相對論與量子力學的矛盾精選(九篇)

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第1篇：相對論與量子力學的矛盾范文

關(guān)鍵詞：因果論；經(jīng)典物理學；愛因斯坦；近代物理學

Abstract： the classical causal theory is a kind of experience， but the causal theory has a more far-reaching influence on most of the people. In the process of the development of physics， also left a deep mark has a causal theory. In this paper， from the development of physics to talk about in the process of causal theory.

Keywords： Causal theory， Classical physics， Modern physics， Einstein

因果論也稱因果定律或因果法則，是指任何事物的產(chǎn)生和發(fā)展都有一個原因和結(jié)果。一種事物產(chǎn)生的原因，必定是另一種事物發(fā)展的結(jié)果；一種事物發(fā)展的結(jié)果，也必定是另一種事物產(chǎn)生的原因。原因和結(jié)果是不斷循環(huán)，永無休止的。

而因果論該詞則是由著名哲學家蘇格拉底提出的，但是在西方哲學中很少講因果，往往喜歡將因果割裂開進行研究，早期西方哲學中，亞里士多德的四因說詳細分析了事物存在以及發(fā)生的原因。講因果在佛教中卻是普遍的。

相信一提及因果論，對于我們大家來說也一定不是陌生的。幾乎每個人從小就在自己生長的環(huán)境中去了解因果性，甚至已經(jīng)在潛意識中成為了因果論堅定的支持者。

而早期許多的物理學家們的看法，和我們大家是一致的，都不曾對因果論產(chǎn)生過懷疑。特別是當牛頓發(fā)表了力學三大定律，確立了經(jīng)典力學后，物理學家們就對因果論更加深信不疑。因為在這時，只要你為他們提供一顆炮彈的發(fā)射速度，風阻等一些所需數(shù)據(jù)，他們就能足夠精準地計算出炮彈會擊中哪里。多么地神奇！多么地偉大！仿佛他們自己已經(jīng)成為了上帝。因為有著因果論，這個世界在物理學家面前仿佛變得有規(guī)律可循。

這個時期的物理可謂發(fā)展到了巔峰；憑借著偉大的牛頓三大定律和麥克斯韋的電磁理論，這座物理學大廈拔地而起并且堅不可摧，它發(fā)出的光芒是那么地耀眼，那么地令人神往至今記得，當拿破侖問拉普拉斯為什么在你的演算中為什么看不到上帝時，他回答到：“我不需要上帝這個假設(shè)?！?/p>

然而，這么一個令人無限向往的“黃金時代”，終究隨著那著名的“兩朵烏云”而一去不返。

第一朵烏云，主要是指邁克爾遜-莫雷實驗結(jié)果和以太漂移說相矛盾；他所說的第二朵烏云，主要是指熱學中的能量均分定則在氣體比熱以及勢輻射能譜的理論解釋中得出與實驗不等的結(jié)果，其中尤以黑體輻射理論出現(xiàn)的“紫外災(zāi)難”最為突出。第一朵烏云后來導致了相對論的產(chǎn)生，第二朵烏云后來則導致了量子力學的產(chǎn)生。

一提到這兩個近代物理學上最偉大的發(fā)明，相對論和量子力學，就不得不提及一位偉人-阿爾伯特?愛因斯坦。就只在1905年，他就在三個領(lǐng)域做出了四個有劃時代意義的貢獻，發(fā)表了關(guān)于光量子說、分子大小測定法、布朗運動理論和狹義相對論這四篇重要論文。

就是這么一位偉人，最終卻站在了反對量子力學的對立面。 愛因斯坦的摯友埃倫菲斯特都直言不諱地當著愛因斯坦的面發(fā)牢騷：“愛因斯坦，我真為你感到羞恥！想不到你居然也扮演了那些反對相對論的人的角色！”

到底是什么原因使得思想開明的愛因斯坦要反對量子力學？是他對于因果論的堅持。

對于因果性，愛因斯坦的理解是這樣的：“我們必須把作為指向理論的一個公設(shè)的因果性和指向可觀察量的一個公設(shè)的因果性區(qū)別開來。后者這一要求始終得不到滿足――經(jīng)驗的因果性并不存在――而且以后還將仍然如此。把因果性看成現(xiàn)在和將來之間時間上必然的序列，這樣一種公式是太狹窄了。那只是因果律的一種形式――而不是惟一的形式?！谒木S空間的世界里， 因果性只是兩個間斷（breaks）之間的一種聯(lián)系。”他指出：“我一如既往地堅信，把自然規(guī)律加以幾率化，從更深邃的觀點看來，是個歧途，盡管統(tǒng)計法獲得了實際上的成功?！?/p>

然而，直到現(xiàn)在卻有許多的事實在證明，他，愛因斯坦，確實錯了。因果論真的在微觀上是不存在的！ 上帝真的就是在擲骰子！

按動力學意義上的因果論說，量子力學的運動方程也是因果律方程，當體系的某一時刻的狀態(tài)被知道時，可以根據(jù)運動方程預言它的未來和過去任意時刻的狀態(tài)。但是量子力學對決定狀態(tài)的物理量不能給出確定的預言，只能給出物理量取值的幾率。在這個意義上，經(jīng)典物理學因果律在微觀領(lǐng)域失效了。

其實有許多的物理學家都在對量子力學進行爭辯。爭論的本質(zhì)是哲學的爭論，即微觀世界到底是否遵守因果律的問題，放棄因果律，本質(zhì)上等同于承認這個世界的本質(zhì)是不可知的，而經(jīng)典物理學家因為深信物質(zhì)世界是可知的，才作出不斷探索的努力。

對于愛因斯坦在此的失敗，我們真的只能感到非常的惋惜。他的失敗不是因為自己的能力，而更大的程度上是因為量子力學本身過于光怪陸離。量子力學真的非常神奇與讓人很難理解，就像哥本哈根學派創(chuàng)始人， 量子力學的創(chuàng)始人玻爾說的：“ 誰如果在量子面前不感到震驚，他就不懂得現(xiàn)代物理學；同樣如果誰不為此理論感到困惑，他也不是一個好的物理學家。 ”以至于讓許許多多曾為量子力學做出過偉大貢獻的人，在后來又站在了它的對立面。像愛因斯坦，像薛定諤等。

因果論，這個我們大多數(shù)人一直以來都深信不疑的觀點，在物理學的發(fā)展過程中開始受到了懷疑，甚至要變得“生”“死”難測了。近代物理學在發(fā)展的過程中變得越來越玄妙，越來越深奧，在哲學意味上的聯(lián)系也更加密切。但這，卻也給了我們更多機遇和挑戰(zhàn)，給了我們更多思考的必要；也使得我們對于物理學的未來有了更加美好的憧憬。

參考文獻

第2篇：相對論與量子力學的矛盾范文

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”?？墒俏⒂^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雜性，這就隱去了自然界的豐富多樣性。

量子力學初步揭示了客觀世界的復雜性。經(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。復雜性是把簡單性作為一個特例包含其中，正如莫蘭所說的，復雜性是簡單性和復雜性的統(tǒng)一。復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。復雜性主張考察被研究對象的復雜性，在對其作出層次與類別上的區(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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[摘要]20世紀三次物理學革命之一的量子力學突破了經(jīng)典科學的機械決定論，使之轉(zhuǎn)化為非機械決定論；使得科學認識方法由還原論轉(zhuǎn)化為整體論；使得科學思維方式由追求簡單性到探索復雜性；確立了科學活動中主客體互動關(guān)系。

關(guān)鍵詞：量子力學；經(jīng)典科學世界圖景；

參考文獻：

[1]林德宏.科學思想史[M].第2版.南京：江蘇科學技術(shù)出版社，2004：270-271.

[2]郭奕玲，沈慧君.物理學史[M].第2版.北京：清華大學出版社，1993：1-2.

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[6]疏禮兵，姜巍.近現(xiàn)代科學觀的演進及其啟示[J].科學管理研究，2004,22(5)：56-58.

第3篇：相對論與量子力學的矛盾范文

摘?要：基本物理常數(shù)是物理學中的一些普適常數(shù)。這些常數(shù)與自然科學的各個分支有著密切的聯(lián)系，物理學中許多劃時論的創(chuàng)立和新研究領(lǐng)域的開辟，往往與某個基本物理常數(shù)的發(fā)現(xiàn)或準確測定密切相關(guān)。

關(guān)鍵詞：物理常數(shù)；光速；普朗克常數(shù)

基本物理常數(shù)是物理學中的一些普適常數(shù)。這些常數(shù)與自然科學的各個分支有著密切的關(guān)系，在科學理論的提出和科學試驗的發(fā)展中起著很重要的作用。

物理學中許多新領(lǐng)域的開辟以及重大物理理論的創(chuàng)立，往往與相關(guān)基本物理常數(shù)的發(fā)現(xiàn)或準確測定密切相關(guān)?；疚锢沓?shù)的測定及其精度的不斷提高，生動地反映了實驗技術(shù)和測量方法的發(fā)展與更新，現(xiàn)在，許多基本物理常數(shù)的精度已達10-6量級，有的甚至達到10-8~10-10量級。本文僅以光速C和普朗克常數(shù)h為例來說明。

光速是光波的傳播速度，原與聲波、水波等的傳播速度類似，并不具有任何“特殊的”的地位。但細分析起來，光速也似乎確有一些特殊之處。其一是光速的數(shù)值非常大，遠非其他各種波動速度所能比擬；其二是光波可以在真空中傳播，而其他波動則離開了相應(yīng)的彈性介質(zhì)便不復存在，由此引來了關(guān)于以太（假想的彈性介質(zhì)）的種種爭論。

1865年麥克斯韋建立了電磁場方程組，證明了電磁波的存在，并推導出了電磁波的速度C等于電流的電磁單位與靜電單位之比。1849年斐索用實驗測出光在空氣中的傳播速度為C =3.14858×108米/秒。分屬光學和電磁學的不相及的兩個傳播速度C電磁波與C光波之間出乎意料的驚人相符，使麥克斯韋立即意識到光波就是電磁波。于是，以C為橋梁把以前認為彼此無關(guān)的光學與電磁學統(tǒng)一了起來。同時，由于電磁波傳播依賴的是電磁場的內(nèi)在聯(lián)系，無需任何彈性介質(zhì)，使得“以太”的存在和不存在沒有什么差別，不需要強加在它身上種種性質(zhì)。至此，光速C的地位陡然升高。

麥克斯韋電磁場理論揭示了電磁場運動變化的規(guī)律，統(tǒng)一了光學與電磁學，開創(chuàng)了物理學的新時代。但同時它也提出了新的更深刻的問題：麥克斯韋方程組只適用于某個特殊的慣性系還是適用于一切慣性系。如果麥克斯韋方程組只適用于某個特殊的慣性系，則不僅違背相對性原理，且該慣性系就是牛頓的絕對空間，地球相對它運動將受到以太風的吹拂，然而試圖探測其影響的Michelson-Mor1ey實驗卻得出了否定的結(jié)果。如果麥克斯韋方程組適用于一切慣性系，則根據(jù)伽利略變換得出的經(jīng)典速度合成規(guī)律，在不同慣性系中的光速應(yīng)不同，甚至會出現(xiàn)違背因果關(guān)系的超光速現(xiàn)象，也難以解釋。總之，對于麥克斯韋電磁場理論，伽利略變換和相對性原理之間存在著不可調(diào)和的深刻矛盾。直至1905年Einstein以相對性原理和光速不變原理為前提，并借助洛倫茲變換方程建立起狹義相對論之后，這一切矛盾和困惑才最終得以解決。

由此可見，真空中的光速C從光波的速度上升為一切電磁波的傳播速度之后，又進一步成為一切實際物體和信號速度的上限，并且在任何慣性系中C的取值都相同。C作為基本物理常數(shù)，提供了不可逾越的速度界限，從根本上否定了一切超距作用，成為相對論和新時空觀的鮮明標志。

1900年普朗克為解釋黑體輻射，提出諧振子能量不連續(xù)的大膽假設(shè)。1905年Einstein為解釋光電效應(yīng)，把能量子假設(shè)推廣到電磁波，提出“光量子”。1924年德布羅意通過粒子與波的對比，假設(shè)微觀粒子也具有波動性，也就是波粒二象性，設(shè)其動量為p，則其德布洛依波長由下式絕定：pλ=h，這里h是一常量，叫普朗克常數(shù)，h幾乎處處出現(xiàn)，它宣告物理學新的研究領(lǐng)域――量子物理學誕生了。

量子物理學的進展表明，普朗克常數(shù)h是量子物理學的重要常數(shù)， h不僅必然成為微觀粒子運動特征的定量標準，而且成為劃分量子物理與經(jīng)典物理的定量界限（正如C是劃分相對論與非相對論的定量界限一樣）。如果物理體系具有作用量綱的物理量與h可相比擬，則該體系的行為必須在量子力學的框架內(nèi)描述；反之，如果物理體系具有作用量綱的物理量遠大于h，則經(jīng)典物理學的規(guī)律就在足夠的精確度對該體系有效。普朗克常數(shù)h的深刻含義和重要地位，使之得以躋身基本物理常數(shù)之列。

普朗克常數(shù)h的一個意外而有趣的含義在于，它是一個直接關(guān)系到宇宙存在形式的基本常數(shù)。宇宙中廣泛存在著有形的物質(zhì)與輻射，其間的能量交換（如物體發(fā)光或吸收光）遵從一條物理原理，即能量按自由度均分。如果不存在普朗克常數(shù)，即若h=0，則表明輻射與有形物質(zhì)之間的能量交換可任意進行。由于輻射的自由度與頻率的平方成正比，隨著頻率增高，輻射自由度在數(shù)量上是沒有上限的。因此，輻射通過與有形物質(zhì)的能量交換，將不斷地從有形物質(zhì)中吸取能量，最終導致有形物質(zhì)的毀滅。于是，整個宇宙只剩下輻射，沒有原子、分子，沒有氣體、液體、固體等，生命與人類當然無從談及。幸而普朗克常數(shù)h不為零，輻射的能量是不連續(xù)的，存在著ε=hv的能量臺階，波長越短頻率越高的輻射其能量臺階越高，在與有形物質(zhì)的能量交換中越不起作用，相應(yīng)的輻射自由度凍結(jié)，從而使有形物質(zhì)與幅射的能量交換受到限制，兩者才能達到平衡，我們這個宇宙才能以當今豐富多采的形式存在下去。

下面介紹一下近代精確測量C和h的方法。

測量真空中光速的精確方法是，直接測量激光的頻率ν和真空波長λ，由兩者乘積得出真空光C。1972年，通過測量甲烷譜線的頻率與真空波長，得出真空中光速為c＝299792458±1.2米/秒。1983年第17屆國際計量大會規(guī)定新的米定義為：“米是1/299792458秒的時間間隔內(nèi)光在真空中行程的長度。”由于光速是定義，不確定度為零，從此不再需要任何測量，結(jié)束了300多年精密測量C的歷史。

h首先由普朗克給出，他利用黑體輻射位移定律中的Wien常數(shù)b與k（Boltzmann常數(shù)）、C、h的關(guān)系，由b、k、C算出h，用實驗方法測定h則始于Millikan，他利用光電效應(yīng)的實驗得出h，近代精確測定h的方法是利用Josephson效應(yīng)，這是超導體的一種量子效應(yīng)。

1900年，Thomson在總結(jié)以往幾百年的物理學時指出：“在已經(jīng)基本建成的科學大廈中，后輩物理學家似乎只要做一些零碎的修補工作就行了；但是，在物理學晴朗天空的遠處，還有兩朵令人不安的烏云?！边@兩朵烏云就是當時無法解釋的黑體輻射和Michel-son―MOrley實驗，正是它們引起了物理學的深刻變革，導致量子力學和相對論的誕生，與此同時出現(xiàn)了兩個基本物理常數(shù)h和C。

參考文獻：

[1] [美]威切曼著，復旦大學物理系譯，《量子物理學》，科學出版社，1978年

第4篇：相對論與量子力學的矛盾范文

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。現(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。現(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)。現(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5篇：相對論與量子力學的矛盾范文

關(guān)鍵詞:物理常數(shù);光速;普朗克常數(shù)

基本物理常數(shù)是物理學中的一些普適常數(shù)，是人類在探索客觀世界基本運動規(guī)律的過程中提出和確定的基本物理常量。這些常數(shù)與自然科學的各個分支有著密切的關(guān)系，在科學理論的提出和科學試驗的發(fā)展中起著很重要的作用?；疚锢沓?shù)包括牛頓引力常數(shù)G、真空中的光速C、普朗克常數(shù)h、基本電荷e、電子靜止質(zhì)量Me、阿伏伽德羅常數(shù)Na等。

物理學中許多新領(lǐng)域的開辟以及重大物理理論的創(chuàng)立，往往與相關(guān)基本物理常數(shù)的發(fā)現(xiàn)或準確測定密切相關(guān)?；疚锢沓?shù)描繪和反映了物理世界的基本性質(zhì)和特征，它們?yōu)椴煌I(lǐng)域的區(qū)分提供了定量的標準?；疚锢沓?shù)的測定及其精度的不斷提高，經(jīng)歷了漫長的歷史時期，生動地反映了實驗技術(shù)和測量方法的發(fā)展與更新，現(xiàn)在，許多基本物理常數(shù)的精度已達10-6量級，有的甚至達到10-8～10-10量級。本文限于篇幅，僅以光速C和普朗克常數(shù)h為例來說明。

光速是光波的傳播速度，原與聲波、水波等的傳播速度類似，并不具有任何“特殊的”的地位。但細分析起來，光速也似乎確有一些特殊之處。其一是光速的數(shù)值非常大，遠非其他各種波動速度所能比擬；其二是光波可以在真空中傳播，而其他波動則離開了相應(yīng)的彈性介質(zhì)便不復存在，由此引來了關(guān)于以太（假想的彈性介質(zhì)）的種種爭論。

1865年麥克斯韋建立了電磁場方程組，證明了電磁波的存在，并推導出了電磁波的速度C等于電流的電磁單位與靜電單位之比。1849年斐索用實驗測出光在空氣中的傳播速度為C=3.14858×108米/秒。分屬光學和電磁學的不相及的兩個傳播速度C電磁波與C光波之間出乎意料的驚人相符，使麥克斯韋立即意識到光波就是電磁波。于是，以C為橋梁把以前認為彼此無關(guān)的光學與電磁學統(tǒng)一了起來。同時，由于電磁波傳播依賴的是電磁場的內(nèi)在聯(lián)系，無需任何彈性介質(zhì)，使得“以太”的存在和不存在沒有什么差別，不需要強加在它身上種種性質(zhì)。至此，光速C的地位陡然升高。

麥克斯韋電磁場理論揭示了電磁場運動變化的規(guī)律，統(tǒng)一了光學與電磁學，開創(chuàng)了物理學的新時代。但同時它也提出了新的更深刻的問題：麥克斯韋方程組只適用于某個特殊的慣性系還是適用于一切慣性系。如果麥克斯韋方程組只適用于某個特殊的慣性系，則不僅違背相對性原理，且該慣性系就是牛頓的絕對空間，地球相對它運動將受到以太風的吹拂，然而試圖探測其影響的Michelson-Mor1ey實驗卻得出了否定的結(jié)果。如果麥克斯韋方程組適用于一切慣性系，則根據(jù)伽利略變換得出的經(jīng)典速度合成規(guī)律，在不同慣性系中的光速應(yīng)不同，甚至會出現(xiàn)違背因果關(guān)系的超光速現(xiàn)象，也難以解釋?？傊?，對于麥克斯韋電磁場理論，伽利略變換和相對性原理之間存在著不可調(diào)和的深刻矛盾。直至1905年Einstein以相對性原理和光速不變原理為前提，并借助洛倫茲變換方程建立起狹義相對論之后，這一切矛盾和困惑才最終得以解決。

由此可見，真空中的光速C從光波的速度上升為一切電磁波的傳播速度之后，又進一步成為一切實際物體和信號速度的上限，并且在任何慣性系中C的取值都相同。C作為基本物理常數(shù)，提供了不可逾越的速度界限，從根本上否定了一切超距作用，成為相對論和新時空觀的鮮明標志，同時又成為是否需要考慮相對論效應(yīng)的定量判斷標準。

1900年普朗克為解釋黑體輻射，提出諧振子能量不連續(xù)的大膽假設(shè)。1905年Einstein為解釋光電效應(yīng)，把能量子假設(shè)推廣到電磁波，提出“光量子”。1924年德布羅意通過粒子與波的對比，假設(shè)微觀粒子也具有波動性，也就是波粒二象性，設(shè)其動量為p，則其德布洛依波長由下式絕定：pλ=h，這里h是一常量，叫普朗克常數(shù)，h幾乎處處出現(xiàn)，它宣告物理學新的研究領(lǐng)域——量子物理學誕生了。

量子物理學的進展表明，普朗克常數(shù)h是量子物理學的重要常數(shù)，凡是涉及量子效應(yīng)的一切物理量都與它有關(guān)，h不僅必然成為微觀粒子運動特征的定量標準，而且成為劃分量子物理與經(jīng)典物理的定量界限（正如C是劃分相對論與非相對論的定量界限一樣）。如果物理體系具有作用量綱的物理量與h可相比擬，則該體系的行為必須在量子力學的框架內(nèi)描述；反之，如果物理體系具有作用量綱的物理量遠大于h，則經(jīng)典物理學的規(guī)律就在足夠的精確度對該體系有效。普朗克常數(shù)h的深刻含義和重要地位，使之得以躋身基本物理常數(shù)之列。

普朗克常數(shù)h的一個意外而有趣的含義在于，它是一個直接關(guān)系到宇宙存在形式的基本常數(shù)。宇宙中廣泛存在著有形的物質(zhì)與輻射，其間的能量交換（如物體發(fā)光或吸收光）遵從一條物理原理，即能量按自由度均分。如果不存在普朗克常數(shù)，即若h=0，則表明輻射與有形物質(zhì)之間的能量交換可任意進行。由于輻射的自由度與頻率的平方成正比，隨著頻率增高，輻射自由度在數(shù)量上是沒有上限的。因此，輻射通過與有形物質(zhì)的能量交換，將不斷地從有形物質(zhì)中吸取能量，最終導致有形物質(zhì)的毀滅。于是，整個宇宙只剩下輻射，沒有原子、分子，沒有氣體、液體、固體等，生命與人類當然無從談及。幸而普朗克常數(shù)h不為零，輻射的能量是不連續(xù)的，存在著ε=hv的能量臺階，波長越短頻率越高的輻射其能量臺階越高，在與有形物質(zhì)的能量交換中越不起作用，相應(yīng)的輻射自由度凍結(jié)，從而使有形物質(zhì)與幅射的能量交換受到限制，兩者才能達到平衡，我們這個宇宙才能以當今豐富多采的形式存在下去。

下面介紹一下近代精確測量C和h的方法。

測量真空中光速的精確方法是，直接測量激光的頻率ν和真空波長λ，由兩者乘積得出真空光C。1972年，通過測量甲烷譜線的頻率與真空波長，得出真空中光速為c＝299792458±1.2米/秒。1983年第17屆國際計量大會規(guī)定新的米定義為：“米是1/299792458秒的時間間隔內(nèi)光在真空中行程的長度?！庇捎诠馑偈嵌x，不確定度為零，從此不再需要任何測量，結(jié)束了300多年精密測量C的歷史。

h首先由普朗克給出，普朗克利用黑體輻射位移定律中的Wien常數(shù)b與k（Boltzmann常數(shù)）、C、h的關(guān)系，由b、k、C算出h，用實驗方法測定h則始于Millikan，他利用光電效應(yīng)的實驗得出h，近代精確測定h的方法是利用Josephson效應(yīng)，這是超導體的一種量子效應(yīng)。

1900年，Thomson在總結(jié)以往幾百年的物理學時指出：“在已經(jīng)基本建成的科學大廈中，后輩物理學家似乎只要做一些零碎的修補工作就行了；但是，在物理學晴朗天空的遠處，還有兩朵令人不安的烏云。”這兩朵烏云就是當時無法解釋的黑體輻射和Michel-son—MOrley實驗，正是它們引起了物理學的深刻變革，導致量子力學和相對論的誕生，與此同時出現(xiàn)了兩個基本物理常數(shù)h和C。

參考文獻

[1][美]威切曼著，復旦大學物理系譯，《量子物理學》，科學出版社，1978年

第6篇：相對論與量子力學的矛盾范文

正電子，又稱陽電子、反電子、正子，基本粒子的一種，帶正電荷，質(zhì)量和電子相等，是電子的反粒子。最早是由狄拉克從理論上語言的。1932年8月2日，美國加州理工學院的安德森等人向全世界莊嚴宣告，他們發(fā)現(xiàn)了正電子。正負電子一旦相遇，則發(fā)生湮滅，是正電子的最基本性質(zhì)。在這之前是不具有我們理解的正電子的最基本性質(zhì)。那么對于大學生在學學物理中該如何理解正電子，本人在文章簡單介紹了正電子的發(fā)現(xiàn)過程，讓大學生對正電子的概念有一個基本的了解。

【關(guān)鍵詞】

正電子；狄拉克方程；湮滅；空穴

1.引言

正電子的理論預言和實驗發(fā)現(xiàn)揭開了反粒子的發(fā)現(xiàn)之幕，這也無疑是近代物理界的極為重要的和極其有意義的發(fā)現(xiàn)，它的發(fā)現(xiàn)標志著我們對物質(zhì)的內(nèi)涵有了更進一步的理解，尤其是對基本粒子的認識進一步加深。構(gòu)成物質(zhì)的基本粒子是既不能產(chǎn)生，也不會湮滅，如電子，我們通常的電子都是指帶負電，而且規(guī)定電子所帶的電量大小為單位電量，直到正電子的發(fā)現(xiàn)，對基本粒子的認識翻開了新的一頁?，F(xiàn)如今，我們發(fā)現(xiàn)在一定條件下，正、負電子可以相互轉(zhuǎn)化，成對的產(chǎn)生或者湮滅。我們在認識世界的過程中，總是從感性上升到理性，通過概括和整理，使之成為概念。本文簡單介紹我們該如何去理解正電子的概念，這就是本文探索的目的。

2.正電子的理論來源

1928年，英國物理學家提出了著名的狄拉克方程，該方程式描述自旋為12粒子的波函數(shù)方程，是對薛定諤方程進行洛倫茲變換得到的，它同時遵循狹義相對論與量子力學的原理，是相對論量子力學重要基礎(chǔ)。狄拉克1928年提出了合理真空理論假說———狄拉克之海，認為這些粒子是電子的反物質(zhì)，很好的解釋了方程中反常的負能量問題，對反粒子的存在做出了合理的預言。此外，根據(jù)狄拉克方程求解得到的結(jié)果，電子不僅有能量取正值的情況，還有負值的情況，而且正負態(tài)關(guān)于能量為零的點完全對稱。雖然這個結(jié)果很有意思，但解釋起來遇到了“永動機”的問題，這與物理基本規(guī)律是肯定矛盾的。針對這個矛盾，狄拉克于1930年提出了空穴理論。該理論考慮了電子是費米子，那就必須滿足泡利不相容原理，負電子填滿了所有的真空狀態(tài)，這樣電子就不能找到能量更低的態(tài)，而且正能量態(tài)中也就沒有電子，所以任何一個電子都不能找到能量更低的狀態(tài)，也就是說整個系統(tǒng)非常穩(wěn)定，電子不可能跳到能量更低的狀態(tài)，對外輻射能量。此外，我們至少需要兩倍于電子靜止質(zhì)量的能量，才能把某個電子從原來的負能態(tài)激發(fā)到正能態(tài)，可以看作一個正能態(tài)對應(yīng)著一個負能態(tài)空穴。正能態(tài)電子所帶電荷為-e，而且所具有的能量大于或等于一個電子靜止能量，因為它們必須滿足電荷守恒定律和能量守恒定律，所以負能態(tài)的電子的帶電量應(yīng)該就是+e，能量也應(yīng)該大于或等于一個電子靜止能量。這個粒子就是狄拉克所預言的“正電子”。

3.實驗發(fā)現(xiàn)

狄拉克本人雖然對理論作出了完美的解釋，空穴理論給出了反粒子概念，但實驗上還并沒有觀測到正電子，正電子理論并沒有得到學術(shù)界的承認，包括狄拉克本人，當時也不是完全確認理論自身的正確性。不過，狄拉克的預言因為找到實驗上的證據(jù)被證實了。1932年，美國物理學家安德森等人在研究宇宙射線是電磁輻射還是單純的粒子問題，觀察到高能光子穿過重原子核附近時在磁場中的偏轉(zhuǎn)情況，這一細節(jié)引起了他的注意，雖然當時著名的物理學家康普頓做出了解釋，但并沒有使安德森及其合作者信服，隨著后來的觀測，在云室中拍攝了一張照片，發(fā)現(xiàn)宇宙射線進入云室穿過鉛板后，軌跡確實發(fā)生了彎曲，而且，在高能宇宙射線穿過鉛板時，有一個粒子的軌跡和電子的軌跡完全一樣，但是彎曲的方向卻“錯”了。第二年，安德森又用γ射線轟擊方法產(chǎn)生了正電子，從而從實驗上完全證實了正電子的存在，正電子得到學術(shù)界的廣泛認可。

4.結(jié)束語

第7篇：相對論與量子力學的矛盾范文

首先我們承認，每個科學理論都必須接受人們對自然現(xiàn)象的觀察和人為實驗的檢驗。實踐是檢驗真理的標準。到了自然科學或科學以后，要經(jīng)過自然現(xiàn)象和人工設(shè)計實驗的檢驗。具體的發(fā)現(xiàn)過程在哪里呢？從原來的科學理論推出的邏輯結(jié)論與我們現(xiàn)在進行的實驗結(jié)果有矛盾的時候，才會有科學發(fā)現(xiàn)――這點大家都承認。比如哥白尼、愛因斯坦的發(fā)現(xiàn)都是這樣的。在這種情況下，創(chuàng)新思維是什么？是以實驗結(jié)果為依據(jù)，分析原來的理論中哪些是與現(xiàn)在的實驗結(jié)果和觀察記錄有矛盾，找到這些矛盾并刪除，提出符合新實驗結(jié)果的東西――這是從哲學的角度看。還可以往下走，把它變成科學。

要研究這些，我們要用到專有的對象語言。如物理學中有專用的語言，有專有的概念、定律，質(zhì)量、能量、加速度、速度、勢能、動能等。生物學中有物種等。每個學科都不一樣。計算機也一樣。研究發(fā)現(xiàn)的邏輯語言最早是由弗雷格和羅素建立的一階語言。一階語言定義了兩類對象，一類對象叫做項。項是遞歸定義的，要么是一個常元符號，要么是個變元符號，如果f是函數(shù)符號，t1,t2,t3都是項，f(t1)也是一個項。項描述常量、變量、函數(shù)關(guān)系。一階語言另外一類對象叫做邏輯公式，就是在所有知識里出現(xiàn)的各種命題、句子、描述知識的句子。句子可以是一個等式，描述函數(shù)之間的關(guān)系，如t1=t2，但在一階語言里是符號，另外可以描述一個集合的關(guān)系，關(guān)系可以是一個集合，用P表示謂詞。剩下的是，如果B是一個句子，在一階語言里是邏輯公式，那么它的否定也是一個邏輯公式，如果A和B都是邏輯公式(邏輯公式描述的是一個命題)，那么A∧B、A∨B、AB，∀xA、∃xA都是句子，每一個句子描述一個命題，命題反映了我們認識到的一個知識，很簡單，比程序設(shè)計語言還簡單。這樣我們可以把注意力集中到研究邏輯關(guān)系。比如舉例：

物理學中的伽利略變換：

如果x是一物體， 和 為彼此做勻速直線運動的參考系， 相對于 的速度為 ，并且x相對于 的速度為 ，那么x相對于 的速度為 + 。

如果用一階語言來表示伽利略變換，就是：

B(x)代表：“x是一物體”；

A(x)代表： 和 為彼此做勻速直線運動的參考系， 相對于 的速度為 ，并且x相對于 的速度為 ，那么x相對于 的速度為 + 。

則伽利略變化可以寫成：

∀x(B(x)A(x))。

又比如：達爾文的自然選擇原理：

由于每一個物種所產(chǎn)生的個體數(shù)量，遠遠超過其可能生存的數(shù)量，所以反復引起生存斗爭，而且任何生物所發(fā)生的變異，無論多么微小，只要在復雜而時常變化的生活條件下，以任何方式有利于自身，就會有較好的生存機會。

如果用E代表“每一個物種所產(chǎn)生的個體數(shù)量，遠遠超過其可能生存的數(shù)量”，F(xiàn)代表“反復引起生存斗爭，而且任何生物所發(fā)生的變異，無論多么微小，只要在復雜而時常變化的生活條件下，以任何方式有利于自身，就會有較好的生存機會”，那么自然選擇原理就可以用EF來描述。

一階語言和C語言的不同之處在于，C語言可以描述任何一個計算現(xiàn)象，而一階語言因為關(guān)注邏輯推理，因此每一個問題可以有多個一階語言，取決于研究中邏輯分析的深入程度。比如用E代表“每一個物種所產(chǎn)生的個體數(shù)量，遠遠超過其可能生存的數(shù)量”，P代表“反復引起生存斗爭”，B代表“物種的特征是不變的”，F(xiàn)代表“任何生物所發(fā)生的變異，無論多么微小，只要在復雜而時常變化的生活條件下，以任何方式有利于自身，就會有較好的生存機會”。在這種情況下，自然選擇原理可以用以下公式更準確地描述：

E(P(BF))。

有了一階語言，任何一個自然科學理論在一階語言里就變成了形式理論。形式理論是由有窮的邏輯公式組成的集合，它們彼此不矛盾。比如用一階語言分析經(jīng)典力學，用R代表相對性原理，N1、N2、N3代表牛頓三定律，E代表萬有引力定律，B(x)表示x是一剛體，A(x)表示相對運動，那么伽利略變換就可以用∀x(B(x)A(x))來描述，經(jīng)典力學的公理系統(tǒng)就可以用下述形式理論來描述：

｛∀x(B(x)A(x))，R，N1，N2，N3，E｝。

有了一階語言后，我們要研究發(fā)現(xiàn)過程的邏輯思維方式是什么，它和平常的數(shù)理邏輯推理有何區(qū)別？數(shù)理邏輯中的各種證明是描述數(shù)學證明的，數(shù)學證明的特點是有一個前提，即形式理論，如幾何的二十條公理，量子力學的六條公理等，再根據(jù)公理進行證明，所有的證明都是對每個句子中的邏輯連接詞的分析。所以一階邏輯中的系統(tǒng)都是為了分析和描述證明用的。而科學發(fā)現(xiàn)與證明的不同在于，科學發(fā)現(xiàn)是實驗的結(jié)果與原來的理論有矛盾時，分析哪些原來的理論和實驗結(jié)果有矛盾。是以實驗和觀察的結(jié)果作為出發(fā)點，分析和尋找原來理論和實驗結(jié)果有矛盾的東西。如果數(shù)學推理是正向的，科學發(fā)現(xiàn)就是反向的?？茖W發(fā)現(xiàn)也是可以形式化的。

要做科學發(fā)現(xiàn)，第一，首先要描述科學實驗的結(jié)果，從這里出發(fā)尋找科學理論哪里有錯誤。剛才談到，傳感器技術(shù)的發(fā)展，使我們所觀察到的自然現(xiàn)象和所有現(xiàn)象都可以變成數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)在一階語言中就是常元符號，數(shù)據(jù)間的關(guān)系可以列表，就是函數(shù)符號。數(shù)據(jù)間的集合和分類就是謂詞。(謂詞就是描述一套數(shù)據(jù)的集合)數(shù)據(jù)間的關(guān)系就是方程式(等式)。所以t1=t2這個等式是一個最簡單的謂詞。然后還可以定義其他謂詞，每個謂詞代表一個集合。所以傳感器技術(shù)的發(fā)展，使我們把實驗數(shù)據(jù)的結(jié)果變成了用一階語言的原子語句和原子語句的否定來描述。(原子語句要么是個等式，要么是個謂詞)

一邊是實驗數(shù)據(jù)結(jié)果，一邊是原有理論，所以邏輯推理兩邊都不可少，如果用Γ表示原有理論(經(jīng)典力學、進化論)，Δ表示用原子語句和原子語句否定所描述的實驗結(jié)果，這一對Γ和Δ就形成了對立統(tǒng)一，這是科學發(fā)現(xiàn)必須具有的兩個東西。用表達式表示就是Δ┃Γ。如果Δ和Γ有矛盾，說明實驗結(jié)果和現(xiàn)有理論有矛盾，此時理論是必須要修改的，如果Δ和Γ沒有矛盾，說明現(xiàn)在的實驗進一步證明了理論的正確性，不用再進行科學發(fā)現(xiàn)了。

科學發(fā)現(xiàn)的目標是什么？根據(jù)實驗結(jié)果的原子語句和原子語句非消滅右邊原有理論中和實驗結(jié)果有矛盾的東西，一直刪到?jīng)]有矛盾，拋棄了舊的，保持新的，再增加新的和沒有矛盾的原理。因此它的演算變得很簡單，每一步邏輯推理是一個 ，表示從現(xiàn)有的實驗結(jié)果刪掉一個原有理論里的有矛盾的東西，一直刪下去，刪到?jīng)]有矛盾，然后再加入新的東西，這就是科學發(fā)現(xiàn)的抽象過程。用表達式表示就是Δ┃Γ Δ′┃Γ′。而表達式Δ┃A,Γ Δ┃Γ表示現(xiàn)在的狀況經(jīng)過一次科學發(fā)現(xiàn)的推理，變成新的東西，即把其中和實驗結(jié)果有矛盾的A定律刪掉。

整個科學發(fā)現(xiàn)的邏輯由七個公式組成，既是完全的且是可靠的。

第一個是公理，公理很簡單，即A,Δ┃A,Γ A,Δ┃Γ，如果左邊的實驗結(jié)果是原子語句A，右邊出現(xiàn)A，那么它與左邊的A有矛盾，則右邊的A必須被刪除。不用任何邏輯前提。

第二，什么情況下刪除A B？

從邏輯上發(fā)現(xiàn)，如果A(前提)和實驗結(jié)果Δ不矛盾，B(結(jié)論)和實驗結(jié)果Δ矛盾，那么A B形式的知識應(yīng)該去掉。用表達式表示即：

Δ┃A,Γ Δ┃Γ

Δ┃B,Γ Δ┃Γ

那么：Δ┃A B,Γ Δ┃Γ。

第三，什么情況下刪除∀xA(x)？

如果存在一個項t，使得A[t/x]與Δ有矛盾，則∀xA(x)也與Δ有矛盾，必須被刪除。用表達式表示即：

Δ┃A[t/x] ,Γ Δ┃Γ

那么Δ┃∀xA(x) ,Γ Δ┃Γ。

第四，R刪除規(guī)則。

如果C是理論Γ1、A、Γ2的邏輯結(jié)論，而C與實驗結(jié)果Δ有矛盾，則C必須被刪除。但C并沒有出現(xiàn)在公理系統(tǒng)中，則導致C的必要前提A應(yīng)該被刪除。用表達式表示即：

Γ1,A,Γ2┝C A T C

Δ┃C,Γ2 Δ┃Γ2

那么：Δ┃Γ1,A,Γ2 Δ┃Γ1,Γ2。

總的結(jié)果一共是七條規(guī)則。理論上講對描述發(fā)現(xiàn)邏輯足夠用了。它們是：

1. R公理：

2. R-∧規(guī)則：

3. R-∨規(guī)則：

4. R-規(guī)則：

5. R-∀規(guī)則：

6. R-∃規(guī)則：

7. R-刪除規(guī)則：

舉例說明，愛因斯坦狹義相對論：愛因斯坦說，按伽利略變換，經(jīng)典物理學預言：光速在不同坐標系下測出的光速是不一樣的，這是經(jīng)典力學中的邏輯結(jié)論。而邁克爾遜和莫雷反復實驗表明，光速不依賴于發(fā)光體的運動速度。因此愛因斯坦的結(jié)論是：刪除伽利略原理，增加光速在任何坐標系下測量速度不變(30萬公里/秒)原理，在不同坐標系下計算速度選擇洛倫茨變換，與光速不變不矛盾?，F(xiàn)在就可以用這套規(guī)則分析愛因斯坦相對論。Γ代表經(jīng)典物理學，用R代表相對性原理，N1、N2、N3代表牛頓三定律，E代表萬有引力定律，B[c]光量子具有固體的特性，則：

Γ：=｛R,N1,N2,N3,E,B[c]，∀x(B(x)A(x))｝

?！洌?｛R,N1,N2,N3,E,B[c]｝

Δ：=｛B[c] ,A [c]｝(實驗結(jié)果)

根據(jù)R公理，由于A [c]和A [c]互為否定，說明A [c]與實驗結(jié)果矛盾，因此要刪除A [c]，即B[c] ,A [c]┃A [c] ,Γ′B[c] ,A [c]┃?！?；

根據(jù)R公理，B[c]和B[c]互為否定，因此右邊的B[c]應(yīng)該被刪除。即B[c],A[c]┃B[c] ,?！銪[c] ,A [c]┃Γ′。

以上兩點合在一起，根據(jù)蘊含公式，前提與實驗結(jié)果不矛盾，結(jié)論與實驗結(jié)果矛盾，則B[c]A [c]應(yīng)該刪除，即B[c],A [c]┃B[c]A [c],?！?B[c],A [c]┃?！?。

再根據(jù)全程量詞規(guī)則，光速與實驗結(jié)果出現(xiàn)矛盾，則∀x(B(x)A(x)應(yīng)該刪除。即：B[c]，A [c]┃∀x(B(x)A(x)，Γ′ B[c],A [c]┃Γ′。

這就是愛因斯坦選擇去掉伽利略定律的邏輯驗證。原來人們認為愛因斯坦是天才，一旦我們把發(fā)現(xiàn)的規(guī)則找到，這個結(jié)論就可以演算出來，也就是說，可以用計算機來證明。

本例是最簡單的例子。下面再看達爾文的學說，他的貢獻不簡單。

先考慮一個形式理論Γ：{ A,AB,BC,EF}，讓A、B、C、F都取真，結(jié)果就是真，說明這是一個協(xié)調(diào)的形式理論。進一步分析，C是這個理論的邏輯結(jié)論。如果C遇到了事實反駁，實驗結(jié)果證明C不對，那么我們的目標最大限度地保留原有理論，只刪除必須引起C的必要前提。那么從邏輯上有三種可能：

第一，{ A,AB,EF}

第二，{ A,BC,EF}

第三，{ AB,BC,EF}

如果使用R刪除規(guī)則，則以上三條規(guī)則都可以通過計算機演算出來。

現(xiàn)在給A、B、C解釋：

A：代表“每一物種都是獨立被創(chuàng)造出來的”；

B：代表“每一物種的基本特征是不變的”；

C：代表“同屬物種都不是另一個普通物種的直系后裔”。

達爾文之前流行的“物種不變理論”用：Ω：{ A,AB,BC }來描述。

達爾文經(jīng)過長期的研究，在他的《貝格爾艦上的航行》和《物種起源》兩部著作中列舉了大量經(jīng)過他的觀察和實驗所獲得的事實用以支持下述命題：

C：“同屬物種可以是另一個普通物種的直系后裔”；

EF：自然選擇原理。

達爾科學研究從這兩個觀察得來的事實出發(fā)，又加上自己的猜想，即“經(jīng)過我能做到的精密研究和冷靜判斷，我毫無疑慮地相信，許多博物學家最近還保持著的和我以前所保持過的觀點”，這就是“物種是被獨立創(chuàng)造出來的論點是錯誤的”，即A。因此，達爾文的進化論的核心內(nèi)容就是：Ξ：{ EF,C,A}。

整理一下下述五個語句：

Ξ*：{ AB,BC,EF}∪{C,A}

它們是不矛盾的，且Ξ*的前三個語句恰好是Γ關(guān)于C的第三個R縮減，是使用R演算推導出來的。

實際上，A是達爾文的一個“信念”，更為重要的是：從邏輯的角度看，A與{ EF，C}并不矛盾，如果放棄A，可以使前面使用R演算推導出的Γ的第二個R縮減，即{ A，BC，EF}成為另一種合理的選擇，由此可以得到：

Ξ+：{ A，BC，EF}∪{C}

這可以視為進化論的另一個版本。這樣的結(jié)論更具有開放性，與達爾文的實驗結(jié)果也不矛盾，不會引起很多爭論，與現(xiàn)在基因論理論的矛盾更小。這說明科學發(fā)現(xiàn)的邏輯并不是大家所想象的發(fā)散的思維、猜想，也是一種邏輯推理。不同的是，第一，要把實驗結(jié)果作為前提，第二，以實驗結(jié)果為前提，對原有的結(jié)論進行邏輯演算，把所有的結(jié)論分析出來，客觀地選擇一種會更好。

再引申，科學中最復雜的公理系統(tǒng)平面幾何有20條公理，數(shù)學中策梅羅-弗倫克爾公理系統(tǒng)有10條公理，算數(shù)9條，量子力學6條，牛頓力學7條。發(fā)現(xiàn)邏輯在軟件中使用，因為任何一個軟件成為一個實用的軟件，至少有幾萬條。如Windows XP有三千萬條，也是形式理論，誰也不敢保證前面沒有錯誤。我們現(xiàn)在的公司里100人做開發(fā)，250人做測試，就是沒有充分使用這套邏輯系統(tǒng)，實際上是可以進行邏輯分析的。任何一個人找錯兒都不是盲目的，實際走的規(guī)律就是以錯誤為依據(jù)，進行邏輯分析，任何邏輯分析都沒有離開這7條規(guī)則。

第8篇：相對論與量子力學的矛盾范文

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新能力；思想；科學方法；課堂討論

在為培養(yǎng)創(chuàng)新人才而實施的研究性教學中，課堂教學仍然占有主導地位，而創(chuàng)新能力的培養(yǎng)則應(yīng)成為課堂教學的主旋律。在理科的課堂教學中怎樣培養(yǎng)大學本科生的創(chuàng)新能力呢?筆者通過自己多年的教學與教學督導實踐，提出以下幾點思考供各位同仁參考，不當之處，請批評指正。

一、思想是課堂教學的主線

創(chuàng)新是一個民族進步的靈魂。創(chuàng)新人才的基本素質(zhì)是具有創(chuàng)新意識、創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力。因此培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力是教學的首要任務(wù)。任何一門學科都是人類數(shù)千年文化思想發(fā)展與繼承的結(jié)晶，現(xiàn)代科學特點之一是發(fā)展神速，呈現(xiàn)了知識量激增和知識更新，新陳代謝加速的形勢。以此出發(fā)，知識的學習是無窮盡的，學習并掌握一門學科或一堂課的基本內(nèi)容只是走了一個臺階，而形成這些內(nèi)容或問題(定義、定律、規(guī)律、原理……)的歷史背景，提出或解決問題的出發(fā)點、觀點和方法則是教學中的精髓所在，這些東西能使學生進入一個更新、更高的境界，這也就是我們的先輩早就說過的“與其給人以魚，不如授人以漁”。正是在此意義上，我們說思想是課堂教學的主線，或者說，思想是課堂教學的龍骨。為此，在課堂中教師要帶領(lǐng)學生一道去分析、研究、探索、發(fā)現(xiàn)，一道跟隨歷史發(fā)展的足跡去類比、歸納、演繹、綜合、假定……在引入新課時，也要從歷史發(fā)展的角度提出所要討論問題的實驗材料、各種矛盾或困難，可以這樣向?qū)W生表述：“這就是當時擺在科學大師面前的難題，也是現(xiàn)在呈現(xiàn)在我們面前的問題，請大家和我一道思考?！崩?，在物理和化學專業(yè)的量子物理(或量子力學)、結(jié)構(gòu)化學課中，電子自旋的本質(zhì)是一個尚待解決的問題，我們在課堂上對學生說：“自旋的本質(zhì)至今仍是一個謎，諾貝爾獎的桂冠正等待著勇于攀登者去探索!”正是這種誘導與啟發(fā)，讓學生自己去“發(fā)現(xiàn)”與研究問題，能激發(fā)學生強烈的興奮感與探本求源的積極性，這種親歷探究，是讓學生真正體驗科學魅力的最佳途徑。

任何科學的發(fā)展都離不開人，任何科學的內(nèi)涵都有不少有關(guān)人的豐富的內(nèi)容。每一個科學規(guī)律，每一個科學發(fā)現(xiàn)不僅伴隨著這些智者長年累月的艱苦探索，也幾乎都伴隨著無數(shù)次失敗或失誤，從成功與失誤的對比中，更能使學生得到啟迪，更利于培育他們的創(chuàng)新精神。英國著名化學家戴維就曾感觸至深地說：“我的那些最重要的發(fā)現(xiàn)是受到失敗的啟發(fā)而獲得的?！睘榇?，要求教師能有機地、恰如其分、不喧賓奪主地結(jié)合課程內(nèi)容闡述科學史。已故北大化學家付鷹教授說得好：“一門科學的歷史，是那門科學中最寶貴的一部分，科學只能給我們知識，而歷史卻能給我們智慧?！币虼嗽诶砜平虒W中，我們可以選擇一些典型事例(如物理學中熱的本質(zhì)、光的本性、化學中的電離學說……)進行分析，從成功與失誤，正確與錯誤，一個觀點或另一個觀點的對比中傳授知識，引導學生跟蹤歷史的步伐去探索與判斷。在“結(jié)構(gòu)化學”課量子力學基礎(chǔ)中講愛因斯坦關(guān)于光量子假設(shè)時，我們用幾分鐘講了普朗克的悲?。旱?9世紀末，經(jīng)典物理學已發(fā)展到了很完善的地步，以至不少物理學家公開聲稱，物理學的基本定律已被發(fā)現(xiàn)完了，剩下的事僅僅是解方程，“玩弄”數(shù)字符號罷了?？墒请S著人們實踐的不斷發(fā)展，經(jīng)典物理學的天空出現(xiàn)了兩朵烏云。其一就是黑體輻射的規(guī)律，維恩和瑞利?金斯的理論都只能解釋部分現(xiàn)象，如果按照瑞利?金斯公式，在紫外波段能量將發(fā)散，這就是艾倫費思特所說的紫外災(zāi)難。1900年當時已年過40的普朗克運用內(nèi)插法將維恩與瑞利?金斯的兩個公式結(jié)合成一個新的公式，能完全與實驗吻合，這就是大名鼎鼎的普朗克公式。在這個公式中他不得不提出一個假設(shè)：E=hv――“能量子”，普朗克也因此獲1918年諾貝爾物理獎。但是由于傳統(tǒng)觀念的束縛，他日夜操勞：或者把能量子假設(shè)納入經(jīng)典理論的軌道，或者尋找回避這一假設(shè)的途徑。就這樣整整花了十五年，力圖放棄這一革命的假設(shè)。他有一次和兒子散步時，甚至說：“我現(xiàn)在做的事或者毫無貢獻，或者可能成為牛頓以后物理學上最大的發(fā)現(xiàn)?！本驮谂f的傳統(tǒng)觀念禁錮普朗克思想的時候，1905年當時年僅26歲的愛因斯坦，接過并推廣了由普朗克提出幾乎又被他扼殺的能量子假設(shè)，提出了新的“光量子”假設(shè)，建立了愛因斯坦的光量子說，同年，愛因斯坦還用能量子假設(shè)探討了固體的比熱?？墒蔷驮诖藭r，普朗克還認為愛因斯坦“在其思辨中有時可能走得太遠了”。普朗克的這個悲劇是發(fā)人深省的。

在自然科學的發(fā)展史中，人類對真、善、美的追求，文化藝術(shù)的熏陶也是激發(fā)科學家創(chuàng)新思維的原動力。數(shù)學中的一個重要分支――群論，在物理和化學中占有重要的地位，它源于“對稱性”這一基本概念，而對稱性又源于人類對美的追求。在古希臘、古埃及、我國殷商時期出土的大量文物中，從花鳥蟲魚、飛禽走獸到飛天的，無不呈現(xiàn)為各種各樣的對稱圖案。正是這種對稱性，導致了一系列守恒定律，其中由左右對稱導致的宇稱守恒律，它們都被認為是永恒的顛不可破的絕對真理。至20世紀50年代，在亞原子領(lǐng)域，種種實驗表明：θ介子與τ介子具有相同的質(zhì)量、電荷與壽命，應(yīng)為同一種κ介子，但在衰變中卻顯示它們的宇稱不相同，與其他實驗矛盾，這就是著名的之θ～τ謎。堅信宇稱守恒的絕大多數(shù)物理學家對此迷惑不解，而深受中國古老文化熏陶的兩位年輕的中國科學家李政道、楊振寧，也許受了陰陽太極圖的啟示，敢于“冒天下之大不韙”，提出在弱相互作用中宇稱不守恒及實驗驗證的建議?？墒钱敃r另一位很著名的以理論思維極強、發(fā)現(xiàn)錯誤見長的物理學家泡利卻揚言：“我不相信上帝是一個軟弱的左撇子，我可以跟任何人打賭，做出來的結(jié)果一定是左右對稱的。”以中國女科學家吳健雄為首的實驗小組證實了這一發(fā)現(xiàn)。李、楊因此獲1957年度諾貝爾物理學獎?？梢姡哂幸欢ǖ奈幕囆g(shù)素養(yǎng)對于理科生也是有益的。事實上，許多著名的科學家都有很好的文化素養(yǎng)，有的甚至可以說是多才多藝。如：愛因斯坦不僅是一位大物理學家，也是一個造詣很深的哲學家，一個很優(yōu)秀的小提琴手。相對論量子力學的奠基人著名物理學家狄拉克的文學水平很高，楊振寧稱贊他的文章是“秋水文章不染塵”，沒有一點渣子，他的筆是神來之筆。我國科學家楊振寧、李政道、錢學森、蘇步青的文采都令人稱羨。因此，在課堂中，結(jié)合教學內(nèi)容花3～5分鐘，用三言兩語“打侃”，對學生的啟迪與激勵遠遠超過知識的傳授。

在科學發(fā)展的漫長歷程中，人們對于自然規(guī)律的認識是逐漸深化的，絕對真理少之又少，現(xiàn)今廣泛呈現(xiàn)在各學科中的定理、定律或理論都只是相對真理。隨著生產(chǎn)力水平與科技水平的提高，這些相對真理或則被，或則會被修改、被完善。因此，在教學中一定要以辯證

的發(fā)展的觀點講解這些內(nèi)容，要講它們的局限和不足。要使學生不僅對定理、定律不迷信、不僵化，反而有敢于挑刺、敢于質(zhì)疑的叛逆精神。教師還可結(jié)合自己的科研向?qū)W生簡介自己的構(gòu)思，引導學生去創(chuàng)造。例如，我們在結(jié)構(gòu)化學中，對闡釋分子結(jié)構(gòu)中的兩種理論分子軌道理論與價鍵理論進行了對比分析，指出其不足與發(fā)展前景，也簡介我們自己的工作。這樣不僅破除了大二學生對科研的神秘感，也激起了學生對科學研究的熱情。

二、科學方法――培養(yǎng)創(chuàng)新能力的基本途徑

科學方法是人們發(fā)現(xiàn)真理和改造自然的橋梁與手段。一般地說，科學方法包括歸納、演繹、觀察、實驗、假定、類比、推斷、分類、理想模型、思想實驗等方法。在課堂中結(jié)合科學史進行科學方法的教育，就不僅可以讓學生學到作為知識活動結(jié)果的結(jié)論，還可以學到如何運用這些科學方法來進行創(chuàng)造，發(fā)展科學。

在科學發(fā)展史中，運用科學方法進行科學創(chuàng)造，取得重大成果的例子比比皆是。眾所周知，抽象的邏輯思維與演繹是數(shù)學家發(fā)展數(shù)學的最基本方法，數(shù)學領(lǐng)域的絕大部分輝煌成果都由此而得。類比法是古今中外物理學家最常運用的思維方法，類比使物理學家取得重大突破的例子不勝枚舉：庫侖定律把靜電相互作用與萬有引力類比；盧瑟福將原子結(jié)構(gòu)與太陽系進行類比；德布羅意將微觀粒子與光子類比；薛定諤將物質(zhì)波與機械波類比……歸納法是使化學家取得重大發(fā)現(xiàn)的主要方法之一，人們熟知的元素周期律就是門捷列夫在分析當時已發(fā)現(xiàn)的六十余種化學元素的性質(zhì)與原子量的關(guān)系后歸納得出的。在當代，對有機合成具有重要指導意義的“分子軌道對稱守恒原理”也是以大量有機化學實踐為基礎(chǔ)，正確運用歸納、類比、綜合等方法而得出的，這一規(guī)律的發(fā)現(xiàn)者之霍夫曼因此獲1981年諾貝爾獎。在天文學、地學、生命科學等學科中也可舉出許多類似的例子。

在教學中，教師不僅要通曉本學科的科學發(fā)展史，更要善于精心組織教學內(nèi)容，運用科學方法進行教學活動。尤為重要的是教師若能在講授中邏輯思維縝密、推理演繹嚴格、講授語言簡練準確，娓娓道來、滔滔不絕，這種示范作用將使學生折服，受益終身。我國著名科學家吳有訓兩支粉筆講完一堂課的完美形象，使同樣是著名科學家的錢偉長在進入耄耋之年后仍念念不忘。

三、課堂討論――激發(fā)創(chuàng)新火花的催化劑

在以學生為主、學習為主的開放式、研究性教學實施時，由教師根據(jù)教學內(nèi)容精心組織適量的課堂討論，是激發(fā)創(chuàng)新火花的催化劑。上世紀中葉以著名物理學家玻爾為首的哥本哈根學派培養(yǎng)了一大批諾貝爾獎獲得者，他們以各種形式進行的學術(shù)討論會對科學創(chuàng)造或發(fā)現(xiàn)所帶來的推動作用是舉世聞名的。

第9篇：相對論與量子力學的矛盾范文

當然，我們不可能預知未來。除非真正遇到我們試圖跨越的障礙，否則我們永遠無法知道，人類的認知是否有極限。就目前而言，沒有任何跡象表明，我們面臨著這一認知極限。也許，我們正面臨著某些障礙，但是，所有的跡象無不顯示出這些障礙都只是暫時的。因為，就我從事的領(lǐng)域――宇宙學――而言，就算在50年前，也沒有人能夠預見我們對宇宙的認知會以這種方式增長。

即便在最晴朗的天氣，我們也不可能看到無窮遠：理論上，你最遠只能看到453億光年遠的地方。雖然這表示我們的認知有一個直接的限制，但這無法阻擋我們掌握自然界的基本運行規(guī)律。

這并不是說大自然對我們所能觀察的事物以及我們觀察事物的方式?jīng)]有任何限制，海森堡提出的不確定性原理就對我們觀察一個粒子在任意時間的運動做出了限制，光速則限定了我們在一個給定的時間間隔內(nèi)能看多遠或者能走多遠。但是這些限制只不過是告訴我們哪些是我們無法觀測到的，并非說這些事物是我們最終無法知曉的。不確定性原理并沒有妨礙我們獲悉量子力學的

規(guī)則，也沒有妨礙我們了解原子的行為，更沒有妨礙我們發(fā)現(xiàn)那些我們永遠也無法直接看到，但確實存在的粒子。

人們觀測到的宇宙正在膨脹，的確意味著一個開端。這是因為，如果我們反推過去，那么在遙遠的過去的某一個時間點，我們可觀測宇宙中的任何事物都將回到一個點――奇點。在那一瞬間，也就是現(xiàn)在被稱為大爆炸的時間點上，我們目前所知的所有物理學定律都土崩瓦解了，因為描述萬有引力的廣義相對論，無法與描述微觀尺度物理學的量子力學成功地整合在一起。但是大多數(shù)科學家并不認為這就是認知的根本邊界，因為他們正試圖通過對廣義相對論進行必要的修正，使其成為相容量子理論的一部分。而弦理論，正是人們?nèi)〉玫闹饕晒弧?/p>

如果我們在一個方向上看得足夠遠，就能看見自己的后腦勺。

鑒于這樣一個理論，我們也許能夠回答大爆炸之前都發(fā)生了些什么――如果有的話。這種最簡單的、可能的回答，或許也是最不令人滿意的回答。無論是狹義相對論還是廣義相對論，都將時間與空間捆綁在一起，成為一個單一的實體――時空。如果空間是在大爆炸中產(chǎn)生的，那么時間可能也是。如果是這樣的話，那就沒有“之前”了，“大爆炸之前有什么”這個問題也就不是一個問題了。不過，這并不是唯一可能的解答。我們需要等到一個能夠解釋萬有引力的量子理論

的出現(xiàn)，并且在它被實驗證實之后，才能對我們的回答有一定的信心。

接下來的問題是：從空間的角度來說，我們是否能夠知道在我們的宇宙之外都有些什么？我們宇宙的邊界在哪里？讓我們再一次大膽假設(shè)。如果我們的時空是自然而然地產(chǎn)生的，那么，正如我在我的新書《從虛無中誕生的宇宙》中長篇大論地討論過的那樣，看似最有可能的場景是宇宙的總能量為零――物質(zhì)表現(xiàn)出的能量正好與引力場表現(xiàn)的能量相互抵消。簡言之，如果某些事物總計為零，那么這些事物就能夠從虛無中誕生?，F(xiàn)在，我們能夠查證的唯一的宇宙，其總能量為零，這是一個閉宇宙。這樣的一個宇宙是有限而無邊際的。正如你可以沿著一個球體的表面一直走下去而不會遇到任何邊界一樣，對我們的宇宙來說，如果我們在一個方向上看得足夠遠，就能看見自己的后腦勺。

而在實踐中，我們是做不到這一點的，這也許是因為對我們來說可見的宇宙，僅僅是更大尺度宇宙的一部分而已。其原因與被人們稱為暴脹的現(xiàn)象有關(guān)。微觀尺度上自發(fā)出現(xiàn)的大多數(shù)宇宙會在瞬間塌陷，而不會持續(xù)存在數(shù)十億年。但是，在其中的某些宇宙中，空白空間會被賦予能量，而在這種情況下，該宇宙將呈指數(shù)級快速膨脹。這一現(xiàn)象至少會維持一個較短的時間。我們認為，在我們的宇宙大爆炸擴張的最初瞬間，出現(xiàn)過這樣一個暴脹期，從而使我們的宇宙免于立刻塌陷。在這一過程中，宇宙的尺度極度膨脹，以至于無論從哪一點來看，它似乎都是平坦且無限的。這就是即使我們的宇宙在其最大尺度上可能是封閉的，但當我們極目太空時仍無法看到自己后腦勺的原因。雖然從理論上來講，如果我們等的時間足夠長就能看見全部的事物，但這里有個前提，即暴脹沒有在我們的宇宙中發(fā)生。 正在發(fā)生碰撞的星系，這種宇宙暴亂終有一天會偃旗息鼓，而在遙遠的未來，觀測者可能永遠也不會意識到，我們的宇宙曾經(jīng)是多么轟轟烈烈。

宇宙中我們至今仍無法觀測的區(qū)域或許是我們永遠也無法觀測到的區(qū)域，那里可能正在暴脹。事實上，就我們目前的理論來看，這一情況是極有可能的。如果我們認為“我們的宇宙”這個詞指的是我們已經(jīng)能夠或者是終有一天能夠與之溝通的區(qū)域，那么，一般來說，暴脹還會在我們的宇宙之外創(chuàng)造出別的宇宙。在我們身邊的空間體量內(nèi)，暴脹可能不那么明顯，但是在此之外的空間，則在永不止息地以指數(shù)級膨脹，偶爾會有像我們的宇宙一樣的孤立區(qū)域與膨脹脫鉤。正如當溫度低于冰點時，冰塊能夠在快速流動的水面上形成一樣。每一個這樣的宇宙都有一個起點，這個起點是與暴脹在其空間中結(jié)束的時間掛鉤的。在這種情況下，我們宇宙的起點就不一定是時間的起點了。這讓我們更有理由懷疑大爆炸是否真的代表著我們認知的終極限制了。

我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，將推理與實驗觀測相結(jié)合，我們的認知就不會有任何局限。

每個宇宙從背景空間中脫離而出的過程不同，它們的物理學定律可能也不相同。我們把可能存在的宇宙形成的這一集合稱為“多元宇宙”。“多元宇宙”的概念在科學界廣受關(guān)注，不僅僅是因為該概念是在宇宙暴脹之類現(xiàn)象的推動下產(chǎn)生的，還因為該概念提出的擁有其自身獨特物理定律的多個不同宇宙存在的可能性，可以解釋我們的宇宙中存在的各種看似莫名其妙的基本參數(shù)。這些參數(shù)只不過是在我們的宇宙誕生時隨機產(chǎn)生的。

如果除了我們的宇宙之外還有其他宇宙存在，那么它們與我們之間的距離將是非常遙遠的，而且它們還會以超越光速的相對速度遠離我們而去，因此，我們也許永遠也無法直接探測到它們。那么，“多元宇宙”理論僅僅是一種空頭理論嗎？對“多元宇宙”存在可能性的驗證代表著我們認知上的一個根本極限嗎？答案是：這可不一定。雖然我們可能永遠也無法直接看到另一個宇宙，但是我們依然能夠以經(jīng)驗主義的方式來檢驗該理論，比如說，觀測暴脹產(chǎn)生的引力波。理論

上，這一舉措可使我們檢測出導致我們宇宙產(chǎn)生的暴脹過程的詳盡細節(jié)。這些引力波與被激光干涉引力波天文臺發(fā)現(xiàn)的引力波相似，但是它們的起源不同。后者產(chǎn)生于諸如遙遠星系中巨型黑洞之間發(fā)生碰撞一類的大事件，而前者產(chǎn)生于宇宙大爆炸的早期，也就是人們認定的暴脹時期。如果我們能夠直接探測到這些引力波（就像現(xiàn)在我們可以通過不同的實驗，來尋找宇宙大爆炸遺留下的宇宙微波背景輻射中的蛛絲馬跡一樣），我們就可以探究暴脹過程中都發(fā)生了哪些物理變化，從而斷定這永不止息的暴脹是否正是這一物理變化的結(jié)果。因此，即便我們不能直接探測到其他宇宙，但是我們?nèi)钥梢蚤g接檢驗其他宇宙是否必然存在。

簡言之，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，將推理與實驗觀測相結(jié)合，我們的認知就不會有任何局限。無限的宇宙引人入勝，并且激勵著我們不斷進行探索。但是，我們可以自信地說，我們的認知永遠也沒有局限嗎？這可就不一定啦。

暴脹確實給我們的認知設(shè)置了一個根本性的限制，特別是對過去的認知。暴脹在本質(zhì)上重置了宇宙，在這一過程中，就很可能摧毀了暴脹之前所有有關(guān)動態(tài)過程的信息。在暴脹期間，由于空間的快速膨脹大大降低了所有區(qū)域的物質(zhì)密度，因此，可能抹去了諸如磁單極子等的蹤跡。理論表明，磁單極子應(yīng)該是一種在宇宙很早時期大量產(chǎn)生過的粒子。這是暴脹獨有的特點之一，它很好地解釋了這樣一個矛盾：為什么諸如磁單極子一類的粒子理論上會產(chǎn)生，而在現(xiàn)實中我們至今也未觀測到過。

但在化解矛盾時，暴脹抹去了我們的過去。更糟糕的是，暴脹抹去信息的行為也許仍未停止。很顯然，現(xiàn)在的我們?nèi)蕴幵谶@一暴脹過程的另一個階段。通過對那些正在離我們遠去的遙遠星系與我們之間距離的測量，表明我們的宇宙正在加速膨脹，絲毫沒有慢下來。這是否說明占主導地位的引力僅僅存在于物質(zhì)或輻射內(nèi)，在虛空中不存在呢？（譯者注： 在這里，筆者的意思是，如果宇宙是由引力主導的，那么宇宙應(yīng)該是塌縮的。而現(xiàn)實并非如此，好像引力被限制在了物質(zhì)和輻射內(nèi)。而在宇宙的虛空中，應(yīng)該存在另外一種能量，它抵消了引力的作用，使得宇宙加速膨脹。）我們現(xiàn)在對這一能量的起源一無所知，每種潛在的解釋都是對認知發(fā)展，甚至是對我們自身存在的根本限制。