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關(guān)鍵詞:類比教學(xué)法;量子力學(xué);應(yīng)用探究
中圖分類號(hào):G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1674-9324(2014)24-0100-02
量子力學(xué)作為描寫微觀物質(zhì)結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)與變化規(guī)律的學(xué)科,是現(xiàn)代物理學(xué)的基礎(chǔ)之一,而且在化學(xué)和很多近代技術(shù)中也有廣泛應(yīng)用。量子力學(xué)是在舊量子論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,對(duì)于量子數(shù)大到一定的極限的量子系統(tǒng),可以用經(jīng)典理論精確描述。量子力學(xué)、經(jīng)典力學(xué)既有區(qū)別也有聯(lián)系,從這些區(qū)別和聯(lián)系入手可以使學(xué)生更加容易理解量子力學(xué)的新知識(shí)。基于此,本文在分析量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)的相似點(diǎn)的基礎(chǔ)上,探究并實(shí)踐了如何讓學(xué)生加深理解的問題。將類比教學(xué)法應(yīng)用于量子力學(xué)的實(shí)踐教學(xué)當(dāng)中,這樣既可以豐富教學(xué)內(nèi)容,提高學(xué)生積極性,又可以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維,同時(shí)還可以鞏固學(xué)生以前學(xué)過的經(jīng)典物理學(xué)的相關(guān)知識(shí),進(jìn)而能提升量子力學(xué)課教學(xué)質(zhì)量。
一、類比教學(xué)法
類比方法是根據(jù)兩類物理現(xiàn)象在某些性質(zhì)的相同或相似處,推斷出這兩類物理現(xiàn)象的另一些性質(zhì)也相同或相似的一種邏輯推理方法。類比法是專業(yè)術(shù)語,指由一類事物所具有的某種屬性,可以推測(cè)與其類似的事物也應(yīng)具有這種屬性的推理方法。在我們學(xué)習(xí)一些十分抽象地看不見、摸不著的物理量時(shí),由于不易理解,我們就拿出一個(gè)大家能看見的且與之很相似的事物來進(jìn)行對(duì)照學(xué)習(xí)。類比方法強(qiáng)調(diào)在分析、發(fā)現(xiàn)不同事物的共同性質(zhì)的基礎(chǔ)上,把一個(gè)事物的屬性轉(zhuǎn)移到另一類事物上。類比的過程具有創(chuàng)造性,是科學(xué)家常用的思維方法。
二、量子力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)的相似點(diǎn)及類比教學(xué)法的應(yīng)用
物理學(xué)研究的目的是總結(jié)、概括各種不同物質(zhì)在時(shí)空中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,并且把這些規(guī)律用數(shù)學(xué)公式表示出來。量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)的研究對(duì)象不同,而宏觀和微觀物質(zhì)自身性質(zhì)的巨大差異,造成了學(xué)習(xí)量子力學(xué)相比于學(xué)習(xí)經(jīng)典力學(xué)的困難。而另一方面,把量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)類比,找到它們之間的共同點(diǎn),再進(jìn)一步推理,可以更加容易理解量子力學(xué)理論。在處理物體直線運(yùn)動(dòng)或是自由落體運(yùn)動(dòng)時(shí),我們自然會(huì)想到在(x,y,z)所組成的空間坐標(biāo)系中,根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)學(xué)定律,分析物體的狀態(tài)隨時(shí)間的變化情況。每一時(shí)刻,物體的位置可以用三維空間里的任何一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)表示出來。為了方便地處理不同物理問題,空間直角坐標(biāo)系可以變換成柱坐標(biāo)系、球坐標(biāo)系。處理物體的碰撞時(shí),把實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系換成質(zhì)心坐標(biāo)系,利用動(dòng)量守恒原理,也可以使表達(dá)式更加簡(jiǎn)單,易于求解。因此,選擇最佳的坐標(biāo)系,可以讓復(fù)雜的問題變的簡(jiǎn)單。在微觀世界中,量子力學(xué)仍然需要在恰當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)系中討論物理問題。在經(jīng)典力學(xué)中,物體處在某個(gè)狀態(tài)的位置和角動(dòng)量可以被精確的計(jì)算。但是,對(duì)于微觀體系,比如一個(gè)電子在原子中的環(huán)繞原子核運(yùn)動(dòng),它的位置、動(dòng)量不能同時(shí)精確確定。當(dāng)該電子處于定態(tài)時(shí),它的能量不會(huì)隨時(shí)間變化,即它的能量守恒。這時(shí),我們可以把電子放在能量坐標(biāo)系中討論。在數(shù)學(xué)中,希爾伯特空間是歐幾里得空間的一個(gè)推廣,它不再局限于有限維的情形。在量子力學(xué)中,能量坐標(biāo)系被稱為能量表象。量子力學(xué)中常見的表象包括:動(dòng)量表象,能量表象,粒子數(shù)表象等。在矩陣力學(xué)中,把狀態(tài)Ψ看成是一個(gè)列向量。選擇一個(gè)特定的Q表象,就相當(dāng)于選取一個(gè)特定的坐標(biāo)系?!龅谋菊骱瘮?shù)u1(x1),u2(x2),u3(x3)…un(xn)就是這個(gè)表象的基矢,相當(dāng)于笛卡爾坐標(biāo)系的單位矢量i,j,k;波函數(shù)a1(t),a2(t)…an(t),是態(tài)矢量Ψ在Q表象中沿基矢方向的“分量”,正如A沿i,j,k三個(gè)方向的分量是(Ax,Ay,Az)一樣;■本征函數(shù)的歸一性,類似于幾何坐標(biāo)系的i?ij?jk?k1;而本征函數(shù)的正交性,類似于幾何坐標(biāo)系中i?ji?kj?k0[5]。在量子力學(xué)中,■的本征函數(shù)有無限多,稱態(tài)矢量所在空間是無限維的希爾伯特空間。由此看來,幾何坐標(biāo)和力學(xué)表象是同一個(gè)概念,只是處理不同的問題時(shí),選擇不同的坐標(biāo)系可以減小復(fù)雜程度。在量子力學(xué)中如果知道了狀態(tài)的波函數(shù),那么粒子處于空間某點(diǎn)的幾率,以及力學(xué)量的平均值均可求得,因此說波函數(shù)完全描述粒子體系的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。而對(duì)于同一個(gè)狀態(tài),在不同的表象中,有不同的波函數(shù)形式。量子力學(xué)的一種基本假設(shè)是波函數(shù)滿足態(tài)疊加原理:
ψc1ψ1+c2ψ2+K+cnψn (1)
此式的物理意義是量子體系的一般狀態(tài)是所有本征態(tài)的線性疊加。Ψn是體系的可能態(tài),相應(yīng)的概率分別為|ck|2,而且滿足歸一化■c■■1。在經(jīng)典力學(xué)中,伽利略變換可以變換不同的慣性系。量子力學(xué)則借助幺正矩陣來實(shí)現(xiàn)不同表象之間的變換。那什么是幺正矩陣呢?簡(jiǎn)單來說就是滿足S+S-1的矩陣稱為幺正矩陣,而由幺正矩陣所表示的變化稱為幺正變換。所以由一個(gè)表象到另一個(gè)表象的變換是幺正變換。如果以F'表示算符■在B表象中的矩陣,F(xiàn)表示■在A表象中的矩陣,則通過幺正變換可得:F'S-1FS (2) 也就是說力學(xué)量F在A表象中的矩陣左右分別乘幺正矩陣的逆矩陣和原矩陣就可以把力學(xué)量F轉(zhuǎn)換到B表象中去。量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)間的相似點(diǎn)還有很多。量子力學(xué)類比教學(xué)法的核心是,注意強(qiáng)調(diào)量子力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)的必然聯(lián)系,引導(dǎo)學(xué)生積極思考、探索量子力學(xué)新知識(shí)的本質(zhì),把新知識(shí)與已經(jīng)掌握的量子力學(xué)知識(shí)類比,深入透徹的理解量子力學(xué)的假設(shè)、定義和公式。
綜上所述,把量子力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)做類比,就是要發(fā)掘出、并重點(diǎn)講解它們之間的相似點(diǎn),讓學(xué)生在這些相似點(diǎn)的基礎(chǔ)上,主動(dòng)的思考分辨量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)的相同和不同。本文以表象為例,把表象變換與數(shù)學(xué)上幾何坐標(biāo)進(jìn)行了類比,講述了對(duì)表象及其變換的理解。總之,在講授抽象的量子力學(xué)時(shí),把它和經(jīng)典物理進(jìn)行類比可以幫助學(xué)生更好的理解、掌握新知識(shí),能起到很好的教學(xué)效果,也有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神。但類比法不是萬能的,要靈活、恰當(dāng)?shù)貞?yīng)用到位,才能最大程度地發(fā)揮它的積極作用。
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【關(guān)鍵詞】中醫(yī);形神關(guān)系;量子力學(xué);精神
【Abstract】Relationship between body and spirit of traditional Chinese Medicine and quantum mechanics are all concerned with the study of mental activity, both the theory research can promote each other.Relationship between body and spirit of traditional Chinese Medicine think "the body is the residence of spirit, the spirit is the monarch of body" ,think the unity of spirit and substance, consistent with quantum mechanics Copenhagen interpretation spirit.The Chinese medicine develops than the quantum mechanics to the research of spirit of the consciousness theory have stronger vitality.The Chinese medicine theory thinks that the of cosmos has a kind of ego coordination and the ability of the automatic balance.This ability produced spirit, The spirit further strengthens the ability of self-control.This text thinks this ability to at the beginning make the quantum world head for a classic world,and Is the source of all things.
【Key words】Chinese medicine; Relationship between body and spirit; Quantum mechanics; Matter
形神關(guān)系是中醫(yī)研究物質(zhì)和精神關(guān)系的理論總稱。中醫(yī)對(duì)精神的形成有明確的認(rèn)識(shí),并廣泛運(yùn)用于中醫(yī)實(shí)踐中。本文主要結(jié)合中醫(yī)和量子力學(xué)進(jìn)一步探討物質(zhì)和精神的關(guān)系,希望對(duì)傳統(tǒng)世界的認(rèn)知有新的突破。
1 量子力學(xué)簡(jiǎn)介
量子力學(xué)是現(xiàn)代物理學(xué)的基礎(chǔ)和核心,主要有單個(gè)電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)、活貓死貓問題和量子糾纏等非常規(guī)現(xiàn)象?!队钪娴那傧摇返诙谒恼驴偨Y(jié)單個(gè)電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)時(shí)指出:電子從兩條縫都通過了,并產(chǎn)生了干涉現(xiàn)象?!耙坏┐_定了電子從哪條縫經(jīng)過,兩縫間的干涉現(xiàn)象也就消失了”,電子像小球一樣只產(chǎn)生兩道豎紋。唐先一、張志林在《量子力學(xué)詮釋綜論》中全面分析了現(xiàn)有的類量子詮釋理論,認(rèn)為傳統(tǒng)的哥本哈根解釋最為合理,觀測(cè)者有不可或缺的作用,即觀測(cè)者的觀測(cè)讓干涉現(xiàn)象消失了。現(xiàn)在普遍認(rèn)為是觀測(cè)者的意識(shí)使得量子波坍縮的。所以,認(rèn)知、意識(shí)等精神活動(dòng)是理解量子力學(xué)的關(guān)鍵。
2 神的概念和形成
中醫(yī)將精神活動(dòng)總稱為神,認(rèn)為形為神之宅,神者形之用,統(tǒng)一了唯心主義和唯物主義。
2.1 神的概念
《中醫(yī)基礎(chǔ)理論》認(rèn)為“狹義之神指人的意識(shí)、思維、情感等精神活動(dòng)”,它是中醫(yī)研究的重點(diǎn)。劉富林在《形神合一理論的研究》中認(rèn)為“神,指人體的生命活動(dòng),包括精神、思維、意識(shí)、情感、心理等變化”。中醫(yī)研究的神主要指精神活動(dòng),也包括意識(shí),和量子力學(xué)中的意識(shí)息息相關(guān),兩者結(jié)合定能熠熠生輝。本文的意識(shí)、情志和思維等都是指精神活動(dòng),是研究量子力學(xué)的重要基礎(chǔ)。
劉富林在《形神合一理論的研究》中總結(jié)指出中醫(yī)形神合一理論“體現(xiàn)在中醫(yī)基礎(chǔ)理論與臨床診治、養(yǎng)生防病的全過程中”。陳向群在《量子力學(xué)視角下的三種意識(shí)解釋》中對(duì)量子力學(xué)衍生出來的三種主要意識(shí)理論進(jìn)行介紹,說明了量子力學(xué)視角下的意識(shí)處于假設(shè)階段,毫無應(yīng)用價(jià)值。所以,中醫(yī)形神關(guān)系比量子力學(xué)產(chǎn)生的意識(shí)理論有更強(qiáng)大的生命力。
2.2 神的形成
《中醫(yī)基礎(chǔ)理論》認(rèn)為“無形則神無以附,無神則形無以活;形為神之宅,神為形之主。形神統(tǒng)一是生命存在的根本保C”。 這里的形“指人體的形體,包括臟腑、經(jīng)絡(luò)、氣血、津液等構(gòu)成形體的物質(zhì)”( 劉富林《形神合一理論的研究》)。中醫(yī)的形神觀告訴我們:精神離不開物質(zhì),物質(zhì)是精神生成的基礎(chǔ)。
《中醫(yī)基礎(chǔ)理論》將狹義之神分為五神、情志及思維活動(dòng)?!吨嗅t(yī)基礎(chǔ)理論》認(rèn)為:“五神,即神、魂、魄、意、志,是對(duì)人的感覺、意識(shí)等精神活動(dòng)的概括?!蔽迳穹謱傥迮K,即“心藏神,肺藏魄,肝藏魂,脾藏意,腎藏志”(《素問?宣明五氣》)。七情指喜、怒、憂、思、悲、恐、驚,七情中的五志分屬五臟,心在志為喜,肝在志為怒,肺在志為憂,脾在志為思,腎在志為恐。《中醫(yī)基礎(chǔ)理論》認(rèn)為“臟腑精氣對(duì)自然環(huán)境與社會(huì)環(huán)境的各種刺激作出應(yīng)答,便產(chǎn)生了意識(shí)、思維、情感等精神活動(dòng)”,這里的臟腑指五臟六腑。《中醫(yī)基礎(chǔ)理論》認(rèn)為“臟腑之精,指臟腑所藏的具有濡養(yǎng)、滋潤(rùn)本臟腑及其所屬的形體、官竅等作用的液態(tài)精華物質(zhì)?!薄吨嗅t(yī)基礎(chǔ)理論》認(rèn)為“氣是人體內(nèi)活力很強(qiáng)運(yùn)動(dòng)不息的極細(xì)微物質(zhì),是構(gòu)成人體和維持人體生命活動(dòng)的基本物質(zhì)之一。”綜上所述,精神是由五臟六腑中屬于精和氣的物質(zhì)共同作用產(chǎn)生的。五臟分屬五行,分別與六腑相表里?!吨嗅t(yī)基礎(chǔ)理論》認(rèn)為“五行,即木、火、土、金、水五類物質(zhì)及其運(yùn)動(dòng)變化”。五臟六腑的精氣各不相同,分屬木火土金水的五類物質(zhì)。五行之氣的太過不及都會(huì)影響精神活動(dòng),如“肝氣虛則恐,實(shí)則怒”,“心氣虛則悲,實(shí)則笑不休” (《靈樞?本神》肝氣即木氣,心氣即火氣)。五行平衡是正常精神活動(dòng)的保證,精神的產(chǎn)生離不開水火金木土五類物質(zhì)的協(xié)調(diào)運(yùn)作。
量子世界存在著不確定性,物質(zhì)可以同時(shí)存在多個(gè)地方,這決定了物質(zhì)之間的相互作用也存在著不確定性,那么生成的精神也將變化無常。中醫(yī)形神觀告訴我們:日常的精神世界和量子世界是相互排斥的,這符合物理實(shí)驗(yàn)。
2.3 心在精神活動(dòng)中的作用
中醫(yī)認(rèn)為在所有的精神活動(dòng)中,心起到了控制和調(diào)節(jié)作用,而西醫(yī)認(rèn)為這一功能是腦。楊濤、趙明鏡等在《“心主神明”的內(nèi)涵及現(xiàn)代科學(xué)依據(jù)》從心臟的內(nèi)分泌功能與腦的功能密切相關(guān)、心血管疾病與精神狀態(tài)、心血管疾病與認(rèn)知功能障礙等5個(gè)方面對(duì)心主神明進(jìn)行了驗(yàn)證。樸順天在《心神為體,腦神為用》中總結(jié)認(rèn)為“心就是神明所出之根,腦不主神明,而是神明流注的地方”。簡(jiǎn)而言之,心就是中央處理器,腦就是存儲(chǔ)器。從目前研究進(jìn)展看,心在精神活動(dòng)中確實(shí)發(fā)揮了控制和調(diào)節(jié)作用,這進(jìn)一步說明了中醫(yī)形神關(guān)系并非無根之木。
《靈樞?本神》對(duì)思維的過程進(jìn)行了概括“所以任物者謂之心;心有所憶謂之意;意之所存謂之志;因志存變謂之思;因思而遠(yuǎn)慕謂之慮;因慮而處物謂之智”。這句話說明了心是認(rèn)識(shí)事物的關(guān)鍵,而今所有理論都忽視了認(rèn)識(shí)事物這一能力。量子世界的不確定性決定了由它構(gòu)成的世界也將不確定,這樣的世界是無法認(rèn)識(shí)的。所以,認(rèn)識(shí)事物涉及到量子世界向經(jīng)典世界的過渡,是一項(xiàng)非常重要的能力,希望理論界能夠重視。
3 形神關(guān)系的重要意義
《素問?六微旨大論》中有“相火之下,水氣承之;水位之下,土氣承之;土位之下,風(fēng)氣承之;風(fēng)位之下,金氣承之;金位之下,火氣承之;君火之下,承之”的亢害承制現(xiàn)象,即本氣亢盛,相克之氣就會(huì)承接克制。《素問?至真要大論》中有“有勝則復(fù),無勝則否?!边@些都說明了五行之氣根據(jù)相克規(guī)律有自我協(xié)調(diào)、自動(dòng)平衡的能力。這種自我協(xié)調(diào)、自動(dòng)平衡的能力可以作為宇宙初期從量子世界向經(jīng)典世界過渡的原動(dòng)力,也應(yīng)該是精神活動(dòng)的開始《中醫(yī)基礎(chǔ)理論》認(rèn)為“神既由精、氣、血、津液等作為物質(zhì)基礎(chǔ)而產(chǎn)生,又能反作用于這些物質(zhì)。神具有統(tǒng)領(lǐng)、調(diào)控這些物質(zhì)在體內(nèi)進(jìn)行正常代謝的作用”;“臟腑精氣產(chǎn)生神,神通過對(duì)臟腑精氣的主宰來調(diào)節(jié)其生理機(jī)能”;“神的盛衰是生命力盛衰的綜合體現(xiàn),因此神是人體生理活動(dòng)和心理活動(dòng)的主宰”。物質(zhì)的協(xié)調(diào)運(yùn)作生成精神,精神又控制促進(jìn)物質(zhì)的協(xié)調(diào)運(yùn)作,精神與物質(zhì)的關(guān)系比形神統(tǒng)一更加復(fù)雜。這種協(xié)調(diào)平衡能力在人體中變得更加強(qiáng)大,過猶不及,人的情志反應(yīng)太過又會(huì)擾亂氣機(jī)的正常運(yùn)行,這一情況《黃帝內(nèi)經(jīng)》也多有描述,本文不做進(jìn)一步討論。
楊濤、趙明鏡等在《“心主神明”的內(nèi)涵及現(xiàn)代科W依據(jù)》認(rèn)為,“‘神’指事物的本質(zhì)屬性,是主宰事物運(yùn)動(dòng)變化、興衰存亡的根本因素”。精神生于物質(zhì),高于物質(zhì),是物質(zhì)間的固有屬性?!队钪娴那傧摇访枋隽讼依碚撝械挠钪嬗?0個(gè)維度,9個(gè)空間維和1個(gè)時(shí)間維。神可能是宇宙中更高的維度,它將萬物聯(lián)系起來,產(chǎn)生了天人合一理論,存在著非定域性,比量子糾纏現(xiàn)象更加復(fù)雜。
中醫(yī)形神關(guān)系支持意識(shí)對(duì)物質(zhì)作用的這種觀點(diǎn),符合哥本哈根解釋精神。那么在人類進(jìn)化史、宇宙生成史和時(shí)空概念中都必須加入意識(shí)。本人能力有限,到此已是黔驢技窮,能引起大家的重視也就心滿意足了。
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經(jīng)典物理的產(chǎn)生一般認(rèn)為從文藝復(fù)興時(shí)期開始,前期經(jīng)過許多科學(xué)家,特別是伽利略、笛卡爾、惠更斯等先賢的努力,建立起力學(xué)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。牛頓總結(jié)前人的成果,確立了經(jīng)典力學(xué)的基本理論體系,麥克斯韋、玻爾茲曼等確立了經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)和電磁場(chǎng)理論。經(jīng)典物理經(jīng)過幾百年的不斷發(fā)展和完善,形成了自然科學(xué)中唯一有完整的理論、思想、數(shù)學(xué)推理和研究方法體系的學(xué)科。牛頓力學(xué)和麥克斯韋電動(dòng)力學(xué)號(hào)稱經(jīng)典物理的兩大支柱,牛頓和麥克斯韋在物理學(xué)界的位置,可以相比于中醫(yī)學(xué)的先圣張仲景。
現(xiàn)代物理從20世紀(jì)初始興起,由愛因斯坦、玻爾為代表的眾多科學(xué)家的杰出工作,創(chuàng)立了相對(duì)論和量子力學(xué),開創(chuàng)了物理學(xué)的新局面。以相對(duì)論和量子力學(xué)標(biāo)志的、研究微觀、高速物理現(xiàn)象的新的理論和方法體系,統(tǒng)稱現(xiàn)代物理學(xué)?,F(xiàn)代物理學(xué)在原子、分子、固體、原子核、天體力學(xué)和宇宙學(xué)、等離子體、激光技術(shù)、基本粒子、半導(dǎo)體、超導(dǎo)的研究中得到了廣泛的應(yīng)用。
有人稱相對(duì)論和量子力學(xué)的創(chuàng)立是“物理學(xué)上的一次革命”。更多的局外人則認(rèn)為現(xiàn)代物理是一種全新的理論,完全推翻和取代了經(jīng)典物理學(xué),經(jīng)典物理已經(jīng)完成了自己的歷史使命,現(xiàn)代社會(huì)已經(jīng)不再需要她。這其實(shí)是一種誤解。如果我們從歷史和現(xiàn)實(shí)的的角度重新審視事實(shí),就會(huì)發(fā)現(xiàn),經(jīng)典物理沒有被拋棄,她不僅是現(xiàn)代物理產(chǎn)生的溫床、理論與方法的啟示、研究的工具,更是現(xiàn)代社會(huì)的頂梁柱,仍在現(xiàn)今眾多高科技領(lǐng)域中發(fā)揮著不可替代的作用。下面,我從以下三個(gè)方面討論現(xiàn)代物理與經(jīng)典物理的關(guān)系,從而說明重視經(jīng)典是物理發(fā)展的需要,是現(xiàn)代科學(xué)、社會(huì)發(fā)展的需要。
1 現(xiàn)代是經(jīng)典恰當(dāng)?shù)臄U(kuò)展
愛因斯坦在創(chuàng)立狹義相對(duì)論時(shí),提出了兩個(gè)基本假定:相對(duì)性原理和光速不變?cè)韀1]。首先我們注意到,愛因斯坦的相對(duì)性原理與伽利略相對(duì)性原理驚人地相似,比較一下就可以看到:
伽利略相對(duì)本文由收集整理性原理(由伽利略等人經(jīng)過反復(fù)多次的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)而提出):一個(gè)相對(duì)于慣性參照系做勻速直線運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng),其內(nèi)部所發(fā)生的一切力學(xué)過程,都不受系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的影響,或一切慣性系統(tǒng)都是等價(jià)的。
愛因斯坦假定,不僅力學(xué)過程,所有的物理過程都不受系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的影響,即:
物理學(xué)的基本規(guī)律在相互作勻速運(yùn)動(dòng)的一切參照系中都是相同的;或:一切慣性系統(tǒng)都是等價(jià)的。
從中我們不僅看出,愛因斯坦對(duì)伽利略的相對(duì)原理有著非常深刻的、超出常人的理解,已經(jīng)達(dá)到了熟能生巧的地步,自然會(huì)有如此隨手拈來、為我所用的“上工”境界;也看出創(chuàng)造經(jīng)典的先賢們的超前意識(shí)和睿智之魅力所在。
再看光速不變?cè)?,只要?duì)經(jīng)典電磁理論稍有了解的人都會(huì)發(fā)現(xiàn),麥克斯韋的電磁理論完全可以給出明確的關(guān)于光速不變的預(yù)言。這是因?yàn)?,只要從著名的麥克斯韋方程組出發(fā),利用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)推演,可以毫不困難地導(dǎo)出電磁場(chǎng)波動(dòng)方程,不僅預(yù)言了電磁波的存在,還給出了電磁波在真空中的傳播速度。用c表示電磁波在真空中的速度,c的大小是:
c=■≈3.0×10■米秒
其中μ■為真空磁導(dǎo)率,ε■為真空介電常數(shù),由于μ■和ε■數(shù)值的大小固定,與參照系的選擇無關(guān),換句話說,與系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無關(guān),這正是光速(光屬于電磁波)不變?cè)怼?/p>
愛因斯坦在創(chuàng)立狹義相對(duì)論時(shí),對(duì)當(dāng)時(shí)著名的、能夠證明光速不變的邁克耳孫光干涉實(shí)驗(yàn)并不知曉,他能參考的資料只有經(jīng)典電動(dòng)力學(xué),麥克斯韋方程組和電磁場(chǎng)波動(dòng)方程表達(dá)的深刻內(nèi)涵才是他提出光速不變假設(shè)的根據(jù)。
2 現(xiàn)代是對(duì)經(jīng)典的包容而非否定
無論是相對(duì)論和量子力學(xué),都無法否定經(jīng)典物理,也沒有否定經(jīng)典的企圖。相反,所有的新理論都試圖找到和經(jīng)典的聯(lián)系,如果找不到應(yīng)有的聯(lián)系,這樣的新理論有可能破產(chǎn)。所以,相對(duì)論和量子力學(xué)實(shí)際都包含了經(jīng)典。這與所有的后世中醫(yī)大家,在發(fā)表自己的新見解時(shí),都要證明自己的觀點(diǎn)與《內(nèi)經(jīng)》、《傷寒論》有內(nèi)在聯(lián)系如出一轍。
相對(duì)性原理最著名的數(shù)學(xué)表示即洛侖茲變換,具體表述如下:設(shè)兩個(gè)相對(duì)有勻速運(yùn)動(dòng),速度為v參照系統(tǒng),它們沿v方向各自建立的直角的坐標(biāo)系分別為x,y,z,t和x’,y’,x’,z’,t’,若初始時(shí),兩坐標(biāo)原點(diǎn)重合,兩坐標(biāo)系由以下變換公式[1]聯(lián)系:
x′=■ y′=y z′=z t′=■
式中 c 是前面提到的光速,具體數(shù)值為30萬公里每秒。我們通常能見到的物體運(yùn)動(dòng)速度,如汽車、火車、飛機(jī),能達(dá)到1公里每秒的速度并不多見,宇宙飛船的速度,也最多達(dá)到10幾公里每秒,即使將來提高100倍,與光速相比仍顯得微不足道。而上式表明,當(dāng)系統(tǒng)的相對(duì)速度v遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到光速的時(shí)候,(日常中大量事實(shí)正是如此)上面的公式就變成伽利略變換:
x′=x-vt y′=y z′=z t′=t
說明洛侖茲變換與經(jīng)典的伽利略變換并沒有矛盾,前者包含了后者,后者用更加廣泛。
再看量子力學(xué),量子力學(xué)的基本原理是測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系[2]。其典型的表述是:粒子的位置和動(dòng)量不能同時(shí)確定。它們?cè)谀骋环较蛏喜淮_定量的乘積大于或等于h/2。即
δx?誗δpx≥■, h=6.62×10-32焦耳秒
可以看出,h是一個(gè)很小的量,小到什么程度呢?小數(shù)點(diǎn)后面有34個(gè)0!是6的百億億億億分之一。一般氣體分子夠小
轉(zhuǎn)貼于
的了,如氧氣分子質(zhì)量為10-23的數(shù)量級(jí),常溫下速度大約為102的數(shù)量級(jí),則動(dòng)量為10-21的數(shù)量級(jí),和h相比大了10萬億倍,完全可以不考慮測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系的影響。所以,當(dāng)我們研究的對(duì)象系統(tǒng)中物理量的數(shù)量級(jí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普朗克常數(shù)時(shí),不確定度數(shù)值相對(duì)來講,必然微不足道,量子力學(xué)很自然地回歸到經(jīng)典力學(xué)。也可以說,測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系包容了經(jīng)典力學(xué),后者應(yīng)用更為廣泛。
3 現(xiàn)代對(duì)經(jīng)典的接收和繼承
現(xiàn)代物理不是空中樓閣,它是采用經(jīng)典的材料和藝術(shù),一磚一瓦構(gòu)建的絕美珍品。在現(xiàn)代物理學(xué)中,經(jīng)典的概念、定義、研究方法無處不在,發(fā)揮著主導(dǎo)的、關(guān)鍵的作用。在相對(duì)論力學(xué)中,我們可以看到力、加速度和動(dòng)量以及它們的矢量形式,能量、拉格朗日量、哈密頓量等在經(jīng)典中熟知的力學(xué)量。這些力學(xué)量全部統(tǒng)一到了滿足洛侖茲協(xié)變的四維形式中去。至于經(jīng)典電磁理論中所有規(guī)律,由于自然地滿足相對(duì)性協(xié)變,幾乎很少更改地進(jìn)入相對(duì)論,成為相對(duì)論的重要的組成部分。
在量子力學(xué)中,同樣采用了經(jīng)典力學(xué)的所有量,只是為了描述測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系、描述系統(tǒng)的狀態(tài)需要,力學(xué)量在不同的表象中可以有不同的形式,可以是標(biāo)量、矢量、張量算符。如在坐標(biāo)表象中,動(dòng)量具有梯度矢量的算符形式,哈密頓量則包含了拉普拉斯算符。量子力學(xué)的創(chuàng)立者之一海森堡更是心有靈犀,他把測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系表示成為力學(xué)量的對(duì)易關(guān)系[2]:
q■p■δ■■i■
這很容易想到經(jīng)典力學(xué)中的泊松括號(hào)
q■p■δ■■
1927 年 10 月24 日至29 日,在布魯塞爾舉辦了第五屆索爾維量子力學(xué)大會(huì),這是前來參加會(huì)議的二十九位科學(xué)家在會(huì)議期間坐在一起留下的一張合影(如圖)。我們可以在上面找到康普頓、居里夫人、愛因斯坦和普朗克……在后來的日子里,人們可能難以想象,他們當(dāng)中竟然有十七位獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。我們無法估算,他們的智商加到一起到底是多少。他們?yōu)槲覀冊(cè)?20 世紀(jì)如何理解空間、時(shí)間還有原子的結(jié)構(gòu)做出了定義?,F(xiàn)在我們來認(rèn)識(shí)一下這些“明星”人物——前排左起第二至第六人為:普朗克、居里夫人、洛倫茲、愛因斯坦、朗之萬; 第二排左起第一人:德拜,第三人:布喇格,第五到第九人:狄拉克、康普頓、德布羅意、波恩、玻爾; 第三排(站立)左起第六人:薛定諤,第八、第九人為:泡利、海森伯。
索爾維會(huì)議是由一位比利時(shí)的實(shí)業(yè)家Ernest Solvay 創(chuàng)立的,并以他的名字命名。第一屆索爾維會(huì)議于1911 年在布魯塞爾召開,后來雖然一度被第一次世界大戰(zhàn)打斷,但從1921 年開始又重新恢復(fù),定期每三年舉行一屆。到了1927 年,這已經(jīng)是第五屆索爾維會(huì)議了,也許,這也將是最著名的一次索爾維會(huì)議。這次會(huì)議上,愛因斯坦、薛定諤等人都如約而至。當(dāng)然世事無完美,硬要挑點(diǎn)缺陷,那就是索末菲和約爾當(dāng)不在其中。但就是這樣,照片上二十九人的“能量”有多大,也是我們無法衡量的。
這次會(huì)議為期六天,主題是“電子和光子”,會(huì)議議程如下:首先勞倫斯·布拉格作關(guān)于X 射線的實(shí)驗(yàn)報(bào)告,然后康普頓報(bào)告康普頓實(shí)驗(yàn)以及其和經(jīng)典電磁理論的不一致。接下來,德布羅意作量子新力學(xué)的演講,主要是關(guān)于粒子的德布羅意波。隨后波恩和海森堡介紹量子力學(xué)的矩陣?yán)碚?,而薛定諤介紹波動(dòng)力學(xué)。最后,玻爾在上一屆科莫會(huì)議演講的基礎(chǔ)上再次作那個(gè)關(guān)于量子公設(shè)和原子新理論的報(bào)告,進(jìn)一步總結(jié)互補(bǔ)原理,給量子論打下整個(gè)哲學(xué)基礎(chǔ)。這個(gè)議程本身簡(jiǎn)直就是量子論的一部微縮史,從中可以看出明顯地分成三派:只關(guān)心實(shí)驗(yàn)結(jié)果的實(shí)驗(yàn)派:布拉格和康普頓;哥本哈根派:玻爾、波恩和海森堡;還有哥本哈根派的死敵:德布羅意,薛定諤,以及坐在臺(tái)下的愛因斯坦。
因?yàn)榘l(fā)軔于這次會(huì)議的愛因斯坦與玻爾兩人的大辯論,因此,這次索爾維峰會(huì)也被冠之以“最著名”的稱號(hào)。的確,僅從人物的“著名”程度來說,此照片也可謂百年不遇,甚或千年不遇。
1導(dǎo)出麥克斯韋方程組的拉格朗日量
無論是在愛因斯坦場(chǎng)還是阿貝爾規(guī)范場(chǎng)中,比安基恒等式都有很重要的應(yīng)用。從阿貝爾規(guī)范場(chǎng)的比安基恒等式出發(fā),我們可以得到麥克斯韋方程組中的兩個(gè)基本方程。在這個(gè)過程中,我們需要慎重考慮指標(biāo)的升降問題,因?yàn)樵陔妱?dòng)力學(xué)中,我們一般都將指標(biāo)寫成下指標(biāo),而在場(chǎng)論中,我們需要考慮指標(biāo)的收縮問題。對(duì)于麥克斯韋方程組中的另外兩個(gè)方程,我們可以通過把比安基恒等式作為約束補(bǔ)充到自由電磁場(chǎng)的拉氏量中,并求解該拉格朗日量的運(yùn)動(dòng)方程得到。在這里的運(yùn)算中,我們要保持運(yùn)算的自洽性,也就是要由與前面得出兩個(gè)方程的定義相一致的條件得出麥克斯韋方程組的后兩個(gè)方程。對(duì)自由電磁場(chǎng)的拉氏量進(jìn)行補(bǔ)充后,我們得到了一個(gè)新的二階一般拉氏量。通過計(jì)算它的Hess矩陣,我們可以知道它的Hess矩陣是退化的,也就是說這個(gè)拉格朗日量是奇異的。它所描述的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)是一個(gè)存在固有約束的正則哈密頓系統(tǒng)。我們還可以將這一部分加入到旋量電動(dòng)力學(xué)的拉氏量中,得到的也是一個(gè)奇異拉氏量。旋量電動(dòng)力學(xué)拉格朗日量描述的是自旋1/2的粒子與電磁場(chǎng)相互作用的系統(tǒng),它本身的拉氏量也是奇異的。含有奇異拉格朗日量的系統(tǒng)在自然界中很常見,引力場(chǎng)、電磁場(chǎng)、超對(duì)稱、超引力和超弦理論等都屬于這類系統(tǒng)[2][3],所有規(guī)范不變的的系統(tǒng)也都是用奇異拉格朗日量來描述的。因此對(duì)于這樣一個(gè)系統(tǒng)的研究可以有廣泛的應(yīng)用。
2 拉格朗日量的特點(diǎn)
對(duì)于這種系統(tǒng)的量子化和正則對(duì)稱性質(zhì)的分析,目前已經(jīng)有了比較完整的闡述[4]。從狄拉克對(duì)動(dòng)力學(xué)齊次變量的分析開始,Bergmann等人闡述了約束和不變性關(guān)系。他們的研究為約束系統(tǒng)的量子化奠定了基礎(chǔ)。Shanmugadhasan和Kamimura分別探究了奇異性對(duì)拉格朗日方程的影響和拉格朗日約束與哈密頓約束的關(guān)系。而Sudarshan和Mukunda等人,也曾經(jīng)從數(shù)學(xué)的角度出發(fā),分析了狄拉克括號(hào)的結(jié)構(gòu)?,F(xiàn)代物理學(xué)中的約束正則系統(tǒng)在現(xiàn)代量子場(chǎng)論中起到了很重要的作用。
3對(duì)拉格朗日量的分析
對(duì)于我們前面得到兩個(gè)的拉氏量,我們不能采取傳統(tǒng)或者簡(jiǎn)單的高階微商拉氏量的量子化方法。因?yàn)檫@個(gè)拉氏量中含有矢勢(shì)的一次項(xiàng)和二次項(xiàng),是一個(gè)一般的二階拉氏量。傳統(tǒng)的正則量子化方法中,需要通過線性組合獲得最大數(shù)目的第一類約束,這種方法在這里不能使用。因?yàn)橥ㄟ^這個(gè)方法獲得的第一類約束形式可變,數(shù)目不能確定,會(huì)干擾我們?cè)诹孔踊械玫降慕Y(jié)果。而一般的高階微商場(chǎng)論的量子化方法是針對(duì)時(shí)間的高階項(xiàng)進(jìn)行的,與我們的拉格朗日量中含有的對(duì)矢勢(shì)的二階項(xiàng)有很大不同。通過正則動(dòng)量的定義,我們可以得到系統(tǒng)的初級(jí)約束,然后我們根據(jù)初級(jí)約束的自洽性條件,可以得到與一般約束系統(tǒng)不同的次級(jí)約束。
根據(jù)系統(tǒng)的初級(jí)約束、次級(jí)約束和正則Hamilton量,我們可以寫出系統(tǒng)的總Hamilton量。只有在得到系統(tǒng)的所有初級(jí)約束和次級(jí)約束后,我們才可以判斷系統(tǒng)的約束屬于第一類約束還是第二類約束。通過分析,可以發(fā)現(xiàn)將比安基恒等式補(bǔ)充到電磁場(chǎng)的拉格朗日量中后得到的二階拉格朗日量在量子化過程中會(huì)得到三個(gè)初級(jí)約束中,兩個(gè)次級(jí)約束。初級(jí)約束中有一個(gè)第一類約束,兩個(gè)第二類約束。加上次級(jí)約束中一個(gè)第一類約束,我們就得到了兩個(gè)第一類約束。要完成該系統(tǒng)的量子化,確定系統(tǒng)的演化,針對(duì)兩個(gè)第一類約束,我們需要選擇兩個(gè)合適的規(guī)范固定條件進(jìn)行量子化。而在將比安基恒等式補(bǔ)充到旋量場(chǎng)的拉格朗日量中后,我們得到的二階拉氏量所描述的系統(tǒng)只有一個(gè)第一類約束。同樣,我們通過選取的規(guī)范固定條件可以將第一類約束轉(zhuǎn)變?yōu)榈诙惣s束,消除變量的規(guī)范自由度。
量子通信是量子力學(xué)和經(jīng)典通信相結(jié)合的產(chǎn)物,其安全性由海森堡測(cè)不準(zhǔn)定理和不可克隆原理所保障,具有經(jīng)典通信無法比擬的無條件安全性及對(duì)竊聽的可檢測(cè)性。電力系統(tǒng)通信專網(wǎng),建立了“安全分區(qū)、網(wǎng)絡(luò)專用、橫向隔離、縱向認(rèn)證”的網(wǎng)絡(luò)與信息安全防御體系,但安全措施主要側(cè)重于業(yè)務(wù)層和數(shù)據(jù)安全層面,在底層安全策略和適應(yīng)未來發(fā)展方面存在局限性。由于電力數(shù)據(jù)對(duì)通信安全要求的特殊性,量子通信極有可能是確保電力通信安全的極佳選擇。綜上,開展量子保密通信技術(shù)研究非常有意義。本文首先對(duì)量子通信技術(shù)進(jìn)行概述,接著闡述了國內(nèi)外技術(shù)研究現(xiàn)狀;最后,根據(jù)電力通信業(yè)務(wù)需求,分析量子通信在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用前景。
2量子通信技術(shù)概述
量子通信,廣義上是指把量子態(tài)的傳遞,包括:量子密集編碼、量子密鑰分發(fā)和量子隱形傳態(tài)。其中,量子密集編碼用于量子計(jì)算機(jī)。量子密鑰分發(fā),在傳送量子態(tài)的過程中,光子會(huì)經(jīng)由光纖或自由空間被實(shí)際傳送到接收方;量子隱形傳態(tài),糾纏光子對(duì)分處兩地,量子態(tài)在一處消失后,在另一處被巧妙地重現(xiàn),而光子本身卻不被傳送。量子通信,狹義上理解,是量子密鑰分配或基于量子密鑰分配的安全保密通信。量子密鑰分發(fā)只是負(fù)責(zé)產(chǎn)生和分發(fā)通信需要的密鑰,最終的的數(shù)據(jù)信息經(jīng)由加密生成的密文,還是必須經(jīng)過經(jīng)典信道進(jìn)行傳輸。在量子隱形傳態(tài)中,同樣也要用經(jīng)典信道將測(cè)量的信息傳送出去,經(jīng)典信息與量子信息聯(lián)合起來才能實(shí)現(xiàn)量子隱形傳態(tài)。因此,量子通信技術(shù)除了在竊聽檢測(cè)和通信保密方面具有優(yōu)勢(shì)以外,并不能突破經(jīng)典通信系統(tǒng)在通信速率、距離、抗干擾性能等方面的極限。
3量子通信技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
量子通信具有高效率和絕對(duì)安全等特點(diǎn),廣泛的應(yīng)用前景吸引眾多國家投入人力物力。美國、日本、歐洲多國都成立了專門開展量子技術(shù)研究的機(jī)構(gòu),此外,IBM、HP、NEC、NTT等企業(yè)也紛紛加入到量子通信的研究之中。國外量子密鑰分配技術(shù)專利統(tǒng)計(jì)顯示,公司、企業(yè)申請(qǐng)的專利數(shù)占主導(dǎo)地位,科研院所其次,可以看出量子密鑰分配技術(shù)具有潛在的商業(yè)化價(jià)值和應(yīng)用空間。1984年,BennetC.H.和BrassardG.提出第一個(gè)量子密鑰分發(fā)協(xié)議(BB84協(xié)議),揭開了量子密鑰分發(fā)研究的序幕。1993年,英國國防部研究局在傳輸長(zhǎng)度為10km的光纖中實(shí)現(xiàn)了基于BB84方案的相位編碼量子密鑰分發(fā)。1997年,奧地利的A.Zeilinger小組在室內(nèi)首次完成量子態(tài)隱形傳送的原理性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。2001年,瑞士IDQuantique公司推出商用量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)。2004年,瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)的Gisin小組推出的“Plug&Play”光纖量子密鑰協(xié)商系統(tǒng)光纖長(zhǎng)度提高到67km,成為世界上首個(gè)商用的QKD系統(tǒng)。
國內(nèi),量子通信研究同樣受到相關(guān)部門的大力支持。郭光燦小組:2004年,實(shí)現(xiàn)北京-天津125km光纖點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的量子密鑰分發(fā);2007年,實(shí)現(xiàn)了基于波分復(fù)用的四用戶量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò),通信距離達(dá)到42.6km;2009年,在安徽蕪湖建成世界首個(gè)“量子政務(wù)網(wǎng)”。2005年,潘建偉小組在世界上首次實(shí)現(xiàn)13km自由空間的糾纏分發(fā)和量子密鑰產(chǎn)生;2008年,實(shí)現(xiàn)了三用戶的誘騙態(tài)量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò);2009年9月,世界上首個(gè)全通型量子通信網(wǎng)絡(luò)建成,首次實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)語音量子保密通信。最近幾十年,量子通信從理論到實(shí)驗(yàn),再到實(shí)用化突破,發(fā)展迅速。
4量子通信技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用前景
電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,電網(wǎng)企業(yè)信息化程度日益提高,電網(wǎng)面臨的安全風(fēng)險(xiǎn)更多、更大,迫切需要研究新的通信技術(shù),將其應(yīng)用到電力系統(tǒng)來。量子通信技術(shù)具備高效率和絕對(duì)安全的優(yōu)勢(shì),將可能成為保護(hù)電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全的極佳選擇。而且,在我國相關(guān)的研究和實(shí)用化工作也走在世界前列,具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán),探索量子通信技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用是非常有意義和前瞻性的工作。結(jié)合目前電力通信系統(tǒng)和業(yè)務(wù)系統(tǒng)現(xiàn)狀,量子通信技術(shù)可以在以下方面開展應(yīng)用研究:
4.1構(gòu)建量子加密異地備份數(shù)據(jù)傳輸鏈路目前,各網(wǎng)省公司已大力開展備用調(diào)度系統(tǒng)和信息容災(zāi)體系的建設(shè),并相繼成立了異地?cái)?shù)據(jù)容災(zāi)中心。為確保數(shù)據(jù)中心之間的數(shù)據(jù)保密傳輸,一個(gè)安全的加密系統(tǒng)是必需的。量子保密通信的安全性不是基于計(jì)算的復(fù)雜性,在信息保護(hù)和保密通信方面具有天然的優(yōu)勢(shì)。使用量子密鑰分發(fā)鏈路,在主、備數(shù)據(jù)中心間進(jìn)行密鑰分發(fā)和交換,能夠構(gòu)建高效、安全的異地?cái)?shù)據(jù)備份傳輸通道。
4.2構(gòu)建核心加密通信網(wǎng)電力企業(yè)的電腦被攻擊,可能引發(fā)用電行業(yè)的癱瘓,造成社會(huì)大面積混亂。傳統(tǒng)的防火墻和信息過濾技術(shù)無法從根本上解決“黑客”攻擊的問題,隨著量子通信距離和多用戶量子通信技術(shù)的突破,利用量子通信技術(shù)構(gòu)建網(wǎng)省地重要調(diào)度機(jī)構(gòu)加密通信網(wǎng),在網(wǎng)絡(luò)上任意兩用戶間實(shí)現(xiàn)量子密鑰的加密通信,將能保證營銷、市場(chǎng)、辦公等重要業(yè)務(wù)的安全性。
4.3構(gòu)建點(diǎn)對(duì)點(diǎn)量子加密保護(hù)通道線路保護(hù)、安穩(wěn)屬于電力生產(chǎn)一區(qū)的重要業(yè)務(wù),對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和安全性要求非常高?,F(xiàn)采用的專用光纖、復(fù)用2M通道方式能保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性,卻無法保證絕對(duì)安全性。隨著量子通信的快速發(fā)展,兩點(diǎn)間的量子通信技術(shù)趨于成熟,兩方量子密鑰分發(fā)通信距離已經(jīng)能夠達(dá)到幾十公里~百公里級(jí)。量子密鑰分發(fā)技術(shù),使用光量子作為保護(hù)、安穩(wěn)信息的載體,將能極大地保障業(yè)務(wù)的安全性。
4.4構(gòu)建加密量子交換網(wǎng)絡(luò)電話業(yè)務(wù)是生產(chǎn)指令上傳下達(dá)的關(guān)鍵工具,是電網(wǎng)安全正常運(yùn)行的重要通信保障,目前主要采用PCM或交換機(jī)放號(hào)的方式,在承載網(wǎng)層面未進(jìn)行安全保證。使用量子交換機(jī)實(shí)現(xiàn)經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)的交換控制與量子交換網(wǎng)絡(luò)的控制,可以構(gòu)建高安全的量子交換網(wǎng)絡(luò),防止電話遭竊聽和惡意攻擊。
4.5應(yīng)急量子通信當(dāng)出現(xiàn)冰災(zāi)、地震、洪水等自然災(zāi)害,光纜、傳輸設(shè)備等電力通信基礎(chǔ)設(shè)施受到大面積破壞時(shí),現(xiàn)有電力通信網(wǎng)絡(luò)陷入癱瘓,無法進(jìn)行有效的應(yīng)急搶修通信。目前,量子隱形傳態(tài)技術(shù)已經(jīng)獲得16km的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展,隨著關(guān)鍵量子器件技術(shù)的成熟,隱形傳態(tài)將進(jìn)入應(yīng)用階段。利用隱形傳態(tài)技術(shù),構(gòu)建應(yīng)急環(huán)境下的量子衛(wèi)星通信系統(tǒng),將對(duì)未來的應(yīng)急搶修提供重要幫助。
5總結(jié)
關(guān)鍵詞:電磁關(guān)系;磁單極;麥克斯韋方程組
中圖分類號(hào):G423 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1674-9324(2013)33-0200-02
1831年,狄拉克注意到麥克斯韋方程組中電和磁的不對(duì)稱性從理論上預(yù)言磁單極子是可以獨(dú)立存在的。根據(jù)電動(dòng)力學(xué)和量子力學(xué)的合理推演,認(rèn)為磁單極子的存在能解釋電荷的量子化并前所未有地把磁單極子作為一種新粒子提出來。隨著磁單極的提出,科學(xué)界由此掀起了一場(chǎng)尋找磁單極的狂潮。目前科學(xué)家從各種巖石、土壤、隕石、海底和以及月球上的樣品中均未發(fā)現(xiàn)磁單極子的痕跡。
在教學(xué)中介紹磁單極的前沿知識(shí),理論上討論磁單極存在時(shí)的電磁關(guān)系仍有非常重要的意義。本文總結(jié)了磁荷存在時(shí)的麥克斯韋方程組,電磁對(duì)稱關(guān)系,邊界條件和四維矢勢(shì)等,不僅有助于加強(qiáng)學(xué)生對(duì)電磁關(guān)系的理解,而且有助于學(xué)生物理思想和思維能力的培養(yǎng)。
一、磁荷存在時(shí)的麥克斯韋方程組
麥克斯韋分析隨時(shí)間變化的電磁場(chǎng),引入位移電流后,建立了如下方程組:
?塄·■=ρe,?塄·■=0,?塄×■=-■,?塄×■=■+■e (1)
公式組(1)中ρe和■e分別為電荷密度和電流密度。該方程組深刻揭示了電磁現(xiàn)象的本質(zhì),描述了電磁運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。麥克斯韋方程組一方面表明電和磁具有對(duì)稱性,即變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng),變化磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng),也就是“電生磁、磁生電”的電磁場(chǎng)理論。但另一方面表明磁和電也并非是完全對(duì)稱的,電荷激發(fā)電場(chǎng),卻沒有磁荷激發(fā)磁場(chǎng);運(yùn)動(dòng)電荷激發(fā)磁場(chǎng),卻沒有運(yùn)動(dòng)磁荷激發(fā)電場(chǎng)。假若磁荷存在,將麥克斯韋方程組寫成如下形式:
?塄·■=ρe,?塄·■=ρm,?塄×■=-■+■m,?塄×■=■+■e(2)
公式組(2)中ρm和■m分別為磁荷密度和磁流密度。由此可見產(chǎn)生電場(chǎng)的方式有三種:電荷、運(yùn)動(dòng)磁荷和變化的磁場(chǎng);產(chǎn)生磁場(chǎng)的方式也有三種:磁荷、運(yùn)動(dòng)電荷和變化的電場(chǎng)。引入磁單極子后,麥克斯韋方程組已具有嚴(yán)格形式的對(duì)稱性。
二、邊界條件
在兩種介質(zhì)的界面上,根據(jù)麥克斯韋方程組可以得到電磁場(chǎng)的邊值關(guān)系:
■×(■2-■1)=0,■×(■2-■1)=■e,■·(■2-■1)=?滓e,■·(■2-■1)=0,其中?滓e和■e分別代表自由電荷面密度和自由電流線密度。若磁荷存在,電磁場(chǎng)的邊值關(guān)系改寫為:■×(■2-■1)=■m,■×(■2-■1)=■e,■·(■2-■1)=?滓e,■·(■2-■1)=?滓m,公式中?滓m和■m分別自由磁荷面密度和自由磁流線密度。
三、電磁場(chǎng)和勢(shì)的關(guān)系
電磁場(chǎng)■和■用勢(shì)表達(dá)為■=?塄×■和■=-?塄φ-■,其中矢勢(shì)■和標(biāo)勢(shì)φ分別由磁場(chǎng)和電場(chǎng)引入。
若磁荷存在,電場(chǎng)和磁場(chǎng)的表達(dá)式分別為■=-?塄φ-■-?塄×■和■=-?塄Φ-■+?塄×■,其中矢勢(shì)■和標(biāo)勢(shì)Φ分別有電場(chǎng)和磁場(chǎng)引入。
四、磁洛倫茲力和力矩
如果存在磁荷,它靜止時(shí)所受磁力為■=qm■。該磁單極運(yùn)動(dòng)時(shí)將受到磁洛倫茲力■=qm(■-■)。磁偶極子的磁矩是■m=qm■,qm是磁偶極子的磁荷,■是正負(fù)磁荷的間距。對(duì)應(yīng)的載磁流線圈的磁矩為■m=N■Im,載磁流線圈在電場(chǎng)中受到的力矩為■m=■m×(■×■)。
五、電磁場(chǎng)的四維形式
Singleton定義了兩個(gè)張量Fμν=?墜μAν-?墜νAμ,fμν=?墜μaν-?墜νaμ,
來描述磁荷存在時(shí)的電磁場(chǎng)的lagrange密度、運(yùn)動(dòng)方程、能量-動(dòng)量張量等。
四維電流密度矢量為(ρe,■e),對(duì)應(yīng)的四維磁流密度矢量為(ρm,■m)。根據(jù)電場(chǎng)和磁場(chǎng)得出的四維勢(shì)矢量分別為(φ,■)和(Φ,■)
麥克斯韋方程組可以寫作:Jμ=?墜νFνμ,jμ=?墜νfνμ,連續(xù)性方程為:0=?墜μJμ=?墜μjμ。
電場(chǎng)和磁場(chǎng)的表達(dá)式為:
Ei=Fi0-■εijkfjk,Bi=ji0-■εijkFjk,
洛倫茲力的四維形式為:Kμ=Q(Fμν+■εμναβfαβ)uν+q(fμν+■εμναβFαβ)μν。
結(jié)論:本文分析總結(jié)了磁荷存在時(shí)的麥克斯韋方程組,電磁對(duì)稱關(guān)系,邊界條件和四維矢勢(shì)和磁單極子對(duì)物理學(xué)的影響,通過實(shí)施教學(xué)不僅有助于學(xué)生理解電磁關(guān)系、體會(huì)物理學(xué)的對(duì)稱美,而且有助于學(xué)生對(duì)物理思維能力的培養(yǎng)。
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1月18日,我國發(fā)射的世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”圓滿完成了4個(gè)月的在軌測(cè)試任務(wù),正式交付用戶單位使用。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中科院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院、西安衛(wèi)星測(cè)控中心、中科院國家空間科學(xué)中心等單位相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)在交付使用證書上簽字。
那么,咱們來了解一下,“墨子號(hào)”到底有多牛。
世界上第一顆空間量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星
“墨子號(hào)”是由我國完全自主研制的世界上第一顆空間量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星,于2016年8月16日發(fā)射升空。該衛(wèi)星從科學(xué)概念的提出到關(guān)鍵技術(shù)突破,從有效載荷研制到科學(xué)成果的產(chǎn)出,由中國科學(xué)院量子信息與量子科技前沿卓越創(chuàng)新中心主導(dǎo)完成。 “墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星掠過阿里量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上空(2016年12月9日攝。)
面對(duì)在國際上首次開展空間尺度量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)這一全新的領(lǐng)域,從2003年開始,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)和中科院上海技術(shù)物理研究所、中科院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院、中科院光電技術(shù)研究所、國家天文臺(tái)、國家空間科學(xué)中心等單位的研究人員經(jīng)過長(zhǎng)達(dá)10余年的協(xié)同攻關(guān),創(chuàng)新性地突破了包括星地量子信道、空間單光子探測(cè)、高亮度空間量子糾纏光源等多項(xiàng)國際領(lǐng)先的關(guān)鍵技術(shù),確保了衛(wèi)星的成功研制,為各項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)的順利開展奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。
星地量子保密通信,千公里級(jí)量子糾纏分發(fā)
“墨子號(hào)”的主要應(yīng)用目標(biāo)是通過衛(wèi)星和地面站之間的量子密鑰分發(fā),實(shí)現(xiàn)星地量子保密通信,并通過衛(wèi)星中轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)可覆蓋全球的量子保密通信?!澳犹?hào)”可以在千公里外的外太空以10kbps的速率給地面站分發(fā)量子密鑰,比地面同距離光纖量子通信水平提高了15個(gè)數(shù)量級(jí)以上。該項(xiàng)技術(shù)突破不僅使得我國具備了對(duì)光纖無法覆蓋的地^――如我國的南海諸島、駐外使領(lǐng)館、遠(yuǎn)洋艦艇等――直接提供高安全等級(jí)量子通信保障的能力,并為我國未來構(gòu)建覆蓋全球的天地一體化量子保密通信網(wǎng)絡(luò)提供可靠的技術(shù)支撐。
“墨子號(hào)”的另一前沿研究目標(biāo)是在量子物理基本問題檢驗(yàn)領(lǐng)域:即通過千公里量級(jí)的量子糾纏分發(fā),首次在空間尺度檢驗(yàn)量子力學(xué)的非定域性,并利用量子糾纏在地面和衛(wèi)星之間實(shí)現(xiàn)量子隱形傳態(tài)。通過“墨子號(hào)”的星地糾纏分發(fā),我們能夠在相距1200公里以上的兩個(gè)地面站之間以1對(duì)/秒的速度建立起量子糾纏,將使得人類首次具有在空間尺度開展量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)的能力,并為未來在外太空開展廣義相對(duì)論、量子引力等物理學(xué)基本原理的檢驗(yàn)做好了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)準(zhǔn)備,成為我國在基礎(chǔ)物理學(xué)領(lǐng)域?qū)κ澜绲挠忠恢匾暙I(xiàn)。
測(cè)試階段性能卓越,超過系統(tǒng)指標(biāo)要求
量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星在軌測(cè)試階段全面完成了衛(wèi)星平臺(tái)測(cè)試、有效載荷自測(cè)試和天地一體化鏈路測(cè)試,衛(wèi)星平臺(tái)和有效載荷工作一切正常,成功構(gòu)建了星地單向、星地雙向、地星單向量子信道,系統(tǒng)信道效率、時(shí)間同步精度、跟蹤瞄準(zhǔn)精度均超過系統(tǒng)指標(biāo)要求,可以滿足空間量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)的要求。
在交付儀式前,量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星工程常務(wù)副總師王建宇研究員向與會(huì)領(lǐng)導(dǎo)和專家做了衛(wèi)星在軌測(cè)試總結(jié)報(bào)告,并表示量子衛(wèi)星已經(jīng)在世界上首次建立了天地一體化量子通信實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái),具備了開展空間量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)的條件。量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星首席科學(xué)家潘建偉院士代表科學(xué)研究團(tuán)隊(duì)做了量子衛(wèi)星壽命期工作安排報(bào)告。據(jù)潘建偉介紹,目前研究團(tuán)隊(duì)正在有條不紊地開展相關(guān)科學(xué)實(shí)驗(yàn)工作,已獲取了初步的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。研究團(tuán)隊(duì)對(duì)順利完成星地量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)、廣域量子密鑰應(yīng)用演示實(shí)驗(yàn)、星地雙向量子糾纏及地星量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)全部預(yù)先設(shè)定的科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)充滿信心。
改變世界的十大創(chuàng)新技術(shù)
關(guān)鍵詞:超弦理論 管理理論 管理叢林
管理學(xué)中的理論叢林
從第二次世界大戰(zhàn)至今,世界一直都處于相對(duì)平穩(wěn)的發(fā)展時(shí)期,雖然局部戰(zhàn)爭(zhēng)常有,但相對(duì)和平的世界環(huán)境卻給人們帶來了休養(yǎng)生息、增長(zhǎng)與發(fā)展的機(jī)會(huì)。科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展大大加速了全球經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng),與此同時(shí),各類組織迅速發(fā)展,社會(huì)的進(jìn)步對(duì)諸如企業(yè)、政府、各類非營利組織等的管理提出了更高的要求,各類組織對(duì)管理人才的需求也相應(yīng)擴(kuò)大,培養(yǎng)管理人才的各類管理學(xué)院也紛紛成立,并擴(kuò)大了培養(yǎng)人才的規(guī)模。面對(duì)著巨大的需求,特別是面對(duì)著不同行業(yè)、不同需求層次的需要,過去相對(duì)簡(jiǎn)單的管理理論似乎就有些力不從心了。管理理論再次受到重大的挑戰(zhàn),于是新的一輪發(fā)展又開始到來,現(xiàn)代管理理論出現(xiàn)了。
人們一般認(rèn)為,現(xiàn)代管理理論是繼科學(xué)管理理論、行為科學(xué)管理理論出現(xiàn)之后,西方管理理論和思想發(fā)展的第三個(gè)階段,特指第二次世界大戰(zhàn)以后出現(xiàn)的一系列學(xué)派。與前兩個(gè)階段相比,這一階段的最大特點(diǎn)是,學(xué)派林立,新的管理理論、思想、方法不斷涌現(xiàn)。在這個(gè)階段,心理學(xué)家、社會(huì)學(xué)家、人類學(xué)家、社會(huì)測(cè)量學(xué)家、經(jīng)濟(jì)學(xué)家、數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家、生物學(xué)家、政治科學(xué)家、企業(yè)管理學(xué)者、實(shí)踐操作的經(jīng)理人員都加入了管理理論研究這個(gè)領(lǐng)域,從而形成了管理學(xué)的空前繁榮的景象。美國著名的管理學(xué)專家孔茨(Harold Koontz)是最早認(rèn)識(shí)到“管理叢林”給人們帶來了巨大的分歧與混亂的人,并主張清理管理理論叢林,在叢林中開辟出一條道路來。為此,他在1961年發(fā)表了著名的論文《管理理論的叢林》,將這種現(xiàn)象稱為“管理理論的叢林”。
在孔茨的論文中,根據(jù)他的觀察,依據(jù)基礎(chǔ)理論的差異,他將上世紀(jì)60年代的管理理論分為了6大管理理論學(xué)派。1980年,孔茨再次發(fā)表了論文《再論管理理論的叢林》,而在該論文中,孔茨把當(dāng)時(shí)發(fā)展更為紛繁眾多的重要管理學(xué)派分為了11個(gè)。孔茨對(duì)于管理理論出現(xiàn)叢林現(xiàn)象,彼此滋蔓、相互纏繞的現(xiàn)象并不滿意,因此,他分析了造成此種“叢林”現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因和走出管理學(xué)叢林的方法:一是澄清管理學(xué)的語意的叢林;二是對(duì)知識(shí)主體的定義;三是管理與其他學(xué)科的整合;四是對(duì)管理學(xué)中的許多的基本原理進(jìn)行提煉與驗(yàn)證。應(yīng)該說,孔茨開創(chuàng)性的工作引起了人們對(duì)管理學(xué)主線研究的普遍興趣與重視,其學(xué)派劃分的方法也已成為歸納現(xiàn)代管理理論的樣本??墒俏覀儼凑湛状乃f的走出管理學(xué)叢林的方法,卻至今都沒有走出管理學(xué)理論的叢林。
應(yīng)該承認(rèn),孔茨綜合現(xiàn)代管理理論的做法與努力,自有其積極的意義。世界是一個(gè)統(tǒng)一的整體,盡管當(dāng)前對(duì)世界的統(tǒng)一性有人持極端懷疑的觀點(diǎn),但獲得對(duì)世界的統(tǒng)一性認(rèn)識(shí)畢竟是人類永恒的追求。哲學(xué)的觀點(diǎn)也認(rèn)為,即世界的各個(gè)不同領(lǐng)域都受同樣的基本法則和原理所支配。對(duì)于這一點(diǎn),愛因斯坦畢生所追求與堅(jiān)信的“萬有理論”便是最好的證明。所以,站在今天的視角,從各個(gè)學(xué)科發(fā)展與演化的角度,到底應(yīng)該怎樣看待管理學(xué)發(fā)展的叢林問題呢?
由物理學(xué)中萬有理論而引發(fā)的思考
在談?wù)摴芾韺W(xué)叢林問題之前,先來了解一下物理學(xué)領(lǐng)域?qū)Α叭f有理論”、“大一統(tǒng)觀點(diǎn)”、“超弦理論”的發(fā)展與認(rèn)識(shí)歷程。看是否能從中得到點(diǎn)關(guān)于怎樣理解管理學(xué)叢林問題的思考與啟示。
自從愛因斯坦建立了令世人矚目的相對(duì)論理論以后,他自己本人卻并沒有停止向物理學(xué)更高領(lǐng)域前進(jìn)的步伐。他想把當(dāng)時(shí)已知的兩種相互作用――萬有引力和電磁力在一個(gè)數(shù)學(xué)框架中統(tǒng)一起來,建立宇宙的總公式――萬有理論。因?yàn)閻垡蛩固箞?jiān)信同一個(gè)宇宙中兩個(gè)不同的作用力應(yīng)該有著它們相同的起源。在物理學(xué)的發(fā)展過程中,也經(jīng)歷過數(shù)次歷史性的統(tǒng)一,如牛頓發(fā)現(xiàn)天體的運(yùn)行和地球上運(yùn)動(dòng)的物體遵從相同的運(yùn)動(dòng)力學(xué)原理和引力定律;愛因斯坦則建立起了時(shí)空、運(yùn)動(dòng)和引力之間的聯(lián)系,并統(tǒng)一了質(zhì)量和能量,建立了質(zhì)能互換公式。按理說,萬有引力和電磁力應(yīng)該可以聯(lián)系在一起,它們應(yīng)該是同一個(gè)原理下的兩個(gè)不同的方面,就像電和磁、能量和質(zhì)量一樣。但從實(shí)際看來,要把這兩種相距甚遠(yuǎn)的力統(tǒng)一起來,談何容易。引力是兩個(gè)大質(zhì)量物體之間的相互吸引,大質(zhì)量物體造成空間彎曲而產(chǎn)生的;而電磁力則是由粒子的電荷產(chǎn)生的,顯然,把這樣兩種力聯(lián)系起來是不可思議的事。因此,引力和電磁力之間似乎毫無聯(lián)系可言。所以,當(dāng)時(shí)除了愛因斯坦也沒有哪個(gè)物理學(xué)家敢于在這個(gè)超級(jí)難題上空耗精力。當(dāng)然,最終的結(jié)果歷史也早已向我們講述,在愛因斯坦一次又一次努力歸于失敗以后,直至他生命的最后一刻,他都在無望地尋找著引力場(chǎng)和電磁場(chǎng)統(tǒng)一的理論,最終抱憾離開人世。
回顧歷史,愛因斯坦的失敗也許就可以理解,似乎是注定的。實(shí)際上自然界還存在另外兩種相互作用力―弱力和強(qiáng)力,而在當(dāng)時(shí)的物理學(xué)界對(duì)這兩種力卻尚不知曉。強(qiáng)力即存在于原子核內(nèi)的把原子核內(nèi)的中子和帶正電荷的質(zhì)子結(jié)合在一起的力(如果沒有強(qiáng)力,它們因同性相斥的原理而相互彈開);而弱力則是改變粒子而不是吸引或分開粒子(如引起原子核的放射性衰變等)。所以,當(dāng)有四種相互作用力被人們認(rèn)知后,尋找這四種力新的大統(tǒng)一的任務(wù)就擺在了現(xiàn)代物理學(xué)家面前。
美國物理學(xué)家斯蒂芬?溫伯格和阿布杜斯?薩拉姆在1967年首次將這人類一直所追求的“大統(tǒng)一理論”目標(biāo)向前推進(jìn)了一大步。他們從量子理論入手,成功的使電磁力與弱力的數(shù)學(xué)表達(dá)結(jié)合到一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)學(xué)表達(dá)中。此后不久,物理學(xué)家便發(fā)現(xiàn)在更小的尺度上10-17厘米左右,電磁力、弱力和強(qiáng)力將得到統(tǒng)一,這意味著“大統(tǒng)一理論”又向前邁了一大步。現(xiàn)在我們可以知道,自然界中總共四種相互作用力除萬有引力之外的三種都可由量子理論來描述和統(tǒng)一。那么引力呢?在空間尺度繼續(xù)減小時(shí),物理學(xué)家們又發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)折點(diǎn):我們?cè)囅氚岩粋€(gè)粒子的運(yùn)動(dòng)控制在一個(gè)更小的空間內(nèi)時(shí),那么根據(jù)量子力學(xué)法則,粒子的運(yùn)動(dòng)將加劇,動(dòng)能將增加,也就是說,越小的距離就有越高的能量,也就有越大的質(zhì)量,此時(shí)引力又回來了!并且逐漸增加到與其它力一樣大。
前面所說的,電磁力和弱力在較高的能量上實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一,其實(shí)這較高能量也是在較小空間中實(shí)現(xiàn)的;然后強(qiáng)力又和電-弱力在一個(gè)更小空間中的更高能量上實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一。以此推論的設(shè)想,最弱的引力應(yīng)該會(huì)在最小的空間中與其它三種力實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一??臻g的最小尺度結(jié)構(gòu)是普朗克長(zhǎng)度(10-33厘米)。在普朗克長(zhǎng)度下,所有的力歸于統(tǒng)一。電磁力-弱力統(tǒng)一所需的能量是現(xiàn)在可及的范圍,因此這個(gè)理論得到了證實(shí)。而除引力外其它三種力統(tǒng)一所需的能量目前就無法達(dá)到了,目前人類所造的最大的粒子加速器似乎也達(dá)不到那么大的能量;在普朗克長(zhǎng)度下,超高能量使空間的性質(zhì)也不可思議地改變了!相對(duì)論和量子理論這兩大現(xiàn)代物理學(xué)支柱在這個(gè)尺度下全部失效!在這里,物理學(xué)家認(rèn)為新的理論將把相對(duì)論和量子理論統(tǒng)一起來。
這個(gè)新的理論就是目前物理學(xué)領(lǐng)域最流行的“超弦理論”。該理論認(rèn)為在普朗克長(zhǎng)度大小的空間里有一根細(xì)細(xì)的超弦在振動(dòng),它的振動(dòng)產(chǎn)生了數(shù)百種基本粒子和四種力的相互作用力。該理論也是目前唯一能將20世紀(jì)兩大物理支柱量子力學(xué)和廣義相對(duì)論有機(jī)結(jié)合起來,從理論上實(shí)現(xiàn)了包括引力在內(nèi)的四種相互作用力的統(tǒng)一。超弦理論的提出無疑是了不起的思想火花,但同時(shí)也向人們提出了更大的挑戰(zhàn)。超弦理論如果成功,它一定會(huì)導(dǎo)致一場(chǎng)人類對(duì)時(shí)空本質(zhì)、時(shí)空維數(shù)、相互作用本質(zhì)、暗能量本質(zhì)等革命性的認(rèn)識(shí),其深刻程度不亞于上個(gè)世紀(jì)的兩場(chǎng)物理學(xué)革命:量子力學(xué)和廣義相對(duì)論。
如何看待管理學(xué)中的理論叢林問題
首先,從物理學(xué)的發(fā)展歷程來看,物理學(xué)中的萬有引力,電磁力,強(qiáng)力、弱力等物理學(xué)分支領(lǐng)域的發(fā)展都是為了解決人們?cè)谌粘I钪兴龅降膶?shí)際問題而產(chǎn)生和發(fā)展的。所以,我們今天看待管理學(xué)叢林問題也應(yīng)該認(rèn)識(shí)到其存在有其合理性的一面,從人類解決問題的思維方式與思維慣性的角度去看待管理學(xué)叢林中的各個(gè)學(xué)派林立的問題。其實(shí),我們是否可以把這個(gè)問題理解為管理學(xué)叢林理論中的各個(gè)學(xué)派的產(chǎn)生和發(fā)展都是人類在其發(fā)展與進(jìn)步的各個(gè)不同歷史時(shí)期為解決管理中的實(shí)際問題,從不同學(xué)科和角度所發(fā)展起來的理論學(xué)派。它們都是管理學(xué)理論發(fā)展歷程中的必然結(jié)果。
其次,從不同理論學(xué)派的比較研究我們也可以發(fā)現(xiàn),雖然不同的理論學(xué)派之間視角不同、觀點(diǎn)各異,但針對(duì)某些問題,大部分理論學(xué)派依然存在著一定的共同點(diǎn)。例如,企業(yè)的生存取決于對(duì)外部需求和對(duì)期望的回應(yīng),企業(yè)必須適應(yīng)環(huán)境的需要;企業(yè)與環(huán)境存在緊密的聯(lián)系;企業(yè)尋求外部環(huán)境的穩(wěn)定和可預(yù)測(cè)性;企業(yè)是利益驅(qū)動(dòng)的等等。因此,這樣就說明了前面的觀點(diǎn),即各個(gè)理論學(xué)派都是為了解決人們?cè)诠芾韺?shí)踐中遇到的實(shí)際問題而產(chǎn)生和發(fā)展起來的。為了解決同一個(gè)實(shí)踐中遇到的管理問題,各個(gè)學(xué)派從各自的學(xué)科背景出發(fā)給出了不同的解釋,但目的都是為了解決問題。所以,是否可以認(rèn)為,管理學(xué)的叢林問題,就像是一個(gè)物體前圍著的許多面鏡子,從鏡子中看到的都是同一個(gè)物體,但由于視覺角度的不同,我們發(fā)現(xiàn)每一面鏡子中的物體卻又都不相同。也就是說,管理學(xué)叢林是“同一個(gè)物體的不同表現(xiàn)形式”。因此,它們都應(yīng)該是合理的,這里也印證了前面的觀點(diǎn),即存在自有其合理性的問題。所以,是否這種思維認(rèn)識(shí)也可以為我們進(jìn)一步的尋求管理學(xué)叢林的融合提供一個(gè)視角與方向?
理論叢林的發(fā)展與未來
談到管理學(xué)理論叢林的發(fā)展與未來來看,筆者還是比較同意融合的觀點(diǎn)。從理論發(fā)展的一般規(guī)律來看,管理學(xué)理論中的叢林融合問題勢(shì)在必行,也有其的必要性和合理性,這一點(diǎn)從物理學(xué)的萬有理論可以很明顯的看出。但從現(xiàn)在理論界所普遍認(rèn)為可行的融合途徑來看,可歸結(jié)為兩種途徑。第一,不同理論的解構(gòu)與融合。第二,不同理論比較和整理。而這兩種融合的方式都是在理論本身層面的融合,有其局限性。不能做到完全的融合。
再次回到物理學(xué)領(lǐng)域來看,從物理學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展歷程研究可以發(fā)現(xiàn),電磁力、引力、弱力、強(qiáng)力有可能在最小的空間普朗克長(zhǎng)度(10-33厘米)得到統(tǒng)一,這也標(biāo)志著物理學(xué)的兩大支柱理論量子力學(xué)和廣義相對(duì)論的融合和新理論超弦理論的誕生。所以是否可以得到一點(diǎn)理論融合的啟示,看待管理學(xué)叢林問題,能否回歸到最本質(zhì)與根源的角度考慮各個(gè)理論學(xué)派的融合問題,即從“環(huán)境”本身入手考慮管理學(xué)各個(gè)學(xué)派的融合問題?如國內(nèi)學(xué)者趙錫斌教授所著的《企業(yè)環(huán)境分析與調(diào)適―理論與方法》,就把環(huán)境作為一個(gè)整體研究企業(yè)與環(huán)境關(guān)系的問題等。
所以,如何看待管理學(xué)叢林的融合問題,我們能否借鑒物理學(xué)理論中的兩大支柱理論(廣義相對(duì)論和量子理論)的融合假設(shè)與經(jīng)驗(yàn),換個(gè)方向向后看,從本質(zhì)與最原始的根源出發(fā),從環(huán)境這個(gè)最大、最本質(zhì)的要素出發(fā),把環(huán)境作為內(nèi)生變量研究企業(yè)問題,也許是解決管理學(xué)叢林問題的又一出路。
參考文獻(xiàn):
1.趙錫斌著.企業(yè)環(huán)境分析與調(diào)適―理論與方法.中國社會(huì)科學(xué)出版社,2007
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4.盧建新.超弦/M-理論及其應(yīng)用.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理50年,物理?37卷,2008
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