量子力学和狭义相对论范文

导语：如何才能写好一篇量子力学和狭义相对论，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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强、弱、电三种相互作用的标准模型的建立与精确检验是20世纪物理学最伟大的成就之一，它把基本粒子的强、弱、电三种相互作用的描述成功地统一起来，成为人类揭示最深层次物质结构的强有力的工具。但是，迄今一直未能把引力统一进来始终是极大憾事。究其原因在于引力的量子化带来一系列长期困扰物理学界，至今仍难以解决的严重问题。积极探寻这些问题的解决办法，近年来成为理论物理学家极为关注的热点。本书正是作者为解决问题而孜孜不倦、努力奋斗的结果。在本书中作者认真地考查了这些研究活动所涉及的物理概念与哲学基础，特别是评论了人们提出的各种建议与模型的前提和自洽性。

作者曾与L.Susskind合作写过一本关于黑洞的书，介绍静态几何的量子物理与相对论以及视界物理的一些信息。然而作者最近研究表明对于一旦纳入动力学描写时，这些结果必须做一些定性的修改。本书是作为以前出版的那部书的进一步详细的阐释和扩充，但是也包含了一些新的材料，其中包括详细考查在相对论框架内纳入量子力学的基本自洽性，包括了动力学空间相关几何学，并扩展了前一本书写作中涉及物理学基础的一些讨论，尝试探讨微观物理学中可以与引力的微观理论自洽的内容。本书特别强调：在寻找最优雅的物理现象的模型时人们必须记住：物理学是一门实验科学。他希望以此激励读者对于新知识，特别是通过实验探索物质性质的兴趣。

全书内容分成两大部分，共包括9章。第一部分 伽利略相对论与狭义相对论，含第1-4章：1.经典狭义相对论；2.量子力学、经典力学和狭义相对论；3.粒子相互作用的微观形式；4.量子力学中的群论。 第二部分 广义相对论，含第5-9章：5.广义相对论基础； 6.弯曲时空背景中的量子力学；7.视界与陷俘区的物理学； 8.宇宙学； 9.相互作用系统的引力。

本书以物理系和自然哲学领域的大学生和研究生以及数学和粒子物理领域的研究人员为主要的读者对象。对于物理模型以及与主流物理学自洽的实验感兴趣的理论物理与自然哲学家也是一部重要的参考书。但阅读本书的读者应当具有量子力学、广义相对论、统计物理学和物理学基础知识。

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量子系y有一个很酷的现象，叫作“量子瞬间转移”（Quantum Teleportation）。利用量子纠缠，这边位置的量子态会消失，而相等的量子态会在另一远程位置出现。这个现象在量子光学的实验中不断地被验证。最近的“栗子”就是在加拿大和上海把一束光的量子态进行瞬间转移，转移的距离分别是6.2公里和14.7公里。这是一个高等的技术，非常吸引眼球。不过可惜，这只是一个微观现象，并且只在光学系统上实现，能否拓展到宏观实物就不得而知了，至少目前还是遥不可及的。

美剧《生活大爆炸》中的“谢耳朵”也提及，即使有一台量子瞬间转移机器，他也不会使用，因为所谓的“瞬间转移”，就是先把现在的他毁灭，然后在另一地方重新构建另一个他，他的思想和灵魂能否转移又是另一个科学难题了。

上图就是《星际迷航》中的“瞬间转移”传送机。

矛盾的结合：波粒二象性

量子力学和量子场论是和广义相对论完全不同的东西。人们通常用“时空扭曲”这个图像去理解引力，而量子理论则完全违反了人类的常识和直觉。

在量子物理中有“波粒二象性”（Wave-particle Duality）的描述方法，一个波（振动）可以看成粒子，反之亦然。最基本的是光，光可以看成是电磁波，也可以看成粒子（称为光子）。世界十大经典物理实验之首的电子双缝干涉实验，就证实了微观粒子，诸如电子和中子，也具有波粒二象性。可能你还要问那这又有什么特别的呢？想象你把石子投在水中，泛起了水波。没错，但量子力学告诉你，这“水波”也是粒子……

双缝干涉实验（Double-slit Experiment）是著名的光学实验，在量子力学里，用来测试量子物体像如光或电子等的波动性质与粒子性质。

“量子未来”，计算加速

量子物理的一大应用就是量子计算机。摩尔定律（Moore’s Law）提到集成电路上的晶体管数目每两年便会翻一倍，因此计算机上的中央处理器也会愈跑愈快。但当晶体管造得越来越少，计算机的增长就会出现停滞。

而量子计算机可以解决这个问题，因为量子计算机的运算方法可以实现一些另类的算法，从算法本质上加快某些计算问题的速度。这同时也促进了作为人工智能的核心资源――计算能力的提升。

量子计算火候已到，微软公司更是做好了技术储备迎接“量子未来”，他们专门组建了量子计算机研究院StationQ，从事量子计算基础研究。

微软与马库斯教授的量子设备研究中心共同组成了StationQ。

“光剑”与非连续特性

量子系统的其中一个特点是系统的能量分布通常不是连续的，能量的转换是颗粒性的。实验证明光的能量是一粒一粒的，而每一光子的能量只跟其颜色有关。

其中一个“栗子”是激光，激光其实是量子物理的一个重要工业实现。激光一般都是单色，如果你要另一颜色的激光，就要费神寻找另外一种物质来提供另一能量区间，再产生光子。白色激光的产生可以说是一个突破，因为白色其实是各色混合，亚利桑拿州立大学和清华大学曾制成一块极薄（60～350纳米）的混合半导体，其中，镉和硒产生红色激光，镉和硫产生绿色激光，锌和硫产生蓝色激光，最终产生白色激光。

另外，荧光是原子吸收了高能的紫外线放出低能光子的结果，这也是很多荧光颜色偏紫或蓝的原因。

《星球大战》中的“光剑”便是荧光。

“时空扭曲”与古典物理学

物理学家一般用爱因斯坦的广义相对论去描述引力，而所谓的“时空扭曲”其实是广义相对论的数学工具的语言――黎曼几何学，属于微分几何学的一支，其实这也是《美丽心灵》的主角约翰・纳什的专长。

有引力就必然有时空扭曲，地球如是，太阳如是，黑洞也是这样，我们看到的弯曲平面图，其实就是这些弯曲时空的折合图。当我们说苹果从树上掉下来，可以说苹果在弯曲空间“滑”下去了，能量的转换由势能变成了动能。虽然广义相对论可以说是牛顿力学和万有引力定律的延伸，但本质上还是古典物理学。

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王渝生，1943年生于重庆。1966年毕业于四川师范大学数学系，1981年毕业于中国科学院研究生院，相继获理学硕士、博士，德国慕尼黑大学博士后。曾任中国科学院自然科学史研究所研究员、副所长、博士生导师，中国科学技术馆馆长等。

著有《自然科学史导论》、《科学寻踪》、《科技百年》、《中国算学史》等，荣获国家图书奖、中国图书奖、20世纪科普佳作奖、国家中长期科技发展规划战略研究突出贡献奖等。全国科普先进个人。享受政府特殊津贴。

专家精彩语录：

A：前些年我到天津拜访著名数学家陈省身，90多岁高龄的陈省身为在北京举行的国际数学家大会的一个青少年数学夏令营题词，就四个大字：“数学好玩”！他就认为数学好玩有趣，他就像玩一样研究数学，所以能够成为第一流的数学家。

B：20世纪前30年，两个理论成就，一个是相对论，一个是量子力学，这就是20世纪前30年的物理学革命。20世纪后70年，所有科学技术的发展都与相对论和量子力学有关。即所谓四大科学模型和高新技术。

三、二十世纪的科学发现与技术发明

20世纪科学技术的发展是在19世纪的科技成就，如热力学、电磁场理论、化学原子论、细胞学说和生物进化论等这些基础上发展起来的。19世纪末，有所谓实验物理学上的三大发现：1895年发现了X射线，1896年发现了放射性元素，1897年发现了电子。

电子的发现不得了！从2000多年前古希腊的德谟克利特到近代的道尔顿的原子论，都认为组成物质的最小微粒是原子，而1897年发现原子内部还有构造，发现了电子，电子带有负电荷。到1911年发现了质子，1932年发现了中子。所以，19世纪末的三大发现引发了20世纪头30年的第二次科学革命。第一次科学革命是天文学革命，第二次科学革命是物理学革命。

第二次科学革命诞生了两个科学理论：相对论和量子力学。

相对论的创立者是德国物理学家爱因斯坦，他是20世纪也可以说是人类有史以来最伟大的科学家，他在1905年创立了狭义相对论。狭义相对论有个推论：质能相当关系式，就是说质量与能量可以相当，写出来是一个相当漂亮的数学表达式：E=mc2,E是能量，m是质量，c是光的速度（300000千米／秒）。用这个公式来计算物质内部的能量大到惊人的程度，如把1克物质代入m，算出的E可以相当于36000吨优质煤在常规状态下完全燃烧所释放的热能。爱因斯坦在100年前就指出，1克物质内部蕴藏着36000吨煤炭所具备的热能！谁说科学不是生产力？谁说科学不是第一生产力？爱因斯坦写出这个公式的时候是26岁！既不是博士，也不是教授，是瑞士伯尔利专利局的一名小小的职员，但是，他掌握了科学真理，得到了诺贝尔物理学奖。1945年他66岁，第一颗原子弹爆炸，实现了他的公式。从科学理论到技术实现用了40年。到了1915年爱因斯坦又提出了广义相对论，揭示了物质、运动和时间、空间之间的内在联系，改变了人类的时空观。

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关键词 相对论；经典物理学；影响

中图分类号 O2 文献标识码 A 文章编号 2095-6363（2017）11-0044-01

在人类物理学发展的进程中，有一群巨星照耀着我们前进的方向，他们或是坚毅不屈，或是执着不悔，或是以自己不可磨灭的热情来创建人类进程中不可预料的辉煌，而在这一群闪亮的星星中，两颗耀眼的巨星始终让人无法忽视他们的存在。熠熠生辉的群星是我们前进路上的明灯，这其中就有两颗巨星始终闪耀着自己的光芒，他们就是牛顿和爱因斯坦。

1 牛顿对于经典物理学的影响

牛顿在经典物理学的多个领域都做出过不可估量的贡献，他曾提出相对所谓经典力学，也就是指研究在低速情况下宏观物体的机械运动所遵循的规律的力学。经典力学的重要部分是什么呢？根据经典物理学发展史来说，其重要的组成部分是牛顿运动定律，也可以说是与牛顿定律有关的并且与其等价的其他力学原理，这些原理同样也是经典力学的基本定律。除此之外，他的一生中对于物理学的发展还做出了无数的、后人无法企及的贡献。牛顿可谓是经典物理学发展史中的中流砥柱。

2 爱因斯坦的成就

无独有偶，爱因斯坦对于近代科学发展进程的推进作用也是里程碑式的。1905年，爱因斯坦提出了三项都具有划时代意义的理论――光量子假说，因此而获得1921年诺贝尔奖，并且提出了狭义相对论、布朗运动的统计性解释，并由此引出的验证性实验的结果使得当时并不相信原子是真实的几位大科学家都转而相

信了。

他最大的成就有三点：1）从物理学发展的意义上说的，提出了以相对论为代表的新的物理哲学体系，以及由此引发的两大理论物理学派的论战；2）他发现的光电效应方程；3）他在维护世界和平方面做出的贡献.爱因斯坦为了反对核武器，他还主动退出核物理研究领域。

其中，相对论对于经典物理学产生了不可忽视的影响。那么，相对论究竟是什么呢？它主要应用于哪些方面呢？相对论又是怎样对于经典物理学产生不可忽视的影响了呢？笔者认为，以上的问题可以从相对论对于经典力学的利与弊的角度来阐述。

3 相对论对经典力学的利与弊

相对论是关于时空和引力的理论，主要由爱因斯坦创立，相对论根据本身的研究对象的不同可分为狭义相对论和广义相对论。相对论和量子力学的提出给物理学带来了革命性的变化，它们共同奠定了近代物理学的基础。相对论极大的改变了人类对宇宙和自然的“常识性”观念，提出了“同时的相对性”“四维时空”“弯曲时空”等全新的概念。不过近年来，人们对于物理理论的分类有了一种新的认识――以其理论是否决定论的来划分经典与非经典的物理学，即“非经典的=量子的”。在这个意义下，相对论仍然是一种经典的理论。

经典物理学与相对论之间的关系主要是任何两者或者多者的关系中，很难存在一拍即合或者配合的天衣无缝的情r，大多都是各个元素或者成员之间经过长时间的相互磨合才会使得一个团队或者一断关系能够长时间的保持顺畅的、和谐的相处方式。与此对应的，相对论和经典物理学的关系也未能幸免，经典物理学与相对论的关系中，矛盾性是不可忽视的一个重要的特点。

需要说明的是，经典物理学与相对论之间的矛盾是多方面的。比如，如果以经典物理学的视角来分析时间与空间的话，那么时间与空间是绝对的。但是矛盾恰恰就在此，如果以相对论的视角来看待两者的话，那么时间与空间就是相对的。除此之外，还有很多的情况是经典物理学无法解释的，那么，在这种情况下，就需要运用相对论来解决问题了，比如物体高速运动时的情况。由此可见，相对论对于经典物理学起到了辅助补充的作用，大大地弥补了经典物理学中存在的缺陷，完成了经典物理学无法解析的问题。但是，在此需要特别的说明的是，相对论并不会经典物理学，正如上述例子一样，对于经典物理学来说，相对论更多的是起到了补充开拓的作用，明确了经典物理学的适用范围，即低俗、宏观的物理世界，在高速围观的世界里对于经典物理学所不能达到的领域进行补充与加强。

牛顿经典力学认为质量和能量各自独立存在，并且提出了牛顿定律，但是，这一定律却使得狭义相对论面临巨大的挑战，即任何空间位置的任何物体都要受到力的作用。就在这个时候，为了解决这个问题，爱因斯坦提出了广义相对论。

爱因斯坦广义相对论认为，质量和能量各自独立存在，且各自守恒，它只适用于物体运动速度远小于光速的范围。

经典力学也是有其局限性的。1543年，波兰的哥白尼发表了《天体运行论》，提出了“日心说”，指出“地心说”是错误的，认识到了地球和其它行星都围绕太阳运动。经典力学以严格的数学方法和逻辑体系统一了宇宙间的运动，实现了人类对自然界认识的第一次理论大综合。经典力学又经历了17、18、19世纪的进一步完善。在逻辑上和形式上都进一步优美，日臻完善。

众多的实验结果表明：不存在以太，光速不受地球运动影响，是一个常量。这使得经典力学的预言失败，有力地证明了麦克斯韦的电磁学理论。看似百家争鸣的学术繁华现象并没有解决实际的额问题，相对的，反而使得物理学陷入了混乱之中。众所周知，狭义相对论与经典力学是极其相似的，两者均是低速情况下物体运动的适用理论，而在高速（特别是接近光速）的情况下，经典力学的不足之处也就体现出来了，他就不再适用，取而代之的是狭义相对论；第二是光速不变原理。在任意一个惯性系中，光速都为c，这就引出了关于同时性的相对性。由于光速是有限的，光从A地传播到B地需要一定时间，因此，在一个参考系中是同时发生的两件事件，在另一个参考系看来就不再是同时的了。每个参考系都有自己的时间，这一观点改变了千百年来人们头脑中的时间观念。相对论与经典力学是存在区别与联系的。具体的可以这样总结来看：经典力学是狭义相对论在低速（v

纵观人类科学发展史，任何一种理论，只要它能符合严密的逻辑，并且能合理地解释已发现的实验现象，还能够成功地预言尚未发现的现象并最终被实验所证实。那么，这个理论就不可能是完全错误的。但是它也绝不可能是完美的。因为它永远只是自然界的客观规律在某些特定条件、特定适用范围内的近似形式。也正因此，自然界是可以被认识的，但认识是永无止境的。

由此可见，相对论对于经典物理学的影响并不是但看一方面就能下结论的，相对论对于经典物理学的利弊，笔者看来，两者都是科学发展的产物，二者相辅相成，对于人类科学发展都是不可或缺的。

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2000多年前的物理学，中国、古希腊都有研究，但是真正意义上的精确科学，也就是说用数学、微积分这样的精确科学，实际上是在中世纪即在15世纪16世纪的时候，也就是牛顿、伽利略的时代，开创了物理学精确科学的先河，此后物理学得到了很大发展，后来的热学、电磁学、声学、连续介质动力学等问题也在十七、十八、十九三个世纪取得了很大发展。现在就从牛顿、伽利略时代起谈谈物理学的发展与人类的文明进步的关系。

一、工业革命前的人类文明

工业革命前的物理学虽然在漫长的历史进程中不断发展，但是并没有给人类带来生产力上的巨大改变，人类还处于刀耕火种的农业时代，那是的生产力很低下，人们的生活水平上千年来没有真正的突破。

二、人类的机械化时代

牛顿力学的建立和热力学的发展导致了第一次工业革命

1665年夏，年仅23的牛顿因英国爆发瘟疫而避居乡下，他一生最重要的成果，几乎所有的重要数学物理思想多诞生与不这个时期。在他45岁时，划时代的伟大巨著《自然哲学之数学原理》出版，奠定了整个经典物理学的基础，并对其他自然科学的发展产生了不可磨灭的推动和影响。

三、人类的电气化时代

经典电磁学是研究宏观电磁现象和客观物体的电磁性质。人们很早就接触到电和磁的现象，并知道磁棒有南北两极。在18世纪，发现电荷有两种：正电荷和负电荷。不论是电荷还是磁极都是同性相斥，异性相吸，作用力的方向在电荷之间或磁极之间的连接线上，力的大小和它们之间的距离的平方成反比。在这两点上和万有引力很相似。18世纪末发现电荷能够流动，这就是电流。但长期没有发现电和磁之间的联系。

19世纪前期，奥斯特发现电流可以使小磁针偏转。而后安培发现作用力的方向和电流的方向，以及磁针到通过电流的导线的垂直线方向相互垂直。不久之后，法拉第又发现，当磁棒插入导线圈时，导线圈中就产生电流。这些实验表明，在电和磁之间存在着密切的联系。法拉第用过的线圈

电和磁之间的联系被发现后，人们认识到电磁力的性质在一些方面同万有引力相似。为此法拉第引进了力线的概念，认为电流产生围绕着导线的磁力线，电荷向各个方向产生电力线，并在此基础上产生了电磁场的概念。

19世纪下半叶，麦克斯韦总结宏观电磁现象的规律，并引进位移电流的概念。这个概念的核心思想是：变化着的电场能产生磁场；变化着的磁场也能产生电场。在此基础上他提出了一组偏微分方程来表达电磁现象的基本规律。这套方程称为麦克斯韦方程组，磁学的基本方程。麦克斯韦的电磁理论预言了电磁波的存在，其传播速度等于光速。于是人们认识到麦克斯韦的电磁理论正确地反映了宏观电磁现象的规律，肯定了光也是一种电磁波。该理论实现了物理学的第三次综合，即电、磁、光的综合。

四、人类的高科技时代

人类社会发展到今天，已进入信息时代、核能时代、新材料时代和太空时代，也就是说进入了高科技时代。而这一切的基础是20世纪物理学革命的产物――相对论和量子力学。

19世纪，经典物理学的成就到达了顶峰。可是，世纪末的迈克尔逊-莫雷实验和黑体辐射实验形成了物理学万里晴空中的“两朵乌云”；而电子、X射线和放射性等新发现，使经典物理学遇到了极大的困难。有的物理学家呼唤：“我们仍然在期待着第二个牛顿。”需要巨人的时代造就了巨人。这第二个牛顿便是爱因斯坦。

1905年，爱因斯坦以“同时”的相对性为突破口，提出了“光速不变原理”和物理规律在惯性系中不变的“相对性原理”，导出了洛仑兹变换，从而驱散了第一朵“乌云”。这就是狭义相对论。在此基础上，他又得到的质能相当的推论E=mc2，预示了原子能利用的可能。

1913～1916年，爱因斯坦从引力场中一切物体具有相同的加速度得到启发，提出了“加速参照系与引力场等效”和物理规律在非惯性系中不变的“相对性原理”，从而得到了引力场方程。这就是广义相对论。他预言，光线从太阳旁边通边时会发生弯曲。1919年，英国天文学家爱丁顿以全日蚀观测证实了这一预言，从而开创了现代天文学的新纪元。爱因斯坦也因此名噪全球。

1900年，普朗克为驱散第二朵“乌云”，提出了“能量子”假设，量子论诞生了。1905年，爱因斯坦在此基础上提出“光量子”假说，用光的波粒二象性成功地解释了“光电效变”。同年，他把量子概念用点阵振动来解释固体比热。1912年，爱因斯坦又由量子概念提出了光化学当量定律。1916年，他由玻尔的原子理论提出了自发发射和受激发射的概念，孕育了激光技术。此后，对量子力学的建立作出重要贡献的著名物理学家还有：1923年提出实物粒子也具有波粒二象性的德布罗意，1925年建立量子力学的矩阵力学体系的玻恩和海森伯等，1926年建立量子力学的波动方程的薛定谔。同年，玻恩给出了波函数的统计诠释，海森伯提出反映微观世界特性的“不确定度关系”。量子力学揭示了微观世界的基本规律，为原子物理学、固体物理学、核物理学和粒子物理学的发展奠定了理论基础。它是20世纪物理学革命的。

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最吸引人的是美猴王。孙悟空有一个功能就是分身术，毫毛一拔，到处一扔，就变出好多个孙悟空。他还有另外一种非常强大的功能――筋斗云。翻一个筋斗，就可以从一个地方消失，在另一个非常遥远的地方出现。这有点像我们前阵子看到的科幻电影《星际穿越》里面的场景。

神话与现实：人可以在不同的时空生活

大家就问了，这些东西在我们现实生活当中到底能不能实现？大家都知道，得益于电动力学的建立，我们能进行无线电的通信。在1888年，赫兹在卡尔斯鲁厄――德国的小镇，做了一个实验来验证电磁波是不是存在。赫兹在这边一抖，那边即时的电火花就发生了。正因为有这些发明，后来有了电话，有了电视机，到现在我们用的手机，都可以现场实现千里眼、顺风耳这么神奇的功能了。所以我说，物理学真的非常有意思，它可以保证信息的有效传输。

狭义相对论和广义相对论都告诉了我们确实存在某种特殊的情况，有些地方时间过得慢一点，有的地方时间就过得快一点。比如在一个引力特别强的地方，一个小时甚至等于远处地方的七年。举个例子，如果有对双胞胎兄弟，有一个是宇航员，坐着宇宙飞船在宇宙中进行快速的旅行。等他回来之后，他双生的兄弟，已经变得很老了。这样的现象，在物理世界、在高速飞行的粒子里面，已经能看到了。确实是可以实现的。

因此形成了这样一种观点：我们在古代通过口口相传，进行信息的传递、交流和共享。随后我们有了文字，也可以通过书信来传递信息。到了后来，随着科技的发展，第一次工业革命热力学的发现，电动力学的运用，信息的传递效率变得越来越高。到了现代，因为有计算机和互联网的出现，整个地球都变成一个村子了。

有两个永恒主题将一直伴随着我们人类进化和社会发展：首先，怎样来加强信息交互的效率，把信息中有用的知识提取出来，进行传播、共享？这是非常重要的。同时，要加强隐私的保护，保证每个人思想的自由。比如说，如果可以非常方便地看到别人在想什么，可以控制他的思想的话，每个人都不可能进行自由的创造了。所以我觉得，隐私的保护是我们人类未来的一个基本保证。不然，我们就没办法继续进化下去了。

量子世界：事物可以同时在两个地方“存在”

我今天想跟大家分享的一个观点，就是量子力学在近百年的发展过程当中已经为解决这些重大的问题做好了准备。

量子力学认为：第一，在某些特殊的情况下，如果说你没有看这个客体到底是处于哪个位置的时候，在特定情况它可以同时处在两个位置。第二，就是客体的状态，只要观测一下，对它的影响就不可逆转了，而且是永久的、不可避免的、不可忽略的。

牛顿力学是一个非常美的理论。它告诉我们一个粒子和周围环境明确的话，它未来的运动状态，就可以计算出来了。如果所有的粒子都是由牛顿力学在控制的话，那么我们什么时候死、谁做生命学家、谁做物理学家，在宇宙大爆炸这个时候就已经确定了，个人的努力是毫无意义的。

从这个角度上讲，量子力学比经典牛顿力学哲学，要更加积极一些。量子力学告诉我们个人的行为、对体系的测量是可以影响世界的，从哲学上讲是非常积极的。

举个例子，我到北京来，送给朋友一个骰子，我事先做好了，送给他的这个骰子跟另一个骰子是纠缠态。然后我回到上海去了，就跟他说，你扔手中的那个骰子。他扔了好多次，把结果写下来，每次随机得到1到6里面的某一个点数。我就能跟他说你第一次扔的点数是多少，第二次是多少，我都可以猜得出来。这样的现象，我们把它叫作遥远地点之间的诡异互动。在2015年，这现象基本在物理角度被确证了，只剩一个很小的漏洞。这是我们正在做的一个研究。

量子通信：隐密、高速的信息交互

由此，新的科学就诞生了。有了量子的0加1之后，一些新的东西就诞生了。例如，可以利用它来保证原理上无条件的安全通信。如果将来立法，我们可以利用这种手段，保证我们的隐私。

利用这种量子计算手段，也可以算得非常地快，可以有效地揭示复杂物理体系的规律。就是说，可以把计算能力和信息安全两个问题都比较好地解决。

具体来说，比如说量子通信，我们可以用量子密钥分发。因为它是不可复制的，你去探测就会被发现。所以我们就可以有一种绝对安全的通讯方式。其实还有另外一种比较有意思的、利用这样的量子纠缠的概念。

因为时间关系，我只举一个例子。比如说要求解一个10的24次方的变量的线性方程组，用目前最快的天河2号超级计算机大概需要100年左右的时间。而利用万亿次的量子计算机，尽管计算的频率比天河2号要慢1万倍，但它只需要0.01秒就可以把这个方程给求解出来。所以它可以广泛地应用于药物设计、金融分析、气象预报、密码分析等等，用途是比较大的。

当然，也可以利用量子通讯，来构建一个非常好的网络，有城域网、城际网，利用卫星实现的这种广域的量子通信，可以比较好地保证我们的网络安全。

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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

3）由于现代物理学尚未发生“危机”，因此目前发生现代物理学革命的条件也许还不成熟，物理学的发展和物理学革命都有赖于在物理实验和对客观物质世界的观测中获得新的结果，实验和观测是发展物理学的量重要手段，这是我们要关注的首要问题。然而，科学的发展和物理学的发展有本身的逻辑，符合客观规律的、有真知灼见的思维也是一个关键。

篇8

一、中国与欧洲文化的对比

1．中国文化是建基于黄河河谷的大农业社会，以“人本”的家族文化为主，“物本”的宗教文化为次。聚河谷而居，居有定所，多见人邻，少见树木。人与人的关系比人与自然界的关系更为密切和重要，社会的主要问题和兴趣是在于人而不在于物。生活复杂的大农业社会，必须分工合作，自然要建立一个有组织和有权威的中央政府。家族文化是一个整体文化，个体有义务要支持整体的共同性，而整体亦有义务要照顾个体的特殊性。人是来自现实的祖先，必须对祖先负责。中国文化是强调整体、务实、内向、兼容、义务、约束、合作和相对性，重视对个人天赋欲念的自我克制和自我修养的人为能力，称之为“德”。人的问题只可以靠人自己去了解和处理，发展了人本的“人理(伦理)学”。无论从《易经》、《道家》、《儒家》到《诸子百家》等，都是以人本为基础来发展。特别是道家所重视以“顺其自然”人的“被动性”和“消极性”，而儒家则重视以“事在人为”人的“主动性”和“积极性”。人性有别于物性在于它的辩证特性：失败是成功之母，成功是失败之父；好坏事，坏好事；大乱之后必有大治，大治之后必有大乱等等相对而相反的大循环原理。

复杂的河谷生活，促使物的应用技术发展和发展的多极化。中国的四大发明是属于技术上的发明，而不是原理上的发现。中国数学的发展也是以实用，而不是以原理为基础。中国(汉)文字和欧洲数学文字同属于符号文字。要描述和了解“人本事物”，促使中国文字学的发展；中国文字的对称和其他特性也可以用来推到人本的可能新事物。当现有的文字不足以了解新事物情况下，自然要创造新的文字。要描述和了解“物本事物”，促使欧洲数学的发展。而数学的对称其他特性也可以用来推测物本的可能新事物。不同系统的数学有不同的极限性。当现有的数学系统足以了解新事物的情况下，自然要创造新的数学。符号文字与拼音文字是有不同的思维逻辑。所以认识中国文字学的人要学习数学，是有逻辑上的优势。

2．欧洲文化建基于游牧文化。游牧人逐水草而居，多见树木，少见人邻。人与自然界的关系比人与人的关系更为密切和重要。生活的主要问题和兴趣是在于物而不在于人。由于自然界的存在和变化，并非人力可以改变和控制，认为所有自然现象都来自能力最高的主宰。摘食猎鱼的简单生活，各人的功能差别不大，分工制度弱，独立性强，自由性大，平等性高。生活环境的不断改变，只有天，才有永恒的意义，倾向上天单极宗教的信仰。

欧洲文化是游牧文化和地中海内海文化(希腊逻辑文化、罗马帝国文化和中东耶稣宗教文化)的综合文化，以“物本”的宗教文化为主，“人本”的家族文化为次。它是强调个体、理想、外向、对抗、自由、权利、信仰和绝对性，重视发挥个人天赋欲念的自由和权利。欧洲文化在物质世界的“物性理论”发展，对人类物质生活巳作出了重要的贡献。中国文化在人类社会的“人性理论”发展，

二、科学技术科技

科学是物质世界的了解，是一种思想系统，也是一种顺其自然的思想活动，其探索的目标是“发现”。技术是物质世界的应用，是一种行动系统，也是一种事在人为的行动活动，其运作的目标是“发明”。早期的技术发展主要是靠尝试和经验，与科学的发展并没有一定的姻亲关系。后来的科技就是把科学与技术结合起来，利用科学知识来改进技术的发展，目标是“创新”。物理学是科学的基石。

三、物理学发展

物理学主要的兴趣是探索物质世界的基础结构和相互作用关系。物理学是一门量化的学问，从事物理量的研究和它们之间的时空基础关系。不能量化的东西便不是物理量。萌芽时代：物理学的起源是来自古希腊时代(650—330Bc，雅典)的几个重要思想。

(1)自然现象是根据“固定的自然定律”而发生(赛勒斯Thales，俗称为科学之父)——定律概念和演绎逻辑。(2)要描述所有自然现象，数字是扮演中心角色(毕达哥拉斯Pythag0ras)——数量描述。

(3)要改变自然状态，必需有起因(柏拉图Plato)——牛顿第二运动定律的广泛含意。(4)物质的原子(德谟克利特Democritus)和元素(亚里斯多德Aristotle)的概念——物体结构的基本成份概念。古希腊文化是强调个人自由和思想系统的探索，奠定了基本的科学精神、态度、构思、概念、逻辑、原则和言语。希腊化时代(338—31B．C．亚历山大港)：主要的兴趣在解决实用问题，知识分类及技术成就。重要思想发展有：(1)几何学定理的公理化(欧几里得Euclid)——演绎逻辑。(2)以地球为中心输送圆的均速运动为主，运转圆的均速运动为微扰，可以准确解释包括太阳在内的各行星在天上的运动。(3)物体“比重”物性的发现(亚基米德Archimedes)，后来进一步发展到“密度”物性。

黑暗时代(30B．C．一1300A．D．)：这是物理学发展a冬眠时代。(1)罗马帝国(3OB．C．一476A．D．)：罗马人是实用民族，他们强势在军事，行政和工程，而不在学术和科学。大量收集和发展希腊哲学思想，而很少有原始的创作。为了要准确解释以地球为中心的行星运动，增加了偏心圆的微扰(托勒密ptolemy)。(2)中世纪(476—1200)：中世纪的欧洲是一个宗教和封建的封闭保守时代。研究希腊哲学和科学的中心便转移到阿拉伯和波斯。(3)(1096—1270)：二百年运动，动摇了欧洲的封建制度和教会权力。伊斯兰的优秀文化开始对欧洲人开放。

复兴时代(1300—1600)：大乱之后必有大治。经历过的浩劫之后，欧洲从一个保守封闭的教条社会转入一个改革开放，实事求是和解放思想的文艺复兴时代，由神本回归到人本。文艺复兴使欧洲恢复对人，人的成就和人的世界的兴趣。文艺复兴把欧洲从一个较为落后的社会在五百年内，先后超过伊斯兰和中国社会。

1．机动力学(Mechan0dynamics)

从希腊时代到黑暗时代这一千六百多年，物理学发展的主要兴趣上行星运动。发展以数学的欧几里得几何学为基础，均速圆周运动为核心。到了复兴时代，以既定的数学基础来了解观测的事实，改变为从事实去寻找事实背后的数学原理。由实是求事改变为实事求是，由以数学为基础改变为以物理为基础。

(1)天上行星的日心椭圆运动的发现(开普勒Kepler，1571—1630)和地上物体的重力加速度及抛物线运动的了解(伽利略Galileo，1564—1642)。椭圆和抛物线非均速运动的发现是一个非常重要的突破，是欧几里得几何不能解释的现象。除了物理现象的突破外，更促使后来十七世纪解析几何的发展(笛卡尔Descartes和费马Permat)。

(2)机动力学的诞生：为了解决重力问题，牛顿(1642—1724)认为，天上月球围绕地球的运动与地上物体的抛物线运动是同一根源，及推出它们之间与地球中心距离的关系。他成功发现三个物体的运动定律：惯性定律，动力定律和反作用定律。更由第二和第三个定律推出物体之间的重力定律。为了完成三个运动定律，牛顿创造了两个重要的物理量：惯性质量=密度×体积和惯性动量=质量×速度。同时他更创造了一条微积分的数学工具，来取代欧氏几何学的不足。牛顿运动定律的力只是与物体的变速度有关，与物体的速度无关。

(3)牛顿动力定律理论的普遍化，以位能和动能取代外力和加速度：拉格朗日(Lagran—ge，1736—1813)和哈密顿Hamilton，1805—1865)。从物理定律推理到物理理论是符合从几何公理推理到几何定理的——演绎逻辑。

(4)牛顿动力学对随机过程的应用：麦克斯韦(Maxwell，1831—1879)，玻耳兹曼(Boltzmann，1841906)。19世纪未，机动力学已发展成为宏观物质世界一个完美的理论：完整，合理和前后一致。

2．电动力学(Electrodynamics)电磁现象虽然是人类很早便发现的自然现象，但到了十六世纪才开始从实验中取得量化的结果。

(1)电磁相互作用的关系：库仑(Coulomb)电荷与电荷和磁极与磁极的相互作用，奥斯特(Oersted)磁极与电流的相互作用，安培(Ampere)电流与电流的相互作用，法拉第(Faraday)电荷与运动磁极的相互作用。2)法拉第提倡电磁的“本地作用”来代替“超距作用”，导致“电磁场”物理量的诞生。

(3)电磁学的基本定律：根据电磁相互作用的关系和以电磁场为基础，麦克斯韦完成完整的“电磁场定律”，相当于牛顿机动力学中的物体重力定律。后来洛伦兹(Lorentz,1853—1928)更进一步完成电荷在电磁场中运动的“电磁场力定律”。“辐射反作用力定律”也是电磁学一个基本定律，只是直到现在，符合逻辑的定律还未完成。

(4)带电粒子动力学：洛伦兹的电磁场力是一个与速度有关的力。只有速度为零的情况，才适合牛顿的动力学系统。爱因斯坦(Einstein，1879—1896)采用牛顿动力推出电磁场力在速度为零的情况，再用洛伦兹惯性变换，把速度为零情况的结果变换到速度不等于零的情况。结果推出带电粒子在电磁场力的洛伦兹动量=v×牛顿动量。v是洛伦兹因子，与速度有关。FL=d(vp)／dt。相当于牛顿机动力学中的物体第二运动重力定律爱因斯坦后来把这方面的理论改称为“狭义相对论”。在狭义相对论的基础上，以微分几何为工具，爱因斯坦用演绎方法建立他的重力场论，称为“广义相对论”。可以说是一种重力场的电磁化。到这个阶段，除了辐射反作用力定律之外，电动力学基础的探索已基本完成。

(5)电功力学定律理论的普遍化：相当于拉格朗日和哈密顿对牛顿动力定律的理论推广和发展。

(6)电动力学对随机过程的应用：无规则电磁场的统计特性的发展。其结果应该符合量子力学和量子动力学的结果。简而言之，机动力学的发展是以动力的基础来发展作用力，而电动力学的发展却是以作用力的基础来发展动力。欧洲从牛顿到麦克斯韦这个二百多年的物理学发展时代，正好是欧洲从巴哈(Bach)到华格纳(Wagner)的音乐发展时代。这是欧洲自从古希腊时代以后，一个重要的思想创新时代。因此促进了文学，音乐，艺术，哲学和科学的高速发展。

3．辐射动力学(Radiodynamics)：辐射反映了物质世界的微观结构。

在19世纪未，出现了三个有关不相干辐射(随机性电磁波)与物质作用的物理现象：黑体辐射，光电效应和氢原子光谱。这些现象无法用决定性(Deterministic)的电动力学来解释。到二十世纪，也出现了与辐射作用有关的三个物理现象：离子体，核子一基本粒子和激光(决定性电磁波)作用。这些现象激发了物理理论的发展。

(1)量子论的诞生：普朗克(Planck)创立“量子”的新物理概念，成功解释黑体辐射的实验结果。后来，爱因斯坦和玻恩(Born)分别用量子来成功解释光电效应和氢原子光谱。

(2)量子力学：在数学的基础上，由海森伯(Heisenberg)，薛定谔(SchrOdinger)等所发展的量子数学系统(量子力学)，不但可以用来了解原子物理现象，也可以用来了解分子物理现象。

(3)基本粒子物理：基本粒子物理实验观察的新结果，促使大量相关理论的发展：量子电动力学，相对性量子力学，杨一(Yang-Mils)场等，其中杨一米场有更突破性的广泛意义。

20世纪的世界发生了重大变化。(1)物理学发展已由宏观的物质世界转入微观的物质世界。由以物理为主导的思维转回到以数学为主导的思维。微观物质世界发展了两个很矛盾的物理观点：在原子分子的领域，越基本的状态，寿命越长，能量越低；在粒子的领域，越基本的粒子，寿命越短，能量越高。(2)经过两次世界大战后，影响人类社会的重心已由欧洲社会，转移到没有传统民族文化的美国移民社会。美国文化是一个以商业为主，物质为重的实用文化，可以说是一个现代化的罗马帝国文化。

四、中国文化与未来科学发展

虽然科学的发展是源于古希腊，但亦需要通过欧洲各种不同的文化时代，才可以孵育发展出来。欧洲文化对科学发展的优点可能已经到了饱和状态。科学思想发展的进一步突破，必须要有新的文化来推动。中国文化对人理思想发展虽然是一个有五千多年的旧文化，但对物理思想发展却是一种很新的文化。中国复杂而辩证的人理思想，吸收和结合欧洲简单而演绎的物理思想，必定融合成为一种新力量，把科学发展推到更上一层楼，尤其是生命科学，医理科学和心理科学。由复杂系统去吸纳简单系统易，由简单系统去吸纳复杂系统难。中国文化是一个黑洞文化，善于把吸收的外来文化中国化。例如：印度佛教转化成为具有中国特色的佛教和欧洲社会主义转化成为具有中国特色的社会主义。外来文化中国化，是中国传统文化的一个特色。要再进一步的创新突破，必须把中国传统文化现代化。

篇9

二维的碳

实际上,石墨烯的奥秘就隐藏在你使用的铅笔头中,只要你用铅笔画一条线,你就从铅笔中释放了一些柔软的,呈银灰色的纯碳,它们是由一些层层重叠着的碳原子组成的。假若你能分离这些重叠着的碳原子,并获得一片只有一个原子厚的碳薄膜,你便得到了石墨烯。

上述工作也正是本年度诺贝尔物理学奖获得者英国曼彻斯特大学的安德烈・杰姆和克斯特亚・诺沃塞洛夫所从事的。事实上,从事这项工作的人很多,但只有他们成功了,而他们使用的方法也非常直接而巧妙,即用胶带分离石墨的层状结构,最后得到了仅由一层碳原子构成的薄片――石墨烯,它的厚度只有0.335纳米,300万片这样的物质叠加在一起也只有1毫米厚。

由于石墨烯是从石墨中得到的,又具有烯类物质的基本特征一碳原子之间的双键,因而得名石墨烯。现在让我们来想象一下石墨烯的样子吧,它是微观世界中一张单层的网,每个网格是一个完美的六边形,每个结头是一个碳原子。由于这张网只有一个原子厚,所以它近似于没有高度,只有长度和宽度,也就是说,它是二维的,不是三维的。简单地说,石墨烯是二维的碳,它是人类已知的最薄的材料。

高速运动的电子

得到了石墨烯后,杰姆和诺沃塞洛夫急切地想知道石墨烯的性能,他们测量了石墨烯的电行为,结果正如他们所预料的那样,石墨烯是导电的。他们开始对石墨烯做进一步的研究,于是事情变得越来越有趣起来。多数情况下,导体中电子的运动是杂乱无章的,它们随意地碰撞和滚动,很像游戏机中的弹珠,这是因为导体晶格中的杂质挡住了它们去路的缘故。然而杰姆和诺沃塞洛夫发现,石墨烯不是那样的,在石墨烯中,电子穿行很长的距离也不会在碰撞中轻易地散开。为什么石墨烯能够这样?杰姆猜测这可能与它们近乎完美的原子结构有关。

更为奇特的是,石墨烯中电子运动的速度非常高,这样高速的电子运动在其他导体中根本没有见到过。电子之间是相互作用的,这类相互作用的量子实体又被人们称为“准粒子”。2005年,杰姆的团队发现,在石墨烯中,准粒子的运动接近于光速,这令他们十分惊讶,因为一般情况下,如此高速的运动只能出现在某种极端的环境中,例如接近了一颗中子星,或者处在宇宙大爆炸中,只有在那种情况下,粒子才能被加速到如此高的速度。这种高速的粒子运动也正是物理学家们非常羡慕的,为了获得这种速度,他们要依靠粒子加速器,然而现在人们在石墨烯中看到了这种运动,这意味着仅仅使用石墨烯就能探索一些奇妙的物理现象了。

狄拉克震颤

使用石墨烯有望探索到一种被称为“狄拉克震颤”的现象,它是一种快速的震颤运动,最初是由英国物理学家保罗・狄拉克提出的,这种理论将量子力学与狭义相对论结合起来描述了快速运动的粒子。狄拉克预测,当如此运动着的粒子从一点迁移到另一点时,其行进的轨迹并非是一条直线,而是“震颤”着行进的,这是因为粒子带有极大的能量,因而它们产生了它们的反粒子。假若是电子的场合,那么产生的反粒子就是正电子。由于反粒子与原有粒子的相互作用,它们的轨迹便发生了波动,导致了“狄拉克震颤”。

然而“狄拉克震颤”是如此之快,以致人们很难观测到这种运动,不过杰姆说,类似的现象在石墨烯中能够出现,并且能够测量到,因为在石墨烯中,由于“粒子海”中所谓“空穴”的存在,粒子发生“震颤”的幅度大约为lOO纳米。杰姆相信,使用高分辨率的显微镜,这样的运动能被观测到。

克莱恩佯

在粒子接近光速的运动中,“狄拉克震颤”并不是唯一预测到的量子力学现象。1929年,瑞典物理学家奥斯卡・克莱恩还预测了另外一种奇妙的量子力学现象,他认为,在量子世界中,即使微观粒子的总能量小于势垒高度,这些粒子仍然能够穿越这一势垒,这种现象又称为“量子隧道效应”。

为了便于理解,让我们想象一堵墙,它就是所谓的“势垒”,然后再想象我们向着这堵墙踢出了一个足球,也就是所谓的“粒子”。日常的经验告诉我们,足球会被这堵墙壁弹回来,然而在量子世界中,“足球”却是有可能出现在“墙壁”的另一边的!这就是“克莱恩效应”,又称为“克莱恩佯谬”。也就是说,在量子世界中,粒子可以不理会挡在它们前进路途上的“墙”,即势垒。为什么会这样呢?原因就存在于前面所讲的“狄拉克震颤”中,由于粒子带有极高的能量,它们在“墙”中创造了它们的反粒子。这些反粒子“穿墙而过”,又在“墙”的另一边制作出了原来粒子的“复制品”。因为在反粒子看来,真实世界里的山峰会变成了山谷,反粒子很容易通过这个反物质世界的“山谷”到达势垒的另一边,于是看上去,它们直接穿过了“墙”,就仿佛这堵“墙”根本就不存在一样。

杰姆和他的同事们认为,如果在一个狭长的石墨烯材料上创造一个“势垒”,再施以电场,他们就有可能目睹“准粒子”穿越“势垒”的过程。

可以想见,石墨烯不仅是材料学家的宠儿,也将在理论物理学上大有用武之地。

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篇10

一、和谐之美

物理学概念中蕴藏着丰富的“和谐之美”，它启迪人们认识和探究未知世界的智慧。例如，

(1)关于时间的变化率的概念：速度v=s/t、角速度ω=Φ/t、加速度a=(vt－v0)/t、功率P=W/t、电流强度I=Q/t等。这些概念遵循共同的特点，即反映“变化快慢”的物理量；

(2)相对立的概念：静止与运动、正电荷与负电荷、N极与S极、引力与斥力、匀速与变速、会聚与发散等。它们是相对立的，也是完美的统一；

(3)相对应的概念：功与冲量、动能与动量。功和冲量都是过程量，功是力对空间的积累，而冲量是力对时间的积累；功是标量，冲量是矢量。动能和动量都是状态量，但动能是标量，动量是矢量。可理解为它们是对物体的运动过程或状态的不同的度量方式。

二、对称之美

物理规律、物理过程及物理“形体”总会让人感受对称的美。例如，万有引力与库仑定律、动量守恒定律与机械能守恒定律、动量定理与动能定理、光的波粒二象性与微观粒子的波粒二象性、机械波与电磁波遵循波的共同规律(波的衍射、干涉和多普勒效应)、单摆运动过程、简谐运动与简谐波的图像等，这些对称与均衡之美真正达到令人惊叹，美不胜收的境地。

三、方法之美

物理问题研究方法上的统一美妙不可言，令人拍手叫绝。例如，

(1)分解与合成：一切矢量的分解与合成、波的独立性与叠加性、场的分解与叠加(如电场与磁场的复合)，是具有共性的处理方式。

(2)归一化：安培的分子电流的假说揭示了磁现象的“电”本质，使我们认识到磁铁的磁场和电流的磁场一样，都是由电荷的运动产生的；奥斯特发现了电流的磁效应，法拉第总结出电磁感应定律，从而认识到电能产生磁，磁也能产生电。麦克斯韦电磁理论，又进一步揭示了电磁之间的相互依存、对立统一的关系，使电磁理论得到完美和归一。

四、思维之美

物理规律的摸索包含思维过程，如伽利略在研究自由落体运动性质中巧妙采用“冲淡”重力的思想，通过合理推理确认了自由落体的运动性质。尤其是汤姆逊、卢瑟福、查德威克等人对微观结构发现与认识过程之美，这些科学家们通过假说、实验、分析与判断、推理、综合，使理论逐步提升和完善，让人们感悟出认识世界过程中的思维方法与品质，从中汲取研究问题的方法和人生宝贵的精神财富，探究自然规律的过程本身艰辛和神奇之美，更激发了人们探索自然世界的无限热情。

五、辩证之美

物理学揭示事物发展变化及相互作用规律，充满辩证法。如楞次定律(感应电流的磁场总是要阻碍引起感应电流的磁通量的变化)、电磁感应现象等，它们矛盾着的双方既对立(如“阻碍”变化)又统一(如规律反应能量的“守恒”)，生动地反映了矛盾的相互对立、相互转化又是统一的辩证法。物理学让学生感悟到事物间的辩证统一，催生学生正确世界观的形成，这种辩证思想也为即将走向社会的学生认识社会和认识自然作出了思想及方法的进步的铺垫。

六、简洁之美

爱因斯坦信仰“宇宙有一种最终的简单性和美”。如爱因斯坦的质能方程E=mc2，牛顿第二定律表达式F=ma，又如纷繁复杂的天体运动服从开普勒三个定律，物体间的万有引力等，数不胜数，它们都给人以简洁、明快、精练的美感。

七、曲线之美

抛体运动的轨迹、天体运动轨迹、电场的电力线与磁场的磁力线、电磁波的波的图线、波的干涉与衍射图样等无不向人们渲染自然曲线之美。以其温柔与力量、流畅与均衡，展现绝伦之美。

八、广阔之美