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物理学

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科学,物理学,量子力学张永德西方近代科学科学中的物理学物理学中的量子力学前言
科研教学之余,偶或自问并思索:现在的众多自然和工程学科,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特征是怎样的它为什么只发源于西方而未能发源于中国它有局限性吗从近代科学问题上将眼光收拢,转向物理学,关于它也可以提出许多傻问题.将眼光再收拢,聚焦在量子力学上,同样也可以发问不少傻问题.思索之后,再返回去,就可以用更高,更广泛的视角再一次来凝视一番我们为之呕心沥血的量子力学.这样就能更清楚地看到它们的本质,相互间的关联、将来可能发展的趋向.所谈的个人思索结果,当然说不上是什么结论.事实上,其中就可能有片面的,甚至是错误的东西.作为不成熟的一得之见提出来,是为了交流参考、活跃思想.
(一)西方近代科学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洽的.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.
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.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,
脑科学家感兴趣的是:两者之间的关联、对应和统一.III)近代科学发源于西方(1)西方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.
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.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在此处.4)科学只能解决物质文明问题,并不能够解决道德文明问题.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,科学与宗教本应并行不悖:
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.
近代科学的局限性(续3)
:佛教有救世之仁、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: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.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,俄各国文字中、这两个词都是分开的!吴大猷先生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.
(二)科学中的物理学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:物理学是西方逻辑实证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七页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,计算机科学对遗传基因,DNA双螺旋结构,经典通讯量子通讯.)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.
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.
(三)物理学中的量子力学I)量子理论的诞生量子论的生日1900年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.PhysikII)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.
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:量子基金会自诞生起至今,它的势头(续2)百年来总共颁发Nobel Prize(其中共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
57 次(直接由量子理论得奖25次)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.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}逻辑门量子逻辑门算法量子算法{Deutsch\DFT\Shor\Grover}{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
例如 Mechanics Helps in Review Letters, Vol. 79, No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: Schr dinger 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)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.假如一个人不为量子论感到困惑,那他就是没有明白量子论.尼尔斯・玻尔我想放心地说,没有谁理解量子力学(I thinkIcan savely say, nobody understands quantum mechanics ).
R.P.费曼,1963测量过程包含着深邃的不可逆性原理.L.朗道, 1956自然界最不可理解的就是,它竟然是可以理解的!It is the strangest that order !道可道,非常道;名可名、非常名.老子《道德经》
路曼曼其修远兮,吾将上下而求索.屈原《离骚》
谢谢!

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