相對論和量子力學的關系
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相對論和量子力學的關系范文第1篇
摘要：量子力學與相對論一起被認為是現代物理學的兩大基本支柱。隨著數字媒體業的迅猛發展，當今世界已進入信息風暴的時代，媒體與藝術的高結合性與訴求性使人們不得不用科學的眼光重新審視。本文從兩種科學理論出發，闡述媒體與藝術的科學特性，同時將科學的研究方法融入媒體與藝術的研究當中，提出傳播擴展粒度的新觀念，有助于判定數字媒介擴展空間量的大小。
關鍵詞：量子力學；相對論；媒體；傳播擴展粒度；藝術；科學
隨著媒體業的迅猛發展，當今世界已進入信息風暴的時代，媒體與藝術的高結合性與訴求性使人們不得不用科學的眼光重新審視。清華大學是中國最重要的高等學府之一，同時也是國家核心研究機構。在清華大學設有“藝術科學中心媒體實驗室”，將藝術與科學的融合視為21世紀高等教育的重要命題。由此可見，對媒體、藝術與科學三者的融合研究具在時代價值。
目前研究者們依托于前沿的科學理論和技術成果，在數字媒體方向不斷創新，采用新的藝術技法和表達媒介，彰顯人文關懷與藝術反思，表現出鮮明的生態文化特征和信息文化特征。[1] 在探求媒體、藝術、科學三者之間的關系以及未來的發展趨勢時，很多專家學者從技術應用的角度進行推測與分析。本文另辟蹊徑，從物理學兩大基本理論――量子力學與相對論出發，將科學的研究方法融入“大媒體”、“大藝術”的研究當中，提出傳播擴展粒度的新觀念。
1 科學與媒體的分類與特性
（1）兩大科學基本支柱。1）量子力學。量子力學是描寫微觀物質的一種物理學理論。馬克斯?普朗克在1900年提出能量量子化假設。假定電磁波的發射和吸收不是連續的，而是一份一份地進行的，計算的結果才能和試驗結果相符。量子力學測量時假設的顯態與實際微觀體系中的隱態，造就了量子力學的前提。2）相對論。在狹義相對論中，愛因斯坦將空間與時間聯系起來。認為物理的現實世界由時空坐標t和空間坐標x、y、z組成的，構成了四維的明可夫基里平直時空。在相對論中，用四維方式考察現實世界，能量與動量構成一個不可分割的整體――四維動量，自然界一些看似毫不相干的量之間可能存在深刻的聯系。
（2）媒體的分類與特性。1）媒體分類。從技術角度分類，可以分為感覺媒體、表示媒體、呈現媒體、存儲媒體、傳輸媒體。按照感覺器官來分可以分為視覺媒體、聽覺媒體、視聽媒體。媒體按照使用媒介的不同可以分為數字媒體和傳統媒體。[2]2）媒體特性。數字媒體和傳統媒體共有的特性均具有傳播性。數字媒體較之傳統媒體又具有交互性，例如游戲及動態網站與受眾間的交互性信息傳遞。同時藝術與技術的結合，打造了1+1≠1的效果。相對于傳統媒體，數字媒體不但具有共同的社會屬性，更具有個性。例如一些網上的個以及可以按照個性定制的交互式服務。另外數字媒體相對比較環保綠色，同一時間段內覆蓋面積更大、受眾更多、相對成本更低廉、單位性價比更高、更容易共享和傳播、藝術形態更多樣。數字媒體帶給人們全新的生活方式，改變了人的思維和生活的方式。
2 媒體、藝術與科學的關系
（1）媒體、藝術與科學是密不可分、相互滲透的。媒體是藝術與科學的承載。而數字媒體平臺與網絡又是建立在迅速發展的科學技術基礎之上。當利用技術手段搭建的平臺在運營的過程中，根據受眾的需求又有藝術的訴求。藝術離不開科學，沒有媒體與科學對藝術的詮釋，藝術只是一句空談。例如音樂的展現需要有播放的平臺、相關設備及環境、錄音技術手段的支持；優美的圖畫需要紙張等媒介以及繪畫技法來表現；震撼清晰的畫面需要高質量的播放平臺與優良的制作技術。
（2）藝術與科學是相通的。有人說：每個人都是天生的藝術家。藝術來源于生活，是人感官的享受。科學來源于自然，是人類探求真理的結晶，電影、電視、游戲等均是藝術與科學技術結合的產物。
（3）借助媒體，藝術與科學的發展是相互促進的。隨著物質文明與精神文明的發展，人類在精神世界的訴求急于尋求實現的平臺與途徑。社會觀念的變革、人類思想的解放、對美好事物的追求促進科學技術的更新發展。與此同時，科學技術的變革反作用于藝術理念的提升，使人們站在一個新的平臺上審視藝術。十報告中指出“促進文化和科技融合，發展新型文化業態，提高文化產業規模化、集約化、專業化水平。”充分體現了三者間的關系。[3] 媒體、藝術與科學在當今“信息風暴”的時代是相互促進、相互滲透的。
3 媒體、藝術的科學性論述
量子理論與相對理論較好的詮釋了媒體、藝術的科學性。
3.1 量子力學與相對論在藝術創造中的體現
（1）蒙太奇方法的時空轉換。蒙太奇方法是常用的視頻信息流的組建方法。但因為每個人的關注點不同，針對同樣的素材，利用蒙太奇方法產生的效應也不同。針對大多數人的認知習慣，蒙太奇方法是有共同點的，所產生的主觀認知理解也是一樣的。而對于某種特定人群可能并沒有意義或者對其釋義根本是相對的。相對于主觀來講，找到最美的表現瞬間是重要的。例如，在《猜火車》電影中“廁所撿物品”的鏡頭，主人公將頭伸入骯臟的廁所中，而畫面中出現的卻是主人公在臆想中的漂亮“海洋”里遨游。這是時空的轉換，是視覺環境的強烈對比，同時也是蒙太奇手法的運用，是相對論的體現。
相對論和量子力學的關系范文第2篇
在建立科學理論體系的過程中，往往需要以一系列巨量的、通常是至為復雜的實驗、歸納和演繹工作為基礎。而且人們一般相信科學知識就是在這個基礎上產生和累積起來的。但只要這種認識活動過程是為一個協調一致的目標所固有，只要它真正屬于科學研究自我累進的進程，則不論其如何復雜，仍只是過程性的，而不從根本上規定科學的性質、程序，乃至結論。這就使我們在考察復雜的科學認識活動時，可以抽取出高于具體手段的，基本上只屬于人類心智與外在世界相聯絡的東西，即科學語言，來作為認識的中介物。
要說明科學語言何以能成為這樣的中介，需要先對科學的認識結構加以分析。
作為一種形式化理論的近現代科學，其目的是力圖摹寫客觀實在。這種摹寫的認識論前提是一個外在的、自為的客體和作為其思維對立面的內在的主體間的雙重存在。這一認識論前提在科學認識方面衍生出一個更實用的前提，就是把客體看作是一種自在的“像”或者“結構”（包括動態結構，比如動力學所概括的各種關系和過程）。
這一自在的實在具有由它的“自明性”所保證的嚴格規范性。這種自明性只在涉及存在與意識的根本關系時才可能引起懷疑。而科學是以承認這種自明性為前提的。因此科學實際就是關于具有自明性的實在的思維重構。它必須限于處理自在的實在，因為科學的嚴格規范性（主要表現為邏輯性）是由實在的自明性所保證的，任何超越實在的描述都會破壞這種描述的前提。這一點對稍后關于量子力學的討論非常重要。
上述分析表明，科學的嚴格規范性并非如有唯理論傾向的觀點所認為的那樣，是來自思維，也并非如經驗論觀點所認為的來自具體手段對經驗表象的操作，也并不象當代某些科學哲學家所認為的純粹出于主體間的共同約定。科學的最高規范是存在在客觀實在中的，是來自客體的自明性。一切具體手段只是以這種規范為目標而去企及它。
在科學認識活動中，不論是一個思維過程還是一個實驗過程，如果其中缺失了語言過程，那就什么意義都不會有。科學語言與人類思維形態固然有很大的關系，但是它們可能在一個很高的層次上有著共同的根源。就認識的高度而言，思維形態作為人類的一種意識現象，對它進行本質的追究，至少目前還不能完全放在客觀實在的背景上。因此，在科學認識的層次上，思維形態完全可以被視為相對獨立的東西。而科學語言則是明確地被置于實在自身這一背景之中的。這就使我們實際上可以把科學語言看作一種知識，它與系統的科學知識具有完全相同的確切性，即它首先是與實在自身相諧合，然后才以這種特殊性成為思維與對象之間的中介。這才能保證，既使科學語言所述說的科學是關于實在的確切圖景，又使思維活動具備與實在相聯絡的手段。
科學語言作為一種知識所具備的上述特殊性，使它成為客觀實在圖景構成的基本要素，或科學知識的“基元”。思維形態不能獨立地形成知識，但思維形態卻提供某種方式，使科學語言所包含的知識基元獲得某種特定的加成和組合，從而構成一種系統化的理論。這就是語言在認識中的中介作用。由于任何事物都必須“觀念地”存乎人的意識中，才能為人的心智所把握，所以，在這個意義上，一個認識過程就是一個運用語言的過程。
二、數學語言
數學語言常常幾乎就是科學語言的同義詞。但實際上，科學語言所指的范圍遠比數學語言的范圍大，否則就不會出現量子力學公式的解釋問題。在自然科學發生以前，數學所起的作用也還不是后世的那種對科學的敘錄。只是由于精密推理的要求所導致的語言理想化，才推進了數學的應用。但歸根究底，數學與前面說的那種合乎客觀實在的知識基元是不同的。將數學用作科學的語言，必須滿足一個條件，即數學結構應當與實在的結構相關，但這一點并不是顯然成立的。
愛因斯坦曾分析過數學的公理學本質。他說，對一條幾何學公理而言，古老的解釋是，它是自明的，是某一先驗知識的表述，而近代的解釋是，公理是思想的自由創造，它無須與經驗知識或直覺有關，而只對邏輯上的公理有效性負責。愛因斯坦因此指出，現代公理學意義上的數學，不能對實在客體作出任何斷言。如果把歐幾里德幾何作現代公理學意義上的理解，那么，要使幾何學對客體的行為作出斷言，就必須加上這樣一個命題：固體之間的可能的排列關系，就象三維歐幾里德幾何里的形體的關系一樣。〔1〕只有這樣，歐幾里德幾何學才成為對剛體行為的一種描述。
愛因斯坦的這種看法與上文對科學語言的分析是基本上相通的。它可以說明，數學為什么會一貫作為科學的抽象和敘錄工具，或者它為什么看上去似乎具有作為科學語言的“先天”合理性。
首先，作為科學的推理和記載工具的數學，實際上是從思維對實在的一些很基本的把握之上增長起來的。歐幾里得幾何學中的“點”、“直線”這樣一些概念本身就是我們以某種方式看世界的知識。之所以能用這些概念和它們之間的關系去描繪實在，是因為這些“基元”已經包含了關于實在的信息（如剛體的實際行為）。
其次，數學體系的那種嚴密性其實主要是與人類思維的屬性有關，盡管思維的嚴密性并不是一開始就注入了數學之中。如前所述，思維的嚴密性是由實在的自明性來決定的，是習得的。這就是說，數學之所以與實在的結構相關，只是因為數學的基礎確切地說來自這種結構；而數學體系的自洽性是思維的翻版，因而是與實在的自明性同源的。
由此可見，數學與自然科學的不同僅表現在對于它們的結果的可靠性（或真實性）的驗證上。也就是說，科學和數學同樣作為思維與實在相互介定的產物，都有可能成為對實在結構的某種描述或“偽述”，并且都具有由實在的自明性所規定的嚴密性。但數學基本上只為邏輯自治負責，而科學卻僅僅為描述的真實性負責。
事實正是如此。數學自身并不代表真實的世界。它要成為物理學的敘錄，就必須為物理學關于實在結構的真實信息所重組。而用于重組實在圖景的每一個單元，實際上是與物理學的基本知識相一致的。如果在幾何光學中，歐幾里德幾何學不被“光線”及其傳播行為有關的概念重組，它就只是一個純粹的形式體系，而對光線的行為“不能作出斷言”。非歐幾何在現代物理學中的應用也同樣說明了這一點。
三、物理學語言
雖然物理學是嚴格數學化的典范，但物理學語言的歷史卻比數學應用于物理學的歷史要久遠得多。
在認識的邏輯起點上，僅當認識論關系上一個外在的、恒常的（相對于主體的運動變化而言）對象被提煉和廓清時，才能保證一種僅僅與對象自身的內在規定性有關的語言描述系統成為可能。對此，人類憑著最初的直覺而有了“外部世界”、“空間”、“時間”、“質料”、“運動”等觀念。顯然，這些觀念并非來自邏輯的推導或數學計算，它是人類世代傳承的關于世界的知識的基元。
然后，需要對客觀實在進行某種方式的剝離，才能使之通過語言進入我們的觀念。一個客觀實在，比如說，一個電子，當我們說“它”的時候，既指出了它作為離散的一個點（即它本身），又指出了它身處時空中的那個屬性。而后一點很重要，因為我們正是在廣延中才把握了它的存在，即從“它”與“其它”的關系中“找”出它來。
當我們按照古希臘人（比如亞里士多德）的方式問“它為什么是它”時，我們正在試圖剝離“它”之所以為“它”的屬性。但這個屬性因其離散的本質，在時空中必為一個“奇點”，因而不能得到更多的東西。這說明，我們的語言與時空的廣延性合若符節，而對離散性，即時空中的奇點，則無法說什么。如果我們按照伽利略的方式問“它是怎樣的”時，我們正是在描繪它與廣延有關的性質，即它與其它的關系。這在時空中呈現為一種結構和過程。對此我們有足夠的手段（和語言）進行摹寫。因為我們的語言，大多來自對時空中事物的經驗。我們運用語言的主要方式，即邏輯思維，也就是時空經驗的抽象和提升。
可見，近現代物理學語言是一種關于客觀實在的時空形式及過程的語言，是一種廣延性語言。幾何學之所以在科學史上扮演著至為重要的角色，首先不在于它的嚴格的形式化，而在于它是關于實在的時空形式及過程的一個有效而簡潔的概括，在于與物理學在面對實在時有著共同的切入點。
上述討論表明了近現代物理學語言格式包含著它的基本用法和一個根深蒂固的傳統，這是由客觀實在和復雜的歷史因素所規定的。至為關鍵的是，它必須而且只是關于實在的時空形式及過程的描述。可以想象，離開了這種用法和傳統，“另外的描述”是不可能在這種語言中獲得意義的。而這正是量子力學碰到的問題。
四、量子力學的語言問題
上文說明，在描摹實在時，人類本是缺乏固有的豐富語言的。西方自古希臘以來，由于主、客體間的某種相互介定而實現了有關實在的時空形式和過程的觀念及相應的邏輯思維方式。任何一種特定的語言，隨著時代的變遷和認識的深入，某些概念的含義會發生變化，并且還會產生新的語言基元。有時，這樣的變化和增長是革命性的。但不可忽視的是，任何有革命性的新觀念首先必須在與傳統語言的關系中獲得意義，才能成為“革命性的”。在自然科學中，一種新理論不論提出多么“新”的描述，它都必須仍然是關于時空形式及過程的，才能在整體的科學語言中獲得意義。例如，相對論放棄了絕對時空、進而放棄了粒子的觀念，但代之而起的那種連續區概念仍然是時空實在性的描述并與三維空間中的經驗有著直接聯系。
量子力學的情況則不同。微觀粒子從一個態躍遷到另一個態的中間過程沒有時空形式；客體的時空形式（波或粒子）取決于實驗安排；在不觀測的情況下，其時空形式是空缺的；并且，觀測所得的客體的時空形式并不表示客體在觀測之前的狀態。這意味著，要么微觀實在并不總是具有獨立存在的時空形式，要么是人類無法從認識的角度構成關于實在的時空形式的描述。這兩種選擇都將超出現有的物理學語言本身，而使經典物理學語言在用于解釋公式和實驗結果時受到限制。
量子力學的這個語言問題是眾所周知的。波爾試圖通過互補原理和并協原理把這種限制本身上升為新觀念的基礎。他多次強調，即使古典物理學的語言是不精確的、有局限性的，我們仍然不得不使用這種語言，因為我們沒有別的語言。對科學理論的理解，意味著在客觀地有規律地發生的事情上，取得一致看法。而觀測和交流的全過程，是要用古典物理學來表達的。〔2〕
量子力學的反對者愛因斯坦同樣清楚這里的語言問題。他把玻爾等人盡力把量子力學與實驗語言溝通起來所作的種種附加解釋稱之為“綏靖哲學”（Beruhigunsphilosophie）〔3〕或“文學”〔4〕，這實際上指明了互補原理等觀念是在與時空經驗相關的科學語言之外的。愛因斯坦拒絕承認量子力學是關于實在的完備描述，所以并不以為這些附加解釋會在將來成為科學語言的新的有機內容。薛定諤和玻姆等人從另一個角度作出的考慮，反映了他們以為玻爾、海森堡、泡利和玻恩等人的觀點回避了經典語言與實在之間的深刻矛盾，而囿于語言限制并為之作種種辯解。薛定諤說：“我只希望了解在原子內部發生了什么事情。我確實不介意您（指玻爾）選用什么語言去描述它。”〔5〕薛定諤認為，為了賦予波函數一種實在的解釋，一種全新的語言是可以考慮的。他建議將N個粒子組成的體系的波函數解釋為3N維空間中的波群，而所謂“粒子”則是干涉波的共振現象，從而徹底拋棄“粒子”的概念，使量子力學方程描述的對象具有連續的、確定的時空狀態。
固然，幾率波的解釋使得理論的數學結構不能對應于實在的時空結構，如果讓幾率成為實驗觀察中首要的東西，就會讓客觀實在在描述中成了一種“隱喻”。然而薛定諤的解釋由于與三維空間中的經驗沒有明顯的聯系，也成了另一種隱喻，仍然無法作為一種科學語言而獲得充分的意義。
玻姆的隱序觀念與薛定諤的解釋在語言問題上是相似的。他所說的“機械序”〔6〕其實就是以笛卡爾坐標為代表的關于廣延性空間的描述。這種描述由于經典物理學的某些限定而表現出明顯的局限性。玻姆認為量子力學并未對這種序作出真正的挑戰，在一定程度上指出了量子力學的保守性。他企圖建立一種“隱序物理學”，將量子解釋為多維實在的投影。他以全息攝影和其它一些思想實驗為比喻，試圖將客觀實在的物質形態、時空屬性和運動形式作全新的構造。但由于其基礎的薄弱，仍然只是導致了另一種脫離經驗的描述，也就是一種形而上學。
這里所說的“基礎”指的是，一種全新的語言涉及主客體間完全不同的相互介定。它涉及對客體的完全不同的剝離方式，也就是說，現行科學語言及其相關思維方式的整個基礎都將改變。然而，現實地說，這不是某一具有特定對象和方法的學科所能為的。
可見，試圖通過一種全新的語言來解決量子力學的語言問題是行不通的。這個問題比通常所能想象的要無可奈何得多。
五、量子力學何種程度上是“革命性”的
量子力學固然在解決微觀客體的問題方面，是迄今最成功的理論，然而這種應用上的重要性使人們有時相信，它在觀念上的革命也是成功的。其實，上述語言與實在圖景的沖突并未解決。量子力學的種種解釋無法在科學語言的基礎上必然過渡到那種非因果、非決定論觀念所暗示的宇宙圖景。這就使我們有必要對量子力學“革命性”的程度作審慎的認識。
正統的量子力學學者們都意識到應該通過發展思維的豐富性來解決面臨的困難。他們作出的重要努力的一個方面是提出了很多與經典物理學不同的新觀念，并希望這些新觀念能逐漸溶入人類的思想和語言。其中玻恩用大量的論述建議幾率的觀念應該取代嚴格因果律的概念。〔7〕測不準原理以及其中的廣義坐標、廣義動量都是為粒子而設想的，卻又不能描述粒子在時空中的行為，薛定諤認為應該放棄受限制的舊概念，而玻爾卻認為不能放棄，可以用互補原理來解決。玻爾還希望，波函數這樣的“新的不變量”將逐漸被人的直覺所把握，從而進入一般知識的范圍。〔8〕這相當于說，希望產生新的語言基元。
另一方面，海森堡等人提出，問題應該通過放棄“時空的客觀過程”這種思想來解決。〔9〕這又引起了量子力學的客觀性問題。
這些努力在很大程度上是具有保守性的。
我們試把量子力學與相對論作比較。相對論的革命性主要表現在，通過對時間和空間的相對性的分析，建立起時間、空間和運動的協變關系，從而了絕對時空、絕對同時性等舊觀念，并代之以新的時空觀。重要的是，在這里，絕對時空和絕對同時性是從理論上作為邏輯必然而排除掉的。四維時空不變量對三維空間和一維時間的性質依賴于觀察者的情形作了簡潔的概括，既不引起客觀性危機，又與人類的時空經驗有著直接關聯。相對論排除了物理學內部由于歷史和偶然因素形成的一些含混概念，并給出了更加準確明晰的時空圖景。它因此而在科學語言的范圍內進入了一般知識。
量子力學的情況則不同。它的保守性主要表現在：
第一，嚴格因果律并不是從理論的內部結構中邏輯地排除的。只是為了保護幾率波解釋，才不得不放棄嚴格因果律，這只是一種人為地避免邏輯矛盾的處理。
第二，不完全連續性、非完全決定論等觀念并沒有構成與人類的時空經驗相關聯的自洽的實在圖景。互補原理和并協原理并沒有從理論內部挽救出獨立存在于時空的客體的概念，又沒有證明這種概念是不必要的（如相對論之于“以太”那樣）。因此，量子力學的有關哲學解釋看似拋棄舊觀念，建立新觀念，實際上，卻由于這些從理論結構上說是附加的解釋超出了關于實在的描述，因而破壞了以實在的自明性為保證的描述的前提。所以它實際上對觀念的豐富和發展所作的貢獻是有限的。
第三，量子力學內在地不能過渡到關于個別客體的時空形式及過程的模型，使得它的反對者指責說這意味著位置和動量這樣的兩個性質不能同時是實在的。而為了保護客觀性，它的支持者說，粒子圖像和波動圖象并不表示客體的變化，而是表示關于對象的統計知識的變化。〔10〕這在關于實在的時空形式及過程的科學語言中，多少有不可知論的味道。
第四，人們必須習慣地設想一種新的“實在”觀念以便把充滿矛盾的經驗現象統一起來。在對客體的時空形式作抽象時，這種方法是有效的。而由于波函數對應的不是個別客體的行為，所以大多新的“實在”幾乎都是形而上學的構想。薛定諤和玻姆的多維實在、玻姆在闡釋哥本哈根學派觀點時提出的那種包含了無限潛在可能性的“第三客體”〔11〕，都屬于這種構想。玻恩也曾表示，量子力學描述的是同一實在的排斥而又互補的多個影像。〔12〕這有點象是在物理學語言中談論“混元”或“太極”一樣，很難說對觀念有積極的建設。
本文從科學語言的角度，對量子力學尤其是它的哲學基礎的保守性作出一些分析，這并不是在相對論和量子力學之間作價值上的優劣判斷。也許量子力學的真正價值恰恰在于它所碰到的困難是根本性的。
海森堡等人與新康德主義哲學家G·赫爾曼進行討論時，赫爾曼提出，在科學賴以發生的文化中，“客體”一詞之所以有意義，正在于它被實質、因果律等范疇所規定，放棄這些范疇和它們的決定作用，就是在總體上不承認經驗的可能性。〔13〕我們應該注意到，赫爾曼所使用的“經驗”一詞，實際上是人類對客觀事物的廣延性和分立性的經驗。這種經驗是科學的實在圖景成立的基礎或真實性的保證，邏輯是它的抽象和提升。
在本文的前三節已經談到，自從古希臘人力圖把日常語言理想化而創立了邏輯語言以來，西方的科學語言就一直是在實在的廣延性和分立性的介定下發展起來的。我們也許可以就此推測，對于人的認識而言，世界是廣延優勢的，但如果因此認為實在僅限于廣延性方面，卻是缺乏理由的。廣延性優勢在語言上的表現之一是幾何優勢。西方傳統中的代數學思想是代數幾何化，即借助空間想象來理解數的。不論畢達哥拉斯定理還是笛卡爾坐標都一樣。直角三角形的斜邊是直觀的，而根號2不是。我們可以用前者表明后者，而不能反過來。可是一個離散的數量本身究竟是什么呢？它是否與實在的另一方面或另一部分（非廣延的）相應？也許在微觀領域里不再是廣延優勢而量子力學的困難與此有關？
如果量子力學面臨的是實在的無限可能性向語言的有限性的挑戰，那么問題的解決就不單單是語言問題，甚至不單單是目前形態的物理學的問題。它將涉及整個認識活動的基礎。玻爾似乎是深刻地意識到這一點的。他說“要做比這些更多的事情完全是在我們目前的手段之外。”〔14〕他還有一句格言；“同一個正確的陳述相對立的必是一個錯誤的陳述；但是同一個深奧的真理相對立的則可能是另一個深奧的真理。”〔15〕
參考文獻和注釋
〔1〕〔3〕〔4〕《愛因斯坦文集》第一卷，商務印書館，1994，第137、241、304頁。
〔2〕〔5〕〔9〕〔13〕〔14〕〔15〕海森堡：《原子物理學的發展和社會》，中國社會科學出版社，1985，第141、84、82、131、47、112頁。
〔6〕玻姆：《卷入——展出的宇宙和意識》，載于羅嘉昌、鄭家棟主編：《場與有——中外哲學的比較與融通（一）》，東方出版社，1994年。
〔7〕玻恩：《關于因果和機遇的自然哲學》，商務印書館，1964年。
〔8〕〔12〕玻恩：《我這一代的物理學》，商務印書館，1964，第65、192頁。
相對論和量子力學的關系范文第3篇
（集寧師范學院 物理系，內蒙古 烏蘭察布 012000）
摘 要：在物理學的各個分支中，不同事物的量度有著不同的數量級.比如空間尺度（即長度）跨越了42個數量級，時間、速度也都跨越了幾十個數量級.不論理論還是實驗，往往都需要對有關物理量進行估計，以確定各個可能效應的相對重要性，判斷物理現象的主要機制.本文先是簡單估算了宇宙的引力半徑，而后對微觀層面普朗克常數的存在意義，以及電子的運動機制作了簡單討論.
關鍵詞 ：數量級；普朗克常數；玻爾半徑
中圖分類號：O4 文獻標識碼：A 文章編號：1673-260X（2015）01-0004-03
理論物理學家們在進行詳細計算之前，為了恰當的選擇和建立數學和物理模型，要估計各物理量的各種可能效應相對重要性，用以判斷哪個物理量是決定現象的主要機制.實驗物理學家們在著手準備精密測量之前，為了選擇合適的儀器和測量方法，也需要對各有關物理量的數量級先做一番估計.由此我們可以看出，掌握特征量的數量級對我們物理學習來說至關重要.在分析物理效應的過程中，我們應注意尺度大小的改變所產生的影響，并把這種做法養成習慣，久而久之我們對現象的理解就會更加深刻，這種習慣很可能會幫助我們洞察事物的本質.
數量級的估計本無一定之規，我們在用的時候要靈活應用，因此本文主要對幾個典型的范例進行討論.
1 由經典力學估算宇宙的半徑
要擺脫一個質量M，半徑為R的星球，所需速度為
這個速度也叫做“第二宇宙速度”.其中G是引力常數.若星球的質量M大到使v=c，這時連光子也不能克服其引力的作用而發射出來，以至于在外界看不到這個星體，這類星體就被稱為“黑洞”.我們把v=c帶入上式得
即“席瓦西（Schwarzschild）半徑”，或“引力半徑”，反一個過來說，一個質量為M的星球，當它的半徑縮小到R0一下時，它就會成為黑洞.
根據天文觀測證明，宇宙在大尺度上物質分布是相當均勻的[1].我們考慮一個均勻的球體，其半徑R，密度?籽，則
如果這個體系的半徑R恰好達到自己的引力半徑R0
那么在這種情況下,該球內部就不會有光子逃脫R0的范圍.我們將宇宙的平均密度為?籽=5×10-30g/cm3（臨界密度）代入上式，就可以估算出宇宙的引力半徑R0≈1028cm=1026m，我們姑且認為，這就是“宇宙的半徑”[2].
2 普朗克常數的存在意義
前面我們討論了宇宙的“至大無外”，那么下面我們來到微觀領域，來看看“至小無內”，就是沒有內部結構的最小單元.
如果說宇宙間有什么東西是無法再分割的，那只能是一些普適的物理常數，他們往往代表著一些無法逾越的界限.二十世紀初，經典理論受到了前所未有的巨大沖擊，一些新的實驗事實，比如電子荷質比的測定等等，已經完全無法用經典理論進行合理的解釋.而正是這一時期，物理學理論發生了重大變革，相對論和量子力學誕生.這兩個理論分別提出了一個普適的物理常數.相對論提出真空光速c是一切物體和信號不可超越的最大速度，量子理論提出，普朗克常數h是不可分割的最小作用量子.
當我們掌握了近代物理基本知識以后，我們就感覺到如此違反常識的兩個理論其實是很自然的事.下面我們就來看看普朗克常數h存在的必要性.
盧瑟福的實驗證明了原子中有核存在以后，原子的穩定性就出現了問題.與萬有引力維系的天體運動不同，按照經典電磁理論，由庫侖力維系的原子中，電子將在加速運動中不斷輻射電磁波，其自身的能量就會不斷減少，以至于電子的軌道半徑就會越來越小，最后掉進原子核里，進而正負電荷中和，原子塌縮.按照電動力學計算[3]，原子塌縮時間的數量級在10-9s.
1913年，玻爾為電子軌道加上了量子化條件，讓它們在定態軌道里作穩定運動而不輻射能量，后面我們會看到，定態軌道正比于h2，而如果普朗克常數h0，定態軌道的半徑也就趨向于0，原子塌縮.由此可見，支撐原子穩定結構的正是普朗克常數.
3 原子
3.1 由玻爾理論基本假設求玻爾半徑
在早期，量子力學的發展十分艱苦曲折，而氫原子的量子化研究作為一個突破口起到了至關重要的作用，于是便有了氫原子構造的早期量子理論，也就是玻爾理論.
由玻爾理論的基本假設，電子以速度vn在半徑rn的穩定軌道上作圓周運動，其向心力由庫侖力提供，即
用這種方法求出的r1是由經典理論和量子理論結合得到的，他把電子看成經典力學中的質點，又有量子化的特征，是不嚴謹不徹底的量子論[4].而對于玻爾理論所遇到的困難，后面在波粒二象性基礎上建立的量子力學給出了圓滿的解釋.
3.2 不確定關系求玻爾半徑
作為粗略估計，電子運行在半徑為r的圓形軌道上，動量為p，總能量
可以看到其中的r近似于前面我們求的r1（Bohr半徑）[5].
3.3 氫原子電子運動的非相對論性
我們對電子電荷e，電子靜質量m，普朗克常數h，光速c四個基本常數用量綱法作一下粗略分析，找到一個無量綱的組合，也就是通常所說的“精細結構常數”：
可以看出，電子的靜能要高出?琢2/2=2.7×105倍，所以氫原子中電子的運動的非相對論性.光速c沒有出現在aB和Ry的表達式中這一事實，也是反映出這一點.
3.4 通過氫原子基態能量的粗略算法求氦原子基態電離能
在只考慮圓軌道的情況下，對于高激發態，軌道半徑rn要乘以n2，能量要除以n2；對于重的元素，半徑要除以Z，能量要乘以Z2，即
其中p1，p2分別為兩電子的動量，r1，r2分別為兩電子到核的距離，r12為兩電子之間的距離.
這樣我們就可以認為，能量的極小值應發生在兩電子相對于氦核處于對稱狀態的時候，這時p1=p2p，r1=r2p，r12=r1+r2=2r，則
式中的E取絕對值代表剝離兩個電子所需的能量，當第一個電子被剝離后，剩下的是個Z=2的類氫離子，其能量為-Z2Ry，即第一個電子的電離能為
與精確值24.6eV相比，數量級是沒有問題，絕對數量是偏大了很多，由此看來，這種粗糙的求極值法只能做出一個估計，而氫原子那樣求出兩個精確的公式，可以說是非常的巧合.
原子中的能量，主要是靜電子的動能和電勢能，按照位力定理，二者絕對值差一半，處在同一數量級上.用價電子電離能除以原子半徑時可作為價電子處電子強度大小的量度.對于氦原子我們可以簡單估算一下，數量級應該在1011V/m左右，相比于現在的實驗室所能達到的場強恐怕還要多出幾個數量級.
這也正是玻爾的量子化條件.
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參考文獻：
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〔3〕趙凱華.定性與半定量物理學[M].北京：高等教育出版社，1991.101-116.
相對論和量子力學的關系范文第4篇
量子力學是描述微觀世界結構、運動與變化規律的物理科學。它是20世紀人類文明發展的一個重大飛躍，量子力學的發展引發了一系列劃時代的科學發展與技術發明，對人類社會的進步作出了重要貢獻。
19世紀末，正當人們為經典物理取得的重大成就而驚嘆不已的時候，一系列經典理論無法解釋的現象一個接一個地發現了。德國物理學家維恩通過熱輻射能譜的測量發現的熱輻射定理。德國物理學家普朗克為了解釋熱輻射能譜提出一個大膽的假設：在熱輻射的產生與吸收過程中能量是以hv為最小單位，一份一份交換的。這個能量量子化的假設不僅強調了熱輻射能量的不連續性，而且與輻射能量和頻率無關由振幅確定的基本概念直接相矛盾，無法納入任何一個經典范疇。當時只有少數科學家認真研究這個問題。
著名科學家愛因斯坦經過認真思考，于1905年提出了光量子說。1916年，美國物理學家密立根發表了光電效應實驗結果，驗證了愛因斯坦的光量子說。
1913年，丹麥物理學家玻爾為解決盧瑟福原子行星模型的不穩定(按經典理論，原子中電子繞原子核做圓周運動要輻射能量，導致軌道半徑縮小直到跌落進原子核，與正電荷中和)，提出定態假設：原子中的電子并不像行星一樣可以在任意經典力學的軌道上運轉，穩定軌道的作用量fpdq必須為h的整數倍(角動量量子化)，即fpdq=nk，n稱之為量子數。玻爾又提出原子發光過程不是經典輻射，是電子在不同的穩定軌道態之間的不連續的躍遷過程，光的頻率由軌道態之間的能量差AE=hy確定，即頻率法則。這樣，玻爾原子理論以它簡單明晰的圖像解釋了氫原子分立光譜線，并以電子軌道態直觀地解釋了化學元素周期表，導致了72號元素鉛的發現，在隨后的短短十多年內引發了一系列的重大科學進展。這在物理學史上是空前的。
由于量子論的深刻內涵，以玻爾為代表的哥本哈根學派對此進行了深入的研究，他們對對應原理、矩陣力學、不相容原理、測不準關系、互補原理、量子力學的概率解釋等都作出了貢獻。
1923年4月，美國物理學家康普頓發表了X射線被電子散射所引起的頻率變小現象，即康普頓效應。按經典波動理論，靜止物體對波的散射不會改變頻率。而愛因斯坦光量子說這是兩個“粒子”碰撞的結果。光量子在碰撞時不僅將能量傳遞而且也將動量傳遞給了電子，使光量子說得到了實驗的證明。
光不僅僅是電磁波，也是一種具有能量動量的粒子。1924年，美籍奧地利物理學家泡利發表了“不相容原理”：原子中不能有兩個電子同時處于同一量子態。這一原理解釋了原子中電子的殼層結構。這個原理對所有實體物質的基本粒子(通常稱之為費米子，如質子、中子、夸克等)都適用，構成了量子統計力學——費米統計的基點。為解釋光譜線的精細結構與反常塞曼效應，泡利建議對于原子中的電子軌道態，除了已有的與經典力學量(能量、角動量及其分量)對應的三個量子數之外應引進第四個量子數。這個量子數后來稱為“自旋”，是表述基本粒子一種內在性質的物理量。
1924年，法國物理學家德布羅意提出了表達波粒二象性的愛因斯坦——德布羅意關系：E=hv，p=h/波長，將表征粒子性的物理量能量、動量與表征波性的頻率、波長通過一個常數h相等。
相對論和量子力學的關系范文第5篇
關鍵詞：量子力學；經典科學世界圖景；非機械決定論；整體論；復雜性；主客體互動
Abstract:Asoneofthreerevolutionsofphysicsin20thcentury,quantummechanicshasgreatlytransformedtheworldviewofclassicalscienceinmanyaspects.Quantummechanicsbreaksthoughthemechanicaldeterminisminclassicalscience,transformingitintononmechanicaldeterminism;itchangesscientificcognitiveprocessfromthetheoryofreductionismtothetheoryofwholism;itshiftsthewayofthinkingfrompursuingsimplicitytoexploringthecomplexity;italsoestablishestheinteractionbetweensubjectandobjectinscientificresearches.
Keywords:quantummechanics;worldviewofclassicalscience;nonmechanicaldeterminism;wholism;complexity;interactionbetweensubjectandobject
經典科學基本上是指由培根、牛頓、笛卡兒等開創的，近三百年內發展起來的一整套觀點、方法、學說。經典科學世界圖景的最大特征是機械論和還原論，片面強調分解而忽視綜合。以玻爾、海森伯、玻恩、泡利、諾伊曼等為代表的哥本哈根學派的量子力學理論三部曲：統計解釋—測不準原理—互補原理所反映的主要觀點是：微觀粒子的各種力學量（位置、動量、能量等）的出現都是幾率性的；量子力學對微觀粒子運動的幾率性描述是完備的，對幾率性的原因不需要也不可能有更深的解釋；決定論不適用于量子力學領域；儀器的作用同觀察對象具有不可分割性，確立了科學活動中主客體互動關系。[1]量子力學的發展從根本上改變了經典科學世界圖景。
一、量子力學突破了經典科學的機械決定論，遵循因果加統計的非機械決定論
經典力學是關于機械運動的科學，機械運動是自然界最簡單也是最普遍的運動。說它最簡單，因為機械運動比較容易認識，牛頓等人又采取高度簡化的方法研究力學，獲得了空前成功；說它最普遍，因為機械力學有廣泛的用途，容易把它絕對化。[2]機械決定論是建立在經典力學的因果觀之上，解釋原因和結果的存在方式和聯系方式的理論。機械決定論認為因和果之間的聯系具有確定性，無論從因到果的軌跡多么復雜，沿著軌跡尋找總能確定出原因或結果；機械決定論的核心在于只要初始狀態一定，則未來狀態可以由因果法則進行準確預測。[3]其實，機械決定論僅僅適用于宏觀物體，而對于微觀領域以及客觀世界中大量存在的偶然現象的研究就產生了統計決定論。[4]
量子力學是對經典物理學在微觀領域的一次革命。量子力學所揭示的微觀世界的運動規律以及以玻爾為代表的哥本哈根學派對量子力學的理解，同物理學機械決定論是根本相悖的。[5]按照量子理論，微觀粒子運動遵守統計規律，我們不能說某個電子一定在什么地方出現，而只能說它在某處出現的幾率有多大。
玻恩的統計解釋指出，因果性是表示事件關系之中一種必然性觀念，而機遇則恰恰相反地意味著完全不確定性，自然界同時受到因果律和機遇律的某種混合方式的支配。在量子力學中，幾率性是基本概念，統計規律是基本規律。物理學原理的方向發生了質的改變：統計描述代替了嚴格的因果描述，非機械決定論代替了機械決定論的統治。
經典統計力學雖然也提出了幾率的概念，但未能從根本上動搖嚴格決定論，量子力學的沖擊則使機械決定論的大廈坍塌了。量子力學揭示并論證了人們對微觀世界的認識具有不可避免的隨機性，它不遵循嚴格的因果律。任何微觀事件的測定都要受到測不準關系的限定，不可能確切地知道它們的位置和動量、時間和能量，只能描述和預言微觀對象的可能的行為。因此，量子力學必須是幾率的、統計的。而且，隨著認識的發展，人們發現量子統計的隨機性，不是由于我們知識和手段的不完備性造成的，而是由微觀世界本身的必然性（主客體相互作用）所注定。
二、量子力學使得科學認識方法由還原論轉化為整體論
還原論作為一種認識方法，是指把高級運動形式歸結為低級運動形式，用研究低級運動形式所得出的結論代替對高級運動形式的本質認識的觀點。它用已分析得出的客觀世界中的主要的、穩定的觀點和規律去解釋、說明要研究的對象。其目的是簡化、縮小客體的多樣性。這種方法在人類認識處于初級水平上無疑是有效的。如牛頓將開普勒和伽利略的定律成功地還原為他的重力定律。但是還原論形而上學的本質，以及完全還原是不可能的，決定了還原論不能揭示世界的全貌。
量子力學認為整體與部分的劃分只有相對意義，整體的特征絕非部分的疊加，而是部分包含著整體。部分作為一個單元，具有與整體同等甚至還要大的復雜性。部分不僅與周圍環境發生一定的外在聯系，同時還要表現出“主體性”，可將自身的內在聯系傳遞到周邊，并直接參與整體的變化。因而，部分與整體呈現了有機的自覺因果關系。在特定的臨界狀態，部分的少許變化將引起整體的突變。[6]
波粒二象性是微觀世界的本質特征，也是量子論、量子力學理論思想的靈魂。用經典觀點來看，也就是按照還原論的思想，粒子與波毫無共同之處，二者難以形成直觀的統一圖案，這是經典物理學通過部分還原認識整體的方法，是“向上的原因”。可是微觀粒子在某些實驗條件下，只表現波動性；而在另一些實驗條件下，只表現粒子性。這兩種實驗結果不能同時在一次實驗中出現。于是，玻爾的互補原理就在客觀上揭示了微觀世界的矛盾和我們關于微觀世界認識的矛盾，并試圖尋找一種解決矛盾的方法，這就是微觀粒子既具有粒子性又具有波動性，即波粒二象性。這就是整體論觀點強調的“向下的原因”，即從整體到部分。同樣，海森伯的測不準原理說明不能同時測量微觀粒子的動量和位置，這也說明絕不能把宏觀物體的可觀測量簡單盲目地還原到微觀。由此我們可以看出，造成經典科學觀與現代科學觀認識論和方法論不同的根本在于思考和觀察問題的層面不同。經典科學一味地強調外在聯系觀，而量子力學則更強調關注事物內部的有機聯系。所以，量子力學把內在聯系作為原因從根本上動搖了還原論觀點。
三、量子力學使得科學思維方式由追求簡單性發展到探索復雜性
從經典科學思維方式來看，世界在本質上是簡單的。牛頓就說過，自然界喜歡簡單化，而不喜歡用什么多余的原因以夸耀自己。追求簡單性是經典科學奮斗的目標，也是推動它獲取成功的動力。開普勒以三條簡明的定律揭示了看似復雜的太陽系行星運動，牛頓更是用單一的萬有引力說明了千變萬化的天體行為。因而現代科學是用簡單性解釋復雜性，這就隱去了自然界的豐富多樣性。
量子力學初步揭示了客觀世界的復雜性。經典科學的簡單性是與把物理世界理想化相聯系的。經典物理學所研究的是理想的物質客體。它不但用理想化的“質點”、“剛體”、“理想氣體”來描述物體，而且把研究對象的條件理想化，使研究的視野僅僅局限于人們自己制定的范圍之內。而客觀世界并不是如此，特別是進入微觀領域，微觀粒子運動的幾率性、隨機性；觀測對象和觀測主體不可分割性等都足以說明自然界本身并不是我們想象的那么簡單。
在現代科學中，牛頓的經典力學成了相對論的低速現象的特例，成為非線性科學中交互作用近似為零的情況，在量子力學中是測不準關系可以忽略時的理論表述。復雜性的提出并不是要消滅簡單性，而是為了打破簡單性獨占的一統地位。復雜性是把簡單性作為一個特例包含其中，正如莫蘭所說的，復雜性是簡單性和復雜性的統一。復雜性比簡單性更基本，可能性比現實性更基本，演化比存在更基本。[7]今天的科學思維方式，不是以現實來限制可能，而是從可能中選擇現實；不是以既存的實體來確定演化，而是在演化中認識和把握實體。復雜性主張考察被研究對象的復雜性，在對其作出層次與類別上的區分之后再進行溝通，而不是僅僅限于孤立和分離，它強調的是一種整體的協同。
四、量子力學使科學活動中主客體分離邁向主客互動
經典科學思維方式的一個指導觀念就是，認為科學應該客觀地、不附加任何主觀成分地獲取“照本來樣子的”世界知識。玻爾告訴人們，根本不存在所謂的“真實”，除非你首先描述測量物理量的方式，否則談論任何物理量都是沒有意義的！測量，這一不被經典物理學考慮的問題，在面對量子世界如此微小的測量對象時，成為一個難以把握的手段。因為研究者的介入對量子世界產生了致命的干擾，使得測量中充滿了不確定性。在海森伯看來，在我們的研究工作由宏觀領域進入微觀領域時，我們就會遇到一個矛盾：我們的觀測儀器是宏觀的，可是研究對象卻是微觀的；宏觀儀器必然要對微觀粒子產生干擾，這種干擾本身又對我們的認識產生了干擾；人只能用反映宏觀世界的經典概念來描述宏觀儀器所觀測到的結果，可是這種經典概念在描述微觀客體時又不能不加以限制。這突破了經典科學完全可以在不影響客體自然存在的狀態下進行觀測的假定，從而建立了科學活動中主客體互動的關系。
例如，關于光到底是粒子還是波，辯論了三百多年。玻爾認為這完全取決于我們如何去觀察它。一種實驗安排，人們可以看到光的波現象；另一種實驗安排，人們又可以看到光的粒子現象。但就光子這個整體概念而言，它卻表現出波粒二象性。因此，海森伯就說，我們觀測的不是自然本身，而是由我們用來探索問題的方法所揭示的自然。[8]
量子力學的發展表明，不存在一個客觀的、絕對的世界。唯一存在的，就是我們能夠觀測到的世界。物理學的全部意義，不在于它能夠描述出自然“是什么”，而在于它能夠明確，關于自然我們能夠“說什么”。
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