相對論與量子力學的矛盾

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相對論與量子力學的矛盾范文第1篇

關鍵詞：科學史；近代物理；教學改革；高等教育

中圖分類號：G642.3 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）50-0072-03

近代物理是高等學府物理類、化學類和電子類學科的一門必修課，通常放在講授完大學物理之后。大學物理的內容主要是理論力學、電動力學、熱力學和統計物理。近代物理的內容主要是相對論和量子力學。由于相對論和量子力學離我們的日常生活經驗比較遠，所以學起來比較晦澀難懂。本文介紹了筆者如何通過講授近代物理知識和對應的近代物理科學史相接合，來提高同學們對近代物理的理解和興趣。

一、近代物理科學史簡介

近代物理的科學史是一部十分生動活潑的歷史，時間跨度大概是從1900年到現代。這段時間可以說是十分不平凡和波瀾壯闊的一百多年。這期間發生了人類歷史上僅有的二次世界大戰，其中涌現的具有極高才華和貢獻的科學家數量差不多抵得上人類歷史上前五千年的科學家數量總合。而人物傳記作家也多對他們的人生經歷極為感興趣，出了很多關于他們的傳記[1-3]。另外這些近代物理學家們很多本身也頗博學多才，具有良好的文學才能和修養，因此很多人他們自己也出自傳。這些傳記和自傳都能給《近代物理》課堂上的科學史教學提供豐富的素材和參考。相對論和量子力學的理論和公式雖然比較高深難懂，但是它們解釋的現象由于跟人們的日常經驗相悖，所以還是會引起人們廣泛的興趣。比如時間和空間是不可分的，物體的動量和時間不能同時精確測量，光速是宇宙中最快的速度，這些一般人憑經驗的確很難理解。進而人們也會對提出和發現這些理論的科學家們（如愛因斯坦）感興趣。圖1為作者按照時間順序出場依次在課堂上介紹的量子力學史上各個重要的歷史人物。這些科學人物大多數彼此交往比較密切，在學術上好像切磋和影響，進而也加速了思想火花的碰撞和創新性理論的誕生。

在課堂上講述近代物理科學史的過程中，還可以幫助同學們了解在學術研究過程中需要注意的問題。比如搞科研不能囿于自己的私密空間，而要鼓勵多做學術交流。學術交流的好處是：（1）可以了解最新的研究動態；象在近代物理史上著名的哥本哈根學派就是個很好的例子。1921年，在著名量子物理學家波爾的倡議下，成立了哥本哈根大學理論物理學研究所，由此形成哥本哈根學派。其中波恩、海森堡、泡利以及狄拉克等都是這個學派的主要成員。由于哥本哈根學派提供了很好的學術交流環境和學術氛圍，在這個學派里鼓勵發表不同的觀點，不迷信權威，所以涌現出了很多重要的量子力學成果。（2）可以發現自己的不足；比如愛因斯坦于1919年在剛開始推導廣義相對論的時候，在公式里人為增加了一個常數項，從而得出他起先所認為的靜態宇宙模型。不過1922年亞歷山大?弗里德曼摒棄了這個常數項，從而得出相應的宇宙膨脹理論。比利時牧師勒梅特應用這些解構造了宇宙大爆炸的最早模型，模型預言宇宙是從一個高溫致密的狀態演化而來。到1929年，哈勃等人又用實際的觀測證明我們的宇宙的確處于膨脹狀態。通過學術交流，愛因斯坦終于接受了宇宙膨脹理論，并承認添加宇宙常數項是他一生中犯下的最大錯誤。（3）可以激發自己的靈感；比如波爾在1911年從丹麥哥本哈根大學獲得博士學位后去英國學習，先在劍橋湯姆遜主持的卡文迪許實驗室工作，幾個月后又去曼徹斯特在盧瑟福的手下搞科研，這使得他對湯姆遜關于原子的西瓜模型和盧瑟福的核式原子模型了如指掌，同時他又很熟悉普朗克和愛因斯坦的量子學說，這些學術交流活動激發了他的靈感，使得他最終于1913年初創造性地把普朗克的量子說和盧瑟福的原子核概念結合起來，提出了自己的波爾原子模型。（4）可以激勵自己不斷進步和成長。比如薛定諤在1925年受到愛因斯坦關于單原子理想氣體的量子理論和德布羅意的物質波的假說的啟發，從經典力學和幾何光學間的類比提出了對應于波動光學的波動力學方程，從而奠定了波動力學的基礎。但是他一開始并不清楚他自己建立的波動方程中的波具體代表什么物理概念。起初他試圖把波函數解釋為三維空間中的振動，把振幅解釋為電荷密度，把粒子解釋為波包，但他無法解決“波包擴散”的問題。最終經過他與波恩的多次學術交流，他逐漸認識到波函數其實是代表粒子在某時某個位置出現的幾率，是一種幾率波。

二、近代物理知識簡介

近代物理的知識主要分為兩大類：相對論和量子力學。相對論分為狹義相對論和廣義相對論，內容包括伽利略坐標系、邁克爾遜-莫雷實驗、洛倫茲變換、閔可夫斯基空間、質能關系式和相對論能量-動量關系式等。量子力學知識包括黑體輻射、光電效應、波爾原子模型、康普頓效應、德布羅意波、戴維遜和革末實驗證實了電子的波動性、不確定性原理和薛定諤方程等。這些近代物理理論的公式通常比較復雜，需要用到高等數學的知識，比如薛定諤方程是一個偏微分方程，狄拉克方程里包含矩陣。因而對于近代物理公式的求解就變得十分困難，也不太直觀。圖2羅列了按時間順序出現的課堂上需要講授的量子力學公式。

黑體輻射公式描述的是頻譜（單色能密度）u（v，T）和溫度以及頻率的關系式。光電效應是指每種金屬存在截止頻率。當照射在金屬上的頻率小于截止頻率時，不管光強多大，照射時間多長，也不會有光電子產生。而當照射在金屬上的頻率大于截止頻率時，不管光強多小，也會產生光電子，且響應時間小于1納秒。光電子具有各種初速度，其最大初動能與光輻射頻率成線性關系，而與光輻射強度無關。當頻率在截止頻率之上時，單位時間內發射出來的電子數目即光電流強度與光輻射強度成正比。在光電效應理論中，光的能量和光的頻率成正比，光的動量和光的波長成反比。

波爾的原子模型給出了電子在分立軌道上的能量公式。能量和電荷的四次方成正比，跟定態的平方成反比。電子在定態具有分立的能量，在定態運動時不輻射電磁能量；但電子可以從一個定態能級躍遷到另一個能量低的定態能級，相應于兩個能級差的能量將作為光子被釋放出來。德布羅意公式則是給出了物體的能量和動量與其說對應的物質波的波長和頻率之間的關系。動量和波長成反比，而能量和頻率成正比。薛定諤方程精確地給出了物質波函數的表現形式。微觀粒子的量子態可用波函數表示。當波函數確定，粒子的任何一個力學量及它們的各種可能的測量值的幾率就完全確定。波函數跟粒子的質量和勢能相關。波函數的自變量中包含空間坐標和時間坐標。由于薛定諤方程中出現虛數i，所以波函數原則上應是復數。它同時滿足能量守恒，是線性的、單值解的。它給出的自由粒子解與簡單的德布羅意波相一致，滿足因果律。相對于薛定諤方程之于非相對論量子力學，狄拉克方程[4]是相對論量子力學的一項描述自旋-1/2粒子的波函數方程，不帶矛盾地同時遵守了狹義相對論與量子力學兩者的原理，實則為薛定諤方程的洛倫茲協變式。這個方程預言了反粒子的存在。

三、近代物理科學史和近代物理知識的結合講解

近代物理課如果只是講解近代物理知識，往往顯得枯燥無味，難以理解。其實任何科學知識都不是憑空產生的，往往經歷了好幾代人的不懈努力，最終從量變到質變，導致相對論或量子力學的建立。薛定諤方程也不是一蹴而就，而是經過很多科學家幾十年的努力。如果一開始就講解薛定諤方程，同學們通常很難理解。而如果采用循序漸進的方法并結合科學史來講，抽絲剝繭，逐漸揭開真理的面紗，那么同學們不光饒有興趣，而且更容易理解。圖3列出了結合科學史和科學人物的近代物理講解流程。在講解科學史的過程中，重點講解科學人物和他們的研究方法，以及這些近代物理公式是怎么一步步得來的。通過近代物理知識和科學史的結合講解，可以啟發同學，讓他們了解任何知識都是建立在前人知識和研究的基礎上。比如普朗克的黑體輻射公式來自于瑞利-金斯定律和維恩位移定律的啟發。瑞利-金斯定律能夠解釋低頻率下的結果，卻無法解釋高頻率下的測量結果。而維恩位移定律能夠解釋高頻率下的結果，卻無法解釋低頻率下的測量結果。而普朗克公式是把這兩種定律公式進行一下內插。通過這種歷史背景的介紹，同學們就對普朗克公式的來龍去脈知道得一清二楚，對此公式也就理解得更深刻。普朗克公式其實一開始是一個不得已而為之的公式，然后普朗克對此公式進行反推，發現只有認為能量是量子化的，才能得出跟實驗結果相吻合的普朗克公式。能量是非連續而是分立的，即使這個想法在當時是多么背離人的日常經驗和驚世駭俗，由于它是唯一的解釋，普朗克也就不得不接受了這個能量量子化思想。

而能量量子化這個理論不管在當時看上去多么荒謬，還是有人慧眼識珠的。5年之后的1905年，愛因斯坦憑著他對物理學的敏銳欣然接受了能量量子化這個觀點，并在此基礎上解釋了光電效應。近代物理的科學史是一環扣一環，十分引人入勝。在課堂上授課時通過人物->公式->人物…->公式的順序把所有近代物理的公式合理地銜接起來，自成一個整體，同學們學習起來就會思路清晰，公式也會記得牢，進而對公式能活學活用。普朗克和愛因斯坦彼此惺惺相惜，而普朗克也是少數很快發現愛因斯坦狹義相對論重要性的人之一。在愛因斯坦發表光電效應的8年之后，波爾也接受了能量量子化這個觀點，并進而創新性地提出了三個假設：（1）定態假設，即電子只能在一系列分立的軌道上繞核運動，這些軌道對應確定能量值的穩定態，電子在這些狀態（軌道）上不輻射電磁波；（2）躍遷假設，即原子在不同定態之間躍遷，以電磁輻射形式吸收或發射能量；（3）角動量量子化假設，即電子軌道角動量是分立的，首尾位相相同的環波才能穩定存在。波爾根據這三種假設成功推導出了氫原子的光譜公式，和實驗結果完全吻合。

接下來就輪到德布羅意登場。在波爾提出原子模型的10年之后，1923年德布羅意創新性地在他的博士論文里提出了波粒二象性的觀點。以前的量子論觀點都是圍繞光和能量，沒有觸及實際的物質或粒子。而德布羅意破天荒地提出任何物體都具有波粒二象性，既包括光，也包括電子、原子甚至人體等所有宇宙中的物體。德布羅意當時的博士生導師朗之萬不認可這個觀點，但是他比較有責任心，沒有直接否決掉德布羅意的博士論文，而是把論文寄給愛因斯坦定奪。而愛因斯坦對物理的理解十分透徹，他馬上承認了德布羅意的博士論文的正確性，并且將論文送去柏林科學院，使此理論在物理學界廣為傳播。1924年，德布羅意又提出可以用晶體作光柵觀察電子束的衍射來驗證他的波粒二象性理論，因為電子的波長和晶格間距處于同一個數量級。很快就有人響應了德布羅意的實驗設想，1927年，克林頓?戴維森和雷斯特?革末用電子轟擊鎳晶體，果然發現電子的衍射圖譜，和布拉格定律預測的一模一樣，這證實了德布羅意的波粒二象性理論正確無誤。既然電子是一個波，那就應該有個波動方程。所以德布羅意的理論極大地啟發了海森堡和薛定諤，導致這兩位科學家同時在1925年分別發表了薛定諤方程和矩陣力學，兩者可以得到同樣的結果。薛定諤隨后證明，兩者在數學上是等效的。薛定諤方程使用微分方程的形式，比矩陣力學容易理解，所以近代物理的授課一般只講薛定諤方程。薛定諤提出了薛定諤方程之后，又有個新問題，就是此方程不符合相對論協變性原理，即物理規律的形式在任何的慣性參考系中應該是相同的。所以需要有另外一個量子力學方程來滿足相對論。這個任務最終是3年之后（即1928年）由狄拉克來完成的。至此，在講述有趣的近代物理科學史的同時同學們也掌握了豐富的近代物理知識。

總而言之，在近代物理的教學過程中結合近代物理科學史進行授課，提高了同學們對于近代物理知識的理解和興趣，避免了填鴨式的教育，讓同學們在掌握知識的同時更了解了科學家們科學的研究方法，“授之以漁不如授之以魚”。該教改收到了十分良好的效果。

參考文獻：

[1]格雷克.牛頓傳[M].北京：高等教育出版社，2004.

[2]艾薩克森.愛因斯坦傳[M].長沙：湖南科技出版社，2012.

相對論與量子力學的矛盾范文第2篇

關鍵詞：量子力學 教學研究 哲學思想

“大學之道，在明明德，在親民，在止于至善?！睖毓手?，止于至善，提高當代大學生的哲學素養、人文情懷和科學素養，是素質教育的要求之一。以牛頓運動三定律、電磁理論和熱力學及統計物理學為基礎的經典力學誕生于17世紀，成功地解釋了大量物理學現象，取得了輝煌的科學成就，曾經被人們信奉為客觀真理。在19世紀末20世紀初，人類以巨大的熱情來研究原子核和放射現象，導致了兩大理論成果的誕生：量子理論和相對論。隨后，激光器、二極管、三極管、集成電路、互聯網、移動通信、登月等等，這些輝煌的成就促使人類邁進了信息時代。運動著的電子――一個小小的微觀粒子，卻促使人類文明進入了電子信息時代。事實表明，現代信息技術的理論基礎是物理學，信息的產生、發送、接收和處理，都是由一個個物理的系統來實現，因此信息世界的物理體系歸根結底要受到物理定律的制約。現在人們明白了，經典物理理論僅適用于宏觀低速運動的物體的場合，而對于微觀小尺度下、接近于光速運動的粒子的運動規律誤差會變得很大，必須使用相對論和量子理論來描述。而經典物理理論僅僅是量子理論和相對論在低速宏觀范圍下的良好近似。

量子理論是二十世紀最偉大的發現之一。量子理論的形成和發展，是整個物理學發展中最值得書寫的，也是對青年大學生最具有啟發意義的過程，在此期間包括了愛因斯坦的奇跡年（1905年）。梳理和探究整個過程中所包含的科學思維，科學方法，科學理論，科學素養……都是值得我們去探索、去深思、去挖掘的。

一、對青年大學生物質觀和運動觀的進一步加深具有重要意義

科學技術發展到21世紀，人類對于物質世界的認識進入到了納米尺度。材料學科的研究中出現了很多量子效應。量子理論中的許多不同于經典力學的物理現象顛覆性地發展了經典力學的思維，拓寬了人類認識物質世界的視野，使人們對運動的本質有了更進一步的了解。隨著人類認識的不斷深入和材料尺寸的不斷縮小，電子運動的量子效應愈加明顯?，F在人們已經明白了，電子既是一種微觀粒子，同時也是一種波，這就是所謂的波粒二象性。與經典物理現象不同的是，微觀粒子的諸多物理量之間受到量子規律的束縛，其中之一便是著名的不確定性原理，例如時間與能量之間、動量與位置之間等。此外，另一個有趣的現象是電子的勢壘貫穿效應，即能量小于勢壘高度的電子或者其它微觀粒子可以以一定的幾率，越過勢壘，運動到勢壘的右邊去。盡管一個理性的人對這種解釋可能不滿意，但是我們必須明白“隧穿”僅僅是我們為了理解的方便而構造的一個東西，除非人們對量子世界的認識更進一步。我們唯一能確定的是當滿足一定條件的時候，隧穿效應就會發生。

二、對青年大學生思維拓展與創新具有重要的啟發意義

量子理論是描述微觀粒子運動規律的理論，其概念體系與研究宏觀現象及其規律的經典物理學有很大的不同。量子理論的出現，是人類對物質世界認識日益深化的結果，為其他自然學科的發展開辟了廣闊的前景。從培養研究型科學人才的角度來說，量子理論是與現代科學研究聯系最緊密的課程之一。這對當代青年大學生提出了更高、更嚴格的要求。

第一，必須尊重客觀世界的運動規律，堅持創新思維，深刻認識微觀世界的規律。規律是物質在運動過程中表現出來的必然的、穩定的、永恒的聯系，任何事物之間都有聯系，都是矛盾的對立統一體，這就需要在實際的學習探索中抓住主要矛盾以及矛盾的主要方面。同時，矛盾具有特殊性，內因是事物發展的根據，決定著事物發展的方向和主要性質，外因是事物發展的次要因素。在實際的處理過程中要區別對待。

第二，注意量變到質變的積累。量變是指事物單純數量上的增加或減少，事物保持其質的穩定性。質變是指事物根本性質的變化，“量變質變新的量變”是事物發展的基本規律。注意收集數據，逐步地總結規律。任何重大的發現，都有一個辛苦的積累過程，面對紛繁雜蕪的實驗數據，如何去偽存真，由表及里，層層剖析？這需要尊重客觀規律，逐漸挖掘深層次的信息，切勿急于求成或者違背客觀規律。這方面在量子理論的發展過程中體現得尤為重要。

第三，量子理論是開放的理論，對量子理論的爭論一直在繼續。量子理論過去的成功并不意味著它是一個徹底完善的物理學理論。自量子理論誕生以來，關于量子理論的思想基礎和基本問題的爭論，從來就沒有停止過。人們對于量子理論本身的完備性及其一些基本觀念的理解，甚至持有截然不同的觀點。其他的理論也是在不斷地爭論中不斷完善。

三、量子力學中的數學思想及其知識框架

量子力學中主要的數學知識，主要是Hilbert內積空間，這是學生在學完微積分初步、線性代數以及概率論后需要掌握的、在工程領域內應用最為廣泛的一門數學學科，也是對空間解析幾何的推廣和延伸。其中包括了對前面提到的幾門學科的綜合應用，例如量子力學中的力學量，用線性算符來描述，則必須是厄米的；用海森堡的矩陣力學表示，則要求該矩陣的本征值和平均值均為實數；還有，在計算不同物理量表象的矩陣元時，要用到定積分的運算；而不同表象之間的變換，需要用到矩陣變換；此外，在講到微擾論和變分法時，還需要進一步的用到更多的數學知識。這些數學學科分支的交叉出現，足以讓學生對該門課程的進一步學習產生畏懼心理。如何消除和轉變學生的這種畏懼心理，這就要求教師在課堂上增強授課的趣味性。事實上，一部量子力學的發展史，包含了太多的啟迪、方法、思維和科學研究的因素，因利勢導，重視基礎知識的講解，將所有涉及到的數學知識及其發展史，生動地傳授給學生。筆者經過近五年的課堂教學，認為對當前的大學本科學生，倘能在授課中能做到這一點，那么，學習《量子力學》的意義就達到了。

結論：以量子理論為核心的量子物理無疑是本世紀最深刻、最有成就的科學理論之一。它不僅代表了人類對微觀世界基本認識的革命性進步，而且帶來了許多劃時代的技術創新，直接推動了社會生產力的發展，從根本上改變了人類的物質生活。讓學生在不斷的思考和探索中，體會到學習和思考的快樂；對學生的世界觀、物質觀以及運動觀的進一步深入，具有重要的指導意義。

參考文獻：

[1]格雷厄姆•法米羅,涂泓等譯.天地有大美之現代科學之偉大方程,世界圖書出版社,2008

[2]施塔赫爾,范岱年等譯.愛因斯坦奇跡年.上海科技出版社,2001,7

[3]曾謹言.量子力學.科學出版社,2010,4

[4]伯特蘭•羅素.西方哲學史.中國商業出版社,第1版,2009,1

相對論與量子力學的矛盾范文第3篇

人們通常把愛因斯坦與玻爾之間關于如何理解量子力學的爭論，看成是繼地心說與日心說之后科學史上最重要的爭論之一。就像地心說與日心說之爭改變了人們關于世界的整個認知圖景一樣，愛因斯坦與玻爾之間的爭論也蘊含著值得深入探討的對理論意義與概念變化的全新理解以及關于世界的不同看法。有趣的是，他們倆人雖然都對量子力學的早期發展做出了重要貢獻，但是，愛因斯坦在最早基于普朗克的量子概念提出并運用光量子概念成功地解釋了光電效應，以及運用能量量子化概念推導出固體比熱的量子論公式之后，卻從量子論的奠基者，變成了量子力學的最強烈的反對者，甚至是最尖銳的批評家。截然相反的是，玻爾在1913年同樣基于普朗克的量子概念提出了半經典半量子的氫原子模型之后，卻成為量子力學的哥本哈根解釋的奠基人。愛因斯坦對量子力學的反對，不是質疑其數學形式，而是對成為主流的量子力學的哥本哈根解釋深感不滿。這些不滿主要體現在愛因斯坦與玻爾就量子力學的基礎性問題展開的三次大論戰中。他們的第一次論戰是在1927年10月24日至29日在布魯塞爾召開的第五屆索爾未會議上進行的。這次會議由洛倫茲主持，其目的是為討論量子論的意義提供一個最高級的論壇。在這次會議上，愛因斯坦第一次聽到了玻爾的互補性觀點，并試圖通過分析理想實驗來駁倒玻爾—海森堡的解釋。這一次論戰以玻爾成功地捍衛了互補性詮釋的邏輯無矛盾性而結束；第二次大論戰是于1930年10月20日至25日在布魯塞爾召開并由朗子萬主持的第六屆索爾未會議上進行的。在這次會議上，關于量子力學的基礎問題仍然是許多與會代表所共同關心的主要論題。愛因斯坦繼續設計了一個“光子箱”的理想實驗，試圖從相對論來玻爾的解釋。但是，在這個理想實驗中，愛因斯坦求助于自己創立的相對論來反駁海森堡提出的不確定關系，反倒被玻爾發現他的論證本身包含了駁倒自己推論的關鍵因素而放棄。

當這兩個理想實驗都被玻爾駁倒之后，愛因斯坦雖然不再懷疑不確定關系的有效性和量子理論的內在自洽性。但是，他對整個理論的基礎是否堅實仍然缺乏信任。1931年之后，愛因斯坦對量子力學的哥本哈根解釋的質疑采取了新的態度：不是把理想實驗用作正面攻擊海森堡的不確定關系的武器，而是試圖通過設計思想實驗導出一個邏輯悖論，以證明哥本哈根解釋把波函數理解成是描述單個系統行為的觀點是不完備的，而不再是證明邏輯上的不一致。在這樣的思想主導下，第三次論戰的焦點就集中于論證量子力學是不完備的觀點。1935年發表的EPR論證的文章正是在這種背景下撰寫的。從寫作風格上來看，EPR論證既不是從實驗結果出發，也不再是完全借助于思想實驗來進行，而是把概念判據作為討論的邏輯前提。這樣，EPR論證就把討論量子力學是否完備的問題，轉化為討論量子力學能否滿足文章提供的概念判據的問題。由于這些概念判據事實上就是哲學假設，這就進一步把是否滿足概念判據的問題，推向了潛在地接受什么樣的哲學假設的問題。例如，EPR論證在文章的一開始就開門見山地指出：“對于一種物理理論的任何嚴肅的考查，都必須考慮到那個獨立于任何理論之外的客觀實在同理論所使用的物理概念之間的區別。這些概念是用來對應客觀實在的，我們利用它們來為自己描繪出實在的圖像。為了要判斷一種物理理論成功與否，我們不妨提出這樣兩個問題：（1）“這理論是正確的嗎？”（2）“這理論所作的描述是完備的嗎？”只有在對這兩個問題都具有肯定的答案時，這種理論的一些概念才可說是令人滿意的。”〔3〕從哲學意義上來看，這段開場白至少蘊含了兩層意思，其一，物理學家之所以能夠運用物理概念來描繪客觀實在，是因為物理概念是對客觀實在的表征，由這些表征描繪出的實在圖像，是可想象的。這是真理符合論的最基本的形式，也反映了經典實在論思想的核心內容；其二，如果一個理論是令人滿意的，當且僅當，這個理論既正確，又完備。那么，什么是正確的理論與完備的理論呢？EPR論證認為，理論的正確性是由理論的結論同人的經驗的符合程度來判斷的。只有通過經驗，我們才能對實在作出一些推斷，而在物理學里，這些經驗是采取實驗和量度的形式的?！?〕也就是說，理論正確與否是根據實驗結果來判定的，正確的理論就是與實驗結果相吻合的理論。但文章接著申明說，就量子力學的情況而言，只討論完備性問題。言外之意是，量子力學是正確的，即與實驗相符合，但不一定是完備的。為了討論完備性問題，文章首先不加證論地給出了物理理論的完備性條件：如果一個物理理論是完備的，那么，物理實在的每一元素都必須在這個物理理論中有它的對應量。物理實在的元素必須通過實驗和量度來得到，而不能由先驗的哲學思考來確定?；谶@種考慮，他們又進一步提供了關于物理實在的判據：“要是對于一個體系沒有任何干擾，我們能夠確定地預測（即幾率等于1）一個物理量的值，那末對應于這一物理量，必定存在著一個物理實在的元素?！?/p>

文章認為，這個實在性判據盡管不可能包括所有認識物理實在的可能方法，但只要具備了所要求的條件，就至少向我們提供了這樣的一種方法。只要不把這個判據看成是實在的必要條件，而只看成是一個充足條件，那末這個判據同經典實在觀和量子力學的實在觀都是符合的。綜合起來，這兩個判據的意思是說，如果一個物理量能夠對應于一個物理實在的元素，那么，這個物理量就是實在的；如果一個物理理論的每一個物理量都能夠對應于物理實在的一個元素，那么，這個物理學理論就是完備的。然而，根據現有的量子力學的基本假設，當兩個物理量（比如，位置X與動量P）是不可對易的量（即，XP≠PX）時，我們就不可能同時準確地得到它們的值，即得到其中一個物理量的準確值，就會排除得到另一個物理量的準確值的可能，因為對后一個物理量的測量，會改變體系的狀態，破壞前者的值。這是海森堡的不確定關系所要求的。于是，他們得出了兩種選擇：要么，（1）由波動函數所提供的關于實在的量子力學的描述是不完備的；要么，（2）當對應于兩個物理量的算符不可對易時，這兩個物理量就不能同時是實在的。他們在進行了這樣的概念闡述之后，接著設想了曾經相互作用過的兩個系統分開之后的量子力學描述，然后，根據他們給定的判據，得出量子力學是不完備的結論。EPR論證發表不久，薛定諤在運用數學觀點分折了EPR論證之后，以著名的“薛定諤貓”的理想實驗為例，提出了一個不同于EPR論證，但卻支持EPR論證觀點的新的論證進路。出乎意料的是，愛因斯坦卻在1936年6月19日寫給薛定諤的一封信中透露說，EPR論文是經過他們三個人的共同討論之后，由于語言問題，由波多爾斯基執筆完成的，他本人對EPR的論證沒有充分表達出他自己的真實觀點表示不滿。從愛因斯坦在1948年撰寫的“量子力學與實在”一文來看，愛因斯坦對量子力學的不完備性的論證主要集中于量子理論的概率特征與非定域性問題。他認為，物理對象在時空中是獨立存在的，如果不做出這種區分，就不可能建立與檢驗物理學定律。因此，量子力學“很可能成為以后一種理論的一部分，就像幾何光學現在合并在波動光學里面一樣：相互關系仍然保持著，但其基礎將被一個包羅得更廣泛的基礎所加深或代替?！憋@然，愛因斯坦后來對量子力學的不完備性問題的論證比EPR論證更具體、更明確。EPR論證中的思想實驗只是隱含了對非定域性的質疑，但沒有明朗化。但就論證問題的哲學前提而言，愛因斯坦與EPR論證基本上沒有實質性的區別。因此，本文下面只是從哲學意義上把EPR論證看成是基于經典物理學的概念體系來理解量子力學的一個例證來討論，而不準備專門闡述愛因斯坦本人的觀點。

二、玻爾的反駁與量子整體性

玻爾在EPR論證發表后不久很快就以與EPR論文同樣的題目也在《物理學評論》雜志上發表了反駁EPR論證的文章。玻爾在這篇文章中重申并升華了他的互補觀念。玻爾認為，EPR論證的實在性判據中所講的“不受任何方式干擾系統”的說法包含著一種本質上的含混不清，是建立在經典測量觀基礎上的一種理想的說法。因為在經典測量中，被測量的對象與測量儀器之間的相互作用通常可以被忽略不計，測量結果或現象被無歧義地認為反映了對象的某一特性。但是，在量子測量系統中，不僅曾經相互作用過的兩個粒子，在空間上彼此分離開之后，仍然必須被看成是一個整體，而且，被測量的量子系統與測量儀器之間存在著不可避免的相互作用，這種相互作用將會在根本意義上影響量子對象的行為表現，成為獲得測量結果或實驗現象的一個基本條件，從而使人們不可能像經典測量那樣獨立于測量手段來談論原子現象。玻爾把量子現象對測量設置的這種依賴性稱為量子整體性（whole-ness）。

在玻爾看來，為了明確描述被測量的對象與測量儀器之間的相互作用，希望把對象與儀器分離開來的任何企圖，都會違反這種基本的整體性。這樣，在量子測量中，量子對象的行為失去了經典對象具有的那種自主性，即量子測量過程中所觀察到的量子對象的行為表現，既屬于量子對象，也屬于實驗設置，是兩者相互作用的結果。因此，在量子測量中，“觀察”的可能性問題變成了一個突出的認識論問題：我們不僅不能離開觀察條件來談論量子現象，而且，試圖明確地區分對象的自主行為以及對象與測量儀器之間的相互作用，不再是一件可能的事情。玻爾指出，“確實，在每一種實驗設置中，區分物理系統的測量儀器與研究客體的必要性，成為在對物理現象的經典描述與量子力學的描述之間的原則性區別。”〔8〕海森堡也曾指出，“在原子物理學中，不可能再有像經典物理學意義下的那種感知的客觀化可能性。放棄這種客觀化可能性的邏輯前提，是由于我們斷定，在觀察原子現象的時候，不應該忽略觀察行動所給予被觀察體系的那種干擾。對于我們日常生活中與之打交道的那些重大物體來說，觀察它們時所必然與之相連的很小一點干擾，自然起不了重要作用?！?/p>

另一方面，作用量子的發現，揭示了量子世界的不連續性。這種不連續性觀念的確立，又相應地導致了一系列值得思考的根本問題。首先，就經典概念的運用而言，一旦我們所使用的每一個概念或詞語，不再以連續性的觀念為基礎，它們就會成為意義不明確的概念或詞語。如果我們希望仍然使用這些概念來描述量子現象，那么，我們所付出的代價是，限制這些概念的使用范圍和精確度。對于完備地反映微觀物理實在的特性而言，描述現象所使用的經典概念是既相互排斥又相互補充的。這是玻爾的互補性觀念的精神所在。有鑒于此，玻爾認為，EPR論證根本不會影響量子力學描述的可靠性，反而是揭示了按照經典物理學中傳統的自然哲學觀點或經典實在論來闡述量子測量現象時存在的本質上的不適用性。他指出：“在所有考慮的這些現象中，我們所處理的不是那種以任意挑選物理實在的各種不同要素而同時犧牲其他要素為其特征的一種不完備的描述，而是那種對于本質上不同的一些實驗裝置和實驗步驟的合理區分；……事實上，在每一個實驗裝置中對于物理實在描述的這一個或那一個方面的放棄（這些方面的結合是經典物理學方法的特征，因而在此意義上它們可以被看作是彼此互補的），本質上取決于量子論領域中精確控制客體對測量儀器反作用的不可能性；這種反作用也就是指位置測量時的動量傳遞，以及動量測量時的位移。正是在這后一點上，量子力學和普通統計力學之間的任何對比都是在本質上不妥當的———不管這種對比對于理論的形式表示可能多么有用。事實上，在適于用來研究真正的量子現象的每一個實驗裝置中，我們不但必將涉及對于某些物理量的值的無知，而且還必將涉及無歧義地定義這些量的不可能性。”其次，就量子描述的可能性而言，玻爾認為，我們“位于”世界之中，不可能再像在經典物理學中那樣扮演“上帝之眼”的角色，站在世界之外或從“外部”來描述世界，不可能獲得作為一個整體的世界的知識。玻爾把這種描述的可能性與心理學和認知科學中對自我認識的可能性進行了類比。在心理學和認知科學中，知覺主體本身是進行自我意識的一部分這一事實，限制了對自我認識的純客觀描述的可能性。用玻爾形象化的比喻來說，在生活的舞臺上，我們既是演員，又是觀眾。因此，量子描述的客觀性位于理想化的純客觀描述與純主觀描述之間的某個地方。

為此，玻爾認為，物理學的任務不是發現自然界究竟是怎樣的，而是提供對自然界的描述。海森堡也曾指出，在原子物理學領域內，“我們又尖銳地碰到了一個最基本的真理，即在科學方面我們不是在同自然本身而是在同自然科學打交道?！睈垡蛩固箘t堅持認為，在科學中，我們應當關心自然界在干什么，物理學家的工作不是告訴人們關于自然界能說些什么。愛因斯坦的觀點是EPR論證所蘊含的。這兩種理論觀之間的分歧，事實上，不僅是有沒有必要考慮和闡述包括概念、儀器等認知中介的作用的分歧，而且是能否把量子力學納入到經典科學的思維方式當中的分歧。EPR論證以經典科學的方法論與認識論為前提，認為正確的科學理論理應是對自然界的正確反映，認知中介對測量結果不會產生實質性的影響；而玻爾與海森堡則以接受量子測量帶來的認識論教益為前提，認為量子力學已經失去了經典科學具有的那種概念與物理實在之間的一一對應關系，認知中介的設定成為人類認識微觀世界的基本前提。第三，就主體與客體的關系問題而言，EPR論證認為，認知主體與客體之間存在著明確的分界線。這意味著，所有的主體都能對客體進行同樣的描述，并且他們描述現象所用的概念與語言是無歧義的。無歧義意味著對概念或語言的意義的理解是一致的。而對于量子測量而言，對客體的描述包含了主體遵守的作為世界組成部分的描述條件的說明，從而顯現了一種新的主客體關系。為此，我們可以把主體與客體之間的關系劃分為三類：其一，能夠在主體與客體之間劃出分界線，所有的主體對客體的描述都是相同的，EPR論證屬于此類；其二，能夠在主體與客體之間劃出分界線，但主體對客體的描述是因人而異的，人們對藝術品的欣賞屬于此類；其三，不可能在主體與客體之間劃出分界線，主體對客體的描述包括了對測量條件的描述在內，玻爾對EPR論證的反駁屬于此類。顯然，EPR論證隱含的主客體關系與玻爾所理解的量子測量中的主客體關系之間存在著實質性的差別。EPR論證是沿襲了經典實在論的觀點，而玻爾的觀點代表了他基于量子力學的形式體系總結出來的某種新的認識。在這里，就像不能用歐幾里得幾何的時空觀來反對非歐幾何的時空觀一樣，我們也不能用經典意義上的理論觀反對量子意義上的理論觀。因此，可以說，物理學家關于如何理解量子力學問題的爭論，在很大程度上，蘊含了他們關于科學研究的哲學假設之間的爭論。

三、實驗的形而上學

EPR論證不僅引發了量子物理學家關于物理學基礎理論問題的哲學討論，而且還創立了“實驗的形而上學”，提供了物理學家如何基于形而上學的觀念之爭，最終探索出通過實驗檢驗其結論的一個典型案例。這一過程與尋找量子論的隱變量解釋的努力聯系在一起。量子力學的隱變量解釋的最早方案是德布羅意在1927年提出的“導波”理論。1932年，馮•諾意曼在他的《量子力學的數學基礎》一書中曾根據量子力學的概念體系提出了四個假設，并且證明，隱變量理論和他的第四個假設（即，可加性假設）相矛盾，認為通過設計隱變量的觀念來把量子理論置于決定論體系之中的任何企圖都注定是失敗的。馮•諾意曼的這一工作在為量子論的隱變量解釋判了死刑的同時，也極大地支持了量子力學的哥本哈根解釋。有意思的是，曾是量子力學的哥本哈根解釋的支持者與傳播者的玻姆，在1951年基于量子力學的哥本哈根精神出版了至今仍然有影響的《量子理論》一書，并在書的結尾，以EPR論證為基礎，提出了“量子理論同隱變量不相容的一個證明”之后，從1952年開始反而致力于從邏輯上為量子力學提供一種隱變量解釋的研究。

玻姆闡述隱變量理論的目標可以大致概括為兩個方面，一是試圖用能夠直覺想象的概念為量子概率和量子測量提供一種可理解的說明，證明為量子論提供一個決定論的基礎是可行的；二是希望從邏輯上表明，隱變量理論是有可能的，“不論這種理論是多么抽象和‘玄學’?！辈Ｄ返淖非箫@然是一種信念的支撐，而不是事實之使然。在這種信念的引導下，玻姆在1952年連續發表了兩篇闡述隱變量理論的文章，在這些文章中，他用經典方式定義波函數，假定微觀粒子像經典粒子一樣總是具有精確的位置和精確的動量，闡述了一種可能的量子論的隱變量解釋，最后，用一個粒子的兩個自旋分量代替EPR論證中的坐標與動量，討論了EPR論證的思想實驗，并運用量子場與量子勢概念解釋了測量一個粒子的位置影響第二個粒子的動量的原因。

貝爾在讀了玻姆的文章之后，認為有必要重新系統地研究量子力學的基本問題。貝爾試圖解決的矛盾是：如果馮•諾意曼的證明成立，那么，怎么會有可能建立一個邏輯上無矛盾的隱變量理論呢？為了搞明白問題，貝爾首先重新剖析了馮•諾意曼的關于隱變量的不可能性的證明和EPR論證中設想的思想實驗，然后，抓住了隱變量理論的共同本質，于1964年發表了“關于EPR悖論”的文章。在這篇文章中，貝爾引述了用自旋函數來表述EPR論證的玻姆說法，或者說，從EPR—玻姆的思想實驗出發，以轉動不變的獨立波函數描述組合系統的態，推導出一個不同于量子力學預言的、符合定域隱變量理論的關于自旋相關度的不等式，通常稱為貝爾不等式或貝爾定理，然后，用歸謬法了量子力學的預言和貝爾不等式相符的可能性，說明任何定域的隱變量理論，不論它的變數的本性是什么，都在某些參數上同量子力學相矛盾。貝爾還假設，如果所進行的兩個測量在空間上彼此相距甚遠，那么，沿著一個磁場方向的測量，將不會影響到另一個測量結果。貝爾把這個假設稱為“定域性假設”。從這個假設出發，貝爾指出，如果我們可以從第一個測量結果預言第二個測量結果，測量可以沿著任何一個坐標軸來進行，那么，測量的結果一定是已經預先確定了的。但是，由于波函數不對這種預先確定的量提供任何描述，所以，這種預定的結果一定是通過決定論的隱變量來獲得的。貝爾后來申明說，他在“關于EPR悖論”一文中假設的是定域性，而不是決定論，決定論是一種推斷，不是一個假設，或者說，貝爾的這篇文章是從定域性推論出決定論，而不是開始于決定論的隱變量。從邏輯前提上來看，貝爾的假設更接近于愛因斯坦的假設，他們都把“定域性條件”看成是比“決定論前提”更基本的概念。因此，貝爾的工作比馮•諾意曼和玻姆的工作更進一步地推進了關于量子力學的根本特征的理解。貝爾的這篇文章具有劃時代的意義。它不僅成為20世紀下半葉物理學與哲學研究中引用率最高的文獻之一，而且為進一步設計具體的實驗來澄清量子力學的內在本性邁出了決定性的一步。粒子物理學家斯塔普（HenryStapp）甚至把貝爾定理的提出說成是“意義最深遠的科學發現。”

同EPR論證一樣，貝爾的這一發現也不是從實驗中總結出來的，而是基于哲學信念的邏輯推理的結果。此后，量子物理學界進一步推廣貝爾定理的理論研究與具體實驗方案的探索工作并行不悖地開展起來。而這些工作都與EPR論證相關。就實驗進展而言，物理學界承認，阿斯佩克特等人于1982年關于“實現EPR-玻姆思想實驗”的實驗結果，支持了量子力學，針對這樣的實驗結果，貝爾指出：“依我看，首先，人們必定說，這些結果是所預料到的。因為它們與量子力學預示相一致。量子力學畢竟是科學的一個極有成就的科學分支，很難相信它可能是錯誤的。盡管如此，人們還是認為，我也認為值得做這種非常具體的實驗。這種實驗把量子力學最奇特的一個特征分離了出來。原先，我們只是信賴于旁證。量子力學從沒有錯過。但現在我們知道了，即使在這些非常苛刻的條件下，它也不會錯的?！?/p>

雖然EPR論證的初衷是希望證明量子力學是不完備的，還沒有提出量子測量的非定域性概念，但是，物理學家則通常運用EPR思想實驗的術語來討論非定域性問題。經過40多年的發展，具體的實驗結果使EPR論證失去了對量子力學的挑戰性。一方面，這些實驗證實了非定域性是所有量子論的一個基本屬性，要求把在同一個物理過程中生成的兩個相關粒子永遠當作一個整體來對待，不能分解為兩個獨立的個體，其中，一個粒子發生任何變化，另一個粒子必定同時發生相應的變化，這種相互影響與它們的空間距離無關；另一方面，這些實驗也表明了EPR論證提供的哲學假設不再是判斷量子力學是否完備的有效前提，而是反過來提醒我們需要重新思考玻爾在反駁EPR論證的觀點中所蘊含的哲學啟迪。總而言之，EPR論證盡管是基于哲學假設，運用思想實驗，來駁斥量子力學的完備性，但在客觀上，物理學家圍繞這一論證的討論，最終在思想實驗的基礎上出乎意料地發展出可以具體操作的實驗方案，并且獲得了有效的實驗結果。這一段歷史發展不僅證明，無論在哲學假設的問題上，還是在物理概念的意義理解的問題上，量子力學都不是對經典物理學的補充和擴展，是一個蘊含有新的哲學假設的理論。正是在這種意義上，物理學家玻恩得出了“理論物理學是真正的哲學”的斷言。

四、認識論的思維方式

如前所述，EPR論證—玻姆—貝爾這條發展主線是把對物理學問題鑲嵌在哲學信念中進行思考的。這一歷史片斷揭示出，基于哲學信念的邏輯推理在物理學的理論研究與實驗研究中起到了積極的認知作用。一方面，在這些探索方式中，不論是EPR論證的真理符合論假設，玻姆的決定論假設，還是貝爾的定域性假設，它們的初衷都是希望能夠把量子力學納入到經典物理學的概念框架或哲學信念之中。另一方面，檢驗貝爾不等式的物理學實驗結果對量子力學的支持和對貝爾不等式的違背意味著，我們不應該依舊固守經典物理學的哲學假設來質疑量子力學，而是應該顛倒過來，積極主動地揭示量子力學蘊含的哲學思想，以進一步明確經典物理學的哲學假設的適用范圍。

但是，這種視域的逆轉不是簡單地倡導用量子力學的哲學假設取代經典物理學的哲學假設，也不是武斷地主張用玻爾的理論觀替代EPR論證所蘊含的理論觀，而是提倡擺脫習以為常的自然哲學的思維方式，確立認識論的思維方式。自然哲學的思維方式是一種本體論化的思維方式。這種思維方式是從古希臘延續下來的，追求概念與實在之間的直接的一一對應關系，忽視或缺乏對認知過程中不可避免的認知中介和理論框架的考慮。從起源上來講，這種無視認知中介的本體論化的思維方式，源于常識，是對常識的一種延伸外推與精致化。近代自然科學的發展進一步強化與鞏固了這種思維方式。EPR論證也是基于這種思維方式使經典科學蘊含的哲學假設以具體化的判據形式呈現出來。然而，與過去的物理學理論所不同的是。量子力學不再是關于可存在量（beable）的理論，而是關于可觀察量（observable）的理論，“是理論決定我們的觀察內容”這一句話，既是愛因斯坦創立相對論的感想，也為海森堡提出不確定關系提供了觀念啟迪。就理論形式而言，量子力學的理論描述用的是數學語言，而不是日常語言。用數學語言描述的微觀世界是一個多位空間的世界，而我們作為人類，很難直觀地想象這樣的世界，更不可能直接“進入”這個世界來“觀看”一切。人類感知的這種局限性是原則性的，從而限制了我們對微觀世界的知識的全面獲得。用玻爾的話來說，我們對一個微觀對象的最大限度的知識不可能從單個實驗中獲得，而只能從既相互排斥又相互補充的實驗安排中獲得。用玻恩的話來說，在量子測量中，觀察與測量并不是指自然現象本身，而是一種投影。

相對論與量子力學的矛盾范文第4篇

二十世紀即將結，二十一世紀即將來臨，二十世紀是光輝燦爛的一個世紀，是個類社會發展最迅速的一個世紀，是科學技術發展最迅速的一個世紀，也是物理學發展最迅速的一個世紀。在這一百年中發生了物理學革命，建立了相對信紙和量子力學，完成了從經典物理學到現代物理學的轉變。在二十世紀二、三十年代以后，現代物理學在深度和廣度上有了進一步的蓬勃發展，產生了一系列的新學科的交叉學科、邊緣學科，人類對物質世界的規律有了更深刻的認識，物理學理論達到了一個新高度，現代物理學達到了成熟的階段。

在此世紀之交的時候，人們自然想展望一下二十一世紀物理學的發展前景，探索今后物理學發展的方向。我想談一談我對這個問題的一些看法和觀點。首先，我們來回顧一下上一個世紀之交物理學發展的情況，把當前的情況與一百年前的情況作比較對于探索二十一世紀物理學發展的方向是很有幫助的。

一、歷史的回顧

十九世紀末二十世紀初，經典物物學的各個分支學科均發展到了完善、成熟的階段，隨著熱力學和統計力學的建立以及麥克斯韋電磁場理論的建立，經典物理學達到了它的頂峰，當時人們以系統的形式描繪出一幅物理世界的清晰、完整的圖畫，幾乎能完美地解釋所有已經觀察到的物理現象。由于經典物理學的巨大成就，當時不少物理學家產生了這樣一種思想：認為物理學的大廈已經建成，物理學的發展基本上已經完成，人們對物理世界的解釋已經達到了終點。物理學的一些基本的、原則的問題都已經解決，剩下來的只是進一步精確化的問題，即在一些細節上作一些補充和修正，使已知公式中的各個常數測得更精確一些。

然而，在十九世紀末二十世紀初，正當物理學家在慶賀物理學大廈落成之際，科學實驗卻發現了許多經典物理學無法解釋的事實。首先是世紀之交物理學的三大發現：電子、X射線和放射性現象的發現。其次是經典物理學的萬里晴空中出現了兩朵“烏云”：“以太漂移”的“零結果”和黑體輻射的“紫外災難”。[1]這些實驗結果與經典物理學的基本概念及基本理論有尖銳的矛盾，經典物理學的傳統觀念受到巨大的沖擊，經典物理發生了“嚴重的危機”。由此引起了物理學的一場偉大的革命。愛因斯坦創立了相對論；海林堡、薛定諤等一群科學家創立了量子力學?，F代物理學誕生了！

把物理學發展的現狀與上一個世紀之交的情況作比較，可以看到兩者之間有相似之外，也有不同之處。

在相對論和量子力學建立起來以后，現代物理學經過七十多年的發展，已經達到了成熟的階段。人類對物質世界規律的認識達到了空前的高度，用現有的理論幾乎能夠很好地解釋現在已知的一切物理現象?？梢哉f，現代物理學的大廈已經建成。在這一點上，目前有情況與上一個世紀之交的情況很相似。因此，有少數物理學家認為今后物理學不會有革命性的進展了，物理學的根本性的問題、原則問題都已經解決了，今后能做到的只是在現有理論的基礎上在深度和廣度兩方面發展現代物理學，對現有的理論作一些補充和修正。然而，由于有了一百年前的歷史經驗，多數物理學家并不贊成這種觀點，他們相信物理學遲早會有突破性的發展。另一方面，雖然在微觀世界和宇宙學領域中有一些物理現象是現代物理學的理論不能很好地解釋的，但是這些矛盾并不是嚴重到了非要徹底改造現有理認紗可的程度。在這方面，目前的情況與上一個世紀之交的情況不同。在上一個世紀之交，經典物理學發生了“嚴重的危機”；而在本世紀之交，現代物理學并無“危機”。因此，我認為目前發生現代物理學革命的條件似乎尚不成熟。

雖然在微觀世界和宇宙學領域中有一些物理現象是現代物理學的理論不能很好地解釋的，但是這些矛盾并不是嚴重到了非要徹底改造現有理認紗可的程度。在這方面，目前的情況與上一個世紀之交的情況不同。在上一個世紀之交，經典物理學發生了“嚴重的危機”；而在本世紀之交，現代物理學并無“危機”。因此，我認為目前發生現代物理學革命的條件似乎尚不成熟。客觀物質世界是分層次的。一般說來，每個層次中的體系都由大量的小體系（屬于下一個層次）構成。從一定意義上說，宏觀與微觀是相對的，宏觀體系由大量的微觀系統構成。物質世界從微觀到宏觀分成很多層次。物理學研究的目的包括：探索各層次的運動規律和探索各層次間的聯系。

回顧二十世紀物理學的發展，是在三個方向上前進的。在二十一世紀，物理學也將在這三個方向上繼續向前發展。

1）在微觀方向上深入下去。在這個方向上，我們已經了解了原子核的結構，發現了大量的基本粒子及其運規律，建立了核物理學和粒子物理學，認識到強子是由夸克構成的。今后可能會有新的進展。但如果要探索更深層次的現象，必須有更強大得多的加速器，而這是非常艱巨的任務，所以我認為近期內在這個方向上難以有突破性的進展。

2）在宏觀方向上拓展開去。1948年美國的伽莫夫提出“大爆炸”理論，當時并未引起重視。1965年美國的彭齊亞斯和威爾遜觀測到宇宙背景輻射，再加上其他的觀測結果，為“大爆炸”理論提供了有力的證據，從此“大爆炸”理論得到廣泛的支持，1981年日本的佐藤勝彥和美國的古斯同時提出暴脹理論。八十年代以后，英國的霍金[2,3]等人開始論述宇宙的創生，認為宇宙從“無”誕生，今后在這個方向上將會繼續有所發展。從根本上來說，現代宇宙學的繼續發展有賴于向廣漠的宇宙更遙遠處觀測的新結果，這需要人類制造出比哈勃望遠鏡性能更優越得多的、各個波段的太空天文望遠鏡，這是很艱巨的任務。

我個人對于近年來提出的宇宙創生學說是不太信的，并且認為“大爆炸”理論只是對宇宙的一個近似的描述。因為現在的宇宙學研究的只是我們能觀測到的范圍以內的“宇宙”，而我相信宇宙是無限的，在我們這個“宇宙”以外還有無數個“宇宙”，這些宇宙不是互不相干、各自孤立的，而是互相有影響、有作用的?，F代宇宙學只研究我們這個“宇宙”，當然只能得到近似的結果，把他們的延伸到“宇宙”創生了初及遙遠的未來，則失誤更大。

3）深入探索各層次間的聯系。

這正是統計物理學研究的主要內容。二十世紀在這方面取得了巨大的成就，先是非平衡態統計物理學有了得大的發展，然后建立了“耗散結構”理論、協同論和突變論，接著混沌論和分形論相繼發展起來了。近年來把這些分支學科都納入非線性科學的范疇。相信在二十一世紀非線性科學的發展有廣闊的前景。

上述的物理學的發展依然現代物理學現有的基本理論的框架內。在下個世紀，物理學的基本理論應該怎樣發展呢？有一些物理學家在追求“超統一理論”。在這方面，起初是愛因斯坦、海森堡等天才科學家努力探索“統一場論”；直到1967、1968年，美國的溫伯格和巴基斯坦的薩拉姆提出統一電磁力和弱力的“電弱理論”；目前有一些物理學家正在探索加上強力的“大統一理論”以及再加上引力把四種力都統一起來的“超統一理論”，他們的探索能否成功尚未定論。

愛因斯坦當初探索“統一場論”是基于他的“物理世界統一性”的思想[4]，但是他努力探索了三十年，最終沒有成功。我對此有不同的觀點，根據辯證唯物主義的基本原理，我認為“物質世界是既統一，又多樣化的”。且莫論追求“超統一理論”能否成功，即便此理論完成了，它也不是物理學發展的終點。因為“在絕對的總的宇宙發展過程中，各個具體過程的發展都是相對的，因而在絕對真理的長河中，人們對于在各個一定發展階段上的具體過程的認識只具有相對的真理性。無數相對的真理之總和，就是絕對的真理?！薄叭藗冊趯嵺`中對于真理的認識也就永遠沒有完結。”[5]

現代物理學的革命將怎樣發生呢？我認為可能有兩個方面值得考試：

1）客觀世界可能不是只有四種力。第五、第六……種力究竟何在呢？現在我們不知道。我的直覺是：將來最早發現的第五種力可能存在于生命現象中。物質構成了生命體之后，其運動和變化實在太奧妙了，我們沒有認識的問題實在太多了，我們今天對于生命科學的認識猶如亞里斯多德時代的人們對于物理學的認識，因此在這方面取得突破性的進展是很可能的。我認為，物理學業與生命科學的交叉點是二十一世紀物理學發展的方向之一，與此有關的最關于復雜性研究的非線性科學的發展。

2）現代物理學理論也只是相對真理，而不是絕對真理。應該通過審思現代物理學理論基礎的不完善性來探尋現代物理學革命的突破口，在下一節中將介紹我的觀點。

三、現代物理學的理論基礎是完美的嗎？

相對論和量子力學是現代物理學的兩大支柱，這兩大支柱的理論基礎是否十全十美的

呢？我們來審思一下這個問題。

1）對相對論的審思

當年愛因斯坦就是從關于光速和關于時間要領的思考開始，創立了狹義相對論[1]。我們今天探尋現代物理學革命的突破口，也應該從重新審思時空的概念入手。愛因勞動保護坦創立狹義相對論是從講座慣性系中不同地點的兩個“事件”的同時性開始的[4]，他規定用光信號校正不同地點的兩個時鐘來定義“同時”，這樣就很自然地導出了洛侖茲變換，進一步導致一個四維時空（x，y，z，ict）（c是光速）。為什么愛因勞動保護擔提出用光信號來校正時鐘，而不用別的信號呢？在他的論文中沒有說明這個問題，其實這是有深刻含意的。

時間、空間是物質運動的表現形式，不能脫離物理質運動談論時間、空間，在定義時空時應該說明是關于什么運動的時空?，F代物理學認為超距作用是不存在的，A處發生的“事件”影響B處的“事件”必須通過一定的場傳遞過去，傳遞需要一定的時間，時間、空間的定義與這個傳遞速度是密切相關的。如果這種場是電磁場，則電磁相互作用傳遞的速度就是光速。因此，愛因斯坦定義的時空實際上是關于由電磁相互作用引起的物質運動的時空，適用于描述這種運動。

愛因斯坦把他定義的時間應用于所有的物質運動，實際上就暗含了這樣的假設：引力相互作用的傳遞速度也是光速c.但是引力相互作用是否也是以光速傳遞的呢？令引力相互作用的傳遞速度為c＇。至今為止，并無實驗事實證明c＇等于c。愛因斯坦因他的“物質世界統一性”的世界觀而在實際上假定了c=c＇。我持有“物質世界既統一，又多樣化的”以觀點，再加之電磁力和引力的強度在數量級上相差太多，因此我相相信c＇可能不等于c。工樣，關于由電磁力引起的物質運動的四維時空（x，y，z，ict）和關于由引力引起的運動的時空（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）是不同的。如果研究的問題只涉及一種相互作用，則按照現在的理論建立起來的運動方程的形式不變。例如，愛因斯坦引力場方程的形式不變，只需把常數c改為c＇。如果研究的問題涉及兩種相互作用，則需要建立新的理論。不過，首要的事情是由實驗事實來判斷c＇和c是否相等；如果不相等，需要導出c＇的數值。

我在二十多年前開始形成上述觀點，當時測量引力波是眾所矚目的一個熱點，我曾對那些實驗寄予厚望，希望能從實驗結果推算出c＇是否等于c。令人遺憾的是，經過長斯的努力引引力波實驗沒有獲得肯定的結果，隨后這項工作冷下去了。根據愛國斯坦理論預言的引力波是微弱的，如果在現代實驗技術能夠達到的測量靈敏度和準確度之下，這樣弱的引力波應該能夠探測到的話，長期的實驗得不到肯定的結果似乎暗示了害因斯坦理論的缺點。應該從c＇可能不等于c這個角度來考慮問題，如果c＇和c有較大的差異，則可能導出引力波的強度比根據愛因勞動保護坦理論預言的強度弱得多的結果。

弱力、強力與引力、電磁力有本質的不同，前兩者是短程力，后兩者是長程力。不同的相互作用是通過傳遞不同的媒介粒子而實現的。引力相互作用的傳遞者是引力子；電磁相互作用的傳遞者是光子；弱相互作用的傳遞者是規范粒子（光子除外）；強相互作用的傳遞者是介子。引力子和光子的靜質量為零，按照愛因斯坦的理論，引力相互作用和電磁相互作用的傳遞速度都是光速。并且與傳遞粒子的靜質量和能量有關，因而其傳遞速度是多種多樣的。

在研究由弱或強相互作用引起的物質運動時，定義慣性系中不同的地點的兩個“事件”的“同時”，是否應該用弱力或強力信號取代光信號呢？我對核物理學和粒子物理學是外行，不想貿然回答這個問題。如果應該用弱力或強力信號取代光信號，那么關于由弱力或強力引起的物質運動的時空和關于由電磁力引起的運動的時空（x，y，z，ict）及關于由引力引起的運動的時空（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）

有很大的不同。設弱或強相互作用的傳遞速度為c＇＇，c＇＇不是常數，而是可變的，則關于由弱或強力引起的運動的時空為（x＇＇，y＇＇，z＇＇，Ic＇＇t＇＇），時間t＇＇和空間（x＇＇，y＇＇，z＇＇）將是c＇的函數。然而，很可能應該這樣來考慮問題：關于由弱力引起的運動的時空，在定義中應該以規范粒子的靜質量取作零時的速度c1取代光速c。由于“電弱理論”把弱力和電磁力統一起來了，因此有可能c1=c，則關于由弱力引起的運動的時空和關于由電磁力引起的運動的時空是相同的，同為（x，y，z，ict）。關于由強力引起的運動的時空，在定義中應該以介子的靜質量取作零（在理論上取作零，在實際上沒有靜質量為零的介子）時的速度c＇＇取代光速c，c＇＇可能不等于c。則關于由強力引起的運動的時空（x＇＇，y＇＇，z＇＇，Ic＇＇t＇＇）不同于（x，y，z，ict）或（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）。無論上述兩種考慮中哪一種是對的，整個物質世界的時空將是高于四維的多維時空。對于由短程力（或只是強力）引起的物質運動，如果時空有了新的一義，就需要建立新的理論，也就是說需要建立新的量子場論、新的核物理學和新的粒子物理學等。如果研究的問題既清及長程力，又涉及短程力（尤其是強力），則更需要建立新的理論。

1）對量子力學的審思

從量子力學發展到量子場論的時候，遇到了“發散困難”[6]。1946——1949年間，日本的朝永振一郎、美國的費曼和施溫格提出“重整化”方法，克服了“發散困難”。但是“重整化”理論仍然存在著邏輯上的缺陷，并沒有徹底克服這一困難?！鞍l散困難”的一個基本原因是粒子的“固有”能量（靜止能量）與運動能量、相互作用能量合在一起計算[6]，這與德布羅意波在υ=0時的異性。

現在我陷入一個兩難的處境：如果采用傳統的德布羅意關系，就只得接受不合理的德布羅意波奇異性；如果采納修正的德布羅意關系，就必須面對使新的理論滿足相對論協變性的難題。是否有解決問題的其他途徑呢？我認為這個問題或許還與時間、空間的定義有關。現在的量子力學理論中時寬人的定義實質上依然是決定論的定義，而不確定原理是微觀世界的一條基本規律，所以時間、空間都不是嚴格確定的，決定論的時空要領不再適用。在時間或空間的間隔非常小的時候，描寫事情順序的“前”、“后”概念將失去意義。此外，在重新定義時空時還應考慮相關的物質運動的類別。模糊數學已經發展得相當成熟了，把這個數學工具用到微觀世界時空的定義中去可能是很值得一試的。

1）在二十一世紀物理學將在三個方向上繼續向前發展（1）在微觀方向上深入下去；（2）在宏觀方向上拓展開去；（3）深入探索各層次間的聯系，進一步發展非線性科學。

2）可能應該從兩方面去控尋現代物理學革命的突破口。（1）發現客觀世界中已知的四種力以外的其他力；（2）通過審思相對論和量子力學的理論基礎，重新定義時間、空間，建立新的理論

相對論與量子力學的矛盾范文第5篇

關鍵詞 相對論；經典物理學；影響

中圖分類號 O2 文獻標識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）11-0044-01

在人類物理學發展的進程中，有一群巨星照耀著我們前進的方向，他們或是堅毅不屈，或是執著不悔，或是以自己不可磨滅的熱情來創建人類進程中不可預料的輝煌，而在這一群閃亮的星星中，兩顆耀眼的巨星始終讓人無法忽視他們的存在。熠熠生輝的群星是我們前進路上的明燈，這其中就有兩顆巨星始終閃耀著自己的光芒，他們就是牛頓和愛因斯坦。

1 牛頓對于經典物理學的影響

牛頓在經典物理學的多個領域都做出過不可估量的貢獻，他曾提出相對所謂經典力學，也就是指研究在低速情況下宏觀物體的機械運動所遵循的規律的力學。經典力學的重要部分是什么呢？根據經典物理學發展史來說，其重要的組成部分是牛頓運動定律，也可以說是與牛頓定律有關的并且與其等價的其他力學原理，這些原理同樣也是經典力學的基本定律。除此之外，他的一生中對于物理學的發展還做出了無數的、后人無法企及的貢獻。牛頓可謂是經典物理學發展史中的中流砥柱。

2 愛因斯坦的成就

無獨有偶，愛因斯坦對于近代科學發展進程的推進作用也是里程碑式的。1905年，愛因斯坦提出了三項都具有劃時代意義的理論――光量子假說，因此而獲得1921年諾貝爾獎，并且提出了狹義相對論、布朗運動的統計性解釋，并由此引出的驗證性實驗的結果使得當時并不相信原子是真實的幾位大科學家都轉而相

信了。

他最大的成就有三點：1）從物理學發展的意義上說的，提出了以相對論為代表的新的物理哲學體系，以及由此引發的兩大理論物理學派的論戰；2）他發現的光電效應方程；3）他在維護世界和平方面做出的貢獻.愛因斯坦為了反對核武器，他還主動退出核物理研究領域。

其中，相對論對于經典物理學產生了不可忽視的影響。那么，相對論究竟是什么呢？它主要應用于哪些方面呢？相對論又是怎樣對于經典物理學產生不可忽視的影響了呢？筆者認為，以上的問題可以從相對論對于經典力學的利與弊的角度來闡述。

3 相對論對經典力學的利與弊

相對論是關于時空和引力的理論，主要由愛因斯坦創立，相對論根據本身的研究對象的不同可分為狹義相對論和廣義相對論。相對論和量子力學的提出給物理學帶來了革命性的變化，它們共同奠定了近代物理學的基礎。相對論極大的改變了人類對宇宙和自然的“常識性”觀念，提出了“同時的相對性”“四維時空”“彎曲時空”等全新的概念。不過近年來，人們對于物理理論的分類有了一種新的認識――以其理論是否決定論的來劃分經典與非經典的物理學，即“非經典的=量子的”。在這個意義下，相對論仍然是一種經典的理論。

經典物理學與相對論之間的關系主要是任何兩者或者多者的關系中，很難存在一拍即合或者配合的天衣無縫的情r，大多都是各個元素或者成員之間經過長時間的相互磨合才會使得一個團隊或者一斷關系能夠長時間的保持順暢的、和諧的相處方式。與此對應的，相對論和經典物理學的關系也未能幸免，經典物理學與相對論的關系中，矛盾性是不可忽視的一個重要的特點。

需要說明的是，經典物理學與相對論之間的矛盾是多方面的。比如，如果以經典物理學的視角來分析時間與空間的話，那么時間與空間是絕對的。但是矛盾恰恰就在此，如果以相對論的視角來看待兩者的話，那么時間與空間就是相對的。除此之外，還有很多的情況是經典物理學無法解釋的，那么，在這種情況下，就需要運用相對論來解決問題了，比如物體高速運動時的情況。由此可見，相對論對于經典物理學起到了輔助補充的作用，大大地彌補了經典物理學中存在的缺陷，完成了經典物理學無法解析的問題。但是，在此需要特別的說明的是，相對論并不會經典物理學，正如上述例子一樣，對于經典物理學來說，相對論更多的是起到了補充開拓的作用，明確了經典物理學的適用范圍，即低俗、宏觀的物理世界，在高速圍觀的世界里對于經典物理學所不能達到的領域進行補充與加強。

牛頓經典力學認為質量和能量各自獨立存在，并且提出了牛頓定律，但是，這一定律卻使得狹義相對論面臨巨大的挑戰，即任何空間位置的任何物體都要受到力的作用。就在這個時候，為了解決這個問題，愛因斯坦提出了廣義相對論。

愛因斯坦廣義相對論認為，質量和能量各自獨立存在，且各自守恒，它只適用于物體運動速度遠小于光速的范圍。

經典力學也是有其局限性的。1543年，波蘭的哥白尼發表了《天體運行論》，提出了“日心說”，指出“地心說”是錯誤的，認識到了地球和其它行星都圍繞太陽運動。經典力學以嚴格的數學方法和邏輯體系統一了宇宙間的運動，實現了人類對自然界認識的第一次理論大綜合。經典力學又經歷了17、18、19世紀的進一步完善。在邏輯上和形式上都進一步優美，日臻完善。

眾多的實驗結果表明：不存在以太，光速不受地球運動影響，是一個常量。這使得經典力學的預言失敗，有力地證明了麥克斯韋的電磁學理論?？此瓢偌覡庿Q的學術繁華現象并沒有解決實際的額問題，相對的，反而使得物理學陷入了混亂之中。眾所周知，狹義相對論與經典力學是極其相似的，兩者均是低速情況下物體運動的適用理論，而在高速（特別是接近光速）的情況下，經典力學的不足之處也就體現出來了，他就不再適用，取而代之的是狹義相對論；第二是光速不變原理。在任意一個慣性系中，光速都為c，這就引出了關于同時性的相對性。由于光速是有限的，光從A地傳播到B地需要一定時間，因此，在一個參考系中是同時發生的兩件事件，在另一個參考系看來就不再是同時的了。每個參考系都有自己的時間，這一觀點改變了千百年來人們頭腦中的時間觀念。相對論與經典力學是存在區別與聯系的。具體的可以這樣總結來看：經典力學是狹義相對論在低速（v

縱觀人類科學發展史，任何一種理論，只要它能符合嚴密的邏輯，并且能合理地解釋已發現的實驗現象，還能夠成功地預言尚未發現的現象并最終被實驗所證實。那么，這個理論就不可能是完全錯誤的。但是它也絕不可能是完美的。因為它永遠只是自然界的客觀規律在某些特定條件、特定適用范圍內的近似形式。也正因此，自然界是可以被認識的，但認識是永無止境的。

由此可見，相對論對于經典物理學的影響并不是但看一方面就能下結論的，相對論對于經典物理學的利弊，筆者看來，兩者都是科學發展的產物，二者相輔相成，對于人類科學發展都是不可或缺的。