量子力学基本原理范文

导语：如何才能写好一篇量子力学基本原理，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

量子力学课程是工科电类专业的一门非常重要的专业基础课程。通过该课程的学习，使学生初步掌握量子力学的基本原理和基本方法，认识微观世界的物理图像以及微观粒子的运动规律，了解宏观世界与微观世界的内在联系和本质的区别。量子力学课程教学质量的好坏直接影响后续的如“固体物理学”、“半导体物理学”、“集成电路工艺原理”、“量子电子学”、“纳米电子学”、“微电子技术”等课程的学习。

量子力学课程的学习要求学生具有良好的数学和物理基础，对学生的逻辑思维能力和空间想象能力等要求较高，因此要学好量子力学，在我们教学的过程中，需要充分发挥学生的学习主动性和积极性。同时，随着科学日新月异的发展，对量子力学课程的教学也不断提出新的要求。如何充分激发学生的学习兴趣，充分调动学生的学习主动性和能动性，切实提高量子力学课程的教学质量和教师的教学水平，已经成为摆在高校教师目前的一项重要课题。

该课程组在近几年的教学改革和教学实践中，本着高校应用型人才的培养需求，强调量子力学基本原理、基本思维方法的训练，结合物理学史，充分激发学生的学习积极性；充分利用熟知软件，理解物理图像，激发学生学习主动性；结合现代科学知识，强调理论在实践中的应用，取得了良好的教学效果。

1 当前的现状及存在的主要问题

目前工科电类专业普遍感觉量子力学课程难学，其主要原因在于：第一，量子力学它是一门全新的课程理论体系，其基本理论思想与解决问题的方法都没有经典的对应，而学习量子力学必须完全脱离以前在头脑中根深蒂固的“经典”的观念；第二，量子力学的概念与规律抽象，应用的数学知识比较多，公式推导复杂，计算困难；第三，虽然量子力学问题接近实际，但要学生理解和解决问题，还需要一个过程；由于上述问题的存在，使初学者都感到量子力学课程枯燥无味、晦涩难懂，而且随着学科知识的飞速发展，知识的更新周期空前缩短，在有限的课时情况下，如何使学生在掌握扎实的基础知识的同时，跟上时代的步伐，了解科学的前沿，以适应新世纪人才培养的需求，是摆在我们教育工作者面前的巨大挑战。

2 结合物理学史激发学生学习兴趣

兴趣是最好的老师，在大学物理中，谈到了19世纪末物理学所遇到的“两朵乌云”，光电效应和紫外灾难，1900年，普朗克提出了能量子的概念，解决了黑体辐射的问题；后来，爱因斯坦在普朗克的启发下，提出了光量子的概念，解释了光电效应，并提出了光的波粒二象性；德布罗意又在爱因斯坦的启发下，大胆的提出实物粒子也具有波粒二象性；对于物理学的第三朵乌云“原子的线状光谱，”玻尔提出了关于氢原子的量子假设，解释了氢原子的结构以及线状光谱的实验。后来还有薛定谔、海森堡、狄拉克等伟大的物理学家的努力，建立了一套崭新的理论体系-量子力学。在教学的过程中，适当穿插量子力学的发展历史以及伟大科学家的传记故事，避免了量子力学课程“全是数学的推导”的现状，这样激发学生的学习兴趣和学习热情，通过对伟大科学家的介绍，培养刻苦钻研的精神。实践表明，这样的教学模式大大提高了学生的学习主动性。

3 结合熟知软件化抽象为形象

量子力学内容抽象，对一些典型的结论，可以用软件模拟的方式实现物理图像的重现。很多软件如matlab、c语言等很多学生不是很熟练，而且编程较难，结合物理结论作图较为困难；Excell是学生常用的软件之一，简单易学却功能强大，几乎每位同学都非常熟练，我们充分利用这一点，将Excell软件应用到量子力学的教学过程中，取得了良好的效果。

如在一维无限深势阱中，我们用解析法严格求解得到了波函数和能级的方程。而波函数的模方表示几率密度。我们要求学生用Excell作图，这样得到粒子阱中的几率分布，通过与经典几率的比较（经典粒子在阱中各处出现的几率应该相等）和经典能级的比较（经典的能量分布应该是连续的函数），通过学生的自我参与，充分激发了学生的求知欲望；从简单的作图，学生深刻理解了微观粒子的运动状态的波函数；微观粒子的能量不再是连续的，而是量子化了的能级，当n趋于无穷大时微观趋向于经典的结果，即经典是量子的极限情况；通过学生熟知的软件，直观的再现了物理图像，学生会进一步来深刻思考这个结论的由来，传统的教学中，我们先讲薛定谔方程，然后再解这个方程，再利用边界条件和波函数的标准条件，一步一步推导下来，这样的教学模式有很多学生由于数学的基础较为薄弱，推导过程又比较繁琐，因此会逐步对课程失去了兴趣，这也直接影响了后面章节的学习，而通过学生亲自作图实现的物理图像，改变了传统的“填鸭式”教学，最大限度的使学生参与到课程中，这样的效果也将事半功倍了，大大提高了教学的效果。

4 结合科学发展前沿拓宽学生视野

在课程的教学中，除了注重理论基础知识的讲解和基础知识的应用以外，还需介绍量子力学学科前沿发展的一些动态。结合教师的教学科研工作，将国内外反映量子力学方面的一些最新的成果融入到课程的教学之中，推荐和鼓励学生阅读反映这类问题的优秀网站、科研文章，使学生了解量子力学学科的发展前沿，从而达到拓宽学生视野，培养学生创新能力的目的。例如近年兴起并迅速发展起来的量子信息、量子通讯、量子计算机等学科，其基础理论就是量子力学的应用，了解了这些发展，学生会反过来进一步理解课程中如量子态、自旋等概念，量子态和自旋本身就是非常抽象的物理概念，他们没有经典的对应，通过对实验结果的理解，学生会进一步理解用态矢来表示一个量子态，由于电子的自旋只有两个取向，正好与计算机存储中二进制0和1相对应，这也正是量子计算机的基本原理，通过学生的主动学习，从而达到提高教学质量的目的。另外我们还要介绍量子力学在近代物理学、化学、材料学、生命学等交叉学科中的应用，拓宽学生的视野。

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1、量子通信是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式。量子通讯是近二十年发展起来的新型交叉学科，是量子论和信息论相结合的新的研究领域。

2、量子通信主要涉及：量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等，近来这门学科已逐步从理论走向实验，并向实用化发展。高效安全的信息传输日益受到人们的关注。基于量子力学的基本原理，并因此成为国际上量子物理和信息科学的研究热点。

（来源：文章屋网 ）

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Physics of Nanostructured

Solid State Devices

2012，551p

Hardcover

ISBN9781461411406

随着现代科技的进步，人类科技已进入纳米时代，应用于光子学、电子学等的纳米结构固体器件正以飞速发展的态势引起人们越来越浓的研究兴趣。当器件尺寸接近甚至小于电子的特征自由程时，量子现象开始占据统治地位，一些固体器件展现了新颖的特性。对于这些特性背后的物理原理和概念，本书进行了细致深入的分析。

本书共分为9章：1.稳态的“漂移扩散模型”在固体中的电子传输。本章从介绍基本的漂移扩散模型开始，引入有效的漂移扩散方程用来计算稳态的运输下固体器件中载体浓度和电流密度。2.讨论了更复杂的基于电荷传输模型的玻耳兹曼的输运方程（BTE）。本章从基本原理出发，推导广义力矩方程中存在的电荷传输局域和非局域的影响。3.回顾了量子力学中的基本概念、算符以及一些定义，介绍了量子阱、量子线和量子点，以及随时间变化的扰动理论等。本章目的是为纳米结构的固态器件提供必不可少的理论知识和必备的量子理论基础。4.基于时间无关微扰理论中，计算能带结构的方法。能带结构在纳米固体器件中，特别是光器件，起着至关重要的作用。本章讨论了4个不同的能带结构的计算方法：近自由电子法、正交平面波（OPW）扩展方法、紧约束近似（TBA）和波矢动量理论。5.在传输机制中时间有关的微扰理论的应用。6.电子- 光子相互作用及其对固体器件性能的影响，介绍了光学中的一些概念，如自发辐射、受激发射等。7.在磁场中的电子的行为，介绍了狄拉克方程和泡利方程、薛定谔方程，以及量子霍尔效应（FQHE）。8.一些通常的量子输运方程。9.基于第8章原理而开发研制的一些实际的量子器件。

作者Supriyo Bandyopadhyay 在全美三个大学教授电子学理论、固体物理的研究生课程长达25年，具有非常丰富的教学研究经验。本书依据作者的教学材料所编撰。一旦读者们能够把握并熟悉掌握书中提出的概念，他们将能够很容易地处理更加困难和专业的研究论题。

本书适合电子学和物理学专业背景的本科毕业生及一年级的研究生，读者应对固态物理、量子力学有一定的了解。本书可使读者对电子学和应用物理学中的重要概念有更深入的理解和认识。

杨盈莹，助理研究员

（中国科学院半导体研究所）

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关键词：量子密码　量子通信

中图分类号：TN91　文献标识码：A　文章编号：1007-3973(2011)002-059-01

量子理论诞生以来，科学家就试图利用量子效应来实现远距离、无时延、“绝对安全”的通信，量子通信将成为人类通信技术史上的又一次革命。

1　量子通信技术简介

1.1　基本量子理论

量子态是指原子、中子、质子等粒子的状态，它可表征粒子的能量、旋转、运动、磁场以及其他的物理特性。量子理论主要包括量子纠缠和量子测不准原理，是现代物理学的核心理论。

量子纠缠指的是在量子力学中，有共同来源的两个微观粒子之间存在着某种纠缠关系，不管它们被分开多远，只要一个粒子发生变化，另一个粒子的状态也会立刻发生相同的变化，这也是利用量子效应传递密码的基础。

Heisenberg量子测不准原理是量子力学的基本原理，指在同一时刻以相同精度测定量子的位置与动量是不可能的，只能精确测定两者之一。

1.2　量子通信的原理

量子通信是利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型通信方式。在量子通信系统中，信息的发送方和接收方共享两个纠缠在一起的几乎完全一致的成对光子。当发送方将信息赋予一个光子时，接收方的纠缠光子就会几乎同时发生一致的变化，从而实现用不加外力的方式传输信息，传输的只是表达量子信息的“状态”，作为信息载体的光子本身并不被传输。在这一过程中，发送和接受方需要纠缠光子的数量取决于报文的长度。

量子通信系统的基本部件包括量子态发生器、量子通道和量子测量装置。量子通信的主要应用在于量子密码的传输，与传统通信的唯一区别在于，量子通信采用了一种新的密码生成方式，而且密码不可能被第三方获取。

1.3　量子密码技术

依据Heisenberg的量子测不准原理，通过窃听不能得到确定的有效信息。同时，任何针对量子信号的窃听都将不可避免的留下痕迹，从而被通信方所警觉。量子密码技术就是利用这一原理来判断是否有人窃取传输的密码信息，从而实现密码的绝对安全。

量子密钥分配原理来源于光子偏振的原理。光子任意时刻的偏振方向具有随机性，在两个纠缠光子之间设置偏振片。当光子的偏振方向与偏振偏振片的倾斜方向的夹角很小时，光子改变偏振方向并通过偏振滤光器的概率大，否则就小。特别是当=90°，其概率为0：=45°时，其概率为0.5；=0°，其概率为1°通过公开渠道告知对方是如何旋转的，把检测到一个光子记为“1”，没有检测到记为“0”，双方都能记录到相同的一组二进制数列，以作为密码。如果有人在半路监听，同样需要放置偏振片，就不可避免改变光子的偏振方向，使发送者和接受者记录的数列产生差异。

2　量子通信的发展动态及应用

1926年量子力学诞生，成为人类认识微观世界的理论基础。1935年，爱因斯坦、波多尔基斯和罗森论证了量子力学和相对论之间的不相容性。1964年，约翰・贝尔提出了贝尔理论，阐明用实验来检验超光速响应的可能性。1982年阿斯派克等人证明了超光速响应的存在。1984年，有人提出了用单光子偏振态编码量子密码技术方案，开始了量子密码的研究。1989年，量子密钥传输第一次演示获得成功。1997年，奥地利蔡林格小组在室内首次完成了量子态隐形传输的原理性实验验证；2004年，该小组利用多瑙河底的光纤信道，成功的将量子态隐形传输距离提高到600米。

我国的量子通信技术发展迅速，位居世界前列。2007年开始，中国科大-清华大学联合研究小组开始在北京八达岭与河北怀来之间架设长达16公里的自由空间量子信道，并取得了一系列关键技术突破，最终在2009年成功实现了世界上最远距离的量子隐形传态，这一距离是目前国际上自由空间纠缠光子分发的最远距离，也是目前国际上没有窃听漏洞的量子密钥分发的最大距离。中国科学家在自由空间量子通信方 向上的一系列工作引起了国际学术界的广泛关注。英国的《新科学家》、美国的《今日物理》等多家学术新闻媒体均对这些工作进行了报道。下一步科学家们正在计划通过自由空间实现几百公里的量子通信，超越光纤传输的极限。

量子通信比较传统通信技术具有明显优势：抗干扰能力强，不需要借助传统信道；量子密码几乎不可能被破译，保密性强；线路时延几乎为零，传输速度快。

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想象一个装满图书的房间，然后再想象所有的图书都突然消失在空气之中。那么，它们所含有的信息都消失了，对吧？但是，这个房间是不寻常的。房间里包含的所有信息都编码在墙上、地板上以及天花板上。尽管这些图书都消失了，但是你仍然可以通过观察房间这些表面上的编码信息，来了解这些图书的所有细节。想知道房间里还发生了什么？去问墙纸。谁是凶手？去请教地毯。你感觉这个房间很怪异吧。

但如果你仔细想想，事情会更加怪异。如果所有的图书都消失了，而它们所包含的信息却没有消失，那么这些图书是否真的存在过？或者，它们不过是来自墙、地板和天花板上的信息的投影？这听起来与全息图类似。全息图可以产生三维立体视角，但是所有的信息都编码在一个二维的平面上――信息都是同一种，但是以不同的形式体现出来的。

令人惊奇的是，有越来越多的证据表明我们的宇宙可能就像上面那个想象中的房间。也就是说，我们看见的一切，可能只是编码在遥远边界上信息的一个全息投影。

来自黑洞的启示

就像宇宙中许多其它谜团一样，这里的故事也是从黑洞开始的。

当一个大质量恒星死亡之后，就会形成一个黑洞。在恒星生命的最后阶段，恒星内致密的铁核发生坍缩，在空间中“撕裂”出一个洞，而附近的物质不可避免地陷落其中。20世纪70年代，英国物理学家霍金发现黑洞会辐射并损失质量，最终会蒸发得一干二净。广义相对论认为黑洞的所有性质――包括辐射出来的粒子――都与掉进它内部的物质无关，所以说辐射不携带任何与它内部物质有关的信息。当黑洞蒸发殆尽之后，黑洞里的任何信息也就永远消失了。这个发现被称之为“黑洞信息悖论”。但许多物理学家都无法接受这个结果，原因在于它违背了量子力学的基本原理相违背――量子力学认为信息是不可摧毁的。

想象你把一本书的某一页撕下来并烧掉，但这页纸上的信息并不会被摧毁掉。尽管在实际中很难做到，但是从理论上来说，你可以把所有的灰烬收集起来，就可重新找回写在这页纸上的信息。这是因为对于物理学家来说，原来的信息是不可能从宇宙中消失的，这里始终存在着一种能把系统当前的状态恢复为以前状态的办法。而霍金得到的关于黑洞的初步结论，是掉进黑洞里的信息会被摧毁――辐射不携带任何有价值的信息，所以没有办法恢复到以前的状态。

之后，物理学家们找到了一种挽救信息的方法。就像那个房间一样，他们发现有关黑洞内所有物体的信息副本，已编码到了黑洞二维的事件视界上。事件视界就是黑洞的表面，有去无回的边界。物理学家们把这种观点称之为全息原理。然而，这个观点仍有些问题，物理学家们仍在努力地搞清楚每个细节。

现实只是幻觉？

如果黑洞内每一个三维物体的信息都可以编码到黑洞的二维事件视界上，那么这种原理是否能应用到整个宇宙？也许，我们所体验到的三维存在，不过是来自二维表面上信息的投影，就像那些图书不过是房间的墙、地板和天花板上信息的投影一样。

许多物理学家认为，这个大胆的观点可能会指引出一个成功的量子引力论。

量子引力论就是能把广义相对论和量子力学结合起来的理论，它即可描述大尺度下的时空，也可描述小尺度下的时空――可描述整个宇宙内的一切。但问题是，广义相对论和量子力学很难结合在一起。经过几十年来，物理学家们找到了一种量子引力论的候选――弦理论。弦理论认为基本粒子事实上都是很小的振动着的弦。就像以不同种方式拨动琴弦会产生不同的声音，这些弦以不同的形式振动会变成维不同的粒子。问题是这个理论要想成立，我们的宇宙空间维度不能只是三维，而是要有更多的维度。为了解决这个问题，通常认为这些额外的维度蜷缩在很小很小的空间里。

但是在1997年，阿根廷物理学家胡安・马尔达西那做出了一个突破。他借助于全息原理，认为弦理论的复杂世界可能是更为简单的现实的投影，如果弦理论是全息图，那么我们应该去寻找低维度上等价的科学理论――寻找墙壁而不是图书。然后，与其为了得到量子引力而引入看不见的额外维，我们还不如去接受我们体验到的一个维度不过是一个幻觉。

因此，胡安・马尔达西那大胆指出，我们生活在一个巨大的全息图里，我们所看到的周围的一切只是二维表面的一个投影，他甚至用方程式证明了这个全息图的存在。2013年，日本的物理学家通过计算再次证明了这个全息图的存在。

用实验来验证

但是，惊人的理论需要有强有力的证据。

现在，美国费米实验室正进行了一个名为“Holometer”的实验，以此来对全息原理的一个预测进行检测。这个预测是，如果宇宙可以只用量子理论来解释，那么所有你通常接触到的物理规律不仅可以适用于粒子，也可以适用于空间本身。根据量子理论中的不确定性原理，你永远无法确定一个粒子准确的位置，你只能知道某个地方它出现的概率。而全息原理认为，这些物理规律都可应用到空间本身，那么在最小的尺度下，空间本身会变得模糊不清。这如同你不断放大电脑屏幕上的图片时，最终会看到一个个像素，在这个尺度下，图片已经变得模糊不清了。

Holometer实验就是来检测这个预测的。Holometer设备包括一对彼此紧靠的干涉仪。每个干涉仪射出的一束1千瓦的激光，穿过分光镜分为两束，然后射向两个互成直角的40米的探臂。两束激光会被反射回来，经过分光镜后再合二为一。如果两束激光空间本身能以完全相同的时间往返于探臂，那么重组后的激光与原来的是一样的。如果一束激光延误了一些时间，那么两束激光就无法完美地合并在一起。

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关键词 量子信息 量子比特 量子计算机 Shor算法

中图分类号：O561 文献标识码：A

0引言

半导体工业在过去的几十年发展表明：计算机的中央处理器在每1-2年就会增长一倍，芯片上的集成的晶体管数目更是呈指数形式增长。在不远的将来每个芯片上的晶体管将会超过十亿个，这样的增长速度使得半导体的加工变得越来越困难。另一方面，随着纳米技术的发展，今后计算机的储存尺度单位将是原子级别的。当人们把这些器件加工到原子尺度程度的时候，就应该用量子理论来描述这些性质。量子理论作为描述微观世界的理论，它具有与经典理论有许多的不同之处，甚至和我们日常经验发生矛盾。

在1994年Peter Shor首次提出一种具体的量子大数因子分解加密算法，这个对RSA等公钥密码系统的安全性来说是一个挑战。随后在1996年，Grover发现了Grover迭代算法，它能求解某些解典计算机不能解决的问题，如经典的NPC问题。除此外，利用量子不可克隆实现保密通信，可以防止通信过程中被监听。这些性质使得量子通信具有广泛地应用前景而成为一个较热的课题。量子信息和量子计算已被我国列入“十三五”重大研究课题。

1量子比特

在经典的计算机里，基本的构造单元是比特。不论是用电子管来实现的一个比特还是用晶体管来实现的比特，其基本原理都要遵从牛顿力学定律。在一个经典的计算机里，其储存量是用比特的多少来衡量的。它的运算速度可有单位时间内比特的转换数目来决定。

在图1中可以看到，经典的比特实质是就是两个点10>和11>，所以在储存的时候也只能是10>和11>。因此我们想要提高其运行速度就受到了原理上的限制。首先是我们在追求速度时，就需要不断地提高微电子元件的集成度，小型化的电子器件必然会受到量子极限尺寸的限制。其次就是由于经典计算机的操作是不可逆的，由热力学原理知道，计算芯片必然发热，这是提高经典计算机的计算能力主要障碍。最后就是经典计算机不具备内在的并行运算。通过连接更多的计算资源来解决并行运算是比较复杂且难以实现的。

2量子比特

量子比特是计算信息科学里一个重要的概念，是量子计算机的基本单元，因此在这里我们对它做一个详细的介绍。

量子比特其可以对应量子力学里一个粒子态的叠加，对于一个自旋为1/2的粒子，其本征态为两种定态 ，单粒子的叠加态可表示为

| >= |1>+ |0> （1.1）

这里的 ， 为任意复数，其分别对应两个定态在叠加态中所占的比例，如果 =0或者是 =0 时，叠加态就转化为定态，两个系数的模方 分别代表粒子状态在每一个定态中的几率。Bloch球面中则表示在量子力学里一个一把态的叠加。我们可以看到，经典的两个比特只是Bloch球面中一种特殊的情况，其被Bloch球面所包围。而量子态在三维的坐标中表示出来就是Bloch球面上的一个点。所以一个量子比特有无穷个态，每个态对应Bloch上的一个点，对量子比特进行操纵，就是把Bloch球面上的一个点移到另外的一个点，这个操纵是一个幺正变换。

3量子计算机

从（1.1）式我们可以看到，经典计算机是只是量子计算机的特例，量子计算机是经典计算机的推广，这一推广使得其计算能力成指数倍的增长。对于由量子力学原理所支配的量子计算机来说，原则上制约着经典计算机计算能力的原理都不存在，首先因为构成量子计算机的一些芯片实质上就是量子器件。其次是量子计算是由一系列幺正演化来完成的，所以这是一个可逆的过程，不存在耗热问题。最后就是量子计算是建立在量子叠加态基础上的，所以具有并行性运算能力。因而某些在经典的计算机里需要进行指数倍运算，在量子计算机里却只需进行多项式分解运算。

其实，在早期（1982年）就有人预想到了量子元件的计算能力比经典的元件强很多，不过在这个时期并没有受到人们的关注。直到20世纪初Shor首次提出Shor算法后使得量子计算机有了现实意义，即能对现行信息安全所依仗的大数因子分解难题进行有效的破解。从此以后就有越来越多的科研工作者开始关注量子计算机，关心和探讨适合量子元件运算规律的算法。

要实现量子计算过程，大致有一下三个步骤：

首先是初态的制备，在经典的计算机中，进行一个有用的计算最重要的要求是制备期望的输入。同样在量子计算机里，我们将芯片中的各个比特制备在某个特定的量子态上，这个过程中要求比特保持良好的量子相干性，以便保证量子叠加态能够一直成立。

其次是去实施完成所预想的各种可逆幺正变换，这些幺正变换就是我们通常所说的各种操作。在量子计算机里，人们相信量子计算机和经典计算机一样，都是由一系列的基本的逻辑运算组成。目前已经证明任何的量子计算都可以通过一个基本量子逻辑门集的组合来完成。

最后就是信息的读取，对量子器件进行测量来读出计算结果。需要注意的是，量子力学所掌握的是关于微观系统的规律是一种统计规律，它只能告诉我们在某个时刻一个微观系统的各个物理量取不同值的概率。在大多数时候，我们得到的末态有可能也是一个量子叠加态，所以我们测量的结果一般都是概率性的。量子计算通常要重复多次才能得到比较明确的结果。

4量子算法

在Shor算法为提出以后，人们意识到这将对当今广泛应用着的公匙密码体系的安全性构成严重的威胁，因为它能实现大数因子分解。

通常来说，RSA公匙密码体系中，密码的生成方式是这样的：第一步是去寻找两个大的质数m，n，计算Q=mn的值以及欧拉函数 （Q）=（m 1） （n 1）。第二步是在区间1≤e≤ （Q）随机选择一个和 （Q）互质的整数，计算模 （Q）下的逆元d=e-1mod （Q）；最后一步是定义公匙私匙（M，e）是d。

由此可知，RAS公匙密码的安全性完全取决于大整数n的质因数分解的困难性，目前经典计算机是不能破解的。而在物理上，Shor量子算法是有效的，Shor算法是对大数因子分解的一种有效的算法：其复杂程度随着问题的规模只是多项式的增加。

5结论

在本文我们介绍了经典的比特和量子比特。经典的比特只是Bloch球上的两个点，而量子比特则是Bloch球上的所有点。可以看出，经典比特只是量子比特的一种特例。同时我们也讨论了经典的计算机和量计算机，量子计算机所执行的是一个可逆幺正演化且具备并行运算的能力，使得量子计算机能解决经典计算机所不能解决的问题，尤其是对大数因子的分解。量子计算机是目前量子信息科学中最重要的研究领域之一，这将是目前以及未来一段时间内科学家门所要研究的重点。

参考文献

[1] Shor P W.Scheme for reducing decoherence in quantum computer memory，Phys.Rev.A.1995，52（4）：2493-2496.

[2] Geover L K，Quantum computers can search rapidly by using almost any transformation.Phys.Rev.Lett.1998，80（19）：4329-4332.

[3] M.A.Nielsen and I.L.Chuang，Quantum Computation and Quantum Information （Cambridge University Press，U.K，2000）

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0引言

当高功率的脉冲激光聚焦于液体中时，在聚焦区域液体分子被脉冲激光产生的强电场电离，产生电子．在这个复杂的物理过程中，有的过程会产生自由电子，有的过程会抑制自由电子的产生，其结果导致存在一个激光强度阈值，当脉冲激光光强超过液体击穿阈值时，自由电子密度成指数速率增长；当电子达到一定浓度时就可以形成等离子体，由于等离子体具有很大的光吸收系数，使腔体进一步吸收激光能量，进而发生爆炸式膨胀，该过程便被称为液体中的光击穿．近年来，随着光击穿效应在眼科激光手术中的应用［1］，人们对液体中的光击穿效应也越来越关注，尤其是短脉冲激光器（如飞秒激光器）的诞生，进一步激起了人们对激光与液体相互作用的研究热情［2－5］．本文从自由电子密度速率方程出发，通过等离子体椭球模型，借助中子扩散方程，推导出液体中电子扩散速率的表达式，进而得出水的击穿阈值，并将理论计算结果与实验数据进行了比较和分析，结果表明等离子体椭球模型更符合实际情况．等离子体椭球模型的建立为光击穿效应应用于眼内介质、含水介质或其他含水生物组织，以及短脉冲激光在眼科激光手术上的应用提供一些理论参考．

1等离子体密度演化的速率方程

为了确定液体中发生光击穿的脉冲激光强度阈值，需要计算出在脉冲激光作用下的自由电子密度演化情况．用来描述等离子体中自由电子密度演化过程的速率方程为［6－7］式中dρ／（dt）m为多光子电离产生的电子；ηcascρ为雪崩电离产生的电子，ηcasc为雪崩电离速率；gρ为扩散到聚焦区域以外的电子，g为电子扩散损失率；ηrecρ2为电子的复合损失，ηrec为电子复合速率．

2等离子体椭球模型的应用

2．1等离子体椭球模型当高功率脉冲激光聚焦区域的介质被电离产生电子后，该区域与脉冲激光聚焦区域外的电子浓度出现差异，进而电子发生扩散，这种扩散对激光聚焦区域较小的液体介质的光击穿影响很大．等离子体椭球模型：当脉冲激光束聚焦到液体中，考虑到脉冲激光在聚焦区域的特征以及液体中光击穿的实验情况，可将脉冲激光的聚焦区域形状视为椭球．如图1所示，椭球的半长轴a，与激光束的能量相关，半短轴b，与激光束照射区域相关．

2．2电子扩散速率的计算根据量子力学的基本原理，借助中子扩散方程，令等离子体椭球中电子的扩散长度Λ＝B－1g，其中Bg为椭球的“几何曲率”，在稳态情况下，Bg是波动方程解的最小本征值．式中，s是包括外推长度在内的椭球表面．

2．3击穿阈值为了确保雪崩电离的启动，焦点区域Vf内至少得有10个“种子”电子，尤其是在皮秒和飞秒脉冲的情况下．由此可见，焦点区域的变化对雪崩电离的启动也会有相应的影响．此时，电子的雪崩电离速率表达式为式中：M为液体介质的分子质量，ω为角频率，Vf＝4／3πa2b为椭球体的体积．利用式（16），将不同的光强值Imax代入式（1）中求解，直到数值解出的最大自由电子密度ρmax等于光击穿的临界电子密度ρcr（2×1021cm－3）［8，12］，此时的光强值Imax就是所要求的击穿阈值光强．

3结果与比较

利用上述公式，使用不同波长、脉宽、焦点半径的激光脉冲，计算出水的击穿阈值，并将计算的结果与已知的实验数据［8－10］和其他模型进行比较，如表1所示．通过比较发现等离子体椭球模型得出的击穿阈值更接近于实验结果。

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关键词： 原子结构；量子力学；互补原理；哥本哈根学派

文章编号：1005－6629(2007)01－0000－00中图分类号：G633.8 文献标识码：B

中学讲原子结构与元素周期律，丹麦最伟大的物理学家、原子“教父”尼尔斯・玻尔(1885～1962)(图1)是不能简单跳过去的，遗憾的是多数人除了可能听过“玻尔巧藏诺贝尔奖章”这个小故事及简单提到的玻尔原子结构模型外，其余知之甚少，这对无论从科学成就、人格魅力或是领导才能等方面都堪称典范的科学巨匠来说是远远不够的，我们有重读的必要！

1 卓越的科学成就

2 互补原理与中国的阴阳学说

1927年玻尔首次提出了互补性观点，其基本思想大意是：真理具有两个侧面，如同一枚钱币具有两个侧面一样。每个侧面都是正确的，它们是对立的，但又是互补的，只有把互补的两个侧面结合起来，成为比单独各个侧面更和谐的整体，我们对微观世界才能有全面的理解。由于微观粒子需要波动与粒子图像并协(互补)地加以描述，所以从原则上说，对微观粒子的描述只能是概率论的，而不是确定论的，在微观世界中，有“因”未必有“果”，因果律失去了意义。

玻尔的互补原理与中国的阴阳学说有异曲同工之妙：阴阳最初意义是指日光的向背，向日为阳，背日为阴。我国古代思想家认识到一切现象(天地、日月、昼夜、阴晴、寒暑、水火等)都具有正反两个方面，就用阴阳这对概念来解释自然界两种对立和相互消长的势力。《老子》提出：“万物负阴而抱阳”，认为任何事物都存在着阴与阳的矛盾，而阴阳二气又处于一个统一体之中；《易经》提出“一阴一阳之谓道”的原则，把阴阳概念上升为“范围天地”、“曲成万物”的最高哲学范畴，成为关于解释天地万物和宇宙原型的体系，形成比较系统完整的阴阳学说。

伏羲先天八卦太极图(图2)是阴阳学说的直观表达：四周有乾、坤、震、巽、坎、离、艮、兑的八个部分称为八卦，分别代表天、地、雷、风、水、火、山、泽八种基本自然现象，象征宇宙万物，由八卦可以演变成六十四卦乃至一百二十八卦。

中间的核心部分是具有黑暗的阴(黑色)和明亮的阳(白色)的对称图案，表示任何既对立又统一的矛盾双方，俗称阴阳鱼。矛盾对立的每一方一个极。两极之间能动地联系在一起而形成对称的布局，但这种对称不是静态的，而是表示一种循环运动，黑白两部分形成互补图像，表明阴阳两级既相互对立，又相互依存，任何一方都不能脱离对方而单独存在。阴在下方最盛，而阳逐渐增多；阳在上方最盛，而阴逐渐增多，“阳还终始，阴极返阳。”图中的两个圆点象征着这样的概念，就是每当这两种力量中的一方达到自己的极端时，在其中就已经有了它的对立面的萌芽。

1937年玻尔访问中国，当他见到我国古代的太极图时无比兴奋，如获至宝，认为太极图完美准确地表达了他的互补原理。阴阳两级标志着真理的两个方面，它们既是矛盾的、对立的，又是互补的、统一的，阴阳两方面综合起来，就能得到事物和现象的完备的描述。1947年，由于玻尔在科学上的杰出成就以及对丹麦文化的杰出贡献，丹麦国王破格授予玻尔“宝象勋章”(图3)，勋章的正中选用的图案就是太极图，意指玻尔的互补哲学，也饱含他对中国文化的诠释。

3 索尔维论剑

玻尔的互补哲学受到许多有影响学者如狄拉克、奥本海默、惠勒等的拥护，但由于互补原理与海森堡的不确定原理迫使我们不得不放弃要求严格的物理学因果关系的思想，以致某些伟大的科学家如爱因斯坦等人从来不愿接受它，由此爆发了史无前例的学术大论战。

在人类科学史上，曾经发生过许多次重大的学术论战，但论及双方的地位、论战的深入和影响，只有这一次才最有资格被称为巅峰对决。

爱因斯坦设想了一些理想化实验来应对不确定原理与互补原理，其中最著名的是1930年在第六届索尔维会议上提出的“爱因斯坦盒子”(图4)，盒中装有一些辐射物质，盒子一侧有一个小洞，洞口有一块挡板。盒子里放有一只能控制挡板开关的钟，盒子的重量是可以测出来的。盒子里的钟能在某一时刻将小洞打开，放出一个粒子(光子或电子)，这样粒子跑出前后盒子的重量也可以准确地测量出来，根据爱因斯坦的质能公式E=mc2，粒子的能量也可以准确地确定，这样得出在准确的时间释放出准确的能量的结论，于是不确定关系以及互补原理不再成立，因果律和准确性都恢复了。

玻尔经过认真仔细地分析后指出：在粒子跑出盒子的过程中，盒子必然在重力方向上发生位移，而根据爱因斯坦广义相对论，钟在沿重力方向发生位移的过程中，它的快慢会发生变化。因此，由钟所读出的时间就会由于这个粒子的跑出而有所改变，由此引出的误差正好满足不确定关系。

以彼之道，还施彼身，爱因斯坦的这个光箱实验非但没能击倒量子论，反而成了它最好的证明，自此哥本哈根解释也被奉为是量子力学的正统解释。

现代科技手段已能对当年的部分理想实验进行论证，实验结果几乎指向玻尔是正确的，尽管如此，爱因斯坦的深刻质疑，对玻尔发展思想、深化论点、精练表述，起了有益的促进作用。

4 哥本哈根学派

1921年，在玻尔的倡议下成立了哥本哈根大学理论物理学研究所，玻尔领导这一研究所先后达40年之久。这一研究所培养了大量的杰出物理学家，在量子力学的兴起时期曾经成为全世界最重要、最活跃的学术中心，对量子力学的孕育、诞生和哲学诠释做出独到的贡献。有人统计，全世界有30多个国家的近千个现代物理学家曾经或长或短地在该研究所里工作过，其中有17人获得诺贝尔奖(涉及物理、化学与生理或医学奖)，这是了不起的成就！

许多人都对在玻尔研究所的工作印象深刻，在离开那儿多年后仍十分怀念在那里的工作和生活，他们对玻尔更是充满敬意，在玻尔60岁寿辰的献词中，他们这么说：“‘父呵！你乃大自然之发现者，吾等从你谨受教诲。’这句对古代伟大原子论者的献词，我们也要把它献给现代原子理论的创立者！”

哥本哈根研究所之所以使物理学家有精神家园的感觉，主要原因在于那里有在判断和讨论方面完全自由的最卓越的精神，被后人称为“哥本哈根精神”，这是一种独特的、浓厚的、平等自由地讨论和相互紧密地合作的学术气氛。正是这种精神吸引着物理学家，同时这也是他们对玻尔充满感激和敬意的主要原因。

直到今天，很多人还说“哥本哈根精神”在国际物理学界是独一无二的。“哥本哈根精神”已成为物理学界最宝贵的精神财富，它对世界的贡献，也许不亚于玻尔的量子力学。

二十一世纪科学研究最需要的是什么精神？中国人进行科学研究最缺少的是什么精神？

――哥本哈根精神！

5 玻尔的人格魅力

玻尔为人温和而幽默，和别人争论时也轻声细语。他特别爱护年轻人，曾经有人问玻尔：“你是怎么把那么多有才华的青年人团结在身边的？”他回答说：“因为我不怕在年青人面前承认自己知识的不足，不怕承认自己是傻瓜。”正是不怕在年青人面前承认自己知识的不足，1922年夏天，他应邀到德国哥廷根大学发表演讲时发现了海森堡和泡利，而这两位1932年、1945年的诺贝尔物理奖得主，后来成为哥本哈根学派主力干将，为量子力学的发展做出了卓越的贡献。

爱因斯坦本来早该获得诺贝尔奖，但由于当时有不少人对相对论持有偏见，直到1922年秋才回避相对论的争论，授予他上年度诺贝尔物理奖，并决定把本年度的诺贝尔物理奖授予玻尔，这两项决定破例同时发表。爱因斯坦当时正赴日本，在途经上海时接到了授奖通知。而玻尔对爱因斯坦长期未能获得诺贝尔奖深感不安，怕自己在爱因斯坦之前获奖，因此，当玻尔得知这一消息后非常高兴，立即写信给旅途中的爱因斯坦。玻尔非常谦虚，他在信中表示，自己之所以能取得一些成绩，是因为爱因斯坦做出了奠基性的贡献，因此，爱因斯坦能在他之前获得诺贝尔奖，他觉得这是“莫大的幸福”。爱因斯坦在接到玻尔的信后，当即回了信，信中说：“我在日本启程之前不久收到了您热情的来信，我可以毫不夸张地说，它像诺贝尔奖一样，使我感到快乐；您担心在我之前获得这项奖金，你的这种担心我觉得特别可爱――它显示了玻尔的本色。”

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玻尔热爱自己的祖国，他一再婉言拒绝外来的高薪聘请，决心在人口不到500万的小国建立起物理学的国际中心。确实，玻尔获得成功，他把哥本哈根建成了物理学家“朝拜的圣地”。

玻尔一直引用丹麦童话作家安徒生的名言：“丹麦是我出生的地方，是我的家乡，这里就是我心中的世界开始的地方。”以此来陶冶自己的思想情操，激励自己为祖国的昌盛建功立业。

科学无国界，科学家却有自己的祖国。

6 原子“教父”

普朗克、爱因斯坦与玻尔是量子理论的三大先驱，代表量子理论的三个不同阶段。普朗克提出了能量子的概念，但是他是个不情愿的革命者，并不充分认识量子理论的革命性，它意味经典物理学的终结；爱因斯坦发现了光量子，他立即认识到量子与经典理论的对立性，他对这种理论局面感到不舒服；玻尔是物质结构量子理论的创立者，他把量子概念用于单个微观体系原子或分子，他也立即意识到量子理论的革命性，适应了新的理论局势，并对这种局势做出哲学概括。

综观玻尔的科学之旅，是从定性到定量，最后再到定性的过程：定性定量定性。后一个定性比前一个定性要高级、丰富、生动，因为它已经拥有了一个非常精确的定量这个中间环节，这最后一个定性包括三个成分：惊叹、敬畏和惆怅。在自然哲学观上，量子论带给了我们前所未有的冲击和震动，甚至改变了整个物理世界的基本思想。它的观念是如此地革命，乃至最不保守的科学家都在潜意识里对它怀有深深的惧意，玻尔就说过：“如果谁不为量子论而感到困惑，那他就是没有理解量子论。”

这才是科学的极致!互补原理与对应原理就是这样的极致！玻尔理论看似模糊，但其中包含丰富的内容，给后来物理学家提供了很大的发展空间。

玻尔从1905年开始他的科学生涯，一生从事科学研究达57年之久。他的研究工作开始于原子结构未知的年代，结束于原子科学已趋成熟、原子核物理得到广泛应用的时代，从开始到结束，玻尔那种充满着高度创造性，锐敏性和带有批判性的精神，始终指引着他的事业的方向，使之深入，直到最后完成。今天，我们的现代文明，从电脑，电视，手机到核能，航天，生物技术，几乎没有哪个领域不依赖于原子理论。他对原子科学的贡献使他无疑地成了20世纪上半叶与爱因斯坦并驾齐驱的、最伟大的物理学家与哲学家之一。

爱因斯坦这样评价玻尔：“作为一位科学思想家，玻尔所以有这么惊人的吸引力，在于他具有大胆和谨慎这两种品质的难得融合；很少有谁对隐秘的事物具有这一种直觉的理解力，同时又兼有这样强有力的批判能力。他不但拥有关于细节的全部知识，而且还始终坚定地注视着基本原理。他无疑是我们时代科学领域中最大的发现者之一。”

玻尔集高尚的人格、卓越的领导才能和批判性、开创性的科学研究于一身，人类科学史这样的大师难觅第二人，他是物理学天才，更是网罗人才的天才，令无数立志科学探索的青年学者竞折腰。遗憾的是，我们并不重视对玻尔的研究，相对爱因斯坦甚至海森堡等科学家，我们做得远远不够，我给每届学生都讲玻尔：“我们或许缺少爱因斯坦，但我们更需要的是玻尔。”

是的，我们更需要玻尔！

参考文献：

[1]亚伯拉罕・派斯(戈革译).尼耳斯・玻尔传[M].北京：商务出版社.2001.

[2]尼耳斯・布莱依耳(戈革译).和谐与统一(尼耳斯・玻尔的一生)[M].上海：东方出版社中心.1998.

[3]李增智，吴亚非，孟湛祥等.物理学中的人文文化[M].北京：科学出版社，2005：197-241.

4]约翰・西蒙斯(王首燕，姜栋译).科学家100人：历史上最具影响力的科学家排行榜[M].北京：当代世界出版社，2006：10-13.

[5]秦克诚.邮票上的物理学史[M].北京：清华大学出版社，2005.

篇9

关键词：材料科学；结构化学；教学内容

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）18-0032-02

湘潭大学目前除了化学专业、应用化学专业开设结构化学之外，材料物理、材料化学、材料科学与工程这3个材料科学类的专业也开设结构化学课程，5个专业使用的教材均为周公度、段连运先生编著，北京大学出版社出版的结构化学基础（第4版）一书。根据近几年来材料科学类结构化学的教学实践情况，考虑到材料科学学科与化学学科之间的差异，根据材料科学与工程教学指导委员会制订的高等学校材料物理、材料化学专业规范，优化适合于材料科学类3个专业的结构化学课程的教学内容实有必要。

一、结构化学的内容和课程的任务

结构化学是研究原子在空间相互结合成分子或化学实体的方式（结构）、依据（化学键本质）、规律及结构与性能间的联系，它是联系材料宏观与微观的桥梁，是材料设计的基础。结构化学以在分子水平上研究自然科学问题为其主要目标与特征，这决定了它不仅是研究化学反应机制、化学的内在规律性、各类化学体系立体构型、键型及构效关系的指南，而且已成为材料科学、分子生物学、金属有机化学等新兴、边缘或综合学科发展的支柱。结构化学不仅与化学各分支学科，而且与材料科学、物理学、地学、生命科学、冶金学等学科有广泛的横向联系与交叉。结构化学的另一个重要内容就是与合成化学、理论化学以及材料科学、生命科学、固体物理等相邻学科一起，建立分子工程学、晶体工程学等学科。

结构化学课程是材料科学类的一门基础课，其任务是使学生深刻掌握微观物质运动的基本规律，获得原子、分子和晶体结构的基本理论、基础知识，深入掌握物质结构和性能的相互关系，牢固树立结构决定性能的观点，了解研究分子和晶体结构的近代物理方法。通过这门课程的学习，培养学生的创新精神和实践能力，进一步培养学生从结构的观点分析问题和解决问题的能力。结构化学的教学对于锻炼学生思维、开发学生智力、发展学生能力、提高学生综合素质有着极其重要的作用。凡具有较好理论基础的大学毕业生，适应能力强，后劲足，结构化学的教学起着十分重要的作用。

二、材料科学的特征

材料科学与工程正在发生深刻的变化，其研究已深入到原子尺度，突出特征表现在3个方面。第一，材料科学技术化，材料技术科学化，材料科学与工程技术日益融合，相互促进；第二，新材料、新技术、新工艺相互结合，为各个工程领域开拓了新的研究内容，带来了新的生命力和发展前景；最后，学科之间的相互交叉渗透，使得各学科之间的关系日益密切，难以分割。基础科学与现代技术的新成果也和材料科学与工程的发展交织在一起。

从教材角度看材料科学，具有3个特征：基础性、前沿性和应用性。基础性，一方面指材料科学的研究是建立在物理、化学的基础上，没有扎实的理化基础从事材料研究与开发是难以想象的。另一方面，当前材料科学研究显示出突出的交叉性和综合性，学科内容及规模不仅体系庞大而且纷繁芜杂，没有扎实的基础就难以抓住要害，不能适应学科的变化和发展，这就要求教材毫不含糊地重视基础。前沿性是指材料科学的发展速度迅猛，只有在教材中恰当地反映这些变化，才能使学生适应日后的研究工作。应用性是指材料研究的目的而言，是为了实际应用。当今材料研究从实验室到工业化的时间大大缩短，材料研究与开发已成为高科技的重要组成部分，要求在教材中有意识地体现这一特征。

三、结构化学课程教学的主要内容与基本要求

根据结构化学的研究内容和材料科学学科的特征，材料科学类的结构化学课程不仅要兼顾物理系的材料物理和化学系的材料化学2个专业，包含适当的量子力学基础、固体理论和表面结构化学，还要适当地介绍一些的功能材料，不能“有理无物”，而且既要与材料物理课程和材料化学课程紧密地相联系，又要区别开来，既要与计算物理课程和计算化学课程相联系，又要区别开来，突出材料结构与性能的关系，简要介绍分子设计学。遵循加强基础、强化能力、整体优化、精选内容、更新知识、突出应用、反映前沿及简明扼要的原则，进行教材编写。

在内容的选取上，首先把握更新与精选，处理好“新”与“基”的关系。在加强基本教学内容的前提下适当反映新内容，拓宽知识面，体现“少而精”、“精而新”的原则。不仅要反映现代科学的发展趋势和学科的前沿理论，而且应注重结构化学课程对其他课程和学科的渗透，提高综合度。其次充分重视理论联系实际。在不同部分侧重点不同，力求加强宏观与微观的联系，掌握规律。第三，注意演绎法和归纳法2种方法的应用。RHoffmann曾说：“化学理论的最主要作用是提供一种思维方式，以总结更新知识”。结构化学作为理论化学的重要组成部分，要求该课程使学生在2种思维模式即演绎法和归纳法方面均得到较好的训练。中国传统教学偏重演绎，优点是严谨，但缺乏创新意识，而美国等国家在教学上侧重归纳，优点是独立思考和创造能力强，缺点是基础不够扎实。因此，我们力求将2种思维模式在各个章节都有所体现，期望学生受到全面的训练。第四，充分注意习题的作用。习题是锻炼思维的体操，是学习过程中的重要一环，做习题不仅是理解、掌握知识，而且是学会如何运用知识。虽然做习题本身不是科学研究，但对研究能力的养成有重要作用。许多科学大师都曾津津乐道于他们早年在习题中的受益。A Sommerfeld曾写信给他的学生W Heisenberg，告诫他：要勤奋地去做练习，只有这样，你才会发现，哪些你理解了，哪些你还没有理解。杨振宁也曾回忆他的大学学习：西南联大教学风气是非常认真的，我们那时念的课，一般老师准备得很好，学生习题做得很多。的确，“勤奋地去做练习”，“习题做得很多”，往往是达到成功的一个阶梯。因此例题习题选编的恰当与否直接影响教学效果，这在内容多、学时少、提倡自学的当今时代显得尤为重要，对于结构化学课程而言更是如此。习题不能全部简单化，我们编写了一定数量的综合训练题。最后，注意课外读物的作用。课外读物有利于拓宽学生的知识面，培养学生的自学能力。阅读原始研究论文能够培养学生良好的思维能力和思考问题的方法，提高他们分析问题和解决问题的能力。在结构化学中，每一个基本原理或理论大都对应一位科学大师，学习他们的研究方法及写作技巧，对学生将来从事科研等工作十分有益。

因此，材料科学类的结构化学课程教学内容应包括下列6部分内容，各部分的基本要求如下：

1.量子力学基础和原子结构。这部分内容在第1、2章中讲授。要求了解量子力学的基本假设，掌握氢原子和类氢离子的薛定谔方程及求解要点，提高对原子结构的认识，深入理解原子轨道的意义、性质和空间图象。了解多电子原子的自恰场方法及中心力场近似法，了解核外电子布居的依据，了解角动量的偶合及原子光谱项的意义。

2.化学键理论和分子结构。这部分内容主要在第3、5、6、10章中讲授。要求重点掌握化学键的三个基本理论：分子轨道理论、价键理论和配位场理论。其中第3章要求了解线性变分法处理H2+和H2，了解共价键本质及典型的双原子分子的电子排布。第5章要求掌握价键理论在多原子分子结构中的应用，掌握s-p杂化轨道的造法及键角公式。要求掌握HMO方法及其在共轭分子中的应用，掌握前线轨道理论和能量相关图及其应用。第6章要求掌握配位场理论在配位化合物结构中的应用，π-σ配键化合物和过度金属簇合物的电子结构或成键特征与性能。了解分子光谱、电子能谱原理。掌握现代化学键理论在讨论非金属化合物成键特征及结构与性能关系方面的应用。

3.点阵理论和晶体结构。这部分内容主要在第4、7、8、9章中讲授。要求根据分子的几何构型确定分子所属的点群，初步了解群的表示和特征表的意义。了解偶极矩、旋光性与分子结构的关系。要求着重了解X射线衍射等方法所依据的基本原理，以及在测定结构中的作用和应用范围，为了解与掌握现代化学中的重要实验方法打下初步的理论基础。掌握描述晶体结构的表达方法，掌握金属、离子化合物的晶体结构与性能。了解用结构化学理论研究固体表面的结构和性能的方法。

4.功能材料结构与性能。这部分内容在11章中讲授。初步了解几类重要的功能材料，加深理解结构决定性能的观点，初步了解功能材料结构与性能的关系。

5.分子设计基础。这部分内容在12章中讲授。初步了解分子设计的基本原理及其应用。

篇10

二十世纪即将结，二十一世纪即将来临，二十世纪是光辉灿烂的一个世纪，是个类社会发展最迅速的一个世纪，是科学技术发展最迅速的一个世纪，也是物理学发展最迅速的一个世纪。在这一百年中发生了物理学革命，建立了相对信纸和量子力学，完成了从经典物理学到现代物理学的转变。在二十世纪二、三十年代以后，现代物理学在深度和广度上有了进一步的蓬勃发展，产生了一系列的新学科的交叉学科、边缘学科，人类对物质世界的规律有了更深刻的认识，物理学理论达到了一个新高度，现代物理学达到了成熟的阶段。

在此世纪之交的时候，人们自然想展望一下二十一世纪物理学的发展前景，探索今后物理学发展的方向。我想谈一谈我对这个问题的一些看法和观点。首先，我们来回顾一下上一个世纪之交物理学发展的情况，把当前的情况与一百年前的情况作比较对于探索二十一世纪物理学发展的方向是很有帮助的。

一、历史的回顾

十九世纪末二十世纪初，经典物物学的各个分支学科均发展到了完善、成熟的阶段，随着热力学和统计力学的建立以及麦克斯韦电磁场理论的建立，经典物理学达到了它的顶峰，当时人们以系统的形式描绘出一幅物理世界的清晰、完整的图画，几乎能完美地解释所有已经观察到的物理现象。由于经典物理学的巨大成就，当时不少物理学家产生了这样一种思想：认为物理学的大厦已经建成，物理学的发展基本上已经完成，人们对物理世界的解释已经达到了终点。物理学的一些基本的、原则的问题都已经解决，剩下来的只是进一步精确化的问题，即在一些细节上作一些补充和修正，使已知公式中的各个常数测得更精确一些。

然而，在十九世纪末二十世纪初，正当物理学家在庆贺物理学大厦落成之际，科学实验却发现了许多经典物理学无法解释的事实。首先是世纪之交物理学的三大发现：电子、X射线和放射性现象的发现。其次是经典物理学的万里晴空中出现了两朵“乌云”：“以太漂移”的“零结果”和黑体辐射的“紫外灾难”。[1]这些实验结果与经典物理学的基本概念及基本理论有尖锐的矛盾，经典物理学的传统观念受到巨大的冲击，经典物理发生了“严重的危机”。由此引起了物理学的一场伟大的革命。爱因斯坦创立了相对论；海林堡、薛定谔等一群科学家创立了量子力学。现代物理学诞生了！

把物理学发展的现状与上一个世纪之交的情况作比较，可以看到两者之间有相似之外，也有不同之处。

在相对论和量子力学建立起来以后，现代物理学经过七十多年的发展，已经达到了成熟的阶段。人类对物质世界规律的认识达到了空前的高度，用现有的理论几乎能够很好地解释现在已知的一切物理现象。可以说，现代物理学的大厦已经建成。在这一点上，目前有情况与上一个世纪之交的情况很相似。因此，有少数物理学家认为今后物理学不会有革命性的进展了，物理学的根本性的问题、原则问题都已经解决了，今后能做到的只是在现有理论的基础上在深度和广度两方面发展现代物理学，对现有的理论作一些补充和修正。然而，由于有了一百年前的历史经验，多数物理学家并不赞成这种观点，他们相信物理学迟早会有突破性的发展。另一方面，虽然在微观世界和宇宙学领域中有一些物理现象是现代物理学的理论不能很好地解释的，但是这些矛盾并不是严重到了非要彻底改造现有理认纱可的程度。在这方面，目前的情况与上一个世纪之交的情况不同。在上一个世纪之交，经典物理学发生了“严重的危机”；而在本世纪之交，现代物理学并无“危机”。因此，我认为目前发生现代物理学革命的条件似乎尚不成熟。

虽然在微观世界和宇宙学领域中有一些物理现象是现代物理学的理论不能很好地解释的，但是这些矛盾并不是严重到了非要彻底改造现有理认纱可的程度。在这方面，目前的情况与上一个世纪之交的情况不同。在上一个世纪之交，经典物理学发生了“严重的危机”；而在本世纪之交，现代物理学并无“危机”。因此，我认为目前发生现代物理学革命的条件似乎尚不成熟。客观物质世界是分层次的。一般说来，每个层次中的体系都由大量的小体系（属于下一个层次）构成。从一定意义上说，宏观与微观是相对的，宏观体系由大量的微观系统构成。物质世界从微观到宏观分成很多层次。物理学研究的目的包括：探索各层次的运动规律和探索各层次间的联系。

回顾二十世纪物理学的发展，是在三个方向上前进的。在二十一世纪，物理学也将在这三个方向上继续向前发展。

1）在微观方向上深入下去。在这个方向上，我们已经了解了原子核的结构，发现了大量的基本粒子及其运规律，建立了核物理学和粒子物理学，认识到强子是由夸克构成的。今后可能会有新的进展。但如果要探索更深层次的现象，必须有更强大得多的加速器，而这是非常艰巨的任务，所以我认为近期内在这个方向上难以有突破性的进展。

2）在宏观方向上拓展开去。1948年美国的伽莫夫提出“大爆炸”理论，当时并未引起重视。1965年美国的彭齐亚斯和威尔逊观测到宇宙背景辐射，再加上其他的观测结果，为“大爆炸”理论提供了有力的证据，从此“大爆炸”理论得到广泛的支持，1981年日本的佐藤胜彦和美国的古斯同时提出暴胀理论。八十年代以后，英国的霍金[2,3]等人开始论述宇宙的创生，认为宇宙从“无”诞生，今后在这个方向上将会继续有所发展。从根本上来说，现代宇宙学的继续发展有赖于向广漠的宇宙更遥远处观测的新结果，这需要人类制造出比哈勃望远镜性能更优越得多的、各个波段的太空天文望远镜，这是很艰巨的任务。

我个人对于近年来提出的宇宙创生学说是不太信的，并且认为“大爆炸”理论只是对宇宙的一个近似的描述。因为现在的宇宙学研究的只是我们能观测到的范围以内的“宇宙”，而我相信宇宙是无限的，在我们这个“宇宙”以外还有无数个“宇宙”，这些宇宙不是互不相干、各自孤立的，而是互相有影响、有作用的。现代宇宙学只研究我们这个“宇宙”，当然只能得到近似的结果，把他们的延伸到“宇宙”创生了初及遥远的未来，则失误更大。

3）深入探索各层次间的联系。

这正是统计物理学研究的主要内容。二十世纪在这方面取得了巨大的成就，先是非平衡态统计物理学有了得大的发展，然后建立了“耗散结构”理论、协同论和突变论，接着混沌论和分形论相继发展起来了。近年来把这些分支学科都纳入非线性科学的范畴。相信在二十一世纪非线性科学的发展有广阔的前景。

上述的物理学的发展依然现代物理学现有的基本理论的框架内。在下个世纪，物理学的基本理论应该怎样发展呢？有一些物理学家在追求“超统一理论”。在这方面，起初是爱因斯坦、海森堡等天才科学家努力探索“统一场论”；直到1967、1968年，美国的温伯格和巴基斯坦的萨拉姆提出统一电磁力和弱力的“电弱理论”；目前有一些物理学家正在探索加上强力的“大统一理论”以及再加上引力把四种力都统一起来的“超统一理论”，他们的探索能否成功尚未定论。

爱因斯坦当初探索“统一场论”是基于他的“物理世界统一性”的思想[4]，但是他努力探索了三十年，最终没有成功。我对此有不同的观点，根据辩证唯物主义的基本原理，我认为“物质世界是既统一，又多样化的”。且莫论追求“超统一理论”能否成功，即便此理论完成了，它也不是物理学发展的终点。因为“在绝对的总的宇宙发展过程中，各个具体过程的发展都是相对的，因而在绝对真理的长河中，人们对于在各个一定发展阶段上的具体过程的认识只具有相对的真理性。无数相对的真理之总和，就是绝对的真理。”“人们在实践中对于真理的认识也就永远没有完结。”[5]

现代物理学的革命将怎样发生呢？我认为可能有两个方面值得考试：

1）客观世界可能不是只有四种力。第五、第六……种力究竟何在呢？现在我们不知道。我的直觉是：将来最早发现的第五种力可能存在于生命现象中。物质构成了生命体之后，其运动和变化实在太奥妙了，我们没有认识的问题实在太多了，我们今天对于生命科学的认识犹如亚里斯多德时代的人们对于物理学的认识，因此在这方面取得突破性的进展是很可能的。我认为，物理学业与生命科学的交叉点是二十一世纪物理学发展的方向之一，与此有关的最关于复杂性研究的非线性科学的发展。

2）现代物理学理论也只是相对真理，而不是绝对真理。应该通过审思现代物理学理论基础的不完善性来探寻现代物理学革命的突破口，在下一节中将介绍我的观点。

三、现代物理学的理论基础是完美的吗？

相对论和量子力学是现代物理学的两大支柱，这两大支柱的理论基础是否十全十美的

呢？我们来审思一下这个问题。

1）对相对论的审思

当年爱因斯坦就是从关于光速和关于时间要领的思考开始，创立了狭义相对论[1]。我们今天探寻现代物理学革命的突破口，也应该从重新审思时空的概念入手。爱因劳动保护坦创立狭义相对论是从讲座惯性系中不同地点的两个“事件”的同时性开始的[4]，他规定用光信号校正不同地点的两个时钟来定义“同时”，这样就很自然地导出了洛仑兹变换，进一步导致一个四维时空（x，y，z，ict）（c是光速）。为什么爱因劳动保护担提出用光信号来校正时钟，而不用别的信号呢？在他的论文中没有说明这个问题，其实这是有深刻含意的。

时间、空间是物质运动的表现形式，不能脱离物理质运动谈论时间、空间，在定义时空时应该说明是关于什么运动的时空。现代物理学认为超距作用是不存在的，A处发生的“事件”影响B处的“事件”必须通过一定的场传递过去，传递需要一定的时间，时间、空间的定义与这个传递速度是密切相关的。如果这种场是电磁场，则电磁相互作用传递的速度就是光速。因此，爱因斯坦定义的时空实际上是关于由电磁相互作用引起的物质运动的时空，适用于描述这种运动。

爱因斯坦把他定义的时间应用于所有的物质运动，实际上就暗含了这样的假设：引力相互作用的传递速度也是光速c.但是引力相互作用是否也是以光速传递的呢？令引力相互作用的传递速度为c＇。至今为止，并无实验事实证明c＇等于c。爱因斯坦因他的“物质世界统一性”的世界观而在实际上假定了c=c＇。我持有“物质世界既统一，又多样化的”以观点，再加之电磁力和引力的强度在数量级上相差太多，因此我相相信c＇可能不等于c。工样，关于由电磁力引起的物质运动的四维时空（x，y，z，ict）和关于由引力引起的运动的时空（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）是不同的。如果研究的问题只涉及一种相互作用，则按照现在的理论建立起来的运动方程的形式不变。例如，爱因斯坦引力场方程的形式不变，只需把常数c改为c＇。如果研究的问题涉及两种相互作用，则需要建立新的理论。不过，首要的事情是由实验事实来判断c＇和c是否相等；如果不相等，需要导出c＇的数值。

我在二十多年前开始形成上述观点，当时测量引力波是众所瞩目的一个热点，我曾对那些实验寄予厚望，希望能从实验结果推算出c＇是否等于c。令人遗憾的是，经过长斯的努力引引力波实验没有获得肯定的结果，随后这项工作冷下去了。根据爱国斯坦理论预言的引力波是微弱的，如果在现代实验技术能够达到的测量灵敏度和准确度之下，这样弱的引力波应该能够探测到的话，长期的实验得不到肯定的结果似乎暗示了害因斯坦理论的缺点。应该从c＇可能不等于c这个角度来考虑问题，如果c＇和c有较大的差异，则可能导出引力波的强度比根据爱因劳动保护坦理论预言的强度弱得多的结果。

弱力、强力与引力、电磁力有本质的不同，前两者是短程力，后两者是长程力。不同的相互作用是通过传递不同的媒介粒子而实现的。引力相互作用的传递者是引力子；电磁相互作用的传递者是光子；弱相互作用的传递者是规范粒子（光子除外）；强相互作用的传递者是介子。引力子和光子的静质量为零，按照爱因斯坦的理论，引力相互作用和电磁相互作用的传递速度都是光速。并且与传递粒子的静质量和能量有关，因而其传递速度是多种多样的。

在研究由弱或强相互作用引起的物质运动时，定义惯性系中不同的地点的两个“事件”的“同时”，是否应该用弱力或强力信号取代光信号呢？我对核物理学和粒子物理学是外行，不想贸然回答这个问题。如果应该用弱力或强力信号取代光信号，那么关于由弱力或强力引起的物质运动的时空和关于由电磁力引起的运动的时空（x，y，z，ict）及关于由引力引起的运动的时空（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）

有很大的不同。设弱或强相互作用的传递速度为c＇＇，c＇＇不是常数，而是可变的，则关于由弱或强力引起的运动的时空为（x＇＇，y＇＇，z＇＇，Ic＇＇t＇＇），时间t＇＇和空间（x＇＇，y＇＇，z＇＇）将是c＇的函数。然而，很可能应该这样来考虑问题：关于由弱力引起的运动的时空，在定义中应该以规范粒子的静质量取作零时的速度c1取代光速c。由于“电弱理论”把弱力和电磁力统一起来了，因此有可能c1=c，则关于由弱力引起的运动的时空和关于由电磁力引起的运动的时空是相同的，同为（x，y，z，ict）。关于由强力引起的运动的时空，在定义中应该以介子的静质量取作零（在理论上取作零，在实际上没有静质量为零的介子）时的速度c＇＇取代光速c，c＇＇可能不等于c。则关于由强力引起的运动的时空（x＇＇，y＇＇，z＇＇，Ic＇＇t＇＇）不同于（x，y，z，ict）或（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）。无论上述两种考虑中哪一种是对的，整个物质世界的时空将是高于四维的多维时空。对于由短程力（或只是强力）引起的物质运动，如果时空有了新的一义，就需要建立新的理论，也就是说需要建立新的量子场论、新的核物理学和新的粒子物理学等。如果研究的问题既清及长程力，又涉及短程力（尤其是强力），则更需要建立新的理论。

1）对量子力学的审思

从量子力学发展到量子场论的时候，遇到了“发散困难”[6]。1946——1949年间，日本的朝永振一郎、美国的费曼和施温格提出“重整化”方法，克服了“发散困难”。但是“重整化”理论仍然存在着逻辑上的缺陷，并没有彻底克服这一困难。“发散困难”的一个基本原因是粒子的“固有”能量（静止能量）与运动能量、相互作用能量合在一起计算[6]，这与德布罗意波在υ=0时的异性。

现在我陷入一个两难的处境：如果采用传统的德布罗意关系，就只得接受不合理的德布罗意波奇异性；如果采纳修正的德布罗意关系，就必须面对使新的理论满足相对论协变性的难题。是否有解决问题的其他途径呢？我认为这个问题或许还与时间、空间的定义有关。现在的量子力学理论中时宽人的定义实质上依然是决定论的定义，而不确定原理是微观世界的一条基本规律，所以时间、空间都不是严格确定的，决定论的时空要领不再适用。在时间或空间的间隔非常小的时候，描写事情顺序的“前”、“后”概念将失去意义。此外，在重新定义时空时还应考虑相关的物质运动的类别。模糊数学已经发展得相当成熟了，把这个数学工具用到微观世界时空的定义中去可能是很值得一试的。

1）在二十一世纪物理学将在三个方向上继续向前发展（1）在微观方向上深入下去；（2）在宏观方向上拓展开去；（3）深入探索各层次间的联系，进一步发展非线性科学。

2）可能应该从两方面去控寻现代物理学革命的突破口。（1）发现客观世界中已知的四种力以外的其他力；（2）通过审思相对论和量子力学的理论基础，重新定义时间、空间，建立新的理论