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量子力學存在的問題范文1
關鍵詞 量子力學 教學內容 教學方法
中圖分類號：G420 文獻標識碼：A
Teaching Methods and Practice of Quantum Mechanics of
Materials Physics Professional
FU Ping
(College of Materials Science and Engineering, Wuhan Institute of Technology, Wuhan, Hubei 430073)
Abstract For the difficulties faced by students in Materials professional to learn quantum mechanics physics course, by a summary of teaching practice in recent years, from the teaching content, teaching methods and means of exploration and practice, students mobilize the enthusiasm and initiative, and achieved good teaching results.
Key words quantum mechanics; teaching content; teaching methods
0 引言
量子力學是研究微觀粒子（如原子、分子、原子核和基本粒子等）運動規律的物理學分支學科，它和相對論是矗立在20世紀之初的兩座科學豐碑，一起構成了現代物理學的兩塊理論基石。相對論和量子力學徹底改變了經典物理學的世界觀，并且深化了人類對自然界的認識，改造了人類的宇宙觀和思想方法，它使人們對物質存在的方式及其運動形態等的認識產生了一個質的飛躍。
量子力學是材料物理專業一門承前啟后的專業基礎必修課：量子力學的教學必須以數學為基礎，包括線性代數、概率論、高等數學、數理方法等，其又是后續課程材料科學基礎、固體物理、材料物理、納米材料等的理論基礎?？梢?，量子力學課程在材料物理專業的課程體系中占有非常重要的地位，學生掌握的程度直接影響后續專業課程的學習。作者近年來一直從事量子力學的教學工作，針對量子力學課程教學過程中存在的現象和問題，進行了較深入細致的思考與探討，在實際教學過程中對本課程的教學方法進行了探索與實踐，收到了較好的教學效果。
1 量子力學教學面臨的難點
量子力學研究的是微觀粒子的運動規律，微觀粒子同宏觀粒子不同，看不見，摸不著，只有借助于探測器才能察覺它的存在和屬性。材料物理專業學生之前學習的基本上是經典物理，而量子力學理論無法用經典理論進行解釋，學生對此感到難于理解。因此，經典物理的傳統觀念對學生思想的束縛，構成了學生學習量子力學的思想障礙；量子力學可以說無處不“數學”， 由于材料物理專業學生在數學基礎方面與物理專業學生相比較為薄弱，在學習過程中普遍感到數學計算繁難，對大段的數學推導表現出畏難情緒?？梢姡孔恿W對數學的精彩詮釋卻構成了學生學習量子力學的心理障礙。這兩大障礙勢必會影響量子力學和后續課程的學習。在這種情況下，我們應當怎樣開展量子力學教學從而使學生重視并努力學好該課程就成了一個嚴峻的挑戰。
2 明確教學重點和難點、有的放矢
要講授一門課程，首先應該對課程內容有一個清晰的認識。量子力學的內容可以包括三個方面：一是介紹產生新概念的歷史背景及一些重要實驗；二是提出一系列不同于經典物理學的基本概念與原理，如波函數、算符等概念和相關原理，是該課程的核心；三是給出解決具體實際問題的方法。三部分內容相互聯系，層層推進，形成完整的知識體系。作為引導者，教師應在這三部分內容的教學過程中幫助學生成功地突破兩大束縛。第一部分內容教師應考慮如何引導學生入門，從習慣古典概念轉而接受量子概念。在講授這部分內容時要將重點放在“經典”向“量子”的過渡上，引出量子力學與經典力學在研究方法上的顯著不同：經典力學是將其研究對象作為連續的不間斷的整體對待，而量子力學將其研究對象看成的間斷的、不連續的。學生在學習這部分時應仔細“品嘗”其中的“滋味”，以便啟發自己的思維自然地產生一個飛躍，完成思想的突破。第二、三部分是量子力學學習的重點與難點，并且涉及大量的數學推導，教師應采取適當的教學手段，突出重點，強調難點。在物理學研究中，數學只是用來表達物理思想并在此基礎上進行邏輯演算的工具，不能將物理內容淹沒在復雜的數學形式當中。通過數學推導才能得到的結論，只需告訴學生，從數學上可以得到這樣的結果就可以了，無需將重點放在繁難的數學推導上，否則會使學生本末倒置，忽略了對量子力學思想的理解。這樣的教學可以幫助學生突破心理障礙，不會一提量子力學就想到復雜的數學推導，從而產生抵觸情緒。成功地突破這兩大障礙，是學習量子力學的關鍵。
3 教學方法的改革
3.1 利用現代技術改進教學手段
傳統的板書教學能夠形成系統性的知識框架，教師在板書推導的過程中，學生有時間反應和思考，緊跟教師的思路，從而可以詳細、循序漸進地吸收所學知識，并培養了良好的思維習慣。但全程板書會導致上課節奏慢，授課內容有限。目前隨著高校教學改革的推進，授課學時相繼減少，對于傳統教學方式來講，要完成教學任務比較困難。這就要借助現代科技手段進行教學改革，包括多媒體課件的使用和網絡教學。但是在量子力學教學中，一些繁雜公式的推導，如果使用多媒體課件，節奏會較快，導致學生目不暇接，來不及做筆記，更來不及思考，不利于講授內容的消化吸收。鑒于此，對于量子力學課程，教學過程應采用板書和多媒體技術相結合的方式，充分發揮二者的優勢，調動學生的學習積極性。
3.2 建設習題庫
量子力學課程理論抽象，要深入理解這些理論，在熟練掌握教材基本知識的基礎上，需要通過大量習題的演練，循序漸近，才能檢驗自己理解的程度，真正學好這門課程。因此在教學過程中，強調做習題的重要性。有針對性地根據材料物理專業量子力學的教學大綱和教學內容，參考多本量子力學教材和習題集，利用計算機技術建設量子力學習題庫，題型包括選擇、填空、證明、簡答和計算題等，內容涵蓋各知識點，從簡到繁、由淺至深。題庫操作方便，學生可自行操作，并對所做結果進行實時檢查，從而清楚自己掌握本課程的程度。這一方式在近幾年的教學中取得了良好的教學效果。
3.3 加強與學生互動，調動學生的學習積極性
教學是一個師生互動的過程，應讓學生始終處于主動學習的位置而不是被動的接受。量子力學課程的學習更應積極調動學生的積極性，因此教師應在教學過程中加強與學生的互動。增設課前提問、課后討論環節，認真批改作業，積極發現學生學習過程中存在的問題，并及時對問題進行深入講解，解決問題。另外，由于量子力學是建立在一系列基本假定基礎之上的，抽象難懂，鑒于學生難接受的情況，在授課時注意理論聯系實際，盡可能進行知識的滲透和遷移，將量子力學在實際中的應用穿插于教學之中，豐富教學內容，開拓學生視野，從而調動學生的學習興趣和積極性。
4 結語
通過近年來教學經驗的總結和探索，形成了一套適合材料物理專業量子力學課程教學的方法，該方法教學效果良好。在近幾年的研究生入學考試中，學生量子力學課程的成績優秀，說明采用這樣的教學方法是成功的。
資助項目：武漢工程大學2010年校級教學研究項目（X201037）
量子力學存在的問題范文2
關鍵詞:量子力學 量子計算機
中圖分類號:TP39 文獻標識碼:A文章編號:1007-3973 (2010) 02-106-01
1量子力學對計算機技術發展的影響
自1646年第一臺電子計算機問世以來,其芯片發展速度日益加快。按照芯片的摩爾定律 ,其集成度在不久的將來有望達到原子分子量級。在享受計算機飛速發展帶來的種種便利的同時,我們也不得不面臨一個瓶頸問題,即根據量子力學理論,在芯片發展到微觀集成的時候,量子效應會影響甚至完全破壞芯片功能。因此,量子力學對計算機技術發展具有決定性作用。
1.1量子力學簡介
量子力學是近代自然科學的最重要的成就之一. 在量子力學的世界里,一個量子微觀體系的狀態是由一個波函數來描述的,而非由粒子的位置和動量描述,這就是它與經典力學最根本的區別。
1.2量子力學與量子計算機
量子力學的海森堡測不準原理決定了粒子的位置和動量是不能同時確定的()。當計算機芯片的密度很大時(即很小)將導致很大,電子不再被束縛,產生量子干涉效應,而這種干涉效應會完全破壞芯片的功能。為了克服量子力學對計算機發展的限制,計算機的發展方向必然和量子力學相結合,這樣不僅可以越過量子力學的障礙,而且可以開辟新的方向。
量子計算機就是以量子力學原理直接進行計算的計算機.保羅•貝尼奧夫在1981年第一次提出了制造量子計算機的理論。量子計算機的存儲和讀寫頭都以量子態存在的,這意味著存儲符號可以是0、1以及它們的疊加。
2量子計算機的優點
近年來的種種試驗表明,量子計算機的計算和分析能力都超越了經典計算機。它具有如此優越的性質正在于它的存儲讀取方式量子化。對量子計算機的原理分析可知,以下兩個個特性是令量子計算機優越性的根源所在。
2.1存儲量大、速度高
經典計算機由0或1的二進制數據位存儲數據,而量子計算機可以用自旋或者二能級態構造量子計算機中的數據位,即量子位。不同于經典計算機的在0與1之間必取其一,量子位可以是0 或者1,也可以是0和l的迭加態。
因此,量子計算機的n個量子位可以同時存儲2n個數據,遠高于經典計算機的單個存儲能力; 另一方面量子計算機可以同時進行多個讀取和計算,遠優于經典計算機的單次計算能力。量子計算機的存儲讀取特性使其具有存儲量大、讀取計算速度高的優點。
2.2可以實現量子平行態
由量子力學原理可知,如果體系的波函數不能是構成該體系的粒子的波函數的乘積,則該體系的狀態就處在一個糾纏態,即體系的粒子的狀態是相互糾纏在一起的。而量子糾纏態之間的關聯效應不受任何局域性假設限制,這使兩個處在糾纏態的粒子而言,不管它們離開有多么遙遠,對其中一個粒子進行作用,必然會同時影響到另外一個粒子.正是由于量子糾纏態之間的神奇的關聯效應, 使得量子計算機可以利用糾纏機制,實現量子平行算法,從而可以大大減少操作次數。
3量子計算機發展現狀和未來趨勢
3.1量子計算機實現的技術障礙
到目前為止,世界上還沒有真正意義上的量子計算機,它的實現還有許多技術上的問題。
量子計算機的優越性主要體現在量子迭加態的關聯效應. 然而,環境對迭加態的影響以及迭加態之間的相互作用會使這種關聯效應減弱甚至喪失,即量子力學去相干效應.因此應盡量減少環境對量子態的作用。同時,萬一由于相干效應引入了錯誤信息,必需能及時改正,這需要進一步的研究和實驗。
另一方面,量子態不能復制,使得不能把經典計算機中很完善的糾錯方法直接移植到量子計算機中來.由于量子計算機在計算過程中不能對量子態測量, 因為這種測量會改變量子態, 而且這種改變是不可恢復的,因此在糾錯方面存在很多問題。
3.2量子計算機的現狀
由于上述兩種原因,現在還無法確定未來的量子計算機究竟是什么樣的, 目前科學家門提出了幾種方案.
第一種方案是核磁共振計算機. 其原理是用自旋向上或向下表示量子位的0 和1 兩種狀態,重點在于實現自旋狀態的控制非操作,優點在于盡可能保證了量子態和環境的較好隔離。
第二種方案是離子阱計算機. 其原理是將一系列自旋為1/2 的冷離子被禁錮在線性量子勢阱里, 組成一個相對穩定的絕熱系統,重點在于由激光來實現自旋翻轉的控制非操作其優點在于極度減弱了去相干效應, 而且很容易在任意離子之間實現n 位量子門。
第三種方案是硅基半導體量子計算機. 其原理是在高純度硅中摻雜自旋為1/2的離子實現存儲信息的量子位,重點在于用絕緣物質實現量子態的隔絕,其優點在于可以利用現代高效的半導體技術。
此外還有線性光學方案, 腔量子動力學方案等.
3.3量子計算機的未來
隨著現代科學技術的發展,量子計算機也會逐漸走向現實研制和現實運用。量子計算機不但于未來的計算機產業的發展緊密相關,更重要的是它與國家的保密、電子銀行、軍事和通訊等重要領域密切相關。實現量子計算機是21 世紀科學技術的最重要的目標之一。
參考文獻:
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量子力學存在的問題范文3
關鍵詞：量子力學；經典科學世界圖景；非機械決定論；整體論；復雜性；主客體互動
Abstract:Asoneofthreerevolutionsofphysicsin20thcentury,quantummechanicshasgreatlytransformedtheworldviewofclassicalscienceinmanyaspects.Quantummechanicsbreaksthoughthemechanicaldeterminisminclassicalscience,transformingitintononmechanicaldeterminism;itchangesscientificcognitiveprocessfromthetheoryofreductionismtothetheoryofwholism;itshiftsthewayofthinkingfrompursuingsimplicitytoexploringthecomplexity;italsoestablishestheinteractionbetweensubjectandobjectinscientificresearches.
Keywords:quantummechanics;worldviewofclassicalscience;nonmechanicaldeterminism;wholism;complexity;interactionbetweensubjectandobject
經典科學基本上是指由培根、牛頓、笛卡兒等開創的，近三百年內發展起來的一整套觀點、方法、學說。經典科學世界圖景的最大特征是機械論和還原論，片面強調分解而忽視綜合。以玻爾、海森伯、玻恩、泡利、諾伊曼等為代表的哥本哈根學派的量子力學理論三部曲：統計解釋—測不準原理—互補原理所反映的主要觀點是：微觀粒子的各種力學量（位置、動量、能量等）的出現都是幾率性的；量子力學對微觀粒子運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領域；儀器的作用同觀察對象具有不可分割性，確立了科學活動中主客體互動關系。[1]量子力學的發展從根本上改變了經典科學世界
圖景。
一、量子力學突破了經典科學的機械決定論，遵循因果加統計的非機械決定論
經典力學是關于機械運動的科學，機械運動是自然界最簡單也是最普遍的運動。說它最簡單，因為機械運動比較容易認識，牛頓等人又采取高度簡化的方法研究力學，獲得了空前成功；說它最普遍，因為機械力學有廣泛的用途，容易把它絕對化。[2]機械決定論是建立在經典力學的因果觀之上，解釋原因和結果的存在方式和聯系方式的理論。機械決定論認為因和果之間的聯系具有確定性，無論從因到果的軌跡多么復雜，沿著軌跡尋找總能確定出原因或結果；機械決定論的核心在于只要初始狀態一定，則未來狀態可以由因果法則進行準確預測。[3]其實，機械決定論僅僅適用于宏觀物體，而對于微觀領域以及客觀世界中大量存在的偶然現象的研究就產生了統計決定論。[4]
量子力學是對經典物理學在微觀領域的一次革命。量子力學所揭示的微觀世界的運動規律以及以玻爾為代表的哥本哈根學派對量子力學的理解，同物理學機械決定論是根本相悖的。[5]按照量子理論，微觀粒子運動遵守統計規律，我們不能說某個電子一定在什么地方出現，而只能說它在某處出現的幾率有多大。
玻恩的統計解釋指出，因果性是表示事件關系之中一種必然性觀念，而機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遇律的某種混合方式的支配。在量子力學中，幾率性是基本概念，統計規律是基本規律。物理學原理的方向發生了質的改變：統計描述代替了嚴格的因果描述，非機械決定論代替了機械決定論的統治。
經典統計力學雖然也提出了幾率的概念，但未能從根本上動搖嚴格決定論，量子力學的沖擊則使機械決定論的大廈坍塌了。量子力學揭示并論證了人們對微觀世界的認識具有不可避免的隨機性，它不遵循嚴格的因果律。任何微觀事件的測定都要受到測不準關系的限定，不可能確切地知道它們的位置和動量、時間和能量，只能描述和預言微觀對象的可能的行為。因此，量子力學必須是幾率的、統計的。而且，隨著認識的發展，人們發現量子統計的隨機性，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、量子力學使得科學認識方法由還原論轉化為整體論
還原論作為一種認識方法，是指把高級運動形式歸結為低級運動形式，用研究低級運動形式所得出的結論代替對高級運動形式的本質認識的觀點。它用已分析得出的客觀世界中的主要的、穩定的觀點和規律去解釋、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的本質，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。
量子力學認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雜性。部分不僅與周圍環境發生一定的外在聯系，同時還要表現出“主體性”，可將自身的內在聯系傳遞到周邊，并直接參與整體的變化。因而，部分與整體呈現了有機的自覺因果關系。在特定的臨界狀態，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特征，也是量子論、量子力學理論思想的靈魂。用經典觀點來看，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一圖案，這是經典物理學通過部分還原認識整體的方法，是“向上的原因”?？墒俏⒂^粒子在某些實驗條件下，只表現波動性；而在另一些實驗條件下，只表現粒子性。這兩種實驗結果不能同時在一次實驗中出現。于是，玻爾的互補原理就在客觀上揭示了微觀世界的矛盾和我們關于微觀世界認識的矛盾，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。這就是整體論觀點強調的“向下的原因”，即從整體到部分。同樣，海森伯的測不準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，造成經典科學觀與現代科學觀認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。經典科學一味地強調外在聯系觀，而量子力學則更強調關注事物內部的有機聯系。所以，量子力學把內在聯系作為原因從根本上動搖了還原論觀點。
三、量子力學使得科學思維方式由追求簡單性發展到探索復雜性
從經典科學思維方式來看，世界在本質上是簡單的。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。追求簡單性是經典科學奮斗的目標，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雜的太陽系行星運動，牛頓更是用單一的萬有引力說明了千變萬化的天體行為。因而現代科學是用簡單性解釋復雜性，這就隱去了自然界的豐富多樣性。
量子力學初步揭示了客觀世界的復雜性。經典科學的簡單性是與把物理世界理想化相聯系的。經典物理學所研究的是理想的物質客體。它不但用理想化的“質點”、“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。而客觀世界并不是如此，特別是進入微觀領域，微觀粒子運動的幾率性、隨機性；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。
在現代科學中，牛頓的經典力學成了相對論的低速現象的特例，成為非線性科學中交互作用近似為零的情況，在量子力學中是測不準關系可以忽略時的理論表述。復雜性的提出并不是要消滅簡單性，而是為了打破簡單性獨占的一統地位。復雜性是把簡單性作為一個特例包含其中，正如莫蘭所說的，復雜性是簡單性和復雜性的統一。復雜性比簡單性更基本，可能性比現實性更基本，演化比存在更基本。[7]今天的科學思維方式，不是以現實來限制可能，而是從可能中選擇現實；不是以既存的實體來確定演化，而是在演化中認識和把握實體。復雜性主張考察被研究對象的復雜性，在對其作出層次與類別上的區分之后再進行溝通，而不是僅僅限于孤立和分離，它強調的是一種整體的協同。
四、量子力學使科學活動中主客體分離邁向主客互動
經典科學思維方式的一個指導觀念就是，認為科學應該客觀地、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”，除非你首先描述測量物理量的方式，否則談論任何物理量都是沒有意義的！測量，這一不被經典物理學考慮的問題，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。因為研究者的介入對量子世界產生了致命的干擾，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域進入微觀領域時，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生干擾，這種干擾本身又對我們的認識產生了干擾；人只能用反映宏觀世界的經典概念來描述宏觀儀器所觀測到的結果，可是這種經典概念在描述微觀客體時又不能不加以限制。這突破了經典科學完全可以在不影響客體自然存在的狀態下進行觀測的假定，從而建立了科學活動中主客體互動的關系。
例如，關于光到底是粒子還是波，辯論了三百多年。玻爾認為這完全取決于我們如何去觀察它。一種實驗安排，人們可以看到光的波現象；另一種實驗安排，人們又可以看到光的粒子現象。但就光子這個整體概念而言，它卻表現出波粒二象性。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]
量子力學的發展表明，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，關于自然我們能夠“說什么”。
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量子力學存在的問題范文4
關鍵詞：量子力學 教學改革 物理思想
“量子力學”作為學習“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，同時也是物理學專業及相關工科專業最核心的基礎課程之一。20世紀，“量子學說”被作為物理科學研究和人類文明進步的標志性貢獻，引起了廣泛地重視。通過對量子學說的學習，能夠使學生充分利用到所學的理論知識，對問題進行分析和尋求解決方法，提高學生的科學素質和培養其創新能力。盡管如此，但該門課程所涉及的內容較為空洞、抽象，對學生學習造成阻礙，使學生喪失了學習的興趣，學生也很難熟練掌握量子學說課程的要點。因此，培養學生的學習興趣是提高教學質量和教學水平的關鍵，但是如何調動學生課堂學習的積極性，成為了廣大教師很棘手的問題。筆者根據近幾年的教學模式，綜合長江大學（以下簡稱“我?！保┑慕虒W現狀，在“量子學說”教學方面，整理出一套符合我校教學實際的改革和嘗試，并取得了較好的效果。
1.“量子力學’’教學內容的改進。量子學說的理論與以往所學的傳統物理體系大有不同，重點表現在處理問題的方式上，但是卻又與傳統物理有著不可分割的關系，可以說，量子學說中很多的概念和理論都來源于傳統的物理學說。這就要求在學習量子學說的同時，既要摒棄以往學習物理形成的固有思考方式，又要遵循某些與傳統物理中相通之處的原理和學習法則。然而，這種思維上的反差必然導致學生在學習時的困惑，除此之外，量子學說較強的理論性也誤導學生陷于數學公式推導的煩惱中，從而使學生喪失了學習興趣。根據這些教學中存在的問題，筆者提出了以下相應的有益改進。
（1）知識條理化，強化知識背景，增強趣味性。量子學說從誕生到最終建立，每一步的發展都經過了縝密、細致、實事求是的分析，并不斷地完善和改進。通過介紹量子學說的發展背景，引起學生的學習興趣，并有利于學生明確量子學說與傳統物理之間的區別，同時讓學生在發展歷程中尋找合適的學習方法，有利于培養學生的科學思維能力。在解釋某些理論和原理時，可以穿插講述其歷史背景，方便學生理解。通過這種方式，既能讓學生掌握理論知識，又有利于學生區分量子學說與傳統物理的區別[1]。
（2）重在物理思想，壓縮數學推導。數學在其相關學科的運用，所起到的作用只是一種輔助工具。在物理研究中也不例外，如果過分強調數學的地位和作用，只會本末倒置。因此，在教學過程中，教師應著重加強基本概念和蘊含的區里實質，而不能將物理思想埋沒在數學公式之中，應把重點放在物理意義和實際運用上，只有這樣，學生才能保持較好的學習熱情。
2.教學方法改革。傳統的教學模式使學生一直處于被動接受知識的狀態下，抑制了學生自主學習的主動性，不僅不利于學生對知識的獲取，更阻礙了其創新思維的培養，而且量子學說的理論抽象，很難被學生理解，傳統的教學方法，無法被學生接受，并會引起學生的反感，甚至厭學。如此一來，必然打擊學生學習的主動性，更降低了學習效率。為了促進學習效率，提高學生學習興趣，培養其科學素養，筆者在教學模式上，探索出一些有效的措施。
（1）發揮學生主體作用。教師在課堂學習中有著舉足輕重的作用，除了傳授學生知識以外，還有著更重要的引導作用。在講解完規定的教學任務之外，還應設定教師與學生的互動環節，通過創設問題情景，引導學生進行思考和分析，使學生對所學的知識進行歸納總結。另外，還可以通過以問題的形式結束未講授的內容，引起學生的興趣，并鼓勵學生課下利用課外資源尋求答案；還可以以小組的形式，讓學生團結合作，對感興趣的物理理論進行探討分析，并完成相關的小組論文。
（2）注重構建物理圖像。由于物理理論都比較抽象，不利于理解，所以構建圖像很重要，它不僅能夠完整地表達所要傳達的信息，而且能夠方便學生理解和記憶。圖像簡潔、清新的特點，使學生更熟練地掌握物理圖像的構建能力，對培養學生的創新思維也有促進作用。
3.教學手段和考核方式改革。（1）用多種先進的教學模式。采用小組討論課，可安排小組內討論，然后是小組之間進行辯論，最后由教師對辯論進行點評和更正。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。另外布置課外論文和邀請知名專家進行講座都是不錯的方式。
（2）堅持研究型教學方式。教學中不再單一地只講授課堂知識，而是把科研融入到課堂學習之中，結合最新的科研動態，向學生介紹所學的原理在其相關領域中的運用，以引起學生的興趣。
（3）將人文教育與專業教學相結合。量子概念誕生于1900年，它首次由德國物理學家普朗克引入；1905年，愛因斯坦進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，物理學史上，力學從誕生到發展所蘊含的創新思維是迄今為止任何一門學科都難以比擬的，教師和學生一起回顧量子力學的發展之路，讓學生了解到量子力學的魅力所在，啟發學生的創新思維。
量子力學存在的問題范文5
激光技術
激光是“由輻射的受激發射引致的光放大”的縮寫，它是一種民用和軍事應用非常廣泛的技術。但是它的應用卻經歷了一個由理論到實踐的漫長過程。1906年，愛因斯坦利用波耳氫原子理論預言光子的受激發射，可以導致一種鏈式反應的方式放大光束，但是從理論到應用幾乎經歷了近60年時間。
1954年4月初，第一臺微波激射器誕生了，這是美國物理學家湯斯發明的。微波激射器成功之后，湯斯又決定制作可見光激射器——激光。1960年美國物理學家邁曼制作出第一個可以使用的激光器，這種激光器直到今天還在廣泛使用。
美籍華裔物理學家朱棣文和法國的克勞德·科昂-唐努日以及美國的威廉·菲利普斯三人利用激光冷卻和捕陷方法，可以讓原子冷卻不動而被囚。他們三人也因此共享1997年度的諾貝爾物理學獎。
超導和超流
超導在1911年就由荷蘭物理學家昂薩格發現，但是直到1957年才由三位美國物理學家巴丁、庫珀和斯里弗用量子力學理論做出正確的解釋。這一理論用他們三人姓的第一個字母，稱之為BCS理論。然而在1986年出現高溫超導以后，用BCS理論無法解釋高溫超導體的各種性質，因此物理學家還需要進一步努力探索，才能全面解決超導理論。
1940年，蘇聯物理學家卡皮查發現了超流現象。例如，在超導狀態時的液體可以反抗重力往上流動，因此可以從容器內部沿器壁內部爬到頂端越過器壁到容器外邊，這被稱為“爬壁”現象。與“爬壁”類似的是氦還有“噴泉”效應，即在氦中插入一根細玻璃管，氦在管內液面會比外面高，當玻璃管足夠細時，氦可以由細管里噴出，像公園的噴泉一樣。1940年，蘇聯物理學家朗道利用量子力學理論，解釋了超流產生的原因。他們兩位也因為這一貢獻，先后獲得諾貝爾物理學獎。
量子隧道效應和種種技術上的利用
量子力學里有一個被實驗證實的“隧道效應”，即粒子可以穿過經典物理看來不可逾越的勢壘，到達勢壘外面。隧道效應最驚人的技術應用就是掃描隧道顯微鏡，它的發展同其他許多科學技術突破一樣，是天才和勤奮、資本與運氣的共同產物。1982年，瑞士的羅雷爾和德國的賓尼希利用掃描隧道顯微鏡（STM），能夠掃描小到原子尺度的一些結構，解決了一個困擾了科學界很長時間的難題——硅表面原子排列方式。后來，IBM研究中心的一個研究小組，利用STM這種移動原子的能力，把原子排列成了“IBM”的字樣。
1985年，賓尼希與同事們一起研制了一種新的掃描探測顯微鏡——原子力顯微鏡（AFM）。AFM現在已經成了一種表面分析的標準儀器，是STM的重要補充。
普利西娜小姐
利用激光冷卻技術可以使得原子或者其他將要研究的粒子在空中飛行的時候“冷凍”住，然后設下激光陷阱把原子或粒子捕捉住，并使它們固定在空間某個地方“囚禁”起來。1990年2月，西雅圖華盛頓大學的德默爾特成功地捕捉到一個正電子，并將它完好地保存達3個月之久。他把這個囚禁起來的正電子稱為“普利西娜小姐”。這是前所未有的巨大技術成就，因為我們知道正、反粒子相遇，會立即發生湮滅，化為一縷青煙轉變成光子，消失得無影無蹤。
納米技術
納米是一個長度單位。1納米是百萬分之一毫米，即1毫微米，或10-9米。1納米約有45個原子串起來那么長。形象一點說，把1納米長的物體放在足球上，就好比把一個足球放在地球上一樣。所以我們用肉眼看不見幾納米長的物質。
當物質尺寸小到納米級時，會出現許多人們意料不到的奇異特性，很多在宏觀和微觀的物理規律不再適用。例如，電學里的歐姆定律就不適用于納米材料；過去常常用來描述原子集體行為的概念也不再適用。這類奇異的特性還很多。到納米級時，物質的光學性質（超微顆粒都呈黑色）、熱學性質（熔點降低）、磁學性質（矯頑力增加）以及力學性質（韌性增加）等等都與宏觀狀態的不同，千奇百怪，讓人眼花繚亂。還有量子力學中的尺寸效應和隧道效應，也都改變著納米材料的性質，為實際技術應用帶來了廣泛的可能性。納米狂飆將橫掃傳統經濟的各個行業，讓它們爆發出巨大的能量。
研究表明，適宜的納米材料（如碳原子構成的小管子）可以制造出防護性能更好的裝甲、更輕的武器和不被雷達發現的涂料。還有，“智能灰塵”“武裝蒼蠅”的研究，已經不是秘密，這些新型武器能使敵對方防不勝防。一旦把智能灰塵撒到敵方，其傳感器就能神不知鬼不覺地執行偵察任務。
總之，納米材料的應用范圍沒有限制，會引起各行各業革命性轉變。正因為如此，各國政府都在高度關注和積極從事這方面的研究和開發。
量子計算機
量子力學中模糊的不確定性還有很多其他的用武之地。美國麻省理工學院（MIT）的賽斯·羅伊德（Seth Lloyd）就是眾多想要開發量子力學新用途的科學家之一，他說，“量子力學十分詭異，但它就是這樣。生活給我們的是個怪現象，我們是否可以研究出怪用途呢？”羅伊德所謂的怪用途，是指量子計算機。
科學家正在研制的量子計算機內部是個金銅質裝置，這也許和你家的筆記本電腦不太一樣，但是它們用的是同一種語言，即“二進位碼”。電腦語言是由0與1所組成的，稱為“位元”（bit），也就是說最小的信息單位是位元。電腦所做的事情就是把信息打碎成最小的位元單位，然后再進行快速計算。量子計算機也是以位元為單位來處理數據的，但是與傳統的位元不同，傳統的位元只能是0或1，量子位元則更有彈性。物體的位置能表示為一個位元，而如果可以做到同時處于不同位置的話，我們就得到了一個量子位元（quantum bit）。
就如電子自旋可以是順時針與逆時針的混合體，量子位元也是一種混合體，能既是0又是1，所以量子位元可以“多功處理”，即同時進行多項處理，這樣就能夠以超乎人類大腦所想象的方式進行計算。理論上，量子位元可以由任何一種以量子形式存在的物質組成，比如電子或原子。量子計算機的核心部分是小型的超導線圈，由納米科技打造，可以同時雙向運作。
量子力學存在的問題范文6
關鍵詞：自然哲學 量子革命 系統辯證法
關于20世紀科學革命，有人說只須記住三件事：相對論、量子革命和混沌學（系統科學中最突出的新分支）。正是這三大科學革命為人類建構全新的自然圖景（也就是新穎的自然哲學）作出了決定性的貢獻。這里所謂自然哲學是指人對自然的哲學反思。自然哲學的中心問題就是基于人與自然的關系來研究自然本體最一般的性質和人類的世界圖景。
一
自然哲學在哲學史上有過兩個全盛時期（古希臘及近代機械論），只是在謝林、黑格爾之后衰落了。由于20世紀三大科學革命的強大影響，自然哲學正在當代復興起來，這是十分令人鼓舞的。我們先從三大科學革命說起。
首先要提到的是相對論革命對改造人類世界圖景的貢獻。在1905年的狹義相對論中，時空性質依賴于參照系等概念是對“觀察無關性”的經典信念的初次沖擊；1915年的廣義相對論把引力場（它具有整體全息相關性）確立為新的“獨立的實在”，這是對牛頓的實體觀的又一次打擊。接著要論述的是量子革命，它比相對論革命更為深刻地改變著人類的世界圖景。因為1925年以后所創建的量子力學進一步使笛卡兒與牛頓以來的主客絕對二分原則、實體主義原則乃至嚴格決定論原則都受到猛烈沖擊。最后要強調的是系統科學革命。20世紀中葉以來近半個世紀系統科學的蓬勃發展表明，從總體上說，系統自然觀集中體現了當代自然圖景的精華，因此系統自然觀幾乎成了當代自然科學的世界圖景的代名詞，貝塔朗菲稱之為“一種新的自然哲學”。20年代所出現的懷特海的“機體論哲學”則是這種自然哲學之先聲。
當代的系統自然觀借助于維納的控制論(1949)、貝塔朗菲的一般系統論(1948)、普利高津的耗散結構論(1969)和哈肯的協同學(1971)等理論復活了亞里士多德的機體論和內在目的論的自然哲學。〔1〕控制論通過對“動物（即生命系統）和機器（即非生命系統）的通用規律”的研究表明，自動機器通過反饋調節機制可以表現出與神經控制同樣的合目的性或規律。[1]維納在《控制論》中對牛頓的嚴格決定論進行了深刻有力的批判，肯定了統計力學家吉布斯把偶然性引進到科學中來的重大的方法論意義，并突破了目的論與機械論之間的兩極對立。莫諾在《偶然性與必然性——略論現代生物學的自然哲學》(1971)一書中，則用生物微觀控制論表明，借助于生物化學和分子生物學層次的反饋機制以及微觀-宏觀相互作用，完全偶然的基因突變最終可以納入物種進化的必然軌道；耗散結構論表明，在遠離平衡態條件下開放系統可以通過非線性正反饋機制的作用表現出有序化和合目的性；協同學還進一步發現序參量是整個自組織過程的主宰如此等等?？傊羞@些自動機器和自組織理論都表明，無須超自然的神力和神秘的“生命力”，自然系統也象自動機一樣可以憑借內在機制的作用呈現合目的性。從這個特定意義上說，認為宇宙＝巨大的超級自動機的“機械論”是對的，而非神學性的宇宙“內在目的論”也是對的。從歷史上看，牛頓的機械論自然哲學是對亞里士多德的目的論自然哲學的否定?，F在，我們的立足于系統科學的新自然哲學則應看作一種“否定之否定”。它是對機械論與目的論自然哲學的更高的辯證綜合。
當代自然哲學（它以系統自然觀及其系統辯證法為核心或靈魂）最有革命性的一個方面，也許表現在反嚴格決定論和對偶然性客觀意義的新認識。直到現在為止，一般人都相信“近似決定論”：只要近似知道一個系統的運行規律和初始條件就可以足夠好地計算出系統的近似行為?？墒腔煦鐚W中著名的“蝴蝶效應”，即系統演化進程對初始條件的敏感依賴性，卻斷然否決了牛頓-拉普拉斯決定論的任何翻版（如“近似決定論”）的有效性。美國氣象學家洛侖茲在1961年發現，實際上長期天氣預報是不可能的。因為即使對于嚴格確定的氣象方程組，初始條件的小誤差，也會導致災難性的后果。諸如珞珈山的蝴蝶拍拍翅膀那樣的初始小擾動，經由地球大氣系統中的逐級放大，最終可能在南美洲引起大風暴。這種由決定論引出來的混沌，對經典觀念的打擊是毀滅性的。混沌革命加強并深化了量子革命。
通過量子力學、分子生物學、協同學乃至混沌學的研究，現代科學家越來越認識到，偶然性在自然界具有不容忽視的本體論地位，以及研究偶然性的內在機制的重要性。為恩格斯贊同過的黑格爾關于“必然性自己規定自己為偶然性，……偶然性又寧可說是絕對的必然性”（〔2〕，第562—563頁）的辯證論斷，得到最新自然科學的支持。正如馬克斯·玻恩在《關于因果與機遇的自然哲學》(1951)中所注意到的，量子世界是由因果與機遇聯合統治的，其中機遇是有規則的。同樣，在哈肯的協同學演化方程（如?？?普朗克方程和郎之萬方程）中，決定論力項與隨機力項是共同起作用的。在混沌理論中，混沌本是由決定論規律引出的內在的無序和不規則性，然而對混沌吸引子的相空間圖解研究卻表明，即使混沌也有精細結構，其中機遇也是有規則的，偶然性與必然性相互作用的深層非線性機制是可以認識的。從量子力學到系統科學的研究表明，概率統計定律是比嚴格決定論定律更好的認識工具，但原有的“大數定律”與“統計平均值”等概念對于描述偶然性已經顯得太粗糙了，非線性數學該出陣參戰了。因為唯有借助于非線性數學才可能認清偶然性起作用的深層結構機制。
當代自然哲學中的系統整體論思想也是相當有革命性的。自從歐幾里得、阿基米德以來，“整體＝部分和”的公理已經成為背景知識不可缺少的一部分。這一觀念也是牛頓的機械論自然哲學的一個基本要素（它與實體主義、還原主義相協調）。然而，一般系統論中的貝塔朗菲原理“整體不等于各部分簡單相加的總和”，卻斷然取消了歐幾里得的公理，以整體論取代了機械論的還原主義。量子力學中的全域相關性和粒子物理學中的新奇現象（“基本”粒子分割到一定限度，將出現“部分大于整體”的佯謬）以及生態系統的整體關聯性（卡普拉《轉折點》，1989）都支持貝塔朗菲的系統整體觀。
總之，以現代物理學與系統科學為代表的當代科學革命已經引起了人類自然圖景的根本變革，人們有理由期待一種浸透著量子力學辯證法和系統科學辯證法精神的全新的自然哲學的出現。
二
現在我們轉入當代自然哲學的主要疑難及其可能解法的討論。
鑒于機械論自然哲學所遇到的困難，當代自然哲學所要討論的主要問題可以歸結如下：1.自然本體的性質問題。物理實在究竟是孤立的實體還是依賴于系統場境的存在？“潛在”是否也是物理實在的基本形態之一？究竟是否存在終極實在？2.物理實在所遵循的規律究竟是決定論還是非決定論的？自然系統究竟是必然性還是偶然性所支配的？偶然性應當具有怎么樣的本體論地位（是否應當有）？3.所謂“觀察者侵入物理事件”的實質是什么？主客二分的合理界限是什么？4.系統整體論與還原主義孰是孰非？5.目的論的新解釋問題。自然系統本身能有目的性嗎？能代替上帝作為選擇主體的地位嗎？目的論是否真與機械論勢不兩立？它又如何與神學劃清界線？下面我們將依次詳細分析這些問題：
1.自然本體或物理實在的性質問題。
牛頓機械論自然哲學的本體論或實在觀的要害就在于實體主義。一切物理實在被認為都有實體性、實存性，自然被等同于實體的集合（簡單相加的總和），一種在絕對空間構架中的機械性的存在物。然而，在新的原子科學中，從前認為不容置疑的“實體實存”原則已經失效。明確的電子“軌道”或光子“路徑”等經典性觀念在量子力學中是不允許的。電子實際上以“電子云”方式存在著，它并沒有絕對分明的輪廓，而且只是或然地顯現出來。如“測不準關系”所要求的，電子的位置與相應的動量具有天生的不確定性，決不可能同時有確定的值，因而人們決不可能同時測量到其確定的值。所有這些事實，如果從牛頓的經典本體論的眼光來看簡直是不可理解的，因為“潛在性”觀念完全沒有地位。
實際上，現代物理學家海森伯在批判牛頓機械論實在觀的基礎上，確實發展了一種全新的、更廣義的“潛在”實在觀。他根據量子力學事實總結出，潛在是介于可能與現實之間的物理實在的新型式，它被認為特別適用于微觀客體。海森伯尖銳地指出：“在量子論中顯示的實在概念的變化，并不是過去的簡單的繼續，而卻象是現代科學結構的真正破裂?！保ā?〕，第2頁）“幾率波的概念是牛頓以來理論物理學中全新的東西。……它是亞里士多德哲學中‘潛在’(potentia)這個老概念的定量表述。它引入了某種介乎實際的事件和事件的觀念之間的東西，這是正好介乎可能性和實在性之間的一種新奇的物理實在?！保ā?〕，第11頁）“事件并不一定是確定的，而是可能發生或傾向于發生的事情便構成了宇宙中的實在”。（〔4〕，第177頁）
總之，海森伯認為量子理論意味著實在觀念的革命，牛頓機械論的實在觀念已經失效。他舉例說，幾率波、量子態、電子軌道等都與統計期望值相關聯，表示傾向性的、潛在的物理實在，這是物理實在的新形式。
現代粒子物理學的新假說把潛在性觀念發展到海森伯本人始料所不及的程度。喬弗利·丘(Geoffrey Chew)著名的粒子靴絆學說[2]，斷然否定了終極實體的可能性，揭示了自然本體的自助的、生成的本性。按照我的看法，它使系統實在論與系統辯證法完全本體論化了！由于任何粒子都可以充當基礎粒子，用以構成其他粒子，因此說穿了沒有任何一種粒子是真正的“基本粒子”，這就是所謂“基本粒子并不基本”。從根本上說，自然界不可能還原到任何一種或幾種終極的實體。說一個質子可以由中子和π介子所構成，或者說它是由Λ超子和K介子所構成，或者說它是由兩個核子和一個反核子所構成，甚至說是由場的連續質所構成。所有這一切可能性是同樣真實地存在的。應當說，所有這些陳述都同樣地正確又同樣地不完善。因為真實世界等于所有這些潛在的“可能世界”互相疊加的總和。借用日本物理學家武谷三男的話來說：“作為終極要素的實體——基本粒子本身也是相互流動地相互轉化的。這件革了以前的物質觀，顯示了辯證邏輯的正確性?！保ā?〕，第28頁）
我們的進一步的問題是：作為自然本體的物理實在究竟是否可以歸結為互相孤立的實體？還是從本質上說只能是依賴系統場境的整體全息相關的存在？在對著名的EPR假想[3]的實驗檢驗中所表現出來的量子關聯（即遠距粒子之間的整體相關性）很好地回答了這一問題。正如美國科學哲學家西莫尼(A.Shimony)所指出：“我們生活在一個實驗結果正在開始闡明哲學問題的非凡時代”。而今最新實驗結果表明，兩個相隔幾米且又沒有彼此傳遞信息機制的實體可能被相互糾結在一起，即它們的行為可以有極顯著的相關性，以致對其中一個實體進行測量將瞬時地影響到另一個實體的測量結果。這個新奇的實驗結果斷然否定了愛因斯坦等人(EPR)的預設（即“空間上遠隔的客體的實在狀態必定是彼此獨立的”），卻符合量子力學的系統整體觀。正如玻爾所注意到的，量子現象是作為整體而存在的，其中所反映出來的內在關聯是不可消解的。量子現象的整體性不允許人們對它作機械的切割并把這種切割物認作它自身。因此我們有理由說，量子力學的整體實在觀是與系統整體觀相通的，量子辯證法與系統辯證法相互滲透，量子革命與系統科學革命相互支持。因此，作為科學革命的結晶，新自然哲學主張，物理實在的部分性質取決于整體，取決于系統的內在關聯，從根本上說，自然本體是整體全息相關的存在。
2.決定論與非決定論疑難，偶然性的本體論地位問題。
從前認為不容置疑的機械論自然哲學的“嚴格決定論”預設，如今在新的原子科學中也已經失效。人們向來認為，自然科學和“自然科學唯物主義”有一個不可動搖的支柱：這就是嚴格決定論。對自然科學的這種見解，最典型地表現在拉普拉斯杜撰的那個精靈故事中，據說這個精靈（超智慧者）知道世界現況的一切決定因素，因而能夠無歧義地得出世界在過去或未來的其他一切狀態。這個被后人稱作“拉普拉斯妖”的理想實驗正是嚴格決定論的化身。可是，現在在微觀領域里發現了與這種嚴格決定論原則相違背的種種反常事實。簡略地說，熱學與分子物理學的研究表明，氣體分子運動是包含不確定性的自然進程，由于初始條件捉摸不定，單個分子的運動狀態成為純粹的偶然事件。分子運動論乃至統計力學的建立表明，概率統計定律也是自然描述不可缺少的一種基本形式。
強調概率統計定律重要性的科學思想反映到自然哲學中去，就成為“統計決定論”。其要旨可概括如下：對于一些包含不確定性的自然過程，雖然嚴格決定論不能直接應用，但若應用統計方法研究大量單個偶然事件的平均行為，卻可以找出明顯的統計規律性。換句話說，這些自然過程在統計平均意義上仍是決定論性的。這是決定論的弱化形式之一。
統計決定論的科學基礎在于經典統計力學。統計力學的基本出發點則在于，認為盡管大量分子的集團行為滿足統計規律，但從底層基礎而言，單個分子（單個過程）仍遵守牛頓定律，滿足嚴格決定論。這樣，統計決定論并不把不確定性歸因于基礎規律的不同，而是把它歸因于初始條件的難以捉摸（即人類知識的不完備性）。因此，統計決定論只是嚴格決定論的補充形式。
然而，將概率統計觀點真正貫徹到底，最終導致量子物理學的興起，而測不準關系的發現則使嚴格決定論淪為無意義的空想。
在現代科學家中第一個對“非完全決定論”（即under-determinism，這個詞的不恰當的替代詞是indeterminism，即非決定論）有十分清醒認識的是哥廷根學派的馬克斯·玻恩。他在名著《關于因果和機遇的自然哲學》中對非完全決定論作了比其他量子物理學家（如玻爾、海森伯等）更為系統和透徹的分析。通過對玻恩文本的適當解釋、調整與轉譯，我們可以提煉出對當代自然哲學極有價值的內容和決定論／非決定論問題的辯證解?！?〕
非完全決定論的最主要或最有特色的一種表現形式，是與量子力學相應的概率決定論。其要點如下：(1)單個（量子）過程內在地是幾率性的、非決定性質的；(2)“自然界同時受到因果律和機遇律的某種混合方式的支配。”（〔8〕，第9頁）(3)機遇律是自然律的終極形式，偶然性有規則，“它們是用數學上的概率論表述出來的?！保ā?〕，第7頁）
關于自然界究竟是由必然性還是偶然性所支配的，是決定論性還是非決定論性的那個爭論，波普有一個著名的比喻：“云和鐘”?！霸啤本褪翘焐系脑疲順O端不確定性，它非常不規則、毫無秩序又有點難以預測；“鐘”就是家家都有的時鐘，代表高度的確定性，它非常有規則、有秩序又是高度可預測的。這是兩個不同的極端，一端變化莫測，另一端高度精確。一般的自然事物往往處在這兩個極端之間。波普用“所有的云都是鐘”（當然也可以說“所有自然事物都是鐘”）表示決定論，用“所有的鐘都是云”（當然也可以說“所有自然事物都是云”）表示非決定論。波普終于認識到，人類理性需要的是“處于完全的偶然性和完全的決定論之間的某種中間物，即處于完全的云和完善的鐘之間的某種中間物。”（〔6〕，第239—240頁）這種完全的偶然論（非決定論）和完全的決定論的中間物，我們可以恰當地稱作“非完全決定論”，它意味著對偶然性與必然性、因果與機遇的某種辯證綜合，這就是當代自然哲學對這一爭論所作的正確解。以上我們是借用M.玻恩與波普的話，經校正、轉譯納入自己的概念框架，并用以闡發自己的“非完全決定論”觀點。〔7〕
現代生物學和生物微觀控制論也為非完全決定論提供新的佐證。莫諾在其名著《偶然性與必然性（略論現代生物學的自然哲學）》中，從分子生物學的材料出發，有力地抨擊了嚴格決定論，并為恢復偶然性在自然哲學中的本體論地位付出極大的努力。莫諾是這樣說的：
當偶然事件——因為它總是獨一無二的，所以本質上是無法預測的——一旦摻入了DNA的結構之中，就會被機械而忠實地進行復制和轉錄，……從純粹偶然性的范圍中被延伸出來以后，偶然性事件也就進入了必然性的范圍，進入了相互排斥、不可調和的確定性的范圍了。因為自然選擇就是在宏觀水平上、在生物體的水平上起作用的。自然選擇能夠獨自從一個噪聲源泉中譜寫出生物界的全部樂曲。（著重號為引者所加）（〔9〕，第88頁）
莫諾這段話應當看作關于生物自然界的非完全決定論，關于極小幾率的偶然事件向極嚴格規律轉化過程的生動說明。特別是最后那句話是說明生物界的偶然性與必然性的相互聯系、相互作用方式的絕妙比喻。當然，由于莫諾有時十分不恰當地將嚴格決定論與辯證唯物論混為一談，應當注意他的言論本身具有兩重性。（〔10〕，第324頁）
非完全決定論的內容還由于系統科學的興起而得到了進一步豐富和加強。有人因之稱作系統決定論。其要旨可概括如下：
一般的自然界的復雜系統（在自然哲學中姑且撇開社會系統），不能由它的構成要素和子系統通過簡單相加和線性因果鏈無歧義地決定其整體功能和行為。但系統的存在與演化仍有相當確定的規律可循，機遇與因果共同決定著系統的存在和發展，因而系統在整體上仍有決定性。
具體地說，系統演化的主要機理就在于機遇性漲落、反饋和非線性作用。人們常喜歡將借助于系統科學特有的資料所認識的辯證法，稱作“系統辯證法”。系統科學從自己的角度闡明了因果與機遇、決定性與隨機性的辯證法：自組織系統作為遠離平衡態的開放系統，以偶然的隨機的漲落為誘導，通過正反饋和非線性放大，某一漲落在矛盾競爭之中取得支配地位，成為序參量，于是使系統的演化納入必然的軌道，建立時空、功能上的新的有序狀態。系統辯證法與矛盾辯證法在自組織動力學機制的解釋上是高度一致的：當自組織系統處于不穩定點時，系統內部矛盾全面展開并有所激化，與各種子系統及其要素的局部耦合關系和運動特性相聯系的模式和參量都異?；钴S，各種參量的漲落此起彼伏，它們都蘊含著一定的結構與組織的胚芽，為了建立自己的獨立模式并爭奪對全局的支配權，它們之間進行激烈的競爭與對抗，時而“又聯合又斗爭”，最后才選拔出作為主導模式的序參量。非完全決定論在協同學的描述系統演化的數學方程中也得到反映。如郎之萬方程（描述布朗運動的）和福克-普朗克方程中，概率論描述與因果性描述共處于一體，隨機作用項與決定論作用項被綜合在一起，偶然性與必然性因子被綜合在一起。從自然哲學看，它們體現了機遇律與因果律的辯證綜合。
3.物理事件與觀察的關系、主體-客體相互作用問題。
從前認為不容置疑的“客觀事件與任何觀測無關”的自然哲學信條，如今在新的原子科學中同樣也正在失效。正如海森伯所指出，經典物理學的真正核心，也就是物理事件在時間、空間上的客觀進程與任何觀測無關的信念，由于許多量子實驗的發現而受到沖擊。而現代物理學的真正力量就存在于自然界為我們提供的那些新的思想方法之中。因此，再指望用新實驗去發現與觀測無關的“純客觀事件”或不依賴于觀察者和相關參照系的“絕對時間”，就無異于指望極地探險家在南極圈尚未勘查過的地方會發現“世界盡頭”，那只能是不切實際的幻想。（〔4〕，第4頁和第9頁）對原子、電子那樣的客體的任何一次射線照射或觀測都足以破壞其初始狀態，而且由于或然性和不可逆性，這種狀態不可恢復。
玻爾為量子力學所作的“互補性詮釋”中一個最基本的思想是：觀察者（主體）與被觀察者（客體）之間的嚴格劃界是不可能的，因為在實際過程中兩者處在緊密相連的相互作用之中。無論是純粹的“主體”即可以）“無干擾”地進行觀察的觀察者）或是純粹的“客體”（可以絕對隔絕外界作用而界定被觀察系統的孤立狀態）概念都只是經典物理學所作的理想化，而這兩種理想化既是相互補充又是相互排斥的。〔11〕這就是玻爾著名的“我們既是觀眾（觀察者），又是演員（被觀察者）”辯證論斷的真實含義。
實際上，從當代自然哲學的眼光看，這是很自然的：人（觀察者）本來就是自然（被觀察者）不可分割的一部分，我們只能用一種內在化的眼光來看待自然，而不可能象上帝那樣用完全超脫的外在化眼光看自然，這就是問題的癥結所在。
正如羅森菲爾德所指出，所謂“觀察者介入原子事件進程”的局勢，容易產生科學事實的客觀性被敗壞的假象，因此我們必須與機械論和不可救藥的唯心主義劃清界線。羅森菲爾德本人正是以辯證法為武器在與機械論和唯心主義劃界的過程中闡明了觀察者與物理事件的辯證關系的客觀性質。（〔12〕，第140頁）海森伯說得很分明：“量子論并不包含真正的主觀特征，它并不引進物理學家的精神作為原子事件的一部分”。（〔3〕，第22頁）可見，“客體行為與觀測有關”原則并不意味著我們可以拋棄客觀實在而接受主觀主義。
4.系統整體實在觀問題。在闡述以上各個問題的過程中，我們實際上已經闡明了整體實在觀的基本觀點：“整體不同于各部分機械相加的總和”。自然本體是依賴于系統場境的存在、處在相對相關中的存在，是整體全息相關的實在。正如D.玻姆所指出的，按照量子概念，世界是作為統一的不可分割的整體而存在的，其中即使是每個部分內在的性質（波或粒子）也在一定程度上依賴于場境。其實，人本身就是自然的產物，自然不可分割的一部分，人只能作為參與者并在相互作用過程中用內在化的觀點來理解自然本體。只是在系統及其諸要素之間的相互作用可以忽視的情況下，還原主義才是近似地有效的。
5.自然本體目的性的（自組織解釋）問題。簡單地說，當代自然哲學的目的論觀是亞里士多德內在目的論的復活和發展，是現代系統科學目的論觀的升華。宇宙象是一個有機統一的整體，自然系統（包括生命系統和非生命自組織系統）的結構、功能和演化過程的合目的性可以通過自然本身的自組織機制的作用得到合理解釋?！?〕
例如，自然選擇的實質問題是由生物哲學所提出的一個重要問題。按照生物控制論的初步解答，關于生物進化的自然選擇機制實質上就是一種以偶然的突變為素材，通過反饋調節的最優化控制機制。艾根的超循環理論則進一步明確，在大分子的自組織階段，在生化反應的超循環中選擇價值高的突變不斷通過過濾和正反饋放大，形成功能性的組織，強化、優化并向更高水平進化。這里，一方面自然選擇表現為自然本身的純物質性的有規則的相互作用過程，但它不同于牛頓的機械因果性模式，因為其中突變與選擇機制、機遇與因果是辯證地聯合起作用的；另一方面，盡管它排除了自然神力的干預，卻仍然是合目的性的過程，因為它有自引導的、自動調節的功能（使物種或分子擬種適應環境）。這樣，按系統辯證法重新解釋過的合理的目的論又能與神學劃清界線。
三
正如我們已經看到的，20世紀早期的相對論量子論革命向統治思想界長達二三百年之久的機械論自然哲學，提出了全面的詰難和挑戰，并給予毀滅性的打擊。當代自然哲學正是在克服舊自然哲學的危機，在回答新興自然科學所提出的詰難和挑戰的過程中逐步建立起來的。20世紀中葉以來以系統科學群為代表的新興科學的迅速發展，豐富了當代自然哲學的內涵，加速了人類自然圖景革新的步伐。
總起來說，當代自然哲學的核心觀點，可以簡要地重新概括如下：
1.自然本體是依賴于系統場境的、在關系中生成的、流動的實在，作為孤立實體的終極實在根本不存在，“潛在”是物理實在的一種新形式；2.自然系統遵循非完全決定論（即決定論與非決定論的中間物），它是由因果與機遇聯合統治的，此兩者互斥又互補。偶然性的本體論地位是：它是自然本體本質中的一個規定、一個方面和一個要素。偶然性存在精細的非線性作用機制（由混沌革命所發現?。?。3.物理事件與觀測有關，人作為自然系統的一分子只能用參與者的身分和內在化的觀點來觀察自然，絕對的主客二分只是不切實際的幻想；4.系統整體觀在總體上比還原主義更為合理，不過為了進行精細的研究，有節制的還原主義仍是必不可少的和有啟發力的，兩者其實是互斥又互補的。5.自然系統的合目的性可以按自組織觀點得到最合理的解釋，目的論與機械論也是互斥又互補的。
最后，我們所要強調的是偶然性的恰當的本體論地位問題。迄今仍有不少讀者受過時的哲學教科書的影響，把偶然性當作一種外在的、主觀的、局部的、非本質的和不穩定的或暫時的東西。其實這種看法有違辯證法的本意，可以毫不客氣地說它屬于機械論的范疇。通過對量子辯證法與系統辯證法的研究，我們可以十分有把握地說：機遇或偶然性在本體論中恰恰是一種內在的、固有的、普遍的、本質的和永久性的成分。借用列寧論“假象”的話來說，偶然性是“本質的一個規定、一個方面和一個環節”，是“本質自身在自身中的表現”。機遇與偶然性是客觀的并且具有自己的非常獨特的規律。在新自然哲學中，我們不能再滿足于把偶然性看作必然性的“補充形式”的外在化理解，而要比以往任何時候都更加清醒地認識到，機遇與因果相互聯結、相互滲透，辯證地融為一體。在非完全決定論中，偶然性恢復了它本來應有的本體論地位，機遇與因果，偶然性與必然性以幾率或統計性乃至“混沌吸引子”為中介辯證地聯結在一起。在相空間中混沌吸引子的精巧的無窮嵌套的自相似結構，精確而形象地展示出系統演化過程中機遇與因果如何聯合起作用的深層非線性機制，進一步豐富了對自然本體辯證內涵的認識。
應當說，這是量子辯證法與系統辯證法對矛盾辯證法的一項貢獻，它們本應是相得益彰的。
參考文獻
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〔12〕羅森菲爾德：《量子革命》商務印書館1991年版。
注釋：
[1]正是在這一意義上，梁實秋在《遠東英漢大辭典》中，將控制論(cybernetics)譯作神經機械學。
