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量子力學和相對論的意義范文1
本書是玻姆力學的幾位追隨者，在他們幾十年研究工作的基礎之上，為推廣和普及玻姆力學而撰寫的一部專著。作者們認為，玻姆力學是納入了隱變量概念的一種精確的物理理論，一種對于自然界量子描述的客觀理論，一種沒有量子哲學的量子理論。它堅持了量子理論必須描寫客觀實在。其基本思想是粒子被一個波導引，在物理空間中運動，這個波的波函數滿足薛定諤方程，而粒子在組態空間的運動由依賴于波函數的速度通過引導方程確定。本書從這兩個聯立方程出發，詳細地闡述了玻姆力學在各個方面的應用，它的相對論推廣以及如何獲取人們所熟知的量子力學規則。
全書內容在第1章引言之后分成3部分，總共12章：第1部分為量子平衡，含第2-4章：2. 量子平衡和絕對不確定性起源；3. 量子平衡和量子理論中算符作為可觀測量的作用；4. 量子哲學：鳥瞰科學推理。第2部分為量子運動，含第5-8章：5. 通向經典世界的七個步驟；6. 關于穿過表面的量子概率流；7. 關于玻姆力學中速度的弱測量；8. 從玻姆力學導出的拓撲因子。第3部分為量子相對論，含第9-12章：9. 超面玻姆-狄拉克模式；10. 玻姆力學和量子場論；11. 沒有觀察者的量子時空：本體論行為和量子引力的概念基礎；12. 實在性和量子理論中波函數的作用。
這是一部對近20年分布在各種期刊和書籍中的相關文章修改補充而成的高水平量子理論專著。作者選擇的內容盡可能做到了全面和廣泛，概念準確，推導簡潔。全書自成一體，很便于有一定量子力學知識的數學家、物理學家和自然哲學家閱讀。對量子理論的深刻含意和量子哲學感興趣的所有的教學及研究人員，特別是高年級的大學生和研究生，本書都是一本很有價值的參考書。
丁亦兵，教授
（中國科學院大學）
量子力學和相對論的意義范文2
【關鍵詞】超弦/M理論/圈量子引力/哲學反思
【正文】
本文分四部分。首先明確什么是量子引力？其次給出當代量子引力發展簡史，更次概述當代量子引力研究主要成果，最后探討量子引力的一些哲學反思。
一、什么是量子引力？
當代基礎物理學中最大的挑戰性課題，就是把廣義相對論與量子力學協調起來[1]。這個問題的研究，將會引起我們關于空間、時間、相互作用（運動）和物質結構諸觀念的深刻變革，從而實現20世紀基礎物理學所提出的空間時間觀念的量子革命。
廣義相對論是經典的相對論性引力場理論，量子力學是量子物理學的核心。凡是研究廣義相對論和量子力學相互結合的理論，就稱為量子引力理論，簡稱量子引力。探討量子引力卓有成效的理論，主要有兩種形式。第一，是把廣義相對論進行量子化，正則量子引力屬于此種。第二，是對一個不同于廣義相對論的經典理論進行量子化，而廣義相對論則作為它的低能極限，超弦／M理論則屬于這種。
圈(Loop)量子引力[2]是當前正則量子引力的流行形式。正則量子引力是只有引力作用時的量子引力，和超弦／M理論相比，它不包括其它不同作用。它的基本概念是應用標準量子化手續于廣義相對論，而廣義相對論則寫成正則的即Hamiltonian形式。正則量子引力根據歷史發展大體上可分為樸素量子引力和圈量子引力。粗略來說，前者發生于1986年前，后者發生于1986年后。樸素量子引力由于存在著紫外發散的重正化困難，從而圈量子引力發展成為當前正則量子引力的代表。
超弦／M理論的目的，在于提供己知四種作用即引力和強、弱、電作用統一的量子理論。理論的基本實體不是點粒子，而是1維弦、2維簡單膜和多維brane（廣義膜）的延展性物質客體。超弦是具有超對稱性的弦，它不意味著表示單個粒子或單種作用，而是通過弦的不同振動模式表示整個粒子譜系列。
圈量子引力和超弦／M理論之外，當代量子引力還有其它不同方案。例如，Euclidean量子引力、拓撲場論、扭量理論、非對易幾何等。
二、當代量子引力研究進展
我們主要給出超弦／M理論和圈量子引力研究的重大進展。
1.超弦／M理論方面[3]
弦理論簡稱弦論，雖然在20紀70年代中期，已經知道其中自動包含引力現象，但因存在一些困難，只是到80年代中期才取得突破性進展。
1)80年代超弦理論
弦論發展可粗略分為早期弦理論（70年代）、超弦理論（80年代）和M理論（90年代）三個時期。我們從80年代超弦理論開始，簡述其研究進展。
1981年，M·Green和J.Schwarz提出一種嶄新的超對稱弦理論，簡稱超弦理論，認為弦具有超對稱性質，弦的特征長度已不再是強子的尺度（～10[-13]厘米），而是Planck尺度（～10[-33]厘米）。
1984年，Green和Schwarz證明[4]，當規范群取為SO(32)時，超弦I型的楊－Mills反常消失，4粒子開弦圈圖是有限的。
1985年，D.Gross，J.Harvey[5]等4人提出10維雜化弦概念，這種弦是由D=26的玻色弦和D=10超弦混合而成。雜化弦有E[，8]×E[，8]和SO(32)兩種。
同年，P.Candlas，G.Horowitz，A.Strominger和E.Witten[6]對10維雜化弦E[，8]×E[，8]的額外空間6維進行緊致化，最重要的一類為Calabi－丘流形。但是這類流形總數多到數百萬個，應該根據什么原則來選取作為我們世界的C－丘流形，至今還不清楚，雖然近10多年來，這方面的努力從來未中斷過。
1986年，提出建立超弦協變場論問題，促進了對非微擾超弦理論的探討。在諸種探討方案中，以E.Witten的非對易幾何最為突出[7]。
同年，人們詳細地研究了超弦唯象學，例如E[，6]以下如何破缺及相應的物理學，對緊致空間已不限于C－丘流形，還包括軌形(Orbifold)、倍集空間等。
人們常把1984-86年期間對超弦研究的突破，稱為第一次超弦革命。在此期間建立了超弦的五種相互獨立的10維理論，而且是微擾的。它們是I型、IIA型、IIB型、雜化E[，8]×E[，8]型和SO(32)型。
2)90年代M理論
經過80年代末期和90年代初期，對超弦理論的對偶性、鏡對稱及拓撲改變等的研究，到1995年五種超弦微擾理論的統一性問題獲得重大突破，從此第二次超弦革命開始出現。
1995年，Witten在南加州大學舉行的95年度弦會議上發表演講，點燃起第二次超弦革命。Witten根據諸種超弦間的對偶性及其在不同弦真空中的關聯，猜測存在某一個根本理論能夠把它們統一起來，這個根本理論Witten取名為M理論。這一年內Witten、P.Horava、A.Dabhulkar等人，給出ⅡA型弦和M理論間的關系[8]、I型弦和雜化SO(32)型弦間的關系、雜化弦E[，8]×E[，8]型和M理論間的關系等。
1996年，J.Polchinski、P.Townscend、C.Baches等人認識到D-branes的重要性。積極進行D-branes動力學研究[9]，取得一定成果。同年，A.Strominger、C.Vafe應用D-brane思想，計算了黑洞這種極端情形的熵和面積關系[10]，得到了和Bekenstein-Hawking的熵－面積的相同表示式。G.Callon、J.Maldacena對具有不同角動量與電荷的黑洞所計算的結果指出，黑洞遵從量子力學的一般原理。G.Collins探討了量子黑洞信息損失問題。
1997年，T.Banks、J.Susskind等人提出矩陣弦理論，研究了M理論和矩陣模型間的聯系和區別。
同年，Maldacena提出AdS/CFT對偶性[11]，即一種Anti-de Sitter空間中的IIB型超弦及其邊界上的共形場論之間的對偶性假設，人們稱為Maldacena猜測。這個猜測對于我們世界的Randall-Sundrum膜模型的提出及Hawking確立果殼中宇宙的思想，都有不少的啟示。
2.圈量子引力方面[12]
1)二十世紀80年代
1982年，印度物理學家A.Sen在Phys.Rev.和Phys.Lett.上相繼發表兩篇文章，把廣義相對論引力場方程表述成簡單而精致的形式。
1986年，A.Ashtekar研究了Sen提出的方程，認為該方程已經表述了廣義相對論的核心內容。一年后，他給出了廣義相對論新的流行形式，從而對于在Planck標度的空間時間幾何量，可以進行具體計算，并作出精確的數量性預言。這種表述是此后正則量子引力進一步發展的關鍵。
同年，T.Jacobson和L.Smolin求出Wilson圈解。在引進經典Ashtekar變量后，他們在圈為光滑且非自相交情形下，求出了正則量子引力的WDW方程解。此后，他們又找到了即使在圈相交情況下的更多解。
1987年，由于Hamiltonian約束的Wilson圈解的發現，C.Revolli和Smolin引進觀測量的經典Possion代數的圈表示，并使微分同胚約束用紐結(knot)態完全解出。
1988年，V.Husain等人用紐結理論(knot theory)，研究了量子約束方程的精確解及諸解間的關系，從而認為紐結理論支配引力場的物理量子態。同年，Witten引進拓樸量子場論(TQFT)的概念。
2)二十世紀90年代
1990年，Rovelli和Smolin指出，對于在大尺度幾何近似變為平直時態的研究，可以預言Planck尺度空間具有幾何斷續性。對于編織的這些態，在微觀很小尺度上具有“聚合物”的類似結構，可以看作為J.Wheeler時空泡沫的形式化。
1993年，J.Iwasaki和Rovelli探討了量子引力中引力子的表示，引力子顯示為時空編織纖維的拓樸修正。
1994年，Rovelli和Smolin第一次計算了面積算子和體積算子的本征值[13]，得出它們的本征譜為斷續的重大結論。此后不久，物理學者曾用多種不同方法證明和推廣這個結論，指出在Planck標度，空間面積和體積的本征譜，確實具有分立性。
1995年，Rovelli和Smolin利用自旋網絡基[14]，解決了關于用圈基所長期存在的不完備性困難。此后不久，自旋網絡形式體系，便由J.Baez徹底闡明。
1996年，Rovelli應用K.Krasnov觀念，從圈量子引力基本上導出了黑洞熵的Bekenstein-Hawking公式[15]。
1998年，Smolin研究圈和弦間的相似性，開始探討圈量子引力和弦論的統一問題。
三、當代量子引力理論主要成就
1.超弦／M理論方面
1)弦及brane概念的提出
廣義相對論中的奇性困難、量子場論中的紫外發散本質、樸素量子引力中的重正化問題，看來都起源于理論的純粹幾何的點模型。超弦理論提出輕子、夸克、規范粒子等微觀粒子都是延伸在空間的一個區域中，它們都是1維的廣延性物質，類似于弦狀，其特征長度為Planck長度。M理論更推廣了弦的概念，認為粒子類似于多維的brane，其線度大小為Planck長度。為簡單起見，我們把brane也稱作膜。超弦／M理論中，用有限大小的微觀粒子替代粒子物理標準模型中純粹幾何的點粒子，這是極為重要且富有成效的革命性觀念。
2)五種微擾超弦理論
這五種超弦的不同在于未破缺的超對稱荷的數目和所具有的規范群。I型有N=1超對稱性，含有開弦和閉弦，開弦零模描述楊－Mills場，閉弦零模描述超引力。ⅡA型有N=2超對稱性，旋量為Majorana-Weyl旋量，不具有手征性，自動無反常，只含有閉弦，零模描述N=2超引力。IIB型同樣有N=2超對稱性，具有手征性。雜化弦是由左旋D=10超弦和左旋D=26玻色弦雜化而成，只包含可定向閉弦，有手征性和N=1超對稱性，可以描述引力及楊－Mills作用。
3)超弦唯象學
從唯象學角度來看，雜化弦型是重要的，E[，8]×E[，8]是由緊致16維右旋坐標場(26-10=16)而產生的，即由16維內部空間緊致化而得到，也就是說在緊致化后得到D=10，N=1，E[，8]×E[，8]的超弦理論。
但是迄今為止，物理學根據實驗認定我們的現實空間是三維的，時間是一維的，把四維時空(D=4)作為我們的現實時空。因此我們必須把10維時空緊致化得到低能有效四維理論，為此人們認為從D=10維理論出發，通過緊致化有
M[10]M[4]×K
此中K為C－丘流形，此內部緊致空間維數為10-4=6，M[4]為Minkowski空間，從而得到4維Minkowski空間低能有效理論。其重要結論有：
(1)由D=10，E[，8]×E[，8]超弦理論（M[10]中規范群為E[，8]×E[，8]）緊致化為D=4，E[，6]×E[，8]、N=1超對稱理論。
(2)夸克和輕子的代數Ng完全由K流形的拓樸性質決定：為Euler示性數χ，系拓樸不變量。
(3)對稱破缺問題。已知超弦四維有效理論為N=1，規范群為E[，6]×E[，8]的超對稱楊—Mills理論，現實模型要求破缺。首先由第二個E[，8]進行超對稱破缺，然后對大統一群E[，6]已進行破缺，從而引力作用在E[，8]中，弱、電、強作用在E[，6]中，實現了四種作用的統一。
4)T和S′對偶性
盡管五種超弦理論在廣義相對論和量子力學統合上，取得了不少進展，但是五種超弦理論則是相互獨立的，理論卻是微擾的。盡管在超弦唯象學中，原則上－丘流形K一旦固定下來，在D=4時空中所有零質量費米子和玻色子（包括Higgs粒子）就會被確定下來，但是－丘真空態總數則可多到數百萬個，應該根據什么原則來選?。鹫婵諔B，目前還不清楚。T對偶性和S對偶性的提出，正是五種超弦理論融通的主要橋梁。
在M理論的孕育過程中，對偶性起了重要作用。弦論中存在著一種在大小緊致空間之間的對偶性。例如ⅡA型弦在某一半徑為R[，A]的圓周上緊致化和ⅡB型在另一半徑為R[，8]的圓周上緊致化，兩者是等效的，則有關系R[，B]=(m[2，s]R[，A])[-1]。于是當R[，A]從無窮大變到零時，R[，B]從零變到無窮大。這給出了ⅡA弦和ⅡB弦之間的聯系。兩種雜化弦E[，8]×E[，8]和SO(32)也存在類似聯系，盡管在技術性細節上有些差別，但本質上卻是同樣的。
A.Sen證明，在超對稱理論中，必然存在著既帶電荷又帶磁荷的粒子。當這一猜測推廣到弦論后，它被稱作為S對偶性。S對偶性是強耦合與弱耦合間的對稱性，由于耦合強度對應于膨脹子場，雜化弦SO(32)和I型弦可通過各自的膨脹子連系起來。
5)M理論和五種超弦、11維超引力間的聯系
M理論作為10維超弦理論的11維擴展，包含了各種各樣維數的brane，弦和二維膜只是它的兩種特殊情況。M理論的最終目標，是用一個單一理論來描述已知的四種作用。M理論成功的標志，在于把量子力學和廣義相對論的新理論框架中相容起來。
附圖
上面給出五種超弦理論、11維超引力和M理論相容的一個框架示意圖[16]，即M理論網絡。此網絡揭示了五種超弦理論、11維超引力都是單一M理論的特殊情形。當然至今M理論的具體形式仍未給出，它還處于初級階段。
6)推導量子黑洞的熵－面積公式。
在某些情形下，D-branes可以解釋成黑洞，或者說是黑branes，其經典意義是任何物質（包括光在內）都不能從中逃逸出的客體。于是開弦可以看成是具有一部分隱藏在黑branes之內的閉弦。Hawking認為黑洞并不完全是黑的，它可以輻射出能量。黑洞有熵，熵是用量子態來衡量一個系統的無序程度。在M理論之前，如何計算黑洞量子態數目是沒有能力的。Strominger和Vafa利用D-brane方法，計算了黑－branes中的量子態數目，發現計算所得的的熵－面積公式，和Hawking預言的精確一致，即Bekenstein-Hawking公式，這無疑是M理論的一個卓越成就。
對于具有不同角動量和電荷的黑洞所計算結果指出，黑洞遵從量子力學的一般原理，這說明黑洞和量子力學是十分融洽的。
2.圈量子引力方面
1)Hamiltonian約束的精確解。
圈量子引力驚人結果之一，是可以求出Hamiltonian約束的精確解。其關鍵在于Hamiltonian約束的作用量，只是在s－紐結的結點處不等于零。所以不具有結點的s－紐結，才是量子Einstein動力學求出的物理態。但是這些解的物理詮釋，至今還是模糊不清的。
其它的多種解也已求得，特別是聯系連絡表示的陳－Simons項和圈表示中的Jones多項式解，J.Pullin已經詳細研究過。Witten用圈變換把這兩種解聯系起來。
2)時間演化問題
人們試圖通過求解Hamiltonian約束，獲得在概念上是很好定義的、并排除凍結時間形式來描述量子引力場的時間演化。一種選擇是研究和某些物質變量相耦合的引力自由度隨時間演化，這種探討會導致物理Hamiltonian的試探性定義的建立，并在強耦合微擾展開中，對S紐結態間的躍遷振幅逐級進行考查。
3)楊－Mills理論的重正化問題
T.Thiemann把含有費米子圈的量子引力，探索性地推廣到楊－Mills理論進行研究。他指出在量子Hamiltonian約束中，楊－Mills項可以嚴格形式給出定義。在這個探索中，紫外發散看來不再出現，從而強烈支持在量子引力中引進自然切割，即可擺脫傳統量子場論的紫外發散困難。
4)面積和體積量度的斷續性
圈量子引力最著名的物理成果，是給出了在Planck標度的空間幾何量具有分立性的論斷。例如面積
此中lp是Planck長度，j[，i]是第i個半整數。體積也有類似的量子化公式。
這個結論表明對應于測量的幾何量算子，特別是面積算子和體積算子具有分立的本征值譜。根據量子力學，這意味著理論所預言的面積和體積的物理測量必定產生量子化的結果。由于最小的本征值數量級是Planck標度，這說明沒有任何途徑可以觀測到比Planck標度更小的面積（～10[-66]厘米[2]）和體積（～10[-99]厘米[3]）。從此可見，空間由類似于諧振子振動能量的量子所構成，其幾何量本征譜具有復雜結構。
5)推導量子黑洞的熵－面積公式
已知Schwarzchild黑洞熵S和面積A的關系，是Bekenstein和Hawking所給出，其公式為：
附圖
這里k是Boltzman常量，是Planck常量，G[，N]為牛頓引力常量，c為光速。對這個關系式的深層理解和由物理本質上加以推導，M理論已經作過，現在我們看下圈量子引力的結果。
應用圈量子引力，通過統計力學加以計算，Krasnov和Rovelli導出
附圖
此處γ為任意常數，β是實數(～1/4π)，顯然如果取γ＝β，則由式(3)即可得到式(2)。這就是說，從圈量子引力所得出的黑洞熵－面積關系式，在相差一個常數值因子上和Bekenstein-Hawking熵－面積公式是相容的。
Bekenstein-Hawking熵公式的推導，對圈量子引力理論是一個重大成功，盡管這個事實的精確含義目前還在議論，而且γ的意義也還不夠清楚。
四、量子引力理論的哲學反思
我們從空間和時間的斷續性、運動（相互作用）基本規律的統一性、物質結構基本單元的存在性三個方面進行哲學探討。
1.空間和時間的斷續性
當代基礎物理學的核心問題，是在Planck標度破除空間時間連續性的經典觀念，而代之以斷續性的量子繪景。量子引力理論對空間分立性的揭示和論證，看來是最為成功的。
超弦／M理論認為，我們世界是由弦和brane構成的。根據弦論中給出的新的不確定性關系，弦必然有位置的模糊性，其線度存在一有限小值，弦、膜、或brane的線度是Planck長度，從而一維空間是量子化的。由此推知，面積和體積也應該是量子化的。二維面積量子的數量級為10[-66]厘米[2]，三維體積量子的數量級為10[-99]厘米[3]等。
對于圈量子引力，其最突出的物理成果是具體導出了計算面積和體積的量子化公式。粗略說來，面積的數量級是Planck長度lp的二次方，體積的數量級是lp的三次方。這就令人信服地論證了在Planck標度，面積和體積具有斷續性或分立性，從而根本上否定了空間在微觀上為連續性的經典觀念。
依據空間和時間量度的量子性，芝諾悖論就是不成立的，阿基里斯在理論上也完全可以追上在他前面的烏龜。類似的，《莊子·天下》篇中的“一尺之捶，日取其半，萬世不竭”這個論斷在很小尺度上顯然也是不成立的。古代哲學中這兩個難題的困人之處，從空間時間斷續性來看，是由于預先設定了空間和時間的度量，始終是連續變化的經典性質。實際上在微觀領域，空間和時間存在著不可分的基本單元。
2.運動（相互作用）基本規律的統一性
20世紀基礎物理學巨大成功之一，就是建立了粒子物理學的標準模型，理論上它是筑基于量子規范場論的。這個模型給出了夸克、輕子層次強、弱、電作用的SU(3)×SU(2)×U(1)規范群結構，在一定程度上統一了強、弱、電三種相互作用的規律。但是它不含有引力作用。
超弦／M理論的探討，在于構建包含引力在內的四種作用統一的物理理論。傳遞不同相互作用的粒子如光子（電磁作用）、弱玻色子（弱作用）、膠子（強作用）和引力子（引力作用），對應于弦的各種不同振動模式，夸克、輕子層次粒子間的作用，就是弦間的相互作用。在Planck標度，超弦／M理論是四種基本作用統一理論的最佳侯選者，也就是所說的萬物理論(Theory of everything)的最佳侯選者。
在Planck時期，物質運動或四種作用基本規律的統一性，正是反映了我們宇宙在眾多復雜性中所顯現的一種基本簡單性。
3.物質微觀結構的基本單元的存在性[17]
世界是由物質構成的，物質通常是有結構的，但是物質結構在層次上是否具有基本單元，即德謨克利特式的“原子”是否存在？這是一個長期反復爭論而又常新的課題。當代幾種不同的量子引力，盡管對某些問題存在著不同的見解，但是關于這個問題從實質上來看，卻給出了一致肯定的回答。
超弦／M理論認為，構成我們世界的物質微觀基本單元是具有廣延性的弦和brane，并非所謂的只有位置沒有大小的數學抽象點粒子。粒子物理學標準模型中的粒子，都是弦或brane的激發。弦和brane的線度是有限短的Planck長度，它們正是構成我們世界的物質基本單元，即德謨克利特式的“原子”，這是超弦／M理論為現今所有粒子提供的本體性統一。
圈量子引力給出了在Planck標度面積和體積的量子化性質，即斷續的本征值譜，面積和體積分別存在著最小值。由于在圈量子引力中，脫離引力場的背景空間是不存在的，而引子場是物質的一種形態，因此脫離物質的純粹空間也就是不存在的?？臻g體積和面積的不連續性和基本單元的存在，正是物質微觀結構的斷續性和基本單元的存在性的最有力論據。
總之，超弦／M理論和圈量子引力從不同的側面，對量子引力的本質和規律作出了一定的揭示，它們在Planck標度領域一致地得出了空間量子化和物質微觀結構基本單元存在的結論。這無疑是人們在20世紀末期對我們世界空間時間經典觀念的重大突破，也是廣義相對論和量子力學統合的成果；同時更是哲學上關于空間和時間是物質存在的客觀形式，沒有無物質的空間和時間，也沒有無空間和時間的物質學說的一曲凱歌！
【參考文獻】
[1] G.Horowitz.Quantum gravity at the turn of the millennium.gr-qc/0011089.22.
[2] C.Rovelli.Loop quantum gravity.gr-qc/9710008 10.Oct.1997.
[3] M.Kaku.Introduction to superstring and M-theory.Second Editon.Springer.New York，1999.
[4] M.Green，J.Schwarz.Anomally cancellations in supersymmetric D=10 gauge theory and superstring theory.Phys.Lett.149B(1984)11.
[5] D.Gross，J.Horvey，E.Martine and R.Rohm.Heterotic string.Phys.Rev.Lett 54(1985)502.
[6] P.Candelas，G.Horowitz A.Strominger and E.Witten.Vacuum configurations for superstrings.Nucl.Phys.B258(1985)46.
[7] E.Witten.Non-commutative geometry and string field theory.Nucl.Phys.B276(1986)291.
[8] E.Witten.String-string duality conjecture in various.dimensions.Nucl.Phys.B443(1995)307.
[9] C.Baches.D-brane dynamics.Phys.Lett.B374(1996)37.
[10] A.Strominger，C.Vafa.Microscopic origin of the Bekenstein-Hawking entropy.Phys.Lett.B379(1996)99.
[11] J.Maldacena.The large-Nlimit of superconformal field theories and supergravity.hep-th/9711200.
[12] C.Rovelli.Notes for a brief history of quantum gravity.gr-qc/0006061.23Jan，2001.
[13] C.Rovelli，L.Smolin.Descreteness of area and volume in quantum gravity.gr-qc/9411005.
[14] C.Rovelli，L.Smolin.Spin networks and quantum gravity.Phys.Rev.D52(1995)5743.
[15] C.Rovlli，Black hole entropy from loop quantum gravity.Phys.Rev.Lett.74(1996)3288.
量子力學和相對論的意義范文3
關鍵詞：量子力學；量子理論；矩陣力學；波動力學；測不準原理
量子力學揭示了微觀物質世界的基本規律，為原子物理、固體物理學、核物理學和粒子物理學奠定了基礎。它能很好地解釋原子結構、原子光譜的規律性、化學元素的性質，光的吸收與輻射等等方面。從1900年到1913年量子論的早期提出，到經過許多科學家如玻恩、海森伯、玻爾等人的努力詮釋，量子力學得到了進一步發展。后來遭到愛因斯坦和薛定諤等人的批評，他們不同意對方提出的波函數的幾率解釋、測不準原理和互補原理。雙方展開了一場長達半個世紀的論戰，至今尚未結束。
一、量子論的早期
1 普朗克的能量子假設
普朗克在黑體輻射的維恩公式和瑞利公式之間尋求協調統一，找到了與實際結果符合極好的內插公式，迫使他致力于從理論上推導這一新定律。但是，他經過幾個月的緊張努力也沒能從力學的普遍理論直接推出新的輻射定律。最后只好用玻爾茲曼的統計方法來試一試。他根據黑體輻射的測量數據計算出普適常數，后來人們稱這個常數為普朗克常數，也就是普朗克所謂的“作用量子”，而把能量元稱為能量子。
2光電效應的研究
普朗克的出能量子假說具有劃時代的意義，但是，不論是他本人還是同時代人當時對這一點都沒有充分認識。愛因斯坦最早明確地認識到，普朗克的發現標志了物理學的新紀元.1905年，愛因斯坦在其論文《關于光的產生和轉化的一個試探性觀點》中，發展了普朗克的量子假說，提出了光量子概念，并應用到光的發射和轉化上，很好地解釋了光電效應等現象。在那篇論文中，愛因斯坦總結了光學發展中微粒說和波動說長期爭論的歷史，提示了經典理論的困境，提出只要把光的能量看成不是連續的，而是一份一份地集中在一起，就可以作出合理的解釋。與此同時，他還大膽地提出了光電方程，當時還沒有足夠的實驗事實來支持他的理論，因此，愛因斯坦稱之為“試探性觀點”。但他的光量子理論并沒有及時地得到人們的理解和支持，直到1916年，美國物理學家密立根對愛因斯坦的光電方程作出了全面的驗證，光量子理論才開始得到人們的承認。 3 固體比熱的研究
1906年，愛因斯坦將普朗克的量子假說應用于固體比熱，解釋了固體比熱的溫度特性并且得到定量結果。然而，這一次跟光電效應一樣，也未引起物理界的注意。不過，比熱問題很快就得到了能斯特的低溫實驗所證實。量子理論應用于比熱問題獲得成功，引起了人們的關注，有些物理學家相繼投入這方面的研究。在這樣的形式下，能斯特積極活動，得到比利時化學工業巨頭索爾威的資助，促使有歷史意義的第一屆索爾威國際物理會議的召開，討論的主題就是《輻射理論和量子》，這次會議在宣傳量子理論上起了很好的作用。
4量子假說運用于原子模型
哈斯是奧地利的一位年表物理學家，他在研究黑體輻射時很早就注意到了量子論。湯姆生專門討論原子結構的書《電與物質》和維恩的文章促使他運用量子公式來闡述原子結構，這是將量子假說運用于原子結構的最初嘗試。
丹麥人玻爾堅信盧瑟福的有核原子模型學說，為了證實其正確性，玻爾利用量子假說來解決原子的穩定性問題。要描述原子現象，就必須對經典概念進行一番徹底的改造，因為一致公認的經典電動力學并不適于描述原子規模的系統行為。1913年，玻爾在他的第二篇論文中以角動量量子化條件作為出發點來處理氫原子的狀態問題，得到能量、角頻率和軌道半徑的量子方程?？梢?，玻爾的對應原理思想早在1913就有了萌芽，并成功地應用于原子模型理論。玻爾的原子理論完滿地解釋了氫光譜的巴耳末公式；從他的理論推算，各基本常數如e、m、h和R（里德伯常數）之間取得了定量的協調。他闡明了光譜的發射和吸收，并且成功地解釋了元素的周期表，使量子理論取得了重大的進展。
二 量子力學的建立與發展
1德布羅意假說 2電子自旋概念的提出 半年后，荷蘭著名物理學家埃倫費斯特的兩個學生在不知道克羅尼格工作的情況下提出了同樣的想法，并寫成了。這得到了海森伯的贊同，不過，如何解釋雙線公式中多出的因子2，一時還得不到解答。玻爾試圖從相對論推出雙線公式，但仍然沒有結果。終于，在1926年，在哥本哈根研究所工作的英國物理學家托馬斯才解決了這個問題。這樣一來，電子自旋的概念很快被物理學界普遍接受。
3矩陣力學的創立 集正是線性代數中的矩陣，此后，海森伯的新理論就叫《矩陣力學》。
玻恩著手運用矩陣方法為新理論建立一套嚴密的數學基礎。與數學家約丹聯名發表了
《論量子力學》一文，首次給矩陣力學以嚴格的表述。接著，玻恩、約丹、海森伯三人合作，系統地論述了本征值問題、定態微擾和含時間的定態微擾，導出了動量和角動量守定律，以及強度公式和選擇定則，從而奠定了量子力學的基礎。
4波動力學的創立 5波函數的物理詮釋 6測不準原理和互補原理的提出 海森伯在創立矩陣力學時，對形象化的圖象采取否定態度。但他在表述中仍然需要“坐標”、“速度”之類的詞匯，這些詞匯已不再等同于經典理論中的那些詞匯。為解釋這些詞匯坐標的新物理意義，海森伯抓住云室實驗中觀察電子徑跡的問題進行思考。他意識到電子軌道本身的提法有問題，人們看到的徑跡并不是電子的真正軌道，而是水滴串形成的霧跡，水滴遠比電子大，所以人們也許只能觀察到一系列電了的不確定的位置，而不是電子工業的準確軌道。因此，在量子力學中，一個電子只能以一定的不確定性處于某一位置，同時也只能以一定的不確定性具有某一速度 ?？梢园堰@些不確定性限定在最小范圍內，但不能等于零。這就是海森伯對不確定性的最初思考。海森伯的測不準原理是通過一些實驗來論證的，他還通過對確定原子磁矩的斯特恩-蓋拉赫實驗的分析得出結論：能量的準確測定如何，只有靠相應的對時間的測不準量才能得到。
海森伯的測不準原理得到了玻爾的支持，但玻爾不同意他的推理方式，認為他建立測不準關系所用的基本概念有問題。于是提出了互補原理。他指出，平常大家總認為可以不必干涉所研究的對象，就可以觀測該對象，但從量子理論看來卻不可能，因為對原子體系的作何觀測，都將涉及所觀測的對象在觀測過程中已經有所改變，因此不可能有單一的定義，平常所謂的因果性不復存在。對經典理論來說互相排斥的不同性質在量子理論中卻成了互相補充的一些側面。波粒二象性正是互補性的一個重要表現。其他量子力學結論也可從這里得到解釋。
三 關于量子力學完備性的爭論
玻恩、海森伯等人提出了量子力學的詮釋之后，遭到了愛因斯坦和薛定諤等人的批評，他們不同意對方提出的波函數的幾率解釋、測不準原理和互補原理，雙方展開了一場長達半個世紀的大論戰，許多理論物理學家、實驗物理學家和哲學家卷入了這場論戰，至今還未告結束。
正是由于以愛因斯坦為代表的EPR一派和以玻爾為代表的哥本哈根學派的長期爭論，才使得量子力學越來越完備，很多問題得到了系統性的研究。
1965年，貝爾在定域隱參量理論的基礎上提出了一個著名的關系，人稱貝爾不等式，于是有可能對隱參量理論進行實際的實驗檢驗，從而判斷哥本哈根學派對量子力學的解釋是否正確。從70年代開始，各國物理學家先后完成了十幾項檢驗貝爾不等式的實驗。這些實驗大多數都明顯地違反了貝爾不等式，而與量子力學理論預言的相符。但也不能就此對愛因斯坦和玻爾的爭論作出最后裁決。目前這場論戰還在進行之中，沒有得出最后的結論。
[2]盧鶴紱.哥本哈根學派量子論詮釋.上海:復旦大學出版社,1984
量子力學和相對論的意義范文4
19世紀末，20世紀初不但是世紀的轉折點，更是人類知識體系的轉折點。哲學上，尼采代表的存在主義哲學對理性主義發出了怒吼，那個抽象的上帝已死，感性的“人”回歸。而在物理學上，一個叫愛因斯坦的年輕人和他同時代的物理天才們正在對牛頓體系發起反抗。盡管，愛因斯坦將自己做了傳統理論的捍衛者，并對量子物理產生抗拒心理。不可否認的是，這些天才科學家已經整體被認為是新世界的奠基人。
從古希臘哲學到牛頓力學
對于過去300年來，人類對于牛頓體系的依賴，波普爾有過一句相當精確的描述：“自然和自然法則在夜間隱去。上帝說，讓牛頓來！于是，一切變得光明起來?！?/p>
從古希臘時期，哲學家們就開始思考自然運行的法則。比如，物體下落是因為它們有趨于宇宙中心的本能（此時，人們認為地球就是宇宙的中心）。物體越重，本能越強，所以，重的物體會下落得更快。天體的運行估計是圓形的，因為這是天堂的完美形式。
古希臘的科學觀由哲學家建立，缺少實驗精神和更多的審美訴求。因此，在那個時期，出現了百家爭鳴的局面。直到中世紀，亞理斯多德的科學觀和托勒密的“地心說”被宗教所采用，成為描述天堂和地獄的依據。
16世紀，哥白尼和開普勒分別利用算法技巧對宗教宇宙觀發起挑戰，“地心說”在數學上被，“日心說”掀起了新的知識革命。但是，真正對后世物理思想產生影響的是帕多瓦大學的一位年輕教授，年僅27歲的伽里略。作為哥白尼的信徒，為了避免布魯諾所遭受的宗教迫害，他放棄了哥白尼學說。但是，他直接對地心說的源頭，也就是亞理斯多德的“本能論”進行駁斥。他的駁斥方法在當時被認為是開天辟地，即“實驗”。其中，最著名的當屬比薩斜塔的落球實驗。
伽里略對物理學發展的意義極為深遠：科學只應該處理能被證實的事情，直覺和權威是沒有意義的。科學終于擺脫了空想和計算，帶著“實驗”精神取得了前所未有的進步。
1647年，伽里略去世，艾薩克?牛頓出生。這個聲稱自己是通過觀察蘋果落地而發現萬有引力的天才，一手建立的“鐘表”世界觀影響了人類的方方面面。甚至可以說，偉大的工業革命以及曾經牢不可破的資本主義世界都是牛頓定律的產物。
牛頓世界觀最直接打破了中世紀的物質世界和精神世界合一的世界觀，比如天堂也無法擺脫物理規律的束縛。自牛頓開始，物理學就一直在構建一個日益精巧，且以力學為基礎的世界觀。整個宇宙被假定為一個巨大的機械鐘表，所謂科學就是無限地去發現隱藏其中的錯綜復雜的運轉細節。借助于萬有引力、熱力學、光學，物質世界的每個方面，原則上都可以顯示為一個巨大的、聯動的、合乎邏輯的機械裝置的一部分。每一個物理原理都能產生可預知的結果，而每一個結果都能追溯出唯一的原因。
物理學家們認為窮盡一生探索的因果關系，正是我們了解過去和未來的線索。也正是因果關系，讓愛因斯坦面對新的知識革命時糾結萬分。沒有了因果，科學探索還有什么意義嗎？
牛頓體系的影響力遠遠超出了物理學范疇，社會學正是建立在“原子論”基礎之上，引力被亞當斯密直接引用到了政治經濟學中，生出了那只“看不見的手”。
牛頓理論也被稱為經典物理理論，它在人類沖破宗教統治的過程中，起到了根本性作用，它貫穿了整個資本主義的黃金歲月，顯得如此堅固。
惴惴不安的愛因斯坦
然而，物理學界在19世紀的最后一天，迎來了其嶄新的篇章。英國著名物理學家開爾文爵士在歐洲物理學家的聚會上發表了著名的“兩朵烏云”說。他認為，物理學的整體性日趨完善，但是“地平線上還有兩朵烏云”。正是這兩朵烏云，使得幾乎封頂的物理學體系土崩瓦解。
“第一朵烏云出現在光的波動理論上”，“第二朵烏云出現在關于能量均分的麥克斯韋-玻爾茲曼理論上”。開爾文爵士所言的第一朵烏云，日后演化成了愛因斯坦的相對論，第二朵烏云則是量子力學。
19世紀，人們發現了光的波動性，按照經典物理學理念，光波的傳播和水波一樣，需要在某種介質中傳播，這就是所謂的“定域性”。于是，“以太說”再次盛行（“以太”本是一個哲學概念，是古希臘人想象出來的空間介質）。在以太中靜止的物體為絕對靜止，相對以太運動的物體為絕對運動。
以太的假設事實上代表了傳統的觀點：電磁波的傳播需要一個“絕對靜止”的參照系，當參照系改變，光速也改變。這個“絕對靜止系”就是“以太系”。其他慣性系的觀察者所測量到的光速，應該是 “以太系”的光速，是這個觀察者在 “以太系”上的速度之矢量
既然“以太”存在于宇宙之間，那么一定可以通過對光波的測量，來顯示出地球相對于太陽的運動。然而，這樣的實驗以失敗告終。按照“以太說”，地球并沒有運動。這個失敗的實驗震動了整個物理學界，像一朵烏云一樣，籠罩在經典物理理論大廈的上空。
年輕的愛因斯坦在20世紀初，發表了狹義相對論，他大膽拋棄了“以太說”，電磁場本身就是物質存在的一種形式，而場可以在真空中以波的形式傳播。也就是說，沒有絕對靜止的空間。光速則是恒定的，且是速度最快的物質。
而要理解光速為何在所有的參照體系中都相同，就必須改變牛頓的時空觀。
牛頓認為時間和空間是絕對的，毫無關聯的存在。時間就像河流，延續不斷，好比“逝者如斯夫”，它不依賴于我們的感慨而減緩流逝。但是，愛因斯坦拋棄了以太論，也就拋棄了絕對靜止的概念。對時間的測量取決于觀測者的運動。由于“空-時”體系的穩定性，時間變成相對的了，空間自然也就變成相對了。
雖然時間和空間各自不再絕對，但是它們的測量關系的穩定性導致了光速的不變。舉一個例子：把一把尺子放在飛馳的火車上。如果我們在看臺上，這列火車飛馳而過，那么尺子的長度會縮短，我們感受到的時間流逝得也會很快。但是，時空之間的測量關系保持不變。正如愛因斯坦的老師閔可夫斯基在提出四維理論時所說，“空間本身和時間本身都注定要蛻變為純粹的幻影，只有兩者的某種聯合才能保持獨立的實在性?！?/p>
狹義相對論的另一個重要定律是，質量和能量是一回事，兩者可以進行轉換?？臻g和時間隨物質運動而變化，質量隨運動而變化，質量和能量的相互轉化。
愛因斯坦雖然不愿承認自己是在革牛頓的命，但事實上，正是他對牛頓體系中時空的重新定義，以及質量與能量的轉換，推動了量子力學體系的建立。量子力學是開爾文爵士說的第二朵烏云。
1926年，量子力學的奠基人海森博格在柏林和偶像愛因斯坦進行了一次談話，第二年，他便提出了量子力學的基礎性概念“測不準原理”。海森博格認為：“在位置被測定的一瞬，即當光子正被電子偏轉時，電子的動量發生一個不連續的變化，因此，在確知電子位置的瞬間，關于它的動量我們就只能知道相應于其不連續變化的大小的程度。于是，位置測定得越準確，動量的測定就越不準確，反之亦然?！?/p>
這是一個徹底摧毀牛頓體系的原理，即概率取代了確定性。如果說牛頓構建的世界是齒輪之間高度咬合的精密機器的話，海森博格帶來的則是一個混沌的，對結果無法預知的生命體。因果論徹底失效，反而是帶有中國傳統文化味道的陰陽論占據了主導地位。定量與位置的關系，就像陰陽，彼此矛盾，此消彼長。
在量子力學確立的過程中，最為知名的假說便是“薛定鍔的貓”。即在打開盒子的一剎那，我們無法預知貓是死還是活，只能認為它是既死又活。量子力學了牛頓體系中的“實在性”常識，也超越了唯物主義和唯心主義的爭辯局面。
如果我們想知道未來，唯有通過行動，因為未來不可預知。
同時，量子力學對空間概念進一步顛覆。牛頓認為，重力來自于重力場，由地球統一發出。量子力學認為，磁場本身就是一種力。而在空間中，分布著各種各樣的場。比如，在時間和空間形成的曲面中，地球就像臉盆中的乒乓球，始終圍繞著太陽運行，而不是引力在起作用。
量子力學和相對論的意義范文5
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”。
參考文獻：
[1]林德宏.科學思想史[M].第2版.南京：江蘇科學技術出版社，2004：270-271.
[2]郭奕玲，沈慧君.物理學史[M].第2版.北京：清華大學出版社，1993：1-2.
[3]劉敏，董華.從經典科學到系統科學[J].科學管理研究，2006，24(2)：44-47.
[4]宋偉.因果性、決定論與科學規律[J].自然辯證法研究，1995,11(9)：25-30.
[5]彭桓武.量子力學80壽誕[J].大學物理，2006，25(8)：1-2.
[6]疏禮兵，姜巍.近現代科學觀的演進及其啟示[J].科學管理研究，2004,22(5)：56-58.
量子力學和相對論的意義范文6
人類以新的視野觀察和認識世界
相對論是研究時間、空間、運動這三者關系的理論體系的總稱，它是這100多年來人類最偉大的兩個理論之一（另一個偉大理論是量子力學）。相對論的偉大是不足以用諾貝爾物理學獎來評價的。如果真有一個上帝的話，上帝過去總是說：“人類一思考，上帝就發笑?！毕鄬φ撜Q生之后，上帝改口了：“人類一思考，上帝就發慌?！?/p>
相對論是關于時空和引力的基本理論，依據研究的對象不同，分為狹義相對論和廣義相對論。相對論從邏輯思想上統一了經典物理學，使經典物理學成為一個完美的科學體系。狹義相對論在狹義相對性原理的基礎上統一了牛頓力學和麥克斯韋動力學兩個體系，指出它們都服從狹義相對性原理，都是對洛倫茲變換協變的，牛頓力學只不過是物體在低速運動下很好的近似規律。廣義相對論又在廣義協變的基礎上，通過等效原理，建立了局域慣性場與普遍參照系數的問題，從邏輯上得到了合理的安排。相對論嚴格考察了時間、空間、物質和運動這些物理學的基本概念，給出了科學而系統的時空觀和物質觀，從而使物理學在邏輯上成為完美的科學體系。
狹義相對論給出了物體在高速運動下的運動規律，并提示了質量與能量相當，著名的質能關系式，即E=MC2，可以用來計算核反應過程中所釋放的能量，并導致了原子彈的誕生。廣義相對論建立了完善的引力理論，而引力理論主要涉及的是天體。至今，相對論宇宙學進一步發展，而引力波物理、致密天體物理和黑洞物理這些屬于相對論天體物理學的分支學科都有一定的進展，吸引了許多科學家為之奮斗。
相對論極大地改變了人類對宇宙和自然的“常識性”觀念，提出了“同時的相對性”“四維時空”“彎曲時空”等全新的概念。它發展了牛頓力學，推動物理學發展到一個新的高度。一位法國物理學家曾經這樣評價愛因斯坦：“在我們這一時代的物理學家中，愛因斯坦將位于最前列。他現在是、將來也還是人類宇宙中最光輝的巨星之一”，“按照我的看法，他也許比牛頓更偉大，因為他對于科學的貢獻，將更加深入地進入人類思想基本要領的結構中?！?/p>
對稱性原理對物理學研究有著十分重要的指導意義，愛因斯坦最善于應用這一原理，整個相對論都是在此基礎上建立起來的。特別是在建立廣義相對論的過程中，愛因斯坦還對原理做了創造性發展。過去是實驗方程對稱性，但愛因斯坦認為“這個鏈很有趣，如果從洛倫茲對稱性以外的對稱性出發，推導出方程，再利用它進行實驗，不是更好嗎”？愛因斯坦成功地實現了這個關系的倒置。他所說的這種新的對稱性就是引力場方程在非歐幾里德空間的協變。
相對論的建立也把化學和生物學推向了新的高峰。19世紀末，化學領域取得了巨大的成就，但也遇到了巨大的困難。其主要原因是“原子不可分，元素不能變”的觀念根深蒂固。20世紀物理學的這場革命，從根本上改變了化學的基本概念，并使之獲得了很多新的研究方法。由物理學家開創的化學鍵理論，X射線衍射法的運用，推動了結構化學的發展。20世紀后的化學，主要通過研究電子在分子和原子中的分布和運動，由此更深刻地揭示物質的性質和化學變化的規律。
分子生物學創立于20世紀50年代，物理學對其形成和發展產生了舉足輕重的作用。X射線衍射方法的運用使生物大分子晶體結構分析成為可能。特別是薛定諤于1944年出版的《生命是什么》一書“從思想上喚起生物學革命”。該書在運用統計物理的概念分析生命現象后指出，生命物質的運動必然服從已知的物理學定律。這啟發了人們用物理學的思想和方法探討生命物質運動的規律。
科技和社會產生了諸多變革
100年前，愛因斯坦發表了具有劃時代意義的5篇物理學論文，奠定了相對論的基礎，并為量子理論的發展做出了重要貢獻。原子能、晶體管、計算機、激光、納米材料、宇宙飛船、生命科學等20世紀重大的發明，都是由愛因斯坦開創的近代物理學的結晶。
相對論和量子力學的建立使人類進入到信息時代。固體物理已有幾個世紀的歷史，直到20世紀初，由于X射線衍射的發現以及金屬的自由電子論和能帶理論的提出才使其成熟了。20世紀30年代后，量子力學使它成為一門研究固體多種物理性質、微觀結構及其內部運動規律的學科。近年來，固體物理的研究對象由晶體擴展到非晶體和物體的表面，故更名為凝聚態物理學。半導體材料、磁性材料、納米材料等是它研究的主要對象，這為計算機的誕生和發展奠定了科學和技術基礎。 電路板
信息革命始于20世紀40年代，以計算機問世為標志，目前方興未艾。從1904年發明二極管起，到1946年世界上第一臺電子管計算機研制成功為止，是信息技術史上的“電子管時期”。1947年隨著半導體晶體管的問世，信息技術史進入了“晶體管時期”。此后，集成電路的發明打破了電路與元件分離的傳統觀念，使電子設備微型化。經過大規模集成電路階段后，超大規模集成電路又在迅猛發展。而計算機就是由這些物理元件組成的信息處理器。以激光器發明為標志的光電子技術，使信息技術上了一個新臺階。因為采用光子作為信息載體，其響應速度比電子快3個數量級，也不存在電磁串擾等。待到光子集成電路問世后，計算機的發展將更迅速，應用前景將更廣闊。前兩次工業革命延伸的是人的肢體功能，這次革命拓展的是人的大腦功能。因此，信息革命是更深刻的革命。海灣戰爭、科索沃戰爭和伊拉克戰爭就是最有力的證明。
20世紀初愛因斯坦相對論開啟的科技革命和20世紀六七十年代開始的高科技時代，對人類思想文化的影響更是震撼性的。以網絡信息技術為例，我們由此可窺一斑而知全豹。由于數字技術的應用，人類從觀念到生活方式都發生了天翻地覆的變化?？梢哉f，計算機、信息網絡技術影響到了當今思想文化的每個角落。姑且不說數字技術改變了幾百年來鉛與火的印刷，上千年筆與紙的書寫，現在文化的交流、知識信息的傳播，甚至到了動一下指頭，點擊上網即可實現的地步。這與以前關山隔阻，需飛越千山萬水，克服重重困難才能達到目的的情況相比，簡直有天壤之別。
相對論與我們的生活息息相關
盡管大多數人至今還不知道相對論究竟是怎么回事，但事實上，它早就深刻地影響到整個人類社會，直接或間接地影響了我們每一個人的生活。1919年，愛因斯坦在與兒子埃德瓦的談話中說：“當一只甲蟲在一根彎曲的樹枝上爬行的時候，它并沒有覺察到這根樹枝是彎曲的，我有幸覺察到了甲蟲沒有覺察到的東西?！睈垡蛩固沟倪@一覺察，在其后近100年中改變了整個世界，并且，這種改變現在還在繼續。
GPS導航系統現在已經是一個滿大街都可以看到的常用小電器了，可能每個司機都有一個車載的導航系統，或者手機里裝有一個導航軟件。如果沒有相對論，那么導航系統就會出大問題。愛因斯坦指出：“傳統的時間概念只能在簡單的條件下才能確定，當多種因素暫時聯系起來的時候，傳統的計時方法就會失去作用?！币驗楦鶕鄬φ?，衛星上的時鐘會比地面上的時鐘走得快，每天大約快38微秒（0.000038秒），如果不校正的話，GPS導航系統每天積累的誤差將超過10千米（這個誤差是垂直方向上的，不是水平方向上的），如果美軍用這個來導航導彈的話，那麻煩就大了。因此，在GPS衛星發射前，要先把其時鐘的走動頻率調慢100億分之4.465，把10.23兆赫調為10.22999999543兆赫，這些數字全靠有了相對論才能那么精確地計算出來。
