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相对论与量子力学的矛盾范文1
经典物理的产生一般认为从文艺复兴时期开始，前期经过许多科学家，特别是伽利略、笛卡尔、惠更斯等先贤的努力，建立起力学的实验基础。牛顿总结前人的成果，确立了经典力学的基本理论体系，麦克斯韦、玻尔兹曼等确立了经典统计力学和电磁场理论。经典物理经过几百年的不断发展和完善，形成了自然科学中唯一有完整的理论、思想、数学推理和研究方法体系的学科。牛顿力学和麦克斯韦电动力学号称经典物理的两大支柱，牛顿和麦克斯韦在物理学界的位置，可以相比于中医学的先圣张仲景。
现代物理从20世纪初始兴起，由爱因斯坦、玻尔为代表的众多科学家的杰出工作，创立了相对论和量子力学，开创了物理学的新局面。以相对论和量子力学标志的、研究微观、高速物理现象的新的理论和方法体系，统称现代物理学。现代物理学在原子、分子、固体、原子核、天体力学和宇宙学、等离子体、激光技术、基本粒子、半导体、超导的研究中得到了广泛的应用。
有人称相对论和量子力学的创立是“物理学上的一次革命”。更多的局外人则认为现代物理是一种全新的理论，完全推翻和取代了经典物理学，经典物理已经完成了自己的历史使命，现代社会已经不再需要她。这其实是一种误解。如果我们从历史和现实的的角度重新审视事实，就会发现，经典物理没有被抛弃，她不仅是现代物理产生的温床、理论与方法的启示、研究的工具，更是现代社会的顶梁柱，仍在现今众多高科技领域中发挥着不可替代的作用。下面，我从以下三个方面讨论现代物理与经典物理的关系，从而说明重视经典是物理发展的需要，是现代科学、社会发展的需要。
1 现代是经典恰当的扩展
爱因斯坦在创立狭义相对论时，提出了两个基本假定：相对性原理和光速不变原理[1]。首先我们注意到，爱因斯坦的相对性原理与伽利略相对性原理惊人地相似，比较一下就可以看到：
伽利略相对本文由收集整理性原理（由伽利略等人经过反复多次的实验检验而提出）：一个相对于惯性参照系做匀速直线运动的系统，其内部所发生的一切力学过程，都不受系统运动的影响，或一切惯性系统都是等价的。
爱因斯坦假定，不仅力学过程，所有的物理过程都不受系统运动的影响，即：
物理学的基本规律在相互作匀速运动的一切参照系中都是相同的；或：一切惯性系统都是等价的。
从中我们不仅看出，爱因斯坦对伽利略的相对原理有着非常深刻的、超出常人的理解，已经达到了熟能生巧的地步，自然会有如此随手拈来、为我所用的“上工”境界；也看出创造经典的先贤们的超前意识和睿智之魅力所在。
再看光速不变原理，只要对经典电磁理论稍有了解的人都会发现，麦克斯韦的电磁理论完全可以给出明确的关于光速不变的预言。这是因为，只要从著名的麦克斯韦方程组出发，利用简单的数学推演，可以毫不困难地导出电磁场波动方程，不仅预言了电磁波的存在，还给出了电磁波在真空中的传播速度。用c表示电磁波在真空中的速度，c的大小是：
c=■≈3.0×10■米秒
其中μ■为真空磁导率，ε■为真空介电常数，由于μ■和ε■数值的大小固定，与参照系的选择无关，换句话说，与系统的运动状态无关，这正是光速（光属于电磁波）不变原理。
爱因斯坦在创立狭义相对论时，对当时著名的、能够证明光速不变的迈克耳孙光干涉实验并不知晓，他能参考的资料只有经典电动力学，麦克斯韦方程组和电磁场波动方程表达的深刻内涵才是他提出光速不变假设的根据。
2 现代是对经典的包容而非否定
无论是相对论和量子力学，都无法否定经典物理，也没有否定经典的企图。相反，所有的新理论都试图找到和经典的联系，如果找不到应有的联系，这样的新理论有可能破产。所以，相对论和量子力学实际都包含了经典。这与所有的后世中医大家，在发表自己的新见解时，都要证明自己的观点与《内经》、《伤寒论》有内在联系如出一辙。
相对性原理最著名的数学表示即洛仑兹变换，具体表述如下：设两个相对有匀速运动，速度为v参照系统，它们沿v方向各自建立的直角的坐标系分别为x，y，z，t和x’，y’，x’，z’，t’，若初始时，两坐标原点重合，两坐标系由以下变换公式[1]联系：
x′=■ y′=y z′=z t′=■
式中 c 是前面提到的光速，具体数值为30万公里每秒。我们通常能见到的物体运动速度，如汽车、火车、飞机，能达到1公里每秒的速度并不多见，宇宙飞船的速度，也最多达到10几公里每秒，即使将来提高100倍，与光速相比仍显得微不足道。而上式表明，当系统的相对速度v远远达不到光速的时候，（日常中大量事实正是如此）上面的公式就变成伽利略变换：
x′=x-vt y′=y z′=z t′=t
说明洛仑兹变换与经典的伽利略变换并没有矛盾，前者包含了后者，后者用更加广泛。
再看量子力学，量子力学的基本原理是测不准关系[2]。其典型的表述是：粒子的位置和动量不能同时确定。它们在某一方向上不确定量的乘积大于或等于h/2。即
δx？誗δpx≥■， h=6.62×10-32焦耳秒
可以看出，h是一个很小的量，小到什么程度呢？小数点后面有34个0！是6的百亿亿亿亿分之一。一般气体分子够小
转贴于
的了，如氧气分子质量为10-23的数量级，常温下速度大约为102的数量级，则动量为10-21的数量级，和h相比大了10万亿倍，完全可以不考虑测不准关系的影响。所以，当我们研究的对象系统中物理量的数量级远远大于普朗克常数时，不确定度数值相对来讲，必然微不足道，量子力学很自然地回归到经典力学。也可以说，测不准关系包容了经典力学，后者应用更为广泛。
3 现代对经典的接收和继承
现代物理不是空中楼阁，它是采用经典的材料和艺术，一砖一瓦构建的绝美珍品。在现代物理学中，经典的概念、定义、研究方法无处不在，发挥着主导的、关键的作用。在相对论力学中，我们可以看到力、加速度和动量以及它们的矢量形式，能量、拉格朗日量、哈密顿量等在经典中熟知的力学量。这些力学量全部统一到了满足洛仑兹协变的四维形式中去。至于经典电磁理论中所有规律，由于自然地满足相对性协变，几乎很少更改地进入相对论，成为相对论的重要的组成部分。
在量子力学中，同样采用了经典力学的所有量，只是为了描述测不准关系、描述系统的状态需要，力学量在不同的表象中可以有不同的形式，可以是标量、矢量、张量算符。如在坐标表象中，动量具有梯度矢量的算符形式，哈密顿量则包含了拉普拉斯算符。量子力学的创立者之一海森堡更是心有灵犀，他把测不准关系表示成为力学量的对易关系[2]：
q■p■δ■■i■
这很容易想到经典力学中的泊松括号
q■p■δ■■
相对论与量子力学的矛盾范文2
黑洞成为大众文化的一部分已有数十年了，在电影《星际迷航》中，它还扮演了主要的角色。这一点儿也不奇怪，这些恒星塌缩后的阴暗残骸，似乎专门用来引发我们最原始的恐惧：黑洞会将某些秘密隐藏在其帘幕之后(c包就是它的“事件视界”)，任何人或物只要坠落其中，就注定无从逃脱，所有被它吸入的东西，必然被彻底摧毁。
对理论物理学家来说，黑洞是爱因斯坦场方程式的一个解，而该方程式是广义相对论的核心。在广义相对论中，时空就像是由弹性材质所建构的，而物质与能量可将其扭曲，所造成的时空曲率又控制了物质与能量的运动，产生了我们所认知的重力。这些方程式清楚地预测，在时空中有些区域里的讯号无法传到遥远的观测者所在，这些区域就是黑洞。在黑洞内的“奇异点”，物质密度趋近于无限大，环绕其四周的空旷地带具有极强大的重力，没有任何东西(包括光)能够逃离。物理学家以事件视界将此重力强大的地带与其他区域分隔开来。在最简单的情况下，事件视界是个球体，若黑洞的质量与太阳相当，此球的直径只有6千米。
谈过了科幻与理论，那么实际的状况又是如何呢?各式各样精密的天文观测结果都指出，宇宙中确实存在一些超致密物体，它们完全不散发任何光芒或辐射。这些幽暗天体的质量在数个到数百万个太阳质量之间，而依据最优秀的天文物理学家估算，它们的直径范围则在区区数百千米到数百万千米之间，符合广义相对论对此质量范围内黑洞的预测。
但这些被观测到的、既幽暗又致密的物体，真的就是广义相对论预言的黑洞吗?虽然目前的观测与理论相当吻合，但理论本身对黑洞的描述却不太令人满意。尤其是，广义相对论预测在每个黑洞里都有颗“奇异点”，显示广义相对论在这里失效。广义相对论会失效，大概是因为它并未计人物质与能量在微观尺度上才会显现的量子效应。合并了量子力学的修正理论，一般称为量子重力论，将可带动理论物理领域的许多新研究。
对量子重力论的需求，引发了一些迷人的问题：被量子重力论修正过的黑洞会是什么样子的呢?它们会和古典黑洞大相径庭吗?或者古典叙述依然是可行的?研究显示，某些量子效应是可以完全避免形成黑洞的，取而代之的是被我们命名为“黑星”的天体，它的密度不会跳升到无限大，也不会被事件视界包覆。黑星是由空间本身支撑起来的，这种“建材”意外的坚固。
我们运用一种称为“半古典重力论”的古老方法得出这项结论，但我们并没有使用关于塌缩物质的所有假设，这样或许能够避免在那些研究中得出矛盾的结果。在量子重力论尚未完备的情况下，过去的30多年里，理论物理学家在分析量子力学如何改变黑洞时，都诉诸半古典重力论。半古典重力论将量子物理的观点，特别是量子场论部分纳入了古典的爱因斯坦重力理论中。
量子场论以充满空间的场来描述电子、光子、夸克等任何你想得到的基本粒子，这方式非常类似电磁场。量子场论的方程式通常是建立在平坦空间里的，也就是没有重力的空间，半古典重力论则使用在弯曲空间里构建出来的量子场论。
广义来说，半古典重力论所使用的策略如下：根据古典的广义相对论，当一群物质聚积成某一状态时，将产生某种特定的弯曲时空，但时空的曲率又会修改量子场的能量，受影响的能量再进一步改变时空曲率，如此不断循环。
这个做法的目标是要获得自我一致的解――一个弯曲时空，它的曲率产生于它所包含的量子场的能量。虽然重力本身还无法以量子理论来描述，但这种自治的解，在涉及量子效应与重力的许多情况下，应该可以相当近似地预测真实情形。半古典重力论以一种极“轻微”的方式，把量子修正加入到广义相对论里。因此，半古典重力论虽然仍以古典方法处理重力(也就是时空曲率)，但已考虑到物质的量子行为。
但是，这个方法立即遭遇到一个尴尬的问题：如果直接以它计算量子场的最低可能能量，也就是没有任何粒子出现时的能量(称为“零点能量”或“真空能量”)，会产生无限大的结果。事实上，这个问题老早就出现在一般的量子场论里(也就是在乎坦空间、没有重力的状况)。幸运的是，理论物理学家在预测不牵涉重力的粒子物理现象时，粒子的行为只取决于状态间的能量差，因此量子真空能量的值并没有任何影响；我们可以使用称为“重整化”的一种谨慎的减法技巧，以极高的精确度来计算能量差。
然而，当必须考虑重力时，真空能量就变得重要了。无限大的能量密度会产生极大的时空曲率，也就是说，
链接
2004年7月21日，在爱尔兰都柏林举行的“第17届国际广义相对论和万有引力大会”上。英国传奇科学家斯蒂芬・霍金教授宣布了他对宇宙黑洞的最新研究结果：黑洞并非如他和其他大多数物理学家以前认为的那样，对其周遭的一切“完全吞食”，事实上被吸入黑洞深处的物质的某些信息实际上可能会在某个时候被释放出来。
宇宙学家相信，太空中有许多类型的黑洞，从质量相当于一座山的小黑洞，到位于星系中央的超级黑洞。不一而足。科学家过去认为，从巨大的星体到星际尘埃等。一旦掉进去，就再不能逃出，就连光也不能“幸免于难”。而霍金教授关于黑洞的最新研究有可能打破这一结论。经过长时间的研究，他发现，一些被黑洞吞没的物质随着时间的推移，慢慢地从黑洞中“流淌”出来。
霍金关于黑洞的这一新理论解决了关于黑洞信息的一个似是而非的观点，他的剑桥大学的同行都为此兴奋不已。过去，黑洞一直被认为是一种纯粹的破坏力量。而现在的最新研究表明，黑洞在星系形成过程中可能扮演了重要角色。
1976年，霍金称自己通过计算得出结论，他认为黑洞在形成过程中，其质量减少的同时还不断在以能量的形式向外界发出辐射。这就是著名的“霍金辐射”理论。但是，理论中提到的黑洞辐射中并不包括黑洞内部物质的任何信息，一旦这个黑洞浓缩并蒸发消失后，其中的所有信息就都随之消失了。这便是所谓的“黑洞悖论”。
这种说法与量子力学的相关理论出现相互矛盾之处。因为现代量子物理学认定这种物质信息是永远不会完全消失的。如今，霍金终于给了这个当年自相矛盾观点一个更具有说服力的答案。霍金称，黑洞从来都不会完全关闭自身，它们在一段漫长的时间里逐步向外界辐射出越来越多的热量，随后黑洞将最终开放自己并释放出其中包含的物质信息。
即使是空间都能蕴藏极强大的重力，这与我们实际观测到的宇宙完全不符；过去10年来的天文观测指出，零点能量对宇宙总能量密度的贡献非常微小。半古典重力论并没有尝试去解决这个问题，但不论解决的方案为何，我们通常假设在平坦时空中，零点能量对能量密度的贡献一定会被抵消掉。这项假设与半古典真空一致：在每个地方的能量密度都是零，广义相对论因而预测出平坦的时空。
如果有某些物质出现，时空弯曲了，那必然改变量子场的零点能量密度，零点能量因而不再被精准抵消。较之于电荷会将介质极化的效应，我们说这多出来的能量是来自真空极化。
我们已利用质量与能量密度来描述半古典重力论的这些特性，但在广义相对论中，能够产生空间曲率的，并不只有这些东西，凡是重力物质所产生的动量密度、压力和应力，都会影响空间的曲率。在物理的研究上，有一项称为“应力能量张量”
(sET)的研究，可用来描述所有这些产生曲率的量。半古典重力论假设在平坦时空里，量子场的零点对sET的贡献刚好被完全抵消，在sET上应用这种相减法得到的结果，就称为“重整的应力能量张量”
(RSET)。
相对论与量子力学的矛盾范文3
关键词：布朗运动 量子力学 物质场 波动函数
引子：这篇论文是洗衣服时出现的一些现象，让我很好奇，所以我开始了对布朗运动的研究。
布朗运动：悬浮微粒永不停息地做无规则运动的现象（说明一下：永不停息是不存在的，长时间或较长时间，人们是可以接受的），很对不起大家，刚开始就要括号说明，只是现在的定义，真是永不停息。布朗运动的例子特别多，大家很容易见到，如把一把泥土扔到水里搅合搅合，或在无风的情况下对着阳光观察空气中的尘粒等等，现在这些类似运动都称为布朗运动。
1827年，植物学家R·布朗首先提出发现这种运动。在他之后的很长时间，人们对布朗运动进行了大量的实验、观察。最后古伊在1888-1895期间对布朗运动提出自己的认识：
布朗运动并不是分子运动，而是从分子运动导出的一些结果能向我们提供直接和可见的证据，说明对热本质假设的正确性。按照这样的观点，这一现象的研究承担了对分子物理学的重要作用。
古伊的文献产生过重要的影响，后来贝兰（我们第一个实验测量原子大小的人）把布朗运动正确解释的来源归于古伊。实话实说，古伊的文献太重要了，在我看来：一语中的。太对了，古伊是归纳总结的天才，也是真正从实验的角度来解释布朗运动的第一人。
古伊的话有三个重点：
一、布朗运动不是分子运动。
二、说明热本质假设的正确性(下面会专门论述热的本质问题）。
三、利用分子布朗运动的结果来承担对分子物理学的研究。
1905年爱因斯坦根据分子运动论的原理提出布朗运动理论，同时期的斯莫罗霍夫斯基作出同样的成果。
爱因斯坦在论文中指出：按照热的分子运动论，由于热的分子运动大小可以用显微镜看见的物体悬浮在液体中，必定会发生大小可以用显微镜观测到的运动，可能这里所讨论的运动就是布朗运动，观测这种运动和预期的规律性，就可能精确测量原子的大小，反之证明热分子运动的预言就不正确。这些是爱因斯坦的研究成果。
现在人们认为这是对布朗运动的根源及其规律性的最终解释，我认为不是。这是爱因斯坦成功的利用布朗运动的原则创造性提出热分子运动论，利用这一理论可以测量分子原子的大小，把布朗运动近似为热分子运动论。或许是天意，爱因斯坦的论文我怎么看都有绝对论的意思。“有大小可以用显微镜看见的物体悬浮在液体，必定会发生大小可以用显微镜观测到的运动”。运动的绝对性，不过这里他说的是发生相对于物质本身的运动，可能这是相对论的名称来源吧。我的评价：初级的绝对论。在绝对论中只要有物质存在就有物质运动，运动是绝对的。爱因斯坦的热分子运动论：舍本取末，换句话说他把布朗运动等同于分子运动了，认为热分子运动引起了的不规则运动，就是观察到的布朗运动。既然相对论是初级的绝对论，我今天提出绝对论，那么所有爱因斯坦做过的事情，我可能都要去做一遍。布朗运动不是热分子运动，但是可以引起热分子运动，爱因斯坦的成果只是利用了布朗运动引起的热分子运动，他没有分析布朗运动的根源：物质为什么会存在布朗运动。当显微镜越来越清晰的时候，爱因斯坦的扩散统计方程就不能适用了。
现在随着科学的不断进步，量子理论对真空涨落的认识不断加深，量子理论也对布朗运动的根源给出自己的看法，同样今天绝对论也给出自己对布朗运动的认识：
一、布朗运动不是分子运动，或者说不是单个粒子间的运动。
二、布朗运动是一个由点到面，再由面到点的运动形式。
三、布朗运动是与波动函数有关的物质运动的一个特性。
布朗运动不是分子的运动或者说不是单个粒子之间的运动，为什么这么说呢：一滴水融入大海永不干涸（永字应为长时间，不过人们习惯认识，所以没有改为长时间）大海汹涌澎湃，一盘水很容易平静。相比之下，为什么有如此巨大反差：物质场运动的叠加效应，滴水穿石的道理也是如此。
简单的一滴水为什么能够融入大海呢？正像洗衣服为什么能把衣服洗干净，洗不干净会在衣服干后留下许多渍迹一样。液体的形态对物质运动产生了如何的影响呢？这是我们应该思考的问题，这里我引入二个概念：物质场与波动函数。
说一下自己的看法：一滴水的运动比如一个粒子的运动，大海是一个物质场，一盆水也是一个物质场，同样一滴水也可是一个物质场，那么一个电子也可是一个物质场，也就是说一个量子可以看作是一个物质场，量子的运动可以当成物质场在运动。
其实为了研究布朗运动，引入物质场这个概念，把物质现实中的存在状态看成是一个物质场的存在，相信大家能够理解。把物质形态存在的状态不去看它把当成一个独立的物质场存在，比如一块铁、一块钢、一块砖，我们都把它当成一个独立的物质场存在，那么这个物质场中的电子、原子、质子等粒子都是这物质场的一部分，那么这物质场中的一切物质都应是这物质场的一部分。
一个统一的物质场。对于运动而言，物质场有整体的运动，也有物质场的内部运动：质子、电子、中子等微粒之间的运动，比如我用力去拿一件东西，我的全部身体都在运动，手的运动和身体内部的运动时截然不同的，但作为一个整体，我把东西拿了起来，而东西作为一个完整的物质场表现是被我拿了起来，整个的分子、原子、电子构成的物质场共同被我拿了起来。
诸如这些运动是整体的完整的物质场，对另一个完整的物质场的作用，牛顿力学已经很好的应用到多个方面，宏观物理研究的物体很明确，运动也很明显，都可以准确测量计算。为什么这里一定要强调完整的物质场呢？一滴水进入了大海之后，这一滴水的完整物质场依然存在，而变成大海的物质场一部分，这一滴水所有的运动，所有的信息都变成了大海物质场的一部分，大海的每一滴水都是一个完整的物质场，但都是大海物质场的一部分，大海有每一滴水的信息 ，但当空气蒸发水蒸气时，大海不会单独让哪一个完整的小水滴去蒸发，而是大海整个的一个物质场在做蒸发这件事，与个体的物质场的状态关系不大。
可能从小水滴到大海大家觉得不直观，在量子力学把电子看成小水滴，把一个物质粒子看成大海，或者几公斤的金属板看成大海，相信这样我们的科学人士都能够理解。
光电效应的原理：把光子看成一个物质场，把金属板看成一个物质场，光照到金属板上，放出电子（当然需要一个极限频率）是一个物质场对另一个物质场的反应，那么释放的电子是物质场的整体行为，不是单个电子吸收能量而释放出来。极限频率，用水吸收80卡的热量才能变成水蒸气来说明吧，80米的水位永远流不出100米的大坝。每个物质场都有自己的固有频率，超过这个频率的东西来破坏它，这个物质场就发生变化用大锤去打东西，物质会反应不同的。
另一个问题：固体微粒之间结合很好，但是一个个的原子又是相互隔开，可是这一个个原子又构成统一的物体。为什么？：波动函数，物质的特性是一个个小的原子共同表现出的特性，两块铁融化后能够形成一块铁，人类有无数的合金材料以及其它合成物质，为什么这些材料表现出了原来不同的特性呢，物质场的特性为什么变化呢？
物质的特性变化了，那么每一个小的物质场的特性也会变化。一般情况下原子不可能变，合金状态的原子也未变，那么什么变化了呢？量子的运动方式变化了，也就是电子和质子以及其它的微粒运动形式变化了，整个的物质场的量子波动函数变化了。
波动函数是为了形象说明布郎运动的本质引入的一个物质特征，一个物质场的波动函数体现物质作布郎运动的能力，也体现了物质场内部物质运动能力。波动函数是物质场与物质场之间结合（叠加）能力的一种体现。一个物质场中会有很多不同的波动函数如：分子之间，原子之间，电子之间，质子之间，原子于分子之间，电子与原子核之间，质子与中子之间等等许许多多的量子之间。波动函数是物质运动的一种能力的体现。
当然这个概念也很符合量子力学的波动方程的需要，那就是所有的物质场都有自己的波动函数，而且不止一个。当波动函数达到一定数值，物质场之间既可融合。这样虽然原子之间的距离是分开的，但是电子之间的物质场却可以是融合在一起的（当然还有比电子更小物质，那它们的物质场更会融在一起）
波动函数越高，物质融合的越快，反之越慢，诸如扩散现象，渗透等等，固体之间的波动函数低，所以最好融化或锻打成液态式的结合，需要外部的力量加大它的波动函数。波动函数是物质作布郎运动的一种能力，我更愿意认为波动函数是物质运动的一种能力（在绝对论中运动是物质的生命）。与物质本身的温度有关，与外界的干涉有关。例如：加热气体，溶液或用力搅拌溶液等等会增波动函数值。（下面我们还要专门研究热的本质问题）
用一个方程式来表达吧。
H值=H℃温度+Hoi外部干涉，H：波动函数。其实我的波动函数和量子力学中的的物质波不是完全相同。
波动函数是物质场的特性，是物质生命能力的一种体现。表现在粒子上，粒子就具有波动性，同时物质运动一定需要能量的，也一定出现物质的波动。所以不是粒子具有波粒二象性，而是物质场具有波动函数。就象一整铁的内部具有轻微的布郎运动，也就是说这块铁的所有原子、分子、电子等等一切粒子都在做一定的布郎运动。所有的粒子都具有这块铁的物质特性。也就是所有的粒子都有自己相应的波动函数。这与这块铁的运动和外界条件都有关系。就比如大海是所有的水滴和水中的悬浮物体构成一个统一的物质场，是所有的物质场的叠加效应，如果你取出一滴水，那么这一滴水就不属于大海了，它和大海就毫不相干了，完全是不同的物质场了。
说到这些，大家可能会乐了，我也很乐的：这就是我们量子力学上著名的不确定原理和测不准原理，因为你要对这一个量子测量，那你就要破坏这个粒子在物质场的状态，你永远不能无法精确测量一个量子系统。因为你测量一滴水的结果就会脱离大海这个物质场。这一滴水在大海里就和大海一样大，除非有测大海一样大的仪器，否则无法测量这一滴水在大海中运行状态。但是我们可以运用统计学对整个的物质场的运动进行统计。我们可以计算大海每天蒸发了多少吨的水，但不可以说是那一吨水。
其实量子力学碰到的最大问题，不是实验不能证明。而是无法说明粒子为什么不可测，而且无法确定位置，因为任何一个物质场都是一个面，一个量子只是一个点，而运动和变化是物质场与物质场之间发生的，与单个的粒子运动关系不大。当然也不能说一点没有，就象人与人打架一样，是两个物质场在运动，打在手上，而全身都难受，手痛得最厉害。是整个物质场在对外界的物质场共同的感受。可不是只是手不舒服，所以我们能够精确地确认各个量子运动叠加之后统计结果（宏观物理），但我们不能很精确一个物质场内部的那一小点起作用。物质是整体运行的，当外部的物质变化时内部的物质也会有相应变化的，量子运行方式会发生一些改变。
量子力学从来没有从一个面去研究物体，只注重了一个点，而经典物理只注意宏观物理现象的规律性，也就是注意面了。
量子力学注重研究了物质场的内部运动：单个粒子的运动（点）。经典物理学：牛顿力学，相对论只注重了物质场与物质场的外部运动（面）。
而布郎运动是把物质场的内部和外部运动结合一起的表现运动，是点到面，再面到点全过程，所以对布郎运动的研究也是一个科学研究物质运动史的一个缩影。
人对事物的认识总是渐近的，按照绝对论的原则，弧立的事情是不存在的，所有的系统都是宇宙整体的一部分，所有的运动都是宇宙生命的一种体现。
现在用量子理论中的概念说明热的本质问题：热量只是能量的一种表现形式。热的来源一般是：化学反应，物理作用（包括核反应），能量转化。等等的这一切源于：量子运行方式的改变。量子运行只会一个场，一个场的变化，也就是说量子运动只可123456 不会连续不断 没有0.1，0.2，0.3，0.4等等。量子的运行方式改变只可这个场直接到那个场，要么吸收一定能量，要么释放一定能量。水分子或者是固态，或是气态，液态，没有中间的状态。能量有许多表现形式，而热量是能量的一种表现形式，所以我们可以测定温度等等现象。量子运行方式改变了，物质的特性也就改变了。烧火做饭，木柴变成灰烬，原子一个不少，电子一个不少，可是它们之间的运行方式改变了，能量或释放了或吸收了，物质也就变化了。
相对论与量子力学的矛盾范文4
【关键词】PBL教学法；量子力学；电子科学与技术专业；教学改革
量子力学与相对论的提出，被称为20世纪物理学的两个划时代的里程碑。特别是量子力学的创立，揭示了微观物质世界中物质属性及其运动规律，造就了20世纪人类科学技术的辉煌，推动了原子能技术、航天航空技术、电子技术等方面的发展，并开辟了光子技术的诞生之路，将人类社会推进了信息时代。通过量子力学课程的学习，可使学生掌握量子力学的基本概念和基本理论，具有利用理论知识分析和解决实际问题的能力。量子力学课程的突出特点是理论性强、抽象难懂，在课程教学中需要特别把握好这些抽象理论知识的“入门教育”，把握得当，会达到事半功倍的效果。
根据《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》的文件精神，提高质量是高等教育发展的核心任务，是建设高等教育强国的基本要求。应适应经济社会发展和科技进步的要求，推进课程改革，提高课堂教学质量，充分调动学生学习积极性和主动性，提高学生的创新意识和创新能力。因此，在近几年量子力学课程的教学改革实践中，针对量子力学教学中出现的学生自主学习热情不高的现状，结合量子力学的课程特点，立足于提高学生学习积极性和培养学生科学探索精神及创新能力，提出了基于“PBL教学法”，即基于问题学习（Problem-Based Learning）、以学生为主体的量子力学课程教学改革的研究，摸索出一套行之有效的教学方案。
1 “PBL教学法”设计方案
“PBL教学法”是一种基于问题学习的教学方法，将学习置于复杂的有意义的问题情境中，激励学生积极探索隐含于问题背后的科学知识，实现知识体系的建构和转化，同时鼓励学生对学习内容展开讨论、反思，教师则以提问的方式推进这一过程，最终使学生在一个螺旋式上升的良性循环过程中理解知识，实现学习的不断延续，以促进学生解决问题、自主学习能力的发展，以及创新意识和创新能力的提高。具体设计模式如图1所示。
图1 “PBL”教学法设计模式框图
与传统教学方法相比，“PBL教学法”对教师备课和教学实施过程提出了更高要求。
1.1 PBL教师备课
（1）确定问题。问题是PBL的起点和焦点。问题的产生可以是学生自己在生活中发现的有意义、需要解决的实际问题，也可以是在教师的帮助指导下发现的问题，还可以是教师根据实际生活问题、学生认知水平、学习内容等相关方面提出的问题。
（2）提供丰富的教学资源。教学资源是实施PBL的根本保障。随着网络课程、精品课程体系的建设，教师可以利用网络课程为学生解决问题提供多种媒体形式和丰富的教学资源。
（3）对学习成果提出要求，给学生提供一个明确的目标和必须达到的标准。
1.2 PBL教学实施
（1）学生分组。学生分组后，要让每个小组清楚地知道自己所要承担的任务，问题解决所要达到的目标，也要确定好小组内每个成员具体的任务分工。
（2）创设问题情境、呈现问题。布朗、科林斯等学者认为，认知是以情境为基础的，发生在认知过程中的活动是学习的组成部分之一，通过创设问题情境可吸引学习者。
1.3 PBL案例分析
例如，在讲到微观粒子的波函数时，有学生认为波函数是经典物理学的波，也有学生认为波函数由全部粒子组成。这些问题的讨论激发了学生的求知欲望，可以通过分组进行小组内讨论，再将讨论结果进行小组间辩论，最后老师对各小组讨论和辩论的观点进行评述和指正，实现学生对一些不易理解的量子概念和原理的深入理解。
2 用量子物理发展的渊源吸引学生
量子力学理论与学生长期以来接触到的经典物理体系相距甚远，尤其是处理问题的思路和手段与经典物理截然不同，但它们之间又不无关联，许多量子力学中的基本概念和基本理论是类比经典物理中的相关内容得出的。因此，在量子力学教学中，一方面需要学生摒弃在经典物理学习中形成的固有观念和认识；另一方面在学习某些基本概念和基本理论时，又要求学生建立起与经典物理之间的联系以形成较为直观的物理图像，这种思维上的冲突导致学生在学习这门课程时困惑不堪。此外，这门课程理论性较强，众多学生陷于烦琐的数学推导之中，导致学习兴趣缺失。教学实践证明，针对以上教学中发现的问题，应特别注意用学科理论自身的魅力吸引学生，通过尽可能还原量子力学早期的发展过程，让学生自己去体会量子力学的基本概念是如何建立并逐步完善的，最大限度地激发学生学习本课程的热情，也有助于学生深入理解教学内容。
3 抽象理论形象化，与学生深入探讨
量子力学课程的突出特点是抽象难懂，对此我们进行了探索。例如在量子力学教学中，“任何实物粒子都具有波粒二象性”是教学中的难点和重点。如何理解波粒二象性？我们可以先从光的波粒二象性入手，通过“光电效应”实验引出问题，通过总结光电效应实验的特点，发现与经典理论之间的严重矛盾，并通过诸多矛盾引出了爱因斯坦的光量子理论和光电方程，进而深入探讨光的本性和实质。随着内容的深入，我们可以进一步提出：波粒二象性是光子和一切实物粒子的共同本质，而且波动性和粒子性这两方面必有某种关系相联系。并顺理成章的指出物质波的概念和德布罗意关系式，从最基本的假定出发作出类比推理，理论的独创性给人深刻的印象。
在此，还可以以学生的口吻提出两个问题。
问题1）物质粒子既然是波，为什么人们在过去长期实践中把它们看成经典粒子并没有犯什么错误？
我们可以通过实物粒子子弹的德布罗意波长的求解找到答案，这是由于普朗克常数h是个小量，一般实物粒子的德布罗意波长λ=h/p很短，短到可以忽略不计。
问题2）在什么情况下可以近似的用经典理论来处理问题？在什么情况下又必须顾及运动粒子的波粒二象性？
进而作出解答，一般来说，当运动粒子的德布罗意波长远小于该粒子本身的尺寸时，可以近似的用经典理论来处理；否则，需要用量子理论来处理。
这种层层深入，带着问题寻找答案的教学方法符合逻辑思维，学生很容易接受，将抽象而复杂的问题形象化、简单化。
4 联系量子力学的未来发展激发学生求知的渴望
尽管量子力学是以微观世界为研究对象，但它对我们日常生活的影响却非常大。例如，在当今科学界还提出了量子通信的新概念，是实现完全保密的最佳通信方式，直接导致引领现今量子信息理论和研究的热潮，代表着21世纪信息技术革命―量子通信技术的发展方向。教师可以鼓励学生对与量子力学紧密相关的实际应用技术进行调研，打消学生学习量子力学“无用化”的顾虑，激发学生自主学习的热情。
5 结束语
近几年，针对量子力学教学中出现的实际问题，结合量子力学的课程特点，我们提出了基于“PBL教学法”的量子力学课程教学改革的研究，取得了一些成效，对于理论性较强的其他课程也具有较强的理论指导意义和推广应用价值。
【参考文献】
[1]国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）[R].2010.
[2]曾谨言.量子力学：卷1[M].2版.北京：科学出版社，1997：235-278.
[3]邹艳.浅谈量子力学的教学改革[J].物理与工程，2009，19（4）：40-41.
相对论与量子力学的矛盾范文5
——编者
美国物理学家L·斯莫林在《物理学的困惑》一书中说，从18世纪80年代到20世纪70年代，我们对物理学基础的认识，大概每10年就有一次大的进步，但自20世纪70年代以来，我们对基本粒子的认识还没有一个真正的突破[1]。许多科学界人士和我们一样，不禁要问：物理学到底怎么了？
1. 物理学的现状与困惑
拨开历史的长卷可看到，自16世纪自然科学从神学中解放出来以来，物理学经历了波澜壮阔的发展历程。伴随经典力学和热力学的创立与发展，人类开始了轰轰烈烈的机械工业革命；伴随爱因斯坦相对论和量子理论的创立与发展，人类构建起了日新月异的现代文明。这就是让无数人为之奋斗的物理学，正是它推动着人类的发展进程！
然而，自上世纪70年代后，宇观方面物理学面临越来越多的挑战和课题，迟迟得不到解决，如暗物质和暗能量至今给不出合理的解释；微观方面提出的攸关量子场论命运的诸多预言得不到检验，如希格斯粒子、质子衰变等至今尚未找到或证实。
问题还远不止这些。随着现代物理学的发展，它与经典物理学间的矛盾日趋尖锐，本想通过深入研究找到弥合矛盾的方法，然而得到的却是事与愿违的结果，变得更加难以调和；再比如，尽管200多年来科学家们已竭尽全力，但引力常数G的测量精度仍然是物理学基本常数中最差的，等等。
针对物理学面临的问题和困境，一些新的理论被纷纷提出，然而这些理论大都昙花一现。卡鲁扎—克莱因理论、爱因斯坦统一场论、SU（5）大统一理论、超对称理论等都先后失败的事实表明，物理学陷入了重重困惑之中。
2. 导致物理学现状的根源
斯莫林断言，“弦理论、圈量子引力和其他方法，它们都还没有到达那个前沿。我相信我们还缺失某个基本的东西，我们还在做着错误的假定。我猜它涉及两个因素：量子力学的基础和时间的本质……我越来越觉得量子理论和广义相对论在深层次上都把时间的本质弄错了。”[1]
如果将人类认识自然界的方式放在微观、宏观和宇观的尺度轴上进行观察，不难发现人类认识自然界，既不是从微观粒子开始的，也不是从宇观的天体、星系开始的，而是从宏观的身边事物开始的，而后才开始向微观和宇观延伸。
在宏观领域，根据万有引力和库伦力的作用力性质不同，对物质的表述分别用质量和电荷两个概念。然而，我们从宏观所看到物质的性质是由物质微观层面上的性质所决定的。事实是，我们根据宏观上建立的质量、电荷概念来推导物质在微观上的性质，显然这是本末倒置了。
宏观环境的物质模型是我们动用所有的感官才建立起来的。然而到了微观和宇观环境，我们只能靠视觉观察，探索者唯一倚重的知识只有宏观经验，而问题恰恰就出在这里。比如，在广义相对论的框架下，我们得到了一个宇宙大爆炸模型，然而发生宇宙大爆炸的奇点却不适用任何物理定律。我们从已知导出了一个未知事物，单从逻辑上看就已经不自洽了。
牛顿力学和电磁理论在宏观应用上的巨大成功，使人们不假思索地将质量和电荷直接引入到微观和宇观领域，导致更多物质概念被提出，如图1所示。可见，将宏观体验直接推广到宇观和微观是导致物理学陷入困境的根源。
3. 突破物理学困境的方法
由于我们用宏观物质层面的概念去认识微观现象难以理解，于是为了能从宏观知识推导出微观现象的规律，不得不借用复杂的数学工具，由此物理学就被数学化了。
广义相对论和量子理论都带有浓重的数学化色彩。由于错误的根源在于宏观概念的超范围运用，导致数学化了的物理学最终还是走进了死胡同（当然，数学也被殃及了）。比如，量子电动力学用拉格朗日的数学方程来描述，后来遇到发散困难后，不得不打上一个“重整化”的补丁；当发现跟费米理论不相协调后，又不得不再打上“规范不变性”的补丁；规范不变性与对称性相对应，当发现许多粒子不具有这种对称性时，又不得不再打上一个“对称性自发破缺”的补丁。
然而这个经过多次修补后的规范理论，自上世纪70年代以来，不论在解释或预见基本粒子的新性质方面，还是在解决它所面临的概念困难方面，再也没能取得进展。
可见，物理学的数学化并不能将误入歧途的物理学拉回到正确的轨道上来。美国物理史学家曹天元教授在《量子物理史话》一书中说，“以往人们喜欢先用经典手段确定理论的大框架，然后再从细节上做量子论的修正，这可以称为‘自大而小’的方法……现在人们开始认识到，也许‘自小而大’才是根本的解释宇宙的方法。”
弦理论是采用“自小而大”方法的一个理论，它几经沉浮最终脱胎换骨成有11个时空维度的M理论。在科学界经历了一系列的失败后，霍金和大多数科学家认为M理论是大设计的唯一候选者。但三维空间中的动态宇宙，在四维时空中成为爱因斯坦的静态宇宙——一种永恒的“存在”，而这种永恒的“存在”本质上是不存在，因为永恒“存在”意味着时间静止了，而存在的时间为零的事物是不存在的。
既然四维时空意味着不存在，那么5个维度下的宇宙就更不存在了，更何况多达11维的宇宙。可见，用弦理论这根“弦”是无法将广义相对论和量子理论连接起来的。
4. 系统相对论的物理统一方法
系统相对论[2]采用“自小而大”的研究方法，从cn粒子假设入手，逐步架构起各种粒子、物体和天体。通过流体态物质和刚体态物质定义与分类，系统相对论将自然界形态各异的所有物质统一在能量的概念下，从而实现了物质的统一。
从微观到宏观、宇观，整个宇宙是一个不可分割的有机整体，如图2所示。适用于宇观高速领域的广义相对论和适用于微观的量子理论，如同黑辐射理论中的适用于高频段的维恩公式和适用于低频段的瑞利-琼斯公式一样，它们都是不正确的；所不同的是，后者在普朗克公式中可以退居到“近似”的地位上；而前者只能退居到“相当于”的地位上，因为它们的基础存在问题，如时间概念。
时间是物体运动速度大小的一种度量方式，表达的是物体的运动性质和存在性。可见，时间、质量、电荷都是一种物理量，是我们理解和描述事物的一种方法和工具，而不是事物本身。
5. 结束语
笔者认为，通过修正现有理论的方法是不可能解决当前所面临的各种挑战和课题的；只有改变原来的“自大而小”的研究方法，首先找到真正的宇宙之“砖”，才能构建出一个真实的宇宙，进而一揽子解决当前所面临的各种挑战和课题。
参考文献：
[1] L·斯莫林[美] 物理学的困惑·李泳译· 长沙：湖南科学技术出版社，2008 P64，P252
[2] 刘泰祥·系统相对论·北京：科学技术文献出版社，2012
相对论与量子力学的矛盾范文6
第谷用毕生精力，在布拉格天文台观测了大量天文数据资料.第谷死后，将这些天文资料都留给了开普勒.你看表格中的数据，是不是有些凌乱？但是开普勒坚信一定可以找到行星运动数值上的简单关系，因为物理学是符合简单美的观念已经深深地刻在他的脑海中.经过多年的艰苦工作，他终于发现了行星运动的三大定律，其中第三条定律的数学表达式是T2=D3（式中T代表行星绕太阳一周经过的时间，即公转周期，D代表行星离开太阳的距离）.当你从如此凌乱无序的数据中发现如此简洁的公式，使繁星浩淼的宇宙顿时变得清晰时，象这种“哲学领悟、物理直觉和数学技巧最惊人的组合”的公式，难道你还没有体验到它的简单美吗？
如果地球表面的重力加速度不是9.8米/秒2，而是一个随时变化的数值，那么世界将会变得怎么样呢？一会儿脚被大地粘住，挪动不得；一会儿又捷步如飞，想停也停不下来；说不定什么时候，漫天飞舞的树叶真的像铅球砸破了你的脑门.果真如此的话，人们的生存就成了问题.然而这样的情况是不会发生的，因为地球的重力加速度在是球表面的任何地方都是相同的，约等于9.8米/秒2.显然9.8就不是一个简单的数字了，它从某个方面反映了自然的和谐与平衡，让人觉得奇妙与神秘.其实，物理常数也是开启自然规律的钥匙，如万有引力是经典物理的标志；普朗克常数是量子物理的符号，等等.
是的，物理中的每一条定理、定律或公式，甚至一个常数，虽然形式极其简单，但让人一看就能领会其中的内涵，便能体会到其中的简洁美.因为科学家们似乎总是用周围浓缩的公式和定理来表现他们高水平的美感的.难怪阿基米德发现鉴别皇冠是否掺假的方法时，竟然着身子跳出浴盆.因为他沉浸在科学的发现之中，体验到物理中的美.
对称总是和美联系在一起的.杨振宁在诺贝尔物理奖获奖演说中也深感对对称力量的钦佩.事实上，自然原则的内在对称性成为一个具有规范意义的美学标准.你看平面镜中的像与物关于镜面对称；万有引力与库仑定律在形式上对称，而麦克斯韦方程组更是自然科学美的力作，美学上真正完美的对称科学作品.象这样形式上对称的物理客体或物理原理是无法统计的，其对称之美也是无法用语言能表述到位的.
抽象对称性在科学研究中更为普遍与重要.1820年丹麦物理学家奥斯特发现了电流的磁效应，即电可以转变为磁.在对称性思想的指引下，英国年轻的物理学家法拉第坚信：既然电可以转化为磁，那么磁也一定可以转化为电.随后他开始了长达10年的艰辛工作，并在1831年验证了他自己的天才预言，发现了电磁感应原理，成为十九世纪最伟大的发现之一，也为后来发明发电机，使人类对能源的利用从化石时代进入电气时代做好了理论上的准备.当法拉第在皇家协会展示他的发电机时，一位贵妇人问：“这玩意儿能有什么用呢？”法拉第回答：“你不应当问刚出生的婴儿有什么出息，谁能料到他长大后会怎么样？”如此巧妙的回答，实在对科学的宁馨儿的由衷赞美，也是对自然界内在和谐的崇高礼赞.
数学对称性又称数学变换不变性，其基本思想是，每一个变换不变性都包含不变量和变换式两个要素.这里的不变量泛指在变换中保持不变的物理量、物理定律等.如牛顿定律在伽俐略变换中具有不变性.从牛顿到爱因斯坦都认为物理学的理论对于空间-时间变换必须是不变的.洛仑兹变换的不变性导致统计力学与量子力学；相空间变换的不变性导致广义相对论.
狄拉克是20世纪一位伟大的物理学家.他在当时提出了一个描写电子运动的方程，这个方程形式上对称、优美，并和实验结果非常符合.但是方程的对称却带来了一个当时令人意外的情形：原子中正负电荷间存在着一个与核外电子的质量、电量相等而电性却相反的“正电子”.如果坚持这个方程就必须承认这个当时看来子乌虚有的“正电子”的存在，必然会遭到许多物理学家的反对.是放弃还是坚持？狄拉克毫不犹豫地选择了后者.几年后，实验证实了“正电子”的存在，并完全符合狄拉克的预言.
千姿百态的自然是普遍联系的，反映物质世界的物理规律也是丰富多彩、和谐统一的.物理学中各种理论内部以及各部分之间的现象、概念与规律等却是互相矛盾的，表现出自洽和谐美.物理高级理论对低级理论的包含，或者说低级理论与高级理论在某些特定条件下的结论一致，比如当物质的速度远小于光速时，相对论力学就还原为牛顿经典力学.而当h O 时量子力学就回到了经典力学，物理就表现出对应和谐美.量子力学是通过两条途径发展起来的，一条是在玻尔思想的影响下，把微观过程当作粒子来处理，描绘出一幅以粒子性为根本特征的图象；另一条是在爱因斯坦思想影响下建立的以波动性为核心特征的理论，描绘出了以波动性为特征的物理图象，这两种表述都能从某个方面说明粒子的特征，但是却互不包含，而量子力学理论诠释的关键在于把彼此排斥的波动性和粒子性两种描述协调起来，用粒子和它出现的概率来描述微观客体的波粒二象性.将互补又互斥的物理规律统一起来，表现出物理学的互补和谐美.
