探究物理專(zhuān)業(yè)中量子力學(xué)

　　以量子理論為核心的量子物理無(wú)疑是本世紀最深刻、最有成就的科學(xué)理論之一，下面就是探究物理專(zhuān)業(yè)中量子力學(xué)，歡迎各位物理學(xué)的培養閱讀!

　　摘要：本文結合材料物理專(zhuān)業(yè)中的基礎課程――《量子理論》的發(fā)展史，從哲學(xué)的角度出發(fā)，淺談了材料學(xué)科發(fā)展中的哲學(xué)思想，并以哲學(xué)思想為主線(xiàn)，來(lái)進(jìn)一步指導學(xué)生對現代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的理解，對加強學(xué)生的世界觀(guān)、物質(zhì)觀(guān)以及運動(dòng)觀(guān)的進(jìn)一步理解，具有重要的指導意義。

　　關(guān)鍵詞：量子力學(xué) 教學(xué)研究 哲學(xué)思想

　　“大學(xué)之道，在明明德，在親民，在止于至善。”溫故知今，止于至善，提高當代大學(xué)生的哲學(xué)素養、人文情懷和科學(xué)素養，是素質(zhì)教育的要求之一。

　　以牛頓運動(dòng)三定律、電磁理論和熱力學(xué)及統計物理學(xué)為基礎的經(jīng)典力學(xué)誕生于17世紀，成功地解釋了大量物理學(xué)現象，取得了輝煌的科學(xué)成就，曾經(jīng)被人們信奉為客觀(guān)真理。

　　在19世紀末20世紀初，人類(lèi)以巨大的熱情來(lái)研究原子核和放射現象，導致了兩大理論成果的誕生：量子理論和相對論。

　　隨后，激光器、二極管、三極管、集成電路、互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信、登月等等，這些輝煌的成就促使人類(lèi)邁進(jìn)了信息時(shí)代。

　　運動(dòng)著(zhù)的電子――一個(gè)小小的微觀(guān)粒子，卻促使人類(lèi)文明進(jìn)入了電子信息時(shí)代。

　　事實(shí)表明，現代信息技術(shù)的理論基礎是物理學(xué)，信息的產(chǎn)生、發(fā)送、接收和處理，都是由一個(gè)個(gè)物理的系統來(lái)實(shí)現，因此信息世界的物理體系歸根結底要受到物理定律的制約。

　　現在人們明白了，經(jīng)典物理理論僅適用于宏觀(guān)低速運動(dòng)的物體的場(chǎng)合，而對于微觀(guān)小尺度下、接近于光速運動(dòng)的粒子的運動(dòng)規律誤差會(huì )變得很大，必須使用相對論和量子理論來(lái)描述。

　　而經(jīng)典物理理論僅僅是量子理論和相對論在低速宏觀(guān)范圍下的良好近似。

　　量子理論是二十世紀最偉大的發(fā)現之一。

　　量子理論的形成和發(fā)展，是整個(gè)物理學(xué)發(fā)展中最值得書(shū)寫(xiě)的，也是對青年大學(xué)生最具有啟發(fā)意義的過(guò)程，在此期間包括了愛(ài)因斯坦的奇跡年(1905年)。

　　梳理和探究整個(gè)過(guò)程中所包含的科學(xué)思維，科學(xué)方法，科學(xué)理論，科學(xué)素養……都是值得我們去探索、去深思、去挖掘的。

　　一、對青年大學(xué)生物質(zhì)觀(guān)和運動(dòng)觀(guān)的進(jìn)一步加深具有重要意義

　　科學(xué)技術(shù)發(fā)展到21世紀，人類(lèi)對于物質(zhì)世界的認識進(jìn)入到了納米尺度。

　　材料學(xué)科的研究中出現了很多量子效應。

　　量子理論中的許多不同于經(jīng)典力學(xué)的物理現象顛覆性地發(fā)展了經(jīng)典力學(xué)的思維，拓寬了人類(lèi)認識物質(zhì)世界的視野，使人們對運動(dòng)的本質(zhì)有了更進(jìn)一步的了解。

　　隨著(zhù)人類(lèi)認識的不斷深入和材料尺寸的不斷縮小，電子運動(dòng)的量子效應愈加明顯。

　　現在人們已經(jīng)明白了，電子既是一種微觀(guān)粒子，同時(shí)也是一種波，這就是所謂的波粒二象性。

　　與經(jīng)典物理現象不同的是，微觀(guān)粒子的諸多物理量之間受到量子規律的束縛，其中之一便是著(zhù)名的不確定性原理，例如時(shí)間與能量之間、動(dòng)量與位置之間等。

　　此外，另一個(gè)有趣的現象是電子的勢壘貫穿效應，即能量小于勢壘高度的電子或者其它微觀(guān)粒子可以以一定的幾率，越過(guò)勢壘，運動(dòng)到勢壘的右邊去。

　　盡管一個(gè)理性的人對這種解釋可能不滿(mǎn)意，但是我們必須明白“隧穿”僅僅是我們?yōu)榱死斫獾姆奖愣鴺嬙斓囊粋�(gè)東西，除非人們對量子世界的認識更進(jìn)一步。

　　我們唯一能確定的是當滿(mǎn)足一定條件的時(shí)候，隧穿效應就會(huì )發(fā)生。

　　二、對青年大學(xué)生思維拓展與創(chuàng )新具有重要的啟發(fā)意義

　　量子理論是描述微觀(guān)粒子運動(dòng)規律的理論，其概念體系與研究宏觀(guān)現象及其規律的經(jīng)典物理學(xué)有很大的不同。

　　量子理論的出現，是人類(lèi)對物質(zhì)世界認識日益深化的結果，為其他自然學(xué)科的發(fā)展開(kāi)辟了廣闊的前景。

　　從培養研究型科學(xué)人才的角度來(lái)說(shuō)，量子理論是與現代科學(xué)研究聯(lián)系最緊密的課程之一。

　　這對當代青年大學(xué)生提出了更高、更嚴格的要求。

　　第一，必須尊重客觀(guān)世界的運動(dòng)規律，堅持創(chuàng )新思維，深刻認識微觀(guān)世界的規律。

　　規律是物質(zhì)在運動(dòng)過(guò)程中表現出來(lái)的必然的、穩定的、永恒的聯(lián)系，任何事物之間都有聯(lián)系，都是矛盾的對立統一體，這就需要在實(shí)際的學(xué)習探索中抓住主要矛盾以及矛盾的主要方面。

　　同時(shí)，矛盾具有特殊性，內因是事物發(fā)展的根據，決定著(zhù)事物發(fā)展的方向和主要性質(zhì)，外因是事物發(fā)展的次要因素。

　　在實(shí)際的處理過(guò)程中要區別對待。

　　第二，注意量變到質(zhì)變的積累。

　　量變是指事物單純數量上的增加或減少，事物保持其質(zhì)的穩定性。

　　質(zhì)變是指事物根本性質(zhì)的變化，“量變→質(zhì)變→新的量變”是事物發(fā)展的基本規律。

　　注意收集數據，逐步地總結規律。

　　任何重大的發(fā)現，都有一個(gè)辛苦的積累過(guò)程，面對紛繁雜蕪的實(shí)驗數據，如何去偽存真，由表及里，層層剖析?這需要尊重客觀(guān)規律，逐漸挖掘深層次的信息，切勿急于求成或者違背客觀(guān)規律。

　　這方面在量子理論的發(fā)展過(guò)程中體現得尤為重要。

　　第三，量子理論是開(kāi)放的理論，對量子理論的爭論一直在繼續。

　　量子理論過(guò)去的成功并不意味著(zhù)它是一個(gè)徹底完善的物理學(xué)理論。

　　自量子理論誕生以來(lái)，關(guān)于量子理論的思想基礎和基本問(wèn)題的爭論，從來(lái)就沒(méi)有停止過(guò)。

　　人們對于量子理論本身的完備性及其一些基本觀(guān)念的理解，甚至持有截然不同的觀(guān)點(diǎn)。

　　其他的理論也是在不斷地爭論中不斷完善。

　　三、量子力學(xué)中的數學(xué)思想及其知識框架

　　量子力學(xué)中主要的數學(xué)知識，主要是Hilbert內積空間，這是學(xué)生在學(xué)完微積分初步、線(xiàn)性代數以及概率論后需要掌握的、在工程領(lǐng)域內應用最為廣泛的一門(mén)數學(xué)學(xué)科，也是對空間解析幾何的推廣和延伸。

　　其中包括了對前面提到的幾門(mén)學(xué)科的綜合應用，例如量子力學(xué)中的力學(xué)量，用線(xiàn)性算符來(lái)描述，則必須是厄米的;用海森堡的矩陣力學(xué)表示，則要求該矩陣的本征值和平均值均為實(shí)數;還有，在計算不同物理量表象的矩陣元時(shí)，要用到定積分的運算;而不同表象之間的變換，需要用到矩陣變換;此外，在講到微擾論和變分法時(shí)，還需要進(jìn)一步的用到更多的數學(xué)知識。

　　這些數學(xué)學(xué)科分支的交叉出現，足以讓學(xué)生對該門(mén)課程的進(jìn)一步學(xué)習產(chǎn)生畏懼心理。

　　如何消除和轉變學(xué)生的這種畏懼心理，這就要求教師在課堂上增強授課的趣味性。

　　事實(shí)上，一部量子力學(xué)的發(fā)展史，包含了太多的啟迪、方法、思維和科學(xué)研究的因素，因利勢導，重視基礎知識的講解，將所有涉及到的數學(xué)知識及其發(fā)展史，生動(dòng)地傳授給學(xué)生。

　　筆者經(jīng)過(guò)近五年的課堂教學(xué)，認為對當前的大學(xué)本科學(xué)生，倘能在授課中能做到這一點(diǎn)，那么，學(xué)習《量子力學(xué)》的意義就達到了。

　　結論：以量子理論為核心的量子物理無(wú)疑是本世紀最深刻、最有成就的科學(xué)理論之一。

　　它不僅代表了人類(lèi)對微觀(guān)世界基本認識的革命性進(jìn)步，而且帶來(lái)了許多劃時(shí)代的技術(shù)創(chuàng )新，直接推動(dòng)了社會(huì )生產(chǎn)力的發(fā)展，從根本上改變了人類(lèi)的物質(zhì)生活。

　　讓學(xué)生在不斷的思考和探索中，體會(huì )到學(xué)習和思考的快樂(lè );對學(xué)生的世界觀(guān)、物質(zhì)觀(guān)以及運動(dòng)觀(guān)的進(jìn)一步深入，具有重要的指導意義。

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