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量子力學和計算機的關系范文1
[關鍵詞]物理學理論 計算機技術 量子計算機
中圖分類號：O4-39 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）27-0198-01
一、近代物理學理論的發展與現代物理學理論
現代物理學的發展即為19世紀至今，是現代物理學理論發展不斷壯大的時期。
當力學，熱力學，統計學，電磁學都發展的很完善時，有“兩個不穩定因素”打破了物理界的當時的境況，推動了物理學的變革。第一個是邁克爾遜-莫雷實驗，即在實驗中沒測到“以太風”，也就是說不存在真正的參考系，光速與光源運動無關，光速各向同性。第二個是黑體輻射實驗，用經典物理學理論無法解釋實驗結果。
20世紀初，愛因斯坦打破了傳統的物理學理論，提出了俠義相對論，徹底了之前牛頓提出的絕對時空觀的理論。十年后又創立了廣義相對論，闡述了萬有引力的實質。
物理學界的第二個穩定因素――黑體輻射實驗，通過普朗克，愛因斯坦，玻爾等一大批物理學家的努力下，量子力學應時誕生了。隨著薛定諤波動方程解釋物質與波的關系，量子力學愈來愈趨于完善。
量子力學與相對論力學在現代物理學理論發展中是不可忽略的偉大成就。這兩個的研究的對象也發生了改變，由低速到高速，宏觀到微觀等，物理學理論也日趨成熟。
二物理學理論是計算機誕生的基礎
物理學作為理論基礎：隨著微積分、力學三大定律、萬有引力定律，經典光學理論的建立，總所周知的一位偉大的物理學家――牛頓的整個力學的體系也完美的呈現于人們眼中。一對天才數學家布爾和德莫根歷經無數次的推演證明，挖掘出了數理邏輯中那閃耀著最亮的光輝――布爾代數：電磁理論則是偉大的物理學家法拉第和麥克斯文創立的！而微觀領域上的量子力學經由多位物理學家――德布羅意、玻爾、愛因斯坦、海森伯、薛定諤建立;還有電子三極管經過無數次實驗也被德弗雷斯發明出來了。
上世紀40年代，200多位的專家研制小組由美國國防部任命的莫奇利和埃克特領導著并且克服了無數困難，兩年中堅持的開發創新，人類第一臺計算機――ENIAC（1946）在賓夕法尼亞大學研制成功！這不僅是第一臺電子管數字積分計算機更是人類文明進步的一大步。
隨著第一臺計算機的成功研制的第二年，一種不僅小而且安全可靠，又不會變熱，結構也什么簡單的晶體管在美國的科學家巴丁等人研制出來。德克薩斯一器和仙童公司也緊跟著飛速發展的科技的步伐，在1953年成功的生產出了首個集成電路。次年，得克薩斯儀器公司首先的宣布他們擁有了集成電路的生產線，這意味著集成電路可以大量的投入生產和使用，然后TRADIC――首臺晶體管計算機誕生了，這個在體積上要小很多的計算機就誕生了。
伴隨著集成電路的出現，第三代計算機則是誕生在60年代中期。同樣是由IBM公司生產出的IBN600系列計算機成為了第三代計算機的代表產品。早一些的INTEL8080CPU的晶體管集成度超過5000管/片，1977年在一個小小的硅片上就可包含幾萬個管子。
隨著時間的推移，以大比例的集成電路當作邏輯元件和存儲器的第四代計算機也向著微型或巨型改。計算機的處理器也由8086不停地在轉化，到了我們熟知的奔騰系列。
不管是計算機的理論基礎還是硬件設施，其實都是以物理學理論為根本的。物理學理論與計算機技術在未來的日子里互相補益，會不斷的推動科學向前飛速發展的。
三、計算機零件應用的物理學理論
液晶屏，一聽名字就可以想象得到它是以液晶材料為基本組件的。實際上液晶屏就是把液晶材料填充于兩塊平行板之間，并且利用電壓來改變其材料內部的分子排列情況，控制遮光與透光以顯示明暗不同，鱗次櫛比的圖案。如果想要顯示彩色的圖案時，只要把帶著三元色的濾光層加入到兩塊平行板之間就可以了。液晶屏的廣泛應用還因為其功耗十分的低，應用電池的電子產品都可以配置液晶屏。由于液晶介于固態與液態之間，那么就可以既體現固態晶體所有的光學特性，還可以表現出液態的流動特性。總結液晶的物理特性可歸納為：粘性、彈性和其極化性。
目前的CPU一般就是包括三個部分：基板、核心、針腳。大家都知道有一種電腦的硬件的組成的基本單位十分的重要，就是晶體管，而CPU的主要的組成也是晶體管。AMD主流CPU內核在早期的Palomino核心和Thoroughbred-B核心的配備，通常采用3750萬個晶體管，而Barton核心使用了5400萬個晶體管，核心Opteron處理器使用多達1.06億個晶體管;。因此，實際上說的CPU核心構成的最基本單位就是晶體管的的芯數，針腳。所說的基板通常是印刷電路板，它承載著核心與針腳。然后該晶體管通過電路連接，成為一個不可或缺的整體，然后可以去分成不同的執行單元，每個單元又可以去處理不同的數據，這樣有秩序的完成每個任務，才會準確而快速，這也是CPU為何擁有如此強大的處理能力的原因。
其實還有很多的零件都運用了大量的物理學理論。下面向大家介紹一下比較先進的計算機――量子計算機。
四、簡介量子計算機
從物理觀點看，計算機是一個物理系統.計算過程是一個物理過程。量子計算機是一個量子力學系統，量子計算過程就是這個量子力學系統內量子態的演化過程。
量子計算機以量子力學建立邏輯體系，與量子計算機有關的量子力學的原理，即量子狀態的主要性質包括：狀態疊加、干涉性、狀態變化、糾纏、不可復制性與不確定性。
量子計算機具有學術價值和產業價值不可估量。對人類的文明，它實際上是一個很大的進步，我認為最主要的方面則是它的工業價值。最直接的應用各種各樣的量子算法，他就可以用于商用化。
可以回想機器在20年前的悲慘境況和現在的春分得意，利用機器學習是很難在工業部門查找數值，因為計算能力的時候真的很爛。然后還要測試幾個月，誰還有時間來調整參數啊。而這兩十年間，計算機體系結構不斷的優化下，機器學習強大了好多倍。想想看，如果我們比今天的計算能力更強大，我們無法想象一個強大的AI強量子任務不是指日可待？而當每家每戶都有一個量子計算機，互聯網將演變成什么形式？總之，商業量子計算機將是未來科技的發動機，就像蒸汽機是工業文明的象征，量子計算機的前景值得我們期待！
我國科技飛速發展的今天，我們不難發現現代生活已經步入了一個電子的天堂，計算機將會發揮它不可估量的價值，而作文計算機技術的支架――物理學理論也在不斷的發展著，這就要求我們在緊跟著的腳步，努力研究，發現問題、認識問題、解決問題，逐漸的將我們國力壯大，2020年全面建成小康社會。
參考文獻
[1] 王炳根.百年物理學發展的回顧與未來的展望[J].南平師專學報. 1997，04：11-14.
量子力學和計算機的關系范文2
關鍵詞: 《量子力學》 物理圖像 創新思維 培養
《量子力學》是物理學專業重要的專業基礎課程,其教學質量的高低不僅影響到其他后續課程的學習,而且直接影響到物理學專業人才培養目標的實現。衡量物理教學的質量標準應該有三個維度,一是知識與技能維度,二是物理思想和方法論維度,三是物理品格維度。過去的教學,我們往往過多地重視第一維度,而忽視第二、第三個維度。在量子力學教學中,我們結合量子力學及其發展歷史所涵含的豐富的物理思想與方法,開展了學生創新思維能力培養的教學實踐研究。
一、創新型、應用型人才培養目標的要求
考慮到培養21世紀需要的應用型人才目標的要求,而且結合新建本科院校的課程設置的特點,《量子力學》課程的教學方法和教學體系建設應從以下兩方面著手:一方面,著重量子力學概念、規律和物理思想的展現,使學生在知識層面上夠用并且能用,并注意科學人文精神的闡發,為進行物理素質教育與物理教學研究提供量子力學方面的科學素養,如勇于創新、科學、嚴謹等。另一方面,培養學生建立正確的量子力學概念和物理圖像,掌握基本規律,廣泛了解量子力學在推動技術進步方面的作用,開拓思路,培養學生應用物理規律解決應用技術問題的能力。
二、《量子力學》教學中創新意識及創新能力的培養
根據應用型人才培養的目標,我們一直致力于探索一套合適的物理學專業量子力學課程教學的共享數字化教學體系,創建完整的教學資源,力求使學生在學習這門課程的同時受到實踐能力和創新能力的培養。相應措施主要體現在以下三個方面。
(一)創造實驗情景,以實驗和實踐為基礎深化量子力學的原理。
由于量子力學主要研究微觀粒子的運動規律,理論太抽象,許多量子現象和日常的生活經驗不符合甚至相違背,因此在教學中教師必須強調量子力學首先是一門試驗性的科學,應從實驗事實去推理分析,不直接與主觀經驗聯系,并時時將新的概念和結論與經典物理學的結果作比較,使學生能正確理解量子力學的基本概念,從而學會處理具體問題的方法,掌握量子力學的精髓。在講述量子力學基本內容的時候,尋找合適的接口與量子力學原理在實際生產中的應用相聯系。通過這兩方面的著重討論,學生能感受到量子力學的抽象原理是實實在在的、來源于實踐又回到實踐中得到檢驗的、正確的理論。
量子力學實驗從可操作的層面上可大致分為三類,一類是僅存在于人們想象中或目前還不能實現的理想實驗,一類是在高水平的實驗室中可以實現的科學研究實驗,一類是我們讓學生自己動手做的有關教學的基礎性實驗。但無論何種實驗,我們都可以利用多媒體技術在課堂上將其生動形象的展現出來,讓學生不僅深刻認識到實驗在量子力學發展中的重要作用,而且培養用實驗發現問題和驗證假說的能力。例如在講解物質粒子的波粒二象性時,我們用多媒體課件演示單電子衍射實驗。單電子發射時,在熒屏上出現一個亮點,說明電子的粒子性;再發射大量電子,屏幕上出衍射條紋,說明了電子的波動性。這樣,難以講解清楚的知識變得生動活潑,使學生能更快地理解所學的知識,且加深了學生的認知印象,大大提高了學習效率。
(二)充分利用現代媒體的作用,激發學生的創造興趣。
以電腦和互聯網為代表的信息技術已演變為繼傳統媒體后的“現代媒體”?，F代媒體將為教學過程提供新的教學手段,并為培養創新人才奠定了技術基礎。通過網絡技術,學生可以突破傳統教學的時空限制,不但可以享受本校教學資源,而且可以享受到全國高水平的教學資源,從而實現優質教學資源的共享,也為各學校的師生討論交流提供了一個很好的平臺。
對于《量子力學》這樣一門抽象的理論課,多媒體技術將圖、文、聲、像等各種教學信息有機的組合在一起,直觀、形象、生動,即使對那些比較抽象,難以理解的理論和日?？床坏交蚺臄z不到的情景,也可以通過三維動畫虛擬實現。多媒體豐富的表現力不僅能打破人類視覺上的樊籬,使得學生從科學與藝術相融的視覺信息中感知抽象、復雜的理論,而且能引發學生無限的遐想,極大地激發了他們的想象力。學生的思維高度活躍從而激發創新火花。
(三)密切結合當前的科技前沿和高新技術,將量子力學知識應用于實踐。
量子力學在各學科中已經有很多成功的應用并催生了許多交叉學科及現代高新技術的產生。在教學中,教師應盡可能進行知識的滲透和遷移,及時將當前與量子力學相關的科技前沿和高新技術引入到教學中,一些知識可以作為簡單的介紹,也可以就某個方面詳細分析,闡明其量子力學原理。例如量子力學與非線性科學的關系,量子理論在耗散系統、納米技術、分子生物學中的應用,量子力學與正在研究的量子計算機、量子保密通信的關系,等等。在教學中教師適當地穿插這些知識,既不會花費太多的時間,又能使教學更生動、易于理解,而且可使學生開拓視野,活躍思維,激發興趣。這樣學生不僅可以學到運用基礎理論指導科學研究的方法,而且可以克服原有的“量子力學就是一種純理論的學科”的片面認識。如我們在講解一維無限深勢阱時,將其與半導體量子阱和超晶格這一現代科學的前沿相聯系;在講解隧道效應時,將其與掃描隧道顯微鏡相聯系,進而可以介紹掃描探針操縱單個原子的實驗。我們通過這種方式使學生對這一部分的知識有了直觀的認識,從而不再感到量子力學的學習枯燥無味。
參考文獻:
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量子力學和計算機的關系范文3
關鍵詞：量子力學；教學探索；普通高校
中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）50-0212-02
一、概論
量子力學從建立伊始就得到了迅速的發展，并很快融合其他學科，發展建立了量子化學、分子生物學等眾多新興學科。曾謹言曾說過，量子力學的進一步發展，也許會對21世紀人類的物質文明有更深遠的影響[1]。
地處西部地區的貴州省，基礎教育水平相對落后。表1列出了2005年到2012年來的貴州省高考二本理科錄取分數線，從中可知：自2009年起二本線已經低于60%的及格線，并呈顯越來越低的趨勢。對于地方性新升本的普通本科學校來講，其生源質量相對較低。同時，在物理學（師范）專業大部分學生畢業后的出路主要是中學教師、事業單位一般工作人員及公務員，對量子力學的直接需求并不急切。再加上量子力學的“曲高和寡”，學生長期以來形成學之無用的觀念，學習意愿很低。在課時安排上，隨著近年教育改革的推進，提倡重視實習實踐課程、注重學生能力培養的觀念的深入，各門課程的教學時數被壓縮，量子力學課程課時從72壓縮至54學時，課時被壓縮25%。
總之，在學校生源質量逐年下降、學生學習意愿逐年降低，且課時量大幅減少的情況下，教師的教學難度進一步增大。以下本人結合從2005至10級《量子力學》的教學經驗，談一下教學方面的思考。
二、依據學生情況，合理安排教學內容
1.根據班級的基礎區別化對待，微調課程內容?？紤]到我校學生的實際情況和需要，教學難度應與重點院校學生有差別。同時，通過前一屆的教學積累經驗，對后續教學應有小的調整。在備課時，通過微調教學內容來適應學習基礎和能力不同的學生。比如，通過課堂教學及作業的反饋，了解該班學生的學習狀態，再根據班級學習狀況的不同，進行后續課程內容的微調。教學中注重量子力學基本概念、規律和物理思想的展開，降低教學內容的深度，注重面上的擴展，進行全方位拓寬、覆蓋，特別是降低困難題目在解題方面要求，幫助學生克服學習的畏難心理。
2.照顧班內大多數，適當降低數學推導難度。對于教學過程中將要碰到的數學問題，可采取提前布置作業的方法，讓學生主動去復習，再輔以教師課堂講解復習，以解決學生因為數學基礎差而造成的理解困難。同時，可以通過補充相關數學知識，細化推導過程，降低推導難度來解決。比如：在講解態和力學量的表象時[2]，要求學生提前復習線性代數中矩陣特征值、特征向量求解及特征向量的斯密特正交化方法。使學生掌握相關的數學知識，這對理解算符本征方程的本征值和本征函數起了很大的推動作用。
3.注重量子論思想的培養。量子論的出現，推動了哲學的發展，給傳統的時空觀、物質觀等帶來了巨大的沖擊，舊的世界觀在它革命性的沖擊下分崩離析，新的世界觀逐漸形成。量子力學給出了一套全新的思維模式和解決問題的方法，它的思維模式跟人們的直覺和常識格格不入，一切不再連續變化，而是以“量子”的模式一份一份的增加或減少。地方高校的學生數學基礎較差，不愿意動手推導，學習興趣較低，量子力學的教學，對學生量子論思維方式的培養就顯得尤為重要。為了完成從經典理論到量子理論思維模式的轉變，概念的思維方式是基礎、是重中之重。通過教師的講解，使學生理解量子力學的思考方式，并把經典物理中機械唯物主義的絕對的觀念和量子力學中的概率的觀念相聯系起來，在生活中能夠利用量子力學的思維方式思考問題，從而達到學以致用的目的。
4.跟蹤科學前沿，隨時更新科研進展。科學是不斷向前發展的，而教材自從編好之后多年不再變化，致使本領域的最新研究成果，不能在教材中得到及時體現。而發生在眼下的事件，最新的東西才是學生感興趣的。因此，我們可以利用學生的這種心理，通過跟蹤科學前沿，及時補充量子力學進展到教學內容中的方式，來提高學習量子力學的興趣。教師利用量子力學基本原理解釋當下最具轟動性的科技新聞，提高量子力學在現實生活中出現的機會，同時引導學生利用基本原理解釋現實問題，從而培養學生理論聯系實際的能力。
三、更新教學手段，提高教學效率
1.拓展手段，量子力學可視化。早在上世紀90年代初，兩位德國人就編制完成了名為IQ的量子力學輔助教學軟件，并在此基礎上出版了《圖解量子力學》。該書采用二維網格圖形和動畫技術，形象地表述量子力學的基本內容，推動了量子力學可視化的前進。近幾年計算機運算速度的迅速提高，將計算物理學方法和動畫技術相結合，再輔以數學工具模擬，應用到量子力學教學的輔助表述上，使量子力學可視化。通過基本概念和原理形象逼真的表述，學生理解起來必將更加輕松，其理解能力也會得到提高。
2.適當引入英語詞匯。在一些漢語解釋不是特別清楚的概念上，可以引入英文的原文，使學生更清晰的理解原理所表述的含義。例如，在講解測不準關系時，初學者往往覺得它很難理解。由于這個原理和已經深入人心經典物理概念格格不入，因此初學者往往缺乏全面、正確的認識。有學生根據漢語的字面意思認為，測量了才有不確定度，不測量就不存在不確定。這時教師引入英文“Uncertainty principle”可使學生通過英文原意“不確定原理”知道，這個原理與“測量”這個動作的實施與否并沒有絕對關系，也就是說并不是測量了力學量之間才有不確定度，不測量就不存在，而是源于量子力學中物質的波粒二象性的基本原理。
3.提出問題，引導學生探究。對于學習能力較強的學生，適當引入思考題，并指導他們解決問題，從而使學生得到基本的科研訓練。比如，在講解氫原子一級斯塔克效應時，提到“通常的外電場強度比起原子內部的電場強度來說是很小的”[2]。這時引入思考題：當氫原子能級主量子數n增大時，微擾論是否還適用？在哪種情況下可以使用，精確度為多少？當確定精度要求后，微擾論在討論較高激發態時，這個n能達到多少？學生通過對問題的主動探索解決，將進一步熟悉微擾論這個近似方法的基本過程，理解這種近似方法的精神。這樣不僅可以加深學生對知識點的理解，還可以得到基本的科研訓練，從而引導學生走上科研的道路。
4.師生全面溝通，及時教學反饋。教學反饋是教學系統有效運行的關鍵環節，它對教和學雙方都具有激發新動機的作用。比如：通過課堂提問及觀察學生表情變化的方式老師能夠及時掌握學生是否理解教師所講的內容，若不清楚可以當堂糾正。由此建立起良好的師生互動，改變單純的灌輸式教學，在動態交流中建立良好的教學模式，及時調整自己的教學行為。利用好課程結束前5分鐘，進行本次課程主要內容的回顧，及時反饋總結。通過及時批改課后作業，了解整個班級相關知識及解題方法的掌握情況。依據反饋信息，對后續課程進行修訂。
通過雙方的反饋信息，教師可以根據學生學習中的反饋信息分析、判定學生學習的效果，學生也可以根據教師的反饋，分析自己的學習效率，檢測自己的學習態度、水平和效果。同時，學生學習行為活動和結果的反饋是教師自我調控和對整個教學過程進行有效調控的依據[6]。
四、結論
量子力學作為傳統的“難課”，一直是學生感到學起來很困難的課程。特別是高校大擴招的背景下，很多二本高校都面臨著招生生源質量下降、學生學習意愿不高的現狀，造成了教師教學難度進一步增大。要增強學生的學習興趣，提高教學質量，教師不僅要遵循高等教育的教學規律，不斷加強自身的學術水平，講課技能，適時調整教學內容，采取與之相對應的教學手段，還需要做好教學反饋，加強與學生的溝通交流，了解學生的真實想法，并有針對性的引入與生活、現實相關的事例，提高學生學習量子力學的興趣。
參考文獻：
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量子力學和計算機的關系范文4
論文摘要：針對鄭州輕工業學院量子力學教學現狀，結合“量子力學”的課程特點，立足于提高學生學習積極性和培養學生科學探索精神及創新能力，簡要介紹了近年來在教學內容、教學方法、教學手段和考核方法等方面進行的一些改革嘗試。
論文關鍵詞：量子力學；教學改革；物理思想
“量子力學”是20世紀物理學對科學研究和人類文明進步的兩大標志性貢獻之一，已經成為物理學專業及部分工科專業最重要的基礎課程之一，是學習“固體物理”、“材料科學”、“材料物理與化學”和“激光原理”等課程的重要基礎。通過這門課程的學習，學生能熟練掌握量子力學的基本概念和基本理論，具備利用量子力學理論分析問題和解決問題的能力。同時，這門課程對培養學生的探索精神和創新意識及科學素養亦具有十分重要的意義。然而，“量子力學”本身是一門非常抽象的課程，眾多學生談“量子”色變，教學效果可想而知。如何激發學生學習本課程的熱情，充分調動學生的積極性和主動性，提高量子力學的教學水平和教學質量，已經成為擺在教師面前的重要課題。近年來，筆者在借鑒前人經驗的基礎上，結合鄭州輕工業學院（以下簡稱“我校”）教學實際，在“量子力學”的教學內容和教學方法方面做了一些有益的改革嘗試，取得了較好的效果。
一、“量子力學”教學內容的改革
量子力學理論與學生長期以來接觸到的經典物理體系相去甚遠，尤其是處理問題的思路和手段與經典物理截然不同，但它們之間又不無關聯，許多量子力學中的基本概念和基本理論是類比經典物理中的相關內容得出的。因此，在“量子力學”教學中，一方面需要學生摒棄在經典物理學習中形成的固有觀念和認識，另一方面在學習某些基本概念和基本理論時又要求學生建立起與經典物理之間的聯系以形成較為直觀的物理圖像，這種思維上的沖突導致學生在學習這門課程時困惑不堪。此外，這門課程理論性較強，眾多學生陷于煩瑣的數學推導之中，導致學習興趣缺失。針對以上教學中發現的問題，筆者對“量子力學”課程的教學內容作了一些有益的調整。
1.理清脈絡，強化知識背景
從經典物理所面臨的困難出發，到半經典半量子理論的形成，最終到量子理論的建立，對量子力學的發展脈絡進行細致的、實事求是的分析，特別是對量子理論早期的概念發展有一個準確清晰的理解，弄清楚到底哪些概念和原理是已經證明為正確并得到公認的，還存在哪些不完善的地方。這樣一方面可使學生對量子力學中基本概念和基本理論的形成和建立的科學歷史背景有一深刻了解，有助于學生理清經典物理與量子理論之間的界限和區別，加深他們對這些基本概念和基本理論的理解；另一方面，可使學生對蘊藏在這一歷程中的智慧火花和科學思維方法有一全面的了解，有助于培養學生的創新意識及科學素養。比如：對于玻爾理論，由于對量子化假設很難用已經成形的經典理論來解釋，學生往往會覺得不可思議，難以理解。為此，在講解這部分內容時，很有必要介紹一下玻爾理論產生的歷史背景，告訴學生在玻爾的量子化假設之前就已經出現了普朗克的量子論和愛因斯坦的光量子概念，且大量關于原子光譜的實驗數據也已經被掌握，之前盧瑟福提出的簡單行星模型卻與經典物理理論及實驗事實存在嚴重背離。為了解決這些問題，玻爾理論才應運而生。在用量子力學求解氫原子定態波函數時，還可以通過定態波函數的概率分布圖，向學生介紹所謂的玻爾軌道并不是真實存在的，只是電子出現幾率比較大的區域。通過這樣講述，學生可以清晰地體會到玻爾理論的承上啟下的作用，而又不至于將其與量子力學中的概念混為一談。
2.重在物理思想，壓縮數學推導
在物理學研究中，數學只是用來表述物理思想并在此基礎上進行邏輯演算的工具，教師不能將深刻的物理思想淹沒在復雜的數學形式之中。因此，在教學過程中，教師要著重于加強基本概念和基本理論的講授，把握這些概念和理論中所蘊含的物理實質。對一些涉及繁難數學推導的內容，在教學中刻意忽略具體數學推導過程，著重于使學生掌握其中的思想方法。例如：在一維線性諧振子問題的教學中，對于數學方面的問題，只要求學生能正確寫出薛定諤方程、記住其結論即可，重點放在該類問題所蘊含的物理意義及對現成結論的應用上。這樣，學生就不會感到枯燥無味，而能始終保持較高的學習熱情。
二、教學方法改革
傳統的“填鴨式”教學法把課堂變成了教師的“一言堂”，使得學生在教學活動中始終處于被動接受地位，極大地壓制了學生學習的主觀能動性，十分不利于知識的獲取以及對學生創新能力及科學思維的培養。而且，“量子力學”這門課程本身實驗基礎薄弱、理論性較強，物理圖像不夠直觀，一味采取灌輸式教學，學生勢必感到枯燥，甚至厭煩。長期以往，學習積極性必然受挫，學習效果自然大打折扣。為了提高學生學習興趣，激發其學習的積極性，培養其科學探索精神及創新能力，筆者在教學方法上進行了一些有益的探索。
1.發揮學生主體作用
除卻必要的教學內容講解外，每節課都留出一定的師生互動時間。教師通過創設問題情景，引導學生進行研究討論，或者針對已講授內容，使學生對已學內容進行復習、總結、辨析，以加深理解；或者針對未講授內容，激發學生學習新知識的興趣（比如，在講授完一維無限深方勢阱和一維線性諧振子這兩個典型的束縛態問題后就可引導學生思考“非束縛態下微觀粒子又將表現出什么樣的行為”），這樣學生就會積極地預習下節內容；或者選擇一些有代表性的習題，讓學生提出不同的解決辦法，培養學生的創新能力。對于在課堂上不能解決的問題，積極鼓勵學生利用圖書館及網絡資源等尋求解決，培養學生的科學探索精神。此外，還可使學生自由組合，挑選他們感興趣的與課程有關的題目進行討論、調研并完成小組論文，這一方面激發學生的自主學習積極性，另一方面使其接受初步的科研訓練，一舉兩得。 轉貼于
2.注重構建物理圖像
在實際教學中著重注意物理圖像的構建，使學生對一些難以理解的概念和理論形成較為直觀的印象，從而形成深刻的記憶和理解。例如：借助電子束衍射實驗，通過三個不同的實驗過程（強電子束、弱電子束及弱電子束長時間曝光），即可為實物粒子的波粒二象性構建出一幅清晰的物理圖像；借助電子束衍射實驗圖像，再以光波類比電子波，即可凝練出波函數的統計解釋；借助電子雙縫衍射實驗圖像，可使學生更易接受和理解態疊加原理；借助解析幾何中的坐標系，可很好地為學生建立起表象的物理圖像。盡管這其中光波和電子波、坐標系和表象這些概念之間有本質上的區別，但借助這些學生已經熟知和深刻理解的概念，可使學生非常容易地接受和理解量子力學中難以言明的概念和理論，同時，也可使學生掌握這種物理圖像的構建能力，對培養學生的創新思維具有非常積極地作用。
三、教學手段和考核方式改革
1.課程教學采用多種先進的教學方式
如安排小組討論課，對難于理解的概念和規律進行討論。先是各小組內討論，再是小組間辯論，最后老師對各小組討論和辯論的觀點進行評述和指正。例如，在講到微觀粒子的波函數時，有的學生認為是全部粒子組成波函數，有的學生認為是經典物理學的波。這些問題的討論激發了學生的求知欲望，從而進一步激發了學生對一些不易理解的概念和量子原理進行深入理解，直至最后充分理解這些內容。另外課程作業布置小論文，邀請國內外專家開展系列量子力學講座等都是不錯的方式。
2.堅持研究型教學方式
把課程教學和科研相結合，在教學過程中針對教學內容，吸取科研中的研究成果，通過結合最新的科研動態，向學生講授在相關領域的應用以培養學生學習興趣。在量子力學誕生后，作為現代物理學的兩大支柱之一的現代物理學的每一個分支及相關的邊緣學科都離不開量子力學這個基礎，量子理論與其他學科的交叉越來越多。例如：基本粒子、原子核、原子、分子、凝聚態物理到中子星、黑洞各個層次的研究以量子力學為基礎；量子力學在通信和納米技術中的應用；量子理論在生物學中的應用；量子力學與正在研究的量子計算機的關系等，在教學中適當地穿插這些知識，擴大學生的知識面，消除學生對量子力學的片面認識，提高學生學習興趣和主動性。
3.利用量子力學課程將人文教育與專業教學相結合
量子力學從誕生到發展的物理學史所包含的創新思維是迄今為止哪一門學科都難以比擬的。在19世紀末至20世紀初，經典物理學晴空萬里，然而黑體輻射、光電效應、原子光譜等物理現象的實驗結果嚴重沖擊經典物理學理論，讓經典物理學陷入危機四伏的境地。1900年，德國物理學家普朗克創造性地引入了能量子的概念，成功地解釋了黑體輻射現象，量子概念誕生。1905年，愛因斯坦進一步完善了量子化觀念，指出能量不僅在吸收和輻射時是不連續的（普朗克假設），而且在物質相互作用中也是不連續的。1913年，玻爾將量子化概念引入到原子中，成功解釋了有近30年歷史的巴爾末經驗光譜公式。泡利突破玻爾半經典、半量子論的局限，給予了令玻爾理論不安的反常塞曼效應以合理解釋。1924年，德布羅意突破普朗克能量子觀念提出微觀粒子具有波粒二象性，開始與經典理論分庭抗禮。和學生一起重溫量子力學史的發展之路，在教學過程中展現量子力學數學形式之美，使學生在科學海洋中得到美的享受，從精神上熏陶他們的創新精神。
4.考試方式改革
在本課程的教學中采用了教考分離，通過小考題的形式復習章節內容，根據學生的實際水平適當輔導答疑，注重學生對量子力學基礎知識理解的考核。對于評價系統的建立，其中平時成績（包括作業、討論、綜合表現等）占30％，期末考試占70％。從實施的效果來看，督促了學生的學習，收到了較好的效果，受到學生的歡迎。
量子力學和計算機的關系范文5
本文的主要內容就是20世紀是如何完成科學的社會化和社會的科學化的。20世紀整個的一百年里，理論科學的發展基本上可以概括為兩次科技革命和四大理論模型；應用科學也可以概括為兩大超級能量和兩大生活技術。
兩次科技革命的第一次指的是在19世紀20世紀之交物理學領域發生的科技革命，包括相對論和量子力學的出現。第二次科技革命，在我看來還是一個正在進行中的、尚未完成的革命。這場革命發生在20世紀后半期，就是非線性科學的革命。四大理論模型是在20世紀快結束的時候基本形成的。這個四個模型包括宇宙學中的大爆炸模型、粒子物理學中的夸克模型、分子生物學當中的DNA雙螺旋模型、地學中的大地板塊模型。也有人說還可以再加一個計算機領域的馮？諾伊曼模型。這四個模型或者五個模型大體可以表達20世紀最重要的一些理論成就。當然不是說其他的成就就不重要，而是說這幾個成就格外的重要，因為它們構成了20世紀理論科學發展的一個平臺。
應用科學的兩大超級能量，第一個能量就是核能量的釋放，包括核武器的研制、核能量的釋放和利用等。這個可以稱之為超級能量的釋放。第二個是登月工程。登月工程之所以能夠稱為一種超級能量，是因為它代表了人類對地球引力的征服，代表了人類走向太空。這是一個人類自古以來從未想象過的一種現實，可以稱它為一種超級能量的開發。
那么什么是兩大生活技術呢？這指的是20世紀后期發生在我們眼前的兩種技術。第一個就是生物技術，第二個是信息技術。人有兩方面的存在，一個是社會學存在，一個是生物學存在。人類的生物學存在正在遭受生物技術的改造和改變，這是一種生活技術。人作為社會學意義上的存在，是一種交往性的存在。人是通過交往來認同自己的，每個人都要跟人家交往，把一個人關在一個屋子里老不讓他交往，他最后不是發瘋就是變成非人。但是交往是要依靠技術的，基本的交往技術就是信息技術。所以今天的信息技術就是我們第二大生活技術。
一、世界圖景的重建
我們先來看物理學革命。物理學革命分為相對論革命和量子力學革命。相對論基本上是家喻戶曉的了，因為愛因斯坦是20世紀最大的科學明星。愛因斯坦曾經跟卓別林說，為什么所有人都喜歡你，是因為他們都理解你；為什么所有人都喜歡我，是因為他們都不理解我。這就反映了愛因斯坦的相對論非常難理解，不要說一般大眾，就是學物理的要真正地理解相對論也是很不容易的，所以愛因斯坦就開了這么一個玩笑。
大家知道相對論分為狹義相對論和廣義相對論。狹義相對論主要是在時間空間問題上的一場革命。關鍵是引出了同時性的相對性。比如說現在我們正在王府井搞講座，此刻天安門那兒有一場隆重的儀式，那么在什么意義上說，此刻天安門和王府井的兩個事件是同時的呢？你可以說我們看表看到是同時的，都是10點鐘開始，那邊也10點，我們這兒也10點?？墒沁@畢竟是兩塊表，如何才能知道它們是一致的呢？的確，我們不能肯定現在這塊表定的時間和天安門廣場那塊表的時間完全一樣，因此講同時性就需要對鐘。愛因斯坦說，你必須告訴我你是怎么對鐘的，他要求同時性要有一個操作的定義。由于要對鐘，所以需要信號。最快的信號是光，可以用光來對鐘。但是光的速度仍然是有限的，這就意味著在對鐘的過程中光信號從天安門傳到王府井是需要時間的，這就會遭遇一種相對性效應。在一個靜止的人看你對鐘和一個運動的人看你對鐘，對出來的是不一樣的。愛因斯坦借此提出同時性的相對性，也就是說，對于一個參照系中的觀察者來說是同時的，對另一個參照系的觀察者就不是同時的。根據這個同時性的相對性，愛因斯坦就推出了他所謂的狹義相對論。同時性的相對性還比較好理解，但由此出發得出了很多很古怪的結果。
第一個古怪的效果叫尺縮鐘慢。在不同的參照系里的人看來，尺子的長度是不一樣的。一個運動的尺子會比在靜止時短，這個叫尺縮；運動的鐘要慢一點，這是鐘慢。這個尺縮鐘慢效應不是任何外力作用造成的，就是參照系本身造成的，是運動學效應不是動力學效應。由于運動是相對的，你看見我的鐘慢了，我看見你的鐘也慢了，那么到底是誰慢了呢？由于處在不同的參照系，這個問題是沒有意義的。但是，要是讓一對雙生子派一個人先出去跑一圈再回來，由于他們都會發現對方時鐘慢了，生命的生長也慢了，于是對方都比自己年輕了，這樣再次碰面就會出現悖論：到底是哪一個更年輕？這就是著名的雙生子悖論。這個悖論在狹義相對論里解決不了，只有在廣義相對論才能解決。大家知道，一個宇宙飛船飛出去又飛回來，它必然要經歷一個加速運動才能飛出去，飛出去之后要想再回來，它又要經歷一個減速運動。一加速一減速就不符合狹義相對論的條件，就是廣義相對論處理的問題了。經歷了加速場的人，按照廣義相對論來說，他應該是絕對地變年輕了。因此按照廣義相對論，這個雙生子悖論是可以解決的，答案是坐宇宙飛船出去轉一圈的那個人變年輕了。這是我們要說的尺縮鐘慢效應。
還有一個很重要的推論，就是很多人都知道的質能轉化公式，E等于MC2，E是能量，M是質量，C是光速。根據這個公式，稍微有一點點質量的損失，可以變成巨大的能量。過去分別有質量守恒和能量守恒，現在兩者是一回事，合起來叫質能守恒，這個也是狹義相對論所得出的結論。
接著我們說一說廣義相對論。廣義相對論處理的是加速問題。牛頓力學里面有兩個質量，一個是牛頓第二定律規定的那個質量，我們稱為慣性質量；另外一個是萬有引力定律里面的，叫引力質量。在牛頓時代，引力質量和慣性質量被認為當然是同樣一個質量，但是這個并沒有予以說明。愛因斯坦認為，這兩個質量的同一性實際上表明了引力場和加速場的等效性。說白了就是，引力場和加速場本質上是一回事。愛因斯坦最喜歡用電梯做思想實驗，歷史上稱為愛因斯坦電梯。比如說你坐在封閉的電梯里，并且用臺秤秤自己的重量，現在你發現臺秤上顯示你的重量大于你的體重，那么愛因斯坦說，你不能肯定究竟是你所在的電梯正在向上加速運動，還是地球的引力突然增大了。這就是加速場和引力場兩者不可分的意思。根據這個等效原理，他推出了廣義相對論。
廣義相對論也有很多重要的預言。其中最有意思的一個推論就是，他認為物質和空間之間不能夠像過去那樣看成相互外在的兩個東西，比如說空間是一個籃子，物質就像籃子里的菜；空間是那個書架子，物質就是書架上的書。愛因斯坦說這不對的，實際情況是，空間變成了物質的某種幾何性質。廣義相對論主張，有什么樣的物質，就會有什么樣的空間。就好比籃子裝了菜，籃子就發生變化；書架裝了書，書架會發生變化。任何有質量的物質都會引起周圍空間的彎曲，質量越大、引力場越大，空間彎曲得越厲害。過去我們認為月亮繞地球轉，是因為有地球的引力在拉著它，現在，按照廣義相對論的說法，好是因為地球的引力場讓地球周邊的空間變彎了。月亮某種意義上是在走一個直路，只不過空間彎了，它走的直路在我們看來也是一個彎路。
空間彎了，一向走直路的光線當然也會彎曲。這個說法當然是非常奇特的，一般人覺得不可思議。愛因斯坦說只有在特別強大的引力場之中，光才能發生彎曲。我們地球周圍最大的引力場就是太陽，太陽質量最大，可是白天太陽很亮，沒有辦法用它來判定光線是否在經過它是否發生了彎曲。但也有辦法，就是等日全食的時候，月亮正好把太陽全部遮住的時候，我們再來看一看處在太陽背后的那個恒星的光，能不能繞過太陽被我們看見，如果能的話就證明愛因斯坦說得是對的。這件事情正好發生在第一次世界大戰之后，英國的愛丁頓率領一個考察隊專門去考察日全食的時候光線是不是發生彎曲，考察的結果居然是真的發生了彎曲。當時就一下子轟動了，愛因斯坦從此成為家喻戶曉的科學家。
我們講這些基本的東西，是要想說明愛因斯坦的相對論，對人類關于時間、空間、宇宙的基本觀念產生了一場革命性的轉變，因此我們說愛因斯坦是20世紀的一個科學革命家。下面我們再來講講量子力學。量子力學從某種意義上說，比愛因斯坦的相對論還要深刻，它里面所包含著的革命性因素還要多，主要表現在幾個方面。
第一個是微觀領域里物質的波粒二象性。微觀粒子既表現出波的特性，又表現出粒子的特性。粒子的一個特點是它有個定義明確的界限，有自己獨一無二的位置。波則是一個彌散的東西，不能說波在什么位置，波是處在整個空間之中。這本來是兩種完全不一樣的物質形態，但量子力學發現，微觀粒子既像是粒子也像波。比如說這個屋子有兩個門，我們每個人進來的時候總只能從一個門進來，你不能說我同時從兩個門進來的?？墒橇孔恿W發現，微觀領域的粒子就是從兩個門進來的。同樣，它也是從兩個門出去的，因此，你就不好說它出去之后究竟在什么地方。
第二個叫做測不準原理。一個粒子的能量和時間、質量和動量不能夠同時精確測定，也稱為不確定性原理。為什么量子領域會發生這個事情呢？主要的一個原因是我們對量子領域的現象必須通過實驗才能了解，可是實驗總是會對對象有干預。比如說我們這個黑屋子里面有一個球，現在我們來問這個球在什么位置，當然我們不知道在什么位置，因為屋子太黑了我們看不見。為了知道它在什么位置我必須把燈打開?？墒前褵粢淮蜷_之后，那個燈的光線就對那個球產生作用。對一個宏觀的球來說，光線不大可能對它產生什么明顯的影響，可是在量子微觀領域，這個光子跟這個球差不多，它就完全有可能把球打到不知道什么地方去了。即使你打開燈之后看見那個球在某個位置，你也不能說沒打開燈之前那個球在什么位置。如果你不開燈你看不見，一開燈球又變了位置了，所以這就是為什么量子力學說搞不清楚它在什么位置的一個根本原因。
量子力學還有很多這類稀奇古怪的現象。經常有物理學家自嘲說，如果你在學過了量子力學之后沒有意識到自己根本不懂量子力學，那么你就真是不懂量子力學。只有當你知道自己不懂量子力學之后，你才能說自己稍微懂得一點量子力學。量子力學在20世紀初產生后，與實驗符合得非常好，成了整個20世紀科學的一個基本的平臺。今天諸位都用了手機，用了電子設備，其實里面都包含著量子力學的理論成就。量子力學我們就講到這里。
下面我們講講四大理論模型。
四個理論模型里面宇宙學和相對論聯系最深。牛頓以來的宇宙學基本上就沒了，因為宇宙被認為是無限的，無限的宇宙沒法研究。愛因斯坦相對論提出來之后，他發現可以把宇宙整體作為一個研究對象，建立方程。這個宇宙方程導出的解都表明宇宙不是穩定的，但他當時覺得宇宙總體上應該是一個穩定的東西，所以他加了一個宇宙學項，強行把從相對論宇宙學中導出了一個靜止的宇宙模型。也有一些數學家試解愛因斯坦的宇宙方程，提出了好多次數學方案，這些方案都表明宇宙是不穩定的。由于沒有觀測證據，數學家自己算著玩，也沒有人當真。
有意思的是，大概在2 0年代末，美國的一位天文學家叫哈勃（哈勃望遠鏡就是以他的名字命名的），他發現銀河系外面的星系都有紅移現象。紅移就是光譜向紅端移動，向低頻段移動，人們馬上聯想到多普勒效應。多普勒效應很簡單，說的是一個運動的振動源在觀察者看來，振動的波長和頻率都是要發生改變的。我們都有這個經驗，一列火車鳴著汽笛向我們開來的時候聲音越來越尖銳，離我們而去的時候聲音越來越低沉。這不是因為它這個汽笛聲調發生了變化，而是因為我們和火車之間的運動關系發生了變化。它向著我們來的時候是越來越尖銳，聲音的頻率發生了藍移；離我們而去的時候聲音越來越低沉，發生了紅移。河外星系都有這樣的紅移現象，這就意味著所有的星系實際上都在離我們遠去。如果所有的星系都離我們遠去，這就意味著整個宇宙都在膨脹。
這個觀察證據發現之后，立即就被人聯想到那些數學家所給出的宇宙膨脹模型。理論與觀測相遇了，現代宇宙學就這樣成長起來了。如果說宇宙是膨脹的話，那么往回追溯它應該越來越小，小到一定地步應該就變成一個點。從點狀如何膨脹出一個宇宙？點之前又是什么東西？這就是一個大問題。宇宙學家提出一個理論說，宇宙是從起點處高溫、高壓、高密度的奇點狀態爆炸過來的，爆炸瞬間之后，是一團宇宙霧，或者說一鍋宇宙湯，隨著溫度慢慢變低，依次產生現在我們看到的這些物質，核子啊、電子啊這些東西，后來慢慢再出現星系、星云，出現行星，整個宇宙就出來了。在冷卻的過程中實際上還有點霧沒有徹底冷卻，這個很稀薄的一層霧始終還在，大概相當于絕對溫度三度這樣子的輻射，是早期宇宙湯的一個遺跡。這個遺跡后來居然也被發現了，這個發現也是非常巧的。幾個搞射電天文的人做了一個射電望遠鏡調試，怎么調試也不能復零，老有一點本底噪音。這個本底噪音當時被認為是望遠鏡沒做好的一種表現，他們很苦惱。但是他們在普林斯頓大學吃飯的時候跟同事們談起來，說我們造了一個望遠鏡，怎么調也調不到零，本底噪音不知道怎么來的。說者無心聽者有意，旁邊的理論宇宙學家一聽，這個本底噪音不就是宇宙背景輻射嗎？他們于是結合起來研究，證明那個本底噪音就是宇宙湯在冷卻過程中留下的那一點點霧，稱為微波背景輻射。這個輻射的發現就成了對熱大爆炸宇宙模型的一個有力的支持，這個模型從此就有力地確立下來了。這個模型也很受理論物理學家喜愛，因為很多高能物理實驗在地面上不好做，做不出來，但有了這個模型，我們就可以虛擬地在宇宙早期去做。因為宇宙早期溫度高，密度大，成了理論物理學家很鐘愛的一個模型，他們可以在這個模型的基礎上做思想試驗。
第二個模型就是所謂的夸克模型。大家知道一分為二的思想。所有的物質都是由分子構成，所有的分子都是由原子構成，所有的原子都是原子核和電子構成，原子核由質子和中子構成，質子和中子由基本粒子構成，還能不能接著分下去呢？過去我們說一尺之捶，日取其半，萬世不竭?？墒菃栴}是，你想是可以這么想，但能不能真的分得下去得靠科學來說話，得做實驗。實驗結果卻表明，這個夸克模型分不下去了。因為到了量子領域之后，質能轉換關系開始起作用了。打個比方說，你用刀去切蘋果，在宏觀領域里，蘋果是蘋果刀是刀，是兩個不同的東西?？墒堑搅宋⒂^領域，代表著分解方的刀和代表著被分解方的蘋果是可以互相轉換的，相當于說，你切著切著，刀切沒了，變成蘋果了。本來應該是蘋果越切越小，由于刀切沒了，轉化成了蘋果，因此蘋果被切之后有可能變成兩個更大的蘋果。由于質量和能量可以相互轉化，高能粒子在切割的過程中并不是越變越小，這樣一來，所謂的無限可分就變得沒有意義了。夸克模型認為夸克實際上根本打不開，一個很重要的原因是道高一尺魔高一丈，你敲擊的能量越大，它禁閉的能量也越大，所以根本就打不開。這是夸克模型。
大家都很熟悉了。今天我們處在一個生物技術的時代，基因的時代?；驎r代之所以能夠到來，與DNA雙螺旋模型的發現是有關系的。過去我們只知道有基因，基因在染色體上，那么具體來說基因是什么樣，有什么樣的內在結構，過去都不知道，現在都搞清楚了。20世紀50年代有兩位英國的年輕人，在前人的工作的基礎上最終發現了DNA實際上是兩個鏈纏在一起，纏成一個雙螺旋，有了這個雙鏈條模型后人們才能精細地對基因進行研究和加工。今天我們知道的基因復制、基因修補、基因重組，都是建立在這個DNA雙螺旋模型的基礎之上。所以這個模型對于今天生物科學的發展，對于我們生物技術的發展都是功莫大焉。但是大家也要注意到，DNA雙螺旋模型的發現是與微觀物理學的發現有直接關系的，剛才我們講的量子論和相對論都是有貢獻的。因為DNA這個東西很小，必須用電子顯微鏡來看。電子顯微技術實際上是建立在當時量子力學這樣一些物理學基礎之上的。所以某種意義上說，這個DNA雙螺旋模型的發現，理論物理學也是有很大功勞的。
大地我們過去只知道有縱向的運動，地震就是典型的縱向運動，上下動。人們從來沒想到大地還有水平的運動，地那么大的東西怎么會水平運動呢。但是有些人就注意到了，我們的世界地圖幾大塊之間的關系，實際上暗示了它過去可能是一個整體。有一位地質學家叫魏格納，有一天他躺在床上看世界地圖就發現，非洲大陸跟美洲大陸邊界好像能接上，他就想是不是早期它們是一整塊的，后來才分開的。這個思想當然過于大膽了，人們很難設想地球那么大的玩意兒還能夠水平運動。他有了這個設想之后，就想去驗證它，而且寫了書，但是得不到大多數人的認同。所以這個大地水平運動理論，一直經歷了大概半個世紀的爭論，反復地研討，最終在20世紀60年代終于得到了地質學界的認同，被認為是地質學中的一場革命。這場革命確立了大地的板塊模型，以及這個板塊的漂移運動。有了這個板塊模型，所有的關于地質、地球物理的研究就有了一個嶄新的面貌。所以板塊模型也被認為是20世紀最重要的一個模型。
第五個模型我們講的是馮？諾伊曼模型。馮？諾伊曼模型是計算機領域的一個模型，今天我們用的電腦基本上都屬于馮？諾伊曼機。馮？諾伊曼機的一個基本原理就是把操作程序代碼化，把數據和程序儲存在一起。大家知道我們今天的硬盤里既存數據，也存軟件。軟件就是操作程序，數據是我們用的，比如說文字、圖象等。馮？諾伊曼機發現把它混在一起可以提高效率，過去這兩個部分是分開的，操作是操作、數據是數據，但是運算速度很慢。馮？諾伊曼提出來把兩者混在一起，統一編碼，這樣就大大地提高計算機的運算的速度。今天我們用的電腦依然屬于這個范疇。因此有人認為馮？諾伊曼模型也是20世紀最重要的理論模型之一。
20世紀60年代以來，不斷出現了一批橫斷學科、新興學科，被有人稱為第二次科學革命。在我看來，這場科學革命是比相對論、量子力學更加深遠的一場思想變革，它要打破近代自牛頓以來的一些對世界的看法，參與這場科學革命的學科很多，非線性科學、復雜性科學、系統科學、生態科學都卷入其中。
這些新的科學都想破除傳統科學里面的機械決定論思想。牛頓力學世界觀的一個理想是，給定全部的初始條件我就能告訴你世界的過去、現在和未來。法國科學家拉普拉斯對此有一個形象的表述。他說只要有一個萬能的計算者，你告訴他這個宇宙的初始條件，他就能算出宇宙的過去、現在、未來。在他看來，難題只在于有沒有這樣一個萬能的計算者，世界的決定論特征是沒有問題的。拉普拉斯的這個形象的說法，現在看來是有問題的。決定論的信奉者也是征服自然、改造自然的信奉者。我們因為能掐會算，能夠精確地預言、預測，因此我們什么都不怕，我們可以無所顧忌地改天換地。因為我能夠精確地知道，我對自然界的改造會造成什么樣的后果。如果你不能夠知道后果，那么人類對自然會有所敬畏。新的科學認為人類對自然的研究，并不能夠獲取完全的確定性。我們只能或然地了解世界，我們對于世界長遠的后果是沒法了解。這就是所謂的非線性效應、復雜性效應、生態效應。過去有一個箴言說人算不如天算，包括這個意思。歷史上的許多原始文化、傳統文化都強調要敬畏自然，主張自然的很多后果我們是難以預料的。但是，這個論調是近代科學所不理會的，近代數理科學傳統認為自然界是一個確定的體系，現在看來這個信念過于理想。新的科學發現了路徑依賴和初始條件敏感，就是說初始條件微小的變化將會非線性放大，放大到不成樣子。通俗的講法就是所謂的蝴蝶效應，說的是北京的一個蝴蝶扇一下翅膀，結果在紐約造成一場風暴。一個玩笑說，壞了一只馬蹄鐵，損失一匹戰馬，損失一匹戰馬帶來一場小小戰役的失敗，小小戰役的失敗帶來一場大戰役的失敗，大戰役的失敗帶來戰略性的失敗，戰略性失敗帶來國家的滅亡。這每一步都是非線性放大，結果是一只馬蹄鐵壞了導致一個國家滅了。非線性效應在現在看來不是個別的、孤立的，而是普遍的，處處都存在。過去認為整個宇宙尺度上，還是牛頓力學說了算，現在看來牛頓力學只能是小范圍說了算，大范圍反而都是非線性系統。我想這是一個很重要的觀念革命。
第二個方面是整體論的出現。過去的科學都主張對世界進行分割、切割，把宏觀的東西還原為微觀的東西，把整塊的東西切割成小的東西。我們先對小的、簡單的東西進行研究，研究了小的東西，那么大的東西自然就可以拼出來了。方程都是微分方程，微分方程算出來之后進行積分。微積分的過程就是一個原子化的過程，積分的過程就是一個拼裝的過程。所以近代以牛頓力學為代表的世界觀，基本上是一個拼裝、拆拼的世界觀。我們做什么事、看什么問題，都先是把這個事情把它拆開了、分解了，模塊、板塊化。現在我們管理學里面經常搞模塊化、板塊化，其實就是來自經典科學里面的原子論思維。流水線生產也是，把汽車都拆散了。過去造東西是一個工匠從頭造到尾，現在是一個人造一點點，造完以后拼起來就行了，又快又好。這是現代性思維的一個很重要的部分，也是古典科學的拼裝世界觀的反映。這種拆拼世界觀、原子論世界觀有個問題，就是忽視了世界、事物本身是個有機的整體，拆和拼的過程中肯定會損壞或者忽略掉有機的部分。我們都知道有許多東西是拆不出來也拼不出來的，這就是整體的東西。比如我們說一個和尚挑水吃，兩個和尚抬水吃，三個和尚沒水吃，這就是一個整體論效應。如果按照線性相加的原則，一個和尚挑水，兩個和尚就挑兩擔水，三個和尚挑三擔水。但這是原子論的思維，實際上并不是這么回事，和尚越多越沒有水吃。也有人說，一個中國人是一條龍，三個中國人成了一條蟲，這也是整體論效應，搞在一起反而內訌、相互拆臺。這個效應你通過拆分拆不出來，拆出來之后的東西就像我們剛才講的量子效應那樣，有可能越拆越大，越拼越小，這就不是線性效應。
還有一個方面是，新科學確認了世界的不可逆性。牛頓力學根本上認為，一個物理系統是可以反演的。時間變成負的無所謂，反正牛頓方程里面的時間都是以平方的方式出現的。不可逆性早在19世紀后期熱力學第二定律出現的時候就已經認識到了。人們發現一杯熱水放在空氣里面，它只會越來越涼，一直涼到和空氣溫度一樣為止。從來沒有一杯冷水放在桌上，能從空氣中吸熱把自個兒燒開了。從來只聽說過破鏡難圓，沒聽說過一個破碎的鏡子最后自己能重回圓滿，打碎的瓷器難復原、覆水難收都是這個意思。可是按照牛頓力學，這種逆轉原則上是可以的。宏觀上看一個物理系統總是按照一個不可逆的方向發展，一杯水總是慢慢地變冷或者變熱和室溫保持平衡，從來沒有越來越偏離室溫的情況出現。這種不可逆現象出來以后，很多科學家很苦惱。因為所謂的熱力學定律不過就是微觀定律的一個宏觀表現而已，微觀領域的粒子肯定都是符合牛頓定律的，因而是可逆的，可是為什么微觀里面是可逆的，宏觀就不可逆呢？當時有一位奧地利的物理學家叫玻耳茲曼，一直在試圖解決這個問題，結果到死也沒有解決問題。最后他是自殺的，沒解決這個問題很苦惱，自殺了。這個問題到現在也沒有完全解決，但是新科學，就是非線性科學、系統科學、復雜性科學、生態科學都試圖把這個不可逆性作為一個基本的現象來處理，而讓牛頓力學的東西作為一個次級的現象。這是新科學的一個嶄新的變化，這個變化將更加符合我們的日常生活經驗。
科學與人文在現代之所以分裂有一個重要的原因就是古典的物理學、古典科學不再關注價值問題，只關注事實，造成了事實和價值的二分。事實和價值之所以二分，是因為古典力學、古典物理學、古典科學所面對的對象是一個機械。機械本身是沒有目的的，沒有目的就沒有價值。有機體都是有目的的，機械沒有目的。如果你把世界本身看成個機械，那么這個世界本身就談不上什么價值，價值只屬于人。于是，人和自然、事實和價值、科學與人文之間就發生了分裂。可是新的科學認為世界本質上不是一個機械，而是一個有機體。這個有機體有自身的目的、有自身整體的效應。機械論理想局部是合理的，但是它是有限度的。因為特定的目的、特定的目標我們可以把世界看成個機械，但是根本上來看，世界并不是一個機械，而是一個有機體。這個有機體有整體效應，有非線性效應，它的變化過程是不可逆的。一個人只能由小孩長成青年，青年長成中年，中年變成老年，老年最后死掉，不可能倒著長，倒著長不是有機體的模式。想倒著長恰恰是機械自然觀的一個必然后果。從這個意義上說愛因斯坦的相對論，特別是狹義相對論總體上看也還屬于機械自然觀的范圍。愛因斯坦相對論是允許時間倒流的，邏輯上它允許時間倒流。好萊塢電影里面特別喜歡借用這個東西，來幻想時間倒流，從而產生一些非常異樣的場景疊加，那就有戲可看了。電影總是要有戲可看，所以他們特別喜歡援引相對論這些東西。其實可逆性思想已經遭到了新科學的質疑。
量子力學和計算機的關系范文6
“想象一下，假如有一天你醒來，發現自己生活在計算機游戲里?！奔幽么笥俑鐐惐葋喆髮W物理學家馬克?范拉姆斯東克說。這聽起來像是科幻電影的情節，但這正是他對現實的一種理解方式。如果這是真的，那“我們周圍的一切――整個三維的物理世界――就是一場幻覺，由來自某個地方的二維芯片上的編碼信息所產生的幻覺”。這構成了我們的三維空間宇宙，一種從低維底片上發出的全息投影。
即使拿通常的理論物理學標準來衡量，這種“全息理論”也相當奇怪，但范拉莫斯東克是少數前衛的研究人員之一，他們認為通常的理論尚不夠奇怪。無論是現代物理學的兩大支柱――廣義相對論和量子力學（廣義相對論把萬有引力作為一種時空彎曲，而量子力學是原子領域的統治法則），還是描述基本一維能量線的弦理論，都沒有對時空本身的存在給出任何解釋。如果沒有其他的，這種“全息理論”也不失為一種解釋。
范拉姆斯東克和他的同事們認為，物理學如不能解釋時空是如何以及從哪里產生的，它的任務就不算完成。時空可能從某種更基本的東西產生，這種東西尚未命名，至少需要構造一個像“全息”那樣大膽的概念。他們認為，這種從根本上對現實的重新定義，是解釋黑洞核心那個無限致密的“奇點”怎樣扭曲了時空構造的唯一方式，這超越了所有的認知。或者說，研究人員怎樣才能把原子尺度的量子理論和行星尺度的廣義相對論統一起來，有一個東西長期阻礙了理論學家的構建工作。
“所有的經驗都告訴我們，我們對現實不該有兩種顯著不同的構想，它必然是一個龐大的包含所有的理論。”美國賓夕法尼亞大學物理學家阿貝?阿什特卡說。
找到一個龐大的理論是一項艱巨挑戰。為此，《自然》雜志探索了現代幾種較有前途的前進路線――一些新興的觀點以及對它們的檢驗。
熱力學萬有引力
人們可能會問的一個最明顯的問題是，這種努力是否徒勞？是否真的有某種東西比時空更基本？證據何在？一個令人興奮的線索來自上世紀70年代早期取得的一系列不尋常的發現。當時，量子力學和萬有引力與熱動力學開始緊密結合在一起，這一趨勢日益明顯。
1974年，英國劍橋大學的斯蒂芬?霍金證明，黑洞周圍空間存在著量子效應，這使得黑洞向外發出輻射，就好像它很熱一樣。其他物理學家也很快得出結論，這種現象在宇宙中其實相當普遍。即使在真空里，正在加速的宇航員會感到他自己像是被包圍在熱水浴中。雖然對目前火箭可達到的加速而言，這種效應太微弱了而無法被覺察到，但這或許是個基本原理。如果量子理論和廣義相對論是正確的――這二者都已被眾多實驗所證實――那霍金輻射的存在似乎是理所當然。
第二個重要發現也與此密切相關。根據標準熱力學理論，一個物體要輻射出熱量必須降低熵值，這也是檢測其內部量子狀態的一種數量方法。所以黑洞也是如此：甚至早在霍金1974年發表其論文之前，現在以色列耶路撒冷希伯來大學任職的雅各布?貝肯斯坦就曾證明了黑洞擁有熵值。但二者之間還是有差異的。對于大部分物體來說，它們的熵與物體所含原子數目成比例，也就是和體積成比例；但黑洞的熵卻與其事件視界的表面積成比例。事件視界是光無法逃逸的界限，這就好像黑洞的表面是其內部信息的某種編碼，正像以二維全息編碼的形式來表現三維圖像那樣。
1995年，美國馬里蘭大學物理學家泰德?雅各布森將二者的發現結合起來提出一種假設：空間中的每個點上都有一個微小的“黑洞視界”，并服從熵與面積關系。結果他發現，這樣在數學上就變成了愛因斯坦的廣義相對論方程――只用了熱力學概念，而沒有用時空彎曲理論。
“這好像涉及某種深入萬有引力起源的東西?！毖鸥鞑忌f。尤其是，熱力學定律的本質是一種統計表現，即大量原子和分子運動在宏觀上的平均，所以該計算結果也意味著，萬有引力也是統計上的表現，是對時空的某種看不見的成分的一種宏觀近似。
2010年，荷蘭阿姆斯特丹大學的弦理論學家埃里克?韋林德證明了時空成分的統計熱力學――無論它們最終是什么，都會自動產生牛頓的萬有引力定律。
而在另一項獨立研究中，印度浦那校際中心天文與天體物理學中心的宇宙學家薩努?帕德曼納班指出，愛因斯坦方程可以改寫成另一種等同于熱力學定律的形式――就像萬有引力的許多其他替換理論一樣。帕德曼納班最近正在擴展熱力學方法，試圖以此解釋暗能量的起源及其在宇宙中的量級。暗能量是推動宇宙加速膨脹的一種神秘力量。
要想用實驗來驗證這些想法是非常困難的。就好像水看起來是光滑完美的流體，但如果用顯微鏡深入觀察到能看見水分子的程度，也就是不到1納米，情況就會完全不同。據此人們估計，時空雖然看起來是連續的，但如果小到普朗克級別，大致是10的負35次方米，比一個質子還小約20個數量級，情況也可能完全不同。
但這并非不可能。人們經常提到一種方法可以檢驗時空的結構是否為離散的，就是尋找高能光子延遲。在遙遠的宇宙角落，由某個宇宙事件（比如超新星爆發）拋射出大量γ射線，這些高能光子到達地球可能會產生時間上的延遲。事實上，這些波長最短的光子能感覺到它們所穿越的太空旅途是由某種微小的、崎嶇不平的成分構成，正是這種崎嶇不平略微延緩了它們的行程。
2013年4月，意大利羅馬大學量子-引力研究員喬瓦尼?阿麥利諾-卡梅利亞和同事在一次γ射線爆發記錄中，發現了這種光子延遲的線索。阿麥利諾-卡梅利亞說，這些結果還不是最后定論，他們打算進一步擴展研究，觀察宇宙事件中產生的高能中微子的旅行時間。他說，如果這些理論無法被檢驗，“那么對于我來說，它們就不是科學，而是，我對此并無興趣。”
其他物理學家也在尋求實驗的證明。比如在2012年，奧地利維也納大學和英國倫敦帝國學院的科學家提出了一項“桌面實驗”，實驗中用到一種能在激光驅動下來回運動的顯微鏡。他們認為，當光從鏡面反射時，普朗克尺度的時空間隔會產生能探測得到的變化。
圈量子引力
即使這種理論是正確的，從熱力學的角度來看，時空的基本構成也可能什么都不是。姑且這么說，如果時空由某種東西編織而成的，那織造它的“線”又是什么？
目前一個還算實際的答案就是圈量子引力（loop quantum gravity）理論。該理論是上世紀80年代中期由阿什特卡等人發展而來，將時空構造描述為就像一張展開的蜘蛛網，網線上攜帶著它們所通過區域的量子化的面積和體積信息。每根網線的末端最終一定會連在一起而形成圈狀――正如該理論的名字――但這與更著名的弦理論的“弦”沒什么關系。弦理論的“弦”在時空中來回運動，而圈量子引力的“網線”則構成了時空本身：它們攜帶的信息定義了周圍時空構造的形狀。
由于這種圈是量子的，所以該理論也定義了一個最小面積單位，非常類似于在普通量子力學中，對氫原子一個電子的最小基本能量態的定義。這種面積量子是大約一個普朗克單位那么大的一個面。要想再插入一根面積更小的“線”，它就會跟其余的“網線”斷開。它不能與任何其他東西連接，只好從時空中退出。
定義了最小面積帶來了一個令人欣慰的結果，就是圈量子引力不能被無限擠壓到一個無限小的點。這意味著在大爆炸瞬間以及在黑洞中心，它不會產生那種打破愛因斯坦廣義相對論方程的奇點。
2006年，阿什特卡和同事報告他們利用這一優勢進行了一系列模擬，他們用愛因斯坦方程的圈量子引力版本反演了時鐘倒轉，以可視化形式展示了大爆炸之前發生了什么：宇宙如預期那樣反向演化，回溯到大爆炸時。但在它接近由圈量子引力決定的基本大小極限時，一股斥力進入奇點迫使其打開，成為一個隧道，通向另一個先于我們宇宙之前而存在的宇宙。
今年，烏拉圭大學物理學家魯道夫?甘比尼和美國路易斯安那大學的喬奇?普林也報告了相似的黑洞模擬。他們發現，當一個觀察者深入到黑洞核心時，遭遇到的不是奇點，而是一條狹窄的時空隧道，通向空間的另一部分。
“排除了奇點問題是一項重大成就?！卑⑹蔡乜ㄕf，他正和其他研究人員一起辨認那些留在宇宙微波背景上的特征標志。宇宙微波背景是宇宙在嬰兒時期迅速膨脹殘留的輻射。那些標志則可能是由一次反彈留下來的，而不是爆炸。
圈量子引力論還不是一個圓滿統一的理論，因為它沒有包括任何其他的力，而且物理學家們也還沒能說明，正常時空是怎樣從這種信息網中出現的。對此，德國馬克思?普朗克萬有引力物理學研究所的丹尼爾?奧利提希望在凝聚體物理學中尋找靈感。他在物質的過渡階段生成了一種奇異相態，這種相態可以用量子場論來描述。宇宙可能也經過類似的變化階段，奧利提和同事正在尋找公式來描述這一過程：宇宙怎樣從一系列離散的圈過渡到光滑而連續的時空。“我們的研究還處在初期階段，還很困難。我們就像是魚，游在難以理解的時間之流的最上游。”奧利提說。探索的艱難使一些研究人員轉而追求另一種更抽象的過程，由此提出了著名的因果集合論（causal set theory）。
因果集合論
因果集合論由加拿大周界研究所物理學家拉斐爾?索爾金創立。該理論提出，構成時空的“基本之磚”是簡單的數學上的點，各點之間由關系（links）連接，每個關系指示著從過去到未來。這種關系是因果性表現的本質，意味著前一個點會影響后一個點，但反過來不行。最終的因果網就像一棵不斷生長的樹，逐漸形成了時空?！澳憧梢韵胂鬄椋瑫r空是由于這些點而出現的，就像溫度是由于原子而出現的那樣?！彼鳡柦鹫f，“但要問‘一個原子的溫度是多少？’是沒有意義的，要有一個整體的概念才有意義?！?/p>
上世紀80年代末時，索爾金用這一框架估算了可見宇宙可能包含的點的數量，推導出它們應該能產生一種小的內在能量，從而推動宇宙加速膨脹。幾年后，人們發現宇宙中存在一種暗能量，證實了他的猜想。“通常人們認為，從量子引力做出的預測是不可檢驗的，但這種情況卻可以。”倫敦帝國學院量子引力研究員喬?漢森說，“如果暗能量的值更大，或是零，因果集合論就成為不可能。”
雖然很難找到支持證據，因果集合論還是提供了其他一些可檢驗的預測，一些物理學家利用計算機模擬得到了更多結果。其中一種理論觀點可追溯到上世紀90年代初，大致上認為，普通時空由某種未知的基本成分構成，這些成分是微小的塊體，淹沒在混亂的量子漲落的海洋中，隨后這些時空塊自發地黏合在一起而形成更大的結構。
最早的研究是較令人失望的，荷蘭內梅亨大學物理學家雷內特?羅爾說。時空的“基本之磚”是一種簡單的超級金字塔，即三維四面體的四維形式。通過模擬的黏合規則讓它們自由結合，結果就成了一系列奇幻的“宇宙”，有的有太多維度而有的太少，它們自己會折疊起來或破成碎片。“就像是一場自由混戰，任何東西無法恢復原狀，類似于我們周圍所看到的一切?！绷_爾說。
但是，像索爾金、羅爾他們的發現增加了改變一切的因果性。畢竟時間維度與三維的空間維度不同，羅爾說，“我們不能在時間中來回旅行?！彼运难芯啃〗M對模擬做了改變，以保證后果不會跑到原因的前面。然后他們發現，時空小塊開始持續地自行組裝，成為光滑的四維宇宙，其性質正和我們所在的宇宙類似。
有趣的是，這一模擬還暗示了在大爆炸之后不久，宇宙在嬰兒期時只有二個維度：一維空間和一維時間。還有其他嘗試推導量子引力方程的實驗也得到了同樣預測，甚至還有人提出，暗能量的出現是我們的宇宙正在發展出第四空間維度的一個信號。其他人還證明了，在宇宙早期的二維階段可能形成一些花紋，類似于我們在宇宙微波背景上所看到的那樣。
全息論
與此同時，范拉姆斯東克在全息理論的基礎上，對時空的產生提出了另一種完全不同的設想。黑洞以一種類似全息的方式在其表面存儲了所有的熵，美國普林斯頓高級研究院的弦理論學家胡安?默爾德希納最早給這一理論構建了一個明確的數學公式，并在1998年發表了他的全息宇宙模型。在該模型中，三維的宇宙內部包含了弦和黑洞，只受萬有引力控制，而它的二維邊界包含了基本粒子和場，服從普通量子法則而無需萬有引力。
