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量子力學(xué)課程是工科電類(lèi)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)非常重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程。通過(guò)該課程的學(xué)習(xí),使學(xué)生初步掌握量子力學(xué)的基本原理和基本方法,認(rèn)識(shí)微觀世界的物理圖像以及微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,了解宏觀世界與微觀世界的內(nèi)在聯(lián)系和本質(zhì)的區(qū)別。量子力學(xué)課程教學(xué)質(zhì)量的好壞直接影響后續(xù)的如“固體物理學(xué)”、“半導(dǎo)體物理學(xué)”、“集成電路工藝原理”、“量子電子學(xué)”、“納米電子學(xué)”、“微電子技術(shù)”等課程的學(xué)習(xí)。
量子力學(xué)課程的學(xué)習(xí)要求學(xué)生具有良好的數(shù)學(xué)和物理基礎(chǔ),對(duì)學(xué)生的邏輯思維能力和空間想象能力等要求較高,因此要學(xué)好量子力學(xué),在我們教學(xué)的過(guò)程中,需要充分發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和積極性。同時(shí),隨著科學(xué)日新月異的發(fā)展,對(duì)量子力學(xué)課程的教學(xué)也不斷提出新的要求。如何充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和能動(dòng)性,切實(shí)提高量子力學(xué)課程的教學(xué)質(zhì)量和教師的教學(xué)水平,已經(jīng)成為擺在高校教師目前的一項(xiàng)重要課題。
該課程組在近幾年的教學(xué)改革和教學(xué)實(shí)踐中,本著高校應(yīng)用型人才的培養(yǎng)需求,強(qiáng)調(diào)量子力學(xué)基本原理、基本思維方法的訓(xùn)練,結(jié)合物理學(xué)史,充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性;充分利用熟知軟件,理解物理圖像,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性;結(jié)合現(xiàn)代科學(xué)知識(shí),強(qiáng)調(diào)理論在實(shí)踐中的應(yīng)用,取得了良好的教學(xué)效果。
1 當(dāng)前的現(xiàn)狀及存在的主要問(wèn)題
目前工科電類(lèi)專(zhuān)業(yè)普遍感覺(jué)量子力學(xué)課程難學(xué),其主要原因在于:第一,量子力學(xué)它是一門(mén)全新的課程理論體系,其基本理論思想與解決問(wèn)題的方法都沒(méi)有經(jīng)典的對(duì)應(yīng),而學(xué)習(xí)量子力學(xué)必須完全脫離以前在頭腦中根深蒂固的“經(jīng)典”的觀念;第二,量子力學(xué)的概念與規(guī)律抽象,應(yīng)用的數(shù)學(xué)知識(shí)比較多,公式推導(dǎo)復(fù)雜,計(jì)算困難;第三,雖然量子力學(xué)問(wèn)題接近實(shí)際,但要學(xué)生理解和解決問(wèn)題,還需要一個(gè)過(guò)程;由于上述問(wèn)題的存在,使初學(xué)者都感到量子力學(xué)課程枯燥無(wú)味、晦澀難懂,而且隨著學(xué)科知識(shí)的飛速發(fā)展,知識(shí)的更新周期空前縮短,在有限的課時(shí)情況下,如何使學(xué)生在掌握扎實(shí)的基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí),跟上時(shí)代的步伐,了解科學(xué)的前沿,以適應(yīng)新世紀(jì)人才培養(yǎng)的需求,是擺在我們教育工作者面前的巨大挑戰(zhàn)。
2 結(jié)合物理學(xué)史激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣
興趣是最好的老師,在大學(xué)物理中,談到了19世紀(jì)末物理學(xué)所遇到的“兩朵烏云”,光電效應(yīng)和紫外災(zāi)難,1900年,普朗克提出了能量子的概念,解決了黑體輻射的問(wèn)題;后來(lái),愛(ài)因斯坦在普朗克的啟發(fā)下,提出了光量子的概念,解釋了光電效應(yīng),并提出了光的波粒二象性;德布羅意又在愛(ài)因斯坦的啟發(fā)下,大膽的提出實(shí)物粒子也具有波粒二象性;對(duì)于物理學(xué)的第三朵烏云“原子的線狀光譜,”玻爾提出了關(guān)于氫原子的量子假設(shè),解釋了氫原子的結(jié)構(gòu)以及線狀光譜的實(shí)驗(yàn)。后來(lái)還有薛定諤、海森堡、狄拉克等偉大的物理學(xué)家的努力,建立了一套嶄新的理論體系-量子力學(xué)。在教學(xué)的過(guò)程中,適當(dāng)穿插量子力學(xué)的發(fā)展歷史以及偉大科學(xué)家的傳記故事,避免了量子力學(xué)課程“全是數(shù)學(xué)的推導(dǎo)”的現(xiàn)狀,這樣激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)熱情,通過(guò)對(duì)偉大科學(xué)家的介紹,培養(yǎng)刻苦鉆研的精神。實(shí)踐表明,這樣的教學(xué)模式大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性。
3 結(jié)合熟知軟件化抽象為形象
量子力學(xué)內(nèi)容抽象,對(duì)一些典型的結(jié)論,可以用軟件模擬的方式實(shí)現(xiàn)物理圖像的重現(xiàn)。很多軟件如matlab、c語(yǔ)言等很多學(xué)生不是很熟練,而且編程較難,結(jié)合物理結(jié)論作圖較為困難;Excell是學(xué)生常用的軟件之一,簡(jiǎn)單易學(xué)卻功能強(qiáng)大,幾乎每位同學(xué)都非常熟練,我們充分利用這一點(diǎn),將Excell軟件應(yīng)用到量子力學(xué)的教學(xué)過(guò)程中,取得了良好的效果。
如在一維無(wú)限深勢(shì)阱中,我們用解析法嚴(yán)格求解得到了波函數(shù)和能級(jí)的方程。而波函數(shù)的模方表示幾率密度。我們要求學(xué)生用Excell作圖,這樣得到粒子阱中的幾率分布,通過(guò)與經(jīng)典幾率的比較(經(jīng)典粒子在阱中各處出現(xiàn)的幾率應(yīng)該相等)和經(jīng)典能級(jí)的比較(經(jīng)典的能量分布應(yīng)該是連續(xù)的函數(shù)),通過(guò)學(xué)生的自我參與,充分激發(fā)了學(xué)生的求知欲望;從簡(jiǎn)單的作圖,學(xué)生深刻理解了微觀粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的波函數(shù);微觀粒子的能量不再是連續(xù)的,而是量子化了的能級(jí),當(dāng)n趨于無(wú)窮大時(shí)微觀趨向于經(jīng)典的結(jié)果,即經(jīng)典是量子的極限情況;通過(guò)學(xué)生熟知的軟件,直觀的再現(xiàn)了物理圖像,學(xué)生會(huì)進(jìn)一步來(lái)深刻思考這個(gè)結(jié)論的由來(lái),傳統(tǒng)的教學(xué)中,我們先講薛定諤方程,然后再解這個(gè)方程,再利用邊界條件和波函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)條件,一步一步推導(dǎo)下來(lái),這樣的教學(xué)模式有很多學(xué)生由于數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)較為薄弱,推導(dǎo)過(guò)程又比較繁瑣,因此會(huì)逐步對(duì)課程失去了興趣,這也直接影響了后面章節(jié)的學(xué)習(xí),而通過(guò)學(xué)生親自作圖實(shí)現(xiàn)的物理圖像,改變了傳統(tǒng)的“填鴨式”教學(xué),最大限度的使學(xué)生參與到課程中,這樣的效果也將事半功倍了,大大提高了教學(xué)的效果。
4 結(jié)合科學(xué)發(fā)展前沿拓寬學(xué)生視野
在課程的教學(xué)中,除了注重理論基礎(chǔ)知識(shí)的講解和基礎(chǔ)知識(shí)的應(yīng)用以外,還需介紹量子力學(xué)學(xué)科前沿發(fā)展的一些動(dòng)態(tài)。結(jié)合教師的教學(xué)科研工作,將國(guó)內(nèi)外反映量子力學(xué)方面的一些最新的成果融入到課程的教學(xué)之中,推薦和鼓勵(lì)學(xué)生閱讀反映這類(lèi)問(wèn)題的優(yōu)秀網(wǎng)站、科研文章,使學(xué)生了解量子力學(xué)學(xué)科的發(fā)展前沿,從而達(dá)到拓寬學(xué)生視野,培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的目的。例如近年興起并迅速發(fā)展起來(lái)的量子信息、量子通訊、量子計(jì)算機(jī)等學(xué)科,其基礎(chǔ)理論就是量子力學(xué)的應(yīng)用,了解了這些發(fā)展,學(xué)生會(huì)反過(guò)來(lái)進(jìn)一步理解課程中如量子態(tài)、自旋等概念,量子態(tài)和自旋本身就是非常抽象的物理概念,他們沒(méi)有經(jīng)典的對(duì)應(yīng),通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的理解,學(xué)生會(huì)進(jìn)一步理解用態(tài)矢來(lái)表示一個(gè)量子態(tài),由于電子的自旋只有兩個(gè)取向,正好與計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)中二進(jìn)制0和1相對(duì)應(yīng),這也正是量子計(jì)算機(jī)的基本原理,通過(guò)學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí),從而達(dá)到提高教學(xué)質(zhì)量的目的。另外我們還要介紹量子力學(xué)在近代物理學(xué)、化學(xué)、材料學(xué)、生命學(xué)等交叉學(xué)科中的應(yīng)用,拓寬學(xué)生的視野。
關(guān)鍵詞: 量子力學(xué) 教學(xué)方法改革 創(chuàng)新思維
量子力學(xué)是研究微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué),自誕生以來(lái)它就成功地說(shuō)明了原子及分子的結(jié)構(gòu)、固體的性質(zhì)、輻射的吸收與發(fā)射、超導(dǎo)等物理現(xiàn)象。作為物理學(xué)專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)理論課,量子力學(xué)在物理學(xué)專(zhuān)業(yè)中具有極其重要的地位?,F(xiàn)代物理學(xué)的各個(gè)分支,如高能物理、固體物理、核物理、天體物理和激光物理等都是以量子力學(xué)為基礎(chǔ),并且已經(jīng)滲透到化學(xué)和生物學(xué)等其他學(xué)科。同時(shí)量子理論還具有巨大的實(shí)用價(jià)值,半導(dǎo)體器件和材料、激光技術(shù)、原子能技術(shù)和超導(dǎo)材料等都是以量子力學(xué)原理為基礎(chǔ)的。
通過(guò)對(duì)量子力學(xué)的學(xué)習(xí),學(xué)生可以掌握現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)最重要的基礎(chǔ)理論,還可以提高科學(xué)素質(zhì)和思想素質(zhì),但是量子力學(xué)中的概念和解決問(wèn)題的方法與經(jīng)典物理有著本質(zhì)的不同。學(xué)生普遍反映量子力學(xué)抽象、枯燥、難理解、抓不住重點(diǎn),學(xué)習(xí)起來(lái)非常困難。針對(duì)以上問(wèn)題,我對(duì)教學(xué)進(jìn)行了思考和探討,采用了一些切實(shí)可行的措施,提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,使學(xué)生更好地掌握了量子力學(xué)知識(shí),同時(shí)培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維。
一、教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題
在量子力學(xué)的教學(xué)過(guò)程中,我發(fā)現(xiàn)以下幾個(gè)問(wèn)題。
1.量子力學(xué)是一門(mén)十分抽象的課程,其中許多概念、原理都不好理解,并且量子力學(xué)從概念到解決問(wèn)題的方法跟經(jīng)典物理有著根本性的區(qū)別,但是很多學(xué)生習(xí)慣性地用經(jīng)典的思想去理解量子力學(xué),這樣就不自覺(jué)地增加了難度。比如“波粒二象性”,經(jīng)典物理認(rèn)為波動(dòng)性和粒子性是互不相關(guān)的、相互獨(dú)立的,而量子力學(xué)認(rèn)為波動(dòng)性和粒子性是微觀粒子同時(shí)具備的兩種屬性。
2.學(xué)習(xí)量子力學(xué),數(shù)學(xué)知識(shí)是必不可少的。量子力學(xué)中有著繁雜的數(shù)學(xué)知識(shí),例如,數(shù)學(xué)分析中的微積分,代數(shù)學(xué)中的矩陣論,數(shù)學(xué)物理方程的微分方程,復(fù)變函數(shù),等等。在教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn),不少學(xué)生對(duì)已學(xué)過(guò)的數(shù)學(xué)知識(shí)掌握得不是很牢固,在推導(dǎo)公式的過(guò)程中忘記了公式所描述的物理內(nèi)涵,影響了對(duì)量子力學(xué)知識(shí)的理解。
3.由于量子力學(xué)的課時(shí)緊張,教學(xué)過(guò)程中采用了傳統(tǒng)的教學(xué)模式,由教師到學(xué)生的“單向傳授”的教學(xué)形式。學(xué)生失去了主體地位,只能被動(dòng)地接受知識(shí),學(xué)習(xí)的興趣和積極性不高,導(dǎo)致教學(xué)效率降低。
二、量子力學(xué)的教學(xué)方法改革
1.采用多種教學(xué)手段相結(jié)合的教學(xué)模式。由于量子力學(xué)的內(nèi)容抽象難懂,又是建立在一系列基本假定的基礎(chǔ)之上,不少學(xué)生很難接受,甚至認(rèn)為這門(mén)課程沒(méi)有用處。在量子力學(xué)的教學(xué)過(guò)程中,由單一的教師講授過(guò)渡到板書(shū)、錄像、課件、演示實(shí)驗(yàn)等各種手段相結(jié)合的教學(xué)模式,將圖、文、聲、像等信息有機(jī)地組合在一起,形象、直觀、生動(dòng),容易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。同時(shí),通過(guò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù),學(xué)生可以享受到本校的教學(xué)資源,還可以突破空間的限制,享受到全國(guó)高水平的教學(xué)資源,從而豐富學(xué)生的資料庫(kù),也為各學(xué)校的師生討論交流提供一個(gè)很好的平臺(tái)。
隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展,知識(shí)更新非???。在教學(xué)中,教師應(yīng)及時(shí)將與量子力學(xué)相關(guān)的科技前沿和高新技術(shù)引入教學(xué)中,介紹與量子力學(xué)密切相關(guān)的課題,闡明科學(xué)技術(shù)中所蘊(yùn)含的量子力學(xué)原理。如我們?cè)谥v解一維無(wú)限深勢(shì)阱時(shí),將其與半導(dǎo)體量子阱和超晶格這一科學(xué)前沿相聯(lián)系;在講解隧道效應(yīng)時(shí),將其與掃描隧道顯微鏡相聯(lián)系,進(jìn)而介紹掃描探針操縱單個(gè)原子的實(shí)驗(yàn)。同時(shí)在教學(xué)中,我們理論聯(lián)系實(shí)際,多介紹量子力學(xué)知識(shí)與材料科學(xué)、生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等其他學(xué)科之間的密切聯(lián)系,重點(diǎn)介紹在材料科學(xué)中的廣泛應(yīng)用,包括新材料設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)新材料、材料成分和結(jié)構(gòu)分析技術(shù)等。通過(guò)這種方式,學(xué)生對(duì)這一部分的知識(shí)有了直觀的認(rèn)識(shí),從而不再感到量子力學(xué)的學(xué)習(xí)枯燥無(wú)味,同時(shí)也提高了接受新知識(shí)、學(xué)習(xí)新知識(shí)的意識(shí)和能力。
2.結(jié)合數(shù)學(xué)知識(shí),把物理情境的建立作為教學(xué)的重點(diǎn)。量子力學(xué)可以說(shuō)無(wú)處不數(shù)學(xué),這門(mén)學(xué)科對(duì)高級(jí)數(shù)學(xué)語(yǔ)言的成功運(yùn)用,正是它高深與完美的體現(xiàn)。數(shù)學(xué)雖然加深了物理問(wèn)題的難度,卻維護(hù)了理論的嚴(yán)謹(jǐn)性和科學(xué)性。當(dāng)然這不是要求老師從頭到尾、長(zhǎng)篇冗重地推演計(jì)算,合理地修剪枝杈既能讓學(xué)生抓住重點(diǎn),又免使學(xué)生感到量子力學(xué)只是數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)。對(duì)于學(xué)習(xí)量子力學(xué)的同學(xué),可以著重于對(duì)物理概念的剖析和物理圖像的描繪,繞過(guò)數(shù)學(xué)分析難點(diǎn),通過(guò)簡(jiǎn)化模型、對(duì)稱(chēng)性考慮、極限情形和特例、量綱分析、數(shù)量級(jí)估計(jì)、概念延拓對(duì)比等得出結(jié)論。定量分析盡量只用簡(jiǎn)單的高數(shù)和微積分、常見(jiàn)的常微分方程,對(duì)復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)可以不做講解,只對(duì)少數(shù)優(yōu)秀生或感興趣的同學(xué)個(gè)別輔導(dǎo)。例如,在求解本征方程時(shí),只介紹動(dòng)量、定軸轉(zhuǎn)子能量本征值的求解;對(duì)無(wú)限深勢(shì)阱情況,薛定諤方程可類(lèi)比普通物理中的簡(jiǎn)諧振動(dòng)方程;對(duì)氫原子和諧振子的能量本征值問(wèn)題,只重點(diǎn)介紹思路、方法和結(jié)論,不作詳細(xì)推導(dǎo)。
3.充分應(yīng)用類(lèi)比法,講述量子力學(xué)。經(jīng)典力學(xué)是量子力學(xué)的極限情況,在教授過(guò)程中,應(yīng)盡可能找到“經(jīng)典”對(duì)應(yīng),應(yīng)用類(lèi)比方法講述量子力學(xué)中抽象的概念和物理圖像,有助于正確理解量子力學(xué)的物理圖像。用光的單縫、雙縫衍射、干涉說(shuō)明光的波動(dòng)性,用光電效應(yīng)、康普頓散射說(shuō)明光的粒子性,運(yùn)用這種方法有利于學(xué)生掌握光的波粒二象性。在將量子力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)類(lèi)比的同時(shí),還要清楚量子力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)在觀念、概念和方法上的區(qū)別。例如,經(jīng)典力學(xué)用位矢、速度描述物體的狀態(tài),而量子力學(xué)用波函數(shù)描述系統(tǒng)狀態(tài);經(jīng)典力學(xué)用牛頓第二定律描述狀態(tài)變化,量子力學(xué)用薛定諤方程描述狀態(tài)的變化。另外對(duì)于量子力學(xué)中的波粒二象性、態(tài)迭加原理、統(tǒng)計(jì)原理等都要與經(jīng)典力學(xué)中的相關(guān)概念區(qū)分開(kāi)來(lái),類(lèi)比說(shuō)明,闡明清楚其真正內(nèi)涵。
4.改變傳統(tǒng)教學(xué)模式,采用以學(xué)生為主體的教學(xué)模式。量子力學(xué)的現(xiàn)代教學(xué)多以“教師講授”為主,同時(shí)配合多媒體課件輔助教學(xué),教學(xué)模式較傳統(tǒng)教學(xué)有所變化,多媒體課件教學(xué)雖然能夠在一定程度上激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,但仍然是“填鴨式”的教學(xué)法,沒(méi)能真正地改變傳統(tǒng)教學(xué)的弊端。因此在教學(xué)過(guò)程中,要避免課堂成為教師的一言堂,鼓勵(lì)學(xué)生提問(wèn),激發(fā)學(xué)生的逆向思維和非規(guī)范性思維等,通過(guò)創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境使師生互動(dòng)起來(lái),提高學(xué)生學(xué)習(xí)量子力學(xué)的積極性,加深學(xué)生對(duì)這門(mén)課程的理解。還要組織學(xué)生開(kāi)展相關(guān)課題討論,引導(dǎo)學(xué)生自主能動(dòng)地思考,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。
三、結(jié)語(yǔ)
“量子力學(xué)”是物理類(lèi)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程中教學(xué)的難點(diǎn)和重點(diǎn),建立新的教學(xué)模式,有利于學(xué)生學(xué)習(xí)、理解和掌握這門(mén)課程。
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關(guān)鍵詞:物理本體;物理實(shí)體;量子現(xiàn)象;主觀;客觀
基金項(xiàng)目:國(guó)家社會(huì)科學(xué)基金項(xiàng)目“量子概率的哲學(xué)研究”(16BZX022)
中圖分類(lèi)號(hào):N03 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1003-854X(2017)06-0054-06
一、引言
時(shí)間和空間是人類(lèi)所有經(jīng)驗(yàn)的背景。除去存在的事物,時(shí)間、空間什么也不是,不存在只有一件事物的時(shí)間、空間,時(shí)空是事物之間相互關(guān)系的一個(gè)方面。
人類(lèi)通過(guò)感性經(jīng)驗(yàn)認(rèn)知的時(shí)空,稱(chēng)作經(jīng)驗(yàn)時(shí)空;以科學(xué)原理和科學(xué)方法指導(dǎo)認(rèn)知的時(shí)空是科學(xué)時(shí)空;牛頓時(shí)空、狹義相對(duì)論時(shí)空、廣義相對(duì)論時(shí)空、量子力學(xué)時(shí)空,是經(jīng)驗(yàn)時(shí)空的科學(xué)提升和科學(xué)發(fā)展,稱(chēng)作物理時(shí)空①。物理時(shí)空是科學(xué)時(shí)空。描述現(xiàn)象實(shí)體的時(shí)空是現(xiàn)象時(shí)空,經(jīng)驗(yàn)時(shí)空、物理時(shí)空、科學(xué)時(shí)空均是現(xiàn)象時(shí)空。而未經(jīng)觀察的“自在實(shí)體(物理本體)”所在時(shí)空,稱(chēng)為“本體時(shí)空”?!氨倔w時(shí)空”是復(fù)數(shù)的②,因此,人類(lèi)實(shí)質(zhì)生活在復(fù)數(shù)時(shí)空中 。作為自然人,觀察者存在于“本體時(shí)空”,實(shí)時(shí)空是人類(lèi)對(duì)時(shí)空認(rèn)識(shí)的簡(jiǎn)化③。
主體、客體、觀察信號(hào)是人類(lèi)認(rèn)知自然的三大基本要素④。一般“現(xiàn)象對(duì)觀察者的主觀依賴(lài)性”有其客觀原因,體現(xiàn)觀察信號(hào)的自然屬性對(duì)觀察者在認(rèn)知中的影響。當(dāng)把現(xiàn)象對(duì)觀察者的主觀依賴(lài)性轉(zhuǎn)化為時(shí)空的屬性后,就可以達(dá)到客觀描述物質(zhì)世界⑤。所謂客觀描述就是理論計(jì)算與經(jīng)驗(yàn)及科學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。
考慮觀察信號(hào)的客觀作用并納入時(shí)空理論的科學(xué)建構(gòu)之中,客觀描述物理現(xiàn)象,是物理學(xué)家的重要工作。一般,哲學(xué)認(rèn)知中沒(méi)有明晰“觀察信號(hào)中介作用”的客觀地位,不管“機(jī)械反映論”,還是“能動(dòng)反映論”,都自動(dòng)將其融入“反映論”理論體系,尤其是前者,往往容易導(dǎo)致主觀唯心主義的滋生。
狹義相對(duì)論用光對(duì)時(shí),考慮了光對(duì)建立時(shí)空的貢獻(xiàn);牛頓時(shí)空是對(duì)時(shí)信號(hào)速度c趨于無(wú)窮大的極限情態(tài);考慮引力場(chǎng)對(duì)建立時(shí)空的影響,引力時(shí)空是彎曲的,狹義相對(duì)論的平直時(shí)空是它的局域特例。從牛頓力學(xué)到狹義相對(duì)論再到廣義相對(duì)論,時(shí)空發(fā)生了變化,但主體與描述對(duì)象的關(guān)系沒(méi)有變,主體對(duì)客體的描述是客觀的。那么是否主體對(duì)認(rèn)知對(duì)象完全沒(méi)有主觀影響?如果有,它如何產(chǎn)生,又如何消解,實(shí)現(xiàn)客觀描述物質(zhì)世界?經(jīng)典力學(xué)中,人類(lèi)的處理方法是通過(guò)揭示“現(xiàn)象對(duì)觀察者的主觀依賴(lài)性”及其產(chǎn)生機(jī)理,在不同認(rèn)知領(lǐng)域區(qū)分描述中可以忽略的和不可忽略的,能忽略的舍棄,不能忽略的轉(zhuǎn)化成時(shí)空的屬性,實(shí)現(xiàn)客觀描述;而從牛頓力學(xué)(或相對(duì)論力學(xué))到量子力學(xué),時(shí)空沒(méi)有變化,描述對(duì)象具有波粒二象性,“量子現(xiàn)象的主觀依賴(lài)性”更為突出。如何消解“量子現(xiàn)象對(duì)觀察者的主觀依賴(lài)性”,實(shí)現(xiàn)量子現(xiàn)象的客觀描述,一直是量子力學(xué)基礎(chǔ)討論的熱點(diǎn)。量子力學(xué)必須有自己的客觀描述量子現(xiàn)象的時(shí)空⑥。
量子力學(xué)時(shí)空是閔氏時(shí)空的復(fù)數(shù)拓展和推廣⑦,由此可以實(shí)現(xiàn)客觀描述量子世界。它與相對(duì)論時(shí)空有交集,也有異域。有因必有果,反之亦然,時(shí)間與因果關(guān)系等價(jià)⑧。量子力學(xué)中的非定域性,與能量、動(dòng)量量子化及量子態(tài)的突變性相關(guān)聯(lián)。突變無(wú)須時(shí)間,導(dǎo)致因果鏈斷裂,與因果關(guān)聯(lián)的相互作用也被刪除,由此引進(jìn)了類(lèi)空間隔。平行并存量子態(tài)的出現(xiàn),是不遵從因果律的量子力學(xué)新表現(xiàn);當(dāng)能量、動(dòng)量和相互作用變得連續(xù),宏觀時(shí)序得到恢復(fù)時(shí),回到相對(duì)論時(shí)空,量子測(cè)量中“量子態(tài)和時(shí)空的坍縮”⑨ 是不同物理時(shí)空的轉(zhuǎn)換,希爾伯特空間只是它們的共同數(shù)學(xué)應(yīng)用空間⑩。
時(shí)空不是絕對(duì)的,相對(duì)時(shí)空有更廣闊的含義,人類(lèi)需要擴(kuò)大對(duì)時(shí)空概念的認(rèn)知,不同的認(rèn)知層次有不同的時(shí)空對(duì)應(yīng),復(fù)數(shù)時(shí)空更為本質(zhì)。人們不應(yīng)該將所有領(lǐng)域的物理實(shí)體歸于某一時(shí)空描述,或者用一種時(shí)空的性質(zhì)去否定另一種時(shí)空的存在。還是愛(ài)因斯坦說(shuō)得好:是理論告訴我們能夠觀察到什么。當(dāng)然,新的實(shí)驗(yàn)事實(shí)又將告訴人們,理論及其對(duì)應(yīng)的時(shí)空應(yīng)該如何修改和發(fā)展。理論不同時(shí)空不同,時(shí)空具有建構(gòu)特征。
二、時(shí)空的哲學(xué)認(rèn)知與物理學(xué)描述
時(shí)空是哲學(xué)的基本概念,也是物理學(xué)的基本概念。哲學(xué)認(rèn)為,時(shí)間和空間是物質(zhì)的存在形式,既不存在沒(méi)有時(shí)空的物質(zhì),也不存在沒(méi)有物質(zhì)的時(shí)空。笛卡爾指出,空間是事物的廣延性,時(shí)間是事物的持續(xù)性;康德認(rèn)為,時(shí)空是感性材料的先天直觀形式;牛頓提出時(shí)間和空間是彼此分離,絕對(duì)不變的,強(qiáng)調(diào)數(shù)學(xué)的時(shí)間自我均勻流逝;萊布尼茨說(shuō),空間是現(xiàn)象的共存序列,時(shí)間與運(yùn)動(dòng)相聯(lián)系;黑格爾認(rèn)為,事物運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)是空間和時(shí)間的直接統(tǒng)一。休謨認(rèn)為,時(shí)、空上的接近和先后關(guān)系與因果性直接相關(guān)。中國(guó)的“宇”和“宙”就是空間和時(shí)間概念,它是把三維空間和一維時(shí)間概念同宇宙密切聯(lián)系在一起的最早應(yīng)用{11}。
哲學(xué)具有啟示作用,但時(shí)空概念如果不與人的社會(huì)實(shí)踐、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、科學(xué)理論及其數(shù)學(xué)物理方法相聯(lián)系,就只能停留在形而上,無(wú)法上升為科學(xué)理論概念。
物理學(xué)中,空間從測(cè)量和描述物體及其運(yùn)動(dòng)的位置、形狀、方向中抽象出來(lái);時(shí)間則從描述物體運(yùn)動(dòng)的持續(xù)性、周期性,以及事件發(fā)生的順序、因果性中抽象出來(lái);空間和時(shí)間的性質(zhì),主要從物體運(yùn)動(dòng)及其相互作用的各種關(guān)系和度量中表現(xiàn)出來(lái)。描述物體的運(yùn)動(dòng),先選定參照物,并在參照物上建立一個(gè)坐標(biāo)系,一般參照物被抽象成點(diǎn),它就是坐標(biāo)系的原點(diǎn);假定被描述物體的形體結(jié)構(gòu)對(duì)討論的問(wèn)題(或?qū)⒄瘴锏臅r(shí)空)沒(méi)有影響,將物體抽象成質(zhì)點(diǎn),討論質(zhì)點(diǎn)在坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)及其相關(guān)規(guī)律,這就是物理學(xué)。由此,“時(shí)空是物質(zhì)的存在形式”的哲學(xué)認(rèn)知也就轉(zhuǎn)化為人類(lèi)可操作的具體物理理論描述。
可見(jiàn),時(shí)空的認(rèn)知與人類(lèi)的社會(huì)實(shí)踐、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、科學(xué)進(jìn)步直接相關(guān),離不開(kāi)物理和數(shù)學(xué)方法的應(yīng)用。笛卡爾平直空間、閔可夫斯基空間、黎曼空間都已作為物理學(xué)所依托的幾何學(xué),在牛頓力學(xué)、狹義相對(duì)論、廣義相對(duì)論中得到了充分應(yīng)用。由此,幾何學(xué)被賦予了物理意義。從牛頓力學(xué)到狹義相對(duì)論再到廣義相對(duì)論,時(shí)空發(fā)生了變化,但描述對(duì)象與觀察者之間的關(guān)系沒(méi)有變,描述是客觀的,并且描述對(duì)象都可抽象成經(jīng)典的粒子,采用質(zhì)點(diǎn)模型。量子力學(xué)不同,從牛頓力學(xué)(相對(duì)論力學(xué))到量子力學(xué),描述量子現(xiàn)象的時(shí)空沒(méi)有變化{12},物理模型沒(méi)有變,但量子現(xiàn)象對(duì)觀察者有明顯的主觀依賴(lài)性,難以客觀描述微觀量子現(xiàn)象。深入分析,解決的辦法有兩種,一是更換物理模型的同時(shí)也改變物理時(shí)空,消除“量子現(xiàn)象對(duì)觀察者的主觀依賴(lài)性”,實(shí)現(xiàn)客觀描述微觀量子客體;二是改變時(shí)空的同時(shí),保留“量子現(xiàn)象對(duì)觀察者的主觀依賴(lài)性”,將本體、認(rèn)識(shí)、時(shí)空融為一體,主觀納入客觀,模糊主客關(guān)系。雙4維時(shí)空量子力學(xué)基礎(chǔ)采用了第一種方法。通過(guò)場(chǎng)物質(zhì)球模型,把點(diǎn)模型隱藏的空間自由度釋放出來(lái);在改變物理模型的同時(shí),也改變了描述時(shí)空;將不是點(diǎn)的微觀客體自身的空間分布特性,轉(zhuǎn)化為描述空間的屬性,客觀描述量子客體。我們認(rèn)為,第二種方法將主觀認(rèn)識(shí)不加區(qū)分地“融入時(shí)空”,有損客觀性、科W性,量子力學(xué)時(shí)空必須是描述客觀世界的時(shí)空。物理時(shí)空需要建構(gòu)。
三、牛頓絕對(duì)時(shí)空中“現(xiàn)象對(duì)觀察者的主觀依賴(lài)性”及其“消解”
眾所周知,物理學(xué)對(duì)物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述,理應(yīng)包含參照物和被描述物體自身的時(shí)空特征,而參照物和物體自身的時(shí)空特征,必須通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)。觀察需要觀測(cè)信號(hào),物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及其時(shí)空特征必然帶有觀測(cè)信號(hào)的烙印{13}。
“物理本體”不可直接觀察,我們觀察到的是“物理實(shí)體”{14}。參照物與研究對(duì)象都有自己對(duì)應(yīng)的物理時(shí)空,牛頓力學(xué)時(shí)空應(yīng)該是兩者的綜合,而不應(yīng)該只是參照物的時(shí)空。但是,牛頓力學(xué)中光速無(wú)窮大,在討論物體運(yùn)動(dòng)時(shí),又假設(shè)研究對(duì)象的時(shí)空結(jié)構(gòu)對(duì)討論的問(wèn)題沒(méi)有影響,忽略不計(jì),于是,研究對(duì)象抽象成了質(zhì)點(diǎn),整個(gè)理論體系就只有與參照物聯(lián)系的時(shí)空了。
任何具體物體都不會(huì)是質(zhì)點(diǎn)。當(dāng)用信號(hào)去觀察它時(shí),物體自身的時(shí)空特征與物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與觀察信號(hào)的性質(zhì)、強(qiáng)弱和傳播速度相關(guān)。質(zhì)點(diǎn)模型忽略物體自身的幾何形象及其變化,忽略運(yùn)動(dòng)及觀察信號(hào)對(duì)物體自身時(shí)空特征的影響,參照物也不例外。在從參照物到坐標(biāo)系的抽象中,抽掉運(yùn)動(dòng)及觀察信號(hào)對(duì)參照物時(shí)空特性的影響,就是抽掉物體運(yùn)動(dòng)及觀察信號(hào)對(duì)坐標(biāo)系時(shí)空特性的影響,就是抽掉人的參與對(duì)時(shí)空認(rèn)知的影響{15}。牛頓力學(xué)時(shí)空與物體運(yùn)動(dòng)及觀察者無(wú)關(guān),絕對(duì)不變,基于絕對(duì)不動(dòng)的以太之上。所以,牛頓可以把時(shí)間和空間從物質(zhì)運(yùn)動(dòng)中分離出來(lái),時(shí)間和空間也彼此分割,空間絕對(duì)不變,數(shù)學(xué)的、永遠(yuǎn)流逝的時(shí)間絕對(duì)不變{16}。哲學(xué)的時(shí)空演變成了可操作的物理時(shí)空。這是宏觀低速運(yùn)動(dòng)對(duì)時(shí)空的簡(jiǎn)化與抽象,理論與宏觀經(jīng)驗(yàn)及計(jì)算相符。
相互作用實(shí)在論認(rèn)為,現(xiàn)實(shí)世界是人參與的世界,對(duì)一個(gè)研究對(duì)象的觀察,離不開(kāi)主體、客體、觀察信號(hào)三個(gè)基本要素。參照物和觀察對(duì)象的運(yùn)動(dòng)和變化及其時(shí)空屬性,與觀察信號(hào)的性質(zhì)相關(guān)。牛頓力學(xué)中,不是沒(méi)有現(xiàn)象對(duì)觀察主體的依賴(lài)性,而是在理論的建立中認(rèn)為影響很小,可以忽略不計(jì)。牛頓力學(xué)是“物理本體=物理實(shí)體”的力學(xué){17}。這與宏觀經(jīng)驗(yàn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)相符,在宏觀低速運(yùn)動(dòng)層次實(shí)現(xiàn)了主客二分,理論被看作是對(duì)客觀實(shí)在的描述。牛頓力學(xué)中,物質(zhì)告訴時(shí)空如何搭建描述背景,時(shí)空告訴物質(zhì)如何在背景中運(yùn)動(dòng)。二者構(gòu)成背景相關(guān)。
牛頓時(shí)空是均勻平直時(shí)空,相對(duì)勻速運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系間的變換是伽利略變換。物理定律在伽利略換下具有協(xié)變性,相對(duì)性原理成立。
四、狹義相對(duì)論中“現(xiàn)象對(duì)觀察者的主觀依賴(lài)性”及其“消解”
狹義相對(duì)論建立之前,洛倫茲就認(rèn)為高速運(yùn)動(dòng)中物體長(zhǎng)度在運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生收縮{18}。這是他站在牛頓時(shí)空立場(chǎng),承認(rèn)以太及絕對(duì)坐標(biāo)系的存在對(duì)洛倫茲變換所作的解釋。描述時(shí)空沒(méi)有變,“現(xiàn)象對(duì)觀察者出現(xiàn)了主觀依賴(lài)性”。自然現(xiàn)象失去了客觀性,這是一次認(rèn)識(shí)危機(jī),屬19世紀(jì)末20世紀(jì)初兩朵烏云之一。
狹義相對(duì)論不同,它考慮宏觀高速運(yùn)動(dòng)中觀察信號(hào)對(duì)物體時(shí)空特征的影響。愛(ài)因斯坦在“火車(chē)對(duì)時(shí)”實(shí)驗(yàn)中,他用“光”作為觀察、記錄、認(rèn)知物體時(shí)空特征的信號(hào){19};通過(guò)參照物到坐標(biāo)系的抽象,論證靜、動(dòng)坐標(biāo)系K與K′“同時(shí)性”不同,靜、動(dòng)坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)方向時(shí)空測(cè)量單位發(fā)生了變化;將洛倫茲所稱(chēng)“運(yùn)動(dòng)物體自身運(yùn)動(dòng)方向上的長(zhǎng)度收縮”演變成坐標(biāo)系時(shí)空框架的屬性,還原質(zhì)點(diǎn)模型,建立相對(duì)論力學(xué)。實(shí)現(xiàn)了觀察者對(duì)觀察對(duì)象的客觀描述。
狹義相對(duì)論中質(zhì)點(diǎn)的動(dòng)量、能量、位置和時(shí)間都有確定值,質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)具有確定的軌跡,這一點(diǎn)與牛頓力學(xué)相同。
狹義相對(duì)論時(shí)空的另一重要物理意義是揭示了“物理本體”的客觀實(shí)在性。
牛頓力學(xué)缺少相對(duì)論不可直接觀察的靜能(m0c2,m0c)對(duì)應(yīng)物,物理本體=物理實(shí)體,哲學(xué)上的抽象時(shí)空直接過(guò)渡到牛頓物理時(shí)空。
狹義相對(duì)論不一樣,每一個(gè)物體都有一個(gè)不可直接觀察的靜能(m0c2,m0c)對(duì)應(yīng)物,它在任何靜止參考系中都是不變量,是物理實(shí)體背后的物理本體,物理本體不變,變的是mc2、mc對(duì)應(yīng)的物理實(shí)體。“物理本體”既不是形而上的(物自體),也不是形而下的(物體),是形而中的(靜能對(duì)應(yīng)物)。它可以認(rèn)知、可以理論建構(gòu),但又不可直接觀察。相對(duì)于牛頓,愛(ài)因斯坦相對(duì)論揭示了“物理本體”的真實(shí)存在性。“客觀物質(zhì)世界”不是思維的產(chǎn)物。
狹義相對(duì)論中,物質(zhì)告訴時(shí)空在運(yùn)動(dòng)方向如何修正測(cè)量單位,時(shí)空告訴物質(zhì)如何長(zhǎng)度收縮、時(shí)間減緩。時(shí)空具有相對(duì)性。
狹義相對(duì)論時(shí)空雖然也是均勻平直時(shí)空,但由于有上述“相對(duì)時(shí)空”的出現(xiàn),時(shí)空度規(guī)與歐氏時(shí)空度規(guī)有明顯區(qū)別,所以稱(chēng)為贗歐氏時(shí)空。
但狹義相對(duì)論仍然是只考慮光及光速的有限性對(duì)建立時(shí)空的影響,沒(méi)有考慮引力作用對(duì)建立時(shí)空的影響。如果考慮引力對(duì)時(shí)空的影響又如何呢?
五、廣義相對(duì)論中“現(xiàn)象對(duì)觀察者的主觀依賴(lài)性”及其“消解”
廣義相對(duì)論中有水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)問(wèn)題和光走曲線的討論。站在牛頓平直時(shí)空的立場(chǎng),觀察結(jié)果與理論計(jì)算不符。這不是儀器的精度不夠,也不是操作失誤,而是理論本身的問(wèn)題。因?yàn)?,牛頓力學(xué)也好,狹義相對(duì)論也好,討論引力問(wèn)題,引力場(chǎng)對(duì)參照物和研究對(duì)象時(shí)空屬性的影響都沒(méi)有計(jì)入其中,而留在觀察者對(duì)“現(xiàn)象”的觀察、判斷之中,出現(xiàn)宇觀大尺度“現(xiàn)象對(duì)觀察者的主觀依賴(lài)性”。如果考慮引力場(chǎng)使時(shí)空發(fā)生彎曲,利用彎曲時(shí)空計(jì)算水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)和光走曲線現(xiàn)象,“現(xiàn)象對(duì)觀察者的主觀依賴(lài)性”就變成時(shí)空的屬性?!艾F(xiàn)象對(duì)觀察者的主觀依賴(lài)性”就得到了“消解”,觀察現(xiàn)象與理論結(jié)果就取得了一致。這里,物質(zhì)使時(shí)空彎曲,時(shí)空告訴物質(zhì)如何在彎曲時(shí)空中運(yùn)動(dòng)。廣義相對(duì)論實(shí)現(xiàn)了觀察者對(duì)觀察對(duì)象的客觀描述。
廣義相對(duì)論時(shí)空是彎曲的,時(shí)空度規(guī)是變化的。
六、量子力學(xué)中“現(xiàn)象對(duì)觀察者的主觀依賴(lài)性”及其“消解”
微觀客體具有波粒二象性,同一個(gè)電子,通過(guò)雙縫表現(xiàn)為波,而打在屏幕上又表現(xiàn)為粒子,電子集波和粒子于一身,“量子現(xiàn)象對(duì)觀察者的主觀依賴(lài)性”更為突出。經(jīng)典力學(xué)中波動(dòng)性和粒子性不能集物體于一身,量子力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)表現(xiàn)出深刻的矛盾。矛盾的產(chǎn)生,可能是描述微觀現(xiàn)象的時(shí)空出了問(wèn)題。量子力學(xué)的研究領(lǐng)域是微觀世界,研究對(duì)象是微觀客體,不是經(jīng)典的粒子,用以觀察的信號(hào)也不是連續(xù)的光,而是量子化了的光,通過(guò)光信號(hào)建立的時(shí)空應(yīng)該與牛頓、相對(duì)論時(shí)空有所區(qū)別。而量子力學(xué)使用的還是牛頓時(shí)空、狹義相對(duì)論時(shí)空,時(shí)空沒(méi)有變,物理模型沒(méi)有變,而研究領(lǐng)域、觀察信號(hào)和研究“對(duì)象”變了。量子力學(xué)必須有自己對(duì)應(yīng)的時(shí)空,將“量子現(xiàn)象對(duì)觀察者的主觀依賴(lài)性”,轉(zhuǎn)化為描述時(shí)空的屬性,實(shí)現(xiàn)客觀描述量子現(xiàn)象! 雙4維時(shí)空量子力學(xué)就是為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)應(yīng)運(yùn)而生的。
現(xiàn)有量子力學(xué)“量子現(xiàn)象對(duì)觀察者的主觀依賴(lài)性”之所以難以消解,與量子力學(xué)中的點(diǎn)模型相關(guān)。許多量子現(xiàn)象與點(diǎn)模型隱藏的空間自由度有直接聯(lián)系,但點(diǎn)模型忽略了這些自由度對(duì)產(chǎn)生微觀量子現(xiàn)象的作用和影響。我們必須將隱藏的空g自由度還原于時(shí)空,才可能正確地認(rèn)識(shí)、客觀描述量子現(xiàn)象。
可以公認(rèn),微觀客體不是點(diǎn){20},是一個(gè)有形客體,有一定的空間分布,不存在確定于某點(diǎn)的空間位置,這是客觀事實(shí)。理論上,牛頓時(shí)空幾何點(diǎn)位置是確定的,量子力學(xué)使用的是質(zhì)點(diǎn)模型,0 維,位置也是確定的,牛頓時(shí)空可以精確描述質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)。那么微觀客體空間分布的不確定性如何處理?人們只好轉(zhuǎn)而認(rèn)為點(diǎn)粒子在其“空間分布”區(qū)域位置具有概率屬性。微觀客體自身空間分布的客觀實(shí)在性在量子世界轉(zhuǎn)化成了一種主觀認(rèn)知,賦予了微觀客體“內(nèi)稟”的概率屬性,其運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生概率分布,或稱(chēng)其為概率波。
這是一個(gè)認(rèn)識(shí)上的困惑,似乎量子力學(xué)描述失去了客觀實(shí)在性。這也是量子力學(xué)當(dāng)今的困境。解決困難的方法是:(一)更換點(diǎn)模型,釋放點(diǎn)模型隱藏的自由度,展示“這些自由度對(duì)產(chǎn)生微觀現(xiàn)象的貢獻(xiàn)”;(二)建立適合量子力學(xué)自身的時(shí)空,將釋放的自由度植入其中,讓“量子現(xiàn)象對(duì)觀察者的主觀依賴(lài)性”變成量子力學(xué)時(shí)空自身的屬性。
雙4維時(shí)空量子力學(xué)的辦法是:(一)用“轉(zhuǎn)動(dòng)場(chǎng)物質(zhì)球”模型取代“質(zhì)點(diǎn)”模型,釋放點(diǎn)模型隱藏的空間自由度;(二)將4維實(shí)時(shí)空M4(x)拓展到雙4維復(fù)時(shí)空W(x,k),且將“釋放的空間自由度――曲率k”作為雙4維復(fù)時(shí)空的虛部坐標(biāo);(三)4維曲率坐標(biāo)將量子力學(xué)賦予微觀客體自身的概率屬性變成量子力學(xué)復(fù)時(shí)空的幾何屬性,場(chǎng)物質(zhì)球自身的旋轉(zhuǎn)與運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生物質(zhì)波――物理波。
“場(chǎng)物質(zhì)球”與“物質(zhì)波”(類(lèi)似對(duì)偶性假設(shè))既是同一物理實(shí)在的兩種不同描述方式,更是微觀客體粒子性和波動(dòng)性的統(tǒng)一,曲率的大小表示粒子性,曲率的變化表示波動(dòng)性。場(chǎng)物質(zhì)球的物質(zhì)密度是曲率k的函數(shù),因此,物質(zhì)波既是場(chǎng)物質(zhì)球的結(jié)構(gòu)波又是場(chǎng)物質(zhì)密度波。物質(zhì)波不是傳播能量,而是傳播場(chǎng)物質(zhì)球的結(jié)構(gòu)或物質(zhì)密度變化,可映射成實(shí)時(shí)空M4(x)的概率分布{21},與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。
這樣,點(diǎn)模型中“量子現(xiàn)象對(duì)觀察者的主觀依賴(lài)性”通過(guò)“釋放的自由度”轉(zhuǎn)變?yōu)闀r(shí)空W(x,k)的屬性,物質(zhì)波傳播其中,量子現(xiàn)象是物質(zhì)波所為。
研究表明,是量子測(cè)量引入的連續(xù)作用,使雙4維時(shí)空W(x,k)全域轉(zhuǎn)換到實(shí)時(shí)空M4(x),波動(dòng)形態(tài)轉(zhuǎn)變成粒子形態(tài)(“相變”),球模型轉(zhuǎn)換成點(diǎn)模型,概率屬性?xún)?nèi)在其中,物質(zhì)波自動(dòng)映射成概率波,數(shù)學(xué)處理類(lèi)似表象變換{22}。
簡(jiǎn)言之,傳統(tǒng)量子力學(xué),微觀客體簡(jiǎn)化成質(zhì)點(diǎn),描述時(shí)空不變,人的主觀意識(shí)介入其中,將其空間分布特性――位置不確定性,變成點(diǎn)粒子的概率屬性,實(shí)現(xiàn)描述對(duì)象從客觀到主觀認(rèn)知的轉(zhuǎn)變,具有位置不確定性的點(diǎn)粒子,其運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生概率波;雙4維時(shí)空量子力學(xué),微觀客體簡(jiǎn)化成場(chǎng)物質(zhì)球,“空間分布具體化為幾何曲率”,空間分布特性變成曲率坐標(biāo),仍然是從客觀到客觀,描述時(shí)空變成了復(fù)時(shí)空,曲率坐標(biāo)在其虛部,場(chǎng)物質(zhì)球的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生物質(zhì)波――物理波。通過(guò)量子測(cè)量,物質(zhì)波映射成概率波,球模型演變成點(diǎn)模型,顯示概率屬性,時(shí)空內(nèi)在自動(dòng)轉(zhuǎn)換,量子現(xiàn)象對(duì)觀察者的主觀依賴(lài)性消解在建構(gòu)的時(shí)空理論中。具體論證方法是:
將靜態(tài)場(chǎng)物質(zhì)球?qū)懗勺孕▌?dòng)形式:Ψ0=е■,描述在復(fù)空間。ω0是常數(shù),它的變化只與自身坐標(biāo)系時(shí)間t0相關(guān),全空間分布(物理本體所在空間)。設(shè)建在“靜態(tài)”場(chǎng)物質(zhì)球上的坐標(biāo)系為K0,觀察微觀客體從靜止開(kāi)始作蛩僭碩,由洛倫茲變換:
微觀客體的運(yùn)動(dòng)速度不同,平面波相位不同。復(fù)相空間kμxμ即為物質(zhì)波所在時(shí)空。物質(zhì)波是物理波。
自由微觀客體的速度就是建在其上慣性坐標(biāo)系的速度,慣性系間的坐標(biāo)變換,隱藏速度突變――“超光速”概念,因?yàn)?,連續(xù)變化會(huì)引進(jìn)引力場(chǎng)破壞線性空間。不同慣性系中平面波之間,相位不同,類(lèi)似量子力學(xué)中的不同本征態(tài)。這是相對(duì)論中的情形{24}。
但是,量子力學(xué)建立其理論體系時(shí),把上述不同慣性系中的平面波(不同本征態(tài),每一本征態(tài)則對(duì)應(yīng)一慣性系),通過(guò)本征態(tài)突變躍遷假設(shè)(量子分割),切斷因果聯(lián)系,形成同一時(shí)空中“同時(shí)”并存的本征態(tài)的疊加。態(tài)的躍遷不需要時(shí)間,“超光速”(非定域),將類(lèi)空間隔引入量子力學(xué)時(shí)空,破壞了原有的因果關(guān)系。疊加量子態(tài)的存在,是“違背”因果律在量子力學(xué)中的新表現(xiàn)。
量子力學(xué)時(shí)空顯然不是牛頓、狹義相對(duì)論時(shí)空,但量子力學(xué)卻誤認(rèn)為量子躍遷引起的時(shí)空性質(zhì)的變化是牛頓、狹義相對(duì)論時(shí)空中的特征,這當(dāng)然會(huì)帶來(lái)不可調(diào)和的認(rèn)知矛盾。
同一微觀客體,不同本征態(tài)“同時(shí)”并存的物理狀態(tài),從整體看,是洛倫茲協(xié)變性在量子力學(xué)中的新表現(xiàn)。突變區(qū)“超光速”,是類(lèi)空空間,“不遵從”因果律;釋放光子的運(yùn)動(dòng)在類(lèi)光空間;而本征態(tài)自身在類(lèi)時(shí)空間,微觀客體運(yùn)動(dòng)速度不能超過(guò)光速,需保持因果律,物質(zhì)波討論的就是這一部分,就像相對(duì)論討論類(lèi)時(shí)空間物理一樣。量子糾纏態(tài)將涉及到上述三種不同性質(zhì)物理空間量子態(tài)的轉(zhuǎn)換,有完全合理的物理機(jī)制,不需要思維的特殊作用。不過(guò),相對(duì)論長(zhǎng)度收縮效應(yīng),將以物質(zhì)波波長(zhǎng)在運(yùn)動(dòng)方向上的收縮來(lái)體現(xiàn)。有了雙4維時(shí)空量子力學(xué),量子力學(xué)與相對(duì)論就是相容的,光錐圖分析一樣適用。
相對(duì)論與量子力學(xué)的不同,關(guān)鍵在于認(rèn)知層次發(fā)生了變化,光由連續(xù)場(chǎng)演變成了量子場(chǎng)。而我們用來(lái)觀察世界的光信號(hào)直接與時(shí)空相關(guān),光的物理性質(zhì)的變化,必然帶來(lái)物理空間性質(zhì)的變化,帶來(lái)物理模型的變化,帶來(lái)量子力學(xué)時(shí)空W(x,k)與相對(duì)論時(shí)空M4(x)之間的區(qū)別,帶來(lái)對(duì)物質(zhì)波――物理波的全新認(rèn)知。我們預(yù)言,物質(zhì)波有通訊應(yīng)用價(jià)值{25},但與量子力學(xué)非定域性無(wú)關(guān)。
《雙4維復(fù)時(shí)空量子力學(xué)基礎(chǔ)――量子概率的時(shí)空起源》的理論實(shí)踐表明,我們的工作是可取的{26}。結(jié)論是,量子力學(xué)中,物質(zhì)告訴時(shí)空如何具有概率屬性,時(shí)空告訴物質(zhì)如何作概率運(yùn)動(dòng)。量子現(xiàn)象對(duì)觀察者的主觀依賴(lài)性消解在對(duì)應(yīng)的時(shí)空理論之中,實(shí)現(xiàn)了觀察者對(duì)量子現(xiàn)象的客觀描述。
雙4維時(shí)空是描述量子現(xiàn)象的物理時(shí)空,時(shí)空度規(guī),無(wú)論實(shí)數(shù)部分,還是虛數(shù)部分,都是平直的{27}。
近年來(lái),由于量子通訊技術(shù)的飛速發(fā)展,量子糾纏的物理基礎(chǔ)引起了人們的特別關(guān)注,波函數(shù)的物理本質(zhì),量子力學(xué)的非定域性討論十分熱烈?!傲孔蝇F(xiàn)象對(duì)觀察者的主觀依賴(lài)性”更是討論的核心。人們甚至被量子現(xiàn)象的奇異性迷惑了,特別是,有科學(xué)家甚至認(rèn)為:“客觀世界很有可能并不存在”。世界是人臆造出來(lái)的?科學(xué)實(shí)在論者當(dāng)然不能贊成!更加深入的探討,我們將另文討論。
按照曹天予的評(píng)論,《雙4維復(fù)時(shí)空量子力學(xué)基礎(chǔ)――量子概率的時(shí)空起源》值得關(guān)注{28}。雙4維復(fù)時(shí)空與弦論、圈論比較,最大優(yōu)點(diǎn)是將時(shí)空拓展、推廣到了復(fù)數(shù)空間,數(shù)學(xué)沒(méi)有那么復(fù)雜,而物理學(xué)基礎(chǔ)卻更加堅(jiān)實(shí)、清晰。
七、結(jié)論與討論
1.“現(xiàn)象對(duì)觀察者的主觀依賴(lài)性”普遍存在于人與自然的關(guān)系之中,融入時(shí)空的只能是物理實(shí)體對(duì)時(shí)空有影響的部分,時(shí)空具有建構(gòu)特征。
2. 物質(zhì)運(yùn)動(dòng)與時(shí)空的關(guān)系:牛頓力學(xué)中,物質(zhì)告訴時(shí)空如何搭建運(yùn)動(dòng)背景,時(shí)空告訴物質(zhì)如何在背景上運(yùn)動(dòng);狹義相對(duì)論中,物質(zhì)告訴時(shí)空如何修正測(cè)量單位,時(shí)空告訴物質(zhì)如何在運(yùn)動(dòng)方向長(zhǎng)度收縮、時(shí)間減緩;廣義相對(duì)論中,物質(zhì)告訴時(shí)空如何彎曲,時(shí)空告訴物質(zhì)如何在彎曲時(shí)空中運(yùn)動(dòng);量子力學(xué)中,物質(zhì)告訴時(shí)空如何具有概率屬性,時(shí)空告訴物質(zhì)如何作概率運(yùn)動(dòng)。
3. 量子力學(xué)時(shí)空是平直的,其方程是線性的,而廣義相對(duì)論時(shí)空是彎曲的,其方程是非線性的{29}。量子力學(xué)與廣義相對(duì)論的統(tǒng)一,不能機(jī)械地湊合,它們的統(tǒng)一,必須從改變時(shí)空的性質(zhì)做起,建立相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)方程,并搭起非線性空間與線性空間的相互聯(lián)絡(luò)通道。
注釋?zhuān)?/p>
① 趙國(guó)求:《雙4維時(shí)空量子力學(xué)基礎(chǔ)》,湖北科學(xué)技術(shù)出版社2016年版,第5頁(yè);Cao Tian Yu, From Current Algebra to Quantum Chromodynamics: A Case for Structural Realism, Cambridge: Cambridge University Press, 2010, pp.202-241.
② Rocher Edouard, Noumenon: Elementaryentity of a Newmechanics, J. Math. Phys., 1972, 13(12), pp.1919-1925.
③④⑥⑦⑩{13}{15}{17}{21}{22}{24}{25}{27} w國(guó)求:《雙4維時(shí)空量子力學(xué)基礎(chǔ)》,湖北科學(xué)技術(shù)出版社2016年版,第5、105、9、147、179、94、133―136、106、151、151、159、152、149頁(yè)。
⑤ 主觀與客觀:“客觀”,觀察者外在于被觀察事物;“主觀”,觀察者參與到被觀察事物當(dāng)中。 辯證唯物主義認(rèn)為主觀和客觀是對(duì)立的統(tǒng)一,客觀不依賴(lài)于主觀而獨(dú)立存在,主觀能動(dòng)地反映客觀。
⑧ L?斯莫林:《通向量子引力的三條途徑》,李新洲等譯,上??茖W(xué)技術(shù)出版社2003年版,第29―33頁(yè)。
⑨ 張永德:《量子菜根譚》,清華大學(xué)出版社2012年版,第29頁(yè);趙國(guó)求:《雙4維時(shí)空量子力學(xué)基礎(chǔ)》,湖北科學(xué)技術(shù)出版社2016年版,第178頁(yè)。
{11} 馮契:《哲學(xué)大辭典》,上海辭書(shū)出版社2001年版,第1579―1582頁(yè)。
{12} 參見(jiàn)L?斯莫林:《物理學(xué)的困惑》,李泳譯,湖南科學(xué)技術(shù)出版社2008年版。
{14} 相互作用實(shí)在論中的基本概念:(1)物質(zhì):外在世界的本原。(2)基本相互作用:遍指自然力,有引力,電磁、強(qiáng)、弱等力。(3)自在實(shí)體:指未經(jīng)觀察的“自然客體”(相互作用實(shí)在論中,自在實(shí)體作為物理研究對(duì)象時(shí)稱(chēng)物理本體)。(4)現(xiàn)象實(shí)體:經(jīng)過(guò)觀察,系統(tǒng)的、穩(wěn)定的、深刻反映事物本質(zhì)的理性認(rèn)知物。現(xiàn)象則表現(xiàn)自在實(shí)體非本質(zhì)的一面。(相互作用實(shí)在論中,現(xiàn)象實(shí)體作為物理研究對(duì)象時(shí)稱(chēng)物理實(shí)體)。(5)觀測(cè)信號(hào):人類(lèi)認(rèn)知世界使用的探測(cè)信號(hào)。
{16} 參見(jiàn)伊?牛頓:《自然哲學(xué)之?dāng)?shù)學(xué)原理宇宙體系》,武漢出版社1996年版。
{18} 參見(jiàn)倪光炯等:《近代物理學(xué)》,上海科學(xué)技術(shù)出版社1980年版。
{19} 參見(jiàn)A?愛(ài)因斯坦:《相對(duì)論的意義》,科學(xué)出版社1979年版;愛(ài)因斯坦等:《物理學(xué)的進(jìn)化》,周肇威譯,上??茖W(xué)技術(shù)出版社1964年版。
{20} 坂田昌一:《坂田昌一科學(xué)哲學(xué)論文集》,安度譯,知識(shí)出版社2001年版,第140頁(yè)。
{23} 參見(jiàn)Guo Qiu Zhao, Describe Quantum Mechanics in Dual 4d Complex Space-Time and the Ontological Basis of Wave Function, Journal of Modern Physics, 2014, 5(16), p.1684;趙國(guó)求:《雙4維時(shí)空量子力學(xué)基礎(chǔ)》,湖北科學(xué)技術(shù)出版社2016年版,第149頁(yè)。
{26} 參見(jiàn)Guo Qiu Zhao, Describe Quantum Mechanics in Dual 4d Complex Space-Time and the Ontological Basis of Wave Function, Journal of Modern Physics, 2014, 5(16), p.1684;趙國(guó)求:《雙4維時(shí)空量子力學(xué)描述》,
《現(xiàn)代物理》2013年第5期;趙國(guó)求、李康、吳國(guó)林:《量子力學(xué)曲率詮釋論綱》,《武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)》(社會(huì)科學(xué)版)2013年第1期。
{28} 曹天予:《當(dāng)代科學(xué)哲學(xué)中的庫(kù)恩挑戰(zhàn)》,《中國(guó)社會(huì)科學(xué)報(bào)》2016年5月31日。
關(guān)鍵詞:微電子;半導(dǎo)體物理;教學(xué)質(zhì)量;教學(xué)方法
作者簡(jiǎn)介:湯乃云(1976-),女,江蘇鹽城人,上海電力學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院,副教授。(上海200090)
基金項(xiàng)目:本文系上海自然科學(xué)基金(編號(hào):B10ZR1412400)、上海市科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃地方院校能力建設(shè)項(xiàng)目(編號(hào):10110502200)的研究成果。
中圖分類(lèi)號(hào):G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1007-0079(2012)13-0059-02
隨著半導(dǎo)體和集成電路的迅猛發(fā)展,微電子技術(shù)已經(jīng)滲透到電子信息學(xué)科的各個(gè)領(lǐng)域,電子、通信、控制等諸多學(xué)科都融合了微電子科學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)。[1]作為微電子技術(shù)的理論基礎(chǔ),半導(dǎo)體物理研究、半導(dǎo)體材料和器件的基本性能和內(nèi)在機(jī)理是研究集成電路工藝、設(shè)計(jì)及應(yīng)用的重要理論基礎(chǔ);作為微電子學(xué)相關(guān)專(zhuān)業(yè)的特色課程及后續(xù)課程的理論基礎(chǔ),“半導(dǎo)體物理”的教學(xué)直接影響了后續(xù)專(zhuān)業(yè)理論及實(shí)踐的教學(xué)。目前,對(duì)以工程能力培養(yǎng)為目標(biāo)的微電子類(lèi)相關(guān)專(zhuān)業(yè),如電子科學(xué)與技術(shù)、微電子、集成電路設(shè)計(jì)等,均強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的電路設(shè)計(jì)能力,注重學(xué)生的工程實(shí)踐能力的培養(yǎng),在課程設(shè)置及教學(xué)上輕視基礎(chǔ)理論課程。由于“半導(dǎo)體物理”的理論較為深?yuàn)W,知識(shí)點(diǎn)多,涉及范圍廣,理論推導(dǎo)復(fù)雜,學(xué)科性很強(qiáng),對(duì)于學(xué)生的數(shù)學(xué)物理的基礎(chǔ)要求較高。對(duì)于沒(méi)有固體物理、量子力學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理等基礎(chǔ)知識(shí)背景的微電子學(xué)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō),在半導(dǎo)體物理的學(xué)習(xí)和理解上都存在一定的難度。因此需要針對(duì)目前教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題與不足,優(yōu)化和整合教學(xué)內(nèi)容,探索形象化教學(xué)手段,結(jié)合科技發(fā)展熱點(diǎn)問(wèn)題,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,提高半導(dǎo)體物理課程的教學(xué)質(zhì)量。
一、循序漸進(jìn),有增有減,構(gòu)建合理的教學(xué)內(nèi)容
目前,國(guó)內(nèi)微電子專(zhuān)業(yè)大部分選用了電子工業(yè)出版社劉恩科等編寫(xiě)的《半導(dǎo)體物理學(xué)》,[2]教材知識(shí)內(nèi)容體系完善,涉及內(nèi)容范圍廣、知識(shí)點(diǎn)多、理論推導(dǎo)復(fù)雜、學(xué)科交叉性強(qiáng)。該教材的學(xué)習(xí)需要學(xué)生有扎實(shí)的固體物理、量子力學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理以及數(shù)學(xué)物理方法等多門(mén)前置學(xué)科的基礎(chǔ)知識(shí)。但是在以培養(yǎng)工程技術(shù)人員為目標(biāo)的微電子學(xué)類(lèi)專(zhuān)業(yè)中,國(guó)內(nèi)大部分高校均未開(kāi)設(shè)量子力學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理學(xué)及固體物理學(xué)等相應(yīng)的前置課程。學(xué)生缺少相應(yīng)固體物理、統(tǒng)計(jì)物理與量子力學(xué)等背景知識(shí),沒(méi)有掌握相關(guān)理論基礎(chǔ),對(duì)半導(dǎo)體物理的學(xué)習(xí)感到頭緒繁多,難以理解,容易產(chǎn)生畏學(xué)和厭學(xué)情緒。
在課程教學(xué)中教師必須根據(jù)學(xué)生的數(shù)理基礎(chǔ),把握好課程的內(nèi)容安排,抓住重點(diǎn)和難點(diǎn),對(duì)原有的教材進(jìn)行補(bǔ)充更新,注意將部分量子力學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理學(xué)、固體物理學(xué)等相關(guān)知識(shí)融合貫穿在教學(xué)中,避免學(xué)生在認(rèn)識(shí)上產(chǎn)生跳躍。例如在講解導(dǎo)體晶格結(jié)構(gòu)內(nèi)容前,可以增加2-3個(gè)學(xué)時(shí)的量子力學(xué)和固體物理學(xué)中基礎(chǔ)知識(shí),讓學(xué)生在課程開(kāi)展前熟悉晶體的結(jié)構(gòu),了解晶格、晶胞、晶向、晶面、晶格常數(shù)等基本概念,掌握晶向指數(shù)、晶面指數(shù)的求法,了解微觀粒子的基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律。在講解半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)前,增加兩個(gè)學(xué)時(shí)量子力學(xué)知識(shí),使學(xué)生了解粒子的波粒二象性,掌握晶體中薛定諤方程及其求解的基本方法。在進(jìn)行一些復(fù)雜的公式推導(dǎo)時(shí),隨時(shí)復(fù)習(xí)或補(bǔ)充一些重要的高等數(shù)學(xué)定理及公式,如泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)等。這些都是學(xué)習(xí)“半導(dǎo)體物理學(xué)”必備的知識(shí),只有在透徹理解這些基本概念的前提下,才能對(duì)半導(dǎo)體課程知識(shí)進(jìn)行深入地學(xué)習(xí)和掌握。
另一方面,對(duì)于微電子學(xué)專(zhuān)業(yè)來(lái)講,側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí),“半導(dǎo)體物理”課程中的部分教學(xué)內(nèi)容對(duì)于工科本科學(xué)生來(lái)說(shuō)過(guò)于艱深,因此在滿(mǎn)足本學(xué)科知識(shí)的連貫性、系統(tǒng)性與后續(xù)專(zhuān)業(yè)課需要的前提下,大量刪減了涉及艱深物理理論及復(fù)雜數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)的內(nèi)容,如在講述載流子在電場(chǎng)中的加速以及散射時(shí),可忽略載流子熱運(yùn)動(dòng)速度的區(qū)別及各向異性散射效應(yīng),即玻耳茲曼方程的引入,推導(dǎo)及應(yīng)用可省略不講。
二、豐富教學(xué)手段,施行多樣化教學(xué)方法,使教學(xué)形象化
半導(dǎo)體物理的特點(diǎn)是概念多、理論多、物理模型抽象,不易理解,如非平衡載流子的一維飄移和擴(kuò)散,載流子的各種復(fù)合機(jī)理,金屬和半導(dǎo)體接觸的能帶圖等。這些物理概念和理論模型單一從課本上學(xué)習(xí),學(xué)生會(huì)感覺(jué)內(nèi)容枯燥,缺少直觀性和形象性,學(xué)習(xí)起來(lái)比較困難。為了讓學(xué)生能較好地掌握這些模型和理論,需要采用多樣化的教學(xué)方法,充分利用PPT、Flash等多媒體軟件、實(shí)物模型、生產(chǎn)錄像等多種信息化教學(xué)手段,模擬微觀過(guò)程,使教學(xué)信息具體化,邏輯思維形象化,增強(qiáng)教學(xué)的直觀性和主動(dòng)性。同時(shí),教師除開(kāi)展啟發(fā)式、討論式等教學(xué)方法調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、積極性外,[3,4]還可以應(yīng)用類(lèi)比方法幫助他們理解物理概念或模型。如講半導(dǎo)體材料中的缺陷及躍遷機(jī)制時(shí),為了幫助學(xué)生理解,可以做一個(gè)類(lèi)比:將階梯教師里單位面積的座位數(shù)比做晶格各能級(jí)上的電子能態(tài)密度,把學(xué)生當(dāng)作電子,一個(gè)學(xué)生坐在某一排的某個(gè)座位上,即認(rèn)為這個(gè)電子被晶格束縛。當(dāng)有外來(lái)學(xué)生進(jìn)入教室,在教室過(guò)道上走動(dòng)時(shí),可類(lèi)比為間隙式缺陷;而當(dāng)外來(lái)學(xué)生取代現(xiàn)有學(xué)生的座位時(shí),可類(lèi)比為填隙式缺陷等等。通過(guò)類(lèi)比,學(xué)生對(duì)半導(dǎo)體內(nèi)部的點(diǎn)缺陷的概念的理解就清楚形象多了。
三、結(jié)合微電子行業(yè)領(lǐng)域的迅速發(fā)展,以市場(chǎng)為導(dǎo)向,培養(yǎng)學(xué)生興趣
微電子技術(shù)的發(fā)展歷史,實(shí)際上就是固體物理與半導(dǎo)體物理不斷發(fā)展和創(chuàng)新的過(guò)程,[5]1947年發(fā)明點(diǎn)接觸型晶體管、1948年發(fā)明結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管以及以后的硅平面工藝、集成電路、CMOS技術(shù)、半導(dǎo)體隨機(jī)存儲(chǔ)器、CPU、非揮發(fā)存儲(chǔ)器等微電子領(lǐng)域的重大發(fā)明,都與一系列的固體物理、[6]半導(dǎo)體物理及材料科學(xué)的重大突破有關(guān)??v觀微電子工業(yè)的發(fā)展,究竟是哪些半導(dǎo)體理論推動(dòng)了微電子技術(shù)的發(fā)展,哪些科學(xué)家推導(dǎo)并得出了這些理論?他們?cè)诶碚撏茖?dǎo)的同時(shí)遇到了哪些困難?這些理論規(guī)律又起源于哪些實(shí)驗(yàn)?到了21世紀(jì),也就是今后50年微電子技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和主要的創(chuàng)新領(lǐng)域,[5,6]即以硅基CMOS電路為主流工藝,系統(tǒng)芯片SOC(System On A Chip)為發(fā)展重點(diǎn),量子電子器件和以分子(原子)自組裝技術(shù)為基礎(chǔ)的納米電子學(xué);[7]與其他學(xué)科的結(jié)合誕生新的技術(shù)增長(zhǎng)點(diǎn),如MEMS,DNA Chip等,也都于半導(dǎo)體科學(xué)相關(guān)。這些新的微電子發(fā)展趨勢(shì)主要涉及半導(dǎo)體物理中的哪些知識(shí)?涉及哪些領(lǐng)域等?
針對(duì)以上問(wèn)題,教師在講授半導(dǎo)體物理的基礎(chǔ)上,對(duì)教材進(jìn)行補(bǔ)充更新。在保持基礎(chǔ)知識(shí)體系完整性的同時(shí),避免面面俱到,刪減課本中一些不必要的內(nèi)容,大量加入近幾十年來(lái)發(fā)展成熟的新理論、新知識(shí),突出研究熱點(diǎn)問(wèn)題,力求做到基礎(chǔ)性和前瞻性的緊密結(jié)合,使學(xué)生在掌握基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)對(duì)微電子發(fā)展歷史中半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)有一個(gè)清晰地認(rèn)識(shí),讓學(xué)生能從中掌握事物的本質(zhì),促進(jìn)思維的發(fā)展,形成技能;同時(shí)注重與信息化技術(shù)相結(jié)合,將近幾年半導(dǎo)體技術(shù)的最新研究成果,如太陽(yáng)能電池等半導(dǎo)體光伏發(fā)電技術(shù)在國(guó)家綠色能源戰(zhàn)略上的地位,半導(dǎo)體光電探測(cè)器在國(guó)家航天戰(zhàn)略上的應(yīng)用等,使學(xué)生能及時(shí)掌握半導(dǎo)體技術(shù)前沿發(fā)展趨勢(shì)。將這些問(wèn)題分成若干個(gè)相關(guān)的專(zhuān)題分派給學(xué)生,學(xué)生自行查閱和搜集資料,他們?cè)谡n堂上講述該專(zhuān)題,教師加以引導(dǎo)和幫助。這種方式不僅充分調(diào)動(dòng)課堂氣氛,加深他們對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解,同時(shí)也讓學(xué)生學(xué)習(xí)了半導(dǎo)體物理課程在微電子專(zhuān)業(yè)中課程體系的作用,在科學(xué)意識(shí)上加深了半導(dǎo)體物理課程的重要性,激發(fā)學(xué)習(xí)興趣和欲望。
同時(shí),為幫助學(xué)生了解學(xué)術(shù)前沿,培養(yǎng)專(zhuān)業(yè)興趣,還可邀請(qǐng)校內(nèi)外的專(zhuān)家做講座,學(xué)生可以利用課余時(shí)間,根據(jù)自己的興趣選擇聽(tīng)取,加深對(duì)半導(dǎo)體物理課程的了解,培養(yǎng)專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)興趣。
四、總結(jié)
總之,“半導(dǎo)體物理學(xué)”是微電子技術(shù)專(zhuān)業(yè)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課,為后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下理論基礎(chǔ)。在“半導(dǎo)體物理”教學(xué)過(guò)程中,應(yīng)積極采用現(xiàn)代化教學(xué)手段提高學(xué)生積極性,在教學(xué)過(guò)程中合理安排教學(xué)內(nèi)容,與時(shí)俱進(jìn)引入科技熱點(diǎn),削弱傳統(tǒng)的課本知識(shí)與市場(chǎng)需求的鴻溝,培養(yǎng)適應(yīng)社會(huì)需求的微電子人才。
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自從 Thompson 于100多年前發(fā)現(xiàn)了作為第一個(gè)基本粒子的電子以來(lái),粒子物理逐漸成為現(xiàn)代科學(xué)的前沿,受到了普遍的關(guān)注,吸引了越來(lái)越多的實(shí)驗(yàn)家和理論家投入其中。他們企圖發(fā)現(xiàn)物質(zhì)的最深層結(jié)構(gòu),探究這些最基本組分之間的作用力,并致力于這些作用力的統(tǒng)一描述的實(shí)驗(yàn)和理論研究。粒子物理實(shí)驗(yàn)家和理論家們當(dāng)前還面對(duì)許多需要進(jìn)一步努力解決的難題。比如,到底有多少代夸克和輕子存在?費(fèi)米子質(zhì)量是怎么來(lái)的?“上帝的粒子”Higgs粒子究竟有沒(méi)有?CP破壞來(lái)源是什么?為什么物質(zhì)與反物質(zhì)如此的不平衡?引力怎樣才能與其它相互作用統(tǒng)一起來(lái)?
本書(shū)不僅涵蓋了幾乎所有重要的基本概念和最新的發(fā)展,還詳細(xì)地介紹了天體物理學(xué)、宇宙學(xué)與粒子物理之間的新的交叉學(xué)科,即所謂的天體粒子物理學(xué)的基本知識(shí)。
本書(shū)的兩位作者(兄弟二人)都是巴基斯坦著名的理論粒子物理學(xué)家、諾獎(jiǎng)得主Salam 的學(xué)生,從事粒子物理研究幾十年。本書(shū)是他們?cè)谑澜缍嗨髮W(xué)講授粒子物理的講義發(fā)展而成的。第1版出版于1992年,2000年出版了第2版,對(duì)于原書(shū)做了很多修改和補(bǔ)充。本書(shū)是2012年出版的第3版。它對(duì)于原書(shū)做了大量的更新和擴(kuò)充。有7章徹底改寫(xiě)了。添加了許多新的內(nèi)容和大量習(xí)題。
全書(shū)內(nèi)容共分成18章:1. 導(dǎo)論; 2. 散射和粒子的相互作用; 3. 時(shí)空對(duì)稱(chēng)性;4. 內(nèi)部對(duì)稱(chēng)性;5. U-群和SU(3);6. SU(6)和夸克模型;7. 色、規(guī)范原理和量子色動(dòng)力學(xué);8. 重味; 9. 重夸克等效理論; 10. 弱相互作用;11. 強(qiáng)子弱流的性質(zhì)和手征對(duì)稱(chēng)性;12. 中微子; 13. 弱電統(tǒng)一; 14. 深度非彈性散射; 15.重味的弱衰變; 16. 粒子的混合與CP-破壞; 17. 大統(tǒng)一、超對(duì)稱(chēng)和弦; 18. 宇宙學(xué)和天體粒子物理學(xué)。書(shū)末有兩個(gè)附錄,分別簡(jiǎn)要地介紹了量子場(chǎng)論和重整化群與運(yùn)行耦合常數(shù)的基本知識(shí)。
本書(shū)對(duì)于粒子物理的介紹非常豐富,推導(dǎo)很詳細(xì),而且盡量不用形式化的量子場(chǎng)論而更多地依靠量子力學(xué)知識(shí)。因此適合于廣泛的讀者,諸如高能物理、粒子物理、原子核物理學(xué)、天文學(xué)和天體粒子物理學(xué)等領(lǐng)域的研究生和研究人員,選做粒子物理的教材和重要的參考書(shū)。
關(guān)鍵詞:熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理 教學(xué)內(nèi)容 教學(xué)方法 考核方式 材料物理專(zhuān)業(yè)
中圖分類(lèi)號(hào):G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1672-3791(2014)07(c)-0170-02
材料物理專(zhuān)業(yè)是材料科學(xué)與物理學(xué)的一個(gè)交叉學(xué)科,專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)要求在課程設(shè)置上既有材料科學(xué)方面的課程又要有物理類(lèi)課程。安徽工業(yè)大學(xué)材料物理專(zhuān)業(yè)于2003年開(kāi)始進(jìn)行籌劃建設(shè),2005年實(shí)現(xiàn)了首次招生。經(jīng)過(guò)幾年的探索、規(guī)劃和實(shí)踐,基本完成了專(zhuān)業(yè)定位和課程體系設(shè)置[1],正逐步完善專(zhuān)業(yè)建設(shè)。現(xiàn)階段,保留了量子力學(xué),熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理(以下簡(jiǎn)稱(chēng)熱統(tǒng))和固體物理學(xué)作為本專(zhuān)業(yè)的物理類(lèi)必修課程。其中,熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理是一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課,無(wú)論對(duì)后續(xù)的物理類(lèi)還是材料類(lèi)課程的學(xué)習(xí)都起到承上啟下的知識(shí)連接作用。本課程的設(shè)置目的使學(xué)生能夠熟練掌握熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)力學(xué)的基本原理和研究方法,逐步建立分析微觀世界的思路和方法,訓(xùn)練學(xué)生嚴(yán)格的邏輯思維能力,培養(yǎng)演繹推理能力,提高解決具體問(wèn)題的能力。
1 熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理課程教學(xué)中存在的主要問(wèn)題
熱統(tǒng)課程內(nèi)容由熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理兩部分組成。其中,熱力學(xué)是研究熱現(xiàn)象的宏觀理論,它從若干經(jīng)驗(yàn)定律出發(fā),通過(guò)嚴(yán)密的邏輯演繹方法,最終給出系統(tǒng)的宏觀熱性質(zhì);而統(tǒng)計(jì)物理則是研究熱現(xiàn)象的微觀理論,它從微觀粒子的力學(xué)規(guī)律出發(fā),加上統(tǒng)計(jì)假設(shè),獲得系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)。從內(nèi)容上來(lái)看,熱統(tǒng)課程的理論性強(qiáng),教學(xué)內(nèi)容繁雜。尤其,在當(dāng)前高校推行素質(zhì)教育和培養(yǎng)應(yīng)用型人才的指導(dǎo)下,基礎(chǔ)理論課課程教學(xué)學(xué)時(shí)均有不同程度的壓縮。我校熱統(tǒng)課程安排為40個(gè)學(xué)時(shí),由此帶來(lái)了教學(xué)學(xué)識(shí)少和教學(xué)內(nèi)容多的嚴(yán)重矛盾。我們根據(jù)我校材料物理專(zhuān)業(yè)特色方向和后續(xù)課程,在熱統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容上做出了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。
現(xiàn)行的熱統(tǒng)教材理論性強(qiáng),較適合理科生使用,缺乏較合適的工科材料類(lèi)學(xué)生使用的熱統(tǒng)教材。在組織教學(xué)中,我們以汪志誠(chéng)編寫(xiě)的《熱力學(xué)?統(tǒng)計(jì)物理(第四版)》作為主要參考教材[2],同時(shí)綜合了多本經(jīng)典教材,如:胡承正編著的《熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)》,包景東編著的《熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理簡(jiǎn)明教程》等[3~4]。根據(jù)我校材料物理專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和專(zhuān)業(yè)特色方向,本著“先進(jìn)、有效、有用”的原則,對(duì)熱統(tǒng)課程的教學(xué)內(nèi)容應(yīng)該進(jìn)行認(rèn)真清理與重構(gòu),形成適合本校實(shí)際的課程講義。
在教學(xué)方法和考核方式上也應(yīng)根據(jù)我校實(shí)際進(jìn)行相應(yīng)的改革。熱統(tǒng)課程是一個(gè)理論性強(qiáng)的課程,其中的物理概念抽象,物理公式繁雜。安徽工業(yè)大學(xué)材料物理專(zhuān)業(yè)是在工科背景下成立并發(fā)展起來(lái)的,學(xué)生的數(shù)理基礎(chǔ)相對(duì)薄弱,在學(xué)習(xí)的過(guò)程中會(huì)有些吃力。長(zhǎng)期的教學(xué)實(shí)踐告訴我們,如果采取傳統(tǒng)的灌輸式教學(xué)方法,只能使熱統(tǒng)課堂教學(xué)枯燥無(wú)味,學(xué)生被動(dòng)的接受知識(shí),失去了學(xué)習(xí)興趣,甚至對(duì)后續(xù)的專(zhuān)業(yè)課學(xué)習(xí)產(chǎn)生抵觸情緒。另外,傳統(tǒng)的閉卷考試常造成學(xué)生不重視平時(shí)的學(xué)習(xí)過(guò)程,期末復(fù)習(xí)只看教學(xué)課件,期待老師劃重點(diǎn),搞突擊記憶。
針對(duì)上述現(xiàn)狀,我們嘗試著進(jìn)行了教學(xué)內(nèi)容,教學(xué)方法和考核方式的改革和實(shí)踐。
2 教學(xué)內(nèi)容的改革
2.1 優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容
熱統(tǒng)課程的熱力學(xué)部分與先修課程,如大學(xué)物理、物理化學(xué)和工程化學(xué)基礎(chǔ)的部分內(nèi)容重復(fù)率較高。我們?cè)诔浞至私獗緦?zhuān)業(yè)學(xué)生的先修課程和后續(xù)課程的教學(xué)內(nèi)容后,對(duì)與其他課程有交叉重疊的部分進(jìn)行了壓縮和刪減。比如:熱力學(xué)部分的熱力學(xué)基本定律,熱力學(xué)函數(shù),化學(xué)平衡條件,理想氣體的化學(xué)平衡等都在先修課程里面作為重點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行講授的。在實(shí)際教學(xué)時(shí),只作復(fù)習(xí)性的簡(jiǎn)述或以學(xué)生自學(xué)的方式完成。但為保證熱力學(xué)基本概念與規(guī)律的嚴(yán)格性與系統(tǒng)性,對(duì)重要的基本概念和定律還是進(jìn)行重點(diǎn)講解。通過(guò)這樣的調(diào)整,節(jié)省了熱力學(xué)部分的教學(xué)學(xué)時(shí),加大了統(tǒng)計(jì)物理部分的學(xué)時(shí)講授。統(tǒng)計(jì)物理是從宏觀系統(tǒng)的微觀結(jié)構(gòu)入手,從內(nèi)容上與量子力學(xué)和固體物理課程聯(lián)系緊密,也為后續(xù)的計(jì)算材料學(xué)課程,甚至可為本科畢業(yè)論文工作提供前期的知識(shí)準(zhǔn)備。在統(tǒng)計(jì)物理教學(xué)部分,將在先修課程中學(xué)習(xí)過(guò)的麥克斯韋速度分布率和能均分定理略講;固體的熱容量的德拜理論是固體物理課程的重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容,在熱統(tǒng)教學(xué)中,這部分只簡(jiǎn)單提及。經(jīng)過(guò)這樣的教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化后,節(jié)省了課時(shí),加強(qiáng)了課程之間的聯(lián)系,提高了教學(xué)效率。
2.2 適當(dāng)引入材料學(xué)科前沿內(nèi)容
創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)要求課程內(nèi)容要體現(xiàn)先進(jìn)性和現(xiàn)代化。通過(guò)合理的補(bǔ)充與熱統(tǒng)課程相關(guān)的材料學(xué)和物理學(xué)最新的學(xué)術(shù)成就與進(jìn)展,有意識(shí)的突出課程的廣度,豐富和具體化基本理論內(nèi)容。增加學(xué)科前沿內(nèi)容,我們從兩個(gè)方面進(jìn)行。一方面是在講授基礎(chǔ)理論知識(shí)的同時(shí),引入與該知識(shí)密切相關(guān)的科學(xué)技術(shù)發(fā)展的介紹。例如:在對(duì)溫度和溫標(biāo)作復(fù)習(xí)簡(jiǎn)述的時(shí)候,介紹測(cè)溫儀表和測(cè)溫技術(shù)。電阻溫度計(jì),熱電偶測(cè)溫技術(shù),紅外測(cè)溫技術(shù)等在后續(xù)的材料類(lèi)課程學(xué)習(xí),課程設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)及畢業(yè)論文工作是非常重要的一部分。在講授氣體的節(jié)流和膨脹過(guò)程一節(jié)時(shí),介紹了獲得低溫的技術(shù),以及與低溫有關(guān)的材料性能的變化,超導(dǎo)電現(xiàn)象的發(fā)展歷史及科研現(xiàn)狀等;在講授單元系的相變時(shí),加強(qiáng)了對(duì)二級(jí)相變和臨界現(xiàn)象的講授,介紹了磁性材料,超導(dǎo)材料,超流體等方面的最新研究進(jìn)展;在統(tǒng)計(jì)物理部分,介紹玻色-愛(ài)因斯坦凝聚的新進(jìn)展,講授統(tǒng)計(jì)物理部分的金屬中的自由電子時(shí),適當(dāng)介紹計(jì)算材料學(xué)和計(jì)算物理方面的研究現(xiàn)狀等。另一方面是通過(guò)鼓勵(lì)學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)聽(tīng)取相關(guān)的學(xué)術(shù)報(bào)告,或者觀看相關(guān)報(bào)告的視頻。通過(guò)前沿知識(shí)的適當(dāng)引進(jìn),開(kāi)闊了學(xué)生的視野,激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)和科研興趣,獲得了較好的教學(xué)效果。
2.3 注重理論聯(lián)系實(shí)際
材料類(lèi)專(zhuān)業(yè)是應(yīng)用性很強(qiáng)的專(zhuān)業(yè),要求熱統(tǒng)課程教學(xué)內(nèi)容要體現(xiàn)實(shí)用性,加強(qiáng)理論與實(shí)際的聯(lián)系。我們鼓勵(lì)學(xué)生通過(guò)本科生科研訓(xùn)練計(jì)劃(SRTP)和大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃的方式參與相關(guān)教師的課題研究,或者開(kāi)設(shè)課程設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)。如在講授相變的章節(jié)時(shí),為了讓學(xué)生加深對(duì)二級(jí)相變的理解,開(kāi)設(shè)了高溫超導(dǎo)轉(zhuǎn)變的實(shí)驗(yàn),巨磁電阻材料的相變實(shí)驗(yàn)等。組織學(xué)生參觀學(xué)校相關(guān)的實(shí)驗(yàn)室,如參觀計(jì)算材料實(shí)驗(yàn)室,使學(xué)生了解相圖的理論計(jì)算方法,第一性原理計(jì)算及材料設(shè)計(jì)方法。經(jīng)過(guò)這樣的訓(xùn)練,學(xué)生對(duì)物理概念有了深入的理解,提高學(xué)生的應(yīng)用能力,研究能力和創(chuàng)新能力。
3 教學(xué)方法和考核方式的改革
3.1 學(xué)生為主體,教師為主導(dǎo)
在組織課堂教學(xué)時(shí),認(rèn)真貫徹以學(xué)生為主體,教師為主導(dǎo)的教學(xué)思想,加強(qiáng)師生互動(dòng),爭(zhēng)取使學(xué)生由被動(dòng)接受知識(shí)變?yōu)橹鲃?dòng)探索知識(shí)。在課前,給學(xué)生預(yù)留思考題進(jìn)行課前預(yù)習(xí),讓學(xué)生帶著問(wèn)題去聽(tīng)課,做到有的放矢。在組織教學(xué)時(shí),對(duì)重點(diǎn)章節(jié)進(jìn)行精講,適時(shí)開(kāi)展物理基本概念和基本問(wèn)題的討論,啟發(fā)學(xué)生思考和推理。對(duì)相對(duì)容易理解的章節(jié)組織學(xué)生自學(xué),或者制作成ppt課件,在課堂上講解,教師在做總結(jié)式講授。課后,要求學(xué)生獨(dú)立完成作業(yè)和習(xí)題,以期加深對(duì)基本概念的理解和應(yīng)用。
3.2 重物理思想 簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)推導(dǎo)
在組織教學(xué)的過(guò)程中,重點(diǎn)講解基本概念,突出物理思想。借助于多媒體教學(xué),對(duì)于較抽象、難理解的概念和原理,可通過(guò)制作圖文并茂的課件,或者觀看相關(guān)視頻的方式,使抽象的概念形象化,增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)。適當(dāng)補(bǔ)充基本概念辨析題和思考題以促進(jìn)學(xué)生對(duì)基本概念的深入理解和掌握。對(duì)于必要的數(shù)學(xué)推導(dǎo),使用板書(shū)的方式進(jìn)行詳解和推導(dǎo),留給學(xué)生足夠的時(shí)間思考并跟上教師的思路。
3.3 考核方式的改革
考核是教學(xué)過(guò)程的主要環(huán)節(jié)之一,應(yīng)具有實(shí)用性和針對(duì)性,并能體現(xiàn)學(xué)生的綜合素質(zhì)。我們?cè)诳己朔矫?,加大了平時(shí)成績(jī)的比例,增加了課堂回答問(wèn)題,課堂討論,撰寫(xiě)科研小論文等環(huán)節(jié)的考核。在期末的閉卷考試中,減少死記硬背的概念題和公式,把考核重點(diǎn)放在學(xué)生對(duì)基本物理概念的理解和基本理論知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用上。
4 實(shí)踐效果
在教學(xué)實(shí)踐中逐步形成了適合我校材料物理專(zhuān)業(yè)實(shí)際的熱統(tǒng)課程講義。實(shí)踐證明,改革措施在緩解授課學(xué)時(shí)與教學(xué)內(nèi)容的矛盾,拓寬學(xué)生知識(shí)面等方面效果顯著。尤其,熱統(tǒng)課程作為材料物理專(zhuān)業(yè)的前期先修基礎(chǔ)課,對(duì)后續(xù)的課程學(xué)習(xí)起著承上啟下的重要作用。通過(guò)上述的教學(xué)改革后,學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性大大提高,熱愛(ài)本專(zhuān)業(yè)的學(xué)習(xí),踴躍參加SRTP和大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的計(jì)劃,甚至部分同學(xué)提前加入教師團(tuán)隊(duì)的課題組,對(duì)未來(lái)的工作或者繼續(xù)深造充滿(mǎn)信心。
參考文獻(xiàn)
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[2] 汪志誠(chéng).熱力學(xué)?統(tǒng)計(jì)物理[M].北京:高等教育出版社,2010.
二十世紀(jì)即將結(jié),二十一世紀(jì)即將來(lái)臨,二十世紀(jì)是光輝燦爛的一個(gè)世紀(jì),是個(gè)類(lèi)社會(huì)發(fā)展最迅速的一個(gè)世紀(jì),是科學(xué)技術(shù)發(fā)展最迅速的一個(gè)世紀(jì),也是物理學(xué)發(fā)展最迅速的一個(gè)世紀(jì)。在這一百年中發(fā)生了物理學(xué)革命,建立了相對(duì)信紙和量子力學(xué),完成了從經(jīng)典物理學(xué)到現(xiàn)代物理學(xué)的轉(zhuǎn)變。在二十世紀(jì)二、三十年代以后,現(xiàn)代物理學(xué)在深度和廣度上有了進(jìn)一步的蓬勃發(fā)展,產(chǎn)生了一系列的新學(xué)科的交叉學(xué)科、邊緣學(xué)科,人類(lèi)對(duì)物質(zhì)世界的規(guī)律有了更深刻的認(rèn)識(shí),物理學(xué)理論達(dá)到了一個(gè)新高度,現(xiàn)代物理學(xué)達(dá)到了成熟的階段。
在此世紀(jì)之交的時(shí)候,人們自然想展望一下二十一世紀(jì)物理學(xué)的發(fā)展前景,探索今后物理學(xué)發(fā)展的方向。我想談一談我對(duì)這個(gè)問(wèn)題的一些看法和觀點(diǎn)。首先,我們來(lái)回顧一下上一個(gè)世紀(jì)之交物理學(xué)發(fā)展的情況,把當(dāng)前的情況與一百年前的情況作比較對(duì)于探索二十一世紀(jì)物理學(xué)發(fā)展的方向是很有幫助的。
一、歷史的回顧
十九世紀(jì)末二十世紀(jì)初,經(jīng)典物物學(xué)的各個(gè)分支學(xué)科均發(fā)展到了完善、成熟的階段,隨著熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)力學(xué)的建立以及麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的建立,經(jīng)典物理學(xué)達(dá)到了它的頂峰,當(dāng)時(shí)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(huà),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(xué)的巨大成就,當(dāng)時(shí)不少物理學(xué)家產(chǎn)生了這樣一種思想:認(rèn)為物理學(xué)的大廈已經(jīng)建成,物理學(xué)的發(fā)展基本上已經(jīng)完成,人們對(duì)物理世界的解釋已經(jīng)達(dá)到了終點(diǎn)。物理學(xué)的一些基本的、原則的問(wèn)題都已經(jīng)解決,剩下來(lái)的只是進(jìn)一步精確化的問(wèn)題,即在一些細(xì)節(jié)上作一些補(bǔ)充和修正,使已知公式中的各個(gè)常數(shù)測(cè)得更精確一些。
然而,在十九世紀(jì)末二十世紀(jì)初,正當(dāng)物理學(xué)家在慶賀物理學(xué)大廈落成之際,科學(xué)實(shí)驗(yàn)卻發(fā)現(xiàn)了許多經(jīng)典物理學(xué)無(wú)法解釋的事實(shí)。首先是世紀(jì)之交物理學(xué)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(xué)的萬(wàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果與經(jīng)典物理學(xué)的基本概念及基本理論有尖銳的矛盾,經(jīng)典物理學(xué)的傳統(tǒng)觀念受到巨大的沖擊,經(jīng)典物理發(fā)生了“嚴(yán)重的危機(jī)”。由此引起了物理學(xué)的一場(chǎng)偉大的革命。愛(ài)因斯坦創(chuàng)立了相對(duì)論;海林堡、薛定諤等一群科學(xué)家創(chuàng)立了量子力學(xué)?,F(xiàn)代物理學(xué)誕生了!
把物理學(xué)發(fā)展的現(xiàn)狀與上一個(gè)世紀(jì)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(duì)論和量子力學(xué)建立起來(lái)以后,現(xiàn)代物理學(xué)經(jīng)過(guò)七十多年的發(fā)展,已經(jīng)達(dá)到了成熟的階段。人類(lèi)對(duì)物質(zhì)世界規(guī)律的認(rèn)識(shí)達(dá)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(shuō),現(xiàn)代物理學(xué)的大廈已經(jīng)建成。在這一點(diǎn)上,目前有情況與上一個(gè)世紀(jì)之交的情況很相似。因此,有少數(shù)物理學(xué)家認(rèn)為今后物理學(xué)不會(huì)有革命性的進(jìn)展了,物理學(xué)的根本性的問(wèn)題、原則問(wèn)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(xué),對(duì)現(xiàn)有的理論作一些補(bǔ)充和修正。然而,由于有了一百年前的歷史經(jīng)驗(yàn),多數(shù)物理學(xué)家并不贊成這種觀點(diǎn),他們相信物理學(xué)遲早會(huì)有突破性的發(fā)展。另一方面,雖然在微觀世界和宇宙學(xué)領(lǐng)域中有一些物理現(xiàn)象是現(xiàn)代物理學(xué)的理論不能很好地解釋的,但是這些矛盾并不是嚴(yán)重到了非要徹底改造現(xiàn)有理認(rèn)紗可的程度。在這方面,目前的情況與上一個(gè)世紀(jì)之交的情況不同。在上一個(gè)世紀(jì)之交,經(jīng)典物理學(xué)發(fā)生了“嚴(yán)重的危機(jī)”;而在本世紀(jì)之交,現(xiàn)代物理學(xué)并無(wú)“危機(jī)”。因此,我認(rèn)為目前發(fā)生現(xiàn)代物理學(xué)革命的條件似乎尚不成熟。
雖然在微觀世界和宇宙學(xué)領(lǐng)域中有一些物理現(xiàn)象是現(xiàn)代物理學(xué)的理論不能很好地解釋的,但是這些矛盾并不是嚴(yán)重到了非要徹底改造現(xiàn)有理認(rèn)紗可的程度。在這方面,目前的情況與上一個(gè)世紀(jì)之交的情況不同。在上一個(gè)世紀(jì)之交,經(jīng)典物理學(xué)發(fā)生了“嚴(yán)重的危機(jī)”;而在本世紀(jì)之交,現(xiàn)代物理學(xué)并無(wú)“危機(jī)”。因此,我認(rèn)為目前發(fā)生現(xiàn)代物理學(xué)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(shuō)來(lái),每個(gè)層次中的體系都由大量的小體系(屬于下一個(gè)層次)構(gòu)成。從一定意義上說(shuō),宏觀與微觀是相對(duì)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(xué)研究的目的包括:探索各層次的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和探索各層次間的聯(lián)系。
回顧二十世紀(jì)物理學(xué)的發(fā)展,是在三個(gè)方向上前進(jìn)的。在二十一世紀(jì),物理學(xué)也將在這三個(gè)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(gè)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(yùn)規(guī)律,建立了核物理學(xué)和粒子物理學(xué),認(rèn)識(shí)到強(qiáng)子是由夸克構(gòu)成的。今后可能會(huì)有新的進(jìn)展。但如果要探索更深層次的現(xiàn)象,必須有更強(qiáng)大得多的加速器,而這是非常艱巨的任務(wù),所以我認(rèn)為近期內(nèi)在這個(gè)方向上難以有突破性的進(jìn)展。
2)在宏觀方向上拓展開(kāi)去。1948年美國(guó)的伽莫夫提出“大爆炸”理論,當(dāng)時(shí)并未引起重視。1965年美國(guó)的彭齊亞斯和威爾遜觀測(cè)到宇宙背景輻射,再加上其他的觀測(cè)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?gòu)┖兔绹?guó)的古斯同時(shí)提出暴脹理論。八十年代以后,英國(guó)的霍金[2,3]等人開(kāi)始論述宇宙的創(chuàng)生,認(rèn)為宇宙從“無(wú)”誕生,今后在這個(gè)方向上將會(huì)繼續(xù)有所發(fā)展。從根本上來(lái)說(shuō),現(xiàn)代宇宙學(xué)的繼續(xù)發(fā)展有賴(lài)于向廣漠的宇宙更遙遠(yuǎn)處觀測(cè)的新結(jié)果,這需要人類(lèi)制造出比哈勃望遠(yuǎn)鏡性能更優(yōu)越得多的、各個(gè)波段的太空天文望遠(yuǎn)鏡,這是很艱巨的任務(wù)。
我個(gè)人對(duì)于近年來(lái)提出的宇宙創(chuàng)生學(xué)說(shuō)是不太信的,并且認(rèn)為“大爆炸”理論只是對(duì)宇宙的一個(gè)近似的描述。因?yàn)楝F(xiàn)在的宇宙學(xué)研究的只是我們能觀測(cè)到的范圍以?xún)?nèi)的“宇宙”,而我相信宇宙是無(wú)限的,在我們這個(gè)“宇宙”以外還有無(wú)數(shù)個(gè)“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(xué)只研究我們這個(gè)“宇宙”,當(dāng)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(yuǎn)的未來(lái),則失誤更大。
3)深入探索各層次間的聯(lián)系。
這正是統(tǒng)計(jì)物理學(xué)研究的主
要內(nèi)容。二十世紀(jì)在這方面取得了巨大的成就,先是非平衡態(tài)統(tǒng)計(jì)物理學(xué)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(lái)了。近年來(lái)把這些分支學(xué)科都納入非線性科學(xué)的范疇。相信在二十一世紀(jì)非線性科學(xué)的發(fā)展有廣闊的前景。
上述的物理學(xué)的發(fā)展依然現(xiàn)代物理學(xué)現(xiàn)有的基本理論的框架內(nèi)。在下個(gè)世紀(jì),物理學(xué)的基本理論應(yīng)該怎樣發(fā)展呢?有一些物理學(xué)家在追求“超統(tǒng)一理論”。在這方面,起初是愛(ài)因斯坦、海森堡等天才科學(xué)家努力探索“統(tǒng)一場(chǎng)論”;直到1967、1968年,美國(guó)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(xué)家正在探索加上強(qiáng)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(lái)的“超統(tǒng)一理論”,他們的探索能否成功尚未定論。
愛(ài)因斯坦當(dāng)初探索“統(tǒng)一場(chǎng)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(méi)有成功。我對(duì)此有不同的觀點(diǎn),根據(jù)辯證唯物主義的基本原理,我認(rèn)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(xué)發(fā)展的終點(diǎn)。因?yàn)椤霸诮^對(duì)的總的宇宙發(fā)展過(guò)程中,各個(gè)具體過(guò)程的發(fā)展都是相對(duì)的,因而在絕對(duì)真理的長(zhǎng)河中,人們對(duì)于在各個(gè)一定發(fā)展階段上的具體過(guò)程的認(rèn)識(shí)只具有相對(duì)的真理性。無(wú)數(shù)相對(duì)的真理之總和,就是絕對(duì)的真理?!薄叭藗?cè)趯?shí)踐中對(duì)于真理的認(rèn)識(shí)也就永遠(yuǎn)沒(méi)有完結(jié)?!盵5]
現(xiàn)代物理學(xué)的革命將怎樣發(fā)生呢?我認(rèn)為可能有兩個(gè)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(jué)是:將來(lái)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(yùn)動(dòng)和變化實(shí)在太奧妙了,我們沒(méi)有認(rèn)識(shí)的問(wèn)題實(shí)在太多了,我們今天對(duì)于生命科學(xué)的認(rèn)識(shí)猶如亞里斯多德時(shí)代的人們對(duì)于物理學(xué)的認(rèn)識(shí),因此在這方面取得突破性的進(jìn)展是很可能的。我認(rèn)為,物理學(xué)業(yè)與生命科學(xué)的交叉點(diǎn)是二十一世紀(jì)物理學(xué)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(xué)的發(fā)展。
2)現(xiàn)代物理學(xué)理論也只是相對(duì)真理,而不是絕對(duì)真理。應(yīng)該通過(guò)審思現(xiàn)代物理學(xué)理論基礎(chǔ)的不完善性來(lái)探尋現(xiàn)代物理學(xué)革命的突破口,在下一節(jié)中將介紹我的觀點(diǎn)。
三、現(xiàn)代物理學(xué)的理論基礎(chǔ)是完美的嗎?
相對(duì)論和量子力學(xué)是現(xiàn)代物理學(xué)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(lái)審思一下這個(gè)問(wèn)題。
1)對(duì)相對(duì)論的審思
當(dāng)年愛(ài)因斯坦就是從關(guān)于光速和關(guān)于時(shí)間要領(lǐng)的思考開(kāi)始,創(chuàng)立了狹義相對(duì)論[1]。我們今天探尋現(xiàn)代物理學(xué)革命的突破口,也應(yīng)該從重新審思時(shí)空的概念入手。愛(ài)因勞動(dòng)保護(hù)坦創(chuàng)立狹義相對(duì)論是從講座慣性系中不同地點(diǎn)的兩個(gè)“事件”的同時(shí)性開(kāi)始的[4],他規(guī)定用光信號(hào)校正不同地點(diǎn)的兩個(gè)時(shí)鐘來(lái)定義“同時(shí)”,這樣就很自然地導(dǎo)出了洛侖茲變換,進(jìn)一步導(dǎo)致一個(gè)四維時(shí)空(x,y,z,ict)(c是光速)。為什么愛(ài)因勞動(dòng)保護(hù)擔(dān)提出用光信號(hào)來(lái)校正時(shí)鐘,而不用別的信號(hào)呢?在他的論文中沒(méi)有說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題,其實(shí)這是有深刻含意的。
時(shí)間、空間是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的表現(xiàn)形式,不能脫離物理質(zhì)運(yùn)動(dòng)談?wù)摃r(shí)間、空間,在定義時(shí)空時(shí)應(yīng)該說(shuō)明是關(guān)于什么運(yùn)動(dòng)的時(shí)空。現(xiàn)代物理學(xué)認(rèn)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(guò)一定的場(chǎng)傳遞過(guò)去,傳遞需要一定的時(shí)間,時(shí)間、空間的定義與這個(gè)傳遞速度是密切相關(guān)的。如果這種場(chǎng)是電磁場(chǎng),則電磁相互作用傳遞的速度就是光速。因此,愛(ài)因斯坦定義的時(shí)空實(shí)際上是關(guān)于由電磁相互作用引起的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的時(shí)空,適用于描述這種運(yùn)動(dòng)。
愛(ài)因斯坦把他定義的時(shí)間應(yīng)用于所有的物質(zhì)運(yùn)動(dòng),實(shí)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(wú)實(shí)驗(yàn)事實(shí)證明c'等于c。愛(ài)因斯坦因他的“物質(zhì)世界統(tǒng)一性”的世界觀而在實(shí)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(diǎn),再加之電磁力和引力的強(qiáng)度在數(shù)量級(jí)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(yùn)動(dòng)的四維時(shí)空(x,y,z,ict)和關(guān)于由引力引起的運(yùn)動(dòng)的時(shí)空(x',y',z',ic't')是不同的。如果研究的問(wèn)題只涉及一種相互作用,則按照現(xiàn)在的理論建立起來(lái)的運(yùn)動(dòng)方程的形式不變。例如,愛(ài)因斯坦引力場(chǎng)方程的形式不變,只需把常數(shù)c改為c'。如果研究的問(wèn)題涉及兩種相互作用,則需要建立新的理論。不過(guò),首要的事情是由實(shí)驗(yàn)事實(shí)來(lái)判斷c'和c是否相等;如果不相等,需要導(dǎo)出c'的數(shù)值。
我在二十多年前開(kāi)始形成上述觀點(diǎn),當(dāng)時(shí)測(cè)量引力波是眾所矚目的一個(gè)熱點(diǎn),我曾對(duì)那些實(shí)驗(yàn)寄予厚望,希望能從實(shí)驗(yàn)結(jié)果推算出c'是否等于c。令人遺憾的是,經(jīng)過(guò)長(zhǎng)斯的努力引引力波實(shí)驗(yàn)沒(méi)有獲得肯定的結(jié)果,隨后這項(xiàng)工作冷下去了。根據(jù)愛(ài)國(guó)斯坦理論預(yù)言的引力波是微弱的,如果在現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)技術(shù)能夠達(dá)到的測(cè)量靈敏度和準(zhǔn)確度之下,這樣弱的引力波應(yīng)該能夠探測(cè)到的話(huà),長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)得不到肯定的結(jié)果似乎暗示了害因斯坦理論的缺點(diǎn)。應(yīng)該從c'可能不等于c這個(gè)角度來(lái)考慮問(wèn)題,如果c'和c有較大的差異,則可能導(dǎo)出引力波的強(qiáng)度比根據(jù)愛(ài)因勞動(dòng)保護(hù)坦理論預(yù)言的強(qiáng)度弱得多的結(jié)果。
弱力、強(qiáng)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(zhǎng)程力。不同的相互作用是通過(guò)傳遞不同的媒介粒子而實(shí)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(qiáng)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(ài)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(qiáng)相互作用引起的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)時(shí),定義慣性系中不同的地點(diǎn)的兩個(gè)“事件”的“同時(shí)”,是否應(yīng)該用
弱力或強(qiáng)力信號(hào)取代光信號(hào)呢?我對(duì)核物理學(xué)和粒子物理學(xué)是外行,不想貿(mào)然回答這個(gè)問(wèn)題。如果應(yīng)該用弱力或強(qiáng)力信號(hào)取代光信號(hào),那么關(guān)于由弱力或強(qiáng)力引起的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的時(shí)空和關(guān)于由電磁力引起的運(yùn)動(dòng)的時(shí)空(x,y,z,ict)及關(guān)于由引力引起的運(yùn)動(dòng)的時(shí)空(x',y',z',ic't')
有很大的不同。設(shè)弱或強(qiáng)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(qiáng)力引起的運(yùn)動(dòng)的時(shí)空為(x'',y'',z'',Ic''t''),時(shí)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(lái)考慮問(wèn)題:關(guān)于由弱力引起的運(yùn)動(dòng)的時(shí)空,在定義中應(yīng)該以規(guī)范粒子的靜質(zhì)量取作零時(shí)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(lái)了,因此有可能c1=c,則關(guān)于由弱力引起的運(yùn)動(dòng)的時(shí)空和關(guān)于由電磁力引起的運(yùn)動(dòng)的時(shí)空是相同的,同為(x,y,z,ict)。關(guān)于由強(qiáng)力引起的運(yùn)動(dòng)的時(shí)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(shí)際上沒(méi)有靜質(zhì)量為零的介子)時(shí)的速度c''取代光速c,c''可能不等于c。則關(guān)于由強(qiáng)力引起的運(yùn)動(dòng)的時(shí)空(x'',y'',z'',Ic''t'')不同于(x,y,z,ict)或(x',y',z',ic't')。無(wú)論上述兩種考慮中哪一種是對(duì)的,整個(gè)物質(zhì)世界的時(shí)空將是高于四維的多維時(shí)空。對(duì)于由短程力(或只是強(qiáng)力)引起的物質(zhì)運(yùn)動(dòng),如果時(shí)空有了新的一義,就需要建立新的理論,也就是說(shuō)需要建立新的量子場(chǎng)論、新的核物理學(xué)和新的粒子物理學(xué)等。如果研究的問(wèn)題既清及長(zhǎng)程力,又涉及短程力(尤其是強(qiáng)力),則更需要建立新的理論。
1)對(duì)量子力學(xué)的審思
從量子力學(xué)發(fā)展到量子場(chǎng)論的時(shí)候,遇到了“發(fā)散困難”[6]。1946——1949年間,日本的朝永振一郎、美國(guó)的費(fèi)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(méi)有徹底克服這一困難。“發(fā)散困難”的一個(gè)基本原因是粒子的“固有”能量(靜止能量)與運(yùn)動(dòng)能量、相互作用能量合在一起計(jì)算[6],這與德布羅意波在υ=0時(shí)的異性。
現(xiàn)在我陷入一個(gè)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(duì)使新的理論滿(mǎn)足相對(duì)論協(xié)變性的難題。是否有解決問(wèn)題的其他途徑呢?我認(rèn)為這個(gè)問(wèn)題或許還與時(shí)間、空間的定義有關(guān)?,F(xiàn)在的量子力學(xué)理論中時(shí)寬人的定義實(shí)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(shí)間、空間都不是嚴(yán)格確定的,決定論的時(shí)空要領(lǐng)不再適用。在時(shí)間或空間的間隔非常小的時(shí)候,描寫(xiě)事情順序的“前”、“后”概念將失去意義。此外,在重新定義時(shí)空時(shí)還應(yīng)考慮相關(guān)的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的類(lèi)別。模糊數(shù)學(xué)已經(jīng)發(fā)展得相當(dāng)成熟了,把這個(gè)數(shù)學(xué)工具用到微觀世界時(shí)空的定義中去可能是很值得一試的。
1)在二十一世紀(jì)物理學(xué)將在三個(gè)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(kāi)去;(3)深入探索各層次間的聯(lián)系,進(jìn)一步發(fā)展非線性科學(xué)。
2)可能應(yīng)該從兩方面去控尋現(xiàn)代物理學(xué)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(guò)審思相對(duì)論和量子力學(xué)的理論基礎(chǔ),重新定義時(shí)間、空間,建立新的理論
關(guān)鍵詞:Gaussian程序;教學(xué)實(shí)踐;應(yīng)用教學(xué)
中圖分類(lèi)號(hào):G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1674-9324(2016)27-0162-02
Gaussian程序起源于上世紀(jì)七八十年代,當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)硬件條件很差,只能計(jì)算比較簡(jiǎn)單的分子,且計(jì)算級(jí)別較低,所以幾乎不能應(yīng)用于解決化學(xué)問(wèn)題。隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算方法的不斷優(yōu)化改良,到上世紀(jì)八九十年代,人們已經(jīng)逐漸可以借助量子化學(xué)計(jì)算程序去對(duì)實(shí)驗(yàn)中的化學(xué)體系進(jìn)行模擬和研究。值得一提的是,1998年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予科恩和波普爾,以表彰他們?cè)诶碚摶瘜W(xué)領(lǐng)域做出的重大貢獻(xiàn)。他們的工作使實(shí)驗(yàn)和理論能夠共同協(xié)力探討分子體系的性質(zhì),引起整個(gè)化學(xué)領(lǐng)域經(jīng)歷一場(chǎng)革命的變化,使化學(xué)不再是一門(mén)純粹的實(shí)驗(yàn)科學(xué)。其中,波普爾正是Gaussian程序的原創(chuàng)者之一,此次得獎(jiǎng)也是為Gaussian程序在世界范圍內(nèi)被接受和認(rèn)可奠定了基礎(chǔ)。Gaussian的版本從上世紀(jì)開(kāi)始有Gaussian 70、Gaussian 80、Gaussian 90、Gaussian 98等一系列程序。進(jìn)入21世紀(jì),隨著Gaussian 98、Gaussian 03、Gaussian 09[1]等版本的持續(xù)更新和改進(jìn),Gaussian程序的功能也越來(lái)越強(qiáng)大,應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣。目前,Gaussian的主要功能包括:過(guò)渡態(tài)能量和結(jié)構(gòu)、反應(yīng)路徑、熱力學(xué)性質(zhì)、分子軌道、鍵和反應(yīng)能量、原子電荷和電勢(shì)、核磁性質(zhì)、紅外和拉曼光譜、振動(dòng)頻率、極化率和超極化率等,計(jì)算不僅可以對(duì)具體體系的基態(tài)進(jìn)行計(jì)算,還可以對(duì)其激發(fā)態(tài)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)進(jìn)行研究。另外,它還可以用來(lái)預(yù)測(cè)周期體系的能量、結(jié)構(gòu)和分子軌道。因此,Gaussian可以作為功能強(qiáng)大的工具,用于研究許多化學(xué)領(lǐng)域的課題,例如取代基的影響,化學(xué)反應(yīng)機(jī)理,勢(shì)能曲面和激發(fā)能等。該程序近年來(lái)的高速發(fā)展和廣泛應(yīng)用使其成為化學(xué)學(xué)科的科研教學(xué)人員必須掌握的工具之一。目前國(guó)內(nèi)很多知名高校和科研院所都已經(jīng)開(kāi)展了Gaussian程序應(yīng)用這門(mén)課程,并且作為相關(guān)專(zhuān)業(yè)本科生和研究生的必修課程。鑒于此,我院于2014年也開(kāi)展了Gaussian程序應(yīng)用作為研究生選修課程,這對(duì)于提高我院研究生專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)和科研水平具有重要的意義。
一、Gaussian程序應(yīng)用的參考教材選取
有很多關(guān)于Gaussian程序應(yīng)用方面的書(shū)籍,包括中文的和英文的。針對(duì)這門(mén)課來(lái)說(shuō),我選擇的參考教材主要是Foresman和Frisch編著的《Exploring chemistry with electronic structure methods》[2]以及可在Gaussian官網(wǎng)下載的與其配套的例子。該書(shū)分為三個(gè)部分,分別是基本概念和技術(shù)(包括第一章計(jì)算模型、第二章單點(diǎn)能計(jì)算、第三章幾何優(yōu)化、第四章 頻率分析)、計(jì)算化學(xué)方法(包括第五章基族的影響、第六章理論方法的選擇、第七章高精度計(jì)算)和應(yīng)用部分(包括第八章研究反應(yīng)和反應(yīng)性、第九章激發(fā)態(tài)、第十章溶液中的反應(yīng))。我選擇此書(shū)的出發(fā)點(diǎn)是:它的內(nèi)容從基礎(chǔ)到應(yīng)用、從淺至深地介紹了Gaussian程序的主要功能和應(yīng)用。書(shū)中的例子涉及分子能量和結(jié)構(gòu)研究、過(guò)渡態(tài)的能量和結(jié)構(gòu)研究、化學(xué)鍵以及反應(yīng)的能量、振動(dòng)頻率、分子軌道、偶極矩和多極矩、原子電荷和電勢(shì)、紅外和拉曼光譜、核磁、極化率和超極化率、熱力學(xué)性質(zhì)、IRC反應(yīng)途徑等計(jì)算,另外還舉例模擬了在氣相和溶液中的體系、模擬基態(tài)和激發(fā)態(tài)分子的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)。這些具體例子能夠幫助從事化學(xué)及其相關(guān)領(lǐng)域的科研工作人員、教師和研究生等從不同的視角把握分子模型設(shè)計(jì)和計(jì)算模擬的策略、原則和方法,從而能夠讓研究人員全面了解Gaussian程序計(jì)算的模擬方法和應(yīng)用實(shí)例。
二、Gaussian教學(xué)內(nèi)容的選取
Gaussian程序主要是以分子力學(xué)和量子力學(xué)等為理論依據(jù),借助計(jì)算機(jī)模擬進(jìn)行化學(xué)問(wèn)題研究的一門(mén)交叉學(xué)科。該課程教學(xué)涉及內(nèi)容多、范圍廣,這就要求學(xué)生具有良好的數(shù)學(xué)、計(jì)算化學(xué)、結(jié)構(gòu)化學(xué)、物理化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、無(wú)機(jī)化學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)等眾多專(zhuān)業(yè)知識(shí)的積累。學(xué)習(xí)這門(mén)課有助于拓寬學(xué)生的知識(shí)面,培養(yǎng)學(xué)生綜合多種學(xué)科知識(shí),解決實(shí)際復(fù)雜的化學(xué)問(wèn)題的能力。然而這門(mén)課理論概念抽象,學(xué)生理解起來(lái)非常困難,教學(xué)難度也較大。選修這門(mén)課的學(xué)生主要來(lái)自物理化學(xué)專(zhuān)業(yè)和有機(jī)化學(xué)專(zhuān)業(yè)。對(duì)于物理化學(xué)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō),他們的結(jié)構(gòu)化學(xué)、計(jì)算化學(xué)和物理化學(xué)知識(shí)基礎(chǔ)較好,這門(mén)課的學(xué)習(xí)不是非常困難。然而對(duì)于有機(jī)化學(xué)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō),這門(mén)課學(xué)起來(lái)就比較困難了,因?yàn)樗麄兊挠?jì)算化學(xué)、結(jié)構(gòu)化學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)知識(shí)比較薄弱。如何將抽象的化學(xué)知識(shí)簡(jiǎn)單化,形象化,幫助學(xué)生理解復(fù)雜的有機(jī)反應(yīng)機(jī)理,提高學(xué)習(xí)積極性,這對(duì)老師的教學(xué)方法和方式有很高的要求。
針對(duì)不同化學(xué)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的特點(diǎn)和他們將來(lái)要從事的職業(yè),我更加注重實(shí)踐教學(xué)而不是抽象概念的講解和公式的推導(dǎo)。對(duì)于量子化學(xué)計(jì)算中涉及的一些算法學(xué)生只需了解,如果有學(xué)生對(duì)于基礎(chǔ)知識(shí)非常感興趣,我建議他們?nèi)ヂ?tīng)量子力學(xué)和結(jié)構(gòu)化學(xué)課程。在課堂上,我重點(diǎn)講解Gaussian程序的常用計(jì)算方法、思路和一些典型案例,以及如何運(yùn)用這些方法解決科研中碰到的實(shí)際問(wèn)題。比如講解什么是半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算、什么是Hartree-Fock近似、什么是密度泛函理論、什么是分子力學(xué)算法等,講解他們的區(qū)別以及在不同情況下如何選擇不同的算法。此外,我還重點(diǎn)講解基于量化計(jì)算的分子結(jié)構(gòu)(包括穩(wěn)定態(tài)和過(guò)渡態(tài))的優(yōu)化,分子光譜的計(jì)算和反應(yīng)機(jī)理研究。這些內(nèi)容對(duì)于化學(xué)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)都是非常有意義的,可以幫助他們后續(xù)的科研工作。為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,調(diào)動(dòng)學(xué)生的自主性,讓學(xué)生積極參與到課堂的專(zhuān)題實(shí)驗(yàn)交流活動(dòng),提高課堂教學(xué)的效果,我會(huì)教學(xué)生使用一些軟件圖形界面如Gaussview等,直接生動(dòng)地展示和分析一些分子的三維結(jié)構(gòu),將抽象的化學(xué)分子通過(guò)色彩鮮艷的三維立體形象界面予以展示,并教會(huì)他們?nèi)绾问褂肎aussview建立分子模型和分析計(jì)算結(jié)果。在用Gaussview軟件建立模型的過(guò)程中,我首先對(duì)主工具欄里邊的元素工具和環(huán)工具等建模工具做了講解,然后再對(duì)編輯工具即鍵長(zhǎng)、鍵角和二面角工具做了使用演示,另外還講了加H工具和原子消除工具的使用。事實(shí)上,上述的這幾個(gè)工具如果能掌握好,學(xué)生們基本上就能根據(jù)所學(xué)化學(xué)知識(shí)來(lái)建立相應(yīng)的分子的三維結(jié)構(gòu)模型。隨后,在課堂上我再演示如何用鼠標(biāo)操作來(lái)旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)、縮放和疊加結(jié)構(gòu),如何用鼠標(biāo)操作來(lái)改變分子的顯示形式和顏色,如何查看結(jié)果如能量數(shù)據(jù),以及如何顯示分子的原子電荷和分子軌道性質(zhì)等。等學(xué)生基本掌握了Gaussview的模型建立和結(jié)果分析工具,我會(huì)給他們講解如何將分子模型通過(guò)設(shè)置不同的關(guān)鍵詞來(lái)提交相應(yīng)任務(wù)給Gaussian程序去執(zhí)行,如結(jié)構(gòu)優(yōu)化的關(guān)鍵詞是OPT,頻率計(jì)算的關(guān)鍵詞是FREQ等。由于Gaussian的功能強(qiáng)大,授課時(shí)間有限,我們只介紹一些基本操作和簡(jiǎn)單例子給學(xué)生。例如讓學(xué)生對(duì)鄰位、間位和對(duì)位的二取代苯進(jìn)行在不同計(jì)算級(jí)別(如HF/6-31G(d,p)水平下)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化模擬,然后對(duì)其能量比較分析哪個(gè)異構(gòu)體在氣相和液相下最穩(wěn)定。對(duì)于反應(yīng)機(jī)理,我會(huì)讓學(xué)生通過(guò)尋找一些簡(jiǎn)單的常見(jiàn)化學(xué)反應(yīng)如Diels-Alder反應(yīng)、SN2親核取代反應(yīng)的過(guò)渡態(tài)的構(gòu)型來(lái)加深對(duì)反應(yīng)通道的理解,通過(guò)IRC計(jì)算直觀的看出化學(xué)反應(yīng)中分子結(jié)構(gòu)的變化。此外,我還會(huì)講一些實(shí)例介紹光譜的預(yù)測(cè),比如首先我們會(huì)在基態(tài)下用DFT方法優(yōu)化發(fā)光分子的結(jié)構(gòu),然后對(duì)其進(jìn)行TDDFT計(jì)算來(lái)預(yù)測(cè)其紫外吸收光譜和熒光光譜等發(fā)光性質(zhì),從而為功能分子的設(shè)計(jì)提供便利。最后,根據(jù)本院實(shí)際科研需要,我們會(huì)適當(dāng)進(jìn)行一些應(yīng)用教學(xué)來(lái)滿(mǎn)足不同專(zhuān)業(yè)學(xué)生的需求。
三、開(kāi)展Gaussian程序應(yīng)用課程的前景展望
自然科學(xué)發(fā)展的歷史和規(guī)律表明,多學(xué)科的優(yōu)勢(shì)交叉促進(jìn)了最基本的微觀過(guò)程和最復(fù)雜的宏觀過(guò)程的統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。在這個(gè)信息大爆炸的時(shí)代,Gaussian這一量子化學(xué)計(jì)算程序應(yīng)運(yùn)而生并被廣泛認(rèn)可和應(yīng)用。它既要求使用者有一定的量子力學(xué)等數(shù)理基礎(chǔ)來(lái)理解計(jì)算流程,而且要求他們對(duì)于化學(xué)問(wèn)題有深刻認(rèn)識(shí)和獨(dú)特見(jiàn)解,屬于一門(mén)高度交叉的新興方法和工具,涉及應(yīng)用化學(xué)、理論化學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)等眾多領(lǐng)域。目前,Gaussian程序已經(jīng)成為理論化學(xué)計(jì)算中的常規(guī)方法之一,開(kāi)展此門(mén)課程可以使科學(xué)研究人將其用于未來(lái)的反應(yīng)機(jī)理研究、反應(yīng)的立體和化學(xué)選擇性的解釋、化合物結(jié)構(gòu)及其光譜等性質(zhì)預(yù)測(cè),并可指導(dǎo)設(shè)計(jì)小分子催化劑甚至新型催化反應(yīng),減少實(shí)驗(yàn)上的盲目性和偶然性,從而達(dá)到節(jié)省人力、物力和財(cái)力的最終目的。
理論計(jì)算化學(xué)在近幾十年來(lái)取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展,已從根本上改變了人們對(duì)于化學(xué)只是一門(mén)實(shí)驗(yàn)科學(xué)的認(rèn)知,它已經(jīng)成為化學(xué)學(xué)科的一個(gè)重要組成部分。我國(guó)的理論計(jì)算研究發(fā)展迅速,化學(xué)學(xué)科正處于從單純實(shí)驗(yàn)到以實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算相輔相成轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵時(shí)期,從專(zhuān)業(yè)發(fā)展的角度而言,開(kāi)展理論計(jì)算化學(xué)相關(guān)課程如Gaussian程序應(yīng)用具有非常廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展空間。
參考文獻(xiàn):
20世紀(jì)后半葉,物理學(xué)在此前建立起來(lái)的狹義相對(duì)論、量子力學(xué)、量子電動(dòng)力學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理和許多重要物理實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,以前所未有的速度發(fā)展著。許多物理學(xué)的分支學(xué)科,如原子、分子物理、原子核物理、固體物理、等離子體物理以及粒子物理等,都得到極大發(fā)展。與此同時(shí),科學(xué)發(fā)展的另一個(gè)重要特征是學(xué)科間相互滲透和交叉綜合。物理學(xué)和其他學(xué)科相互滲透,產(chǎn)生了一系列交叉學(xué)科和邊緣學(xué)科,如化學(xué)物理、生物物理、大氣物理、海洋物理、地球物理等等。物理學(xué)的新概念、新理論和新的實(shí)驗(yàn)方法向其他學(xué)科轉(zhuǎn)移,促成各學(xué)科的發(fā)展并成為其組成部分。
20世紀(jì)后半葉,新技術(shù)特別是高新技術(shù)發(fā)展之快也是前所未有的。高技術(shù)包含的科學(xué)知識(shí)高度密集,綜合性極高,如紅外和紅外成像技術(shù)、激光技術(shù)、計(jì)算技術(shù)、信息技術(shù)、航天技術(shù)、生物技術(shù)等等,都無(wú)一例外地與物理學(xué)等學(xué)科的基本概念、基本理論和基本實(shí)驗(yàn)方法密切相關(guān),其發(fā)展在很大程度上依賴(lài)包括物理學(xué)在內(nèi)的各學(xué)科的發(fā)展。
現(xiàn)代軍事科學(xué)技術(shù)的知識(shí)密集性、綜合性極高,處于科學(xué)技術(shù)的前沿,近幾年來(lái)的局部戰(zhàn)爭(zhēng)向人們展示,現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)在相當(dāng)大程度上是高新技術(shù)的較量。現(xiàn)代軍事科學(xué)技術(shù)離不開(kāi)物理學(xué)和物理學(xué)的新成就,如紅外夜視、激光制導(dǎo)、激光雷達(dá)、三相彈等都與物理學(xué)原理和物理學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)密切相關(guān)。
這一切都表明,在科學(xué)技術(shù)發(fā)展的進(jìn)程中,物理學(xué)不但在歷史上曾經(jīng)是處于主導(dǎo)地位的,在20世紀(jì)是處于主導(dǎo)地位的,而且毫無(wú)疑問(wèn),21世紀(jì)物理學(xué)在科學(xué)技術(shù)發(fā)展中也必將處于主導(dǎo)地位,它的作用將會(huì)更加突出。
大學(xué)物理課是一門(mén)重要基礎(chǔ)課,它的作用一方面是為學(xué)生較系統(tǒng)地打好必要的物理基礎(chǔ),另一方面是使學(xué)生初步學(xué)習(xí)科學(xué)的思維方法和研究方法,這些都起著增強(qiáng)適應(yīng)能力、開(kāi)闊劉義洪盈贅大爭(zhēng)物雙教爭(zhēng)敬沮思路、激發(fā)探索和創(chuàng)新精神、提高人才素質(zhì)的重要作用。學(xué)好大學(xué)物理,不僅對(duì)學(xué)生在校學(xué)習(xí)十分重要,而且對(duì)學(xué)生畢業(yè)后的工作和在工作中進(jìn)一步學(xué)習(xí)新理論、新知識(shí)、新技術(shù)、不斷更新知識(shí),都將發(fā)生深遠(yuǎn)的影響。物理課的這一作用,特別為許多專(zhuān)家、教授、高級(jí)工程技術(shù)專(zhuān)家所強(qiáng)調(diào)。
我國(guó)工科大學(xué)物理的學(xué)時(shí)一直少于理科。因此,目前實(shí)施的教學(xué)內(nèi)容,主要是傳統(tǒng)物理課內(nèi)容在給定學(xué)時(shí)范圍內(nèi)一再精選后形成的。總的來(lái)講,工科大學(xué)生的物理基礎(chǔ)較薄弱,物理知識(shí)面也較窄,特別是近代物理和現(xiàn)代工程技術(shù)有關(guān)的物理基礎(chǔ)和現(xiàn)代工程技術(shù)方面的新知識(shí)更顯薄弱。如我們的課程基本要求中沒(méi)有物性學(xué)、分子、原子核、粒子等內(nèi)容;沒(méi)有偏振光干涉、核磁共振、穆斯堡爾效應(yīng)等內(nèi)容;量子物理、統(tǒng)計(jì)物理等近代物理基礎(chǔ)的基本概念、基本理論和知識(shí)甚為薄弱。這些內(nèi)容,工科一般專(zhuān)業(yè)在后續(xù)課中多不再涉及,而它們恰恰是當(dāng)今學(xué)習(xí)新理論、新知識(shí)和新技術(shù)所要涉及的,有些甚至已成為當(dāng)今高新技術(shù)的組成部分。在這個(gè)意義上講,大學(xué)物理課內(nèi)容“老的多、新的少”。因此,更新內(nèi)容,加強(qiáng)現(xiàn)代物理和現(xiàn)代工程技術(shù)有關(guān)知識(shí),特別是有關(guān)基礎(chǔ)知識(shí),是工科物理教學(xué)改革必須面向的首要問(wèn)題。
二、工科物理課教學(xué)改革
工科大學(xué)物理課程的教學(xué)改革是很復(fù)雜的,也是很困難的,不可能一嗽而就。應(yīng)該堅(jiān)持以下原則:不應(yīng)改變物理課作為基礎(chǔ)課的地位和作用,應(yīng)著力研究現(xiàn)代高級(jí)工程技術(shù)人才應(yīng)具備什么樣的物理基礎(chǔ);要重點(diǎn)研究如何處理好經(jīng)典物理和近代物理及有關(guān)近代內(nèi)容的關(guān)系;應(yīng)在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維方法和分析問(wèn)題、解決問(wèn)題能力上加大力度,與研究教學(xué)內(nèi)容改革的同時(shí),還必須系統(tǒng)地研究教學(xué)方法、考試方法等教學(xué)環(huán)節(jié)的改革。
工科大學(xué)物理課內(nèi)容改革的重點(diǎn)在于加強(qiáng)物理學(xué)基礎(chǔ)(包括經(jīng)典物理基礎(chǔ)和近代物理基礎(chǔ)),同時(shí)適當(dāng)?shù)亟榻B反映現(xiàn)代物理和現(xiàn)代工程技術(shù)的新知識(shí),擴(kuò)大學(xué)生的知識(shí)面,在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中提高學(xué)生分析及解決問(wèn)題的能力和獨(dú)立獲取知識(shí)的能力。由于工科物理課程教學(xué)時(shí)數(shù)少,只靠課程內(nèi)容和體系本身改革回旋余地小,改革要將課內(nèi)課外、理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)、課與課間關(guān)系諸方面綜合考慮。
(一)課程教學(xué)內(nèi)容改革,應(yīng)以物理課程教學(xué)基本要求為依據(jù)。在保證經(jīng)典的前提下,進(jìn)一步精選經(jīng)典物理內(nèi)容,突出教學(xué)內(nèi)容及能力培養(yǎng),避免過(guò)分強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)性和嚴(yán)密性等,在整個(gè)經(jīng)典物理教學(xué)過(guò)程中應(yīng)貫徹加強(qiáng)近代思想;在近代物理基礎(chǔ)的基本要求部分,加強(qiáng)量子力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理基礎(chǔ)知識(shí),以利于學(xué)生在校和離校后進(jìn)一步學(xué)習(xí)新理論、新知識(shí)和新技術(shù);加強(qiáng)現(xiàn)代工程技術(shù)物理基礎(chǔ)專(zhuān)題,這部分內(nèi)容應(yīng)側(cè)重物理原理,而不要停留在科普水平上,上述三部分內(nèi)容的講授學(xué)時(shí),分別約占總學(xué)時(shí)的58%、27%和15%。
(二)開(kāi)設(shè)物理類(lèi)和技術(shù)類(lèi)專(zhuān)題選修課(或講座)。物理類(lèi)選修課:如現(xiàn)代物理導(dǎo)論、混沌、原子和分子物理、核物理、天體物理、等離子體物理、凝聚態(tài)物理、嫡和信息、傅里葉光學(xué)、非線性光學(xué)、非線性力學(xué)等、技術(shù)類(lèi)選修課:如現(xiàn)代工程技術(shù)專(zhuān)題、激光技術(shù)、光散射技術(shù)、全息技術(shù)、穆斯堡爾譜學(xué)、核磁共振技術(shù)、薄膜技術(shù)、換能器、紅外技術(shù)、低溫和超導(dǎo)等。選修課應(yīng)著重物理概念、物理思想和方法,不追求數(shù)學(xué)嚴(yán)密性,不過(guò)分強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)性和完整性。
(三)教學(xué)手段改革是教學(xué)改革的重要組成部分。粉筆加教鞭不適應(yīng)改革的需要已經(jīng)成為人們的共識(shí)。近幾年來(lái),有許多院校在多媒體輔助教學(xué)上做了大量的工作。實(shí)踐證明,把多媒體技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)可以改變信息的包裝形式,在計(jì)算機(jī)上把圖、文、聲、像集成在一起,提高教學(xué)內(nèi)容的表現(xiàn)力和感染力,能調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)運(yùn)用多種感觀積極參與多媒體的活動(dòng),使學(xué)生由知識(shí)的被動(dòng)接受轉(zhuǎn)為主動(dòng)發(fā)現(xiàn)。同時(shí),這也為教學(xué)研究提供了有力工具,為教學(xué)的順暢實(shí)施與高效提供了可靠的技術(shù)保障。在提高認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上,加大這方面的資金投人,多媒體輔助教學(xué)必將成為21世紀(jì)教學(xué)手段的主體。而多媒體輔助教學(xué)軟件也應(yīng)向智能化方向發(fā)展。1997年n月6日,中國(guó)物理學(xué)會(huì)正式宣布中國(guó)物理教育網(wǎng)建立。這就為網(wǎng)上教學(xué)和科研提供了方便,物理教育工作者應(yīng)充分利用這一有利條件,從網(wǎng)上獲取信息服務(wù)于教學(xué)。名校、名師更應(yīng)在網(wǎng)上傳播自己的教法和經(jīng)驗(yàn),使大家受益。
級(jí)別:北大期刊
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