量子力學的含義
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量子力學的含義范文第1篇
關鍵詞：物理本體；物理實體；量子現象；主觀；客觀
基金項目：國家社會科學基金項目“量子概率的哲學研究”（16BZX022）
中圖分類號：N03 文獻標識碼：A 文章編號：1003-854X（2017）06-0054-06
一、引言
時間和空間是人類所有經驗的背景。除去存在的事物，時間、空間什么也不是，不存在只有一件事物的時間、空間，時空是事物之間相互關系的一個方面。
人類通過感性經驗認知的時空，稱作經驗時空；以科學原理和科學方法指導認知的時空是科學時空；牛頓時空、狹義相對論時空、廣義相對論時空、量子力學時空，是經驗時空的科學提升和科學發展，稱作物理時空①。物理時空是科學時空。描述現象實體的時空是現象時空，經驗時空、物理時空、科學時空均是現象時空。而未經觀察的“自在實體（物理本體）”所在時空，稱為“本體時空”?！氨倔w時空”是復數的②，因此，人類實質生活在復數時空中 。作為自然人，觀察者存在于“本體時空”，實時空是人類對時空認識的簡化③。
主體、客體、觀察信號是人類認知自然的三大基本要素④。一般“現象對觀察者的主觀依賴性”有其客觀原因，體現觀察信號的自然屬性對觀察者在認知中的影響。當把現象對觀察者的主觀依賴性轉化為時空的屬性后，就可以達到客觀描述物質世界⑤。所謂客觀描述就是理論計算與經驗及科學實驗結果相符。
考慮觀察信號的客觀作用并納入時空理論的科學建構之中，客觀描述物理現象，是物理學家的重要工作。一般，哲學認知中沒有明晰“觀察信號中介作用”的客觀地位，不管“機械反映論”，還是“能動反映論”，都自動將其融入“反映論”理論體系，尤其是前者，往往容易導致主觀唯心主義的滋生。
狹義相對論用光對時，考慮了光對建立時空的貢獻；牛頓時空是對時信號速度c趨于無窮大的極限情態；考慮引力場對建立時空的影響，引力時空是彎曲的，狹義相對論的平直時空是它的局域特例。從牛頓力學到狹義相對論再到廣義相對論，時空發生了變化，但主體與描述對象的關系沒有變，主體對客體的描述是客觀的。那么是否主體對認知對象完全沒有主觀影響？如果有，它如何產生，又如何消解，實現客觀描述物質世界？經典力學中，人類的處理方法是通過揭示“現象對觀察者的主觀依賴性”及其產生機理，在不同認知領域區分描述中可以忽略的和不可忽略的，能忽略的舍棄，不能忽略的轉化成時空的屬性，實現客觀描述；而從牛頓力學（或相對論力學）到量子力學，時空沒有變化，描述對象具有波粒二象性，“量子現象的主觀依賴性”更為突出。如何消解“量子現象對觀察者的主觀依賴性”，實現量子現象的客觀描述，一直是量子力學基礎討論的熱點。量子力學必須有自己的客觀描述量子現象的時空⑥。
量子力學時空是閔氏時空的復數拓展和推廣⑦，由此可以實現客觀描述量子世界。它與相對論時空有交集，也有異域。有因必有果，反之亦然，時間與因果關系等價⑧。量子力學中的非定域性，與能量、動量量子化及量子態的突變性相關聯。突變無須時間，導致因果鏈斷裂，與因果關聯的相互作用也被刪除，由此引進了類空間隔。平行并存量子態的出現，是不遵從因果律的量子力學新表現；當能量、動量和相互作用變得連續，宏觀時序得到恢復時，回到相對論時空，量子測量中“量子態和時空的坍縮”⑨ 是不同物理時空的轉換，希爾伯特空間只是它們的共同數學應用空間⑩。
時空不是絕對的，相對時空有更廣闊的含義，人類需要擴大對時空概念的認知，不同的認知層次有不同的時空對應，復數時空更為本質。人們不應該將所有領域的物理實體歸于某一時空描述，或者用一種時空的性質去否定另一種時空的存在。還是愛因斯坦說得好：是理論告訴我們能夠觀察到什么。當然，新的實驗事實又將告訴人們，理論及其對應的時空應該如何修改和發展。理論不同時空不同，時空具有建構特征。
二、時空的哲學認知與物理學描述
時空是哲學的基本概念，也是物理學的基本概念。哲學認為，時間和空間是物質的存在形式，既不存在沒有時空的物質，也不存在沒有物質的時空。笛卡爾指出，空間是事物的廣延性，時間是事物的持續性；康德認為，時空是感性材料的先天直觀形式；牛頓提出時間和空間是彼此分離，絕對不變的，強調數學的時間自我均勻流逝；萊布尼茨說，空間是現象的共存序列，時間與運動相聯系；黑格爾認為，事物運動的本質是空間和時間的直接統一。休謨認為，時、空上的接近和先后關系與因果性直接相關。中國的“宇”和“宙”就是空間和時間概念，它是把三維空間和一維時間概念同宇宙密切聯系在一起的最早應用{11}。
哲學具有啟示作用，但時空概念如果不與人的社會實踐、科學實驗、科學理論及其數學物理方法相聯系，就只能停留在形而上，無法上升為科學理論概念。
物理學中，空間從測量和描述物體及其運動的位置、形狀、方向中抽象出來；時間則從描述物體運動的持續性、周期性，以及事件發生的順序、因果性中抽象出來；空間和時間的性質，主要從物體運動及其相互作用的各種關系和度量中表現出來。描述物體的運動，先選定參照物，并在參照物上建立一個坐標系，一般參照物被抽象成點，它就是坐標系的原點；假定被描述物體的形體結構對討論的問題（或對參照物的時空）沒有影響，將物體抽象成質點，討論質點在坐標系中的運動及其相關規律，這就是物理學。由此，“時空是物質的存在形式”的哲學認知也就轉化為人類可操作的具體物理理論描述。
可見，時空的認知與人類的社會實踐、科學實驗、科學進步直接相關，離不開物理和數學方法的應用。笛卡爾平直空間、閔可夫斯基空間、黎曼空間都已作為物理學所依托的幾何學，在牛頓力學、狹義相對論、廣義相對論中得到了充分應用。由此，幾何學被賦予了物理意義。從牛頓力學到狹義相對論再到廣義相對論，時空發生了變化，但描述對象與觀察者之間的關系沒有變，描述是客觀的，并且描述對象都可抽象成經典的粒子，采用質點模型。量子力學不同，從牛頓力學（相對論力學）到量子力學，描述量子現象的時空沒有變化{12}，物理模型沒有變，但量子現象對觀察者有明顯的主觀依賴性，難以客觀描述微觀量子現象。深入分析，解決的辦法有兩種，一是更換物理模型的同時也改變物理時空，消除“量子現象對觀察者的主觀依賴性”，實現客觀描述微觀量子客體；二是改變時空的同時，保留“量子現象對觀察者的主觀依賴性”，將本體、認識、時空融為一體，主觀納入客觀，模糊主客關系。雙4維時空量子力學基礎采用了第一種方法。通過場物質球模型，把點模型隱藏的空間自由度釋放出來；在改變物理模型的同時，也改變了描述時空；將不是點的微觀客體自身的空間分布特性，轉化為描述空間的屬性，客觀描述量子客體。我們認為，第二種方法將主觀認識不加區分地“融入時空”，有損客觀性、科W性，量子力學時空必須是描述客觀世界的時空。物理時空需要建構。
三、牛頓絕對時空中“現象對觀察者的主觀依賴性”及其“消解”
眾所周知，物理學對物體運動狀態的描述，理應包含參照物和被描述物體自身的時空特征，而參照物和物體自身的時空特征，必須通過觀察發現。觀察需要觀測信號，物體運動狀態及其時空特征必然帶有觀測信號的烙印{13}。
“物理本體”不可直接觀察，我們觀察到的是“物理實體”{14}。參照物與研究對象都有自己對應的物理時空，牛頓力學時空應該是兩者的綜合，而不應該只是參照物的時空。但是，牛頓力學中光速無窮大，在討論物體運動時，又假設研究對象的時空結構對討論的問題沒有影響，忽略不計，于是，研究對象抽象成了質點，整個理論體系就只有與參照物聯系的時空了。
任何具體物體都不會是質點。當用信號去觀察它時，物體自身的時空特征與物體的運動狀態與觀察信號的性質、強弱和傳播速度相關。質點模型忽略物體自身的幾何形象及其變化，忽略運動及觀察信號對物體自身時空特征的影響，參照物也不例外。在從參照物到坐標系的抽象中，抽掉運動及觀察信號對參照物時空特性的影響，就是抽掉物體運動及觀察信號對坐標系時空特性的影響，就是抽掉人的參與對時空認知的影響{15}。牛頓力學時空與物體運動及觀察者無關，絕對不變，基于絕對不動的以太之上。所以，牛頓可以把時間和空間從物質運動中分離出來，時間和空間也彼此分割，空間絕對不變，數學的、永遠流逝的時間絕對不變{16}。哲學的時空演變成了可操作的物理時空。這是宏觀低速運動對時空的簡化與抽象，理論與宏觀經驗及計算相符。
相互作用實在論認為，現實世界是人參與的世界，對一個研究對象的觀察，離不開主體、客體、觀察信號三個基本要素。參照物和觀察對象的運動和變化及其時空屬性，與觀察信號的性質相關。牛頓力學中，不是沒有現象對觀察主體的依賴性，而是在理論的建立中認為影響很小，可以忽略不計。牛頓力學是“物理本體=物理實體”的力學{17}。這與宏觀經驗和科學實驗相符，在宏觀低速運動層次實現了主客二分，理論被看作是對客觀實在的描述。牛頓力學中，物質告訴時空如何搭建描述背景，時空告訴物質如何在背景中運動。二者構成背景相關。
牛頓時空是均勻平直時空，相對勻速運動坐標系間的變換是伽利略變換。物理定律在伽利略換下具有協變性，相對性原理成立。
四、狹義相對論中“現象對觀察者的主觀依賴性”及其“消解”
狹義相對論建立之前，洛倫茲就認為高速運動中物體長度在運動方向發生收縮{18}。這是他站在牛頓時空立場，承認以太及絕對坐標系的存在對洛倫茲變換所作的解釋。描述時空沒有變，“現象對觀察者出現了主觀依賴性”。自然現象失去了客觀性，這是一次認識危機，屬19世紀末20世紀初兩朵烏云之一。
狹義相對論不同，它考慮宏觀高速運動中觀察信號對物體時空特征的影響。愛因斯坦在“火車對時”實驗中，他用“光”作為觀察、記錄、認知物體時空特征的信號{19}；通過參照物到坐標系的抽象，論證靜、動坐標系K與K′“同時性”不同，靜、動坐標系運動方向時空測量單位發生了變化；將洛倫茲所稱“運動物體自身運動方向上的長度收縮”演變成坐標系時空框架的屬性，還原質點模型，建立相對論力學。實現了觀察者對觀察對象的客觀描述。
狹義相對論中質點的動量、能量、位置和時間都有確定值，質點的運動具有確定的軌跡，這一點與牛頓力學相同。
狹義相對論時空的另一重要物理意義是揭示了“物理本體”的客觀實在性。
牛頓力學缺少相對論不可直接觀察的靜能（m0c2，m0c）對應物，物理本體=物理實體，哲學上的抽象時空直接過渡到牛頓物理時空。
狹義相對論不一樣，每一個物體都有一個不可直接觀察的靜能（m0c2，m0c）對應物，它在任何靜止參考系中都是不變量，是物理實體背后的物理本體，物理本體不變，變的是mc2、mc對應的物理實體?！拔锢肀倔w”既不是形而上的（物自體），也不是形而下的（物體），是形而中的（靜能對應物）。它可以認知、可以理論建構，但又不可直接觀察。相對于牛頓，愛因斯坦相對論揭示了“物理本體”的真實存在性?！翱陀^物質世界”不是思維的產物。
狹義相對論中，物質告訴時空在運動方向如何修正測量單位，時空告訴物質如何長度收縮、時間減緩。時空具有相對性。
狹義相對論時空雖然也是均勻平直時空，但由于有上述“相對時空”的出現，時空度規與歐氏時空度規有明顯區別，所以稱為贗歐氏時空。
但狹義相對論仍然是只考慮光及光速的有限性對建立時空的影響，沒有考慮引力作用對建立時空的影響。如果考慮引力對時空的影響又如何呢？
五、廣義相對論中“現象對觀察者的主觀依賴性”及其“消解”
廣義相對論中有水星近日點進動問題和光走曲線的討論。站在牛頓平直時空的立場，觀察結果與理論計算不符。這不是儀器的精度不夠，也不是操作失誤，而是理論本身的問題。因為，牛頓力學也好，狹義相對論也好，討論引力問題，引力場對參照物和研究對象時空屬性的影響都沒有計入其中，而留在觀察者對“現象”的觀察、判斷之中，出現宇觀大尺度“現象對觀察者的主觀依賴性”。如果考慮引力場使時空發生彎曲，利用彎曲時空計算水星近日點進動和光走曲線現象，“現象對觀察者的主觀依賴性”就變成時空的屬性?！艾F象對觀察者的主觀依賴性”就得到了“消解”，觀察現象與理論結果就取得了一致。這里，物質使時空彎曲，時空告訴物質如何在彎曲時空中運動。廣義相對論實現了觀察者對觀察對象的客觀描述。
廣義相對論時空是彎曲的，時空度規是變化的。
六、量子力學中“現象對觀察者的主觀依賴性”及其“消解”
微觀客體具有波粒二象性，同一個電子，通過雙縫表現為波，而打在屏幕上又表現為粒子，電子集波和粒子于一身，“量子現象對觀察者的主觀依賴性”更為突出。經典力學中波動性和粒子性不能集物體于一身，量子力學與經典力學表現出深刻的矛盾。矛盾的產生，可能是描述微觀現象的時空出了問題。量子力學的研究領域是微觀世界，研究對象是微觀客體，不是經典的粒子，用以觀察的信號也不是連續的光，而是量子化了的光，通過光信號建立的時空應該與牛頓、相對論時空有所區別。而量子力學使用的還是牛頓時空、狹義相對論時空，時空沒有變，物理模型沒有變，而研究領域、觀察信號和研究“對象”變了。量子力學必須有自己對應的時空，將“量子現象對觀察者的主觀依賴性”，轉化為描述時空的屬性，實現客觀描述量子現象！ 雙4維時空量子力學就是為實現這一目標應運而生的。
現有量子力學“量子現象對觀察者的主觀依賴性”之所以難以消解，與量子力學中的點模型相關。許多量子現象與點模型隱藏的空間自由度有直接聯系，但點模型忽略了這些自由度對產生微觀量子現象的作用和影響。我們必須將隱藏的空g自由度還原于時空，才可能正確地認識、客觀描述量子現象。
可以公認，微觀客體不是點{20}，是一個有形客體，有一定的空間分布，不存在確定于某點的空間位置，這是客觀事實。理論上，牛頓時空幾何點位置是確定的，量子力學使用的是質點模型，0 維，位置也是確定的，牛頓時空可以精確描述質點的運動。那么微觀客體空間分布的不確定性如何處理？人們只好轉而認為點粒子在其“空間分布”區域位置具有概率屬性。微觀客體自身空間分布的客觀實在性在量子世界轉化成了一種主觀認知，賦予了微觀客體“內稟”的概率屬性，其運動產生概率分布，或稱其為概率波。
這是一個認識上的困惑，似乎量子力學描述失去了客觀實在性。這也是量子力學當今的困境。解決困難的方法是：（一）更換點模型，釋放點模型隱藏的自由度，展示“這些自由度對產生微觀現象的貢獻”；（二）建立適合量子力學自身的時空，將釋放的自由度植入其中，讓“量子現象對觀察者的主觀依賴性”變成量子力學時空自身的屬性。
雙4維時空量子力學的辦法是：（一）用“轉動場物質球”模型取代“質點”模型，釋放點模型隱藏的空間自由度；（二）將4維實時空M4（x）拓展到雙4維復時空W（x，k），且將“釋放的空間自由度――曲率k”作為雙4維復時空的虛部坐標；（三）4維曲率坐標將量子力學賦予微觀客體自身的概率屬性變成量子力學復時空的幾何屬性，場物質球自身的旋轉與運動產生物質波――物理波。
“場物質球”與“物質波”（類似對偶性假設）既是同一物理實在的兩種不同描述方式，更是微觀客體粒子性和波動性的統一，曲率的大小表示粒子性，曲率的變化表示波動性。場物質球的物質密度是曲率k的函數，因此，物質波既是場物質球的結構波又是場物質密度波。物質波不是傳播能量，而是傳播場物質球的結構或物質密度變化，可映射成實時空M4（x）的概率分布{21}，與實驗結果相一致。
這樣，點模型中“量子現象對觀察者的主觀依賴性”通過“釋放的自由度”轉變為時空W（x，k）的屬性，物質波傳播其中，量子現象是物質波所為。
研究表明，是量子測量引入的連續作用，使雙4維時空W（x，k）全域轉換到實時空M4（x），波動形態轉變成粒子形態（“相變”），球模型轉換成點模型，概率屬性內在其中，物質波自動映射成概率波，數學處理類似表象變換{22}。
簡言之，傳統量子力學，微觀客體簡化成質點，描述時空不變，人的主觀意識介入其中，將其空間分布特性――位置不確定性，變成點粒子的概率屬性，實現描述對象從客觀到主觀認知的轉變，具有位置不確定性的點粒子，其運動產生概率波；雙4維時空量子力學，微觀客體簡化成場物質球，“空間分布具體化為幾何曲率”，空間分布特性變成曲率坐標，仍然是從客觀到客觀，描述時空變成了復時空，曲率坐標在其虛部，場物質球的運動產生物質波――物理波。通過量子測量，物質波映射成概率波，球模型演變成點模型，顯示概率屬性，時空內在自動轉換，量子現象對觀察者的主觀依賴性消解在建構的時空理論中。具體論證方法是：
將靜態場物質球寫成自旋波動形式：Ψ0=е■，描述在復空間。ω0是常數，它的變化只與自身坐標系時間t0相關，全空間分布（物理本體所在空間）。設建在“靜態”場物質球上的坐標系為K0，觀察微觀客體從靜止開始作蛩僭碩，由洛倫茲變換：
微觀客體的運動速度不同，平面波相位不同。復相空間kμxμ即為物質波所在時空。物質波是物理波。
自由微觀客體的速度就是建在其上慣性坐標系的速度，慣性系間的坐標變換，隱藏速度突變――“超光速”概念，因為，連續變化會引進引力場破壞線性空間。不同慣性系中平面波之間，相位不同，類似量子力學中的不同本征態。這是相對論中的情形{24}。
但是，量子力學建立其理論體系時，把上述不同慣性系中的平面波（不同本征態，每一本征態則對應一慣性系），通過本征態突變躍遷假設（量子分割），切斷因果聯系，形成同一時空中“同時”并存的本征態的疊加。態的躍遷不需要時間，“超光速”（非定域），將類空間隔引入量子力學時空，破壞了原有的因果關系。疊加量子態的存在，是“違背”因果律在量子力學中的新表現。
量子力學時空顯然不是牛頓、狹義相對論時空，但量子力學卻誤認為量子躍遷引起的時空性質的變化是牛頓、狹義相對論時空中的特征，這當然會帶來不可調和的認知矛盾。
同一微觀客體，不同本征態“同時”并存的物理狀態，從整體看，是洛倫茲協變性在量子力學中的新表現。突變區“超光速”，是類空空間，“不遵從”因果律；釋放光子的運動在類光空間；而本征態自身在類時空間，微觀客體運動速度不能超過光速，需保持因果律，物質波討論的就是這一部分，就像相對論討論類時空間物理一樣。量子糾纏態將涉及到上述三種不同性質物理空間量子態的轉換，有完全合理的物理機制，不需要思維的特殊作用。不過，相對論長度收縮效應，將以物質波波長在運動方向上的收縮來體現。有了雙4維時空量子力學，量子力學與相對論就是相容的，光錐圖分析一樣適用。
相對論與量子力學的不同，關鍵在于認知層次發生了變化，光由連續場演變成了量子場。而我們用來觀察世界的光信號直接與時空相關，光的物理性質的變化，必然帶來物理空間性質的變化，帶來物理模型的變化，帶來量子力學時空W（x，k）與相對論時空M4（x）之間的區別，帶來對物質波――物理波的全新認知。我們預言，物質波有通訊應用價值{25}，但與量子力學非定域性無關。
《雙4維復時空量子力學基礎――量子概率的時空起源》的理論實踐表明，我們的工作是可取的{26}。結論是，量子力學中，物質告訴時空如何具有概率屬性，時空告訴物質如何作概率運動。量子現象對觀察者的主觀依賴性消解在對應的時空理論之中，實現了觀察者對量子現象的客觀描述。
雙4維時空是描述量子現象的物理時空，時空度規，無論實數部分，還是虛數部分，都是平直的{27}。
近年來，由于量子通訊技術的飛速發展，量子糾纏的物理基礎引起了人們的特別關注，波函數的物理本質，量子力學的非定域性討論十分熱烈?！傲孔蝇F象對觀察者的主觀依賴性”更是討論的核心。人們甚至被量子現象的奇異性迷惑了，特別是，有科學家甚至認為：“客觀世界很有可能并不存在”。世界是人臆造出來的？科學實在論者當然不能贊成！更加深入的探討，我們將另文討論。
按照曹天予的評論，《雙4維復時空量子力學基礎――量子概率的時空起源》值得關注{28}。雙4維復時空與弦論、圈論比較，最大優點是將時空拓展、推廣到了復數空間，數學沒有那么復雜，而物理學基礎卻更加堅實、清晰。
七、結論與討論
1.“現象對觀察者的主觀依賴性”普遍存在于人與自然的關系之中，融入時空的只能是物理實體對時空有影響的部分，時空具有建構特征。
2. 物質運動與時空的關系：牛頓力學中，物質告訴時空如何搭建運動背景，時空告訴物質如何在背景上運動；狹義相對論中，物質告訴時空如何修正測量單位，時空告訴物質如何在運動方向長度收縮、時間減緩；廣義相對論中，物質告訴時空如何彎曲，時空告訴物質如何在彎曲時空中運動；量子力學中，物質告訴時空如何具有概率屬性，時空告訴物質如何作概率運動。
3. 量子力學時空是平直的，其方程是線性的，而廣義相對論時空是彎曲的，其方程是非線性的{29}。量子力學與廣義相對論的統一，不能機械地湊合，它們的統一，必須從改變時空的性質做起，建立相應的運動方程，并搭起非線性空間與線性空間的相互聯絡通道。
注釋：
① 趙國求：《雙4維時空量子力學基礎》，湖北科學技術出版社2016年版，第5頁；Cao Tian Yu， From Current Algebra to Quantum Chromodynamics： A Case for Structural Realism， Cambridge： Cambridge University Press， 2010， pp.202-241.
② Rocher Edouard， Noumenon： Elementaryentity of a Newmechanics， J. Math. Phys.， 1972， 13（12）， pp.1919-1925.
③④⑥⑦⑩{13}{15}{17}{21}{22}{24}{25}{27} w國求：《雙4維時空量子力學基礎》，湖北科學技術出版社2016年版，第5、105、9、147、179、94、133―136、106、151、151、159、152、149頁。
⑤ 主觀與客觀：“客觀”，觀察者外在于被觀察事物；“主觀”，觀察者參與到被觀察事物當中。 辯證唯物主義認為主觀和客觀是對立的統一，客觀不依賴于主觀而獨立存在，主觀能動地反映客觀。
⑧ L?斯莫林：《通向量子引力的三條途徑》，李新洲等譯，上海科學技術出版社2003年版，第29―33頁。
⑨ 張永德：《量子菜根譚》，清華大學出版社2012年版，第29頁；趙國求：《雙4維時空量子力學基礎》，湖北科學技術出版社2016年版，第178頁。
{11} 馮契：《哲學大辭典》，上海辭書出版社2001年版，第1579―1582頁。
{12} 參見L?斯莫林：《物理學的困惑》，李泳譯，湖南科學技術出版社2008年版。
{14} 相互作用實在論中的基本概念：（1）物質：外在世界的本原。（2）基本相互作用：遍指自然力，有引力，電磁、強、弱等力。（3）自在實體：指未經觀察的“自然客體”（相互作用實在論中，自在實體作為物理研究對象時稱物理本體）。（4）現象實體：經過觀察，系統的、穩定的、深刻反映事物本質的理性認知物。現象則表現自在實體非本質的一面。（相互作用實在論中，現象實體作為物理研究對象時稱物理實體）。（5）觀測信號：人類認知世界使用的探測信號。
{16} 參見伊?牛頓：《自然哲學之數學原理宇宙體系》，武漢出版社1996年版。
{18} 參見倪光炯等：《近代物理學》，上?？茖W技術出版社1980年版。
{19} 參見A?愛因斯坦：《相對論的意義》，科學出版社1979年版；愛因斯坦等：《物理學的進化》，周肇威譯，上?？茖W技術出版社1964年版。
{20} 坂田昌一：《坂田昌一科學哲學論文集》，安度譯，知識出版社2001年版，第140頁。
{23} 參見Guo Qiu Zhao， Describe Quantum Mechanics in Dual 4d Complex Space-Time and the Ontological Basis of Wave Function， Journal of Modern Physics， 2014， 5（16）， p.1684；趙國求：《雙4維時空量子力學基礎》，湖北科學技術出版社2016年版，第149頁。
{26} 參見Guo Qiu Zhao， Describe Quantum Mechanics in Dual 4d Complex Space-Time and the Ontological Basis of Wave Function， Journal of Modern Physics， 2014， 5（16）， p.1684；趙國求：《雙4維時空量子力學描述》，
《現代物理》2013年第5期；趙國求、李康、吳國林：《量子力學曲率詮釋論綱》，《武漢理工大學學報》（社會科學版）2013年第1期。
{28} 曹天予：《當代科學哲學中的庫恩挑戰》，《中國社會科學報》2016年5月31日。
量子力學的含義范文第2篇
【關鍵詞】超弦/M理論/圈量子引力/哲學反思
【正文】
本文分四部分。首先明確什么是量子引力？其次給出當代量子引力發展簡史，更次概述當代量子引力研究主要成果，最后探討量子引力的一些哲學反思。
一、什么是量子引力？
當代基礎物理學中最大的挑戰性課題，就是把廣義相對論與量子力學協調起來[1]。這個問題的研究，將會引起我們關于空間、時間、相互作用（運動）和物質結構諸觀念的深刻變革，從而實現20世紀基礎物理學所提出的空間時間觀念的量子革命。
廣義相對論是經典的相對論性引力場理論，量子力學是量子物理學的核心。凡是研究廣義相對論和量子力學相互結合的理論，就稱為量子引力理論，簡稱量子引力。探討量子引力卓有成效的理論，主要有兩種形式。第一，是把廣義相對論進行量子化，正則量子引力屬于此種。第二，是對一個不同于廣義相對論的經典理論進行量子化，而廣義相對論則作為它的低能極限，超弦／M理論則屬于這種。
圈(Loop)量子引力[2]是當前正則量子引力的流行形式。正則量子引力是只有引力作用時的量子引力，和超弦／M理論相比，它不包括其它不同作用。它的基本概念是應用標準量子化手續于廣義相對論，而廣義相對論則寫成正則的即Hamiltonian形式。正則量子引力根據歷史發展大體上可分為樸素量子引力和圈量子引力。粗略來說，前者發生于1986年前，后者發生于1986年后。樸素量子引力由于存在著紫外發散的重正化困難，從而圈量子引力發展成為當前正則量子引力的代表。
超弦／M理論的目的，在于提供己知四種作用即引力和強、弱、電作用統一的量子理論。理論的基本實體不是點粒子，而是1維弦、2維簡單膜和多維brane（廣義膜）的延展性物質客體。超弦是具有超對稱性的弦，它不意味著表示單個粒子或單種作用，而是通過弦的不同振動模式表示整個粒子譜系列。
圈量子引力和超弦／M理論之外，當代量子引力還有其它不同方案。例如，Euclidean量子引力、拓撲場論、扭量理論、非對易幾何等。
二、當代量子引力研究進展
我們主要給出超弦／M理論和圈量子引力研究的重大進展。
1.超弦／M理論方面[3]
弦理論簡稱弦論，雖然在20紀70年代中期，已經知道其中自動包含引力現象，但因存在一些困難，只是到80年代中期才取得突破性進展。
1)80年代超弦理論
弦論發展可粗略分為早期弦理論（70年代）、超弦理論（80年代）和M理論（90年代）三個時期。我們從80年代超弦理論開始，簡述其研究進展。
1981年，M·Green和J.Schwarz提出一種嶄新的超對稱弦理論，簡稱超弦理論，認為弦具有超對稱性質，弦的特征長度已不再是強子的尺度（～10[-13]厘米），而是Planck尺度（～10[-33]厘米）。
1984年，Green和Schwarz證明[4]，當規范群取為SO(32)時，超弦I型的楊－Mills反常消失，4粒子開弦圈圖是有限的。
1985年，D.Gross，J.Harvey[5]等4人提出10維雜化弦概念，這種弦是由D=26的玻色弦和D=10超弦混合而成。雜化弦有E[，8]×E[，8]和SO(32)兩種。
同年，P.Candlas，G.Horowitz，A.Strominger和E.Witten[6]對10維雜化弦E[，8]×E[，8]的額外空間6維進行緊致化，最重要的一類為Calabi－丘流形。但是這類流形總數多到數百萬個，應該根據什么原則來選取作為我們世界的C－丘流形，至今還不清楚，雖然近10多年來，這方面的努力從來未中斷過。
1986年，提出建立超弦協變場論問題，促進了對非微擾超弦理論的探討。在諸種探討方案中，以E.Witten的非對易幾何最為突出[7]。
同年，人們詳細地研究了超弦唯象學，例如E[，6]以下如何破缺及相應的物理學，對緊致空間已不限于C－丘流形，還包括軌形(Orbifold)、倍集空間等。
人們常把1984-86年期間對超弦研究的突破，稱為第一次超弦革命。在此期間建立了超弦的五種相互獨立的10維理論，而且是微擾的。它們是I型、IIA型、IIB型、雜化E[，8]×E[，8]型和SO(32)型。
2)90年代M理論
經過80年代末期和90年代初期，對超弦理論的對偶性、鏡對稱及拓撲改變等的研究，到1995年五種超弦微擾理論的統一性問題獲得重大突破，從此第二次超弦革命開始出現。
1995年，Witten在南加州大學舉行的95年度弦會議上發表演講，點燃起第二次超弦革命。Witten根據諸種超弦間的對偶性及其在不同弦真空中的關聯，猜測存在某一個根本理論能夠把它們統一起來，這個根本理論Witten取名為M理論。這一年內Witten、P.Horava、A.Dabhulkar等人，給出ⅡA型弦和M理論間的關系[8]、I型弦和雜化SO(32)型弦間的關系、雜化弦E[，8]×E[，8]型和M理論間的關系等。
1996年，J.Polchinski、P.Townscend、C.Baches等人認識到D-branes的重要性。積極進行D-branes動力學研究[9]，取得一定成果。同年，A.Strominger、C.Vafe應用D-brane思想，計算了黑洞這種極端情形的熵和面積關系[10]，得到了和Bekenstein-Hawking的熵－面積的相同表示式。G.Callon、J.Maldacena對具有不同角動量與電荷的黑洞所計算的結果指出，黑洞遵從量子力學的一般原理。G.Collins探討了量子黑洞信息損失問題。
1997年，T.Banks、J.Susskind等人提出矩陣弦理論，研究了M理論和矩陣模型間的聯系和區別。
同年，Maldacena提出AdS/CFT對偶性[11]，即一種Anti-de Sitter空間中的IIB型超弦及其邊界上的共形場論之間的對偶性假設，人們稱為Maldacena猜測。這個猜測對于我們世界的Randall-Sundrum膜模型的提出及Hawking確立果殼中宇宙的思想，都有不少的啟示。
2.圈量子引力方面[12]
1)二十世紀80年代
1982年，印度物理學家A.Sen在Phys.Rev.和Phys.Lett.上相繼發表兩篇文章，把廣義相對論引力場方程表述成簡單而精致的形式。
1986年，A.Ashtekar研究了Sen提出的方程，認為該方程已經表述了廣義相對論的核心內容。一年后，他給出了廣義相對論新的流行形式，從而對于在Planck標度的空間時間幾何量，可以進行具體計算，并作出精確的數量性預言。這種表述是此后正則量子引力進一步發展的關鍵。
同年，T.Jacobson和L.Smolin求出Wilson圈解。在引進經典Ashtekar變量后，他們在圈為光滑且非自相交情形下，求出了正則量子引力的WDW方程解。此后，他們又找到了即使在圈相交情況下的更多解。
1987年，由于Hamiltonian約束的Wilson圈解的發現，C.Revolli和Smolin引進觀測量的經典Possion代數的圈表示，并使微分同胚約束用紐結(knot)態完全解出。
1988年，V.Husain等人用紐結理論(knot theory)，研究了量子約束方程的精確解及諸解間的關系，從而認為紐結理論支配引力場的物理量子態。同年，Witten引進拓樸量子場論(TQFT)的概念。
2)二十世紀90年代
1990年，Rovelli和Smolin指出，對于在大尺度幾何近似變為平直時態的研究，可以預言Planck尺度空間具有幾何斷續性。對于編織的這些態，在微觀很小尺度上具有“聚合物”的類似結構，可以看作為J.Wheeler時空泡沫的形式化。
1993年，J.Iwasaki和Rovelli探討了量子引力中引力子的表示，引力子顯示為時空編織纖維的拓樸修正。
1994年，Rovelli和Smolin第一次計算了面積算子和體積算子的本征值[13]，得出它們的本征譜為斷續的重大結論。此后不久，物理學者曾用多種不同方法證明和推廣這個結論，指出在Planck標度，空間面積和體積的本征譜，確實具有分立性。
1995年，Rovelli和Smolin利用自旋網絡基[14]，解決了關于用圈基所長期存在的不完備性困難。此后不久，自旋網絡形式體系，便由J.Baez徹底闡明。
1996年，Rovelli應用K.Krasnov觀念，從圈量子引力基本上導出了黑洞熵的Bekenstein-Hawking公式[15]。
1998年，Smolin研究圈和弦間的相似性，開始探討圈量子引力和弦論的統一問題。
三、當代量子引力理論主要成就
1.超弦／M理論方面
1)弦及brane概念的提出
廣義相對論中的奇性困難、量子場論中的紫外發散本質、樸素量子引力中的重正化問題，看來都起源于理論的純粹幾何的點模型。超弦理論提出輕子、夸克、規范粒子等微觀粒子都是延伸在空間的一個區域中，它們都是1維的廣延性物質，類似于弦狀，其特征長度為Planck長度。M理論更推廣了弦的概念，認為粒子類似于多維的brane，其線度大小為Planck長度。為簡單起見，我們把brane也稱作膜。超弦／M理論中，用有限大小的微觀粒子替代粒子物理標準模型中純粹幾何的點粒子，這是極為重要且富有成效的革命性觀念。
2)五種微擾超弦理論
這五種超弦的不同在于未破缺的超對稱荷的數目和所具有的規范群。I型有N=1超對稱性，含有開弦和閉弦，開弦零模描述楊－Mills場，閉弦零模描述超引力。ⅡA型有N=2超對稱性，旋量為Majorana-Weyl旋量，不具有手征性，自動無反常，只含有閉弦，零模描述N=2超引力。IIB型同樣有N=2超對稱性，具有手征性。雜化弦是由左旋D=10超弦和左旋D=26玻色弦雜化而成，只包含可定向閉弦，有手征性和N=1超對稱性，可以描述引力及楊－Mills作用。
3)超弦唯象學
從唯象學角度來看，雜化弦型是重要的，E[，8]×E[，8]是由緊致16維右旋坐標場(26-10=16)而產生的，即由16維內部空間緊致化而得到，也就是說在緊致化后得到D=10，N=1，E[，8]×E[，8]的超弦理論。
但是迄今為止，物理學根據實驗認定我們的現實空間是三維的，時間是一維的，把四維時空(D=4)作為我們的現實時空。因此我們必須把10維時空緊致化得到低能有效四維理論，為此人們認為從D=10維理論出發，通過緊致化有
M[10]M[4]×K
此中K為C－丘流形，此內部緊致空間維數為10-4=6，M[4]為Minkowski空間，從而得到4維Minkowski空間低能有效理論。其重要結論有：
(1)由D=10，E[，8]×E[，8]超弦理論（M[10]中規范群為E[，8]×E[，8]）緊致化為D=4，E[，6]×E[，8]、N=1超對稱理論。
(2)夸克和輕子的代數Ng完全由K流形的拓樸性質決定：為Euler示性數χ，系拓樸不變量。
(3)對稱破缺問題。已知超弦四維有效理論為N=1，規范群為E[，6]×E[，8]的超對稱楊—Mills理論，現實模型要求破缺。首先由第二個E[，8]進行超對稱破缺，然后對大統一群E[，6]已進行破缺，從而引力作用在E[，8]中，弱、電、強作用在E[，6]中，實現了四種作用的統一。
4)T和S′對偶性
盡管五種超弦理論在廣義相對論和量子力學統合上，取得了不少進展，但是五種超弦理論則是相互獨立的，理論卻是微擾的。盡管在超弦唯象學中，原則上－丘流形K一旦固定下來，在D=4時空中所有零質量費米子和玻色子（包括Higgs粒子）就會被確定下來，但是－丘真空態總數則可多到數百萬個，應該根據什么原則來選?。鹫婵諔B，目前還不清楚。T對偶性和S對偶性的提出，正是五種超弦理論融通的主要橋梁。
在M理論的孕育過程中，對偶性起了重要作用。弦論中存在著一種在大小緊致空間之間的對偶性。例如ⅡA型弦在某一半徑為R[，A]的圓周上緊致化和ⅡB型在另一半徑為R[，8]的圓周上緊致化，兩者是等效的，則有關系R[，B]=(m[2，s]R[，A])[-1]。于是當R[，A]從無窮大變到零時，R[，B]從零變到無窮大。這給出了ⅡA弦和ⅡB弦之間的聯系。兩種雜化弦E[，8]×E[，8]和SO(32)也存在類似聯系，盡管在技術性細節上有些差別，但本質上卻是同樣的。
A.Sen證明，在超對稱理論中，必然存在著既帶電荷又帶磁荷的粒子。當這一猜測推廣到弦論后，它被稱作為S對偶性。S對偶性是強耦合與弱耦合間的對稱性，由于耦合強度對應于膨脹子場，雜化弦SO(32)和I型弦可通過各自的膨脹子連系起來。
5)M理論和五種超弦、11維超引力間的聯系
M理論作為10維超弦理論的11維擴展，包含了各種各樣維數的brane，弦和二維膜只是它的兩種特殊情況。M理論的最終目標，是用一個單一理論來描述已知的四種作用。M理論成功的標志，在于把量子力學和廣義相對論的新理論框架中相容起來。
附圖
上面給出五種超弦理論、11維超引力和M理論相容的一個框架示意圖[16]，即M理論網絡。此網絡揭示了五種超弦理論、11維超引力都是單一M理論的特殊情形。當然至今M理論的具體形式仍未給出，它還處于初級階段。
6)推導量子黑洞的熵－面積公式。
在某些情形下，D-branes可以解釋成黑洞，或者說是黑branes，其經典意義是任何物質（包括光在內）都不能從中逃逸出的客體。于是開弦可以看成是具有一部分隱藏在黑branes之內的閉弦。Hawking認為黑洞并不完全是黑的，它可以輻射出能量。黑洞有熵，熵是用量子態來衡量一個系統的無序程度。在M理論之前，如何計算黑洞量子態數目是沒有能力的。Strominger和Vafa利用D-brane方法，計算了黑－branes中的量子態數目，發現計算所得的的熵－面積公式，和Hawking預言的精確一致，即Bekenstein-Hawking公式，這無疑是M理論的一個卓越成就。
對于具有不同角動量和電荷的黑洞所計算結果指出，黑洞遵從量子力學的一般原理，這說明黑洞和量子力學是十分融洽的。
2.圈量子引力方面
1)Hamiltonian約束的精確解。
圈量子引力驚人結果之一，是可以求出Hamiltonian約束的精確解。其關鍵在于Hamiltonian約束的作用量，只是在s－紐結的結點處不等于零。所以不具有結點的s－紐結，才是量子Einstein動力學求出的物理態。但是這些解的物理詮釋，至今還是模糊不清的。
其它的多種解也已求得，特別是聯系連絡表示的陳－Simons項和圈表示中的Jones多項式解，J.Pullin已經詳細研究過。Witten用圈變換把這兩種解聯系起來。
2)時間演化問題
人們試圖通過求解Hamiltonian約束，獲得在概念上是很好定義的、并排除凍結時間形式來描述量子引力場的時間演化。一種選擇是研究和某些物質變量相耦合的引力自由度隨時間演化，這種探討會導致物理Hamiltonian的試探性定義的建立，并在強耦合微擾展開中，對S紐結態間的躍遷振幅逐級進行考查。
3)楊－Mills理論的重正化問題
T.Thiemann把含有費米子圈的量子引力，探索性地推廣到楊－Mills理論進行研究。他指出在量子Hamiltonian約束中，楊－Mills項可以嚴格形式給出定義。在這個探索中，紫外發散看來不再出現，從而強烈支持在量子引力中引進自然切割，即可擺脫傳統量子場論的紫外發散困難。
4)面積和體積量度的斷續性
圈量子引力最著名的物理成果，是給出了在Planck標度的空間幾何量具有分立性的論斷。例如面積
此中lp是Planck長度，j[，i]是第i個半整數。體積也有類似的量子化公式。
這個結論表明對應于測量的幾何量算子，特別是面積算子和體積算子具有分立的本征值譜。根據量子力學，這意味著理論所預言的面積和體積的物理測量必定產生量子化的結果。由于最小的本征值數量級是Planck標度，這說明沒有任何途徑可以觀測到比Planck標度更小的面積（～10[-66]厘米[2]）和體積（～10[-99]厘米[3]）。從此可見，空間由類似于諧振子振動能量的量子所構成，其幾何量本征譜具有復雜結構。
5)推導量子黑洞的熵－面積公式
已知Schwarzchild黑洞熵S和面積A的關系，是Bekenstein和Hawking所給出，其公式為：
附圖
這里k是Boltzman常量，是Planck常量，G[，N]為牛頓引力常量，c為光速。對這個關系式的深層理解和由物理本質上加以推導，M理論已經作過，現在我們看下圈量子引力的結果。
應用圈量子引力，通過統計力學加以計算，Krasnov和Rovelli導出
附圖
此處γ為任意常數，β是實數(～1/4π)，顯然如果取γ＝β，則由式(3)即可得到式(2)。這就是說，從圈量子引力所得出的黑洞熵－面積關系式，在相差一個常數值因子上和Bekenstein-Hawking熵－面積公式是相容的。
Bekenstein-Hawking熵公式的推導，對圈量子引力理論是一個重大成功，盡管這個事實的精確含義目前還在議論，而且γ的意義也還不夠清楚。
四、量子引力理論的哲學反思
我們從空間和時間的斷續性、運動（相互作用）基本規律的統一性、物質結構基本單元的存在性三個方面進行哲學探討。
1.空間和時間的斷續性
當代基礎物理學的核心問題，是在Planck標度破除空間時間連續性的經典觀念，而代之以斷續性的量子繪景。量子引力理論對空間分立性的揭示和論證，看來是最為成功的。
超弦／M理論認為，我們世界是由弦和brane構成的。根據弦論中給出的新的不確定性關系，弦必然有位置的模糊性，其線度存在一有限小值，弦、膜、或brane的線度是Planck長度，從而一維空間是量子化的。由此推知，面積和體積也應該是量子化的。二維面積量子的數量級為10[-66]厘米[2]，三維體積量子的數量級為10[-99]厘米[3]等。
對于圈量子引力，其最突出的物理成果是具體導出了計算面積和體積的量子化公式。粗略說來，面積的數量級是Planck長度lp的二次方，體積的數量級是lp的三次方。這就令人信服地論證了在Planck標度，面積和體積具有斷續性或分立性，從而根本上否定了空間在微觀上為連續性的經典觀念。
依據空間和時間量度的量子性，芝諾悖論就是不成立的，阿基里斯在理論上也完全可以追上在他前面的烏龜。類似的，《莊子·天下》篇中的“一尺之捶，日取其半，萬世不竭”這個論斷在很小尺度上顯然也是不成立的。古代哲學中這兩個難題的困人之處，從空間時間斷續性來看，是由于預先設定了空間和時間的度量，始終是連續變化的經典性質。實際上在微觀領域，空間和時間存在著不可分的基本單元。
2.運動（相互作用）基本規律的統一性
20世紀基礎物理學巨大成功之一，就是建立了粒子物理學的標準模型，理論上它是筑基于量子規范場論的。這個模型給出了夸克、輕子層次強、弱、電作用的SU(3)×SU(2)×U(1)規范群結構，在一定程度上統一了強、弱、電三種相互作用的規律。但是它不含有引力作用。
超弦／M理論的探討，在于構建包含引力在內的四種作用統一的物理理論。傳遞不同相互作用的粒子如光子（電磁作用）、弱玻色子（弱作用）、膠子（強作用）和引力子（引力作用），對應于弦的各種不同振動模式，夸克、輕子層次粒子間的作用，就是弦間的相互作用。在Planck標度，超弦／M理論是四種基本作用統一理論的最佳侯選者，也就是所說的萬物理論(Theory of everything)的最佳侯選者。
在Planck時期，物質運動或四種作用基本規律的統一性，正是反映了我們宇宙在眾多復雜性中所顯現的一種基本簡單性。
3.物質微觀結構的基本單元的存在性[17]
世界是由物質構成的，物質通常是有結構的，但是物質結構在層次上是否具有基本單元，即德謨克利特式的“原子”是否存在？這是一個長期反復爭論而又常新的課題。當代幾種不同的量子引力，盡管對某些問題存在著不同的見解，但是關于這個問題從實質上來看，卻給出了一致肯定的回答。
超弦／M理論認為，構成我們世界的物質微觀基本單元是具有廣延性的弦和brane，并非所謂的只有位置沒有大小的數學抽象點粒子。粒子物理學標準模型中的粒子，都是弦或brane的激發。弦和brane的線度是有限短的Planck長度，它們正是構成我們世界的物質基本單元，即德謨克利特式的“原子”，這是超弦／M理論為現今所有粒子提供的本體性統一。
圈量子引力給出了在Planck標度面積和體積的量子化性質，即斷續的本征值譜，面積和體積分別存在著最小值。由于在圈量子引力中，脫離引力場的背景空間是不存在的，而引子場是物質的一種形態，因此脫離物質的純粹空間也就是不存在的?？臻g體積和面積的不連續性和基本單元的存在，正是物質微觀結構的斷續性和基本單元的存在性的最有力論據。
總之，超弦／M理論和圈量子引力從不同的側面，對量子引力的本質和規律作出了一定的揭示，它們在Planck標度領域一致地得出了空間量子化和物質微觀結構基本單元存在的結論。這無疑是人們在20世紀末期對我們世界空間時間經典觀念的重大突破，也是廣義相對論和量子力學統合的成果；同時更是哲學上關于空間和時間是物質存在的客觀形式，沒有無物質的空間和時間，也沒有無空間和時間的物質學說的一曲凱歌！
【參考文獻】
[1] G.Horowitz.Quantum gravity at the turn of the millennium.gr-qc/0011089.22.
[2] C.Rovelli.Loop quantum gravity.gr-qc/9710008 10.Oct.1997.
[3] M.Kaku.Introduction to superstring and M-theory.Second Editon.Springer.New York，1999.
[4] M.Green，J.Schwarz.Anomally cancellations in supersymmetric D=10 gauge theory and superstring theory.Phys.Lett.149B(1984)11.
[5] D.Gross，J.Horvey，E.Martine and R.Rohm.Heterotic string.Phys.Rev.Lett 54(1985)502.
[6] P.Candelas，G.Horowitz A.Strominger and E.Witten.Vacuum configurations for superstrings.Nucl.Phys.B258(1985)46.
[7] E.Witten.Non-commutative geometry and string field theory.Nucl.Phys.B276(1986)291.
[8] E.Witten.String-string duality conjecture in various.dimensions.Nucl.Phys.B443(1995)307.
[9] C.Baches.D-brane dynamics.Phys.Lett.B374(1996)37.
[10] A.Strominger，C.Vafa.Microscopic origin of the Bekenstein-Hawking entropy.Phys.Lett.B379(1996)99.
[11] J.Maldacena.The large-Nlimit of superconformal field theories and supergravity.hep-th/9711200.
[12] C.Rovelli.Notes for a brief history of quantum gravity.gr-qc/0006061.23Jan，2001.
[13] C.Rovelli，L.Smolin.Descreteness of area and volume in quantum gravity.gr-qc/9411005.
[14] C.Rovelli，L.Smolin.Spin networks and quantum gravity.Phys.Rev.D52(1995)5743.
[15] C.Rovlli，Black hole entropy from loop quantum gravity.Phys.Rev.Lett.74(1996)3288.
量子力學的含義范文第3篇
關鍵詞原子物理；物理學史；教學；科學思維
1引言
原子物理是物理學專業學生必修的一門專業基礎課。與其他理論性抽象性較強的學科不同，原子物理課程介紹的對象為微觀結構，微觀體系具有其特定的規律而且不能直接觀測，所以不具有宏觀物體運動的直觀性，必須借助實驗手段，因此教學中有大量的實驗介紹。與其他學科一樣，理論的建立都必須以實驗為基礎并遵從“實驗—理論—實驗”的發展原則。在原子物理的教學中一直以來側重于通過實驗現象的分析，發展理論模型，揭示原子結構及運動規律，揭示其微觀結構及本質運動規律。通過物理學史的引入，介紹物理學家的實驗構想，實驗結果與分析可以更加清晰地讓學生看到科學探索的過程：在實驗過程中發現更多新信息歸納總結推測修正理論然后再在實踐中加以檢驗。實際教學中結合物理學史的講授能夠極大地激發學生的學習興趣，同時也從中看到實驗與理論是怎樣相互推進完善我們對原子世界的認知。諾獎輩出的近代物理發展史貫穿整個原子物理學，本文將著重以α粒子散射實驗、玻爾氫原子模型和康普頓散射實驗為例討論原子物理教學與物理學史的結合并分析其優勢。
2α粒子散射實驗教學過程與物理學史的結合
原子物理學發展處于經典物理完善與量子概念提出的這段革命性時期，具有豐富的史料,在教學中結合物理學史，將極大地提升教學效果，這不僅有利于本課程的教學，也將對學科乃至科學思維方法的培養都具有積極意義。將原子物理學發展史融入知識的傳授過程中可增強學習的趣味性。例如在講授盧瑟福核式結構模型[1-2]前分析當時人們對原子的認識。原子是中性，不帶電，湯姆孫（J.J.Thomson）發現了電子并由此提出了葡萄干布丁模型。然后此處，電子的發現也經歷了一個曲折的科學發展過程。早在1811年阿伏伽德羅（A.Avogadrao）提出的假說中隱含常數NA，聯系到電荷存在最小單位，到1833年法拉第（M.Fara-day）提出電解定律并推得1mol任何原子單價離子永遠帶有相同電量，直至1874年，斯通尼（G.J.Stoney）才明確提出“電子”這一名詞來命名電荷最小單位。由實驗現象到理論推測，這只是微觀世界探索路上的一小步。23年以后，1897年，湯姆孫通過放電管陰極射線偏轉真正從實驗上確定了電子的存在，成為“最先打開通向基本粒子物理學大門的偉人”。然而，這“理所當然”的結果也不是唾手可得的。首先，人們對陰極射線的研究已有數十年歷史，由于真空度不高，很多偉大的物理學家在類似的實驗中并未發現陰極射線的偏轉，錯誤地認為陰極射線不帶電，真理被掩蓋在射線管的低真空環境中。另一方面，在1890年，休斯脫（A.Schuster）研究氫放電管中陰極射線偏轉時算得荷質比是千倍以上，他不敢相信自己的測量結果，認為這是荒謬的，真理又一次敗給“固有”觀念。在與湯姆孫發現電子的同年，德國考夫曼（W.Kaufman）在類似的實驗中測得比湯姆孫還要精確的荷質比，但他沒有勇氣發表這些結果。這些都是真理都碰到鼻子尖上還沒有得到真理的人。可見，科學探索過程不是一帆風順的，通過這些擴展和背景知識介紹讓學生認識到科學研究要嚴謹，忠于客觀事實，勇于突破傳統觀念。接下來在盧瑟福α粒子散射實驗中，湯姆孫葡萄干布丁模型的失敗、核式結構的成功，這部分的教學中可以讓學生看到實驗與理論兩手并行，設計實驗驗證理論，新的實驗現象修正理論，原子物理這一門學科的發展，充滿了對固有觀念的顛覆，帶著懷疑和批判的精神進一步驗證，由此一步一步接近真理，學生們可以真切地體會科學家們通過用客觀事實來修正和進一步完善理論的科學思維方法。除了對知識點本身的介紹，結合物理學史的講授能夠在課堂上吸引和牽動更多學生思考，激發學習興趣，培養基本的科學素養。
3玻爾氫原子模型教學過程與物理學史的結合
在玻爾模型的講解中也可以通過對著名物理學家們對“量子”概念的認識理解過程以及介紹1927年第五屆索爾維會議，很好地讓學生了解近代物理發展的精彩一幕。這樣可以有效避開傳統的灌輸邏輯思維方法的教學，通過介紹物理學家的認知過程、思想斗爭、學術辯論，讓學生看到知識的構建過程，更加深刻領悟物理學研究的思想方法。如1900年普朗克（M.Planck）“勉強”地發表了著名的量子假說，作為經典物理的大師，普朗克不得不拋棄能量是連續的傳統經典物理概念，導出了與實驗完全符合的黑體輻射經驗公式。并且因為量子理論的創立而獲得諾貝爾物理學獎。普朗克本人是如此地不喜歡自己提出的量子概念，很想把量子說納入經典軌道，但十余年的斗爭終敗，最后在各種經典解釋一一碰壁后他才真正理解量子的深刻含義。由此可以再次讓學生看到，科學研究確實不僅需要勇氣挑戰經典，還要學會改變固有觀念和思維方式。物理理論的萌芽、發展和完善，這個復雜的過程中學生能夠深切地體會其中的曲折艱辛。在介紹玻爾氫原子模型的部分，可以引入玻爾與愛因斯坦的世紀之爭。玻爾1885年出生于丹麥，在哥本哈根大學學習物理期間發展和完善了湯姆孫和洛倫茲的研究方法，并且創造性地把普朗克提出的量子假說應用于盧瑟福的核式結構模型，非常完美地解釋了困惑物理學家們近30年的光譜實驗。玻爾作為哥本哈根學派的創始人，不僅成功地解釋了氫原子光譜，還提出互補原理和哥本哈根詮釋來解釋量子力學。在玻爾成立的哥本哈根大學理論物理學研究所還誕生了大量杰出優秀的物理學家，是當時世界上最重要最活躍的學術中心。玻爾與愛因斯坦的世紀之爭因為對物理學發展具有極為重要的作用而被載入史冊。在第五屆索爾維會議中，愛因斯坦質疑海森堡的不確定性原理，并拋出了“上帝不會擲骰子”的觀點，而玻爾反駁“愛因斯坦，不要告訴上帝怎么做”。愛因斯坦對測不準關系和量子力學的幾率解釋極為不滿，認為量子力學不完備，并提出一個思想實驗來反駁測不準關系。但這正好被玻爾用分析場的可測性證明了量子場論的無矛盾條件。愛因斯坦提出了很多問題，找到很多矛盾，但都被玻爾一一攻破，反而更加全面地證明自己的正確性，闡明了量子力學的原理。兩位偉大的科學家一直在爭斗，但玻爾十分尊重愛因斯坦的挑戰，愛因斯坦的批評和挑戰也促進了大家對微觀理論的認識。正所謂真理越辯越明，索爾維會議上玻爾與愛因斯坦的世紀爭辯的介紹不僅更能提升學生對物理研究過程的了解和對科學發展的認識，同時有利于正確看待學術討論、爭議、合作，培養學術精神和正確的價值觀。另一方面通過介紹以玻爾為中心的哥本哈根學派的工作，可以展開極為豐富的信息，這對激發學生興趣給學生以啟迪、聯系專業學科可以起到更加積極的作用。此外，在教學過程中由玻爾理論到索末菲理論再到第三章介紹的量子理論電子云概念的提出，從介紹氫原子到類氫離子再到最外層只有一個電子的堿金屬，單電子原子到雙電子原子再到多電子原子，每一個部分都是物理學發展堅實的腳印，讓學生看到，實際上現有的物理知識無一不是通過無數的曲折反復由簡到繁升華高度概括得到的精華，這樣的教學過程將更有益于滲透物理思想和學習科學思維的方法，從而樹立科學的世界觀[3]。
4康普頓散射實驗教學過程與物理學史的結合
科學發展實驗與理論兩手并行，例如1923年美國物理學家康普頓（pton）在研究X射線與物質散射的實驗中證明了X射線的粒子性，完滿地解釋了光量子說，人類對光的本性的認識在實驗中完滿。這是一個漫長曲折的過程，從17世紀末開始，牛頓提出的“微粒說”認為光是微小的粒子，而惠更斯提出了與之相對立的“波動說”，人們對光的認識局限在當時所能觀測的有限的實驗現象中，加之牛頓崇高的威望使得“微粒說”一度占領統治地位。一百年后，托馬斯•楊通過光的干涉實驗驗證了惠更斯原理，“波動說”開始充滿生機。到了19世紀中葉，麥克斯韋提出“電磁說”，由此光的波動理論占據主導地位。但很快因為波動理論認為光的傳播需要介質，這難以解釋宇宙中光的傳播，“波動說”又身陷囹圄，而且“波動說”在光電效應面前蒼白而無力。1905年，愛因斯坦提出“光量子說”成功解釋了光電效應，這樣幾經曲折，康普頓散射實驗終結了人們對于“光量子說”的懷疑，最終認識到光具有波粒二象性，粒子與波動完美統一。康普頓散射實驗這個漂亮的句號可以啟發學生認識到人們對于客觀事物的認知總存在歷史局限性，前人們經歷了從無知到多角度多方面看實物，從相對真理到越來越接近絕對真理的過程。
5小結
在原子物理這門課程的教學過程中充滿了革命性創新性的故事，聯系物理學史開放性的教學，對于培養學生不拘泥思維，敢想敢干勇于創新將起到積極的促進作用。物理教學中，特別是原子物理課程教學中扒開死氣沉沉的公式，充分利用物理學史資料，呈現真實的歷史不僅可以充實和豐富課堂內容，開闊學生視野，活躍課堂氣氛，培養學生學習興趣，更重要的是可以讓學生對專業學科展開立體的聯系，知識不再是單一的點，還可以連成線，展開為面，知識是立體的，充滿生命力的，向各方面生長的。綜上，原子物理教學過程中緊密結合科學事例的歷史，將更有利于激發學生學習興趣，深入探索實驗現象，積極動腦思考物理本質，培養科學思維方法。知識的多寡不是我們教學中所追求的終極目標，探索精神的培養，對物理本質的全面理解以及建立正確的科學思維方法，樹立正確的科學觀才是充滿生命力的有活力的教學。
參考文獻
[1]楊福家.原子物理學[M].北京:高等教育出版社.
[2]褚圣麟.原子物理學[M].北京:高等教育出版社.
量子力學的含義范文第4篇
固體物理學是凝聚態物理和材料物理專業的必備基礎課，它融合了普通物理、熱力學與統計物理、量子力學等多學科的知識。也是因為知識面廣、量大、深奧難懂，在教學過程中，學生普遍反映較難掌握這門課程。如何取舍教學內容、如何深入淺出地講解基礎知識點、如何改變教學手段和教學形式提高學生的學習和應用能力等，這些都是教學中遇到的主要問題。作者從數年的教學中總結了一些心得體會，希望對這門課的教學有所借鑒作用。
一、多媒體與三維模型的應用
固體物理學是一門研究固體的微觀結構、組成固體的粒子（原子、離子、電子等）之間的相互作用與規律，并在此基礎上闡明固體宏觀性質的學科。因此，固體的微觀結構是這門課程的基礎。許多固體物理學的教材，例如黃昆等的《固體物理學》經典教材，開篇即討論晶體的結構。但對晶體結構的理解，特別是對三維的晶體結構的理解，需要學生較好的空間想象能力。由于晶格的周期平移不變性，理想晶格可以通過原胞或單胞的周期平移、重復而得到。那么，如何選取合適的原胞或單胞？原胞的形狀如何？原胞內有多少個原子？單胞內的各個原子是否等價？在教學過程中，許多學生對這些問題一時不能很好理解。
隨著計算機的普及和利用，多媒體教室普遍存在，并被廣泛使用。多媒體教學手段的利用，有助于學生對固體微觀結構的理解。例如，可以通過視頻或PowerPoint文件，可以直觀地展示晶體的微觀結構、原胞的選取、原胞的形狀等。與傳統板書相比，利用多媒體呈現并分析固體的微觀結構以及晶體的結構特征，對教師而言，更加省時、省力；幾何關系的表達也更為準確，便于學生的理解。此外，若能結合三維的原子實物模型，那么，固體的微觀結構將能更為直觀地展現在學生眼前。多媒體與三維模型的應用對于學生理解固體的微觀結構、晶格的周期性、原胞、晶體的對稱性等基礎概念很有好處。
當然，多媒體教學也存在著一定的局限性。例如，在公式的推導、基礎概念的講解等方面，板書其實更受學生的歡迎。與多媒體教學相比，板書的節奏慢，師生間可以有較多的互動；學生相對容易跟上教師思考問題、解決問題的步伐，學生也能有較充分的時間來理解各個知識點、梳理要點以及做筆記等。因此，多媒體教學還需適當地與傳統板書相結合才能達到較好的教學效果。
二、教學內容的取舍
由于固體物理學融合了普通物理、熱力學與統計物理、量子力學、晶體學等多學科的知識，其知識面廣、量大，在有限的學時里，不可能面面俱到地討論固體物理學所涉及的所有知識點。因此，實際教學中可以結合本專業的特色，有選擇地取舍部分教學內容。例如，側重固體熱學性質的專業可以考慮以晶格振動等內容為主；而側重微電子的專業則可以考慮以能帶理論、半導體中的電子等內容為主。當然，一些多個領域都涉及到的基礎知識也應是這門課程不可缺少的一部分內容。
固體的微觀結構和結合方式是固體物理學的基礎，因此，晶體的結構和晶體的結合等知識點應是這門課程的基礎知識之一?？紤]到理想晶格由原子實和電子組成，晶格的運動主要在晶格振動等部分討論；而電子的運動主要在能帶理論等部分討論，具體還可以分為金屬中電子的運動和半導體中電子的運動等部分。盡管這原子實和電子的運動實際上相互聯系，但很多時候，可以分別側重討論。此外，實際晶體也并非理想晶體；實際晶體除了有邊界之外，也常含有缺陷。但在許多情況下，晶格的振動、電子的運動和缺陷的影響依然可以依據實際情況分別討論，并得到與實際較為符合的理論結果。因此，晶格振動、能帶理論和缺陷等知識點之間相對獨立，或可根據各專業的實際情況取舍部分教學內容。
在許多固體物理學的教材中，例如黃昆等的《固體物理學》教材和閻守勝的《固體物理基礎》教材，密度泛函理論并沒有被提到。事實上，密度泛函理論是一個被廣泛使用的基礎理論，它是凝聚態物理前言研究的有效手段之一，也是材料設計的一種有效方法。教學過程中，教師可以結合各專業的實際情況介紹一些密度泛函理論的基礎知識。同時，還可以介紹一些最新的相關研究進展，以拓展學生的知識面、提高學生的學習興趣。
三、模塊化的教學形式
如前所述，固體物理學中的許多知識點間相對獨立；基于這門課程的特征，教師在教學過程中可以考慮模塊化的教學形式，以子課題的形式將相應內容呈現給學生?？赡艿哪K如：討論晶體的結構和晶體的結合方式的基礎模塊――晶體的結構與結合；討論晶體中原子實運動的模塊――晶格振動；討論晶體中電子運動的模塊――能帶理論；討論實際晶體中可能存在的缺陷的模塊――晶體的缺陷等；其中，能帶理論部分還可分為：近自由電子模型、緊束縛模型、贗勢方法等數個部分。這樣做首先有利于教學內容的取舍；其次，有利于學生對各知識點的理解、有利于學生梳理清楚各個知識點之間的關系。
此外，固體物理學是凝聚態物理前沿研究的基礎之一；其基礎知識、理論推導、實驗背景以及處理問題的方式方法等，都是開展凝聚態物理研究的基礎。而模塊化教學，以課題研究的形式提出問題、解決問題，將教學內容以問題為導向呈現給學生，這有助于培養學生的學習能力和解決實際問題的能力。而且，課題研究的教學模式，既是在教授學生知識，也是在開展科研，有助于提高學生對科研的認識、有助于培養學生的科研能力。這種課題研究的模塊化教學形式還可以結合基于原始問題的教學來開展。
四、基于原始問題的教學
所謂原始問題，可簡單理解為：現實生活中實際存在的、未被抽象加工或簡化的問題。于克明教授、邢教授等人詳細探討了原始物理問題的諸多方面；此外，周武雷教授等人還討論了原始物理問題含義的界定等相關問題，并呼吁將基于原始物理問題的教學實踐引入大學物理的教學中。這應是個值得提倡的建議，畢竟現實生活中遇到的具體問題都是原始問題。與傳統的習題不同，原始問題未被抽象、加工或簡化。學生處理實際問題的第一步便是將問題適當簡化，這也是學生需要學習的一種能力。
事實上，合理的模型簡化是各種理論的基礎，也是實際應用或科研必不可少的一種能力。例如，討論晶格熱容的愛因斯坦模型和德拜模型，盡管模型簡單，但它們數十年來是我們討論、分析相應問題的基礎。今天，那些被寫進教科書的基礎理論，在當時、在理論剛被提出時，都是為了原始問題的解決。下面以晶體熱容為例，稍加詳述。
問題的背景：根據經典的熱力學理論，晶體的定體摩爾熱容是個與溫度無關的常數。實驗發現晶體的熱容在高溫下確實接近于常數，但是晶體的熱容在低溫下并不是個常數，其與溫度的三次方成比例關系。
問題的提出：理論預言與實驗觀測為何不相符？如何解釋實驗現象？20世紀初剛剛發展起來的量子力學是否能解釋這個實驗現象？這些問題在愛因斯坦的年代應該都是前言的科研問題。
問題的簡化：（1）不考慮邊界、缺陷、雜質等的影響，將實際晶體抽象為理想晶體；（2）基于絕熱近似，不考慮電子的具體空間分布，將原子當作一個整體，原子―原子間存在相互作用；（3）基于近鄰近似，只考慮近鄰原子間的相互作用；（4）基于簡諧近似，將原子間的相互作用勢在原子的平衡位置作泰勒級數展開，并保留到二階項。
問題的解決：基于上面的模型簡化，寫出描述原子運動的牛頓第二定律，并求解方程組，這些方程組與相互獨立的簡諧振子的運動方程組相對應。結合量子力學，得到體系的能量本征值；寫出晶格振動總能的表達式，繼而給出由晶格振動貢獻的晶格熱容的表達式。由于晶格熱容的表達式復雜，很難直接與實驗結果對比，因此引入進一步的簡化和近似――愛因斯坦模型或德拜模型。
這種提出問題、分析問題、解決問題的方式與做前言科學研究的方式相接近，既能提高學生對科研的認識、培養學生的科研能力，又能培養學生理論聯系實際、解決實際問題的能力。
五、小結
針對固體物理學這門課程的一些特點，本文從教學手段、教學內容和教學形式等方面提出了一些教學改革的心得體會。教學手段上，可以利用多媒體和三維模型等教學手段，以便讓學生更容易理解固體的微觀結構。教學內容上，可以針對專業特色，有選擇地取舍部分章節。而模塊化的教學形式，可以將相對獨立的知識點以子課題的形式呈現給學生，既能幫助學生梳理知識點，又能讓學生對課題研究有所認識。最后，通過課題研究的教學形式、理論聯系實際的討論分析以及基于原始問題的教學，培養學生學習和應用的能力。
致謝：感謝上海高校外國留學生英語授課示范性課程《英文大學物理》建設項目的資助。
參考文獻：
[1]黃昆，韓汝琦.固體物理學[M].北京：高等教育出版社，1988.
[2]閻守勝.固體物理基礎[M].第二版.北京：北京大學出版社，2003.
[3]謝希德，陸棟.固體能帶理論[M].上海：復旦大學出版社，2007.
[4]馮端，金國鈞.凝聚態物理學[M].北京：高等教育出版社，2003.
[5]陳志遠，熊鋼，易偉松.多媒體技術應用于固體物理教學的探討[J].咸寧師專學報2002，22（6）：53-55.
[6]梁先慶，何小榮.固體物理學課程教學研究與探討[J].廣西物理，2011，32（3）：47-49.
量子力學的含義范文第5篇
關鍵詞:物理常數;光速;普朗克常數
基本物理常數是物理學中的一些普適常數，是人類在探索客觀世界基本運動規律的過程中提出和確定的基本物理常量。這些常數與自然科學的各個分支有著密切的關系，在科學理論的提出和科學試驗的 發展 中起著很重要的作用?；疚锢沓蛋ㄅｎD引力常數g、真空中的光速c、普朗克常數h、基本電荷e、 電子 靜止質量me、阿伏伽德羅常數na等。
物理學中許多新領域的開辟以及重大物理理論的創立，往往與相關基本物理常數的發現或準確測定密切相關?；疚锢沓得枥L和反映了物理世界的基本性質和特征，它們為不同領域的區分提供了定量的標準?；疚锢沓档臏y定及其精度的不斷提高，經歷了漫長的 歷史 時期，生動地反映了實驗技術和測量方法的發展與更新，現在，許多基本物理常數的精度已達10-6量級，有的甚至達到10-8～10-10量級。本文限于篇幅，僅以光速c和普朗克常數h為例來說明。
光速是光波的傳播速度，原與聲波、水波等的傳播速度類似，并不具有任何“特殊的”的地位。但細分析起來，光速也似乎確有一些特殊之處。其一是光速的數值非常大，遠非其他各種波動速度所能比擬；其二是光波可以在真空中傳播，而其他波動則離開了相應的彈性介質便不復存在，由此引來了關于以太（假想的彈性介質）的種種爭論。
1865年麥克斯韋建立了電磁場方程組，證明了電磁波的存在，并推導出了電磁波的速度c等于電流的電磁單位與靜電單位之比。1849年斐索用實驗測出光在空氣中的傳播速度為c =3.14858×108米/秒。分屬光學和電磁學的不相及的兩個傳播速度c電磁波與c光波之間出乎意料的驚人相符，使麥克斯韋立即意識到光波就是電磁波。于是，以c為橋梁把以前認為彼此無關的光學與電磁學統一了起來。同時，由于電磁波傳播依賴的是電磁場的內在聯系，無需任何彈性介質，使得“以太”的存在和不存在沒有什么差別，不需要強加在它身上種種性質。至此，光速c的地位陡然升高。
麥克斯韋電磁場理論揭示了電磁場運動變化的規律，統一了光學與電磁學，開創了物理學的新時代。但同時它也提出了新的更深刻的問題：麥克斯韋方程組只適用于某個特殊的慣性系還是適用于一切慣性系。如果麥克斯韋方程組只適用于某個特殊的慣性系，則不僅違背相對性原理，且該慣性系就是牛頓的絕對空間，地球相對它運動將受到以太風的吹拂，然而試圖探測其影響的michelson-mor1ey實驗卻得出了否定的結果。如果麥克斯韋方程組適用于一切慣性系，則根據伽利略變換得出的經典速度合成規律，在不同慣性系中的光速應不同，甚至會出現違背因果關系的超光速現象，也難以解釋?？傊瑢τ邴溈怂鬼f電磁場理論，伽利略變換和相對性原理之間存在著不可調和的深刻矛盾。直至1905年einstein以相對性原理和光速不變原理為前提，并借助洛倫茲變換方程建立起狹義相對論之后，這一切矛盾和困惑才最終得以解決。
由此可見，真空中的光速c從光波的速度上升為一切電磁波的傳播速度之后，又進一步成為一切實際物體和信號速度的上限，并且在任何慣性系中c的取值都相同。c作為基本物理常數，提供了不可逾越的速度界限，從根本上否定了一切超距作用，成為相對論和新時空觀的鮮明標志，同時又成為是否需要考慮相對論效應的定量判斷標準。
1900年普朗克為解釋黑體輻射，提出諧振子能量不連續的大膽假設。1905年einstein為解釋光電效應，把能量子假設推廣到電磁波，提出“光量子”。1924年德布羅意通過粒子與波的對比，假設微觀粒子也具有波動性，也就是波粒二象性，設其動量為p，則其德布洛依波長由下式絕定：pλ=h，這里h是一常量，叫普朗克常數，h幾乎處處出現，它宣告物理學新的研究領域——量子物理學誕生了。
量子物 理學 的進展表明，普朗克常數h是量子物理學的重要常數，凡是涉及量子效應的一切物理量都與它有關，h不僅必然成為微觀粒子運動特征的定量標準，而且成為劃分量子物理與經典物理的定量界限（正如c是劃分相對論與非相對論的定量界限一樣）。如果物理體系具有作用量綱的物理量與h可相比擬，則該體系的行為必須在量子力學的框架內描述；反之，如果物理體系具有作用量綱的物理量遠大于h，則經典物理學的 規律 就在足夠的精確度對該體系有效。普朗克常數h的深刻含義和重要地位，使之得以躋身基本物理常數之列。
普朗克常數h的一個意外而有趣的含義在于，它是一個直接關系到宇宙存在形式的基本常數。宇宙中廣泛存在著有形的物質與輻射，其間的能量交換（如物體發光或吸收光）遵從一條物理原理，即能量按自由度均分。如果不存在普朗克常數，即若h=0，則表明輻射與有形物質之間的能量交換可任意進行。由于輻射的自由度與頻率的平方成正比，隨著頻率增高，輻射自由度在數量上是沒有上限的。因此，輻射通過與有形物質的能量交換，將不斷地從有形物質中吸取能量，最終導致有形物質的毀滅。于是，整個宇宙只剩下輻射，沒有原子、分子，沒有氣體、液體、固體等，生命與人類當然無從談及。幸而普朗克常數h不為零，輻射的能量是不連續的，存在著ε=hv的能量臺階，波長越短頻率越高的輻射其能量臺階越高，在與有形物質的能量交換中越不起作用，相應的輻射自由度凍結，從而使有形物質與幅射的能量交換受到限制，兩者才能達到平衡，我們這個宇宙才能以當今豐富多采的形式存在下去。
下面介紹一下近代精確測量c和h的方法。
測量真空中光速的精確方法是，直接測量激光的頻率ν和真空波長λ，由兩者乘積得出真空光c。1972年，通過測量甲烷譜線的頻率與真空波長，得出真空中光速為c＝299792458±1.2米/秒。1983年第17屆國際計量大會規定新的米定義為：“米是1/299792458秒的時間間隔內光在真空中行程的長度?！庇捎诠馑偈嵌x，不確定度為零，從此不再需要任何測量，結束了300多年精密測量c的 歷史 。
h首先由普朗克給出，普朗克利用黑體輻射位移定律中的wien常數b與k（boltzmann常數）、c、h的關系，由b、k、c算出h，用實驗方法測定h則始于millikan，他利用光電效應的實驗得出h，近代精確測定h的方法是利用josephson效應，這是超導體的一種量子效應。
1900年，thomson在 總結 以往幾百年的物理學時指出：“在已經基本建成的 科學 大廈中，后輩物理學家似乎只要做一些零碎的修補工作就行了；但是，在物理學晴朗天空的遠處，還有兩朵令人不安的烏云。”這兩朵烏云就是當時無法解釋的黑體輻射和michel-son—morley實驗，正是它們引起了物理學的深刻變革，導致量子力學和相對論的誕生，與此同時出現了兩個基本物理常數h和c。
參考 文獻
[1] [美]威切曼著，復旦大學物理系譯，《量子物理學》，科學出版社，1978年
