相對論和量子力學的關(guān)系精選(九篇)

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第1篇：相對論和量子力學的關(guān)系范文

量子力學解釋遇到的困難，通常包括：數(shù)學形式的抽象、明顯的非決定論；測量的不可逆性；測量中觀察者的作用；制備與測量的區(qū)分；在相隔遙遠的客體之間的關(guān)聯(lián)；波粒二象性的疑團等等。將近一個世紀以來，已經(jīng)發(fā)展出幾十種解釋，各有優(yōu)劣，爭論異常激烈。其中長期以來占據(jù)統(tǒng)治地位的是由波爾和海森堡于1927年提出并逐漸發(fā)展起來的所謂哥本哈根解釋，幾乎成為了標準解釋。這種解釋的最大問題在于它的“反實在性”，因而受到許多質(zhì)疑和反對。本書所建議的“交易解釋”（TI）正是針對這一要害建立的。它是1986年由J.G.Cramer 受到WheelerFeynman的光吸收理論啟發(fā)而首創(chuàng)的。其基本觀點認為一個量子事件是由于超前波與推遲波的一種“牽手”，完成一種“交易”形成的。它明顯是一種非定域的解釋，與最近關(guān)于檢驗Bell不等式的實驗自洽，同時又能夠滿足相對論的協(xié)變性和因果規(guī)律。本書作者接受并推廣了這種解釋，在書中詳細地把這種解釋與哥本哈根解釋進行了比較，特別強調(diào)了對于所謂的一些佯謬的不同處理。這種解釋最大的優(yōu)勢在于可以把量子力學波函數(shù)解釋為在空間真實傳播的物理的波，而不是像哥本哈根解釋中認為的只是人們知識的數(shù)學表示。它對于波函數(shù)的復(fù)數(shù)特性以及所謂的“扁縮”給出了清楚的理解。同時對于量子力學解釋與量子力學實驗檢驗的關(guān)系進行了深入的討論。作者認為這種解釋會給量子力學解釋長期存在的許多難題的解決提供希望。

全書內(nèi)容分成9章：1.導言：量子特性；2.示意圖對版圖；3.原始的TI：基礎(chǔ)；4.新的TI：可能主義者交易解釋（PTI）；5.挑戰(zhàn)、答復(fù)和應(yīng)用；6.PTI和相對論；7.PTI中可能性的形而上學；8.PTI 和“時空”；9.后記：超越視覺。

本書是一部關(guān)于量子力學解釋問題的學術(shù)專著，代表了當前有一定影響的一派主張，當然也有不少對于該觀點的質(zhì)疑，因此，尚不能認為是一種完整的成熟觀點。讀懂該書需要有較高深的量子力學知識基礎(chǔ)和對于各種量子力學解釋的深入了解。對于物理學和自然科學的哲學問題感興趣的研究人員和研究生，這是一部值得一讀的參考書。

第2篇：相對論和量子力學的關(guān)系范文

【關(guān)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(fā)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(chǔ)物理學中最大的挑戰(zhàn)性課題，就是把廣義相對論與量子力學協(xié)調(diào)起來[1]。這個問題的研究，將會引起我們關(guān)于空間、時間、相互作用（運動）和物質(zhì)結(jié)構(gòu)諸觀念的深刻變革，從而實現(xiàn)20世紀基礎(chǔ)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(jīng)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(jié)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(jīng)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(yīng)用標準量子化手續(xù)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(jù)歷史發(fā)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(fā)生于1986年前，后者發(fā)生于1986年后。樸素量子引力由于存在著紫外發(fā)散的重正化困難，從而圈量子引力發(fā)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(tǒng)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(zhì)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(jīng)知道其中自動包含引力現(xiàn)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(fā)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(zhì)，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(guī)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(shù)多到數(shù)百萬個，應(yīng)該根據(jù)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(xié)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(yīng)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(jīng)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(tǒng)一性問題獲得重大突破，從此第二次超弦革命開始出現(xiàn)。

1995年，Witten在南加州大學舉行的95年度弦會議上發(fā)表演講，點燃起第二次超弦革命。Witten根據(jù)諸種超弦間的對偶性及其在不同弦真空中的關(guān)聯(lián)，猜測存在某一個根本理論能夠把它們統(tǒng)一起來，這個根本理論Witten取名為M理論。這一年內(nèi)Witten、P.Horava、A.Dabhulkar等人，給出ⅡA型弦和M理論間的關(guān)系[8]、I型弦和雜化SO(32)型弦間的關(guān)系、雜化弦E[，8]×E[，8]型和M理論間的關(guān)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(yīng)用D-brane思想，計算了黑洞這種極端情形的熵和面積關(guān)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(jié)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(lián)系和區(qū)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(shè)，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(fā)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(jīng)表述了廣義相對論的核心內(nèi)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(shù)量性預(yù)言。這種表述是此后正則量子引力進一步發(fā)展的關(guān)鍵。

同年，T.Jacobson和L.Smolin求出Wilson圈解。在引進經(jīng)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(fā)現(xiàn)，C.Revolli和Smolin引進觀測量的經(jīng)典Possion代數(shù)的圈表示，并使微分同胚約束用紐結(jié)(knot)態(tài)完全解出。

1988年，V.Husain等人用紐結(jié)理論(knot theory)，研究了量子約束方程的精確解及諸解間的關(guān)系，從而認為紐結(jié)理論支配引力場的物理量子態(tài)。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?yōu)槠街睍r態(tài)的研究，可以預(yù)言Planck尺度空間具有幾何斷續(xù)性。對于編織的這些態(tài)，在微觀很小尺度上具有“聚合物”的類似結(jié)構(gòu)，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(xù)的重大結(jié)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(jié)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(wǎng)絡(luò)基[14]，解決了關(guān)于用圈基所長期存在的不完備性困難。此后不久，自旋網(wǎng)絡(luò)形式體系，便由J.Baez徹底闡明。

1996年，Rovelli應(yīng)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(tǒng)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(fā)散本質(zhì)、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(guī)范粒子等微觀粒子都是延伸在空間的一個區(qū)域中，它們都是1維的廣延性物質(zhì)，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(shù)目和所具有的規(guī)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(chǎn)生的，即由16維內(nèi)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(jù)實驗認定我們的現(xiàn)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(xiàn)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(fā)，通過緊致化有

M[10]M[4]×K

此中K為C－丘流形，此內(nèi)部緊致空間維數(shù)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(jié)論有：

(1)由D=10，E[，8]×E[，8]超弦理論（M[10]中規(guī)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(shù)Ng完全由K流形的拓樸性質(zhì)決定：為Euler示性數(shù)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(guī)范群為E[，6]×E[，8]的超對稱楊—Mills理論，現(xiàn)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(tǒng)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(xiàn)了四種作用的統(tǒng)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(tǒng)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(zhì)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(tài)總數(shù)則可多到數(shù)百萬個，應(yīng)該根據(jù)什么原則來選取－丘真空態(tài)，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(guān)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(lián)系。兩種雜化弦E[，8]×E[，8]和SO(32)也存在類似聯(lián)系，盡管在技術(shù)性細節(jié)上有些差別，但本質(zhì)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(yīng)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(lián)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(shù)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(wǎng)絡(luò)。此網(wǎng)絡(luò)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(jīng)典意義是任何物質(zhì)（包括光在內(nèi)）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(nèi)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(tài)來衡量一個系統(tǒng)的無序程度。在M理論之前，如何計算黑洞量子態(tài)數(shù)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(tài)數(shù)目，發(fā)現(xiàn)計算所得的的熵－面積公式，和Hawking預(yù)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(jié)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(jié)果之一，是可以求出Hamiltonian約束的精確解。其關(guān)鍵在于Hamiltonian約束的作用量，只是在s－紐結(jié)的結(jié)點處不等于零。所以不具有結(jié)點的s－紐結(jié)，才是量子Einstein動力學求出的物理態(tài)。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(lián)系連絡(luò)表示的陳－Simons項和圈表示中的Jones多項式解，J.Pullin已經(jīng)詳細研究過。Witten用圈變換把這兩種解聯(lián)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(jié)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(zhì)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(jié)態(tài)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(fā)散看來不再出現(xiàn)，從而強烈支持在量子引力中引進自然切割，即可擺脫傳統(tǒng)量子場論的紫外發(fā)散困難。

4)面積和體積量度的斷續(xù)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l(wèi)p是Planck長度，j[，i]是第i個半整數(shù)。體積也有類似的量子化公式。

這個結(jié)論表明對應(yīng)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(jù)量子力學，這意味著理論所預(yù)言的面積和體積的物理測量必定產(chǎn)生量子化的結(jié)果。由于最小的本征值數(shù)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(gòu)成，其幾何量本征譜具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

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(guān)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(guān)系式的深層理解和由物理本質(zhì)上加以推導，M理論已經(jīng)作過，現(xiàn)在我們看下圈量子引力的結(jié)果。

應(yīng)用圈量子引力，通過統(tǒng)計力學加以計算，Krasnov和Rovelli導出

附圖

此處γ為任意常數(shù)，β是實數(shù)(～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(guān)系式，在相差一個常數(shù)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(xù)性、運動（相互作用）基本規(guī)律的統(tǒng)一性、物質(zhì)結(jié)構(gòu)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(xù)性

當代基礎(chǔ)物理學的核心問題，是在Planck標度破除空間時間連續(xù)性的經(jīng)典觀念，而代之以斷續(xù)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(gòu)成的。根據(jù)弦論中給出的新的不確定性關(guān)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(yīng)該是量子化的。二維面積量子的數(shù)量級為10[-66]厘米[2]，三維體積量子的數(shù)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(shù)量級是Planck長度lp的二次方，體積的數(shù)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(xù)性或分立性，從而根本上否定了空間在微觀上為連續(xù)性的經(jīng)典觀念。

依據(jù)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(xù)性來看，是由于預(yù)先設(shè)定了空間和時間的度量，始終是連續(xù)變化的經(jīng)典性質(zhì)。實際上在微觀領(lǐng)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(guī)律的統(tǒng)一性

20世紀基礎(chǔ)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(guī)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(guī)范群結(jié)構(gòu)，在一定程度上統(tǒng)一了強、弱、電三種相互作用的規(guī)律。但是它不含有引力作用。

超弦／M理論的探討，在于構(gòu)建包含引力在內(nèi)的四種作用統(tǒng)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(yīng)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(tǒng)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(zhì)運動或四種作用基本規(guī)律的統(tǒng)一性，正是反映了我們宇宙在眾多復(fù)雜性中所顯現(xiàn)的一種基本簡單性。

3.物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的基本單元的存在性[17]

世界是由物質(zhì)構(gòu)成的，物質(zhì)通常是有結(jié)構(gòu)的，但是物質(zhì)結(jié)構(gòu)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(fù)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(guān)于這個問題從實質(zhì)上來看，卻給出了一致肯定的回答。

超弦／M理論認為，構(gòu)成我們世界的物質(zhì)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(shù)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(fā)。弦和brane的線度是有限短的Planck長度，它們正是構(gòu)成我們世界的物質(zhì)基本單元，即德謨克利特式的“原子”，這是超弦／M理論為現(xiàn)今所有粒子提供的本體性統(tǒng)一。

圈量子引力給出了在Planck標度面積和體積的量子化性質(zhì)，即斷續(xù)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(zhì)的一種形態(tài)，因此脫離物質(zhì)的純粹空間也就是不存在的?？臻g體積和面積的不連續(xù)性和基本單元的存在，正是物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的斷續(xù)性和基本單元的存在性的最有力論據(jù)。

總之，超弦／M理論和圈量子引力從不同的側(cè)面，對量子引力的本質(zhì)和規(guī)律作出了一定的揭示，它們在Planck標度領(lǐng)域一致地得出了空間量子化和物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)基本單元存在的結(jié)論。這無疑是人們在20世紀末期對我們世界空間時間經(jīng)典觀念的重大突破，也是廣義相對論和量子力學統(tǒng)合的成果；同時更是哲學上關(guān)于空間和時間是物質(zhì)存在的客觀形式，沒有無物質(zhì)的空間和時間，也沒有無空間和時間的物質(zhì)學說的一曲凱歌！

【參考文獻】

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[11]　J.Maldacena.The large-Nlimit of superconformal field theories and supergravity.hep-th/9711200.

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[13]　C.Rovelli，L.Smolin.Descreteness of area and volume in quantum gravity.gr-qc/9411005.

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[15]　C.Rovlli，Black hole entropy from loop quantum gravity.Phys.Rev.Lett.74(1996)3288.

第3篇：相對論和量子力學的關(guān)系范文

[關(guān)鍵詞]量子；特性；意識；應(yīng)用

中圖分類號：O413.1 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）25-0298-01

一、量子的基本知識

1、量子

我們在物理學中提到“量子”時，實際上指的是微觀世界的一種行為傾向，也就是可觀測的物理量都在不連續(xù)地變化。？比如，我們說一個“光量子”，是因為單個光量子的能量是光能變化的最小單位，光的能量是以單個光量子的能量為單位一份一份地變化的。對于量子的種種特性，連不少科學家都為之迷惑，對于我們普通人來說自然更加高深。今天我就試著走近它，來發(fā)現(xiàn)她“幽靈”般的的魅力。

2、量子的特性

量子的奇妙之處首先在于它的奇妙特性――量子疊加和量子糾纏。

量子疊加就是說量子有多個可能狀態(tài)的疊加態(tài)，只有在被觀測或測量時，才會隨機地呈現(xiàn)出某種確定的狀態(tài)，因此，對物質(zhì)的測量意味著擾動，會改變被測量物質(zhì)的狀態(tài)。好比孫悟空的分身術(shù)， 孫悟空可能同時出現(xiàn)在幾個地方，他的各個分身就像是他的疊加態(tài)。在日常生活中，我們不可能在不同的地方同時出現(xiàn)，但在量子世界里它卻可以同時出現(xiàn)在多個不同的地方?！?/p>

而所謂的量子糾纏，則意味著兩個糾纏在一起的量子就像有心電感應(yīng)的雙胞胎，不管兩個人的距離有多遠，當哥哥的狀態(tài)發(fā)生變化時，弟弟的狀態(tài)也跟著發(fā)生一樣的變化?！叭绻@兩個光量子呈糾纏態(tài)的話，哪怕是千公里量級或者更遠的距離，還是會出現(xiàn)遙遠的點之間的詭異互動，愛因斯坦稱之為“幽靈般的超距作用”?？茖W家就可以利用這種效應(yīng)將甲地某一粒子的未知量子態(tài)，在乙地的另一粒子上還原出來。量子糾纏的廣泛應(yīng)用將會改變我們的生活，真正地突破時空的局限，交通、物流也就不再會有時間與空間的阻礙了。我國發(fā)射的“墨子號”量子衛(wèi)星昭示著我國在量子通信領(lǐng)域已處于世界領(lǐng)先的地位。

二、意識是量子力學現(xiàn)象

人們的意識一直都沒有搞清楚，用經(jīng)典物理學的電學、磁學及力學方法去測量意識是測量不出來的，科學家們現(xiàn)在已經(jīng)開始認識到了意識是種量子力學的現(xiàn)象，意識的念頭像量子力學的測量。為什么這么說呢？比如我們面前出現(xiàn)了一座房子，這時有兩種可能的狀態(tài)：一個沒有任何心思的人會看房非房，他的意識處于自由的狀態(tài)，沒看到房子是石頭的還是木頭的，他根本就不動念頭。意識也是這樣，如果你看到這座房子，一下子動念頭了，動念頭實質(zhì)上就是作了測量。

客觀世界是一系列復(fù)雜念頭造成的。有一本非常著名的書叫《皇帝新腦》， 就是研究意識，他認為計算機僅僅是邏輯運算，不會產(chǎn)生直覺，直覺只能是量子系統(tǒng)才能夠產(chǎn)生，意識是種量子力學現(xiàn)象，意識的念頭像量子力學的測量。而人的大腦有直覺，也就是說人的意識不僅存在于大腦之中，也存在于宇宙之中，量子糾纏告訴我們，一定有個地方存在著人的意識。

三、量子技術(shù)的應(yīng)用

科學家認為，量子糾纏是一種 “神奇的力量”，可成為具有超級計算能力的量子計算機和量子保密系統(tǒng)的基礎(chǔ)。實際上，量子糾纏還有很多奇妙的應(yīng)用，可以在許多領(lǐng)域中突破傳統(tǒng)技術(shù)的極限。量子技術(shù)已經(jīng)成為一個新興的、快速發(fā)展中的技術(shù)領(lǐng)域。這其中，量子通信、量子計算、量子成像、量子生物學是目前的方向。

1、量子通信

量子通信就是通過把量子物理與信息技術(shù)相結(jié)合，利用量子調(diào)控技術(shù)，確保信息安全、提高運算速度、提升測量精度。 廣義地說，量子通信是指把量子態(tài)從一個地方傳送到另一個地方，它的內(nèi)容包含量子隱形傳態(tài)，量子糾纏交換和量子密鑰分配。狹義地說，實際上只是指量子密鑰分配或者基于量子密鑰分配的密碼通信，解決了以往用微電子技術(shù)為基礎(chǔ)的計算機信息技術(shù)極易遭遇泄密的問題。

2、量子計算

量子計算是量子物理學向我們展示的又一種強大的能力，源自于對真實物理系統(tǒng)的模擬。模擬多粒子系統(tǒng)的行為時，當需要模擬的粒子數(shù)目很多時，一個足夠精確的模擬所需的運算時間則變得相當漫長。而如果用量子系統(tǒng)所構(gòu)成的量子計算機來模擬量子現(xiàn)象則運算時間可大幅度減少，從此量子計算機的概念誕生。

3、量子成像

量子成像是從利用量子糾纏原理開始發(fā)展起來的一種新的成像技術(shù)，有一種比較奇妙的現(xiàn)象稱之為“鬼成像”。比如將糾纏的雙光子分別輸入兩個不同的光學系統(tǒng)中，在其中一個系統(tǒng)里放入待成像的物體，通過雙光子關(guān)聯(lián)測量，在另一個光學系統(tǒng)中能再現(xiàn)物體的空間分布信息。即與經(jīng)典光學成像只能在同一光路中得到物體的像不同，鬼成像可以在另一條并未放置物體的光路上再現(xiàn)該物體的成像。

4、量子生物學

量子生物學是利用量子力學的概念、原理及方法來研究生命物質(zhì)和生命過程的學科。薛定諤在《生命是什么》一書中對這一觀點進行了詳盡的闡述，提出遺傳物質(zhì)是一種有機分子，遺傳性狀以“密碼”形式通過染色體而傳遞等設(shè)想。這些設(shè)想由脫氧核糖核酸雙螺旋結(jié)構(gòu)模型而得到極大的發(fā)展，從而奠定了分子生物學的基礎(chǔ)。分子的相互作用必然涉及其電子的行為，而能夠精確描述電子行為的手段就是量子力學。因此量子生物學是分子生物學深入發(fā)展的必然趨勢，是量子力學與分子生物學發(fā)展到一定階段之后相互結(jié)合的產(chǎn)物。

愛因斯坦相對論指出：相互作用的傳播速度不會大于光速，可是對于分開很遠距離的兩個處于糾纏態(tài)中的粒子，當對一個粒子進行測量時，另一個粒子的狀態(tài)受到關(guān)聯(lián)關(guān)系已經(jīng)發(fā)生了變化，這種傳輸?shù)睦碚撍俣瓤梢赃h遠超過光速。這一現(xiàn)象被愛因斯坦稱為“詭異的互動性”。量子糾纏是量子物理學里最稀奇古怪的東西，即使腦洞大開我們還是很難領(lǐng)會它，另外從常識角度來看，量子理論描述的自然界很荒謬，許多解釋還涉及到哲學問題。但另一方面，量子物理學有很廣泛的應(yīng)用，它的發(fā)展可能帶來行業(yè)面貌的改變，所涉及的范圍從量子計算機到人工智能，無所不含，這也正是我們深入學習、研究量子物理的動力所在??！

參考文獻

[1] 薛定諤，生命是什么.

[2] 舒娜，量子糾纏技術(shù)與量子通信.

[3] 尼古拉.吉桑著，周榮庭譯，跨越時空的骰子.

[4] 中國科普博覽.

[5] 科普中國.

第4篇：相對論和量子力學的關(guān)系范文

（一）經(jīng)典物理中的粒子與波

在經(jīng)典物理中，一般認為波和粒子存在著巨大的差別，那么這兩者之間的不同之處到底在什么地方呢？

在經(jīng)典物理中，一般認為粒子是在空間中獨立離散的存在的物質(zhì)，并且具有一定大小和質(zhì)量，比如電子的質(zhì)量為9.10938215（45）×10-31千克，雖然很小，但是我們可以通過實驗間接地測量出來。此外，當粒子在某一方向上受到力的作用時，該粒子的速度大小會發(fā)生改變，也就是說，力在此時起到了阻礙或者加速運動的作用，改變了粒子的運動狀態(tài)。而當兩個粒子碰撞時，會產(chǎn)生動量的交換，若是在非彈性碰撞的條件下，還會有動能的損失。

與粒子不同，波是振動的傳播，一般分為兩種，一種是要依靠介質(zhì)而存在的機械波，另一種為不需要介質(zhì)也可以存在的電磁波，兩者都無法在空間中占據(jù)一定的體積，因此也沒有質(zhì)量這個概念。由于波是一直運動著的，因此無法相對于某一參考系保持相對靜止狀態(tài)，雖然波一直在保持運動，但是其運動狀態(tài)又與粒子的運動存在著非常大的不同。

（二）量子力學中的波粒二象性

通過上節(jié)的描述和對比，我們發(fā)現(xiàn)波和粒子無論在存在形式還是運動狀態(tài)上，都存在著明顯的不同，這也就是說在經(jīng)典力學中，波和粒子是完全不同的兩個物理現(xiàn)象。接下來我們再來討論一下在量子力學中，波粒二象性在哪些方面體現(xiàn)了粒子的特征，在哪些方面又體現(xiàn)了波的特征。

在量子力學中，我們認為一切可承載能量的載體都是粒子，比如說在經(jīng)典物理范圍內(nèi)的粒子，以及在量子力學中才體現(xiàn)出粒子性來的光子，此時的粒子，已不再要求其必須具有一定的體積和質(zhì)量。

由于沒有絕對的靜止，所以根據(jù)德布羅意的假設(shè)“實物粒子也具有波動性”可以推知，一切的粒子都存在著波動，從而經(jīng)典物理中相對靜止的觀念不得不被放棄。在量子力學中，一切的粒子的行為具有了波長，頻率，但是此時的動量與能量的表達式為

其中為普朗克常量，這是在經(jīng)典物理中，無論波還是粒子從未存在過的，因為這兩個公式將粒子運動獨有而波動沒有的動量，波動獨有的而粒子運動所沒有的頻率和波長統(tǒng)一了起來。由式子（3）可以看到，由于在經(jīng)典物理一般處理的是動量比較大的物質(zhì)，而普朗克常量又是一個很小的數(shù)值，因此其波動性沒能體現(xiàn)出來。雖然粒子運動時具有了波的行為，會產(chǎn)生干涉和衍射現(xiàn)象，比如勞厄衍射光柵實驗以及戴維遜和湯姆遜利用晶體所做的電子束衍射實驗所驗證的那樣，但是，在受到力或者與其他粒子相互作用時，粒子依然保持著經(jīng)典物理中粒子的特點，其運動狀態(tài)（比如說動量和能量）依然會發(fā)生改變，比如在康普頓實驗中我們知道，經(jīng)過石墨散射后的X射線的波長會變長，能量相應(yīng)的也會發(fā)生變化，這就使我們不得不放棄經(jīng)典物理中波的傳播速度和頻率不會改變的法則。

通過以上討論，我們發(fā)現(xiàn)波粒二象性既沒有完全采用粒子的全部性質(zhì)，也沒有全部采用波的全部性質(zhì)，在存在形式上保留了粒子離散性的特點，在運動形式上保留了波動的特點，但是在受力或者與其他粒子相互作用時又保留了粒子的特點。除了在兩個經(jīng)典物理概念中各自繼承的概念外，還通過公式（3）、（4）等概念，擴展了我們對物理學的認識，公式（3），（4）也是量子力學超越經(jīng)典物理，并將粒子性質(zhì)與波動性質(zhì)統(tǒng)一起來的關(guān)鍵點。

第5篇：相對論和量子力學的關(guān)系范文

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

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

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

經(jīng)典科學基本上是指由培根、牛頓、笛卡兒等開創(chuàng)的，近三百年內(nèi)發(fā)展起來的一整套觀點、方法、學說。經(jīng)典科學世界圖景的最大特征是機械論和還原論，片面強調(diào)分解而忽視綜合。以玻爾、海森伯、玻恩、泡利、諾伊曼等為代表的哥本哈根學派的量子力學理論三部曲：統(tǒng)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(xiàn)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(lǐng)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(guān)系。[1]量子力學的發(fā)展從根本上改變了經(jīng)典科學世界

圖景。

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

經(jīng)典力學是關(guān)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(jīng)典力學的因果觀之上，解釋原因和結(jié)果的存在方式和聯(lián)系方式的理論。機械決定論認為因和果之間的聯(lián)系具有確定性，無論從因到果的軌跡多么復(fù)雜，沿著軌跡尋找總能確定出原因或結(jié)果；機械決定論的核心在于只要初始狀態(tài)一定，則未來狀態(tài)可以由因果法則進行準確預(yù)測。[3]其實，機械決定論僅僅適用于宏觀物體，而對于微觀領(lǐng)域以及客觀世界中大量存在的偶然現(xiàn)象的研究就產(chǎn)生了統(tǒng)計決定論。[4]

量子力學是對經(jīng)典物理學在微觀領(lǐng)域的一次革命。量子力學所揭示的微觀世界的運動規(guī)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(tǒng)計規(guī)律，我們不能說某個電子一定在什么地方出現(xiàn)，而只能說它在某處出現(xiàn)的幾率有多大。

玻恩的統(tǒng)計解釋指出，因果性是表示事件關(guān)系之中一種必然性觀念，而機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(tǒng)計規(guī)律是基本規(guī)律。物理學原理的方向發(fā)生了質(zhì)的改變：統(tǒng)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(tǒng)治。

經(jīng)典統(tǒng)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(guān)系的限定，不可能確切地知道它們的位置和動量、時間和能量，只能描述和預(yù)言微觀對象的可能的行為。因此，量子力學必須是幾率的、統(tǒng)計的。而且，隨著認識的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)量子統(tǒng)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(zhuǎn)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(jié)為低級運動形式，用研究低級運動形式所得出的結(jié)論代替對高級運動形式的本質(zhì)認識的觀點。它用已分析得出的客觀世界中的主要的、穩(wěn)定的觀點和規(guī)律去解釋、說明要研究的對象。其目的是簡化、縮小客體的多樣性。這種方法在人類認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(zhì)，以及完全還原是不可能的，決定了還原論不能揭示世界的全貌。

量子力學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(fù)雜性。部分不僅與周圍環(huán)境發(fā)生一定的外在聯(lián)系，同時還要表現(xiàn)出“主體性”，可將自身的內(nèi)在聯(lián)系傳遞到周邊，并直接參與整體的變化。因而，部分與整體呈現(xiàn)了有機的自覺因果關(guān)系。在特定的臨界狀態(tài)，部分的少許變化將引起整體的突變。[6]

波粒二象性是微觀世界的本質(zhì)特征，也是量子論、量子力學理論思想的靈魂。用經(jīng)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(tǒng)一圖案，這是經(jīng)典物理學通過部分還原認識整體的方法，是“向上的原因”。可是微觀粒子在某些實驗條件下，只表現(xiàn)波動性；而在另一些實驗條件下，只表現(xiàn)粒子性。這兩種實驗結(jié)果不能同時在一次實驗中出現(xiàn)。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(guān)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(diào)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(jīng)典科學觀與現(xiàn)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(jīng)典科學一味地強調(diào)外在聯(lián)系觀，而量子力學則更強調(diào)關(guān)注事物內(nèi)部的有機聯(lián)系。所以，量子力學把內(nèi)在聯(lián)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(fā)展到探索復(fù)雜性

從經(jīng)典科學思維方式來看，世界在本質(zhì)上是簡單的。牛頓就說過，自然界喜歡簡單化，而不喜歡用什么多余的原因以夸耀自己。追求簡單性是經(jīng)典科學奮斗的目標，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(fù)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?nèi)f化的天體行為。因而現(xiàn)代科學是用簡單性解釋復(fù)雜性，這就隱去了自然界的豐富多樣性。

量子力學初步揭示了客觀世界的復(fù)雜性。經(jīng)典科學的簡單性是與把物理世界理想化相聯(lián)系的。經(jīng)典物理學所研究的是理想的物質(zhì)客體。它不但用理想化的“質(zhì)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(nèi)。而客觀世界并不是如此，特別是進入微觀領(lǐng)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(xiàn)代科學中，牛頓的經(jīng)典力學成了相對論的低速現(xiàn)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(guān)系可以忽略時的理論表述。復(fù)雜性的提出并不是要消滅簡單性，而是為了打破簡單性獨占的一統(tǒng)地位。復(fù)雜性是把簡單性作為一個特例包含其中，正如莫蘭所說的，復(fù)雜性是簡單性和復(fù)雜性的統(tǒng)一。復(fù)雜性比簡單性更基本，可能性比現(xiàn)實性更基本，演化比存在更基本。[7]今天的科學思維方式，不是以現(xiàn)實來限制可能，而是從可能中選擇現(xiàn)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(fù)雜性主張考察被研究對象的復(fù)雜性，在對其作出層次與類別上的區(qū)分之后再進行溝通，而不是僅僅限于孤立和分離，它強調(diào)的是一種整體的協(xié)同。

四、量子力學使科學活動中主客體分離邁向主客互動

經(jīng)典科學思維方式的一個指導觀念就是，認為科學應(yīng)該客觀地、不附加任何主觀成分地獲取“照本來樣子的”世界知識。玻爾告訴人們，根本不存在所謂的“真實”，除非你首先描述測量物理量的方式，否則談?wù)撊魏挝锢砹慷际菦]有意義的！測量，這一不被經(jīng)典物理學考慮的問題，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(chǎn)生了致命的干擾，使得測量中充滿了不確定性。在海森伯看來，在我們的研究工作由宏觀領(lǐng)域進入微觀領(lǐng)域時，我們就會遇到一個矛盾：我們的觀測儀器是宏觀的，可是研究對象卻是微觀的；宏觀儀器必然要對微觀粒子產(chǎn)生干擾，這種干擾本身又對我們的認識產(chǎn)生了干擾；人只能用反映宏觀世界的經(jīng)典概念來描述宏觀儀器所觀測到的結(jié)果，可是這種經(jīng)典概念在描述微觀客體時又不能不加以限制。這突破了經(jīng)典科學完全可以在不影響客體自然存在的狀態(tài)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(guān)系。

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

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

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第6篇：相對論和量子力學的關(guān)系范文

二十世紀即將結(jié)，二十一世紀即將來臨，二十世紀是光輝燦爛的一個世紀，是個類社會發(fā)展最迅速的一個世紀，是科學技術(shù)發(fā)展最迅速的一個世紀，也是物理學發(fā)展最迅速的一個世紀。在這一百年中發(fā)生了物理學革命，建立了相對信紙和量子力學，完成了從經(jīng)典物理學到現(xiàn)代物理學的轉(zhuǎn)變。在二十世紀二、三十年代以后，現(xiàn)代物理學在深度和廣度上有了進一步的蓬勃發(fā)展，產(chǎn)生了一系列的新學科的交叉學科、邊緣學科，人類對物質(zhì)世界的規(guī)律有了更深刻的認識，物理學理論達到了一個新高度，現(xiàn)代物理學達到了成熟的階段。

在此世紀之交的時候，人們自然想展望一下二十一世紀物理學的發(fā)展前景，探索今后物理學發(fā)展的方向。我想談一談我對這個問題的一些看法和觀點。首先，我們來回顧一下上一個世紀之交物理學發(fā)展的情況，把當前的情況與一百年前的情況作比較對于探索二十一世紀物理學發(fā)展的方向是很有幫助的。

一、歷史的回顧

十九世紀末二十世紀初，經(jīng)典物物學的各個分支學科均發(fā)展到了完善、成熟的階段，隨著熱力學和統(tǒng)計力學的建立以及麥克斯韋電磁場理論的建立，經(jīng)典物理學達到了它的頂峰，當時人們以系統(tǒng)的形式描繪出一幅物理世界的清晰、完整的圖畫，幾乎能完美地解釋所有已經(jīng)觀察到的物理現(xiàn)象。由于經(jīng)典物理學的巨大成就，當時不少物理學家產(chǎn)生了這樣一種思想：認為物理學的大廈已經(jīng)建成，物理學的發(fā)展基本上已經(jīng)完成，人們對物理世界的解釋已經(jīng)達到了終點。物理學的一些基本的、原則的問題都已經(jīng)解決，剩下來的只是進一步精確化的問題，即在一些細節(jié)上作一些補充和修正，使已知公式中的各個常數(shù)測得更精確一些。

然而，在十九世紀末二十世紀初，正當物理學家在慶賀物理學大廈落成之際，科學實驗卻發(fā)現(xiàn)了許多經(jīng)典物理學無法解釋的事實。首先是世紀之交物理學的三大發(fā)現(xiàn)：電子、X射線和放射性現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)。其次是經(jīng)典物理學的萬里晴空中出現(xiàn)了兩朵“烏云”：“以太漂移”的“零結(jié)果”和黑體輻射的“紫外災(zāi)難”。[1]這些實驗結(jié)果與經(jīng)典物理學的基本概念及基本理論有尖銳的矛盾，經(jīng)典物理學的傳統(tǒng)觀念受到巨大的沖擊，經(jīng)典物理發(fā)生了“嚴重的危機”。由此引起了物理學的一場偉大的革命。愛因斯坦創(chuàng)立了相對論；海林堡、薛定諤等一群科學家創(chuàng)立了量子力學?，F(xiàn)代物理學誕生了！

把物理學發(fā)展的現(xiàn)狀與上一個世紀之交的情況作比較，可以看到兩者之間有相似之外，也有不同之處。

在相對論和量子力學建立起來以后，現(xiàn)代物理學經(jīng)過七十多年的發(fā)展，已經(jīng)達到了成熟的階段。人類對物質(zhì)世界規(guī)律的認識達到了空前的高度，用現(xiàn)有的理論幾乎能夠很好地解釋現(xiàn)在已知的一切物理現(xiàn)象?？梢哉f，現(xiàn)代物理學的大廈已經(jīng)建成。在這一點上，目前有情況與上一個世紀之交的情況很相似。因此，有少數(shù)物理學家認為今后物理學不會有革命性的進展了，物理學的根本性的問題、原則問題都已經(jīng)解決了，今后能做到的只是在現(xiàn)有理論的基礎(chǔ)上在深度和廣度兩方面發(fā)展現(xiàn)代物理學，對現(xiàn)有的理論作一些補充和修正。然而，由于有了一百年前的歷史經(jīng)驗，多數(shù)物理學家并不贊成這種觀點，他們相信物理學遲早會有突破性的發(fā)展。另一方面，雖然在微觀世界和宇宙學領(lǐng)域中有一些物理現(xiàn)象是現(xiàn)代物理學的理論不能很好地解釋的，但是這些矛盾并不是嚴重到了非要徹底改造現(xiàn)有理認紗可的程度。在這方面，目前的情況與上一個世紀之交的情況不同。在上一個世紀之交，經(jīng)典物理學發(fā)生了“嚴重的危機”；而在本世紀之交，現(xiàn)代物理學并無“危機”。因此，我認為目前發(fā)生現(xiàn)代物理學革命的條件似乎尚不成熟。

雖然在微觀世界和宇宙學領(lǐng)域中有一些物理現(xiàn)象是現(xiàn)代物理學的理論不能很好地解釋的，但是這些矛盾并不是嚴重到了非要徹底改造現(xiàn)有理認紗可的程度。在這方面，目前的情況與上一個世紀之交的情況不同。在上一個世紀之交，經(jīng)典物理學發(fā)生了“嚴重的危機”；而在本世紀之交，現(xiàn)代物理學并無“危機”。因此，我認為目前發(fā)生現(xiàn)代物理學革命的條件似乎尚不成熟?？陀^物質(zhì)世界是分層次的。一般說來，每個層次中的體系都由大量的小體系（屬于下一個層次）構(gòu)成。從一定意義上說，宏觀與微觀是相對的，宏觀體系由大量的微觀系統(tǒng)構(gòu)成。物質(zhì)世界從微觀到宏觀分成很多層次。物理學研究的目的包括：探索各層次的運動規(guī)律和探索各層次間的聯(lián)系。

回顧二十世紀物理學的發(fā)展，是在三個方向上前進的。在二十一世紀，物理學也將在這三個方向上繼續(xù)向前發(fā)展。

1）在微觀方向上深入下去。在這個方向上，我們已經(jīng)了解了原子核的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了大量的基本粒子及其運規(guī)律，建立了核物理學和粒子物理學，認識到強子是由夸克構(gòu)成的。今后可能會有新的進展。但如果要探索更深層次的現(xiàn)象，必須有更強大得多的加速器，而這是非常艱巨的任務(wù)，所以我認為近期內(nèi)在這個方向上難以有突破性的進展。

2）在宏觀方向上拓展開去。1948年美國的伽莫夫提出“大爆炸”理論，當時并未引起重視。1965年美國的彭齊亞斯和威爾遜觀測到宇宙背景輻射，再加上其他的觀測結(jié)果，為“大爆炸”理論提供了有力的證據(jù)，從此“大爆炸”理論得到廣泛的支持，1981年日本的佐藤勝彥和美國的古斯同時提出暴脹理論。八十年代以后，英國的霍金[2,3]等人開始論述宇宙的創(chuàng)生，認為宇宙從“無”誕生，今后在這個方向上將會繼續(xù)有所發(fā)展。從根本上來說，現(xiàn)代宇宙學的繼續(xù)發(fā)展有賴于向廣漠的宇宙更遙遠處觀測的新結(jié)果，這需要人類制造出比哈勃望遠鏡性能更優(yōu)越得多的、各個波段的太空天文望遠鏡，這是很艱巨的任務(wù)。

我個人對于近年來提出的宇宙創(chuàng)生學說是不太信的，并且認為“大爆炸”理論只是對宇宙的一個近似的描述。因為現(xiàn)在的宇宙學研究的只是我們能觀測到的范圍以內(nèi)的“宇宙”，而我相信宇宙是無限的，在我們這個“宇宙”以外還有無數(shù)個“宇宙”，這些宇宙不是互不相干、各自孤立的，而是互相有影響、有作用的?，F(xiàn)代宇宙學只研究我們這個“宇宙”，當然只能得到近似的結(jié)果，把他們的延伸到“宇宙”創(chuàng)生了初及遙遠的未來，則失誤更大。

3）深入探索各層次間的聯(lián)系。

這正是統(tǒng)計物理學研究的主要內(nèi)容。二十世紀在這方面取得了巨大的成就，先是非平衡態(tài)統(tǒng)計物理學有了得大的發(fā)展，然后建立了“耗散結(jié)構(gòu)”理論、協(xié)同論和突變論，接著混沌論和分形論相繼發(fā)展起來了。近年來把這些分支學科都納入非線性科學的范疇。相信在二十一世紀非線性科學的發(fā)展有廣闊的前景。

上述的物理學的發(fā)展依然現(xiàn)代物理學現(xiàn)有的基本理論的框架內(nèi)。在下個世紀，物理學的基本理論應(yīng)該怎樣發(fā)展呢？有一些物理學家在追求“超統(tǒng)一理論”。在這方面，起初是愛因斯坦、海森堡等天才科學家努力探索“統(tǒng)一場論”；直到1967、1968年，美國的溫伯格和巴基斯坦的薩拉姆提出統(tǒng)一電磁力和弱力的“電弱理論”；目前有一些物理學家正在探索加上強力的“大統(tǒng)一理論”以及再加上引力把四種力都統(tǒng)一起來的“超統(tǒng)一理論”，他們的探索能否成功尚未定論。

愛因斯坦當初探索“統(tǒng)一場論”是基于他的“物理世界統(tǒng)一性”的思想[4]，但是他努力探索了三十年，最終沒有成功。我對此有不同的觀點，根據(jù)辯證唯物主義的基本原理，我認為“物質(zhì)世界是既統(tǒng)一，又多樣化的”。且莫論追求“超統(tǒng)一理論”能否成功，即便此理論完成了，它也不是物理學發(fā)展的終點。因為“在絕對的總的宇宙發(fā)展過程中，各個具體過程的發(fā)展都是相對的，因而在絕對真理的長河中，人們對于在各個一定發(fā)展階段上的具體過程的認識只具有相對的真理性。無數(shù)相對的真理之總和，就是絕對的真理?！薄叭藗冊趯嵺`中對于真理的認識也就永遠沒有完結(jié)。”[5]

現(xiàn)代物理學的革命將怎樣發(fā)生呢？我認為可能有兩個方面值得考試：

1）客觀世界可能不是只有四種力。第五、第六……種力究竟何在呢？現(xiàn)在我們不知道。我的直覺是：將來最早發(fā)現(xiàn)的第五種力可能存在于生命現(xiàn)象中。物質(zhì)構(gòu)成了生命體之后，其運動和變化實在太奧妙了，我們沒有認識的問題實在太多了，我們今天對于生命科學的認識猶如亞里斯多德時代的人們對于物理學的認識，因此在這方面取得突破性的進展是很可能的。我認為，物理學業(yè)與生命科學的交叉點是二十一世紀物理學發(fā)展的方向之一，與此有關(guān)的最關(guān)于復(fù)雜性研究的非線性科學的發(fā)展。

2）現(xiàn)代物理學理論也只是相對真理，而不是絕對真理。應(yīng)該通過審思現(xiàn)代物理學理論基礎(chǔ)的不完善性來探尋現(xiàn)代物理學革命的突破口，在下一節(jié)中將介紹我的觀點。

三、現(xiàn)代物理學的理論基礎(chǔ)是完美的嗎？

相對論和量子力學是現(xiàn)代物理學的兩大支柱，這兩大支柱的理論基礎(chǔ)是否十全十美的

呢？我們來審思一下這個問題。

1）對相對論的審思

當年愛因斯坦就是從關(guān)于光速和關(guān)于時間要領(lǐng)的思考開始，創(chuàng)立了狹義相對論[1]。我們今天探尋現(xiàn)代物理學革命的突破口，也應(yīng)該從重新審思時空的概念入手。愛因勞動保護坦創(chuàng)立狹義相對論是從講座慣性系中不同地點的兩個“事件”的同時性開始的[4]，他規(guī)定用光信號校正不同地點的兩個時鐘來定義“同時”，這樣就很自然地導出了洛侖茲變換，進一步導致一個四維時空（x，y，z，ict）（c是光速）。為什么愛因勞動保護擔提出用光信號來校正時鐘，而不用別的信號呢？在他的論文中沒有說明這個問題，其實這是有深刻含意的。

時間、空間是物質(zhì)運動的表現(xiàn)形式，不能脫離物理質(zhì)運動談?wù)摃r間、空間，在定義時空時應(yīng)該說明是關(guān)于什么運動的時空?，F(xiàn)代物理學認為超距作用是不存在的，A處發(fā)生的“事件”影響B(tài)處的“事件”必須通過一定的場傳遞過去，傳遞需要一定的時間，時間、空間的定義與這個傳遞速度是密切相關(guān)的。如果這種場是電磁場，則電磁相互作用傳遞的速度就是光速。因此，愛因斯坦定義的時空實際上是關(guān)于由電磁相互作用引起的物質(zhì)運動的時空，適用于描述這種運動。

愛因斯坦把他定義的時間應(yīng)用于所有的物質(zhì)運動，實際上就暗含了這樣的假設(shè)：引力相互作用的傳遞速度也是光速c.但是引力相互作用是否也是以光速傳遞的呢？令引力相互作用的傳遞速度為c＇。至今為止，并無實驗事實證明c＇等于c。愛因斯坦因他的“物質(zhì)世界統(tǒng)一性”的世界觀而在實際上假定了c=c＇。我持有“物質(zhì)世界既統(tǒng)一，又多樣化的”以觀點，再加之電磁力和引力的強度在數(shù)量級上相差太多，因此我相相信c＇可能不等于c。工樣，關(guān)于由電磁力引起的物質(zhì)運動的四維時空（x，y，z，ict）和關(guān)于由引力引起的運動的時空（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）是不同的。如果研究的問題只涉及一種相互作用，則按照現(xiàn)在的理論建立起來的運動方程的形式不變。例如，愛因斯坦引力場方程的形式不變，只需把常數(shù)c改為c＇。如果研究的問題涉及兩種相互作用，則需要建立新的理論。不過，首要的事情是由實驗事實來判斷c＇和c是否相等；如果不相等，需要導出c＇的數(shù)值。

我在二十多年前開始形成上述觀點，當時測量引力波是眾所矚目的一個熱點，我曾對那些實驗寄予厚望，希望能從實驗結(jié)果推算出c＇是否等于c。令人遺憾的是，經(jīng)過長斯的努力引引力波實驗沒有獲得肯定的結(jié)果，隨后這項工作冷下去了。根據(jù)愛國斯坦理論預(yù)言的引力波是微弱的，如果在現(xiàn)代實驗技術(shù)能夠達到的測量靈敏度和準確度之下，這樣弱的引力波應(yīng)該能夠探測到的話，長期的實驗得不到肯定的結(jié)果似乎暗示了害因斯坦理論的缺點。應(yīng)該從c＇可能不等于c這個角度來考慮問題，如果c＇和c有較大的差異，則可能導出引力波的強度比根據(jù)愛因勞動保護坦理論預(yù)言的強度弱得多的結(jié)果。

弱力、強力與引力、電磁力有本質(zhì)的不同，前兩者是短程力，后兩者是長程力。不同的相互作用是通過傳遞不同的媒介粒子而實現(xiàn)的。引力相互作用的傳遞者是引力子；電磁相互作用的傳遞者是光子；弱相互作用的傳遞者是規(guī)范粒子（光子除外）；強相互作用的傳遞者是介子。引力子和光子的靜質(zhì)量為零，按照愛因斯坦的理論，引力相互作用和電磁相互作用的傳遞速度都是光速。并且與傳遞粒子的靜質(zhì)量和能量有關(guān)，因而其傳遞速度是多種多樣的。

在研究由弱或強相互作用引起的物質(zhì)運動時，定義慣性系中不同的地點的兩個“事件”的“同時”，是否應(yīng)該用弱力或強力信號取代光信號呢？我對核物理學和粒子物理學是外行，不想貿(mào)然回答這個問題。如果應(yīng)該用弱力或強力信號取代光信號，那么關(guān)于由弱力或強力引起的物質(zhì)運動的時空和關(guān)于由電磁力引起的運動的時空（x，y，z，ict）及關(guān)于由引力引起的運動的時空（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）

有很大的不同。設(shè)弱或強相互作用的傳遞速度為c＇＇，c＇＇不是常數(shù)，而是可變的，則關(guān)于由弱或強力引起的運動的時空為（x＇＇，y＇＇，z＇＇，Ic＇＇t＇＇），時間t＇＇和空間（x＇＇，y＇＇，z＇＇）將是c＇的函數(shù)。然而，很可能應(yīng)該這樣來考慮問題：關(guān)于由弱力引起的運動的時空，在定義中應(yīng)該以規(guī)范粒子的靜質(zhì)量取作零時的速度c1取代光速c。由于“電弱理論”把弱力和電磁力統(tǒng)一起來了，因此有可能c1=c，則關(guān)于由弱力引起的運動的時空和關(guān)于由電磁力引起的運動的時空是相同的，同為（x，y，z，ict）。關(guān)于由強力引起的運動的時空，在定義中應(yīng)該以介子的靜質(zhì)量取作零（在理論上取作零，在實際上沒有靜質(zhì)量為零的介子）時的速度c＇＇取代光速c，c＇＇可能不等于c。則關(guān)于由強力引起的運動的時空（x＇＇，y＇＇，z＇＇，Ic＇＇t＇＇）不同于（x，y，z，ict）或（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）。無論上述兩種考慮中哪一種是對的，整個物質(zhì)世界的時空將是高于四維的多維時空。對于由短程力（或只是強力）引起的物質(zhì)運動，如果時空有了新的一義，就需要建立新的理論，也就是說需要建立新的量子場論、新的核物理學和新的粒子物理學等。如果研究的問題既清及長程力，又涉及短程力（尤其是強力），則更需要建立新的理論。

1）對量子力學的審思

從量子力學發(fā)展到量子場論的時候，遇到了“發(fā)散困難”[6]。1946——1949年間，日本的朝永振一郎、美國的費曼和施溫格提出“重整化”方法，克服了“發(fā)散困難”。但是“重整化”理論仍然存在著邏輯上的缺陷，并沒有徹底克服這一困難?！鞍l(fā)散困難”的一個基本原因是粒子的“固有”能量（靜止能量）與運動能量、相互作用能量合在一起計算[6]，這與德布羅意波在υ=0時的異性。

現(xiàn)在我陷入一個兩難的處境：如果采用傳統(tǒng)的德布羅意關(guān)系，就只得接受不合理的德布羅意波奇異性；如果采納修正的德布羅意關(guān)系，就必須面對使新的理論滿足相對論協(xié)變性的難題。是否有解決問題的其他途徑呢？我認為這個問題或許還與時間、空間的定義有關(guān)?，F(xiàn)在的量子力學理論中時寬人的定義實質(zhì)上依然是決定論的定義，而不確定原理是微觀世界的一條基本規(guī)律，所以時間、空間都不是嚴格確定的，決定論的時空要領(lǐng)不再適用。在時間或空間的間隔非常小的時候，描寫事情順序的“前”、“后”概念將失去意義。此外，在重新定義時空時還應(yīng)考慮相關(guān)的物質(zhì)運動的類別。模糊數(shù)學已經(jīng)發(fā)展得相當成熟了，把這個數(shù)學工具用到微觀世界時空的定義中去可能是很值得一試的。

1）在二十一世紀物理學將在三個方向上繼續(xù)向前發(fā)展（1）在微觀方向上深入下去；（2）在宏觀方向上拓展開去；（3）深入探索各層次間的聯(lián)系，進一步發(fā)展非線性科學。

2）可能應(yīng)該從兩方面去控尋現(xiàn)代物理學革命的突破口。（1）發(fā)現(xiàn)客觀世界中已知的四種力以外的其他力；（2）通過審思相對論和量子力學的理論基礎(chǔ)，重新定義時間、空間，建立新的理論

第7篇：相對論和量子力學的關(guān)系范文

最吸引人的是美猴王。孫悟空有一個功能就是分身術(shù)，毫毛一拔，到處一扔，就變出好多個孫悟空。他還有另外一種非常強大的功能――筋斗云。翻一個筋斗，就可以從一個地方消失，在另一個非常遙遠的地方出現(xiàn)。這有點像我們前陣子看到的科幻電影《星際穿越》里面的場景。

神話與現(xiàn)實：人可以在不同的時空生活

大家就問了，這些東西在我們現(xiàn)實生活當中到底能不能實現(xiàn)？大家都知道，得益于電動力學的建立，我們能進行無線電的通信。在1888年，赫茲在卡爾斯魯厄――德國的小鎮(zhèn)，做了一個實驗來驗證電磁波是不是存在。赫茲在這邊一抖，那邊即時的電火花就發(fā)生了。正因為有這些發(fā)明，后來有了電話，有了電視機，到現(xiàn)在我們用的手機，都可以現(xiàn)場實現(xiàn)千里眼、順風耳這么神奇的功能了。所以我說，物理學真的非常有意思，它可以保證信息的有效傳輸。

狹義相對論和廣義相對論都告訴了我們確實存在某種特殊的情況，有些地方時間過得慢一點，有的地方時間就過得快一點。比如在一個引力特別強的地方，一個小時甚至等于遠處地方的七年。舉個例子，如果有對雙胞胎兄弟，有一個是宇航員，坐著宇宙飛船在宇宙中進行快速的旅行。等他回來之后，他雙生的兄弟，已經(jīng)變得很老了。這樣的現(xiàn)象，在物理世界、在高速飛行的粒子里面，已經(jīng)能看到了。確實是可以實現(xiàn)的。

因此形成了這樣一種觀點：我們在古代通過口口相傳，進行信息的傳遞、交流和共享。隨后我們有了文字，也可以通過書信來傳遞信息。到了后來，隨著科技的發(fā)展，第一次工業(yè)革命熱力學的發(fā)現(xiàn)，電動力學的運用，信息的傳遞效率變得越來越高。到了現(xiàn)代，因為有計算機和互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，整個地球都變成一個村子了。

有兩個永恒主題將一直伴隨著我們?nèi)祟愡M化和社會發(fā)展：首先，怎樣來加強信息交互的效率，把信息中有用的知識提取出來，進行傳播、共享？這是非常重要的。同時，要加強隱私的保護，保證每個人思想的自由。比如說，如果可以非常方便地看到別人在想什么，可以控制他的思想的話，每個人都不可能進行自由的創(chuàng)造了。所以我覺得，隱私的保護是我們?nèi)祟愇磥淼囊粋€基本保證。不然，我們就沒辦法繼續(xù)進化下去了。

量子世界：事物可以同時在兩個地方“存在”

我今天想跟大家分享的一個觀點，就是量子力學在近百年的發(fā)展過程當中已經(jīng)為解決這些重大的問題做好了準備。

量子力學認為：第一，在某些特殊的情況下，如果說你沒有看這個客體到底是處于哪個位置的時候，在特定情況它可以同時處在兩個位置。第二，就是客體的狀態(tài)，只要觀測一下，對它的影響就不可逆轉(zhuǎn)了，而且是永久的、不可避免的、不可忽略的。

牛頓力學是一個非常美的理論。它告訴我們一個粒子和周圍環(huán)境明確的話，它未來的運動狀態(tài)，就可以計算出來了。如果所有的粒子都是由牛頓力學在控制的話，那么我們什么時候死、誰做生命學家、誰做物理學家，在宇宙大爆炸這個時候就已經(jīng)確定了，個人的努力是毫無意義的。

從這個角度上講，量子力學比經(jīng)典牛頓力學哲學，要更加積極一些。量子力學告訴我們個人的行為、對體系的測量是可以影響世界的，從哲學上講是非常積極的。

舉個例子，我到北京來，送給朋友一個骰子，我事先做好了，送給他的這個骰子跟另一個骰子是糾纏態(tài)。然后我回到上海去了，就跟他說，你扔手中的那個骰子。他扔了好多次，把結(jié)果寫下來，每次隨機得到1到6里面的某一個點數(shù)。我就能跟他說你第一次扔的點數(shù)是多少，第二次是多少，我都可以猜得出來。這樣的現(xiàn)象，我們把它叫作遙遠地點之間的詭異互動。在2015年，這現(xiàn)象基本在物理角度被確證了，只剩一個很小的漏洞。這是我們正在做的一個研究。

量子通信：隱密、高速的信息交互

由此，新的科學就誕生了。有了量子的0加1之后，一些新的東西就誕生了。例如，可以利用它來保證原理上無條件的安全通信。如果將來立法，我們可以利用這種手段，保證我們的隱私。

利用這種量子計算手段，也可以算得非常地快，可以有效地揭示復(fù)雜物理體系的規(guī)律。就是說，可以把計算能力和信息安全兩個問題都比較好地解決。

具體來說，比如說量子通信，我們可以用量子密鑰分發(fā)。因為它是不可復(fù)制的，你去探測就會被發(fā)現(xiàn)。所以我們就可以有一種絕對安全的通訊方式。其實還有另外一種比較有意思的、利用這樣的量子糾纏的概念。

因為時間關(guān)系，我只舉一個例子。比如說要求解一個10的24次方的變量的線性方程組，用目前最快的天河2號超級計算機大概需要100年左右的時間。而利用萬億次的量子計算機，盡管計算的頻率比天河2號要慢1萬倍，但它只需要0.01秒就可以把這個方程給求解出來。所以它可以廣泛地應(yīng)用于藥物設(shè)計、金融分析、氣象預(yù)報、密碼分析等等，用途是比較大的。

當然，也可以利用量子通訊，來構(gòu)建一個非常好的網(wǎng)絡(luò)，有城域網(wǎng)、城際網(wǎng)，利用衛(wèi)星實現(xiàn)的這種廣域的量子通信，可以比較好地保證我們的網(wǎng)絡(luò)安全。

第8篇：相對論和量子力學的關(guān)系范文

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

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

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

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

纏結(jié)難解的故事

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

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

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

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

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

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

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

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

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

誰在幫助原子排列？

大部分的纏結(jié)實驗都只用到幾個粒子，因為一大群粒子不容易隔絕環(huán)境的影響，其中的粒子很容易跟無關(guān)的粒子纏結(jié)，破壞原始的內(nèi)在聯(lián)結(jié)。以去同調(diào)的說法，就是有太多信息滲漏到環(huán)境里，造成系統(tǒng)有古典的行為。對我們這些尋找纏結(jié)的實際用途（例如量子計算機）的研究人員來說，保持纏結(jié)是一項重要的挑戰(zhàn)。

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

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

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

第9篇：相對論和量子力學的關(guān)系范文

關(guān)鍵詞：校本化；高中歷史；科學史

科學史是溝通自然科學和人文學術(shù)的最好橋梁。通過科學史的訓練和熏陶，不僅可以培養(yǎng)文理兼通的人才素質(zhì)，而且還可以優(yōu)化人才的知識結(jié)構(gòu)，這是其他學術(shù)無法替代的?？茖W史是人類文明發(fā)展的一個重要組成部分，如果不懂科學史，就不能真正理解社會發(fā)展的歷史。就科學高中的培養(yǎng)目標而言，大部分畢業(yè)生將會從事理工科專業(yè)的學習和工作。而一個從事科學技術(shù)工作并且力求在科學技術(shù)上有所創(chuàng)新的人，如果對科學的發(fā)展缺乏整體上的了解，不能掌握科學技術(shù)發(fā)展的規(guī)律以及其他學科對本門學科的影響，就很難有所成就。因此，開設(shè)科學史這門課程尤為必要。這門課程重在還原人類認識自然界的本質(zhì)和運動規(guī)律的發(fā)展歷程，揭示科學發(fā)展的一般規(guī)律，特別是向?qū)W生提供著名科學家、發(fā)明家解決問題的思路和方法，進而為科高學子在科學研究的道路上提供借鑒，讓他們站在巨人的肩膀上，走得更遠。以下為科學史的具體學習要點：

一、科學史的意義與研究現(xiàn)狀

1.了解科學史的確立及其諸種功用，理解科學與正確之間的關(guān)系。2.掌握科學史研究中的內(nèi)史和外史，了解科學史在中國的發(fā)展現(xiàn)狀。

二、古希臘的科學與哲學

1.了解古希臘科學產(chǎn)生的背景。2.概述古希臘賢人對萬物本原的探究，認識對萬物本原的探究意義。3.了解亞里士多德在自然哲學、邏輯學以及系統(tǒng)的經(jīng)驗考察等方面的貢獻。4.知道古希臘在數(shù)學、物理、天文學等方面的貢獻，理解其對古代世界的影響。

三、古代中國的自然觀與科學技術(shù)

1.知道天人感應(yīng)與天人相分及宇宙演化思想，理解中國古代的時空觀念。2.了解天文學上的曠世之爭――渾蓋之爭，認識其對中國天文學發(fā)展的影響。3.概述中國古代傳統(tǒng)數(shù)學、計時技術(shù)和測向技術(shù)的發(fā)展演變。

四、阿拉伯的科學及科學在歐洲的復(fù)興

1.概述阿拉伯科學產(chǎn)生的歷史背景，了解其與古代希臘羅馬文化的淵源，認識“翻譯”為阿拉伯科學的真正起點。2.了解阿拉伯在數(shù)學、天文學、醫(yī)學、光學和化學方面的發(fā)展，理解阿拉伯科學的世界意義。3.了解基督教、亞里士多德思想以及農(nóng)業(yè)技術(shù)革命對中世紀歐洲科學發(fā)展的影響，認識“1277大譴責”對人們打破亞里士多德思想對科學的束縛作用。4.理解文藝復(fù)興、宗教改革以及不同文明間技術(shù)的交往對歐洲近代科學革命的影響，準確把握宗教與科學的關(guān)系。5.了解培根倡導的實驗、哈維的血液循環(huán)說以及數(shù)學的新進展對科學在歐洲復(fù)興的作用。

五、近代科學革命――天文學、新物理學、數(shù)學、化學

1.理解哥白尼《天體運行論》在近代天文學方面的革命性作用，了解伽利略望遠鏡以及第谷的精密天文學對傳統(tǒng)天文學的沖擊，概述開普勒三大定律對哥白尼天文學的繼承與批判，理解近代天文學革命是近代科學革命的切入點。2.說明斯蒂文鏈、伽利略的實驗方法、笛卡爾的機械主義方法論、牛頓的萬有引力定律和物體運動三定律等對近代物理學發(fā)展的意義，明確近代物理學是近代科學的核心領(lǐng)域。3.了解微積分的創(chuàng)立，列舉笛卡爾、費馬、牛頓、萊布尼茨、歐拉、拉格朗日等人在微積分發(fā)展過程中的貢獻。4.概述古代煉金術(shù)對近代化學產(chǎn)生的影響，了解波義耳、拉瓦錫對近代化學誕生的貢獻。

六、生物學的重大突破――從進化論到遺傳學

1.了解達爾文進化論提出的背景以及達爾文的生平，認識其個人經(jīng)歷對其提出自然選擇的進化論的影響。2.認識孟德爾定律，理解孟德爾被稱為現(xiàn)代遺傳學的奠基人的原因，了解遺傳基本因子――DNA的發(fā)現(xiàn)對遺傳學發(fā)展的意義。

七、物理學的新突破

1.了解電磁學理論的建立和通信技術(shù)的發(fā)展，認識其對第二次工業(yè)革命的作用。2.簡述能量守恒定律和熱力學定律的建立過程，理解熱力學第一定律與能量守恒定律之間的關(guān)系，并說明熱力學的基本定律對化學、天文學等學科發(fā)展的影響。3.了解狹義相對論的兩條基本原理，概述廣義相對論的三大驗證，說明對廣義相對論正確性的認識。4.了解愛因斯坦對量子論方面的貢獻，理解相對論和量子力學之間的關(guān)系，認識量子力學的測不準原理。

八、數(shù)學的新時代