物理杂谈 (48).ppt

1、1,科学、物理学、量子力学,西方近代科学 科学中的物理学 物理学中的量子力学 张永德,2,前 言,科研教学之余，偶或思索自问：现在的众多自然科学 和工程学科，习惯统称之为近代科学技术，它们有没有共 同的本质特征？特别是近代科学，它如何界定？最基本的 要素和特征是什么？它为什么只发源于西方而未能发源于 中国？这类近代科学有其固有的局限性吗？ 从近代科学问题上将眼光收拢，转向物理学，关于它 也可以提出和探索许多问题。 广角思考之后，将眼光再次收拢，聚焦在量子力学上。 于是在更高、更宽广的视野背景下，再次凝视一番我们为 之呕心沥血的量子理论。这样不仅可以提出更多问题，也 许还能更清楚地看到量子理论的

2、本质、其间的相互关联、以 及将来可能的发展趋向。 这里所谈内容，当然不是什么结论。事实上，其中可能 有疏偏、错误、曲解和简单化的地方。作为“一得之见”提出 来，仅仅是为了交流参考，活跃思想。,3,（一）西方近代科学,4,I）近代科学范围的界定（1）,“实验验证” 从实践出发 实践检验。 “逻辑体系” 理智、自洽、普适、可量度。 “西方近代科学” 的五要素： 因果性：有因果关联、有实验响应的。 无任何相互作用、不受任何影响的事物不属于科学研究范畴。 “人世界” “鬼世界”；“黑洞世界” “白洞世界”。 普适性：满足前提下，结论普适，与观察人无关。 规范变换不变原理。 自洽性：体系内部所有结论是自

3、洽的。,5,近代科学范围的界定（续2）,可重复性、可检验性：所有结论都可以接受检验。不能重复、不可检验的事，不属于科学的范畴。 可量度性：不可量度的事物不能算近代科学的范畴。 爱情 不属于科学。那是“糊里又糊涂的”、缺乏理智的、不可度量的。 作曲家的激情。 没有理性基础、无因果关联、不可重复、无法检验、不可量度的命题属于文学、艺术和宗教等的范畴。 如来佛头上有多少根头发？ 孙悟空体重是多少？ 梁山伯与祝英台的爱情、人类各种情感各种“笑”; 宗教信仰; 音乐灵感；,6,II）近代科学的本质,现象和经验+ 逻辑演绎 + 实验验证 = “逻辑实验主义” 从经验和现象出发，运用逻辑演绎建立一个逻辑自洽

4、体系。再返回实践，经受检验，得到进一步修正和发展 。 近代科学的本质是否可以归纳为：唯物的逻辑实验主义。 不是只承认经验、不是概念复合、符号主义。而是：承认物质的客观存在性、承认客观规律的物质性。 例如：桌子、月亮。 物质与精神对立统一体。人脑思维过程既是精神过程也是物质过程，是同一过程两个不可分割的侧面。 大致像计算机的硬件与软件。近来牛津：信息是物理的。 哲学上的对立统一，人们应当着重于 “对立”为斗争哲学寻找理论依据呢？！还是应当着重于“统一”强调统一、强调共性、强调团结呢？！ 不管哲学家如何说， 脑科学家感兴趣的是：两者间的关联、对应和统一。,7,III）近代科学发源于西方（1）,西方

5、近代科学的摇篮是欧几里德的 “几何学原本” 其思维的模式为： 从实践中抽出公设 + 逻辑演绎 =构成理论 用于实践。 这种“逻辑 + 实证”的传统有曲折的发展： 15-16世纪，科学曾经沦为神学的奴仆（“天使博士”托马斯阿奎那主张：“科学是神学的奴仆”）。 经过哥白尼、布鲁洛、加里略的斗争，使科学挣脱了侍奉上帝的束缚。对自然现象进行观察、测量、实验和分析的近代科学的理性思维模式逐渐形成。,8,近代科学发源于西方（续2）,中国有雄厚的技术史，但确实没有相应雄厚的科学史。 四大技术发明（指南针、造纸术、火药、活字印刷）。 当然，在中国3千年文明史中有不少科学成果的亮点。 中国古代对自然界研究的基本

6、特征： 总体而言，中国古代研究者常常是： “天人合一”的、直觉的“综合” 逻辑的、理性的“分析”； 中国古代学者一般缺乏大块逻辑思维模式的训练。 所以未能生长出“几何学原本”西方近代科学的胚芽。 例证：中医和西医的基本特征东西方文化和思维模式的对照。,9,IV）近代科学的局限性(1),西方科学总体思维模式的局限性： 1）人类实践有局限性认识局限性公设局限性。 欧氏几何罗氏几何。 中医，特别是针灸和肋络学说。 2）人类认知能力有局限性。 3）逻辑演绎能力有局限性。 牛顿力学的创立、量子力学的创立、基本规律本身， 都是逻辑推理无能为力的地方。朗道：理论物理中追求 数学严格性往往是自欺欺人其真意也正

7、在此处。 4）科学只能解决物质文明问题， 并不能够解决精神文明问题。,10,近代科学的局限性(续2),科学本身是双刃剑。既可以造福人类，也可以危害人类。 战争、环境污染、高科技犯罪。 科学是振兴中国所必须的、重要的，但不是万能的、包容一切的。 走向极端科学主义。 科学与信仰、科学与宗教 是并行不悖的： 不能说“信仰科学”：实质上，科学不是个“信仰”问题，而是一个“信服”问题。 科学解决物质文明； 信仰解决精神文明。 公共汽车车门踏脚板北京人说的变心板问题。 纽约报纸载文：“我们已经可以把人送上月球，却无法让人从车门口向车中间挪动一步。”,11,近代科学的局限性(续3),孙中山： 佛教有救世之仁

8、， 佛学是哲学之母， 研究佛学可补科学之偏。 爱因斯坦： 没有宗教的科学是瘸子； 没有科学的宗教是瞎子； 杨振宁在五台山寺庙的题词： 科学与宗教是一家。 （注：此点未经核实。） 只有科学，没有信仰的社会是自私、放纵的社会； 只有信仰，没有科学的社会是贫穷、愚昧的社会。 世界上，信仰是多种多样的。 学会尊重别人的信仰。,12,V）科学 + 技术 = 科技？！,科学与技术两者之间的差别： 科学：对原理问题的研究，是发现。为满足人类求知欲望，不带（或基本不带）功利目的。 只有第一。 技术：只涉及原理的应用，是发明。有明确的功利目的。不是“只有第一”。 英、日、俄等各国文字中，这两个词都是分开的！ 吴

9、大猷先生90高龄时著文近数百年我国科学落后于西方的原因中说：“很不幸的，我们在现代创用了科技这个名词，代表科学与技术两个（而不是一个）观念。但我们目前所注重的问题，二者的分别是重要的点。” 现在的关键问题是：通过“科技”一词， “科学”被“技术”所取代！ 李约瑟巨著“中国的科学与文明（Science and Civilization in China）”竟被译成为 。,13,（二）科学中的物理学,14,I）甚么是物理学？,它是研究物质世界最基本、最深层次规律的科学分枝，是在最基础层面上研究物资运动规律的科学。 杜甫：公元758年唐肃宗乾元元年曲江二首之一（此点为李正道先生所指出）： 物理学是西

10、方逻辑实验主义科学的典型体现。,一片飞花减却春 风飘万点正愁人 且看欲尽花经眼 莫厌伤多酒入唇 江上小堂巢翡翠 花边高冢卧麒麟 细推物理须行乐 何用浮名绊此身 录全唐诗上四函三册 分目杜甫第五四七页,15,II）物理学与人类文明之一,物理学是自然科学的领袖： 重大进展都与它密切相关： 原子能、计算机、电子技术 。 本身分流众多：近代力学、近代热机学和燃烧学、电子工程、半导体工程、光机科学、材料科学 向其他科学渗透巨大：近代化学、近代生物学、医学、计算机科学（24对遗传基因、DNA双螺旋结构、经典通讯 量子通讯 ）,16,物理学与人类文明之二,物理学是人类文明的第一推动力。 1687年，牛顿自然

11、哲学的数学原理发表，标志经典物理学的诞生。经典物理学一诞生便推动了其后的第一次工业革命，带给人类第一次物质文明的飞跃。 19世纪末到20世纪末，以量子力学和相对论（以及电磁理论）为支柱的近代物理学推动了第二次科学和技术的大发展。为人类带来第二次物质文明的大飞跃20世纪物质文明的大飞跃。,17,物理学与人类文明之三,“经典物理学”和“近代物理学”已经分别为人类带来了两次物质文明的大飞跃。 下一次第三次物质文明的大飞跃又由谁来发动呢？ 将由量子力学，量子力学向生命科学、材料科学、信息科学等各门学科的应用所发动。,18,（三）物理学中的 量子力学,19,I）量子理论的诞生,量子论的生日1900年12

12、月14日。 M. Planck： 在柏林物理学会上报告他的公式（普朗克公式）的量子说明辐射能量在吸收或发射时以整个量子进行，频率为 的辐射振子的能量为 。 这就宣告了量子论的诞生。 M. Planck, Ann.Physik, 4(1901)553.,20,II）量子力学是甚么？,量子力学是什么？ 量子力学，更广泛地说量子理论，是研究微观世界物质运动和变化的基本规律的科学。 由于我们宏观物质全是由微观物质组成的，宏观世界全部建立在微观世界上面。因此，量子力学便无处不在、普遍适用。,21,III）自诞生起至今，它的势头（1）,自从量子理论诞生以来，它的发展和应用一直广泛深刻地影响、促进和触发人类

13、物质文明的大飞跃。近80年的人类全部历史可以作证。 如果还不信，举例，可以把所有学科名称前面冠以“量子”二字，就会发现：已经形成或将要形成一门新的理论、一门新的学问。物理学内部就有很多这种情况。不必说物理学中以量子力学为主要理论支柱的学科；单是直接添加这两个字就形成新学问的就有：,光学量子光学 电子学量子电子学 电动力学量子电动力学 统计力学量子统计力学 经典场论量子场论 在物理学之外也是大量的： 化学量子化学 生物学量子生物学 宇宙学量子宇宙学 网络量子网络 信息论量子信息论 计算机量子计算机 就连投机家所罗斯的基金会也时髦的冠以“量子”二字：“量子基金会”,22,自诞生起至今，它的势头（续

14、2）,百年（19012003）来总共颁发 Nobel Prize 97 次 （其中1916,1931,1934,1940,1941,1942共6年未颁奖） 单就物理奖而言：直接由量子理论得奖 或与量子理论密切相关而得奖的次数有 58 次 （直接由量子理论得奖25次）,23,自诞生起至今，它的势头（续3）,Nature杂志2000年总结100年来在它上面发表的文章。从登载的数千篇文章中精选出21篇具有里程碑性的文章。其中与量子力学有关的竟占14篇。 量子理论自20世纪20年代创立以来，直到现在，已逐步成为核物理、粒子物理、凝聚态物理、超流和超导物理、半导体物理、激光物理等众多物理分支学科的共同理

15、论基础。而且在量子理论的框架内建立了弱电统一的标准模型；量子理论进入了宇宙起源和黑洞理论。 总之，量子理论诞生后这80年来的发展，使得： 量子理论成为整个近代物理学的共同理论基础。,24,IV）自20世纪80年代以来，量子力学又有很大发展（除BEC及其应用这一大块之外）,量子信息论和量子计算机： 位(bit)量子位(qubit) 既是Yes又是No： |Yes+|No 存贮器量子存贮器 各个位不一定有确定的状态 逻辑门量子逻辑门 网络量子网络 算法量子算法 DeutschDFTShorGrover 并行计算、超高速、超大容量,通讯量子通讯 超大容量、天然保密 编码量子编码 密码量子密码 密钥量

16、子密钥 经典可克隆量子不可克隆 经典克隆是硬件克隆；量子克隆是软硬件全部克隆，原理上不可能 经典通讯的定域传播量子通讯的非定域传播,25,例如： Lov K. Grover “Quantum Mechanics Helps in Searching for a Needle in a Haystack” Physical Review Letters, Vol. 79, No. 2, 1997 “量子力学帮助在干草堆里找一根针” 物理评论快报，第79卷，第2期，1997年,26,V）当前量子力学的重要应用,量子生物学 量子生命科学 量子神经网络 量子化学 量子材料科学 量子信息科学 量子计算机

17、科学 BEC器件、原子器件,目前，它正在向材料科学、化学、生物学、信息科学、计算机科学大规模渗透。 预计不久的将来它将会成为： 整个近代科学共同的理论基础,27,VI）量子力学的基础和逻辑框架（1）,量子力学的主要线索： 2两组基本实验：波性、粒子性实验 1一个基本图象：波粒二象性 3三大基本特征：或然、分立、不确定性 5五大基本公设：波函数、算符、测量、 动力学方程、全同性原理 另有： 3测量过程的3阶段：纠缠分解、波包塌缩、 初态演化 2两种因果律：决定论的、或然的 1一个中心任务：几率幅计算,28,量子力学的基础和逻辑框架（续2）,两类实验基础微观粒子具有波粒二象性 光原是“波”现在发现

18、它又具有粒子性 电子原是“粒子”现在发现它又具有波动性 实验给出微观粒子一个基本图象波粒二象性 （对波动的）Einstein 关系： （对粒子的）de Broglie 关系： 量子力学的总结： （派生出的）三大基本特征： 几率幅描述 量子化现象 不确定性关系,29,量子力学的基础和逻辑框架（续3）,（归纳成）逻辑结构 五大公设： 第一公设波函数公设 第二公设算符公设 第三公设测量公设 第四公设动力学演化公设: Schrdinger 方程公设 第五公设微观粒子全同性原理公设 量子测量的三个过程： 纠缠分解 波包塌缩（随机、不可逆、破坏相干性、非定域） 初态演化,两种因果律的交织 第一类态变化： 状态演化 运动方程初条件。决定论的、可逆的、保持相干性。 第二类态变化： 状态测量 这是一次随机的、不可逆的、破坏相干性的、非定域的 “选择”。 一个中心任务的改变： “ 非对易代数运动方程 算符方程求解 ” 到 “ 几率幅约束条件 路 径积分计算 ”。,