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篇1

關(guān)鍵詞 意識(shí) 量子測(cè)量 波函數(shù)塌縮 神經(jīng)活動(dòng)

中圖分類號(hào)：B80-05 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/ki.kjdkz.2015.11.074

On the Inner Relation between Quantum Mechanics and Consciousness

CHEN Si

（Department of Psychology， Jianghan University， Wuhan， Hubei 430056）

Abstract Consciousness and quantum mechanics are closely related with each other. In the research of quantum mechanics， consciousness is the premise of measurement process which can cause the wave function collapse and influence the description of the physical objects. In the research of consciousness ，the traditional research way which based on the classical mechanics confront the dilemma， the quantum mechanics could provide a new approach for explaining the consciousness in a different perspective， the quantum theories about the consciousness can be divided into three kinds.

Key words consciousness; quantum measurement; wave function collapse; neural activities

意識(shí)與量子力學(xué)原本分屬于兩個(gè)完全不同的學(xué)科，前者是心靈哲學(xué)與認(rèn)知科學(xué)研究的對(duì)象，后者是物理學(xué)的前沿領(lǐng)域。隨著意識(shí)問(wèn)題在當(dāng)代科學(xué)背景下，已經(jīng)成為了哲學(xué)、心理學(xué)、物理學(xué)和認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)等分科科學(xué)共同關(guān)注的焦點(diǎn)，意識(shí)問(wèn)題的跨學(xué)科特征也日益突顯。運(yùn)用不同的學(xué)科方法來(lái)解釋和說(shuō)明意識(shí)問(wèn)題，成為一種研究的必然趨勢(shì)。許多的心靈哲學(xué)家和物理學(xué)家認(rèn)為，意識(shí)和量子力學(xué)之間有著密切的關(guān)系。他們主張，不僅量子力學(xué)需要意識(shí)的參與以保證描述物理世界的完整性，意識(shí)研究也需要引入量子力學(xué)來(lái)突破現(xiàn)有的困境。

1 意識(shí)在量子力學(xué)中的位置

意識(shí)在量子力學(xué)中的作用主要表現(xiàn)兩個(gè)方面，一是在量子測(cè)量中，意識(shí)作為測(cè)量過(guò)程的初始條件，由始至終地影響著對(duì)物理對(duì)象的描述，二是意識(shí)引發(fā)波函數(shù)塌縮理論。

第一，意識(shí)與量子測(cè)量。經(jīng)典力學(xué)認(rèn)為，只要在測(cè)量過(guò)程中，具備明確的初始值，根據(jù)一系列基本粒子的初始位置和速度，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)事件的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，揭示出世界的真實(shí)狀態(tài)，并且，其測(cè)量結(jié)果不會(huì)受到觀察者意識(shí)的影響。因此，就某種程度而言，經(jīng)典力學(xué)中觀察者的行為同樣是被決定和可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的，觀察者的心靈與觀察者本身的原子構(gòu)成的經(jīng)典態(tài)被視為相等同。但是，在量子測(cè)量的過(guò)程中，這種測(cè)量過(guò)程和結(jié)果的客觀嚴(yán)格決定性和確定性會(huì)發(fā)生改變。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的量子力學(xué)思考，以玻爾、海森堡等人為代表的哥本哈根學(xué)派認(rèn)為，測(cè)量和觀察在描述物理實(shí)在的過(guò)程中具有十分重要的作用。在量子測(cè)量的過(guò)程中，測(cè)量的結(jié)果會(huì)表現(xiàn)出一定的不確定性，即每一次的測(cè)量結(jié)果都不相同。這種不確定性主要來(lái)自觀察者的意識(shí)和測(cè)量工具在每一次測(cè)量過(guò)程中所產(chǎn)生的差異性影響?！傲孔恿W(xué)并不描述物理實(shí)在本身，而是描述物理實(shí)在出現(xiàn)的概率，而這種概率取決于觀察者的觀察?！雹倭孔恿W(xué)的產(chǎn)生從根本上改變了觀察者在測(cè)量過(guò)程中的地位。

測(cè)量問(wèn)題研究的是一個(gè)處于經(jīng)典態(tài)的觀察者是怎樣在一個(gè)量子世界里存在的問(wèn)題，量子世界描述了不同態(tài)的疊加，但是人類主體對(duì)世界的知覺(jué)和描述卻屬于宏觀層次上的經(jīng)典態(tài)。所以，在維格納、斯塔普（Henry Stapp）等物理學(xué)家看來(lái)，人類主體對(duì)經(jīng)典世界的經(jīng)驗(yàn)為什么以及怎樣從量子世界中突現(xiàn)中出來(lái)，是量子理論要解決的根本問(wèn)題之一。在量子理論中，人與微觀領(lǐng)域的物質(zhì)和能量同處于一個(gè)測(cè)量過(guò)程，觀察者的意識(shí)會(huì)對(duì)測(cè)量的結(jié)果產(chǎn)生直接的影響，使測(cè)量結(jié)果表現(xiàn)出一種主客體不可分割的特征，正如海森堡所說(shuō)，“自然科學(xué)不是自然界本身，而是人和自然界關(guān)系的一部分，因而就依順于人。”②量子力學(xué)所揭示出的物理實(shí)在以幾率波的形式呈現(xiàn)，并且只有在觀察者的意識(shí)參與到測(cè)量過(guò)程進(jìn)行觀察時(shí)才會(huì)出現(xiàn)。在測(cè)量過(guò)程中，觀察者的意識(shí)是量子力學(xué)所描述的物理實(shí)在本身的基本前提，自始至終都決定著測(cè)量的結(jié)果。因此，量子理論不是關(guān)于描述客觀物理實(shí)在本身的知識(shí)，它從一開(kāi)始就包含了觀察者意識(shí)這一因素。量子理論實(shí)際上是由人類主體意識(shí)通過(guò)對(duì)物理對(duì)象的觀察得到、并經(jīng)過(guò)認(rèn)知加工的知識(shí)。但是在經(jīng)典力學(xué)中，情況則恰恰相反，人類主體同測(cè)量過(guò)程和測(cè)量結(jié)果截然分離，有意識(shí)的主體與客體對(duì)象之間有明確的邊界。

第二，意識(shí)引發(fā)塌縮理論。馮?諾依曼在其1932年的著作《量子力學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)》中首次提出“意識(shí)引發(fā)塌縮”理論（consciousness cause collapse proposal，簡(jiǎn)稱CCCP），受到維格納和斯塔普的支持。該理論認(rèn)為，“測(cè)量”僅僅發(fā)生在有意識(shí)的觀察者和波函數(shù)相互作用的基礎(chǔ)上，所以僅從量子力學(xué)的角度來(lái)描述世界是不完整的，一個(gè)完整、科學(xué)、系統(tǒng)的描述應(yīng)該包含意識(shí)狀態(tài)對(duì)量子力學(xué)的影響，而塌縮就是在有意識(shí)的觀察者的心靈同其它系統(tǒng)的糾纏中發(fā)生的?！傲孔恿W(xué)的規(guī)律是正確的，但是有一個(gè)系統(tǒng)有可能要用量子力學(xué)來(lái)說(shuō)明，這個(gè)系統(tǒng)就是整個(gè)物質(zhì)世界。有一個(gè)不在量子力學(xué)之內(nèi)的外部的觀察者，這個(gè)觀察者就是人類（和動(dòng)物）的心靈，它在大腦上執(zhí)行測(cè)量并導(dǎo)致波函數(shù)的塌縮?！雹鄢诌@種觀點(diǎn)的哲學(xué)家和物理學(xué)家，如查爾默斯（David Chalmers）和洛克伍德（Michael Lockwood）認(rèn)為，“塌縮動(dòng)力學(xué)為交互論說(shuō)明敞開(kāi)了大門”。④同時(shí)，他們也認(rèn)為意識(shí)能夠從某種復(fù)雜的大腦物理狀態(tài)中突現(xiàn)出來(lái)，從而具有引發(fā)波函數(shù)塌縮的因果效力。

當(dāng)然，“意識(shí)引發(fā)塌縮”理論實(shí)際上還面臨許多問(wèn)題。例如，意識(shí)引發(fā)塌縮是在什么時(shí)候發(fā)生的？是否僅在有意識(shí)的觀察者參與的測(cè)量過(guò)程中，意識(shí)才會(huì)引發(fā)塌縮？根據(jù)現(xiàn)有的宇宙知識(shí)，早期宇宙的量子狀態(tài)并不是一個(gè)意識(shí)的本征態(tài)（eigenstate），在宇宙產(chǎn)生的最初的三分鐘里，也沒(méi)有一個(gè)有意識(shí)的觀察者在觀察一切的發(fā)生。如果宇宙最初的那個(gè)狀態(tài)是根據(jù)薛定諤所提出的規(guī)律而演化出的早期宇宙狀態(tài)，那么一個(gè)與有意識(shí)的觀察者的存在相關(guān)聯(lián)的本征態(tài)就不可能產(chǎn)生。第一次的塌縮需要有意識(shí)的觀察者出現(xiàn)才能產(chǎn)生，但是有意識(shí)的觀察者的出現(xiàn)則需要更早狀態(tài)的塌縮才能產(chǎn)生，塌縮與有意識(shí)觀察者出現(xiàn)的先后順序問(wèn)題的不確定，直接導(dǎo)致意識(shí)引發(fā)塌縮不可能開(kāi)始的結(jié)論。盡管，“意識(shí)引發(fā)塌縮”理論受到了許多科學(xué)性和哲學(xué)家的支持，但是他們并沒(méi)有為該觀點(diǎn)提供一種可靠的論證。并且，這一理論和作為主流說(shuō)明的多世界理論相悖。多世界理論認(rèn)為，波函數(shù)是對(duì)于整個(gè)宇宙的完備描述，它是一種基本的物理實(shí)體，從不塌縮;并且，量子測(cè)量不需要意識(shí)的參與，把意識(shí)引入到物理說(shuō)明中，只會(huì)使實(shí)在論遭遇到危機(jī)。

盡管對(duì)于意識(shí)在量子力學(xué)中的位置尚無(wú)定論，但是已經(jīng)有越來(lái)越多的物理學(xué)家和哲學(xué)家參與到這一爭(zhēng)論中去，比如維格納、斯塔普、查爾默斯等人，他們關(guān)于意識(shí)在量子力學(xué)研究中的作用的積極討論，已經(jīng)表明，意識(shí)是量子力學(xué)研究中不可忽視的一個(gè)重要問(wèn)題。

2 量子力學(xué)視域中的意識(shí)研究

早期的量子力學(xué)研究者如普朗克、玻爾、薛定諤等人主張，意識(shí)研究應(yīng)該引入量子隨機(jī)性來(lái)解決與決定論之間的矛盾，此后，量子力學(xué)視域中的意識(shí)研究開(kāi)始興起。我們將首先說(shuō)明為什么意識(shí)研究要引入量子力學(xué)，然后論述用量子力學(xué)研究意識(shí)的三條主要路徑。

2.1 為什么意識(shí)研究需要引入量子力學(xué)

還原的唯物主義的觀點(diǎn)以經(jīng)典力學(xué)的決定論、還原論等原則為立論的基礎(chǔ)。決定論認(rèn)為，質(zhì)點(diǎn)是真正的實(shí)在，只要給出質(zhì)點(diǎn)的位置和動(dòng)量，那么，依據(jù)一定的初始值，自然和人的行為就可以被準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)。還原論主張，一切高級(jí)運(yùn)動(dòng)形式都可以還原為低級(jí)、基本的活動(dòng)形式，把這種方法運(yùn)用到意識(shí)研究中就是把意識(shí)這種大腦的高級(jí)活動(dòng)形式還原為最基本的大腦神經(jīng)活動(dòng)，以達(dá)到揭示意識(shí)本質(zhì)的目的。傳統(tǒng)的意識(shí)研究建立在這種理論基礎(chǔ)之上，而意識(shí)問(wèn)題的關(guān)鍵在于，意識(shí)的主觀特征該如何進(jìn)行有效的還原，并且使被還原為神經(jīng)活動(dòng)的意識(shí)仍然能夠具有說(shuō)明主觀感受的完備性呢？這一問(wèn)題被查爾默斯稱為著名的“意識(shí)困難問(wèn)題”。

“在經(jīng)典力學(xué)中沒(méi)有任何支持‘感受’存在的邏輯上的依據(jù)。它是一個(gè)理性封閉的概念系統(tǒng)，它的原則只有在決定事物的位置和運(yùn)動(dòng)的時(shí)候起作用，這個(gè)系統(tǒng)局限于一個(gè)狹小的數(shù)學(xué)框架內(nèi)，不涉及任何現(xiàn)象性的性質(zhì)?！雹葸@就是說(shuō)，在以經(jīng)典力學(xué)為基礎(chǔ)的認(rèn)識(shí)論框架內(nèi)，并沒(méi)有人的主觀感受的存在地位，經(jīng)典力學(xué)以排除意識(shí)問(wèn)題來(lái)實(shí)現(xiàn)自身體系的完整性。一種排除了意識(shí)存在地位的理論如何能夠解決意識(shí)問(wèn)題？這顯然是令人懷疑的。

因此，彭羅斯（Roger Penrose）、斯塔普等物理學(xué)家認(rèn)為，如果對(duì)意識(shí)的研究仍局限在經(jīng)典力學(xué)的框架內(nèi)，意識(shí)問(wèn)題永遠(yuǎn)不可能得到解決，我們必須在一個(gè)全新的框架內(nèi)說(shuō)明意識(shí)和大腦活動(dòng)之間的關(guān)系，而量子力學(xué)的引入，能夠?yàn)槲覀兲峁┬碌难芯恳暯恰?/p>

2.2 量子力學(xué)視域中意識(shí)研究的三條路徑

意識(shí)是由大腦神經(jīng)活動(dòng)基于某種動(dòng)力學(xué)而實(shí)現(xiàn)的過(guò)程，由于它涉及到微觀層面的化學(xué)和電子現(xiàn)象，因此，對(duì)它的描述必然要涉及到量子理論。從而，我們可以把意識(shí)看成是一個(gè)發(fā)生在大腦微觀世界中的特殊的量子力學(xué)現(xiàn)象。持這種觀點(diǎn)的物理學(xué)家和心靈哲學(xué)家認(rèn)為，“意識(shí)是一種對(duì)神經(jīng)反射的直接認(rèn)識(shí)，這種神經(jīng)反射是通過(guò)已知的量子事件突然實(shí)現(xiàn)的。”⑥根據(jù)目前的研究，量子力學(xué)對(duì)意識(shí)的說(shuō)明可以分為三條路徑。

第一條路徑是運(yùn)用相關(guān)的量子力學(xué)概念，如量子疊加、塌縮等原理與意識(shí)活動(dòng)進(jìn)行類比來(lái)達(dá)到說(shuō)明意識(shí)的目的。在說(shuō)明的過(guò)程中，不需要涉及復(fù)雜的運(yùn)算，也不需要將具體的概念運(yùn)用到具體的情境中。這種方式的說(shuō)明僅僅是一種概念上相似性的類比，因此本質(zhì)上不是對(duì)意識(shí)過(guò)程的科學(xué)表征，并不能真正揭示意識(shí)的本質(zhì)。

第二條路徑是運(yùn)用具體的量子力學(xué)概念來(lái)揭示神經(jīng)生理學(xué)的過(guò)程。通過(guò)這條途徑，量子力學(xué)對(duì)意識(shí)的相關(guān)特征做出了說(shuō)明。

第一，用玻色―愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)說(shuō)明意識(shí)的高度整合性。個(gè)體在反觀當(dāng)下的意識(shí)狀態(tài)的時(shí)候，大腦中會(huì)呈現(xiàn)一幅統(tǒng)一和諧的意識(shí)場(chǎng)景。例如，當(dāng)某人在上課的時(shí)候，因?yàn)槁?tīng)到窗外的音樂(lè)而想起了某部電視劇的情節(jié)、大腦中會(huì)浮現(xiàn)電視劇的場(chǎng)景和人物、甚至是當(dāng)時(shí)的天氣，同時(shí)，他的耳邊又傳來(lái)老師的講課聲，同時(shí)他的右手正在做著筆記。于是，他所有的感官都被調(diào)動(dòng)起來(lái)，在大腦中形成了一幅統(tǒng)一但富有情節(jié)跳躍性的場(chǎng)景。這幅場(chǎng)景完整且豐富，個(gè)體無(wú)法把它自行分割，也就是說(shuō)，大腦中所呈現(xiàn)的統(tǒng)一和諧的意識(shí)場(chǎng)景不能被分割成他正在聽(tīng)音樂(lè)或者他正在做筆記這些構(gòu)成意識(shí)內(nèi)容的元素而獨(dú)立存在。同時(shí)，隨著老師的突然提問(wèn)，他形成的意識(shí)場(chǎng)景被打破，繼而思考老師提問(wèn)的意識(shí)場(chǎng)景，或者隨著窗外音樂(lè)聲的停止，他的意識(shí)場(chǎng)景轉(zhuǎn)換成了另一幅圖像呈現(xiàn)在大腦中。不論意識(shí)的內(nèi)容如何改變，他的意識(shí)狀態(tài)總是統(tǒng)一且不可分割的整體。

玻色―愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)是一種全新的物質(zhì)狀態(tài)，即不同活動(dòng)水平的原子在溫度極低的條件下會(huì)凝聚在一起而具有統(tǒng)一的特征。當(dāng)這些原子處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，它們以無(wú)序的方式排列，一旦它們受到外界的刺激，并且細(xì)胞的能量因刺激而達(dá)到某個(gè)臨界水平時(shí)，它們就會(huì)一致性地被激活。這種神經(jīng)元的激活能夠波及整個(gè)大腦，并產(chǎn)生一致的量子電場(chǎng)。玻色―愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)的過(guò)程機(jī)制恰好能夠說(shuō)明，分布在不同腦區(qū)且活動(dòng)水平各異的神經(jīng)元活動(dòng)怎樣能夠協(xié)同行動(dòng)，以支持一個(gè)完整統(tǒng)一的意識(shí)場(chǎng)景的產(chǎn)生。

第二，用測(cè)不準(zhǔn)原理說(shuō)明思維的量子化特征。EEG （Electro Encephalo Gram）實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)，思維過(guò)程在本質(zhì)上具有量子化的特征。思維過(guò)程與量子過(guò)程的變化有諸多相同點(diǎn)。例如，當(dāng)一個(gè)人在回憶多年前，在某節(jié)印象深刻的課堂上被老師提問(wèn)自己所做的回答時(shí)，大腦中許多與當(dāng)時(shí)場(chǎng)景相關(guān)的模糊要素都處在被調(diào)動(dòng)的潛在狀態(tài)中，例如當(dāng)時(shí)的天氣、情緒狀態(tài)、問(wèn)題的內(nèi)容、他的回答、同學(xué)們的反應(yīng)等。當(dāng)他把注意力刻意集中到其中一個(gè)記憶片段，如當(dāng)時(shí)回答問(wèn)題的緊張狀態(tài)上，準(zhǔn)備仔細(xì)回想和再現(xiàn)曾經(jīng)回答過(guò)的內(nèi)容時(shí)，他會(huì)發(fā)現(xiàn)在回憶的過(guò)程中常常會(huì)遇到困難。對(duì)當(dāng)時(shí)所回答內(nèi)容的記憶會(huì)變得不如刻意集中注意力之前那樣清晰和完整，甚至試圖回憶起來(lái)的思路也會(huì)消失而被其它的思路所取代。在未刻意回憶時(shí)本來(lái)清晰完整的回答，反而在集中注意力之后變得模糊，甚至原先的回憶思路也被打亂，最終導(dǎo)致意識(shí)場(chǎng)景發(fā)生改變。這一特征能夠用海森堡在1927年所提出的“測(cè)不準(zhǔn)原理”來(lái)說(shuō)明。

“測(cè)不準(zhǔn)原理”表明，一個(gè)微觀粒子的物理量，如位置和動(dòng)量、時(shí)間與能量等不可能同時(shí)具有確定的數(shù)值，如果在一對(duì)物理量中，其中一個(gè)量的值越確定，那么另一個(gè)量的值就越難以確定。就思維的特征而言，被刻意關(guān)注的回憶類似于電子的二象性中的粒子性而具有“位置”，在刻意集中注意力之前的潛伏性的整體思路，就像電子的二象性中的波而具有“動(dòng)量”。兩者不能同時(shí)清晰或者同時(shí)確定，而只能確定一個(gè)。

第三條路徑是一種關(guān)于量子力學(xué)的普遍性理論，其代表人物是玻姆（David Bohm）和斯塔普。玻姆等人提出一種“新實(shí)在論”的觀點(diǎn)。他們認(rèn)為，意識(shí)和物質(zhì)不是兩個(gè)根本性的實(shí)在，物質(zhì)和意識(shí)只是從隱序的基本實(shí)在中投射到顯序中的投射物。斯塔普持類似的觀點(diǎn)，并提出了建立在過(guò)程本體論上的意識(shí)觀點(diǎn)，即最本質(zhì)的實(shí)在元素是現(xiàn)實(shí)場(chǎng)合（actual occasion），而不是物質(zhì)或者心靈?，F(xiàn)實(shí)場(chǎng)合可以把心理的和物理的特征緊密地聯(lián)系起來(lái)。這樣，心物直接互動(dòng)的觀點(diǎn)就被他在更為深層次的基礎(chǔ)上提出的心物關(guān)聯(lián)的約束集合（constraint set）所取代。

3 結(jié)論

量子力學(xué)與意識(shí)看似毫不相關(guān)，但實(shí)際上卻是一對(duì)具有多重內(nèi)在關(guān)聯(lián)性的奇妙的搭檔，兩者的交叉研究極大地拓展了彼此的理論視域，其背后的形而上學(xué)基礎(chǔ)是一種交互二元論。從交互二元論的角度出發(fā)，意識(shí)被賦予了引發(fā)波函數(shù)塌縮的因果效力，并作為一種測(cè)量過(guò)程的初始條件由始至終影響著對(duì)物理對(duì)象的客觀描述。并且，意識(shí)研究中量子力學(xué)的引入，突破了長(zhǎng)期以來(lái)用經(jīng)典力學(xué)規(guī)律說(shuō)明意識(shí)問(wèn)題所遭遇到的瓶頸，為意識(shí)的高度整合性等特征提供了有力的科學(xué)說(shuō)明。隨著交叉學(xué)科的縱深發(fā)展，意識(shí)與量子力學(xué)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性將會(huì)得到更多的揭示。

注釋

① 鄭榮雙.形而上學(xué)心理學(xué)[M].上海：上海教育出版社，2008：117.

② 金尚年.量子力學(xué)的物理基礎(chǔ)和哲學(xué)背景[M].上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，2007：95.

③ Zvi Schreiber. The Nine Lives of Schroedingers's Cat[J].1995.http：///abs/quant-ph/9501014.

篇2

關(guān)鍵詞：量子力學(xué)；經(jīng)典科學(xué)世界圖景；非機(jī)械決定論；整體論；復(fù)雜性；主客體互動(dòng)

Abstract:Asoneofthreerevolutionsofphysicsin20thcentury,quantummechanicshasgreatlytransformedtheworldviewofclassicalscienceinmanyaspects.Quantummechanicsbreaksthoughthemechanicaldeterminisminclassicalscience,transformingitintononmechanicaldeterminism;itchangesscientificcognitiveprocessfromthetheoryofreductionismtothetheoryofwholism;itshiftsthewayofthinkingfrompursuingsimplicitytoexploringthecomplexity;italsoestablishestheinteractionbetweensubjectandobjectinscientificresearches.

Keywords:quantummechanics;worldviewofclassicalscience;nonmechanicaldeterminism;wholism;complexity;interactionbetweensubjectandobject

經(jīng)典科學(xué)基本上是指由培根、牛頓、笛卡兒等開(kāi)創(chuàng)的，近三百年內(nèi)發(fā)展起來(lái)的一整套觀點(diǎn)、方法、學(xué)說(shuō)。經(jīng)典科學(xué)世界圖景的最大特征是機(jī)械論和還原論，片面強(qiáng)調(diào)分解而忽視綜合。以玻爾、海森伯、玻恩、泡利、諾伊曼等為代表的哥本哈根學(xué)派的量子力學(xué)理論三部曲：統(tǒng)計(jì)解釋—測(cè)不準(zhǔn)原理—互補(bǔ)原理所反映的主要觀點(diǎn)是：微觀粒子的各種力學(xué)量（位置、動(dòng)量、能量等）的出現(xiàn)都是幾率性的；量子力學(xué)對(duì)微觀粒子運(yùn)動(dòng)的幾率性描述是完備的，對(duì)幾率性的原因不需要也不可能有更深的解釋；決定論不適用于量子力學(xué)領(lǐng)域；儀器的作用同觀察對(duì)象具有不可分割性，確立了科學(xué)活動(dòng)中主客體互動(dòng)關(guān)系。[1]量子力學(xué)的發(fā)展從根本上改變了經(jīng)典科學(xué)世界

圖景。

一、量子力學(xué)突破了經(jīng)典科學(xué)的機(jī)械決定論，遵循因果加統(tǒng)計(jì)的非機(jī)械決定論

經(jīng)典力學(xué)是關(guān)于機(jī)械運(yùn)動(dòng)的科學(xué)，機(jī)械運(yùn)動(dòng)是自然界最簡(jiǎn)單也是最普遍的運(yùn)動(dòng)。說(shuō)它最簡(jiǎn)單，因?yàn)闄C(jī)械運(yùn)動(dòng)比較容易認(rèn)識(shí)，牛頓等人又采取高度簡(jiǎn)化的方法研究力學(xué)，獲得了空前成功；說(shuō)它最普遍，因?yàn)闄C(jī)械力學(xué)有廣泛的用途，容易把它絕對(duì)化。[2]機(jī)械決定論是建立在經(jīng)典力學(xué)的因果觀之上，解釋原因和結(jié)果的存在方式和聯(lián)系方式的理論。機(jī)械決定論認(rèn)為因和果之間的聯(lián)系具有確定性，無(wú)論從因到果的軌跡多么復(fù)雜，沿著軌跡尋找總能確定出原因或結(jié)果；機(jī)械決定論的核心在于只要初始狀態(tài)一定，則未來(lái)狀態(tài)可以由因果法則進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。[3]其實(shí)，機(jī)械決定論僅僅適用于宏觀物體，而對(duì)于微觀領(lǐng)域以及客觀世界中大量存在的偶然現(xiàn)象的研究就產(chǎn)生了統(tǒng)計(jì)決定論。[4]

量子力學(xué)是對(duì)經(jīng)典物理學(xué)在微觀領(lǐng)域的一次革命。量子力學(xué)所揭示的微觀世界的運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及以玻爾為代表的哥本哈根學(xué)派對(duì)量子力學(xué)的理解，同物理學(xué)機(jī)械決定論是根本相悖的。[5]按照量子理論，微觀粒子運(yùn)動(dòng)遵守統(tǒng)計(jì)規(guī)律，我們不能說(shuō)某個(gè)電子一定在什么地方出現(xiàn)，而只能說(shuō)它在某處出現(xiàn)的幾率有多大。

玻恩的統(tǒng)計(jì)解釋指出，因果性是表示事件關(guān)系之中一種必然性觀念，而機(jī)遇則恰恰相反地意味著完全不確定性，自然界同時(shí)受到因果律和機(jī)遇律的某種混合方式的支配。在量子力學(xué)中，幾率性是基本概念，統(tǒng)計(jì)規(guī)律是基本規(guī)律。物理學(xué)原理的方向發(fā)生了質(zhì)的改變：統(tǒng)計(jì)描述代替了嚴(yán)格的因果描述，非機(jī)械決定論代替了機(jī)械決定論的統(tǒng)治。

經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)雖然也提出了幾率的概念，但未能從根本上動(dòng)搖嚴(yán)格決定論，量子力學(xué)的沖擊則使機(jī)械決定論的大廈坍塌了。量子力學(xué)揭示并論證了人們對(duì)微觀世界的認(rèn)識(shí)具有不可避免的隨機(jī)性，它不遵循嚴(yán)格的因果律。任何微觀事件的測(cè)定都要受到測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系的限定，不可能確切地知道它們的位置和動(dòng)量、時(shí)間和能量，只能描述和預(yù)言微觀對(duì)象的可能的行為。因此，量子力學(xué)必須是幾率的、統(tǒng)計(jì)的。而且，隨著認(rèn)識(shí)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)量子統(tǒng)計(jì)的隨機(jī)性，不是由于我們知識(shí)和手段的不完備性造成的，而是由微觀世界本身的必然性（主客體相互作用）所注定。

二、量子力學(xué)使得科學(xué)認(rèn)識(shí)方法由還原論轉(zhuǎn)化為整體論

還原論作為一種認(rèn)識(shí)方法，是指把高級(jí)運(yùn)動(dòng)形式歸結(jié)為低級(jí)運(yùn)動(dòng)形式，用研究低級(jí)運(yùn)動(dòng)形式所得出的結(jié)論代替對(duì)高級(jí)運(yùn)動(dòng)形式的本質(zhì)認(rèn)識(shí)的觀點(diǎn)。它用已分析得出的客觀世界中的主要的、穩(wěn)定的觀點(diǎn)和規(guī)律去解釋、說(shuō)明要研究的對(duì)象。其目的是簡(jiǎn)化、縮小客體的多樣性。這種方法在人類認(rèn)識(shí)處于初級(jí)水平上無(wú)疑是有效的。如牛頓將開(kāi)普勒和伽利略的定律成功地還原為他的重力定律。但是還原論形而上學(xué)的本質(zhì)，以及完全還原是不可能的，決定了還原論不能揭示世界的全貌。

量子力學(xué)認(rèn)為整體與部分的劃分只有相對(duì)意義，整體的特征絕非部分的疊加，而是部分包含著整體。部分作為一個(gè)單元，具有與整體同等甚至還要大的復(fù)雜性。部分不僅與周圍環(huán)境發(fā)生一定的外在聯(lián)系，同時(shí)還要表現(xiàn)出“主體性”，可將自身的內(nèi)在聯(lián)系傳遞到周邊，并直接參與整體的變化。因而，部分與整體呈現(xiàn)了有機(jī)的自覺(jué)因果關(guān)系。在特定的臨界狀態(tài)，部分的少許變化將引起整體的突變。[6]

波粒二象性是微觀世界的本質(zhì)特征，也是量子論、量子力學(xué)理論思想的靈魂。用經(jīng)典觀點(diǎn)來(lái)看，也就是按照還原論的思想，粒子與波毫無(wú)共同之處，二者難以形成直觀的統(tǒng)一圖案，這是經(jīng)典物理學(xué)通過(guò)部分還原認(rèn)識(shí)整體的方法，是“向上的原因”?？墒俏⒂^粒子在某些實(shí)驗(yàn)條件下，只表現(xiàn)波動(dòng)性；而在另一些實(shí)驗(yàn)條件下，只表現(xiàn)粒子性。這兩種實(shí)驗(yàn)結(jié)果不能同時(shí)在一次實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)。于是，玻爾的互補(bǔ)原理就在客觀上揭示了微觀世界的矛盾和我們關(guān)于微觀世界認(rèn)識(shí)的矛盾，并試圖尋找一種解決矛盾的方法，這就是微觀粒子既具有粒子性又具有波動(dòng)性，即波粒二象性。這就是整體論觀點(diǎn)強(qiáng)調(diào)的“向下的原因”，即從整體到部分。同樣，海森伯的測(cè)不準(zhǔn)原理說(shuō)明不能同時(shí)測(cè)量微觀粒子的動(dòng)量和位置，這也說(shuō)明絕不能把宏觀物體的可觀測(cè)量簡(jiǎn)單盲目地還原到微觀。由此我們可以看出，造成經(jīng)典科學(xué)觀與現(xiàn)代科學(xué)觀認(rèn)識(shí)論和方法論不同的根本在于思考和觀察問(wèn)題的層面不同。經(jīng)典科學(xué)一味地強(qiáng)調(diào)外在聯(lián)系觀，而量子力學(xué)則更強(qiáng)調(diào)關(guān)注事物內(nèi)部的有機(jī)聯(lián)系。所以，量子力學(xué)把內(nèi)在聯(lián)系作為原因從根本上動(dòng)搖了還原論觀點(diǎn)。

三、量子力學(xué)使得科學(xué)思維方式由追求簡(jiǎn)單性發(fā)展到探索復(fù)雜性

從經(jīng)典科學(xué)思維方式來(lái)看，世界在本質(zhì)上是簡(jiǎn)單的。牛頓就說(shuō)過(guò)，自然界喜歡簡(jiǎn)單化，而不喜歡用什么多余的原因以夸耀自己。追求簡(jiǎn)單性是經(jīng)典科學(xué)奮斗的目標(biāo)，也是推動(dòng)它獲取成功的動(dòng)力。開(kāi)普勒以三條簡(jiǎn)明的定律揭示了看似復(fù)雜的太陽(yáng)系行星運(yùn)動(dòng)，牛頓更是用單一的萬(wàn)有引力說(shuō)明了千變?nèi)f化的天體行為。因而現(xiàn)代科學(xué)是用簡(jiǎn)單性解釋復(fù)雜性，這就隱去了自然界的豐富多樣性。

量子力學(xué)初步揭示了客觀世界的復(fù)雜性。經(jīng)典科學(xué)的簡(jiǎn)單性是與把物理世界理想化相聯(lián)系的。經(jīng)典物理學(xué)所研究的是理想的物質(zhì)客體。它不但用理想化的“質(zhì)點(diǎn)”、“剛體”、“理想氣體”來(lái)描述物體，而且把研究對(duì)象的條件理想化，使研究的視野僅僅局限于人們自己制定的范圍之內(nèi)。而客觀世界并不是如此，特別是進(jìn)入微觀領(lǐng)域，微觀粒子運(yùn)動(dòng)的幾率性、隨機(jī)性；觀測(cè)對(duì)象和觀測(cè)主體不可分割性等都足以說(shuō)明自然界本身并不是我們想象的那么簡(jiǎn)單。

在現(xiàn)代科學(xué)中，牛頓的經(jīng)典力學(xué)成了相對(duì)論的低速現(xiàn)象的特例，成為非線性科學(xué)中交互作用近似為零的情況，在量子力學(xué)中是測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系可以忽略時(shí)的理論表述。復(fù)雜性的提出并不是要消滅簡(jiǎn)單性，而是為了打破簡(jiǎn)單性獨(dú)占的一統(tǒng)地位。復(fù)雜性是把簡(jiǎn)單性作為一個(gè)特例包含其中，正如莫蘭所說(shuō)的，復(fù)雜性是簡(jiǎn)單性和復(fù)雜性的統(tǒng)一。復(fù)雜性比簡(jiǎn)單性更基本，可能性比現(xiàn)實(shí)性更基本，演化比存在更基本。[7]今天的科學(xué)思維方式，不是以現(xiàn)實(shí)來(lái)限制可能，而是從可能中選擇現(xiàn)實(shí)；不是以既存的實(shí)體來(lái)確定演化，而是在演化中認(rèn)識(shí)和把握實(shí)體。復(fù)雜性主張考察被研究對(duì)象的復(fù)雜性，在對(duì)其作出層次與類別上的區(qū)分之后再進(jìn)行溝通，而不是僅僅限于孤立和分離，它強(qiáng)調(diào)的是一種整體的協(xié)同。

四、量子力學(xué)使科學(xué)活動(dòng)中主客體分離邁向主客互動(dòng)

經(jīng)典科學(xué)思維方式的一個(gè)指導(dǎo)觀念就是，認(rèn)為科學(xué)應(yīng)該客觀地、不附加任何主觀成分地獲取“照本來(lái)樣子的”世界知識(shí)。玻爾告訴人們，根本不存在所謂的“真實(shí)”，除非你首先描述測(cè)量物理量的方式，否則談?wù)撊魏挝锢砹慷际菦](méi)有意義的！測(cè)量，這一不被經(jīng)典物理學(xué)考慮的問(wèn)題，在面對(duì)量子世界如此微小的測(cè)量對(duì)象時(shí)，成為一個(gè)難以把握的手段。因?yàn)檠芯空叩慕槿雽?duì)量子世界產(chǎn)生了致命的干擾，使得測(cè)量中充滿了不確定性。在海森伯看來(lái)，在我們的研究工作由宏觀領(lǐng)域進(jìn)入微觀領(lǐng)域時(shí)，我們就會(huì)遇到一個(gè)矛盾：我們的觀測(cè)儀器是宏觀的，可是研究對(duì)象卻是微觀的；宏觀儀器必然要對(duì)微觀粒子產(chǎn)生干擾，這種干擾本身又對(duì)我們的認(rèn)識(shí)產(chǎn)生了干擾；人只能用反映宏觀世界的經(jīng)典概念來(lái)描述宏觀儀器所觀測(cè)到的結(jié)果，可是這種經(jīng)典概念在描述微觀客體時(shí)又不能不加以限制。這突破了經(jīng)典科學(xué)完全可以在不影響客體自然存在的狀態(tài)下進(jìn)行觀測(cè)的假定，從而建立了科學(xué)活動(dòng)中主客體互動(dòng)的關(guān)系。

例如，關(guān)于光到底是粒子還是波，辯論了三百多年。玻爾認(rèn)為這完全取決于我們?nèi)绾稳ビ^察它。一種實(shí)驗(yàn)安排，人們可以看到光的波現(xiàn)象；另一種實(shí)驗(yàn)安排，人們又可以看到光的粒子現(xiàn)象。但就光子這個(gè)整體概念而言，它卻表現(xiàn)出波粒二象性。因此，海森伯就說(shuō)，我們觀測(cè)的不是自然本身，而是由我們用來(lái)探索問(wèn)題的方法所揭示的自然。[8]

量子力學(xué)的發(fā)展表明，不存在一個(gè)客觀的、絕對(duì)的世界。唯一存在的，就是我們能夠觀測(cè)到的世界。物理學(xué)的全部意義，不在于它能夠描述出自然“是什么”，而在于它能夠明確，關(guān)于自然我們能夠“說(shuō)什么”。

參考文獻(xiàn)：

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篇3

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”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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篇4

【關(guān)鍵詞】量子;通信;技術(shù);發(fā)展

對(duì)量子信息進(jìn)行研究是將量子力學(xué)作為研究基礎(chǔ)，根據(jù)量子并行、糾纏以及不可克隆特性，探索量子編碼、計(jì)算、傳輸?shù)目赡苄裕孕峦緩?、思路、概念打破原有的芯片極限。從本質(zhì)來(lái)說(shuō)：量子信息是在量子物理觀念上引發(fā)的效應(yīng)。它的優(yōu)勢(shì)完全來(lái)源于量子并行，量子糾纏中的相干疊加為量子通訊提供了依據(jù)，量子密碼更多的取決于波包塌縮。理論上，量子通信能夠?qū)崿F(xiàn)通信過(guò)程，最初是通過(guò)光纖實(shí)現(xiàn)的，由于光纖會(huì)受到自身與地理?xiàng)l件限制，不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信，所以不利于全球化。到1993年，隱形傳輸方式被提出，通過(guò)創(chuàng)建脫離實(shí)物的量子通信，用量子態(tài)進(jìn)行信息傳輸，這就是原則上不能破譯的技術(shù)。但是，我們應(yīng)該看到，受環(huán)境噪聲影響，量子糾纏會(huì)隨著傳輸距離的拉長(zhǎng)效果變差。

一、量子通信技術(shù)

（一）量子通信定義

到目前為止，量子通信依然沒(méi)有準(zhǔn)確的定義。從物力角度來(lái)看，它可以被理解為物力權(quán)限下，通過(guò)量子效應(yīng)進(jìn)行性能較高的通信;從信息學(xué)來(lái)看，量子通信是在量子力學(xué)原理以及量子隱形傳輸中的特有屬性，或者利用量子測(cè)量完成信息傳輸?shù)倪^(guò)程。

從量子基本理論來(lái)看，量子態(tài)是質(zhì)子、中子、原子等粒子的具體狀態(tài)，可以代表粒子旋轉(zhuǎn)、能量、磁場(chǎng)和物理特性，它包含量子測(cè)不準(zhǔn)原理和量子糾纏，同時(shí)也是現(xiàn)代物理學(xué)的重點(diǎn)。量子糾纏是來(lái)源一致的一對(duì)微觀粒子在量子力學(xué)中的糾纏關(guān)系，同時(shí)這也是通過(guò)量子進(jìn)行密碼傳遞的基礎(chǔ)。Heisenberg測(cè)不準(zhǔn)原理作為力學(xué)基本原理，是同一時(shí)刻用相同精度對(duì)量子動(dòng)量以及位置的測(cè)量，但是只能精確測(cè)定其中的一樣結(jié)果。

（二）量子通信原理

量子通信素來(lái)具有速度快、容量大、保密性好等特征，它的過(guò)程就是量子力學(xué)原理的展現(xiàn)。從最典型的通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)具體包含：量子態(tài)、量子測(cè)量容器與通道，擁有量子效應(yīng)的有：原子、電子、光子等，它們都可以作為量子通信的信號(hào)。在這過(guò)程中，由于光信號(hào)擁有一定的傳輸性，所以常說(shuō)的量子通信都是量子光通信。分發(fā)單光子作為實(shí)施量子通信空間的依據(jù)，利用空間技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)空間量子的全球化通信，并且克服空間鏈路造成的距離局限。

利用糾纏量子中的隱形量子傳輸技術(shù)作為未來(lái)量子通信的核心，它的工作原理是：利用量子力學(xué)，由兩個(gè)光子構(gòu)成糾纏光子，不管它們?cè)谟钪嬷芯嚯x多遠(yuǎn)，都不能分割狀態(tài)。如果只是單獨(dú)測(cè)量一個(gè)光子情況，可能會(huì)得到完全隨機(jī)的測(cè)量結(jié)果;如果利用海森堡的測(cè)不準(zhǔn)原理進(jìn)行測(cè)量，只要測(cè)量一個(gè)光子狀態(tài)，縱使它已經(jīng)發(fā)生變化，另一個(gè)光子也會(huì)出現(xiàn)類似的變化，也就是塌縮。根據(jù)這一研究成果，Alice利用隨機(jī)比特，隨機(jī)轉(zhuǎn)換已有的量子傳輸狀態(tài)，在多次傳輸中，接受者利用量子信道接收;在對(duì)每個(gè)光子進(jìn)行測(cè)量時(shí)，同時(shí)也隨機(jī)改變了自己的基，一旦兩人的基一樣，一對(duì)互補(bǔ)隨機(jī)數(shù)也就產(chǎn)生。如果此時(shí)竊聽(tīng)者竊聽(tīng)，就會(huì)破壞糾纏光子對(duì)，Alice與Bob也就發(fā)覺(jué)，所以運(yùn)用這種方式進(jìn)行通信是安全的。

（三）量子密碼技術(shù)

從Heisenberg測(cè)不準(zhǔn)原理我們可以知道，竊聽(tīng)不可能得到有效信息，與此同時(shí)，竊聽(tīng)量子信號(hào)也將會(huì)留下痕跡，讓通信方察覺(jué)。密碼技術(shù)通過(guò)這一原理判別是否存在有人竊取密碼信息，保障密碼安全。而密鑰分配的基本原理則來(lái)源于偏振，在任意時(shí)刻，光子的偏振方向都擁有一定的隨機(jī)性，所以需要在糾纏光子間分設(shè)偏振片。如果光子偏振片與偏振方向夾角較小時(shí)，通過(guò)濾光器偏振的幾率很大，反之偏小。尤其是夾角為90度時(shí)，概率為0;夾角為45度時(shí)，概率是0.5，夾角是0度時(shí)，概率就是1;然后利用公開(kāi)渠道告訴對(duì)方旋轉(zhuǎn)方式，將檢測(cè)到的光子標(biāo)記為1，沒(méi)有檢測(cè)到的填寫(xiě)0，而雙方都能記錄的二進(jìn)制數(shù)列就是密碼。對(duì)于半路監(jiān)聽(tīng)的情況，在設(shè)置偏振片的同時(shí)，偏振方向的改變，這樣就會(huì)讓接受者與發(fā)送者數(shù)列出現(xiàn)差距。

（四）量子通信的安全性

從典型的數(shù)字通信來(lái)說(shuō)：對(duì)信息逐比特，并且完全加密保護(hù)，這才是實(shí)質(zhì)上的安全通信。但是它不能完全保障信息安全，在長(zhǎng)度有限的密文理論中，經(jīng)不住窮舉法影響。同時(shí)，偽隨機(jī)碼的周期性，在重復(fù)使用密鑰時(shí)，理論上能夠被解碼，只是周期越長(zhǎng)，解碼破譯難度就會(huì)越大。如果將長(zhǎng)度有限的隨機(jī)碼視為密鑰，長(zhǎng)期使用雖然也會(huì)具有周期特征，但是不能確保安全性。

從傳統(tǒng)的通信保密系統(tǒng)來(lái)看，使用的是線路加密與終端加密整合的方式對(duì)其保護(hù)。電話保密網(wǎng)，是在話音終端上利用信息通信進(jìn)行加密保護(hù)，而工作密鑰則是偽隨機(jī)碼。

二、量子通信應(yīng)用與發(fā)展

和傳統(tǒng)通信相比，量子通信具有很多優(yōu)勢(shì)，它具有良好的抗干擾能力，并且不需要傳統(tǒng)信道，量子密碼安全性很高，一般不能被破譯，線路時(shí)延接近0，所以具有很快的傳輸速度。目前，量子通信已經(jīng)引起很多軍方和國(guó)家政府的關(guān)注。因?yàn)樗芙⑵馃o(wú)法破譯的系統(tǒng)，所以一直是日本、歐盟、美國(guó)科研機(jī)構(gòu)發(fā)展與研究的內(nèi)容。

在城域通信分發(fā)與生成系統(tǒng)中，通過(guò)互聯(lián)量子路由器，不僅能為任意量子密碼機(jī)構(gòu)成量子密碼，還能為成對(duì)通信保密機(jī)利用，它既能用于逐比特加密，也能非實(shí)時(shí)應(yīng)用。在嚴(yán)格的專網(wǎng)安全通信中，通過(guò)以量子分發(fā)系統(tǒng)和密鑰為支撐，在城域范疇，任何兩個(gè)用戶都能實(shí)現(xiàn)逐比特密鑰量子加密通信，最后形成安全性有保障的通信系統(tǒng)。在廣域高的通信網(wǎng)絡(luò)中，受傳輸信道中的長(zhǎng)度限制，它不可能直接創(chuàng)建出廣域的通信網(wǎng)絡(luò)。如果分段利用量子密鑰進(jìn)行實(shí)時(shí)加密，就能形成安全級(jí)別較高的廣域通信。它的缺點(diǎn)是，不能全程端與端的加密，加密節(jié)點(diǎn)信息需要落地，所以存在安全隱患。目前，隨著空間光信道量子通信的成熟，在天基平臺(tái)建立好后，就能實(shí)施范圍覆蓋，從而拓展量子信道傳輸。在這過(guò)程中，一旦量子中繼與存儲(chǔ)取得突破，就能進(jìn)一步拉長(zhǎng)量子信道的輸送距離，并且運(yùn)用到更寬的領(lǐng)域。例如：在潛安全系統(tǒng)中，深海潛艇與岸基指揮一直是公認(rèn)的世界難題，只有運(yùn)用甚長(zhǎng)波進(jìn)行系統(tǒng)通信，才能實(shí)現(xiàn)幾百米水下通信，如果只是使用傳統(tǒng)的加密方式，很難保障安全性，而利用量子隱形和存儲(chǔ)將成為開(kāi)辟潛通的新途徑。

三、結(jié)束語(yǔ)

量子技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，作為現(xiàn)代科學(xué)與物理學(xué)的進(jìn)步標(biāo)志之一，它對(duì)人類發(fā)展以及科學(xué)建設(shè)都具有重要作用。因此，在實(shí)際工作中，必須充分利用通信技術(shù)，整合國(guó)內(nèi)外發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，從各方面推進(jìn)量子通信技術(shù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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篇5

[關(guān)鍵詞]量子體系、對(duì)稱性、守恒定律

一、關(guān)于對(duì)稱性和守恒定律的研究

對(duì)稱性是自然界最普遍、最重要的特性。近代科學(xué)表明，自然界的所有重要的規(guī)律均與某種對(duì)稱性有關(guān)，甚至所有自然界中的相互作用，都具有某種特殊的對(duì)稱性——所謂“規(guī)范對(duì)稱性”。實(shí)際上，對(duì)稱性的研究日趨深入，已越來(lái)越廣泛的應(yīng)用到物理學(xué)的各個(gè)分支：量子論、高能物理、相對(duì)論、原子分子物理、晶體物理、原子核物理，以及化學(xué)（分子軌道理論、配位場(chǎng)理論等）、生物（DNA的構(gòu)型對(duì)稱性等）和工程技術(shù)。

何謂對(duì)稱性？按照英國(guó)《韋氏國(guó)際辭典》中的定義：“對(duì)稱性乃是分界線或中央平面兩側(cè)各部分在大小、形狀和相對(duì)位置的對(duì)應(yīng)性”。這里講的是人們觀察客觀事物形體上的最直觀特征而形成的認(rèn)識(shí)，也就是所謂的幾何對(duì)稱性。

關(guān)于對(duì)稱性和守恒定律的研究一直是物理學(xué)中的一個(gè)重要領(lǐng)域，對(duì)稱性與守恒定律的本質(zhì)和它們之間的關(guān)系一直是人們研究的重要內(nèi)容。在經(jīng)典力學(xué)中，從牛頓方程出發(fā)，在一定條件下可以導(dǎo)出力學(xué)量的守恒定律，粗看起來(lái)，守恒定律似乎是運(yùn)動(dòng)方程的結(jié)果．但從本質(zhì)上來(lái)看，守恒定律比運(yùn)動(dòng)方程更為基本，因?yàn)樗硎隽俗匀唤绲囊恍┢毡榉▌t，支配著自然界的所有過(guò)程，制約著不同領(lǐng)域的運(yùn)動(dòng)方程．物理學(xué)關(guān)于對(duì)稱性探索的一個(gè)重要進(jìn)展是諾特定理的建立，定理指出，如果運(yùn)動(dòng)定律在某一變換下具有不變性，必相應(yīng)地存在一條守恒定律．簡(jiǎn)言之，物理定律的一種對(duì)稱性，對(duì)應(yīng)地存在一條守恒定律．經(jīng)典物理范圍內(nèi)的對(duì)稱性和守恒定律相聯(lián)系的諾特定理后來(lái)經(jīng)過(guò)推廣，在量子力學(xué)范圍內(nèi)也成立．在量子力學(xué)和粒子物理學(xué)中，又引入了一些新的內(nèi)部自由度,認(rèn)識(shí)了一些新的抽象空間的對(duì)稱性以及與之相應(yīng)的守恒定律，這就給解決復(fù)雜的微觀問(wèn)題帶來(lái)好處，尤其現(xiàn)在根據(jù)量子體系對(duì)稱性用群論的方法處理問(wèn)題，更顯優(yōu)越。

在物理學(xué)中，尤其是在理論物理學(xué)中，我們所說(shuō)的對(duì)稱性指的是體系的拉格朗日量或者哈密頓量在某種變換下的不變性。這些變換一般可分為連續(xù)變換、分立變換和對(duì)于內(nèi)稟參量的變換。每一種變換下的不變性，都對(duì)應(yīng)一種守恒律，意味著存在某種不可觀測(cè)量。例如，時(shí)間平移不變性，對(duì)應(yīng)能量守恒，意味著時(shí)間的原點(diǎn)不可觀測(cè)；空間平移評(píng)議不變性，對(duì)應(yīng)動(dòng)量守恒，意味著空間的絕對(duì)位置不可觀測(cè)；空間旋轉(zhuǎn)不變性，對(duì)應(yīng)角動(dòng)量守恒，意味著空間的絕對(duì)方向不可觀測(cè)，等等。在物理學(xué)中對(duì)稱性與守恒定律占著重要地位,特別是三個(gè)普遍的守恒定律——?jiǎng)恿?、能量、角?dòng)量守恒，其重要性是眾所周知，并且在工程技術(shù)上也得到廣泛的應(yīng)用。因此，為了對(duì)守恒定律的物理實(shí)質(zhì)有較深刻的理解，必須研究體系的時(shí)空對(duì)稱性與守恒定律之間的關(guān)系。

本文將著重討論非相對(duì)論情形下討論量子體系的時(shí)空對(duì)稱性與三個(gè)守恒定律的關(guān)系，并在最后給出一些我們常見(jiàn)的對(duì)稱變換與守恒定律的簡(jiǎn)單介紹。

二、對(duì)稱變換及其性質(zhì)

一個(gè)力學(xué)系統(tǒng)的對(duì)稱性就是它的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的不變性，在經(jīng)典力學(xué)里，運(yùn)動(dòng)規(guī)律由拉格朗日函數(shù)決定，因而時(shí)空對(duì)稱性表現(xiàn)為拉格朗日函數(shù)在時(shí)空變換下的不變性．在量子力學(xué)里，運(yùn)動(dòng)規(guī)律是薛定諤方程，它決定于系統(tǒng)的哈密頓算符，因此，量子力學(xué)系統(tǒng)的對(duì)稱性表現(xiàn)為哈密頓算符的不變性。

對(duì)稱變換就是保持體系的哈密頓算符不變的變換．在變換S（例如空間平移、空間轉(zhuǎn)動(dòng)等）下，體系的任何狀態(tài)ψ變?yōu)棣转╯）。

三、對(duì)稱變換與守恒量的關(guān)系

經(jīng)典力學(xué)中守恒量就是在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不隨時(shí)間變化的量，從此考慮過(guò)渡到量子力學(xué)，當(dāng)是厄米算符，則表示某個(gè)力學(xué)量，而

然而,當(dāng)不是厄米算符,則就不表示力學(xué)量.但是，若為連續(xù)變換時(shí)，我們就很方便的找到了力學(xué)量守恒。

設(shè)是連續(xù)變換，于是可寫(xiě)成為=1+IλF,λ為一無(wú)窮小參量，當(dāng)λ0時(shí)，為恒等變換?？紤]到除時(shí)間反演外，時(shí)空對(duì)稱變換都是幺正變換，所以

（8）式中忽略λ的高階小量，由上式看到

即F是厄米算符，F(xiàn)稱為變換算符的生成元。由此可見(jiàn)，當(dāng)不是厄米算符時(shí)，與某個(gè)力學(xué)量F相對(duì)應(yīng)。再根據(jù)可得

（10）可見(jiàn)F是體系的一個(gè)守恒量。

從上面的討論說(shuō)明，量子體系的對(duì)稱性，對(duì)應(yīng)著力學(xué)量的守恒，下面具體討論時(shí)空對(duì)稱性與動(dòng)量、能量、角動(dòng)量守恒。

1.空間平移不變性（空間均勻性）與動(dòng)量守恒。

空間平移不變性就是指體系整體移動(dòng)δr時(shí)，體系的哈密頓算符保持不變．當(dāng)沒(méi)有外場(chǎng)時(shí)，體系就是具有空間平移不變性。

設(shè)體系的坐標(biāo)自r平移到，那么波函數(shù)ψ(r)變換到ψ(s)(r)

2.空間旋轉(zhuǎn)不變性（空間各向同性）與角動(dòng)量守恒

空間旋轉(zhuǎn)不變性就是指體系整體繞任意軸n旋δφ時(shí)，體系的哈密頓算符不變。當(dāng)體系處于中心對(duì)稱場(chǎng)或無(wú)外場(chǎng)時(shí)，體系具有空間旋轉(zhuǎn)不變性。

3.時(shí)間平移不變性與能量守恒

時(shí)間平移不變性就是指體系作時(shí)間平移時(shí)，其哈密頓算符不變。當(dāng)體系處于不變外場(chǎng)或沒(méi)有外場(chǎng)時(shí)，體系的哈密頓算符與時(shí)間無(wú)關(guān)（），體系具有時(shí)間平移不變性。

和空間平移討論類似，時(shí)間平移算符δt對(duì)波函數(shù)的作用就是使體系從態(tài)變?yōu)闀r(shí)間平移態(tài)：

同樣，將（27）式的右端在T的領(lǐng)域展開(kāi)為泰勒級(jí)數(shù)

篇6

關(guān)鍵詞： 微磁學(xué) 交換作用 經(jīng)典交換作用

1.引言

在真實(shí)的磁化過(guò)程中，交換作用能、磁各向異性能和靜磁能中任何一項(xiàng)都不能忽略。如果這些能量項(xiàng)作為微擾加入海森堡哈密頓量中，然后用量子力學(xué)的方法求解，那就是最為理想的了。但是，實(shí)際上即使不附加其他能量項(xiàng)，也必須做粗略的近似才能求解。所以，微磁學(xué)應(yīng)運(yùn)而生，它沒(méi)有顧及量子力學(xué)，忽略了物質(zhì)的原子本性，而采用介質(zhì)的經(jīng)典物理方法處理問(wèn)題，這種經(jīng)典理論是與M（T）的量子理論（忽略了靜磁作用）并行發(fā)展起來(lái)的，它起源于1935年Landau和Lishitz關(guān)于兩個(gè)反方向磁疇間疇壁結(jié)構(gòu)的論文及1940―1941年W.F.Jr.Brwon的幾篇論文。Brwon將此經(jīng)典理論命名為“微磁學(xué)”，此理論忽略了原子理論的微觀性質(zhì)，用宏觀的觀點(diǎn)討論問(wèn)題并認(rèn)為材料是連續(xù)的。因而，采用了經(jīng)典矢量來(lái)代替自旋，并且在“連續(xù)介質(zhì)”的極限下，為了使其能與麥克斯韋方程組一起使用，采用了一項(xiàng)經(jīng)典的能量項(xiàng)來(lái)代替量子力學(xué)中的交換作用能。本文主要考慮交換作用能經(jīng)典的代替項(xiàng)，并通過(guò)分析，討論它的適用性與局限性。

2.何為“交換作用”

在順磁體中，其原子磁矩只與外磁場(chǎng)相互這樣。而在鐵磁體中情況卻不相同，其原子的自旋之間存在著相互作用，每個(gè)自旋都力圖使其他自旋沿著它的方向取向，自旋間的相互作用來(lái)源于自旋的量子力學(xué)性質(zhì)，交換作用沒(méi)有經(jīng)典的對(duì)應(yīng)物，是量子力學(xué)中電子波函數(shù)的重疊引起的。這些自旋之間存在著一種力，這種力試圖使所有的自旋平行排列，這就是所謂的交換作用，可以用自旋和自旋之間的交換作用能表示，交換作用能正比于•

ε=-′J

其中，求和符號(hào)旁邊的分號(hào)表示求和時(shí)排除i=j，因?yàn)槟芘c自旋發(fā)生作用，除此之外，此式遍及材料中所有的原子自旋。系數(shù)J稱為交換積分。系數(shù)的正負(fù)是這樣定義的，如果J為正，則自旋平行取向，如果J為負(fù)，則自旋反平行取向，分別意味著鐵磁性耦合與反鐵磁耦合。

對(duì)于交換積分J，目前尚不能根據(jù)基本原理計(jì)算出，只能假設(shè)給出哈密頓量，而J作為一個(gè)參量，其數(shù)值由理論與某些實(shí)驗(yàn)（通常是居里溫度）值的比較來(lái)確定。

3.“經(jīng)典”的交換作用

“交換作用”是一種非?！岸坛獭钡淖饔昧Γ荒茉卩?，也可能在次近鄰自旋之間產(chǎn)生作用，而對(duì)較遠(yuǎn)的自旋沒(méi)有作用，將自旋算符近似地用經(jīng)典矢量表示，則交換作用能有〈1〉式給出，如果只能是最鄰近自旋之間的J不等于零，則：

ε=-′J•=-JScosφ

其中，φ為自旋和之間的夾角。

可以預(yù)期，相鄰自旋之間的夾角“總”是很小的，因?yàn)榻粨Q作用是極短程的作用力，不允許產(chǎn)生大的夾角。當(dāng)φ很小時(shí)?？梢约僭O(shè)每個(gè)平面上有幾個(gè)自旋，這些平面相互平行，此時(shí)則有：

ε=JSφ

在計(jì)算中將所有自旋相互平行的狀態(tài)作為參考狀態(tài)，減去參考狀態(tài)的能量即得到上述表示式。這意味著重新定義了交換作用能的零點(diǎn)。但是，不必?fù)?dān)心，只要互相一致，重新定義是合理的。

如圖1所示，設(shè)為平行于局域自旋方程的單位矢量，在小角度的場(chǎng)合，|φ|≈|-|。需指出，這一定義也意味著平行于磁化強(qiáng)度矢量的局部方向。不僅定義在格點(diǎn)上，而且是一個(gè)連續(xù)變量，其泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)的一級(jí)近似為：

|-|=|（•）|

其中，是從格點(diǎn)i到格點(diǎn)j的位置矢徑

將〈4〉式代入〈3〉式，則得：

ε=JS•［（•）］

上式中的第二個(gè)求和遍及格點(diǎn)i到所有鄰近的位置矢徑，例如對(duì)晶格常數(shù)為a的簡(jiǎn)單立方晶格，需要六個(gè)位置矢徑S=a（±1，±1，±）求和。對(duì)于三種立方晶格很容易求和，計(jì)算表明三種立方晶格的表達(dá)式相同，只是系數(shù)因子不同。

將對(duì)i的求和變換為對(duì)整個(gè)鐵磁體求積分，則立方晶體交換作用能的表達(dá)式為：

ε=?蘩wd?，w=1/2C［（m）+（m）+（m）］

其中C=c

上式中，a為晶胞棱邊的長(zhǎng)度，c為常數(shù)，其數(shù)值對(duì)于簡(jiǎn)單立方，體心立方，面心立方分別為1，2和4。

4.交換作用與“經(jīng)典”的交換作用

前面已經(jīng)提到，交換作用沒(méi)有經(jīng)典的對(duì)應(yīng)物，是量子力學(xué)中電子波函數(shù)的重疊引起的。實(shí)際的交換能量論即〈1〉式來(lái)源于庫(kù)侖作用，因?yàn)樗鼞?yīng)用了反映pauli不相容原理的行列式。根據(jù)pauli不相容原理，兩個(gè)相同自旋的電子不能處于同一個(gè)位置，因此，它們的重疊就比經(jīng)典電子的重疊?。ㄔ斍閰⒁?jiàn)文獻(xiàn)1），因?yàn)榻粨Q能量項(xiàng)的主要特征是其積分中包含了對(duì)自旋波函數(shù)的求和，因自旋波函數(shù)是彼此正交的，如果自旋不平行取向，則積分為零。所以，這一項(xiàng)能量實(shí)際上表征了兩個(gè)自旋爬行取向，以及反爬行取向的兩個(gè)姿態(tài)的能量“岔值”，其作用在于力圖使自旋彼此平行取向（或者反平行取向，這取決于交換積分的正負(fù)）。

但是，在“經(jīng)典”的交換作用中，恰恰忽略了交換作用最為重要的一點(diǎn)，即電子的自旋波函數(shù)，而是以經(jīng)典的矢量來(lái)代替自旋。而這一變化，促使了經(jīng)典的能量論代替了量子力學(xué)的交換作用能，這一變化，使得交換能量的計(jì)算顯得更加簡(jiǎn)捷方便，也便于解決目前考慮到量子力學(xué)性質(zhì)時(shí)難以解決的問(wèn)題，比如，對(duì)三種立方晶格即（簡(jiǎn)單立方，體心立方，面心立方）交換作用能的積分，以及對(duì)兩個(gè)反方向磁疇間疇壁結(jié)構(gòu)的求解問(wèn)題等。

可是，既然經(jīng)典交換作用已經(jīng)忽略了物質(zhì)的原子本性，不以經(jīng)典矢量來(lái)代替自旋。那么，我們?cè)诶媒?jīng)典交換作用解決問(wèn)題時(shí)，就必須忽略它帶來(lái)的局限性和一些限制。

5.經(jīng)典交換作用的應(yīng)用和限制

在上一節(jié)中已經(jīng)提到，經(jīng)典交換能量式為：

ε=JS•［（•）］

其對(duì)三種立方晶格交換作用能的表達(dá)式為：

ε=?蘩wd?，w=1/2C［（m）+（m）+（m）］

其中C=c

a為晶胞棱邊的長(zhǎng)度，c為常數(shù)，而對(duì)六角密堆晶體，譬如能對(duì)Si的體積同樣給出〈6〉式，只是系數(shù)C不同，其值為：

C=

其中a為最鄰近原子間的距離。

對(duì)于低對(duì)稱性的晶體，〈6〉式需做某種修改。不多對(duì)于大多數(shù)有實(shí)際意義的情況，可以認(rèn)為這一表達(dá)式仍然是交換作用的很好近似，比如連續(xù)介質(zhì)的假設(shè)是物理真實(shí)的很好近似一樣。將常數(shù)C看作是材料的一個(gè)物理參數(shù)，其數(shù)值可以通過(guò)理論計(jì)算結(jié)果及測(cè)量數(shù)據(jù)的擬合而求得。當(dāng)然，如果已知交換積分J，那么從理論表達(dá)式〈7〉和〈8〉也可求出常數(shù)C。

不過(guò)，J與溫度有關(guān)?？拷永餃囟萒的J值不再適用于微磁學(xué)計(jì)算，因?yàn)槲⒋艑W(xué)往往適用于室溫附近。通常用鐵磁共振實(shí)驗(yàn)可以較準(zhǔn)確地測(cè)出交換常數(shù)C，對(duì)于鐵和鎳，其數(shù)量級(jí)C≈2×10erg/cm。

對(duì)于解決晶體中磁化強(qiáng)度矢量的方向隨空間位置變化的問(wèn)題〈6〉式給出的交換作用能量是非常有用的工具。假設(shè)磁化強(qiáng)度矢量的數(shù)值在晶體內(nèi)處處相同，且等于M（T），再均勻磁化，即晶體各點(diǎn)的磁化強(qiáng)度矢量均平行取向時(shí)，磁化強(qiáng)度的微商為零。交換作用能隨磁化強(qiáng)度矢量的空間變化率的增大而增加，正如所預(yù)期的，交換作用能力圖避免磁化強(qiáng)度矢量隨位置的急劇變化。

但是，交換作用能的使用是有其限制的，我們絕不能在超出其有效的近似范圍去應(yīng)用它。它主要有以下限制。

5.1與材料是連續(xù)的基本假設(shè)有關(guān)

如果所涉及的任何特征長(zhǎng)度都遠(yuǎn)大于晶胞的尺寸，則材料是連續(xù)的，這個(gè)假設(shè)是合理的。但是，事先并不能完全保證這一點(diǎn)，不過(guò)，必須牢記，如果某個(gè)微磁學(xué)計(jì)算中涉及以長(zhǎng)度為量綱的參數(shù)，只有在這些參數(shù)的數(shù)值遠(yuǎn)大于晶格常數(shù)是結(jié)果才是可信的。

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5.2溫度不能太高

將格點(diǎn)上的自旋變?yōu)檫B續(xù)變量時(shí)，的數(shù)值在整個(gè)晶體內(nèi)便自動(dòng)的變?yōu)橐粋€(gè)常數(shù)。同時(shí)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，磁疇中的數(shù)值是材料常數(shù)M（T），只與溫度有關(guān)，格點(diǎn)上具有固定自旋的圖像對(duì)于實(shí)際材料并不是一種很好的近似（參見(jiàn)文獻(xiàn)1）。下式給出的實(shí)驗(yàn)事實(shí)

||=M（T）

只有在較大的體積中求平均時(shí)才正確，而當(dāng)漲落足以使從一點(diǎn)到另一點(diǎn)有差別時(shí)，在每個(gè)點(diǎn)上（9）式就不滿足了。因?yàn)槿狈Ω玫哪Ｐ?，微磁學(xué)理論仍假設(shè)〈6〉式到處成立。因此，這個(gè)理論不能應(yīng)用于居里點(diǎn)附近，因?yàn)榫永稂c(diǎn)附近很小的“局部”場(chǎng)都會(huì)改變的數(shù)值。

同時(shí)對(duì)此理論來(lái)做必要的修改前，不能應(yīng)用于高溫。如果假設(shè)尚不清楚，不過(guò)已有一些推行此理論的嘗試，其中取得重大步驟的是Minnaja（參見(jiàn)文獻(xiàn)2），他證明在存在熱漲落的情況下，應(yīng)該用下列交換作用能密度的表達(dá)式代替〈6〉式。

w=［（m）+（m）+（m）］

其中，M為矢量的數(shù)值，是位置的函數(shù)。但是，這一理論仍存在問(wèn)題，沒(méi)有用確定值的另一關(guān)系式代替（9）式，因而這部分工作尚未完成。另外在“成核問(wèn)題”（Nucleation）的研究中（9）式是可以忽略的。

5.3這些近似只適用于相鄰自旋間“小夾角的情況”

不過(guò)，由于交換作用力是極短程的作用力，一般地講：相鄰自旋間的夾角預(yù)期是很小的。但是，這一普遍的規(guī)則并不排除一些非尋常情況下的例外，譬如在材料拐角處，由于其他能量項(xiàng)的制約磁化強(qiáng)度必須翻轉(zhuǎn)方向，如果以為〈6〉式是嚴(yán)格正確的，那么，形式上自旋夾角的不連續(xù)躍變會(huì)使交換作用能變?yōu)闊o(wú)窮大。因此，不能認(rèn)為〈6〉式是嚴(yán)格成立的，因?yàn)樗吘故恰?〉式的近似表達(dá)式。而自旋躍變時(shí)，〈2〉式并不趨于無(wú)窮大?！?〉式總是有限的，而取近似的結(jié)果導(dǎo)致無(wú)窮大。這意味著這種近似方法不適用此特殊情況，應(yīng)該采用別的方法進(jìn)行研究。

6．結(jié)語(yǔ)

雖然經(jīng)典的交換作用的使用存在諸多限制，在應(yīng)對(duì)一些特殊情況時(shí)，問(wèn)題也的確存在。但不可否認(rèn)的是，對(duì)于大多數(shù)的問(wèn)題，目前來(lái)說(shuō)，別無(wú)選擇，只能采用〈6〉式。對(duì)于特殊的問(wèn)題，我們就需采用一些特殊的技術(shù)。因而，在沒(méi)有找到更好的辦法之前，經(jīng)典的交換作用不失為一種很好的方法。

參考文獻(xiàn)：

［1］A.Aharoni.鐵磁學(xué)性理論導(dǎo)論［M］.蘭州：蘭州大學(xué)出版社.

［2］Minnaja.N（1970）.Micromagaetics at high temperature.phy.s.Rev.B.1，1151-9.

［3］鐘文定.鐵磁學(xué)（中）［M］.北京：科學(xué)出版社，1998.

篇7

1.發(fā)現(xiàn)外爾費(fèi)米子

2015年2月16日，中國(guó)科學(xué)院物理所與普林斯頓大學(xué)的兩個(gè)獨(dú)立團(tuán)隊(duì)先后宣布，在一種特殊晶體中發(fā)現(xiàn)了外爾費(fèi)米子。1929年，德國(guó)物理學(xué)家外爾提出，狄拉克方程無(wú)質(zhì)量的解描述的是一對(duì)具有相反“手性”的新粒子，即外爾費(fèi)米子。

多年來(lái)，研究者一直未能在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)這種粒子，后來(lái)凝聚態(tài)物理的發(fā)展讓物理學(xué)家得以在特殊晶體中尋找外爾費(fèi)米子。理論計(jì)算表明，特殊晶體內(nèi)的電子態(tài)符合無(wú)質(zhì)量、具有手性的特征，即存在相當(dāng)于外爾費(fèi)米子的準(zhǔn)粒子，而進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這個(gè)預(yù)言。

外爾費(fèi)米子的性質(zhì)使其在新型電子器件開(kāi)發(fā)和拓?fù)淞孔佑?jì)算等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

2015年4月24日，中山大學(xué)黃軍就團(tuán)隊(duì)在《蛋白質(zhì)與細(xì)胞》雜志上稱，他們運(yùn)用基因組編輯技術(shù)在無(wú)法發(fā)育成胎兒的異常人類胚胎中刪除并修復(fù)了與地中海貧血癥有關(guān)的HBB基因。這篇曾因倫理等問(wèn)題被《自然》、《科學(xué)》拒稿的論文，引發(fā)了廣泛的爭(zhēng)論。

這些爭(zhēng)論直接促成了2015年12月的“人類基因編輯國(guó)際峰會(huì)”。在此次會(huì)議上，20多個(gè)國(guó)家的參會(huì)科學(xué)家一致認(rèn)為，以“定制嬰兒”為目的改變?nèi)祟惻咛セ蛏臣?xì)胞基因組是不負(fù)責(zé)任的，但不應(yīng)排除以其他目的在胚胎層面進(jìn)行基因組編輯的可能性。

3.大腦中的淋巴系統(tǒng)

2015年6月1日，弗吉尼亞大學(xué)醫(yī)學(xué)院的神經(jīng)科學(xué)家稱，他們?cè)谛∈笥材X膜上發(fā)現(xiàn)兩根與外周免疫系統(tǒng)直接相連的淋巴管，而人類的硬腦膜上很可能也存在類似結(jié)構(gòu)。

這一發(fā)現(xiàn)在改寫(xiě)教科書(shū)的同時(shí)，也顛覆了科學(xué)界對(duì)神經(jīng)-免疫系統(tǒng)相互作用的認(rèn)識(shí)，將對(duì)腦部給藥以及自閉癥、阿爾茨海默病、多發(fā)性硬化癥等多種與免疫和炎癥相關(guān)的神經(jīng)系統(tǒng)疾病的研究與治療產(chǎn)生重要影響。

4.“新視野”號(hào)飛掠冥王星

2015年7月14日，美國(guó)航空航天局的“新視野”號(hào)探測(cè)器在經(jīng)過(guò)9年時(shí)間的漫長(zhǎng)跋涉后，終于抵達(dá)并近距離飛掠了它的目的地――冥王星。在此期間，“新視野”號(hào)通過(guò)搭載的科學(xué)儀器采集了大量數(shù)據(jù)，并在之后不斷傳送回地球。

冥王星曾被當(dāng)作行星中的一員，也是柯伊伯帶天體的代表?？乱敛畮祗w遠(yuǎn)離太陽(yáng)，化學(xué)成分的演化很緩慢，可能還保存著與太陽(yáng)系誕生以及生命起源相關(guān)的線索，但由于它們距離地球非常遙遠(yuǎn)，此前天文學(xué)家對(duì)其了解非常有限。

5.量子力學(xué)的“超距作用”

量子力學(xué)最讓人迷惑的特性之一，就是它可以容許相隔甚遠(yuǎn)的兩個(gè)粒子發(fā)生瞬時(shí)的相互作用，對(duì)一個(gè)粒子進(jìn)行觀測(cè)會(huì)同時(shí)影響另一個(gè)粒子，且不受光速的限制。

2015年8月24日，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的團(tuán)隊(duì)宣布，他們?cè)O(shè)計(jì)并進(jìn)行了迄今為止最嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)，證明了量子力學(xué)的“超距作用”是真實(shí)的。這一新發(fā)現(xiàn)可促進(jìn)量子加密技術(shù)的研究。

6.火星上存在液態(tài)水

2015年9月28日，美國(guó)航空航天局召開(kāi)會(huì)，宣布火星勘測(cè)軌道飛行器（MRO）發(fā)現(xiàn)了火星存在流動(dòng)液態(tài)水的有力證據(jù)。利用MRO上的成像光譜儀，研究者在有神秘條紋的火星山坡上探測(cè)到了水合礦物的特征信號(hào)。這些暗色條紋會(huì)隨時(shí)間的推移反復(fù)消失和出現(xiàn)――在溫暖的季節(jié)，這些條紋顏色會(huì)加深并顯現(xiàn)出來(lái)，而在較冷的季節(jié)則消失不見(jiàn)。

這一發(fā)現(xiàn)增進(jìn)了人類對(duì)火星的了解，有助于研究生命形成的條件。

篇8

立足大背景　尋求新發(fā)展

量子信息物理，顧名思義，這是一個(gè)由信息科學(xué)與量子力學(xué)學(xué)科交叉產(chǎn)生的、全新的研究方向。

“這門學(xué)科的出現(xiàn)有其重要的意義?！贝藓榻B，“根據(jù)摩爾(Moore)定律，每18個(gè)月，計(jì)算機(jī)微處理器的速度就會(huì)增長(zhǎng)一倍，其中單位面積(或體積)上集成的元件數(shù)目也會(huì)相應(yīng)地增加?？梢灶A(yù)見(jiàn)，在不久的將來(lái)，芯片元件就會(huì)達(dá)到它能以經(jīng)典方式工作的極限尺度。因此，如何突破這種尺度極限是當(dāng)代信息科學(xué)所面臨的一個(gè)重大科學(xué)問(wèn)題。量子信息的研究就是充分利用量子物理基本原理的研究成果，發(fā)揮量子相干特性的強(qiáng)大作用，探索以全新的方式進(jìn)行計(jì)算、編碼和信息傳輸?shù)目赡苄?，為突破芯片極限提供新概念、新思路和新途徑?！薄傲孔恿W(xué)與信息科學(xué)結(jié)合，不僅充分顯示了學(xué)科交叉的重要性，而且量子信息的最終物理實(shí)現(xiàn)，會(huì)導(dǎo)致信息科學(xué)觀念和模式的重大變革?！贝藓f(shuō)。

時(shí)至今日，量子信息技術(shù)的發(fā)展不僅引起了學(xué)術(shù)界的關(guān)注，各發(fā)達(dá)國(guó)家也針對(duì)其制定了本國(guó)的研究發(fā)展規(guī)劃，以期搶占未來(lái)信息科技的制高點(diǎn)，并投入大量人力、物力用于支撐該領(lǐng)域的基礎(chǔ)性、前瞻性的研究。我國(guó)也于2006年9月了國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020年)，將以量子調(diào)控技術(shù)為代表的量子信息技術(shù)的研究納入到基礎(chǔ)研究重大科學(xué)研究計(jì)劃當(dāng)中。正如《綱要》中所描述的那樣：“以微電子為基礎(chǔ)的信息技術(shù)將達(dá)到物理極限，對(duì)信息科技發(fā)展提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，人類必須尋求新出路，而以量子效應(yīng)為基礎(chǔ)的新的信息手段初露端倪，并正在成為發(fā)達(dá)國(guó)家激烈競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。量子調(diào)控就是探索新的量子現(xiàn)象，發(fā)展量子信息學(xué)、關(guān)聯(lián)電子學(xué)、量子通信、受限小量子體系及人工帶隙系統(tǒng)，構(gòu)建未來(lái)信息技術(shù)理論基礎(chǔ)，具有明顯的前瞻性，有可能在20～30年后對(duì)人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生難以估量的影響?！贝藓龍F(tuán)隊(duì)的研究項(xiàng)目就是在這一大背景下展開(kāi)，致力于解決量子信息技術(shù)中關(guān)鍵的、基礎(chǔ)性的問(wèn)題，并對(duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生重要的理論指導(dǎo)作用。

緊扣量子糾纏　順通量子信息

細(xì)看崔海濤的研究履歷，其關(guān)鍵詞便是“量子糾纏”。

“如果說(shuō)量子信息主要是基于量子力學(xué)的相干特征、重構(gòu)密碼、計(jì)算和通訊的基本原理，那么，量子糾纏在其中發(fā)揮的是非常重要而且非?；镜淖饔谩！痹诙嗄甑膶W(xué)習(xí)和研究過(guò)程中，崔海濤認(rèn)識(shí)到，一方面，許多重要的量子信息技術(shù)都需要量子糾纏的參與才能實(shí)現(xiàn)，例如，量子遠(yuǎn)程傳態(tài)、量子保密通訊、量子密鑰分發(fā)等；另一方面，由于量子體系與其他自由度的相互作用，這種作用最終導(dǎo)致體系的自由度與其他自由度的量子糾纏，由于環(huán)境選擇的結(jié)果，量子體系的相干性質(zhì)會(huì)逐漸消失，此即所謂退相干過(guò)程。退相干是實(shí)現(xiàn)量子信息過(guò)程所面臨的最大障礙，如何有效克服退相干，延長(zhǎng)量子體系的相干時(shí)間是當(dāng)前量子信息技術(shù)研究的前沿課題。“就是這樣奇特的物理性質(zhì)，物理學(xué)家們對(duì)它的理解至今也非常有限，這嚴(yán)重制約了量子信息技術(shù)的發(fā)展，因此，建立對(duì)量子糾纏普遍的物理理解已經(jīng)成為當(dāng)今量子信息領(lǐng)域最為急迫需要解決的問(wèn)題之一?！?/p>

如何建立對(duì)多體量子態(tài)糾纏的普遍理解?如何在具體的物理系統(tǒng)中制備糾纏的量子多體態(tài)?看上去，只要解決了這兩個(gè)問(wèn)題，量子糾纏就不再是瓶頸，然而，真的如此簡(jiǎn)單么?“最直觀的做法是將兩體糾纏的理解推廣到多體。但經(jīng)事實(shí)證明，這種推廣具有很大的局限，因?yàn)榱孔佣囿w態(tài)的糾纏具有遠(yuǎn)比兩體糾纏更為豐富的內(nèi)容。”接著，崔海濤進(jìn)行了舉例說(shuō)明，“在3量子比特中，存在兩個(gè)隨機(jī)定域操作與經(jīng)典通訊操作下不等價(jià)的三體糾纏態(tài)；GHZ態(tài)和W態(tài)。它們都是真正的三體糾纏態(tài)，卻表現(xiàn)出完全不同的糾纏性質(zhì)。對(duì)于GHZ態(tài)，任意一個(gè)或兩個(gè)量子比特的約化密度矩陣都是單位陣；而W態(tài)，通過(guò)對(duì)任一量子比特的測(cè)量，可以得到其他兩個(gè)量子比特的最大糾纏態(tài)。4個(gè)量子比特情況就更為復(fù)雜，迄今為止也沒(méi)有一個(gè)完整的分類?！?/p>

直觀推廣不成，崔海濤又開(kāi)始考慮換角度鉆研。他認(rèn)為，多體糾纏的度量應(yīng)該包括兩方面的內(nèi)容：糾纏模式(pattern)和糾纏強(qiáng)度(intensity)。糾纏強(qiáng)度即糾纏的大小，現(xiàn)已有一些比較好的度量方式，如幾何糾纏；糾纏模式則是指對(duì)應(yīng)多體糾纏的分類。而伴隨著糾纏模式，又出現(xiàn)了一個(gè)新的問(wèn)題――多體態(tài)不同糾纏模式表示什么樣的物理意義?“因?yàn)檫@涉及到如何在實(shí)驗(yàn)室中制備不同的多體糾纏。不同的糾纏模式必然對(duì)應(yīng)完全不同的物理性質(zhì)，SLOCC不等價(jià)關(guān)系的存在也限制了從‘最大糾纏態(tài)’得到其他任意糾纏態(tài)的可能。對(duì)于不同的糾纏模式，我們需要不同的物理系統(tǒng)(Hamilton量)來(lái)制備。這些系統(tǒng)之間又是怎樣的關(guān)系呢?”

為了解惑，在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“幾何相與量子糾纏的理論研究”和“多體系統(tǒng)中的量子糾纏及其幾何分類的理論研究”的支持下，崔海濤帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)在此研究方向上刻苦鉆研多年，并取得了一些深刻的認(rèn)識(shí)。通過(guò)附加對(duì)稱性的要求，例如，量子態(tài)的平移不變性質(zhì)，他們發(fā)現(xiàn)完全可以普遍地建立這些多體糾纏態(tài)間的等價(jià)關(guān)系。而且，經(jīng)進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，這些等價(jià)關(guān)系可以通過(guò)態(tài)的幾何性質(zhì)很好地區(qū)分。也就是說(shuō)，不等價(jià)的多體糾纏對(duì)應(yīng)體系的不同幾何結(jié)構(gòu)。更為重要的是，這些幾何結(jié)構(gòu)可以通過(guò)幾何相物理地加以描述。多體糾纏中的非平庸幾何結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)并不是孤立的，聯(lián)系最近凝聚態(tài)體系中相關(guān)幾何效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，有理由相信他們之間存在某種形式的聯(lián)系。相關(guān)的研究工作正在進(jìn)行中。

事實(shí)上，圍繞多體系統(tǒng)中的幾何相與量子糾纏的理論問(wèn)題，崔海濤自攻讀博士期間就產(chǎn)生了濃厚的興趣。特別是近5年來(lái)，陸續(xù)發(fā)表了一些高水平的學(xué)術(shù)成果，并主持承擔(dān)了一些科研項(xiàng)目。迄今為止共發(fā)表學(xué)術(shù)論文22篇，均為SCI收錄，論文總引用次數(shù)137次，他引超過(guò)80次。其中，有7篇文章發(fā)表在國(guó)際權(quán)威物理學(xué)期刊“Physical Review A”上。2007年發(fā)表在“Physics Letter A”上的論文“A Study on the suddendeath of entanglement”已被引用60次(他引57次)，其他論文亦有不同程度的引用。

對(duì)于熱愛(ài)這項(xiàng)研究的崔海濤來(lái)說(shuō)，這種對(duì)未知科學(xué)世界的探索是他甘之如飴的興趣和追求，也是他情愿腳踏實(shí)地“做一輩子的職業(yè)”。

篇9

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)化學(xué)；創(chuàng)新精神；高等教育；教育改革

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2015）02-0083-02

結(jié)構(gòu)化學(xué)是高等院校化學(xué)、材料等相關(guān)專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，是理論化學(xué)的一個(gè)重要分支。它是探究原子、分子、晶體結(jié)構(gòu)的微觀結(jié)構(gòu)，原子和分子中電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，及原子和分子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)之間關(guān)系的一門科學(xué)[1-3]。開(kāi)設(shè)結(jié)構(gòu)化學(xué)課程的目的是使相關(guān)專業(yè)的學(xué)生對(duì)微觀世界的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律有所了解，初步掌握結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的相互關(guān)系；從而使學(xué)生更進(jìn)一步地從更深的層次上理解其他化學(xué)相關(guān)的專業(yè)課程，包括無(wú)機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、物理化學(xué)等。

一、結(jié)構(gòu)化學(xué)課程的特點(diǎn)

結(jié)構(gòu)化學(xué)這門課程特點(diǎn)明顯，如下：（1）綜合程度高；（2）理論性強(qiáng)；（3）內(nèi)容抽象。由于這一系列的特點(diǎn)，初學(xué)者在開(kāi)始接觸這門課程時(shí)，常有聽(tīng)“天書(shū)”無(wú)從下手的感覺(jué)；作者在教學(xué)過(guò)程中也因此遇到了一些問(wèn)題。下面將遇到的問(wèn)題做一概括：

1.綜合程度高。結(jié)構(gòu)化學(xué)這門課程不是建立在經(jīng)典力學(xué)體系下的課程，而是一門以量子力學(xué)為基礎(chǔ)的課程[4]。因此在此門課程的學(xué)習(xí)開(kāi)始，就要求學(xué)生們鞏固好大一、大二所學(xué)的四大化學(xué)（無(wú)機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、物理化學(xué)）課程以及其他學(xué)過(guò)的化學(xué)理論基礎(chǔ)知識(shí)，并在腦海中建立起一套完善的量子力學(xué)體系。此外量子力學(xué)論還是近代物理的重要組成部分，因此同學(xué)還要兼?zhèn)湟欢ǖ奈锢碇R(shí)基礎(chǔ)。只有綜合掌握了物理和化學(xué)的相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)后，才能從本質(zhì)上理解微觀化學(xué)領(lǐng)域各個(gè)粒子的結(jié)構(gòu)與性能的特征，學(xué)懂結(jié)構(gòu)化學(xué)這門課程。由此可見(jiàn)，該課程不管是教還是學(xué)，兩方面都存在著較大的難度。

2.理論性強(qiáng)。結(jié)構(gòu)化學(xué)授課困難的一個(gè)重要原因就是課本中含有大量的公式推導(dǎo)過(guò)程，復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型和大段的文字?jǐn)⑹銮蠼膺^(guò)程。公式推導(dǎo)過(guò)程用到比較多的包括微積分、線性代數(shù)等高等數(shù)學(xué)知識(shí)。而高等數(shù)學(xué)方面向來(lái)是化學(xué)專業(yè)學(xué)生們的弱點(diǎn)，一步步的推導(dǎo)過(guò)程枯燥乏味，讓學(xué)生感覺(jué)云里霧里般，進(jìn)而忙于應(yīng)付求解過(guò)程忽略了公式中各個(gè)變量的深層次含義。

3.內(nèi)容抽象。微觀粒子的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律是結(jié)構(gòu)化學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容，而看不見(jiàn)摸不著的微觀粒子的運(yùn)動(dòng)給同學(xué)們學(xué)的過(guò)程帶來(lái)了一定的困難，文字?jǐn)⑹鰺o(wú)法直觀表達(dá)，只能靠學(xué)生的憑空想象。因此這門課程對(duì)學(xué)生的邏輯思維能力和空間想象能力都有較高的要求。

二、結(jié)構(gòu)化學(xué)課程授課過(guò)程中存在的問(wèn)題及改革建議

本文作者根據(jù)自己多年的教學(xué)授課經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合學(xué)生課后的反饋意見(jiàn)，對(duì)改革結(jié)構(gòu)化學(xué)的教學(xué)方式提出了一些建議，旨在激發(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)積極性，活躍課堂氣氛提高課上學(xué)生的吸收率。

1.重視引導(dǎo)。結(jié)構(gòu)化學(xué)是一門化學(xué)專業(yè)類的理論基礎(chǔ)課，學(xué)生們看到教材上大段的文字?jǐn)⑹鲞€有繁雜的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)過(guò)程，往往還沒(méi)有開(kāi)始學(xué)習(xí)就對(duì)此門課程失去了興趣。所以，在上第一節(jié)課的時(shí)候就應(yīng)對(duì)學(xué)生進(jìn)行正確的引導(dǎo)，在緒論課上給大家講述一些結(jié)構(gòu)化學(xué)發(fā)展史。首先便是1900年，普朗克提出了量子假說(shuō)，勇敢地打破了能量必須連續(xù)變化的經(jīng)典理論，規(guī)定了以間斷形式存在的能量，電磁場(chǎng)中的能量和物質(zhì)交換間的能量，能量子的大小同輻射頻率成正比，用普朗克常數(shù)作為二者之間的比例常數(shù)，從而得出黑體輻射能量分布公式，完美地詮釋了黑體輻射現(xiàn)象。其次在1905年，愛(ài)因斯坦意識(shí)到了量子化概念在微觀領(lǐng)域的重要性，引進(jìn)了光子的概念，從而解釋了光電效應(yīng)，開(kāi)啟了量子力學(xué)的新篇章。學(xué)生們?cè)诼?tīng)故事的同時(shí)，會(huì)不知不覺(jué)地克服恐懼心理，激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣。最后順著教學(xué)大綱的思路，引導(dǎo)大家用量子力學(xué)體系的思維去思考分析結(jié)構(gòu)化學(xué)中所遇到的問(wèn)題，讓同學(xué)們處于愉快的氣氛中，帶著笑容下課。

2.充分利用多媒體教學(xué)手段輔助教學(xué)。結(jié)構(gòu)化學(xué)在教學(xué)內(nèi)容上涉及一些相對(duì)抽象的模型，如原子軌道形狀、多原子分子的組合方式、配位化合物的配位形式、晶體的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)等都涉及原子和分子的空間排布規(guī)律，這些內(nèi)容要求學(xué)生具備較強(qiáng)的空間想象能力。傳統(tǒng)的板書(shū)教學(xué)方式很難將結(jié)構(gòu)化學(xué)中較為抽象的理論以直觀的形式表現(xiàn)給同學(xué)們，大段大段的純文字描述也使得學(xué)生感到晦澀難懂。多媒體技術(shù)可以將授課內(nèi)容動(dòng)態(tài)化、立體化[5]，絕大多數(shù)的分子、晶體結(jié)構(gòu)都可以用3D軟件結(jié)合FLASH等做成可360°觀看，任意縮放、平移、旋轉(zhuǎn)的模型，同學(xué)們可任意角度觀看，有利于鞏固加深記憶。

3.注重理論與實(shí)際的聯(lián)系。由于結(jié)構(gòu)化學(xué)是一門理論基礎(chǔ)學(xué)科，因此學(xué)生們理解起來(lái)可能會(huì)有一定的難度，容易學(xué)過(guò)即忘，在教學(xué)過(guò)程中應(yīng)讓學(xué)生通過(guò)理論聯(lián)系實(shí)際中所熟知或已學(xué)過(guò)的現(xiàn)象，通過(guò)類比的方法鞏固加深記憶。比如，在講晶體的宏觀對(duì)稱性時(shí)，聯(lián)系大自然，啟發(fā)學(xué)生思考：大自然雖然講究對(duì)稱美，但為什么很少有五邊形和七邊形的物體呢？由此引入晶體的空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、對(duì)稱元素、對(duì)稱操作的概念并對(duì)對(duì)稱軸次加以證明，得出結(jié)論：晶體結(jié)構(gòu)中的對(duì)稱軸次只允許存在1、2、3、4、6這五種不存在5和7，這與大自然世界的對(duì)稱美是相呼應(yīng)的。而講到離域鍵的共軛效應(yīng)時(shí)，以堿性條件下酚酞會(huì)變成紅色為例，結(jié)合學(xué)生高中所學(xué)知識(shí)讓學(xué)生理解酚酞變色的根本原因，主要過(guò)程是酚酞與堿性溶液發(fā)生反應(yīng)，形成了離域鍵，產(chǎn)生了共軛效應(yīng)，酚酞-堿性溶液體系能量下降，能級(jí)間隔變小，光譜偏移至可見(jiàn)光區(qū)，因此我們看到無(wú)色的酚酞變成了紅色。通過(guò)這種由外至內(nèi)、循序漸進(jìn)的引導(dǎo)方式使學(xué)生轉(zhuǎn)變對(duì)結(jié)構(gòu)化學(xué)這門課程的印象，說(shuō)明這門課程不是憑空想象漫無(wú)邊際地研究我們用不到的東西，而是服務(wù)于實(shí)踐，解釋著實(shí)踐中所遇到的問(wèn)題，從而使他們樹(shù)立起學(xué)習(xí)信心，增加學(xué)習(xí)動(dòng)力，真正做到課上講過(guò)的東西當(dāng)堂就吸收理解掌握。

4.弱化公式推導(dǎo)。結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)的目的就是讓同學(xué)們理解掌握結(jié)論和推導(dǎo)過(guò)程中各符號(hào)的物理意義及這些符號(hào)在化學(xué)中起到了什么樣的作用，有什么應(yīng)用。結(jié)構(gòu)化學(xué)中的公式推導(dǎo)過(guò)程用到的高等數(shù)學(xué)的課程知識(shí)比較多，包括微積分的多重積分求解，線性代數(shù)中的行列式求值等。而數(shù)學(xué)功底普遍是化學(xué)專業(yè)學(xué)生們的弱項(xiàng)，大部分所用到的數(shù)學(xué)知識(shí)又都是在大一學(xué)習(xí)的可能已經(jīng)被忘到了腦后，因此在講述結(jié)構(gòu)化學(xué)課本中的公式時(shí)應(yīng)盡可能弱化公式推導(dǎo)過(guò)程，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)整體大局和結(jié)論的理解，不再單獨(dú)強(qiáng)調(diào)詳細(xì)的求解過(guò)程。因此在講到公式部分時(shí)，首先要明確每個(gè)符號(hào)所代表的物理意義，從本質(zhì)上理解結(jié)構(gòu)化學(xué)這門課程，引導(dǎo)學(xué)生們?nèi)绾稳ソ鉀Q問(wèn)題，解決問(wèn)題后又能得出怎樣的結(jié)論，所得結(jié)論的實(shí)際意義是什么，然后再回到研究數(shù)學(xué)推導(dǎo)求解過(guò)程上。讓學(xué)生抓住該課程的主線厘清學(xué)習(xí)這門課程的基本思路，順著大綱學(xué)下去，把握住主要的大方向，這樣繼續(xù)向后面章節(jié)學(xué)習(xí)就不會(huì)出現(xiàn)斷層。反之如果從數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)出發(fā)，進(jìn)行煩瑣的化簡(jiǎn)計(jì)算，就容易忽略需要解決的問(wèn)題的主體，不知道這些純數(shù)學(xué)求解過(guò)程是要干什么，得出的結(jié)果有什么意義，事倍功半。

5.科學(xué)的完善考核機(jī)制?？荚囀墙虒W(xué)活動(dòng)不可缺少的一部分，也是衡量教師授課成果和學(xué)生掌握課程情況的主要方法?，F(xiàn)代大學(xué)是以培養(yǎng)綜合創(chuàng)新型人才為目的的，因此在教學(xué)考核過(guò)程中，應(yīng)該用科學(xué)的、多元的方式去綜合評(píng)價(jià)每個(gè)學(xué)生，拒絕一考定終身的制度，取代傳統(tǒng)的單一閉卷考試方法，轉(zhuǎn)變學(xué)生們認(rèn)為只要死記硬背課本就能取得好成績(jī)的慣性思維。將最終成績(jī)定為三部分之和，其中，平時(shí)成績(jī)占30%；期中成績(jī)30%；期末成績(jī)40%。平時(shí)成績(jī)的30%包括課堂表現(xiàn)（10%）、習(xí)題作業(yè)（10%）和專業(yè)課小論文（10%）。課堂上教師有針對(duì)性地提出問(wèn)題并根據(jù)學(xué)生的回答情況給出分?jǐn)?shù)，既能隨時(shí)掌握學(xué)生們的學(xué)習(xí)狀況還能根據(jù)學(xué)生們的整體掌握情況隨時(shí)調(diào)整課程安排。有利于增強(qiáng)師生課上的互動(dòng)、改變課堂沉悶的授課氛圍，培養(yǎng)學(xué)生們獨(dú)立自主的思考問(wèn)題，討論問(wèn)題，解決問(wèn)題的能力，同時(shí)還可以鍛煉他們的語(yǔ)言表達(dá)能力和應(yīng)變能力。課后的習(xí)題作業(yè)主要是引導(dǎo)學(xué)生正確地復(fù)習(xí)所學(xué)內(nèi)容。專業(yè)小論文則偏重于考查學(xué)生查閱相關(guān)文獻(xiàn)、獲取知識(shí)的能力。這樣靈活的考試機(jī)制有利于引導(dǎo)學(xué)生改變突擊復(fù)習(xí)期末考試的方法，樹(shù)立正確的學(xué)習(xí)觀，從平時(shí)開(kāi)始做到課后即復(fù)習(xí)，查漏補(bǔ)缺，也只有這樣才能真正達(dá)到結(jié)構(gòu)化學(xué)的教學(xué)目的。

根據(jù)筆者多年來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)化學(xué)課程改革的摸索，使用上述方法學(xué)生們學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)化學(xué)課程的積極性明顯提高，課堂氣氛也活躍起來(lái)了，學(xué)生們愛(ài)聽(tīng)了，授課效率明顯提高。

總之，結(jié)構(gòu)化學(xué)是一門其中理論在實(shí)際生活中接觸較少，學(xué)習(xí)的知識(shí)內(nèi)容相對(duì)抽象，老師和同學(xué)們?cè)诮膛c學(xué)的過(guò)程都感到較為困難的理論基礎(chǔ)課。教師們應(yīng)精心備課，認(rèn)真設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，研究課程改革，由淺入深的教學(xué)，消除學(xué)生們對(duì)課程的恐懼心理。通過(guò)一系列的改革過(guò)程，改變課堂環(huán)境，活躍課堂氣氛，讓學(xué)生體會(huì)到獨(dú)立自主創(chuàng)新和團(tuán)隊(duì)合作精神的重要性，培養(yǎng)他們對(duì)問(wèn)題分析和解決的能力；最后引入科學(xué)合理的考核機(jī)制對(duì)學(xué)生進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，引導(dǎo)學(xué)生樹(shù)立正確的學(xué)習(xí)觀，不斷充實(shí)結(jié)構(gòu)化學(xué)理論基礎(chǔ)知識(shí)，提高主動(dòng)獲取知識(shí)、綜合運(yùn)用知識(shí)的能力，培養(yǎng)多能創(chuàng)新型優(yōu)秀人才。

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篇10

美國(guó)著名社會(huì)學(xué)家、馬里蘭大學(xué)社會(huì)系杰出教授喬治?瑞澤爾曾在其代表作《社會(huì)的麥當(dāng)勞化》一書(shū)中分析指出，工業(yè)經(jīng)濟(jì)時(shí)代，最為典型的特征是四大特性，即追求效率、可量化、可預(yù)測(cè)、可控制。符合四大特性將得出最大產(chǎn)出。

事實(shí)上，無(wú)論是經(jīng)濟(jì)學(xué)及經(jīng)濟(jì)實(shí)踐領(lǐng)域，還是依照經(jīng)濟(jì)學(xué)理念進(jìn)行“再造”的其他學(xué)科和領(lǐng)域，喬治?瑞澤爾所說(shuō)的“麥當(dāng)勞化”四大特性應(yīng)用都非常廣泛。追求效率的意義自不待言，可量化則需要啟動(dòng)最為精細(xì)的細(xì)化，可預(yù)測(cè)、可控制意味著需要實(shí)行標(biāo)準(zhǔn)化、均一化。

現(xiàn)代社會(huì)中的“科學(xué)管理”，本質(zhì)上是以“麥當(dāng)勞化”為內(nèi)核的。由此形成的管理科學(xué)，可以有效控制管理成本，短平快地復(fù)制管理體系。這樣的管理，要求管理者和管理對(duì)象服從“麥當(dāng)勞化”，謝絕個(gè)性，排斥創(chuàng)新，拒絕變化。當(dāng)然也因此出現(xiàn)了哲學(xué)家所稱的“異化”問(wèn)題。

不光是商業(yè)管理領(lǐng)域，教育、公共管理等其他許多方面，早就出現(xiàn)了對(duì)“麥當(dāng)勞化”的猛烈抨擊，一些學(xué)者甚至認(rèn)為，“現(xiàn)代病”、“城市病”、“文明病”的內(nèi)核就源于此。批評(píng)評(píng)歸批評(píng)，讓人頓為沮喪的是，批評(píng)者往往難以拿出令人信服的解決方案。

美國(guó)組織管理領(lǐng)域前沿大師和思想家、哈佛大學(xué)博士、非營(yíng)利組織柏卡納研究所（TheBerkana Institute）聯(lián)合創(chuàng)始人瑪格麗特?惠特利，2014年獲得了國(guó)際領(lǐng)導(dǎo)力協(xié)會(huì)頒發(fā)的“終身成就獎(jiǎng)”。瑪格麗特?惠特利所著的《領(lǐng)導(dǎo)力與新科學(xué)》一書(shū)，是從近幾十年來(lái)量子力學(xué)等新科學(xué)的深入發(fā)展拓展深化了人對(duì)世間萬(wàn)物的認(rèn)識(shí)角度，揭示指出“科學(xué)管理”、“麥當(dāng)勞化”不符合事物演進(jìn)發(fā)展的規(guī)律和科學(xué)定律。

自然秩序永恒的定律在于變化，這也因此使無(wú)序很大程度上會(huì)成為新秩序的源頭。依照量子理論，事物的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)是不可能的，只能使用更為確切的術(shù)語(yǔ)：可能性?！霸趤喸訉哟紊?，如果不干涉事物的生成，或者更準(zhǔn)確地說(shuō)，如果不參與事物的生成，就觀察不到任何東西”。

《領(lǐng)導(dǎo)力與新科學(xué)》將牛頓開(kāi)啟的近代科學(xué)作為某種意義上的批判對(duì)象。牛頓、笛卡爾等近代科學(xué)巨匠雖然沒(méi)有直接描述“麥當(dāng)勞化”，卻開(kāi)啟了將整體簡(jiǎn)化為部分，并進(jìn)一步分割的做法。在組織管理上，人們習(xí)慣于對(duì)結(jié)構(gòu)和組織進(jìn)行設(shè)計(jì)，廣泛收集組織，用先進(jìn)的數(shù)學(xué)方法進(jìn)行決策，建立不斷優(yōu)化的精細(xì)模型，納入和分析更多的變量，提出更加精確的分析方法。瑪格麗特?惠特利指出，在牛頓式的組織中，界限無(wú)處不在，角色和責(zé)任都劃分得很清楚，這給人一種非?？煽康母杏X(jué)。

實(shí)際上，在傳統(tǒng)的管理秩序下，管理陳規(guī)要想發(fā)揮作用，常常也免不了個(gè)體、群體在流程中作出調(diào)整，適應(yīng)環(huán)境需要靈活調(diào)整行為，都有“自組織”的經(jīng)歷。有意思的是，管理科學(xué)、領(lǐng)導(dǎo)科學(xué)在強(qiáng)調(diào)其“科學(xué)性”一面的同時(shí)，也將無(wú)法回避藝術(shù)性的一面。

量子力學(xué)揭示的世界，不是人們誤認(rèn)為的確定的、僵化的世界。世界不是一臺(tái)機(jī)器，人更不是機(jī)器，有關(guān)世界與人、人與人的關(guān)系和聯(lián)系，以及事物的預(yù)測(cè)和控制，人們一直以來(lái)就錯(cuò)了。20世紀(jì)30年代，天文學(xué)家詹姆斯?金斯就曾指出，“與其說(shuō)世界看起來(lái)像是一個(gè)大機(jī)器，不如說(shuō)其更像一位偉大的思想家”――量子世界，人們不需要精準(zhǔn)的描述和細(xì)分任務(wù)，而要學(xué)會(huì)如何推動(dòng)進(jìn)程。依照量子理論，在系統(tǒng)內(nèi)的局部開(kāi)展行動(dòng)，能夠深入到系統(tǒng)的內(nèi)部，參與到所有同步發(fā)生的復(fù)雜事物之中，因而需要更加關(guān)注相關(guān)性，而不是狹義、簡(jiǎn)單意義上的因果性。這些都是互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的重要特性。