量子力学结论范例6篇

前言：中文期刊网精心挑选了量子力学结论范文供你参考和学习，希望我们的参考范文能激发你的文章创作灵感，欢迎阅读。

量子力学结论

量子力学结论范文1

关键词：量子力学教学方法改革创新思维

量子力学是研究微观粒子运动规律的科学，自诞生以来它就成功地说明了原子及分子的结构、固体的性质、辐射的吸收与发射、超导等物理现象。作为物理学专业的专业理论课，量子力学在物理学专业中具有极其重要的地位。现代物理学的各个分支，如高能物理、固体物理、核物理、天体物理和激光物理等都是以量子力学为基础，并且已经渗透到化学和生物学等其他学科。同时量子理论还具有巨大的实用价值，半导体器件和材料、激光技术、原子能技术和超导材料等都是以量子力学原理为基础的。

通过对量子力学的学习，学生可以掌握现代科学技术最重要的基础理论，还可以提高科学素质和思想素质，但是量子力学中的概念和解决问题的方法与经典物理有着本质的不同。学生普遍反映量子力学抽象、枯燥、难理解、抓不住重点，学习起来非常困难。针对以上问题，我对教学进行了思考和探讨，采用了一些切实可行的措施，提高了学生的学习兴趣，使学生更好地掌握了量子力学知识，同时培养了学生的创新思维。

一、教学过程中存在的问题

在量子力学的教学过程中，我发现以下几个问题。

1.量子力学是一门十分抽象的课程，其中许多概念、原理都不好理解，并且量子力学从概念到解决问题的方法跟经典物理有着根本性的区别，但是很多学生习惯性地用经典的思想去理解量子力学，这样就不自觉地增加了难度。比如“波粒二象性”，经典物理认为波动性和粒子性是互不相关的、相互独立的，而量子力学认为波动性和粒子性是微观粒子同时具备的两种属性。

2.学习量子力学，数学知识是必不可少的。量子力学中有着繁杂的数学知识，例如，数学分析中的微积分，代数学中的矩阵论，数学物理方程的微分方程，复变函数，等等。在教学过程中发现，不少学生对已学过的数学知识掌握得不是很牢固，在推导公式的过程中忘记了公式所描述的物理内涵，影响了对量子力学知识的理解。

3.由于量子力学的课时紧张，教学过程中采用了传统的教学模式，由教师到学生的“单向传授”的教学形式。学生失去了主体地位，只能被动地接受知识，学习的兴趣和积极性不高，导致教学效率降低。

二、量子力学的教学方法改革

1.采用多种教学手段相结合的教学模式。由于量子力学的内容抽象难懂，又是建立在一系列基本假定的基础之上，不少学生很难接受，甚至认为这门课程没有用处。在量子力学的教学过程中，由单一的教师讲授过渡到板书、录像、课件、演示实验等各种手段相结合的教学模式，将图、文、声、像等信息有机地组合在一起，形象、直观、生动，容易激发学生的学习兴趣。同时，通过网络技术，学生可以享受到本校的教学资源，还可以突破空间的限制，享受到全国高水平的教学资源，从而丰富学生的资料库，也为各学校的师生讨论交流提供一个很好的平台。

随着科学技术的迅速发展，知识更新非常快。在教学中，教师应及时将与量子力学相关的科技前沿和高新技术引入教学中，介绍与量子力学密切相关的课题，阐明科学技术中所蕴含的量子力学原理。如我们在讲解一维无限深势阱时，将其与半导体量子阱和超晶格这一科学前沿相联系；在讲解隧道效应时，将其与扫描隧道显微镜相联系，进而介绍扫描探针操纵单个原子的实验。同时在教学中，我们理论联系实际，多介绍量子力学知识与材料科学、生命科学、环境科学等其他学科之间的密切联系，重点介绍在材料科学中的广泛应用，包括新材料设计、开发新材料、材料成分和结构分析技术等。通过这种方式，学生对这一部分的知识有了直观的认识，从而不再感到量子力学的学习枯燥无味，同时也提高了接受新知识、学习新知识的意识和能力。

2.结合数学知识，把物理情境的建立作为教学的重点。量子力学可以说无处不数学，这门学科对高级数学语言的成功运用，正是它高深与完美的体现。数学虽然加深了物理问题的难度，却维护了理论的严谨性和科学性。当然这不是要求老师从头到尾、长篇冗重地推演计算，合理地修剪枝杈既能让学生抓住重点，又免使学生感到量子力学只是数学公式的推导。对于学习量子力学的同学，可以着重于对物理概念的剖析和物理图像的描绘，绕过数学分析难点，通过简化模型、对称性考虑、极限情形和特例、量纲分析、数量级估计、概念延拓对比等得出结论。定量分析尽量只用简单的高数和微积分、常见的常微分方程，对复杂的数学推导可以不做讲解，只对少数优秀生或感兴趣的同学个别辅导。例如，在求解本征方程时，只介绍动量、定轴转子能量本征值的求解；对无限深势阱情况，薛定谔方程可类比普通物理中的简谐振动方程；对氢原子和谐振子的能量本征值问题，只重点介绍思路、方法和结论，不作详细推导。

3.充分应用类比法，讲述量子力学。经典力学是量子力学的极限情况，在教授过程中，应尽可能找到“经典”对应，应用类比方法讲述量子力学中抽象的概念和物理图像，有助于正确理解量子力学的物理图像。用光的单缝、双缝衍射、干涉说明光的波动性，用光电效应、康普顿散射说明光的粒子性，运用这种方法有利于学生掌握光的波粒二象性。在将量子力学与经典力学类比的同时，还要清楚量子力学与经典力学在观念、概念和方法上的区别。例如，经典力学用位矢、速度描述物体的状态，而量子力学用波函数描述系统状态；经典力学用牛顿第二定律描述状态变化，量子力学用薛定谔方程描述状态的变化。另外对于量子力学中的波粒二象性、态迭加原理、统计原理等都要与经典力学中的相关概念区分开来，类比说明，阐明清楚其真正内涵。

4.改变传统教学模式，采用以学生为主体的教学模式。量子力学的现代教学多以“教师讲授”为主，同时配合多媒体课件辅助教学，教学模式较传统教学有所变化，多媒体课件教学虽然能够在一定程度上激发学生的学习兴趣，但仍然是“填鸭式”的教学法，没能真正地改变传统教学的弊端。因此在教学过程中，要避免课堂成为教师的一言堂，鼓励学生提问，激发学生的逆向思维和非规范性思维等，通过创设问题情境使师生互动起来，提高学生学习量子力学的积极性，加深学生对这门课程的理解。还要组织学生开展相关课题讨论，引导学生自主能动地思考，激发学生的学习兴趣。

三、结语

“量子力学”是物理类专业基础课程中教学的难点和重点，建立新的教学模式，有利于学生学习、理解和掌握这门课程。

参考文献：

［1］曾谨言.量子力学［M］.科学出版社，1997.

［2］周世勋.量子力学教程［M］.高等教育出版社，1979.

［3］胡响明.浅谈量子概念的理解［J］.高等函授学报（自然科学版），2004，（2）：29.

量子力学结论范文2

关键词:多媒体;量子力学;教学效率

一、前言

《量子力学》课程是物理学科的一门重要的基础课。量子力学是研究微观粒子的运动规律的物理学分支学科，它主要研究原子、分子、凝聚态物质，以及原子核和基本粒子的结构、性质的基础理论，它与相对论一起构成了现代物理学的理论基础。量子力学不仅是近代物理学的基础理论之一，还在化学等相关学科和许多近代技术中得到了广泛的应用。

由于《量子力学》课程的重要性，其相关的教学得到了相当的重视，通常每周是4个学时的课程量。众所周知，《量子力学》是一门既难学又难教的课程，一是因为其中涉及的概念和我们日常生活(或者说常识)相距甚远，二是所学习的数学课程比较多，主要有高等数学、数学物理方法、线性代数等，几乎包括了物理专业学生所学过的全部数学课程。概念抽象，远离日常经验，计算复杂，使《量子力学》成为一门难学难教的课程。

随着电气化教学的发展，现在有越来越多的课程开始使用多媒体教学，并且取得了一定的成效，当然同时也显露了一些问题。本文拟对《量子力学》课程中使用多媒体教学的优缺点进行分析，并就如何在传统板书教学和多媒体教学之间达到最好的效果给出一些建议。

二、在《量子力学》课程中使用多媒体教学的利弊

众所周知，多媒体教学是教学手段创新的重要内容之一。多媒体教学是现代科学技术在教育工作中的运用，即应用先进的技术手段，把录音机、电视机、录像机、视频展示台、投影机、多媒体计算机等引进课堂，将通讯技术、网络技术、电子邮件、卫星远程通讯、传真通讯、虚拟现实等新的教育媒体逐步运用于教学，充分发挥其优势，增加教学的密度，调动学生的学习积极性。其主要的优点有:

(1)有利于提高课堂教学效率。传统的课堂教学，教师展示知识的空间只是一块容量有限的黑板，教学时间有限，教师不得不将很大一部分精力放在板演文字、绘画等低效的劳动上。这样的课堂教学往往呆板、僵化，缺乏生机与活力，效率不高。运用多媒体教学，可以将大量的教学信息预置在计算机内，随时调用，任意切换，将相关的图形、图像，生动、直观地投影到屏幕上，学生可从视觉、听觉等多方面感受知识，加深对教学内容的理解。

在《量子力学》课程中，如对于氢原子各级波函数，就可以直接使用图像形象地表示出来，可以给学生以强烈的印象，使物理结果更易于理解，同时也容易激起学生的学习热情。若使用传统板书手工绘制电子云图，一则手工画图速度慢，二则不很准确，直接影响教学效率。有的Flash格式的课件，可以通过输入和调整主量子数、角量子数、磁量子数，即时把原子轨道轮廓图和径向分布图表示出来，用色鲜艳，对比强烈，给人以深刻的印象，这样效果是很明显的。

(2)能够激发学生的学习热情。多媒体技术因其图文并茂、声像俱佳的表现形式和跨越时空的非凡表现力，大大增强了学生对事物与过程的理解与感受，体现了极强的直观性，能够全方位、多角度、多层次地调动学生的情绪、注意力和兴趣，使学生能够主动地学习。

在《量子力学》课程中，比如在绪论部分，可适当地介绍一下在量子力学发展史上一些著名科学家的简历，如普朗克、爱因斯坦、玻尔、泡利、海森堡、费曼等，使用多媒体可通过文字、音像资料充分表现，这可以活跃课堂气氛，有助于促进学生对科学的热爱，包括对《量子力学》课程的兴趣。

(3)多媒体教学可以拓展教学时空。学生也可以通过拷贝电子教案和网上阅读电子教案进行课后复习，逐渐改变学生过于依赖课堂、过于依赖教师的传统教学模式，加强学生获取知识的能力，有助于创新人才的培养和学生个性的发展。事实上，我们可从网络上看到许多名师的教学课件，通过对课件的学习，无论对于学生还是教师都是有益的。这不论对《量子力学》课程还是其他课程都是一样的。

(4)动态交互性强。人机交互、立即反馈是多媒体技术的显著特点，也是任何其他媒体所没有的。在这种交互式学习环境中，教师通过创设形象直观、生动活泼的交互式教学情境，为学生提供更多的参与机会。教师与学生的交流、学生与学生交流、人机交流的良性互动，能激发学生的学习兴趣及参与意识，可以充分发挥学生的主观能动性，使学习更为主动，从而有利于学生形成新的认知结构。

(5)理论联系实践的功能大大增强。运用多媒体技术可以采用虚拟实验实现对普通实验的扩充，甚至现实环境很难实现或无法实现的实验项目，可以用图形、图像等多媒体形式，模拟实验全过程。借助有关的教学软件，通过对真实情景的再现和模拟，学生可以随时在电脑上“重温”实验过程。

在《量子力学》课程中涉及的实验不多，主要有黑体辐射、电子衍射实验、Stern-Gelach实验等。在展现实验过程和结果时，多媒体可发挥其优越性。如电子衍射实验，通过减弱电子流强度使粒子一个一个地被衍射，粒子一个个随机的被打到屏幕各处，显示粒子性，但经过足够长的时间，所得衍射图样和大量电子同时衍射所得图样一样，从而引出波函数的统计诠释。使用多媒体动画，我们可形象地展现电子一个一个打到屏幕上最后得到衍射图样的过程。这是在黑板上自己手工画图的效果所不能比拟的。

以上我们讨论了使用多媒体教学体现出的优越性。开展多媒体教学时一定要处理好内容与形式的关系。形式为内容服务，这是教学的一个基本原则，多媒体教学也不例外。教学体现的是教师和学生之间的一个沟通过程，在此过程中，如何恰当地使用多媒体技术应引起我们的注意。如果我们仔细分析，可以发现在多媒体教学中，特别是在《量子力学》教学中同样存在着较多的问题，值得引起我们的注意。

(1)忽视双向交流。在多媒体教学中，如果不注意的话，教师可能会较多的注意桌面点击，表演课件，而在一定的程度上忽视和学生的双向交流。不过相对来说，这一点只要讲课老师适当注意，就能够减小这方面的不利影响。

(2)数学推导的欠缺。

在《量子力学》课程中，由于涉及到的数学计算较多，在讲课过程中无法避免地会出现较多的数学推导。面对整个多媒体中大片的公式，学生很容易感到疲倦，甚至失去兴趣，从而使教学效果大打折扣。

从某种意义上来说，如果学了一门理论物理的课，学生却不能够把公式推导出来，就教学效果而言，是一个很大的遗憾。使用板书可让学生真实地看到教师如何把结论一步一步地推导出来，与使用多媒体相比，学生更容易掌握板书的推导，且学生本身的数学推导能力也能较快地提高。甚至教师在推导过程中偶然的失误也会促进学生的了解，至少可以让学生知道哪些地方如果不注意的话可能会弄错。

不过，过于复杂且教学大纲又不作要求的数学推导可以通过多媒体进行，一是让学生看到了结论是如何出来的，二又避免了把过多的时间投入于此，毕竟课堂时间是有限的。比如一维谐振子波函数，氢原子角向波和径向波函数。在教科书上，对氢原子角向波函数，常常直接说在《数学物理方法》课程中已经得到解，为球谐函数，然后就直接给出了结论，由于课时的原因，不可能对此进行详细的阐述。事实上学生有可能已经遗忘了相关内容，因此相应的复习还是必要的。通过多媒体简略地展示下相关推导过程可能是一个比较好的选择。

三、结论

前面我们分别讨论了在《量子力学》课程中使用多媒体教学中存在着的优缺点。为了有效提高教学效果，笔者认为应当综合的使用传统板书教学和多媒体教学，在讲授基本概念和有较多的图表时，可多使用多媒体教学，但应适当使用，而在讲数学推导时仍应使用传统板书，少用甚至不使用多媒体。

参考文献

[1]韩芳.多媒体教学存在问题及对策分析[J].重庆工学院学报，2004，(18):143.

[2]唐利军.多媒体教学的思考[J].吉林广播大学学报，2005，(69):1.

量子力学结论范文3

关键词：量子力学；经典科学世界图景；非机械决定论；整体论；复杂性；主客体互动

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

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

经典科学基本上是指由培根、牛顿、笛卡儿等开创的，近三百年内发展起来的一整套观点、方法、学说。经典科学世界图景的最大特征是机械论和还原论，片面强调分解而忽视综合。以玻尔、海森伯、玻恩、泡利、诺伊曼等为代表的哥本哈根学派的量子力学理论三部曲：统计解释—测不准原理—互补原理所反映的主要观点是：微观粒子的各种力学量（位置、动量、能量等）的出现都是几率性的；量子力学对微观粒子运动的几率性描述是完备的，对几率性的原因不需要也不可能有更深的解释；决定论不适用于量子力学领域；仪器的作用同观察对象具有不可分割性，确立了科学活动中主客体互动关系。[1]量子力学的发展从根本上改变了经典科学世界图景。

一、量子力学突破了经典科学的机械决定论，遵循因果加统计的非机械决定论

经典力学是关于机械运动的科学，机械运动是自然界最简单也是最普遍的运动。说它最简单，因为机械运动比较容易认识，牛顿等人又采取高度简化的方法研究力学，获得了空前成功；说它最普遍，因为机械力学有广泛的用途，容易把它绝对化。[2]机械决定论是建立在经典力学的因果观之上，解释原因和结果的存在方式和联系方式的理论。机械决定论认为因和果之间的联系具有确定性，无论从因到果的轨迹多么复杂，沿着轨迹寻找总能确定出原因或结果；机械决定论的核心在于只要初始状态一定，则未来状态可以由因果法则进行准确预测。[3]其实，机械决定论仅仅适用于宏观物体，而对于微观领域以及客观世界中大量存在的偶然现象的研究就产生了统计决定论。[4]

量子力学是对经典物理学在微观领域的一次革命。量子力学所揭示的微观世界的运动规律以及以玻尔为代表的哥本哈根学派对量子力学的理解，同物理学机械决定论是根本相悖的。[5]按照量子理论，微观粒子运动遵守统计规律，我们不能说某个电子一定在什么地方出现，而只能说它在某处出现的几率有多大。

玻恩的统计解释指出，因果性是表示事件关系之中一种必然性观念，而机遇则恰恰相反地意味着完全不确定性，自然界同时受到因果律和机遇律的某种混合方式的支配。在量子力学中，几率性是基本概念，统计规律是基本规律。物理学原理的方向发生了质的改变：统计描述代替了严格的因果描述，非机械决定论代替了机械决定论的统治。

经典统计力学虽然也提出了几率的概念，但未能从根本上动摇严格决定论，量子力学的冲击则使机械决定论的大厦坍塌了。量子力学揭示并论证了人们对微观世界的认识具有不可避免的随机性，它不遵循严格的因果律。任何微观事件的测定都要受到测不准关系的限定，不可能确切地知道它们的位置和动量、时间和能量，只能描述和预言微观对象的可能的行为。因此，量子力学必须是几率的、统计的。而且，随着认识的发展，人们发现量子统计的随机性，不是由于我们知识和手段的不完备性造成的，而是由微观世界本身的必然性（主客体相互作用）所注定。

二、量子力学使得科学认识方法由还原论转化为整体论

还原论作为一种认识方法，是指把高级运动形式归结为低级运动形式，用研究低级运动形式所得出的结论代替对高级运动形式的本质认识的观点。它用已分析得出的客观世界中的主要的、稳定的观点和规律去解释、说明要研究的对象。其目的是简化、缩小客体的多样性。这种方法在人类认识处于初级水平上无疑是有效的。如牛顿将开普勒和伽利略的定律成功地还原为他的重力定律。但是还原论形而上学的本质，以及完全还原是不可能的，决定了还原论不能揭示世界的全貌。

量子力学认为整体与部分的划分只有相对意义，整体的特征绝非部分的叠加，而是部分包含着整体。部分作为一个单元，具有与整体同等甚至还要大的复杂性。部分不仅与周围环境发生一定的外在联系，同时还要表现出“主体性”，可将自身的内在联系传递到周边，并直接参与整体的变化。因而，部分与整体呈现了有机的自觉因果关系。在特定的临界状态，部分的少许变化将引起整体的突变。[6]

波粒二象性是微观世界的本质特征，也是量子论、量子力学理论思想的灵魂。用经典观点来看，也就是按照还原论的思想，粒子与波毫无共同之处，二者难以形成直观的统一图案，这是经典物理学通过部分还原认识整体的方法，是“向上的原因”。可是微观粒子在某些实验条件下，只表现波动性；而在另一些实验条件下，只表现粒子性。这两种实验结果不能同时在一次实验中出现。于是，玻尔的互补原理就在客观上揭示了微观世界的矛盾和我们关于微观世界认识的矛盾，并试图寻找一种解决矛盾的方法，这就是微观粒子既具有粒子性又具有波动性，即波粒二象性。这就是整体论观点强调的“向下的原因”，即从整体到部分。同样，海森伯的测不准原理说明不能同时测量微观粒子的动量和位置，这也说明绝不能把宏观物体的可观测量简单盲目地还原到微观。由此我们可以看出，造成经典科学观与现代科学观认识论和方法论不同的根本在于思考和观察问题的层面不同。经典科学一味地强调外在联系观，而量子力学则更强调关注事物内部的有机联系。所以，量子力学把内在联系作为原因从根本上动摇了还原论观点。

三、量子力学使得科学思维方式由追求简单性发展到探索复杂性

从经典科学思维方式来看，世界在本质上是简单的。牛顿就说过，自然界喜欢简单化，而不喜欢用什么多余的原因以夸耀自己。追求简单性是经典科学奋斗的目标，也是推动它获取成功的动力。开普勒以三条简明的定律揭示了看似复杂的太阳系行星运动，牛顿更是用单一的万有引力说明了千变万化的天体行为。因而现代科学是用简单性解释复杂性，这就隐去了自然界的丰富多样性。

量子力学初步揭示了客观世界的复杂性。经典科学的简单性是与把物理世界理想化相联系的。经典物理学所研究的是理想的物质客体。它不但用理想化的“质点”、“刚体”、“理想气体”来描述物体，而且把研究对象的条件理想化，使研究的视野仅仅局限于人们自己制定的范围之内。而客观世界并不是如此，特别是进入微观领域，微观粒子运动的几率性、随机性；观测对象和观测主体不可分割性等都足以说明自然界本身并不是我们想象的那么简单。

在现代科学中，牛顿的经典力学成了相对论的低速现象的特例，成为非线性科学中交互作用近似为零的情况，在量子力学中是测不准关系可以忽略时的理论表述。复杂性的提出并不是要消灭简单性，而是为了打破简单性独占的一统地位。复杂性是把简单性作为一个特例包含其中，正如莫兰所说的，复杂性是简单性和复杂性的统一。复杂性比简单性更基本，可能性比现实性更基本，演化比存在更基本。[7]今天的科学思维方式，不是以现实来限制可能，而是从可能中选择现实；不是以既存的实体来确定演化，而是在演化中认识和把握实体。复杂性主张考察被研究对象的复杂性，在对其作出层次与类别上的区分之后再进行沟通，而不是仅仅限于孤立和分离，它强调的是一种整体的协同。

四、量子力学使科学活动中主客体分离迈向主客互动

经典科学思维方式的一个指导观念就是，认为科学应该客观地、不附加任何主观成分地获取“照本来样子的”世界知识。玻尔告诉人们，根本不存在所谓的“真实”，除非你首先描述测量物理量的方式，否则谈论任何物理量都是没有意义的！测量，这一不被经典物理学考虑的问题，在面对量子世界如此微小的测量对象时，成为一个难以把握的手段。因为研究者的介入对量子世界产生了致命的干扰，使得测量中充满了不确定性。在海森伯看来，在我们的研究工作由宏观领域进入微观领域时，我们就会遇到一个矛盾：我们的观测仪器是宏观的，可是研究对象却是微观的；宏观仪器必然要对微观粒子产生干扰，这种干扰本身又对我们的认识产生了干扰；人只能用反映宏观世界的经典概念来描述宏观仪器所观测到的结果，可是这种经典概念在描述微观客体时又不能不加以限制。这突破了经典科学完全可以在不影响客体自然存在的状态下进行观测的假定，从而建立了科学活动中主客体互动的关系。

例如，关于光到底是粒子还是波，辩论了三百多年。玻尔认为这完全取决于我们如何去观察它。一种实验安排，人们可以看到光的波现象；另一种实验安排，人们又可以看到光的粒子现象。但就光子这个整体概念而言，它却表现出波粒二象性。因此，海森伯就说，我们观测的不是自然本身，而是由我们用来探索问题的方法所揭示的自然。[8]

量子力学的发展表明，不存在一个客观的、绝对的世界。唯一存在的，就是我们能够观测到的世界。物理学的全部意义，不在于它能够描述出自然“是什么”，而在于它能够明确，关于自然我们能够“说什么”。

参考文献：

[1]林德宏.科学思想史[M].第2版.南京：江苏科学技术出版社，2004：270-271.

[2]郭奕玲，沈慧君.物理学史[M].第2版.北京：清华大学出版社，1993：1-2.

[3]刘敏，董华.从经典科学到系统科学[J].科学管理研究，2006，24(2)：44-47.

[4]宋伟.因果性、决定论与科学规律[J].自然辩证法研究，1995,11(9)：25-30.

[5]彭桓武.量子力学80寿诞[J].大学物理，2006，25(8)：1-2.

[6]疏礼兵，姜巍.近现代科学观的演进及其启示[J].科学管理研究，2004,22(5)：56-58.

量子力学结论范文4

[关键词]量子体系对称性守恒定律

一、引言

对称性是自然界最普遍、最重要的特性。近代科学表明，自然界的所有重要的规律均与某种对称性有关，甚至所有自然界中的相互作用，都具有某种特殊的对称性——所谓“规范对称性”。实际上，对称性的研究日趋深入，已越来越广泛的应用到物理学的各个分支：量子论、高能物理、相对论、原子分子物理、晶体物理、原子核物理，以及化学（分子轨道理论、配位场理论等）、生物（DNA的构型对称性等）和工程技术。

何谓对称性？按照英国《韦氏国际辞典》中的定义：“对称性乃是分界线或中央平面两侧各部分在大小、形状和相对位置的对应性”。这里讲的是人们观察客观事物形体上的最直观特征而形成的认识，也就是所谓的几何对称性。

关于对称性和守恒定律的研究一直是物理学中的一个重要领域，对称性与守恒定律的本质和它们之间的关系一直是人们研究的重要内容。在经典力学中，从牛顿方程出发，在一定条件下可以导出力学量的守恒定律，粗看起来，守恒定律似乎是运动方程的结果．但从本质上来看，守恒定律比运动方程更为基本，因为它表述了自然界的一些普遍法则，支配着自然界的所有过程，制约着不同领域的运动方程．物理学关于对称性探索的一个重要进展是诺特定理的建立，定理指出，如果运动定律在某一变换下具有不变性，必相应地存在一条守恒定律．简言之，物理定律的一种对称性，对应地存在一条守恒定律．经典物理范围内的对称性和守恒定律相联系的诺特定理后来经过推广，在量子力学范围内也成立．在量子力学和粒子物理学中，又引入了一些新的内部自由度,认识了一些新的抽象空间的对称性以及与之相应的守恒定律，这就给解决复杂的微观问题带来好处，尤其现在根据量子体系对称性用群论的方法处理问题，更显优越。

在物理学中，尤其是在理论物理学中，我们所说的对称性指的是体系的拉格朗日量或者哈密顿量在某种变换下的不变性。这些变换一般可分为连续变换、分立变换和对于内禀参量的变换。每一种变换下的不变性，都对应一种守恒律，意味着存在某种不可观测量。例如，时间平移不变性，对应能量守恒，意味着时间的原点不可观测；空间平移评议不变性，对应动量守恒，意味着空间的绝对位置不可观测；空间旋转不变性，对应角动量守恒，意味着空间的绝对方向不可观测，等等。在物理学中对称性与守恒定律占着重要地位,特别是三个普遍的守恒定律——动量、能量、角动量守恒，其重要性是众所周知，并且在工程技术上也得到广泛的应用。因此，为了对守恒定律的物理实质有较深刻的理解，必须研究体系的时空对称性与守恒定律之间的关系。

本文将着重讨论非相对论情形下讨论量子体系的时空对称性与三个守恒定律的关系，并在最后给出一些我们常见的对称变换与守恒定律的简单介绍。

二、对称变换及其性质

一个力学系统的对称性就是它的运动规律的不变性，在经典力学里，运动规律由拉格朗日函数决定，因而时空对称性表现为拉格朗日函数在时空变换下的不变性．在量子力学里，运动规律是薛定谔方程，它决定于系统的哈密顿算符，因此，量子力学系统的对称性表现为哈密顿算符的不变性。

对称变换就是保持体系的哈密顿算符不变的变换．在变换S（例如空间平移、空间转动等）下，体系的任何状态ψ变为ψ（s）。

三、对称变换与守恒量的关系

经典力学中守恒量就是在运动过程中不随时间变化的量，从此考虑过渡到量子力学，当是厄米算符，则表示某个力学量，而

然而,当不是厄米算符,则就不表示力学量.但是，若为连续变换时，我们就很方便的找到了力学量守恒。

设是连续变换，于是可写成为=1+IλF,λ为一无穷小参量，当λ0时，为恒等变换。考虑到除时间反演外，时空对称变换都是幺正变换，所以

（8）式中忽略λ的高阶小量，由上式看到

即F是厄米算符，F称为变换算符的生成元。由此可见，当不是厄米算符时，与某个力学量F相对应。再根据可得

可见F是体系的一个守恒量。

从上面的讨论说明，量子体系的对称性，对应着力学量的守恒，下面具体讨论时空对称性与动量、能量、角动量守恒。

1.空间平移不变性（空间均匀性）与动量守恒。

空间平移不变性就是指体系整体移动δr时，体系的哈密顿算符保持不变．当没有外场时，体系就是具有空间平移不变性。

设体系的坐标自r平移到，那么波函数ψ(r)变换到ψ(s)(r)

2.空间旋转不变性（空间各向同性）与角动量守恒

空间旋转不变性就是指体系整体绕任意轴n旋δφ时，体系的哈密顿算符不变。当体系处于中心对称场或无外场时，体系具有空间旋转不变性。

3.时间平移不变性与能量守恒

时间平移不变性就是指体系作时间平移时，其哈密顿算符不变。当体系处于不变外场或没有外场时，体系的哈密顿算符与时间无关（），体系具有时间平移不变性。

和空间平移讨论类似，时间平移算符δt对波函数的作用就是使体系从态变为时间平移态：

同样，将（27）式的右端在T的领域展开为泰勒级数

四、结语

从上面的讨论我们可以看到，三个守恒定律都是由于体系的时空对称性引起的，这说明物质运动与时间空间的对称性有着密切的联系，并且这三个守恒定律的确立为后来认识普遍运动规律提供了线索和启示，曾加了我们对对称性和守恒定律的认识．对称性和守恒定律之间的联系，使我们认识到，任何一种对称性，或者说一种拉格朗日或哈密顿的变换不变性，都对应着一种守恒定律和一种不可观测量，这一结论在我们的物理研究中具有极其重要的意义，尤其是在粒子物理学和物理学中，重子数守恒、轻子数守恒和同位旋守恒等内禀参量的守恒在我们的研究中起着重要的作用．下表中我们简要给出一些对称性和守恒律之间的关系。

参考文献

［1］戴元本.相互作用的规范理论，科学出版社，2005.

［2］张瑞明,钟志成.应用群伦导引.华中理工大学出版社，2001.

［3］A.W.约什.物理学中的群伦基础.科学出版社，1982.

［4］W.顾莱纳，B.缪勒.量子力学：对称性.北京大学出版社，2002.

［5］于祖荣.核物理中的群论方法.原子能出版社，1993.

［6］卓崇培，刘文杰.时空对称性与守恒定律.人民教育出版社，1982.

［7］曾谨言，钱伯初.量子力学专题分析（上册）.高等教育出版社，1990.207-208.

［8］李政道.场论与粒子物理（上册）.科学出版社，1980.112-119.

量子力学结论范文5

21世纪，人类已全面进入信息时代，人们生活的方方面面都离不开信息的交换，从农耕时代的相互喊话，到古代的飞鸽传书，接着产生了电报、传真，然后是大哥大，BB机，现在，世界各地都通过互联网联系起来，即便想隔千里，也可用手机通话，发短信，用QQ、MSN与世界另一端的朋友聊天。

网络的速度是非常快的，电子在线缆中的传输速度接近光速，无线电池也是一种电磁波，能以光速传播，大洋之中也铺设有光纤，使信息跨越数万公里如转瞬即逝，按照光速30万公里每秒来计算，围绕地球一圈只需0.13秒，因此，即使我们拨打越洋电话，时间上的延迟可以说是忽略不计的。

随着人类的脚步迈入太空，一个难题已摆在人类面前，那就是宇宙空间的巨大，通讯时间上的延迟已经达到了不可忽略的程度。比如美国六十年代的阿波罗计划，人类登上月球之后，靠电波与地球保持联系，由于月球与地球距离38万公里，所以电磁波一去一回便要消耗两秒多的时间，指挥中心说的话要1秒多那边才听到，那边说的话也要1秒多这边才听到，这给信息的实时交流造成了不小的麻烦。

如果说两秒钟的延迟还可以接受，那么更远距离的通讯就会影响巨大，比如2003年美国发射到火星的勇气号与机遇号探测器，由于火星到地球的距离一直在改变，最近大约为5500万公里，最远的有4亿多公里，也就是说光从地球到火星最少要用3分多钟，最多要20多分钟，所以平均下来，从地球发向火星的指令需要十几分钟的时间，这就对探测器的控制造成了很大的影响，如果要对一个错误指令做出修改，就需要十几分钟才能传到，可能这个错误指令已造成许多严重后果，事实上，机遇号和勇气号也因此重启系统多次；勇气号更是在09年4月由于错误指令被困于沙坑中，待指挥中心发出修正指令已经晚了，直到现在，勇气号仍没有脱困，并且可能永久困在这个沙坑中了。

如果再将距离放大，扩展到太阳系外，各种信息在时间上的延迟已达到了惊人的程度，目前人类飞行最远的航天器是1977年9月发射的旅行者号1号（Voyagor 1）它目前已达到太阳系边缘，距太阳170亿公里，大于111个天文单位，（Astronomical Unit,1天文单位是地球到太阳的平均高，约1.496亿公里），它发射的信号要13小时才能到达地球，如果它发生什么意外，信息传回地球已是13小时之后了，这时再处理，这些事件已无力回天。

所以，人类如果想要成功的进军太空，走出太阳系，我们就必须要解决通讯的时间延迟这一问题，下面，我将介绍一下我自己的一点想法以及对前人已有设想做一个小结。

一、理论基础

在介绍我的想法之前，有必要说一说量子力学这一理论，量子力学（Quantum Mechanics）是研究微观粒子的运动规律的物理学分支学科，主要研究各科基本粒子的结构，性质。它在20世纪初由普朗克，玻尔，海森堡，薜定谔等物理学家共同创立以弥补经典物理在描述微观世界的不足。直到现在量子力学已与相对论成为现代物理的两大基础理论。

随着量子力学的发展越来越多关于微观世界的奇怪性质被人们所了解，它作出了许多对微观世界物理现象的预言，其中大部分都已被证明是确实存在的，这其中也有许多在常人看来难以致信的结论，有海森堡测不准（Uncertainty Principle）原理，思想实验薜定谔的猫等，这些结论都反映了微观世界的不确定性和随机性。在这其中有一个最令人惊讶的结论，也是我的想法的理论基础，那就是微观粒子间的量子纠缠（Quantum entanglement），它是由两个以上的多个粒子组成的复合系统，简单的说，就是两个粒子在特定情况下会产生某种特殊关联性（correlation），最令人吃惊的是如果影响其中一个粒子，另一个粒子就会同时发生一些性质的改变，它们是等时的，没有时间上的延迟，这个结论与相对论的基本设定一切物质能量的速度都不可能超过光速相违背，因此，爱因斯坦与当时多位物理学家联合起来反对量子力学。可是事实胜于雄辩，随着人类技术的发展，1997年，奥地利物理学家首次实现了量子纠缠态的实验，这一研究不断取得可喜成果，到了2009年，中国科大和清华大学在北京架设了厂16公里的信息通道，并成功地进行了量子通讯实验。创造了目前量子通讯最远距离的世界纪录。

二、设想

虽然各种实验的成果是可喜的，但是我们还有很多问题要解决，比如我们目前进行的实验都是有线的传播信息的两地需要光纤连接，并且目前我们只成功实现了光子的量子纠缠。

科技总是在不断进步，这些难题终究会被克服，我们应该思考的时如何应用这些成果，又一海森堡测不准原理，我们不可能同时测出一个粒子在某一时刻的位置和动量，因此我们要获取从另一个粒子传过来的信息，就有了困难，我的想法是，利用超对称粒子来实现量子通讯，所谓超对称（SuPer symmetry)就是一种基本粒子间的关系，目前基本粒子可分为两类，一类叫波色子（Boson），它们的自旋为整数，如光子为1，一类叫费米子（Fermion）,它们的自旋为半整数，如电子的自旋为1/2，根据超对称理论，每一种波色子都有一种与它对称的费米子，并且它们之间能够相互转换，如果我们使一对超对称粒子产生量子纠缠，并将它们固定在磁场中，那么改变一个粒子的自旋，另一个粒子的自旋也会一起改变，这样就会方便观察了。

要实现量子通讯就必须随时测量一对粒子的状态，这样做投资就会很巨大，那么能不能有一种能够直接读出信息的方法呢?其实对于这一问题已经有了一些设想的解决方案。科幻小说往往走在技术的前面，引导着技术的发展，在中国当代最具有实力的科幻作家刘慈欣的作品《三体》中就给出了一种解决方案：

量子力学结论范文6

[关键词]量子体系、对称性、守恒定律

一、关于对称性和守恒定律的研究