前言：想要寫出一篇令人眼前一亮的文章嗎？我們特意為您整理了5篇量子力學(xué)基本概念范文，相信會為您的寫作帶來幫助，發(fā)現(xiàn)更多的寫作思路和靈感。

量子力學(xué)基本概念范文第1篇

【關(guān)鍵詞】量子力學(xué)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；改革

中圖分類號：041 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-0278（2013）04-193-01

一、引言

作為現(xiàn)代物理學(xué)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的理論基礎(chǔ)，量子力學(xué)將物質(zhì)的波動性與粒子性統(tǒng)一起來，是研究微觀粒子運(yùn)動規(guī)律的物理學(xué)分支學(xué)科。很多教師在上課時只著重于講授理論體系本身的知識，往往忽略了理論和實(shí)驗(yàn)的緊密聯(lián)系，從而導(dǎo)致它的實(shí)驗(yàn)建設(shè)一直是本課程建設(shè)的薄弱環(huán)節(jié)。充分考慮到該門課程的性質(zhì)和特點(diǎn)，我們在教學(xué)中借鑒了工科教學(xué)的模式重點(diǎn)圍繞“培養(yǎng)學(xué)生物理應(yīng)用的慣性意識與掌握量子力學(xué)基本概念和規(guī)律”的目標(biāo)開展了三類不依賴于儀器設(shè)備和環(huán)境條件的實(shí)驗(yàn)，以切實(shí)貫徹“德育為先、能力為重”和“育人為本”的原則。

二、量子力學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)

為了讓學(xué)生從思想上接受并理解量子觀念，在學(xué)習(xí)中透過復(fù)雜的數(shù)學(xué)計算深入理解量子力學(xué)的概念和規(guī)律，并能主動積極地思考、解決相關(guān)問題，我們構(gòu)建了由思想、演示與創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)組成的課內(nèi)課外教學(xué)平臺，以輔助量子力學(xué)的理論教學(xué)過程。

思想實(shí)驗(yàn)，又稱“假想實(shí)驗(yàn)”，是人類按照科學(xué)研究的實(shí)驗(yàn)過程在頭腦中進(jìn)行的發(fā)現(xiàn)和獲取科學(xué)事實(shí)與自然規(guī)律的邏輯思維活動，是自然科學(xué)家和哲學(xué)家經(jīng)常使用的一種十分有效的研究方法。由于不會受到主客觀條件及儀器設(shè)備的操作限制，思想實(shí)驗(yàn)可以為學(xué)生的思維互動啟發(fā)提供有利的平臺。事實(shí)上，在量子力學(xué)建立與發(fā)展的過程中，很多思想實(shí)驗(yàn)都起到了重要的推動作用。例如作為量子力學(xué)的創(chuàng)始人之一，奧地利物理學(xué)家埃爾溫?薛定諤提出了著名的“薛定諤之貓”的思想實(shí)驗(yàn)，它將量子理論微觀領(lǐng)域中原子核衰變的量子不確定性與宏觀領(lǐng)域中貓的生死聯(lián)系在了一起，充分體現(xiàn)了量子力學(xué)的奇異性。通過在課堂教學(xué)中講授諸如此類的思想實(shí)驗(yàn)可以給學(xué)生提供一個動腦“做”理論的機(jī)會，這樣不僅可以使學(xué)生從理性的角度接受量子力學(xué)的基本思想并深入理解量子力學(xué)的基本概念和基本理論，還可以激發(fā)他們對課程的學(xué)習(xí)興趣，在無形中培養(yǎng)他們的理性思維、邏輯思維、創(chuàng)新意識和推理能力。

演示實(shí)驗(yàn)，即教師在課堂上借助視頻、計算機(jī)模擬等手段演示實(shí)驗(yàn)過程，展示物理現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生觀察、思考、分析并得出結(jié)論的過程。量子力學(xué)的建立離不開很多重要實(shí)驗(yàn)的支撐，如黑體輻射、光電效應(yīng)等。其中一些實(shí)驗(yàn)由于條件及經(jīng)費(fèi)的限制目前無法在實(shí)驗(yàn)室開展，所以我們可以充分利用豐富的網(wǎng)絡(luò)資源及Matlab等數(shù)學(xué)軟件構(gòu)建演示實(shí)驗(yàn)的平臺，給學(xué)生提供一個動眼“做”理論的機(jī)會。一方面，通過播放演示實(shí)驗(yàn)的視頻重現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程，加強(qiáng)引導(dǎo)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的條件、思路和方法等進(jìn)行思考和分析，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)和強(qiáng)化他們的實(shí)驗(yàn)技能，幫助他們增加感性認(rèn)識，使他們體會科學(xué)的發(fā)展過程，克服抽象的物理圖景給他們帶來的困擾。另一方面，通過利用數(shù)學(xué)軟件實(shí)現(xiàn)對量子力學(xué)課程中一些問題的靜、動態(tài)數(shù)值模擬，將抽象的量子力學(xué)結(jié)果形象直觀化，幫助學(xué)生透過復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)深入、形象地認(rèn)識微觀粒子的特征，使他們深入理解量子力學(xué)的基本原理和基本概念，提高他們運(yùn)用物理思想進(jìn)行綜合分析的能力。

知識的獲得是為了更好地服務(wù)于實(shí)踐，因此為了讓學(xué)生能將量子力學(xué)中所學(xué)到的基本理論運(yùn)用于實(shí)踐，我們在該門課程的教學(xué)中還開設(shè)了創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，為學(xué)生提供動手“做”理論的機(jī)會。首先教師在課堂的教學(xué)中始終貫徹科研促教學(xué)的思想，有意識地結(jié)合具體的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行近代物理前沿知識的滲透。然后鼓勵學(xué)生根據(jù)自己的實(shí)際情況與興趣并結(jié)合畢業(yè)論文自由組合選擇相應(yīng)的小課題在教師的指導(dǎo)下進(jìn)行專題研究，同時對于一些學(xué)生在平時教學(xué)過程中反映出來的理解上比較模糊或難以理解的部分定期組織專題討論。該類實(shí)驗(yàn)的開設(shè)為學(xué)生提供了實(shí)踐的自由發(fā)揮空間，可以初步培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)理分析能力與結(jié)合自己的興趣自我發(fā)現(xiàn)問題并解決與專業(yè)相關(guān)領(lǐng)域?qū)嶋H問題的能力及撰寫科研論文的能力，同時還增強(qiáng)了學(xué)生對量子力學(xué)課程學(xué)習(xí)的興趣和團(tuán)結(jié)協(xié)作精神。

量子力學(xué)基本概念范文第2篇

這是一部對于量子力學(xué)教科書很有價值的補(bǔ)充教材。它對當(dāng)代物理學(xué)的一般理論框架給出了獨(dú)特的介紹。這種介紹的焦點(diǎn)集中于概念性的、認(rèn)識論的和本體論的各個方面的問題。通過追求如下一些問題的答案來發(fā)展理論：什么使物質(zhì)實(shí)體一旦形成則既不會坍縮也不會急劇膨脹？什么使得由不“占據(jù)空間”的客體（例如粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型中的夸克和膠子）組成的“占據(jù)空間”的客體成為穩(wěn)定的？如此表現(xiàn)出的物質(zhì)的穩(wěn)定性成為為什么物理學(xué)定律具有它們現(xiàn)有的特殊形式的理由。這些問題是本書關(guān)注的中心問題，作者認(rèn)為這個問題的部分答案是：量子力學(xué)。

全書共分3部分23章。第1部分，概述，主要介紹通向薛定諤方程的兩種途徑：歷史的途徑和費(fèi)曼的路徑積分方法。為理解相關(guān)的理論概念，簡略地介紹了一些必要的數(shù)學(xué)，包括狹義相對論等，力求讓讀者熟悉基礎(chǔ)。含第1-7章：1.概率：基本概念和定理；2. “舊”量子論的簡略歷史；3. 數(shù)學(xué)的一些插敘；4，“新”量子論的簡略歷史；5. 通向薛定諤的費(fèi)曼途徑（第一階段）；6. 狹義相對論簡介；7. 通向薛定諤的費(fèi)曼途徑（第二階段）。第2部分：深度探討，從穩(wěn)定客體的存在導(dǎo)出量子力學(xué)的數(shù)學(xué)形式。含第8-15章：8. 為什么要量子力學(xué)； 9. 經(jīng)典的力：效果； 10. 經(jīng)典的力：原因；11. 再談量子力學(xué)；12. 自旋；13. 復(fù)合系統(tǒng)； 14. 量子統(tǒng)計； 15. 相對論粒子。第三部分：含義，含第16-23章：16. 缺陷； 17. 評價策略；18. 量子世界空間的方方面面； 19. 微觀世界； 20. 物質(zhì)問題； 21. 表現(xiàn)形式；22. 為什么物理定律恰是如此；23. 量子（quanta）和吠檀多（vedanta）（古代印度哲學(xué)中一直發(fā)展至今的唯心主義理論）。書末尾有一個附錄，給出了挑選的一些習(xí)題的解答。

本書是作者多年來在印度給大學(xué)生講授側(cè)重于哲學(xué)的當(dāng)代物理學(xué)課程的基礎(chǔ)上形成的。本書包括某些概念上新的陳述，盡量做到使這種陳述自成完整的體系，而且盡可能的簡單，以適合廣泛的讀者使用。

這是一部從哲學(xué)觀點(diǎn)討論現(xiàn)代物理學(xué)諸方面問題的專著，作者敘述的內(nèi)容范圍非常廣泛，但已經(jīng)盡可能地簡略。對于從事理論物理的教學(xué)及相關(guān)方面的研究人員是一本很好的參考書。

量子力學(xué)基本概念范文第3篇

關(guān)鍵詞：量子力學(xué)；經(jīng)典科學(xué)世界圖景；非機(jī)械決定論；整體論；復(fù)雜性；主客體互動

Abstract:Asoneofthreerevolutionsofphysicsin20thcentury,quantummechanicshasgreatlytransformedtheworldviewofclassicalscienceinmanyaspects.Quantummechanicsbreaksthoughthemechanicaldeterminisminclassicalscience,transformingitintononmechanicaldeterminism;itchangesscientificcognitiveprocessfromthetheoryofreductionismtothetheoryofwholism;itshiftsthewayofthinkingfrompursuingsimplicitytoexploringthecomplexity;italsoestablishestheinteractionbetweensubjectandobjectinscientificresearches.

Keywords:quantummechanics;worldviewofclassicalscience;nonmechanicaldeterminism;wholism;complexity;interactionbetweensubjectandobject

經(jīng)典科學(xué)基本上是指由培根、牛頓、笛卡兒等開創(chuàng)的，近三百年內(nèi)發(fā)展起來的一整套觀點(diǎn)、方法、學(xué)說。經(jīng)典科學(xué)世界圖景的最大特征是機(jī)械論和還原論，片面強(qiáng)調(diào)分解而忽視綜合。以玻爾、海森伯、玻恩、泡利、諾伊曼等為代表的哥本哈根學(xué)派的量子力學(xué)理論三部曲：統(tǒng)計解釋—測不準(zhǔn)原理—互補(bǔ)原理所反映的主要觀點(diǎn)是：微觀粒子的各種力學(xué)量（位置、動量、能量等）的出現(xiàn)都是幾率性的；量子力學(xué)對微觀粒子運(yùn)動的幾率性描述是完備的，對幾率性的原因不需要也不可能有更深的解釋；決定論不適用于量子力學(xué)領(lǐng)域；儀器的作用同觀察對象具有不可分割性，確立了科學(xué)活動中主客體互動關(guān)系。[1]量子力學(xué)的發(fā)展從根本上改變了經(jīng)典科學(xué)世界

圖景。

一、量子力學(xué)突破了經(jīng)典科學(xué)的機(jī)械決定論，遵循因果加統(tǒng)計的非機(jī)械決定論

經(jīng)典力學(xué)是關(guān)于機(jī)械運(yùn)動的科學(xué)，機(jī)械運(yùn)動是自然界最簡單也是最普遍的運(yùn)動。說它最簡單，因?yàn)闄C(jī)械運(yùn)動比較容易認(rèn)識，牛頓等人又采取高度簡化的方法研究力學(xué)，獲得了空前成功；說它最普遍，因?yàn)闄C(jī)械力學(xué)有廣泛的用途，容易把它絕對化。[2]機(jī)械決定論是建立在經(jīng)典力學(xué)的因果觀之上，解釋原因和結(jié)果的存在方式和聯(lián)系方式的理論。機(jī)械決定論認(rèn)為因和果之間的聯(lián)系具有確定性，無論從因到果的軌跡多么復(fù)雜，沿著軌跡尋找總能確定出原因或結(jié)果；機(jī)械決定論的核心在于只要初始狀態(tài)一定，則未來狀態(tài)可以由因果法則進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測。[3]其實(shí)，機(jī)械決定論僅僅適用于宏觀物體，而對于微觀領(lǐng)域以及客觀世界中大量存在的偶然現(xiàn)象的研究就產(chǎn)生了統(tǒng)計決定論。[4]

量子力學(xué)是對經(jīng)典物理學(xué)在微觀領(lǐng)域的一次革命。量子力學(xué)所揭示的微觀世界的運(yùn)動規(guī)律以及以玻爾為代表的哥本哈根學(xué)派對量子力學(xué)的理解，同物理學(xué)機(jī)械決定論是根本相悖的。[5]按照量子理論，微觀粒子運(yùn)動遵守統(tǒng)計規(guī)律，我們不能說某個電子一定在什么地方出現(xiàn)，而只能說它在某處出現(xiàn)的幾率有多大。

玻恩的統(tǒng)計解釋指出，因果性是表示事件關(guān)系之中一種必然性觀念，而機(jī)遇則恰恰相反地意味著完全不確定性，自然界同時受到因果律和機(jī)遇律的某種混合方式的支配。在量子力學(xué)中，幾率性是基本概念，統(tǒng)計規(guī)律是基本規(guī)律。物理學(xué)原理的方向發(fā)生了質(zhì)的改變：統(tǒng)計描述代替了嚴(yán)格的因果描述，非機(jī)械決定論代替了機(jī)械決定論的統(tǒng)治。

經(jīng)典統(tǒng)計力學(xué)雖然也提出了幾率的概念，但未能從根本上動搖嚴(yán)格決定論，量子力學(xué)的沖擊則使機(jī)械決定論的大廈坍塌了。量子力學(xué)揭示并論證了人們對微觀世界的認(rèn)識具有不可避免的隨機(jī)性，它不遵循嚴(yán)格的因果律。任何微觀事件的測定都要受到測不準(zhǔn)關(guān)系的限定，不可能確切地知道它們的位置和動量、時間和能量，只能描述和預(yù)言微觀對象的可能的行為。因此，量子力學(xué)必須是幾率的、統(tǒng)計的。而且，隨著認(rèn)識的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)量子統(tǒng)計的隨機(jī)性，不是由于我們知識和手段的不完備性造成的，而是由微觀世界本身的必然性（主客體相互作用）所注定。

二、量子力學(xué)使得科學(xué)認(rèn)識方法由還原論轉(zhuǎn)化為整體論

還原論作為一種認(rèn)識方法，是指把高級運(yùn)動形式歸結(jié)為低級運(yùn)動形式，用研究低級運(yùn)動形式所得出的結(jié)論代替對高級運(yùn)動形式的本質(zhì)認(rèn)識的觀點(diǎn)。它用已分析得出的客觀世界中的主要的、穩(wěn)定的觀點(diǎn)和規(guī)律去解釋、說明要研究的對象。其目的是簡化、縮小客體的多樣性。這種方法在人類認(rèn)識處于初級水平上無疑是有效的。如牛頓將開普勒和伽利略的定律成功地還原為他的重力定律。但是還原論形而上學(xué)的本質(zhì)，以及完全還原是不可能的，決定了還原論不能揭示世界的全貌。

量子力學(xué)認(rèn)為整體與部分的劃分只有相對意義，整體的特征絕非部分的疊加，而是部分包含著整體。部分作為一個單元，具有與整體同等甚至還要大的復(fù)雜性。部分不僅與周圍環(huán)境發(fā)生一定的外在聯(lián)系，同時還要表現(xiàn)出“主體性”，可將自身的內(nèi)在聯(lián)系傳遞到周邊，并直接參與整體的變化。因而，部分與整體呈現(xiàn)了有機(jī)的自覺因果關(guān)系。在特定的臨界狀態(tài)，部分的少許變化將引起整體的突變。[6]

波粒二象性是微觀世界的本質(zhì)特征，也是量子論、量子力學(xué)理論思想的靈魂。用經(jīng)典觀點(diǎn)來看，也就是按照還原論的思想，粒子與波毫無共同之處，二者難以形成直觀的統(tǒng)一圖案，這是經(jīng)典物理學(xué)通過部分還原認(rèn)識整體的方法，是“向上的原因”?？墒俏⒂^粒子在某些實(shí)驗(yàn)條件下，只表現(xiàn)波動性；而在另一些實(shí)驗(yàn)條件下，只表現(xiàn)粒子性。這兩種實(shí)驗(yàn)結(jié)果不能同時在一次實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)。于是，玻爾的互補(bǔ)原理就在客觀上揭示了微觀世界的矛盾和我們關(guān)于微觀世界認(rèn)識的矛盾，并試圖尋找一種解決矛盾的方法，這就是微觀粒子既具有粒子性又具有波動性，即波粒二象性。這就是整體論觀點(diǎn)強(qiáng)調(diào)的“向下的原因”，即從整體到部分。同樣，海森伯的測不準(zhǔn)原理說明不能同時測量微觀粒子的動量和位置，這也說明絕不能把宏觀物體的可觀測量簡單盲目地還原到微觀。由此我們可以看出，造成經(jīng)典科學(xué)觀與現(xiàn)代科學(xué)觀認(rèn)識論和方法論不同的根本在于思考和觀察問題的層面不同。經(jīng)典科學(xué)一味地強(qiáng)調(diào)外在聯(lián)系觀，而量子力學(xué)則更強(qiáng)調(diào)關(guān)注事物內(nèi)部的有機(jī)聯(lián)系。所以，量子力學(xué)把內(nèi)在聯(lián)系作為原因從根本上動搖了還原論觀點(diǎn)。

三、量子力學(xué)使得科學(xué)思維方式由追求簡單性發(fā)展到探索復(fù)雜性

從經(jīng)典科學(xué)思維方式來看，世界在本質(zhì)上是簡單的。牛頓就說過，自然界喜歡簡單化，而不喜歡用什么多余的原因以夸耀自己。追求簡單性是經(jīng)典科學(xué)奮斗的目標(biāo)，也是推動它獲取成功的動力。開普勒以三條簡明的定律揭示了看似復(fù)雜的太陽系行星運(yùn)動，牛頓更是用單一的萬有引力說明了千變?nèi)f化的天體行為。因而現(xiàn)代科學(xué)是用簡單性解釋復(fù)雜性，這就隱去了自然界的豐富多樣性。

量子力學(xué)初步揭示了客觀世界的復(fù)雜性。經(jīng)典科學(xué)的簡單性是與把物理世界理想化相聯(lián)系的。經(jīng)典物理學(xué)所研究的是理想的物質(zhì)客體。它不但用理想化的“質(zhì)點(diǎn)”、“剛體”、“理想氣體”來描述物體，而且把研究對象的條件理想化，使研究的視野僅僅局限于人們自己制定的范圍之內(nèi)。而客觀世界并不是如此，特別是進(jìn)入微觀領(lǐng)域，微觀粒子運(yùn)動的幾率性、隨機(jī)性；觀測對象和觀測主體不可分割性等都足以說明自然界本身并不是我們想象的那么簡單。

在現(xiàn)代科學(xué)中，牛頓的經(jīng)典力學(xué)成了相對論的低速現(xiàn)象的特例，成為非線性科學(xué)中交互作用近似為零的情況，在量子力學(xué)中是測不準(zhǔn)關(guān)系可以忽略時的理論表述。復(fù)雜性的提出并不是要消滅簡單性，而是為了打破簡單性獨(dú)占的一統(tǒng)地位。復(fù)雜性是把簡單性作為一個特例包含其中，正如莫蘭所說的，復(fù)雜性是簡單性和復(fù)雜性的統(tǒng)一。復(fù)雜性比簡單性更基本，可能性比現(xiàn)實(shí)性更基本，演化比存在更基本。[7]今天的科學(xué)思維方式，不是以現(xiàn)實(shí)來限制可能，而是從可能中選擇現(xiàn)實(shí)；不是以既存的實(shí)體來確定演化，而是在演化中認(rèn)識和把握實(shí)體。復(fù)雜性主張考察被研究對象的復(fù)雜性，在對其作出層次與類別上的區(qū)分之后再進(jìn)行溝通，而不是僅僅限于孤立和分離，它強(qiáng)調(diào)的是一種整體的協(xié)同。

四、量子力學(xué)使科學(xué)活動中主客體分離邁向主客互動

經(jīng)典科學(xué)思維方式的一個指導(dǎo)觀念就是，認(rèn)為科學(xué)應(yīng)該客觀地、不附加任何主觀成分地獲取“照本來樣子的”世界知識。玻爾告訴人們，根本不存在所謂的“真實(shí)”，除非你首先描述測量物理量的方式，否則談?wù)撊魏挝锢砹慷际菦]有意義的！測量，這一不被經(jīng)典物理學(xué)考慮的問題，在面對量子世界如此微小的測量對象時，成為一個難以把握的手段。因?yàn)檠芯空叩慕槿雽α孔邮澜绠a(chǎn)生了致命的干擾，使得測量中充滿了不確定性。在海森伯看來，在我們的研究工作由宏觀領(lǐng)域進(jìn)入微觀領(lǐng)域時，我們就會遇到一個矛盾：我們的觀測儀器是宏觀的，可是研究對象卻是微觀的；宏觀儀器必然要對微觀粒子產(chǎn)生干擾，這種干擾本身又對我們的認(rèn)識產(chǎn)生了干擾；人只能用反映宏觀世界的經(jīng)典概念來描述宏觀儀器所觀測到的結(jié)果，可是這種經(jīng)典概念在描述微觀客體時又不能不加以限制。這突破了經(jīng)典科學(xué)完全可以在不影響客體自然存在的狀態(tài)下進(jìn)行觀測的假定，從而建立了科學(xué)活動中主客體互動的關(guān)系。

例如，關(guān)于光到底是粒子還是波，辯論了三百多年。玻爾認(rèn)為這完全取決于我們?nèi)绾稳ビ^察它。一種實(shí)驗(yàn)安排，人們可以看到光的波現(xiàn)象；另一種實(shí)驗(yàn)安排，人們又可以看到光的粒子現(xiàn)象。但就光子這個整體概念而言，它卻表現(xiàn)出波粒二象性。因此，海森伯就說，我們觀測的不是自然本身，而是由我們用來探索問題的方法所揭示的自然。[8]

量子力學(xué)的發(fā)展表明，不存在一個客觀的、絕對的世界。唯一存在的，就是我們能夠觀測到的世界。物理學(xué)的全部意義，不在于它能夠描述出自然“是什么”，而在于它能夠明確，關(guān)于自然我們能夠“說什么”。

參考文獻(xiàn)：

[1]林德宏.科學(xué)思想史[M].第2版.南京：江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，2004：270-271.

[2]郭奕玲，沈慧君.物理學(xué)史[M].第2版.北京：清華大學(xué)出版社，1993：1-2.

[3]劉敏，董華.從經(jīng)典科學(xué)到系統(tǒng)科學(xué)[J].科學(xué)管理研究，2006，24(2)：44-47.

[4]宋偉.因果性、決定論與科學(xué)規(guī)律[J].自然辯證法研究，1995,11(9)：25-30.

[5]彭桓武.量子力學(xué)80壽誕[J].大學(xué)物理，2006，25(8)：1-2.

[6]疏禮兵，姜巍.近現(xiàn)代科學(xué)觀的演進(jìn)及其啟示[J].科學(xué)管理研究，2004,22(5)：56-58.

量子力學(xué)基本概念范文第4篇

關(guān)鍵詞：量子力學(xué) 教學(xué)改革 物理思想

“量子力學(xué)”作為學(xué)習(xí)“固體物理”、“材料科學(xué)”、“材料物理與化學(xué)”和“激光原理”等課程的重要基礎(chǔ)，同時也是物理學(xué)專業(yè)及相關(guān)工科專業(yè)最核心的基礎(chǔ)課程之一。20世紀(jì)，“量子學(xué)說”被作為物理科學(xué)研究和人類文明進(jìn)步的標(biāo)志性貢獻(xiàn)，引起了廣泛地重視。通過對量子學(xué)說的學(xué)習(xí)，能夠使學(xué)生充分利用到所學(xué)的理論知識，對問題進(jìn)行分析和尋求解決方法，提高學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)和培養(yǎng)其創(chuàng)新能力。盡管如此，但該門課程所涉及的內(nèi)容較為空洞、抽象，對學(xué)生學(xué)習(xí)造成阻礙，使學(xué)生喪失了學(xué)習(xí)的興趣，學(xué)生也很難熟練掌握量子學(xué)說課程的要點(diǎn)。因此，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣是提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)水平的關(guān)鍵，但是如何調(diào)動學(xué)生課堂學(xué)習(xí)的積極性，成為了廣大教師很棘手的問題。筆者根據(jù)近幾年的教學(xué)模式，綜合長江大學(xué)（以下簡稱“我校”）的教學(xué)現(xiàn)狀，在“量子學(xué)說”教學(xué)方面，整理出一套符合我校教學(xué)實(shí)際的改革和嘗試，并取得了較好的效果。

1.“量子力學(xué)’’教學(xué)內(nèi)容的改進(jìn)。量子學(xué)說的理論與以往所學(xué)的傳統(tǒng)物理體系大有不同，重點(diǎn)表現(xiàn)在處理問題的方式上，但是卻又與傳統(tǒng)物理有著不可分割的關(guān)系，可以說，量子學(xué)說中很多的概念和理論都來源于傳統(tǒng)的物理學(xué)說。這就要求在學(xué)習(xí)量子學(xué)說的同時，既要摒棄以往學(xué)習(xí)物理形成的固有思考方式，又要遵循某些與傳統(tǒng)物理中相通之處的原理和學(xué)習(xí)法則。然而，這種思維上的反差必然導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)時的困惑，除此之外，量子學(xué)說較強(qiáng)的理論性也誤導(dǎo)學(xué)生陷于數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)的煩惱中，從而使學(xué)生喪失了學(xué)習(xí)興趣。根據(jù)這些教學(xué)中存在的問題，筆者提出了以下相應(yīng)的有益改進(jìn)。

（1）知識條理化，強(qiáng)化知識背景，增強(qiáng)趣味性。量子學(xué)說從誕生到最終建立，每一步的發(fā)展都經(jīng)過了縝密、細(xì)致、實(shí)事求是的分析，并不斷地完善和改進(jìn)。通過介紹量子學(xué)說的發(fā)展背景，引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并有利于學(xué)生明確量子學(xué)說與傳統(tǒng)物理之間的區(qū)別，同時讓學(xué)生在發(fā)展歷程中尋找合適的學(xué)習(xí)方法，有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力。在解釋某些理論和原理時，可以穿插講述其歷史背景，方便學(xué)生理解。通過這種方式，既能讓學(xué)生掌握理論知識，又有利于學(xué)生區(qū)分量子學(xué)說與傳統(tǒng)物理的區(qū)別[1]。

（2）重在物理思想，壓縮數(shù)學(xué)推導(dǎo)。數(shù)學(xué)在其相關(guān)學(xué)科的運(yùn)用，所起到的作用只是一種輔助工具。在物理研究中也不例外，如果過分強(qiáng)調(diào)數(shù)學(xué)的地位和作用，只會本末倒置。因此，在教學(xué)過程中，教師應(yīng)著重加強(qiáng)基本概念和蘊(yùn)含的區(qū)里實(shí)質(zhì)，而不能將物理思想埋沒在數(shù)學(xué)公式之中，應(yīng)把重點(diǎn)放在物理意義和實(shí)際運(yùn)用上，只有這樣，學(xué)生才能保持較好的學(xué)習(xí)熱情。

2.教學(xué)方法改革。傳統(tǒng)的教學(xué)模式使學(xué)生一直處于被動接受知識的狀態(tài)下，抑制了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的主動性，不僅不利于學(xué)生對知識的獲取，更阻礙了其創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，而且量子學(xué)說的理論抽象，很難被學(xué)生理解，傳統(tǒng)的教學(xué)方法，無法被學(xué)生接受，并會引起學(xué)生的反感，甚至厭學(xué)。如此一來，必然打擊學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，更降低了學(xué)習(xí)效率。為了促進(jìn)學(xué)習(xí)效率，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)其科學(xué)素養(yǎng)，筆者在教學(xué)模式上，探索出一些有效的措施。

（1）發(fā)揮學(xué)生主體作用。教師在課堂學(xué)習(xí)中有著舉足輕重的作用，除了傳授學(xué)生知識以外，還有著更重要的引導(dǎo)作用。在講解完規(guī)定的教學(xué)任務(wù)之外，還應(yīng)設(shè)定教師與學(xué)生的互動環(huán)節(jié)，通過創(chuàng)設(shè)問題情景，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考和分析，使學(xué)生對所學(xué)的知識進(jìn)行歸納總結(jié)。另外，還可以通過以問題的形式結(jié)束未講授的內(nèi)容，引起學(xué)生的興趣，并鼓勵學(xué)生課下利用課外資源尋求答案；還可以以小組的形式，讓學(xué)生團(tuán)結(jié)合作，對感興趣的物理理論進(jìn)行探討分析，并完成相關(guān)的小組論文。

（2）注重構(gòu)建物理圖像。由于物理理論都比較抽象，不利于理解，所以構(gòu)建圖像很重要，它不僅能夠完整地表達(dá)所要傳達(dá)的信息，而且能夠方便學(xué)生理解和記憶。圖像簡潔、清新的特點(diǎn)，使學(xué)生更熟練地掌握物理圖像的構(gòu)建能力，對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維也有促進(jìn)作用。

3.教學(xué)手段和考核方式改革。（1）用多種先進(jìn)的教學(xué)模式。采用小組討論課，可安排小組內(nèi)討論，然后是小組之間進(jìn)行辯論，最后由教師對辯論進(jìn)行點(diǎn)評和更正。例如，在講到微觀粒子的波函數(shù)時，有的學(xué)生認(rèn)為是全部粒子組成波函數(shù)，有的學(xué)生認(rèn)為是經(jīng)典物理學(xué)的波。這些問題的討論激發(fā)了學(xué)生的求知欲望，從而進(jìn)一步激發(fā)了學(xué)生對一些不易理解的概念和量子原理進(jìn)行深入理解，直至最后充分理解這些內(nèi)容。另外布置課外論文和邀請知名專家進(jìn)行講座都是不錯的方式。

（2）堅持研究型教學(xué)方式。教學(xué)中不再單一地只講授課堂知識，而是把科研融入到課堂學(xué)習(xí)之中，結(jié)合最新的科研動態(tài)，向?qū)W生介紹所學(xué)的原理在其相關(guān)領(lǐng)域中的運(yùn)用，以引起學(xué)生的興趣。

（3）將人文教育與專業(yè)教學(xué)相結(jié)合。量子概念誕生于1900年，它首次由德國物理學(xué)家普朗克引入；1905年，愛因斯坦進(jìn)一步完善了量子的概念；1913年，玻爾將量子化概念引入到原子中；1924年，德布羅意通過量子的概念提出微觀粒子具有波粒二象性；由此可見，物理學(xué)史上，力學(xué)從誕生到發(fā)展所蘊(yùn)含的創(chuàng)新思維是迄今為止任何一門學(xué)科都難以比擬的，教師和學(xué)生一起回顧量子力學(xué)的發(fā)展之路，讓學(xué)生了解到量子力學(xué)的魅力所在，啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

量子力學(xué)基本概念范文第5篇

分子與梨子間有個邊界，在那兒量子力學(xué)的奇特行為消失，出現(xiàn)我們熟悉的古典物理行為。量子力學(xué)只適用于微小世界的這種印象，普遍存在于人們的科學(xué)知識里。例如，在暢銷名著《優(yōu)雅的宇宙》的第一頁，美國哥倫比亞大學(xué)的物理學(xué)家布賴恩·格林提到，量子力學(xué)“提供一個理論架構(gòu)，讓我們理解最小尺度下的宇宙”。古典物理（涵蓋量子以外的所有理論，包括愛因斯坦的相對論）則負(fù)責(zé)最大尺度的世界。

然而，對世界做這種方便的切割，其實(shí)是種迷思。很少有現(xiàn)代物理學(xué)家會認(rèn)為古典物理和量子力學(xué)具有同等的地位，古典物理應(yīng)該只是具有量子本質(zhì)的世界（不論大?。┑囊环N有用近似。雖然在宏觀世界可能比較難看到量子效應(yīng)，但原因基本上跟大小無關(guān)，而是跟量子系統(tǒng)彼此作用的方式有關(guān)。

一直到十幾年前，實(shí)驗(yàn)學(xué)者仍未證實(shí)量子行為可以出現(xiàn)在大尺度系統(tǒng)，如今這已是家常便飯。這些效應(yīng)比任何人所想的都還要普遍，甚至可能出現(xiàn)在我們身體的細(xì)胞里。

即使是我們這些靠研究這類效應(yīng)吃飯的人，也還沒完全理解它所教給我們的、關(guān)于自然運(yùn)作的方式。量子行為很難可視化，也不容易以常識理解。它迫使我們重新思考觀察這宇宙的方式，并接受一個新穎又陌生的世界圖像。

纏結(jié)難解的故事

對量子物理學(xué)家而言，古典物理是全彩世界的一個黑白影像，無法完整呈現(xiàn)這個豐富的世界。在舊教科書的觀點(diǎn)里，當(dāng)尺度一變大，色調(diào)就不再豐富。個別粒子具量子性質(zhì)，一堆粒子則變?yōu)楣诺洹?/p>

然而，關(guān)于尺寸并非決定性因素的第一個線索，可以追溯到物理學(xué)歷史上最有名的思想實(shí)驗(yàn)之一：薛定諤的貓。

1935年，薛定諤想出一個病態(tài)的情節(jié)來說明微觀與宏觀世界是連在一起的，我們無法畫出界線。量子力學(xué)說，放射性原子可以同時處于衰變及未衰變的狀態(tài)；若將原子與一瓶可以殺死貓的毒藥扯上關(guān)系，使得原子衰變會導(dǎo)致貓死亡，則貓會如同原子般處于模棱兩可的量子態(tài)。怪異性質(zhì)由一個感染到另一個，大小在此并不重要，問題是為何貓的主人都只會看到他們的寵物非死即活？

以現(xiàn)代的觀點(diǎn)，世界看起來像古典的，是因?yàn)槲矬w與環(huán)境間復(fù)雜的交互作用將量子效應(yīng)掩藏了起來。例如，貓的生死信息通過光子和熱交換，迅速滲漏到環(huán)境里。量子現(xiàn)象會牽涉到不同古典狀態(tài)的組合（例如同時死與活），而這種組合會很快散逸掉。這種信息的滲漏便是“去同調(diào)”過程的基礎(chǔ)。

大的東西比小的容易去同調(diào)，這就是為什么物理學(xué)家通常可以只把量子力學(xué)當(dāng)成微觀世界的理論。但在許多例子里，這種信息滲漏可被減緩或停止，如此一來，量子世界就會全然顯露。

纏結(jié)是典型的量子現(xiàn)象，是薛定諤于1935年在那篇將他的貓介紹給全世界的論文里發(fā)明的名詞。纏結(jié)將幾個獨(dú)立粒子捆綁為不可分割的整體。一個古典系統(tǒng)總是可被分割的，至少原則上是如此；由個別組件集合而得的性質(zhì)，在個別組件里也會有。但是纏結(jié)的系統(tǒng)無法如此分割，并且會導(dǎo)致奇怪的結(jié)果：纏結(jié)的粒子即使互相遠(yuǎn)離，仍會表現(xiàn)為單一整體，這就是愛因斯坦所稱的、著名的“幽靈般的超距作用”。

物理學(xué)家通常講的是電子等基本粒子的纏結(jié)。這些粒子可粗略想象為旋轉(zhuǎn)的小陀螺，以順時針或逆時針方向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)軸指向任意給定的方向：水平、垂直、45°角等。測量其自旋時，必須選定一個方向，觀測粒子是否沿著那個方向轉(zhuǎn)動。

為了方便說明，假設(shè)粒子表現(xiàn)的是古典行為。你可以讓一個粒子沿水平軸順時針方向旋轉(zhuǎn)，另一個沿水平軸逆時針方向旋轉(zhuǎn)；如此一來，二者的總自旋為零。它們的轉(zhuǎn)動軸在空間中是固定的，測量結(jié)果取決于你選的方向是否沿著粒子的轉(zhuǎn)動軸。如果對二者都做水平軸的測量，則會看到兩個粒子的轉(zhuǎn)動方向相反；如果都做垂直軸的測量，則完全不會偵測到這兩個粒子的轉(zhuǎn)動。

然而，如果是具有量子性質(zhì)的電子，則情況會驚人的不同。你可以讓粒子的總自旋為零，即使你沒有給定個別粒子的轉(zhuǎn)動方向。測量其中一個粒子時，你會看到它隨機(jī)以順時針或逆時針方向轉(zhuǎn)動，就好像粒子是自己決定要朝哪個方向轉(zhuǎn)。而且，不管你選擇測量哪個方向，只要對這兩個粒子測量同一方向，則測得的轉(zhuǎn)動方向永遠(yuǎn)相反，一個順時針，一個逆時針。它們怎么知道要這樣做？這仍然是個極其神秘的性質(zhì)。不僅如此，如果你對一個粒子做水平軸測量，對另一個做垂直軸測量，則仍可測量到部分自旋，這就好像粒子沒有固定的轉(zhuǎn)動軸。因此，測量結(jié)果是古典物理無法解釋的。

誰在幫助原子排列？

大部分的纏結(jié)實(shí)驗(yàn)都只用到幾個粒子，因?yàn)橐淮笕毫Ｗ硬蝗菀赘艚^環(huán)境的影響，其中的粒子很容易跟無關(guān)的粒子纏結(jié)，破壞原始的內(nèi)在聯(lián)結(jié)。以去同調(diào)的說法，就是有太多信息滲漏到環(huán)境里，造成系統(tǒng)有古典的行為。對我們這些尋找纏結(jié)的實(shí)際用途（例如量子計算機(jī)）的研究人員來說，保持纏結(jié)是一項重要的挑戰(zhàn)。

2003年，有一個巧妙的實(shí)驗(yàn)證實(shí)，如果能夠減少滲漏或加以抵消，則大的系統(tǒng)也可以保持纏結(jié)。

英國倫敦大學(xué)的加布里埃爾·阿普爾等人將一塊氟化鋰鹽放在外加的磁場里，鹽里的原子就像旋轉(zhuǎn)的小磁棒，會盡量與外加磁場同向，這種反應(yīng)表現(xiàn)為磁化率。原子間的作用力就像同儕壓力般，會讓它們更快排列整齊。研究人員改變磁場強(qiáng)度，然后測量原子排得多快。他們發(fā)現(xiàn)，原子的反應(yīng)速度比彼此作用力的強(qiáng)度所能提供的還快。很顯然，在這個實(shí)驗(yàn)中有額外的效應(yīng)幫助原子排列整齊，而研究人員認(rèn)為這是纏結(jié)造成的。若真如此，則鹽塊里的1020個原子形成了巨大的纏結(jié)態(tài)。

為了避免熱能所造成的無序運(yùn)動，阿普爾的團(tuán)隊是在極低的溫度下做實(shí)驗(yàn)（僅千分之幾K）。不過，在那之后，巴西物理研究中心的亞歷山大·馬丁斯·德·蘇薩等人以室溫或更高的溫度，在銅羧酸鹽之類的材料里發(fā)現(xiàn)了宏觀纏結(jié)，自旋粒子間的交互作用強(qiáng)到可以抗拒熱能所造成的無序。在其他例子里，則必須用外力抵擋熱效應(yīng)。物理學(xué)家在越來越大、越來越高溫的系統(tǒng)里看到纏結(jié)：從以電磁場捕獲的離子到晶格里的超冷原子，再到超導(dǎo)量子位。