量子场论和量子力学关系范例(3篇)

量子场论和量子力学关系范文篇1

Abstract:Sciencegeneratesthescientificthought,Scientificthoughtguidesthedevelopmentofscience.Thispapersortsouttherevolutionofscienceinthe20thcentury,andthenanalyzesthescientificthoughtinthe20th-century.

关键词:科学科学革命科学思想

Keyword:Sciencescientificthoughttherevolutionofscience

作者简介:赵福成,河北师范大学法政学院2007级科学技术哲学专业硕士研究生。

20世纪发生的两次科学革命是科学长期发展和积累的结果,但其深刻性和广泛性,是历代科学革命所无法比拟的。这驱使不少科学家去研究现代物理学革命的特征,探索科学发展的规律。

一、20世纪两次全局性的科学革命

第一次是现代物理学革命。x射线直接地揭开了原子的秘密;汤姆孙发现电子标志着人类对物质微观结构的开始;卢瑟福提出的原子模型,揭示了粒子和它的构造是怎样的;质子中子的发现,对于认识原子核的内部具有重要意义;汤川秀树提出介子学说,还提出了核力场的方程和核力的势,即汤川势的表达式;狄拉克提出了反粒子理论;盖尔曼提出了介子有一堆正反夸克组成,重子由三个夸克组成;爱因斯坦的相对论是关于时空和引力的基本理论,分为狭义相对论和广义相对论;从普朗克的能量子假说,到爱因斯坦的光量子假说,薛定谔的波动观念,到玻恩对函数的统计解释,海森伯的测不准原理及玻尔的互补原理,实现了量子力学的建立。

第二次是综合性科学革命。标志性事件是:1946年第一台计算机问世;弗里德曼提出的非静态宇宙模型,认为宇宙是可能膨胀的;哈勃确定了星系红移和距离之间的线性关系,证实了宇宙膨胀理论;勒梅特提出了宇宙爆炸说;伽莫夫把核物理学的知识同宇宙膨胀理论结合起来,发展了大爆炸理论,并用它来说明化学元素的起源;1948年系统论、信息论、控制论建立;申农与贝塔朗菲代表作的出版,标志着交叉科学信息论、控制论、一般系统论的诞生;1957年,古德等为系统工程论奠定了基础;60年代以来,又出现了新的交叉科学――突变论、协同论和耗散结构理论;50年代板块构造学说问世,魏格纳提出大陆漂移说,由地幔对流说、海底扩张说等阶段,到勒比雄等提出了全球大地板块构造学说;1969年耗散结构理论问世;应用计算机对大气科学和流体力学进行数值研究;分析力学中数学理论的进展,以及统计物理中远离平衡态系统性态的研究,促进了非线性科学的发展;1971年新兴综合性学科协同学问世;1972年突变理论问世并发展成为一个新的数学分支。

二、对两次科学革命的科学思想浅析

(一)从历时性(纵向)看20世纪科学思想的变迁

分析这两次科学革命,我们可以把20世纪的科学思想分为两个阶段。在20世纪上半叶,科学的基础性、主导型成果是相对论和量子力学,提出了关于时空相对性、空间弯曲、质量和能量的关系、作用量子、波粒二象性、测量中主客体的关系、量子力学的统计性解释等思想,科学认识进入了宏观高速运动领域、微观领域和宇观领域。在20世纪下半叶,主要科学成果是宇宙大爆炸理论、板块构造理论、分子生物学理论以及耗散结构理论、协同学、混沌学、量子场论、量子宇宙学、规范场论、弦理论等,还提出了宇宙膨胀、全球地质观、遗传信息、系统自组织理论思想以及多重宇宙、多重历史、黑洞辐射、时间圈环、多维空间、虚粒子、虚时间等猜想。

(二)从共时性(横向)看20世纪科学思想的特征

20世纪的科学有两大思潮:追求统一性与探索复杂性。

追求自然的统一性,一直是科学追求的基本目标。基于牛顿力学、电磁场学、化学原子论等近代科学硕果,到20世纪初,科学家们认为自然界统一于原子和力。到20世纪50年代,爱因斯坦是追求统一性的主要代表,他试图把自然界的物质和作用统一于场。爱因斯坦是对以牛顿为代表的力学机械论的主要批判者,他的相对论有力的冲击了绝对主义自然观、科学观和思维方式,相对论本身也是追求统一的产物,它追求力学与电磁学、惯性系与非惯性系的统一。可是爱因斯坦在统一场论的过程中,又戏剧性的转向了绝对主义。在爱因斯坦之后,追求统一性的思潮发展为追求4种基本作用的“大统一”,不少科学家甚至追求包罗万象的终极理论。量子场论、量子宇宙学、弦理论都体现出科学家追求统一的努力。

量子力学初步揭示了微观世界的复杂性,强调自然世界的不确定性和微观世界不同与宏观世界的特殊性。以玻尔为代表的哥本哈根学派对量子力学的解释,同物理学机械论是根本相悖的。爱因斯坦与哥本哈根学派的争论,是坚持物理学机械论和反对无力学机械论这两种思潮的争论。

在20世纪后50年,普利高津提出了探索性的口号,使他成为复杂性科学思潮的主要代表。量子宇宙学、弦理论并不是根据现有的实验建构起来的,也很难用实验来验证,在一定意义上可以说具有“超验性”。在这种背景下,科学日益趋向数学化、模型化,思辨的色彩也越来越浓。狄拉克说,数学是特别适合于处理抽象概念的工具,在这个领域数学的力量是没有限制的。到了霍金,这种意识就更加强烈了,数学模型被看做是追求统一的工具。20世纪上半叶,马赫等人都上升到哲学,从哲学高度进行探索和解释。这将对21世纪科学的发展具有重要的启迪意义。

参考文献:

[1]周林等科学家论方法[M]内蒙古人民出版社,1985年

[2]狄拉克量子力学原理[M]科学出版社,1965年

量子场论和量子力学关系范文

e=mc²

物质变化和进化是运动的复杂方式。有运动就有空间和时间，时间空间是运动存在方式，不同运动可用不同的时空描述。不同运动的能量可以用不同参量定义的，而参量描述又跟时空密切相关。跟空间方向有关的矢参量定义的能量为矢能ea，如平动能、自旋能等，而用标量定义的能量为标能eb，如内能等。一物体系统总能通常是矢能和标能之和，矢能对总能比例愈大，愈处于场物质状态。

e=ea+eb

矢能等于或超过总能一半则为场物质状态，矢能等于总能为极限速度的纯平动运动。

e=mc²=mυ²/2

υ=1.41c=c’

纯粹平动或纯粹自旋运动的物质系统是不稳定的系统，因为场物质各向机会均等，使其在一个方向上必同时存在正反运动，并转化为旋涡或涡旋运动，它是粒子和天体存在自旋和公转的本质，也是面旋存在的动力。涡旋运动趋匀过程必浓缩质量，它是实物成体和存在引力的根源。但由于涡旋体不可能无限地浓缩质量，必再弥漫或弥散，在趋于平衡中形成周期性变换或交换。因此平动、自旋、周期性变换、交接是物质最基本运动方式。平动与自旋周期地变换可构成稳定系统，光子是平动能mc2/2与周期变换能hν/2各占一半的稳定场物质（场质）系统。

e=mc²=mc²/2+hν/2=hν

它可以看成相对论与量子论描述统一的两个方面。

《涡旋论-未来物质结构设想》一文指出：宇宙中最基本物质形态是高速平动连续物质，但趋匀原理又使各向平动机会均等，即总是同时存在正反平动，必转化为各式各样的涡旋运动。因此涡旋运动与平动一样的是物质运动的最基本状态，也是物质最基本形态或属性，并非外力作用引起的。涡旋运动的能密度趋匀必引起质量浓缩，如

w=ρυ²/2=ρr²ω²/2=k

中k和ω为常数时，质量密度ρ与涡旋体半径r平方成反比，愈处于中心质量密度愈高，这个质量中心趋势就是物质成形与万有引力产生的根源。中心绝对静止时质量趋于无穷大，这是不可能的，因此中心必定运动的。宇宙中没有绝对静止物质。

成形物质-实物总是同时存在平动与涡旋等两个以上运动。若其被制动或减速，平动速度减少，涡旋运动增多，周围就有向心加速场质，即正电场。若被打出或加速，平动速度增大，涡旋运动减少，周围产生背心加速场质，即负电场。实际上平动加速平动能（速度）递增，涡旋能（角速度）减少，处于弥漫状态。但速度有极限性，不可能一直递增，又再往涡旋运动变换，平动能（速度）变换为涡旋能（角速度）并浓缩质量，到了一定程度，就不可能再浓缩，而再弥漫或加速，形成了周期性变换，甚至交换。光量子就是典型的周期性变换的稳定粒子，其平动能和变换能各占总能一半的粒子。又由于涡旋能与部分平动能周期变换而失去涡旋运动的属性。

实物与场物质是不同物质形态，场物质是高速低密度的弥漫连续物质形态，实物包括粒子或物体或天体是低速中高密度的浓缩非连续物质形态。场物质又以实物为归宿和发源，并互相依存和转化。实物是指低速运动涡旋体的全部或部分，如天体和天体中物体或粒子。实物的内外都存在不同性质的场质或场，如万有引力场、磁场、电场、电磁场、强作用、弱作用等。涡旋体的质量交换形成大量微型涡旋，低速的微涡旋则形成元素原子、分子等粒子。高速的微涡旋则形成量子或磁场质。当涡旋体中心轴向存在连续微涡旋辐射，并从中心轴另一侧得到补充，而形成微涡旋线或磁力线，它是实物（天体、物体、粒子等）周围存在磁场或线旋的根源。

这是因为微涡旋的状态和方位各种各样，有的微涡旋中心速度垂直微旋轴，运动中逐渐浓缩，并变换为平动运动，到极限时又逐渐为变换涡旋运动，形成周期性变换运动的量子，使量子具有周期运动变换能与光速运动平动能组成总能的粒子，并向外辐射。微涡旋中心速度平行微涡旋轴，且同向平行于涡旋体轴，使微涡旋外侧同向叠加而具有弥漫趋势，里侧反向叠加机而具有浓缩趋势，使微涡旋趋向轴并向轴外高速运动。同时涡旋体轴向平衡趋势，又使其从另一轴端进入，形成微涡旋线，即磁力线。同样反向端也可产生反向磁力线，两者存在差异或不平衡时，在涡体外就存在磁场，如地球外所存在的地磁场。

涡旋体中心速度与自旋两侧的外侧同向叠加，具有弥散趋势，而里侧反向叠加，具有浓缩趋势，外侧趋向里侧，使涡旋体处于曲线或圆周运动或弦或圈态运动，因此平动并非一定匀速直线运动。太阳系的太阳自旋运动，地球等行星除自旋外，还存在公转，地球自旋外侧速度与其中心速度同向，具有弥散趋势，里侧反向重叠，具有浓缩趋势，外侧趋于里侧，使地球作曲线或圆周运动。如果太阳与地球浓缩趋势在这种情况下处于稳定平衡状态，那么地球与太阳间处于相对稳定的运动。而月亮同样道理除自旋和绕地球公转，并且月亮自旋与公转周期相等外，相对太阳来说月亮或卫星是按一定周期性波纹轨迹绕其运动。可见太

阳系的行星是绕太阳作圆周运动，但太阳本身也在运动，使其轨道不是正圆，而是椭圆。各行星的卫星相对太阳来说，是一系列波纹轨迹运动。

面旋、线旋和体旋的三旋中体旋主要体现在如陀螺运动，旋转陀螺顶点着地，重量可分解为旋转轴垂直和轴上两个分量，转速与垂直分量同向侧具有弥散趋势，而反向侧具有浓缩趋势，使同向侧趋向反向侧运动，即产生进动。转速与进动的同向外侧具有弥漫趋势，而反向里侧具有浓缩趋势，使其往里运动，即产生章动。由于往里章动，使其向地面垂直轴移动时，垂直自旋轴的重量分量减少，往里章动也减少，而有再往外运动趋势，形成了周期性进动和章动运动。这样陀螺运动构成体旋运动方式，这些作用组合产生体旋的动力。三旋运动也是周期性运动的某些类型形态。

实际上微观粒子结构与太阳类似，所不同的是微观粒子变换和交换频率较单纯，使其轨迹只能在频率整数倍位置上运动才是稳定的，即要用能级或量子数描述。元素原子的结构类似太阳系，原子壳层结构类似行星和卫星，原子径量子数和角量子数（轨道量子数）分别用来描述壳粒状态。轨道量子数为零者相当行星的壳粒，其它相当于卫星的壳粒。这样的原子结构模型比现有的量子论或量子力学更深入本质。可见稳定的物质形态是处于周期性变换和交换的最基本运动状态，而不是匀速直线运动。因此牛顿的匀速直线实际上只是宏观物体或机械体的微观粒子周期性运动叠加的结果或特例，只适用机械运动的描述，其惯性意义只是机械运动上意义。

牛顿作用力关系式和时间空间实际上只是宏观机械，即低速物体运动上意义。牛顿时空意义下，加速度、质量与作用力成正比。相对论改变了时空意义下，保持这个关系，就必需对质量意义进行修改，称为惯性质量。实际上物质加速度并非作用力引起的，周期性变换运动并非在外力作用下产生的。高速连续物质间作用引起的加速度不同于低速物体间作用所引起的加速度的。如果相对论惯性质量m’是质量m的1/√（1-（υ/c’）²）倍数或乘积系数，当速度近零，惯性质量近似等于质量。这样惯性质量和加速度乘积等于质量和低速加速度乘积

m’a=am/√(1-(υ/c’)²)=ma0

a=a0√(1-(υ/c’)²)

相对论作用力关系式中也用质量表示时，那么其加速度乘以上式系数等于低速的加速度，即加速度随速度增大而减少，光速时加速度等零。得出极限速度不变性结论，以及得出时间不变时位移距离缩短的结论

a=dυ/dt=√(1-(υ/c’)²)dυ0/dt

υ=υ0√(1-(υ/c’)²)

υ=dl/dt=√(1-(υ/c’)²)dl0/dt

dl=dl0√(1-(υ/c’)²)

表明速度达到极限速度时，线度等于零，即物质处于连续形态。

上式关系等效于相对论时空关系，低速时等效于牛顿力学时空关系。若作用力在质量不变条件下随加速度而变，极限速度时加速度为零，作用力等零。表明场质间不相互作用而各自独立不相干的运动状态，使各种场在同一空间中重叠而互不影响。这种时空关系才是物性论的时空，低速时为牛顿力学时空，低速宏观地面物体运动可以采取牛顿力学来描述。对于天体，如太阳系中太阳、地球、月球间的关系是月球绕地球作圆周运动或绕太阳作波纹轨迹运动。它等价于牛顿力学的万有引力与惯性离心力平衡下运动状态。实际情况是月球与地球，地球与太阳间交换平衡（等效于合力等零），使它们处于上述自然轨迹运动。

从太阳系原始涡旋体在运动演变中分离成核心部分和外缘环部分，环的速度不同又分离成若干环。每个环虽然角速度一样，但外缘和里侧跟中线有个相反的速度差而引起涡旋运动，它是行星形成起源。行星涡旋体同样可分离核心部分和周围的环，这些环是涡旋运动中形成卫星基础。由于各个环内外条件不同，不但分离环数和分布不同，而且所形成行星和卫星自旋轴偏向不同，形成各自特有自然现象。如地球自转轴南北与公转轨道面保持23斜度，当地球在太阳左面时自转轴北倾向于太阳，北半球处于夏季，反之地球在太阳右面时自转轴南倾向太阳，北半球处于冬季，地球在太阳前面或后面为春秋季。如图所示意。

参考书：

1、《物性论-自然学科间交叉理论基础》陈叔瑄著厦门大学出版社1994年出版

2、《物性理论及其工程技术应用》陈叔瑄著香港天马图书有限公司2002年出版

量子场论和量子力学关系范文

量子力学的建立始于对原子物理实验给出解释，其基本概念是从上世纪20年展起来的，并于30年代和40年代取得了快速而巨大的进展。特别是对全同粒子体系的深入研究最终导致现代基本粒子概念的诞生和量子场论的突破性进展，促进了人们对于宇宙的深刻理解。从更为实用的方面讲，量子力学理论体系的建立特别为固体物理与凝聚态物理的发展奠定了基础，它的广泛应用导致了在不同领域大量丰富多彩的人造量子系统的出现。尤其是近20年来，各种类型的纳米尺度的量子设备被成功地制造出来，它们在处理量子信息和制备纳米电路等高新技术方面具有引人注目的应用前景，从而受到广泛的关注。大多数学生希望了解量子力学理论应用于解决现实生活中的问题的解决方案。他们对于深入理解各种实用领域的量子理论基础方面的浓厚兴趣，远大于对现代超弦理论和宇宙学的或所谓的终极理论的兴趣。本书所针对的主要对象正是这类学生，作者期望将学生们的这些实际需求作为高等量子力学课程所涵盖的主要内容。

本书是作者在荷兰代尔夫特理工大学（DelftUniversityofTechnology）讲授高等量子力学课程内容的基础上撰写的。这所大学是研究诸如半导体量子点、超导量子计算设备、分子电子学等量子力学应用方面世界一流的中心之一。学校开设的很多理论课都是围绕更有效地支持这类研究而设计的。其中的高等量子力学作为研究生的必修理论课就是典型的代表。本书在开始仍然对初等量子力学做了简明扼要的介绍，然后很快将重点转移到应用这些理论来理解量子设备的实质性内容上来。作者力求使本书在理论技巧和数学知识方面的基础更加扎实，只要涉及到理论工具，一定会给出一些如何使用这些工具的实例。这些实例取自许多不同的领域，使得本书适应更为宽泛的读者群，特别是那些非粒子物理专业的学生。

全书内容分成5个部分，共计13章：第1部分二次量子化，含第1-3章：1.初等量子力学；2.全同粒子；3.二次量子化。第2部分例子，含第4-6章：4.磁性；5.超导；6.超流。第3部分场与辐射，含第7-10章：7.经典场；8.场的量子化；9.辐射与物质；10.相干态。第4部分耗散量子系统，含第11-12章：11.耗散量子力学；12.跃迁和耗散。第5部分相对论量子力学，含第13章：13.相对论量子力学。

作为一部教科书，本书充分考虑了教学需要，叙述清晰、透彻，推导详尽。每一小节都有一些“控制问题”，帮助理解课文内容，并可用于课堂讨论。每一章末都给出了一些练习题，其中部分题目给出了详细解答。本书重点突出，特别适合于凝聚态物理相关专业的研究生选做高等量子力学的教材。