺术与科学的融合视为21世纪高等教育的重要命题。由此可见，对媒体、艺术与科学三者的融合研究具在时代价值。

目前研究者们依托于前沿的科学理论和技术成果，在数字媒体方向不断创新，采用新的艺术技法和表达媒介，彰显人文关怀与艺术反思，表现出鲜明的生态文化特征和信息文化特征。[1] 在探求媒体、艺术、科学三者之间的关系以及未来的发展趋势时，很多专家学者从技术应用的角度进行推测与分析。本文另辟蹊径，从物理学两大基本理论――量子力学与相对论出发，将科学的研究方法融入“大媒体”、“大艺术”的研究当中，提出传播扩展粒度的新观念。

1 科学与媒体的分类与特性

（1）两大科学基本支柱。1）量子力学。量子力学是描写微观物质的一种物理学理论。马克斯・普朗克在1900年提出能量量子化假设。假定电磁波的发射和吸收不是连续的，而是一份一份地进行的，计算的结果才能和试验结果相符。量子力学测量时假设的显态与实际微观体系中的隐态，造就了量子力学的前提。2）相对论。在狭义相对论中，爱因斯坦将空间与时间联系起来。认为物理的现实世界由时空坐标t和空间坐标x、y、z组成的，构成了四维的明可夫基里平直时空。在相对论中，用四维方式考察现实世界，能量与动量构成一个不可分割的整体――四维动量，自然界一些看似毫不相干的量之间可能存在深刻的联系。

（2）媒体的分类与特性。1）媒体分类。从技术角度分类，可以分为感觉媒体、表示媒体、呈现媒体、存储媒体、传输媒体。按照感觉器官来分可以分为视觉媒体、听觉媒体、视听媒体。媒体按照使用媒介的不同可以分为数字媒体和传统媒体。[2]2）媒体特性。数字媒体和传统媒体共有的特性均具有传播性。数字媒体较之传统媒体又具有交互性，例如游戏及动态网站与受众间的交互性信息传递。同时艺术与技术的结合，打造了1+1≠1的效果。相对于传统媒体，数字媒体不但具有共同的社会属性，更具有个性。例如一些网上的个以及可以按照个性定制的交互式服务。另外数字媒体相对比较环保绿色，同一时间段内覆盖面积更大、受众更多、相对成本更低廉、单位性价比更高、更容易共享和传播、艺术形态更多样。数字媒体带给人们全新的生活方式，改变了人的思维和生活的方式。

2 媒体、艺术与科学的关系

（1）媒体、艺术与科学是密不可分、相互渗透的。媒体是艺术与科学的承载。而数字媒体平台与网络又是建立在迅速发展的科学技术基础之上。当利用技术手段搭建的平台在运营的过程中，根据受众的需求又有艺术的诉求。艺术离不开科学，没有媒体与科学对艺术的诠释，艺术只是一句空谈。例如音乐的展现需要有播放的平台、相关设备及环境、录音技术手段的支持；优美的图画需要纸张等媒介以及绘画技法来表现；震撼清晰的画面需要高质量的播放平台与优良的制作技术。

（2）艺术与科学是相通的。有人说：每个人都是天生的艺术家。艺术来源于生活，是人感官的享受。科学来源于自然，是人类探求真理的结晶，电影、电视、游戏等均是艺术与科学技术结合的产物。

（3）借助媒体，艺术与科学的发展是相互促进的。随着物质文明与精神文明的发展，人类在精神世界的诉求急于寻求实现的平台与途径。社会观念的变革、人类思想的解放、对美好事物的追求促进科学技术的更新发展。与此同时，科学技术的变革反作用于艺术理念的提升，使人们站在一个新的平台上审视艺术。十报告中指出“促进文化和科技融合，发展新型文化业态，提高文化产业规模化、集约化、专业化水平。”充分体现了三者间的关系。[3] 媒体、艺术与科学在当今“信息风暴”的时代是相互促进、相互渗透的。

3 媒体、艺术的科学性论述

量子理论与相对理论较好的诠释了媒体、艺术的科学性。

3.1 量子力学与相对论在艺术创造中的体现

（1）蒙太奇方法的时空转换。蒙太奇方法是常用的视频信息流的组建方法。但因为每个人的关注点不同，针对同样的素材，利用蒙太奇方法产生的效应也不同。针对大多数人的认知习惯，蒙太奇方法是有共同点的，所产生的主观认知理解也是一样的。而对于某种特定人群可能并没有意义或者对其释义根本是相对的。相对于主观来讲，找到最美的表现瞬间是重要的。例如，在《猜火车》电影中“厕所捡物品”的镜头，主人公将头伸入肮脏的厕所中，而画面中出现的却是主人公在臆想中的漂亮“海洋”里遨游。这是时空的转换，是视觉环境的强烈对比，同时也是蒙太奇手法的运用，是相对论的体现。

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Abstract： Starting from the origin of the word "atoms"， this paper demonstrates the materialist view of the material and the evolution from material to physicalism in the process of human development by the time sequence of the development process of science and technology. This paper expounds the connotation and characteristics of contemporary physicalism. Compared with the engineering education of engineering postgraduate students， it analyzes the important positions of physicalism and engineering philosophical thought in the postgraduate education.

关键词： 研究生教育;唯物主义;物理主义

Key words： postgraduate education; materialism; physicalism

中图分类号：B0-0 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）04-0325-02

0 引言

如何界定物质与意识二者的主客关系历来是唯物主义与唯心主义渭泾之分的界河。辩证唯物主义物质本体论认为世界根源是物质，世间的一切都要归于物质。各种看上去似乎非物质的事物，如：生命、意识、道德、社会等表象，本质都为物质，它们的存在皆依附于物质的存在，性质由物质所决定[1]。辩证唯物主义是以物质为核心的一元论科学，是近代哲学理论的精髓之一[2]。唯心主义认为物质及其属性只是一种表象，不具有第一性，真正实在的是非物质的，物质世界的存在依赖于某种独立存在的心灵[3]。客观唯心主义代表人物柏拉图认为“真正实在的某种抽象非物质属性或结构的存在不依赖于时空，可以是永恒不变的形式或共相”，而主观唯心主义典型代表贝克莱则认为“物质世界的存在依赖于某种独立存在的心灵”。上世纪中叶，经过实证主义和行为主义大潮洗涤，唯心主义已黯然失色，悄然离去。

1 唯物主义与物理主义

“原子”这一概念源于古希腊自然哲学家留基波和德谟克利特，他们提出的原子论代表了唯物主义对于物质本性的一种主要理论观点――辩证唯物主义世界观。辩证唯物主义者认为世间一切都是物质的――物质本体论。物质由原子构成，而原子是一些微小的粒子，是最小单元，它们在不停地运动着。这些微粒不会消亡也不会再生、它们具有一定的质量、占据时空、靠原子间的碰撞聚集形成宏观物体――“原子旋涡”学。然而，二十世纪初，随着科学家对原子内部结构认识的深入，厄内斯特・卢瑟福提出原子结构理论并发表最重要的科学文章：在《哲学研究》上发表两篇《物质对α、β粒子的散射和原子的结构》（1911）、《原子的结构》（1914），这种观点被彻底颠覆[4，5]。同时，伴随着电子、质子、中子、光子、声子、轻子、介子和中微子等不断地相继被发现，人们发现粒子是可再分的，并将基本粒子归于四大类：夸克、轻子、规范玻色子和希格斯粒子，成功建立了粒子物理标准模型，在数百种众多的基本粒子中除光子、中微子、电子、质子等少数粒子性能稳定与寿命长外，其它都瞬息即逝，粒子也可消亡[6]。辩证唯物主义的物质观受到猛烈冲击与撼动，从而，促使人类以全新的视角重新审视物质。

20世纪50年代，人类开始研究时间非对称理论，玻耳兹曼格子方法得到推广应用。量子力学、宇宙学、耗散结构、混沌等物理学初露，1964年贝尔建立一套定域实在论并得到贝尔不等式，美国物理学家莱格特2003年建立一套非定域实在论，并推证得到莱格特不等式。量子力学公设与经典物理学有着本质的不同，它给予概率基础地位。玻尔指出：“量子理论精髓，可以用量子公设表示”。量子力学以薛定谔方程为基础，核心是几率因果性和物理实在问题，用主量子数n、角量子数I、磁量子数m、自旋量子数ms等四个量子态概念表征微观体系状态，深化了人们对物理实在的理解。基于现代物理学理论，无论物质以何种形式存在，辩证唯物主义提到的物质将不再是唯一实在的。在现代物理学冲击下，传统物质观变得不甚一击，此时，唯物主义者已难以给出“物质”精准定义。恩格斯指出：“随着自然科学领域中每一个划时代的发现，唯物主义也必然要改变自己的形式”。为此“物理主义”应运而生，唯物主义递升为物理主义。物理主义规避了唯物主义者面对的难题，承继着唯物主义传递的火炬，继续与唯心主义抗衡。“物理主义”被视为唯物主义在当代的发展，是唯物主义最新翻版，最新形式。物理主义者视自己为唯物主义继承人，发扬了唯物主义。

2 物理主义的掘起

所谓物理主义是从心灵哲学中发展起来的一种形而上学的观点[7]，最早由纽拉特和卡尔纳普在1930年将“物理主义”一词引入哲学领域，并将其视为一个语义学论点。物理主义的核心是“一切都是物理的”。目前，存在十多个版本的物理主义，包括：先天物理主义、后天物理主义、戴维森的非还原物理主义、还原式物理主义等。严格地讲，物理主义仅仅是关于心灵或心身关系的一个形而上学的纲领。物理主义哲学家希望通过物理方法证明现实世界的物理特性一定会决定现实世界相对应的意识感受特性。各种版本的物理主义都是对心理―物理关系的一种解答[8]。在众多的版本中，本体论自然主义具有最强音。本体论是一种追求“本质”，“真理”的哲学理论。如：对原子结构的阐释应用的是量子场中粒子本体论及规范场论中的规范玻色子。自然主义认为自然科学方法是最可靠的、也是唯一可靠的认识世界的方法。将物理主义看成自然主义，主要根源是大多数的物理主义者同时也是自然主义者。马克思的所谓自然主义是指用自然界及其规律来解释一切的学说[9]。

物理主义存在两大论证：方法论自然主义和因果闭合性。

方法论自然主义观点认为世界根据自然规律运动，人类可以根据自然规律去认识世界，这种认知无须涉及超自然的力量。使用方法论假设可观察的自然现象只能由自然原因来解释，而不假设超自然能力是否存在，因此也不接受超自然的解释。佩洛克提醒人们要注意区分方法论自然主义与形而上学自然主义，后者是一种唯物主义的无神论观念，它认为自然就是人们所见到的那样，不以上帝或人们的意志为转移。佩洛克指出：方法论的自然主义并没有承诺直接表明世界中存在着什么，而是作为承诺去寻求一组有关理解世界的可靠途径的方法，典型的是自然科学的方法，直接去关注这些方法能够发现什么。

18世纪，康德提出了太阳系起源的星云学说，原子论和元素论开创了化学实验的科研模式，最终建立了现代原子学说。热质说和以太说引领了热力学、光学和电磁波理论的发展。量子规范场论和粒子物理标准模型的成功，标志着理论物理学的建立。达尔文的进化论、牛顿的能量守恒定律、德国生物学家M.J.施莱登和T.A.H.施万提出的细胞学说、托马斯―摩尔根创建的现代基因学说，这些自然科学结论在一定程度上揭示了自然界在特定领域中的普遍存在的内在规律，从而证明物理科学理论是一个封闭系统[10]。早在1970年斯泰因已指出：“量子场论是形而上学研究的当代焦点”。薛定谔方程只适用于封闭量子系统，量子态遵循决定论的演化。凝聚态物理学的自发性对称破缺概念启示人类，心灵是一种随对称性降低、复杂性增加和自组织发展而突现的高级性质。20世纪理论物理学的两大进展，广义相对论的创立和量子力学的兴起，从两个不同的角度对经典物理学发起挑战，广义相对论重创了粒子或场所处的经典时空概念，量子力学否定了经典物质概念。若将宇宙作为一整体研究，量子力学适用范围受到制约，出现了边界效应，量子力学与广义相对论对“黑洞―万有引力”现象的解释相悖论，为此，需要建立新的“量子引力”理论，包括大爆炸和弦理论。这就是物理主义的因果闭合性的典型表现。

3 研究生教育中“物理主义”渗透

工科研究生教学中触及的“物理主义”概念繁杂、精深，如何在教学中向学生渗透“物理主义”概念、思维及方法，如何培养学生的怀疑批判精神，培养学生的工程哲学理念与思想，是每位研究生导师的必修课。

工程哲学思想的起源可追溯到19世纪早期至20世纪中叶，“工程哲学”概念通常是指建立在技术哲学基础上的一种新的哲学语义词。工程哲学主要涉及工程本体论、工程知识、工程伦理、工程设计、工程教育等内容，这些知识在工科研究生教学中举足轻重，研究生导师必须清楚理解、掌握并深入研究，才能更好的指导学生。

工科硕士研究生毕业后多数从事工程技术工作或工程活动，所谓工程技术工作或工程活动是通过某个群体或个体的劳动创造使用价值的过程。工程活动包含微观、中观、宏观三个层次[11]，微观层次涉及工程设计人员、工程项目和工程企业，中观层次涉及产业、集群、区域，宏观层次涉及国家乃至全球工程整体，需要多维度的组织与管理。针对这一现象，工科硕士研究生在校的工程教育问题尤为重要，主要是工程学科专业课程设置的科学性、适用性、前瞻性、工程学位审定的合理性与公允性等。工程设计是工科研究生主要训炼项目，涉及不同工程领域中不同设计方法的讲授、工程设计思维的培养及训炼、工程设计能力的实践锻炼等，导师应当从具体的案例分析入手对上述各问题进行阐述，在教授过程中伴随着物理主义思想的“渗透”。

参考文献：

[1]王玉糅.马克思的新世界观是辩证唯物主义的世界观[J].学术研究，2012（08）：1-7.

[2]邓晓臻.马克思的时空范畴探析[J].自然辩证法研究，2008，24（01）：6-9.

[3]邓习议.论唯心主义的三种形态[J].大连大学学报，2013，34（04）：54-58.

[4]王荣德.卢瑟福对现代科学的贡献[J].物理通报.2001，（07）：33-36.

[5]关洪.原子论的历史和现状：对物质微观构造认识的发展[M].北京：北京大学出版社，2006.

[6]李政道.粒子物理与场论简介[M].北京：科学出版社，1984：149.

[7]张志林.物理主义是形而上学吗？[J].自然辩证法通讯，2013，35（03）：7-12.

[8]刘玲.物理主义应当如何回应知识论证？[J].哲学研究，2011（10）：86-93.

[9]刘琳.马克思《资本论》及手稿中的自然主义哲学批判[J].生产力研究，2012（09）：12-14.

[10]爱因斯坦，英费尔德.物理学的进化[M].周肇威，译.上海：上海科学技术出版社，1962.

[11]李伯聪.工程的三个层次：微观中观和宏观[J].自然辩证法通讯，2011，23（3）：25-31.

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篇5

假如地球完全由质子构成，而月球完全由电子构成，那会如何？

这是一个颇具破坏性的假设场景。

你的想象也许是，电子月球沿轨道绕着质子地球运转，有点像一个巨大无比的氢原子。在某种程度上，这种假设模型是有意义的。毕竟事实就是如此，电子绕着质子转，卫星绕着行星转。而且，这种行星的类原子模型曾一度非常流行，尽管很快科学家就证明它对理解原子没什么帮助。（这种模型在20世纪20年代就已经基本被淘汰，但我在六年级的科学课上，还自己动手绘制过这样一幅精致的透视图。）

如果将两个电子放在一起，二者会相互排斥，努力飞离对方。电子带负电荷，电荷间的斥力强于它们间的引力约20个数量级。

如果将1052个电子放到一起构成一个月球，它们间的斥力之强可想而知。事实上，强大的斥力将使每个电子都被难以想象的巨大能量猛力推开。

在本文假设的这种场景下，上文所说的那种行星模型更是大错特错。月球不会环绕地球，因为它们之间几乎无法相互影响。（我的意思是，此处现实中的月球被替换成一个与其质量和大小都相当的、由电子组成的球体，质子地球的情况与此相同。其实还有其他解释，但这不影响最终的结果。）企图相互分离的斥力将远远大于它们之间的引力。

如果我们暂时忽略广义相对论（当然我们不能完全否定它，总还是要回到广义相对论的），就能计算得出这样的结论：电子间相互排斥的能量能够将它们的速度加快到接近光速（但不会超过光速。此情景下我们姑且忽略广义相对论，但狭义相对论仍要遵守）。加速粒子达到这样的高速并不罕见，一台桌面粒子加速器就可以将电子加速到接近光速。但是，本文假设的月球的能量大大超过普通加速器所能达到的级别，要比普朗克能量还高出几个数量级，即使是最大的加速器，也远远达不到这个能量水平。换句话说，这里提出的这个问题，已经超出目前的物理学水平，进入更高级别的理论领域，比如量子引力和弦理论领域了。

我联系了辛迪・基勒博士，她是玻尔研究所的一位弦理论学家。我向她解释了本文的假设场景，她也谈了谈她的想法。

基勒博士同意我们的观点，即我们不能寄希望于计算出每个电子携带的能量，以此来解决这个问题，因为这远远超出了目前已有加速器所能进行的实验范围。“我不相信单个粒子的能量能超出普朗克能量。目前观测到的最大能量来自宇宙射线，大约超过大型强子对撞机的106倍，但这仍然小于普朗克能量。作为一名弦理论学家，我想说，任何事情都有可能发生，但事实究竟是怎样的，我们确实一无所知。”

幸运的是，故事远没有结束。你还记得吗，我们最初假设忽略广义相对论不计。那么，在一个非常非常特殊的情况下，引入广义相对论会使问题变得易于解决。

在这种情形下，存在巨大的潜在能量――所有电子爆炸时产生的能量。这一能量将使时空发生扭曲，如同大质量扭曲时空一样。（如果我们让能量爆炸，电子以光速相互远离，我们将会看到，能量实际上表现为质量的形式，电子相应地获得了质量。）那么电子月球具有的巨大能量，将大致相当于整个可观测宇宙的总质量和能量。

当整个宇宙的质量和能量都集中在我们假设的这个（相对较小的）月球上时，它将严重地扭曲时空，其力度之强，足以克服1052个电子相互间的斥力。

基勒博士说：“是的，这其实就是黑洞。”但它并非普通意义上的黑洞，而是带有大量电荷的黑洞。（质子地球也是这种类型的黑洞，只是所带电荷数要比电子月球少。因为地球质量那么多的质子所带的电荷少于月球质量电子所带的电荷，所以尽管质量悬殊，结果却不会受到多大影响。）因此，相应的反应式也有所不同，并不是标准的施瓦茨西尔德半径（施瓦德西尔茨半径是所有具重力的质量间的临界半径。在天文学上，当一个天体的半径低于施瓦茨半径时，就会成为黑洞――译者注）。这样，我们就需要求助雷斯勒- 诺德斯特洛姆度规（雷斯勒- 诺德斯特洛姆度规是广义相对论中描述静态球对称带电物体的引力场的度规，是广义相对论的一个著名的精确解。具有这种度规形式的黑洞被称为雷斯勒- 诺德斯特洛姆黑洞――译者注）。

在某种意义上，雷斯勒-诺德斯特洛姆度规将电荷的内在力量比作重力的外拉力。如果电荷向外的斥力足够大，黑洞外缘的事件视界很可能完全消失。这样一来，就会产生一个裸奇点，这是一个密度无限大的东西，光都无法从中逃脱。

一旦你假设存在这样一个裸奇点，从某种层面讲，物理学就已经瓦解了。在这种情况下，量子力学和广义相对论给出的答案近乎荒谬，而且是不同意义上的荒谬。有人认为，物理学法则不允许这种情况发生。正如基勒博士所说：“没人会喜欢存在裸奇点这一事实。”

在电子月球的例子中，这些电子间的斥力如此之大，以致月心引力足够强，那么奇点就会形成黑洞。不过，这个黑洞从某种层面来说并不普通，它将是一个与可观测宇宙同样大小的黑洞。（一个与可观测宇宙同样大小的黑洞，直径可以达到138亿光年。宇宙的年龄大概是138亿年，因此有人认为我们的宇宙就是一个黑洞。但事实并非如此。）

如此巨大的黑洞是否会使我们的宇宙崩塌呢？这很难说。答案取决于我们怎么处理暗能量这个概念。然而，究竟如何理解暗能量，没有人能给出确定的回答。

但是，至少目前来看，我们的临近星系是安全的。黑洞的引力影响只能以光速向外扩散，我们周围的宇宙对这一可笑的电子月球实验仍旧浑然不知。

延伸阅读

马克斯・普朗克，德国著名的物理学家和量子力学的重要创始人，与爱因斯坦并称为20世纪最重要的两大物理学家。

大约1894年起，普朗克开始研究黑体辐射问题，发现了普朗克辐射定律，并在论证过程中提出能量子概念和普朗克常数，成为微观物理学中最基本的概念和极为重要的普适常量。1900年12月14日，普朗克在德国物理学会上报告了这一发现，成为量子论诞生和新物理学革命宣告开始的伟大时刻。由于这一发现，普朗克获得了1918年的诺贝尔物理学奖。

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原子物理学是研究原子结构、运动规律及相互作用的学科，是物理学专业的基础课程，也是核类专业重要的专业基础课程，上承经典物理学，下接量子力学和原子核物理等重要课程。相比经典物理学课程原子物理学有很大差别，首先，原子物理学课程不像普通物理学课程从基本物理概念和物理规律出发进行严密的理论运算推导得到更普遍的基础理论，而是遵循从实践出发―理论模型建立―实践检验的认识过程，应用更多的是总结、归纳的方法；其次，研究对象是微观体系，而学生对微观现象缺乏直观的感性认识。正是由于这些差异，大部分学生在学习中感觉原子物理学知识点凌乱，理不清头绪，导致不能巩固和深化所学知识。因此，在教学中如何激发学生的学习兴趣，引导学生把握课程主线，认识原子运动规律，形成新概念，进而培养学生自学能力、思维能力、研究能力等成为原子物理学教学中需要探讨的问题。本文针对褚圣麟先生教材《原子物理学》的教学浅谈个人教学过程中的认识。

1 学习兴趣的培养

学习兴趣指一个人对学习的一种积极的认识倾向与情绪状态。学生对某一学科有兴趣，就会持续地专心致志地钻研它，从而提高学习效果。学习兴趣既是学习的原因，又是学习的结果。由此，培养学生最初的学习兴趣，促进学生在学习中找到乐趣，由被动的学习转变为主动学习、好学、乐学，在培养学生的自学能力过程中具有重要的意义。如何培养学生对原子物理学学习的兴趣，笔者从教学实践中总结如下几个方面。

1.1 结合物理学史增强学习内容的趣味性

原子物理发展史料丰富，若将史料运用于原子物理教学中，将起到事半功倍的效果。在授课中将原子物理学发展史融入知识的传授可增强学习的趣味性。如电子发现最早进行试验的并不是汤姆逊，试验结果最精确的也不是汤姆逊，但汤姆逊是第一个敢于突破常规认识而提出新粒子是电子的人，这一简介让学生明白科学研究中要尊重科学事实，敢于突破传统认识；讲述量子化概念提出时介绍普朗克为解释黑体辐射提出量子化概念的历程，由于这一崭新理论与经典理论的冲突，普朗克本人也不是特别坚决，此后他曾试图放弃量子论，用经典物理学方法重新解决黑体辐射问题，但均未成功，让学生认识科学发展中开创性革新的不易。可以说原子物理的发展中，充满对已有思想观念的颠覆和新思想的建立，这些都需要科学怀疑和批判精神，充分说明科学无绝对权威，科学怀疑精神和独立思考是科学进步的动力。通过物理学史的介绍，能在课堂上吸引学生的注意，使课堂气氛活跃，激发学生对原子物理学的兴趣，在轻松快乐的氛围中学习，同时学习科学的批判精神，培养学生创新能力。

1.2 结合课程内容介绍原子物理学中的难题激发学生钻研兴趣

好奇心和探索欲望是科学研究的原动力，在教学中通过介绍课本中出现而尚未完全认识明白的物理概念、物理问题，能极大激发学生的认识和探索欲望，教师可引导学生对相关问题的研究现状进行调研并汇报，在这一过程中既能促进学生了解学科的研究前沿，也能使学生加深对基本物理概念、原理的认识，同时有助于培养学生的实践能力和初步的科研能力。在原子物理学教材中有不少世界性的难题，如，在索末菲椭圆轨道理论和相对论效应中提出的精细结构常数所包含的物理含义、数值为什么刚好约为1/137；为解释光谱精细结构产生而引人的电子自旋的概念人们是否已经完全认识清楚等，这些问题在教学中可充分利用，调动学生的探索欲望，激发学生的钻研兴趣。

1.3 结合物理学发展前沿介绍激发学生研究兴趣

原子是从宏观到微观的第一个层次，物质世界各个层次的结构和运动变化相互联系、相互影响，很多其他重要学科和技术的发展以原子物理为基础，在课程教学中结合课程内容穿插原子物理学与相关学科的交叉及原子物理学发展的前沿介绍，可激发学生学习兴趣和钻研热情。如讲述α粒子散射实验时，介绍原子碰撞研究方法已经发展成为一个重要的研究方向，涉及各种基本粒子与原子和分子碰撞的物理过程等；讲述激光原理时，介绍激光技术的发展及其对原子物理学发展的促进，介绍我国激光领域研究的国际地位等。学科前沿的介绍能帮助学生认识学习本学科的社会意义及其与个人的关系，有助于激发学生学习的社会责任感。

2 把握课程主线

原子物理学的内容不像经典物理学具有严密的逻辑体系，因此在教学中拎?课程的主线有助于学生系统的掌握课程的知识内容。对原子结构的认识发展，课程以光谱分析法为主线：从原子光谱规律出发，原子光谱规律的变化可以反映出原子内部能级的特点，进而探究原子内部的作用及其规律。对原子内部作用的认识，课程以量子力学中的角动量概念为主线：从玻尔氢原子理论的角动量量子化假设的提出，到单电子的轨道角动量与自旋角动量的耦合解释精细结构的产生，及两个电子体系的LS耦合和JJ耦合等，并进一步明确角动量与磁矩概念的对应，角动量耦合的本质是粒子间电磁相互作用，自旋和轨道运动的相互作用引起原子能级的分裂和塞曼效应能级分裂在本质上是相同的。

3 讲清基本概念

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一、物理化学课程在课程体系中的地位

物理化学在两阶段工科化学(化工类)课程体系中处于枢纽地位。第一阶段由化学原理(基础物理化学)、无机化学、有机化学、分析化学等课程组成。化学原理作为理论教学内容,在对中学化学知识总结提炼上升到理性认识高度的基础上,对后继无机化学、有机化学作为应用教学内容提供理论基础。第二阶段由物理化学加后继专业或专业基础课程、选修课程组成。物理化学作为理论教学内容,既将先前所学无机化学、有机化学等知识从理性上加以认识提高,又为后继课程提供理论基础。[2]在专业教育的范畴内,物理化学是工科,尤其是化工、冶金、轻工等各专业必备的化学理论基础,它衔接基础理论和相关的专业课程,是一门专业基础课程。

二、物理化学课程的教学内容

物理化学提供应用于所有化学以及相关领域的基本概念和原理,严格和详细地阐释化学中普适的核心概念,以数学模型提供定量的预测。因此,物理化学是分析化学、无机化学、有机化学和生物化学课程,以及其他相关前沿课题的概念的理论基础。总体而言,物理化学理论课程可能涉及的教学内容如下:[3]

1.热力学与平衡

标准热力学函数(焓、熵、吉氏函数等)及其应用。熵的微观解释。化学势在化学和相平衡中的应用。非理想系统、标准状态、活度、德拜-休克尔极限公式。吉布斯相律、相平衡、相图。电化学池的热力学。

2.气体分子运动学说

麦克斯韦-玻耳兹曼分布。碰撞频率、隙流速度。能量均分定律、热容。传递过程、扩散系数、黏度。

3.化学动力学

反应速率的微分和积分表达式。弛豫过程。微观可逆性。反应机理与速率方程。稳定态近似。碰撞理论、绝对速率理论、过渡状态理论。同位素效应。分子反应动力学含分子束、反应轨迹和激光。

4.量子力学

薛定谔方程的假定和导出。算符和矩阵元素。势箱中的粒子。简谐振子。刚性转子、角动量。氢原子、类氢离子波函数。自旋、保里原理。近似方法。氦原子。氢分子离子、氢分子、双原子分子。LCAO方法。计算化学。量子化学应用。

5.光谱

光-物质相互作用、偶极选律。线型分子的转动光谱。振动光谱。光谱项。原子和分子的电子光谱。磁共振谱。拉曼光谱、多光子选律。激光。

6.统计热力学

系综。配分函数表示的标准热力学函数。原子、刚性转子、谐振子的配分函数。爱因斯坦晶体、德拜晶体。

7.跨学科的应用

生物物理化学、材料化学、环境化学、药学、大气化学等。物理化学实验课程培养学生用物理化学原理联系定量模型与观察到的化学现象的能力,深化学生对模型定性假设和局限的理解,锻炼他们采用模型定量预测化学现象的基本技能。

学生应能记录正确的测量值,估算原始数据的误差。学生需要理解电子仪器的原理和使用方法,操作现代仪器测量物理性质和化学变化,积累用这些仪器解决实验问题的经验。物理化学实验应含有结合若干实验方法和理论概念的综合实验教学内容。适用于工科化学(化工类)课程体系的物理化学实验教学内容大体如下:

1.热化学实验

计算机联用测定无机盐溶解热。计算机联用测定有机物燃烧热。温度滴定法测定弱酸离解热。差热分析。

2.相平衡化学平衡实验

不同外压下液体沸点的测定。环己烷-乙醇恒压气液平衡相图绘制。液-固平衡相图绘制。凝固点下降法测定物质摩尔质量。沸点升高法测定物质摩尔质量。热重分析。氨基甲酸铵分解平衡常数的测定。

3.表面化学实验

溶液表面张力测定。沉降法测定粒度分布。BET容量法测定固体比表面积。

4.化学动力学实验

量气法测定过氧化氢催化分解反应速率系数。蔗糖转化反应速率系数测定。酯皂化反应动力学。一氧化碳催化氧化反应动力学。甲酸液相氧化反应动力学方程式的建立。可燃气-氧气-氮气三元系爆炸极限的测定。计算机联用研究BZ化学振荡反应。

5.电化学实验

强电解质溶液无限稀释摩尔电导的测定。离子迁移数测定。原电池反应电动势及其温度系数的测定。金属钝化曲线测定。

6.结构化学实验

磁化率测定。分子介电常数和偶极矩的测定。

三、面向专业的物理化学教学内容建设

当然,一个工科类专业的物理化学教学不可能也不必要包含上列的所有内容。因此,各学科专业教学指导委员会根据专业的培养目标和规格,在已经或即将公布的各学科专业的指导性专业规范中,制订了包括物理化学在内的化学课程教学基本内容作为最低要求。如化学工程与工艺专业的规范(研究型)中规定:物理化学可分为两部分,物理化学(I)主要内容为化学热力学和反应动力学等,作为化工主干课的基础,应注意与化工热力学课程和化学反应工程课程的衔接和分界(一些内容可在化工热力学课程和化学反应工程课程中展开,以加强工程背景);物理化学(II)主要内容为溶液理论、统计力学、量子力学等方面的概要以及近展等。各专业的物理化学教学基本内容充分体现了本专业的学科特点,是在保障人才培养质量的前提下,兼顾国内各相关学校的教学条件提出的基本要求。因此,它体现的是该专业人才的知识体系的共性。由于各校的学科背景和教学条件的优势不同,要培养具有特色的专业人才,需要在教学中研究如何在满足各专业的教学基本内容要求的基础上开展物理化学教学。我们认为在教学内容建设中应坚持贯彻下列原则,才能切实发挥物理化学这一门专业基础课程的作用。[4]

1.承前启后,发挥枢纽作用。了解授课对象的先修和后继课程与物理化学的联系,深化化学原理课程中的物理化学理论,介绍其在后继专业课程中的应用,以开阔视野并兼顾系统性和趣味性。

2.少而精和博而通。传统的基础内容要突出重点,讲深讲透,体现学科框架;选择介绍相关前沿的内容以扩大知识面。

3.提倡内容侧重的多样化。针对不同专业时要不拘一格,倡导内容侧重的多样化;即便面对同一专业,内容侧重亦应有宽松的选择余地。

4.体现工科特色,强调应用性和实践性。引入研究型实践项目,使学生加深对理论的理解,提高应用水平。

四、建设物理化学教学内容的措施

华东理工大学物理化学教研室在国家精品课程和国家级教学团队建设过程中,以提高专业人才的教育质量为目标,采取了一系列措施,提高物理化学课程的教学水平和质量,促进相关专业的课程体系建设。

1.根据授课专业的先修、后继课程,研读相关教材,如化学工程与工艺专业的现代基础化学、化工热力学、化工原理、化学反应工程、化工过程分析与合成教材,了解其改革动向和内容变革,并且请有关学科的学术带头人做物理化学在学科领域应用介绍的报告,提出教学内容改革建议。这样做的结果一方面可以避免教学内容上不必要的重复,另一方面可以合理地选择教学内容侧重,实现化学基础课程与专业课程的合理衔接。

2.编写教材和教学参考书,保障教学基本内容的教学质量,介绍物理化学学科发展、在交叉领域的应用;介绍溶液模型、线性自由能关系等半经验方法,以衔接后继课程。近年来编写或修订出版了《物理化学参考》、《物理化学》(第五版)、《物理化学导读》、《物理化学释疑》、《物理化学教学与学习指南》。开展教学研讨,提高教师队伍的学识水平和在教学中贯彻少而精、博而通教学思想的能力。

3.制作相关前沿课题和理论应用实例,如“正、负离子混合表面活性剂双水相系统及其微观结构”、“温室气体CO2的捕集和封存(CCS)技术”、“复杂材料的微相平衡和结构演化的数学模拟”、“离子液体的合成、性质和应用”等教学素材,进行教学资源的储备。

4.由科学研究项目提炼研究型教学实验,如“界面上聚乳酸PLA膜的结构特性研究”、“生物柴油中脂肪酸甲酯的GC-MS测定”、“MCM-41介孔氧化硅材料的合成和表征”等;形成各类研究性课题,如“生物柴油的制备及性能检测”、“Gem-ini表面活性剂连接基团对合成硅基介孔材料结构的影响”等。

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关键词：物理；定律；哲学

物理的核心是定律，本人就物理定律中的哲学谈谈粗浅看法，以飨读者。

力学中牛顿有三个定律都包涵哲学原理：

牛顿最初提出的第二定律，就是动量定理：作用在质点上合外力的冲量等于质点动量的增量。其实这就是辩证唯物主义的因果律。辩证唯物主义的因果律认为：宇宙状态的变化都是其前宇宙状态积累的结果，运动状态的改变都是其前运动状态积累（冲量）的结果。其实，反映辩证唯物主义的因果律的定律（理）还有动能定理、功能原理、角动量定理等。

牛顿第一定律指出了物体不受力的运动状态。得到牛顿第一定律的过程，实质是量变到质变的过程。假设物体受力逐渐减小到0（量变），则物体的运动从变速运动变到匀速运动（质变）。

牛顿第三定律指出：作用力和反作用力总是大小相等、方向相反，作用在同一直线上，存在着对立的倾向，但它们又是性质相同，同时存在，同时消失，有作用力必有反作用力，这又表现了统一性。

牛顿三个定律都有哲学内涵，万有引力定律又反映了万事万物总是相联系（吸引）的哲学思想，因此，整个力学充满了哲学。

辩证唯物主义认为：内容和形式相互依赖，不可分割。电磁场中的高斯定理就是辩证唯物主义的这种思想的体现。静电场真空中的高斯定理表述为：通过任一闭合曲面的电通量，等于该曲面所包围的所有电荷的代数和除以ε0。

高斯定理反映了曲面上的积分与曲面内的关系。磁场中高斯定理也同样反映这种辩证关系。

电磁场中的高斯定理是麦克斯韦方程组的两个方程，其实麦克斯韦方程组中另两个定理也同样反映了“内容和形式相互依赖，不可分割”的关系，即边界线上（形式）与边界线内（内容）物理量的关系。麦克斯韦方程组概括了电磁学的基本规律，因此，整个电磁学充满了哲学，库仑定律也反映了事物（电荷）间的联系（作用）的哲学思想。

力学和电学定律中有哲学，物理学其他定律中也有哲学。能量守恒和转化定律反映物质运动不灭性的哲学思维。

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关键词：基本粒子；标准模型；认识

一、基本粒子

首先我们介绍一下这一理论的基本“砖块”，即我们所在的世界的基本构成元素：基本粒子。在标准模型中，共有61种基本粒子，实验上已经证实存在的有60种。根据粒子的自旋――一种内禀的角动量，可以分为费米子和玻色子两类。费米子（fermion）是自旋为1/2的奇数倍的粒子的统称，包括以下两类：夸克和轻子。玻色子（boson）是自旋为1/2的偶数倍的粒子的统称，分为规范玻色子和Higgs玻色子两种。在SM中，夸克被视为强子的组成成分。强子是所有的受到强相互作用影响的亚原子粒子，包括重子和介子两类。为解释上世纪40年代以来发现的数百种强子的性质规律，物理学家默里・盖尔曼和乔治・茨威格于1964年各自独立提出了夸克模型，认为重子由三个夸克或三个反夸克组成，自旋总是1/2的奇数倍，即它们是费米子。它们包括人们比较熟悉的组成原子核的质子和中子以及一般鲜为人知的超子（比如Δ、Λ、Σ、Ξ和Ω），这些超子一般比核子重，而且寿命非常短。而介子由一对正反夸克组成，这一对夸克可以不同味，其自旋总是1/2的偶数倍。1934年，日本物理学家汤川秀树预测了介子的存在，用来作为核力的载体，还给出了这个介子的质量范围。1947年，英国的物理学家鲍威尔在宇宙射线中发现了一种粒子，带单位正电荷或负电荷，质量是电子的273倍，与核子有很强的相互作用，平均寿命2.60310×10-8秒，正是汤川秀树所预测的介子，叫做π介子。后来发现共有三种，分别带一个正负电荷和零电荷。

SM认为，电磁相互作用和弱相互作用来源于宇宙早期能量极高时的同一种相互作用，称为“电弱相互作用”。当宇宙能量降低到一定程度时，电弱相互作用的对称性出现自发破缺，传播电弱相互作用的媒介粒子一部分获得质量，力程变短，耦合常数变小，分化出弱相互作用；另一部分媒介粒子即光子，成为电磁相互作用媒介粒子，分化出电磁相互作用。按照这一思路，人们可以期望在更远的宇宙早期，宇宙能量更高时候，电弱相互作用与万有引力相互作用也是同一种相互作用，随着能量降低而出现了对称性的自发破缺从而分化出不同的相互作用。这一方面的工作当下还在进行中，并已经取得了一定的成果，人们对宇宙已经有了更新的认识。

二、理论工具

下面来简单介绍一下描述SM所用的数学理论工具。

SM中，由于涉及到高能物理过程，比如粒子对撞过程，会有粒子产生湮灭现象。处理这样的过程，描述微观粒子运动规律的量子力学理论就不能适用了。而且高能对撞的粒子对撞速度往往接近光速，所以理论工具必须具有相对论的性质。这些特点最终导致了量子场论进而规范场论的诞生。下面简单回顾一下理论的历史进展过程。

1925年，马克思・玻恩和帕斯卡・约当考虑量子跃迁所发出的光谱强度的计算问题，成为量子场论的发端。第二年，马克思・玻恩、沃纳・海森堡和帕斯卡・约当运用正则量子化的方法，获得了忽略极化和源项的自由电磁场的量子理论。1927年，保罗・狄拉克给出了这个问题的第一个自洽的解决方案，对当时人们唯一知道的经典场“电磁场”进行了量子化，物质的质量仅被视为场的平方项之系数，并不具备实质物理意义。同一年，约当将对场的正则量子化方法推广到量子力学中的波函数，并称之为二次量子化。1928年，约当和Eugene Wigner发现泡利不相容原理要求对电子场的量子化需要采用满足一定关系（反对易关系）的产生和湮灭算符。产生湮灭算符可以用来描述粒子的产生和湮灭过程。1954年，杨振宁和米尔斯提出杨-米尔斯理论（又称规范场理论），在应用于弱相互作用以及强相互作用研究时遇到困难：由于规范理论的规范对称性要求规范玻色子不能带有任何质量，这与实验中的观测结果并不符合。1961年，格拉肖提出弱电统一模型，但没有解决零质量规范粒子的困难。1964年，英国的科学家希格斯提出一种克服规范场粒子零静止质量困难的方法。他引入了一种标量粒子（后来被称为Higgs粒子），这种粒子的引入，使方程出现对称性的真空自发破缺，可以使与被破缺的规范对称性相对应的规范场获得静止质量。1967年，温伯格和萨拉姆在格拉肖弱电统一原始模型的基础上，发展和完备了弱电统一规范理论，在实验与理论的互进上取得丰硕成果，SM趋于成熟完备，“Standard Model”一词即是由温伯格首次提出使用。该理论以夸克模型为结构载体，在弱电统一理论以及量子色动力学（QCD）的基础上逐步建立和发展起来。格拉肖等人被称为标准模型的奠基人。一个基本观点是，在量子场论中，每一种粒子都对应有一个场存在，粒子被视为场的激发态。比如，对应光子，有电磁场，光子是电磁场的一个激发态。粒子之间的相互作用，比如对撞，由粒子场的耦合拉格朗日量来表示。数学表达出来，即是场与场的乘积。不同的粒子的耦合拉格朗日量有不同的对称变换性质。根据拉格朗日量求得粒子满足的运动方程后，可以得到粒子对撞产生的新的粒子的质量等性质。于是可以用于预言各种粒子对撞过程会发生的现象，同实验结果进行比较验证所猜测的拉格朗日量的正确与否。

三、取得的成就

标准模型的建立过程，也是理论与实验相互印证取舍的过程，理论预言的粒子不断被发现，证实了理论的成功之处。如今SM中除与引力作用有关的引力子之外的61种基本粒子中，只剩下Higgs粒子一种尚待确切证实。

四、标准模型面临的问题

标准模型仍然有许多疑难问题没有解决。在SM中，物质和反物质是对称的，但在已知的宇宙中，物质比反物质多很多。这一问题是SM无法回答的。SM没有对重力给出描述，也没能为宇宙开始时的宇宙膨胀找出一个机制。在SM中，中微子没有质量，理论假设宇宙中只有左旋中微子。如果中微子质量非零，它们的行进速度就会小于光速，理论上可以超越一颗中微子，以至可以选择一个令这颗中微子运动方向颠倒而自旋不变的参考系，导致它变为右旋。物理学家为此修定标准模型，加入更多自由参数以准许中微子带质量。新模型仍叫标准模型。在宇宙学中，暗物质、暗能量一直是个巨大的谜团，SM无法解决这一疑难。于是，对SM做出修正势所必然。在众多SM的扩展中，超对称理论应者众多。它提出SM中的每一种基本粒子都有一个大质量、超对称的伙伴。超对称粒子被视为暗物质的一个来源。目前，世界上许多的小组正在这一领域攻坚克难。

五、评述

在粒子物理的学习研究过程中，我们被告知SM只是一个唯象的理论，也就是它只关注实验中出现的现象，发展理论来做出解释以及预言。比如，对于新粒子的存在预言，理论中可以给出其质量、自旋、荷电等性质，但它无法给出粒子的产生原因以及产生过程的详尽描述。我们说，它不是一个最基础的理论，但可以有助于我们对粒子、对于场有更基础的、更本质的理解。此外，精细结构常数仍然是个未解之谜，SM对此无能为力，这一切也说明了SM不是一个最终的可以回答所有关于宇宙的疑问的理论。在认识世界本原的道路上，我们仍然大有可为。

参考文献：

[1]W.N.Cottingham.粒子物理学标准模型导论[M].北京：世界图书出版公司，2010.

[2]张肇西.粒子物理标准模型[J].物理教学，1999，（09）.

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[关键词]三本院校 固体物理 教学模式

[中图分类号]O48-42 [文献标识码]A

一、引言

固体物理学是研究固体的微观结构、运动状态、物理性质及其相互关系的一门学科[1]。从历史上看，固体物理学的研究引发了晶体管、激光器等多项重大发明，并由此催生了微电子技术、激光技术、计算机技术、光通讯技术等一系列高新技术。这些新技术把人类的历史推进到了原子时代、信息时代、空间时代[2]。因此它不仅是物理系所有专业中的一门非常重要的专业基础课，也是微电子学专业非常重要的专业主干课。

固体物理学的起点是学生已有了热力学与统计物理、量子力学的基础[1]。但是对于三本院校的学生来说，他们的专业基础相对薄弱，这样势必会增加学生的心理负担，使固体物理教学很难达到预期效果。为了讲授这门课程，让学生对固体物理知识的理解和掌握达到教学目的的要求，就成为教研室与授课教师必须经常研究和探讨的问题。笔者结合三本院校学生的实际情况，针对在固体物理课程教学实践中发现的问题浅谈一些自己的看法和见解。

二、三本院校中固体物理学教学现状

在大众化教育的形势下，普通高校生源的知识结构及基本素质有了很大的变化[3]，特别是三本院校的学生。三本院校的学生学习固体物理过程中存在以下问题。

1.基础薄弱：三本院校的学生基础知识较薄弱，更无热力学与统计物理、量子力学基础，使这门课程的学习变得更加难以理解和把握，导致学生兴趣不高。

2.学习质量差：以往在教学的过程中，教师比较注重知识的传授而忽视了对学生学习方法的培养，并且对三本院校的学生来说，学习方法不当，缺乏积极性，导致学习质量差。

3.教学内容抽象：现有的固体物理教学基本上以教师讲解学生听课的模式为主，教学内容较多而且抽象枯燥，提不起学生兴趣。

4.教学方法单一：传统的教学方法往往习惯于以注入式灌输知识，且过于注重理论和书本的内容，缺乏对固体物理实际应用的介绍，不利于培养学生学以致用及创新能力。

综上所述，在教学环节中探求新的教学方法，采用新的教学手段，保证和提高课堂教学质量刻不容缓。

三、三本院校有效教学的探讨

针对三本院校学生的知识基础和心理特点，培养学生对固体物理的兴趣，至关重要。

1.选择适合三本院校学生特点的教学内容： 目前的固体物理教材一般都以详细的理论分析为主，数学推导较多。对三本院校学生来说，这样的教材仍然存在部分内容过于深奥的问题，特别是与量子力学有关的内容，学生较难掌握。因此教师在授课时不应照本宣科，应将某些偏重于繁琐数学推导的问题简化。

2.引入前沿课题：采用穿插式方法引入前沿内容。可以使学生们“渗透式”地了解有关前沿进展，从而可以拓宽学生们的视野，激发学生学习固体物理的兴趣[4]。

3.让学生充分参与教学：尽量让学生直接参与到教学活动中，在思想上变被动接受为主动参与，加深对抽象概念的理解。第一，尽量把抽象的概念提取到宏观或熟知的知识点中；通过熟知的知识来提问，引出抽象的结论。如：原子结合成晶体会释放能量，可通过水凝结成冰的过程来进行提问讲解；原子结合成晶体过程中会出现吸引力和排斥力，可举例Na离子和Cl离子的结合过程进行提问讲解。第二，讲解课程的重点难点后，通过例题及习题讲解的个别互动，充分引导、挖掘学生的思维并使其他学生理解。

4.采用板书和多媒体相结合的教学模式：第一，固体物理中，许多抽象理论及晶体结构可采用动画和图示效果以多媒体的形式呈现给学生。不但能使学生在视觉上直观的感受其物理过程所发生的变化，还能进一步加深对该过程中一些物理量的理解。如晶体结构可用图形展示使学生通过视觉的感受加深空间上的理解，使抽象具体化；如点缺陷的形成、一维单原子晶格的振动、晶体的对称性等，传统的教学中只能用静态的图像去展示，学生不易理解其变化过程，利用Flas完全可以把演化过程动态的展示出来，从而调动学生学习的积极性。第二，板书具有思路清晰、逻辑性强、能给学生充分的思考时间，加深对概念理论理解的特点。固体物理中，许多的公式、理论都需尽可能地采用板书的教学模式，其加强了教师和学生互动的同时，又充分体现了教师利用板书对学生的启发和引导的过程。因此，只有将教师在课堂中的主导作用与多媒体技术的辅助作用结合起来才能获得良好的教学效果。

5.以科学史话激励的教学模式：这种教学模式就是将物理学史的内容有机地揉人固体物理教学中，将所教授内容中涉及的科学家的简介、有关此教学内容的发明、发现经历、趣闻逸事，简明扼要地介绍给学生，既能提高学生的学习兴趣，又能起到教书育人的作用。如固体物理学中X射线衍射与晶体结构时，可简明地介绍其科学史话：晶体点阵理论提出时是一种非常超前的理论，当时没有实验手段能证明它。1895年伦琴发现X射线，1899年哈加和温德观测到X射线通过几nm的缝隙后稍有扩展而估计它的波长数量极约为10-10m。1912年劳厄（Laue）产生了一个极妙的想法： 假设晶体确实是点阵结构，就可作为天然光栅使X射线发生衍射. 但这种新颖的想法却受到包括伦琴本人在内的一些人嘲笑，并与劳厄打赌，限期一月。劳厄用ZnS屡试不成，交给两个研究生。就在他们感到山穷水尽，进行最后一次实验时，抱着试试看的心理将感光底片从晶体侧面移到后面，衍射图案出现了。这不仅证明了X射线是波长极短的光波，意义更为重大的是开创了一门新学科——X射线晶体学，晶体微观结构的玄妙之门从此逐渐向人类敞开了。众里寻她千百度，蓦然回首，那人却在，灯火阑珊处，科学研究的成功往往在再坚持几步。

四、结束语

三本院校是我国高等教育加快发展的新产物，也是我国高等教育大众化的一种制度创新，从其教育模式的特点及人才培养的目标来看，学生基础薄弱，在课程教学上应与普通本科有所不同。固体物理作为微电子学专业重要的专业基础课，针对在教学过程中存在的一些问题，，笔者以培养学生兴趣为目的从教学内容、教学方法及教学手段上探讨了教学模式。

[参考资料]

[1]曹全喜，雷天民，黄云霞，李桂芳.固体物理学基础.西安：西安电子科技大学出版社.2008：

[2]贺庆丽，杨涛，董庆彦.物理基地班固体物理课程的教学改革实践[J].高等理科教育，2003年第2期（总第48期）：88

[3]姜黎霞，母小云.应用型本科院校大学物理课程教学模式探讨.北京联合大学基础部中外教育研究，2009年6月，NO.6：18