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量子力學的基本概念范文1

關鍵詞:量子力學;量子測量;偏振

中圖分類號:O413．1 文獻標識碼:A 文章編號:1000-0712(2016)03-0005-03

量子力學是近代物理學的基礎，并且其應用領域已延伸至化學、生物等許多交叉學科當中，這一課程已成為當今大學生物理教學中一個極為重要的組成部分．由于量子力學主要是描述微觀世界結構、運動與變化規律的學科，微小尺度下的許多自然現象與人們日常生活經驗相距甚遠，量子力學的概念有悖于人們的直覺，難以被初學者接受．如果在教學中能夠結合具體的物理實驗，從現象到本質引導學生思考，就可以使抽象的量子概念落實到對具體實驗現象的歸納總結上來．偏振光實驗是一個現象直觀而且學生容易操作的普通物理實驗，在學生掌握的已有知識基礎上，進行新內容的教學，符合初學者的認知規律．利用光的偏振現象來闡述量子力學基本概念已被一些國內外經典教材采納，如物理學大師狄拉克所著的《量子力學原理》［1］，費因曼所著的《費因曼物理學講義》［2］，曾謹言教授所著的《量子力學卷1》［3］，趙凱華、羅蔚茵教授合著的《量子物理》［4］等教材．在本文中，筆者結合自己的教學體驗，著重從可觀測量和測量的角度來考慮問題，在以上經典教材的基礎上，進一步整理和挖掘光子偏振所能體現的量子力學基本概念．從量子力學的角度對偏振實驗現象進行分析，使同學們對態空間、量子力學表象、波函數統計解釋、態疊加原理等量子力學概念有一個直觀形象的認識，領會量子力學若干基本假定的內涵思想．最后，從量子角度分析了一個有趣的偏振光實驗，加深學生對量子力學基本概念的理解，并展示了量子力學的奇妙特性．

1偏振光實驗的經典解釋

如圖1(a)所示，沿著光線傳播的方向，順次擺放兩個偏振片P1、P2．光束經過P1后變為與其透振方向一致且光強為I0的偏振光．兩偏振片P1和P2的透振方向之間夾角為θ，由馬呂斯定律可知，透過偏振片P2的光的強度為I0cos2θ．按照經典的光學理論，此現象可理解如下:在一個與光傳播方向垂直的平面內選定一個xy平面直角坐標系，這里為了描述問題的方便，選定x軸沿P2的透振方向．如圖1(b)所示，透過偏振片P1的光電場矢量E可分解為兩個分量:沿x方向振動的電場矢量Ex和沿y方向振動的電場矢量Ey．偏振光照射到P2偏振片時，投影到y方向的電場矢量被吸收，投影到x方向的電場矢量透過，振幅增加了一個常數因子cosθ，因而強度變為原來的cos2θ倍，這正是馬呂斯定律所給出的結果．

2偏振光實驗體現的量子力學概念

下面我們由偏振光的實驗現象出發，引出量子態、態空間等量子概念，并用量子力學的語言來描述單個光子與偏振片發生相互作用的過程，討論在多個光子情況下的量子行為與馬呂斯定律的一致性．

2．1量子態

從實驗得知，當線偏振光用于激發光電子時，激發出的光電子分布有一個優越的方向(與光偏振方向有關)，根據光電效應，每個電子的發射對應吸收一個光子，可見，光的偏振性質是與它的粒子性質緊密聯系的，人們必須把線偏振光看成是在同一方向上偏振的許多光子組成，這樣我們可以說單個光子處在某個偏振態上．沿x方向偏振的光束里，每個光子處在|x〉偏振態，沿y方向偏振的光束中，每個光子處在|y〉偏振態．假設我們在實驗中把光的強度降到足夠低，以至于光子是一個一個到達偏振片的．在圖1所示的例子中，通過P1偏振片的光子處在沿P1透振方向的偏振態上，如果P2與P1透振方向一致(θ=0)，則此光子完全透過P2，如果P2與P1透振方向正交(θ=π/2)，則被完全吸收．如果P1與P2透振方向之間角度介于兩者之間，會是一種什么樣的情形，會不會有部分光子被吸收，部分光子透過的情況發生，但是實驗上從來沒有觀察到部分光子的情形，只存在兩種可能的情況:光子變到量子態|y〉，被整個吸收;或變到量子態|x〉，完全透過．下面我們用量子力學的語言來描述單個光子與偏振片發生相互作用的過程，引入量子測量、態空間、表象、態疊加原理、波函數統計解釋等量子概念．

2．2量子測量、態空間、表象

單個光子與偏振片發生相互作用的過程，可以看成是一個量子測量的過程，偏振片作為一個測量裝置，迫使光子的偏振態在透振方向和與其相垂直的方向上作出選擇，測量的結果只有兩個，透過或被吸收，透過光子的偏振方向與透振方向一致，被吸收光子的偏振方向與透振方向垂直，可見光子經過測量后只可能處在兩種偏振狀態，這正是量子特性的反應．在量子力學中，針對一個具體的量子體系，對某一力學量進行測量，測量后得到的值是這一力學量的本征值，我們稱它為本征結果，相應的量子態坍縮到此本征結果所對應的本征態上，所有可能的本征態則構成一組正交、規一、完備的本征函數系，此本征函數系足以展開這個量子體系的任何一個量子態．很自然，我們在這里把經過偏振片測量后，所得到的兩種可能測量結果(透過或吸收)作為本征結果，它們分別對應的兩種偏振狀態，此兩種偏振狀態可以作為正交、規一、完備的函數系，組成一個完備的態空間，任何偏振態都可以按照這兩種偏振態來展開，展開系數給出一個具體的表示，這就涉及到量子力學表象問題．在量子力學中，如果要具體描述一個量子態通常要選擇一個表象，表象的選取依據某一個力學量(或力學量完備集)的本征值(或各力學量本征值組合)所對應的本征函數系，本征函數系作為正交、規一、完備的基矢組可以用來展開任何一個量子態，展開系數的排列組合給出某一個量子態在具體表象中的表示．結合我們的例子，組成基矢組的兩種偏振狀態取決于和光子發生相互作用的偏振片，具體說來是由偏振片的透振方向決定．在具體分析問題時，為了處理問題的方便，光子與哪一個偏振片發生相互作用，在數學形式上，就把光子的偏振狀態按照此偏振片所決定的基矢組展開，這涉及到怎么合理選擇表象的問題．

2．3態疊加原理、波函數統計解釋

以上簡單的試驗也可以作為一個形象的例子來說明量子力學中的態疊加原理．態疊加原理的一種表述為［5］:設系統有一組完備集態函數{φi}，i=1，2，．．．，t，則系統中的任意態|ψ〉，可以由這組態函數線性組合(疊加)而成(1)另一種描述為:如果{φi}，i=1，2，．．．，t是體系可以實現的狀態(波函數)，則它們的任何線性疊加式總是表示體系可以實現的狀態．在我們的例子中，任何一個偏振片所對應的透振態和吸收態構成完備集態函數，任何一個偏振態都能夠在以此偏振片透振方向所決定的基矢組中展開，參照圖1所示，通過偏振片P1的偏振態可以在以偏振片P2透振方向所決定的基矢組{|x〉，［y)}中表示為(2)相反，|x〉、|y〉基矢的任意疊加態也都是光子可能實現的偏振態．量子力學還假定，當物理體系處于疊加態式(1)時，可以認為體系處于φi量子態的概率為|ci|2．從前面的分析我們知道，當用偏振片P2對偏振態|P1〉進行測量時，此狀態隨機地坍縮到|x〉偏振態或|y〉偏振態，坍縮到|x〉偏振態的概率為cos2θ，也就是單個光子透過偏振片的概率，多次統計的結果恰好與馬呂斯定律相對應，這充分體現了波函數的概率統計解釋．

3典型例子

在教學中我們可以引入一個有趣形象的例子，進一步加深對量子力學基本概念的理解．如圖2(a)所示，一束光入射到兩個順序排列的偏振片上，偏振片P3的透振方向相對于偏振片P1的透振方向順時針轉過90°角，我們不妨在一個與光傳播方向垂直的平面內選定一個xy平面直角坐標系，P1的透振方向沿x軸，P3的透振方向沿y軸．光通過偏振片P1后變成光強為I0的偏振光，偏振方向與偏振片P1透振方向平行，但與P3的透振方向垂直，則光完全被偏振片P3吸收，不能透過．下面我們將看到一個有趣的現象，在偏振片P1和偏振片P3間插入一個偏振片P2，其透振方向在P1和P3之間，這時光竟可以透過P3偏振片．對此試驗，我們可由馬呂斯定律給出經典的解釋．我們不妨設P2的透振方向相對于P1順時針轉過45°角，通過偏振片P1后，變為光強是I0的偏振光，且偏振方向與P1透振方向一致;再通過偏振片P2后，光強變為I0/2，偏振方向沿順時針轉過45°角，與偏振片P2透振方向一致;最后通過偏振片P3后，光強進一步減弱為I0/4，偏振方向又沿順時針改變45°角，與偏振片P3透振方向一致．可以看到一個有趣的現象，雖然介于偏振片P1和P2間的光束其偏振方向與偏振片P3的透振方向正交，但最后透過偏振片P3的光束其偏振方向卻恰恰沿偏振片P3的透振方向，這正是中間偏振片P2所起的作用．下面用我們前面分析偏振光與偏振片相互作用過程中，所建立起來的量子概念給出具體解釋．取直角坐標系xy，x軸沿偏振片P1的透振方向，基矢組為{|x〉，［y)};由偏振片P2的透振方向所決定的基矢組為{|x'〉，［y')}，其透振方向沿x'方向，如圖3所示，兩組基矢之間的關系可表示為(3)由偏振片P3所決定的基矢組仍為{|x〉，|y〉}，不過透過的光子處在|y〉基矢態．光子透過偏振片P1后，其偏振狀態處在|x〉態，由式(3)，此狀態可以按P2的基矢組展開為(4)根據式(4)，經過P2偏振片的測量，光子有1/2的概率坍縮到|x'〉態，光子透過P2，有1/2的概率坍縮到|y'〉態，光子被吸收．由式(3)，|x'〉態在由偏振片P3所決定的基矢組同樣展開為3的測量下，偏振狀態發生改變，有1/2的概率坍縮到|y〉態，透過偏振片，有1/2的概率坍縮到|x〉態，被偏振片吸收，總體來說透過偏振片P1的光子有1/4的概率透過偏振片P3，與經典的馬呂斯定律相一致．特別注意到光子透過偏振片P1后，狀態為|x〉態，與|y〉態正交，沒有|y〉態的組分，但光子透過偏振片P3后卻正處在|y〉態，這充分體現了測量可以使量子態改變的量子假定，展示了量子測量的奇妙特性．

4總結

結合對偏振光實驗的量子解釋，我們分析了若干重要的量子力學概念．但嚴格說來，光子的問題不屬于量子力學問題，只有在量子場論中才能處理．采用光子的偏振情形來討論某些量子概念，理論上雖稍欠嚴謹，但如上文所述，確實能夠直觀形象地反映量子力學中的若干基本假定，使抽象的量子力學概念落實到對具體實驗的分析中來，易于被初學者接受，我們不妨在學生開始學習量子力學時引入此例，有助于學生理解抽象的量子概念，領會量子力學的思維方式．

參考文獻:

［1］狄拉克．量子力學原理［M］．北京:科學出版社，1966．

［2］費因曼．費因曼物理學講義［M］．上海:上海科學出版社，2005．

［3］曾謹言．量子力學卷1．［M］．北京:科學出版社，2006．

［4］趙凱華，羅蔚茵．量子物理［M］．北京:高等教育出版社，2001．

量子力學的基本概念范文2

關鍵詞： 量子力學 教學方法改革 創新思維

量子力學是研究微觀粒子運動規律的科學，自誕生以來它就成功地說明了原子及分子的結構、固體的性質、輻射的吸收與發射、超導等物理現象。作為物理學專業的專業理論課，量子力學在物理學專業中具有極其重要的地位。現代物理學的各個分支，如高能物理、固體物理、核物理、天體物理和激光物理等都是以量子力學為基礎，并且已經滲透到化學和生物學等其他學科。同時量子理論還具有巨大的實用價值，半導體器件和材料、激光技術、原子能技術和超導材料等都是以量子力學原理為基礎的。

通過對量子力學的學習，學生可以掌握現代科學技術最重要的基礎理論，還可以提高科學素質和思想素質，但是量子力學中的概念和解決問題的方法與經典物理有著本質的不同。學生普遍反映量子力學抽象、枯燥、難理解、抓不住重點，學習起來非常困難。針對以上問題，我對教學進行了思考和探討，采用了一些切實可行的措施，提高了學生的學習興趣，使學生更好地掌握了量子力學知識，同時培養了學生的創新思維。

一、教學過程中存在的問題

在量子力學的教學過程中，我發現以下幾個問題。

1.量子力學是一門十分抽象的課程，其中許多概念、原理都不好理解，并且量子力學從概念到解決問題的方法跟經典物理有著根本性的區別，但是很多學生習慣性地用經典的思想去理解量子力學，這樣就不自覺地增加了難度。比如“波粒二象性”，經典物理認為波動性和粒子性是互不相關的、相互獨立的，而量子力學認為波動性和粒子性是微觀粒子同時具備的兩種屬性。

2.學習量子力學，數學知識是必不可少的。量子力學中有著繁雜的數學知識，例如，數學分析中的微積分，代數學中的矩陣論，數學物理方程的微分方程，復變函數，等等。在教學過程中發現，不少學生對已學過的數學知識掌握得不是很牢固，在推導公式的過程中忘記了公式所描述的物理內涵，影響了對量子力學知識的理解。

3.由于量子力學的課時緊張，教學過程中采用了傳統的教學模式，由教師到學生的“單向傳授”的教學形式。學生失去了主體地位，只能被動地接受知識，學習的興趣和積極性不高，導致教學效率降低。

二、量子力學的教學方法改革

1.采用多種教學手段相結合的教學模式。由于量子力學的內容抽象難懂，又是建立在一系列基本假定的基礎之上，不少學生很難接受，甚至認為這門課程沒有用處。在量子力學的教學過程中，由單一的教師講授過渡到板書、錄像、課件、演示實驗等各種手段相結合的教學模式，將圖、文、聲、像等信息有機地組合在一起，形象、直觀、生動，容易激發學生的學習興趣。同時，通過網絡技術，學生可以享受到本校的教學資源，還可以突破空間的限制，享受到全國高水平的教學資源，從而豐富學生的資料庫，也為各學校的師生討論交流提供一個很好的平臺。

隨著科學技術的迅速發展，知識更新非常快。在教學中，教師應及時將與量子力學相關的科技前沿和高新技術引入教學中，介紹與量子力學密切相關的課題，闡明科學技術中所蘊含的量子力學原理。如我們在講解一維無限深勢阱時，將其與半導體量子阱和超晶格這一科學前沿相聯系；在講解隧道效應時，將其與掃描隧道顯微鏡相聯系，進而介紹掃描探針操縱單個原子的實驗。同時在教學中，我們理論聯系實際，多介紹量子力學知識與材料科學、生命科學、環境科學等其他學科之間的密切聯系，重點介紹在材料科學中的廣泛應用，包括新材料設計、開發新材料、材料成分和結構分析技術等。通過這種方式，學生對這一部分的知識有了直觀的認識，從而不再感到量子力學的學習枯燥無味，同時也提高了接受新知識、學習新知識的意識和能力。

2.結合數學知識，把物理情境的建立作為教學的重點。量子力學可以說無處不數學，這門學科對高級數學語言的成功運用，正是它高深與完美的體現。數學雖然加深了物理問題的難度，卻維護了理論的嚴謹性和科學性。當然這不是要求老師從頭到尾、長篇冗重地推演計算，合理地修剪枝杈既能讓學生抓住重點，又免使學生感到量子力學只是數學公式的推導。對于學習量子力學的同學，可以著重于對物理概念的剖析和物理圖像的描繪，繞過數學分析難點，通過簡化模型、對稱性考慮、極限情形和特例、量綱分析、數量級估計、概念延拓對比等得出結論。定量分析盡量只用簡單的高數和微積分、常見的常微分方程，對復雜的數學推導可以不做講解，只對少數優秀生或感興趣的同學個別輔導。例如，在求解本征方程時，只介紹動量、定軸轉子能量本征值的求解；對無限深勢阱情況，薛定諤方程可類比普通物理中的簡諧振動方程；對氫原子和諧振子的能量本征值問題，只重點介紹思路、方法和結論，不作詳細推導。

3.充分應用類比法，講述量子力學。經典力學是量子力學的極限情況，在教授過程中，應盡可能找到“經典”對應，應用類比方法講述量子力學中抽象的概念和物理圖像，有助于正確理解量子力學的物理圖像。用光的單縫、雙縫衍射、干涉說明光的波動性，用光電效應、康普頓散射說明光的粒子性，運用這種方法有利于學生掌握光的波粒二象性。在將量子力學與經典力學類比的同時，還要清楚量子力學與經典力學在觀念、概念和方法上的區別。例如，經典力學用位矢、速度描述物體的狀態，而量子力學用波函數描述系統狀態；經典力學用牛頓第二定律描述狀態變化，量子力學用薛定諤方程描述狀態的變化。另外對于量子力學中的波粒二象性、態迭加原理、統計原理等都要與經典力學中的相關概念區分開來，類比說明，闡明清楚其真正內涵。

4.改變傳統教學模式，采用以學生為主體的教學模式。量子力學的現代教學多以“教師講授”為主，同時配合多媒體課件輔助教學，教學模式較傳統教學有所變化，多媒體課件教學雖然能夠在一定程度上激發學生的學習興趣，但仍然是“填鴨式”的教學法，沒能真正地改變傳統教學的弊端。因此在教學過程中，要避免課堂成為教師的一言堂，鼓勵學生提問，激發學生的逆向思維和非規范性思維等，通過創設問題情境使師生互動起來，提高學生學習量子力學的積極性，加深學生對這門課程的理解。還要組織學生開展相關課題討論，引導學生自主能動地思考，激發學生的學習興趣。

三、結語

“量子力學”是物理類專業基礎課程中教學的難點和重點，建立新的教學模式，有利于學生學習、理解和掌握這門課程。

參考文獻：

［1］曾謹言.量子力學［M］.科學出版社，1997.

［2］周世勛.量子力學教程［M］.高等教育出版社，1979.

［3］胡響明.淺談量子概念的理解［J］.高等函授學報（自然科學版），2004，（2）：29.

量子力學的基本概念范文3

關鍵詞：物理本體；物理實體；量子現象；主觀；客觀

基金項目：國家社會科學基金項目“量子概率的哲學研究”（16BZX022）

中圖分類號：N03 文獻標識碼：A 文章編號：1003-854X（2017）06-0054-06

一、引言

時間和空間是人類所有經驗的背景。除去存在的事物，時間、空間什么也不是，不存在只有一件事物的時間、空間，時空是事物之間相互關系的一個方面。

人類通過感性經驗認知的時空，稱作經驗時空；以科學原理和科學方法指導認知的時空是科學時空；牛頓時空、狹義相對論時空、廣義相對論時空、量子力學時空，是經驗時空的科學提升和科學發展，稱作物理時空①。物理時空是科學時空。描述現象實體的時空是現象時空，經驗時空、物理時空、科學時空均是現象時空。而未經觀察的“自在實體（物理本體）”所在時空，稱為“本體時空”。“本體時空”是復數的②，因此，人類實質生活在復數時空中 。作為自然人，觀察者存在于“本體時空”，實時空是人類對時空認識的簡化③。

主體、客體、觀察信號是人類認知自然的三大基本要素④。一般“現象對觀察者的主觀依賴性”有其客觀原因，體現觀察信號的自然屬性對觀察者在認知中的影響。當把現象對觀察者的主觀依賴性轉化為時空的屬性后，就可以達到客觀描述物質世界⑤。所謂客觀描述就是理論計算與經驗及科學實驗結果相符。

考慮觀察信號的客觀作用并納入時空理論的科學建構之中，客觀描述物理現象，是物理學家的重要工作。一般，哲學認知中沒有明晰“觀察信號中介作用”的客觀地位，不管“機械反映論”，還是“能動反映論”，都自動將其融入“反映論”理論體系，尤其是前者，往往容易導致主觀唯心主義的滋生。

狹義相對論用光對時，考慮了光對建立時空的貢獻；牛頓時空是對時信號速度c趨于無窮大的極限情態；考慮引力場對建立時空的影響，引力時空是彎曲的，狹義相對論的平直時空是它的局域特例。從牛頓力學到狹義相對論再到廣義相對論，時空發生了變化，但主體與描述對象的關系沒有變，主體對客體的描述是客觀的。那么是否主體對認知對象完全沒有主觀影響？如果有，它如何產生，又如何消解，實現客觀描述物質世界？經典力學中，人類的處理方法是通過揭示“現象對觀察者的主觀依賴性”及其產生機理，在不同認知領域區分描述中可以忽略的和不可忽略的，能忽略的舍棄，不能忽略的轉化成時空的屬性，實現客觀描述；而從牛頓力學（或相對論力學）到量子力學，時空沒有變化，描述對象具有波粒二象性，“量子現象的主觀依賴性”更為突出。如何消解“量子現象對觀察者的主觀依賴性”，實現量子現象的客觀描述，一直是量子力學基礎討論的熱點。量子力學必須有自己的客觀描述量子現象的時空⑥。

量子力學時空是閔氏時空的復數拓展和推廣⑦，由此可以實現客觀描述量子世界。它與相對論時空有交集，也有異域。有因必有果，反之亦然，時間與因果關系等價⑧。量子力學中的非定域性，與能量、動量量子化及量子態的突變性相關聯。突變無須時間，導致因果鏈斷裂，與因果關聯的相互作用也被刪除，由此引進了類空間隔。平行并存量子態的出現，是不遵從因果律的量子力學新表現；當能量、動量和相互作用變得連續，宏觀時序得到恢復時，回到相對論時空，量子測量中“量子態和時空的坍縮”⑨ 是不同物理時空的轉換，希爾伯特空間只是它們的共同數學應用空間⑩。

時空不是絕對的，相對時空有更廣闊的含義，人類需要擴大對時空概念的認知，不同的認知層次有不同的時空對應，復數時空更為本質。人們不應該將所有領域的物理實體歸于某一時空描述，或者用一種時空的性質去否定另一種時空的存在。還是愛因斯坦說得好：是理論告訴我們能夠觀察到什么。當然，新的實驗事實又將告訴人們，理論及其對應的時空應該如何修改和發展。理論不同時空不同，時空具有建構特征。

二、時空的哲學認知與物理學描述

時空是哲學的基本概念，也是物理學的基本概念。哲學認為，時間和空間是物質的存在形式，既不存在沒有時空的物質，也不存在沒有物質的時空。笛卡爾指出，空間是事物的廣延性，時間是事物的持續性；康德認為，時空是感性材料的先天直觀形式；牛頓提出時間和空間是彼此分離，絕對不變的，強調數學的時間自我均勻流逝；萊布尼茨說，空間是現象的共存序列，時間與運動相聯系；黑格爾認為，事物運動的本質是空間和時間的直接統一。休謨認為，時、空上的接近和先后關系與因果性直接相關。中國的“宇”和“宙”就是空間和時間概念，它是把三維空間和一維時間概念同宇宙密切聯系在一起的最早應用{11}。

哲學具有啟示作用，但時空概念如果不與人的社會實踐、科學實驗、科學理論及其數學物理方法相聯系，就只能停留在形而上，無法上升為科學理論概念。

物理學中，空間從測量和描述物體及其運動的位置、形狀、方向中抽象出來；時間則從描述物體運動的持續性、周期性，以及事件發生的順序、因果性中抽象出來；空間和時間的性質，主要從物體運動及其相互作用的各種關系和度量中表現出來。描述物體的運動，先選定參照物，并在參照物上建立一個坐標系，一般參照物被抽象成點，它就是坐標系的原點；假定被描述物體的形體結構對討論的問題（或對參照物的時空）沒有影響，將物體抽象成質點，討論質點在坐標系中的運動及其相關規律，這就是物理學。由此，“時空是物質的存在形式”的哲學認知也就轉化為人類可操作的具體物理理論描述。

可見，時空的認知與人類的社會實踐、科學實驗、科學進步直接相關，離不開物理和數學方法的應用。笛卡爾平直空間、閔可夫斯基空間、黎曼空間都已作為物理學所依托的幾何學，在牛頓力學、狹義相對論、廣義相對論中得到了充分應用。由此，幾何學被賦予了物理意義。從牛頓力學到狹義相對論再到廣義相對論，時空發生了變化，但描述對象與觀察者之間的關系沒有變，描述是客觀的，并且描述對象都可抽象成經典的粒子，采用質點模型。量子力學不同，從牛頓力學（相對論力學）到量子力學，描述量子現象的時空沒有變化{12}，物理模型沒有變，但量子現象對觀察者有明顯的主觀依賴性，難以客觀描述微觀量子現象。深入分析，解決的辦法有兩種，一是更換物理模型的同時也改變物理時空，消除“量子現象對觀察者的主觀依賴性”，實現客觀描述微觀量子客體；二是改變時空的同時，保留“量子現象對觀察者的主觀依賴性”，將本體、認識、時空融為一體，主觀納入客觀，模糊主客關系。雙4維時空量子力學基礎采用了第一種方法。通過場物質球模型，把點模型隱藏的空間自由度釋放出來；在改變物理模型的同時，也改變了描述時空；將不是點的微觀客體自身的空間分布特性，轉化為描述空間的屬性，客觀描述量子客體。我們認為，第二種方法將主觀認識不加區分地“融入時空”，有損客觀性、科W性，量子力學時空必須是描述客觀世界的時空。物理時空需要建構。

三、牛頓絕對時空中“現象對觀察者的主觀依賴性”及其“消解”

眾所周知，物理學對物體運動狀態的描述，理應包含參照物和被描述物體自身的時空特征，而參照物和物體自身的時空特征，必須通過觀察發現。觀察需要觀測信號，物體運動狀態及其時空特征必然帶有觀測信號的烙印{13}。

“物理本體”不可直接觀察，我們觀察到的是“物理實體”{14}。參照物與研究對象都有自己對應的物理時空，牛頓力學時空應該是兩者的綜合，而不應該只是參照物的時空。但是，牛頓力學中光速無窮大，在討論物體運動時，又假設研究對象的時空結構對討論的問題沒有影響，忽略不計，于是，研究對象抽象成了質點，整個理論體系就只有與參照物聯系的時空了。

任何具體物體都不會是質點。當用信號去觀察它時，物體自身的時空特征與物體的運動狀態與觀察信號的性質、強弱和傳播速度相關。質點模型忽略物體自身的幾何形象及其變化，忽略運動及觀察信號對物體自身時空特征的影響，參照物也不例外。在從參照物到坐標系的抽象中，抽掉運動及觀察信號對參照物時空特性的影響，就是抽掉物體運動及觀察信號對坐標系時空特性的影響，就是抽掉人的參與對時空認知的影響{15}。牛頓力學時空與物體運動及觀察者無關，絕對不變，基于絕對不動的以太之上。所以，牛頓可以把時間和空間從物質運動中分離出來，時間和空間也彼此分割，空間絕對不變，數學的、永遠流逝的時間絕對不變{16}。哲學的時空演變成了可操作的物理時空。這是宏觀低速運動對時空的簡化與抽象，理論與宏觀經驗及計算相符。

相互作用實在論認為，現實世界是人參與的世界，對一個研究對象的觀察，離不開主體、客體、觀察信號三個基本要素。參照物和觀察對象的運動和變化及其時空屬性，與觀察信號的性質相關。牛頓力學中，不是沒有現象對觀察主體的依賴性，而是在理論的建立中認為影響很小，可以忽略不計。牛頓力學是“物理本體=物理實體”的力學{17}。這與宏觀經驗和科學實驗相符，在宏觀低速運動層次實現了主客二分，理論被看作是對客觀實在的描述。牛頓力學中，物質告訴時空如何搭建描述背景，時空告訴物質如何在背景中運動。二者構成背景相關。

牛頓時空是均勻平直時空，相對勻速運動坐標系間的變換是伽利略變換。物理定律在伽利略換下具有協變性，相對性原理成立。

四、狹義相對論中“現象對觀察者的主觀依賴性”及其“消解”

狹義相對論建立之前，洛倫茲就認為高速運動中物體長度在運動方向發生收縮{18}。這是他站在牛頓時空立場，承認以太及絕對坐標系的存在對洛倫茲變換所作的解釋。描述時空沒有變，“現象對觀察者出現了主觀依賴性”。自然現象失去了客觀性，這是一次認識危機，屬19世紀末20世紀初兩朵烏云之一。

狹義相對論不同，它考慮宏觀高速運動中觀察信號對物體時空特征的影響。愛因斯坦在“火車對時”實驗中，他用“光”作為觀察、記錄、認知物體時空特征的信號{19}；通過參照物到坐標系的抽象，論證靜、動坐標系K與K′“同時性”不同，靜、動坐標系運動方向時空測量單位發生了變化；將洛倫茲所稱“運動物體自身運動方向上的長度收縮”演變成坐標系時空框架的屬性，還原質點模型，建立相對論力學。實現了觀察者對觀察對象的客觀描述。

狹義相對論中質點的動量、能量、位置和時間都有確定值，質點的運動具有確定的軌跡，這一點與牛頓力學相同。

狹義相對論時空的另一重要物理意義是揭示了“物理本體”的客觀實在性。

牛頓力學缺少相對論不可直接觀察的靜能（m0c2，m0c）對應物，物理本體=物理實體，哲學上的抽象時空直接過渡到牛頓物理時空。

狹義相對論不一樣，每一個物體都有一個不可直接觀察的靜能（m0c2，m0c）對應物，它在任何靜止參考系中都是不變量，是物理實體背后的物理本體，物理本體不變，變的是mc2、mc對應的物理實體。“物理本體”既不是形而上的（物自體），也不是形而下的（物體），是形而中的（靜能對應物）。它可以認知、可以理論建構，但又不可直接觀察。相對于牛頓，愛因斯坦相對論揭示了“物理本體”的真實存在性。“客觀物質世界”不是思維的產物。

狹義相對論中，物質告訴時空在運動方向如何修正測量單位，時空告訴物質如何長度收縮、時間減緩。時空具有相對性。

狹義相對論時空雖然也是均勻平直時空，但由于有上述“相對時空”的出現，時空度規與歐氏時空度規有明顯區別，所以稱為贗歐氏時空。

但狹義相對論仍然是只考慮光及光速的有限性對建立時空的影響，沒有考慮引力作用對建立時空的影響。如果考慮引力對時空的影響又如何呢？

五、廣義相對論中“現象對觀察者的主觀依賴性”及其“消解”

廣義相對論中有水星近日點進動問題和光走曲線的討論。站在牛頓平直時空的立場，觀察結果與理論計算不符。這不是儀器的精度不夠，也不是操作失誤，而是理論本身的問題。因為，牛頓力學也好，狹義相對論也好，討論引力問題，引力場對參照物和研究對象時空屬性的影響都沒有計入其中，而留在觀察者對“現象”的觀察、判斷之中，出現宇觀大尺度“現象對觀察者的主觀依賴性”。如果考慮引力場使時空發生彎曲，利用彎曲時空計算水星近日點進動和光走曲線現象，“現象對觀察者的主觀依賴性”就變成時空的屬性。“現象對觀察者的主觀依賴性”就得到了“消解”，觀察現象與理論結果就取得了一致。這里，物質使時空彎曲，時空告訴物質如何在彎曲時空中運動。廣義相對論實現了觀察者對觀察對象的客觀描述。

廣義相對論時空是彎曲的，時空度規是變化的。

六、量子力學中“現象對觀察者的主觀依賴性”及其“消解”

微觀客體具有波粒二象性，同一個電子，通過雙縫表現為波，而打在屏幕上又表現為粒子，電子集波和粒子于一身，“量子現象對觀察者的主觀依賴性”更為突出。經典力學中波動性和粒子性不能集物體于一身，量子力學與經典力學表現出深刻的矛盾。矛盾的產生，可能是描述微觀現象的時空出了問題。量子力學的研究領域是微觀世界，研究對象是微觀客體，不是經典的粒子，用以觀察的信號也不是連續的光，而是量子化了的光，通過光信號建立的時空應該與牛頓、相對論時空有所區別。而量子力學使用的還是牛頓時空、狹義相對論時空，時空沒有變，物理模型沒有變，而研究領域、觀察信號和研究“對象”變了。量子力學必須有自己對應的時空，將“量子現象對觀察者的主觀依賴性”，轉化為描述時空的屬性，實現客觀描述量子現象！ 雙4維時空量子力學就是為實現這一目標應運而生的。

現有量子力學“量子現象對觀察者的主觀依賴性”之所以難以消解，與量子力學中的點模型相關。許多量子現象與點模型隱藏的空間自由度有直接聯系，但點模型忽略了這些自由度對產生微觀量子現象的作用和影響。我們必須將隱藏的空g自由度還原于時空，才可能正確地認識、客觀描述量子現象。

可以公認，微觀客體不是點{20}，是一個有形客體，有一定的空間分布，不存在確定于某點的空間位置，這是客觀事實。理論上，牛頓時空幾何點位置是確定的，量子力學使用的是質點模型，0 維，位置也是確定的，牛頓時空可以精確描述質點的運動。那么微觀客體空間分布的不確定性如何處理？人們只好轉而認為點粒子在其“空間分布”區域位置具有概率屬性。微觀客體自身空間分布的客觀實在性在量子世界轉化成了一種主觀認知，賦予了微觀客體“內稟”的概率屬性，其運動產生概率分布，或稱其為概率波。

這是一個認識上的困惑，似乎量子力學描述失去了客觀實在性。這也是量子力學當今的困境。解決困難的方法是：（一）更換點模型，釋放點模型隱藏的自由度，展示“這些自由度對產生微觀現象的貢獻”；（二）建立適合量子力學自身的時空，將釋放的自由度植入其中，讓“量子現象對觀察者的主觀依賴性”變成量子力學時空自身的屬性。

雙4維時空量子力學的辦法是：（一）用“轉動場物質球”模型取代“質點”模型，釋放點模型隱藏的空間自由度；（二）將4維實時空M4（x）拓展到雙4維復時空W（x，k），且將“釋放的空間自由度――曲率k”作為雙4維復時空的虛部坐標；（三）4維曲率坐標將量子力學賦予微觀客體自身的概率屬性變成量子力學復時空的幾何屬性，場物質球自身的旋轉與運動產生物質波――物理波。

“場物質球”與“物質波”（類似對偶性假設）既是同一物理實在的兩種不同描述方式，更是微觀客體粒子性和波動性的統一，曲率的大小表示粒子性，曲率的變化表示波動性。場物質球的物質密度是曲率k的函數，因此，物質波既是場物質球的結構波又是場物質密度波。物質波不是傳播能量，而是傳播場物質球的結構或物質密度變化，可映射成實時空M4（x）的概率分布{21}，與實驗結果相一致。

這樣，點模型中“量子現象對觀察者的主觀依賴性”通過“釋放的自由度”轉變為時空W（x，k）的屬性，物質波傳播其中，量子現象是物質波所為。

研究表明，是量子測量引入的連續作用，使雙4維時空W（x，k）全域轉換到實時空M4（x），波動形態轉變成粒子形態（“相變”），球模型轉換成點模型，概率屬性內在其中，物質波自動映射成概率波，數學處理類似表象變換{22}。

簡言之，傳統量子力學，微觀客體簡化成質點，描述時空不變，人的主觀意識介入其中，將其空間分布特性――位置不確定性，變成點粒子的概率屬性，實現描述對象從客觀到主觀認知的轉變，具有位置不確定性的點粒子，其運動產生概率波；雙4維時空量子力學，微觀客體簡化成場物質球，“空間分布具體化為幾何曲率”，空間分布特性變成曲率坐標，仍然是從客觀到客觀，描述時空變成了復時空，曲率坐標在其虛部，場物質球的運動產生物質波――物理波。通過量子測量，物質波映射成概率波，球模型演變成點模型，顯示概率屬性，時空內在自動轉換，量子現象對觀察者的主觀依賴性消解在建構的時空理論中。具體論證方法是：

將靜態場物質球寫成自旋波動形式：Ψ0=е■，描述在復空間。ω0是常數，它的變化只與自身坐標系時間t0相關，全空間分布（物理本體所在空間）。設建在“靜態”場物質球上的坐標系為K0，觀察微觀客體從靜止開始作蛩僭碩，由洛倫茲變換：

微觀客體的運動速度不同，平面波相位不同。復相空間kμxμ即為物質波所在時空。物質波是物理波。

自由微觀客體的速度就是建在其上慣性坐標系的速度，慣性系間的坐標變換，隱藏速度突變――“超光速”概念，因為，連續變化會引進引力場破壞線性空間。不同慣性系中平面波之間，相位不同，類似量子力學中的不同本征態。這是相對論中的情形{24}。

但是，量子力學建立其理論體系時，把上述不同慣性系中的平面波（不同本征態，每一本征態則對應一慣性系），通過本征態突變躍遷假設（量子分割），切斷因果聯系，形成同一時空中“同時”并存的本征態的疊加。態的躍遷不需要時間，“超光速”（非定域），將類空間隔引入量子力學時空，破壞了原有的因果關系。疊加量子態的存在，是“違背”因果律在量子力學中的新表現。

量子力學時空顯然不是牛頓、狹義相對論時空，但量子力學卻誤認為量子躍遷引起的時空性質的變化是牛頓、狹義相對論時空中的特征，這當然會帶來不可調和的認知矛盾。

同一微觀客體，不同本征態“同時”并存的物理狀態，從整體看，是洛倫茲協變性在量子力學中的新表現。突變區“超光速”，是類空空間，“不遵從”因果律；釋放光子的運動在類光空間；而本征態自身在類時空間，微觀客體運動速度不能超過光速，需保持因果律，物質波討論的就是這一部分，就像相對論討論類時空間物理一樣。量子糾纏態將涉及到上述三種不同性質物理空間量子態的轉換，有完全合理的物理機制，不需要思維的特殊作用。不過，相對論長度收縮效應，將以物質波波長在運動方向上的收縮來體現。有了雙4維時空量子力學，量子力學與相對論就是相容的，光錐圖分析一樣適用。

相對論與量子力學的不同，關鍵在于認知層次發生了變化，光由連續場演變成了量子場。而我們用來觀察世界的光信號直接與時空相關，光的物理性質的變化，必然帶來物理空間性質的變化，帶來物理模型的變化，帶來量子力學時空W（x，k）與相對論時空M4（x）之間的區別，帶來對物質波――物理波的全新認知。我們預言，物質波有通訊應用價值{25}，但與量子力學非定域性無關。

《雙4維復時空量子力學基礎――量子概率的時空起源》的理論實踐表明，我們的工作是可取的{26}。結論是，量子力學中，物質告訴時空如何具有概率屬性，時空告訴物質如何作概率運動。量子現象對觀察者的主觀依賴性消解在對應的時空理論之中，實現了觀察者對量子現象的客觀描述。

雙4維時空是描述量子現象的物理時空，時空度規，無論實數部分，還是虛數部分，都是平直的{27}。

近年來，由于量子通訊技術的飛速發展，量子糾纏的物理基礎引起了人們的特別關注，波函數的物理本質，量子力學的非定域性討論十分熱烈。“量子現象對觀察者的主觀依賴性”更是討論的核心。人們甚至被量子現象的奇異性迷惑了，特別是，有科學家甚至認為：“客觀世界很有可能并不存在”。世界是人臆造出來的？科學實在論者當然不能贊成！更加深入的探討，我們將另文討論。

按照曹天予的評論，《雙4維復時空量子力學基礎――量子概率的時空起源》值得關注{28}。雙4維復時空與弦論、圈論比較，最大優點是將時空拓展、推廣到了復數空間，數學沒有那么復雜，而物理學基礎卻更加堅實、清晰。

七、結論與討論

1.“現象對觀察者的主觀依賴性”普遍存在于人與自然的關系之中，融入時空的只能是物理實體對時空有影響的部分，時空具有建構特征。

2. 物質運動與時空的關系：牛頓力學中，物質告訴時空如何搭建運動背景，時空告訴物質如何在背景上運動；狹義相對論中，物質告訴時空如何修正測量單位，時空告訴物質如何在運動方向長度收縮、時間減緩；廣義相對論中，物質告訴時空如何彎曲，時空告訴物質如何在彎曲時空中運動；量子力學中，物質告訴時空如何具有概率屬性，時空告訴物質如何作概率運動。

3. 量子力學時空是平直的，其方程是線性的，而廣義相對論時空是彎曲的，其方程是非線性的{29}。量子力學與廣義相對論的統一，不能機械地湊合，它們的統一，必須從改變時空的性質做起，建立相應的運動方程，并搭起非線性空間與線性空間的相互聯絡通道。

注釋：

① 趙國求：《雙4維時空量子力學基礎》，湖北科學技術出版社2016年版，第5頁；Cao Tian Yu， From Current Algebra to Quantum Chromodynamics： A Case for Structural Realism， Cambridge： Cambridge University Press， 2010， pp.202-241.

② Rocher Edouard， Noumenon： Elementaryentity of a Newmechanics， J. Math. Phys.， 1972， 13（12）， pp.1919-1925.

③④⑥⑦⑩{13}{15}{17}{21}{22}{24}{25}{27} w國求：《雙4維時空量子力學基礎》，湖北科學技術出版社2016年版，第5、105、9、147、179、94、133―136、106、151、151、159、152、149頁。

⑤ 主觀與客觀：“客觀”，觀察者外在于被觀察事物；“主觀”，觀察者參與到被觀察事物當中。 辯證唯物主義認為主觀和客觀是對立的統一，客觀不依賴于主觀而獨立存在，主觀能動地反映客觀。

⑧ L?斯莫林：《通向量子引力的三條途徑》，李新洲等譯，上海科學技術出版社2003年版，第29―33頁。

⑨ 張永德：《量子菜根譚》，清華大學出版社2012年版，第29頁；趙國求：《雙4維時空量子力學基礎》，湖北科學技術出版社2016年版，第178頁。

{11} 馮契：《哲學大辭典》，上海辭書出版社2001年版，第1579―1582頁。

{12} 參見L?斯莫林：《物理學的困惑》，李泳譯，湖南科學技術出版社2008年版。

{14} 相互作用實在論中的基本概念：（1）物質：外在世界的本原。（2）基本相互作用：遍指自然力，有引力，電磁、強、弱等力。（3）自在實體：指未經觀察的“自然客體”（相互作用實在論中，自在實體作為物理研究對象時稱物理本體）。（4）現象實體：經過觀察，系統的、穩定的、深刻反映事物本質的理性認知物。現象則表現自在實體非本質的一面。（相互作用實在論中，現象實體作為物理研究對象時稱物理實體）。（5）觀測信號：人類認知世界使用的探測信號。

{16} 參見伊?牛頓：《自然哲學之數學原理宇宙體系》，武漢出版社1996年版。

{18} 參見倪光炯等：《近代物理學》，上海科學技術出版社1980年版。

{19} 參見A?愛因斯坦：《相對論的意義》，科學出版社1979年版；愛因斯坦等：《物理學的進化》，周肇威譯，上海科學技術出版社1964年版。

{20} 坂田昌一：《坂田昌一科學哲學論文集》，安度譯，知識出版社2001年版，第140頁。

{23} 參見Guo Qiu Zhao， Describe Quantum Mechanics in Dual 4d Complex Space-Time and the Ontological Basis of Wave Function， Journal of Modern Physics， 2014， 5（16）， p.1684；趙國求：《雙4維時空量子力學基礎》，湖北科學技術出版社2016年版，第149頁。

{26} 參見Guo Qiu Zhao， Describe Quantum Mechanics in Dual 4d Complex Space-Time and the Ontological Basis of Wave Function， Journal of Modern Physics， 2014， 5（16）， p.1684；趙國求：《雙4維時空量子力學描述》，

《現代物理》2013年第5期；趙國求、李康、吳國林：《量子力學曲率詮釋論綱》，《武漢理工大學學報》（社會科學版）2013年第1期。

{28} 曹天予：《當代科學哲學中的庫恩挑戰》，《中國社會科學報》2016年5月31日。

量子力學的基本概念范文4

本書給出物理學（特別是力學，電動力學，量子力學，統計力學等）中常用的具有基本工具性質的數學理論和方法，包括線性代數、實分析和復分析、特殊函數和Fourier分析、群輪、數值方法、概率和統計等經典數學，還涉及混沌、分形、弦論等新的數學領域。除基本概念和重要結果外，還配備了具有物理背景的例子和習題，列出相應的進一步研究的專著。本書作者從事多個物理領域的研究（如量子光學，量子場論，格規范理論和生物物理等）。本書是作者在美國New Mexico大學及上海復旦大學的有關課程講稿的基礎上形成的，主要用作研究生和大學高年級學生的一學年的專業教材，也適合物理學研究人員的需要。本書2013年出版后重印了3次，頗得同行好評。其明顯的特點是：論述簡明而直接，涉及數學分支較全，例題數量較多并與物理學結合緊密，具有實用性和可讀性。

全書共19章：1.線性代數。除經典內容外，特別論述了具有物理（量子力學）背景的關于Dirac記號、反酉算子、反線性算子和密度算子、對稱性、Moore-Penrose廣義逆等的基本結果；2.Fourier級數；3.Fourier變換和Laplace變換。2-3章特別包含了關于Dirac δ函數和調和振子的主要結果；4.無窮級數。其中包含Dirichlet級數和 ζ函數，Bernoulli數和多項式，以及一些靜電學問題；5.復變理論。以解析函數等為主，并給出復分析方法對弦論的一些應用；6.微分方程；7.積分方程。6-7章主要講述常微分方程和積分變換的基本結果；8.Legendre函數；9.Bessel函數。8-9章在前兩章的基礎上給出特殊函數的基本結果；10.群論。主要討論Lie代數，以及應用于物理學的一些重要類型的群的性質和表示，如旋轉群、緊單Lie群、辛群、Lorentz群、Poincare群等。第11章：張量與局部對稱性；12.型。11-12章包含有關的基本數學理論和方法，給出對電動力學，引力場理論，黑洞等有關問題的應用；13.概率和統計。給出常用統計方法，還介紹了隨機數生成；14.Monte Carlo 方法。給出一些試驗實例及在統計力學中的應用；15.泛函導數。討論泛函微分方程；16.道路積分。研究一些經典的道路積分，攝動理論，以及它們對量子電動力學和非Abel規范理論的應用；17-19.討論一些比較專門的數學理論和方法：重正規化群，混沌和分形，弦論。

本書可作為我國大學理科有關專業研究生和大學高年級學生的教學用書，也可供物理學和數學研究人員參考。

量子力學的基本概念范文5

1、相對論是20世紀杰出的物理學家阿爾伯特·愛因斯坦提出的。相對論是關于時空和引力的理論，依其研究對象的不同可分為狹義相對論和廣義相對論。

2、相對論和量子力學的提出給物理學帶來了革命性的變化，它們共同奠定了現代物理學的基礎。相對論極大地改變了人類對宇宙和自然的“常識性”觀念，提出了“同時的相對性”、“四維時空”、“彎曲時空”等全新的概念。不過近年來，人們對于物理理論的分類有了一種新的認識——以其理論是否是決定論的來劃分經典與非經典的物理學，即“非經典的=量子的”。在這個意義下，相對論仍然是一種經典的理論。

3、狹義相對論在狹義相對性原理的基礎上統一了牛頓力學和麥克斯韋電動力學兩個體系，指出它們都服從狹義相對性原理，都是對洛倫茲變換協變的，牛頓力學只不過是物體在低速運動下很好的近似規律。廣義相對論又在廣義協變的基礎上，通過等效原理，建立了局域慣性長與普遍參照系數之間的關系，得到了所有物理規律的廣義協變形式，并建立了廣義協變的引力理論，而牛頓引力理論只是它的一級近似。

4、這就從根本上解決了以前物理學只限于慣性系的問題，從邏輯上得到了合理的安排。相對論嚴格地考察了時間、空間、物質和運動這些物理學的基本概念，給出了科學而系統的時空觀和物質觀，從而使物理學在邏輯上成為完美的科學體系。

（來源：文章屋網 ）

量子力學的基本概念范文6

關鍵詞：結構化學；課程特點；學習興趣；教學

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）20-0118-03

結構化學是在原子、分子的水平上研究原子、分子和晶體結構的運動規律以及物質微觀結構與其性能關系的科學[1-4]。著名化學家L.Pauling說過“當任何一種物體，當它的性質和物體的結構聯系起來時，那么這樣一種性質最容易最清楚地被理解”，理論化學家R.Hoffmann也曾說過“化學理論最重要的作用是提供一種思維機制，以總結更新知識”。從中可見結構化學地位的重要性。該課程涉及的知識面廣，內容相對抽象，要求學生具有較多的數理知識和豐富的空間思維能力，同時還要努力擺脫宏觀現象的傳統概念的束縛。大部分學生始終把學習結構化學當成一種負擔，學習起來感覺很枯燥，一知半解，似懂非懂，難以進入狀態。因此，本人根據結構化學課程的特點和學生在學習過程中存在的主要問題以及如何培養學生的學習興趣三方面進行了積極的思考和有益的探索。

一、結構化學課程的特點

在高等師范院校中，結構化學課程通常開設在第三學年，是在學生修完高等數學、大學物理、無機化學、有機化學、分析化學、物理化學等課程基礎上開設的。該課程主要包括三種理論（量子理論、化學鍵理論和點陣理論），三種結構（原子結構、分子結構和點陣結構），三個基礎（量子力學基礎、對稱性基礎和晶體學基礎），這也是學生學習結構化學時所要掌握的主要內容及學習方法[2]。

結構化學是學生本科階段初次接觸的理論課程，它是一門以量子力學為基礎，從微觀的角度來研究物質結構的學科，具有概念多，內容抽象，系統性、理論性較強等特點。另外，結構化學與數學、物理等學科互為交叉，所以要求學生具有嚴密的邏輯思維和扎實的數學、物理學等基礎知識。其次，化學是一門以實驗為基礎的自然科學，但是其研究的微觀結構狀態很難在宏觀的實驗中觀察出來，所以還要求學生具有較強的空間思維能力。因此，結構化學比較深奧、難學、難懂，往往被大多數學生認為是最難學的課程之一。

二、學生學習結構化學過程中存在的主要問題

1.從心理上害怕結構化學。結構化學所涉及的基本概念及理論高度抽象，一方面，有些老師在上第一節課時會告訴學生結構化學這門課程很重要，也很難學，許多同學都因不及格而重修；另一方面，學生還沒開始正式學習，就從高年級學生那里得知結構化學難學，不及格率較高。因此，從心理上學生對學習結構化學產生一種畏懼和抵觸心理。

2.學生學習結構化學存在誤區。很多學生對結構化學的學習內容沒有充分認識，認為研究生入學資格考試不考結構化學，學習結構化學根本沒用，只是為了應付考試。實際上這是一種誤區，部分高校（如南開大學）物理化學專業碩士學位研究生的入學考試就包含結構化學。而且結構化學也非常有用，可以了解化學反應的本質，可以合成滿足人類一定需要的新物質，也是學習高等化學的基礎等。

3.學生數理知識薄弱。結構化學內容涉及面廣，如需具備高等數學、無機化學、有機化學、物理化學及量子力學等知識，學習化學的學生數理知識普遍較差，對于結構化學中大量的數學推導過程感覺很費力，致使學生對該課程產生排斥心理。

4.缺乏微觀分析能力。量子力學是研究微觀粒子的運動規律的物理學分支學科，它主要研究原子、分子、凝聚態物質，以及原子核和基本粒子的結構、性質的基礎理論，它與相對論一起構成了現代物理學的理論基礎[5]。結構化學以量子力學為理論基礎，使人們對物質世界的認識從宏觀層次進入了微觀層次。而量子力學獨立于經典物理學，自成一套理論體系，內容抽象，脫離生活實際，邏輯性強，抽象思維程度高，學生易受宏觀思維定式束縛。

5.理論與實踐脫節。結構化學是重要的基礎科學之一，是一門以實驗為基礎的學科，在與物理學、生物學、天文學等學科的相互滲透中，得到了迅速的發展，也推動了其他學科和技術的發展。但是，在學習這門課程的同時，多數學生只在乎教程中的理論知識，從而忽略了思考與其他學科的相互關聯。另外，大多數學生學習結構化學缺乏實踐，把學習它當成了一項應付考試的任務，這與學習這門課的宗旨背道而馳。

6.學生之間缺乏交流。結構化學以數學邏輯推導為基礎，物理模型抽象難懂，學生學習方式單一、被動。學生的學習方式主要體現個體性，教師與學生之間，學生與學生之間經常處于一種緊張甚至對立的狀態，課堂上很少看見人際間的交流、觀點的交鋒和智慧的碰撞，學生的學習始終處于被動應付狀態。學生缺少自主探索、合作交流、獨立獲取知識的機會，很少有機會表達自己的理解和意見。

三、激發學生學習結構化學的興趣

根據結構化學課程的上述特點及學生學習過程中存在的主要問題，培養學生學習興趣是提高結構化學教學質量的前提和關鍵。愛因斯坦說過：“興趣是最好的老師。”學生只有有了學習興趣，才會積極配合教師的教學，教師才能夠更新教學理念，提高課程教學效果。下面筆者結合兩年來在結構化學教學實踐中的親身體會，介紹在結構化學課程教學中如何激發學生的學習興趣。

1.明確學習結構化學的目的與意義。結構化學包括很多有用的基本概念和許多重要的規律和原理。教師要讓學生了解通過結構化學的學習可以學到扎實的基礎知識和和理論知識，可為后續專門化課程的學習做好必要的理論基礎。同時也讓學生知道通過結構化學的學習可以了解化學反應的機理，例如，NO分子分解為N2和O2時在熱力學上是可以自發進行的，但此反應是動力學禁阻的，只有用結構化學中的前線軌道理論才能夠容易證明這一點。另外，通過結構化學知識的學習，人們很容易合成出新物質（如新材料、新藥的合成），其結構測定與分子的設計過程必須具有扎實的結構化學知識。還有結構化學的發展對化學學科的發展也有重大的推動作用（化學界化學的兩次革命性飛躍）等。

2.介紹科學奇聞趣事，陶冶學生情操。結構化學教學內容理論性較強，若在課堂教學中引入科學大師的物理學史教育，有助于激發學生的學習熱情。例如，在介紹薛定諤方程時，可以向大家介紹薛定諤的奮斗歷程，薛定諤被稱為量子物理學之父，23歲時獲得奧地利維也納大學哲學博士學位，1926年建立波動力學（39歲），1933年獲得諾貝爾物理學獎（46歲），同時告訴學生薛定諤不僅僅數學物理好，而且他的文學功底也非常好，于1944年整理出版了一本著作《生命是什么》。這樣學生在了解相關知識背景的同時，開闊了視野，提高了思維能力，受到了科學態度、科學精神的熏陶，激發了其學習熱情。

3.充分利用多媒體輔助教學，提升課堂教學效果。多媒體輔助教學作為一種現代化的教學手段，可以把文本、音頻、視頻、圖像、圖表、動畫等多種媒體信息綜合為一體化并進行加工處理，為課堂教學提供了豐富、直觀、真實的語言材料，啟迪學生的思維，從而優化課堂結構，提高課堂教學效果。例如原子核外電子運動狀態、電子云的概念、雜化軌道理論、等徑圓球密堆積結構、離子晶體結構等都比較抽象，想象力較差的學生理解起來相對困難，若我們在計算機軟件中，用二維、三維動畫模擬顯示[6]，將抽象、微觀的內容具體化、宏觀化，使學生能夠實現對物質微觀結構更好的理解。

4.把最新科研成果引入課堂，以科研促進教學，激發學生學習興趣。教師還可以精心創設一些引人入勝的實踐環節，增強教學內容的趣味性，使學生在學習過程中能夠感受到所學知識的實用性。教材內容往往有所落后，已不適應當今社會發展的需要，而社會生活和科學知識卻不斷地迅猛發展，及時給學生補充最新的信息，將新的科研動態、知識引入結構化學教學課堂，豐富課堂內容，將抽象生硬的知識點轉化為生動具體的科研案例進行解釋和說明，調動了學生的學習積極性，保證了教學質量，促進了我們教學理念的轉變，使課堂教學的面貌大為改觀。

5.不斷改進教學方法，吸引學生的學習興趣。教師可采用多種形式的教學方法，創造一個輕松愉快的學習氛圍，激發學生的學習興趣。教師教學語言要盡可能做到用詞準確，條理清晰，生動有趣，富有感染力，學生易于接受。另外教師可以采用討論式教學方法，這種方法主要運用習題范例和關鍵知識點的應用實例，或者是就某一個關鍵問題進行辯論，師生平等互動，活躍課堂氣氛，提高課堂教學效率。同時教師也可采用提問式課堂教學，引發學生好奇心，讓學生進行創造性的思維活動，不斷地激發他們的求知需求。再者，教師還可以精心創設一些引人入勝的教學情境，增強教學內容的趣味性，使學生在學習過程中能夠感受到其樂融融，從而達到“我要學”的最佳境地。

6.加強師生之間的情感交流，提高學生的學習熱情。課堂教學不僅是知識信息的交流過程，也是情感信息的交流過程。心理學家莫維爾說：“情感如同肥沃的土地，知識的種子就播種在土壤里。”可見積極的情感能調動學生的學習積極性，有利于優化課堂教學，改善課堂教學效果，提高學生的學習熱情。

四、小結

綜上所述，本文介紹了結構化學課程的特點、學生學習過程中存在的主要問題以及如何激發學生的學習興趣，那么如何將結構化學抽象、難以理解的知識形象化，如何運用各種合理的教學方法提高自己的教學水平，培養和激發學生的學習興趣，仍然是教師特別是青年教師需要長期思考的一個問題。

參考文獻：

[1]潘道皚，趙成大，鄭載興.物質結構（第2版）[M].北京：高等教育出版社出版，2004.

[2]周公度，段連運.結構化學基礎（第4版）[M].北京：北京大學出版社，2008.

[3]彭鵬，柴春霞.高等師范院校結構化學課程的難點探析[J].周口師范學院學報，2010，27（3）：75-77.

[4]孫巧珍.關于結構化學教學改革的實踐體會[J].考試周刊，2011，（18）：27-28.

[5]曾謹言.量子力學教程（第2版）[M].北京：科學出版社，2003.

[6]宋國拓，蔡俊.淺議化學教改前景――計算機輔助教學的應用[J].西北民族學院學報.2000，21（3）：23-25.