量子力學(xué)的理解精選(九篇)

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第1篇：量子力學(xué)的理解范文

Deep Beauty

2011，472pp

Hardback

ISBN9781107005709

Hans Halvorson編著

本書起源于2007年10月3-4日在新澤西州普林斯頓，由普林斯頓大學(xué)和約翰·坦普爾頓基金會(huì)（JTF）組辦的“深度的美：數(shù)學(xué)新方法和理解量子世界基礎(chǔ)的探究”主題研討會(huì)。會(huì)議從世界各地邀請(qǐng)了一批杰出的哲學(xué)家和科學(xué)家參會(huì)演講，會(huì)后演講者把他們的思想發(fā)展整理成為該書。

沒有什么科學(xué)理論能比量子理論引起更多的迷惑和困惑。起初在1900年，量子理論的發(fā)展忽冷忽熱，直到1932年馮諾依曼發(fā)表了他的開創(chuàng)性的經(jīng)典著作《量子力學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)》，量子力學(xué)才找到了與其相容的數(shù)學(xué)理論框架。物理學(xué)本來是幫助我們認(rèn)識(shí)理解世界的，但是量子理論把世界搞得更加難懂。這個(gè)困惑源自于我們嘗試想把量子理論和廣義相對(duì)論統(tǒng)一起來。量子力學(xué)所帶來的困惑不僅引起人們心里的不安，而且阻礙著物理學(xué)本身的發(fā)展。那么，我們?nèi)绾巫龀鲇^念上的創(chuàng)新呢？我們?nèi)绾握业揭粋€(gè)新的視角讓之前所有迷惑的現(xiàn)象通通變得合理可行，甚至是結(jié)構(gòu)美麗的。在光輝的歷史傳統(tǒng)中，從哲學(xué)家康德（Immanuel Kant）到哲學(xué)數(shù)學(xué)家弗雷格（Gottlob Frege）和布羅威爾（L. E. J. Brouwer），數(shù)學(xué)科學(xué)創(chuàng)造了許多新概念，碩果累累。因此，本書的切入點(diǎn)在于認(rèn)同數(shù)學(xué)的創(chuàng)造性發(fā)展能夠推動(dòng)人類觀念的進(jìn)步，促使我們理解當(dāng)今的物理理論，尤其是量子理論，進(jìn)而推動(dòng)了物理學(xué)的進(jìn)步。

本書內(nèi)容分為三個(gè)部分，共12章：第一部分超越希爾伯特空間的范式，含第1-6章：范疇理論：1.N-范疇物理學(xué)的歷史前傳；2.宇宙的進(jìn)程和它的一些假象；3.拓?fù)渌梗═opos）方法在基礎(chǔ)物理學(xué)中的應(yīng)用；4.存在化（Daseinisation）的物理解釋；5.經(jīng)典和量子的可觀察量；6.波爾化（Bohrification）。第二部分超越希爾伯特空間范式：算子代數(shù)，含第7-8章：7.小題大做：引人注目的相對(duì)論真空狀態(tài)；8.愛因斯坦遇見馮諾依曼：代數(shù)量子場(chǎng)論中的局部性和可控的獨(dú)立性。第三部分希爾伯特空間框架含第9-12章：9.量子理論及其超越：糾纏態(tài)是特殊的嗎？；10.馮諾依曼對(duì)“沒有隱藏的變量”的證明是荒謬的嗎？11.廣義概率論的葉理狀（Foliable）可控制結(jié)構(gòu)；12.強(qiáng)的自由意志定理。

本書側(cè)重于方法論，從多個(gè)角度闡述新思想，尤其是新的數(shù)學(xué)概念，旨在引入新的觀念幫助我們理解當(dāng)代物理學(xué)及其未來的發(fā)展。書中作者都是物理學(xué)、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的頂尖專家，有數(shù)學(xué)家（Conway，de Groote，Kochen，Spitters），物理學(xué)家（Baez，Coecke，Dring，Heunen，Isham，Landsman，Lauda，Summers），理論物理學(xué)家（Brukner，Dakic，Hardy）和哲學(xué)家（Bub，Redéi）。

本書適合數(shù)學(xué)、物理學(xué)和科學(xué)哲學(xué)領(lǐng)域相關(guān)的研究人員閱讀。

陳濤，

博士生

（中國(guó)傳媒大學(xué)理學(xué)院）

第2篇：量子力學(xué)的理解范文

量子力學(xué)課程是工科電類專業(yè)的一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程。通過該課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生初步掌握量子力學(xué)的基本原理和基本方法，認(rèn)識(shí)微觀世界的物理圖像以及微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，了解宏觀世界與微觀世界的內(nèi)在聯(lián)系和本質(zhì)的區(qū)別。量子力學(xué)課程教學(xué)質(zhì)量的好壞直接影響后續(xù)的如“固體物理學(xué)”、“半導(dǎo)體物理學(xué)”、“集成電路工藝原理”、“量子電子學(xué)”、“納米電子學(xué)”、“微電子技術(shù)”等課程的學(xué)習(xí)。

量子力學(xué)課程的學(xué)習(xí)要求學(xué)生具有良好的數(shù)學(xué)和物理基礎(chǔ)，對(duì)學(xué)生的邏輯思維能力和空間想象能力等要求較高，因此要學(xué)好量子力學(xué)，在我們教學(xué)的過程中，需要充分發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和積極性。同時(shí)，隨著科學(xué)日新月異的發(fā)展，對(duì)量子力學(xué)課程的教學(xué)也不斷提出新的要求。如何充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和能動(dòng)性，切實(shí)提高量子力學(xué)課程的教學(xué)質(zhì)量和教師的教學(xué)水平，已經(jīng)成為擺在高校教師目前的一項(xiàng)重要課題。

該課程組在近幾年的教學(xué)改革和教學(xué)實(shí)踐中，本著高校應(yīng)用型人才的培養(yǎng)需求，強(qiáng)調(diào)量子力學(xué)基本原理、基本思維方法的訓(xùn)練，結(jié)合物理學(xué)史，充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性；充分利用熟知軟件，理解物理圖像，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性；結(jié)合現(xiàn)代科學(xué)知識(shí)，強(qiáng)調(diào)理論在實(shí)踐中的應(yīng)用，取得了良好的教學(xué)效果。

1 當(dāng)前的現(xiàn)狀及存在的主要問題

目前工科電類專業(yè)普遍感覺量子力學(xué)課程難學(xué)，其主要原因在于：第一，量子力學(xué)它是一門全新的課程理論體系，其基本理論思想與解決問題的方法都沒有經(jīng)典的對(duì)應(yīng)，而學(xué)習(xí)量子力學(xué)必須完全脫離以前在頭腦中根深蒂固的“經(jīng)典”的觀念；第二，量子力學(xué)的概念與規(guī)律抽象，應(yīng)用的數(shù)學(xué)知識(shí)比較多，公式推導(dǎo)復(fù)雜，計(jì)算困難；第三，雖然量子力學(xué)問題接近實(shí)際，但要學(xué)生理解和解決問題，還需要一個(gè)過程；由于上述問題的存在，使初學(xué)者都感到量子力學(xué)課程枯燥無味、晦澀難懂，而且隨著學(xué)科知識(shí)的飛速發(fā)展，知識(shí)的更新周期空前縮短，在有限的課時(shí)情況下，如何使學(xué)生在掌握扎實(shí)的基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)，跟上時(shí)代的步伐，了解科學(xué)的前沿，以適應(yīng)新世紀(jì)人才培養(yǎng)的需求，是擺在我們教育工作者面前的巨大挑戰(zhàn)。

2 結(jié)合物理學(xué)史激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

興趣是最好的老師，在大學(xué)物理中，談到了19世紀(jì)末物理學(xué)所遇到的“兩朵烏云”，光電效應(yīng)和紫外災(zāi)難，1900年，普朗克提出了能量子的概念，解決了黑體輻射的問題；后來，愛因斯坦在普朗克的啟發(fā)下，提出了光量子的概念，解釋了光電效應(yīng)，并提出了光的波粒二象性；德布羅意又在愛因斯坦的啟發(fā)下，大膽的提出實(shí)物粒子也具有波粒二象性；對(duì)于物理學(xué)的第三朵烏云“原子的線狀光譜，”玻爾提出了關(guān)于氫原子的量子假設(shè)，解釋了氫原子的結(jié)構(gòu)以及線狀光譜的實(shí)驗(yàn)。后來還有薛定諤、海森堡、狄拉克等偉大的物理學(xué)家的努力，建立了一套嶄新的理論體系-量子力學(xué)。在教學(xué)的過程中，適當(dāng)穿插量子力學(xué)的發(fā)展歷史以及偉大科學(xué)家的傳記故事，避免了量子力學(xué)課程“全是數(shù)學(xué)的推導(dǎo)”的現(xiàn)狀，這樣激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)熱情，通過對(duì)偉大科學(xué)家的介紹，培養(yǎng)刻苦鉆研的精神。實(shí)踐表明，這樣的教學(xué)模式大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性。

3 結(jié)合熟知軟件化抽象為形象

量子力學(xué)內(nèi)容抽象，對(duì)一些典型的結(jié)論，可以用軟件模擬的方式實(shí)現(xiàn)物理圖像的重現(xiàn)。很多軟件如matlab、c語言等很多學(xué)生不是很熟練，而且編程較難，結(jié)合物理結(jié)論作圖較為困難；Excell是學(xué)生常用的軟件之一，簡(jiǎn)單易學(xué)卻功能強(qiáng)大，幾乎每位同學(xué)都非常熟練，我們充分利用這一點(diǎn)，將Excell軟件應(yīng)用到量子力學(xué)的教學(xué)過程中，取得了良好的效果。

如在一維無限深勢(shì)阱中，我們用解析法嚴(yán)格求解得到了波函數(shù)和能級(jí)的方程。而波函數(shù)的模方表示幾率密度。我們要求學(xué)生用Excell作圖，這樣得到粒子阱中的幾率分布，通過與經(jīng)典幾率的比較（經(jīng)典粒子在阱中各處出現(xiàn)的幾率應(yīng)該相等）和經(jīng)典能級(jí)的比較（經(jīng)典的能量分布應(yīng)該是連續(xù)的函數(shù)），通過學(xué)生的自我參與，充分激發(fā)了學(xué)生的求知欲望；從簡(jiǎn)單的作圖，學(xué)生深刻理解了微觀粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的波函數(shù)；微觀粒子的能量不再是連續(xù)的，而是量子化了的能級(jí)，當(dāng)n趨于無窮大時(shí)微觀趨向于經(jīng)典的結(jié)果，即經(jīng)典是量子的極限情況；通過學(xué)生熟知的軟件，直觀的再現(xiàn)了物理圖像，學(xué)生會(huì)進(jìn)一步來深刻思考這個(gè)結(jié)論的由來，傳統(tǒng)的教學(xué)中，我們先講薛定諤方程，然后再解這個(gè)方程，再利用邊界條件和波函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)條件，一步一步推導(dǎo)下來，這樣的教學(xué)模式有很多學(xué)生由于數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)較為薄弱，推導(dǎo)過程又比較繁瑣，因此會(huì)逐步對(duì)課程失去了興趣，這也直接影響了后面章節(jié)的學(xué)習(xí)，而通過學(xué)生親自作圖實(shí)現(xiàn)的物理圖像，改變了傳統(tǒng)的“填鴨式”教學(xué)，最大限度的使學(xué)生參與到課程中，這樣的效果也將事半功倍了，大大提高了教學(xué)的效果。

4 結(jié)合科學(xué)發(fā)展前沿拓寬學(xué)生視野

在課程的教學(xué)中，除了注重理論基礎(chǔ)知識(shí)的講解和基礎(chǔ)知識(shí)的應(yīng)用以外，還需介紹量子力學(xué)學(xué)科前沿發(fā)展的一些動(dòng)態(tài)。結(jié)合教師的教學(xué)科研工作，將國(guó)內(nèi)外反映量子力學(xué)方面的一些最新的成果融入到課程的教學(xué)之中，推薦和鼓勵(lì)學(xué)生閱讀反映這類問題的優(yōu)秀網(wǎng)站、科研文章，使學(xué)生了解量子力學(xué)學(xué)科的發(fā)展前沿，從而達(dá)到拓寬學(xué)生視野，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的目的。例如近年興起并迅速發(fā)展起來的量子信息、量子通訊、量子計(jì)算機(jī)等學(xué)科，其基礎(chǔ)理論就是量子力學(xué)的應(yīng)用，了解了這些發(fā)展，學(xué)生會(huì)反過來進(jìn)一步理解課程中如量子態(tài)、自旋等概念，量子態(tài)和自旋本身就是非常抽象的物理概念，他們沒有經(jīng)典的對(duì)應(yīng)，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的理解，學(xué)生會(huì)進(jìn)一步理解用態(tài)矢來表示一個(gè)量子態(tài)，由于電子的自旋只有兩個(gè)取向，正好與計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)中二進(jìn)制0和1相對(duì)應(yīng)，這也正是量子計(jì)算機(jī)的基本原理，通過學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)，從而達(dá)到提高教學(xué)質(zhì)量的目的。另外我們還要介紹量子力學(xué)在近代物理學(xué)、化學(xué)、材料學(xué)、生命學(xué)等交叉學(xué)科中的應(yīng)用，拓寬學(xué)生的視野。

第3篇：量子力學(xué)的理解范文

關(guān)鍵詞：量子力學(xué)；教學(xué)探索；普通高校

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2013）50-0212-02

一、概論

量子力學(xué)從建立伊始就得到了迅速的發(fā)展，并很快融合其他學(xué)科，發(fā)展建立了量子化學(xué)、分子生物學(xué)等眾多新興學(xué)科。曾謹(jǐn)言曾說過，量子力學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展，也許會(huì)對(duì)21世紀(jì)人類的物質(zhì)文明有更深遠(yuǎn)的影響[1]。

地處西部地區(qū)的貴州省，基礎(chǔ)教育水平相對(duì)落后。表1列出了2005年到2012年來的貴州省高考二本理科錄取分?jǐn)?shù)線，從中可知：自2009年起二本線已經(jīng)低于60%的及格線，并呈顯越來越低的趨勢(shì)。對(duì)于地方性新升本的普通本科學(xué)校來講，其生源質(zhì)量相對(duì)較低。同時(shí)，在物理學(xué)（師范）專業(yè)大部分學(xué)生畢業(yè)后的出路主要是中學(xué)教師、事業(yè)單位一般工作人員及公務(wù)員，對(duì)量子力學(xué)的直接需求并不急切。再加上量子力學(xué)的“曲高和寡”，學(xué)生長(zhǎng)期以來形成學(xué)之無用的觀念，學(xué)習(xí)意愿很低。在課時(shí)安排上，隨著近年教育改革的推進(jìn)，提倡重視實(shí)習(xí)實(shí)踐課程、注重學(xué)生能力培養(yǎng)的觀念的深入，各門課程的教學(xué)時(shí)數(shù)被壓縮，量子力學(xué)課程課時(shí)從72壓縮至54學(xué)時(shí)，課時(shí)被壓縮25%。

總之，在學(xué)校生源質(zhì)量逐年下降、學(xué)生學(xué)習(xí)意愿逐年降低，且課時(shí)量大幅減少的情況下，教師的教學(xué)難度進(jìn)一步增大。以下本人結(jié)合從2005至10級(jí)《量子力學(xué)》的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，談一下教學(xué)方面的思考。

二、依據(jù)學(xué)生情況，合理安排教學(xué)內(nèi)容

1.根據(jù)班級(jí)的基礎(chǔ)區(qū)別化對(duì)待，微調(diào)課程內(nèi)容?？紤]到我校學(xué)生的實(shí)際情況和需要，教學(xué)難度應(yīng)與重點(diǎn)院校學(xué)生有差別。同時(shí)，通過前一屆的教學(xué)積累經(jīng)驗(yàn)，對(duì)后續(xù)教學(xué)應(yīng)有小的調(diào)整。在備課時(shí)，通過微調(diào)教學(xué)內(nèi)容來適應(yīng)學(xué)習(xí)基礎(chǔ)和能力不同的學(xué)生。比如，通過課堂教學(xué)及作業(yè)的反饋，了解該班學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，再根據(jù)班級(jí)學(xué)習(xí)狀況的不同，進(jìn)行后續(xù)課程內(nèi)容的微調(diào)。教學(xué)中注重量子力學(xué)基本概念、規(guī)律和物理思想的展開，降低教學(xué)內(nèi)容的深度，注重面上的擴(kuò)展，進(jìn)行全方位拓寬、覆蓋，特別是降低困難題目在解題方面要求，幫助學(xué)生克服學(xué)習(xí)的畏難心理。

2.照顧班內(nèi)大多數(shù)，適當(dāng)降低數(shù)學(xué)推導(dǎo)難度。對(duì)于教學(xué)過程中將要碰到的數(shù)學(xué)問題，可采取提前布置作業(yè)的方法，讓學(xué)生主動(dòng)去復(fù)習(xí)，再輔以教師課堂講解復(fù)習(xí)，以解決學(xué)生因?yàn)閿?shù)學(xué)基礎(chǔ)差而造成的理解困難。同時(shí)，可以通過補(bǔ)充相關(guān)數(shù)學(xué)知識(shí)，細(xì)化推導(dǎo)過程，降低推導(dǎo)難度來解決。比如：在講解態(tài)和力學(xué)量的表象時(shí)[2]，要求學(xué)生提前復(fù)習(xí)線性代數(shù)中矩陣特征值、特征向量求解及特征向量的斯密特正交化方法。使學(xué)生掌握相關(guān)的數(shù)學(xué)知識(shí)，這對(duì)理解算符本征方程的本征值和本征函數(shù)起了很大的推動(dòng)作用。

3.注重量子論思想的培養(yǎng)。量子論的出現(xiàn)，推動(dòng)了哲學(xué)的發(fā)展，給傳統(tǒng)的時(shí)空觀、物質(zhì)觀等帶來了巨大的沖擊，舊的世界觀在它革命性的沖擊下分崩離析，新的世界觀逐漸形成。量子力學(xué)給出了一套全新的思維模式和解決問題的方法，它的思維模式跟人們的直覺和常識(shí)格格不入，一切不再連續(xù)變化，而是以“量子”的模式一份一份的增加或減少。地方高校的學(xué)生數(shù)學(xué)基礎(chǔ)較差，不愿意動(dòng)手推導(dǎo)，學(xué)習(xí)興趣較低，量子力學(xué)的教學(xué)，對(duì)學(xué)生量子論思維方式的培養(yǎng)就顯得尤為重要。為了完成從經(jīng)典理論到量子理論思維模式的轉(zhuǎn)變，概念的思維方式是基礎(chǔ)、是重中之重。通過教師的講解，使學(xué)生理解量子力學(xué)的思考方式，并把經(jīng)典物理中機(jī)械唯物主義的絕對(duì)的觀念和量子力學(xué)中的概率的觀念相聯(lián)系起來，在生活中能夠利用量子力學(xué)的思維方式思考問題，從而達(dá)到學(xué)以致用的目的。

4.跟蹤科學(xué)前沿，隨時(shí)更新科研進(jìn)展。科學(xué)是不斷向前發(fā)展的，而教材自從編好之后多年不再變化，致使本領(lǐng)域的最新研究成果，不能在教材中得到及時(shí)體現(xiàn)。而發(fā)生在眼下的事件，最新的東西才是學(xué)生感興趣的。因此，我們可以利用學(xué)生的這種心理，通過跟蹤科學(xué)前沿，及時(shí)補(bǔ)充量子力學(xué)進(jìn)展到教學(xué)內(nèi)容中的方式，來提高學(xué)習(xí)量子力學(xué)的興趣。教師利用量子力學(xué)基本原理解釋當(dāng)下最具轟動(dòng)性的科技新聞，提高量子力學(xué)在現(xiàn)實(shí)生活中出現(xiàn)的機(jī)會(huì)，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生利用基本原理解釋現(xiàn)實(shí)問題，從而培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力。

三、更新教學(xué)手段，提高教學(xué)效率

1.拓展手段，量子力學(xué)可視化。早在上世紀(jì)90年代初，兩位德國(guó)人就編制完成了名為IQ的量子力學(xué)輔助教學(xué)軟件，并在此基礎(chǔ)上出版了《圖解量子力學(xué)》。該書采用二維網(wǎng)格圖形和動(dòng)畫技術(shù)，形象地表述量子力學(xué)的基本內(nèi)容，推動(dòng)了量子力學(xué)可視化的前進(jìn)。近幾年計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的迅速提高，將計(jì)算物理學(xué)方法和動(dòng)畫技術(shù)相結(jié)合，再輔以數(shù)學(xué)工具模擬，應(yīng)用到量子力學(xué)教學(xué)的輔助表述上，使量子力學(xué)可視化。通過基本概念和原理形象逼真的表述，學(xué)生理解起來必將更加輕松，其理解能力也會(huì)得到提高。

2.適當(dāng)引入英語詞匯。在一些漢語解釋不是特別清楚的概念上，可以引入英文的原文，使學(xué)生更清晰的理解原理所表述的含義。例如，在講解測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系時(shí)，初學(xué)者往往覺得它很難理解。由于這個(gè)原理和已經(jīng)深入人心經(jīng)典物理概念格格不入，因此初學(xué)者往往缺乏全面、正確的認(rèn)識(shí)。有學(xué)生根據(jù)漢語的字面意思認(rèn)為，測(cè)量了才有不確定度，不測(cè)量就不存在不確定。這時(shí)教師引入英文“Uncertainty principle”可使學(xué)生通過英文原意“不確定原理”知道，這個(gè)原理與“測(cè)量”這個(gè)動(dòng)作的實(shí)施與否并沒有絕對(duì)關(guān)系，也就是說并不是測(cè)量了力學(xué)量之間才有不確定度，不測(cè)量就不存在，而是源于量子力學(xué)中物質(zhì)的波粒二象性的基本原理。

3.提出問題，引導(dǎo)學(xué)生探究。對(duì)于學(xué)習(xí)能力較強(qiáng)的學(xué)生，適當(dāng)引入思考題，并指導(dǎo)他們解決問題，從而使學(xué)生得到基本的科研訓(xùn)練。比如，在講解氫原子一級(jí)斯塔克效應(yīng)時(shí)，提到“通常的外電場(chǎng)強(qiáng)度比起原子內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度來說是很小的”[2]。這時(shí)引入思考題：當(dāng)氫原子能級(jí)主量子數(shù)n增大時(shí)，微擾論是否還適用？在哪種情況下可以使用，精確度為多少？當(dāng)確定精度要求后，微擾論在討論較高激發(fā)態(tài)時(shí)，這個(gè)n能達(dá)到多少？學(xué)生通過對(duì)問題的主動(dòng)探索解決，將進(jìn)一步熟悉微擾論這個(gè)近似方法的基本過程，理解這種近似方法的精神。這樣不僅可以加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解，還可以得到基本的科研訓(xùn)練，從而引導(dǎo)學(xué)生走上科研的道路。

4.師生全面溝通，及時(shí)教學(xué)反饋。教學(xué)反饋是教學(xué)系統(tǒng)有效運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它對(duì)教和學(xué)雙方都具有激發(fā)新動(dòng)機(jī)的作用。比如：通過課堂提問及觀察學(xué)生表情變化的方式老師能夠及時(shí)掌握學(xué)生是否理解教師所講的內(nèi)容，若不清楚可以當(dāng)堂糾正。由此建立起良好的師生互動(dòng)，改變單純的灌輸式教學(xué)，在動(dòng)態(tài)交流中建立良好的教學(xué)模式，及時(shí)調(diào)整自己的教學(xué)行為。利用好課程結(jié)束前5分鐘，進(jìn)行本次課程主要內(nèi)容的回顧，及時(shí)反饋總結(jié)。通過及時(shí)批改課后作業(yè)，了解整個(gè)班級(jí)相關(guān)知識(shí)及解題方法的掌握情況。依據(jù)反饋信息，對(duì)后續(xù)課程進(jìn)行修訂。

通過雙方的反饋信息，教師可以根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)中的反饋信息分析、判定學(xué)生學(xué)習(xí)的效果，學(xué)生也可以根據(jù)教師的反饋，分析自己的學(xué)習(xí)效率，檢測(cè)自己的學(xué)習(xí)態(tài)度、水平和效果。同時(shí)，學(xué)生學(xué)習(xí)行為活動(dòng)和結(jié)果的反饋是教師自我調(diào)控和對(duì)整個(gè)教學(xué)過程進(jìn)行有效調(diào)控的依據(jù)[6]。

四、結(jié)論

量子力學(xué)作為傳統(tǒng)的“難課”，一直是學(xué)生感到學(xué)起來很困難的課程。特別是高校大擴(kuò)招的背景下，很多二本高校都面臨著招生生源質(zhì)量下降、學(xué)生學(xué)習(xí)意愿不高的現(xiàn)狀，造成了教師教學(xué)難度進(jìn)一步增大。要增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量，教師不僅要遵循高等教育的教學(xué)規(guī)律，不斷加強(qiáng)自身的學(xué)術(shù)水平，講課技能，適時(shí)調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，采取與之相對(duì)應(yīng)的教學(xué)手段，還需要做好教學(xué)反饋，加強(qiáng)與學(xué)生的溝通交流，了解學(xué)生的真實(shí)想法，并有針對(duì)性的引入與生活、現(xiàn)實(shí)相關(guān)的事例，提高學(xué)生學(xué)習(xí)量子力學(xué)的興趣。

參考文獻(xiàn)：

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第4篇：量子力學(xué)的理解范文

關(guān)鍵詞 量子力學(xué) 教學(xué)內(nèi)容 教學(xué)方法

中圖分類號(hào)：G420 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Teaching Methods and Practice of Quantum Mechanics of

Materials Physics Professional

FU Ping

(College of Materials Science and Engineering, Wuhan Institute of Technology, Wuhan, Hubei 430073)

Abstract For the difficulties faced by students in Materials professional to learn quantum mechanics physics course, by a summary of teaching practice in recent years, from the teaching content, teaching methods and means of exploration and practice, students mobilize the enthusiasm and initiative, and achieved good teaching results.

Key words quantum mechanics; teaching content; teaching methods

0 引言

量子力學(xué)是研究微觀粒子（如原子、分子、原子核和基本粒子等）運(yùn)動(dòng)規(guī)律的物理學(xué)分支學(xué)科，它和相對(duì)論是矗立在20世紀(jì)之初的兩座科學(xué)豐碑，一起構(gòu)成了現(xiàn)代物理學(xué)的兩塊理論基石。相對(duì)論和量子力學(xué)徹底改變了經(jīng)典物理學(xué)的世界觀，并且深化了人類對(duì)自然界的認(rèn)識(shí)，改造了人類的宇宙觀和思想方法，它使人們對(duì)物質(zhì)存在的方式及其運(yùn)動(dòng)形態(tài)等的認(rèn)識(shí)產(chǎn)生了一個(gè)質(zhì)的飛躍。

量子力學(xué)是材料物理專業(yè)一門承前啟后的專業(yè)基礎(chǔ)必修課：量子力學(xué)的教學(xué)必須以數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，包括線性代數(shù)、概率論、高等數(shù)學(xué)、數(shù)理方法等，其又是后續(xù)課程材料科學(xué)基礎(chǔ)、固體物理、材料物理、納米材料等的理論基礎(chǔ)?？梢姡孔恿W(xué)課程在材料物理專業(yè)的課程體系中占有非常重要的地位，學(xué)生掌握的程度直接影響后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)。作者近年來一直從事量子力學(xué)的教學(xué)工作，針對(duì)量子力學(xué)課程教學(xué)過程中存在的現(xiàn)象和問題，進(jìn)行了較深入細(xì)致的思考與探討，在實(shí)際教學(xué)過程中對(duì)本課程的教學(xué)方法進(jìn)行了探索與實(shí)踐，收到了較好的教學(xué)效果。

1 量子力學(xué)教學(xué)面臨的難點(diǎn)

量子力學(xué)研究的是微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，微觀粒子同宏觀粒子不同，看不見，摸不著，只有借助于探測(cè)器才能察覺它的存在和屬性。材料物理專業(yè)學(xué)生之前學(xué)習(xí)的基本上是經(jīng)典物理，而量子力學(xué)理論無法用經(jīng)典理論進(jìn)行解釋，學(xué)生對(duì)此感到難于理解。因此，經(jīng)典物理的傳統(tǒng)觀念對(duì)學(xué)生思想的束縛，構(gòu)成了學(xué)生學(xué)習(xí)量子力學(xué)的思想障礙；量子力學(xué)可以說無處不“數(shù)學(xué)”， 由于材料物理專業(yè)學(xué)生在數(shù)學(xué)基礎(chǔ)方面與物理專業(yè)學(xué)生相比較為薄弱，在學(xué)習(xí)過程中普遍感到數(shù)學(xué)計(jì)算繁難，對(duì)大段的數(shù)學(xué)推導(dǎo)表現(xiàn)出畏難情緒。可見，量子力學(xué)對(duì)數(shù)學(xué)的精彩詮釋卻構(gòu)成了學(xué)生學(xué)習(xí)量子力學(xué)的心理障礙。這兩大障礙勢(shì)必會(huì)影響量子力學(xué)和后續(xù)課程的學(xué)習(xí)。在這種情況下，我們應(yīng)當(dāng)怎樣開展量子力學(xué)教學(xué)從而使學(xué)生重視并努力學(xué)好該課程就成了一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

2 明確教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)、有的放矢

要講授一門課程，首先應(yīng)該對(duì)課程內(nèi)容有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)。量子力學(xué)的內(nèi)容可以包括三個(gè)方面：一是介紹產(chǎn)生新概念的歷史背景及一些重要實(shí)驗(yàn)；二是提出一系列不同于經(jīng)典物理學(xué)的基本概念與原理，如波函數(shù)、算符等概念和相關(guān)原理，是該課程的核心；三是給出解決具體實(shí)際問題的方法。三部分內(nèi)容相互聯(lián)系，層層推進(jìn)，形成完整的知識(shí)體系。作為引導(dǎo)者，教師應(yīng)在這三部分內(nèi)容的教學(xué)過程中幫助學(xué)生成功地突破兩大束縛。第一部分內(nèi)容教師應(yīng)考慮如何引導(dǎo)學(xué)生入門，從習(xí)慣古典概念轉(zhuǎn)而接受量子概念。在講授這部分內(nèi)容時(shí)要將重點(diǎn)放在“經(jīng)典”向“量子”的過渡上，引出量子力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)在研究方法上的顯著不同：經(jīng)典力學(xué)是將其研究對(duì)象作為連續(xù)的不間斷的整體對(duì)待，而量子力學(xué)將其研究對(duì)象看成的間斷的、不連續(xù)的。學(xué)生在學(xué)習(xí)這部分時(shí)應(yīng)仔細(xì)“品嘗”其中的“滋味”，以便啟發(fā)自己的思維自然地產(chǎn)生一個(gè)飛躍，完成思想的突破。第二、三部分是量子力學(xué)學(xué)習(xí)的重點(diǎn)與難點(diǎn)，并且涉及大量的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，教師應(yīng)采取適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)手段，突出重點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)難點(diǎn)。在物理學(xué)研究中，數(shù)學(xué)只是用來表達(dá)物理思想并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行邏輯演算的工具，不能將物理內(nèi)容淹沒在復(fù)雜的數(shù)學(xué)形式當(dāng)中。通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)才能得到的結(jié)論，只需告訴學(xué)生，從數(shù)學(xué)上可以得到這樣的結(jié)果就可以了，無需將重點(diǎn)放在繁難的數(shù)學(xué)推導(dǎo)上，否則會(huì)使學(xué)生本末倒置，忽略了對(duì)量子力學(xué)思想的理解。這樣的教學(xué)可以幫助學(xué)生突破心理障礙，不會(huì)一提量子力學(xué)就想到復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，從而產(chǎn)生抵觸情緒。成功地突破這兩大障礙，是學(xué)習(xí)量子力學(xué)的關(guān)鍵。

3 教學(xué)方法的改革

3.1 利用現(xiàn)代技術(shù)改進(jìn)教學(xué)手段

傳統(tǒng)的板書教學(xué)能夠形成系統(tǒng)性的知識(shí)框架，教師在板書推導(dǎo)的過程中，學(xué)生有時(shí)間反應(yīng)和思考，緊跟教師的思路，從而可以詳細(xì)、循序漸進(jìn)地吸收所學(xué)知識(shí)，并培養(yǎng)了良好的思維習(xí)慣。但全程板書會(huì)導(dǎo)致上課節(jié)奏慢，授課內(nèi)容有限。目前隨著高校教學(xué)改革的推進(jìn)，授課學(xué)時(shí)相繼減少，對(duì)于傳統(tǒng)教學(xué)方式來講，要完成教學(xué)任務(wù)比較困難。這就要借助現(xiàn)代科技手段進(jìn)行教學(xué)改革，包括多媒體課件的使用和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)。但是在量子力學(xué)教學(xué)中，一些繁雜公式的推導(dǎo)，如果使用多媒體課件，節(jié)奏會(huì)較快，導(dǎo)致學(xué)生目不暇接，來不及做筆記，更來不及思考，不利于講授內(nèi)容的消化吸收。鑒于此，對(duì)于量子力學(xué)課程，教學(xué)過程應(yīng)采用板書和多媒體技術(shù)相結(jié)合的方式，充分發(fā)揮二者的優(yōu)勢(shì)，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

3.2 建設(shè)習(xí)題庫

量子力學(xué)課程理論抽象，要深入理解這些理論，在熟練掌握教材基本知識(shí)的基礎(chǔ)上，需要通過大量習(xí)題的演練，循序漸近，才能檢驗(yàn)自己理解的程度，真正學(xué)好這門課程。因此在教學(xué)過程中，強(qiáng)調(diào)做習(xí)題的重要性。有針對(duì)性地根據(jù)材料物理專業(yè)量子力學(xué)的教學(xué)大綱和教學(xué)內(nèi)容，參考多本量子力學(xué)教材和習(xí)題集，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)建設(shè)量子力學(xué)習(xí)題庫，題型包括選擇、填空、證明、簡(jiǎn)答和計(jì)算題等，內(nèi)容涵蓋各知識(shí)點(diǎn)，從簡(jiǎn)到繁、由淺至深。題庫操作方便，學(xué)生可自行操作，并對(duì)所做結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)檢查，從而清楚自己掌握本課程的程度。這一方式在近幾年的教學(xué)中取得了良好的教學(xué)效果。

3.3 加強(qiáng)與學(xué)生互動(dòng)，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性

教學(xué)是一個(gè)師生互動(dòng)的過程，應(yīng)讓學(xué)生始終處于主動(dòng)學(xué)習(xí)的位置而不是被動(dòng)的接受。量子力學(xué)課程的學(xué)習(xí)更應(yīng)積極調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，因此教師應(yīng)在教學(xué)過程中加強(qiáng)與學(xué)生的互動(dòng)。增設(shè)課前提問、課后討論環(huán)節(jié)，認(rèn)真批改作業(yè)，積極發(fā)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)過程中存在的問題，并及時(shí)對(duì)問題進(jìn)行深入講解，解決問題。另外，由于量子力學(xué)是建立在一系列基本假定基礎(chǔ)之上的，抽象難懂，鑒于學(xué)生難接受的情況，在授課時(shí)注意理論聯(lián)系實(shí)際，盡可能進(jìn)行知識(shí)的滲透和遷移，將量子力學(xué)在實(shí)際中的應(yīng)用穿插于教學(xué)之中，豐富教學(xué)內(nèi)容，開拓學(xué)生視野，從而調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。

4 結(jié)語

通過近年來教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)和探索，形成了一套適合材料物理專業(yè)量子力學(xué)課程教學(xué)的方法，該方法教學(xué)效果良好。在近幾年的研究生入學(xué)考試中，學(xué)生量子力學(xué)課程的成績(jī)優(yōu)秀，說明采用這樣的教學(xué)方法是成功的。

資助項(xiàng)目：武漢工程大學(xué)2010年校級(jí)教學(xué)研究項(xiàng)目（X201037）

第5篇：量子力學(xué)的理解范文

本書共25章：1. 引言；2. 數(shù)學(xué)綜述；3. 量子力學(xué)的規(guī)則；4. 基本定律與和波動(dòng)力學(xué)間的關(guān)聯(lián)；5.量子力學(xué)規(guī)律的進(jìn)一步說明；6. 一維波動(dòng)力學(xué)的后續(xù)發(fā)展；7. 角動(dòng)量的理論；8. 三維波動(dòng)力學(xué)：氫原子；9. 對(duì)束縛態(tài)問題的時(shí)間無關(guān)近似；10. 微擾理論的應(yīng)用：氫原子的束縛態(tài)；11. 相同粒子；12. 原子的結(jié)構(gòu)；13. 分子；14. 物質(zhì)的穩(wěn)定性；15. 光子；16. 非相對(duì)論帶電粒子與輻射間的相互作用；17. 微擾理論中的其它課題；18. 散射；19. 特殊相對(duì)論和量子力學(xué)：KleinGordon方程；20. 狄拉克方程；21. 相對(duì)論自旋-1/2粒子與外部電磁場(chǎng)的相互作用；22. 狄拉克場(chǎng)；23. 相對(duì)論電子、正電子和光子之間的相互作用；24. 弱相互作用的量子力學(xué)；25. 量子測(cè)量問題。每章的結(jié)尾有練習(xí)題。書的末尾有3個(gè)附錄、引文的出處、參考書目和主題索引。

本書著者Eugene D. Commins是美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校物理系的退休教授，是該校優(yōu)秀的研究生導(dǎo)師。他的主要研究領(lǐng)域是實(shí)驗(yàn)原子物理學(xué)。他是美國(guó)國(guó)家科學(xué)院（NAS）院士，美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)（AAAS）成員，美國(guó)物理學(xué)會(huì)（APS）成員。他曾多次獲得教學(xué)獎(jiǎng)，包括2005年美國(guó)物理學(xué)教師協(xié)會(huì)頒發(fā)的奧斯卡金獎(jiǎng)，這是對(duì)有杰出貢獻(xiàn)的物理教師的最高獎(jiǎng)。他發(fā)表過不少論著。不幸的是，本書出版后不久，作者去世了（1932-2015）。

本書的內(nèi)容在許多方面與其它的量子力學(xué)教科書不同。傳統(tǒng)的量子力學(xué)大多是在直角坐標(biāo)或極坐標(biāo)中討論或展開量子力學(xué)問題，而本書較多地在希爾伯特（Hilbert）矢量空間探索量子力學(xué)問題，還利用了與傳統(tǒng)量子力學(xué)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，數(shù)學(xué)工具不同，因此對(duì)量子力學(xué)各種關(guān)系的表征也不同。本書是物理系大學(xué)生和研究生的教科書和參考書。也是物理學(xué)家有價(jià)值的參考書。

第6篇：量子力學(xué)的理解范文

關(guān)鍵詞:多媒體;量子力學(xué);教學(xué)效率

一、前言

《量子力學(xué)》課程是物理學(xué)科的一門重要的基礎(chǔ)課。量子力學(xué)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，它主要研究原子、分子、凝聚態(tài)物質(zhì)，以及原子核和基本粒子的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)的基礎(chǔ)理論，它與相對(duì)論一起構(gòu)成了現(xiàn)代物理學(xué)的理論基礎(chǔ)。量子力學(xué)不僅是近代物理學(xué)的基礎(chǔ)理論之一，還在化學(xué)等相關(guān)學(xué)科和許多近代技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用。

由于《量子力學(xué)》課程的重要性，其相關(guān)的教學(xué)得到了相當(dāng)?shù)闹匾?，通常每周?個(gè)學(xué)時(shí)的課程量。眾所周知，《量子力學(xué)》是一門既難學(xué)又難教的課程，一是因?yàn)槠渲猩婕暗母拍詈臀覀內(nèi)粘Ｉ?或者說常識(shí))相距甚遠(yuǎn)，二是所學(xué)習(xí)的數(shù)學(xué)課程比較多，主要有高等數(shù)學(xué)、數(shù)學(xué)物理方法、線性代數(shù)等，幾乎包括了物理專業(yè)學(xué)生所學(xué)過的全部數(shù)學(xué)課程。概念抽象，遠(yuǎn)離日常經(jīng)驗(yàn)，計(jì)算復(fù)雜，使《量子力學(xué)》成為一門難學(xué)難教的課程。

隨著電氣化教學(xué)的發(fā)展，現(xiàn)在有越來越多的課程開始使用多媒體教學(xué)，并且取得了一定的成效，當(dāng)然同時(shí)也顯露了一些問題。本文擬對(duì)《量子力學(xué)》課程中使用多媒體教學(xué)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，并就如何在傳統(tǒng)板書教學(xué)和多媒體教學(xué)之間達(dá)到最好的效果給出一些建議。

二、在《量子力學(xué)》課程中使用多媒體教學(xué)的利弊

眾所周知，多媒體教學(xué)是教學(xué)手段創(chuàng)新的重要內(nèi)容之一。多媒體教學(xué)是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)在教育工作中的運(yùn)用，即應(yīng)用先進(jìn)的技術(shù)手段，把錄音機(jī)、電視機(jī)、錄像機(jī)、視頻展示臺(tái)、投影機(jī)、多媒體計(jì)算機(jī)等引進(jìn)課堂，將通訊技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、電子郵件、衛(wèi)星遠(yuǎn)程通訊、傳真通訊、虛擬現(xiàn)實(shí)等新的教育媒體逐步運(yùn)用于教學(xué)，充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，增加教學(xué)的密度，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。其主要的優(yōu)點(diǎn)有:

(1)有利于提高課堂教學(xué)效率。傳統(tǒng)的課堂教學(xué)，教師展示知識(shí)的空間只是一塊容量有限的黑板，教學(xué)時(shí)間有限，教師不得不將很大一部分精力放在板演文字、繪畫等低效的勞動(dòng)上。這樣的課堂教學(xué)往往呆板、僵化，缺乏生機(jī)與活力，效率不高。運(yùn)用多媒體教學(xué)，可以將大量的教學(xué)信息預(yù)置在計(jì)算機(jī)內(nèi)，隨時(shí)調(diào)用，任意切換，將相關(guān)的圖形、圖像，生動(dòng)、直觀地投影到屏幕上，學(xué)生可從視覺、聽覺等多方面感受知識(shí)，加深對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解。

在《量子力學(xué)》課程中，如對(duì)于氫原子各級(jí)波函數(shù)，就可以直接使用圖像形象地表示出來，可以給學(xué)生以強(qiáng)烈的印象，使物理結(jié)果更易于理解，同時(shí)也容易激起學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。若使用傳統(tǒng)板書手工繪制電子云圖，一則手工畫圖速度慢，二則不很準(zhǔn)確，直接影響教學(xué)效率。有的Flash格式的課件，可以通過輸入和調(diào)整主量子數(shù)、角量子數(shù)、磁量子數(shù)，即時(shí)把原子軌道輪廓圖和徑向分布圖表示出來，用色鮮艷，對(duì)比強(qiáng)烈，給人以深刻的印象，這樣效果是很明顯的。

(2)能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。多媒體技術(shù)因其圖文并茂、聲像俱佳的表現(xiàn)形式和跨越時(shí)空的非凡表現(xiàn)力，大大增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)事物與過程的理解與感受，體現(xiàn)了極強(qiáng)的直觀性，能夠全方位、多角度、多層次地調(diào)動(dòng)學(xué)生的情緒、注意力和興趣，使學(xué)生能夠主動(dòng)地學(xué)習(xí)。

在《量子力學(xué)》課程中，比如在緒論部分，可適當(dāng)?shù)亟榻B一下在量子力學(xué)發(fā)展史上一些著名科學(xué)家的簡(jiǎn)歷，如普朗克、愛因斯坦、玻爾、泡利、海森堡、費(fèi)曼等，使用多媒體可通過文字、音像資料充分表現(xiàn)，這可以活躍課堂氣氛，有助于促進(jìn)學(xué)生對(duì)科學(xué)的熱愛，包括對(duì)《量子力學(xué)》課程的興趣。

(3)多媒體教學(xué)可以拓展教學(xué)時(shí)空。學(xué)生也可以通過拷貝電子教案和網(wǎng)上閱讀電子教案進(jìn)行課后復(fù)習(xí)，逐漸改變學(xué)生過于依賴課堂、過于依賴教師的傳統(tǒng)教學(xué)模式，加強(qiáng)學(xué)生獲取知識(shí)的能力，有助于創(chuàng)新人才的培養(yǎng)和學(xué)生個(gè)性的發(fā)展。事實(shí)上，我們可從網(wǎng)絡(luò)上看到許多名師的教學(xué)課件，通過對(duì)課件的學(xué)習(xí)，無論對(duì)于學(xué)生還是教師都是有益的。這不論對(duì)《量子力學(xué)》課程還是其他課程都是一樣的。

(4)動(dòng)態(tài)交互性強(qiáng)。人機(jī)交互、立即反饋是多媒體技術(shù)的顯著特點(diǎn)，也是任何其他媒體所沒有的。在這種交互式學(xué)習(xí)環(huán)境中，教師通過創(chuàng)設(shè)形象直觀、生動(dòng)活潑的交互式教學(xué)情境，為學(xué)生提供更多的參與機(jī)會(huì)。教師與學(xué)生的交流、學(xué)生與學(xué)生交流、人機(jī)交流的良性互動(dòng)，能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及參與意識(shí)，可以充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，使學(xué)習(xí)更為主動(dòng)，從而有利于學(xué)生形成新的認(rèn)知結(jié)構(gòu)。

(5)理論聯(lián)系實(shí)踐的功能大大增強(qiáng)。運(yùn)用多媒體技術(shù)可以采用虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)對(duì)普通實(shí)驗(yàn)的擴(kuò)充，甚至現(xiàn)實(shí)環(huán)境很難實(shí)現(xiàn)或無法實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，可以用圖形、圖像等多媒體形式，模擬實(shí)驗(yàn)全過程。借助有關(guān)的教學(xué)軟件，通過對(duì)真實(shí)情景的再現(xiàn)和模擬，學(xué)生可以隨時(shí)在電腦上“重溫”實(shí)驗(yàn)過程。

在《量子力學(xué)》課程中涉及的實(shí)驗(yàn)不多，主要有黑體輻射、電子衍射實(shí)驗(yàn)、Stern-Gelach實(shí)驗(yàn)等。在展現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果時(shí)，多媒體可發(fā)揮其優(yōu)越性。如電子衍射實(shí)驗(yàn)，通過減弱電子流強(qiáng)度使粒子一個(gè)一個(gè)地被衍射，粒子一個(gè)個(gè)隨機(jī)的被打到屏幕各處，顯示粒子性，但經(jīng)過足夠長(zhǎng)的時(shí)間，所得衍射圖樣和大量電子同時(shí)衍射所得圖樣一樣，從而引出波函數(shù)的統(tǒng)計(jì)詮釋。使用多媒體動(dòng)畫，我們可形象地展現(xiàn)電子一個(gè)一個(gè)打到屏幕上最后得到衍射圖樣的過程。這是在黑板上自己手工畫圖的效果所不能比擬的。

以上我們討論了使用多媒體教學(xué)體現(xiàn)出的優(yōu)越性。開展多媒體教學(xué)時(shí)一定要處理好內(nèi)容與形式的關(guān)系。形式為內(nèi)容服務(wù)，這是教學(xué)的一個(gè)基本原則，多媒體教學(xué)也不例外。教學(xué)體現(xiàn)的是教師和學(xué)生之間的一個(gè)溝通過程，在此過程中，如何恰當(dāng)?shù)厥褂枚嗝襟w技術(shù)應(yīng)引起我們的注意。如果我們仔細(xì)分析，可以發(fā)現(xiàn)在多媒體教學(xué)中，特別是在《量子力學(xué)》教學(xué)中同樣存在著較多的問題，值得引起我們的注意。

(1)忽視雙向交流。在多媒體教學(xué)中，如果不注意的話，教師可能會(huì)較多的注意桌面點(diǎn)擊，表演課件，而在一定的程度上忽視和學(xué)生的雙向交流。不過相對(duì)來說，這一點(diǎn)只要講課老師適當(dāng)注意，就能夠減小這方面的不利影響。

(2)數(shù)學(xué)推導(dǎo)的欠缺。

在《量子力學(xué)》課程中，由于涉及到的數(shù)學(xué)計(jì)算較多，在講課過程中無法避免地會(huì)出現(xiàn)較多的數(shù)學(xué)推導(dǎo)。面對(duì)整個(gè)多媒體中大片的公式，學(xué)生很容易感到疲倦，甚至失去興趣，從而使教學(xué)效果大打折扣。

從某種意義上來說，如果學(xué)了一門理論物理的課，學(xué)生卻不能夠把公式推導(dǎo)出來，就教學(xué)效果而言，是一個(gè)很大的遺憾。使用板書可讓學(xué)生真實(shí)地看到教師如何把結(jié)論一步一步地推導(dǎo)出來，與使用多媒體相比，學(xué)生更容易掌握板書的推導(dǎo)，且學(xué)生本身的數(shù)學(xué)推導(dǎo)能力也能較快地提高。甚至教師在推導(dǎo)過程中偶然的失誤也會(huì)促進(jìn)學(xué)生的了解，至少可以讓學(xué)生知道哪些地方如果不注意的話可能會(huì)弄錯(cuò)。

不過，過于復(fù)雜且教學(xué)大綱又不作要求的數(shù)學(xué)推導(dǎo)可以通過多媒體進(jìn)行，一是讓學(xué)生看到了結(jié)論是如何出來的，二又避免了把過多的時(shí)間投入于此，畢竟課堂時(shí)間是有限的。比如一維諧振子波函數(shù)，氫原子角向波和徑向波函數(shù)。在教科書上，對(duì)氫原子角向波函數(shù)，常常直接說在《數(shù)學(xué)物理方法》課程中已經(jīng)得到解，為球諧函數(shù)，然后就直接給出了結(jié)論，由于課時(shí)的原因，不可能對(duì)此進(jìn)行詳細(xì)的闡述。事實(shí)上學(xué)生有可能已經(jīng)遺忘了相關(guān)內(nèi)容，因此相應(yīng)的復(fù)習(xí)還是必要的。通過多媒體簡(jiǎn)略地展示下相關(guān)推導(dǎo)過程可能是一個(gè)比較好的選擇。

三、結(jié)論

前面我們分別討論了在《量子力學(xué)》課程中使用多媒體教學(xué)中存在著的優(yōu)缺點(diǎn)。為了有效提高教學(xué)效果，筆者認(rèn)為應(yīng)當(dāng)綜合的使用傳統(tǒng)板書教學(xué)和多媒體教學(xué)，在講授基本概念和有較多的圖表時(shí)，可多使用多媒體教學(xué)，但應(yīng)適當(dāng)使用，而在講數(shù)學(xué)推導(dǎo)時(shí)仍應(yīng)使用傳統(tǒng)板書，少用甚至不使用多媒體。

參考文獻(xiàn)

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第7篇：量子力學(xué)的理解范文

關(guān)鍵詞：科學(xué)史；近代物理；教學(xué)改革；高等教育

中圖分類號(hào)：G642.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2014）50-0072-03

近代物理是高等學(xué)府物理類、化學(xué)類和電子類學(xué)科的一門必修課，通常放在講授完大學(xué)物理之后。大學(xué)物理的內(nèi)容主要是理論力學(xué)、電動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理。近代物理的內(nèi)容主要是相對(duì)論和量子力學(xué)。由于相對(duì)論和量子力學(xué)離我們的日常生活經(jīng)驗(yàn)比較遠(yuǎn)，所以學(xué)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(shí)和對(duì)應(yīng)的近代物理科學(xué)史相接合，來提高同學(xué)們對(duì)近代物理的理解和興趣。

一、近代物理科學(xué)史簡(jiǎn)介

近代物理的科學(xué)史是一部十分生動(dòng)活潑的歷史，時(shí)間跨度大概是從1900年到現(xiàn)代。這段時(shí)間可以說是十分不平凡和波瀾壯闊的一百多年。這期間發(fā)生了人類歷史上僅有的二次世界大戰(zhàn)，其中涌現(xiàn)的具有極高才華和貢獻(xiàn)的科學(xué)家數(shù)量差不多抵得上人類歷史上前五千年的科學(xué)家數(shù)量總合。而人物傳記作家也多對(duì)他們的人生經(jīng)歷極為感興趣，出了很多關(guān)于他們的傳記[1-3]。另外這些近代物理學(xué)家們很多本身也頗博學(xué)多才，具有良好的文學(xué)才能和修養(yǎng)，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(xué)史教學(xué)提供豐富的素材和參考。相對(duì)論和量子力學(xué)的理論和公式雖然比較高深難懂，但是它們解釋的現(xiàn)象由于跟人們的日常經(jīng)驗(yàn)相悖，所以還是會(huì)引起人們廣泛的興趣。比如時(shí)間和空間是不可分的，物體的動(dòng)量和時(shí)間不能同時(shí)精確測(cè)量，光速是宇宙中最快的速度，這些一般人憑經(jīng)驗(yàn)的確很難理解。進(jìn)而人們也會(huì)對(duì)提出和發(fā)現(xiàn)這些理論的科學(xué)家們（如愛因斯坦）感興趣。圖1為作者按照時(shí)間順序出場(chǎng)依次在課堂上介紹的量子力學(xué)史上各個(gè)重要的歷史人物。這些科學(xué)人物大多數(shù)彼此交往比較密切，在學(xué)術(shù)上好像切磋和影響，進(jìn)而也加速了思想火花的碰撞和創(chuàng)新性理論的誕生。

在課堂上講述近代物理科學(xué)史的過程中，還可以幫助同學(xué)們了解在學(xué)術(shù)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(lì)多做學(xué)術(shù)交流。學(xué)術(shù)交流的好處是：（1）可以了解最新的研究動(dòng)態(tài)；象在近代物理史上著名的哥本哈根學(xué)派就是個(gè)很好的例子。1921年，在著名量子物理學(xué)家波爾的倡議下，成立了哥本哈根大學(xué)理論物理學(xué)研究所，由此形成哥本哈根學(xué)派。其中波恩、海森堡、泡利以及狄拉克等都是這個(gè)學(xué)派的主要成員。由于哥本哈根學(xué)派提供了很好的學(xué)術(shù)交流環(huán)境和學(xué)術(shù)氛圍，在這個(gè)學(xué)派里鼓勵(lì)發(fā)表不同的觀點(diǎn)，不迷信權(quán)威，所以涌現(xiàn)出了很多重要的量子力學(xué)成果。（2）可以發(fā)現(xiàn)自己的不足；比如愛因斯坦于1919年在剛開始推導(dǎo)廣義相對(duì)論的時(shí)候，在公式里人為增加了一個(gè)常數(shù)項(xiàng)，從而得出他起先所認(rèn)為的靜態(tài)宇宙模型。不過1922年亞歷山大?弗里德曼摒棄了這個(gè)常數(shù)項(xiàng)，從而得出相應(yīng)的宇宙膨脹理論。比利時(shí)牧師勒梅特應(yīng)用這些解構(gòu)造了宇宙大爆炸的最早模型，模型預(yù)言宇宙是從一個(gè)高溫致密的狀態(tài)演化而來。到1929年，哈勃等人又用實(shí)際的觀測(cè)證明我們的宇宙的確處于膨脹狀態(tài)。通過學(xué)術(shù)交流，愛因斯坦終于接受了宇宙膨脹理論，并承認(rèn)添加宇宙常數(shù)項(xiàng)是他一生中犯下的最大錯(cuò)誤。（3）可以激發(fā)自己的靈感；比如波爾在1911年從丹麥哥本哈根大學(xué)獲得博士學(xué)位后去英國(guó)學(xué)習(xí)，先在劍橋湯姆遜主持的卡文迪許實(shí)驗(yàn)室工作，幾個(gè)月后又去曼徹斯特在盧瑟福的手下搞科研，這使得他對(duì)湯姆遜關(guān)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(shí)他又很熟悉普朗克和愛因斯坦的量子學(xué)說，這些學(xué)術(shù)交流活動(dòng)激發(fā)了他的靈感，使得他最終于1913年初創(chuàng)造性地把普朗克的量子說和盧瑟福的原子核概念結(jié)合起來，提出了自己的波爾原子模型。（4）可以激勵(lì)自己不斷進(jìn)步和成長(zhǎng)。比如薛定諤在1925年受到愛因斯坦關(guān)于單原子理想氣體的量子理論和德布羅意的物質(zhì)波的假說的啟發(fā)，從經(jīng)典力學(xué)和幾何光學(xué)間的類比提出了對(duì)應(yīng)于波動(dòng)光學(xué)的波動(dòng)力學(xué)方程，從而奠定了波動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)。但是他一開始并不清楚他自己建立的波動(dòng)方程中的波具體代表什么物理概念。起初他試圖把波函數(shù)解釋為三維空間中的振動(dòng)，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(kuò)散”的問題。最終經(jīng)過他與波恩的多次學(xué)術(shù)交流，他逐漸認(rèn)識(shí)到波函數(shù)其實(shí)是代表粒子在某時(shí)某個(gè)位置出現(xiàn)的幾率，是一種幾率波。

二、近代物理知識(shí)簡(jiǎn)介

近代物理的知識(shí)主要分為兩大類：相對(duì)論和量子力學(xué)。相對(duì)論分為狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論，內(nèi)容包括伽利略坐標(biāo)系、邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)、洛倫茲變換、閔可夫斯基空間、質(zhì)能關(guān)系式和相對(duì)論能量-動(dòng)量關(guān)系式等。量子力學(xué)知識(shí)包括黑體輻射、光電效應(yīng)、波爾原子模型、康普頓效應(yīng)、德布羅意波、戴維遜和革末實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電子的波動(dòng)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(fù)雜，需要用到高等數(shù)學(xué)的知識(shí)，比如薛定諤方程是一個(gè)偏微分方程，狄拉克方程里包含矩陣。因而對(duì)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(shí)間順序出現(xiàn)的課堂上需要講授的量子力學(xué)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(guān)系式。光電效應(yīng)是指每種金屬存在截止頻率。當(dāng)照射在金屬上的頻率小于截止頻率時(shí)，不管光強(qiáng)多大，照射時(shí)間多長(zhǎng)，也不會(huì)有光電子產(chǎn)生。而當(dāng)照射在金屬上的頻率大于截止頻率時(shí)，不管光強(qiáng)多小，也會(huì)產(chǎn)生光電子，且響應(yīng)時(shí)間小于1納秒。光電子具有各種初速度，其最大初動(dòng)能與光輻射頻率成線性關(guān)系，而與光輻射強(qiáng)度無關(guān)。當(dāng)頻率在截止頻率之上時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射出來的電子數(shù)目即光電流強(qiáng)度與光輻射強(qiáng)度成正比。在光電效應(yīng)理論中，光的能量和光的頻率成正比，光的動(dòng)量和光的波長(zhǎng)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(tài)的平方成反比。電子在定態(tài)具有分立的能量，在定態(tài)運(yùn)動(dòng)時(shí)不輻射電磁能量；但電子可以從一個(gè)定態(tài)能級(jí)躍遷到另一個(gè)能量低的定態(tài)能級(jí)，相應(yīng)于兩個(gè)能級(jí)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(dòng)量與其說對(duì)應(yīng)的物質(zhì)波的波長(zhǎng)和頻率之間的關(guān)系。動(dòng)量和波長(zhǎng)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(zhì)波函數(shù)的表現(xiàn)形式。微觀粒子的量子態(tài)可用波函數(shù)表示。當(dāng)波函數(shù)確定，粒子的任何一個(gè)力學(xué)量及它們的各種可能的測(cè)量值的幾率就完全確定。波函數(shù)跟粒子的質(zhì)量和勢(shì)能相關(guān)。波函數(shù)的自變量中包含空間坐標(biāo)和時(shí)間坐標(biāo)。由于薛定諤方程中出現(xiàn)虛數(shù)i，所以波函數(shù)原則上應(yīng)是復(fù)數(shù)。它同時(shí)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(jiǎn)單的德布羅意波相一致，滿足因果律。相對(duì)于薛定諤方程之于非相對(duì)論量子力學(xué)，狄拉克方程[4]是相對(duì)論量子力學(xué)的一項(xiàng)描述自旋-1/2粒子的波函數(shù)方程，不帶矛盾地同時(shí)遵守了狹義相對(duì)論與量子力學(xué)兩者的原理，實(shí)則為薛定諤方程的洛倫茲協(xié)變式。這個(gè)方程預(yù)言了反粒子的存在。

三、近代物理科學(xué)史和近代物理知識(shí)的結(jié)合講解

近代物理課如果只是講解近代物理知識(shí)，往往顯得枯燥無味，難以理解。其實(shí)任何科學(xué)知識(shí)都不是憑空產(chǎn)生的，往往經(jīng)歷了好幾代人的不懈努力，最終從量變到質(zhì)變，導(dǎo)致相對(duì)論或量子力學(xué)的建立。薛定諤方程也不是一蹴而就，而是經(jīng)過很多科學(xué)家?guī)资甑呐?。如果一開始就講解薛定諤方程，同學(xué)們通常很難理解。而如果采用循序漸進(jìn)的方法并結(jié)合科學(xué)史來講，抽絲剝繭，逐漸揭開真理的面紗，那么同學(xué)們不光饒有興趣，而且更容易理解。圖3列出了結(jié)合科學(xué)史和科學(xué)人物的近代物理講解流程。在講解科學(xué)史的過程中，重點(diǎn)講解科學(xué)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(shí)和科學(xué)史的結(jié)合講解，可以啟發(fā)同學(xué)，讓他們了解任何知識(shí)都是建立在前人知識(shí)和研究的基礎(chǔ)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(fā)。瑞利-金斯定律能夠解釋低頻率下的結(jié)果，卻無法解釋高頻率下的測(cè)量結(jié)果。而維恩位移定律能夠解釋高頻率下的結(jié)果，卻無法解釋低頻率下的測(cè)量結(jié)果。而普朗克公式是把這兩種定律公式進(jìn)行一下內(nèi)插。通過這種歷史背景的介紹，同學(xué)們就對(duì)普朗克公式的來龍去脈知道得一清二楚，對(duì)此公式也就理解得更深刻。普朗克公式其實(shí)一開始是一個(gè)不得已而為之的公式，然后普朗克對(duì)此公式進(jìn)行反推，發(fā)現(xiàn)只有認(rèn)為能量是量子化的，才能得出跟實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合的普朗克公式。能量是非連續(xù)而是分立的，即使這個(gè)想法在當(dāng)時(shí)是多么背離人的日常經(jīng)驗(yàn)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(gè)能量量子化思想。

而能量量子化這個(gè)理論不管在當(dāng)時(shí)看上去多么荒謬，還是有人慧眼識(shí)珠的。5年之后的1905年，愛因斯坦憑著他對(duì)物理學(xué)的敏銳欣然接受了能量量子化這個(gè)觀點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上解釋了光電效應(yīng)。近代物理的科學(xué)史是一環(huán)扣一環(huán)，十分引人入勝。在課堂上授課時(shí)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(gè)整體，同學(xué)們學(xué)習(xí)起來就會(huì)思路清晰，公式也會(huì)記得牢，進(jìn)而對(duì)公式能活學(xué)活用。普朗克和愛因斯坦彼此惺惺相惜，而普朗克也是少數(shù)很快發(fā)現(xiàn)愛因斯坦狹義相對(duì)論重要性的人之一。在愛因斯坦發(fā)表光電效應(yīng)的8年之后，波爾也接受了能量量子化這個(gè)觀點(diǎn)，并進(jìn)而創(chuàng)新性地提出了三個(gè)假設(shè)：（1）定態(tài)假設(shè)，即電子只能在一系列分立的軌道上繞核運(yùn)動(dòng)，這些軌道對(duì)應(yīng)確定能量值的穩(wěn)定態(tài)，電子在這些狀態(tài)（軌道）上不輻射電磁波；（2）躍遷假設(shè)，即原子在不同定態(tài)之間躍遷，以電磁輻射形式吸收或發(fā)射能量；（3）角動(dòng)量量子化假設(shè)，即電子軌道角動(dòng)量是分立的，首尾位相相同的環(huán)波才能穩(wěn)定存在。波爾根據(jù)這三種假設(shè)成功推導(dǎo)出了氫原子的光譜公式，和實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全吻合。

接下來就輪到德布羅意登場(chǎng)。在波爾提出原子模型的10年之后，1923年德布羅意創(chuàng)新性地在他的博士論文里提出了波粒二象性的觀點(diǎn)。以前的量子論觀點(diǎn)都是圍繞光和能量，沒有觸及實(shí)際的物質(zhì)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(dāng)時(shí)的博士生導(dǎo)師朗之萬不認(rèn)可這個(gè)觀點(diǎn)，但是他比較有責(zé)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(duì)物理的理解十分透徹，他馬上承認(rèn)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(xué)院，使此理論在物理學(xué)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(yàn)證他的波粒二象性理論，因?yàn)殡娮拥牟ㄩL(zhǎng)和晶格間距處于同一個(gè)數(shù)量級(jí)。很快就有人響應(yīng)了德布羅意的實(shí)驗(yàn)設(shè)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(fā)現(xiàn)電子的衍射圖譜，和布拉格定律預(yù)測(cè)的一模一樣，這證實(shí)了德布羅意的波粒二象性理論正確無誤。既然電子是一個(gè)波，那就應(yīng)該有個(gè)波動(dòng)方程。所以德布羅意的理論極大地啟發(fā)了海森堡和薛定諤，導(dǎo)致這兩位科學(xué)家同時(shí)在1925年分別發(fā)表了薛定諤方程和矩陣力學(xué)，兩者可以得到同樣的結(jié)果。薛定諤隨后證明，兩者在數(shù)學(xué)上是等效的。薛定諤方程使用微分方程的形式，比矩陣力學(xué)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(gè)新問題，就是此方程不符合相對(duì)論協(xié)變性原理，即物理規(guī)律的形式在任何的慣性參考系中應(yīng)該是相同的。所以需要有另外一個(gè)量子力學(xué)方程來滿足相對(duì)論。這個(gè)任務(wù)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(xué)史的同時(shí)同學(xué)們也掌握了豐富的近代物理知識(shí)。

總而言之，在近代物理的教學(xué)過程中結(jié)合近代物理科學(xué)史進(jìn)行授課，提高了同學(xué)們對(duì)于近代物理知識(shí)的理解和興趣，避免了填鴨式的教育，讓同學(xué)們?cè)谡莆罩R(shí)的同時(shí)更了解了科學(xué)家們科學(xué)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(xiàn)：

[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(zhǎng)沙：湖南科技出版社，2012.

第8篇：量子力學(xué)的理解范文

10月9日，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)答案揭曉，來自巴黎高等師范學(xué)院塞爾日?阿羅什（Serge　Haroche）教授以及美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院的大衛(wèi)?維因蘭德（David　Wineland）教授共同分享了這一殊榮，他們兩人的獲獎(jiǎng)理由是分別發(fā)明了測(cè)量和控制孤立量子系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法。

在諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)的新聞稿中，兩位獲獎(jiǎng)?wù)叩某删捅环Q為“為實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)奠定了基礎(chǔ)?！币粫r(shí)間，量子計(jì)算機(jī)也成為了業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。

薛定諤的貓和諾貝爾獎(jiǎng)

對(duì)于普通人來說，量子力學(xué)是個(gè)深不可測(cè)的概念。不過，隨著最近幾年科幻題材電影電視劇的風(fēng)靡，“平行宇宙”、“平行世界”之類的詞匯開始被頻頻提及，而它正是出自量子力學(xué)的相關(guān)概念。

想要了解什么是量子計(jì)算機(jī)，那么首先需要了解“薛定諤的貓”這個(gè)量子力學(xué)中的經(jīng)典假設(shè)。

1935年，奧地利著名物理學(xué)家，同時(shí)也是量子力學(xué)創(chuàng)始人之一的薛定諤設(shè)想出這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)：一只貓被關(guān)進(jìn)一個(gè)不透明的箱子里，箱子內(nèi)事先放置好一個(gè)毒氣罐，毒氣罐的開關(guān)由一個(gè)放射性原子核來控制。當(dāng)原子核發(fā)生衰變時(shí)，它會(huì)釋放出一個(gè)粒子觸發(fā)毒氣罐的開關(guān)，這樣毒氣釋放，貓就會(huì)被毒死。

根據(jù)量子力學(xué)的理論，在實(shí)驗(yàn)者沒有開箱進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，原子核處于衰變和未衰變的疊加狀態(tài)，換言之，箱子里的貓既是活的也是死的，對(duì)于普通人來說，很難理解“既生又死”這樣的狀態(tài)，但這正是量子力學(xué)研究的領(lǐng)域。量子力學(xué)針對(duì)的是在微觀環(huán)境下的物理現(xiàn)象，在這一環(huán)境中，大家中學(xué)時(shí)候?qū)W習(xí)的經(jīng)典物理學(xué)中的規(guī)律會(huì)突然失效，微觀世界是由另一套自然法則在操控，這也是為什么薛定諤的理想實(shí)驗(yàn)中貓既能是活的也能是死的。

不過，一旦打開箱子，微觀實(shí)現(xiàn)就會(huì)出現(xiàn)“崩塌”，原子核的狀態(tài)就會(huì)確定下來，此時(shí)貓是生是死也隨之揭曉答案。

長(zhǎng)期以來，由于不能實(shí)際觀測(cè)，量子力學(xué)僅僅停留在理論之上，而缺乏實(shí)踐的驗(yàn)證。然而，今年兩位諾貝爾獎(jiǎng)得主的成就正是在這方面取得了突破。他們各自通過精妙的實(shí)驗(yàn)，使“測(cè)量和操控量子系統(tǒng)成為可能”，讓不打開箱子就能觀察貓的生死變成了可能。當(dāng)然，更重要的是，它也使量子計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)變得不再遙不可及。

不再是空想的量子計(jì)算機(jī)

所謂量子計(jì)算機(jī)是基于量子力學(xué)基本原理實(shí)現(xiàn)信息處理的一項(xiàng)革命性計(jì)算技術(shù)。1982年，美國(guó)物理學(xué)家費(fèi)曼在一次演講中提出利用量子體系實(shí)現(xiàn)通用計(jì)算的想法，當(dāng)時(shí)他發(fā)現(xiàn)，分析模擬量子物理世界所需要的計(jì)算能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了經(jīng)典計(jì)算機(jī)所能達(dá)到的能力，而用實(shí)驗(yàn)室中一個(gè)可控的量子系統(tǒng)來模擬和計(jì)算另外一個(gè)人們感興趣的量子系統(tǒng)會(huì)非常高效，量子計(jì)算機(jī)的概念也應(yīng)運(yùn)而生。

量子計(jì)算機(jī)與經(jīng)典計(jì)算機(jī)不同之處在于，對(duì)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)來說，其基本的數(shù)據(jù)單位就是一個(gè)比特，相對(duì)應(yīng)的一個(gè)比特不是0就是1，而對(duì)于量子計(jì)算機(jī)來說，一個(gè)比特可以同時(shí)表示0和1，這就意味著兩個(gè)比特就能表示00、01、10、11四種狀態(tài)。這樣，只要有300個(gè)量子比特，其承載的數(shù)據(jù)就能是2的300次方，這將超過整個(gè)宇宙的原子數(shù)量總和。簡(jiǎn)而言之，量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力將是目前經(jīng)典計(jì)算機(jī)所無法比擬的。

前面的表述未免抽象，舉一個(gè)形象的例子：目前最好的多核處理器能夠解密150位的密碼，如果想要解密一個(gè)1000位的密碼，那么需要調(diào)用目前全球的計(jì)算資源才有可能實(shí)現(xiàn)。但是從理論上講，一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)就能解決這一問題。在量子計(jì)算機(jī)面前，目前世界上最復(fù)雜的密碼也會(huì)變得不堪一擊，這意味著互聯(lián)網(wǎng)上將不再有秘密可言，人類需要重新設(shè)立一套與現(xiàn)在完全不同的信息加密系統(tǒng)。

量子計(jì)算機(jī)的用處當(dāng)然不只是破譯密碼，在大數(shù)據(jù)分析的時(shí)代，對(duì)計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的要求正變得愈來愈高，從語義識(shí)別到人工智能，都需要倚仗計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算能力才能完成，這也讓業(yè)界對(duì)于量子計(jì)算機(jī)的誕生充滿了期待。

不過，雖然理論上300個(gè)量子比特就能賦予計(jì)算機(jī)難以想象的運(yùn)算能力，但現(xiàn)實(shí)與想象畢竟還存在不小的差距。根據(jù)清華大學(xué)交叉信息研究院助理研究員尹章琦的介紹，估算大概需要至少一萬個(gè)量子比特才能超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，“因?yàn)槲覀冃枰獙?duì)計(jì)算過程進(jìn)行糾錯(cuò)，所以需要很多個(gè)物理比特才能獲得一個(gè)可容錯(cuò)的邏輯比特。估計(jì)需要大概一千個(gè)邏輯比特運(yùn)行Shor算法來超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，那么物理比特至少要高一個(gè)量級(jí)，甚至可能要高兩個(gè)量級(jí)”。尹章琦所從事的正是關(guān)于量子信息與量子光學(xué)的理論與實(shí)驗(yàn)研究。

商業(yè)化的未來

在學(xué)界還在探討量子計(jì)算機(jī)可行性的時(shí)候，產(chǎn)業(yè)界已經(jīng)迫不及待開始了實(shí)踐。早在2001年，IBM就曾經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)利用7個(gè)量子比特完成量子計(jì)算中的素因子分解法。

2007年，加拿大的D-Wave公司就了號(hào)稱全球第一臺(tái)商用量子計(jì)算機(jī)――采用16位量子比特處理器的Orion（獵戶座）。不過，Orion后迅速被業(yè)界潑了一盆冷水，業(yè)內(nèi)人士稱，Orion并不是真正意義上的量子計(jì)算機(jī)，只是具備了一些量子計(jì)算的特性。

去年，D-Wave卷土出來，了全新的產(chǎn)品――D-Wave　One，這一次它的處理器達(dá)到了128量子比特，比前代產(chǎn)品大大提升，一臺(tái)售價(jià)高達(dá)1000萬美元。但是，由于D-Wave對(duì)核心技術(shù)三緘其口，學(xué)術(shù)界無法得知關(guān)于其產(chǎn)品的更多信息，質(zhì)疑之聲再起，因?yàn)槟壳澳軌驅(qū)崿F(xiàn)10量子比特已經(jīng)是相當(dāng)了不起的成就。

不過，即便質(zhì)疑不斷，D-Wave還是成功拿到了第一張訂單，外國(guó)媒體報(bào)道，美國(guó)知名的軍備制造商洛克希德?馬丁已經(jīng)購買了D-Wave的產(chǎn)品并且將其用在一些復(fù)雜的項(xiàng)目上，比如F-35戰(zhàn)斗機(jī)軟件錯(cuò)誤的自動(dòng)檢測(cè)。

不僅如此，D-Wave還在今年10月得到了來自貝索斯以及美國(guó)中情局下屬投資機(jī)構(gòu)In-Q-Tel總計(jì)3000萬美元的投資。貝索斯的投資邏輯顯而易見，隨著現(xiàn)實(shí)世界的不斷互聯(lián)網(wǎng)化，他的野心自然是通過深度挖掘和分析亞馬遜積累的海量數(shù)據(jù)創(chuàng)造出更大的商業(yè)價(jià)值，而量子計(jì)算機(jī)正是實(shí)現(xiàn)這一切的基礎(chǔ)。

在D-Wave大出風(fēng)頭的同時(shí)，老牌巨頭IBM也不甘落后，今年2月，IBM宣布在量子計(jì)算領(lǐng)域再次取得重大進(jìn)展。新的技術(shù)使得科學(xué)家可以在初步計(jì)算中減少數(shù)據(jù)錯(cuò)誤率，同時(shí)在量子比特中保持量子機(jī)械屬性的完整性。

第9篇：量子力學(xué)的理解范文

1985年秋天，我免試進(jìn)入南京大學(xué)物理系開始本科學(xué)習(xí)，從此與物理結(jié)下不解之緣.我們那一屆南大物理系招了約120人，其中女生16人.進(jìn)校時(shí)就分了專業(yè)，我們晶體物理專業(yè)有20人，其中女生4人.記得剛進(jìn)校時(shí)，系里就安排了幾場(chǎng)報(bào)告會(huì)介紹學(xué)校和物理系的概況.聆聽著從1920年以來南大物理系發(fā)展和不斷壯大的歷史，感悟著從這里走出來的一位位名家的故事，我這才意識(shí)到自己能進(jìn)入南大物理系學(xué)習(xí)是多么幸運(yùn).

物理系學(xué)生的課程學(xué)習(xí)是緊張的，從力學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)和熱學(xué)等普通物理開始，再到理論力學(xué)、量子力學(xué)、電動(dòng)力學(xué)和統(tǒng)計(jì)力學(xué)等理論物理，最后再學(xué)固體物理，一環(huán)套一環(huán)，層層深入.雖說基礎(chǔ)物理中的絕大部分概念在中學(xué)已經(jīng)提及，但實(shí)際上到了大學(xué)，需要在新的層次上重新認(rèn)識(shí)和理解諸如動(dòng)量、溫度、熵等基本概念；同時(shí)課程學(xué)習(xí)更是思維方法和習(xí)慣的訓(xùn)練過程，比如我們通過力學(xué)的學(xué)習(xí)培養(yǎng)代數(shù)思維，學(xué)會(huì)抓主要矛盾進(jìn)行近似處理，而思維的培養(yǎng)往往比純粹的知識(shí)獲得更為重要.在理論物理中，我對(duì)量子力學(xué)的學(xué)習(xí)最有印象.我們?cè)谙到y(tǒng)學(xué)習(xí)量子力學(xué)之前，有“物理學(xué)史”和“近代物理基礎(chǔ)”作先導(dǎo)課程，對(duì)物質(zhì)波、波粒二象性等概念已有了些許認(rèn)識(shí)，然后有“數(shù)學(xué)物理方法”做數(shù)學(xué)后盾，學(xué)習(xí)量子力學(xué)時(shí)覺得非常有意思，值得思考的概念多，初想不通的物理過程也多，但當(dāng)一個(gè)個(gè)貌似困難的問題被攻克后，那種興奮和享受真是令人難忘.在量子力學(xué)的學(xué)習(xí)中，我覺得自己真的是可以學(xué)物理的.從大一到大三，我們絕大部分課是在能容納二百人的大教室上的，記得那時(shí)我們十幾個(gè)女生常常坐在教室的前兩排，這樣除了聽課的效果特別好以外，據(jù)說還構(gòu)成一道亮麗的風(fēng)景.我們的老師大都很有教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，絲絲入扣，循循善誘，我習(xí)慣于筆頭勤一點(diǎn)，在課堂上跟著老師完成公式推導(dǎo)，課后翻閱一些參考書進(jìn)一步理解概念，然后做一些習(xí)題，有時(shí)還做一些小論文，大部分課程學(xué)得比較自如.

大學(xué)里物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)讓我們受益匪淺.那時(shí)實(shí)驗(yàn)課大都安排在晚上，每周有兩到三次.每逢有實(shí)驗(yàn)課，大家都早早吃過晚飯，急匆匆往物理樓趕，然后三三兩兩地等在實(shí)驗(yàn)室的門口，生怕來遲會(huì)影響當(dāng)晚的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展.實(shí)驗(yàn)時(shí)也都很專注，常常是兩個(gè)人合作，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)時(shí)就分工明確，合作起來一般都很協(xié)調(diào)，也很愉快.記得起初，我們總以搶先測(cè)得當(dāng)日實(shí)驗(yàn)結(jié)果為榮，實(shí)驗(yàn)時(shí)難免慌慌張張、毛手毛腳；后來，知道應(yīng)該圍繞實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，做好每一步調(diào)試和測(cè)量；慢慢地，開始享受每一次的實(shí)驗(yàn)過程，享受對(duì)每一次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的處理與分析……從大一到大三，從普通物理實(shí)驗(yàn)做到近代物理實(shí)驗(yàn)，每每帶著滿臉的興奮離開物理樓，按理說，忙碌了一個(gè)晚上應(yīng)該也是辛苦的，但大家都樂此不疲.

（本文原載《物理》2010年第3期，有刪節(jié)）