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相對論與量子力學的矛盾范文1
經典物理的產生一般認為從文藝復興時期開始，前期經過許多科學家，特別是伽利略、笛卡爾、惠更斯等先賢的努力，建立起力學的實驗基礎。牛頓總結前人的成果，確立了經典力學的基本理論體系，麥克斯韋、玻爾茲曼等確立了經典統計力學和電磁場理論。經典物理經過幾百年的不斷發展和完善，形成了自然科學中唯一有完整的理論、思想、數學推理和研究方法體系的學科。牛頓力學和麥克斯韋電動力學號稱經典物理的兩大支柱，牛頓和麥克斯韋在物理學界的位置，可以相比于中醫學的先圣張仲景。
現代物理從20世紀初始興起，由愛因斯坦、玻爾為代表的眾多科學家的杰出工作，創立了相對論和量子力學，開創了物理學的新局面。以相對論和量子力學標志的、研究微觀、高速物理現象的新的理論和方法體系，統稱現代物理學?，F代物理學在原子、分子、固體、原子核、天體力學和宇宙學、等離子體、激光技術、基本粒子、半導體、超導的研究中得到了廣泛的應用。
有人稱相對論和量子力學的創立是“物理學上的一次革命”。更多的局外人則認為現代物理是一種全新的理論，完全推翻和取代了經典物理學，經典物理已經完成了自己的歷史使命，現代社會已經不再需要她。這其實是一種誤解。如果我們從歷史和現實的的角度重新審視事實，就會發現，經典物理沒有被拋棄，她不僅是現代物理產生的溫床、理論與方法的啟示、研究的工具，更是現代社會的頂梁柱，仍在現今眾多高科技領域中發揮著不可替代的作用。下面，我從以下三個方面討論現代物理與經典物理的關系，從而說明重視經典是物理發展的需要，是現代科學、社會發展的需要。
1 現代是經典恰當的擴展
愛因斯坦在創立狹義相對論時，提出了兩個基本假定：相對性原理和光速不變原理[1]。首先我們注意到，愛因斯坦的相對性原理與伽利略相對性原理驚人地相似，比較一下就可以看到：
伽利略相對本文由收集整理性原理（由伽利略等人經過反復多次的實驗檢驗而提出）：一個相對于慣性參照系做勻速直線運動的系統，其內部所發生的一切力學過程，都不受系統運動的影響，或一切慣性系統都是等價的。
愛因斯坦假定，不僅力學過程，所有的物理過程都不受系統運動的影響，即：
物理學的基本規律在相互作勻速運動的一切參照系中都是相同的；或：一切慣性系統都是等價的。
從中我們不僅看出，愛因斯坦對伽利略的相對原理有著非常深刻的、超出常人的理解，已經達到了熟能生巧的地步，自然會有如此隨手拈來、為我所用的“上工”境界；也看出創造經典的先賢們的超前意識和睿智之魅力所在。
再看光速不變原理，只要對經典電磁理論稍有了解的人都會發現，麥克斯韋的電磁理論完全可以給出明確的關于光速不變的預言。這是因為，只要從著名的麥克斯韋方程組出發，利用簡單的數學推演，可以毫不困難地導出電磁場波動方程，不僅預言了電磁波的存在，還給出了電磁波在真空中的傳播速度。用c表示電磁波在真空中的速度，c的大小是：
c=■≈3.0×10■米秒
其中μ■為真空磁導率，ε■為真空介電常數，由于μ■和ε■數值的大小固定，與參照系的選擇無關，換句話說，與系統的運動狀態無關，這正是光速（光屬于電磁波）不變原理。
愛因斯坦在創立狹義相對論時，對當時著名的、能夠證明光速不變的邁克耳孫光干涉實驗并不知曉，他能參考的資料只有經典電動力學，麥克斯韋方程組和電磁場波動方程表達的深刻內涵才是他提出光速不變假設的根據。
2 現代是對經典的包容而非否定
無論是相對論和量子力學，都無法否定經典物理，也沒有否定經典的企圖。相反，所有的新理論都試圖找到和經典的聯系，如果找不到應有的聯系，這樣的新理論有可能破產。所以，相對論和量子力學實際都包含了經典。這與所有的后世中醫大家，在發表自己的新見解時，都要證明自己的觀點與《內經》、《傷寒論》有內在聯系如出一轍。
相對性原理最著名的數學表示即洛侖茲變換，具體表述如下：設兩個相對有勻速運動，速度為v參照系統，它們沿v方向各自建立的直角的坐標系分別為x，y，z，t和x’，y’，x’，z’，t’，若初始時，兩坐標原點重合，兩坐標系由以下變換公式[1]聯系：
x′=■ y′=y z′=z t′=■
式中 c 是前面提到的光速，具體數值為30萬公里每秒。我們通常能見到的物體運動速度，如汽車、火車、飛機，能達到1公里每秒的速度并不多見，宇宙飛船的速度，也最多達到10幾公里每秒，即使將來提高100倍，與光速相比仍顯得微不足道。而上式表明，當系統的相對速度v遠遠達不到光速的時候，（日常中大量事實正是如此）上面的公式就變成伽利略變換：
x′=x-vt y′=y z′=z t′=t
說明洛侖茲變換與經典的伽利略變換并沒有矛盾，前者包含了后者，后者用更加廣泛。
再看量子力學，量子力學的基本原理是測不準關系[2]。其典型的表述是：粒子的位置和動量不能同時確定。它們在某一方向上不確定量的乘積大于或等于h/2。即
δx？誗δpx≥■， h=6.62×10-32焦耳秒
可以看出，h是一個很小的量，小到什么程度呢？小數點后面有34個0！是6的百億億億億分之一。一般氣體分子夠小
轉貼于
的了，如氧氣分子質量為10-23的數量級，常溫下速度大約為102的數量級，則動量為10-21的數量級，和h相比大了10萬億倍，完全可以不考慮測不準關系的影響。所以，當我們研究的對象系統中物理量的數量級遠遠大于普朗克常數時，不確定度數值相對來講，必然微不足道，量子力學很自然地回歸到經典力學。也可以說，測不準關系包容了經典力學，后者應用更為廣泛。
3 現代對經典的接收和繼承
現代物理不是空中樓閣，它是采用經典的材料和藝術，一磚一瓦構建的絕美珍品。在現代物理學中，經典的概念、定義、研究方法無處不在，發揮著主導的、關鍵的作用。在相對論力學中，我們可以看到力、加速度和動量以及它們的矢量形式，能量、拉格朗日量、哈密頓量等在經典中熟知的力學量。這些力學量全部統一到了滿足洛侖茲協變的四維形式中去。至于經典電磁理論中所有規律，由于自然地滿足相對性協變，幾乎很少更改地進入相對論，成為相對論的重要的組成部分。
在量子力學中，同樣采用了經典力學的所有量，只是為了描述測不準關系、描述系統的狀態需要，力學量在不同的表象中可以有不同的形式，可以是標量、矢量、張量算符。如在坐標表象中，動量具有梯度矢量的算符形式，哈密頓量則包含了拉普拉斯算符。量子力學的創立者之一海森堡更是心有靈犀，他把測不準關系表示成為力學量的對易關系[2]：
q■p■δ■■i■
這很容易想到經典力學中的泊松括號
q■p■δ■■
相對論與量子力學的矛盾范文2
黑洞成為大眾文化的一部分已有數十年了，在電影《星際迷航》中，它還扮演了主要的角色。這一點兒也不奇怪，這些恒星塌縮后的陰暗殘骸，似乎專門用來引發我們最原始的恐懼：黑洞會將某些秘密隱藏在其簾幕之后(c包就是它的“事件視界”)，任何人或物只要墜落其中，就注定無從逃脫，所有被它吸入的東西，必然被徹底摧毀。
對理論物理學家來說，黑洞是愛因斯坦場方程式的一個解，而該方程式是廣義相對論的核心。在廣義相對論中，時空就像是由彈性材質所建構的，而物質與能量可將其扭曲，所造成的時空曲率又控制了物質與能量的運動，產生了我們所認知的重力。這些方程式清楚地預測，在時空中有些區域里的訊號無法傳到遙遠的觀測者所在，這些區域就是黑洞。在黑洞內的“奇異點”，物質密度趨近于無限大，環繞其四周的空曠地帶具有極強大的重力，沒有任何東西(包括光)能夠逃離。物理學家以事件視界將此重力強大的地帶與其他區域分隔開來。在最簡單的情況下，事件視界是個球體，若黑洞的質量與太陽相當，此球的直徑只有6千米。
談過了科幻與理論，那么實際的狀況又是如何呢?各式各樣精密的天文觀測結果都指出，宇宙中確實存在一些超致密物體，它們完全不散發任何光芒或輻射。這些幽暗天體的質量在數個到數百萬個太陽質量之間，而依據最優秀的天文物理學家估算，它們的直徑范圍則在區區數百千米到數百萬千米之間，符合廣義相對論對此質量范圍內黑洞的預測。
但這些被觀測到的、既幽暗又致密的物體，真的就是廣義相對論預言的黑洞嗎?雖然目前的觀測與理論相當吻合，但理論本身對黑洞的描述卻不太令人滿意。尤其是，廣義相對論預測在每個黑洞里都有顆“奇異點”，顯示廣義相對論在這里失效。廣義相對論會失效，大概是因為它并未計人物質與能量在微觀尺度上才會顯現的量子效應。合并了量子力學的修正理論，一般稱為量子重力論，將可帶動理論物理領域的許多新研究。
對量子重力論的需求，引發了一些迷人的問題：被量子重力論修正過的黑洞會是什么樣子的呢?它們會和古典黑洞大相徑庭嗎?或者古典敘述依然是可行的?研究顯示，某些量子效應是可以完全避免形成黑洞的，取而代之的是被我們命名為“黑星”的天體，它的密度不會跳升到無限大，也不會被事件視界包覆。黑星是由空間本身支撐起來的，這種“建材”意外的堅固。
我們運用一種稱為“半古典重力論”的古老方法得出這項結論，但我們并沒有使用關于塌縮物質的所有假設，這樣或許能夠避免在那些研究中得出矛盾的結果。在量子重力論尚未完備的情況下，過去的30多年里，理論物理學家在分析量子力學如何改變黑洞時，都訴諸半古典重力論。半古典重力論將量子物理的觀點，特別是量子場論部分納入了古典的愛因斯坦重力理論中。
量子場論以充滿空間的場來描述電子、光子、夸克等任何你想得到的基本粒子，這方式非常類似電磁場。量子場論的方程式通常是建立在平坦空間里的，也就是沒有重力的空間，半古典重力論則使用在彎曲空間里構建出來的量子場論。
廣義來說，半古典重力論所使用的策略如下：根據古典的廣義相對論，當一群物質聚積成某一狀態時，將產生某種特定的彎曲時空，但時空的曲率又會修改量子場的能量，受影響的能量再進一步改變時空曲率，如此不斷循環。
這個做法的目標是要獲得自我一致的解――一個彎曲時空，它的曲率產生于它所包含的量子場的能量。雖然重力本身還無法以量子理論來描述，但這種自治的解，在涉及量子效應與重力的許多情況下，應該可以相當近似地預測真實情形。半古典重力論以一種極“輕微”的方式，把量子修正加入到廣義相對論里。因此，半古典重力論雖然仍以古典方法處理重力(也就是時空曲率)，但已考慮到物質的量子行為。
但是，這個方法立即遭遇到一個尷尬的問題：如果直接以它計算量子場的最低可能能量，也就是沒有任何粒子出現時的能量(稱為“零點能量”或“真空能量”)，會產生無限大的結果。事實上，這個問題老早就出現在一般的量子場論里(也就是在乎坦空間、沒有重力的狀況)。幸運的是，理論物理學家在預測不牽涉重力的粒子物理現象時，粒子的行為只取決于狀態間的能量差，因此量子真空能量的值并沒有任何影響；我們可以使用稱為“重整化”的一種謹慎的減法技巧，以極高的精確度來計算能量差。
然而，當必須考慮重力時，真空能量就變得重要了。無限大的能量密度會產生極大的時空曲率，也就是說，
鏈接
2004年7月21日，在愛爾蘭都柏林舉行的“第17屆國際廣義相對論和萬有引力大會”上。英國傳奇科學家斯蒂芬?霍金教授宣布了他對宇宙黑洞的最新研究結果：黑洞并非如他和其他大多數物理學家以前認為的那樣，對其周遭的一切“完全吞食”，事實上被吸入黑洞深處的物質的某些信息實際上可能會在某個時候被釋放出來。
宇宙學家相信，太空中有許多類型的黑洞，從質量相當于一座山的小黑洞，到位于星系中央的超級黑洞。不一而足。科學家過去認為，從巨大的星體到星際塵埃等。一旦掉進去，就再不能逃出，就連光也不能“幸免于難”。而霍金教授關于黑洞的最新研究有可能打破這一結論。經過長時間的研究，他發現，一些被黑洞吞沒的物質隨著時間的推移，慢慢地從黑洞中“流淌”出來。
霍金關于黑洞的這一新理論解決了關于黑洞信息的一個似是而非的觀點，他的劍橋大學的同行都為此興奮不已。過去，黑洞一直被認為是一種純粹的破壞力量。而現在的最新研究表明，黑洞在星系形成過程中可能扮演了重要角色。
1976年，霍金稱自己通過計算得出結論，他認為黑洞在形成過程中，其質量減少的同時還不斷在以能量的形式向外界發出輻射。這就是著名的“霍金輻射”理論。但是，理論中提到的黑洞輻射中并不包括黑洞內部物質的任何信息，一旦這個黑洞濃縮并蒸發消失后，其中的所有信息就都隨之消失了。這便是所謂的“黑洞悖論”。
這種說法與量子力學的相關理論出現相互矛盾之處。因為現代量子物理學認定這種物質信息是永遠不會完全消失的。如今，霍金終于給了這個當年自相矛盾觀點一個更具有說服力的答案?；艚鸱Q，黑洞從來都不會完全關閉自身，它們在一段漫長的時間里逐步向外界輻射出越來越多的熱量，隨后黑洞將最終開放自己并釋放出其中包含的物質信息。
即使是空間都能蘊藏極強大的重力，這與我們實際觀測到的宇宙完全不符；過去10年來的天文觀測指出，零點能量對宇宙總能量密度的貢獻非常微小。半古典重力論并沒有嘗試去解決這個問題，但不論解決的方案為何，我們通常假設在平坦時空中，零點能量對能量密度的貢獻一定會被抵消掉。這項假設與半古典真空一致：在每個地方的能量密度都是零，廣義相對論因而預測出平坦的時空。
如果有某些物質出現，時空彎曲了，那必然改變量子場的零點能量密度，零點能量因而不再被精準抵消。較之于電荷會將介質極化的效應，我們說這多出來的能量是來自真空極化。
我們已利用質量與能量密度來描述半古典重力論的這些特性，但在廣義相對論中，能夠產生空間曲率的，并不只有這些東西，凡是重力物質所產生的動量密度、壓力和應力，都會影響空間的曲率。在物理的研究上，有一項稱為“應力能量張量”
(sET)的研究，可用來描述所有這些產生曲率的量。半古典重力論假設在平坦時空里，量子場的零點對sET的貢獻剛好被完全抵消，在sET上應用這種相減法得到的結果，就稱為“重整的應力能量張量”
(RSET)。
相對論與量子力學的矛盾范文3
關鍵詞：布朗運動 量子力學 物質場 波動函數
引子：這篇論文是洗衣服時出現的一些現象，讓我很好奇，所以我開始了對布朗運動的研究。
布朗運動：懸浮微粒永不停息地做無規則運動的現象（說明一下：永不停息是不存在的，長時間或較長時間，人們是可以接受的），很對不起大家，剛開始就要括號說明，只是現在的定義，真是永不停息。布朗運動的例子特別多，大家很容易見到，如把一把泥土扔到水里攪合攪合，或在無風的情況下對著陽光觀察空氣中的塵粒等等，現在這些類似運動都稱為布朗運動。
1827年，植物學家R·布朗首先提出發現這種運動。在他之后的很長時間，人們對布朗運動進行了大量的實驗、觀察。最后古伊在1888-1895期間對布朗運動提出自己的認識：
布朗運動并不是分子運動，而是從分子運動導出的一些結果能向我們提供直接和可見的證據，說明對熱本質假設的正確性。按照這樣的觀點，這一現象的研究承擔了對分子物理學的重要作用。
古伊的文獻產生過重要的影響，后來貝蘭（我們第一個實驗測量原子大小的人）把布朗運動正確解釋的來源歸于古伊。實話實說，古伊的文獻太重要了，在我看來：一語中的。太對了，古伊是歸納總結的天才，也是真正從實驗的角度來解釋布朗運動的第一人。
古伊的話有三個重點：
一、布朗運動不是分子運動。
二、說明熱本質假設的正確性(下面會專門論述熱的本質問題）。
三、利用分子布朗運動的結果來承擔對分子物理學的研究。
1905年愛因斯坦根據分子運動論的原理提出布朗運動理論，同時期的斯莫羅霍夫斯基作出同樣的成果。
愛因斯坦在論文中指出：按照熱的分子運動論，由于熱的分子運動大小可以用顯微鏡看見的物體懸浮在液體中，必定會發生大小可以用顯微鏡觀測到的運動，可能這里所討論的運動就是布朗運動，觀測這種運動和預期的規律性，就可能精確測量原子的大小，反之證明熱分子運動的預言就不正確。這些是愛因斯坦的研究成果。
現在人們認為這是對布朗運動的根源及其規律性的最終解釋，我認為不是。這是愛因斯坦成功的利用布朗運動的原則創造性提出熱分子運動論，利用這一理論可以測量分子原子的大小，把布朗運動近似為熱分子運動論。或許是天意，愛因斯坦的論文我怎么看都有絕對論的意思?！坝写笮】梢杂蔑@微鏡看見的物體懸浮在液體，必定會發生大小可以用顯微鏡觀測到的運動”。運動的絕對性，不過這里他說的是發生相對于物質本身的運動，可能這是相對論的名稱來源吧。我的評價：初級的絕對論。在絕對論中只要有物質存在就有物質運動，運動是絕對的。愛因斯坦的熱分子運動論：舍本取末，換句話說他把布朗運動等同于分子運動了，認為熱分子運動引起了的不規則運動，就是觀察到的布朗運動。既然相對論是初級的絕對論，我今天提出絕對論，那么所有愛因斯坦做過的事情，我可能都要去做一遍。布朗運動不是熱分子運動，但是可以引起熱分子運動，愛因斯坦的成果只是利用了布朗運動引起的熱分子運動，他沒有分析布朗運動的根源：物質為什么會存在布朗運動。當顯微鏡越來越清晰的時候，愛因斯坦的擴散統計方程就不能適用了。
現在隨著科學的不斷進步，量子理論對真空漲落的認識不斷加深，量子理論也對布朗運動的根源給出自己的看法，同樣今天絕對論也給出自己對布朗運動的認識：
一、布朗運動不是分子運動，或者說不是單個粒子間的運動。
二、布朗運動是一個由點到面，再由面到點的運動形式。
三、布朗運動是與波動函數有關的物質運動的一個特性。
布朗運動不是分子的運動或者說不是單個粒子之間的運動，為什么這么說呢：一滴水融入大海永不干涸（永字應為長時間，不過人們習慣認識，所以沒有改為長時間）大海洶涌澎湃，一盤水很容易平靜。相比之下，為什么有如此巨大反差：物質場運動的疊加效應，滴水穿石的道理也是如此。
簡單的一滴水為什么能夠融入大海呢？正像洗衣服為什么能把衣服洗干凈，洗不干凈會在衣服干后留下許多漬跡一樣。液體的形態對物質運動產生了如何的影響呢？這是我們應該思考的問題，這里我引入二個概念：物質場與波動函數。
說一下自己的看法：一滴水的運動比如一個粒子的運動，大海是一個物質場，一盆水也是一個物質場，同樣一滴水也可是一個物質場，那么一個電子也可是一個物質場，也就是說一個量子可以看作是一個物質場，量子的運動可以當成物質場在運動。
其實為了研究布朗運動，引入物質場這個概念，把物質現實中的存在狀態看成是一個物質場的存在，相信大家能夠理解。把物質形態存在的狀態不去看它把當成一個獨立的物質場存在，比如一塊鐵、一塊鋼、一塊磚，我們都把它當成一個獨立的物質場存在，那么這個物質場中的電子、原子、質子等粒子都是這物質場的一部分，那么這物質場中的一切物質都應是這物質場的一部分。
一個統一的物質場。對于運動而言，物質場有整體的運動，也有物質場的內部運動：質子、電子、中子等微粒之間的運動，比如我用力去拿一件東西，我的全部身體都在運動，手的運動和身體內部的運動時截然不同的，但作為一個整體，我把東西拿了起來，而東西作為一個完整的物質場表現是被我拿了起來，整個的分子、原子、電子構成的物質場共同被我拿了起來。
諸如這些運動是整體的完整的物質場，對另一個完整的物質場的作用，牛頓力學已經很好的應用到多個方面，宏觀物理研究的物體很明確，運動也很明顯，都可以準確測量計算。為什么這里一定要強調完整的物質場呢？一滴水進入了大海之后，這一滴水的完整物質場依然存在，而變成大海的物質場一部分，這一滴水所有的運動，所有的信息都變成了大海物質場的一部分，大海的每一滴水都是一個完整的物質場，但都是大海物質場的一部分，大海有每一滴水的信息 ，但當空氣蒸發水蒸氣時，大海不會單獨讓哪一個完整的小水滴去蒸發，而是大海整個的一個物質場在做蒸發這件事，與個體的物質場的狀態關系不大。
可能從小水滴到大海大家覺得不直觀，在量子力學把電子看成小水滴，把一個物質粒子看成大海，或者幾公斤的金屬板看成大海，相信這樣我們的科學人士都能夠理解。
光電效應的原理：把光子看成一個物質場，把金屬板看成一個物質場，光照到金屬板上，放出電子（當然需要一個極限頻率）是一個物質場對另一個物質場的反應，那么釋放的電子是物質場的整體行為，不是單個電子吸收能量而釋放出來。極限頻率，用水吸收80卡的熱量才能變成水蒸氣來說明吧，80米的水位永遠流不出100米的大壩。每個物質場都有自己的固有頻率，超過這個頻率的東西來破壞它，這個物質場就發生變化用大錘去打東西，物質會反應不同的。
另一個問題：固體微粒之間結合很好，但是一個個的原子又是相互隔開，可是這一個個原子又構成統一的物體。為什么？：波動函數，物質的特性是一個個小的原子共同表現出的特性，兩塊鐵融化后能夠形成一塊鐵，人類有無數的合金材料以及其它合成物質，為什么這些材料表現出了原來不同的特性呢，物質場的特性為什么變化呢？
物質的特性變化了，那么每一個小的物質場的特性也會變化。一般情況下原子不可能變，合金狀態的原子也未變，那么什么變化了呢？量子的運動方式變化了，也就是電子和質子以及其它的微粒運動形式變化了，整個的物質場的量子波動函數變化了。
波動函數是為了形象說明布郎運動的本質引入的一個物質特征，一個物質場的波動函數體現物質作布郎運動的能力，也體現了物質場內部物質運動能力。波動函數是物質場與物質場之間結合（疊加）能力的一種體現。一個物質場中會有很多不同的波動函數如：分子之間，原子之間，電子之間，質子之間，原子于分子之間，電子與原子核之間，質子與中子之間等等許許多多的量子之間。波動函數是物質運動的一種能力的體現。
當然這個概念也很符合量子力學的波動方程的需要，那就是所有的物質場都有自己的波動函數，而且不止一個。當波動函數達到一定數值，物質場之間既可融合。這樣雖然原子之間的距離是分開的，但是電子之間的物質場卻可以是融合在一起的（當然還有比電子更小物質，那它們的物質場更會融在一起）
波動函數越高，物質融合的越快，反之越慢，諸如擴散現象，滲透等等，固體之間的波動函數低，所以最好融化或鍛打成液態式的結合，需要外部的力量加大它的波動函數。波動函數是物質作布郎運動的一種能力，我更愿意認為波動函數是物質運動的一種能力（在絕對論中運動是物質的生命）。與物質本身的溫度有關，與外界的干涉有關。例如：加熱氣體，溶液或用力攪拌溶液等等會增波動函數值。（下面我們還要專門研究熱的本質問題）
用一個方程式來表達吧。
H值=H℃溫度+Hoi外部干涉，H：波動函數。其實我的波動函數和量子力學中的的物質波不是完全相同。
波動函數是物質場的特性，是物質生命能力的一種體現。表現在粒子上，粒子就具有波動性，同時物質運動一定需要能量的，也一定出現物質的波動。所以不是粒子具有波粒二象性，而是物質場具有波動函數。就象一整鐵的內部具有輕微的布郎運動，也就是說這塊鐵的所有原子、分子、電子等等一切粒子都在做一定的布郎運動。所有的粒子都具有這塊鐵的物質特性。也就是所有的粒子都有自己相應的波動函數。這與這塊鐵的運動和外界條件都有關系。就比如大海是所有的水滴和水中的懸浮物體構成一個統一的物質場，是所有的物質場的疊加效應，如果你取出一滴水，那么這一滴水就不屬于大海了，它和大海就毫不相干了，完全是不同的物質場了。
說到這些，大家可能會樂了，我也很樂的：這就是我們量子力學上著名的不確定原理和測不準原理，因為你要對這一個量子測量，那你就要破壞這個粒子在物質場的狀態，你永遠不能無法精確測量一個量子系統。因為你測量一滴水的結果就會脫離大海這個物質場。這一滴水在大海里就和大海一樣大，除非有測大海一樣大的儀器，否則無法測量這一滴水在大海中運行狀態。但是我們可以運用統計學對整個的物質場的運動進行統計。我們可以計算大海每天蒸發了多少噸的水，但不可以說是那一噸水。
其實量子力學碰到的最大問題，不是實驗不能證明。而是無法說明粒子為什么不可測，而且無法確定位置，因為任何一個物質場都是一個面，一個量子只是一個點，而運動和變化是物質場與物質場之間發生的，與單個的粒子運動關系不大。當然也不能說一點沒有，就象人與人打架一樣，是兩個物質場在運動，打在手上，而全身都難受，手痛得最厲害。是整個物質場在對外界的物質場共同的感受。可不是只是手不舒服，所以我們能夠精確地確認各個量子運動疊加之后統計結果（宏觀物理），但我們不能很精確一個物質場內部的那一小點起作用。物質是整體運行的，當外部的物質變化時內部的物質也會有相應變化的，量子運行方式會發生一些改變。
量子力學從來沒有從一個面去研究物體，只注重了一個點，而經典物理只注意宏觀物理現象的規律性，也就是注意面了。
量子力學注重研究了物質場的內部運動：單個粒子的運動（點）。經典物理學：牛頓力學，相對論只注重了物質場與物質場的外部運動（面）。
而布郎運動是把物質場的內部和外部運動結合一起的表現運動，是點到面，再面到點全過程，所以對布郎運動的研究也是一個科學研究物質運動史的一個縮影。
人對事物的認識總是漸近的，按照絕對論的原則，弧立的事情是不存在的，所有的系統都是宇宙整體的一部分，所有的運動都是宇宙生命的一種體現。
現在用量子理論中的概念說明熱的本質問題：熱量只是能量的一種表現形式。熱的來源一般是：化學反應，物理作用（包括核反應），能量轉化。等等的這一切源于：量子運行方式的改變。量子運行只會一個場，一個場的變化，也就是說量子運動只可123456 不會連續不斷 沒有0.1，0.2，0.3，0.4等等。量子的運行方式改變只可這個場直接到那個場，要么吸收一定能量，要么釋放一定能量。水分子或者是固態，或是氣態，液態，沒有中間的狀態。能量有許多表現形式，而熱量是能量的一種表現形式，所以我們可以測定溫度等等現象。量子運行方式改變了，物質的特性也就改變了。燒火做飯，木柴變成灰燼，原子一個不少，電子一個不少，可是它們之間的運行方式改變了，能量或釋放了或吸收了，物質也就變化了。
相對論與量子力學的矛盾范文4
【關鍵詞】PBL教學法；量子力學；電子科學與技術專業；教學改革
量子力學與相對論的提出，被稱為20世紀物理學的兩個劃時代的里程碑。特別是量子力學的創立，揭示了微觀物質世界中物質屬性及其運動規律，造就了20世紀人類科學技術的輝煌，推動了原子能技術、航天航空技術、電子技術等方面的發展，并開辟了光子技術的誕生之路，將人類社會推進了信息時代。通過量子力學課程的學習，可使學生掌握量子力學的基本概念和基本理論，具有利用理論知識分析和解決實際問題的能力。量子力學課程的突出特點是理論性強、抽象難懂，在課程教學中需要特別把握好這些抽象理論知識的“入門教育”，把握得當，會達到事半功倍的效果。
根據《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年）》的文件精神，提高質量是高等教育發展的核心任務，是建設高等教育強國的基本要求。應適應經濟社會發展和科技進步的要求，推進課程改革，提高課堂教學質量，充分調動學生學習積極性和主動性，提高學生的創新意識和創新能力。因此，在近幾年量子力學課程的教學改革實踐中，針對量子力學教學中出現的學生自主學習熱情不高的現狀，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，提出了基于“PBL教學法”，即基于問題學習（Problem-Based Learning）、以學生為主體的量子力學課程教學改革的研究，摸索出一套行之有效的教學方案。
1 “PBL教學法”設計方案
“PBL教學法”是一種基于問題學習的教學方法，將學習置于復雜的有意義的問題情境中，激勵學生積極探索隱含于問題背后的科學知識，實現知識體系的建構和轉化，同時鼓勵學生對學習內容展開討論、反思，教師則以提問的方式推進這一過程，最終使學生在一個螺旋式上升的良性循環過程中理解知識，實現學習的不斷延續，以促進學生解決問題、自主學習能力的發展，以及創新意識和創新能力的提高。具體設計模式如圖1所示。
圖1 “PBL”教學法設計模式框圖
與傳統教學方法相比，“PBL教學法”對教師備課和教學實施過程提出了更高要求。
1.1 PBL教師備課
（1）確定問題。問題是PBL的起點和焦點。問題的產生可以是學生自己在生活中發現的有意義、需要解決的實際問題，也可以是在教師的幫助指導下發現的問題，還可以是教師根據實際生活問題、學生認知水平、學習內容等相關方面提出的問題。
（2）提供豐富的教學資源。教學資源是實施PBL的根本保障。隨著網絡課程、精品課程體系的建設，教師可以利用網絡課程為學生解決問題提供多種媒體形式和豐富的教學資源。
（3）對學習成果提出要求，給學生提供一個明確的目標和必須達到的標準。
1.2 PBL教學實施
（1）學生分組。學生分組后，要讓每個小組清楚地知道自己所要承擔的任務，問題解決所要達到的目標，也要確定好小組內每個成員具體的任務分工。
（2）創設問題情境、呈現問題。布朗、科林斯等學者認為，認知是以情境為基礎的，發生在認知過程中的活動是學習的組成部分之一，通過創設問題情境可吸引學習者。
1.3 PBL案例分析
例如，在講到微觀粒子的波函數時，有學生認為波函數是經典物理學的波，也有學生認為波函數由全部粒子組成。這些問題的討論激發了學生的求知欲望，可以通過分組進行小組內討論，再將討論結果進行小組間辯論，最后老師對各小組討論和辯論的觀點進行評述和指正，實現學生對一些不易理解的量子概念和原理的深入理解。
2 用量子物理發展的淵源吸引學生
量子力學理論與學生長期以來接觸到的經典物理體系相距甚遠，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。教學實踐證明，針對以上教學中發現的問題，應特別注意用學科理論自身的魅力吸引學生，通過盡可能還原量子力學早期的發展過程，讓學生自己去體會量子力學的基本概念是如何建立并逐步完善的，最大限度地激發學生學習本課程的熱情，也有助于學生深入理解教學內容。
3 抽象理論形象化，與學生深入探討
量子力學課程的突出特點是抽象難懂，對此我們進行了探索。例如在量子力學教學中，“任何實物粒子都具有波粒二象性”是教學中的難點和重點。如何理解波粒二象性？我們可以先從光的波粒二象性入手，通過“光電效應”實驗引出問題，通過總結光電效應實驗的特點，發現與經典理論之間的嚴重矛盾，并通過諸多矛盾引出了愛因斯坦的光量子理論和光電方程，進而深入探討光的本性和實質。隨著內容的深入，我們可以進一步提出：波粒二象性是光子和一切實物粒子的共同本質，而且波動性和粒子性這兩方面必有某種關系相聯系。并順理成章的指出物質波的概念和德布羅意關系式，從最基本的假定出發作出類比推理，理論的獨創性給人深刻的印象。
在此，還可以以學生的口吻提出兩個問題。
問題1）物質粒子既然是波，為什么人們在過去長期實踐中把它們看成經典粒子并沒有犯什么錯誤？
我們可以通過實物粒子子彈的德布羅意波長的求解找到答案，這是由于普朗克常數h是個小量，一般實物粒子的德布羅意波長λ=h/p很短，短到可以忽略不計。
問題2）在什么情況下可以近似的用經典理論來處理問題？在什么情況下又必須顧及運動粒子的波粒二象性？
進而作出解答，一般來說，當運動粒子的德布羅意波長遠小于該粒子本身的尺寸時，可以近似的用經典理論來處理；否則，需要用量子理論來處理。
這種層層深入，帶著問題尋找答案的教學方法符合邏輯思維，學生很容易接受，將抽象而復雜的問題形象化、簡單化。
4 聯系量子力學的未來發展激發學生求知的渴望
盡管量子力學是以微觀世界為研究對象，但它對我們日常生活的影響卻非常大。例如，在當今科學界還提出了量子通信的新概念，是實現完全保密的最佳通信方式，直接導致引領現今量子信息理論和研究的熱潮，代表著21世紀信息技術革命―量子通信技術的發展方向。教師可以鼓勵學生對與量子力學緊密相關的實際應用技術進行調研，打消學生學習量子力學“無用化”的顧慮，激發學生自主學習的熱情。
5 結束語
近幾年，針對量子力學教學中出現的實際問題，結合量子力學的課程特點，我們提出了基于“PBL教學法”的量子力學課程教學改革的研究，取得了一些成效，對于理論性較強的其他課程也具有較強的理論指導意義和推廣應用價值。
【參考文獻】
[1]國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年）[R].2010.
[2]曾謹言.量子力學：卷1[M].2版.北京：科學出版社，1997：235-278.
[3]鄒艷.淺談量子力學的教學改革[J].物理與工程，2009，19（4）：40-41.
相對論與量子力學的矛盾范文5
——編者
美國物理學家L·斯莫林在《物理學的困惑》一書中說，從18世紀80年代到20世紀70年代，我們對物理學基礎的認識，大概每10年就有一次大的進步，但自20世紀70年代以來，我們對基本粒子的認識還沒有一個真正的突破[1]。許多科學界人士和我們一樣，不禁要問：物理學到底怎么了？
1. 物理學的現狀與困惑
撥開歷史的長卷可看到，自16世紀自然科學從神學中解放出來以來，物理學經歷了波瀾壯闊的發展歷程。伴隨經典力學和熱力學的創立與發展，人類開始了轟轟烈烈的機械工業革命；伴隨愛因斯坦相對論和量子理論的創立與發展，人類構建起了日新月異的現代文明。這就是讓無數人為之奮斗的物理學，正是它推動著人類的發展進程！
然而，自上世紀70年代后，宇觀方面物理學面臨越來越多的挑戰和課題，遲遲得不到解決，如暗物質和暗能量至今給不出合理的解釋；微觀方面提出的攸關量子場論命運的諸多預言得不到檢驗，如希格斯粒子、質子衰變等至今尚未找到或證實。
問題還遠不止這些。隨著現代物理學的發展，它與經典物理學間的矛盾日趨尖銳，本想通過深入研究找到彌合矛盾的方法，然而得到的卻是事與愿違的結果，變得更加難以調和；再比如，盡管200多年來科學家們已竭盡全力，但引力常數G的測量精度仍然是物理學基本常數中最差的，等等。
針對物理學面臨的問題和困境，一些新的理論被紛紛提出，然而這些理論大都曇花一現?？斣巳R因理論、愛因斯坦統一場論、SU（5）大統一理論、超對稱理論等都先后失敗的事實表明，物理學陷入了重重困惑之中。
2. 導致物理學現狀的根源
斯莫林斷言，“弦理論、圈量子引力和其他方法，它們都還沒有到達那個前沿。我相信我們還缺失某個基本的東西，我們還在做著錯誤的假定。我猜它涉及兩個因素：量子力學的基礎和時間的本質……我越來越覺得量子理論和廣義相對論在深層次上都把時間的本質弄錯了?！盵1]
如果將人類認識自然界的方式放在微觀、宏觀和宇觀的尺度軸上進行觀察，不難發現人類認識自然界，既不是從微觀粒子開始的，也不是從宇觀的天體、星系開始的，而是從宏觀的身邊事物開始的，而后才開始向微觀和宇觀延伸。
在宏觀領域，根據萬有引力和庫倫力的作用力性質不同，對物質的表述分別用質量和電荷兩個概念。然而，我們從宏觀所看到物質的性質是由物質微觀層面上的性質所決定的。事實是，我們根據宏觀上建立的質量、電荷概念來推導物質在微觀上的性質，顯然這是本末倒置了。
宏觀環境的物質模型是我們動用所有的感官才建立起來的。然而到了微觀和宇觀環境，我們只能靠視覺觀察，探索者唯一倚重的知識只有宏觀經驗，而問題恰恰就出在這里。比如，在廣義相對論的框架下，我們得到了一個宇宙大爆炸模型，然而發生宇宙大爆炸的奇點卻不適用任何物理定律。我們從已知導出了一個未知事物，單從邏輯上看就已經不自洽了。
牛頓力學和電磁理論在宏觀應用上的巨大成功，使人們不假思索地將質量和電荷直接引入到微觀和宇觀領域，導致更多物質概念被提出，如圖1所示。可見，將宏觀體驗直接推廣到宇觀和微觀是導致物理學陷入困境的根源。
3. 突破物理學困境的方法
由于我們用宏觀物質層面的概念去認識微觀現象難以理解，于是為了能從宏觀知識推導出微觀現象的規律，不得不借用復雜的數學工具，由此物理學就被數學化了。
廣義相對論和量子理論都帶有濃重的數學化色彩。由于錯誤的根源在于宏觀概念的超范圍運用，導致數學化了的物理學最終還是走進了死胡同（當然，數學也被殃及了）。比如，量子電動力學用拉格朗日的數學方程來描述，后來遇到發散困難后，不得不打上一個“重整化”的補?。划敯l現跟費米理論不相協調后，又不得不再打上“規范不變性”的補丁；規范不變性與對稱性相對應，當發現許多粒子不具有這種對稱性時，又不得不再打上一個“對稱性自發破缺”的補丁。
然而這個經過多次修補后的規范理論，自上世紀70年代以來，不論在解釋或預見基本粒子的新性質方面，還是在解決它所面臨的概念困難方面，再也沒能取得進展。
可見，物理學的數學化并不能將誤入歧途的物理學拉回到正確的軌道上來。美國物理史學家曹天元教授在《量子物理史話》一書中說，“以往人們喜歡先用經典手段確定理論的大框架，然后再從細節上做量子論的修正，這可以稱為‘自大而小’的方法……現在人們開始認識到，也許‘自小而大’才是根本的解釋宇宙的方法?！?/p>
弦理論是采用“自小而大”方法的一個理論，它幾經沉浮最終脫胎換骨成有11個時空維度的M理論。在科學界經歷了一系列的失敗后，霍金和大多數科學家認為M理論是大設計的唯一候選者。但三維空間中的動態宇宙，在四維時空中成為愛因斯坦的靜態宇宙——一種永恒的“存在”，而這種永恒的“存在”本質上是不存在，因為永恒“存在”意味著時間靜止了，而存在的時間為零的事物是不存在的。
既然四維時空意味著不存在，那么5個維度下的宇宙就更不存在了，更何況多達11維的宇宙?？梢?，用弦理論這根“弦”是無法將廣義相對論和量子理論連接起來的。
4. 系統相對論的物理統一方法
系統相對論[2]采用“自小而大”的研究方法，從cn粒子假設入手，逐步架構起各種粒子、物體和天體。通過流體態物質和剛體態物質定義與分類，系統相對論將自然界形態各異的所有物質統一在能量的概念下，從而實現了物質的統一。
從微觀到宏觀、宇觀，整個宇宙是一個不可分割的有機整體，如圖2所示。適用于宇觀高速領域的廣義相對論和適用于微觀的量子理論，如同黑輻射理論中的適用于高頻段的維恩公式和適用于低頻段的瑞利-瓊斯公式一樣，它們都是不正確的；所不同的是，后者在普朗克公式中可以退居到“近似”的地位上；而前者只能退居到“相當于”的地位上，因為它們的基礎存在問題，如時間概念。
時間是物體運動速度大小的一種度量方式，表達的是物體的運動性質和存在性。可見，時間、質量、電荷都是一種物理量，是我們理解和描述事物的一種方法和工具，而不是事物本身。
5. 結束語
筆者認為，通過修正現有理論的方法是不可能解決當前所面臨的各種挑戰和課題的；只有改變原來的“自大而小”的研究方法，首先找到真正的宇宙之“磚”，才能構建出一個真實的宇宙，進而一攬子解決當前所面臨的各種挑戰和課題。
參考文獻：
[1] L·斯莫林[美] 物理學的困惑·李泳譯· 長沙：湖南科學技術出版社，2008 P64，P252
[2] 劉泰祥·系統相對論·北京：科學技術文獻出版社，2012
相對論與量子力學的矛盾范文6
第谷用畢生精力，在布拉格天文臺觀測了大量天文數據資料.第谷死后，將這些天文資料都留給了開普勒.你看表格中的數據，是不是有些凌亂？但是開普勒堅信一定可以找到行星運動數值上的簡單關系，因為物理學是符合簡單美的觀念已經深深地刻在他的腦海中.經過多年的艱苦工作，他終于發現了行星運動的三大定律，其中第三條定律的數學表達式是T2=D3（式中T代表行星繞太陽一周經過的時間，即公轉周期，D代表行星離開太陽的距離）.當你從如此凌亂無序的數據中發現如此簡潔的公式，使繁星浩淼的宇宙頓時變得清晰時，象這種“哲學領悟、物理直覺和數學技巧最驚人的組合”的公式，難道你還沒有體驗到它的簡單美嗎？
如果地球表面的重力加速度不是9.8米/秒2，而是一個隨時變化的數值，那么世界將會變得怎么樣呢？一會兒腳被大地粘住，挪動不得；一會兒又捷步如飛，想停也停不下來；說不定什么時候，漫天飛舞的樹葉真的像鉛球砸破了你的腦門.果真如此的話，人們的生存就成了問題.然而這樣的情況是不會發生的，因為地球的重力加速度在是球表面的任何地方都是相同的，約等于9.8米/秒2.顯然9.8就不是一個簡單的數字了，它從某個方面反映了自然的和諧與平衡，讓人覺得奇妙與神秘.其實，物理常數也是開啟自然規律的鑰匙，如萬有引力是經典物理的標志；普朗克常數是量子物理的符號，等等.
是的，物理中的每一條定理、定律或公式，甚至一個常數，雖然形式極其簡單，但讓人一看就能領會其中的內涵，便能體會到其中的簡潔美.因為科學家們似乎總是用周圍濃縮的公式和定理來表現他們高水平的美感的.難怪阿基米德發現鑒別皇冠是否摻假的方法時，竟然著身子跳出浴盆.因為他沉浸在科學的發現之中，體驗到物理中的美.
對稱總是和美聯系在一起的.楊振寧在諾貝爾物理獎獲獎演說中也深感對對稱力量的欽佩.事實上，自然原則的內在對稱性成為一個具有規范意義的美學標準.你看平面鏡中的像與物關于鏡面對稱；萬有引力與庫侖定律在形式上對稱，而麥克斯韋方程組更是自然科學美的力作，美學上真正完美的對稱科學作品.象這樣形式上對稱的物理客體或物理原理是無法統計的，其對稱之美也是無法用語言能表述到位的.
抽象對稱性在科學研究中更為普遍與重要.1820年丹麥物理學家奧斯特發現了電流的磁效應，即電可以轉變為磁.在對稱性思想的指引下，英國年輕的物理學家法拉第堅信：既然電可以轉化為磁，那么磁也一定可以轉化為電.隨后他開始了長達10年的艱辛工作，并在1831年驗證了他自己的天才預言，發現了電磁感應原理，成為十九世紀最偉大的發現之一，也為后來發明發電機，使人類對能源的利用從化石時代進入電氣時代做好了理論上的準備.當法拉第在皇家協會展示他的發電機時，一位貴婦人問：“這玩意兒能有什么用呢？”法拉第回答：“你不應當問剛出生的嬰兒有什么出息，誰能料到他長大后會怎么樣？”如此巧妙的回答，實在對科學的寧馨兒的由衷贊美，也是對自然界內在和諧的崇高禮贊.
數學對稱性又稱數學變換不變性，其基本思想是，每一個變換不變性都包含不變量和變換式兩個要素.這里的不變量泛指在變換中保持不變的物理量、物理定律等.如牛頓定律在伽俐略變換中具有不變性.從牛頓到愛因斯坦都認為物理學的理論對于空間-時間變換必須是不變的.洛侖茲變換的不變性導致統計力學與量子力學；相空間變換的不變性導致廣義相對論.
狄拉克是20世紀一位偉大的物理學家.他在當時提出了一個描寫電子運動的方程，這個方程形式上對稱、優美，并和實驗結果非常符合.但是方程的對稱卻帶來了一個當時令人意外的情形：原子中正負電荷間存在著一個與核外電子的質量、電量相等而電性卻相反的“正電子”.如果堅持這個方程就必須承認這個當時看來子烏虛有的“正電子”的存在，必然會遭到許多物理學家的反對.是放棄還是堅持？狄拉克毫不猶豫地選擇了后者.幾年后，實驗證實了“正電子”的存在，并完全符合狄拉克的預言.
千姿百態的自然是普遍聯系的，反映物質世界的物理規律也是豐富多彩、和諧統一的.物理學中各種理論內部以及各部分之間的現象、概念與規律等卻是互相矛盾的，表現出自洽和諧美.物理高級理論對低級理論的包含，或者說低級理論與高級理論在某些特定條件下的結論一致，比如當物質的速度遠小于光速時，相對論力學就還原為牛頓經典力學.而當h O 時量子力學就回到了經典力學，物理就表現出對應和諧美.量子力學是通過兩條途徑發展起來的，一條是在玻爾思想的影響下，把微觀過程當作粒子來處理，描繪出一幅以粒子性為根本特征的圖象；另一條是在愛因斯坦思想影響下建立的以波動性為核心特征的理論，描繪出了以波動性為特征的物理圖象，這兩種表述都能從某個方面說明粒子的特征，但是卻互不包含，而量子力學理論詮釋的關鍵在于把彼此排斥的波動性和粒子性兩種描述協調起來，用粒子和它出現的概率來描述微觀客體的波粒二象性.將互補又互斥的物理規律統一起來，表現出物理學的互補和諧美.
