時間：2023-05-30 10:16:46
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創(chuàng)造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇量子物理學，希望這些內(nèi)容能成為您創(chuàng)作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
過去100年里，科學家們已經(jīng)知道量子的行為非常奇特。在自然的微觀世界里，一些科學常識方面的定律被其內(nèi)部奇怪的量子物理學規(guī)律所顛覆。單個粒子很難從周圍環(huán)境中隔離觀測，因而量子物理學中很多奇特現(xiàn)象無法被直接觀測到，也就是說觀測會改變量子物理學中被察看的體系。這也是量子力學與經(jīng)典力學的一個主要區(qū)別：在經(jīng)典力學中，一個物理系統(tǒng)的位置和動量，可以同時被無限精確地確定和預(yù)言。在量子力學中則不然，測量過程本身會對系統(tǒng)造成影響。根據(jù)量子理論中的基本原則沃納?海森伯的不確定原理，量子物體的所有屬性都不具有完全確定的值。例如，一個光子或一個電子不可能同時具有確定的位置和確定的動量。對一確定的時刻，它也不可能有確定的能量。能量可隨時自發(fā)出現(xiàn)無法預(yù)言的變化。所考慮的時間間隔越短，這種能量隨機漲落就越大。而另一種情況下，量子物理學中的有些粒子的波函數(shù)形成不隨時間變化的概率分布，許多在經(jīng)典力學中隨時間動態(tài)變化的過程在量子力學中卻形成“定態(tài)波函數(shù)”。例如，原子中的一顆電子在其最低狀態(tài)下，在經(jīng)典力學中由一個圍繞原子核的圓形軌道來描寫，而在量子力學中則由一個靜態(tài)的、圍繞原子核的球狀波函數(shù)來描寫。
因而在量子物理學中，時間的引入導(dǎo)致了許多重要而有趣的現(xiàn)象，光譜區(qū)域、共振和平衡態(tài)，量子混合，動態(tài)穩(wěn)定性和不可逆性和“時間之箭”均與量子物理學中的時間衰變有關(guān)。這本書致力于為量子物理學中的漸近的時間衰變的相關(guān)概念和方法提供清晰而準確的闡述。
本書內(nèi)容共6章：1.單粒子量子力學的數(shù)學和物理背景知識；2.自由波包的傳播和漸近衰變：靜態(tài)相位方法和van der Corput方法；3.類時間衰變和光譜特性的關(guān)系；4.一類稀疏勢模型的時間衰變；5.共振和準指數(shù)衰變；6量子力學和經(jīng)典力學的連接：無限自由度的量子系統(tǒng)。
本書作者均來自巴西圣保羅大學。本書適合于學習數(shù)學物理或量子理論的學生和相關(guān)研究人員。
楊盈瑩，助理研究員
（中國科學院半導(dǎo)體研究所）
美國物理學會評選的2006年度國際物理學重大進展日前揭曉，中國科學技術(shù)大學潘建偉研究小組發(fā)表在《物理評論快報》上的關(guān)于“單光子量子態(tài)遠程克隆”的研究成果榜上有名。這是繼2004年之后，中國科學家在國內(nèi)取得的研究成果再次被美國物理學會選為國際物理學年度重大進展。
潘建偉教授及其同事利用國際領(lǐng)先的多光子糾纏技術(shù)，在國際上首次實現(xiàn)了基于多光子糾纏的量子態(tài)遠程克隆，隨后日本東京大學一個研究小組實現(xiàn)了基于連續(xù)變量的量子態(tài)遠程克隆。這兩項工作一起被美國物理學會評選為2006年度國際物理學重大進展。
我國一體化虛擬儀器問世
近日，由重慶大學測試中心秦樹人教授承擔的《虛擬儀器關(guān)鍵技術(shù)的研究及其產(chǎn)業(yè)化》于2006年12月16日通過國家863項目辦公室組織的課題驗收。專家說，這項成果表明我國在虛擬式儀器方面走出一條與歐美技術(shù)線路完全不同的自主創(chuàng)新路子，并成為國際上嵌入式一體化虛擬儀器研發(fā)的先行者。
秦樹人教授主持研發(fā)的“一體化虛擬儀器”是一種不同于歐美虛擬儀器的新技術(shù)，它綜合了虛擬儀器與硬件化、智能化儀器的特點，將虛擬儀器與傳統(tǒng)硬件化儀器相結(jié)合，形成嵌入式的一體化儀器系統(tǒng)。一體化虛擬儀器的支撐平臺由通用的計算機改為嵌入式CPU系統(tǒng)，基本硬件平臺包括LCD、數(shù)據(jù)采集器、特制鍵盤和旋鈕等。由于集成了采集設(shè)備、調(diào)理設(shè)備和人機交互裝置，簡化了計算機及其外設(shè)的電源系統(tǒng)、采集設(shè)備和調(diào)理設(shè)備的繁瑣性，有利于在測試現(xiàn)場和工廠車間使用。和通用虛擬儀器系統(tǒng)相比，一體化虛擬儀器可以實現(xiàn)系統(tǒng)的整體校正，達到很可靠的高精度，具有更強的防止電磁干擾能力。
熒光RT-PCR技術(shù)可測知狂犬病
近日，由北京檢驗檢疫局張鶴曉研究員主持研發(fā)了一種熒光RT-PCR技術(shù)，這種技術(shù)可在4內(nèi)小時內(nèi)通過分析活體犬貓唾液樣本檢測出是否感染狂犬病病毒。
據(jù)了解，用傳統(tǒng)的檢測方法，檢測時間至少要2天，而該技術(shù)在國內(nèi)首次將TaqMan快速熒光RT-PCR檢測技術(shù)用于動物源性狂犬病病毒的快速檢測，4個小時就能得到檢測結(jié)果，為及時發(fā)現(xiàn)攜帶狂犬病病毒的犬貓爭取了時間。同時，這種檢測方法可檢測樣品中極微量的病毒。與傳統(tǒng)的普通RT-PCR檢測方法相比較，該方法的靈敏度可提高100倍左右。此外，這種檢測方法還克服了傳統(tǒng)檢測方法中對犬貓腦組織切片實施檢測導(dǎo)致的方法繁雜、靈敏性差的弊端。
專家稱，該檢測技術(shù)的建立，為我國狂犬病病毒的快速檢測提供了一種新的可靠方法，對于狂犬病疫情的防控具有重要意義。
6000噸壓力數(shù)控折彎機問世
近日，壓力達6000噸、世界最大的數(shù)控折彎機能在我國自主開發(fā)成功。此產(chǎn)品是目前世界上最大噸位的數(shù)控折彎成型機，集成創(chuàng)新特點顯著，具有自主知識產(chǎn)權(quán)，整體技術(shù)達到國際先進水平。
有關(guān)專家說，企業(yè)技術(shù)人員在這一裝備研發(fā)中，開展了深度集成創(chuàng)新和部分原始創(chuàng)新，在國內(nèi)如果將長達12米的鋼板送入折彎成型機，很快就變成了一個又長又粗的鋼管。首創(chuàng)的6缸電液伺服同步控制技術(shù)，其定位精度和重復(fù)定位精度遠高于國外同類產(chǎn)品指標。6000噸折彎機的問世將打破外國企業(yè)在這一重型數(shù)控裝備領(lǐng)域的壟斷局面。
高效無鹵阻燃高分子材料研制成功
有關(guān)媒體報道，在2006年7月1日正式實施的歐盟《關(guān)于在電子電氣設(shè)備中禁止使用某些有害物質(zhì)指令》，對中國的電子電器產(chǎn)品產(chǎn)生了非常大的影響，有數(shù)據(jù)顯示受直接影響的出口額將達三百多億美元。東北林業(yè)大學李斌教授帶領(lǐng)課題組創(chuàng)新研制成功可在電子電器中使用的高效無鹵阻燃高分子材料,成為可以應(yīng)對歐盟禁令的替代物。
李斌教授帶領(lǐng)相關(guān)人員歷經(jīng)3年艱苦努力和不懈攻關(guān)，創(chuàng)新性地提出了適用于玻纖增強尼龍66的無鹵阻燃劑的分子設(shè)計，合成了金屬離子改性聚磷酸蜜胺鹽(M-MPP)新型高效無鹵阻燃劑。該阻燃劑具有針狀的晶型結(jié)構(gòu)，能明顯提高阻燃材料的力學性能,阻燃效果好,利于切割。據(jù)悉，這一課題被列為黑龍江省十五科技攻關(guān)重點項目。
我國成功發(fā)射“風云二號”D氣象衛(wèi)星
2006年12月8日，中國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用“三號甲”運載火箭，成功將“風云二號”D氣象衛(wèi)星送入預(yù)定軌道。
火箭發(fā)射24分鐘后，據(jù)西安衛(wèi)星測控中心和在太平洋執(zhí)行任務(wù)的“遠望”號航天測量船報告，衛(wèi)星已經(jīng)成功進入地球同步轉(zhuǎn)移軌道。經(jīng)過一系列控制，衛(wèi)星將最終定點于東經(jīng)86.5度赤道上空。
“風云二號”D氣象衛(wèi)星是由中國航天科技集團公司所屬上海航天技術(shù)研究院為主研制，可全天候?qū)Φ厍蜻M行連續(xù)氣象監(jiān)視，獲取地球空間環(huán)境白天可見光云圖、晝夜紅外云圖和水汽分布圖；收集和轉(zhuǎn)發(fā)氣象、海洋、水文等觀測數(shù)據(jù)；監(jiān)測太陽X射線和空間粒子輻射數(shù)據(jù)等。衛(wèi)星重約1.39噸，在軌采用自旋穩(wěn)定方式，用戶為中國氣象局。
用于這次衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)的“三號甲”運載火箭，由中國航天科技集團公司所屬中國運載火箭技術(shù)研究院為主研制。這次發(fā)射是系列運載火箭的第94次飛行。
我國已培育2000多個小麥新品種
截至目前，我國采用傳統(tǒng)育種技術(shù)已育成小麥新品種2000多個，為我國小麥生產(chǎn)做出了突出貢獻。
中國農(nóng)科院院長翟虎渠在此間舉行的全國矮敗小麥育種研討會上表示，目前，我國生產(chǎn)上大面積種植的主要小麥品種的產(chǎn)量與世界上同類生態(tài)區(qū)相比，已具有較高的水平，品種的品質(zhì)、抗性也取得明顯改進。
據(jù)悉，“十五”時期，中國農(nóng)科院培育出以“輪選987”為代表的一批高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、多抗、廣適的“輪選”系列小麥優(yōu)良新品種，實現(xiàn)了我國小麥育種技術(shù)研究的重大突破，是我國農(nóng)業(yè)科技界的一項重大自主創(chuàng)新性的科技成果，屬國際首創(chuàng)，達到國際領(lǐng)先水平。
中興通訊推出HSDPA終端產(chǎn)品
近日，作為中國最早投入3G的企業(yè)之一，中興通訊近日推出全系列HSDPA終端產(chǎn)品，這標志著中國本土企業(yè)在3.5G終端技術(shù)研發(fā)上已與國際巨頭齊頭并進。
HSDPA，即高速下行分組接入，又被稱為“3.5G技術(shù)”，是目前全球建設(shè)正酣的WCDMA3G技術(shù)的升級版，它可以在不改變現(xiàn)行網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的情況下，把速率提高到10.8兆以上。
作為全球3G終端領(lǐng)域的主要廠商，中興通訊近日展示了全系列HSDPA終端產(chǎn)品，包括三模手機和全球第一款支持AHSDA和DVB－H技術(shù)的電視手機。至此，中興通訊已具有全系列的HSDPA終端。
業(yè)內(nèi)人士認為，中興通訊3.5G手機的推出標志著中國手機企業(yè)在技術(shù)上已與諾基亞、摩托羅拉等歐美巨頭一起走在行業(yè)前列。
江民殺毒軟件KV2007上市
2006年12月，國內(nèi)最大的計算機反病毒廠商江民科技宣布，經(jīng)過緊張的研發(fā)，兼容VISTA版本的江民殺毒軟件KV2007已研發(fā)成功，江民殺毒軟件由此成為國內(nèi)首家支持微軟新一代操作系統(tǒng)VISTA的殺毒軟件。
據(jù)微軟稱，VISTA是微軟從2001年即開始研發(fā)，共計投入6000名軟件工程師研發(fā)推出的重量級產(chǎn)品，安全性是VSTA的最大亮點。VISTA安全中心集成了WindowsDefender等安全組件，并且應(yīng)用了一種PatchGuard的內(nèi)核保護技術(shù)，這一技術(shù)能夠阻止病毒和木馬對內(nèi)核的修改，同時也成為殺毒軟件進入VISTA內(nèi)核的一道門檻。正因如此，國際上一些殺毒廠商對于微軟不能提供足夠的技術(shù)資料的行為表達了不滿情緒，因為這將影響他們的殺毒軟件在VISTA內(nèi)核的工作。業(yè)內(nèi)人士表示，VISTA將把一些技術(shù)實力薄弱的小型反病毒廠商阻擋在大門之外。
二氧化碳造影輸送新裝置面世
由南京東南大學附屬中大醫(yī)院等單位在國內(nèi)首次研制成功的，具有自主知識產(chǎn)權(quán)的“一體化二氧化碳氣體儲存與輸送裝置”，日前通過省級科技成果鑒定，并已在臨床成功應(yīng)用。
據(jù)課題主要負責人、著名介入放射專家、中大醫(yī)院介入放射治療中心主任滕皋軍教授介紹，將二氧化碳氣體用于血管造影，近年來越來越受到關(guān)注，但這對儲存與輸送二氧化碳的裝置有著很高的要求，國內(nèi)市場一直缺乏此類產(chǎn)品，國外研制的裝置操作復(fù)雜、價格昂貴，所以該項技術(shù)很難在國內(nèi)廣泛開展。南京東南大學附屬中大醫(yī)院等單位研制的“一體化二氧化碳氣體儲存與輸送裝置”，采用醫(yī)用高分子材料制成，主要由二氧化碳單向閥門的進氣端、二氧化碳密封存儲袋等組成。
第四代燃料電池汽車樣車研制成功
記者從第二屆IEEE國際“汽車電子及安全”會議獲悉，由同濟大學、上燃動力公司、上汽工程研究院、新源、神力燃料電池公司、蘇州星恒公司等共同開發(fā)的第四代燃料電池汽車樣車已于2006年12月12日裝車成功。
據(jù)介紹，第四代燃料電池汽車運用上海市的工業(yè)副產(chǎn)品――氫氣，不但節(jié)能環(huán)保，而且與使用普通內(nèi)燃機的汽車相比，燃料費每百公里可節(jié)省20元左右，新能源汽車的前景非常光明。據(jù)悉，新一代燃料電池汽車將于2008年參與奧運會，并將在2010年“世界博覽會”期間與人們見面。
中日科學家發(fā)現(xiàn)記憶玻璃合金
【關(guān)鍵詞】原子物理學教學；教學內(nèi)容；教學方法
0 引言
原子物理學是物理學專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)必修課，是繼力學、熱學、光學和電磁學之后的最后一門普通物理課程。原子物理學是普通物理的重要組成部分，它屬于近代物理[1]。原子物理學包括原子物理、原子核物理和粒子物理[2]。原子物理學是20世紀隨著量子力學的發(fā)展而發(fā)展起來的，至今，原子物理學的許多問題仍然是科學研究的前沿問題。原子物理學是現(xiàn)代科學技術(shù)的基礎(chǔ)，是連接經(jīng)典物理與現(xiàn)代物理的橋梁。學好原子物理學能為后繼的量子力學、固體物理等課程打下堅實的理論基礎(chǔ)。因此，學好原子物理學具有十分重要的意義。本文根據(jù)近幾年原子物理學教學實踐，分析了教學現(xiàn)狀，在教學內(nèi)容、教學方法上對原子物理學教學進行了研究和實踐。
1 原子物理學教學現(xiàn)狀
首先，原子物理學知識抽象、難懂，沒有清晰的物理圖像。原子物理學是研究原子的結(jié)構(gòu)、運動規(guī)律及相互作用的一門科學。其研究的物質(zhì)結(jié)構(gòu)介于分子和原子核之間，線度約為10-10米，用肉眼是根本無法直接觀察的，只能在頭腦中想象。學生在學習的過程中普遍反映知識很抽象，摸不著頭腦，不像學習力學知識那樣，對物體運動有清晰的物理圖像。其次，教材內(nèi)容過于老化。20世紀30年代M.Born寫了一本《原子物理學》，H.E.White寫了一本《原子光譜導(dǎo)論》，這兩本書是原子物理學方面的經(jīng)典之作。現(xiàn)在的原子物理學教材體系一般遵循Born和White模式，大部分的教材內(nèi)容都是反映20世紀30年代前后的知識，現(xiàn)代科技知識涉及太少。講授理論知識若缺乏實際應(yīng)用的介紹，將會使知識僵化，知識面狹窄，難以激起學生的學習興趣。
2 原子物理學教學內(nèi)容的研究與實踐
2.1 恰當處理好玻爾理論與量子力學的關(guān)系
大部分的教材內(nèi)容一般都是按照原子物理學的發(fā)展歷史進行編寫的。從原子的光譜實驗到玻爾提出的量子化假設(shè)理論（基于經(jīng)典物理基礎(chǔ)上的量子化，半經(jīng)典半量子，稱為舊量子理論），再由玻爾理論講授原子的能級、精細結(jié)構(gòu)、超精細結(jié)構(gòu)等。對于微觀領(lǐng)域，正確描述電子運動的是量子力學理論，玻爾理論是有其局限性的。最突出的問題是電子的軌道運動，根據(jù)玻爾理論，電子在庫侖力的作用下沿著一些特定的軌道繞原子核運動。在量子力學中，電子運動是由波函數(shù)來描述的，滿足薛定諤方程，電子的運動具有不確定性，只能用概率來表示，沒有軌道運動的概念，量子力學中是用“電子云”來形象說明電子的運動。教學中若處理不好玻爾理論與量子力學的關(guān)系，會讓學生覺得知識有點混亂，莫衷一是。筆者認為在原子物理學教學過程中，能用玻爾理論解決的問題就盡量不要用量子力學，如玻爾理論不能解決，則可定性地用量子力學知識來解釋，避免復(fù)雜的量子力學推導(dǎo)過程。原子物理學雖屬近代物理，但仍是普通物理學的重要組成部分，應(yīng)該具有普通物理學的特點，要注重基本的物理實驗、物理圖像、物理思想和物理模型[3]。若用量子力學進行詳細的解釋，則要涉及波函數(shù)、算符、力學量、薛定諤方程、微擾理論等復(fù)雜的量子力學知識，會淡化和掩蓋了原子物理學的基本的物理實驗、物理圖像、物理思想和物理模型。恰當處理好玻爾理論與量子力學的關(guān)系，既能使學生易于接受原子物理學知識，又能為后繼的量子力學等課程打下基礎(chǔ)，使原子物理學成為連接經(jīng)典物理和現(xiàn)代物理的橋梁。
2.2 緊密結(jié)合現(xiàn)代科學技術(shù)知識
原子物理學是現(xiàn)代科學技術(shù)的基礎(chǔ)，隨著原子物理學的發(fā)展，新思想，新知識不斷被發(fā)現(xiàn)，在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生了大量的現(xiàn)代科學技術(shù)。如與原子受激輻射有關(guān)的激光技術(shù)；與原子的內(nèi)層電子激發(fā)有關(guān)系的X射線的熒光分析技術(shù)、計算層析技術(shù)；與物質(zhì)波有關(guān)的電子顯微鏡；與原子能級分裂有關(guān)的電子順磁共振和核磁共振等等，其中X射線影像、核磁共振成像已應(yīng)用到醫(yī)學領(lǐng)域[4]。將這些科學技術(shù)知識引入到原子物理學教學中，不僅可以加深學生對所學知識的印象，還可以開闊他們的視野，激發(fā)學習興趣，培養(yǎng)創(chuàng)新意識，取得良好的學習效果。
2.3 適當引入物理學史
原子物理學的發(fā)展產(chǎn)生了許多重要的創(chuàng)造成果，包括1999年在內(nèi)共有96項諾貝爾物理學獎，其中就有66項是與原子物理學有關(guān)的，占到總獲獎數(shù)的2/3。這些諾貝爾物理學獎的成果不僅是原子物理學發(fā)展的重要里程碑，而且是前輩物理學家創(chuàng)造性研究的典范[5]。在教學過程中，適當?shù)刂v解一些有代表性物理學家的工作背景、研究思路、研究方法以及他們在面對困難時的科學創(chuàng)新精神、非凡的膽識，都會對學生留下深刻的印象，引起長久的思考。例如，電子自旋假說是20世紀初最重要的假設(shè)之一，電子自旋的提出在原子物理學發(fā)展歷史中具有里程碑的意義。1925年，荷蘭的兩位在讀大學生烏倫貝克和古德斯密特，在地球運動規(guī)律的啟發(fā)下，經(jīng)過深入研究，大膽提出了電子自旋假設(shè)。但誰能想到這樣重要的理論是由兩個還沒畢業(yè)的大學生提出的。對于兩個年輕人來說，提出這樣的理論不僅需要創(chuàng)造精神，更需要非凡的勇氣和膽識。我們在課堂教學中引入這樣的事例，在學生中激起了強烈的反響，引發(fā)了熱烈的討論，極大地提高了他們的學習熱情和學習興趣，同時也培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。
3 教學方法的研究與實踐
3.1 明確重難點，有的放矢
原子物理學的知識面較廣，知識點松散，各知識點間的邏輯性、系統(tǒng)性不強，再加上學時少，一般只有54學時左右，教學任務(wù)重。因此，教學方法就顯得尤為重要。按照原子物理學教學大綱，明確教學中的重難點。每堂課都要向?qū)W生明確哪些知識需要重點掌握，哪些需要理解，哪些需要了解。重難點知識要精講、細講，從物理實驗、物理圖像、物理思想、物理模型到具體的推導(dǎo)過程都要講清楚，不惜面面俱到。理解性的內(nèi)容可講清楚物理思想和物理圖像，不必過多涉及細節(jié)性內(nèi)容。了解性的內(nèi)容可讓學生課下自行學習，給出一些參考資料，讓學生以讀書報告的形式提交作業(yè)。明確教學中的重難點，學生明確了學習目標，提高了學習的積極性，促進了學生的自主學習。
3.2 傳統(tǒng)板書與多媒體教學的有機結(jié)合
傳統(tǒng)板書具有講課思路清晰，留給學生較多的思考時間，易于跟上講課思路等優(yōu)點。對重要公式理論的推導(dǎo)，系統(tǒng)知識的梳理具有良好的教學效果。多媒體教學可演示圖片、動畫、影像資料，具有形象直觀的特點，而且幻燈片記載的信息量大，放映時間少。在原子物理學教學中，將傳統(tǒng)板書與多媒體教學的有機結(jié)合起來，能收到良好的教學效果。例如講電子的自旋―軌道相互作用時，先用多媒體演示電子自旋運動和軌道運動的動畫，學生頭腦中有了清晰的物理圖像，然后再采用板書的形式詳細推導(dǎo)其作用規(guī)律，就比較容易理解。一些著名的物理實驗現(xiàn)象，現(xiàn)代科學技術(shù)應(yīng)用，著名物理學家生平簡介等都可以通過多媒體展示給學生。既能拓寬學生的知識面，還能活躍課程氣氛，激發(fā)學習興趣，提高學習積極性。
4 小結(jié)
原子物理學雖已有一百多年的歷史，但仍是具有生命力的，不斷向前發(fā)展的科學，原子物理學教學也應(yīng)不斷地向前發(fā)展進步。本文根據(jù)近幾年原子物理學教學實踐，在教學內(nèi)容、教學方法上對原子物理學教學進行了研究和實踐。以期能與同行進行討論，共同提高原子物理學教學水平。
【參考文獻】
[1]喀興林.關(guān)于原子物理學課程現(xiàn)代化問題[J].大學物理，1992，11（11）：6-8.
[2]褚圣麟.原子物理學[M].北京：高等教育出版社，2012.
[3]高政祥.原子物理學教學改革的幾點探索[J].大學物理，2001（4）：34.
本世紀以來，物理學哲學研究有了長足的進步，這與現(xiàn)代物理學所具有的一些新特點有很大關(guān)系：一是本世紀理論物理學研究在許多方面超前于實驗物理學的研究，人們無法對理論物理學的一些結(jié)構(gòu)及時通過觀察和實驗進行檢驗，這就使得人們從認識論和方法論角度對物理學思想的合理性和物理學理論自身邏輯結(jié)構(gòu)的自洽性的驗前評價變得十分重要；二是當今各種物理學理論（如相對論和量子論）在逐步統(tǒng)一過程中所顯現(xiàn)出的整體有機聯(lián)系的自然圖景和對在極端條件下（如宇宙爆炸初期）的物質(zhì)特性的探索都促使物理學與哲學進一步融合起來，使物理學家感到了從哲學的高度去更深刻地把握物理學前沿提出的種種物理學理論和概念問題的必要性；三是當代物理學所研究的微觀和宇觀客體的物理性質(zhì)與規(guī)律，由于不能被我們的感官所直接感知，這就必須從認識論的角度說明現(xiàn)代物理學理論描述的微觀或宇觀世界圖景的合理性與真實性，從而在微觀或宇觀世界與我們?nèi)粘Ｉ畹暮暧^世界之間建立起一道相互理解的橋梁。
正是現(xiàn)代物理學的這些特點，決定了當代物理學哲學的不同研究途徑，即從不同的角度出發(fā)，對物理學進行哲學反思，達到豐富和發(fā)展哲學認識論與方法論以及加強對物理學理論和概念自身理解的目的。
一
物理學哲學的研究途徑之一是從通過對物理學概念，尤其是新物理學概念，物理意義的闡釋入手，提高到哲學高度進行分析，進而促進了哲學的發(fā)展。這一方面是由于如量子力學創(chuàng)始人之一的海森堡所說：“一部物理學發(fā)展的歷史，不只是一本單純的實驗發(fā)現(xiàn)的流水帳，它同時還伴隨著概念的發(fā)展，或者概念的引進。……因為正是概念的不確定性迫使物理學家著手研究哲學問題”。（〔（7）〕，第185頁），另一方面則是因為物理學是研究最基本的物質(zhì)運動規(guī)律的科學，所以許多最基本的物理學概念，如物質(zhì)、運動、時間、空間、宇宙等也同時是哲學的基本概念，這些基本概念的變化不僅導(dǎo)致物理學理論的變更，也標志著哲學的重大發(fā)展。因此，對這些基本概念的理解，往往是各個哲學流派之間爭論的焦點。而對這些概念的哲學爭論，又總是圍繞著物理學的最新進展而展開，所以從物理學概念入手進行物理學哲學的研究是中外許多哲學家和物理學家最為關(guān)注的研究途徑。
科學研究從問題開始，而現(xiàn)代物理學的建立則是從概念問題的突破開始的。普朗克1900年為了解決黑體輻射問題提出了作用量子的概念，但他受經(jīng)典物理學思維框架的約束，當時并沒有深刻的理解這個概念實質(zhì)性的物理意義，只把它當成了一般的工作假說加以運用。只是當愛因斯坦（1905年）運用這個概念建立起光量子假說后，它的實質(zhì)性的、突破傳統(tǒng)經(jīng)典思維模式的巨大意義才得以凸現(xiàn)出來，并引起物理學界乃至于后來哲學界的廣泛關(guān)注。玻爾、海森堡等人沿此思路建立了原子結(jié)構(gòu)模型，并最終建立了量子力學理論，對量子概念物理意義的探討又導(dǎo)致與傳統(tǒng)決定論思維模式相悖的非決定論思維模式的產(chǎn)生，這不僅使物理學的理論基礎(chǔ)發(fā)生了根本的變化，而且使傳統(tǒng)的認識論觀念也有了重大的轉(zhuǎn)變。
當人們對邁克爾遜—莫雷實驗的否定結(jié)果迷惑不解時，彭加勒、洛侖茲等人為了維護牛頓的絕對時空不得不提出“虛擬時間”的概念來解釋這一奇怪的結(jié)果。愛因斯坦則從麥克斯韋電磁學理論與經(jīng)典力學伽利略變換之間的矛盾中看出了問題的實質(zhì)所在。他看出了牛頓所謂的絕對時間并非是有物理意義的真實時間，而彭加勒、洛侖茲等人認為是“虛擬時間”的概念卻是在實際觀測中可以測量到的真實時間，這不僅使邁克爾遜—莫雷實驗的難題迎刃而解，而且一舉建立了狹義相對論。從這里又引發(fā)了一輪重新認識時間和空間這一對古老哲學概念的熱潮。
隨著廣義相對論的提出和現(xiàn)代宇宙學的建立，使人們對時間和空間的研究進入了一個新階段。哲學家們紛紛依據(jù)物理學的最新研究成果對時間空間概念進行新的闡釋，乃至于給一些古老的哲學命題，如康德的“二律背反”以新的說明。（參見〔（1）〕原蘇聯(lián)和我國的一些哲學工作者通過對相對論時間和空間概念與物質(zhì)運動、物質(zhì)分布狀態(tài)關(guān)系的分析，進一步論證了恩格斯當年對時間和空間這對哲學范疇的正確定義。隨著現(xiàn)代宇宙學的興起和發(fā)展，人們對“宇宙”概念也有了新的認識，于是，有關(guān)宇宙有限還是無限、哲學的“宇宙”概念與現(xiàn)代宇宙學所說的“宇宙”之間究竟是什么關(guān)系等問題的討論，又成了哲學界和科學界共同關(guān)心的熱點。可是，當人們正沉浸在廣義相對論解決宇宙演化問題所取得的成就時，卻不得不沮喪地發(fā)現(xiàn)，所有已知的物理學定律在廣義相對論時空曲面的奇點處都失效了。從理論上來說，所謂宇宙大爆炸最初的原始火球在數(shù)學上的表示就應(yīng)該是一個奇點，也就是說，如果宇宙起源于奇點，我們難以用現(xiàn)有的任何物理學定律說明宇宙爆炸的原因。于是有的科學家戲稱說，既然宇宙是上帝創(chuàng)造的，那么只好把這個問題留給上帝，膽敢問這個問題的人，上帝將使他下地獄。
英國著名物理學家霍金是最早開始研究奇點問題的物理學家之一，近年來也是他提出了試圖用量子引力理論來繞開奇點問題的方法。他為了避免當年費因曼處理微觀粒子時假設(shè)的各態(tài)歷經(jīng)的技術(shù)困難，并類比他用交換虛粒子來說明粒子間相互作用的方法，提出了“虛時間”的概念。雖然如他自己所說：“虛時間”是一個意義明確的數(shù)學概念，“就普遍的量子力學而言，我們可以把我們對虛時和歐幾里得時空的運用，僅僅視作一個計算實時空答案的數(shù)學方法（或手段）。”（〔（8）〕，第162頁）但由于量子引力理論假定宇宙沒有任何邊界，“宇宙將完全是獨立的，不受外界任何事物的影響。它既不會被創(chuàng)造，也不會被消滅，它將只是存在”。（〔（8）〕，第164頁）而“虛時間”的應(yīng)用，則使人們繞開了宇宙起源于奇點和終止于奇點這種用奇點構(gòu)成時空邊界的困難，讓物理學定律在任何時空區(qū)間都有效。正是有這個意義上霍金認為：“所謂的虛時實際上是實的，而我們所說的實時只是我們想象中虛構(gòu)的事物”，“也許我們所說的虛時實際上是更基本的東西，而我們稱作實時的只是為了幫助我們描述我們想象中的宇宙模樣而創(chuàng)造的一種想法。”（〔（8）〕，第168頁）
霍金對科學理論的看法持有工具論的立場，但對于“虛時間”的概念是否如他所說是更基本的東西，不在于理論上是否更為合用，而在于它是否能夠作出可觀察的預(yù)言并在實踐中得到確證。在此以前，我們至少應(yīng)當接受本世紀初的教訓(xùn)，不要把我們現(xiàn)有的物理學理論所描述的時空概念又看成是絕對不可改變的，更不應(yīng)該在沒有充分理解一些物理學家所提出的新物理概念的明確物理意義之前，甚至在沒有仔細閱讀霍金原著的上下文意思之前，就把他們與哲學中的后現(xiàn)代主義思潮拉扯在一起。在這里，重溫一下愛因斯坦的一段話，可能對我們會有所啟發(fā)：“為了科學，就必須反復(fù)地批判這些基本概念，以免我們會不自覺地受到它們的支配。在傳統(tǒng)的基本概念的貫徹使用碰到難以解決的矛盾而引起了觀念發(fā)展的那些情況，這就變得特別明顯。”（〔（15）〕，第586頁）
近期物理學哲學的發(fā)展中可能更加值得注意的動向是，隨著本世紀許多新興學科的興起，使許多新的科學概念越來越滲入到哲學研究之中，如系統(tǒng)、信息、控制、混沌、有序、無序等等概念，早已不再是某些專門學科的專業(yè)術(shù)語。由于這些概念的普適性，它們已成為各門學科中廣泛使用，乃至于在日常生活中經(jīng)常提到的概念。它們不可避免地會逐步上升為哲學范疇。對這些新概念的產(chǎn)生和普及，物理學有很大的貢獻，正是由于本世紀對遠離平衡態(tài)熱力學的研究，才加深了人們對時間方向性，對物質(zhì)系統(tǒng)的演化，對有序、無序、混沌等等物質(zhì)狀態(tài)的認識，從而也極大豐富了哲學的內(nèi)容。下面我們還將談到，正是由于這些研究引起了人們思維觀念的巨大變化。從而也使得傳統(tǒng)的哲學在許多方面發(fā)生了革命性的變革。
對概念的更高層次的元理論研究已不局限于物理學哲學的范圍，而是在更為廣泛的科學哲學層次里展開的，不過，由于物理學相對于其他學科而言更為成熟，更為精確，物理學史的研究也比其他學科史更為細致，所以許多科學哲學家仍利用對某些物理學概念的分析作為闡述自己觀點和與他人論爭的依據(jù)。例如，庫恩和費耶阿本德通過對“質(zhì)量”這個概念在經(jīng)典力學與相對論中的不同涵義，以及“電子”這個術(shù)語在不同時期指稱對象意義變化的分析，得出了前后相繼的科學理論或不同范式之間不可通約的觀點（參見〔（14）〕、〔（22）〕），從而引起了科學哲學界的極大爭議。而普特南等人則同樣根據(jù)對“電子”一詞涵義變化的分析，說明了他的有關(guān)自然種類名詞因果—歷史指稱理論，并駁斥了庫恩和費耶阿本德的不可通約性的觀點。
目前，隨著物理學和哲學的進展，沿著這個途徑的物理學哲學研究正在蓬勃發(fā)展。一方面，新的物理學概念不斷涌現(xiàn)，人們常常需要從物理學之外對這些概念進行闡釋才能理解它們更深刻更普遍的意義，而這些概念的廣泛應(yīng)用也不斷充實了哲學的內(nèi)容；另一方面，哲學自身的發(fā)展也需要不斷從自然科學，包括物理學概念的變革中吸取養(yǎng)料，提出新的問題、新的觀點，拓展新的思路。
二
物理學哲學研究的另一個途徑是通過物理學前沿哲學問題的討論，使一些傳統(tǒng)的哲學觀點產(chǎn)生根本變革。這條途徑在很大程度上離不開對新物理概念的分析。從這個意義上說，它與前面所討論的途徑并無根本的區(qū)別，只是這條途徑更著重于對物理學前沿所涉及到的一些基本哲學問題，如認識過程中主客體之間的關(guān)系，因果性的決定論與非決定論以及與其相關(guān)的必然性與偶然性的關(guān)系，可知論與不可知論，實在論和工具論等等，進行進入地探討。
本世紀在物理學界和科學哲學界影響最大的一場爭論就是愛因斯坦和以玻爾為首的哥本哈根學派關(guān)于量子力學理論基礎(chǔ)的爭論，這場爭論的和至今余波未息的爭論焦點集中在對愛因斯坦等人提出的EPR悖論的理解上。這場發(fā)生在量子力學創(chuàng)始人之間的爭論雖然是從對諸如量子力學中波函數(shù)的物理意義、海森堡不確定性原理（或譯測不準關(guān)系）和玻爾互補原理的理解開始，進而討論到量子力學是否完備的問題，但這場似乎只是純物理學，甚至是理論物理學的科學爭論，一開始就帶上了濃厚的哲學色彩。
這主要是因為微觀客體所表現(xiàn)出來的諸如波粒二象性等特征，用描繪宏觀現(xiàn)象的日常語言實在難以準確表達其確切含義，再加上對微觀客體的實驗安排也呈現(xiàn)出與經(jīng)典物理學實驗許多不同的特征。如何正確理解量子力學的數(shù)學符號所蘊涵的物理意義？量子力學描述的微觀客體的行為特征究竟是不受主體干擾的客觀規(guī)律所致，還是宏觀儀器對微觀客體不可避免的干擾下主客體相互作用的結(jié)果？微觀客體所表現(xiàn)出的隨機性究竟是微觀客體的本質(zhì)特征，還是認識主體認識局限性的結(jié)果？進而，到對微觀客體行為的理論描述究竟應(yīng)當堅持決定論的思維模式，還是非決定論的思維模式，用愛因斯坦的話來說，就是我們是否相信上帝會擲骰子？物理理論的每個元素是否都必須在實在中有它的對應(yīng)物，亦或物理理論只是一種對實在的本體論承諾，甚至只是我們?yōu)榱私忉尙F(xiàn)象或解決問題的方便而使用的一種工具或符號系統(tǒng)？這些問題早已不是物理學本身所能解決的，但又是物理學家們不得不解決的，人類不倦的求知欲促使他們轉(zhuǎn)而尋求哲學的幫助。這就使得本世紀初許多量子力學的創(chuàng)始人都是哲學家，普朗克、愛因斯坦、玻爾、玻恩、海森堡、薛定鍔等人在哲學界的影響并不比他們在科學界的影響小。他們的哲學觀點往往是本世紀科學哲學討論問題的出發(fā)點，由此而引發(fā)的實在論與非實在論之爭仍是科學哲學界的熱點問題之一。他們的哲學專著又成了許多一流科學家案頭必備的讀物，以便隨時從中得到智慧的啟迪。實際上，愛因斯坦與玻爾這場上升到哲學的爭論，經(jīng)過貝爾等人的努力，重又變成了用物理學實驗可以進行經(jīng)驗檢驗的問題，檢驗的結(jié)果雖不足以最終決定誰是誰非（盡管哥本哈根學派明顯占了上風），但卻明確說明了物理學與哲學的密切關(guān)系，物理學哲學絕不是純思辨的玄學。
當然，一流科學家也是哲學家的現(xiàn)象絕不僅限于量子力學領(lǐng)域。彭加勒、布里奇曼等人不僅在物理學界享有盛譽，甚至還是一些哲學流派（約定主義，操作主義）的創(chuàng)始人。維納、普里高津等人雖然算不上正統(tǒng)的哲學家，但他們的哲學素養(yǎng)卻為世人所公認，他們的科學成就對哲學思維方式的影響應(yīng)當說有劃時代的意義。從康德提出星云假說開始在當時占統(tǒng)治地位的形而上學世界觀上打開了第一個缺口，但完成這個星云假說的拉普拉斯卻把從牛頓開始的機械決定論思維推向了極端，并且產(chǎn)生了巨大的影響。如果說量子力學哥本哈根學派的非決定論思想是對這種機械決定論思想發(fā)起的一場重要挑戰(zhàn)的話，那么由于量子力學只涉及到微觀領(lǐng)域，還不足以在思想界和科學界抵消拉普拉斯的影響。19世紀德國古典哲學家們總結(jié)的辯證法思想雖然曾對19世紀科學的發(fā)展產(chǎn)生過影響，但由于其思辨色彩太濃也受到了許多科學家的抵制。但貝塔朗菲、維納等人創(chuàng)立了系統(tǒng)科學，尤其是普里高津等人從熱力學等實證的經(jīng)驗科學本身得出系統(tǒng)演化的思想以后，普遍聯(lián)系和發(fā)展的觀點對于科學家們來說，不再是外在的哲學教條，而是在科學中必須嚴格遵守的思維準則。更重要的是，自組織理論、非線性科學所揭示偶然性與必然性之間的新聯(lián)接清楚地表明，非決定論的思維方式絕不僅限于微觀領(lǐng)域，嚴格因果決定論在我們?nèi)粘Ｉ钪幸膊皇瞧毡檫m用。我們不能再用嚴格因果決定的觀點來作為可知與不可知的界限，我們知道我們認識的某些界限（例如長期準確天氣預(yù)報的不可能）也是可知，甚至是認識深化的表現(xiàn)。對看似無序的混沌現(xiàn)象的研究，卻使我們能夠說明許多過去簡直無法理解的復(fù)雜現(xiàn)象，例如天氣變化，中樞神經(jīng)系統(tǒng)運動等等。物理學哲學在這方面的研究方興未艾，盡管已有了一些成果，但還只能算是剛剛起步。物理學哲學的發(fā)展，已經(jīng)引起了越來越多在物理學前沿領(lǐng)域工作的第一流科學家們的注意，對他們的研究工作產(chǎn)生了一定的啟迪作用。
三
利用當代物理學及其相關(guān)學科的最新成果構(gòu)建新的自然圖景，并對此進行哲學反思是物理學哲學的又一研究途徑。其實，這個研究傳統(tǒng)由來已久，哲學既是一種理論化、系統(tǒng)化的世界觀，對世界作一個總體的描繪和系統(tǒng)全面的認識就是它的首要任務(wù)。古代自然哲學憑借哲學家自己的直觀和猜測來構(gòu)建整體的世界自然圖景，結(jié)果是五花八門，莫衷一是。自從近代科學誕生以后，哲學家們（即使是宗教哲學家）或多或少都要依居他們所知的自然科學成果來構(gòu)建自己的自然圖景，但他們對這幅圖景的理解或解釋卻可以由于他們的信仰而有很大的差異，甚至根本對立，尤其是當他們面對最新的科學成果，而這些科學成果表現(xiàn)出了一些與傳統(tǒng)哲學不同的思維方式時，更會使哲學家們對這些科學成果的理解上產(chǎn)生更大的差異，由此而引起的爭論往往成為哲學界的熱點。
現(xiàn)代物理學的發(fā)展使古老的涉及到自然圖景的爭論，如物質(zhì)是否無限可分和宇宙是否無限等問題又增添了許多新的內(nèi)容。
上世紀末物理學中關(guān)于X射線、電子和放射性現(xiàn)象的三大發(fā)現(xiàn)打破了原子不可再分的古老神話，揭開了人類對物質(zhì)結(jié)構(gòu)探索的新篇章。隨著原子結(jié)構(gòu)和基本粒子的大量發(fā)現(xiàn)，物質(zhì)無限可分的觀點似乎得到了科學實驗的有力證明。但正當人們信心百倍地探索到更深層次的亞基本粒子結(jié)構(gòu)——夸克層次的時候，卻碰到了在實驗中無法測到自由夸克的所謂“夸克禁閉”現(xiàn)象。那么，這個目前得到量子色動力學理論說明的現(xiàn)象是否意味著物質(zhì)有不可再分極限的古老原子論觀點又有抬頭的可能呢？對這個問題的爭論正在繼續(xù)進行。
相對論的建立不僅賦予時間和空間概念以新的含義，而且極大地改變了人們對自然圖景的看法，尤其是廣義相對論對宇宙時空幾何結(jié)構(gòu)的描述，使從牛頓時代建立起來的宇宙圖景發(fā)生了重大的變革。現(xiàn)代宇宙學的誕生向人們描繪了一幅宇宙演化的生動圖景，一方面更充分地說明了宇宙中事物普遍聯(lián)系和無限發(fā)展的辯證唯物主義觀點，另一方面也使人們對宇宙時空結(jié)構(gòu)是否無限的問題產(chǎn)生了新的疑惑。顯然，過去停留在從純哲學思辨或純邏輯學論證（如康德的“二律背反”）上來討論宇宙有限無限這一古老問題是遠遠不夠了。離開了對現(xiàn)代宇宙學，天體物理學，乃至于非歐幾何學的深刻理解來奢談這一問題，已顯得是隔靴搔癢，不得要領(lǐng)了。
實際上，今天我們討論自然圖景的問題還不能僅僅停留在物理學層次上，我們這個時代已經(jīng)形成了關(guān)于自然進化的自組織理論和全球生態(tài)學的理論，這些綜合性的學科已經(jīng)大大豐富和更新了我們的自然圖景。這迫使我們不僅要立足于當代物理學發(fā)展的最新成果，而且還要聯(lián)系到其他學科發(fā)展的最新成果，樹立把自然界看成是不斷演化的有機體的認識原則，去構(gòu)筑最新的完整的自然圖景。這顯然對哲學家提出了更高的要求。當然，即使如此，物理學仍然是各門經(jīng)驗自然科學的基礎(chǔ)。任何對自然圖景的描述，都不可能脫離這個基礎(chǔ)。這一發(fā)展趨勢只是為物理學哲學的這一研究途徑開辟了更為廣闊的發(fā)展前景。
四
物理學方法論的研究也是物理學哲學的一個重要內(nèi)容。物理學理論的發(fā)展總是與物理學方法的更新與發(fā)展緊密相連，相輔相成的。例如，近代物理學的誕生，就得益于伽利略，牛頓等人在研究方法上的大膽創(chuàng)造與革新，他們把觀察、實驗等經(jīng)驗方法與數(shù)學、邏輯等理論方法有機結(jié)合起來，還創(chuàng)造了諸如將形象思維和邏輯思維巧妙結(jié)合的理想實驗方法（伽利略），甚至發(fā)明新的數(shù)學工具——微積分（牛頓）。這些方法上的成就不僅大大推進了物理學的進展，而且具有重大的方法論意義，為以后物理學的發(fā)展起了巨大的示范作用。現(xiàn)代物理學的發(fā)展更清楚地表明，物理學每前進一步，都伴隨著方法上的重大革新與改進；而物理學作為一門基礎(chǔ)科學，它的每一步發(fā)展，又為人們創(chuàng)造新的方法、設(shè)計新的實驗儀器和設(shè)備提供了新的理論基礎(chǔ)，從而不僅為本學科的發(fā)展開辟了新的領(lǐng)域，創(chuàng)造了新的條件，而且還大大影響和促進了其他學科的發(fā)展。本世紀物理學借助相對論和量子力學的相繼建立取得了重大的進展，而如何將二者更緊密結(jié)合起來創(chuàng)造一種統(tǒng)一的物理學似乎是下個世紀物理學發(fā)展的一個方向。如何為實現(xiàn)這個目標取得方法上的突破便成了當前物理學方法論研究中的一個熱門問題。
美國哲學家蒯因曾經(jīng)把知識體系比喻成為一個整體場。他說：“整個科學是一個力場，它的邊界條件就是經(jīng)驗，在場的周圍同經(jīng)驗的沖突引起內(nèi)部的再調(diào)整。”（〔（18）〕，第694頁）也就是說科學的理論陳述和與之相應(yīng)的數(shù)學、邏輯和形而上學陳述一起組成了這個整體的知識場，“根據(jù)任何單一的相反經(jīng)驗要給哪些陳述的再評價的問題上有很大的選擇自由，并無任何特殊的經(jīng)驗是和場內(nèi)部的任何特殊陳述相聯(lián)系的”。（同上）為了適應(yīng)經(jīng)驗的變化，例如說要解釋一個新的觀察現(xiàn)象，不僅可以改變理論陳述，也可以調(diào)整其他的陳述，如改變一種數(shù)學方法，調(diào)整我們的本體論信念，乃至于修改有關(guān)的邏輯規(guī)則，“有人曾經(jīng)提出甚至邏輯的排中律的修正作為簡化量子力學的方法”（同上）。蒯因的上述想法并非是純哲學的思辨。現(xiàn)代物理學的發(fā)展已更清楚地表現(xiàn)出了理論與方法之間這種聯(lián)動的特征。
首先，現(xiàn)代物理學對物質(zhì)結(jié)構(gòu)和宇宙起源的探索，涉及諸如“夸克禁閉”和真空特性等問題，解決這些問題，一方面依賴于理論的進一步突破，另一方面也依賴于實驗手段的改進。
其次，本世紀初，相對論與量子力學的思想一經(jīng)形成，就可以在19世紀下半葉新興的數(shù)學分支中找到相應(yīng)的數(shù)學工具，如非歐幾何學、張量分析、線性代數(shù)等等。在有關(guān)基本粒子的規(guī)范場論中，群論也得到了很好的應(yīng)用，但隨著現(xiàn)代物理學的進一步發(fā)展，數(shù)學手段已顯得不夠得力。例如，目前關(guān)于大統(tǒng)一理論的研究難以取得有效的突破，癥結(jié)究竟是在相對論與量子力學自身難以統(tǒng)一，需要建立一種能取代二者的新理論，還是缺乏必要的數(shù)學處理方法就是尚待解決的問題。
第三，在量子力學的賴辛巴哈解釋中，賴辛巴哈試圖建立一種消除形式邏輯排中律的三值邏輯來消除用經(jīng)典語言描述微觀客體行為時與量子力學結(jié)論相悖的因果異常。這種新的邏輯形式揭示了用傳統(tǒng)形式邏輯描述不確定現(xiàn)象時的困難。（參見〔（5）〕）沿著賴辛巴哈的思路，有人進一步發(fā)展出應(yīng)用抽象代數(shù)學中“格演算”的工具，用基本聯(lián)詞“遇”與“接”來取代“與”和“或”用以更好地刻劃量子領(lǐng)域中的“亦此亦彼”現(xiàn)象，并使這種最子邏輯可以用一種廣義的命題演算工具表述。（參見〔（23）〕）雖然這一設(shè)想還沒有得到廣泛應(yīng)用，但畢竟給我們一個啟示。量子物理的理論具有高度的辯證性質(zhì)，“非此即彼”的形式邏輯思維已不足以解釋量子物理實驗中眾多的“亦此亦彼”的現(xiàn)象，而一種新的邏輯思維方式可能是現(xiàn)代物理學取得進一步突破的關(guān)鍵。這正如日本物理學家武谷三男所說：“量子力學的情況，如果從我們通常的觀念看來，是充滿著矛盾和難以克服的困難，但量子力學卻是以獨特的數(shù)學結(jié)構(gòu)卓越而合理地把握了它，要理解這種邏輯結(jié)構(gòu)，唯有依靠辯證邏輯。”（〔（3）〕，第100—101頁）形式邏輯產(chǎn)生了古希臘時期，是人類對宏觀事件進行思維時對規(guī)律的總結(jié)。但當我們深入到前人未曾接觸過的微觀和宇觀領(lǐng)域時，由于物質(zhì)決定意識，我們的思維方式是否也應(yīng)該發(fā)生某種變化呢？現(xiàn)在的問題是，針對現(xiàn)代物理學中出現(xiàn)的一些難以解決的問題，如EPR悖論，我們除了繼續(xù)在物理學理論上尋求突破之外，是否也可以換一種邏輯思維方式，甚至如本世紀一些杰出物理學家，如玻爾、普里高津等人所說的那樣，現(xiàn)代物理學可以從古老的東方文化中吸取有益的營養(yǎng)，來幫助尋求現(xiàn)代物理學的突破口呢？
五
以上我們雖然分別評述了物理學哲學研究的不同途徑，但這并不意味著物理學哲學研究途徑之間的差別就是涇渭分明的，恰恰相反，正如我們在上面敘述中已經(jīng)表露出來的那樣，這些研究途徑之間是緊密相連、相輔相成的，其區(qū)別只在于我們研究的問題傾重點不同罷了。任何最新自然圖景的構(gòu)建都要建立在自然科學前沿的研究成果之上，對自然科學前沿問題的正確理解就是構(gòu)建新自然圖景的關(guān)鍵所在。但任何新理論成就的取得又都離不開概念的更新和對這些概念的澄清。上述研究當然也離不開對物理學方法的反思和創(chuàng)造。總之，當代物理學哲學是對物理學的歷史與現(xiàn)狀進行全面反思的一門哲學分支學科，它的研究既會對物理學的進一步發(fā)展有一定的啟發(fā)作用，也由于涉及到哲學的本體論、認識論和方法論的各個方面，又會對豐富和發(fā)展當代哲學做出應(yīng)有的貢獻。
近年來，我國一些物理學家和自然辯證法工作者運用辯證唯物主義思想，從以上各條途徑上全面展開了研究，尤其是對物理學前沿科學成果所產(chǎn)生的哲學問題的辯論，例如，涉及到大爆炸宇宙學的有關(guān)宇宙有限無限問題，涉及到“夸克禁閉”現(xiàn)象的物質(zhì)是否無限可分問題，對有關(guān)EPR悖論的阿斯佩克特實驗結(jié)果的理解問題等等，都引起了哲學界和部分物理學家的廣泛關(guān)注。我們還注意到，國內(nèi)一些哲學教科書已經(jīng)根據(jù)上述問題的討論充實和更新了有關(guān)的教學內(nèi)容，這是值得欣慰的。但我們也應(yīng)當看到，我國目前物理學哲學研究的水平與國外同行相比還有一定差距。其主要表現(xiàn)就是對當代物理學基本思想的理解還不深，還難以提出獨到的令物理學界和哲學界都信服的觀點，而當年賴辛巴哈、波普爾、邦格等哲學家參與有關(guān)量子力學基礎(chǔ)問題的爭論時，都曾提出過令當時還健在的量子力學創(chuàng)始人和眾多諾貝爾物理學獎金得主都不得不重視的觀點。（參見〔（3）〕、〔（4）〕、〔（5）〕）這主要是因為我國第一流的物理學家關(guān)心物理學哲學的人數(shù)還太少，而受過專門物理學訓(xùn)練的哲學工作者（包括自然辯證法工作者）也不多，二者之間交流的機會就更少。我們熱情地期待，會有更多的哲學和物理學工作者參加到物理學哲學研究的行列中來。
主要參考文獻
（1）Lawrence Sklar: Philosophy of physics， University of Michigan Press， 1992.
（2）J. Earman: The History and Philosophy of Cosmology， Princeton Univesity Press， 1993.
（3）K.Popper: Quantum Theory and the Schism in Physics， Rowman and Littlefield Prb. 1982.
（4）Mario Bnngc: Treatise on Basic Philosophy Vo1.7. Philosophy of science and Technology.D. Reidel Pub. Co. 1993.
（5）H．賴辛巴哈：《量子力學的哲學基礎(chǔ)》，商務(wù)印書館，1966年。
（6）N．玻爾：《原子物理學和人類知識》，商務(wù)印書館，1978年。
（7）W．海森堡：《嚴密自然科學基礎(chǔ)近年來的變化》，商務(wù)印書館，1973年。
（8）S．霍金：《時間史之謎》，上海人民出版社，1991年。
（9）S．霍金：《時間簡史續(xù)編》，湖南科學技術(shù)出版社，1995年。
（10）S．霍金：《霍金講演錄》，湖南科學技術(shù)出版社，1995年。
（11）戴維斯、布朗合編：《原子中的幽靈》，湖南科學技術(shù)出版社，1995年。
（12）彭羅斯：《皇帝新腦》，湖南科學技術(shù)出版社，1995年。
（13）武谷三男：《武谷三男物理學方法論論文集》，商務(wù)印書館，1975年。
（14）T．庫恩：《科學革命的結(jié)構(gòu)》，上海科學技術(shù)出版社，1982年。
（15）《愛因斯坦文集》第1卷，商務(wù)印書館，1976年。
（16）普特南：《理性、真理與歷史》，遼寧教育出版社，1988年。
（17）伊·普里戈金、伊·斯唐熱：《從混沌到有序》，上海譯文出版社，1987年。
（18）洪謙主編：《邏輯經(jīng)驗主義》，商務(wù)印書館，1984年。
（19）吳國盛主編：《自然哲學》，中國社會科學出版社，1995年。
（20）殷正坤等主編：《智慧的撞擊》，湖北教育出版社，1992年。
（21）殷正坤、邱仁宗：《科學哲學引論》，華中理工大學出版社，1996年。
強、弱、電三種相互作用的標準模型的建立與精確檢驗是20世紀物理學最偉大的成就之一，它把基本粒子的強、弱、電三種相互作用的描述成功地統(tǒng)一起來，成為人類揭示最深層次物質(zhì)結(jié)構(gòu)的強有力的工具。但是，迄今一直未能把引力統(tǒng)一進來始終是極大憾事。究其原因在于引力的量子化帶來一系列長期困擾物理學界，至今仍難以解決的嚴重問題。積極探尋這些問題的解決辦法，近年來成為理論物理學家極為關(guān)注的熱點。本書正是作者為解決問題而孜孜不倦、努力奮斗的結(jié)果。在本書中作者認真地考查了這些研究活動所涉及的物理概念與哲學基礎(chǔ)，特別是評論了人們提出的各種建議與模型的前提和自洽性。
作者曾與L.Susskind合作寫過一本關(guān)于黑洞的書，介紹靜態(tài)幾何的量子物理與相對論以及視界物理的一些信息。然而作者最近研究表明對于一旦納入動力學描寫時，這些結(jié)果必須做一些定性的修改。本書是作為以前出版的那部書的進一步詳細的闡釋和擴充，但是也包含了一些新的材料，其中包括詳細考查在相對論框架內(nèi)納入量子力學的基本自洽性，包括了動力學空間相關(guān)幾何學，并擴展了前一本書寫作中涉及物理學基礎(chǔ)的一些討論，嘗試探討微觀物理學中可以與引力的微觀理論自洽的內(nèi)容。本書特別強調(diào)：在尋找最優(yōu)雅的物理現(xiàn)象的模型時人們必須記住：物理學是一門實驗科學。他希望以此激勵讀者對于新知識，特別是通過實驗探索物質(zhì)性質(zhì)的興趣。
全書內(nèi)容分成兩大部分，共包括9章。第一部分 伽利略相對論與狹義相對論，含第1-4章：1.經(jīng)典狹義相對論；2.量子力學、經(jīng)典力學和狹義相對論；3.粒子相互作用的微觀形式；4.量子力學中的群論。 第二部分 廣義相對論，含第5-9章：5.廣義相對論基礎(chǔ)； 6.彎曲時空背景中的量子力學；7.視界與陷俘區(qū)的物理學； 8.宇宙學； 9.相互作用系統(tǒng)的引力。
本書以物理系和自然哲學領(lǐng)域的大學生和研究生以及數(shù)學和粒子物理領(lǐng)域的研究人員為主要的讀者對象。對于物理模型以及與主流物理學自洽的實驗感興趣的理論物理與自然哲學家也是一部重要的參考書。但閱讀本書的讀者應(yīng)當具有量子力學、廣義相對論、統(tǒng)計物理學和物理學基礎(chǔ)知識。
一、反常霍爾效應(yīng)的前世
（一）霍爾效應(yīng)
霍爾效應(yīng)是美國物理學家霍爾于1879年發(fā)現(xiàn)的一個物理效應(yīng)。在一個通有電流的導(dǎo)體中，如果施加一個垂直于電流方向的磁場，由于洛倫茲力的作用，電子的運動軌跡將產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，從而在垂直于電流和磁場方向的導(dǎo)體兩端產(chǎn)生電壓，這一現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)。
霍爾效應(yīng)在應(yīng)用技術(shù)中非常重要，特別是在現(xiàn)代汽車上廣泛得到應(yīng)用。
（二）量子霍爾效應(yīng)
作為微觀電子世界的量子行為在宏觀尺度上的完美體現(xiàn)，量子霍爾效應(yīng)（強磁場中，縱向電壓和橫向電流的比值隨著磁場增強而出現(xiàn)的量子化特點）一直在凝聚態(tài)物理研究中占據(jù)著極其重要的地位。1980年左右，德國科學家馮·克利青發(fā)現(xiàn)了整數(shù)量子霍爾效應(yīng)，獲得1985年諾貝爾物理學獎。1982年，美國物理學家崔琦和施特默等發(fā)現(xiàn)了分數(shù)量子霍爾效應(yīng)，這個效應(yīng)不久由另一位美國物理學家勞弗林給出理論解釋，他們?nèi)藰s獲1998年諾貝爾物理學獎。
量子霍爾效應(yīng)在未來電子器件中發(fā)揮特殊的作用，可以用于制備低能耗的高速電子器件。例如，如果把量子霍爾效應(yīng)引入計算機芯片，將會克服電腦的發(fā)熱和能量耗散問題。然而它需要的強磁場設(shè)備不但價格昂貴，而且體積龐大（衣柜大小），也不適合于個人電腦和便攜式計算機。
二、反常量子霍爾效應(yīng)
1880年，霍爾在研究磁性金屬的霍爾效應(yīng)時發(fā)現(xiàn)，即使不加外磁場也可以觀測到霍爾效應(yīng)，這種零磁場中的霍爾效應(yīng)就是反常霍爾效應(yīng)。反常霍爾效應(yīng)與普通的霍爾效應(yīng)在本質(zhì)上完全不同，反常霍爾效應(yīng)是由于材料本身的自發(fā)磁化而產(chǎn)生的，因此這是一個全新的量子效應(yīng)，有可能是量子霍爾效應(yīng)家族的最后一個重要成員。如果能在實驗上實現(xiàn)零磁場中的量子霍爾效應(yīng)，利用其無耗散的邊緣態(tài)發(fā)展新一代的低能耗晶體管和電子學器件，從而解決電腦發(fā)熱問題和其它的一些瓶頸問題，推動信息技術(shù)的進步。但反常霍爾效應(yīng)的量子化對材料性質(zhì)的要求非常苛刻，美國、德國、日本等科學家未取得最后成功。
2009年，清華大學薛其坤院士帶領(lǐng)團隊向量子反常霍爾效應(yīng)的實驗實現(xiàn)發(fā)起沖擊。
2010年，中科院物理所的方忠、戴希理論團隊與拓撲絕緣體理論的開創(chuàng)者之一、斯坦福大學的張首晟等合作，提出了實現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)的最佳體系。由清華大學的薛其坤、王亞愚、陳曦、賈金鋒研究組，與中科院物理所的馬旭村、何珂、王立莉研究組及呂力研究組組成的實驗攻關(guān)團隊合作，開始向量子反常霍爾效應(yīng)的實驗發(fā)起沖擊。截止到2013年的四年中，團隊生長和測量了1000多個樣品，利用分子束外延的方法使之長出一層幾納米厚的薄膜，然后再摻進去鉻離子，生長了高質(zhì)量的磁性摻雜拓撲絕緣體薄膜，將其制備成輸運器件并在幾毫開的極低溫度環(huán)境下對其磁電阻和反常霍爾效應(yīng)進行了精密測量。終于發(fā)現(xiàn)在一定的外加?xùn)艠O電壓范圍內(nèi)，此材料在零磁場中的反常霍爾電阻達到了量子霍爾效應(yīng)的特征值h/e2～25800歐姆，世界難題得以攻克。薛其坤院士說：這是我們團隊精誠合作、聯(lián)合攻關(guān)的共同成果，是中國科學家的集體榮譽。
三、量子反常霍爾效應(yīng)的意義及發(fā)展前景
量子反常霍爾效應(yīng)之所以如此重要，是因為效應(yīng)可能在未來電子器件中發(fā)揮特殊作用，無需高強磁場，就可以制備低能耗的高速電子器件，例如極低能耗的芯片——這意味著計算機未來可能更新?lián)Q代。
霍爾效應(yīng)是諾貝爾獎的富礦。最近一次也是第三次與霍爾效應(yīng)有關(guān)的諾貝爾獎是2010年的諾貝爾物理獎。2005年，英國科學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯，在常溫下觀察到量子霍爾效應(yīng)。他們于2010年獲諾獎。石墨烯這種“超薄的碳膜”厚度只有0.335納米，是至今發(fā)現(xiàn)的厚度最薄和強度最高的材料。
此外，量子自旋霍爾效應(yīng)于2007年被發(fā)現(xiàn)，2010年獲得歐洲物理獎，2012年獲得美國物理學會巴克利獎。
如果對該定理的證明成立的話，對于今后以超越目前標準模型來解釋物理現(xiàn)象的嘗試，將很可能具有引導(dǎo)的作用，而且一定可以運用在大型強子對撞機未來可能發(fā)現(xiàn)的任何未知粒子的研究上。大型強子對撞機位于瑞士日內(nèi)瓦附近的粒子物理實驗室，該實驗室簡稱CERN（European Organization for NuclearResearch，歐洲核子研究中心）。
卡迪是英國牛津大學的理論物理學家，他表示：“我很高興。如果這個證明是對的，那我1988年提出的假說能夠成立。”
卡迪的假說稱為“a定理”，認為以能量激發(fā)量子場的方式，在高能狀態(tài)時比在低能狀態(tài)時為多。
位于以色列雷霍沃特的魏茨曼科學研究所的學者左哈·寇馬高斯基和亞當·施維默，在2011年7月對卡迪的假說提出了證明。在經(jīng)過其他理論物理學家的檢驗之后，他們的論證如今漸漸獲得接受。
美國新澤西州普林斯頓高等研究院的理論物理學家奈森·塞博格說：“我認為這個論證正確的可能性很高。”
統(tǒng)一原理
由于很多量子場理論尚未被完全解答，所以無法對粒子的活動做綜合性的預(yù)測，量子色動力學即為一例。這個描述夸克和膠子之間交互作用的強核力理論，其尚未完全解答的部分，讓物理學家無法把對高能量、近距離尺度的夸克和遠距離、低能量尺度的粒子，例如質(zhì)子和中子等的研究連接起來。
羅伯特·麥爾斯是加拿大滑鐵盧皮瑞米特研究所的理論物理學家。他表示，雖然有許多研究試圖把近距離與遠距離尺度的量子場理論聯(lián)系起來，但實際上，其中能夠適用于所有理論的通則很少。
不過，卡迪的a定理有可能成為這樣的一種通則。a定理的一個版本在二維的情形中已經(jīng)被證實，但卡迪認為在四維的情形下也會成立，譬如我們現(xiàn)在生活的這個三維空間加上時間。不幸的是，該定理在2008年時似乎被了，因為當時有兩位物理學家提出了反例：一個違反卡迪a定理規(guī)則的量子場理論。
之后，塞博格和他的同事于2010年重新檢驗這個反例，并發(fā)現(xiàn)了其中的瑕疵。此舉為其他學者檢驗卡迪的假說以及施維默和寇馬高斯基提出證明鋪了一條路。
雖然施維默和寇馬高斯基的證明未臻完善，尚有需要厘清的部分和詳細檢查的步驟，但麥爾斯認為該證明是對的。他說：“如果這個證明全面完成了，將成為一個威力強大的原理，如果不夠完整，也仍然是大多數(shù)情況下可成立的通則。”
肯·印德利蓋特是加利福尼亞州圣地亞哥大學的理論物理學家。他對這一說法表示同意，并補充說明：數(shù)學家要求證明一定要毫無破綻，但是物理學家通常只要這個證明在大多數(shù)情況下是對的，就可以了，并且對于任何進一步深入的探究都非常感興趣。
麥特·斯特瑞斯勒是位于新伯朗斯威的新澤西州羅格斯大學的理論物理學家。在其博客中，他認為這個證明成就非凡，因為一旦有一個精巧的想法確立了之后，整個論證就會水到渠成。
基礎(chǔ)日益穩(wěn)固
現(xiàn)在卡迪的假說得到了有力的支持，很可能會被更加廣泛地運用。其中成果最豐富的將會是量子場研究領(lǐng)域中眾多企圖超越標準模型而提出的統(tǒng)一物理學理論，包括超對稱理論。根據(jù)超對稱理論，所有已知的粒子都有一個尚未發(fā)現(xiàn)且超重的對應(yīng)粒子。a定理的用處是可以根據(jù)一個理論在低能量范疇所做出的預(yù)測來幫忙縮小在高能量狀態(tài)時預(yù)測的范圍，反之亦然。
物理學家希望大型強子對撞機可以找到超對稱現(xiàn)象的證據(jù)或其他標準模型以外的粒子，到時候理論物理學家會需要所有可用的方法來解釋這些發(fā)現(xiàn)。麥爾斯預(yù)言a定理“將會是理論物理學家理解物理現(xiàn)象的指導(dǎo)工具”。
愛因斯坦的廣義相對論說，宇宙源自奇點大爆炸。但這理論并不具備完善的時空量子結(jié)構(gòu)，因此，我們無從得知物質(zhì)緊密匯聚的極限與引力強度的范圍。物理學家需要一套新的量子引力理論，才能明了究竟發(fā)生了什么事情。
根據(jù)“圈量子引力理論”，空間可被細分為許多具有體積的“原子”單位。由于它們僅有有限的容量可儲存物質(zhì)與能量，因此奇點是無法真正存在的。
若果真如此，宇宙產(chǎn)生的時間就有可能推到大爆炸之前。大爆炸前的宇宙或許曾非常劇烈地收縮成具有極大密度的一點，然后反轉(zhuǎn)整個過程。簡單地說，就是由大崩塌導(dǎo)致大反彈，最后才變成大爆炸。
由于原子的概念在現(xiàn)代已經(jīng)是老生常談，我們很難想象它曾經(jīng)是個多么荒誕不經(jīng)的想法。幾個世紀前，當科學家第一次假設(shè)原子存在時，他們絕望地認為這么小的東西絕不可能觀測得到，甚至有許多人質(zhì)疑原子這樣的概念是否合乎科學。不過，原子存在的證據(jù)逐漸累積，終于在1905年因為愛因斯坦分析了液體中微塵顆粒隨機跳動的布朗運動，達到了高峰。即便如此，物理學家仍然花了20年才提出解釋原子的理論， 也就是量子力學。又過了30年之后，物理學家米勒才第一次用顯微鏡觀察到原子的身影。今天，物理學各領(lǐng)域的發(fā)展，幾乎都以物質(zhì)原子的特殊性質(zhì)為基礎(chǔ)。
物理學家對時間與空間組成的理解亦經(jīng)過了類似的過程，但還未達到成熟的階段。正如從物質(zhì)的行為可看出它們是由原子構(gòu)成的一樣，空間與時間的行為也暗示了它們具有某些細微的結(jié)構(gòu)――可能是由類似 “時空原子”組成的馬賽克構(gòu)造，或是某種網(wǎng)狀系統(tǒng)。物質(zhì)原子是化合物不可分割的最小單位；同理，想象中的“時空原子”是時空不可分割的最小單位，一般認為它們的直徑只有大約10-35米，小到連當今可探測到10-18米的距離的最強大的儀器都無法看到。所以，許多科學家甚至質(zhì)疑這種“時空原子” 的概念是否合乎科學原理，不過， 也有許多科學家不受影響，相繼提出間接觀測“時空原子”的方法。
看似最有希望的方式，與宇宙的觀測有關(guān)。如果能倒轉(zhuǎn)宇宙的時間，我們所見的星系會全都匯聚到一個無限小的點：大爆炸奇點。愛因斯坦的廣義相對論預(yù)言，宇宙在該點上具有無窮大的密度與溫度，一般認為，這是宇宙的起點，物質(zhì)、空間與時間從此誕生。不過，這種詮釋有些過頭了，因為無限大的數(shù)值表示廣義相對論本身在此失效。為了理解大爆炸時究竟發(fā)生了什么，物理學家必須發(fā)展出一套超越相對論的、能夠捕捉到時空細微結(jié)構(gòu)的量子引力論，以攻克廣義相對論完全無能為力的問題。
該結(jié)構(gòu)的細節(jié)產(chǎn)生于太初宇宙的致密環(huán)境中，從現(xiàn)今物質(zhì)與輻射的分布上或許能看出一些蛛絲馬跡。簡單地說，假如“時空原子”確實存在，我們將不會像物質(zhì)原子一樣得花上好幾百年才找到證據(jù)。靠點運氣，我們或許就能在未來10年內(nèi)知道此事的大致輪廓。
物理學家已經(jīng)設(shè)計出一些量子引力的可能理論，每個理論都將量子原理以不同的方式應(yīng)用在廣義相對論上。我的工作鎖定在“圈量子引力理論”，那是在20世紀90年代經(jīng)過兩個步驟發(fā)展出來的理論。首先，理論物理學家以數(shù)學方法重新將廣義相對論公式化，讓它看起來很像古典的電磁理論；這一理論就是因為模擬于電場和磁力線而得名的。其次，依循某些與扭結(jié)數(shù)學相同的創(chuàng)新程序，將量子原理應(yīng)用到環(huán)圈上，以此導(dǎo)出的量子引力理論，預(yù)測了“時空原子”的存在。
其他的理論，像弦理論與所謂的“因果動力三角形”等，并沒有預(yù)言“時空原子”，但認為有其他的方式可讓極短的距離成為不可分割的物理量。這些理論間的差異已引起了許多爭論，但對我而言，它們之間的矛盾并沒有大到不可調(diào)和的地步。舉例來說，若想統(tǒng)一在微弱引力狀況下粒子間的交互作用，弦理論是非常有用的理論，但若想分析在引力場強大的奇點上究竟發(fā)生了什么事情，“圈量子引力”的原子建構(gòu)則更為有效。
圈量子引力理論
“圈量子引力理論”是由阿貝?阿希提卡、李?施莫林、卡洛?洛華利等人發(fā)展出來的量子引力理論，與弦理論一起成為目前將引力論量子化最成功的理論。
物理學家阿貝?阿希提卡稱：“盡管愛因斯坦廣義相對論在解釋宇宙方面表現(xiàn)出眾，甚至可以描述到宇宙的起源，但是在接近宇宙大爆炸時，物質(zhì)密度變得極大，相對論就不再適用了。要解釋大爆炸之前的宇宙，我們就得應(yīng)用量子理論，而在愛因斯坦時代，這種理論還沒有出現(xiàn)。”
阿希提卡和他的兩位博士后研究員托馬斯?保羅斯基和帕姆普里特?辛格，正試圖用量子理論解釋大爆炸前的宇宙形態(tài)。他們利用“圈量子引力理論”建立了數(shù)學模型，可以直接描述宇宙大爆炸，甚至解釋爆炸前的情景。另一方面，阿希提卡說，在大爆炸之前存在著另一個時空幾何的宇宙，與現(xiàn)在的宇宙十分相似，只是它不是在膨脹，而是隨著時間的推移逐步縮小。他還說，其實宇宙的變遷并非傳統(tǒng)意義上的大爆炸，而是一次量子跳躍。
“圈量子引力理論”被認為是將廣義相對論和量子物理學相統(tǒng)一的最有效手段。“這種理論假定時空幾何本身有離散的‘原子’結(jié)構(gòu)，”阿希提卡解釋道，“與我們熟悉的時空連續(xù)性不同，‘圈量子引力理論’認為空間是由一維量子構(gòu)成，在接近大爆炸時，這種構(gòu)造被劇烈地打破，量子自身的屬性使得物質(zhì)引力相互排斥，而非相互吸引。
這個暑假，讀完了《時間簡史》，我才知道自己在這個物理學大師面前是有多么的渺小，斯蒂芬霍金。大師帶給我們的，是物理學的精華，根據(jù)他的文字，我有一些自己的想法。
首先是書里面提到的思想，這種思想對于現(xiàn)代物理學的進步有重大的意義，既將經(jīng)典廣義相對論與量子理論的結(jié)合。現(xiàn)代物理學近百年的發(fā)展史來看，許多人都在做類似的嘗試，包括愛因斯坦他自己也在做與量子理論相和諧的相對論的延伸理論，不過他知難而退了，最后他把目光又放在了宇宙常數(shù)上，這是這個天才的失敗之處。不少人為了量子理論和相對論的和諧，做了許多邊緣學科，但我個人認為，都不如霍金大師做的那么徹底——量子引力論，量子是物質(zhì)粒子的非連續(xù)運動，而所有的量子困惑都起源于這種非連續(xù)運動。量子理論與引力的結(jié)合，即量子引力理論，目前還處于研究階段。這種理論的歷史說來話長，著名的廣義相對論家彭羅斯在昌德拉塞卡解出Dirac方程后，和霍金一道證明了黑洞的面積定理，隨后霍金做出了黑洞熱輻射定理，既從黑洞面積的非減性能讓人自然而然的想起叫做熵的物理量，黑洞處也具有熵的特性。
從數(shù)學角度來看，不管量子引力論是不是大統(tǒng)一理論，但它有它的意義，對物理學有很好的影響。
霍金對于時間箭頭的描述十分有趣，讓我不禁想起曾經(jīng)尋根究底的哲學與科學理論齊頭并進的時代，但是現(xiàn)在科學對于哲學家來說，太具有數(shù)學化了，使得維特根斯坦都說：哲學只剩下了分析語言了。
時間箭頭分為三種，1、熱力學箭頭，根據(jù)熱力學第二定律熵總是隨著時間的推移而增加，反之時間隨著熵的增加而推移。2、心理學時間箭頭，既我們認為時間的推移方向。3、宇宙學時間箭頭，宇宙隨著時間的推移而膨脹，反之時間隨著宇宙膨脹而推移。
由于用數(shù)學方法建立穩(wěn)態(tài)的宇宙模型是非常艱難的一件事，所以，我們規(guī)定，我們的世界中時間算是實時間，我們可以假設(shè)有一種虛時間，用虛數(shù)來計量時間，在虛時間的宇宙里沒有奇點，所以，在虛時間里，不會有任何科學定律被違反，但是在實時間里，注定會有一個奇點，科學定律注定會在此處被違反，但我們的疑惑是我們生活在的世界里，是否一定是實時間？我們目前的發(fā)現(xiàn)不足以證明我們的宇宙中存不存在奇點，這種將是個謎。
初三:量子的意志
量子力學完美地解釋了在各種尺度之下物質(zhì)的行為，在所有物質(zhì)科學中是最成功的理論，但也是最詭異的理論。
在量子領(lǐng)域里，粒子似乎可以同時出現(xiàn)在兩個地方，信息傳遞速度可以比光速快，而貓可以同時既是死的又是活的！物理學家已經(jīng)對這些量子世界中吊詭的事情困惑了90年，但他們現(xiàn)在還是一籌莫展。當演化論和宇宙論已經(jīng)成為一般知識時，量子理論仍然讓人認為是奇特的異常事物；盡管在設(shè)計電子產(chǎn)品時，它是很棒的操作手冊，此外就沒什么用處了。由于人們對于量子理論的意義有著深度混淆，便繼續(xù)加深一種印象：量子理論想急切傳達的深奧道理，與日常生活無關(guān)，而且因為過于怪異，以至于一點也不重要。
在2001年，有個研究團隊開始發(fā)展一種模型，或許可以去除量子物理的吊詭之處，至少也會讓這些吊詭不那么令人不安。這個模型被稱為量子貝氏主義，它重新思考波函數(shù)的意義。
在正統(tǒng)量子理論中，一個物體（例如電子）可用波函數(shù)來表示，也就是說波函數(shù)是一種用來描述物體性質(zhì)的數(shù)學式子。如果你想預(yù)測電子的行為，只需推導(dǎo)出它的波函數(shù)如何隨時間變化，計算的結(jié)果可以給你電子具有某種性質(zhì)（例如電子位于某處）的概率。但是如果物理學家進一步假設(shè)波函數(shù)是真實的事物，麻煩就來了。
量子貝氏主義結(jié)合了量子理論與概率理論，認為波函數(shù)不是客觀實在的事物；反之，它主張把波函數(shù)作為使用手冊，是觀察者對于周遭（量子）世界做出適當判斷的數(shù)學工具。明確一點講，觀察者了解一件事：自己的行為與抉擇會無可避免地以無法預(yù)測的方式影響被觀測系統(tǒng)，因此用波函數(shù)來指明自己判斷量子系統(tǒng)具有某種特定性質(zhì)的概率大小。另一個觀察者也用波函數(shù)來描述他所看到的世界，對于同一量子系統(tǒng)而言，可能會得到完全不同的結(jié)論。觀察者的人數(shù)有多少，一個系統(tǒng)（一個事件）可能擁有不同的波函數(shù)就有多少。在觀察者相互溝通、并且修正了各自的波函數(shù)以涵蓋新得到的知識之后，一個有條理的世界觀就浮現(xiàn)了。
最近才轉(zhuǎn)而接受量子貝氏主義的美國康奈爾大學理論物理學家摩明這么說：“在此觀點之下，波函數(shù)或許是‘我們所發(fā)現(xiàn)最有威力的抽象概念’。”
波函數(shù)不是真實的事物，這種想法早在20世紀30年代就出現(xiàn)了，那時量子力學創(chuàng)建者之一的尼爾斯·波爾在其文章中已經(jīng)這么說。他認為量子理論僅僅是計算工具，即量子論只是“純符號性”的架構(gòu)而已，而波函數(shù)是工具的一部分。量子貝氏主義是第一個為波耳的主張找到數(shù)學基礎(chǔ)的模型，它把量子理論與貝氏統(tǒng)計結(jié)合起來。貝氏統(tǒng)計是一門有200年歷史的統(tǒng)計學，這門學問把“概率”定義成某種類似“主觀信念”的事物。一旦新信息出現(xiàn)，我們的主觀信念也必須跟著更新。針對如何更新，貝氏統(tǒng)計定下了明確的數(shù)學規(guī)則。量子貝氏主義把波函數(shù)解釋成一種會依據(jù)貝氏統(tǒng)計規(guī)則來更新的主觀信念，如此一來，量子貝氏主義的鼓吹者相信神秘的量子力學吊詭就消失了。
以電子為例，每當我們偵測到一個電子，就會發(fā)現(xiàn)它一定是位于某個位置；但是當我們不去看它，則電子的波函數(shù)可能是散開的，代表了電子在某一時刻處于不同地方的可能性；如果我們再去看它，又會看到電子出現(xiàn)在某一個位置。根據(jù)標準說法，觀測促使波函數(shù)在一瞬間“崩陷”而集中于某一個位置之上。
空間各處的崩陷發(fā)生于同一時刻，這種情形似乎違背了“局域性原理”（即物體的任何改變一定是由其附近的另一物體所引起的），如此一來就會引發(fā)一些如愛因斯坦稱為“鬼魅般的超距作用”的困惑。
量子力學一誕生，物理學家就知道“波函數(shù)的崩陷”是這個理論深深困擾人的一項特點。這個令人不安的謎促使物理學家發(fā)展出各種量子力學的詮釋，但是都沒能完全成功。
然而量子貝氏主義說量子力學根本沒有任何詭異之處。波函數(shù)崩陷只是表示觀察者依據(jù)新信息，忽然且不連續(xù)地更新了他原先分配的概率，就好像醫(yī)生依據(jù)新的計算機斷層掃描結(jié)果，而修正了對癌癥病人病況的判斷。量子系統(tǒng)并沒有經(jīng)歷什么奇怪、不可解釋的變化，改變的是（觀察者選用的）波函數(shù)，波函數(shù)呈現(xiàn)的是觀察者個人的期待。
關(guān)鍵詞：量子通信定義 量子通信理論由來 駁倒愛因斯坦的實驗論據(jù)
一、量子通信定義
量子通信（Quantum Teleportation）是指利用量子糾纏效應(yīng)進行信息傳遞的一種新型的通訊方式。量子通訊是近二十年發(fā)展起來的新型交叉學科，是量子論和信息論相結(jié)合的新的研究領(lǐng)域。量子通信主要涉及：量子密碼通信、量子遠程傳態(tài)和量子密集編碼等，近來這門學科已逐步從理論走向?qū)嶒灒⑾驅(qū)嵱没l(fā)展。高效安全的信息傳輸日益受到人們的關(guān)注。基于量子力學的基本原理，量子通信具有高效率和絕對安全等特點，并因此成為國際上量子物理和信息科學的研究熱點。
二、量子通信理論由來
“1935年5月的一天早晨，愛因斯坦像往常一樣準時來到普林斯頓高等研究院的辦公室。他來普林斯頓小鎮(zhèn)快兩年了，已經(jīng)熟悉并開始喜歡這個恬靜的“室外桃園”。辦公桌上放著他和助手波多爾斯基、羅森一起剛剛發(fā)表在《物理評論》上的論文。他拿起來看了看，臉上露出孩子般頑皮的微笑――這回他終于可以戰(zhàn)勝老對手玻爾了。與此同時，在大西洋彼岸的哥本哈根大學玻爾研究所，愛因斯坦的文章立刻引起了物理學家玻爾的關(guān)注和不安。這對他來說簡直是個晴天霹靂！玻爾立刻放下所有的工作，他說：‘我們必須睡在問題上。’愛因斯坦和玻爾是20世紀兩位最偉大的物理學家，他們都為量子理論的建立做出了奠基性的貢獻。然而，他們對于這個理論的含義卻一直爭論不休。這一爭論被稱為‘關(guān)于物理學靈魂的論戰(zhàn)’。”――引自郭光燦院士《愛因斯坦的幽靈：量子糾纏之謎》。
郭光燦院士書中所指的“物理學靈魂”的論戰(zhàn)，與“量子糾纏”現(xiàn)象有著莫大的關(guān)系。 在量子力學中，有共同來源的兩個微觀粒子之間存在著某種糾纏關(guān)系，不管它們被分開多遠，只要一個粒子發(fā)生變化就能立即影響到另外一個粒子，即兩個處于糾纏態(tài)的粒子無論相距多遠，都能“感知”和影響對方的狀態(tài)，這就是量子糾纏。盡管愛因斯坦最早注意到微觀世界中這一現(xiàn)象的存在，但卻不愿意接受它，并斥之為“幽靈般的超距作用（spooky action at a distance）”。
三、駁倒愛因斯坦的實驗論據(jù)
對EPR實驗的驗證始于1960年，在1980年終于獲得有說服力的結(jié)果。這些是實驗大多都是以光子來做為自旋關(guān)聯(lián)。主要是利用院子的級聯(lián)輻射，選擇出光子動量為0的情形。1982年，法國物理學家艾倫•愛斯派克特（Alain Aspect）和他的小組成功地完成了一項實驗，證實了微觀粒子“量子糾纏”（quantum entanglement）的現(xiàn)象確實存在，這一結(jié)論對西方科學的主流世界觀產(chǎn)生了重大的沖擊。它證實了任何兩種物質(zhì)之間，不管距離多遠，都有可能相互影響，不受四維時空的約束，是非局域的（nonlocal），宇宙在冥冥之中存在深層次的內(nèi)在聯(lián)系。
四、突破傳統(tǒng)的通信方式
1993年，C.H.Bennett提出了量子通信的概念;同年，6位來自不同國家的科學家，提出了利用經(jīng)典與量子相結(jié)合的方法實現(xiàn)量子隱形傳送的方案：將某個粒子的未知量子態(tài)傳送到另一個地方，把另一個粒子制備到該量子態(tài)上，而原來的粒子仍留在原處。在量子通信系統(tǒng)中，共享信息的兩個人必須共享幾乎一致的兩個成對產(chǎn)生并永遠纏結(jié)在一起的光子。一旦信息被帶到第一個光子上，它將會消失并重現(xiàn)在第二個光子上，以實現(xiàn)不加外力方式傳輸信息。不加外力傳輸?shù)母拍钍且粤孔游锢韺W為基礎(chǔ)的，它所使用的是具有波、粒兩重性但沒有電荷和質(zhì)量的光子，而不是常規(guī)使用的電子。在量子通信中，報文是以不加外力傳輸方式傳輸?shù)摹２患油饬鬏敺绞骄褪鞘剐畔⒃谝粋€地方消失，從而使其能在另一個地方出現(xiàn)的過程。它不需要通過空中、太空或線路傳輸。在這一過程中，發(fā)送者與接收者共享所需光子的數(shù)量，決于所發(fā)送報文的長度。在量子通信中，由于光子只能成對產(chǎn)生，因此，所有量子的不加外力方式只能在一個發(fā)送者和一個接收者之間進行。如果接收者需要將報文傳送給其他人，則每次必須共享和使用纏結(jié)在一起的新的一對光子。因此，量子網(wǎng)絡(luò)必須一個鏈路一個鏈路地建立。
利用量子信息技術(shù)之一量子密碼術(shù)，可實其基本思想是：將原物的信息分成經(jīng)典信息和量子信息兩部分，它們分別經(jīng)由經(jīng)典通道和量子通道傳送給接收者。經(jīng)典信息是發(fā)送者對原物進行某種測量而獲得的，量子信息是發(fā)送者在測量中未提取的其余信息；接收者在獲得這兩種信息后，就可以制備出原物量子態(tài)的完全復(fù)制品。該過程中傳送的僅僅是原物的量子態(tài)，而不是原物本身。發(fā)送者甚至可以對這個量子態(tài)一無所知，而接收者是將別的粒子處于原物的量子態(tài)上。在這個方案中，糾纏態(tài)的非定域性起著至關(guān)重要的作用。量子隱形傳態(tài)不僅在物理學領(lǐng)域?qū)θ藗冋J識與揭示自然界的神秘規(guī)律具有重要意義，而且可以用量子態(tài)作為信息載體，通過量子態(tài)的傳送完成大容量信息的傳輸，實現(xiàn)原則上不可破譯的量子保密通信。
五、量子通信的發(fā)展狀況
量子通信具有傳統(tǒng)通信方式所不具備的絕對安全特性，不但在國家安全、金融等信息安全領(lǐng)域有著重大的應(yīng)用價值和前景，而且逐漸走進人們的日常生活。
為了讓量子通信從理論走到現(xiàn)實,從上世紀90年代開始,國內(nèi)外科學家做了大量的研究工作。自1993年美國IBM的研究人員提出量子通信理論以來，美國國家科學基金會、國防高級研究計劃局都對此項目進行了深入的研究，歐盟在1999年集中國際力量致力于量子通信的研究，研究項目多達12個，日本郵政省把量子通信作為21世紀的戰(zhàn)略項目。我國從上世紀80年代開始從事量子光學領(lǐng)域的研究，近幾年來，中國科技大學的量子研究小組在量子通信方面取得了突出的成績。
2006年夏,我國中國科技大學教授潘建偉小組、美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室、歐洲慕尼黑大學―維也納大學聯(lián)合研究小組各自獨立實現(xiàn)了誘騙態(tài)方案，同時實現(xiàn)了超過100公里的誘騙態(tài)量子密鑰分發(fā)實驗，由此打開了量子通信走向應(yīng)用的大門。2008年底，潘建偉的科研團隊成功研制了基于誘騙態(tài)的光纖量子通信原型系統(tǒng)，在合肥成功組建了世界上首個3節(jié)點鏈狀光量子電話網(wǎng)，成為國際上報道的絕對安全的實用化量子通信網(wǎng)絡(luò)實驗研究的兩個團隊之一（另一小組為歐洲聯(lián)合實驗團隊）。
“糾纏”是量子力學的一個基本特征，而且這種現(xiàn)象有多種不同的形式。日前，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院的物理學家和數(shù)學家顯示了怎樣把不同形式的量子“糾纏態(tài)”有效而系統(tǒng)地分類。研究人員指出，這一方法非常重要，因為它有助于預(yù)測將一種量子態(tài)應(yīng)用于新技術(shù)的可能性有多大。
量子現(xiàn)象通常在經(jīng)典物理學中找不到相匹配的部分，典型例子就是量子糾纏：糾纏的粒子之間無論相隔有多遠，好像都能直接地互相影響，就像能隔著任意遙遠的空間互相“通信”似的。愛因斯坦曾把這種行為叫做“幽靈般地超距作用”。當兩個以上粒子相糾纏時，它們之間的互相影響表現(xiàn)為不同的形式。糾纏現(xiàn)象為何有這些不同的表現(xiàn)，科學家尚未完全理解，至今也還沒有一般性的方法，系統(tǒng)地將糾纏狀態(tài)劃分類別。現(xiàn)在，研究小組開發(fā)出一種方法，能把既定的量子態(tài)歸入某一類可能的糾纏態(tài)。
該方法指出，不同類型的糾纏態(tài)與幾何形體即多面體有關(guān)，這些形體代表“空間”，也就是某種糾纏的可用空間。一種給定的狀態(tài)是否屬于某種多面體，可以通過檢測個別粒子來確定，而檢測方法有很多。新方法通過檢測個別粒子來描述糾纏態(tài)特征的可能性，不僅效率很高，而且不必同時檢測許多粒子，這是與其他方法的不同之處，也意味著它能擴展到多粒子系統(tǒng)。
該校理論物理學院教授馬提亞·克里斯丹德解釋說：“對3個粒子來說，有兩種根本不同的糾纏類型，一種是通常認為的更‘有用’的。而對4個粒子來說，粒子間糾纏的方式已近乎無數(shù)種，隨著每增加一個粒子，糾纏的復(fù)雜程度會迅速增加。”論文第一作者、他的博士生邁克爾·沃特說，“我們的糾纏多面體方法，把這些狀態(tài)劃分為有限的體系，大大減少了復(fù)雜性。”
多粒子量子系統(tǒng)可能在未來技術(shù)中發(fā)揮重要作用，做到在經(jīng)典物理學框架下完全不可能的事情。從反竊聽信息傳輸、解決計算難題的高效算法，到改進照相印刷分辨率的技術(shù)等。在這些應(yīng)用中，糾纏態(tài)是基本資源，精確地表現(xiàn)了經(jīng)典物理學與量子力學不同的地方。在合適使用的情況下，這些復(fù)雜狀態(tài)為各種新奇應(yīng)用開辟了道路。
研究人員在計算中顯示，糾纏多面體的方法不僅是一種簡潔的數(shù)學構(gòu)造，而且在現(xiàn)實實驗條件下也能可靠地發(fā)揮作用，這預(yù)示著新方法可以直接用于那些使用了新奇量子技術(shù)的系統(tǒng)。
