量子力学的含义范文

导语：如何才能写好一篇量子力学的含义，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。

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关键词：量子力学；教学探索；普通高校

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）50-0212-02

一、概论

量子力学从建立伊始就得到了迅速的发展，并很快融合其他学科，发展建立了量子化学、分子生物学等众多新兴学科。曾谨言曾说过，量子力学的进一步发展，也许会对21世纪人类的物质文明有更深远的影响[1]。

地处西部地区的贵州省，基础教育水平相对落后。表1列出了2005年到2012年来的贵州省高考二本理科录取分数线，从中可知：自2009年起二本线已经低于60%的及格线，并呈显越来越低的趋势。对于地方性新升本的普通本科学校来讲，其生源质量相对较低。同时，在物理学（师范）专业大部分学生毕业后的出路主要是中学教师、事业单位一般工作人员及公务员，对量子力学的直接需求并不急切。再加上量子力学的“曲高和寡”，学生长期以来形成学之无用的观念，学习意愿很低。在课时安排上，随着近年教育改革的推进，提倡重视实习实践课程、注重学生能力培养的观念的深入，各门课程的教学时数被压缩，量子力学课程课时从72压缩至54学时，课时被压缩25%。

总之，在学校生源质量逐年下降、学生学习意愿逐年降低，且课时量大幅减少的情况下，教师的教学难度进一步增大。以下本人结合从2005至10级《量子力学》的教学经验，谈一下教学方面的思考。

二、依据学生情况，合理安排教学内容

1.根据班级的基础区别化对待，微调课程内容。考虑到我校学生的实际情况和需要，教学难度应与重点院校学生有差别。同时，通过前一届的教学积累经验，对后续教学应有小的调整。在备课时，通过微调教学内容来适应学习基础和能力不同的学生。比如，通过课堂教学及作业的反馈，了解该班学生的学习状态，再根据班级学习状况的不同，进行后续课程内容的微调。教学中注重量子力学基本概念、规律和物理思想的展开，降低教学内容的深度，注重面上的扩展，进行全方位拓宽、覆盖，特别是降低困难题目在解题方面要求，帮助学生克服学习的畏难心理。

2.照顾班内大多数，适当降低数学推导难度。对于教学过程中将要碰到的数学问题，可采取提前布置作业的方法，让学生主动去复习，再辅以教师课堂讲解复习，以解决学生因为数学基础差而造成的理解困难。同时，可以通过补充相关数学知识，细化推导过程，降低推导难度来解决。比如：在讲解态和力学量的表象时[2]，要求学生提前复习线性代数中矩阵特征值、特征向量求解及特征向量的斯密特正交化方法。使学生掌握相关的数学知识，这对理解算符本征方程的本征值和本征函数起了很大的推动作用。

3.注重量子论思想的培养。量子论的出现，推动了哲学的发展，给传统的时空观、物质观等带来了巨大的冲击，旧的世界观在它革命性的冲击下分崩离析，新的世界观逐渐形成。量子力学给出了一套全新的思维模式和解决问题的方法，它的思维模式跟人们的直觉和常识格格不入，一切不再连续变化，而是以“量子”的模式一份一份的增加或减少。地方高校的学生数学基础较差，不愿意动手推导，学习兴趣较低，量子力学的教学，对学生量子论思维方式的培养就显得尤为重要。为了完成从经典理论到量子理论思维模式的转变，概念的思维方式是基础、是重中之重。通过教师的讲解，使学生理解量子力学的思考方式，并把经典物理中机械唯物主义的绝对的观念和量子力学中的概率的观念相联系起来，在生活中能够利用量子力学的思维方式思考问题，从而达到学以致用的目的。

4.跟踪科学前沿，随时更新科研进展。科学是不断向前发展的，而教材自从编好之后多年不再变化，致使本领域的最新研究成果，不能在教材中得到及时体现。而发生在眼下的事件，最新的东西才是学生感兴趣的。因此，我们可以利用学生的这种心理，通过跟踪科学前沿，及时补充量子力学进展到教学内容中的方式，来提高学习量子力学的兴趣。教师利用量子力学基本原理解释当下最具轰动性的科技新闻，提高量子力学在现实生活中出现的机会，同时引导学生利用基本原理解释现实问题，从而培养学生理论联系实际的能力。

三、更新教学手段，提高教学效率

1.拓展手段，量子力学可视化。早在上世纪90年代初，两位德国人就编制完成了名为IQ的量子力学辅助教学软件，并在此基础上出版了《图解量子力学》。该书采用二维网格图形和动画技术，形象地表述量子力学的基本内容，推动了量子力学可视化的前进。近几年计算机运算速度的迅速提高，将计算物理学方法和动画技术相结合，再辅以数学工具模拟，应用到量子力学教学的辅助表述上，使量子力学可视化。通过基本概念和原理形象逼真的表述，学生理解起来必将更加轻松，其理解能力也会得到提高。

2.适当引入英语词汇。在一些汉语解释不是特别清楚的概念上，可以引入英文的原文，使学生更清晰的理解原理所表述的含义。例如，在讲解测不准关系时，初学者往往觉得它很难理解。由于这个原理和已经深入人心经典物理概念格格不入，因此初学者往往缺乏全面、正确的认识。有学生根据汉语的字面意思认为，测量了才有不确定度，不测量就不存在不确定。这时教师引入英文“Uncertainty principle”可使学生通过英文原意“不确定原理”知道，这个原理与“测量”这个动作的实施与否并没有绝对关系，也就是说并不是测量了力学量之间才有不确定度，不测量就不存在，而是源于量子力学中物质的波粒二象性的基本原理。

3.提出问题，引导学生探究。对于学习能力较强的学生，适当引入思考题，并指导他们解决问题，从而使学生得到基本的科研训练。比如，在讲解氢原子一级斯塔克效应时，提到“通常的外电场强度比起原子内部的电场强度来说是很小的”[2]。这时引入思考题：当氢原子能级主量子数n增大时，微扰论是否还适用？在哪种情况下可以使用，精确度为多少？当确定精度要求后，微扰论在讨论较高激发态时，这个n能达到多少？学生通过对问题的主动探索解决，将进一步熟悉微扰论这个近似方法的基本过程，理解这种近似方法的精神。这样不仅可以加深学生对知识点的理解，还可以得到基本的科研训练，从而引导学生走上科研的道路。

4.师生全面沟通，及时教学反馈。教学反馈是教学系统有效运行的关键环节，它对教和学双方都具有激发新动机的作用。比如：通过课堂提问及观察学生表情变化的方式老师能够及时掌握学生是否理解教师所讲的内容，若不清楚可以当堂纠正。由此建立起良好的师生互动，改变单纯的灌输式教学，在动态交流中建立良好的教学模式，及时调整自己的教学行为。利用好课程结束前5分钟，进行本次课程主要内容的回顾，及时反馈总结。通过及时批改课后作业，了解整个班级相关知识及解题方法的掌握情况。依据反馈信息，对后续课程进行修订。

通过双方的反馈信息，教师可以根据学生学习中的反馈信息分析、判定学生学习的效果，学生也可以根据教师的反馈，分析自己的学习效率，检测自己的学习态度、水平和效果。同时，学生学习行为活动和结果的反馈是教师自我调控和对整个教学过程进行有效调控的依据[6]。

四、结论

量子力学作为传统的“难课”，一直是学生感到学起来很困难的课程。特别是高校大扩招的背景下，很多二本高校都面临着招生生源质量下降、学生学习意愿不高的现状，造成了教师教学难度进一步增大。要增强学生的学习兴趣，提高教学质量，教师不仅要遵循高等教育的教学规律，不断加强自身的学术水平，讲课技能，适时调整教学内容，采取与之相对应的教学手段，还需要做好教学反馈，加强与学生的沟通交流，了解学生的真实想法，并有针对性的引入与生活、现实相关的事例，提高学生学习量子力学的兴趣。

参考文献：

[1]曾谨言.量子力学教学与创新人才培养[J].物理，2000，（29）：436.

[2]周世勋，陈灏.量子力学教程[M].高等教育出版社，2009：101.

[3]杨林.氢原子电子概率分布可视化及其性质研究[J].绥化学院学报，2009，（29）：186.

[4]常少梅.利用Mathematica研究量子力学中氢原子问题[J].科技信息，2011，（26）：012.

[5]喻力华，刘书龙，陈昌胜，项林川.氢原子电子云的三维空间可视化[J].物理通报，2011，（3）：9.

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关键词：量子密钥分发 相位调制 偏振编码 B92协议

中图分类号：TN911 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）01（c）-0005-02

量子保密通信的安全性是由量子力学的基本定理决定的。实际中的基于强衰减弱光脉冲[1，2]的量子密钥分发实验系统主要有两种类型：（1）基于相位调制的编码系统[3，4]。相位调制的编码实验系统主要有基于两个Mach-Zehnder干涉仪的实验系统[3]和基于Michelson干涉仪的“即插即用系统”[4]以及国内华东师范大学作的利用Sagnac环实现量子密钥分发的实验系统[5]。基于Michelson干涉仪的“即插即用系统”和利用Sagnac环的实验系统，光子要在光纤中来回走两次，从而影响了长距离传输，我们提出的编码/解码方案仅使光子在光纤中单次传播，理论上讲要比基于Michelson干涉仪和Sagnac环的编码系统的传输距离长一倍。（2）基于偏振编码的实验系统[7～9]。基于偏振编码的实验系统由于存在光纤的偏振模色散、双折射等效应，使光子在传输过程中不能保持原有的偏振态，从而引起误码。况且在原来的偏振编码的实验系统中存在着各自的弊端，如有的使用的是光电开关，由于光电开关的响应速度慢且不利于高速编码，有的是使用了多个激光器，因造价昂贵而在实际的实验系统中很少使用。这两种类型的实验系统都存在着各自的不足，很难实现快速、长距离而低误码率的编码。

本文提出的相位调制偏振编码和相位调制偏振解码的方法，结合了以上两种方法的优点，通过对相位的精确补偿恢复光子的偏振态，从而降低了误码率。文中用量子力学算符来描述光学器件，态函数的变化来描述光子偏振态的变化，这样可以直观的描述编码解码的过程。采用两非正交量子态来编码解码，与文献[6]的编码系统相比用一只偏振片代替了一只偏振分束器，而且节省了一只价格昂贵的单光子探测器和一只半波片，另外，在实际的实验过程中能使数据的采集处理简便许多。

1 两非正交态的相位调制偏振编码、解码器

1.1 两非正交偏振态的相位调制偏振编码器

相位调制偏振编码器的结构同文献[6]的一样，从激光器发出的光脉冲经过衰减器的强衰减变成单光子脉冲以与轴成45°夹角的方向进入偏振分束器，进入偏振器的光子的偏振态用态函数描述为：

经过相位调制偏振编码器后的光子的态函数表示为：

式中：

为相位调制偏振编码器的算符表示。

我们对（2）式分析，可知当相位调制器的控制电压分别为0和（为相位调制器的半波电压）两种电压时。相位调制器分别产生，的相位变化，从而可得到如下两种偏振态的光。

（1）当0时，出射光的偏振态：，即沿45°的线偏振光。

（2）当时，出射光的偏振态：

，即为右旋圆偏振光。

由于，可见和是非正交的。由此可见当输入电压分别为0和时，编码器输出两个非正交的量子态。

1.2 两非正交量子态的相位调制偏振解码器

由B92量子密钥分发协议的要求可知两非正交量子态的解码器的作用是提供135°线偏振和左旋的圆偏振两种非正交的偏振检偏器，它有一个量子编码器和一个线性起偏器构成，如图1所示，我们把图中的同于前面编码器的那部分叫做相位调制解码部分。相位调制解码部分和偏振器以及后面的单光子探测器的整一部分的构成叫做解码器。

在解码器中相位调制解码部分用算符表示为：

在两非正交态的量子解码器中，偏振器的算符表示为：

式中的角为偏振器的晶轴与轴的夹角。

由量子力学的基本知识，我们可求出算符的本征值及对应的本征态。

（1）当1时（物理含义是光可以全部通过偏振器），对应的本征矢量是：

也就是处于|1>态光子能100%的通过偏振器被偏振器后的单光子探测器探测到。

（2）当（物理含义是光全部被偏振器吸收），对应的本征矢量是：

即处于态的光子不能通过偏振器，在偏振器后的单光子探测器不可能探测到处于这种态的光子。若光子处于其他的态，单光子可以几率性的被偏振器后的单光子探测器探测到。

基于以上的讨论我们来讨论解码器的工作过程。

（1）当0时，由B92编码协议，假设此时不可能探测到45°的线偏振光，即此时解码器提供135°的检测基，在偏振器后探测到光子的几率为0，即经过相位调制偏振解码部分后的量子态在起偏器的本征态上的投影为0，可得下式。

探测到右旋圆偏振光的几率为：

由（4）（5）及我们得到135°检测基时的解码器算符

（2）由B92密钥分发协议，此时解码器应提供左旋圆偏振光检测基，单光子探测器探测到右旋圆偏振光几率应为，即右旋圆偏振光经过相位调制偏振解码部分后的对应态在态上的投影为0

由上式得到。

当时，对应的解码器的算符是：

由以上的讨论我们知道，当时，单光子探测器探测不到45°线偏振态的光子，只能以的几率探测到处于右旋圆偏振态的光子。当时，单光子探测器探测不到处于右旋偏振态的光子只能以50%的几率探测到处于45°线偏振态的光子，符合B92编码协议。

2 两非正交态量子密钥分配系统

首先，Alice用随机发生器产生0和两种电压，位相调制器则分别产生0和的相位变化，根据前面的分析可知，两非正交态量子编码器的输出光的偏振态分别为45°线偏振和右旋圆偏振光。在同一时钟内Bob用随机发生器产生0和两种电压，则量子解码器可以分别产生135°线偏振和左旋圆偏振两种非正交偏振态检偏基，对Alice发送的光子的偏振态进行检测。然后，Alice和 Bob共同约定：以代表二进制的0，以代表二进制的1。最后，Bob仅告诉Alice在哪些时钟内测量到光子，不是告诉测量基，二者就可得到共享的密钥。

3 结论

运用量子力学的原理来描述光学器件和光子的偏振状态，文中从理论上描述了基于B92协议的两非正交态的量子密钥分发过程，最后给出了B92协议的量子密钥分发系统，利用相位调制来实现偏振编码/偏振解码，提高了编码效率。利用这种编码方案可以实施对光子的相位和偏振补偿，恢复光子原有的偏振状态。

参考文献

[1] Bennett C .Quantum cryptography using any two nonorthogonal states.Phy.Rev.Lett.，1992，68（21）：3121-3124.

[2] 刘景锋，梁瑞生，唐志列，等.量子保密通信用的光精密控制强衰减技术[J].光子学报，2004，33（7）：867-870.

[3] Townsend P，Thompson I.A quantum key distribution channel based on optical fiber.J.Mod.Opt.1994，41（12）：2425-2433.

[4] Muller A， Herzog T， Gisin N. "Plug and play" systems for quantum cryptography.Appl.Phys.Lett.，1997，70（7）：793-795.

[5] zhou C，Wu G，Zen H.Single-photon routing by time-division phase modulation in a Sagnac interferometer.Appl.Phys.Lett.2003，83（1）：15-17.

[6] 唐志列，李铭，刘颂豪，等.相位-偏振编码的量子保密通信系统的研究[J].物理学报，2005，54（6）：2354-2359.

[7] Breguet J，Muller A，Gisin N.Quantum cryptography with polarized photons in optical fibers.J.Mod.Opt.1994，41（12）：2405-2412.

[8] Zbinden H，Gisin N，Huttner B et.al.Practical aspects of quantum cryptographic key distribution. J.Crypto.2000，13：207-220.

[9] Chiangga S，Zarda P，Jennewein T et.al.Towards practical quantum cryptography.Appl.Phys.B.1999，69：389-393.

①基金项目：大学生科技创新项目（SCX12085）、华南农业大学校长基金（K08229）和国家自然科学基金（No.11204089）的资助。

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对于这个问题，我们还可以从另一角度提出：“现在”是什么？我们说只有现在的事物才是存在的，过去的不再存在，未来的尚未存在。但是在物理学上，没有任何事物与“现在”这个概念相对应。让我们比较一下“现在”和“这里”这两个概念，后者指定了说话者的位置。对身处不同位置的两个人来讲，“这里”指两个不同的地方。因此，“这里”的含义取决于说话者的位置。“这里”这个概念用术语来说叫作“指示词”。“现在”是指使用该词时所指的那一刻，因此也属于指示词。

没有人会说“这里”的事物存在，而不在“这里”的事物不存在。那么为什么我们会说“现在”的事物存在，而不处于“现在”的事物就不存在呢？“现在”究竟是客观的、流动性的、让事物延续存在的概念，还是和“这里”这个观念一样，只是存在于我们大脑中的主观反应？

这似乎是个深奥的问题，但是在现代物理学中，已经成为一个亟待解决的问题。爱因斯坦的狭义相对论表明，“现在”这一概念也是主观的。物理学家已得出结论，“现在”对整个宇宙普遍适用的观点是说不通的。爱因斯坦在其挚友米歇尔・贝索去世后，给米歇尔的妹妹写了一封感人的信，信中说：“他只是比我稍早一点离开了这个奇怪的世界，这并没有什么，对我们这些笃信物理学的人来说，过去、现在与未来没有什么区别，只不过是一种持久并固有的幻觉。”

不管是不是幻觉，我们该如何解释时间在流逝这一事实呢？时间流逝对所有人来说都显而易见。我们的思想和话语存在于时间里，我们的语言结构需要这个有着“现在”、“过去”和“未来”的时间。德国哲学家马丁・海德格尔强调我们“生活在时间里”，但我们有没有可能不用“时间流逝”来描述世界？

一些哲学家，包括海德格尔的忠实追随者，都认为物理学无法描述现实生活中最基本的方面，他们将物理学看成是一种误导性的知识而加以排斥。但是，我们已经意识到有时直觉并不准确。如果我们一直坚信这种不准确的直觉，就会仍旧认为地球是平的，太阳绕着地球转。我们的直觉源于有限的经验。当我们抛开直觉再深入一些，就会发现地球并非我们看到的那样：地球是圆的，在我们脚下地球的另一面，人们脚朝上，头朝下。

尽管这看起来很生动，但我们体验的时间流逝并不一定反映基本的现实世界。可是如果不是，那么时间又来自何处？

我认为，从某种层面上看，答案就在于时间和热量之间的密切联系。只有热量流动时，我们才能发觉过去和未来的差别。热量与概率（即利用统计学计算出的大量粒子的运动）相关，而概率又与这样一个事实相关，即我们与世界其他地方的相互作用不能涵盖现实中的每个细节。时间流逝的观念源于物理学，但它的出现并不是为了精确描述事物，而是出现在统计学和热力学的情境中。这可能是解开时间之谜的钥匙。客观来讲，“现在”和“这里”一样，并不是一种客观存在，而是主观存在，但是世界内部微观的相互作用促使一个系统中（如我们自己）发生某些临时现象，这一系统只是以无数变量为媒介进行交互。

我们的记忆和意识都是建立在这些统计学计算出来的现象之上的。对某种假想的超智慧生命而言，时间不会流逝。正如爱因斯坦描绘的那样，整个宇宙是一幢由过去、现在和未来组成的大楼。但由于我们的意识存在局限性，我们只能对世界有着模糊的认识，认为自己活在时间里，因此也就产生了时间流逝的观念。

这样的解释还不够清楚，还有很多问题有待深入理解。“时间”处在各种复杂难题的中心，这些难题是由重力、量子力学和热力学交错在一起引起的。目前还没有一种理论能够整合我们了解这个世界所需的这三方面的基本知识。

值得欣慰的是，霍金的计算结果为解决这些问题提供了一丝线索，也有助于我们找出关于时间本质的更深层次的答案。霍金运用量子力学理论证明了黑洞是有温度的：它们总是热的，就像火炉一样散发热量。没有人观测到过这种热量，因为它极其微弱，但是霍金的计算结果令人信服，而且该结果已被通过多种方法证实，人们已广泛接受黑洞有热量这一事实。

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【关键词】思想实验科学素养

利用科学发展史知识对于培养学生的科学素养具有重要的意义，如何利用科学史中的有关思想实验史料来培养学生的科学素养是个值得研究的问题，对于思想实验，有些老师往往只重视了思想实验的知识功能，对于其丰富的思想内涵则较少进行挖掘，特别是它对于培养学生科学素养的意义。本文试图对此进行探讨。

1什么是思想实验

根据中国大百科全书可知，思想实验 （thought experiment）是一种按照实验程序设计的并在思维中进行的特殊论证方法。它既不同于真实实验，也有别于形式逻辑的推理。是按照假想的实验手段和步骤，进行思维推理，得出合乎逻辑的结果。在物理学发展的历史过程中伽利略、爱因斯坦等许多科学大师都曾经借助思想实验延伸其理论的触角。

从科学思想实验发展的历史，我们可以看到思想实验主要特点。

1.1 可操作性。思想实验不是实际进行的实验，但是它是按照实验的格式展开的，是可操作的。

1.2 严密的逻辑性。思想实验的操作过程，既是想象自由展开的过程，又是逻辑运动的过程。在这中间，逻辑起着主导作用，它引导、控制着想象，保证想象既是丰富的．又不是胡思乱想。

1.3 高度的创造性。科学家做思想实验的目的，是为了揭示事物内部的规律性。因此其探索是前无先例的，带有高度的创造性。

2什么是科学素养

科学素养（scientific literacy）概念的形成与发展经历了长期的演进过程，并且随着科学技术的发展和变革，概念的含义也将不断变化。本文采用以下观点。科学素养的基本要素包括以下几个方面。

一是科学知识与技能，是人们在科学实践中获得的关于客观世界的各种事物的本质及规律性的认识程度和实际操作本领。

二是科学方法与能力，是人们在认识和改造客观世界的实践中总结出来的，并能在实践中正确运用的思维和行为方式，以及把握事物本质的策略与熟练程度。

三是科学行为与习惯。科学习惯是长期积累和科学行为的定型。

四是科学精神、态度与价值观。科学精神是指人所具有的科学的意识、思维活动和一般心理状态，其中以推动并指引一个人采取决定和行动的科学的原则、信念和标准组成的科学价值观为核心。科学态度则指个体在科学价值观的支配下，对某一对象所持的评论和行为倾向。

我国在制定中学"科学"标准时，认为科学素养还应该涉及科学、技术与社会的关系方面。这些都是科学素养所包含的重要内容。

3利用思想实验培养学生的科学素养的途径

思想实验可以对所研究的过程设想出真实实验暂时不可能或原则上不可能达到的实验条件，进行逻辑论证。在这个过程中，不仅包含有丰富的科学知识与技能，体现了物理学研究事物的方式与方法，而且也蕴含着人类认识事物，研究事物时所伴随的丰富的科学精神和人文精神。这些对于提高学生的科学素养都是具有重要意义的，都是值得挖掘与充分利用的。

3.1 挖掘科学史中思想实验提高学生科学素养

伽利略是第一位思想实验大师，他重视实验对理论的检验作用，但由于外部环境的恶劣、实验条件的简陋以及哲学思想的影响，因此思想实验是一个常用的方法，并依此获得许多重要的发现与结论。

重力作用下的落体运动在伽利略的力学中占据着中心位置，他在关于落体运动的讨论中仍然运用了他早先提出的"落体佯谬"，对亚里士多德的落体定律提出诘难，然后逐步显示出他的研究的全部丰富内容，在这个思想实验中，他已把早先所说的密度相同而大小不同的物体改变成重量不同的物体。对话是这样进行的：

"如果让两块石头（其中之一的重量十倍于另一块的重量）同时从比如说100腕尺高处落下，那么这两块石头下落的速率便会不同，那较重的石块落到地面时，另一块石头只不过下落了10腕尺。"

"如果我们取天然速率不同的两个物体，显而易见，如果把那两个物体连接在一起，速率较大的那个物体将会因受到速率较小物体的影响其速率要减慢一些，而速率较小的物体将因受到速率较大的物体的影响其速率要快一些。……但是，如果这是对的话，并假定一块大石头以8的速率运动，而一块较小的石块以4的速率运动，那么把二者连在一起，这两块石头将以小于8的速率运动；但两块连在一起的石头当然比先前以8的速率运动的更重。可见，较重的物体反而比较轻的物体运动的慢，而这个效应同你的设想是相反的。"

这个佯谬不仅揭示了亚里士多德理论的破绽和逻辑混乱，同时也表明了，运用这种思想实验的推理法，比起永远可能被人挑剔的真实实验，有时会更有说服力的一个包含着错误的理论。

在这个过程中，不仅说明了重力作用下的落体运动规律，而且体现了物理学研究问题的方法，如认真观察现象，提出要研究的问题，并对问题提出猜想与假设，然后进行论证。更蕴含了丰富的科学精神与科学态度，对于前人的观点不是盲目的接受，而是具有怀疑精神，敢于提出问题，实事求是地面对科学并勇于坚持。这些都是科学素养的范畴，因此，从物理学的重大发现中吸取营养，对提高学生的科学素养是大有裨益的。

3.2利用物理学方法中的思想实验提高学生科学素养

如果所设想的条件是完全理想化的，如绝对真空、绝对光滑等，在这种条件下所进行的论证称为理想实验法，它是思想实验的一种重要形式。

这一部分在中学的物理教学中涉及的知识很多。如牛顿运动定律等。真正代表近代科学方法论精神的伽利略与牛顿。伽利略最先倡导并实践了实验加数学的方法，但是他所谓的实验并不是培根意义上的观察实验，而是理想化实验。地球上的任何力学实验都不能避免摩擦力的影响，但是认识基本的力学规律，又要从观念上排除这种摩擦力，这就需要全新的概念体系来支撑将做得实验，包括设计、实施和解释实验结果，只有这种理想化的实验才可能与数学处理相配套。伽利略的研究程序可以分为三个阶段：直观分解、数学演绎、实验证明。牛顿在吸收前人经验的基础上做了进一步完善，牛顿的方法可以称之为"归纳-演绎"法，并且认为演绎的结果必须重新诉诸实验确证。牛顿运动定律就是这些过程的直接结果。

牛顿运动定律不仅内容上说明了自然界的重要定律，他的研究方法、研究思想同样也具有重要的价值。它是以观察和实验中了解到的资料作为出发点，把自然现象合理简化并建立起恰当的物理模型；运用思想实验，即在绝对简化理想条件下，运用思维中的逻辑演绎推理导出某种科学结论，再去接受科学实践的检验的过程。

从这个研究的过程本身我们可以发现其中不仅包括科学知识，而且还涉及一种比较完善的物理学的研究方法，这对后人进行进一步的研究具有重要的借鉴意义。发现过程本身也暗含了牛顿对于科学的浓厚兴趣和科学探究的整个过程。这些都是培养科学素养的重要素材，应该给予充分利用。

3.3利用现代物理学研究中的思想实验部分提高学生科学素养

新课程强调科学与社会，技术的联系，必须看到，现代科技已经逐渐渗透到了我们生活的方方面面，因此需要学生对于现代物理学有些初步的认识。如中学物理课本加入了关于爱因斯坦的相对论和一些量子力学的简单介绍。但是现代物理学的研究，无论在微观还是宏观上越来越多地进入了不能完全直接靠实验证实或证伪的领域。相对论和量子力学是现代物理学的两大支柱，其中都包含有丰富思想实验的部分。

1961年诺贝尔物理学奖获得者美国物理学家霍夫斯塔斯曾说过："我相信任何一个喜欢自然的人都应该学习量子力学，并不是他的数学而是他的思想"。进入21世纪，无论是中学生或者是全体公民都应该不同程度的知道一点什么是量子力学，量子力学的基本概念，基本思想，量子力学有什么作用，已经起到了什么作用，这些都是很必要的。

使学生能了解科学与技术的区别与联系，初步认识科学推动技术进步、技术又促进科学发展的相互关系，初步认识社会需求是科学技术发展的强大动力等科学、技术与社会的关系。同时能使学生增长见识，激起学生的好奇心，培养科学精神。这也是培养学生科学素养的一个重要方面。

4进行思想实验教学时的注意事项

4．1 处理好思想实验与真实实验的关系

思想实验是一种理性的思维活动。但不是脱离实际的主观臆想，而是以实践为基础．按照实验的格式操作展开，对实际过程做出更深入一层的抽象分析，其推理过程是以一定的逻辑法则为根据的。而这些逻辑法则，都是从长期的社会实践中总结出来且为实践所证实了的。

思想实验和真实实验又是紧密联系和互补的。科学中的理论、规律是从大量实验事实中总结概括出来的，科学中的假设、争论也有赖于真实实验的验证。

有时两者往往密不可分地穿插在一起，真实实验为思想实验提供经验材料，思想实验对经验材料进行理性加工，并为真实实验提供理论指导。从伽利略发现落体定律和惯性定律的活动中，可以明显地看到这一点。

4．2不能忽略物理学史中被证实为错误的思想实验

在科学研究中，通过再多的科学实验都不能完全证实一个理论，这是归纳法的本质所决定的，但是一个否定例证就足以证伪一个理论。在物理学的思想实验中，有的已被否定，但不能因此就贬低它的作用，那些被证伪的思想实验往往是一个新理论产生的重要基石，如伽利略在给出著名的"落体佯谬"的最初说法时，他所说的是同样材料而不同大小的物体，并非指所有的物体，其前提是错误的，结论也是有局限性的，但是他的过程本身是非常有意义的，为他后来得出普遍的结论提供了重要的基础。这些过程都是需要进一步挖掘的，这样才能让学生明白科学研究的真实过程，对于培养学生的科学素养是具有丰富的教育意义的。

4．3 思想实验是一种相对独立的科学方法

在科学研究中，思想实验能够成为一种不替代的科学方法，是由于思想实验以其科学思维的严密性、精确性补充了真实实验的不足。比如，验证广义相对论的某些实验条件，或者某些条件在任何时代都不能被满足，比如，验证牛顿第一定律所需要的无摩擦力的平面。但是，这些条件在逻辑上是可以实现的，这样，人们可以避开实际的技术困难。在思维中把这些条件制作出来，或者对现在条件进行理想化抽象，在想象中实现这些条件。进而在头脑中展开类似于真实实验的"仿真"过程，推断被研究事物的内部规律。

必须看到，思想实验中包含有丰富的思想内涵，有利于进行积极的科学文化教育，而且思想实验作为一种科学方法将在更广阔的领域中应用。

参考文献

［1］ 顾志跃．科学教育概论［M］ 北京：科学出版社，1999．2．

［2］杨仲耆 申先甲．物理学思想史［M］长沙：湖南教育出版社，1993

［3］潘传增等．简明物理学史教程［M］济南：山东科学技术出版杜,1999．

［4］李艳平、申先甲．物理学史教程［M］北京：科学出版社，2003

［5］查有梁等．物理教学论［M］广西：广西教育出版社，1997

篇5

关键词:物理常数;光速;普朗克常数

基本物理常数是物理学中的一些普适常数，是人类在探索客观世界基本运动规律的过程中提出和确定的基本物理常量。这些常数与自然科学的各个分支有着密切的关系，在科学理论的提出和科学试验的发展中起着很重要的作用。基本物理常数包括牛顿引力常数G、真空中的光速C、普朗克常数h、基本电荷e、电子静止质量Me、阿伏伽德罗常数Na等。

物理学中许多新领域的开辟以及重大物理理论的创立，往往与相关基本物理常数的发现或准确测定密切相关。基本物理常数描绘和反映了物理世界的基本性质和特征，它们为不同领域的区分提供了定量的标准。基本物理常数的测定及其精度的不断提高，经历了漫长的历史时期，生动地反映了实验技术和测量方法的发展与更新，现在，许多基本物理常数的精度已达10-6量级，有的甚至达到10-8～10-10量级。本文限于篇幅，仅以光速C和普朗克常数h为例来说明。

光速是光波的传播速度，原与声波、水波等的传播速度类似，并不具有任何“特殊的”的地位。但细分析起来，光速也似乎确有一些特殊之处。其一是光速的数值非常大，远非其他各种波动速度所能比拟；其二是光波可以在真空中传播，而其他波动则离开了相应的弹性介质便不复存在，由此引来了关于以太（假想的弹性介质）的种种争论。

1865年麦克斯韦建立了电磁场方程组，证明了电磁波的存在，并推导出了电磁波的速度C等于电流的电磁单位与静电单位之比。1849年斐索用实验测出光在空气中的传播速度为C=3.14858×108米/秒。分属光学和电磁学的不相及的两个传播速度C电磁波与C光波之间出乎意料的惊人相符，使麦克斯韦立即意识到光波就是电磁波。于是，以C为桥梁把以前认为彼此无关的光学与电磁学统一了起来。同时，由于电磁波传播依赖的是电磁场的内在联系，无需任何弹性介质，使得“以太”的存在和不存在没有什么差别，不需要强加在它身上种种性质。至此，光速C的地位陡然升高。

麦克斯韦电磁场理论揭示了电磁场运动变化的规律，统一了光学与电磁学，开创了物理学的新时代。但同时它也提出了新的更深刻的问题：麦克斯韦方程组只适用于某个特殊的惯性系还是适用于一切惯性系。如果麦克斯韦方程组只适用于某个特殊的惯性系，则不仅违背相对性原理，且该惯性系就是牛顿的绝对空间，地球相对它运动将受到以太风的吹拂，然而试图探测其影响的Michelson-Mor1ey实验却得出了否定的结果。如果麦克斯韦方程组适用于一切惯性系，则根据伽利略变换得出的经典速度合成规律，在不同惯性系中的光速应不同，甚至会出现违背因果关系的超光速现象，也难以解释。总之，对于麦克斯韦电磁场理论，伽利略变换和相对性原理之间存在着不可调和的深刻矛盾。直至1905年Einstein以相对性原理和光速不变原理为前提，并借助洛伦兹变换方程建立起狭义相对论之后，这一切矛盾和困惑才最终得以解决。

由此可见，真空中的光速C从光波的速度上升为一切电磁波的传播速度之后，又进一步成为一切实际物体和信号速度的上限，并且在任何惯性系中C的取值都相同。C作为基本物理常数，提供了不可逾越的速度界限，从根本上否定了一切超距作用，成为相对论和新时空观的鲜明标志，同时又成为是否需要考虑相对论效应的定量判断标准。

1900年普朗克为解释黑体辐射，提出谐振子能量不连续的大胆假设。1905年Einstein为解释光电效应，把能量子假设推广到电磁波，提出“光量子”。1924年德布罗意通过粒子与波的对比，假设微观粒子也具有波动性，也就是波粒二象性，设其动量为p，则其德布洛依波长由下式绝定：pλ=h，这里h是一常量，叫普朗克常数，h几乎处处出现，它宣告物理学新的研究领域——量子物理学诞生了。

量子物理学的进展表明，普朗克常数h是量子物理学的重要常数，凡是涉及量子效应的一切物理量都与它有关，h不仅必然成为微观粒子运动特征的定量标准，而且成为划分量子物理与经典物理的定量界限（正如C是划分相对论与非相对论的定量界限一样）。如果物理体系具有作用量纲的物理量与h可相比拟，则该体系的行为必须在量子力学的框架内描述；反之，如果物理体系具有作用量纲的物理量远大于h，则经典物理学的规律就在足够的精确度对该体系有效。普朗克常数h的深刻含义和重要地位，使之得以跻身基本物理常数之列。

普朗克常数h的一个意外而有趣的含义在于，它是一个直接关系到宇宙存在形式的基本常数。宇宙中广泛存在着有形的物质与辐射，其间的能量交换（如物体发光或吸收光）遵从一条物理原理，即能量按自由度均分。如果不存在普朗克常数，即若h=0，则表明辐射与有形物质之间的能量交换可任意进行。由于辐射的自由度与频率的平方成正比，随着频率增高，辐射自由度在数量上是没有上限的。因此，辐射通过与有形物质的能量交换，将不断地从有形物质中吸取能量，最终导致有形物质的毁灭。于是，整个宇宙只剩下辐射，没有原子、分子，没有气体、液体、固体等，生命与人类当然无从谈及。幸而普朗克常数h不为零，辐射的能量是不连续的，存在着ε=hv的能量台阶，波长越短频率越高的辐射其能量台阶越高，在与有形物质的能量交换中越不起作用，相应的辐射自由度冻结，从而使有形物质与幅射的能量交换受到限制，两者才能达到平衡，我们这个宇宙才能以当今丰富多采的形式存在下去。

下面介绍一下近代精确测量C和h的方法。

测量真空中光速的精确方法是，直接测量激光的频率ν和真空波长λ，由两者乘积得出真空光C。1972年，通过测量甲烷谱线的频率与真空波长，得出真空中光速为c＝299792458±1.2米/秒。1983年第17届国际计量大会规定新的米定义为：“米是1/299792458秒的时间间隔内光在真空中行程的长度。”由于光速是定义，不确定度为零，从此不再需要任何测量，结束了300多年精密测量C的历史。

h首先由普朗克给出，普朗克利用黑体辐射位移定律中的Wien常数b与k（Boltzmann常数）、C、h的关系，由b、k、C算出h，用实验方法测定h则始于Millikan，他利用光电效应的实验得出h，近代精确测定h的方法是利用Josephson效应，这是超导体的一种量子效应。

1900年，Thomson在总结以往几百年的物理学时指出：“在已经基本建成的科学大厦中，后辈物理学家似乎只要做一些零碎的修补工作就行了；但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令人不安的乌云。”这两朵乌云就是当时无法解释的黑体辐射和Michel-son—MOrley实验，正是它们引起了物理学的深刻变革，导致量子力学和相对论的诞生，与此同时出现了两个基本物理常数h和C。

参考文献

[1][美]威切曼著，复旦大学物理系译，《量子物理学》，科学出版社，1978年

篇6

【关键词】光速不变;单链式;定向振荡

1.引言

物理学是一门研究物质运动变化规律的科学，牛顿从宏观物体的运动变化中总结出了三大运动定律，创立了经典力学，成为物理学的开山鼻祖。麦克斯韦研究电场和磁场运动变化的规律，在前人的基础上总结出了电磁场理论。爱因斯坦研究光运动变化的规律，在麦克耳孙和莫雷的干涉实验以及光行差实验等的基础上，发现了光速不变原理，并创立了相对论。

普朗克通过研究黑体辐射中不同频率的电磁波运动变化的规律，发明了量了论，后来的物理学家们在此基础上发展出了量子力学和量子电动力学，创建并完善了标准模型理论。很多物理学家穷其一生，试图把相对论和量子理论结合起来，建立大统一理论。然而，相对论和量子理论就像一头大象的鼻子和尾巴，它们不但形象各异，而且总是各朝一方，即便免强拼凑在一起也并不是一头完整的大象。

2.相对论和量子理论的局限

爱因斯坦是在光速不变原理的基础上创立相对论的，但爱因斯坦并不能解释光速为何不变。一些相对论专家说光速不变是四维时空的一种自然表现，这种说法有点牵强。四维时空观是爱因斯坦在研究有关光速不变的实验后形成的一种观念，这些实验都只涉及到光波，至今为止，人类还没有办法把一些实物粒子，如电子、原子、分子等，加速到光速， 也就不知道这些实物粒子的速度能不能达到或超过光速。我们不能因为还没有办法把一个电子加速到光速就断定电子的速度不能达到光速，人类目前还做不到的事情并不意味着未来的人类也做不到，未来总是充满各种可能性的。既然我们还没有法办把实物粒子加速到光速，我们就无法知道光速不变原理是否适用于实物粒子，还是只适用于光子，更无法知道光速不变原理是否适用于宏观的物体。

光速不变原理提出，在每个惯性系中，真空中的光速各向同性，与光源的运动无关，也与光的频率无关。一艘在水面上静止或匀速运动的船可以作为一个惯性系，倘若这艘船 永不停息地做毫无规则可言的运动，船的速度和方向总是在不停地变化，那么，这艘船就不能作为惯性系了.在微观世界中，每一个物质粒子如电子、原子、分子等，都在永不停息地做毫无规则可言的运动，没有一个粒子相对于另一个粒子是静止或匀速运动的，只有粒子本身相对于粒子是静止的，用来描述宏观世界的惯性系在微观层次上根本就不存在。我们都知道，激发光的是电荷，吸收或反射光的也是电荷，我们之所以能够看见光，就是因为光驱动了我们视觉神经中的电荷。我们不可能选择一个电荷来做惯性参考系，而电荷激发出的光必须与另一个电荷相互作用才能被观察到。爱因斯坦从宏观的角度来研究光运动变化的规律，认为从光源激发出的光传到物体上的过程就像从大炮发射出的炮弹射到物体上的过程一样，这是错误的。光的本质是在电荷之间传播的电场力波（即电磁波）。要想弄清楚光速不变的真正原因，就必须弄清楚电场力的产生机理和传递方式。

相对论和量子理论都认为光是从光源发射出去的一种物质，就像炮弹从大炮中发射出去那样，之所以得出这样的观点，是因为相对论和量子理论的创立者们都没有认识到，一个电荷和它的电场实际上是一个独立于其它电荷和电场的具有无限延伸性的不可分割的整体。我们不可能把一个电荷从它的电场中分离出来，一个电荷无论如何运动，这个电荷的电场都不会脱离这个电荷被发射出去，一个电荷的电量是恒定不变的。从本质上来讲，一个电荷的电场是由无数与电荷有关联的物质在宇宙空间中延绵分布形成的一个具有无限广延性的不可分割的物质体系，光速不变是是电荷的电场具有无限广延性的一种表现[1]。

电荷电场的广延性与引力场的广延性类似。两个物体之间，无论距离有多远，它们都处在对方的引力场中，都受到对方的引力作用。同样地，两个电荷之间无论距离多远，它们都处在对方的电场中，都受到电场力的作用。量子理论认为，引力是质点间互相交换引力子产生的，电场力则是电荷之间互相交换光子产生的。这种观点并不正确。假设有N个质点与质点A的距离相等，质点A与这N个质点同时有引力作用，即质点A有N个引力子同时与这N个质点交换。当与质点A距离相等的质点增加到2N个时，质点A就必须拥有2N个引力子同时与这2N个质点交换。无论与质点A的距离相等的质点增加到多少个，质点A与这些质点之间都同时存在引力相互作用。以此类推，任何一个质点都同时拥有无穷多个引力子，显然，这是错误的。

电荷电场的广延性使得任何一个电荷都可以同时与无数个电荷产生电场力，假如电场力是电荷之间互相交换光子产生的，那么，每一个电荷都必须同时拥有无数个光子，显然，这是不正确的。

无论是相对论还是量子理论，都没能正确地解释电场力的产生机理。

电场力是电荷和它的电场原来的平衡状态被引入电场中的电荷打破，导致构成该电荷电场的所有物质都有以引入该电荷电场中的电荷为中心重新分布的趋势产生的一种力，是大量构成电荷本身电场的物质对电荷直接产生的力。任何一个电荷受到的电场力都是通过构成该电荷本身电场的物质来传给电荷的，而电荷的电场是随着电荷一起运动的。在没有外力的作用下，或是合外力等于零的情况下，电荷和它自身的电场总能保持步调一致的运动状态，这时，可认为电荷和它的电场是相对静止的。从宏观的角度来看，在每一个惯性系中，每一个电荷和它的电场都可以保持步调一致的运动状态，每一个电荷相对于它的电场都是静止的，这必然导致在每一个惯性系中，每一个电荷接收到的电场力波即光波在真空中的速度各向同性，即光速不变。

由上述可知，电荷电场的广延性是我们观察到的真空中的光速恒定不变的原因。

3.定向振荡电流与单链式电磁波

与引力波类似，电磁波本质上并不是从波源中发射出的一种物质，而是在电荷之间传播的电场力波。无论是电场还是磁场，或是交替变化的电磁场，都是通过电荷或电流的运动变化来表现的。麦克斯韦首次提出了位移电流的概念，并预言了电磁波的一种形式――双链式。但受到当时条件的限制，麦克斯韦没能预言出电磁波的另一种形式――单链式。只有引入“定向振荡”这个全新的物理概念才能够形象地描述单链式电磁波。在现代汉语词典中，振荡的含义有两种，一种指振动;另一种指电流的周期性变化。电流的周期性变化可分为两种，一种是电流的大小和方向都做周期性变化的，叫做双向振荡;另一种是电流的方向恒定不变，电流的大小做周期性变化的，叫做定向振荡，也称单向振荡。双向振荡电流激发出的是双链式电磁波，双链式电磁波在空间中传播时产生的位移电流都是双向振荡的位移电流，即位移电流的大小和方向都是周期性变化的。双向振荡的位移电流产生的感应磁场也是双向振荡的，即磁场的大小和方向都做周期性变化的。双链式电磁波在传播过程中遇到导体，会使导体受到一个场强大小和方向都做周期性变化的双向振荡的感应磁场的作用，产生同频率双向振荡的感应电流。

有的单向振荡电流激发出的是双链式电磁波，比如交流和恒流混合形成的单向振荡电流。有的单向振荡电流则能够激发出单链式电磁波，比如将高频交流经过特殊的整流后形成的单向振荡电流。[2]

单链式电磁波在空间中传播时产生的位移电流都是单向振荡的位移电流，即位移电流的方向恒定不变，位移电流的大小做周期性变化的。单向振荡的位移电流产生的感应磁场也都是单向振荡的，即磁场方向恒定不变，场强大小做周期性变化的。单向振荡磁场也称定向振荡磁场。

单链式电磁波在传播过程中遇到导体，会使导体受到一个磁场方向恒定不变，场强大小做周期性变化的定向振荡的感应磁场的作用，产生同频率定向振荡的感应电流。

让两列时间相差T/2（T表示定向振荡电流定向振荡的一个周期）的等幅同频率的超高频单链式电磁波经过等长的路径后叠加，便可在空间中合成超低频定向振荡的无源 的磁场。因为这种定向振荡磁场是无源的，且只能表现出单个磁极的力学效应，因此叫做磁单极量子，也称单极光子。[3]将通恒定电流的导体放置在由两列时间相差T/2的超高频单链式电磁波经过等长的路径后叠加形成的超低频定向振荡磁场中，导体就会产生大小和方向都不变的电磁力。因为这种电磁力是由空间中无源的定向振荡磁场对恒定电流产生的，可驱动引擎前进。这就是能够进行星际跃迁的光速飞船所采用的大推力量子引擎技术的原理。[4]

4.结语

相对论和量子理论是20世纪物理学取得的两项重大的成果，这两项理论的创立极大地促进了科学技术的发展和人类文明的进步。但是，相对论和量子理论即是现代物理学的两大支柱，也是横旦在人类面前的两座大山。这两座大山都高耸入云，看似不可逾越。很多人望而却步，只得拜倒在山脚下，只有少数不畏艰险的勇者敢去翻越。这些勇者有的迷失在山中，有的跌入了深渊，谁能够第一个翻越过去，谁就会成为新大陆的发现者，人类文明史也将因此翻开崭新的一页。

参考文献

[1]李昌颖.引力场与静电场的广延性与超光速原理[J].电子世界，2014.

[2]李昌颖.光分解与光振荡形式变换的探究[J].电子世界，2014.

篇7

应该如何来理解玻姆对于“序”的所作的分析呢?我们不妨先来看看玻姆对直线中“相似的差异和差异的相似”所作的解释，如图1所示。

在图1中，从线段A到线段G中，线段A与线段B之间长度和方向相同，但位置不同，同样的情况也存在于线段B与线段C之间，以及线段C与线段D之间，以此类推，直到线段F和线段G。这就是说，各相邻线段之间既存在着长度和方向的相同，同时又存在着位置的不同，呈现出“相似性”和“差异性”的共存，或说“相似的差异和差异的相似”。用“比率”来对其进行表达就是:A:B=B:C=C:D=D:E=E，F=F，G。而且，玻姆认为，由于每个线段只有位置是不相同的，那么，在上述直线中，它们的“比率”也是相等的。

为了从更深层面来解释“相似的差异和差异的相似”，玻姆还详细考察了曲线中的“序”。具体见图2}m:3。

在图2中，曲线AJ由三条方向和位置不同的线段(ABCD } EFG } HI J)所组成，而且在每一条线段中，又存在着方向和长度相同但位置不同的短线。那么，线段ABCD中的“序”，用“比率”对其进行表达，即:A，Bm一B，C。其中，51代表沿线段ABCD方向上的“比率”，称之为“第一类相似”。相对应地，用“比率”来描述线段EFG和HIJ，则可以分别表达为:E } F 5z=F } G和H，I ss=I :  J。其中，S}和S:分别代表沿线段EFG和线段HIJ方向上的“比率”，称之为“第二类相似”和“第三类相似”。在玻姆看来，与图1中线段A到G之间仅仅存在单一相同的“序”不同，在图2曲线AJ中，则存在着两个级别的“序”，分别是:线段ABCD}EFG和HIJ内部的“序”，玻姆称之为第一级别的序;曲线AJ三个线段ABCD ,EFG和HIJ之间的“序”，玻姆称之为第二级别的序。而且，在曲线AJ中，第二级别的序之间也存在着“相似的差异和差异的相似”，用“比率”来表达，即:51，52=52:5:。

通过以上两个例子，玻姆向我们详细解释了“序”所具有的“相似的差异和差异的相似”的普遍性特征。在玻姆看来，只要是序，它都离不开“相似性”和“差异性”，无论是词义上的序、功能上的序、指称上的序甚至是“有序”和“无序”，都是“相似中有差异”和“差异中有相似”。玻姆说:“要依据一条普适定律来表达自然过程序的某个基本特征，实际上就是断言，对于该过程的整体来说有意义的基本差别是什么，以及什么是这些差别中相应的相似性。ysy z然而，玻姆对序所作的普遍意义上的解释是从何而来的呢?如果深人分析，我们就会发现，它是基于对物理学史发展和演化规律的概括和总结。可以说，玻姆的“序”观念有着深刻的历史渊源。

篇8

    1引导兴趣的倾向性兴趣的倾向性是指兴趣所指向的具体内容和对象。在化学竞赛辅导中要激发学生的学习兴趣,必须注意给学生提供兴趣的需要基础,让学生不仅对化学或涉及化学的知识感到好奇,而且要让学生感觉到学习这种知识是社会实践的需要[2]。因此,在化学竞赛辅导中要精心设计问题,并利用化学的特点———实验来营造学习气氛。

    1.1注重思考性恰到好处地创设“认识冲突”情境,使学生产生强烈的求知欲。如在学习磷元素知识时可提出这样一个问题:“‘鬼火’的科学解释是什么?”学生七嘴八舌地讨论开,课堂气氛一下就活跃起来,若再从中点拨,不久结论就出来了。“鬼火”其实就是“磷火”,磷是生命元素,动物的骨骼和牙齿都含有磷元素,尸体腐烂发生复杂的物理、化学和生物变化,释放出少量的PH3气体。PH3在空气中能够自燃,出现暗淡的蓝绿色火焰,微风吹到哪里,它就飘到哪里燃烧。在PH3生成的同时,往往还有P2H4生成,P2H4比PH3更活泼,是更具自燃性的气体。相关反应的化学方程式为:P4+3KOH+3H2OΔ3KH2PO2+PH32PH3+4O2P2O5+3H2O3P4+8KOH+8H2OΔ8KH2PO2+2P2H42P2H4+7O22P2O5+4H2O这样一来,有关磷的性质和相关化学方程式,学生就会乐意去记并记牢。又如,学习铁的化合物知识时,可以请同学思考这个问题:“为什么烧砖时不喷水生成的是红砖,而喷水则生成青砖?”这个问题与生活中所遇到的事物有关,学生很感兴趣。烧砖用的是粘土,粘土的主要成分是含水硅酸铝(xAl2O3?ySiO2?nH2O),此外还含有一些杂质,如铁质矿物,常以褐铁矿[主要成分为Fe2O3?2Fe(OH)3]、黄铁矿(主要成分为FeS2)、菱铁矿(主要成分为FeCO3)或赤铁矿(主要成分为Fe2O3)形式存在。砖坯在高温窑中煅烧,当有充足的氧气存在时,则所有的含铁化合物转化为Fe2O3。根据铁含量的多少,将显现浅红色至深红色。如果砖坯烧到一定程度时,从窑顶向下喷适量的水,则产生大量的水蒸气与灼烧的焦炭反应,生成CO和H2。CO和H2能够把Fe2O3还原成Fe3O4甚至FeO,因此砖显青灰色。

    1.2体现直观性在教室的地面洒上十几颗干燥的三碘化氮小颗粒,当学生进入教室时,干燥的三碘化氮被人踩着,发出“噗噗”的响声,使他们感到仿佛进入了一个神秘的地雷阵。由于没有思想准备,学生往往会吓一跳,但同时也觉得十分有趣,脑子里自然产生许多为什么。这时给学生时间讨论,引导学生观察爆炸物的颜色(黑色)、爆炸时的现象(紫色蒸气)、闻到的气味(刺激性气味),最后告诉学生:浓氨水与碘片反应时,可生成一种黑色不溶于水的固体(NI3?NH3)———三碘化氮与氨的加合物。有关制备的化学方程式为5NH3+3I2=NI3?NH3+3NH4INI3?NH3在暗处和用氨润湿时是稳定的,干燥时受到压力会按下列反应爆炸性分解:2NI3?NH3=N2+3I2+2NH3此时可趁势从中引出碘三离子(I3-)、叠氮酸离子(N3-)、氢叠氮酸(HN3)的结构,并与学生交流。借着学生兴趣浓厚,进一步介绍化学上“C3H3”的含义(Clearhead清晰的头脑,Cleverhands灵巧的双手,Cleanhabit洁净的习惯)。正如陶行知认为的那样“学与乐不可分”,整个教学过程不仅使学生处于主动活跃之中,而且给后续课程的学习打下良好的基础,可取得令人满意的效果。

    1.3强调实验性化学实验具有独特的激发学生兴趣的属性。如果把实验处理成照方抓药的验证性实验来教学,启发性、探索性不强,会抑制学生学习的兴趣。在化学竞赛辅导中,可创造条件让学生自己动手做一些家庭小实验和设计实验,这是让学生动手动脑、培养多方面能力的过程,常常会产生别有洞天的实验现象和心理感觉,学生兴趣盎然。例如,在学习“卤族元素”内容时,可建议学生用毛笔沾米汤在白纸上写字,字迹干后便不见痕迹,此时若涂上碘酒就立即显出深蓝色的字,这便验证了碘单质遇淀粉显蓝色的事实。另外,在学习“原电池”这一节后,要求学生自行设计一个原电池,结果学生制作出了“土豆电池”、“番茄电池”等。教师可以利用周末时间和学生一起做“废电池再生”的实验,具体做法如下:取2节废电池用电珠试验证明电池己废旧无用,然后用铁钉在废电池上部凿几个小孔,深度为电池高度的3/4左右,用滴管(也可用废弃的塑料眼药水瓶)吸取盐酸,将滴管尖端小孔内,然后慢慢将盐酸加入,最后将点着的蜡烛斜持,滴上蜡烛油封口。再用小电珠试验,电珠重新发光。实验设计给学生创造了一个良好的学习氛围和最佳的学习心境,大大地激发了学生的学习兴趣。即使是“失败实验”,帮助学生分析实验失败的原因再实验,也是一个深刻的实事求是精神的锻炼机会。经过“失败———成功”的多次反复,对学生的震撼力深刻、持久。在这一过程中,学生获得了化学知识,培养了能力,促进了身心发展,培养了良好的意志品质和实事求是、勇于探索的精神。

    2维持兴趣的稳定性

    兴趣的稳定性,也称兴趣的持久性,是指兴趣的稳定程度和持续性。兴趣的稳定性对一个人的学习、工作很重要。不稳定的兴趣,不仅会影响知识的深入掌握,而且会导致浮夸、不踏实、惧怕困难等性格的形成。只有稳定而持久的兴趣,才能促使学生系统地学习某一门知识,把某一项工作坚持到底,并取得成就。培养学生的学习兴趣,稳定性是关键的一环。在激起学生的学习兴趣后,为帮助学生顺利克服在学习中遇到的困难,并在克服困难的过程中使兴趣得到进一步的发展,逐渐形成稳定的兴趣,应当注意学生意识倾向的正确引导[2]。在化学竞赛辅导中,可应用我国化学史上的重大发明成果和我国近代化学工业的巨大发展以及与国外化学工业发展水平的差距来激发学生的民族自尊心和自信心,激发学生的爱国主义热情和责任感,将他们的好奇心转化为树立奋斗目标的个性心理,巩固学生兴趣的持久性。例如,在学习“碳酸盐”内容时,首先强调碳酸钠在化学工业上的突出重要性,简单介绍国外发明的氨碱法(索尔维法),然后话题一转,重点介绍我国化学家侯德榜发明的联合制碱法(侯氏制碱法)。强调侯氏制碱法保留了氨碱法的优点,在资源的利用上比氨碱法优越,是制碱工业的重大突破,有极其重要的经济意义。指出侯氏制碱法是我国化学家在纯碱工业上做出的重大贡献,这一发明在国际上引起很大反响,侯德榜也因此获得英国化学工程学会和美国机械学会荣誉会员的称号。这样的扩展讲解能激发学生的自豪感。又如,在学习有机化学时,可以让学生先找出用中国人命名的有机化学反应———“黄鸣龙还原法”,然后告诉学生这个方法是我国化学家对凯西纳-华尔夫还原法的重大改良,已为国际广泛应用,写入各国有机化学教科书中,是我国化学家对有机化学做出的卓越贡献。通过这样的引导,学生的学习动力增加,学习的目的更加明确。

    3拓展兴趣的广阔性

    尔用经典力学的离心力等于向心力的基本原理,结合普朗克的量子论,并赋予角动量以量子化条件来描述微观粒子———氢原子的核外电子运动状态,从而计算出电子的运动速度、轨道半径以及量子化的能量公式,很好地解释氢光谱的实验现象。同时也指出玻尔理论有局限性(虽然引进了普朗克的量子论,但还是应用经典力学来计算电子的运动速度、轨道半径,没有反映微观粒子运动的本质规律,如测不准原理),势必被后来发展起来的量子力学和量子化学所取代。在学习“氢键”时,指出具有方向性和饱和性的氢键是构建蛋白质高级结构(蜷曲、折叠等)的重要因素之一,对生物高分子的高级结构有重要意义;在学习“离子晶体的堆积-填隙模型”时,指出这个模型把正负离子看成是具有一定半径的刚性球,运用数学的空间几何知识推导出堆积球和填隙球的几何制约关系,由此计算离子的空间利用率。这样有助于学生真正理解各学科之间的相互渗透和必然联系。通过对一些科学家(例如:拉瓦锡、玻尔、黄子卿、邢其毅等)的事迹介绍,使学生清楚兴趣广阔的重要性,使学生知道这些科学家正因为兴趣广泛、博览群书,善于从不同角度观察、思考问题,紧密联系自己的中心兴趣,才能攻克一个又一个的科学难关[2]。兴趣的广阔性有利于扩大思维领域,激发创造能力,使学生在学习活动中富于联想、富于想象,变机械被动地接受知识为主动地、灵活地学习知识,从而促使学生多种能力的形成。

篇9

关键词：世界;可知性;阐释

思维与存在的同一性是一个古老的哲学问题，世界是可知的，抑或不可知?不同的哲学家有不同的解释。这种种解释推动着人们对这一问题的思索，但很难令人信服地说已有一个相对合理完满的答案。本文试图通过对这一阐释历史过程的演进的分析，揭示这一问题的内涵及解决之道。

一　本体论阐释

近代哲学以前，对世界可知性问题的阐释，是构建在独立于人之外的世界本体的预设基础之上的.人们追问的问题是:世界是否可知?如果可知，其理据何在?世界是否彻底可知?如果不是彻底可知，其界限何在?古希腊人最早提出了思维与存在的同一性问题.巴门尼德认为，“能被思维者和能存在者是同一的”[1]，苏格拉底、柏拉图都坚信人类的心灵、灵魂可以把握事物的本质，得到真正的知识.但怀疑论者指出，人类的理解力只能把握现象中已有的东西，一切理性的东西都离不开感觉经验.人是依赖感觉去把握存在的，而感觉的主观性、不确定性说明思维并不能绝对地反映存在。因此高尔吉亚认为即使有物存在，也不可知。尽管人心可以设想关于实在的观念，但这种观念毕竟不等同于实在本身。形而上学借经验类比推测超验的实在，从思想观念推证存在本质，根源在于对绝对确定性的追求。事实上，对确证性的渴望只能以或然性的假设而告终。

近代唯理论和经验论都肯定思维与存在的同一性，但为认识可靠性的基础是理性还是经验而争论不休。休谟认为，“我们凭什么论证能够证明人心中的知觉是由和它们相似(如果这是可能的)而实际完全差异的一些外物所引起的呢?”[2]事实上，人的认识只能建立在经验基础上，它不能超出经验。但经验的证据有两重性:一方面，作为知识来源的原始经验是可靠的，只真不假;另一方面，由原始经验出发做出的经验推理是可错的，它只能提供或然性的知识，不具有普遍必然性。也就是说，原始经验的可靠性决定了它可以作为一切科学认识唯一牢固的基础，经验推理的不确定性决定了经验体系范围是有限的，它不能达到终极的原则。

休谟认为，在经验范围之内的事情是可知的，超出经验的事情是不可知的。只有将认识限制在合理的范围内，才能反对一切独断的迷信。休谟划分可知与不可知界限的做法给康德以深刻启示。在思维与存在同一性问题上，关键问题不在于思维和存在是否同一，在何基础上同一的问题，而是思维和存在同一性的界限问题，或者说“我们能认识什么”的问题。在康德看来，理性以其先天知识形式在综合统一后天感觉材料中创造自己的认识对象———自然界，从而获得知识的有效性;但理性为自然所立的法只适用于现象界，而不适用于作为现象基础的物自体，因而人只能认识现象而不能认识物自体，物自体存在而不可知。这一思想遭到黑格尔的严厉抨击。黑格尔认为，给认识的有效性划定一个范围，认为认识只能把握有限相对的事物，至于绝对无限的东西则被否认或推到不可知的领域，实际上就否认了思维与存在的同一性。康德形而上学的错误在于割裂了现象与本质、有限与无限、相对与绝对、实在和概念的有机的辩证的统一。在黑格尔看来，存在即思维，没有思维以外的客观存在，思维是存在的本质，存在是思维的内容;思维与存在的同一不是绝对的，僵死的，而是一个矛盾发展的过程，是由自在到自为，由有限到无限，由相对到绝对，由直观的多样性到多样性的统一，由表面的现象到深刻的本质的过程。作为认识不是一成不变的，而是一个由感性直观到思维概念的发展，是一个越来越深入地把握对象真理性的过程。

黑格尔试图通过揭示思维和存在的辩证性质克服认识的界限问题，从而最终解决思维和存在的同一性或者说认识的可知性问题，但由于其客观唯心主义基础，这种分析仍不尽合理。黑格尔预设绝对精神，把认识看作是对绝对知识愈来愈全面的把握，依然是构建在主客二分，绝对本质的先验预设的本体论基础之上的。现代科学如量子力学等科学的最新发展都证明，“绝对精神”，事物的绝对全面的本质是不存在的，假定客观世界独立于观察者，并且不受主体对它的认识所影响，即有一个自在自为的客观世界和独立于认识对象之外的“超然观察者”，这是不成立的，世界可知性问题要求新的阐释。

二　语言论阐释

现代西方哲学在现代科学的基础上，排斥作为传统认识论基础的主客、心物、思有的二元分立，实现了“语言学的转向”。他们认为，语言是存在的家，世界只有进入语言，才能表现为人的世界;世界的视域就是语言的视域，我们都是在语言中认知，世界可知性问题可以归结为语言论问题。胡塞尔认为，传统的本体论阐释的一个根本缺点是没有考虑认识如何可能的问题。既然我们关于世界的一切知识都是通过认识获得的，那么在对认识的可能性问题反思之前就不能认为世界是可知的。人们要问:意识之外是否存在独立于意识之外的对象?意识如何能越出自己达到对象，何从知道由认识所描述的对象与事物本身状态相符合?认识的主体在认识对象过程中究竟起什么作用?胡塞尔反思的结果是追溯到语言研究，认知之所以可能，在于意识自身建构的意义，意义指向语言，语言规定了认知理解的限度。维特根斯坦则直接把世界可知还是不可知转换为世界可说还是不可说的问题。在他看来，世界概念并不仅仅包含现实世界，更重要的是包含一切逻辑上的可能世界，“世界是事实的总和，而不是事物的总和”[3]，现实世界只是逻辑上的可能世界中的一种而已。

一旦有了这种对世界的清晰认识，我们就可以用逻辑来分析语言命题，发现语言表达中潜在的逻辑形式，并以此确定语言的界限或者说认识的界限.也就是说，我们描述世界的语言限制着我们对世界的认知，语言的界限和世界的界限是同一的。所谓能够说的东西是指语言命题在一定逻辑架构中可以真实地表达事实。用来述说事物的语言基本单位是命题，一个命题作为一个逻辑图像说某些事情，它有确定的含义，命题的含义在于它是一个可能事态的图像，一经分析，普通语言就显示出逻辑形式。真命题就是描述存在结构的命题，存在事态的总和构成事实，真命题的总和形成科学;世界作为事实的总和，语言逻辑保证只要能说的都能说清楚。所谓不能说的东西，是指对象世界不能用语言表达的东西。一切能够表达的东西都能用逻辑形式加以描述，但逻辑是有限度的，不可能表达一切东西，如逻辑形式的地位，哲学本质，生命意义和对世界的神秘感觉都是不可说的。这些东西不可说，但理智本性却总想说出它们，传统形而上学错误正是试图说出这些不可说的对象。因此，维特根斯坦告诉我们必须在语言中划清界限，“凡是能够说的东西，都能说清楚，凡是不能谈论的，就应该保持沉默。”[4]但是能够说的东西是什么样的对象世界?这演变为当代语言哲学中的实在论与反实在论之争。实在论者认为对象世界是独立于人的存在而存在的，语言陈述的真假与主体的认识能力无关，科学理论是表述客观世界的，决定科学陈述真假的，不是人的主观感觉，也不是人们的内心结构或语言，而是外在的世界，语句的真假值取决于该命题和该命题所描述的外在世界是否一致;反实在论者则认为认知活动是一种构造和想象，“人们总是通过这样或那样的概念的透镜来了解自然，而且这些概念框架以及嵌在框架之内的语言，可能给我们所认知的事场染上一种不可避免的色彩”。[5]人们没有理由相信语言解释反映了真实世界，语句的真假值总是和认知者的价值系统，语言架构甚至个人兴趣密切相关。

如此，世界可知性问题的阐释集中在以下的问题上:可知的世界是什么?世界可知的理据是什么?或者说世界在什么意义上是可知的?哲学在实践基础上对此进行了科学的分析。

三　实践论阐释

哲学认为，世界可知性问题本质上不是一个理论问题而是一个实践问题。马克思指出:“人的思维是否具有客观的真理性，这并不是一个理论的问题，而是一个实践的问题。人应该在实践中证明自己思维的真理性，即自已思维的现实性和力量。”[6]也就是说，世界是在实践的意义上才是可知的。首先，在马克思的世界观里，世界既不是旧唯物主义的无人的本原的自然界，也不是人的主观世界或语言世界，而是现实的实践的世界，是人化的自然。作为对象的客观性是属人的客观性，因为一切对象都是人的本质力量的对象化，是主体的对象性存在物，“对象如何对它说来成为他的对象，这取决于对象的性质以及与之相适应的本质力量的性质。因为正是这种关系的规定性形成了一种特殊的、现实的肯定。”[7]只有当物按人的方式同人发生关系时，我们才能在实践上按人的方式同物发生关系。正因为对象本身具有属人的性质，所以对对象的真理性认识是可能的，“理论的对立本身的解决，只有通过实践的方式，只有借助于人的实践力量，才是可能的。因此，这种对立的解决绝不只是认识的任务，而是一个现实生活的任务。”[8]正是因为对象世界是人的实践活动的世界，所以实践是认识对象形成的基础，实践又是对对象认识的基础。换言之，实践作为认识的基础，是相对于认识对象和对对象的认识统一而言的。我们在认知对象时，对象已经是我们的感觉的对象性存在，用马克思的话讲，就是属人化的了。这样，在认识、实践和认识对象这三项中都渗透着主观性(实践性)，那种认为认识的结果可以达到对世界本来面目完全把握的可知论只是一种理想。人的生命存在的既定形式和人与对象的特定关系，决定了在认识范围内的世界只是一个我们自己的世界，从而也决定了我们认识的程度和可知的性质。思维对存在的反映是在实践基础上主体和客体的相互作用，是思维在实践基础上与存在的同一性。这种同一既依赖于主体的反映形式和建构，也依赖于对象世界的客观信息。也就是说，作为与人活动无关的纯粹自然界，不是人的实践性存在的内容，也就无庸去讨论它的同一性可知性问题;我们不应该去寻求对世界的不同解释，“问题在于改变世界”;作为实践活动的对象世界是可知的，思维与存在在实践基础上是同一的，正因如此，我们才能改造世界。

篇10

关键词:莱布尼茨;真空;时空观

莱布尼茨生活于被科学史家誉为“天才的世纪”的17世纪,与开普勒、伽利略、笛卡尔、帕斯卡、波义耳、牛顿等科学巨匠处于科学史上的同一个时代。莱布尼茨不仅是一位伟大的数学家和哲学家,而且是近代一位(也许是唯一一位)可比肩亚里士多德的百科全书式学者。他在自然科学以外的其它人类理智领域,比他同时代的其他科学巨匠取得了更多的成就。他被誉为德国的科学、哲学之父,还在神学、技术发明、法学、历史学、语言学、政治学等诸多领域都有着堪称同时代一流的建树。西方的一位学者曾这样评价:“莱布尼茨可能是近代世界最全面的天才,……触及了现代知识的几乎每一个分支。他是最后一位希望掌握现代知识的所有领域,并且是百科全书式人物的人。”也许正因为莱布尼茨所涉及的研究领域过于宽泛、庞杂,他的许多研究成果的重要价值在相当长时间内未得到重视,譬如他对真空问题的研究。尽管由于当时的客观条件所限,莱布尼茨在真空研究中更多的依靠科学的猜测和哲学的思辨,但其结论竟与200多年后的科学大师爱因斯坦、狄拉克等人对真空研究的成果暗合,确是令人不得不感叹其思想之天才。

1“真空问题”的历史脉络

对真空问题的研究及争论可追溯到古希腊。德谟克利特等原子论者认为,世界是由原子和虚空构成的,提出了真空这一命题;而亚里士多德则认为,宇宙中充满了“以太”,因而真正的虚空是不存在的,他的名言是“大自然厌恶真空”。这可以说是人类对真空问题探讨和争论的源头,并一直延续至今。

不过,在这里有一点必须指出,真空的概念是有歧义的,有所谓“物理真空”和“哲学真空(或称形而上学真空)”之分,而“物理真空”又有“经典真空”与“量子真空”之别。历史上对真空概念不同时期也各有侧重,古希腊的真空概念更多是哲学意义上的,偏向于“虚空”、“虚无”的含义;17世纪的真空概念是“物理真空”和“哲学真空”两者兼而有之;而现代的真空概念更多地是指“物理真空”。当然,“物理真空”和“哲学真空”的概念区分并不是完全清晰的,也无法成为在该领域严格区分科学问题和形而上学问题的依据,真空问题依然是(也许会永远是)科学、形而上学纠缠在一起的一个前沿领域。

17世纪的真空研究与笛卡尔有很大的关系。实际上,人们对自然的看法总是首先基于自身的日常经验。对于物质与空间的关系也不例外。按照常规思维,人们很自然地把空间想像为一个巨大、不动的空房子,物质就是被一件件搬到这座房子里的东西,因而空间必然是先于物质存在的。这样,空无一物的真空就是可能的。这就是所谓的绝对空间的观念。于是有人就想像地球到太阳间的地带是真空。但笛卡尔不这么认为。在他看来,空间与物质不可分,空间只存在于已有某些物质的地方,是物质的存在才使空间得以存在;空无一物的真空是不存在的。他说:“实际上,我们无法想像一个空无一物的容器,一如无法想像一个没有谷的山:这将意味着无需广延就能设想容器的内容,或者无需实体就能设想广延:确实,没有什么东西能够不具有广延。”至于星际间的地带,笛卡尔认为不是真空,而是充满了物质的,这种物质就是以太。笛卡尔从以太演绎出了他的宇宙学说。

笛卡尔否认真空存在的学说受到了托里拆利、帕斯卡等人的强有力挑战。他们两人分别做的“托里拆利实验”、“真空实验”使人们“眼见为实”地相信实验中水银柱上方的玻璃管中存在着一段真空。近代原子论者及牛顿学派也都相信真空的存在。从那时起,赞成真空存在一派似乎占了上风。

2莱布尼茨“相对时空”与牛顿“绝对时空”的对立

莱布尼茨是笛卡尔之后否认真空存在的代表人物,为此他与坚持真空存在的牛顿学派发生了激烈的争论。他认为,真空即是虚无。牛顿学派的克拉克就曾指责笛卡尔和莱布尼茨把真空与虚无等同了起来。克拉克认为,没有物质的空间无疑是一无所有的空间,但并不表示空间本身也被消除了。在克拉克看来,“如果广延是物质的本质,那么物质就等同于空间本身;由此可以推出,物质必然是无处不在的、无限的和永恒的,并且它们是既不能被创造,也不能回归虚无,这是荒谬的。”也就是说,依牛顿学派,笛卡尔和莱布尼茨的错误之症结就在于把空间与物质等同了起来。

我们知道,经典力学大厦赖以建立的基石是牛顿的绝对时空观,其精要可概括为“时空独立于物质而存在”。莱布尼茨明确反对牛顿的绝对时空观。他曾写道:“我把空间看作某种纯粹相对的东西,就像时间一样;看作一种并存的秩序,正如时间是一种接续的秩序一样。因为以可能性来说,空间标志着同时存在事物的一种秩序,只要这些事物一起存在,而不必涉及它们特殊的存在方式;当我们看到几件事物在一起时,我们就察觉到事物彼此之间的这种秩序。”在这里,莱布尼茨把空间看作是一种“并存的秩序”;把时间看作是“接续的秩序”。所谓“并存的秩序”、“接续的秩序”,更通俗的理解即为一种关系,即相对时空观。

莱布尼茨认为,空间、时间本身不是如牛顿理论所言是绝对的、实在的存在。时空与物质及其运动密不可分,离开了物质就无所谓空间,同样离开了物质的运动也就无所谓时间。空间并不是逻辑上先于和独立于物质存在的容器。他认为,物质在逻辑上先于空间的存在,并以空间的形式排列,空间只不过是一种关系,除此之外没有什么空间存在。因而莱布尼茨认为,牛顿理论中的绝对空间是不存在的,一个物体仅能改变其与另一物体的相对位置,它不能改变其在绝对空间中的位置,因为空间是非实在的,除了物体间的位置关系,不存在绝对意义上的参照系,也即不存在所谓的绝对空间本身。时间也是如此,除了是事件之间的关系外,它什么都不是,也就不存在绝对时间。由于反对绝对空间和绝对时间,莱布尼茨自然也反对牛顿理论中的绝对运动概念。与他的相对空间观念对应,他认为,运动也不过只是一个物体相对于另一个物体的位置变化,因此,运动根本不是什么绝对的东西,它只存在于关系之中。也即,那种依托于不动的绝对空间背景之上的绝对运动根本是不存在的,任何物体的运动必然与其它物体的运动相关。与以上的这些观点相关联,莱布尼茨自然否认虚空的存在,因为他是反对原子论的,同时他认为空间既可以被充满也可以是空的这种观念是无法接受的。

3莱布尼茨对真空研究的现代价值

针对真空存在派的托里拆利、帕斯卡等人的一系列科学实验,莱布尼茨也试图从更多科学的角度及“物理真空”的方面去否定真空。他指出,托里拆利实验中水银柱上方玻璃管中的那段根本就不是真空,那里不过是排除了粗大的物质,但仍充满了精细的物质,如光线仍可透过进入其内。因而,他认定其中并不是真空,因为光也是物质。莱布尼茨还为此作了一个形象的比喻。他说容器就好比是一个满是细孔的箱子,将它放到水里,箱子里有鱼和其他粗大的东西,把这些粗大的东西拿掉,这箱子里仍然还是充满水的。莱布尼茨实际上在这里是通俗讲解了笛卡尔的充满以太的宇宙模型。因而,莱布尼茨认为空的空间不过是一种想象。

20世纪初物理学革命后,人们开始重新审视真空问题,爱因斯坦和狄拉克分别基于相对论和量子力学对真空进行了研究,爱因斯坦认为真空是“广义相对论的以太”;而狄拉克把真空看作是“量子场的基态”。这样,这两位20世纪的物理学大师就为现代真空研究奠定了“真空不空”这一基本结论框架。实际上,不管是在爱因斯坦还是在狄拉克那里,真空都被当成是宇宙背景。应该说,莱布尼茨的上述关于真空的看法今天看来在某种程度上是正确的,它正与现代的爱因斯坦和狄拉克的把真空看作是宇宙背景的理论暗合,的确是天才性的猜测。但由于莱布尼茨实证研究力度不够,牛顿学派对莱布尼茨的上述论证深不以为然,因而也不可能改变牛顿学派关于真空的观点。不过,莱布尼茨的相对时空的理念及对真空的研究成果给20世纪物理学革命中摈弃牛顿的绝对时空提供了思想资源。此外,他在与牛顿学派有关真空问题的争论中,还广泛涉及了近代科学中一些非常重要的概念,如原子、以太、引力、物质等,实际上为后世留下了极其宝贵的思想遗产,写下了科学思想史上璀璨的一页。

当然,爱因斯坦和狄拉克的上述真空概念也是属于“物理真空”层面,只是再归细类的话,爱因斯坦的属于“经典真空”,狄拉克的属于“量子真空”。因而,像任何其他“物理真空”的概念一样,它们也逃脱不掉似胡搅蛮缠的“哲学真空”的追问:既然真空是空无一物,也就是无,那又何来真空的概念?即是宇宙背景那还是真空吗?真空的宇宙背景到底是什么?当然,对立者也可反问:真空什么也不是,但什么也不是的东西经过确定就真的不存在吗?实际上有关真空的此类问题在古希腊爱利亚学派的巴门尼德提出他的关于“存在”与“非存在”的学说时就存在着,后世的不同仅仅在表述方式上。而有关真空问题的研究将会继续(甚至可能永远是)如莱布尼茨与牛顿学派论争的那样是一个科学问题与形而上学问题纠缠在一起的独特领域。因为,如果认为真空被爱因斯坦和狄拉克认定为宇宙背景而似已得到解决不再是问题的话,那么,人类的理性必然会再去追问似“无中生有”的宇宙诞生机制以及那个宇宙“奇点”到底是什么。这实际上就是真空问题的另一个版本。

参考文献

1汉姆普西耳.理性的时代——17世纪哲学家(陈嘉明译).北京:光明日报出版社,1989:142～143

2柯瓦雷.牛顿研究(张卜天译).北京:北京大学出版社,2003:164