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【論文摘要】運(yùn)用量子物理學(xué)的“超因果聯(lián)系”、“能量場(chǎng)”和“全息場(chǎng)”等基本理論,探討了中醫(yī)藥學(xué)的科學(xué)性,對(duì)“中醫(yī)理論體系不是科學(xué),與現(xiàn)代科學(xué)思想、方法、理論、體系格格不入,應(yīng)該徹底地否定、拋棄”的言論進(jìn)行了駁斥。
1超因果聯(lián)系給中醫(yī)藥學(xué)的啟示
以往所理解的因果聯(lián)系都是很直觀的,因果直接對(duì)應(yīng),甚至一一對(duì)應(yīng)。但量子物理學(xué)[2]揭示出來(lái)的基本粒子間的相互聯(lián)系則可以是超系統(tǒng)超時(shí)空的。一個(gè)幾率波能夠與宇宙中的任何其他部分發(fā)生聯(lián)系,且不管它們之間相距多遠(yuǎn),作用之間都沒(méi)有時(shí)間間隔。這是一個(gè)令?lèi)?ài)因斯坦都無(wú)法接受的結(jié)論,約翰•貝爾卻在1964年給出了一個(gè)數(shù)學(xué)證明,并把它叫做“貝爾定理”。緊接著,法國(guó)物理學(xué)家又用實(shí)驗(yàn)證明了基本粒子確實(shí)受空間和時(shí)間中存在的不可見(jiàn)聯(lián)系的影響。這個(gè)結(jié)論使得已經(jīng)搖搖欲墜的牛頓-笛卡兒宇宙模型最終徹底崩塌。
基于貝爾定理-非局部的不可見(jiàn)的因果律,量子物理學(xué)給予第四個(gè)啟示:人所受的影響是無(wú)時(shí)無(wú)處不在的,疾病發(fā)生發(fā)展所涉及的因果聯(lián)系復(fù)雜到無(wú)法測(cè)定的程度,并且總有醫(yī)療以外的因素在起作用。學(xué)者不應(yīng)該去向建立在已經(jīng)徹底崩塌了的牛頓-笛卡兒宇宙模型上的“科學(xué)”俯首稱(chēng)臣[1],也沒(méi)有必要再用這種科學(xué)去解釋“陰陽(yáng)、表里、寒熱、虛實(shí)”,去分離中藥的有效成分。應(yīng)該承認(rèn)西醫(yī)通過(guò)現(xiàn)代檢測(cè)手段檢測(cè)到了某些病因,但同時(shí)應(yīng)該清醒地認(rèn)識(shí)到這些病因也和通過(guò)“望、聞、問(wèn)、切”所發(fā)現(xiàn)的病因一樣,遠(yuǎn)不是導(dǎo)致患者生病的全部原因。既不能過(guò)于迷信那些沒(méi)有思維的儀器,也不能在審癥求因的縝密思維過(guò)程中過(guò)于武斷和粗疏,因?yàn)橹嗅t(yī)畢竟是非常私人化的經(jīng)驗(yàn)醫(yī)學(xué),師承有別,流派各異,或溫?zé)幔蚝疀觥疾环ζ嫘е?,也都有失誤之診。如何參佐為用,這不僅與醫(yī)者能否將《內(nèi)經(jīng)》、《難經(jīng)》、《傷寒雜病論》、《醫(yī)宗金鑒》等中醫(yī)典籍爛熟于心有關(guān),還與醫(yī)者是否具有杰出的思維能力和豐富的臨床經(jīng)驗(yàn)密切相關(guān)?,F(xiàn)在,中醫(yī)已經(jīng)按照西醫(yī)的思維方式和醫(yī)療模式走了近一個(gè)世紀(jì)的“現(xiàn)代化”道路,傳統(tǒng)的一對(duì)一師承關(guān)系“化”成了班級(jí)授課制的中醫(yī)學(xué)院,傳授了知識(shí),丟掉了意會(huì),遺失了自己的傳統(tǒng)和精華,培養(yǎng)了一批會(huì)在西醫(yī)理論指導(dǎo)下運(yùn)用中藥的實(shí)際上已經(jīng)不能再被稱(chēng)作是中醫(yī)的中醫(yī)師。如果目前這種情況再持續(xù)十年,現(xiàn)有的能夠按照中醫(yī)思路看病的兩三萬(wàn)中醫(yī)大夫都退休,中國(guó)也就沒(méi)有中醫(yī),“療病之功,莫先于藥”的中藥也就變成了一堆沒(méi)有用處的垃圾。目前中國(guó)中醫(yī)的狀況是何等的危急。
2能量場(chǎng)給中醫(yī)藥學(xué)的啟示
從量子物理學(xué)中涌現(xiàn)出來(lái)的最激動(dòng)人心的概念就是能量場(chǎng)。在原子尺度上,場(chǎng)無(wú)處不在。這不是想象中的可視的實(shí)體,它們是基本粒子的相互作用。這正象磁鐵的磁場(chǎng)不可見(jiàn),但它能使鐵屑產(chǎn)生圖案一樣。基本粒子跳著永恒之舞[3],它們之間或吸引,或排斥,互相碰撞,并以光子的形式釋放或吸收能量,構(gòu)筑起一張統(tǒng)一的、連接著整個(gè)宇宙的原子關(guān)系網(wǎng)。如果說(shuō)經(jīng)典物理學(xué)的核心隱喻是一臺(tái)機(jī)械鐘的話,那么量子物理學(xué)的核心則是一張無(wú)所不在的原子關(guān)系網(wǎng)。
基于能量場(chǎng)的概念,量子物理學(xué)給了第五個(gè)啟示:應(yīng)該從“場(chǎng)”的角度來(lái)理解醫(yī)藥。醫(yī)藥的作用,對(duì)于患者來(lái)說(shuō),本身就是一種能量場(chǎng)的作用。在這個(gè)能量場(chǎng)中,對(duì)靶點(diǎn)的直接阻斷所起的作用往往是不持久的,因?yàn)樽钄嗷蛳麥?/p>
的只是一個(gè)靶點(diǎn),對(duì)于存在于整個(gè)能量場(chǎng)中的導(dǎo)致這個(gè)靶點(diǎn)出現(xiàn)的、現(xiàn)在還無(wú)法知道的種種因素,是無(wú)法將其一一阻斷或消滅的[4]。這些因素很有可能又會(huì)在其他地方構(gòu)成新的靶點(diǎn),這也就是西醫(yī)常說(shuō)的病灶轉(zhuǎn)移。
中醫(yī)雖然也沒(méi)有從能量場(chǎng)的高度來(lái)認(rèn)識(shí)人的生命過(guò)程,但它的經(jīng)絡(luò)學(xué)說(shuō)是不是與能量場(chǎng)理論有異曲同工之妙,是五千年的經(jīng)驗(yàn)使然?就目前的科學(xué)發(fā)展水平而言,別說(shuō)愛(ài)因斯坦的“統(tǒng)一場(chǎng)論”遠(yuǎn)未建立,丁肇中的“反物質(zhì)”還只是一種猜想,就連量子物理學(xué)的基礎(chǔ)理論都還處于完善和發(fā)展階段,現(xiàn)在就要對(duì)積五千年經(jīng)驗(yàn)于一體的中醫(yī)藥學(xué)說(shuō)進(jìn)行科學(xué)闡釋?zhuān)苍S是為時(shí)太早了?,F(xiàn)在不得而知,留待未來(lái)的科學(xué)去證明吧。當(dāng)然,也沒(méi)有必要輕信他人的毀謗而忍痛割?lèi)?ài)。中醫(yī)藥學(xué)千萬(wàn)不能重蹈舊行為主義心理學(xué)的覆轍,鬧出“因?yàn)樾Σ鸥吲d,因?yàn)榭薏艂摹边@樣的笑話來(lái)。
3全息場(chǎng)給中醫(yī)藥學(xué)的啟示
杰出的物理學(xué)家戴維•玻姆把場(chǎng)看作是宇宙之海中的漩渦,提出了用“全息場(chǎng)”來(lái)解釋量子事件的非局部關(guān)聯(lián)理論。他把不可見(jiàn)的隱藏的現(xiàn)實(shí)稱(chēng)作內(nèi)含或者“折疊”的秩序,而把外部實(shí)在稱(chēng)為引申或者“伸展”的秩序[5]。在他看來(lái),正是“感知透鏡”在不斷地變化,才有折疊秩序中不同的側(cè)面不斷地伸展開(kāi)來(lái)。
全息圖是用激光在一個(gè)全息盤(pán)上創(chuàng)建干涉圖式而產(chǎn)生的。光盤(pán)本身并沒(méi)有什么可分辨圖形,只是當(dāng)一束激光穿過(guò)它,就“好象在池塘中扔了一把小石子”時(shí)才出現(xiàn)的一串串同心圓圈罷了。全息盤(pán)有一個(gè)重要的屬性,就是不管這個(gè)盤(pán)子破成多少片,每一個(gè)碎片都包含著所有的完整信息,只是碎片越小,信息就越模糊而已。
基于全息場(chǎng)理論,量子物理學(xué)給予了第六個(gè)啟示:就象“盲人摸象”這個(gè)古老寓言所揭示的那樣,面對(duì)外部世界和人的內(nèi)在世界那“折疊”的內(nèi)含秩序,在根本上是“盲”的-無(wú)法知道大象的完全的實(shí)在,而只能有關(guān)于它們的直覺(jué)的有限的經(jīng)驗(yàn)。中醫(yī)的耳針療法,在過(guò)去看起來(lái),也許近似天方夜譚,現(xiàn)在從全息場(chǎng)理論的角度來(lái)看它,也許是一個(gè)極好的例證。因?yàn)槲麽t(yī)只承認(rèn)可以檢測(cè)到的“伸展”的秩序,而拒絕承認(rèn)現(xiàn)在還無(wú)法檢測(cè)到的“折疊”的秩序,所以,它往往比寧愿“舍癥從脈”的中醫(yī)更盲,也更不科學(xué)。
一言以蔽之曰,西醫(yī)是建立在經(jīng)典物理學(xué)基礎(chǔ)上的科學(xué),現(xiàn)在量子物理學(xué)已經(jīng)讓牛頓-笛卡兒宇宙模型徹底崩塌了,學(xué)者沒(méi)有理由再相信它是嚴(yán)格意義上的科學(xué);中醫(yī)藥學(xué)是在幾千年經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上通過(guò)格物致知而形成的理論體系,20世紀(jì)以前從未受過(guò)經(jīng)典物理學(xué)的影響,它很可能與量子物理學(xué)和未來(lái)科學(xué)有著更多的相通之處[6],中醫(yī)研究者應(yīng)該堅(jiān)定不移地自己走自己的路,力求中醫(yī)藥學(xué)的卓然自立,而完全沒(méi)有必要去顧及別人的多嘴多舌。
參考文獻(xiàn)
[1]F•卡普拉.物理學(xué)之“道”-近代物理學(xué)與東方神秘主義.北京出版社,1999.
[2]阿萊斯泰爾•雷.量子物理學(xué):幻象還是真實(shí).江蘇人民出版社,2000.
[3]戴維•林德利.命運(yùn)之神應(yīng)置何方.吉林人民出版社.
[4]羅杰•S•瓊斯.普通人的物理世界.江蘇人民出版社,1998.
關(guān)鍵詞:大學(xué)生;量子物理;物理學(xué)史
作者簡(jiǎn)介:丁艷麗(1979-),女,回族,遼寧遼陽(yáng)人,沈陽(yáng)化工大學(xué)數(shù)理系,講師;母繼榮(1964-),女,河北樂(lè)亭人,沈陽(yáng)化工大學(xué)數(shù)理系,副教授。(遼寧 沈陽(yáng) 110142)
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)35-0067-02
量子力學(xué)是反映微觀粒子(分子、原子、原子核、基本粒子等)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的理論。[1]它是20世紀(jì)初在大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)和舊量子論基礎(chǔ)上建立起來(lái)的,是人們認(rèn)識(shí)和理解微觀世界的基礎(chǔ)。量子物理和相對(duì)論的成就使得物理學(xué)從經(jīng)典物理學(xué)發(fā)展到現(xiàn)代物理學(xué),奠定了現(xiàn)代自然科學(xué)的主要基礎(chǔ)。量子力學(xué)的發(fā)現(xiàn)引發(fā)了一系列劃時(shí)代的科學(xué)發(fā)現(xiàn)與技術(shù)發(fā)明,對(duì)人類(lèi)社會(huì)的進(jìn)步作出了重要貢獻(xiàn)。通過(guò)量子物理的教學(xué),有利于培養(yǎng)大學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)、科學(xué)思維方法和科研能力,培養(yǎng)學(xué)生的探索精神、創(chuàng)新精神、科學(xué)思維能力以及辯證唯物主義的科學(xué)觀。另外,量子物理是處于發(fā)展中的理論,怎樣將量子論和廣義相對(duì)論(引力作用)統(tǒng)一起來(lái)仍是困擾人們的問(wèn)題?!跋依碚摗钡奶岢鍪谷藗兛吹搅讼M?,通過(guò)這部分的教學(xué)可以培養(yǎng)學(xué)生的橫、縱向思維和不斷追求科學(xué)真理的精神。因此,在大學(xué)物理的教學(xué)中應(yīng)適當(dāng)增加量子物理的教學(xué)內(nèi)容。由于量子物理里好多概念、思想和宏觀世界里的完全不同,叫人無(wú)法理解,以致量子論的奠基人之一玻爾(Niels Bohr)都要說(shuō):“如果誰(shuí)不為量子論而感到困惑,那他就是沒(méi)有理解量子論。”[2]那么怎樣讓學(xué)生在輕松愉快的狀態(tài)下學(xué)好量子物理呢?在教學(xué)過(guò)程中適當(dāng)引入物理學(xué)史有利于學(xué)生掌握其核心,既培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,又有利于實(shí)現(xiàn)啟發(fā)式教學(xué),而非純粹的概念和公式的教學(xué)。下面主要從幾個(gè)方面闡述物理學(xué)史在大學(xué)生學(xué)習(xí)中的重要作用。
一、非物理專(zhuān)業(yè)大學(xué)生學(xué)習(xí)量子物理的需要
即使是物理專(zhuān)業(yè)的學(xué)生,多數(shù)人在學(xué)習(xí)量子物理時(shí)一直如在云里霧里,雖然知道微觀粒子的波粒二象性,也知道不確定原理,了解原子的軌道理論,但是卻不知道為什么這樣。這一方面是由于量子物理里好多概念、思想和宏觀世界里的完全不同。另一方面,學(xué)生沒(méi)有掌握量子物理的核心,沒(méi)有從整體上把握量子物理的基石。一些教材對(duì)這部分的介紹也較少。如果在教學(xué)中能夠引入量子物理的發(fā)展史,不僅能吸引學(xué)生的注意力,調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,還有利于學(xué)生理解量子物理的概念和思想,使學(xué)生能夠身臨其境地感受到那場(chǎng)史詩(shī)般壯麗的革命,深刻體會(huì)量子論的偉大,有利于學(xué)生辯證唯物主義觀的形成。而非物理專(zhuān)業(yè)的學(xué)生與物理專(zhuān)業(yè)的學(xué)生相比,在學(xué)習(xí)量子物理時(shí)難度更大。這是由于物理專(zhuān)業(yè)的學(xué)生開(kāi)設(shè)了許多物理專(zhuān)業(yè)課,如原子分子物理、物理學(xué)史等課程,為量子物理的學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)。而非物理專(zhuān)業(yè)的學(xué)生沒(méi)有前期的知識(shí)鋪墊,對(duì)知識(shí)的掌握難度增大。如果能適當(dāng)加入量子發(fā)展史的介紹,不僅降低了學(xué)生學(xué)習(xí)難度,還激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,這就更突顯出物理學(xué)史在大學(xué)物理教學(xué)中的重要作用。
從整體上介紹量子物理的發(fā)展史可以使學(xué)生掌握量子物理的核心,從整體上把握量子物理的基石,即波恩的概率解釋、海森堡的不確定性原理和玻爾的互補(bǔ)原理。[2]這三大核心原理中,前兩者摧毀了經(jīng)典世界的因果性理論,互補(bǔ)原理和不確定原理又合力搗毀了世界的客觀性和客觀實(shí)在性理論。一些實(shí)驗(yàn)和理論斗爭(zhēng)的介紹不僅可以吸引學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,還可以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維方法。19世紀(jì)末20世紀(jì)初,好多物理學(xué)家認(rèn)為物理學(xué)大廈已經(jīng)基本建成,后輩的工作只是做些細(xì)枝末節(jié)的修補(bǔ)和完善。但當(dāng)時(shí)物理學(xué)天空漂浮著兩朵小烏云,一朵是“以太的絕對(duì)參考系”,另一朵是“黑體輻射的紫外線災(zāi)難”。前者導(dǎo)致了相對(duì)論的建立,后者導(dǎo)致了量子物理的建立。
對(duì)量子物理三大基石的掌握,即波恩的概率解釋、海森堡的不確定性和玻爾的“互補(bǔ)原理”是量子物理的三大支柱。大學(xué)所學(xué)的量子物理學(xué)是基于這三個(gè)支柱的。這就像數(shù)學(xué)中的公理一樣,對(duì)于大學(xué)生而言不能去討論為什么,只能是是什么。
二、大學(xué)生素質(zhì)教育的需要
大學(xué)物理的量子部分教學(xué)不同于物理專(zhuān)業(yè)學(xué)生的量子物理教學(xué)。大學(xué)物理教學(xué)的目的主要是增強(qiáng)學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力,培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的思維方法、辯證唯物主義觀等素質(zhì)教育,重在方法而非純理論教學(xué)。因此,大學(xué)物理的教學(xué)目的與任務(wù)是使學(xué)生對(duì)物理學(xué)的基本概念、基本理論和基本方法有比較系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)和正確的理解,為進(jìn)一步學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。更為重要的是,在大學(xué)物理課程的各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)中,都應(yīng)在傳授知識(shí)的同時(shí)注重培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題能力,注重培養(yǎng)學(xué)生科研探索精神和辯證唯物主義世界觀的形成。量子物理發(fā)展史的介紹和講解有助于培養(yǎng)學(xué)生這方面的能力。
1.辯證唯物主義世界觀的培養(yǎng)
在大學(xué)物理的教學(xué)過(guò)程中融入物理學(xué)史的內(nèi)容有利于培養(yǎng)學(xué)生的辯證唯物主義世界觀。如關(guān)于光的本性的爭(zhēng)論持續(xù)了300年,光的波動(dòng)理論和微粒理論艱苦卓絕地斗爭(zhēng)了300年。量子論就是在這種斗爭(zhēng)中逐漸建立起來(lái)的。托馬斯·楊的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)、菲涅爾的圓盤(pán)衍射等實(shí)驗(yàn)形象的描述可使學(xué)生體會(huì)到光的波動(dòng)性;而光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)、康普頓的X射線散射實(shí)驗(yàn)等實(shí)驗(yàn)的介紹可使學(xué)生深刻體會(huì)光的粒子性;德布羅意電子波及實(shí)物粒子波理論的介紹及戴維遜和革末關(guān)于電子的實(shí)驗(yàn),電子通過(guò)鎳塊時(shí)展現(xiàn)了X射線衍射圖案,證明了電子具有波動(dòng)性,由此人們認(rèn)識(shí)到了光及實(shí)物粒子的波粒二象性。這部分的教學(xué)可使學(xué)生領(lǐng)悟到看似毫不相干的量實(shí)際上存在著深刻的聯(lián)系,波動(dòng)性和粒子性原來(lái)是不可分割的一個(gè)整體。就像漫畫(huà)中教皇善與惡的兩面,雖然在每個(gè)確定的時(shí)刻只有一面能夠體現(xiàn)出來(lái),但它們確實(shí)集中在一個(gè)人的身上。從中學(xué)生們可以深刻體會(huì)到任何事物都存在兩面性,人們要辯證地看待問(wèn)題。這部分歷史的簡(jiǎn)單介紹還可以使學(xué)生深刻體會(huì)到人們對(duì)真理的認(rèn)識(shí)是隨著科技的發(fā)展而不斷完善的過(guò)程,也是一個(gè)艱苦長(zhǎng)期的斗爭(zhēng)過(guò)程。對(duì)光的波粒二象性的認(rèn)識(shí)有利于培養(yǎng)學(xué)生辯證唯物主義世界觀。
2.分析問(wèn)題和解決問(wèn)題能力的培養(yǎng)
在大學(xué)物理的教學(xué)過(guò)程中適當(dāng)引入一些實(shí)驗(yàn)的描述或利用多媒體等手段演示實(shí)驗(yàn)過(guò)程有利于培養(yǎng)學(xué)生的分析能力和解決能力。對(duì)康普頓實(shí)驗(yàn)的講解分析可以培養(yǎng)學(xué)生的分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力,尤其是康普頓的分析過(guò)程,而非純理論上的推導(dǎo)分析??灯疹D在研究X射線被自由電子散射的時(shí)候發(fā)現(xiàn)一個(gè)奇怪的現(xiàn)象:散射出來(lái)的X射線分成兩個(gè)部分,一部分和原來(lái)的入射射線波長(zhǎng)相同,而另一部分卻比原來(lái)的射線波長(zhǎng)要長(zhǎng),具體的大小和散射角存在著函數(shù)關(guān)系。如果運(yùn)用通常的波動(dòng)理論,散射應(yīng)該不會(huì)改變?nèi)肷涔獾牟ㄩL(zhǎng)才對(duì)。但是怎么解釋多出來(lái)的那一部分波長(zhǎng)變長(zhǎng)的射線呢?康普頓苦苦思索,試圖從經(jīng)典理論中尋找答案,卻撞得頭破血流。終于有一天,他作了一個(gè)破釜沉舟的決定,引入光量子的假設(shè),把X射線看作能量為hν的光子束的集合。這個(gè)假定馬上讓他看到了曙光,眼前豁然開(kāi)朗:那一部分波長(zhǎng)變長(zhǎng)的射線是因?yàn)楣庾雍碗娮优鲎菜鸬?。光子像普通的小球那樣,不僅帶有能量,還具有動(dòng)量。當(dāng)它和電子相撞,便將自己的能量交換一部分給電子。這樣一來(lái),光子的能量下降,根據(jù)公式E=hν,E下降導(dǎo)致ν下降,頻率變小,便是波長(zhǎng)變大。這樣,X射線被自由電子散射的問(wèn)題得到完美的解決。然后再進(jìn)行理論推導(dǎo),根據(jù)動(dòng)量和能量守恒解決該問(wèn)題,這樣不僅使學(xué)生印象深刻,還鍛煉了物理思維能力。
3.求實(shí)精神的培養(yǎng)
通過(guò)大學(xué)物理量子史部分的教學(xué),介紹科學(xué)家嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、勇于追求真理的精神,培養(yǎng)學(xué)生追求真理的勇氣、嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度和刻苦鉆研的作風(fēng)。
4.科學(xué)觀察和思維能力的培養(yǎng)
在教學(xué)的過(guò)程中適當(dāng)融入量子發(fā)展史的內(nèi)容有利于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)觀察和思維能力。如玻爾的互補(bǔ)原理的提出過(guò)程。當(dāng)海森堡完成“不確定原理”后向玻爾請(qǐng)教,兩人就“不確定原理”是從粒子性而來(lái)還是波動(dòng)性而來(lái)展開(kāi)了論戰(zhàn),從而提出了互補(bǔ)原理:波和粒子在同一時(shí)刻是互斥的,但它們卻在一個(gè)更高的層次上統(tǒng)一在一起,作為電子的兩面性被納入一個(gè)整體概念中。這就是玻爾的“互補(bǔ)原理”。它連同波恩的概率解釋、海森堡的不確定性共同構(gòu)成了量子論“哥本哈根解釋”的核心,至今仍然深刻地影響人們對(duì)于整個(gè)宇宙的終極認(rèn)識(shí)。講解過(guò)程中應(yīng)形象生動(dòng)地描述海森堡和玻爾的討論過(guò)程及他的思維過(guò)程,使學(xué)生有種身臨其境的感覺(jué),從而培養(yǎng)科學(xué)觀察和思維的能力。在教學(xué)過(guò)程中適當(dāng)介紹思維實(shí)驗(yàn)有利于培養(yǎng)學(xué)生的思維能力及科學(xué)分析能力。如海森堡不確定性原理的提出過(guò)程就借助了思維實(shí)驗(yàn)及1935年愛(ài)因斯坦提出EPR思維實(shí)驗(yàn)等。[3]
5.創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)
通過(guò)學(xué)學(xué)物理學(xué)的研究方法、量子物理的發(fā)展史以及物理學(xué)家的成長(zhǎng)經(jīng)歷等,引導(dǎo)學(xué)生樹(shù)立科學(xué)的世界觀,激發(fā)學(xué)生的求知熱情、探索精神、創(chuàng)新欲望以及敢于向舊觀念挑戰(zhàn)的精神。如普朗克能量子假設(shè)的提出體現(xiàn)了敢于向舊觀念、權(quán)威學(xué)家挑戰(zhàn)的精神。而創(chuàng)新意識(shí)對(duì)一個(gè)學(xué)生來(lái)說(shuō)是非常重要的,對(duì)社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展也起著重要作用的。
6.科學(xué)美感的培養(yǎng)
以麥克斯韋方程組為例,描述麥?zhǔn)戏匠趟憩F(xiàn)出的深刻、對(duì)稱(chēng)、優(yōu)美,使得每一個(gè)科學(xué)家都陶醉在其中,玻爾茲曼情不自禁地引用歌德的詩(shī)句“難道是上帝寫(xiě)的這些嗎?”描述麥克斯韋方程組的美。[2]一直到今天,麥?zhǔn)戏匠探M仍然被公認(rèn)為科學(xué)美的典范。許多偉大的科學(xué)家都為它的魅力折服,并受它深深的影響,有著對(duì)于科學(xué)美的堅(jiān)定信仰,甚至認(rèn)為:對(duì)于一個(gè)科學(xué)理論來(lái)說(shuō),簡(jiǎn)潔優(yōu)美要比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確來(lái)得更為重要。依此引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)物理學(xué)所具有的明快簡(jiǎn)潔、均衡對(duì)稱(chēng)、奇異相對(duì)、和諧統(tǒng)一等美學(xué)特征,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)審美觀,使學(xué)生學(xué)會(huì)用美學(xué)的觀點(diǎn)欣賞和發(fā)掘科學(xué)的內(nèi)在規(guī)律,逐步增強(qiáng)認(rèn)識(shí)和掌握自然科學(xué)規(guī)律的能力。
7.科學(xué)探索精神的培養(yǎng)
物理學(xué)在追求著大統(tǒng)一。許多科學(xué)家獻(xiàn)身于這項(xiàng)偉大的事業(yè),比如弦理論的提出。講述其發(fā)展過(guò)程可激發(fā)學(xué)生的科學(xué)探索精神。
三、科學(xué)發(fā)展的需要
科學(xué)發(fā)展到今天,是建立在前人取得成就的基礎(chǔ)上的。牛頓都說(shuō):“我站在了巨人的肩上?!币允窞殍b,才能少走彎路。物理學(xué)發(fā)展到今天只剩下了最后一個(gè)分歧,但也很可能是最難以調(diào)和和統(tǒng)一的分歧,即量子物理和引力理論。只有了解和掌握了前輩所創(chuàng)造的財(cái)富,才能找到解決物理大統(tǒng)一的有效道路,才能實(shí)現(xiàn)物理學(xué)的夢(mèng)想。這需要幾代人的共同努力,可能需要幾十年甚至幾百年才有可能實(shí)現(xiàn)。很多人正在為之不斷努力,這也是人們不斷追求的科學(xué)理想。
大學(xué)生量子物理的學(xué)習(xí)需要適當(dāng)引入物理學(xué)史,這既有利于學(xué)生學(xué)好大學(xué)物理,培養(yǎng)學(xué)生的辯證唯物主義世界觀、分析問(wèn)題和解決解決問(wèn)題的能力、求實(shí)精神、科學(xué)觀察和思維的能力、創(chuàng)新意識(shí)及科學(xué)探索精神,又有助于啟發(fā)式教學(xué)。
參考文獻(xiàn):
[1]周世勛.量子力學(xué)教程[M].第1版.北京:高等教育出版社,2002.
[2]曹天元.上帝擲骰子么:量子物理史話[M].沈陽(yáng):遼寧教育出版社,
一、量子理論的建設(shè)性觀點(diǎn)
19世紀(jì)關(guān)于黑體輻射的討論,在應(yīng)用Kirchhoff熱輻射定律的推導(dǎo)中得出假象絕對(duì)黑體的能譜密度函數(shù)卻與實(shí)驗(yàn)曲線有比較大的出入。其中,Rayleigh-Jeans的推導(dǎo)公式在高頻區(qū)(γ∞)的無(wú)窮趨向與曲線極度不符合,稱(chēng)為“紫外災(zāi)難”。
在推導(dǎo)的過(guò)程中,在將黑體輻射場(chǎng)等效為電磁駐波振子(電磁橫波,每一種頻率的電磁波又對(duì)應(yīng)不同的偏振方向,等效為一個(gè)簡(jiǎn)諧振子組成的多自由度力學(xué)體系)后,Plank和Rayleigh-Jeans處理的不同就在于能量連續(xù)性的假設(shè)上。由統(tǒng)計(jì)力學(xué)我們知道:
假設(shè)黑體箱長(zhǎng)為L(zhǎng)則應(yīng)用邊界條件:
e|=e|
可以推得單位體積在頻率附近單位頻率間隔電磁駐波振子數(shù)目為:
dγ
在能量的假設(shè)上,Rayleigh-Jeans采用經(jīng)典Maxwell-Boltzmann分布,認(rèn)為每一個(gè)駐波振子能量連續(xù),并由能量均分定理得到=kT,所以:
能譜密度ρ(γ)=kT這就是在低頻區(qū)比較滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)規(guī)律的Rayleigh-Jeans公式。
對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),Plank在解釋插值法求出的公式時(shí),創(chuàng)造性地應(yīng)用了能量單元的假設(shè):
?綴=n?綴
同樣由Maxwell-Boltzmann分布律可知:
==
同以上處理,ρ(γ)=?
為滿(mǎn)足能譜密度通式ρ(γ)~γ,取εhγ后,便是滿(mǎn)足黑體輻射曲線的Plank標(biāo)準(zhǔn)式。
問(wèn)題解決的關(guān)鍵是對(duì)Plank常量h的討論和引入,在h0的極限場(chǎng)合,便是實(shí)現(xiàn)了能量間斷到連續(xù)的變化,從而為我們抽象出一種比經(jīng)典理論更為普遍的量子理論。
二、創(chuàng)設(shè)性思想在高校物理教育中的啟迪與思考
傳統(tǒng)的高校物理教育特別是理論物理教育課程一般都是由力、熱、光、電、原子物理等普通課程和電動(dòng)力學(xué)、量子力學(xué)、理論力學(xué)、統(tǒng)計(jì)力學(xué)等四門(mén)高等物理組成,針對(duì)師范生教育工作,要理解適應(yīng)“讓師范生姓師”的社會(huì)需要,這就要求師范生的本科物理學(xué)習(xí)必須著眼于全局,從物理歷史發(fā)展的脈絡(luò)去把握整個(gè)課程結(jié)構(gòu),融會(huì)貫通,精益求精。
譬如,在普通物理的教育中要適當(dāng)聯(lián)系理論物理中的前沿理論和觀點(diǎn),為學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)埋下伏筆;在理論物理的教學(xué)中,課堂不應(yīng)當(dāng)沉浸在漫天迷亂的公式推導(dǎo)中,要闡述每書(shū)寫(xiě)一行算式的內(nèi)涵和思想,不能將物理的課堂演變成數(shù)學(xué)雜技的show場(chǎng),思路斷線往往是大部分學(xué)生迷惘、無(wú)法深入理解物理學(xué)科的第一絆腳石;與此同時(shí),理論物理學(xué)科之間的聯(lián)系也是很綿密的,正所謂“沒(méi)有孤立的理論去闡述一個(gè)絕對(duì)封閉的對(duì)象”,物理的發(fā)展和創(chuàng)設(shè)性觀點(diǎn)的提出在學(xué)科之間都是互通互融的,“一通百通”才能將物理科學(xué)學(xué)習(xí)的深入、透徹。中國(guó)古典文學(xué)《論語(yǔ)》也講述:“道不遠(yuǎn)人?!彼械囊?guī)律、真理都是樸素溫和的,仔細(xì)揣度,讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)物理豁然開(kāi)朗的淡然淳樸。
誠(chéng)然,物理的學(xué)習(xí)也是需要知識(shí)串聯(lián)的?!痘A(chǔ)教育課程改革綱要》也提出:教學(xué)相長(zhǎng),教育應(yīng)當(dāng)互動(dòng),注重內(nèi)容滲透,避免被動(dòng)模仿的學(xué)習(xí),培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立謹(jǐn)慎的思維習(xí)慣?!皩W(xué)然知不足,教然知困”,課堂沒(méi)有完美的結(jié)場(chǎng),完美的課堂教育依然是show場(chǎng)。在學(xué)習(xí)過(guò)程中教師要時(shí)刻提醒學(xué)生注重課外相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí),從而立體地豐富自己的思維和認(rèn)知水平。
類(lèi)比于以上量子力學(xué)創(chuàng)立的思想假設(shè),我們?cè)诮逃龑W(xué)習(xí)中是否也應(yīng)該關(guān)注這樣一條流程:由史入手―說(shuō)明目的―實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)―觀點(diǎn)假設(shè)―理論探究―實(shí)驗(yàn)佐證,讓同學(xué)們明確物理究竟要解決什么問(wèn)題,要闡述的是什么結(jié)論和觀點(diǎn),要啟迪我們的是什么見(jiàn)聞。以上的教學(xué)互動(dòng)流程不也正是當(dāng)下人類(lèi)科學(xué)研究的步驟和方法嗎?大學(xué)物理這種教學(xué)思想為我們進(jìn)一步培養(yǎng)科研人員和理論工作者奠定基礎(chǔ)。
由史入手,把握問(wèn)題的癥結(jié)和新的解決思路。未來(lái)的教學(xué)中,我們要細(xì)細(xì)品味電動(dòng)力學(xué)中渦旋電場(chǎng)和位移電流的概念;電磁學(xué)中安培針對(duì)分子電流的假說(shuō)又是如何驗(yàn)證的;Landau關(guān)于作用原理的思考又是怎么拓展成分析力學(xué)的;一系列實(shí)驗(yàn)磁場(chǎng)的不同,又是如何把Zeeman pachen-back反常Zeeman等效應(yīng)串聯(lián)起來(lái)的。我認(rèn)為,能夠?qū)Ⅲw系淋漓盡致貫穿講述的高校必然是探究發(fā)現(xiàn)的著名學(xué)府,能夠把知識(shí)醞釀成智慧的學(xué)生必將有所造詣。
參考文獻(xiàn):
[1]曾謹(jǐn)言.量子力學(xué)(卷一).
一、充分開(kāi)發(fā)和利用學(xué)校內(nèi)的課程資源
學(xué)校既是學(xué)生學(xué)習(xí)與生活的主要場(chǎng)所,也是教師進(jìn)行教學(xué)與生活的重要場(chǎng)所,這里的一切資源都是師生非常熟悉的,教師在教學(xué)過(guò)程中,如果能夠充分利用好校內(nèi)資源,信手拈來(lái),既能使課堂氣氛妙趣橫生,又可聯(lián)系生活實(shí)際,所以校內(nèi)資源的開(kāi)發(fā)和利用是最實(shí)用的。
1.充分開(kāi)發(fā)和利用學(xué)校各種教學(xué)設(shè)備和圖書(shū)
學(xué)校的硬件設(shè)施,不同的學(xué)校水平差異很大,特別是農(nóng)村中學(xué)購(gòu)、添置教學(xué)設(shè)備、圖書(shū)存在相當(dāng)大的困難,從而導(dǎo)致農(nóng)村中學(xué)的老師對(duì)這些教學(xué)設(shè)備和圖書(shū)的利用觀念淡薄,沒(méi)有真正讓這些可利用資源發(fā)揮作用。比如經(jīng)常使用顯微鏡、解剖鏡、解剖器具等常用儀器設(shè)備,滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)的需要。因地制宜,積極發(fā)揮現(xiàn)有設(shè)備的作用,提高生物教學(xué)質(zhì)量。還有我?,F(xiàn)在也配備電子備課室,購(gòu)置人教版的生物掛圖、幻燈片、標(biāo)本、生物類(lèi)書(shū)刊雜志等。這些對(duì)于一所農(nóng)村中學(xué)來(lái)說(shuō)是難能可貴的,在課堂教學(xué)上我們不失時(shí)機(jī)地把這些整合上去,學(xué)生有了新奇感,而直觀學(xué)習(xí)更有興趣,理解知識(shí)就更快了,掌握就更牢固。
2.充分開(kāi)發(fā)和利用校園環(huán)境資源
校園環(huán)境是學(xué)生學(xué)習(xí)生物的重要場(chǎng)所,對(duì)校園環(huán)境的利用可以很直接和方便地與教學(xué)結(jié)合起來(lái)。我校是一所農(nóng)村中學(xué),但是我校的校園綠化規(guī)劃設(shè)計(jì)很好,校園里到處都是花花草草,可以說(shuō)是一所花園式的校園。學(xué)生每天走在美麗的校園里這對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)保意識(shí)很重要,是我們上生物課最好的課程資源。課外我也經(jīng)常組織他們?nèi)ビ^看菜園,讓他們觀察植物的各種形態(tài)結(jié)構(gòu),比如觀察葉脈來(lái)區(qū)分單雙子葉植物,觀察植物的各種器官等等,從而更好的理解植物的生長(zhǎng)和發(fā)育過(guò)程。通過(guò)開(kāi)發(fā)和利用校園環(huán)境這些資源,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)生物的興趣,從而提高生物教學(xué)質(zhì)量。
3.充分開(kāi)發(fā)和利用課堂資源
課堂是學(xué)生學(xué)習(xí)、探究的主渠道。在這里會(huì)產(chǎn)生很多問(wèn)題包括出現(xiàn)偏離標(biāo)準(zhǔn)的“錯(cuò)誤”,這就是很好的課程資源。比如在學(xué)習(xí)顯微鏡的使用過(guò)程中,學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中遇到很多問(wèn)題:目鏡內(nèi)一片漆黑、看不到物像……并及時(shí)提出來(lái)。
二、積極開(kāi)發(fā)和利用學(xué)生身上和學(xué)生家庭中的課程資源
教育家蘇霍姆林斯基曾反復(fù)強(qiáng)調(diào):學(xué)生是教育最重要的力量,如果失去了這個(gè)力量,教育也就失去了根本。因此,學(xué)生不僅是教育的對(duì)象,更是教育的重要課程資源。學(xué)生資源的開(kāi)發(fā)與利用,在生物教學(xué)中起著舉足輕重的作用。
1.開(kāi)發(fā)和利用學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)資源
學(xué)生有豐富的生活經(jīng)驗(yàn),學(xué)生的經(jīng)驗(yàn)是一種課程資源。學(xué)生的經(jīng)驗(yàn)實(shí)際上就是學(xué)生已有的知識(shí)水平、認(rèn)知結(jié)構(gòu)、社會(huì)閱歷和生產(chǎn)實(shí)踐等,是自己知識(shí)生長(zhǎng)的基礎(chǔ)。農(nóng)村中學(xué)的學(xué)生由于生活條件的限制,大多數(shù)很早就能幫助父母做家務(wù),甚至參與田間勞作,開(kāi)始春耕秋收;同時(shí)由于自然條件的優(yōu)越,他們可以在大自然的懷抱自由的嬉戲,下河洗澡、抓魚(yú),上樹(shù)捉蟬、逮鳥(niǎo),在田野里追趕野兔等,所有這些都給他們提供了城市學(xué)生無(wú)法體驗(yàn)的豐富的生活經(jīng)驗(yàn),這就是我們農(nóng)村生物教學(xué)的起點(diǎn)。新知識(shí)的獲取可以以學(xué)生已有的經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ),生物學(xué)的教學(xué)更貼近學(xué)生,貼近生活。
2.開(kāi)發(fā)和利用學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣資源
生活中許多問(wèn)題和現(xiàn)象發(fā)生在學(xué)生身邊,學(xué)生迫切解決這些問(wèn)題的欲望就會(huì)轉(zhuǎn)化為課堂學(xué)習(xí)和探究活動(dòng)的興趣。教師在教學(xué)過(guò)程中可根據(jù)課堂的實(shí)際情況適時(shí)地以適當(dāng)?shù)姆绞教岢鲞m當(dāng)?shù)膯?wèn)題創(chuàng)設(shè)良好的情景,充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,使其探知欲望形成強(qiáng)烈的期待,從而達(dá)到事半功倍的效果。如講到蒸騰作用時(shí)我提出這樣的問(wèn)題“人們常說(shuō)水往低處流,可在植物體中水為什么可以往高處流呢”?通過(guò)提問(wèn)創(chuàng)設(shè)情景激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣來(lái)提高生物教學(xué),所以說(shuō)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣也是一種生物課程資源我們要充分開(kāi)發(fā)和利用。
3.開(kāi)發(fā)和利用學(xué)生的個(gè)體差異等資源
學(xué)生的個(gè)體差異也是一種課程資源。學(xué)生之間會(huì)因?yàn)椴町惗纬蓻_突,教室如果引導(dǎo)得好,學(xué)生可以共享差異,在差異中豐富和拓展自己。其次像是在學(xué)生身上表現(xiàn)出來(lái)的學(xué)習(xí)方式或?qū)W習(xí)技巧也是重要的課程資源。以學(xué)生為對(duì)象所開(kāi)發(fā)出來(lái)的課程資源其中一個(gè)最大的優(yōu)勢(shì)就是體現(xiàn)學(xué)生的實(shí)際,有利于知識(shí)的吸收,從而能提高生物教學(xué)質(zhì)量。
4.開(kāi)發(fā)和利用學(xué)生家庭中的課程資源
學(xué)生家庭中往往也有不少與生物課有關(guān)的課程資源可以利用。比如有些學(xué)生家庭中往往有生物學(xué)方面的書(shū)刊,可提供學(xué)生做探究試驗(yàn)使用的材料用具等。再如:學(xué)生家里買(mǎi)條魚(yú)、買(mǎi)只雞買(mǎi)只鴨吃的時(shí)候,我們也可以好好的去研究它們的各個(gè)系統(tǒng)和身體的各個(gè)結(jié)構(gòu)。另外,在農(nóng)村學(xué)校、學(xué)生家里有田地、果園、家畜等更是普遍現(xiàn)象,家長(zhǎng)平時(shí)也會(huì)談及作物的栽培、家畜家禽的飼養(yǎng)、病蟲(chóng)害的防治等事宜,學(xué)生耳濡目染,會(huì)積累不少感性知識(shí)。生物教師可以給學(xué)生布置一些n外作業(yè)讓他們?cè)诩抑芯毩?xí)栽培一些植物或飼養(yǎng)一些小動(dòng)物,進(jìn)行觀察和記錄他們的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程。并在教室里進(jìn)行交流最后教室給予評(píng)價(jià)。通過(guò)這樣的一些課外活動(dòng)來(lái)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣,從而提高教學(xué)質(zhì)量。
三、充分開(kāi)發(fā)和利用教師課程資源
教師是課程實(shí)施的組織者和實(shí)施者,也是課程開(kāi)發(fā)的研究者,因此,教師本身就是最為重要的課程資源,教師的素質(zhì)決定著課程資源開(kāi)發(fā)與利用的程度。教師身上所具有的專(zhuān)業(yè)知識(shí),專(zhuān)業(yè)能力,教學(xué)技巧等都是可以開(kāi)發(fā)和利用的課程資源,我們?cè)谶M(jìn)行課程資源開(kāi)發(fā)工作的時(shí)候一定要努力把教師身上的這些資源加以開(kāi)發(fā)和利用,以便更好地發(fā)揮教師的主觀能動(dòng)性。首先教師要熟悉教材,也就是課本。課本是我們學(xué)習(xí)生物課程的最重要的課程資源。其次,教師要大膽地改進(jìn)教材。生物教材中的知識(shí)往往都是一些經(jīng)典的內(nèi)容,這些都是生物學(xué)科最為基礎(chǔ)的部分,掌握這些內(nèi)容對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。最后,教師還要善于指導(dǎo)學(xué)生自制模型標(biāo)本和小報(bào)等。新課程改革下的生物教材有相當(dāng)多的活動(dòng),教師可以利用這些活動(dòng),指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行設(shè)計(jì)、制作模型和標(biāo)本等。
四、善于開(kāi)發(fā)和利用社區(qū)的課程資源
社區(qū)中有著較為豐富的與生物課有關(guān)的課程資源:社區(qū)圖書(shū)館、動(dòng)物園、植物園、良種站、養(yǎng)殖場(chǎng)、防疫站、醫(yī)院、園林綠化部門(mén)、公園等。我校是農(nóng)村學(xué)校,鄉(xiāng)鎮(zhèn)中學(xué)教學(xué)儀器不如城市中學(xué),這是不爭(zhēng)的事實(shí)。但農(nóng)村學(xué)生接觸的生物自然資源十分廣泛,這又是城市所不及之處。比如開(kāi)發(fā)和利用農(nóng)村社區(qū)中池塘,河流、農(nóng)田、菜園、圈舍,養(yǎng)殖廠,農(nóng)村的風(fēng)俗文化等自然課程資源。
五、廣泛的開(kāi)發(fā)和利用網(wǎng)絡(luò)課程資源
【關(guān)鍵詞】高中生;提高;物理學(xué)習(xí)質(zhì)量;路徑
1.影響高中生物理學(xué)習(xí)的因素
1.1學(xué)生自身因素
首先,學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)直接影響著我們的物理學(xué)習(xí),一般來(lái)說(shuō),我們身邊學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)強(qiáng)的同學(xué),物理學(xué)習(xí)積極性都比較高,物理成績(jī)也比較好,而缺乏學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)的同學(xué),物理學(xué)習(xí)積極性不高,學(xué)習(xí)成績(jī)相對(duì)來(lái)說(shuō)不夠理想。這是因?yàn)椋瑥?qiáng)烈的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)支配著我們?nèi)シe極克服學(xué)習(xí)上的困難,獲得內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力,進(jìn)而為了達(dá)到學(xué)習(xí)目的而堅(jiān)持努力。
其次,學(xué)習(xí)興趣會(huì)影響我們的物理學(xué)習(xí)。一些物理學(xué)習(xí)興趣濃厚的學(xué)生對(duì)物理知識(shí)和物理現(xiàn)象有著強(qiáng)烈的好奇心,并在物理學(xué)習(xí)的過(guò)程中獲得成就感,他們的物理成績(jī)就會(huì)越來(lái)越好。而對(duì)物理缺乏興趣的學(xué)生在物理學(xué)習(xí)過(guò)程中則會(huì)產(chǎn)生厭學(xué)、走思等現(xiàn)象,跟不上老師的思路,長(zhǎng)此以往,他們會(huì)越來(lái)越跟不上老師的節(jié)奏,就會(huì)感覺(jué)物理知識(shí)太難,物理成績(jī)也就越來(lái)越差。
再次,學(xué)生的學(xué)習(xí)意志會(huì)直接影響學(xué)生的物理學(xué)習(xí)。高中生的學(xué)習(xí)任務(wù)繁重,而物理學(xué)科的難度與初中相比要大很多,學(xué)生又要將學(xué)習(xí)時(shí)間分配在其他學(xué)科上,所以用于學(xué)習(xí)物理的時(shí)間十分有限。包括學(xué)生要在有限的時(shí)間內(nèi)復(fù)習(xí)教師課堂所講的知識(shí)、完成物理作業(yè)、預(yù)習(xí)新知識(shí)、做大量的物理習(xí)題等。再者,物理知識(shí)十分抽象,學(xué)生經(jīng)常遇到一些不會(huì)的難題,有部分學(xué)生會(huì)因?yàn)閷W(xué)習(xí)難度太大而放棄物理學(xué)習(xí),導(dǎo)致物理學(xué)習(xí)效率不高。
最后,學(xué)習(xí)態(tài)度也會(huì)影響我們的物理學(xué)習(xí)。物理學(xué)科是高中階段的基礎(chǔ)學(xué)科,也是高考的考試學(xué)科之一,因此,物理學(xué)習(xí)對(duì)于我們來(lái)說(shuō)十分重要。大多數(shù)學(xué)生都能認(rèn)識(shí)到物理學(xué)習(xí)的重要性,積極對(duì)待物理學(xué)習(xí),探索物理學(xué)習(xí)的方法。但是,部分學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度不夠端正,沒(méi)有充分重視高考對(duì)個(gè)人發(fā)展的重要性,缺乏對(duì)物理學(xué)習(xí)的重視,他們的學(xué)習(xí)只是為了應(yīng)付老師和家長(zhǎng),因而學(xué)習(xí)效率不高。
1.2外部因素
首先,學(xué)科因素。因?yàn)槲锢憩F(xiàn)象的認(rèn)識(shí)比較困難,所以我們需要全面掌握物理概念,只有了解物理規(guī)律才能夠正確認(rèn)識(shí)物理概念。并且,物理知識(shí)與規(guī)律之間具有很強(qiáng)的相關(guān)性,很多物理現(xiàn)象之間都是相互聯(lián)系的,我們只有理清物理知識(shí)之間的聯(lián)系才能夠掌握物理規(guī)律。在這種情況下,當(dāng)我們學(xué)習(xí)某種物理現(xiàn)象時(shí)會(huì)涉及到其他相關(guān)的物理知識(shí),致使我們學(xué)習(xí)任務(wù)繁重。
其次,學(xué)校教育因素。學(xué)校教育因素也會(huì)影響高中生的物理學(xué)習(xí),很多學(xué)校為提高高中生的物理成績(jī),加強(qiáng)重視物理教學(xué),鼓勵(lì)教師采用題海戰(zhàn)術(shù),增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān),導(dǎo)致學(xué)生疲于應(yīng)對(duì)物理習(xí)題。另外,物理教師的教學(xué)態(tài)度和教學(xué)質(zhì)量也會(huì)影響學(xué)生的物理學(xué)習(xí)。在物理學(xué)習(xí)的過(guò)程中,有些同學(xué)因?yàn)椴幌矚g物理老師的講課方式和教學(xué)態(tài)度而厭惡物理學(xué)習(xí)。還有部分學(xué)生因?yàn)楦簧衔锢斫處煹闹v課速度,被越甩越遠(yuǎn),因而物理學(xué)習(xí)質(zhì)量也不高。
2.高中生提高自身物理學(xué)習(xí)質(zhì)量的路徑
2.1端正學(xué)習(xí)態(tài)度
高中生應(yīng)積極端正學(xué)習(xí)態(tài)度,正視物理學(xué)習(xí)的重要性,以積極的心態(tài)去對(duì)待物理學(xué)習(xí)。為此,學(xué)生應(yīng)充分了解物理學(xué)科在高考中的地位,明確物理學(xué)習(xí)的目的,激發(fā)物理學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。并且,學(xué)生應(yīng)及時(shí)調(diào)整心態(tài),積極適應(yīng)物理教師的教學(xué)方法,加強(qiáng)與物理教師的溝通,遇到物理學(xué)習(xí)問(wèn)題應(yīng)及時(shí)向物理教師和同學(xué)求助,避免與物理教師產(chǎn)生矛盾,充分尊重教師,在和諧的師生關(guān)系下開(kāi)展物理學(xué)習(xí)。另外,高中生應(yīng)正確對(duì)待物理成績(jī),不能因?yàn)橐淮慰荚嚦煽?jī)進(jìn)步而忘乎所以,也不能因?yàn)橐淮慰荚嚦煽?jī)不理想而一蹶不振。高中生應(yīng)將物理考試作為檢驗(yàn)自身物理學(xué)習(xí)的試金石,積極分析物理考試結(jié)果的原因,找出自己在上一階段物理學(xué)習(xí)過(guò)程中的進(jìn)步和不足之處,不斷改進(jìn)物理學(xué)習(xí)方法。
2.2培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣
高中生應(yīng)積極培養(yǎng)物理學(xué)習(xí)的興趣,重視物理學(xué)習(xí)對(duì)自身能力提高和素質(zhì)培養(yǎng)的重要性。首先,高中生積極觀察生活,養(yǎng)成觀察生活的習(xí)慣,善于發(fā)現(xiàn)并思考生活中的物理現(xiàn)象。并且,高中生應(yīng)將生活中的物理現(xiàn)象與所學(xué)的物理知識(shí)相聯(lián)系,提高物理知識(shí)應(yīng)用能力,在觀察生活的基礎(chǔ)上,培養(yǎng)物理學(xué)習(xí)興趣;其次,高中生應(yīng)積極了解物理發(fā)展歷史、著名物理學(xué)家、物理學(xué)科新動(dòng)態(tài)等內(nèi)容,從物理學(xué)科的宏觀內(nèi)容發(fā)展入手,提高物理求知欲,培養(yǎng)物理學(xué)習(xí)興趣。
2.3鍛煉學(xué)習(xí)意志
高中生應(yīng)加強(qiáng)鍛煉學(xué)習(xí)意志,堅(jiān)持學(xué)習(xí)物理知識(shí)。首先,高中生應(yīng)正確對(duì)待外界誘惑,自覺(jué)抵制不良誘惑,將精力集中到學(xué)習(xí)上,增強(qiáng)學(xué)習(xí)意志;其次,高中生應(yīng)以樂(lè)觀向上的態(tài)度去對(duì)待物理學(xué)習(xí)上的困難,合理規(guī)劃物理學(xué)習(xí)時(shí)間,遇到困難時(shí)應(yīng)積極向?qū)W生和老師求助,增強(qiáng)物理學(xué)習(xí)成就感,不斷提高物理學(xué)習(xí)自信心;最后,高中生應(yīng)充分發(fā)揮自主能動(dòng)性,針對(duì)自己的物理短板知識(shí)進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)復(fù)習(xí)。為此,高中生可以運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)上的物理資料和物理課程進(jìn)行復(fù)習(xí),自主解決物理學(xué)習(xí)困難,加強(qiáng)鍛煉學(xué)習(xí)意志。
2.4運(yùn)用科學(xué)的學(xué)習(xí)方法
首先,高中生應(yīng)積極開(kāi)展課前預(yù)習(xí),在物理課堂開(kāi)始的前一天對(duì)要學(xué)的物理知識(shí)進(jìn)行預(yù)習(xí),從整體上了解物理新知識(shí),找出物理學(xué)習(xí)的重點(diǎn)和難點(diǎn),做到有目的地聽(tīng)課和學(xué)習(xí);其次,高中生在物理課堂結(jié)束之后要及時(shí)復(fù)習(xí)所學(xué)的物理知識(shí),采用習(xí)題練習(xí)的方式,加強(qiáng)對(duì)所學(xué)知識(shí)的運(yùn)用,實(shí)現(xiàn)知識(shí)的鞏固;最后,高中生應(yīng)學(xué)會(huì)作物理筆記,將課堂上老師講的重點(diǎn)內(nèi)容和難點(diǎn)內(nèi)容記下來(lái),便于課后復(fù)習(xí)。并且,在學(xué)完一個(gè)章節(jié)之后,高中生應(yīng)對(duì)章節(jié)知識(shí)進(jìn)行系統(tǒng)的整理,構(gòu)建起完善的知識(shí)系統(tǒng)。另外,高中生應(yīng)正確使用錯(cuò)題本,將自己容易錯(cuò)的題目整理下來(lái),并按照知識(shí)類(lèi)型進(jìn)行錯(cuò)題分類(lèi),找出自己的知識(shí)短板進(jìn)行針對(duì)性復(fù)習(xí)。
【參考文獻(xiàn)】
【關(guān)鍵詞】原子物理學(xué)教學(xué);教學(xué)內(nèi)容;教學(xué)方法
0 引言
原子物理學(xué)是物理學(xué)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)必修課,是繼力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)和電磁學(xué)之后的最后一門(mén)普通物理課程。原子物理學(xué)是普通物理的重要組成部分,它屬于近代物理[1]。原子物理學(xué)包括原子物理、原子核物理和粒子物理[2]。原子物理學(xué)是20世紀(jì)隨著量子力學(xué)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的,至今,原子物理學(xué)的許多問(wèn)題仍然是科學(xué)研究的前沿問(wèn)題。原子物理學(xué)是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ),是連接經(jīng)典物理與現(xiàn)代物理的橋梁。學(xué)好原子物理學(xué)能為后繼的量子力學(xué)、固體物理等課程打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。因此,學(xué)好原子物理學(xué)具有十分重要的意義。本文根據(jù)近幾年原子物理學(xué)教學(xué)實(shí)踐,分析了教學(xué)現(xiàn)狀,在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法上對(duì)原子物理學(xué)教學(xué)進(jìn)行了研究和實(shí)踐。
1 原子物理學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀
首先,原子物理學(xué)知識(shí)抽象、難懂,沒(méi)有清晰的物理圖像。原子物理學(xué)是研究原子的結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)規(guī)律及相互作用的一門(mén)科學(xué)。其研究的物質(zhì)結(jié)構(gòu)介于分子和原子核之間,線度約為10-10米,用肉眼是根本無(wú)法直接觀察的,只能在頭腦中想象。學(xué)生在學(xué)習(xí)的過(guò)程中普遍反映知識(shí)很抽象,摸不著頭腦,不像學(xué)習(xí)力學(xué)知識(shí)那樣,對(duì)物體運(yùn)動(dòng)有清晰的物理圖像。其次,教材內(nèi)容過(guò)于老化。20世紀(jì)30年代M.Born寫(xiě)了一本《原子物理學(xué)》,H.E.White寫(xiě)了一本《原子光譜導(dǎo)論》,這兩本書(shū)是原子物理學(xué)方面的經(jīng)典之作?,F(xiàn)在的原子物理學(xué)教材體系一般遵循Born和White模式,大部分的教材內(nèi)容都是反映20世紀(jì)30年代前后的知識(shí),現(xiàn)代科技知識(shí)涉及太少。講授理論知識(shí)若缺乏實(shí)際應(yīng)用的介紹,將會(huì)使知識(shí)僵化,知識(shí)面狹窄,難以激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。
2 原子物理學(xué)教學(xué)內(nèi)容的研究與實(shí)踐
2.1 恰當(dāng)處理好玻爾理論與量子力學(xué)的關(guān)系
大部分的教材內(nèi)容一般都是按照原子物理學(xué)的發(fā)展歷史進(jìn)行編寫(xiě)的。從原子的光譜實(shí)驗(yàn)到玻爾提出的量子化假設(shè)理論(基于經(jīng)典物理基礎(chǔ)上的量子化,半經(jīng)典半量子,稱(chēng)為舊量子理論),再由玻爾理論講授原子的能級(jí)、精細(xì)結(jié)構(gòu)、超精細(xì)結(jié)構(gòu)等。對(duì)于微觀領(lǐng)域,正確描述電子運(yùn)動(dòng)的是量子力學(xué)理論,玻爾理論是有其局限性的。最突出的問(wèn)題是電子的軌道運(yùn)動(dòng),根據(jù)玻爾理論,電子在庫(kù)侖力的作用下沿著一些特定的軌道繞原子核運(yùn)動(dòng)。在量子力學(xué)中,電子運(yùn)動(dòng)是由波函數(shù)來(lái)描述的,滿(mǎn)足薛定諤方程,電子的運(yùn)動(dòng)具有不確定性,只能用概率來(lái)表示,沒(méi)有軌道運(yùn)動(dòng)的概念,量子力學(xué)中是用“電子云”來(lái)形象說(shuō)明電子的運(yùn)動(dòng)。教學(xué)中若處理不好玻爾理論與量子力學(xué)的關(guān)系,會(huì)讓學(xué)生覺(jué)得知識(shí)有點(diǎn)混亂,莫衷一是。筆者認(rèn)為在原子物理學(xué)教學(xué)過(guò)程中,能用玻爾理論解決的問(wèn)題就盡量不要用量子力學(xué),如玻爾理論不能解決,則可定性地用量子力學(xué)知識(shí)來(lái)解釋?zhuān)苊鈴?fù)雜的量子力學(xué)推導(dǎo)過(guò)程。原子物理學(xué)雖屬近代物理,但仍是普通物理學(xué)的重要組成部分,應(yīng)該具有普通物理學(xué)的特點(diǎn),要注重基本的物理實(shí)驗(yàn)、物理圖像、物理思想和物理模型[3]。若用量子力學(xué)進(jìn)行詳細(xì)的解釋?zhuān)瑒t要涉及波函數(shù)、算符、力學(xué)量、薛定諤方程、微擾理論等復(fù)雜的量子力學(xué)知識(shí),會(huì)淡化和掩蓋了原子物理學(xué)的基本的物理實(shí)驗(yàn)、物理圖像、物理思想和物理模型。恰當(dāng)處理好玻爾理論與量子力學(xué)的關(guān)系,既能使學(xué)生易于接受原子物理學(xué)知識(shí),又能為后繼的量子力學(xué)等課程打下基礎(chǔ),使原子物理學(xué)成為連接經(jīng)典物理和現(xiàn)代物理的橋梁。
2.2 緊密結(jié)合現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)知識(shí)
原子物理學(xué)是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ),隨著原子物理學(xué)的發(fā)展,新思想,新知識(shí)不斷被發(fā)現(xiàn),在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生了大量的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)。如與原子受激輻射有關(guān)的激光技術(shù);與原子的內(nèi)層電子激發(fā)有關(guān)系的X射線的熒光分析技術(shù)、計(jì)算層析技術(shù);與物質(zhì)波有關(guān)的電子顯微鏡;與原子能級(jí)分裂有關(guān)的電子順磁共振和核磁共振等等,其中X射線影像、核磁共振成像已應(yīng)用到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[4]。將這些科學(xué)技術(shù)知識(shí)引入到原子物理學(xué)教學(xué)中,不僅可以加深學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的印象,還可以開(kāi)闊他們的視野,激發(fā)學(xué)習(xí)興趣,培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí),取得良好的學(xué)習(xí)效果。
2.3 適當(dāng)引入物理學(xué)史
原子物理學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了許多重要的創(chuàng)造成果,包括1999年在內(nèi)共有96項(xiàng)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),其中就有66項(xiàng)是與原子物理學(xué)有關(guān)的,占到總獲獎(jiǎng)數(shù)的2/3。這些諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的成果不僅是原子物理學(xué)發(fā)展的重要里程碑,而且是前輩物理學(xué)家創(chuàng)造性研究的典范[5]。在教學(xué)過(guò)程中,適當(dāng)?shù)刂v解一些有代表性物理學(xué)家的工作背景、研究思路、研究方法以及他們?cè)诿鎸?duì)困難時(shí)的科學(xué)創(chuàng)新精神、非凡的膽識(shí),都會(huì)對(duì)學(xué)生留下深刻的印象,引起長(zhǎng)久的思考。例如,電子自旋假說(shuō)是20世紀(jì)初最重要的假設(shè)之一,電子自旋的提出在原子物理學(xué)發(fā)展歷史中具有里程碑的意義。1925年,荷蘭的兩位在讀大學(xué)生烏倫貝克和古德斯密特,在地球運(yùn)動(dòng)規(guī)律的啟發(fā)下,經(jīng)過(guò)深入研究,大膽提出了電子自旋假設(shè)。但誰(shuí)能想到這樣重要的理論是由兩個(gè)還沒(méi)畢業(yè)的大學(xué)生提出的。對(duì)于兩個(gè)年輕人來(lái)說(shuō),提出這樣的理論不僅需要?jiǎng)?chuàng)造精神,更需要非凡的勇氣和膽識(shí)。我們?cè)谡n堂教學(xué)中引入這樣的事例,在學(xué)生中激起了強(qiáng)烈的反響,引發(fā)了熱烈的討論,極大地提高了他們的學(xué)習(xí)熱情和學(xué)習(xí)興趣,同時(shí)也培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。
3 教學(xué)方法的研究與實(shí)踐
3.1 明確重難點(diǎn),有的放矢
原子物理學(xué)的知識(shí)面較廣,知識(shí)點(diǎn)松散,各知識(shí)點(diǎn)間的邏輯性、系統(tǒng)性不強(qiáng),再加上學(xué)時(shí)少,一般只有54學(xué)時(shí)左右,教學(xué)任務(wù)重。因此,教學(xué)方法就顯得尤為重要。按照原子物理學(xué)教學(xué)大綱,明確教學(xué)中的重難點(diǎn)。每堂課都要向?qū)W生明確哪些知識(shí)需要重點(diǎn)掌握,哪些需要理解,哪些需要了解。重難點(diǎn)知識(shí)要精講、細(xì)講,從物理實(shí)驗(yàn)、物理圖像、物理思想、物理模型到具體的推導(dǎo)過(guò)程都要講清楚,不惜面面俱到。理解性的內(nèi)容可講清楚物理思想和物理圖像,不必過(guò)多涉及細(xì)節(jié)性?xún)?nèi)容。了解性的內(nèi)容可讓學(xué)生課下自行學(xué)習(xí),給出一些參考資料,讓學(xué)生以讀書(shū)報(bào)告的形式提交作業(yè)。明確教學(xué)中的重難點(diǎn),學(xué)生明確了學(xué)習(xí)目標(biāo),提高了學(xué)習(xí)的積極性,促進(jìn)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)。
3.2 傳統(tǒng)板書(shū)與多媒體教學(xué)的有機(jī)結(jié)合
傳統(tǒng)板書(shū)具有講課思路清晰,留給學(xué)生較多的思考時(shí)間,易于跟上講課思路等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)重要公式理論的推導(dǎo),系統(tǒng)知識(shí)的梳理具有良好的教學(xué)效果。多媒體教學(xué)可演示圖片、動(dòng)畫(huà)、影像資料,具有形象直觀的特點(diǎn),而且幻燈片記載的信息量大,放映時(shí)間少。在原子物理學(xué)教學(xué)中,將傳統(tǒng)板書(shū)與多媒體教學(xué)的有機(jī)結(jié)合起來(lái),能收到良好的教學(xué)效果。例如講電子的自旋―軌道相互作用時(shí),先用多媒體演示電子自旋運(yùn)動(dòng)和軌道運(yùn)動(dòng)的動(dòng)畫(huà),學(xué)生頭腦中有了清晰的物理圖像,然后再采用板書(shū)的形式詳細(xì)推導(dǎo)其作用規(guī)律,就比較容易理解。一些著名的物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)應(yīng)用,著名物理學(xué)家生平簡(jiǎn)介等都可以通過(guò)多媒體展示給學(xué)生。既能拓寬學(xué)生的知識(shí)面,還能活躍課程氣氛,激發(fā)學(xué)習(xí)興趣,提高學(xué)習(xí)積極性。
4 小結(jié)
原子物理學(xué)雖已有一百多年的歷史,但仍是具有生命力的,不斷向前發(fā)展的科學(xué),原子物理學(xué)教學(xué)也應(yīng)不斷地向前發(fā)展進(jìn)步。本文根據(jù)近幾年原子物理學(xué)教學(xué)實(shí)踐,在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法上對(duì)原子物理學(xué)教學(xué)進(jìn)行了研究和實(shí)踐。以期能與同行進(jìn)行討論,共同提高原子物理學(xué)教學(xué)水平。
【參考文獻(xiàn)】
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本世紀(jì)以來(lái),物理學(xué)哲學(xué)研究有了長(zhǎng)足的進(jìn)步,這與現(xiàn)代物理學(xué)所具有的一些新特點(diǎn)有很大關(guān)系:一是本世紀(jì)理論物理學(xué)研究在許多方面超前于實(shí)驗(yàn)物理學(xué)的研究,人們無(wú)法對(duì)理論物理學(xué)的一些結(jié)構(gòu)及時(shí)通過(guò)觀察和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn),這就使得人們從認(rèn)識(shí)論和方法論角度對(duì)物理學(xué)思想的合理性和物理學(xué)理論自身邏輯結(jié)構(gòu)的自洽性的驗(yàn)前評(píng)價(jià)變得十分重要;二是當(dāng)今各種物理學(xué)理論(如相對(duì)論和量子論)在逐步統(tǒng)一過(guò)程中所顯現(xiàn)出的整體有機(jī)聯(lián)系的自然圖景和對(duì)在極端條件下(如宇宙爆炸初期)的物質(zhì)特性的探索都促使物理學(xué)與哲學(xué)進(jìn)一步融合起來(lái),使物理學(xué)家感到了從哲學(xué)的高度去更深刻地把握物理學(xué)前沿提出的種種物理學(xué)理論和概念問(wèn)題的必要性;三是當(dāng)代物理學(xué)所研究的微觀和宇觀客體的物理性質(zhì)與規(guī)律,由于不能被我們的感官所直接感知,這就必須從認(rèn)識(shí)論的角度說(shuō)明現(xiàn)代物理學(xué)理論描述的微觀或宇觀世界圖景的合理性與真實(shí)性,從而在微觀或宇觀世界與我們?nèi)粘I畹暮暧^世界之間建立起一道相互理解的橋梁。
正是現(xiàn)代物理學(xué)的這些特點(diǎn),決定了當(dāng)代物理學(xué)哲學(xué)的不同研究途徑,即從不同的角度出發(fā),對(duì)物理學(xué)進(jìn)行哲學(xué)反思,達(dá)到豐富和發(fā)展哲學(xué)認(rèn)識(shí)論與方法論以及加強(qiáng)對(duì)物理學(xué)理論和概念自身理解的目的。
一
物理學(xué)哲學(xué)的研究途徑之一是從通過(guò)對(duì)物理學(xué)概念,尤其是新物理學(xué)概念,物理意義的闡釋入手,提高到哲學(xué)高度進(jìn)行分析,進(jìn)而促進(jìn)了哲學(xué)的發(fā)展。這一方面是由于如量子力學(xué)創(chuàng)始人之一的海森堡所說(shuō):“一部物理學(xué)發(fā)展的歷史,不只是一本單純的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的流水帳,它同時(shí)還伴隨著概念的發(fā)展,或者概念的引進(jìn)。……因?yàn)檎歉拍畹牟淮_定性迫使物理學(xué)家著手研究哲學(xué)問(wèn)題”。(〔(7)〕,第185頁(yè)),另一方面則是因?yàn)槲锢韺W(xué)是研究最基本的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué),所以許多最基本的物理學(xué)概念,如物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)、時(shí)間、空間、宇宙等也同時(shí)是哲學(xué)的基本概念,這些基本概念的變化不僅導(dǎo)致物理學(xué)理論的變更,也標(biāo)志著哲學(xué)的重大發(fā)展。因此,對(duì)這些基本概念的理解,往往是各個(gè)哲學(xué)流派之間爭(zhēng)論的焦點(diǎn)。而對(duì)這些概念的哲學(xué)爭(zhēng)論,又總是圍繞著物理學(xué)的最新進(jìn)展而展開(kāi),所以從物理學(xué)概念入手進(jìn)行物理學(xué)哲學(xué)的研究是中外許多哲學(xué)家和物理學(xué)家最為關(guān)注的研究途徑。
科學(xué)研究從問(wèn)題開(kāi)始,而現(xiàn)代物理學(xué)的建立則是從概念問(wèn)題的突破開(kāi)始的。普朗克1900年為了解決黑體輻射問(wèn)題提出了作用量子的概念,但他受經(jīng)典物理學(xué)思維框架的約束,當(dāng)時(shí)并沒(méi)有深刻的理解這個(gè)概念實(shí)質(zhì)性的物理意義,只把它當(dāng)成了一般的工作假說(shuō)加以運(yùn)用。只是當(dāng)愛(ài)因斯坦(1905年)運(yùn)用這個(gè)概念建立起光量子假說(shuō)后,它的實(shí)質(zhì)性的、突破傳統(tǒng)經(jīng)典思維模式的巨大意義才得以凸現(xiàn)出來(lái),并引起物理學(xué)界乃至于后來(lái)哲學(xué)界的廣泛關(guān)注。玻爾、海森堡等人沿此思路建立了原子結(jié)構(gòu)模型,并最終建立了量子力學(xué)理論,對(duì)量子概念物理意義的探討又導(dǎo)致與傳統(tǒng)決定論思維模式相悖的非決定論思維模式的產(chǎn)生,這不僅使物理學(xué)的理論基礎(chǔ)發(fā)生了根本的變化,而且使傳統(tǒng)的認(rèn)識(shí)論觀念也有了重大的轉(zhuǎn)變。
當(dāng)人們對(duì)邁克爾遜—莫雷實(shí)驗(yàn)的否定結(jié)果迷惑不解時(shí),彭加勒、洛侖茲等人為了維護(hù)牛頓的絕對(duì)時(shí)空不得不提出“虛擬時(shí)間”的概念來(lái)解釋這一奇怪的結(jié)果。愛(ài)因斯坦則從麥克斯韋電磁學(xué)理論與經(jīng)典力學(xué)伽利略變換之間的矛盾中看出了問(wèn)題的實(shí)質(zhì)所在。他看出了牛頓所謂的絕對(duì)時(shí)間并非是有物理意義的真實(shí)時(shí)間,而彭加勒、洛侖茲等人認(rèn)為是“虛擬時(shí)間”的概念卻是在實(shí)際觀測(cè)中可以測(cè)量到的真實(shí)時(shí)間,這不僅使邁克爾遜—莫雷實(shí)驗(yàn)的難題迎刃而解,而且一舉建立了狹義相對(duì)論。從這里又引發(fā)了一輪重新認(rèn)識(shí)時(shí)間和空間這一對(duì)古老哲學(xué)概念的熱潮。
隨著廣義相對(duì)論的提出和現(xiàn)代宇宙學(xué)的建立,使人們對(duì)時(shí)間和空間的研究進(jìn)入了一個(gè)新階段。哲學(xué)家們紛紛依據(jù)物理學(xué)的最新研究成果對(duì)時(shí)間空間概念進(jìn)行新的闡釋?zhuān)酥劣诮o一些古老的哲學(xué)命題,如康德的“二律背反”以新的說(shuō)明。(參見(jiàn)〔(1)〕原蘇聯(lián)和我國(guó)的一些哲學(xué)工作者通過(guò)對(duì)相對(duì)論時(shí)間和空間概念與物質(zhì)運(yùn)動(dòng)、物質(zhì)分布狀態(tài)關(guān)系的分析,進(jìn)一步論證了恩格斯當(dāng)年對(duì)時(shí)間和空間這對(duì)哲學(xué)范疇的正確定義。隨著現(xiàn)代宇宙學(xué)的興起和發(fā)展,人們對(duì)“宇宙”概念也有了新的認(rèn)識(shí),于是,有關(guān)宇宙有限還是無(wú)限、哲學(xué)的“宇宙”概念與現(xiàn)代宇宙學(xué)所說(shuō)的“宇宙”之間究竟是什么關(guān)系等問(wèn)題的討論,又成了哲學(xué)界和科學(xué)界共同關(guān)心的熱點(diǎn)??墒牵?dāng)人們正沉浸在廣義相對(duì)論解決宇宙演化問(wèn)題所取得的成就時(shí),卻不得不沮喪地發(fā)現(xiàn),所有已知的物理學(xué)定律在廣義相對(duì)論時(shí)空曲面的奇點(diǎn)處都失效了。從理論上來(lái)說(shuō),所謂宇宙大爆炸最初的原始火球在數(shù)學(xué)上的表示就應(yīng)該是一個(gè)奇點(diǎn),也就是說(shuō),如果宇宙起源于奇點(diǎn),我們難以用現(xiàn)有的任何物理學(xué)定律說(shuō)明宇宙爆炸的原因。于是有的科學(xué)家戲稱(chēng)說(shuō),既然宇宙是上帝創(chuàng)造的,那么只好把這個(gè)問(wèn)題留給上帝,膽敢問(wèn)這個(gè)問(wèn)題的人,上帝將使他下地獄。
英國(guó)著名物理學(xué)家霍金是最早開(kāi)始研究奇點(diǎn)問(wèn)題的物理學(xué)家之一,近年來(lái)也是他提出了試圖用量子引力理論來(lái)繞開(kāi)奇點(diǎn)問(wèn)題的方法。他為了避免當(dāng)年費(fèi)因曼處理微觀粒子時(shí)假設(shè)的各態(tài)歷經(jīng)的技術(shù)困難,并類(lèi)比他用交換虛粒子來(lái)說(shuō)明粒子間相互作用的方法,提出了“虛時(shí)間”的概念。雖然如他自己所說(shuō):“虛時(shí)間”是一個(gè)意義明確的數(shù)學(xué)概念,“就普遍的量子力學(xué)而言,我們可以把我們對(duì)虛時(shí)和歐幾里得時(shí)空的運(yùn)用,僅僅視作一個(gè)計(jì)算實(shí)時(shí)空答案的數(shù)學(xué)方法(或手段)?!保ā玻?)〕,第162頁(yè))但由于量子引力理論假定宇宙沒(méi)有任何邊界,“宇宙將完全是獨(dú)立的,不受外界任何事物的影響。它既不會(huì)被創(chuàng)造,也不會(huì)被消滅,它將只是存在”。(〔(8)〕,第164頁(yè))而“虛時(shí)間”的應(yīng)用,則使人們繞開(kāi)了宇宙起源于奇點(diǎn)和終止于奇點(diǎn)這種用奇點(diǎn)構(gòu)成時(shí)空邊界的困難,讓物理學(xué)定律在任何時(shí)空區(qū)間都有效。正是有這個(gè)意義上霍金認(rèn)為:“所謂的虛時(shí)實(shí)際上是實(shí)的,而我們所說(shuō)的實(shí)時(shí)只是我們想象中虛構(gòu)的事物”,“也許我們所說(shuō)的虛時(shí)實(shí)際上是更基本的東西,而我們稱(chēng)作實(shí)時(shí)的只是為了幫助我們描述我們想象中的宇宙模樣而創(chuàng)造的一種想法?!保ā玻?)〕,第168頁(yè))
霍金對(duì)科學(xué)理論的看法持有工具論的立場(chǎng),但對(duì)于“虛時(shí)間”的概念是否如他所說(shuō)是更基本的東西,不在于理論上是否更為合用,而在于它是否能夠作出可觀察的預(yù)言并在實(shí)踐中得到確證。在此以前,我們至少應(yīng)當(dāng)接受本世紀(jì)初的教訓(xùn),不要把我們現(xiàn)有的物理學(xué)理論所描述的時(shí)空概念又看成是絕對(duì)不可改變的,更不應(yīng)該在沒(méi)有充分理解一些物理學(xué)家所提出的新物理概念的明確物理意義之前,甚至在沒(méi)有仔細(xì)閱讀霍金原著的上下文意思之前,就把他們與哲學(xué)中的后現(xiàn)代主義思潮拉扯在一起。在這里,重溫一下愛(ài)因斯坦的一段話,可能對(duì)我們會(huì)有所啟發(fā):“為了科學(xué),就必須反復(fù)地批判這些基本概念,以免我們會(huì)不自覺(jué)地受到它們的支配。在傳統(tǒng)的基本概念的貫徹使用碰到難以解決的矛盾而引起了觀念發(fā)展的那些情況,這就變得特別明顯?!保ā玻?5)〕,第586頁(yè))
近期物理學(xué)哲學(xué)的發(fā)展中可能更加值得注意的動(dòng)向是,隨著本世紀(jì)許多新興學(xué)科的興起,使許多新的科學(xué)概念越來(lái)越滲入到哲學(xué)研究之中,如系統(tǒng)、信息、控制、混沌、有序、無(wú)序等等概念,早已不再是某些專(zhuān)門(mén)學(xué)科的專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)。由于這些概念的普適性,它們已成為各門(mén)學(xué)科中廣泛使用,乃至于在日常生活中經(jīng)常提到的概念。它們不可避免地會(huì)逐步上升為哲學(xué)范疇。對(duì)這些新概念的產(chǎn)生和普及,物理學(xué)有很大的貢獻(xiàn),正是由于本世紀(jì)對(duì)遠(yuǎn)離平衡態(tài)熱力學(xué)的研究,才加深了人們對(duì)時(shí)間方向性,對(duì)物質(zhì)系統(tǒng)的演化,對(duì)有序、無(wú)序、混沌等等物質(zhì)狀態(tài)的認(rèn)識(shí),從而也極大豐富了哲學(xué)的內(nèi)容。下面我們還將談到,正是由于這些研究引起了人們思維觀念的巨大變化。從而也使得傳統(tǒng)的哲學(xué)在許多方面發(fā)生了革命性的變革。
對(duì)概念的更高層次的元理論研究已不局限于物理學(xué)哲學(xué)的范圍,而是在更為廣泛的科學(xué)哲學(xué)層次里展開(kāi)的,不過(guò),由于物理學(xué)相對(duì)于其他學(xué)科而言更為成熟,更為精確,物理學(xué)史的研究也比其他學(xué)科史更為細(xì)致,所以許多科學(xué)哲學(xué)家仍利用對(duì)某些物理學(xué)概念的分析作為闡述自己觀點(diǎn)和與他人論爭(zhēng)的依據(jù)。例如,庫(kù)恩和費(fèi)耶阿本德通過(guò)對(duì)“質(zhì)量”這個(gè)概念在經(jīng)典力學(xué)與相對(duì)論中的不同涵義,以及“電子”這個(gè)術(shù)語(yǔ)在不同時(shí)期指稱(chēng)對(duì)象意義變化的分析,得出了前后相繼的科學(xué)理論或不同范式之間不可通約的觀點(diǎn)(參見(jiàn)〔(14)〕、〔(22)〕),從而引起了科學(xué)哲學(xué)界的極大爭(zhēng)議。而普特南等人則同樣根據(jù)對(duì)“電子”一詞涵義變化的分析,說(shuō)明了他的有關(guān)自然種類(lèi)名詞因果—?dú)v史指稱(chēng)理論,并駁斥了庫(kù)恩和費(fèi)耶阿本德的不可通約性的觀點(diǎn)。
目前,隨著物理學(xué)和哲學(xué)的進(jìn)展,沿著這個(gè)途徑的物理學(xué)哲學(xué)研究正在蓬勃發(fā)展。一方面,新的物理學(xué)概念不斷涌現(xiàn),人們常常需要從物理學(xué)之外對(duì)這些概念進(jìn)行闡釋才能理解它們更深刻更普遍的意義,而這些概念的廣泛應(yīng)用也不斷充實(shí)了哲學(xué)的內(nèi)容;另一方面,哲學(xué)自身的發(fā)展也需要不斷從自然科學(xué),包括物理學(xué)概念的變革中吸取養(yǎng)料,提出新的問(wèn)題、新的觀點(diǎn),拓展新的思路。
二
物理學(xué)哲學(xué)研究的另一個(gè)途徑是通過(guò)物理學(xué)前沿哲學(xué)問(wèn)題的討論,使一些傳統(tǒng)的哲學(xué)觀點(diǎn)產(chǎn)生根本變革。這條途徑在很大程度上離不開(kāi)對(duì)新物理概念的分析。從這個(gè)意義上說(shuō),它與前面所討論的途徑并無(wú)根本的區(qū)別,只是這條途徑更著重于對(duì)物理學(xué)前沿所涉及到的一些基本哲學(xué)問(wèn)題,如認(rèn)識(shí)過(guò)程中主客體之間的關(guān)系,因果性的決定論與非決定論以及與其相關(guān)的必然性與偶然性的關(guān)系,可知論與不可知論,實(shí)在論和工具論等等,進(jìn)行進(jìn)入地探討。
本世紀(jì)在物理學(xué)界和科學(xué)哲學(xué)界影響最大的一場(chǎng)爭(zhēng)論就是愛(ài)因斯坦和以玻爾為首的哥本哈根學(xué)派關(guān)于量子力學(xué)理論基礎(chǔ)的爭(zhēng)論,這場(chǎng)爭(zhēng)論的和至今余波未息的爭(zhēng)論焦點(diǎn)集中在對(duì)愛(ài)因斯坦等人提出的EPR悖論的理解上。這場(chǎng)發(fā)生在量子力學(xué)創(chuàng)始人之間的爭(zhēng)論雖然是從對(duì)諸如量子力學(xué)中波函數(shù)的物理意義、海森堡不確定性原理(或譯測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系)和玻爾互補(bǔ)原理的理解開(kāi)始,進(jìn)而討論到量子力學(xué)是否完備的問(wèn)題,但這場(chǎng)似乎只是純物理學(xué),甚至是理論物理學(xué)的科學(xué)爭(zhēng)論,一開(kāi)始就帶上了濃厚的哲學(xué)色彩。
這主要是因?yàn)槲⒂^客體所表現(xiàn)出來(lái)的諸如波粒二象性等特征,用描繪宏觀現(xiàn)象的日常語(yǔ)言實(shí)在難以準(zhǔn)確表達(dá)其確切含義,再加上對(duì)微觀客體的實(shí)驗(yàn)安排也呈現(xiàn)出與經(jīng)典物理學(xué)實(shí)驗(yàn)許多不同的特征。如何正確理解量子力學(xué)的數(shù)學(xué)符號(hào)所蘊(yùn)涵的物理意義?量子力學(xué)描述的微觀客體的行為特征究竟是不受主體干擾的客觀規(guī)律所致,還是宏觀儀器對(duì)微觀客體不可避免的干擾下主客體相互作用的結(jié)果?微觀客體所表現(xiàn)出的隨機(jī)性究竟是微觀客體的本質(zhì)特征,還是認(rèn)識(shí)主體認(rèn)識(shí)局限性的結(jié)果?進(jìn)而,到對(duì)微觀客體行為的理論描述究竟應(yīng)當(dāng)堅(jiān)持決定論的思維模式,還是非決定論的思維模式,用愛(ài)因斯坦的話來(lái)說(shuō),就是我們是否相信上帝會(huì)擲骰子?物理理論的每個(gè)元素是否都必須在實(shí)在中有它的對(duì)應(yīng)物,亦或物理理論只是一種對(duì)實(shí)在的本體論承諾,甚至只是我們?yōu)榱私忉尙F(xiàn)象或解決問(wèn)題的方便而使用的一種工具或符號(hào)系統(tǒng)?這些問(wèn)題早已不是物理學(xué)本身所能解決的,但又是物理學(xué)家們不得不解決的,人類(lèi)不倦的求知欲促使他們轉(zhuǎn)而尋求哲學(xué)的幫助。這就使得本世紀(jì)初許多量子力學(xué)的創(chuàng)始人都是哲學(xué)家,普朗克、愛(ài)因斯坦、玻爾、玻恩、海森堡、薛定鍔等人在哲學(xué)界的影響并不比他們?cè)诳茖W(xué)界的影響小。他們的哲學(xué)觀點(diǎn)往往是本世紀(jì)科學(xué)哲學(xué)討論問(wèn)題的出發(fā)點(diǎn),由此而引發(fā)的實(shí)在論與非實(shí)在論之爭(zhēng)仍是科學(xué)哲學(xué)界的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。他們的哲學(xué)專(zhuān)著又成了許多一流科學(xué)家案頭必備的讀物,以便隨時(shí)從中得到智慧的啟迪。實(shí)際上,愛(ài)因斯坦與玻爾這場(chǎng)上升到哲學(xué)的爭(zhēng)論,經(jīng)過(guò)貝爾等人的努力,重又變成了用物理學(xué)實(shí)驗(yàn)可以進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)檢驗(yàn)的問(wèn)題,檢驗(yàn)的結(jié)果雖不足以最終決定誰(shuí)是誰(shuí)非(盡管哥本哈根學(xué)派明顯占了上風(fēng)),但卻明確說(shuō)明了物理學(xué)與哲學(xué)的密切關(guān)系,物理學(xué)哲學(xué)絕不是純思辨的玄學(xué)。
當(dāng)然,一流科學(xué)家也是哲學(xué)家的現(xiàn)象絕不僅限于量子力學(xué)領(lǐng)域。彭加勒、布里奇曼等人不僅在物理學(xué)界享有盛譽(yù),甚至還是一些哲學(xué)流派(約定主義,操作主義)的創(chuàng)始人。維納、普里高津等人雖然算不上正統(tǒng)的哲學(xué)家,但他們的哲學(xué)素養(yǎng)卻為世人所公認(rèn),他們的科學(xué)成就對(duì)哲學(xué)思維方式的影響應(yīng)當(dāng)說(shuō)有劃時(shí)代的意義。從康德提出星云假說(shuō)開(kāi)始在當(dāng)時(shí)占統(tǒng)治地位的形而上學(xué)世界觀上打開(kāi)了第一個(gè)缺口,但完成這個(gè)星云假說(shuō)的拉普拉斯卻把從牛頓開(kāi)始的機(jī)械決定論思維推向了極端,并且產(chǎn)生了巨大的影響。如果說(shuō)量子力學(xué)哥本哈根學(xué)派的非決定論思想是對(duì)這種機(jī)械決定論思想發(fā)起的一場(chǎng)重要挑戰(zhàn)的話,那么由于量子力學(xué)只涉及到微觀領(lǐng)域,還不足以在思想界和科學(xué)界抵消拉普拉斯的影響。19世紀(jì)德國(guó)古典哲學(xué)家們總結(jié)的辯證法思想雖然曾對(duì)19世紀(jì)科學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生過(guò)影響,但由于其思辨色彩太濃也受到了許多科學(xué)家的抵制。但貝塔朗菲、維納等人創(chuàng)立了系統(tǒng)科學(xué),尤其是普里高津等人從熱力學(xué)等實(shí)證的經(jīng)驗(yàn)科學(xué)本身得出系統(tǒng)演化的思想以后,普遍聯(lián)系和發(fā)展的觀點(diǎn)對(duì)于科學(xué)家們來(lái)說(shuō),不再是外在的哲學(xué)教條,而是在科學(xué)中必須嚴(yán)格遵守的思維準(zhǔn)則。更重要的是,自組織理論、非線性科學(xué)所揭示偶然性與必然性之間的新聯(lián)接清楚地表明,非決定論的思維方式絕不僅限于微觀領(lǐng)域,嚴(yán)格因果決定論在我們?nèi)粘I钪幸膊皇瞧毡檫m用。我們不能再用嚴(yán)格因果決定的觀點(diǎn)來(lái)作為可知與不可知的界限,我們知道我們認(rèn)識(shí)的某些界限(例如長(zhǎng)期準(zhǔn)確天氣預(yù)報(bào)的不可能)也是可知,甚至是認(rèn)識(shí)深化的表現(xiàn)。對(duì)看似無(wú)序的混沌現(xiàn)象的研究,卻使我們能夠說(shuō)明許多過(guò)去簡(jiǎn)直無(wú)法理解的復(fù)雜現(xiàn)象,例如天氣變化,中樞神經(jīng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)等等。物理學(xué)哲學(xué)在這方面的研究方興未艾,盡管已有了一些成果,但還只能算是剛剛起步。物理學(xué)哲學(xué)的發(fā)展,已經(jīng)引起了越來(lái)越多在物理學(xué)前沿領(lǐng)域工作的第一流科學(xué)家們的注意,對(duì)他們的研究工作產(chǎn)生了一定的啟迪作用。
三
利用當(dāng)代物理學(xué)及其相關(guān)學(xué)科的最新成果構(gòu)建新的自然圖景,并對(duì)此進(jìn)行哲學(xué)反思是物理學(xué)哲學(xué)的又一研究途徑。其實(shí),這個(gè)研究傳統(tǒng)由來(lái)已久,哲學(xué)既是一種理論化、系統(tǒng)化的世界觀,對(duì)世界作一個(gè)總體的描繪和系統(tǒng)全面的認(rèn)識(shí)就是它的首要任務(wù)。古代自然哲學(xué)憑借哲學(xué)家自己的直觀和猜測(cè)來(lái)構(gòu)建整體的世界自然圖景,結(jié)果是五花八門(mén),莫衷一是。自從近代科學(xué)誕生以后,哲學(xué)家們(即使是宗教哲學(xué)家)或多或少都要依居他們所知的自然科學(xué)成果來(lái)構(gòu)建自己的自然圖景,但他們對(duì)這幅圖景的理解或解釋卻可以由于他們的信仰而有很大的差異,甚至根本對(duì)立,尤其是當(dāng)他們面對(duì)最新的科學(xué)成果,而這些科學(xué)成果表現(xiàn)出了一些與傳統(tǒng)哲學(xué)不同的思維方式時(shí),更會(huì)使哲學(xué)家們對(duì)這些科學(xué)成果的理解上產(chǎn)生更大的差異,由此而引起的爭(zhēng)論往往成為哲學(xué)界的熱點(diǎn)。
現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展使古老的涉及到自然圖景的爭(zhēng)論,如物質(zhì)是否無(wú)限可分和宇宙是否無(wú)限等問(wèn)題又增添了許多新的內(nèi)容。
上世紀(jì)末物理學(xué)中關(guān)于X射線、電子和放射性現(xiàn)象的三大發(fā)現(xiàn)打破了原子不可再分的古老神話,揭開(kāi)了人類(lèi)對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)探索的新篇章。隨著原子結(jié)構(gòu)和基本粒子的大量發(fā)現(xiàn),物質(zhì)無(wú)限可分的觀點(diǎn)似乎得到了科學(xué)實(shí)驗(yàn)的有力證明。但正當(dāng)人們信心百倍地探索到更深層次的亞基本粒子結(jié)構(gòu)——夸克層次的時(shí)候,卻碰到了在實(shí)驗(yàn)中無(wú)法測(cè)到自由夸克的所謂“夸克禁閉”現(xiàn)象。那么,這個(gè)目前得到量子色動(dòng)力學(xué)理論說(shuō)明的現(xiàn)象是否意味著物質(zhì)有不可再分極限的古老原子論觀點(diǎn)又有抬頭的可能呢?對(duì)這個(gè)問(wèn)題的爭(zhēng)論正在繼續(xù)進(jìn)行。
相對(duì)論的建立不僅賦予時(shí)間和空間概念以新的含義,而且極大地改變了人們對(duì)自然圖景的看法,尤其是廣義相對(duì)論對(duì)宇宙時(shí)空幾何結(jié)構(gòu)的描述,使從牛頓時(shí)代建立起來(lái)的宇宙圖景發(fā)生了重大的變革。現(xiàn)代宇宙學(xué)的誕生向人們描繪了一幅宇宙演化的生動(dòng)圖景,一方面更充分地說(shuō)明了宇宙中事物普遍聯(lián)系和無(wú)限發(fā)展的辯證唯物主義觀點(diǎn),另一方面也使人們對(duì)宇宙時(shí)空結(jié)構(gòu)是否無(wú)限的問(wèn)題產(chǎn)生了新的疑惑。顯然,過(guò)去停留在從純哲學(xué)思辨或純邏輯學(xué)論證(如康德的“二律背反”)上來(lái)討論宇宙有限無(wú)限這一古老問(wèn)題是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠了。離開(kāi)了對(duì)現(xiàn)代宇宙學(xué),天體物理學(xué),乃至于非歐幾何學(xué)的深刻理解來(lái)奢談這一問(wèn)題,已顯得是隔靴搔癢,不得要領(lǐng)了。
實(shí)際上,今天我們討論自然圖景的問(wèn)題還不能僅僅停留在物理學(xué)層次上,我們這個(gè)時(shí)代已經(jīng)形成了關(guān)于自然進(jìn)化的自組織理論和全球生態(tài)學(xué)的理論,這些綜合性的學(xué)科已經(jīng)大大豐富和更新了我們的自然圖景。這迫使我們不僅要立足于當(dāng)代物理學(xué)發(fā)展的最新成果,而且還要聯(lián)系到其他學(xué)科發(fā)展的最新成果,樹(shù)立把自然界看成是不斷演化的有機(jī)體的認(rèn)識(shí)原則,去構(gòu)筑最新的完整的自然圖景。這顯然對(duì)哲學(xué)家提出了更高的要求。當(dāng)然,即使如此,物理學(xué)仍然是各門(mén)經(jīng)驗(yàn)自然科學(xué)的基礎(chǔ)。任何對(duì)自然圖景的描述,都不可能脫離這個(gè)基礎(chǔ)。這一發(fā)展趨勢(shì)只是為物理學(xué)哲學(xué)的這一研究途徑開(kāi)辟了更為廣闊的發(fā)展前景。
四
物理學(xué)方法論的研究也是物理學(xué)哲學(xué)的一個(gè)重要內(nèi)容。物理學(xué)理論的發(fā)展總是與物理學(xué)方法的更新與發(fā)展緊密相連,相輔相成的。例如,近代物理學(xué)的誕生,就得益于伽利略,牛頓等人在研究方法上的大膽創(chuàng)造與革新,他們把觀察、實(shí)驗(yàn)等經(jīng)驗(yàn)方法與數(shù)學(xué)、邏輯等理論方法有機(jī)結(jié)合起來(lái),還創(chuàng)造了諸如將形象思維和邏輯思維巧妙結(jié)合的理想實(shí)驗(yàn)方法(伽利略),甚至發(fā)明新的數(shù)學(xué)工具——微積分(牛頓)。這些方法上的成就不僅大大推進(jìn)了物理學(xué)的進(jìn)展,而且具有重大的方法論意義,為以后物理學(xué)的發(fā)展起了巨大的示范作用?,F(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展更清楚地表明,物理學(xué)每前進(jìn)一步,都伴隨著方法上的重大革新與改進(jìn);而物理學(xué)作為一門(mén)基礎(chǔ)科學(xué),它的每一步發(fā)展,又為人們創(chuàng)造新的方法、設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備提供了新的理論基礎(chǔ),從而不僅為本學(xué)科的發(fā)展開(kāi)辟了新的領(lǐng)域,創(chuàng)造了新的條件,而且還大大影響和促進(jìn)了其他學(xué)科的發(fā)展。本世紀(jì)物理學(xué)借助相對(duì)論和量子力學(xué)的相繼建立取得了重大的進(jìn)展,而如何將二者更緊密結(jié)合起來(lái)創(chuàng)造一種統(tǒng)一的物理學(xué)似乎是下個(gè)世紀(jì)物理學(xué)發(fā)展的一個(gè)方向。如何為實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)取得方法上的突破便成了當(dāng)前物理學(xué)方法論研究中的一個(gè)熱門(mén)問(wèn)題。
美國(guó)哲學(xué)家蒯因曾經(jīng)把知識(shí)體系比喻成為一個(gè)整體場(chǎng)。他說(shuō):“整個(gè)科學(xué)是一個(gè)力場(chǎng),它的邊界條件就是經(jīng)驗(yàn),在場(chǎng)的周?chē)?jīng)驗(yàn)的沖突引起內(nèi)部的再調(diào)整?!保ā玻?8)〕,第694頁(yè))也就是說(shuō)科學(xué)的理論陳述和與之相應(yīng)的數(shù)學(xué)、邏輯和形而上學(xué)陳述一起組成了這個(gè)整體的知識(shí)場(chǎng),“根據(jù)任何單一的相反經(jīng)驗(yàn)要給哪些陳述的再評(píng)價(jià)的問(wèn)題上有很大的選擇自由,并無(wú)任何特殊的經(jīng)驗(yàn)是和場(chǎng)內(nèi)部的任何特殊陳述相聯(lián)系的”。(同上)為了適應(yīng)經(jīng)驗(yàn)的變化,例如說(shuō)要解釋一個(gè)新的觀察現(xiàn)象,不僅可以改變理論陳述,也可以調(diào)整其他的陳述,如改變一種數(shù)學(xué)方法,調(diào)整我們的本體論信念,乃至于修改有關(guān)的邏輯規(guī)則,“有人曾經(jīng)提出甚至邏輯的排中律的修正作為簡(jiǎn)化量子力學(xué)的方法”(同上)。蒯因的上述想法并非是純哲學(xué)的思辨?,F(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展已更清楚地表現(xiàn)出了理論與方法之間這種聯(lián)動(dòng)的特征。
首先,現(xiàn)代物理學(xué)對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)和宇宙起源的探索,涉及諸如“夸克禁閉”和真空特性等問(wèn)題,解決這些問(wèn)題,一方面依賴(lài)于理論的進(jìn)一步突破,另一方面也依賴(lài)于實(shí)驗(yàn)手段的改進(jìn)。
其次,本世紀(jì)初,相對(duì)論與量子力學(xué)的思想一經(jīng)形成,就可以在19世紀(jì)下半葉新興的數(shù)學(xué)分支中找到相應(yīng)的數(shù)學(xué)工具,如非歐幾何學(xué)、張量分析、線性代數(shù)等等。在有關(guān)基本粒子的規(guī)范場(chǎng)論中,群論也得到了很好的應(yīng)用,但隨著現(xiàn)代物理學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展,數(shù)學(xué)手段已顯得不夠得力。例如,目前關(guān)于大統(tǒng)一理論的研究難以取得有效的突破,癥結(jié)究竟是在相對(duì)論與量子力學(xué)自身難以統(tǒng)一,需要建立一種能取代二者的新理論,還是缺乏必要的數(shù)學(xué)處理方法就是尚待解決的問(wèn)題。
第三,在量子力學(xué)的賴(lài)辛巴哈解釋中,賴(lài)辛巴哈試圖建立一種消除形式邏輯排中律的三值邏輯來(lái)消除用經(jīng)典語(yǔ)言描述微觀客體行為時(shí)與量子力學(xué)結(jié)論相悖的因果異常。這種新的邏輯形式揭示了用傳統(tǒng)形式邏輯描述不確定現(xiàn)象時(shí)的困難。(參見(jiàn)〔(5)〕)沿著賴(lài)辛巴哈的思路,有人進(jìn)一步發(fā)展出應(yīng)用抽象代數(shù)學(xué)中“格演算”的工具,用基本聯(lián)詞“遇”與“接”來(lái)取代“與”和“或”用以更好地刻劃量子領(lǐng)域中的“亦此亦彼”現(xiàn)象,并使這種最子邏輯可以用一種廣義的命題演算工具表述。(參見(jiàn)〔(23)〕)雖然這一設(shè)想還沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用,但畢竟給我們一個(gè)啟示。量子物理的理論具有高度的辯證性質(zhì),“非此即彼”的形式邏輯思維已不足以解釋量子物理實(shí)驗(yàn)中眾多的“亦此亦彼”的現(xiàn)象,而一種新的邏輯思維方式可能是現(xiàn)代物理學(xué)取得進(jìn)一步突破的關(guān)鍵。這正如日本物理學(xué)家武谷三男所說(shuō):“量子力學(xué)的情況,如果從我們通常的觀念看來(lái),是充滿(mǎn)著矛盾和難以克服的困難,但量子力學(xué)卻是以獨(dú)特的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)卓越而合理地把握了它,要理解這種邏輯結(jié)構(gòu),唯有依靠辯證邏輯?!保ā玻?)〕,第100—101頁(yè))形式邏輯產(chǎn)生了古希臘時(shí)期,是人類(lèi)對(duì)宏觀事件進(jìn)行思維時(shí)對(duì)規(guī)律的總結(jié)。但當(dāng)我們深入到前人未曾接觸過(guò)的微觀和宇觀領(lǐng)域時(shí),由于物質(zhì)決定意識(shí),我們的思維方式是否也應(yīng)該發(fā)生某種變化呢?現(xiàn)在的問(wèn)題是,針對(duì)現(xiàn)代物理學(xué)中出現(xiàn)的一些難以解決的問(wèn)題,如EPR悖論,我們除了繼續(xù)在物理學(xué)理論上尋求突破之外,是否也可以換一種邏輯思維方式,甚至如本世紀(jì)一些杰出物理學(xué)家,如玻爾、普里高津等人所說(shuō)的那樣,現(xiàn)代物理學(xué)可以從古老的東方文化中吸取有益的營(yíng)養(yǎng),來(lái)幫助尋求現(xiàn)代物理學(xué)的突破口呢?
五
以上我們雖然分別評(píng)述了物理學(xué)哲學(xué)研究的不同途徑,但這并不意味著物理學(xué)哲學(xué)研究途徑之間的差別就是涇渭分明的,恰恰相反,正如我們?cè)谏厦鏀⑹鲋幸呀?jīng)表露出來(lái)的那樣,這些研究途徑之間是緊密相連、相輔相成的,其區(qū)別只在于我們研究的問(wèn)題傾重點(diǎn)不同罷了。任何最新自然圖景的構(gòu)建都要建立在自然科學(xué)前沿的研究成果之上,對(duì)自然科學(xué)前沿問(wèn)題的正確理解就是構(gòu)建新自然圖景的關(guān)鍵所在。但任何新理論成就的取得又都離不開(kāi)概念的更新和對(duì)這些概念的澄清。上述研究當(dāng)然也離不開(kāi)對(duì)物理學(xué)方法的反思和創(chuàng)造??傊?,當(dāng)代物理學(xué)哲學(xué)是對(duì)物理學(xué)的歷史與現(xiàn)狀進(jìn)行全面反思的一門(mén)哲學(xué)分支學(xué)科,它的研究既會(huì)對(duì)物理學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展有一定的啟發(fā)作用,也由于涉及到哲學(xué)的本體論、認(rèn)識(shí)論和方法論的各個(gè)方面,又會(huì)對(duì)豐富和發(fā)展當(dāng)代哲學(xué)做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。
近年來(lái),我國(guó)一些物理學(xué)家和自然辯證法工作者運(yùn)用辯證唯物主義思想,從以上各條途徑上全面展開(kāi)了研究,尤其是對(duì)物理學(xué)前沿科學(xué)成果所產(chǎn)生的哲學(xué)問(wèn)題的辯論,例如,涉及到大爆炸宇宙學(xué)的有關(guān)宇宙有限無(wú)限問(wèn)題,涉及到“夸克禁閉”現(xiàn)象的物質(zhì)是否無(wú)限可分問(wèn)題,對(duì)有關(guān)EPR悖論的阿斯佩克特實(shí)驗(yàn)結(jié)果的理解問(wèn)題等等,都引起了哲學(xué)界和部分物理學(xué)家的廣泛關(guān)注。我們還注意到,國(guó)內(nèi)一些哲學(xué)教科書(shū)已經(jīng)根據(jù)上述問(wèn)題的討論充實(shí)和更新了有關(guān)的教學(xué)內(nèi)容,這是值得欣慰的。但我們也應(yīng)當(dāng)看到,我國(guó)目前物理學(xué)哲學(xué)研究的水平與國(guó)外同行相比還有一定差距。其主要表現(xiàn)就是對(duì)當(dāng)代物理學(xué)基本思想的理解還不深,還難以提出獨(dú)到的令物理學(xué)界和哲學(xué)界都信服的觀點(diǎn),而當(dāng)年賴(lài)辛巴哈、波普爾、邦格等哲學(xué)家參與有關(guān)量子力學(xué)基礎(chǔ)問(wèn)題的爭(zhēng)論時(shí),都曾提出過(guò)令當(dāng)時(shí)還健在的量子力學(xué)創(chuàng)始人和眾多諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)金得主都不得不重視的觀點(diǎn)。(參見(jiàn)〔(3)〕、〔(4)〕、〔(5)〕)這主要是因?yàn)槲覈?guó)第一流的物理學(xué)家關(guān)心物理學(xué)哲學(xué)的人數(shù)還太少,而受過(guò)專(zhuān)門(mén)物理學(xué)訓(xùn)練的哲學(xué)工作者(包括自然辯證法工作者)也不多,二者之間交流的機(jī)會(huì)就更少。我們熱情地期待,會(huì)有更多的哲學(xué)和物理學(xué)工作者參加到物理學(xué)哲學(xué)研究的行列中來(lái)。
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強(qiáng)、弱、電三種相互作用的標(biāo)準(zhǔn)模型的建立與精確檢驗(yàn)是20世紀(jì)物理學(xué)最偉大的成就之一,它把基本粒子的強(qiáng)、弱、電三種相互作用的描述成功地統(tǒng)一起來(lái),成為人類(lèi)揭示最深層次物質(zhì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)有力的工具。但是,迄今一直未能把引力統(tǒng)一進(jìn)來(lái)始終是極大憾事。究其原因在于引力的量子化帶來(lái)一系列長(zhǎng)期困擾物理學(xué)界,至今仍難以解決的嚴(yán)重問(wèn)題。積極探尋這些問(wèn)題的解決辦法,近年來(lái)成為理論物理學(xué)家極為關(guān)注的熱點(diǎn)。本書(shū)正是作者為解決問(wèn)題而孜孜不倦、努力奮斗的結(jié)果。在本書(shū)中作者認(rèn)真地考查了這些研究活動(dòng)所涉及的物理概念與哲學(xué)基礎(chǔ),特別是評(píng)論了人們提出的各種建議與模型的前提和自洽性。
作者曾與L.Susskind合作寫(xiě)過(guò)一本關(guān)于黑洞的書(shū),介紹靜態(tài)幾何的量子物理與相對(duì)論以及視界物理的一些信息。然而作者最近研究表明對(duì)于一旦納入動(dòng)力學(xué)描寫(xiě)時(shí),這些結(jié)果必須做一些定性的修改。本書(shū)是作為以前出版的那部書(shū)的進(jìn)一步詳細(xì)的闡釋和擴(kuò)充,但是也包含了一些新的材料,其中包括詳細(xì)考查在相對(duì)論框架內(nèi)納入量子力學(xué)的基本自洽性,包括了動(dòng)力學(xué)空間相關(guān)幾何學(xué),并擴(kuò)展了前一本書(shū)寫(xiě)作中涉及物理學(xué)基礎(chǔ)的一些討論,嘗試探討微觀物理學(xué)中可以與引力的微觀理論自洽的內(nèi)容。本書(shū)特別強(qiáng)調(diào):在尋找最優(yōu)雅的物理現(xiàn)象的模型時(shí)人們必須記?。何锢韺W(xué)是一門(mén)實(shí)驗(yàn)科學(xué)。他希望以此激勵(lì)讀者對(duì)于新知識(shí),特別是通過(guò)實(shí)驗(yàn)探索物質(zhì)性質(zhì)的興趣。
全書(shū)內(nèi)容分成兩大部分,共包括9章。第一部分 伽利略相對(duì)論與狹義相對(duì)論,含第1-4章:1.經(jīng)典狹義相對(duì)論;2.量子力學(xué)、經(jīng)典力學(xué)和狹義相對(duì)論;3.粒子相互作用的微觀形式;4.量子力學(xué)中的群論。 第二部分 廣義相對(duì)論,含第5-9章:5.廣義相對(duì)論基礎(chǔ); 6.彎曲時(shí)空背景中的量子力學(xué);7.視界與陷俘區(qū)的物理學(xué); 8.宇宙學(xué); 9.相互作用系統(tǒng)的引力。
本書(shū)以物理系和自然哲學(xué)領(lǐng)域的大學(xué)生和研究生以及數(shù)學(xué)和粒子物理領(lǐng)域的研究人員為主要的讀者對(duì)象。對(duì)于物理模型以及與主流物理學(xué)自洽的實(shí)驗(yàn)感興趣的理論物理與自然哲學(xué)家也是一部重要的參考書(shū)。但閱讀本書(shū)的讀者應(yīng)當(dāng)具有量子力學(xué)、廣義相對(duì)論、統(tǒng)計(jì)物理學(xué)和物理學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)。
一、反?;魻栃?yīng)的前世
(一)霍爾效應(yīng)
霍爾效應(yīng)是美國(guó)物理學(xué)家霍爾于1879年發(fā)現(xiàn)的一個(gè)物理效應(yīng)。在一個(gè)通有電流的導(dǎo)體中,如果施加一個(gè)垂直于電流方向的磁場(chǎng),由于洛倫茲力的作用,電子的運(yùn)動(dòng)軌跡將產(chǎn)生偏轉(zhuǎn),從而在垂直于電流和磁場(chǎng)方向的導(dǎo)體兩端產(chǎn)生電壓,這一現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)。
霍爾效應(yīng)在應(yīng)用技術(shù)中非常重要,特別是在現(xiàn)代汽車(chē)上廣泛得到應(yīng)用。
(二)量子霍爾效應(yīng)
作為微觀電子世界的量子行為在宏觀尺度上的完美體現(xiàn),量子霍爾效應(yīng)(強(qiáng)磁場(chǎng)中,縱向電壓和橫向電流的比值隨著磁場(chǎng)增強(qiáng)而出現(xiàn)的量子化特點(diǎn))一直在凝聚態(tài)物理研究中占據(jù)著極其重要的地位。1980年左右,德國(guó)科學(xué)家馮·克利青發(fā)現(xiàn)了整數(shù)量子霍爾效應(yīng),獲得1985年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1982年,美國(guó)物理學(xué)家崔琦和施特默等發(fā)現(xiàn)了分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng),這個(gè)效應(yīng)不久由另一位美國(guó)物理學(xué)家勞弗林給出理論解釋?zhuān)麄內(nèi)藰s獲1998年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
量子霍爾效應(yīng)在未來(lái)電子器件中發(fā)揮特殊的作用,可以用于制備低能耗的高速電子器件。例如,如果把量子霍爾效應(yīng)引入計(jì)算機(jī)芯片,將會(huì)克服電腦的發(fā)熱和能量耗散問(wèn)題。然而它需要的強(qiáng)磁場(chǎng)設(shè)備不但價(jià)格昂貴,而且體積龐大(衣柜大?。?,也不適合于個(gè)人電腦和便攜式計(jì)算機(jī)。
二、反常量子霍爾效應(yīng)
1880年,霍爾在研究磁性金屬的霍爾效應(yīng)時(shí)發(fā)現(xiàn),即使不加外磁場(chǎng)也可以觀測(cè)到霍爾效應(yīng),這種零磁場(chǎng)中的霍爾效應(yīng)就是反?;魻栃?yīng)。反?;魻栃?yīng)與普通的霍爾效應(yīng)在本質(zhì)上完全不同,反?;魻栃?yīng)是由于材料本身的自發(fā)磁化而產(chǎn)生的,因此這是一個(gè)全新的量子效應(yīng),有可能是量子霍爾效應(yīng)家族的最后一個(gè)重要成員。如果能在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)零磁場(chǎng)中的量子霍爾效應(yīng),利用其無(wú)耗散的邊緣態(tài)發(fā)展新一代的低能耗晶體管和電子學(xué)器件,從而解決電腦發(fā)熱問(wèn)題和其它的一些瓶頸問(wèn)題,推動(dòng)信息技術(shù)的進(jìn)步。但反常霍爾效應(yīng)的量子化對(duì)材料性質(zhì)的要求非??量?,美國(guó)、德國(guó)、日本等科學(xué)家未取得最后成功。
2009年,清華大學(xué)薛其坤院士帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)向量子反?;魻栃?yīng)的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)發(fā)起沖擊。
2010年,中科院物理所的方忠、戴希理論團(tuán)隊(duì)與拓?fù)浣^緣體理論的開(kāi)創(chuàng)者之一、斯坦福大學(xué)的張首晟等合作,提出了實(shí)現(xiàn)量子反?;魻栃?yīng)的最佳體系。由清華大學(xué)的薛其坤、王亞愚、陳曦、賈金鋒研究組,與中科院物理所的馬旭村、何珂、王立莉研究組及呂力研究組組成的實(shí)驗(yàn)攻關(guān)團(tuán)隊(duì)合作,開(kāi)始向量子反?;魻栃?yīng)的實(shí)驗(yàn)發(fā)起沖擊。截止到2013年的四年中,團(tuán)隊(duì)生長(zhǎng)和測(cè)量了1000多個(gè)樣品,利用分子束外延的方法使之長(zhǎng)出一層幾納米厚的薄膜,然后再摻進(jìn)去鉻離子,生長(zhǎng)了高質(zhì)量的磁性摻雜拓?fù)浣^緣體薄膜,將其制備成輸運(yùn)器件并在幾毫開(kāi)的極低溫度環(huán)境下對(duì)其磁電阻和反?;魻栃?yīng)進(jìn)行了精密測(cè)量。終于發(fā)現(xiàn)在一定的外加?xùn)艠O電壓范圍內(nèi),此材料在零磁場(chǎng)中的反?;魻栯娮柽_(dá)到了量子霍爾效應(yīng)的特征值h/e2~25800歐姆,世界難題得以攻克。薛其坤院士說(shuō):這是我們團(tuán)隊(duì)精誠(chéng)合作、聯(lián)合攻關(guān)的共同成果,是中國(guó)科學(xué)家的集體榮譽(yù)。
三、量子反?;魻栃?yīng)的意義及發(fā)展前景
量子反?;魻栃?yīng)之所以如此重要,是因?yàn)樾?yīng)可能在未來(lái)電子器件中發(fā)揮特殊作用,無(wú)需高強(qiáng)磁場(chǎng),就可以制備低能耗的高速電子器件,例如極低能耗的芯片——這意味著計(jì)算機(jī)未來(lái)可能更新?lián)Q代。
霍爾效應(yīng)是諾貝爾獎(jiǎng)的富礦。最近一次也是第三次與霍爾效應(yīng)有關(guān)的諾貝爾獎(jiǎng)是2010年的諾貝爾物理獎(jiǎng)。2005年,英國(guó)科學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫成功地在實(shí)驗(yàn)中從石墨中分離出石墨烯,在常溫下觀察到量子霍爾效應(yīng)。他們于2010年獲諾獎(jiǎng)。石墨烯這種“超薄的碳膜”厚度只有0.335納米,是至今發(fā)現(xiàn)的厚度最薄和強(qiáng)度最高的材料。
此外,量子自旋霍爾效應(yīng)于2007年被發(fā)現(xiàn),2010年獲得歐洲物理獎(jiǎng),2012年獲得美國(guó)物理學(xué)會(huì)巴克利獎(jiǎng)。
級(jí)別:北大期刊
榮譽(yù):Caj-cd規(guī)范獲獎(jiǎng)期刊
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榮譽(yù):百種重點(diǎn)期刊
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