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第1篇：量子力學(xué)對(duì)科技的影響范文

多年以前，高科技最牛的美國(guó)就已不把電子計(jì)算機(jī)列為高科技產(chǎn)品了。

但巨高性能計(jì)算機(jī)仍是信息時(shí)代的高科技標(biāo)志物件之一。2012年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)發(fā)給了法國(guó)人塞爾日·阿羅什和美國(guó)人大衛(wèi)·維恩蘭德，這兩位科學(xué)家的研究成果為新一代超級(jí)量子計(jì)算機(jī)的誕生提供了可能性。

惡搞一下：法國(guó)人浪漫，而簡(jiǎn)稱美國(guó)人為美人，那么，浪漫人美人=？

文藝范兒的信息

不往濫俗里想，那么，答案就是很文藝化的表達(dá)了。其實(shí)，“信息”最初是相當(dāng)文藝范兒的，而不是20世紀(jì)中期才開(kāi)始熱門(mén)起來(lái)的科技詞匯。

一般認(rèn)為，中文的“信息”一詞出自南唐詩(shī)人李中《暮春懷故人》：“夢(mèng)斷美人沉信息，目穿長(zhǎng)路倚樓臺(tái)?！薄?“美眉音信消息全無(wú)啊，夢(mèng)里也夢(mèng)不到你，我獨(dú)自上樓倚欄，望眼欲穿望到長(zhǎng)路盡頭也不見(jiàn)你?！边@么拙劣地意譯，也讓人感覺(jué)到深深的思念。

其實(shí)，在李中之前一百多年，與李商隱齊名的唐朝大詩(shī)人杜牧《寄遠(yuǎn)》里就有“信息”了：“塞外音書(shū)無(wú)信息，道旁車馬起塵埃?！边€有比小杜更早的，唐朝詩(shī)人崔備的《清溪路中寄諸公》：“別來(lái)無(wú)信息，可謂井瓶沉?！?/p>

宋朝的婉約派大詞人柳永、李清照也用過(guò)“信息”這個(gè)詞。因金兵入侵而流離失所的李清照思念當(dāng)年安樂(lè)的故鄉(xiāng)，心理上把信息的價(jià)格定成了真正的天價(jià)：“不乞隋珠與和璧，只乞鄉(xiāng)關(guān)新信息?！薄昵暗奶扑沃袊?guó)，其高科技雖是世界第一，但信息技術(shù)還是跟現(xiàn)在沒(méi)法比的，要靠驛馬、鴻雁甚至人步行來(lái)傳遞信息，速度慢而效率低，信息珍貴啊。

在地球的西方呢？雖然香農(nóng)1948年就劃時(shí)代地把信息引為數(shù)學(xué)研究的對(duì)象，賦予其新的科學(xué)的涵義；至1956年，“人工智能”術(shù)語(yǔ)也出現(xiàn)了?？勺钤缬懻摂?shù)據(jù)、信息、知識(shí)與智慧之間關(guān)系的，卻是得過(guò)諾貝爾文學(xué)獎(jiǎng)的大詩(shī)人艾略特（T. S. Eliot；錢(qián)鐘書(shū)故意譯為“愛(ài)利惡德”）。他在1934年的詩(shī)歌“The Rock”中寫(xiě)道：

Where is the Life we have lost in living？

Where is the wisdom we have lost in knowledge？

Where is the knowledge we have lost in information？

Where is the information we have lost in data？

我們迷失于生活中的生命在哪里？

我們迷失于知識(shí)中的智慧在哪里？

我們迷失于信息中的知識(shí)在哪里？

我們迷失于數(shù)據(jù)中的信息在哪里？

盡管第四句是好事者后加的，但詩(shī)人還是直指本質(zhì)地提出了信息暴炸時(shí)代最困擾人的難題：如何不讓我們的生命和智慧都迷失在數(shù)據(jù)中？

量子計(jì)算機(jī)和量子信息技術(shù)，提供了一種讓生命和智慧不要淹沒(méi)在數(shù)據(jù)的海洋中的途徑、工具和可能。

量子與量子計(jì)算機(jī)

量子理論是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大基石之一，為從微觀理解宏觀提供了理論基礎(chǔ)?？陀^世界有物質(zhì)、能量?jī)煞N存在形式，物質(zhì)和能量可以互相轉(zhuǎn)換（見(jiàn)愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程），量子理論就是從研究極度微觀領(lǐng)域物質(zhì)的能量入手而建立起來(lái)的。

我們知道，微觀世界中有許多不同于宏觀世界的現(xiàn)象和規(guī)則。經(jīng)典物理學(xué)理論中的能量是連續(xù)變化的，可取任意值，但科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)微觀世界中的很多物理現(xiàn)象無(wú)法解釋。1900年12月14日，普朗克在解釋“黑體輻射”時(shí)提出：像原子是一切物質(zhì)的構(gòu)成單元一樣，“能量子（量子）”是能量的最小單元，原子吸收或發(fā)射能量是一份一份地進(jìn)行的。這是量子物理理論的誕生。

1905年，愛(ài)因斯坦把量子概念引進(jìn)光的傳播過(guò)程，提出“光量子（光子）”的概念，并提出光的“波粒二象性”。1920年代，德布羅意提出“物質(zhì)波”概念，即一切物質(zhì)粒子均有波粒二象性，海森堡等建立了量子矩陣力學(xué)，薛定諤建立了量子波動(dòng)力學(xué)，量子理論進(jìn)入了量子力學(xué)階段。1928年，狄拉克完成了矩陣力學(xué)和波動(dòng)力學(xué)之間的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換，對(duì)量子力學(xué)理論進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)，成功地將相對(duì)論和量子力學(xué)兩大理論體系結(jié)合起來(lái)，使量子理論進(jìn)入量子場(chǎng)論階段。

“量子”詞源拉丁語(yǔ)quantum，意為“某數(shù)量的某事物”?，F(xiàn)代物理學(xué)中，某些物理量的變化是以最小的單位跳躍式進(jìn)行的，而不是連續(xù)的，這個(gè)最小的基本單位叫做量子；或者說(shuō)，一個(gè)物理量如果有不可連續(xù)分割的最小的基本單位，則這個(gè)物理量（所有的有形性質(zhì)）是“可量子化的”，或者說(shuō)其物理量的數(shù)值會(huì)是特定的數(shù)值而非任意值。例如，在（休息狀態(tài)）的原子中，電子的能量是可量子化的，這能決定原子的穩(wěn)定和一般問(wèn)題。

雖然量子理論與我們?nèi)粘＝?jīng)驗(yàn)感覺(jué)的世界大不一樣，但量子力學(xué)已經(jīng)在真實(shí)世界應(yīng)用。激光器工作的原理，實(shí)際上就是激發(fā)一個(gè)特定量子散發(fā)能量?，F(xiàn)代社會(huì)要處理大量數(shù)據(jù)和信息，需要計(jì)算的機(jī)器（計(jì)算機(jī)）。量子力學(xué)的突破，使瓦格納等于1930年發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體同時(shí)有導(dǎo)體和絕緣體的性質(zhì)，后來(lái)才有了用于電子計(jì)算機(jī)的同時(shí)作為電子信號(hào)放大器和轉(zhuǎn)換器的晶體管，再有了集成電路芯片，今天的一個(gè)尖端芯片可集聚數(shù)十億個(gè)微處理器。

隨著計(jì)算機(jī)科技的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)能耗導(dǎo)致發(fā)熱而影響芯片集成度，限制了計(jì)算速度；能耗源于計(jì)算過(guò)程中的不可逆操作，但計(jì)算機(jī)都可找到對(duì)應(yīng)的可逆計(jì)算機(jī)且不影響運(yùn)算能力。既然都能改為可逆操作，在量子力學(xué)中則可用一個(gè)幺正變換來(lái)表示。1969年，威斯納提出“基于量子力學(xué)的計(jì)算設(shè)備”，豪勒夫等于1970年代論述了“基于量子力學(xué)的信息處理”。1980年代量子計(jì)算機(jī)的理論變得很熱鬧。費(fèi)曼發(fā)現(xiàn)模擬量子現(xiàn)象時(shí)，數(shù)據(jù)量大至無(wú)法用電子計(jì)算機(jī)計(jì)算，在1982年提出用量子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通用計(jì)算以減少運(yùn)算時(shí)間；杜斯于1985年提出量子圖靈機(jī)模型。1994年，數(shù)學(xué)家彼得·秀爾提出量子質(zhì)因子分解算法，因其可破解現(xiàn)行銀行和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的加密，許多人開(kāi)始研究實(shí)際的量子計(jì)算機(jī)。

在物理上，傳統(tǒng)的電子計(jì)算機(jī)可以被描述為對(duì)輸入信號(hào)串行按一定算法進(jìn)行變換的機(jī)器，其算法由機(jī)器內(nèi)部半導(dǎo)體集成邏輯電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，其輸入態(tài)和輸出態(tài)都是傳統(tǒng)信號(hào)（輸入態(tài)和輸出態(tài)都是某一力學(xué)量的本征態(tài)），存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的每個(gè)單元（比特bit）要么是“0”要么是“1”，即在某一時(shí)間僅能存儲(chǔ)4個(gè)二進(jìn)制數(shù)（00、01、10、11）中的一個(gè)。而量子計(jì)算機(jī)靠控制原子或小分子的狀態(tài)，用量子算法運(yùn)算數(shù)據(jù)，輸入態(tài)和輸出態(tài)為一般的疊加態(tài)，其相互之間通常不正交，其中的變換為所有可能的幺正變換；因?yàn)榱孔討B(tài)有疊加性（重疊）和相干性（牽連、糾纏）兩個(gè)本質(zhì)特性，量子比特（量子位qubit）可是“0”或“1”或兩個(gè)“0”或兩個(gè)“1”，即可同時(shí)存儲(chǔ)4個(gè)二進(jìn)制數(shù)（00、01、10、11），實(shí)現(xiàn)量子并行計(jì)算（量子計(jì)算機(jī)對(duì)每一個(gè)疊加分量實(shí)現(xiàn)的變換相當(dāng)于一種傳統(tǒng)計(jì)算，所有傳統(tǒng)計(jì)算同時(shí)完成，并按一定的概率振幅疊加，給出量子計(jì)算機(jī)的輸出結(jié)果），從而呈指數(shù)級(jí)地提高了運(yùn)算能力——一臺(tái)未來(lái)的量子計(jì)算機(jī)3分鐘就能搞定當(dāng)今世界上所有電子計(jì)算機(jī)合起來(lái)100萬(wàn)年才能處理完的數(shù)據(jù)。用量子力學(xué)語(yǔ)言說(shuō)，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)是沒(méi)有用到量子力學(xué)中重疊和牽連特性的一種特殊的量子計(jì)算機(jī)。從理論上講，一個(gè)250量子比特（由250個(gè)原子構(gòu)成）的存儲(chǔ)器，可能存儲(chǔ)2的250次方個(gè)二進(jìn)制數(shù)，比人類已知宇宙中的全部原子數(shù)還多。而且，集成芯片制造業(yè)很快將步入16納米的工藝，而量子效應(yīng)將嚴(yán)重影響芯片的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，又因傳統(tǒng)技術(shù)的物理局限性，硅芯片已到盡頭，突破的希望在于量子計(jì)算。

量子世界的死貓活貓與粒子控制

喜好科技的文藝青年可能看過(guò)美劇《生活大爆炸》，其中有那只著名的“薛定諤貓”：一只被關(guān)在黑箱里的貓，箱里有毒藥瓶，瓶上有錘子，錘子由電子開(kāi)關(guān)控制，電子開(kāi)關(guān)由一個(gè)獨(dú)立的放射性原子控制；若原子核衰變放出粒子觸動(dòng)開(kāi)關(guān)，錘落砸瓶放毒，則貓死。薛定諤構(gòu)想的這個(gè)實(shí)驗(yàn)，被引為解釋量子世界的經(jīng)典。而量子理論認(rèn)為，單個(gè)原子的狀態(tài)其實(shí)不是非此即彼，或說(shuō)箱里的原子既衰變又沒(méi)有衰變，表現(xiàn)為一種概率；對(duì)應(yīng)到貓，則是既死又活。若我們不揭開(kāi)蓋子觀察，永遠(yuǎn)也不知道貓的死活，它永遠(yuǎn)處于非死非活的疊加態(tài)。

宏觀態(tài)的確定性，其實(shí)是億萬(wàn)微觀粒子、無(wú)數(shù)種概率的宏觀統(tǒng)計(jì)結(jié)果。微觀粒子通常表現(xiàn)為兩種截然不同的狀態(tài)糾纏一起，一旦用宏觀方法觀察這種量子態(tài)，只要稍一揭開(kāi)箱蓋，疊加態(tài)立即就塌縮了（擾破壞掉），薛定諤貓就突然由量子的又死又活疊加態(tài)變成宏觀的確定態(tài)。用實(shí)驗(yàn)研究量子，首先要捕獲單個(gè)的量子。即若不分離出單個(gè)粒子，則粒子神秘的量子性質(zhì)便會(huì)消失?？茖W(xué)家們長(zhǎng)期以來(lái)頭疼的是，未找到既不破壞量子態(tài)，又能實(shí)際觀測(cè)它的實(shí)驗(yàn)方法，他們只能在頭腦中進(jìn)行思想實(shí)驗(yàn)，而無(wú)法實(shí)際驗(yàn)證其預(yù)言。

而阿羅什和維恩蘭德的研究，發(fā)明了在保持個(gè)體粒子的量子力學(xué)屬性的情況下對(duì)其進(jìn)行觀測(cè)和操控的方法，則可實(shí)證地說(shuō)出薛定諤貓究竟是死貓還是活貓，而且為研制超級(jí)量子計(jì)算機(jī)帶來(lái)了更大可能，因?yàn)榱孔佑?jì)算機(jī)中最基礎(chǔ)的部分——得到1個(gè)量子比特已獲成功。

光子和原子是量子世界中的兩種基本粒子，光子形成可見(jiàn)光或其他電磁波，原子構(gòu)成物質(zhì)。他們研究光與物質(zhì)間的基本相互作用，方法大同小異：維因蘭德利用光或光子來(lái)捕捉、控制以及測(cè)量帶電原子或者離子。他平行放置兩面極精巧的鏡子，鏡間是真空空腔，溫度接近絕對(duì)零度（約-273℃）。一個(gè)光子進(jìn)入空腔后，在兩鏡面間不斷反射。阿羅什則通過(guò)發(fā)射原子穿過(guò)阱，控制并測(cè)量了捕獲的光子或粒子。他用一系列電極營(yíng)造出一個(gè)電場(chǎng)囚籠，粒子像是被裝進(jìn)碗里的玻璃球；然后用激光冷卻粒子，最終有一個(gè)最冷的粒子停在了碗底。阿羅什在捕獲單個(gè)光子后，引入了特殊的里德伯原子，作為觀測(cè)工具，從而得到光子的數(shù)據(jù)。維因蘭德向碗中發(fā)射激光，通過(guò)觀測(cè)光譜線而得到碗底粒子的數(shù)據(jù)。

2007年以來(lái)，加拿大、美國(guó)、德國(guó)和中國(guó)的科學(xué)家都說(shuō)自己研制出了某種級(jí)別的量子計(jì)算機(jī)，但到今天卻仍無(wú)一個(gè)投入實(shí)用。光鐘更接近現(xiàn)實(shí)，因?yàn)榭刹倏貑蝹€(gè)量子，就能按意愿調(diào)控量子的振蕩（相當(dāng)于鐘擺）頻率，越高越精；目前實(shí)驗(yàn)的光鐘，若從宇宙產(chǎn)生起開(kāi)始計(jì)時(shí)，至今只誤差5秒。光鐘可使衛(wèi)星定位和計(jì)算太空船的位置更精確……

神話般的量子信息技術(shù)

科幻作家克萊頓（著有《侏羅紀(jì)公園》、《失去的世界》等）在科幻小說(shuō)《時(shí)間線》中，曾文藝化地描述量子計(jì)算，用了“量子多宇宙”、“量子泡沫蟲(chóng)洞”、“量子運(yùn)輸”、“量子糾纏態(tài)”、“電子的32個(gè)量子態(tài)”等讓常人倍感高深的說(shuō)法。其中一些如今正在證實(shí)或變現(xiàn)。

如果清朝政府的通信密碼不被日本破譯，那么李鴻章后去日本談判時(shí)就很可能是另外一種結(jié)局，今天也不會(huì)有的問(wèn)題了。目前世界的密碼系統(tǒng)大都采用單項(xiàng)數(shù)學(xué)函數(shù)的方式，應(yīng)用了因數(shù)分解等數(shù)學(xué)原理，例如目前網(wǎng)絡(luò)上常用的密碼算法。秀爾提出的量子算法利用量子計(jì)算的并行性，能輕松破解以大數(shù)因式分解算法為根基的密碼體系。量子算法中，量子搜尋算法等也能分分鐘攻破現(xiàn)有密碼體系。可說(shuō)量子這種技術(shù)在現(xiàn)代軍事上的意義不亞于核彈。但同時(shí)，量子信息技術(shù)也將發(fā)展出一種理論上永遠(yuǎn)無(wú)法破譯的密碼——量子密碼。

保密通信分為加密、接收、解密三個(gè)過(guò)程，密鑰的保密和不被破解至為關(guān)鍵。量子密碼采用量子態(tài)作為密鑰，是不可復(fù)制的，至少在理論上是無(wú)破譯的可能。量子通信是用量子態(tài)的微觀粒子攜帶的量子信息作為加密和解密用的密鑰，其密鑰安全性不再由數(shù)學(xué)計(jì)算，而是由微觀粒子所遵循的物理規(guī)律來(lái)保證，竊密者只有突破物理法則才有可能盜取密鑰（根據(jù)海森堡的測(cè)不準(zhǔn)原理，任何測(cè)量都無(wú)法窮盡量子的所有信息）。而且量子通信中，量子糾纏態(tài)（有共同來(lái)源的兩個(gè)粒子存在著糾纏關(guān)系，似有“心靈感應(yīng)”，無(wú)論距離多遠(yuǎn)，一個(gè)粒子的狀態(tài)發(fā)生變化，另一個(gè)粒子也發(fā)生變化，速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)光速，一旦受擾即不再糾纏。愛(ài)因斯坦稱這種發(fā)生機(jī)理至今未解的量子糾纏為“幽靈般的超距作用”）被用于傳輸和保證信息安全，使任何竊密行為都會(huì)擾亂傳送密鑰的量子狀態(tài)，從而留下痕跡。

第2篇：量子力學(xué)對(duì)科技的影響范文

關(guān)鍵詞 量子物理；現(xiàn)代信息技術(shù)；關(guān)系；原理應(yīng)用

中圖分類號(hào)：O41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2013）15-0001-02

量子物理是人們認(rèn)識(shí)微觀世界結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué)，它的建立帶來(lái)了一系列重大的技術(shù)應(yīng)用，使社會(huì)生產(chǎn)和生活發(fā)生了巨大的變革。量子世界的奇妙特性在提高運(yùn)算速度、確保信息安全、增大信息容量等方面發(fā)揮重要的作用，基于量子物理基本原理的量子信息技術(shù)已成為當(dāng)前各國(guó)研究與發(fā)展的重要科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。

隨著世界電子信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，以微電子技術(shù)為基礎(chǔ)的信息技術(shù)即將達(dá)到物理極限，同時(shí)信息安全、隱私問(wèn)題等越來(lái)越突出。2013年5月美國(guó)“棱鏡門(mén)”事件的爆發(fā)，引發(fā)了對(duì)保護(hù)信息安全的高度重視，將成為推動(dòng)量子物理科學(xué)與現(xiàn)代信息技術(shù)的交融和相互促進(jìn)發(fā)展的契機(jī)。因此，充分認(rèn)識(shí)量子物理學(xué)的基本原理在現(xiàn)代信息技術(shù)中發(fā)展的基礎(chǔ)地位與作用，是促進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展的前提，也是豐富和發(fā)展量子物理學(xué)的需要。

1 量子物理基本原理

1）海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理。在量子力學(xué)中，任何兩組不可同時(shí)測(cè)量的物理量是共扼的，滿足互補(bǔ)性。在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，對(duì)其中一組量的精確測(cè)量必然導(dǎo)致另一組量的完全不確定，只能精確測(cè)定兩者之一。

2）量子不可克隆定理。在量子力學(xué)中，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)各未知量子態(tài)的精確復(fù)制，因?yàn)橐獜?fù)制單個(gè)量子就只能先作測(cè)量，而測(cè)量必然改變量子的狀態(tài)，無(wú)法獲得與初始量子態(tài)完全相同的復(fù)制態(tài)。

3）態(tài)疊加原理。若量子力學(xué)系統(tǒng)可能處于和描述的態(tài)中，那么態(tài)中的線性疊加態(tài)也是系統(tǒng)的一個(gè)可能態(tài)。如果一個(gè)量子事件能夠用兩個(gè)或更多可分離的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，那么系統(tǒng)的態(tài)就是每一可能方式的同時(shí)迭加。

4）量子糾纏原理。是指微觀世界里，有共同來(lái)源的兩個(gè)微觀粒子之間存在著糾纏關(guān)系，不管它們距離多遠(yuǎn)，只要一個(gè)粒子狀態(tài)發(fā)生變化，另一個(gè)粒子狀態(tài)隨即發(fā)生相應(yīng)變化。換言之，存在糾纏關(guān)系的粒子無(wú)論何時(shí)何地，都能“感應(yīng)”對(duì)方狀態(tài)的變化。

2 量子物理與現(xiàn)代信息技術(shù)的關(guān)系

2.1 量子物理是現(xiàn)代信息技術(shù)的基礎(chǔ)與先導(dǎo)

物理學(xué)一直是整個(gè)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中的帶頭學(xué)科并成為整個(gè)自然科學(xué)的基礎(chǔ)，成為推動(dòng)整個(gè)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的最主要的動(dòng)力和源泉。量子力學(xué)是20世紀(jì)初期為了解決物理上的一些疑難問(wèn)題而建立起來(lái)的一種理論，它不僅解釋了微觀世界里的許多現(xiàn)象、經(jīng)驗(yàn)事實(shí)，而且還開(kāi)拓了一系列新的技術(shù)領(lǐng)域，直接導(dǎo)致了原子能、半導(dǎo)體、超導(dǎo)、激光、計(jì)算機(jī)、光通訊等一系列高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)生和發(fā)展?？梢哉f(shuō)，從電話的發(fā)明到互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)通信，從晶體管的發(fā)明到高速計(jì)算機(jī)技術(shù)的成熟，量子物理開(kāi)辟了一種全新的信息技術(shù)，使人類進(jìn)人信息化的新時(shí)代，因此，量子物理學(xué)是現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展的主要源泉，而且隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，量子物理學(xué)的先導(dǎo)和基礎(chǔ)作用將更加顯著和重要。

2.2 量子物理為現(xiàn)代信息技術(shù)的持續(xù)發(fā)展提供新的原理和方法

現(xiàn)代信息技術(shù)本質(zhì)上是應(yīng)用了量子力學(xué)基本原理的經(jīng)典調(diào)控技術(shù)，隨著世界科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，以經(jīng)典物理學(xué)為基礎(chǔ)的信息技術(shù)即將達(dá)到物理極限。因此，現(xiàn)代信息技術(shù)的突破，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展必須借助于新的原理和新的方法。量子力學(xué)作為原子層次的動(dòng)力學(xué)理論，經(jīng)過(guò)飛速發(fā)展，已向其他自然科學(xué)的各學(xué)科領(lǐng)域以及高新技術(shù)全面地延伸，量子信息技術(shù)就是量子物理學(xué)與信息科學(xué)相結(jié)合產(chǎn)生的新興學(xué)科，它為信息科學(xué)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展提供了新的原理和方法，使信息技術(shù)獲得了活力與新特性，量子信息技術(shù)也成為當(dāng)今世界各國(guó)研究發(fā)展的熱點(diǎn)領(lǐng)域。因此，未來(lái)的信息技術(shù)將是應(yīng)用到諸如量子態(tài)、相位、強(qiáng)關(guān)聯(lián)等深層次量子特性的量子調(diào)控技術(shù)，充分利用量子物理的新性質(zhì)開(kāi)發(fā)新的信息功能，突破現(xiàn)代信息技術(shù)的物理極限。

2.3 現(xiàn)代信息技術(shù)對(duì)量子物理學(xué)發(fā)展的影響

量子信息技術(shù)應(yīng)用量子力學(xué)原理和方法來(lái)研究信息科學(xué)，從而開(kāi)發(fā)出現(xiàn)經(jīng)典信息無(wú)法做到的新信息功能，反過(guò)來(lái)，現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展大大地豐富了量子物理學(xué)的研究?jī)?nèi)容，也將不斷地影響量子物理學(xué)的研究方法，有力地將量子理論推向更深層次的發(fā)展階段，使人類對(duì)自然界的認(rèn)識(shí)更深刻、更本質(zhì)。近年來(lái)，隨著量子信息技術(shù)領(lǐng)域研究的不斷深入，量子信息技術(shù)的發(fā)展也使量子物理學(xué)研究取得了不少成果，如量子關(guān)聯(lián)、基于熵的不確定關(guān)系、量子開(kāi)放系統(tǒng)環(huán)境的控制等問(wèn)題研究取得了巨大進(jìn)展。

3 基于量子物理學(xué)原理的量子信息技術(shù)

基于量子物理原理和方法的量子信息技術(shù)成為21世紀(jì)信息技術(shù)發(fā)展的方向，也是引領(lǐng)未來(lái)科技發(fā)展的重要領(lǐng)域。當(dāng)前量子物理學(xué)的基本原理已經(jīng)在量子密碼術(shù)、量子通信、量子計(jì)算機(jī)等方面得到充分的理論論證和一定的實(shí)踐應(yīng)用。

3.1 量子計(jì)算機(jī)——量子疊加原理

經(jīng)典計(jì)算機(jī)建立在經(jīng)典物理學(xué)基礎(chǔ)上，遵循普通物理學(xué)電學(xué)原理的邏輯計(jì)算方式，即用電位高低表示0和1以進(jìn)行運(yùn)算，因此，經(jīng)典計(jì)算機(jī)只能靠以縮小芯片布線間距，加大其單位面積上的數(shù)據(jù)處理量來(lái)提高運(yùn)算速度。而量子計(jì)算遵循量子力學(xué)規(guī)律進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算、存儲(chǔ)及處理量子信息。計(jì)算方式是建立在微觀量子物理學(xué)關(guān)于量子具有波粒兩重性和雙位雙旋特性的基礎(chǔ)上，量子算法的中心思想是利用量子態(tài)的疊加態(tài)與糾纏態(tài)。在量子效應(yīng)的作用下，量子比特可以同時(shí)處于0和1兩種相反的狀態(tài)（量子疊加），這使量子計(jì)算機(jī)可以同時(shí)進(jìn)行大量運(yùn)算，因此，量子計(jì)算的并行處理，使量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了最快的計(jì)算速度。未來(lái)，基于量子物理原理的量子計(jì)算機(jī)，不僅運(yùn)算速度快，存儲(chǔ)量大、功耗低，而且體積會(huì)大大縮小。

3.2 量子通信——量子糾纏原理

量子通信是一種利用量子糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息傳遞的新型通信方式。量子通信主要涉及：量子密碼通信、量子遠(yuǎn)程傳態(tài)和量子密集編碼等。從信息學(xué)上理解，量子通信是利用量子力學(xué)的量子態(tài)隱形傳輸或者其他基本原理，以量子系統(tǒng)特有屬性及量子測(cè)量方法，完成兩地之間的信息傳遞；從物理學(xué)上講，量子通信是采用量子通道來(lái)傳送量子信息，利用量子效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的高性能通信方式，突破現(xiàn)代通信物理極限。量子力學(xué)中的糾纏性與非定域性可以保障量子通信中的絕對(duì)安全的量子通信，保證量子信息的隱形傳態(tài)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離信息轉(zhuǎn)輸。所以，與現(xiàn)代通信技術(shù)相比，量子通信具有巨大的優(yōu)越性，具有保密性強(qiáng)、大容量、遠(yuǎn)距離傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，量子通信創(chuàng)建了新的通信原理和方法。

3.3 量子密碼——不可克隆定理

經(jīng)典密碼是以數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，通過(guò)經(jīng)典信號(hào)實(shí)現(xiàn)，在密鑰傳送過(guò)程中有可能被竊聽(tīng)且不被覺(jué)察，故經(jīng)典密碼的密鑰不安全。量子密碼是一種以現(xiàn)代密碼學(xué)和量子力學(xué)為基礎(chǔ)，利用量子物理學(xué)方法實(shí)現(xiàn)密碼思想和操作的新型密碼體制，通過(guò)量子信號(hào)實(shí)現(xiàn)。量子密碼主要基于量子物理中的測(cè)不準(zhǔn)原理、量子不可克隆定理等，通信雙方在進(jìn)行保密通信之前，首先使用量子光源，依照量子密鑰分配協(xié)議在通信雙方之間建立對(duì)稱密鑰，再使用建立起來(lái)的密鑰對(duì)明文進(jìn)行加密，通過(guò)公開(kāi)的量子信道，完成安全密鑰分發(fā)。因此量子密碼技術(shù)能夠保證：

1）絕對(duì)的安全性。對(duì)輸運(yùn)光子線路的竊聽(tīng)會(huì)破壞原通訊線路之間的相互關(guān)系，通訊會(huì)被中斷，且合法的通信雙方可覺(jué)察潛在的竊聽(tīng)者并采取相應(yīng)的措施。

2）不可檢測(cè)性。無(wú)論破譯者有多么強(qiáng)大的計(jì)算能力，都會(huì)在對(duì)量子的測(cè)量過(guò)程中改變量子的狀態(tài)而使得破譯者只能得到一些毫無(wú)意義的數(shù)據(jù)。因此，量子不可克隆定理既是量子密碼安全性的依靠，也給量子信息的提取設(shè)置了不可逾越的界限，即無(wú)條件安全性和對(duì)竊聽(tīng)者的可檢測(cè)性成為量子密碼的兩個(gè)基本特征。

4 結(jié)論

量子物理是現(xiàn)代信息技術(shù)誕生的基礎(chǔ)，是現(xiàn)代信息技術(shù)突破物理極限，實(shí)現(xiàn)持續(xù)發(fā)展的動(dòng)力與源泉?；诹孔游锢韺W(xué)的原理、特性，如量子疊加原理、量子糾纏原理、海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理和不可克隆定理等，使得量子計(jì)算機(jī)具有巨大的并行計(jì)算能力，提供功能更強(qiáng)的新型運(yùn)算模式；量子通信可以突破現(xiàn)代信息技術(shù)的物理極限，開(kāi)拓出新的信息功能；量子密碼絕對(duì)的安全性和不可檢測(cè)性，實(shí)現(xiàn)了絕對(duì)的保密通信。隨著量子物理學(xué)理論在信息技術(shù)中的深入應(yīng)用，量子信息技術(shù)將開(kāi)拓出后莫爾時(shí)代的新一代的信息技術(shù)。

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第3篇：量子力學(xué)對(duì)科技的影響范文

【關(guān)鍵詞】 量子通信技術(shù) 發(fā)展現(xiàn)狀 趨勢(shì) 研究

近年來(lái)量子通信在各類學(xué)術(shù)會(huì)議或期刊中頻頻出現(xiàn)，作為一個(gè)古老而又新鮮的話題，電視等各種媒體中經(jīng)常出現(xiàn)各種關(guān)于量子通信技術(shù)重大突破的報(bào)道。在國(guó)家技術(shù)規(guī)劃中，“量子調(diào)控研究”被列為重大基礎(chǔ)科學(xué)研究計(jì)劃之一，在20-30年后預(yù)計(jì)量子技術(shù)將會(huì)給人類社會(huì)帶來(lái)巨大影響。量子通信技術(shù)的重要性，要求我們必須予以其關(guān)注。首先，我們應(yīng)該對(duì)量子通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀有一定了解。

一、量子通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

在量子通信的概念上，不同的角度對(duì)其有不同的表述?？傮w來(lái)說(shuō)，量子通信是一種新型的通信方式，是量子力學(xué)和通信科學(xué)的綜合產(chǎn)物，它通過(guò)對(duì)量子糾纏效應(yīng)的利用來(lái)傳遞信息。量子通信的基本思想主要包括兩部分，一為量子密鑰分發(fā)，二為量子態(tài)隱形傳輸。通過(guò)量子密鑰分發(fā)可以對(duì)安全的通信密碼加以建立，在一次一次的加密方式下，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式的安全經(jīng)典通信便得以實(shí)現(xiàn)，且這種安全性已經(jīng)被數(shù)學(xué)嚴(yán)格證明，是迄今為止經(jīng)典通信仍然做不到的。百公里量級(jí)的量子密鑰分發(fā)，目前的量子密鑰分發(fā)技術(shù)能夠輕松完成的，在光開(kāi)關(guān)等技術(shù)輔佐下量子密鑰分發(fā)技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)。量子態(tài)隱形傳輸是一種物理載體，能促使量子態(tài)（量子信息） 的空間轉(zhuǎn)移的同時(shí)又不移動(dòng)量子態(tài)的實(shí)現(xiàn)，類似于將從一個(gè)信封內(nèi)將密封信件內(nèi)容轉(zhuǎn)移到另一個(gè)信封內(nèi)且信息載體自身并不會(huì)被移動(dòng)，這種經(jīng)典通信中無(wú)法想象的事是基于量子糾纏態(tài)的分發(fā)與量子聯(lián)合測(cè)量完成的。量子中繼器這種以量子態(tài)隱形傳輸技術(shù)和量子存儲(chǔ)技術(shù)為基礎(chǔ)的技術(shù)可以促使任意遠(yuǎn)距離量子密鑰分發(fā)及網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)。

量子力學(xué)誕生于1926年，是人類對(duì)微觀世界加以認(rèn)識(shí)的理論基礎(chǔ)之一。量子力學(xué)和相對(duì)論之間的不相容性在1935年被愛(ài)因斯坦、波多爾基斯和羅森論證后，約翰?貝爾于1964年提出貝爾理論，，阿斯派克等人于1982年證明了超光速響應(yīng)的存在。1989年第一次演示成功量子密鑰傳輸，1997年量子態(tài)隱形傳輸?shù)脑硇詫?shí)驗(yàn)驗(yàn)證由奧地利蔡林格小組在室內(nèi)首次完成，2004年，該小組又將量子態(tài)隱形傳輸距離成功提高到600米。2007年開(kāi)始我國(guó)架設(shè)了長(zhǎng)達(dá)16 公里的自由空間量子信道，于2009年成功實(shí)現(xiàn)世界上量子隱形傳態(tài)的最遠(yuǎn)距離。

二、量子通信技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

量子通信技術(shù)的研究方向除了包括量子隱形傳態(tài)還包括量子安全直接通信等，突破了現(xiàn)有信息技術(shù)，引起了學(xué)術(shù)界和社會(huì)的高度重視。與傳統(tǒng)通信技術(shù)相比，量子通信除具有超強(qiáng)抗干擾能力外且不需對(duì)傳統(tǒng)信道進(jìn)行借助；與此同時(shí)量子通信的密碼被破譯的可能性幾乎沒(méi)有，具有較強(qiáng)的保密性；另外，量子通信幾乎不存在線路時(shí)延，傳輸速度很快。量子通信發(fā)展僅僅經(jīng)歷了20年左右，但其發(fā)展卻十分迅猛，目前已經(jīng)被很多國(guó)家和軍方給予高度關(guān)注。

量子通信在國(guó)防和軍事上具有廣闊的應(yīng)用前景，作為量子技術(shù)的最大特征，量子技術(shù)的安全性是傳統(tǒng)加密通信所無(wú)可企及的。量子通信技術(shù)的超強(qiáng)保密性，能夠有效保證己方軍事密件和軍事行動(dòng)不被敵方破譯及偵析，在國(guó)防和軍事領(lǐng)域顯示出無(wú)與倫比的魅力。另一方面，在破解復(fù)雜的加密算法上，也許現(xiàn)有計(jì)算機(jī)可能需要好幾萬(wàn)年的時(shí)間，在現(xiàn)實(shí)中是完全無(wú)法接受且?guī)缀鯖](méi)有實(shí)用價(jià)值的。但量子計(jì)算機(jī)卻能在幾分鐘內(nèi)將加密算法破解，如果未來(lái)這種技術(shù)被投入實(shí)用，傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)密碼體制將處于危險(xiǎn)之中，而量子通信技術(shù)則能能夠抵御這種破解和威脅。此外，在民間通信領(lǐng)域量子通信技術(shù)的應(yīng)用前景也同樣廣闊。中國(guó)科技大學(xué)在2009年對(duì)界上首個(gè)5 節(jié)點(diǎn)的全通型量子通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組建后，使得實(shí)時(shí)語(yǔ)音量子保密通信被首次實(shí)現(xiàn)，城市范圍的安全量子通信網(wǎng)絡(luò)在這種“城域量子通信網(wǎng)絡(luò)”基礎(chǔ)上成為了現(xiàn)實(shí)。

各國(guó)正是瞅準(zhǔn)了量子通信技術(shù)的無(wú)限應(yīng)用前景，紛紛加大對(duì)量子通信技術(shù)方面的投入力度。在未來(lái)的量子通信技術(shù)還應(yīng)注意一些關(guān)鍵性的問(wèn)題，如單光子源成本的降低、通信傳輸距離的加大以及檢測(cè)概率的增強(qiáng)等，都仍需要進(jìn)一步的研究。

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第4篇：量子力學(xué)對(duì)科技的影響范文

21世紀(jì)，人類已全面進(jìn)入信息時(shí)代，人們生活的方方面面都離不開(kāi)信息的交換，從農(nóng)耕時(shí)代的相互喊話，到古代的飛鴿傳書(shū)，接著產(chǎn)生了電報(bào)、傳真，然后是大哥大，BB機(jī)，現(xiàn)在，世界各地都通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)系起來(lái)，即便想隔千里，也可用手機(jī)通話，發(fā)短信，用QQ、MSN與世界另一端的朋友聊天。

網(wǎng)絡(luò)的速度是非?？斓模娮釉诰€纜中的傳輸速度接近光速，無(wú)線電池也是一種電磁波，能以光速傳播，大洋之中也鋪設(shè)有光纖，使信息跨越數(shù)萬(wàn)公里如轉(zhuǎn)瞬即逝，按照光速30萬(wàn)公里每秒來(lái)計(jì)算，圍繞地球一圈只需0.13秒，因此，即使我們撥打越洋電話，時(shí)間上的延遲可以說(shuō)是忽略不計(jì)的。

隨著人類的腳步邁入太空，一個(gè)難題已擺在人類面前，那就是宇宙空間的巨大，通訊時(shí)間上的延遲已經(jīng)達(dá)到了不可忽略的程度。比如美國(guó)六十年代的阿波羅計(jì)劃，人類登上月球之后，靠電波與地球保持聯(lián)系，由于月球與地球距離38萬(wàn)公里，所以電磁波一去一回便要消耗兩秒多的時(shí)間，指揮中心說(shuō)的話要1秒多那邊才聽(tīng)到，那邊說(shuō)的話也要1秒多這邊才聽(tīng)到，這給信息的實(shí)時(shí)交流造成了不小的麻煩。

如果說(shuō)兩秒鐘的延遲還可以接受，那么更遠(yuǎn)距離的通訊就會(huì)影響巨大，比如2003年美國(guó)發(fā)射到火星的勇氣號(hào)與機(jī)遇號(hào)探測(cè)器，由于火星到地球的距離一直在改變，最近大約為5500萬(wàn)公里，最遠(yuǎn)的有4億多公里，也就是說(shuō)光從地球到火星最少要用3分多鐘，最多要20多分鐘，所以平均下來(lái)，從地球發(fā)向火星的指令需要十幾分鐘的時(shí)間，這就對(duì)探測(cè)器的控制造成了很大的影響，如果要對(duì)一個(gè)錯(cuò)誤指令做出修改，就需要十幾分鐘才能傳到，可能這個(gè)錯(cuò)誤指令已造成許多嚴(yán)重后果，事實(shí)上，機(jī)遇號(hào)和勇氣號(hào)也因此重啟系統(tǒng)多次；勇氣號(hào)更是在09年4月由于錯(cuò)誤指令被困于沙坑中，待指揮中心發(fā)出修正指令已經(jīng)晚了，直到現(xiàn)在，勇氣號(hào)仍沒(méi)有脫困，并且可能永久困在這個(gè)沙坑中了。

如果再將距離放大，擴(kuò)展到太陽(yáng)系外，各種信息在時(shí)間上的延遲已達(dá)到了驚人的程度，目前人類飛行最遠(yuǎn)的航天器是1977年9月發(fā)射的旅行者號(hào)1號(hào)（Voyagor 1）它目前已達(dá)到太陽(yáng)系邊緣，距太陽(yáng)170億公里，大于111個(gè)天文單位，（Astronomical Unit,1天文單位是地球到太陽(yáng)的平均高，約1.496億公里），它發(fā)射的信號(hào)要13小時(shí)才能到達(dá)地球，如果它發(fā)生什么意外，信息傳回地球已是13小時(shí)之后了，這時(shí)再處理，這些事件已無(wú)力回天。

所以，人類如果想要成功的進(jìn)軍太空，走出太陽(yáng)系，我們就必須要解決通訊的時(shí)間延遲這一問(wèn)題，下面，我將介紹一下我自己的一點(diǎn)想法以及對(duì)前人已有設(shè)想做一個(gè)小結(jié)。

一、理論基礎(chǔ)

在介紹我的想法之前，有必要說(shuō)一說(shuō)量子力學(xué)這一理論，量子力學(xué)（Quantum Mechanics）是研究微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的物理學(xué)分支學(xué)科，主要研究各科基本粒子的結(jié)構(gòu)，性質(zhì)。它在20世紀(jì)初由普朗克，玻爾，海森堡，薜定諤等物理學(xué)家共同創(chuàng)立以彌補(bǔ)經(jīng)典物理在描述微觀世界的不足。直到現(xiàn)在量子力學(xué)已與相對(duì)論成為現(xiàn)代物理的兩大基礎(chǔ)理論。

隨著量子力學(xué)的發(fā)展越來(lái)越多關(guān)于微觀世界的奇怪性質(zhì)被人們所了解，它作出了許多對(duì)微觀世界物理現(xiàn)象的預(yù)言，其中大部分都已被證明是確實(shí)存在的，這其中也有許多在常人看來(lái)難以致信的結(jié)論，有海森堡測(cè)不準(zhǔn)（Uncertainty Principle）原理，思想實(shí)驗(yàn)薜定諤的貓等，這些結(jié)論都反映了微觀世界的不確定性和隨機(jī)性。在這其中有一個(gè)最令人驚訝的結(jié)論，也是我的想法的理論基礎(chǔ)，那就是微觀粒子間的量子糾纏（Quantum entanglement），它是由兩個(gè)以上的多個(gè)粒子組成的復(fù)合系統(tǒng)，簡(jiǎn)單的說(shuō)，就是兩個(gè)粒子在特定情況下會(huì)產(chǎn)生某種特殊關(guān)聯(lián)性（correlation），最令人吃驚的是如果影響其中一個(gè)粒子，另一個(gè)粒子就會(huì)同時(shí)發(fā)生一些性質(zhì)的改變，它們是等時(shí)的，沒(méi)有時(shí)間上的延遲，這個(gè)結(jié)論與相對(duì)論的基本設(shè)定一切物質(zhì)能量的速度都不可能超過(guò)光速相違背，因此，愛(ài)因斯坦與當(dāng)時(shí)多位物理學(xué)家聯(lián)合起來(lái)反對(duì)量子力學(xué)。可是事實(shí)勝于雄辯，隨著人類技術(shù)的發(fā)展，1997年，奧地利物理學(xué)家首次實(shí)現(xiàn)了量子糾纏態(tài)的實(shí)驗(yàn)，這一研究不斷取得可喜成果，到了2009年，中國(guó)科大和清華大學(xué)在北京架設(shè)了廠16公里的信息通道，并成功地進(jìn)行了量子通訊實(shí)驗(yàn)。創(chuàng)造了目前量子通訊最遠(yuǎn)距離的世界紀(jì)錄。

二、設(shè)想

雖然各種實(shí)驗(yàn)的成果是可喜的，但是我們還有很多問(wèn)題要解決，比如我們目前進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)都是有線的傳播信息的兩地需要光纖連接，并且目前我們只成功實(shí)現(xiàn)了光子的量子糾纏。

科技總是在不斷進(jìn)步，這些難題終究會(huì)被克服，我們應(yīng)該思考的時(shí)如何應(yīng)用這些成果，又一海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理，我們不可能同時(shí)測(cè)出一個(gè)粒子在某一時(shí)刻的位置和動(dòng)量，因此我們要獲取從另一個(gè)粒子傳過(guò)來(lái)的信息，就有了困難，我的想法是，利用超對(duì)稱粒子來(lái)實(shí)現(xiàn)量子通訊，所謂超對(duì)稱（SuPer symmetry)就是一種基本粒子間的關(guān)系，目前基本粒子可分為兩類，一類叫波色子（Boson），它們的自旋為整數(shù)，如光子為1，一類叫費(fèi)米子（Fermion）,它們的自旋為半整數(shù)，如電子的自旋為1/2，根據(jù)超對(duì)稱理論，每一種波色子都有一種與它對(duì)稱的費(fèi)米子，并且它們之間能夠相互轉(zhuǎn)換，如果我們使一對(duì)超對(duì)稱粒子產(chǎn)生量子糾纏，并將它們固定在磁場(chǎng)中，那么改變一個(gè)粒子的自旋，另一個(gè)粒子的自旋也會(huì)一起改變，這樣就會(huì)方便觀察了。

要實(shí)現(xiàn)量子通訊就必須隨時(shí)測(cè)量一對(duì)粒子的狀態(tài)，這樣做投資就會(huì)很巨大，那么能不能有一種能夠直接讀出信息的方法呢?其實(shí)對(duì)于這一問(wèn)題已經(jīng)有了一些設(shè)想的解決方案?？苹眯≌f(shuō)往往走在技術(shù)的前面，引導(dǎo)著技術(shù)的發(fā)展，在中國(guó)當(dāng)代最具有實(shí)力的科幻作家劉慈欣的作品《三體》中就給出了一種解決方案：

第5篇：量子力學(xué)對(duì)科技的影響范文

關(guān)鍵詞：計(jì)算工具；圖靈模型；量子計(jì)算；哥德?tīng)柌煌陚涠ɡ?；神諭

一、引言與計(jì)算的產(chǎn)生

在人類社會(huì)的早期時(shí)代，加減乘除的概念就被人們所認(rèn)識(shí)到。隨著人類文明的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)求方程的解，求函數(shù)的微分和積分等概念也納入了計(jì)算的范疇。伴隨人類生產(chǎn)活動(dòng)的不斷增加，人們對(duì)計(jì)算的要求也越來(lái)越大，計(jì)算工具也再不斷的改進(jìn)。

二、遠(yuǎn)古的計(jì)算工具

人們開(kāi)始產(chǎn)生計(jì)算之日，便不斷尋求能方便進(jìn)行和加速計(jì)算的工具。因此，計(jì)算和計(jì)算工具是息息相關(guān)的。

早在公元前5世紀(jì)，中國(guó)人已開(kāi)始用算籌作為計(jì)算工具，并在公元前3世紀(jì)得到普遍的采用，一直沿用了二千年。后來(lái)，人們發(fā)明了算盤(pán)，并在15世紀(jì)得到普遍采用，取代了算籌。它是在算籌基礎(chǔ)上發(fā)明的，比算籌更加方便實(shí)用，同時(shí)還把算法口訣化，從而加快了計(jì)算速度。因此源用至今，并流傳到海外，成為一種國(guó)際性的計(jì)算工具。

三、近代計(jì)算系統(tǒng)

近代的科學(xué)發(fā)展促進(jìn)了計(jì)算工具的發(fā)展：在1614年，對(duì)數(shù)被發(fā)明以后，乘除運(yùn)算可以化為加減運(yùn)算，對(duì)數(shù)計(jì)算尺便是依據(jù)這一特點(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì)。1620年，岡特最先利用對(duì)數(shù)計(jì)算尺來(lái)計(jì)算乘除。1850年，曼南在計(jì)算尺上裝上光標(biāo)，因此而受到當(dāng)時(shí)科學(xué)工作者，特別是工程技術(shù)人員所廣泛采用。

機(jī)械式計(jì)算器是與計(jì)算尺同時(shí)出現(xiàn)的，是計(jì)算工具上的一大發(fā)明。帕斯卡于1642年發(fā)明了帕斯卡加法器。在1671年，萊布尼茨發(fā)明了一種能作四則運(yùn)算的手搖計(jì)算器，是長(zhǎng)1米的大盒子。自此以后，經(jīng)過(guò)人們?cè)谶@方面多年的研究，特別是經(jīng)過(guò)托馬斯、奧德內(nèi)爾等人的改良后，出現(xiàn)了多種多樣的手搖計(jì)算器，并風(fēng)行全世界。

四、電動(dòng)計(jì)算機(jī)

英國(guó)的巴貝奇于1834年，設(shè)計(jì)了一部完全程序控制的分析機(jī)，可惜礙于當(dāng)時(shí)的機(jī)械技術(shù)所限制而沒(méi)有制成，但已包含了現(xiàn)代計(jì)算的基本思想和主要的組成部分了。

此后，由于電力技術(shù)有了很大的發(fā)展，電動(dòng)式計(jì)算器便慢慢取代以人工為動(dòng)力的計(jì)算器。1941年，德國(guó)的楚澤采用了繼電器，制成了第一部通用過(guò)程控制計(jì)算器，實(shí)現(xiàn)了100多年前巴貝奇的理想。

五、電子計(jì)算機(jī)

20世紀(jì)初，電子管的出現(xiàn)，使計(jì)算器的改革有了新的發(fā)展，并由于二次大戰(zhàn)的迫切的軍事需要，美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)和有關(guān)單位在1946年制成了第一臺(tái)電子計(jì)算器。

電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和發(fā)展，讓人類進(jìn)入了一個(gè)全新的時(shí)代。它極大影響了經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，并徹底改變了人們的生活。電子計(jì)算機(jī)是二十世紀(jì)最偉大的發(fā)明之一，也當(dāng)之無(wú)愧地被認(rèn)為是迄今為止由科學(xué)和技術(shù)所創(chuàng)造的最具影響力的現(xiàn)代工具。

在電子計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)高速發(fā)展過(guò)程中，因特爾公司的創(chuàng)始人之一戈登·摩爾(Godon Moore) 對(duì)電子計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)所依賴的半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展作出預(yù)言：半導(dǎo)體芯片的集成度將每?jī)赡攴环?。事?shí)證明，自二十世紀(jì)60 年代以后的數(shù)十年內(nèi)，芯片的集成度和電子計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度實(shí)際是每十八個(gè)月就翻一番，而價(jià)格卻隨之降低一倍。這種奇跡般的發(fā)展速率被公認(rèn)為“摩爾定律”。

六、 “摩爾定律”與“計(jì)算的極限”

人類是否可以將電子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度永無(wú)止境地提升? 傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的提高有沒(méi)有極限? 對(duì)此問(wèn)題，學(xué)者們?cè)谶M(jìn)行嚴(yán)密論證后給出了否定的答案。

如果電子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力無(wú)限提高，最終地球上所有的能量將轉(zhuǎn)換為計(jì)算的結(jié)果——造成熵的降低，這種向低熵方向無(wú)限發(fā)展的運(yùn)動(dòng)被哲學(xué)界認(rèn)為是禁止的，因此，傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力必有上限。

而以IBM研究中心朗道(R. Landauer) 為代表的理論科學(xué)家認(rèn)為到二十一世紀(jì)三十年代，芯片內(nèi)導(dǎo)線的寬度將窄到納米尺度(1 納米= 10-9 米) ，此時(shí)，導(dǎo)線內(nèi)運(yùn)動(dòng)的電子將不再遵循經(jīng)典物理規(guī)律——牛頓力學(xué)沿導(dǎo)線運(yùn)行，而是按照量子力學(xué)的規(guī)律表現(xiàn)出奇特的“電子亂竄”的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致芯片無(wú)法正常工作；同樣，芯片中晶體管的體積小到一定臨界尺寸(約5納米) 后，晶體管也將受到量子效應(yīng)干擾而呈現(xiàn)出奇特的反常效應(yīng)。

哲學(xué)家和科學(xué)家對(duì)此問(wèn)題的看法十分一致：摩爾定律不久將不再適用。也就是說(shuō)，電子計(jì)算機(jī)計(jì)算能力飛速發(fā)展的可喜景象很可能在二十一世紀(jì)前三十年內(nèi)終止。

著名科學(xué)家，哈佛大學(xué)終身教授威爾遜(Edward O. Wilson) 指出：“科學(xué)代表著一個(gè)時(shí)代最為大膽的猜想(形而上學(xué)) 。它純粹是人為的。但我們相信，通過(guò)追尋“夢(mèng)想—發(fā)現(xiàn)—解釋—夢(mèng)想”的不斷循環(huán)，我們可以開(kāi)拓一個(gè)個(gè)新領(lǐng)域，世界最終會(huì)變得越來(lái)越清晰，我們最終會(huì)了解宇宙的奧妙。所有的美妙都是彼此聯(lián)系和有意義的?！?/p>

這段話成為許多科學(xué)家的座右銘，給人以啟示?？茖W(xué)需要夢(mèng)想，甚至需要形而上的猜想?？茖W(xué)的預(yù)言有時(shí)在哲學(xué)看來(lái)有著形而上學(xué)的味道。而在人類面臨著計(jì)算科學(xué)的最大難題——計(jì)算的極限到來(lái)之時(shí)，DNA計(jì)算和量子計(jì)算為實(shí)現(xiàn)人類的這個(gè)夢(mèng)想鋪開(kāi)了宏偉藍(lán)圖。

七、DNA計(jì)算系統(tǒng)

1994年11月，美國(guó)計(jì)算機(jī)科學(xué)家阿德勒曼(L.Adleman)在美國(guó)《科學(xué)》上公布DNA計(jì)算機(jī)的理論，并成功運(yùn)用DNA計(jì)算機(jī)解決了一個(gè)有向哈密頓路徑問(wèn)題[7]。 DNA計(jì)算機(jī)的提出，產(chǎn)生于這樣一個(gè)發(fā)現(xiàn)，即生物與數(shù)學(xué)的相似性：(1)生物體異常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)是對(duì)由DNA序列表示的初始信息執(zhí)行簡(jiǎn)單操作(復(fù)制、剪接)的結(jié)果；(2)可計(jì)算函數(shù)f(ω)的結(jié)果可以通過(guò)在ω上執(zhí)行一系列基本的簡(jiǎn)單函數(shù)而獲得。

阿德勒曼不僅意識(shí)到這兩個(gè)過(guò)程的相似性，而且意識(shí)到可以利用生物過(guò)程來(lái)模擬數(shù)學(xué)過(guò)程。更確切地說(shuō)是，DNA串可用于表示信息，酶可用于模擬簡(jiǎn)單的計(jì)算。這是因?yàn)椋菏紫龋珼NA是由稱作核昔酸的一些單元組成，這些核昔酸隨著附在其上的化學(xué)組或基的不同而不同。共有四種基：腺嘌呤、鳥(niǎo)嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶，分別用A、G、C、T表示。單鏈DNA可以看作是由符號(hào)A、G、C、T組成的字符串。從數(shù)學(xué)上講，這意味著可以用一個(gè)含有四個(gè)字符的字符集∑ =A、G、C、T來(lái)為信息編碼(電子計(jì)算機(jī)僅使用0和1這兩個(gè)數(shù)字)。其次，DNA序列上的一些簡(jiǎn)單操作需要酶的協(xié)助，不同的酶發(fā)揮不同的作用。起作用的有四種酶：限制性內(nèi)切酶，主要功能是切開(kāi)包含限制性位點(diǎn)的雙鏈DNA；DNA連接酶，它主要是把一個(gè)DNA鏈的端點(diǎn)同另一個(gè)鏈連接在一起；DNA聚合酶，它的功能包括DNA的復(fù)制與促進(jìn)DNA的合成；外切酶，它可以有選擇地破壞雙鏈或單鏈DNA分子。正是基于這四種酶的協(xié)作實(shí)現(xiàn)了DNA計(jì)算。

DNA計(jì)算與電子計(jì)算機(jī)完全不同，它的計(jì)算單元是裝在試管培養(yǎng)液中的DNA長(zhǎng)鏈。通過(guò)控制試管的溫度和向試管中投放反應(yīng)物，來(lái)進(jìn)行計(jì)算。

八、量子計(jì)算系統(tǒng)

量子計(jì)算最初思想的提出可以追溯到20世紀(jì)80年代。物理學(xué)家費(fèi)曼RichardP.Feynman 曾試圖用傳統(tǒng)的電子計(jì)算機(jī)模擬量子力學(xué)對(duì)象的行為。他遇到一個(gè)問(wèn)題[11]：量子力學(xué)系統(tǒng)的行為通常是難以理解同時(shí)也是難以求解的。以光的干涉現(xiàn)象為例，在干涉過(guò)程中，相互作用的光子每增加一個(gè) ，有可能發(fā)生的情況就會(huì)多出一倍 ，也就是問(wèn)題的規(guī)模呈指數(shù)級(jí)增加。模擬這樣的實(shí)驗(yàn)所需的計(jì)算量實(shí)在太大了，不過(guò)，在費(fèi)曼眼里 ，這卻恰恰提供一個(gè)契機(jī)。轉(zhuǎn)貼于 　因?yàn)榱硪环矫?，量子力學(xué)系統(tǒng)的行為也具有良好的可預(yù)測(cè)性：在干涉實(shí)驗(yàn)中，只要給定初始條件，就可以推測(cè)出屏幕上影子的形狀。費(fèi)曼推斷認(rèn)為如果算出干涉實(shí)驗(yàn)中發(fā)生的現(xiàn)象需要大量的計(jì)算，那么搭建這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)，測(cè)量其結(jié)果，就恰好相當(dāng)于完成了一個(gè)復(fù)雜的計(jì)算。因此，只要在計(jì)算機(jī)運(yùn)行的過(guò)程中，允許它在真實(shí)的量子力學(xué)對(duì)象上完成實(shí)驗(yàn)，并把實(shí)驗(yàn)結(jié)果整合到計(jì)算中去，就可以獲得遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度。

在費(fèi)曼設(shè)想的啟發(fā)下，1985年英國(guó)牛津大學(xué)教授多伊奇David Deutsch 提出是否可以用物理學(xué)定律推導(dǎo)出一種超越傳統(tǒng)的計(jì)算概念的方法即推導(dǎo)出更強(qiáng)的丘奇——圖靈論題[15]。費(fèi)曼指出使用量子計(jì)算機(jī)時(shí)，不需要考慮計(jì)算是如何實(shí)現(xiàn)的，即把計(jì)算看作由“神諭”來(lái)實(shí)現(xiàn)的：這類計(jì)算在量子計(jì)算中被稱為“神諭”（Oracle）。

有種種跡象表明：量子計(jì)算至少在一些特定的計(jì)算領(lǐng)域內(nèi)確實(shí)比傳統(tǒng)計(jì)算更強(qiáng)，例如，現(xiàn)代信息安全技術(shù)的安全性在很大程度上依賴于把一個(gè)大整數(shù)（如1024 位的十進(jìn)制數(shù)) 分解為兩個(gè)質(zhì)數(shù)的乘積的難度。這個(gè)問(wèn)題是一個(gè)典型的“困難問(wèn)題”，困難的原因是目前在傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)上還沒(méi)有找到一種有效的辦法將這種計(jì)算快速地進(jìn)行。目前，就是將全世界的所有大大小小的電子計(jì)算機(jī)全部利用起來(lái)來(lái)計(jì)算上面的這個(gè)1024 位整數(shù)的質(zhì)因子分解問(wèn)題，大約需要28 萬(wàn)年，這已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了人類所能夠等待的時(shí)間。而且，分解的難度隨著整數(shù)位數(shù)的增多指數(shù)級(jí)增大，也就是說(shuō)如果要分解2046 位的整數(shù)，所需要的時(shí)間已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)宇宙現(xiàn)有的年齡。而利用一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，我們只需要大約40 分鐘的時(shí)間就可以分解1024 位的整數(shù)了。

更重要的是，量子計(jì)算從本質(zhì)上說(shuō)是可逆的，朗道證明了可逆計(jì)算可以不消耗資源———也就是說(shuō)，量子計(jì)算的運(yùn)算速度可以不違背熵持續(xù)增加原理而無(wú)限增加。從這個(gè)例子我們可以直覺(jué)地認(rèn)為量子計(jì)算在處理大規(guī)模計(jì)算問(wèn)題時(shí)優(yōu)越性是十分明顯的，但目前還沒(méi)法用數(shù)學(xué)證明這一點(diǎn)。

九、計(jì)算的本質(zhì)

在人類文明的早期，人們就認(rèn)識(shí)到“加減”這些計(jì)算活動(dòng)，以及它們的重要性。隨著，計(jì)算工具的不斷改進(jìn)，人們的“計(jì)算”本身的也不斷的加深了解。到后來(lái)開(kāi)方、求方程的解、求微分求積分也被納入進(jìn)計(jì)算的范疇。

“什么是計(jì)算？”問(wèn)題一直到20世紀(jì)30年，才由哥德?tīng)枺↘.Godel，1906-1978），丘奇(A.Church，1903-1995)，圖靈(A.M.TUI-ing，1912-1954)等數(shù)學(xué)家 的工作，人們才弄清楚什么是計(jì)算的本質(zhì)，以及什么是可計(jì)算的，什么是不可計(jì)算的等根本性問(wèn)題。

抽象地說(shuō)，所謂計(jì)算，就是從一個(gè)符號(hào)串f變換成另一個(gè)符號(hào)串g。比如說(shuō)，從符號(hào)串12+3變換成15就是一個(gè)加法計(jì)算。如果符號(hào)串f是x2，而符號(hào)串g是2x，從f到g的計(jì)算就是微分。定理證明也是如此，令f表示一組公理和推導(dǎo)規(guī)則，令g是一個(gè)定理，那么從f到g的一系列變換就是定理g的證明。從這個(gè)角度看，文字翻譯也是計(jì)算，如f代表一個(gè)英文句子，而g為含意相同的中文句子，那么從f到g就是把英文翻譯成中文。這些變換間有什么共同點(diǎn)？為 什么把它們都叫做計(jì)算？因?yàn)樗鼈兌际菑募褐?hào)(串)開(kāi)始，一步一步地改變符號(hào)(串)，經(jīng)過(guò)有限步驟，最后得到一個(gè)滿足預(yù)先規(guī)定的符號(hào)(串)的變換過(guò)程。

從類型上講，計(jì)算主要有兩大類：數(shù)值計(jì)算和符號(hào)推導(dǎo)。數(shù)值計(jì)算包括實(shí)數(shù)和函數(shù)的加減乘除、幕運(yùn)算、開(kāi)方運(yùn)算、方程的求解等。符號(hào)推導(dǎo)包括代數(shù)與各種函數(shù)的恒等式、不等式的證明，幾何命題的證明等。但無(wú)論是數(shù)值計(jì)算還是符號(hào)推導(dǎo)，它們?cè)诒举|(zhì)上是等價(jià)的、一致的，即二者是密切關(guān)聯(lián)的，可以相互轉(zhuǎn)化，具有共同的計(jì)算本質(zhì)。隨著數(shù)學(xué)的不斷發(fā)展，還可能出現(xiàn)新的計(jì)算類型。

隨著計(jì)算機(jī)日益廣泛而深刻的運(yùn)用，計(jì)算這個(gè)原本專門(mén)的數(shù)學(xué)概念已經(jīng)泛化到了人類的整個(gè)知識(shí)領(lǐng)域，并上升為一種極為普適的科學(xué)概念和哲學(xué)概念，成為人們認(rèn)識(shí)事物、研究問(wèn)題的一種新視角、新觀念和新方法。

十、“計(jì)算主義”的興起

隨著計(jì)算工具的發(fā)展，一些哲學(xué)家和科學(xué)家開(kāi)始從計(jì)算的視角審視世界，科學(xué)家們不僅發(fā)現(xiàn)大腦和生命系統(tǒng)可被視作計(jì)算系統(tǒng) ，而且發(fā)現(xiàn)整個(gè)世界事實(shí)上就是一個(gè)計(jì)算系統(tǒng)。當(dāng)康韋證明細(xì)胞自動(dòng)機(jī)與圖靈機(jī)等價(jià)時(shí) ，就有人開(kāi)始把整個(gè)宇宙看作是計(jì)算機(jī)。因?yàn)樘囟ㄅ渲玫募?xì)胞自動(dòng)機(jī)原則上能模擬任何真實(shí)的過(guò)程。如果真是這樣，那么 ，我們便可以設(shè)想一種細(xì)胞自動(dòng)機(jī)，它能模擬整個(gè)宇宙。實(shí)際上，我們完全可以把宇宙看作是一個(gè)三維的細(xì)胞自動(dòng)機(jī)?；玖Ｗ踊蚱渌裁磳哟蔚奈镔|(zhì)實(shí)體可以看作是這個(gè)細(xì)胞自動(dòng)機(jī)格點(diǎn)上的物質(zhì)狀態(tài) ，支配它們運(yùn)動(dòng)變化的規(guī)律可以看作是它們的行為規(guī)則。在這些規(guī)則的作用下基本粒子發(fā)生各種變化，從而導(dǎo)致宇宙的演化。

總之，計(jì)算或算法的觀念在當(dāng)今已經(jīng)滲透到宇宙學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)乃至經(jīng)濟(jì)學(xué)和社會(huì)科學(xué)等諸多領(lǐng)域。計(jì)算已不僅成為人們認(rèn)識(shí)自然、生命、思維和社會(huì)的一種普適的觀念和方法 ，而且成為一種新的世界觀。一些學(xué)者認(rèn)為：不僅生命和思維的本質(zhì)是計(jì)算，自然事件的本質(zhì)也是計(jì)算。

十一、量子計(jì)算中的神諭

人類的計(jì)算工具，從木棍、石頭到算盤(pán)，經(jīng)過(guò)機(jī)械計(jì)算器，電器計(jì)算機(jī)，到現(xiàn)代的電子計(jì)算機(jī)，再到DNA計(jì)算機(jī)和量子計(jì)算。筆者發(fā)現(xiàn)這其中的過(guò)程讓人思考：首先是人們發(fā)現(xiàn)用石頭或者棍棒可以幫助人們進(jìn)行計(jì)算，隨后，人們發(fā)明了算盤(pán)，來(lái)幫助人們進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)人們發(fā)現(xiàn)不僅人手可以搬動(dòng)“算珠”，機(jī)器可以用來(lái)搬動(dòng)“算珠”，而且效率更高，速度更快的時(shí)候，人們自然想到利用機(jī)器來(lái)搬動(dòng)算珠，誕生了機(jī)械計(jì)算設(shè)備。

隨后，人們用繼電器替代了純機(jī)械。最后人們用電子代替了繼電器。就在人們改進(jìn)計(jì)算工具的同時(shí)，數(shù)學(xué)家們開(kāi)始對(duì)計(jì)算的本質(zhì)展開(kāi)了研究，圖靈機(jī)模型告訴了人們答案。

電子計(jì)算機(jī)后，人們改變了思路，即：到自然界中去發(fā)現(xiàn)那些符合圖靈模型的現(xiàn)象，例如DNA分子鏈的自我復(fù)制現(xiàn)象。DNA分子提供了AGCT四種堿基，相當(dāng)于電子計(jì)算機(jī)中的2進(jìn)制的0和1。DNA自我復(fù)制的機(jī)制，非常接近電子計(jì)算機(jī)的的模型——圖靈機(jī)模型。

可以說(shuō)，DNA計(jì)算機(jī)是基于圖靈機(jī)的先進(jìn)計(jì)算方式。但是它始終不能突破圖靈機(jī)的極限。即：在牛頓經(jīng)典物理學(xué)下“確定世界”的計(jì)算模型。

量子計(jì)算的出現(xiàn)，則徹底打破了這種認(rèn)識(shí)與創(chuàng)新規(guī)律。它建立在對(duì)量子力學(xué)實(shí)驗(yàn)的在現(xiàn)實(shí)世界的不可計(jì)算性。試圖利用一個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)代替一系列復(fù)雜的大量運(yùn)算?？梢哉f(shuō)。這是一種革命性的思考與解決問(wèn)題的方式。

應(yīng)為在此之前，所有計(jì)算均是模擬一個(gè)快速的“算盤(pán)”，即使是最先進(jìn)電子計(jì)算機(jī)CPU內(nèi)部，64位的寄存器(register)，也是等價(jià)于一個(gè)有著64根軸的二進(jìn)制算盤(pán)。在DNA計(jì)算中，這種情況稍微復(fù)雜一點(diǎn)，可視為ATCG四種堿基所構(gòu)成的擁有上百萬(wàn)根軸，每根軸上有四個(gè)珠的“超級(jí)算盤(pán)”，盡管它的體積小到可以放在一根試管中。

量子計(jì)算則完全不同，對(duì)于量子計(jì)算的核心部件，類似與古代希臘世界中的“神諭”，沒(méi)有人弄清楚神諭內(nèi)部的機(jī)理，卻對(duì)“神諭”內(nèi)部產(chǎn)生的結(jié)果深信不疑。人們可以把它當(dāng)作一個(gè)黑盒子，人們通過(guò)輸入，可以得到輸出，但是對(duì)于黑盒子內(nèi)部發(fā)生了什么和為什么這樣發(fā)生確并不知道。

十二、“神諭”的本質(zhì)與哥德?tīng)柌煌陚湫?/p>

量子計(jì)算在信息的承載體上與經(jīng)典計(jì)算毫無(wú)區(qū)別:它同樣利用二進(jìn)制比特——稱為量子比特——來(lái)進(jìn)行運(yùn)算。但是，量子力學(xué)的一個(gè)十分“反直覺(jué)”的奇特現(xiàn)象鑄就了量子比特與傳統(tǒng)比特的天壤之別。一個(gè)量子比特不僅僅可以表示信息“0”和“1”，還出人意料地可以表示一種“0”和“1”的疊加狀態(tài)。

我們可以清晰地看到量子計(jì)算的神奇以及它不同于經(jīng)典計(jì)算之處。那么，為什么量子計(jì)算會(huì)顯示出如此奇怪的性質(zhì)呢? 這些性質(zhì)又有什么本質(zhì)的物理原因呢[12]? 遺憾的是，迄今為止，科學(xué)家們還在為這些神奇的量子現(xiàn)象的本質(zhì)而進(jìn)行探索，答案不得而知。

人們對(duì)量子計(jì)算本質(zhì)的無(wú)知來(lái)自于人們對(duì)量子世界內(nèi)部的本質(zhì)的認(rèn)識(shí)還不統(tǒng)一。但這并不妨礙人們把量子計(jì)算最為超級(jí)計(jì)算機(jī)的想法。雖然它帶有強(qiáng)烈的工具主義傾向。

量子計(jì)算的科學(xué)研究依然在繼續(xù)，然而，對(duì)量子計(jì)算和量子力學(xué)本身的哲學(xué)研究卻已經(jīng)顯示出人類的無(wú)奈和無(wú)助。也許，世界本身就是一個(gè)整體，我們僅僅從細(xì)處著眼永遠(yuǎn)無(wú)法看到導(dǎo)致整體變化的內(nèi)因。

哥德?tīng)柌煌陚湫远ɡ砀嬖V我們，任何一個(gè)足夠強(qiáng)的一致的公理系統(tǒng)的完備性是不可證明的，而它的完備性的不可證明是可以證明的。

一些悲觀的科學(xué)家和哲學(xué)家認(rèn)為：我們科學(xué)研究所依賴的各種公理系統(tǒng)是無(wú)法證明完備的，即現(xiàn)實(shí)世界的有些現(xiàn)象是無(wú)法被已有定律和規(guī)律來(lái)揭示，人們努力地試圖用這些已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的公理和規(guī)律去解釋量子計(jì)算、量子力學(xué)，去解釋自然和宇宙是不可行的?？茖W(xué)家們一直在努力解釋量子世界的本質(zhì)，但也應(yīng)該清醒，這些努力有可能最終是失敗的。而這些失敗恰恰證明了哥德?tīng)柌煌陚湫远ɡ淼恼_性。所以他們認(rèn)為人類是無(wú)法認(rèn)識(shí)某些規(guī)律的，一些迷題永遠(yuǎn)是個(gè)迷。

十三、“神諭”的挑戰(zhàn)與人類自身的回應(yīng)

筆者的觀點(diǎn)與上述不同，人類的思考能力，隨著工具的不斷進(jìn)化而不斷加強(qiáng)，盡管在遠(yuǎn)古時(shí)期，有些智者的思考能力已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了他們的時(shí)代，但是，在整體上，人類的思維能力和解決問(wèn)題的能力是隨著經(jīng)濟(jì)和科技的進(jìn)步而不斷加強(qiáng)。電子計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，大大加強(qiáng)了人類整體的科研能力，那么，量子計(jì)算系統(tǒng)的產(chǎn)生，會(huì)給人類整體帶來(lái)更加強(qiáng)大的科研能力和思考能力，并最終解決困擾當(dāng)今時(shí)代的量子“神諭”。不僅如此，量子計(jì)算系統(tǒng)會(huì)更加深刻的揭示計(jì)算的本質(zhì)，把人類對(duì)計(jì)算本質(zhì)的認(rèn)識(shí)從牛頓世界中擴(kuò)充到量子世界中。

哥德?tīng)柕牟煌陚湫圆⒉荒芙M織人類對(duì)未知事物的新發(fā)現(xiàn)，如果觀察歷史，會(huì)發(fā)現(xiàn)人類文明不斷增多的“發(fā)現(xiàn)”已經(jīng)構(gòu)成了我們理解世界的“公理”，人們的公理系統(tǒng)在不斷的增大，隨著該系統(tǒng)的不斷增大，人們認(rèn)清并解決了許多問(wèn)題。人類的認(rèn)識(shí)模式似乎符合下面的規(guī)律：

“計(jì)算工具不斷發(fā)展——整體思維能力的不斷增強(qiáng)——公理系統(tǒng)的不斷擴(kuò)大——舊的神諭被解決——新的神諭不斷產(chǎn)生”不斷循環(huán)。

也許那時(shí)會(huì)出現(xiàn)新的“神諭”，而“神諭”的出現(xiàn)對(duì)人類來(lái)說(shuō)并不是負(fù)面的，而是對(duì)人類整體思維能力和認(rèn)識(shí)能力的一次挑戰(zhàn)。并將刺激著人類對(duì)宇宙和自身的更深刻認(rèn)識(shí)。

無(wú)論量子計(jì)算的本質(zhì)是否被發(fā)現(xiàn)，也不會(huì)妨礙量子計(jì)算時(shí)代的到來(lái)。量子計(jì)算是計(jì)算科學(xué)本身的一次新的革命，也許許多困擾人類的問(wèn)題，將會(huì)隨著量子計(jì)算機(jī)工具的發(fā)展而得到解決，它將“計(jì)算科學(xué)”從牛頓時(shí)代引向量子時(shí)代，并會(huì)給人類文明帶來(lái)更加深刻的影響。

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第6篇：量子力學(xué)對(duì)科技的影響范文

【論文關(guān)鍵詞】電子技術(shù)；理論與應(yīng)用；近似計(jì)算；靜態(tài)分析

【論文摘要】本文首先探討了近似計(jì)算在靜態(tài)分析中的應(yīng)用問(wèn)題，其次分析了納米電子技術(shù)急需解決的若干關(guān)鍵問(wèn)題和交互式電子技術(shù)應(yīng)用手冊(cè)，最后電子技術(shù)在時(shí)間與頻率標(biāo)準(zhǔn)中的應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)的研究。因此，本文具有深刻的理論意義和廣泛的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

一、近似計(jì)算在靜態(tài)分析中的應(yīng)用

在電子技術(shù)中應(yīng)運(yùn)中，近似計(jì)算貫穿其始終。然而，沒(méi)有近似計(jì)算是不可想象的。而精確計(jì)算在電子技術(shù)中往往行不通，也沒(méi)有其必要。盡管近似計(jì)算會(huì)引入一定的誤差，但這個(gè)誤差控制得好，不會(huì)對(duì)分析其它電路產(chǎn)生大的影響。所以關(guān)鍵在于我們?nèi)绾握莆眨貏e是如何應(yīng)用近似計(jì)算。

在工作點(diǎn)穩(wěn)定電路中的應(yīng)用要進(jìn)行靜態(tài)分析，就必須求出三極管的基電壓，必須忽略三極管靜態(tài)基極電流。這樣，我們得到三極管的基射電子的相關(guān)過(guò)程及結(jié)論。

二、納米電子技術(shù)急需解決的若干關(guān)鍵問(wèn)題

由于納米器件的特征尺寸處于納米量級(jí)，因此，其機(jī)理和現(xiàn)有的電子元件截然不同，理論方面有許多量子現(xiàn)象和相關(guān)問(wèn)題需要解決，如電子在勢(shì)阱中的隧穿過(guò)程、非彈性散射效應(yīng)機(jī)理等。盡管如此，納米電子學(xué)中急需解決的關(guān)鍵問(wèn)題主要還在于納米電子器件與納米電子電路相關(guān)的納米電子技術(shù)方面，其主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）納米Si基量子異質(zhì)結(jié)加工

要繼續(xù)把現(xiàn)有的硅基電子器件縮小到納米尺度，最直截了當(dāng)?shù)姆椒ㄊ遣捎猛庋印⒐饪痰燃夹g(shù)制造新一代的類似層狀蛋糕的納米半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。其中，不同層通常是由不同勢(shì)能的半導(dǎo)體材料制成的，構(gòu)建成納米尺度的量子勢(shì)阱，這種結(jié)構(gòu)稱作“半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)”。

（2）分子晶體管和導(dǎo)線組裝納米器件即使知道如何制造分子晶體管和分子導(dǎo)線，但把這些元件組裝成一個(gè)可以運(yùn)轉(zhuǎn)的邏輯結(jié)構(gòu)仍是一個(gè)非常棘手的難題。一種可能的途徑是利用掃描隧道顯微鏡把分子元件排列在一個(gè)平面上；另一種組裝較大電子器件的可能途徑是通過(guò)陣列的自組裝。盡管，PurdueUniversity等研究機(jī)構(gòu)在這個(gè)方向上取得了可喜的進(jìn)展，但該技術(shù)何時(shí)能夠走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用，仍無(wú)法斷言。

（3）超高密度量子效應(yīng)存儲(chǔ)器

超高密度存儲(chǔ)量子效應(yīng)的電子“芯片”是未來(lái)納米計(jì)算機(jī)的主要部件，它可以為具備快速存取能力但沒(méi)有可動(dòng)機(jī)械部件的計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)提供海量存儲(chǔ)手段。但是，有了制造納米電子邏輯器件的能力后，如何用這種器件組裝成超高密度存儲(chǔ)的量子效應(yīng)存儲(chǔ)器陣列或芯片同樣給納米電子學(xué)研究者提出了新的挑戰(zhàn)。

（4）納米計(jì)算機(jī)的“互連問(wèn)題”

一臺(tái)由數(shù)萬(wàn)億的納米電子元件以前所未有的密集度組裝成納米計(jì)算機(jī)注定需要巧妙的結(jié)構(gòu)及合理整體布局，而整體結(jié)構(gòu)問(wèn)題中首當(dāng)其沖需要解決的就是所謂的“互連問(wèn)題”。換句話說(shuō)，就是計(jì)算結(jié)構(gòu)中信息的輸入、輸出問(wèn)題。納米計(jì)算機(jī)要把海量信息存儲(chǔ)在一個(gè)很小的空間內(nèi)，并極快地使用和產(chǎn)生信息，需要有特殊的結(jié)構(gòu)來(lái)控制和協(xié)調(diào)計(jì)算機(jī)的諸多元件，而納米計(jì)算元件之間、計(jì)算元件與外部環(huán)境之間需要有大量的連接。就現(xiàn)有傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的微型化而言，由于電線之間要相互隔開(kāi)以避免過(guò)熱或“串線”，這樣就有一些幾何學(xué)上的考慮和限制，連接的數(shù)量不可能無(wú)限制地增加。因此，納米計(jì)算機(jī)導(dǎo)線間的量子隧穿效應(yīng)和導(dǎo)線與納米電子器件之間的“連接”問(wèn)題急需解決。

（5）納米/分子電子器件制備、操縱、設(shè)計(jì)、性能分析模擬環(huán)境

當(dāng)前，分子力學(xué)、量子力學(xué)、多尺度計(jì)算、計(jì)算機(jī)并行技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)已取得快速發(fā)展，利用這些技術(shù)建立一個(gè)能夠完成納米電子器件制備、操縱、設(shè)計(jì)與性能分析的模擬虛擬環(huán)境，并使納米技術(shù)研究人員獲得虛擬的體驗(yàn)已成為可能。但由于現(xiàn)有計(jì)算機(jī)的速度、分子力學(xué)與量子力學(xué)算法的效率等問(wèn)題，目前建立這種迅速、敏感、精細(xì)的量子模擬虛擬環(huán)境還存在巨大困難。

三、交互式電子技術(shù)手冊(cè)

交互式電子技術(shù)手冊(cè)經(jīng)歷了5個(gè)發(fā)展階段，根據(jù)美國(guó)國(guó)防部的定義：加注索引的掃描頁(yè)圖、滾動(dòng)文檔式電子技術(shù)手冊(cè)、線性結(jié)構(gòu)電子技術(shù)手冊(cè)、基于數(shù)據(jù)庫(kù)的電子技術(shù)手冊(cè)和集成電子技術(shù)手冊(cè)。目前真正意義上的集成了人工智能、故障診斷的第5類集成電子技術(shù)手冊(cè)并不存在，大多數(shù)電子技術(shù)手冊(cè)基本上位于第4類及其以下的水平。需要聲明的是，各類電子技術(shù)手冊(cè)雖然代表不同的發(fā)展階段，但是各有優(yōu)點(diǎn)，較低級(jí)別的電子技術(shù)手冊(cè)目前仍然有著各自的應(yīng)用價(jià)值。由于類以上的電子技術(shù)手冊(cè)在信息的組織、管理、傳遞、獲取方面具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。簡(jiǎn)單的說(shuō)，電子技術(shù)手冊(cè)就是技術(shù)手冊(cè)的數(shù)字化。為了獲取信息的方便，數(shù)字化后的數(shù)據(jù)需要一個(gè)良好的組織管理和提供給用戶的形式，電子技術(shù)手冊(cè)的發(fā)展就是圍繞這一過(guò)程來(lái)進(jìn)行的。

四、電子技術(shù)在時(shí)間與頻率標(biāo)準(zhǔn)中的應(yīng)用

時(shí)間和頻率是描述同一周期現(xiàn)象的兩個(gè)參數(shù)，可由時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)出頻率標(biāo)準(zhǔn)，兩者可共用的一個(gè)基準(zhǔn)。

第7篇：量子力學(xué)對(duì)科技的影響范文

  物理教學(xué)是一門(mén)基礎(chǔ)教育，它使受教育者獲得科學(xué)知識(shí)，掌握科學(xué)方法，培養(yǎng)科學(xué)精神。學(xué)生怕學(xué)物理的狀況，已成為一個(gè)國(guó)際性的問(wèn)題。怎樣面對(duì)這一現(xiàn)實(shí)，如何迎接這一挑戰(zhàn)？“智者見(jiàn)智，仁者見(jiàn)仁”。筆者認(rèn)為，培養(yǎng)學(xué)生的興趣才是提高教學(xué)效果的根本途徑。在這里，我們?cè)噲D從文化的角度和用科學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)了解這個(gè)社會(huì)的現(xiàn)象，從而表達(dá)對(duì)中學(xué)物理教學(xué)未來(lái)發(fā)展的自己的看法。

1 中國(guó)與歐洲文化的對(duì)比

中國(guó)文化是建基于黃河河谷的大農(nóng)業(yè)社會(huì)，以“人本”的家族文化為主，人與人的關(guān)系比人與自然界的關(guān)系更為密切和重要，社會(huì)的主要問(wèn)題和興趣是在于人而不在于物。家族文化是一個(gè)整體文化，個(gè)體有義務(wù)要支持整體的共同性，而整體亦有義務(wù)要照顧個(gè)體的特殊性。人是來(lái)自現(xiàn)實(shí)的祖先，必須對(duì)祖先負(fù)責(zé)。中國(guó)文化是強(qiáng)調(diào)整體、務(wù)實(shí)、內(nèi)向、兼容、義務(wù)、約束、合作和相對(duì)性，重視對(duì)個(gè)人天賦欲念的自我克制和自我修養(yǎng)的人為能力，稱之為“德”。人的問(wèn)題只可以靠人自己去了解和處理，發(fā)展了人本的“人理(倫理)學(xué)”。無(wú)論從《易經(jīng)》、《道家》、《儒家》到《諸子百家》等，都是以人本為基礎(chǔ)來(lái)發(fā)展。

歐洲文化建基于游牧文化。游牧人逐水草而居，多見(jiàn)樹(shù)木，少見(jiàn)人鄰。人與自然界的關(guān)系比人與人的關(guān)系更為密切和重要。生活的主要問(wèn)題和興趣是在于物而不在于人。由于自然界的存在和變化，并非人力可以改變和控制，認(rèn)為所有自然現(xiàn)象都來(lái)自能力最高的主宰。摘食獵魚(yú)的簡(jiǎn)單生活，各人的功能差別不大，分工制度弱，獨(dú)立性強(qiáng)，自由性大，平等性高。生活環(huán)境的不斷改變，只有天，才有永恒的意義，傾向上天單極宗教的信仰。

2 科技的發(fā)展

科學(xué)是物質(zhì)世界的了解，是一種思想系統(tǒng)，也是一種順其自然的思想活動(dòng)，其探索的目標(biāo)是“發(fā)現(xiàn)”。技術(shù)是物質(zhì)世界的應(yīng)用，是一種行動(dòng)系統(tǒng)，也是一種事在人為的行動(dòng)活動(dòng)，其運(yùn)作的目標(biāo)是“發(fā)明”。早期的技術(shù)發(fā)展主要是靠嘗試和經(jīng)驗(yàn)，與科學(xué)的發(fā)展并沒(méi)有一定的姻親關(guān)系。后來(lái)的科技就是把科學(xué)與技術(shù)結(jié)合起來(lái)，利用科學(xué)知識(shí)來(lái)改進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，目標(biāo)是“創(chuàng)新”。物理學(xué)是科學(xué)的基石。

3 物理學(xué)的發(fā)展

萌芽時(shí)代：物理學(xué)的起源是來(lái)自古希臘時(shí)代的幾個(gè)重要思想。

(1)自然現(xiàn)象是根據(jù)“固定的自然定律”而發(fā)生(賽勒斯thales，俗稱為科學(xué)之父)——定律概念和演繹邏輯。(2)要描述所有自然現(xiàn)象，數(shù)字是扮演中心角色(畢達(dá)哥拉斯pythag0ras)——數(shù)量描述。(3)要改變自然狀態(tài)，必需有起因(柏拉圖plato)——牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律的廣泛含意。(4)物質(zhì)的原子(德謨克利特democritus)和元素(亞里斯多德aristotle)的概念——物體結(jié)構(gòu)的基本成份概念。古希臘文化是強(qiáng)調(diào)個(gè)人自由和思想系統(tǒng)的探索，奠定了基本的科學(xué)精神、態(tài)度、構(gòu)思、概念、邏輯、原則和言語(yǔ)。希臘化時(shí)代：主要的興趣在解決實(shí)用問(wèn)題，知識(shí)分類及技術(shù)成就。重要思想發(fā)展有：①幾何學(xué)定理的公理化(歐幾里得euclid)——演繹邏輯。②以地球?yàn)橹行妮斔蛨A的均速運(yùn)動(dòng)為主，運(yùn)轉(zhuǎn)圓的均速運(yùn)動(dòng)為微擾，可以準(zhǔn)確解釋包括太陽(yáng)在內(nèi)的各行星在天上的運(yùn)動(dòng)。③物體“比重”物性的發(fā)現(xiàn)(亞基米德archimedes)，后來(lái)進(jìn)一步發(fā)展到“密度”物性。

黑暗時(shí)代：這是物理學(xué)發(fā)展a冬眠時(shí)代。(1)羅馬帝國(guó)：羅馬人是實(shí)用民族，他們強(qiáng)勢(shì)在軍事，行政和工程，而不在學(xué)術(shù)和科學(xué)。大量收集和發(fā)展希臘哲學(xué)思想，而很少有原始的創(chuàng)作。為了要準(zhǔn)確解釋以地球?yàn)橹行牡男行沁\(yùn)動(dòng)，增加了偏心圓的微擾(托勒密ptolemy)。(2)中世紀(jì)：中世紀(jì)的歐洲是一個(gè)宗教和封建的封閉保守時(shí)代。研究希臘哲學(xué)和科學(xué)的中心便轉(zhuǎn)移到阿拉伯和波斯。(3)：二百年運(yùn)動(dòng)，動(dòng)搖了歐洲的封建制度和教會(huì)權(quán)力。伊斯蘭的優(yōu)秀文化開(kāi)始對(duì)歐洲人開(kāi)放。

復(fù)興時(shí)代：大亂之后必有大治。經(jīng)歷過(guò)的浩劫之后，歐洲從一個(gè)保守封閉的教條社會(huì)轉(zhuǎn)入一個(gè)改革開(kāi)放，實(shí)事求是和解放思想的文藝復(fù)興時(shí)代，由神本回歸到人本。文藝復(fù)興使歐洲恢復(fù)對(duì)人，人的成就和人的世界的興趣。文藝復(fù)興把歐洲從一個(gè)較為落后的社會(huì)在五百年內(nèi)，先后超過(guò)伊斯蘭和中國(guó)社會(huì)。

3.1機(jī)動(dòng)力學(xué)(mechan0dynamics)

從希臘時(shí)代到黑暗時(shí)代這一千六百多年，物理學(xué)發(fā)展的主要興趣上行星運(yùn)動(dòng)。發(fā)展以數(shù)學(xué)的歐幾里得幾何學(xué)為基礎(chǔ)，均速圓周運(yùn)動(dòng)為核心。到了復(fù)興時(shí)代，以既定的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)來(lái)了解觀測(cè)的事實(shí)，改變?yōu)閺氖聦?shí)去尋找事實(shí)背后的數(shù)學(xué)原理。由實(shí)是求事改變?yōu)閷?shí)事求是，由以數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)改變?yōu)橐晕锢頌榛A(chǔ)。

(1)天上行星的日心橢圓運(yùn)動(dòng)的發(fā)現(xiàn)(開(kāi)普勒kepler)和地上物體的重力加速度及拋物線運(yùn)動(dòng)的了解(伽利略galileo)。

(2)機(jī)動(dòng)力學(xué)的誕生：為了解決重力問(wèn)題，牛頓認(rèn)為，天上月球圍繞地球的運(yùn)動(dòng)與地上物體的拋物線運(yùn)動(dòng)是同一根源，及推出它們之間與地球中心距離的關(guān)系。他成功發(fā)現(xiàn)三個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)定律：慣性定律，動(dòng)力定律和反作用定律。更由第二和第三個(gè)定律推出物體之間的重力定律。

(3)牛頓動(dòng)力定律理論的普遍化，以位能和動(dòng)能取代外力和加速度：拉格朗日(lagran—ge)和哈密頓hamilton)。從物理定律推理到物理理論是符合從幾何公理推理到幾何定理的——演繹邏輯。

(4)牛頓動(dòng)力學(xué)對(duì)隨機(jī)過(guò)程的應(yīng)用：麥克斯韋(maxwell)，玻耳茲曼(boltzmann)。19世紀(jì)未，機(jī)動(dòng)力學(xué)已發(fā)展成為宏觀物質(zhì)世界一個(gè)完美的理論：完整，合理和前后一致。

3.2電動(dòng)力學(xué)(electrodynamics)電磁現(xiàn)象

(1)電磁相互作用的關(guān)系：庫(kù)侖(coulomb)電荷與電荷和磁極與磁極的相互作用，奧斯特(oersted)磁極與電流的相互作用，安培(ampere)電流與電流的相互作用，法拉第(faraday)電荷與運(yùn)動(dòng)磁極的相互作用。

(2)法拉第提倡電磁的“本地作用”來(lái)代替“超距作用”，導(dǎo)致“電磁場(chǎng)”物理量的誕生。

(3)電磁學(xué)的基本定律：根據(jù)電磁相互作用的關(guān)系和以電磁場(chǎng)為基礎(chǔ)，麥克斯韋完成完整的“電磁場(chǎng)定律”，相當(dāng)于牛頓機(jī)動(dòng)力學(xué)中的物體重力定律。后來(lái)洛倫茲(lorentz)更進(jìn)一步完成電荷在電磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的“電磁場(chǎng)力定律”。“輻射反作用力定律”也是電磁學(xué)一個(gè)基本定律，只是直到現(xiàn)在，符合邏輯的定律還未完成。

(4)帶電粒子動(dòng)力學(xué)：洛倫茲的電磁場(chǎng)力是一個(gè)與速度有關(guān)的力。愛(ài)因斯坦(einstein)采用牛頓動(dòng)力推出

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電磁場(chǎng)力在速度為零的情況，再用洛倫茲慣性變換，把速度為零情況的結(jié)果變換到速度不等于零的情況。結(jié)果推出帶電粒子在電磁場(chǎng)力的洛倫茲動(dòng)量=v×牛頓動(dòng)量。v是洛倫茲因子，與速度有關(guān)。fl=d(vp)／dt。相當(dāng)于牛頓機(jī)動(dòng)力學(xué)中的物體第二運(yùn)動(dòng)重力定律愛(ài)因斯坦后來(lái)把這方面的理論改稱為“狹義相對(duì)論”。在狹義相對(duì)論的基礎(chǔ)上，以微分幾何為工具，愛(ài)因斯坦用演繹方法建立他的重力場(chǎng)論，稱為“廣義相對(duì)論”?？梢哉f(shuō)是一種重力場(chǎng)的電磁化。到這個(gè)階段，除了輻射反作用力定律之外，電動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)的探索已基本完成。

(5)電功力學(xué)定律理論的普遍化：相當(dāng)于拉格朗日和哈密頓對(duì)牛頓動(dòng)力定律的理論推廣和發(fā)展。

(6)電動(dòng)力學(xué)對(duì)隨機(jī)過(guò)程的應(yīng)用：無(wú)規(guī)則電磁場(chǎng)的統(tǒng)計(jì)特性的發(fā)展。其結(jié)果應(yīng)該符合量子力學(xué)和量子動(dòng)力學(xué)的結(jié)果。

3.3輻射動(dòng)力學(xué)(radiodynamics)：輻射反映了物質(zhì)世界的微觀結(jié)構(gòu)。

(1)量子論的誕生：普朗克(planck)創(chuàng)立“量子”的新物理概念，成功解釋黑體輻射的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。后來(lái)，愛(ài)因斯坦和玻恩(born)分別用量子來(lái)成功解釋光電效應(yīng)和氫原子光譜。

(2)量子力學(xué)：在數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)上，由海森伯(heisenberg)，薛定諤(schrodinger)等所發(fā)展的量子數(shù)學(xué)系統(tǒng)(量子力學(xué))，不但可以用來(lái)了解原子物理現(xiàn)象，也可以用來(lái)了解分子物理現(xiàn)象。

(3)基本粒子物理：基本粒子物理實(shí)驗(yàn)觀察的新結(jié)果，促使大量相關(guān)理論的發(fā)展：量子電動(dòng)力學(xué)，相對(duì)性量子力學(xué)，楊一(yang-mils)場(chǎng)等，其中楊一米場(chǎng)有更突破性的廣泛意義。

20世紀(jì)的世界發(fā)生了重大變化。(1)物理學(xué)發(fā)展已由宏觀的物質(zhì)世界轉(zhuǎn)入微觀的物質(zhì)世界。 (2)經(jīng)過(guò)兩次世界大戰(zhàn)后，影響人類社會(huì)的重心已由歐洲社會(huì)，轉(zhuǎn)移到?jīng)]有傳統(tǒng)民族文化的美國(guó)移民社會(huì)。

4 中國(guó)文化與未來(lái)科學(xué)發(fā)展

雖然科學(xué)的發(fā)展是源于古希臘，但亦需要通過(guò)歐洲各種不同的文化時(shí)代，才可以孵育發(fā)展出來(lái)。歐洲文化對(duì)科學(xué)發(fā)展的優(yōu)點(diǎn)可能已經(jīng)到了飽和狀態(tài)?？茖W(xué)思想發(fā)展的進(jìn)一步突破，必須要有新的文化來(lái)推動(dòng)。中國(guó)文化對(duì)人理思想發(fā)展雖然是一個(gè)有五千多年的舊文化，但對(duì)物理思想發(fā)展卻是一種很新的文化。中國(guó)復(fù)雜而辯證的人理思想，吸收和結(jié)合歐洲簡(jiǎn)單而演繹的物理思想，必定融合成為一種新力量，把科學(xué)發(fā)展推到更上一層樓，尤其是生命科學(xué)，醫(yī)理科學(xué)和心理科學(xué)。中國(guó)社會(huì)現(xiàn)在正是一個(gè)民族文化復(fù)興新時(shí)代的開(kāi)始：改革開(kāi)放，實(shí)事求是，解放思想，自主創(chuàng)新，可以比美歐洲后的文藝復(fù)興。中國(guó)是一個(gè)非常不均勻的大社會(huì)。各地區(qū)都有不同的方言、生活環(huán)境、生活方式、和風(fēng)俗習(xí)慣，自然形成中國(guó)社會(huì)的多元多樣和多姿多彩。在這種復(fù)雜的文化環(huán)境，必須要因人制宜，因事制宜，或因地制宜，“一刀切”便會(huì)弄巧反拙。相反地，美國(guó)是一個(gè)非常均勻的大社會(huì)，自然形成美國(guó)社會(huì)的一體化思想。一體化社會(huì)并不符合中國(guó)社會(huì)的實(shí)際情況。

5 提高學(xué)生物理學(xué)習(xí)興趣的方法

了解以上物理學(xué)思想發(fā)展與文化關(guān)系后，我們來(lái)看一下在提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理興趣的一些做法。

5.1聯(lián)系生活和生產(chǎn)實(shí)際

在物理教學(xué)中，如果注意結(jié)合學(xué)生熟悉的生活、生產(chǎn)實(shí)際，提出與教學(xué)有關(guān)的問(wèn)題讓學(xué)生去思考，往往能激發(fā)起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。例如：講授《光的折射》時(shí)，可先提出以下一些問(wèn)題：透過(guò)老花鏡看緊靠鏡子的物體，顯得比原來(lái)怎么樣？透過(guò)老花鏡看遠(yuǎn)處物體，物體又會(huì)怎樣呢？透過(guò)圓形金魚(yú)缸看缸里的魚(yú)發(fā)現(xiàn)魚(yú)會(huì)變大，透過(guò)裝滿水的杯子看插入的筷于發(fā)現(xiàn)筷子會(huì)在分界處折彎，這又是為什么呢？夏天，我們?cè)圉q時(shí)應(yīng)扎的比觀察位置深還是淺些?帶著這些問(wèn)題來(lái)學(xué)習(xí)，學(xué)生必然會(huì)產(chǎn)生興趣，從而達(dá)到提高課堂效率的作用，而課后又是課堂的延伸。

5.2制造學(xué)習(xí)上的懸念

在物理教學(xué)中，如果我們能夠不斷地制造懸念，使學(xué)生對(duì)新知識(shí)產(chǎn)生一種急于探求的心情，那么就會(huì)引起學(xué)生對(duì)新知識(shí)的興趣。例如在《超重與失重》一節(jié)的教學(xué)中，我們可以把一臺(tái)磅秤放在教室前頭，讓一個(gè)學(xué)生稱量自己的體重，然后觀察該學(xué)生突然尊下和站起瞬間磅秤發(fā)生的現(xiàn)象，此時(shí)，一般學(xué)生會(huì)感到好奇，基礎(chǔ)

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扎實(shí)的學(xué)生會(huì)感到是人對(duì)磅秤的壓力變大或變小，但不知原因，因此產(chǎn)生強(qiáng)烈興趣，同時(shí)渴望得到的答案，這樣老師講得輕松，學(xué)生學(xué)得愉快。

5.3保持刺激的新穎和變化

高中生對(duì)新鮮事物總是充滿好奇心，教學(xué)內(nèi)容是否有興趣，興趣的大小，對(duì)教學(xué)效果都有直接的影響，在物理教學(xué)中若能經(jīng)常保持刺激和變化，就能不斷引起學(xué)生的好奇心和新鮮感，從而激發(fā)起他們的興趣，使他們樂(lè)于學(xué)習(xí)、想要學(xué)習(xí)。

5.4及時(shí)給予成功的滿足

興趣是帶有情緒色彩的認(rèn)識(shí)傾向，在物理學(xué)習(xí)中，如果學(xué)生獲得成功，就會(huì)產(chǎn)生愉快的情緒，若反復(fù)多次，學(xué)習(xí)和愉快的情緒則會(huì)建立固定的聯(lián)系，也就會(huì)形成越學(xué)越有興趣，越有興趣就越想學(xué)的良性循環(huán)。

5.5精心設(shè)計(jì)教學(xué)過(guò)程

第8篇：量子力學(xué)對(duì)科技的影響范文

關(guān)鍵詞：物理學(xué)；知識(shí)經(jīng)濟(jì)；經(jīng)典力學(xué)；工業(yè)革命；量子力學(xué)

在人類文明發(fā)展的進(jìn)程中，物理學(xué)的每一次重大突破都帶動(dòng)了科學(xué)技術(shù)的騰飛和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的變革。以科學(xué)技術(shù)為主要內(nèi)容的“知識(shí)”改變著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的性質(zhì)、特征和運(yùn)行方式，給人類社會(huì)帶來(lái)了全面而深刻的影響。

一、從物理學(xué)發(fā)展理解經(jīng)濟(jì)變革的根源

1、在農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)時(shí)代，土地是經(jīng)濟(jì)發(fā)展最重要的資源。生產(chǎn)組織形式是自發(fā)的家庭生產(chǎn)方式，人類長(zhǎng)期維持著經(jīng)驗(yàn)積累和簡(jiǎn)單再生產(chǎn)，社會(huì)財(cái)富的增加相當(dāng)緩慢。分配的主要依據(jù)是土地，擁有土地就擁有了財(cái)富和分配權(quán)，占有全部的剩余勞動(dòng)成果。土地終極所有權(quán)掌握在皇帝手中，從而形成國(guó)家集權(quán)中軸支撐著社會(huì)。

科學(xué)巨匠牛頓，在哥白尼、伽利略、開(kāi)普勒的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)天文學(xué)定律和力學(xué)實(shí)驗(yàn)規(guī)律的高度概括總結(jié)，把物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律歸結(jié)為牛頓運(yùn)動(dòng)三定律和萬(wàn)有引力定律。經(jīng)典力學(xué)的成就，使機(jī)器發(fā)明成為可能，為首次工業(yè)革命提供了理論和技術(shù)支持。隨著蒸汽機(jī)的發(fā)明和使用，帶來(lái)了機(jī)器制造、交通運(yùn)輸、礦山開(kāi)采等產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，從而引起了從手工勞動(dòng)向動(dòng)力機(jī)器生產(chǎn)的飛躍，迎來(lái)了人類社會(huì)發(fā)展史上的新紀(jì)元。

2、工業(yè)經(jīng)濟(jì)時(shí)代，機(jī)器、設(shè)備和原料是經(jīng)濟(jì)發(fā)展最重要的資源。其主要特征是資本積累和擴(kuò)大再生產(chǎn)，社會(huì)財(cái)富得以快速的增加，生產(chǎn)規(guī)模得到迅速擴(kuò)大，然而最終卻導(dǎo)致了經(jīng)濟(jì)危機(jī)。資本成為主要的分配依據(jù)，憑借著資本的大小，來(lái)瓜分社會(huì)財(cái)富和剩余勞動(dòng)成果。機(jī)器大工業(yè)形成有組織的公司企業(yè)，資本被控制在資本家手中，公司企業(yè)就成為社會(huì)的中軸。

在奧斯特、法拉第的基礎(chǔ)上，麥克斯韋把神秘、抽象的電磁規(guī)律以數(shù)學(xué)方程完美地表示出來(lái)，從而形成了電磁場(chǎng)理論，同時(shí)預(yù)言了電磁波的存在。電磁場(chǎng)理論和實(shí)驗(yàn)的巨大成就導(dǎo)致了電機(jī)、電燈、電報(bào)的發(fā)明和使用并引發(fā)了第二次工業(yè)革命。從此，人類全面進(jìn)入了以機(jī)器大工業(yè)和社會(huì)化大生產(chǎn)為重要標(biāo)志的工業(yè)經(jīng)濟(jì)時(shí)代。

3、知識(shí)經(jīng)濟(jì)是建立在知識(shí)和信息的生產(chǎn)、分配和使用之上的經(jīng)濟(jì)。在知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代，知識(shí)將成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展最重要的資源，信息成為重要的商品和競(jìng)爭(zhēng)要素。具有經(jīng)濟(jì)發(fā)展可持續(xù)化、資產(chǎn)投入無(wú)形化、世界經(jīng)濟(jì)一體化、經(jīng)濟(jì)決策知識(shí)化等特點(diǎn)。知識(shí)型和科技型的勞動(dòng)者，在社會(huì)生產(chǎn)中的作用日益增強(qiáng)，成為企業(yè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵，直接決定著企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)能力和最終命運(yùn)。

二、以物理學(xué)概念思考知識(shí)經(jīng)濟(jì)的內(nèi)涵

1、隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)日趨微型化，因特網(wǎng)使傳遞信息所需的時(shí)間節(jié)省了百萬(wàn)倍，空間概念更是幾近消失。真可謂：“千里縮銀屏，數(shù)載化瞬息”。如果把信息視作物質(zhì)，那么在相對(duì)高速地傳遞信息過(guò)程中，愛(ài)因斯坦相對(duì)論的“尺縮”和“鐘慢”效應(yīng)會(huì)有什么體現(xiàn)呢？

知識(shí)經(jīng)濟(jì)帶來(lái)了商業(yè)、金融、教育和文化娛樂(lè)的全球化，企事業(yè)單位在空間的分布狀態(tài)呈“無(wú)形化”和“分散性”。產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)與經(jīng)營(yíng)周期大為縮短，實(shí)現(xiàn)了所謂“實(shí)時(shí)運(yùn)作經(jīng)濟(jì)”。時(shí)間的“滯后效應(yīng)”被引起重視，可持續(xù)發(fā)展問(wèn)題變得極為突出。

2、物理學(xué)又是一門(mén)實(shí)驗(yàn)科學(xué)，它的每一個(gè)原理和定律，都是在系統(tǒng)觀察和科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的，并且隨觀察和實(shí)驗(yàn)水平的提高不斷完善和修正甚至被否定。如人們對(duì)光的認(rèn)識(shí)就經(jīng)歷了由粒子――波動(dòng)――波粒二象性的曲折過(guò)程。量子理論認(rèn)為一個(gè)電子究竟是粒子還是波？這要取決于選擇的實(shí)驗(yàn)條件。這種不同尋常的作用對(duì)客觀實(shí)在的影響，在知識(shí)經(jīng)濟(jì)中會(huì)有什么表現(xiàn)呢？

知識(shí)經(jīng)濟(jì)對(duì)決策的基本要求是科學(xué)化、民主化、系統(tǒng)化和程序化?？茖W(xué)化就是要在決策中全面地應(yīng)用知識(shí)。程序化就是把決策的過(guò)程分為準(zhǔn)備謀劃、抉擇、控制與修正四個(gè)階段，每個(gè)階段又有若干步驟，它們是與觀察和實(shí)驗(yàn)緊密聯(lián)系的。如準(zhǔn)備階段中有關(guān)信息的收集和處理，謀劃時(shí)的預(yù)測(cè)或可行性研究都離不開(kāi)觀察和調(diào)查；控制與修正階段的實(shí)施離不開(kāi)實(shí)踐和檢驗(yàn)。

3、縱觀物理學(xué)的發(fā)展歷史，從經(jīng)典力學(xué)、電磁場(chǎng)理論到相對(duì)論、量子力學(xué)以及宇宙大爆炸、量子信息、統(tǒng)一場(chǎng)論等，展現(xiàn)在我們眼前的是一部充滿生機(jī)的探索和創(chuàng)新史。面對(duì)經(jīng)濟(jì)全球化和日趨激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，我們?nèi)绾芜\(yùn)用物理學(xué)的探索和創(chuàng)新精神面對(duì)知識(shí)經(jīng)濟(jì)的挑戰(zhàn)？

探索和創(chuàng)新是物理學(xué)的靈魂，同樣也是知識(shí)經(jīng)濟(jì)的靈魂。知識(shí)經(jīng)濟(jì)提出經(jīng)濟(jì)創(chuàng)新概念，即5個(gè)新：引入一種新產(chǎn)品，采用一種新的生產(chǎn)方法，開(kāi)辟一個(gè)新的市場(chǎng)，獲得一種新的原料來(lái)源，實(shí)行一種新的企業(yè)組織形式。

綜上所述，物理學(xué)作為自然科學(xué)的基礎(chǔ)學(xué)科和帶頭學(xué)科，不僅為自然科學(xué)、工程技術(shù)提供了理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)技術(shù)，而且在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著極其重要的作用。瀏覽人類社會(huì)由農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)、工業(yè)經(jīng)濟(jì)到知識(shí)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的歷史，不難看到物理學(xué)在其中扮演的角色。

作者單位：棗莊學(xué)院

參考文獻(xiàn):

第9篇：量子力學(xué)對(duì)科技的影響范文

論文關(guān)鍵詞：大學(xué)生；量子物理；物理學(xué)史

量子力學(xué)是反映微觀粒子（分子、原子、原子核、基本粒子等）運(yùn)動(dòng)規(guī)律的理論。它是20世紀(jì)初在大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)和舊量子論基礎(chǔ)上建立起來(lái)的，是人們認(rèn)識(shí)和理解微觀世界的基礎(chǔ)。量子物理和相對(duì)論的成就使得物理學(xué)從經(jīng)典物理學(xué)發(fā)展到現(xiàn)代物理學(xué)，奠定了現(xiàn)代自然科學(xué)的主要基礎(chǔ)。量子力學(xué)的發(fā)現(xiàn)引發(fā)了一系列劃時(shí)代的科學(xué)發(fā)現(xiàn)與技術(shù)發(fā)明，對(duì)人類社會(huì)的進(jìn)步作出了重要貢獻(xiàn)。通過(guò)量子物理的教學(xué)，有利于培養(yǎng)大學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)、科學(xué)思維方法和科研能力，培養(yǎng)學(xué)生的探索精神、創(chuàng)新精神、科學(xué)思維能力以及辯證唯物主義的科學(xué)觀。另外，量子物理是處于發(fā)展中的理論，怎樣將量子論和廣義相對(duì)論（引力作用）統(tǒng)一起來(lái)仍是困擾人們的問(wèn)題?！跋依碚摗钡奶岢鍪谷藗兛吹搅讼Ｍ?，通過(guò)這部分的教學(xué)可以培養(yǎng)學(xué)生的橫、縱向思維和不斷追求科學(xué)真理的精神。因此，在大學(xué)物理的教學(xué)中應(yīng)適當(dāng)增加量子物理的教學(xué)內(nèi)容。由于量子物理里好多概念、思想和宏觀世界里的完全不同，叫人無(wú)法理解，以致量子論的奠基人之一玻爾（Niels Bohr）都要說(shuō)：“如果誰(shuí)不為量子論而感到困惑，那他就是沒(méi)有理解量子論。”那么怎樣讓學(xué)生在輕松愉快的狀態(tài)下學(xué)好量子物理呢？在教學(xué)過(guò)程中適當(dāng)引入物理學(xué)史有利于學(xué)生掌握其核心，既培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又有利于實(shí)現(xiàn)啟發(fā)式教學(xué)，而非純粹的概念和公式的教學(xué)。下面主要從幾個(gè)方面闡述物理學(xué)史在大學(xué)生學(xué)習(xí)中的重要作用。

一、非物理專業(yè)大學(xué)生學(xué)習(xí)量子物理的需要

即使是物理專業(yè)的學(xué)生，多數(shù)人在學(xué)習(xí)量子物理時(shí)一直如在云里霧里，雖然知道微觀粒子的波粒二象性，也知道不確定原理，了解原子的軌道理論，但是卻不知道為什么這樣。這一方面是由于量子物理里好多概念、思想和宏觀世界里的完全不同。另一方面，學(xué)生沒(méi)有掌握量子物理的核心，沒(méi)有從整體上把握量子物理的基石。一些教材對(duì)這部分的介紹也較少。如果在教學(xué)中能夠引入量子物理的發(fā)展史，不僅能吸引學(xué)生的注意力，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還有利于學(xué)生理解量子物理的概念和思想，使學(xué)生能夠身臨其境地感受到那場(chǎng)史詩(shī)般壯麗的革命，深刻體會(huì)量子論的偉大，有利于學(xué)生辯證唯物主義觀的形成。而非物理專業(yè)的學(xué)生與物理專業(yè)的學(xué)生相比，在學(xué)習(xí)量子物理時(shí)難度更大。這是由于物理專業(yè)的學(xué)生開(kāi)設(shè)了許多物理專業(yè)課，如原子分子物理、物理學(xué)史等課程，為量子物理的學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)。而非物理專業(yè)的學(xué)生沒(méi)有前期的知識(shí)鋪墊，對(duì)知識(shí)的掌握難度增大。如果能適當(dāng)加入量子發(fā)展史的介紹，不僅降低了學(xué)生學(xué)習(xí)難度，還激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，這就更突顯出物理學(xué)史在大學(xué)物理教學(xué)中的重要作用。

從整體上介紹量子物理的發(fā)展史可以使學(xué)生掌握量子物理的核心，從整體上把握量子物理的基石，即波恩的概率解釋、海森堡的不確定性原理和玻爾的互補(bǔ)原理。[2]這三大核心原理中，前兩者摧毀了經(jīng)典世界的因果性理論，互補(bǔ)原理和不確定原理又合力搗毀了世界的客觀性和客觀實(shí)在性理論。一些實(shí)驗(yàn)和理論斗爭(zhēng)的介紹不僅可以吸引學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還可以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維方法。19世紀(jì)末20世紀(jì)初，好多物理學(xué)家認(rèn)為物理學(xué)大廈已經(jīng)基本建成，后輩的工作只是做些細(xì)枝末節(jié)的修補(bǔ)和完善。但當(dāng)時(shí)物理學(xué)天空漂浮著兩朵小烏云，一朵是“以太的絕對(duì)參考系”，另一朵是“黑體輻射的紫外線災(zāi)難”。前者導(dǎo)致了相對(duì)論的建立，后者導(dǎo)致了量子物理的建立。

對(duì)量子物理三大基石的掌握，即波恩的概率解釋、海森堡的不確定性和玻爾的“互補(bǔ)原理”是量子物理的三大支柱。大學(xué)所學(xué)的量子物理學(xué)是基于這三個(gè)支柱的。這就像數(shù)學(xué)中的公理一樣，對(duì)于大學(xué)生而言不能去討論為什么，只能是是什么。

二、大學(xué)生素質(zhì)教育的需要

大學(xué)物理的量子部分教學(xué)不同于物理專業(yè)學(xué)生的量子物理教學(xué)。大學(xué)物理教學(xué)的目的主要是增強(qiáng)學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的思維方法、辯證唯物主義觀等素質(zhì)教育，重在方法而非純理論教學(xué)。因此，大學(xué)物理的教學(xué)目的與任務(wù)是使學(xué)生對(duì)物理學(xué)的基本概念、基本理論和基本方法有比較系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)和正確的理解，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。更為重要的是，在大學(xué)物理課程的各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)中，都應(yīng)在傳授知識(shí)的同時(shí)注重培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題能力，注重培養(yǎng)學(xué)生科研探索精神和辯證唯物主義世界觀的形成。量子物理發(fā)展史的介紹和講解有助于培養(yǎng)學(xué)生這方面的能力。

1.辯證唯物主義世界觀的培養(yǎng)

在大學(xué)物理的教學(xué)過(guò)程中融入物理學(xué)史的內(nèi)容有利于培養(yǎng)學(xué)生的辯證唯物主義世界觀。如關(guān)于光的本性的爭(zhēng)論持續(xù)了300年，光的波動(dòng)理論和微粒理論艱苦卓絕地斗爭(zhēng)了300年。量子論就是在這種斗爭(zhēng)中逐漸建立起來(lái)的。托馬斯·楊的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)、菲涅爾的圓盤(pán)衍射等實(shí)驗(yàn)形象的描述可使學(xué)生體會(huì)到光的波動(dòng)性；而光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)、康普頓的X射線散射實(shí)驗(yàn)等實(shí)驗(yàn)的介紹可使學(xué)生深刻體會(huì)光的粒子性；德布羅意電子波及實(shí)物粒子波理論的介紹及戴維遜和革末關(guān)于電子的實(shí)驗(yàn)，電子通過(guò)鎳塊時(shí)展現(xiàn)了X射線衍射圖案，證明了電子具有波動(dòng)性，由此人們認(rèn)識(shí)到了光及實(shí)物粒子的波粒二象性。這部分的教學(xué)可使學(xué)生領(lǐng)悟到看似毫不相干的量實(shí)際上存在著深刻的聯(lián)系，波動(dòng)性和粒子性原來(lái)是不可分割的一個(gè)整體。就像漫畫(huà)中教皇善與惡的兩面，雖然在每個(gè)確定的時(shí)刻只有一面能夠體現(xiàn)出來(lái)，但它們確實(shí)集中在一個(gè)人的身上。從中學(xué)生們可以深刻體會(huì)到任何事物都存在兩面性，人們要辯證地看待問(wèn)題。這部分歷史的簡(jiǎn)單介紹還可以使學(xué)生深刻體會(huì)到人們對(duì)真理的認(rèn)識(shí)是隨著科技的發(fā)展而不斷完善的過(guò)程，也是一個(gè)艱苦長(zhǎng)期的斗爭(zhēng)過(guò)程。對(duì)光的波粒二象性的認(rèn)識(shí)有利于培養(yǎng)學(xué)生辯證唯物主義世界觀。

2.分析問(wèn)題和解決問(wèn)題能力的培養(yǎng)

在大學(xué)物理的教學(xué)過(guò)程中適當(dāng)引入一些實(shí)驗(yàn)的描述或利用多媒體等手段演示實(shí)驗(yàn)過(guò)程有利于培養(yǎng)學(xué)生的分析能力和解決能力。對(duì)康普頓實(shí)驗(yàn)的講解分析可以培養(yǎng)學(xué)生的分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，尤其是康普頓的分析過(guò)程，而非純理論上的推導(dǎo)分析?？灯疹D在研究X射線被自由電子散射的時(shí)候發(fā)現(xiàn)一個(gè)奇怪的現(xiàn)象：散射出來(lái)的X射線分成兩個(gè)部分，一部分和原來(lái)的入射射線波長(zhǎng)相同，而另一部分卻比原來(lái)的射線波長(zhǎng)要長(zhǎng)，具體的大小和散射角存在著函數(shù)關(guān)系。如果運(yùn)用通常的波動(dòng)理論，散射應(yīng)該不會(huì)改變?nèi)肷涔獾牟ㄩL(zhǎng)才對(duì)。但是怎么解釋多出來(lái)的那一部分波長(zhǎng)變長(zhǎng)的射線呢？康普頓苦苦思索，試圖從經(jīng)典理論中尋找答案，卻撞得頭破血流。終于有一天，他作了一個(gè)破釜沉舟的決定，引入光量子的假設(shè)，把X射線看作能量為hν的光子束的集合。這個(gè)假定馬上讓他看到了曙光，眼前豁然開(kāi)朗：那一部分波長(zhǎng)變長(zhǎng)的射線是因?yàn)楣庾雍碗娮优鲎菜鸬摹９庾酉衿胀ǖ男∏蚰菢?，不僅帶有能量，還具有動(dòng)量。當(dāng)它和電子相撞，便將自己的能量交換一部分給電子。這樣一來(lái)，光子的能量下降，根據(jù)公式E=hν，E下降導(dǎo)致ν下降，頻率變小，便是波長(zhǎng)變大。這樣，X射線被自由電子散射的問(wèn)題得到完美的解決。然后再進(jìn)行理論推導(dǎo)，根據(jù)動(dòng)量和能量守恒解決該問(wèn)題，這樣不僅使學(xué)生印象深刻，還鍛煉了物理思維能力。

3.求實(shí)精神的培養(yǎng)

通過(guò)大學(xué)物理量子史部分的教學(xué)，介紹科學(xué)家嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、勇于追求真理的精神，培養(yǎng)學(xué)生追求真理的勇氣、嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度和刻苦鉆研的作風(fēng)。

4.科學(xué)觀察和思維能力的培養(yǎng)

在教學(xué)的過(guò)程中適當(dāng)融入量子發(fā)展史的內(nèi)容有利于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)觀察和思維能力。如玻爾的互補(bǔ)原理的提出過(guò)程。當(dāng)海森堡完成“不確定原理”后向玻爾請(qǐng)教，兩人就“不確定原理”是從粒子性而來(lái)還是波動(dòng)性而來(lái)展開(kāi)了論戰(zhàn)，從而提出了互補(bǔ)原理：波和粒子在同一時(shí)刻是互斥的，但它們卻在一個(gè)更高的層次上統(tǒng)一在一起，作為電子的兩面性被納入一個(gè)整體概念中。這就是玻爾的“互補(bǔ)原理”。它連同波恩的概率解釋、海森堡的不確定性共同構(gòu)成了量子論“哥本哈根解釋”的核心，至今仍然深刻地影響人們對(duì)于整個(gè)宇宙的終極認(rèn)識(shí)。講解過(guò)程中應(yīng)形象生動(dòng)地描述海森堡和玻爾的討論過(guò)程及他的思維過(guò)程，使學(xué)生有種身臨其境的感覺(jué)，從而培養(yǎng)科學(xué)觀察和思維的能力。在教學(xué)過(guò)程中適當(dāng)介紹思維實(shí)驗(yàn)有利于培養(yǎng)學(xué)生的思維能力及科學(xué)分析能力。如海森堡不確定性原理的提出過(guò)程就借助了思維實(shí)驗(yàn)及1935年愛(ài)因斯坦提出EPR思維實(shí)驗(yàn)等。

5.創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)

通過(guò)學(xué)學(xué)物理學(xué)的研究方法、量子物理的發(fā)展史以及物理學(xué)家的成長(zhǎng)經(jīng)歷等，引導(dǎo)學(xué)生樹(shù)立科學(xué)的世界觀，激發(fā)學(xué)生的求知熱情、探索精神、創(chuàng)新欲望以及敢于向舊觀念挑戰(zhàn)的精神。如普朗克能量子假設(shè)的提出體現(xiàn)了敢于向舊觀念、權(quán)威學(xué)家挑戰(zhàn)的精神。而創(chuàng)新意識(shí)對(duì)一個(gè)學(xué)生來(lái)說(shuō)是非常重要的，對(duì)社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展也起著重要作用的。

6.科學(xué)美感的培養(yǎng)

以麥克斯韋方程組為例，描述麥?zhǔn)戏匠趟憩F(xiàn)出的深刻、對(duì)稱、優(yōu)美，使得每一個(gè)科學(xué)家都陶醉在其中，玻爾茲曼情不自禁地引用歌德的詩(shī)句“難道是上帝寫(xiě)的這些嗎？”描述麥克斯韋方程組的美。一直到今天，麥?zhǔn)戏匠探M仍然被公認(rèn)為科學(xué)美的典范。許多偉大的科學(xué)家都為它的魅力折服，并受它深深的影響，有著對(duì)于科學(xué)美的堅(jiān)定信仰，甚至認(rèn)為：對(duì)于一個(gè)科學(xué)理論來(lái)說(shuō)，簡(jiǎn)潔優(yōu)美要比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確來(lái)得更為重要。依此引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)物理學(xué)所具有的明快簡(jiǎn)潔、均衡對(duì)稱、奇異相對(duì)、和諧統(tǒng)一等美學(xué)特征，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)審美觀，使學(xué)生學(xué)會(huì)用美學(xué)的觀點(diǎn)欣賞和發(fā)掘科學(xué)的內(nèi)在規(guī)律，逐步增強(qiáng)認(rèn)識(shí)和掌握自然科學(xué)規(guī)律的能力。

7.科學(xué)探索精神的培養(yǎng)

物理學(xué)在追求著大統(tǒng)一。許多科學(xué)家獻(xiàn)身于這項(xiàng)偉大的事業(yè)，比如弦理論的提出。講述其發(fā)展過(guò)程可激發(fā)學(xué)生的科學(xué)探索精神。

三、科學(xué)發(fā)展的需要