培養(yǎng)量子空間想象力

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1、培養(yǎng)“量子空間想象力”當你認真求解和深入討論四、五個典型的量子體系之后，你的量子空間想象力就在潛移默化中產(chǎn)生了。你就會努力想象一個微觀體系在那個看不見的量子空間所展示的種種特性?！欓粤孔恿W(xué)是描述微觀粒子(分子、原子、原子核、基本粒子等)運動規(guī)律的理論，它是在量子假設(shè)和實驗事實的基礎(chǔ)上建立起來的。與牛頓力學(xué)、麥克斯韋電動力學(xué)、愛因斯坦相對論力學(xué)的建立方式迥然不同，由于量子理論的復(fù)雜性，它不是由一個人而是由多個國家的一群人建立、發(fā)展和完善起來的。量子力學(xué)的創(chuàng)立，作為多方智慧的融合與結(jié)晶，是人類科學(xué)發(fā)展史上最有魅力、最激動人心的篇章之一。它是一部最有標新立異、最具奇思妙想、

2、最富詩情畫意的科學(xué)思想史；也是一門嚴格、自洽、完整、實用的物理學(xué)理論。那么，人類的創(chuàng)造力如何超越自身的想象力，從而鑄就這一空前輝煌的科學(xué)豐碑？量子論的哲學(xué)思想有悖傳統(tǒng)的思維方式，它的基本觀點至今沒有滲透到大眾的意識中去，這給它蒙上了一道神秘的面紗，使許多人望而卻步。我作為一介學(xué)習(xí)、研究、應(yīng)用量子理論長達30年之久的“老兵”，面對量子力學(xué)的“神奇莫測”曾無數(shù)次陷于“迷惑”之中(玻爾語：“Ifyouarenotconfusedbyquantumphysicsthenyouhaven’treallyunderstandit”)；當然也常常因為領(lǐng)悟到它的奧妙與精彩而興奮不已。我愿意

3、攜帶著自己的感受，與廣大讀者一起，一步步地踏入量子力學(xué)這座神秘而充滿流光溢彩的科學(xué)殿堂，去領(lǐng)略和欣賞由眾多大師精心雕琢而成的那一件件具有藝術(shù)美感的科學(xué)瑰寶。青年時代的馬克思·普朗克量子力學(xué)的起源可以追溯到1900年。這一年德國物理學(xué)家馬克思·普朗克提出了“量子”概念并建立了著名的黑體輻射公式，這標志著一個新的物理學(xué)時代的開始。一個多世紀以來，量子理論已經(jīng)開辟了極為廣闊的科學(xué)天地，固體物理學(xué)、量子統(tǒng)計力學(xué)、量子場論、量子電動力學(xué)、量子色動力學(xué)、量子電子學(xué)、量子光學(xué)、量子信息學(xué)、量子化學(xué)、量子生物學(xué)等等應(yīng)運而生。再看看周圍的世界，伴隨我們這一代人的成長，高科技產(chǎn)業(yè)層出不窮：電子

4、顯微鏡、半導(dǎo)體、激光器、電視、電子計算機、電子通訊、光纖通訊、超導(dǎo)材料和各種新型材料、核磁共振成像等。它們的出現(xiàn)和應(yīng)用已經(jīng)極大地推進了人類的物質(zhì)文明和精神文明。而所有這一切，無一不同量子力學(xué)相聯(lián)系！學(xué)習(xí)量子力學(xué)有一個潛在性問題，即所謂培養(yǎng)“量子空間想象力”。中學(xué)學(xué)習(xí)立體幾何的時候，老師經(jīng)常說培養(yǎng)“空間想象力”。它指的是由一個幾何體的數(shù)學(xué)描述想象它的三維構(gòu)象。什么是“量子空間想象力”？量子世界是看不見的，在沒有量子力學(xué)知識的情況下去想象量子世界，一定會下意識地沿襲經(jīng)典物理學(xué)的思路。這樣你無法想象下列現(xiàn)象：?量子體系的能量不是連續(xù)而是分立變化的，基態(tài)的能量是非零的，在基態(tài)之下沒

5、有狀態(tài)存在；??微觀粒子在運動中可以貫穿高于自身能量的勢壘，出現(xiàn)透射現(xiàn)象；??諧振子可以出現(xiàn)在振幅以外的區(qū)域；??氫原子中的電子可能出現(xiàn)在空間的任何位置(不限于玻爾軌道)；??電子不但有軌道角動量，還有自旋角動量，而自旋角動量在空間任何方向上的投影只能取兩個值，即；??……?這些經(jīng)典物理學(xué)中不可思議的“奇怪”現(xiàn)象正是量子理論的自然結(jié)果。這些知識和理念需要在求解各種量子體系中不斷積累，與此同時一種“量子空間想象力”就在逐漸培養(yǎng)之中。當你認真求解和深入討論四、五個典型的量子體系之后，你的量子空間想象力就在潛移默化中產(chǎn)生了。你就會努力想象一個微觀體系在那個看不見的量子空間所展示的

6、種種特性。20多年前我來到德國，一直從事生物光子學(xué)(屬于量子生物學(xué))的研究、應(yīng)用、與開發(fā)。由于自身理論物理的學(xué)術(shù)背景以及研究所的工作需要，也經(jīng)常開設(shè)一些學(xué)術(shù)講座，主講數(shù)學(xué)物理方法和量子力學(xué)。對于所使用的外文教材，作為一個注重嚴密邏輯推理的中國教授而言，我感到系統(tǒng)性與縝密性不足。因此，我總是按照自己認定的內(nèi)容與方式授課，與學(xué)生手中的教材大相徑庭。近年，我?；刂袊v學(xué)。除了介紹國外科學(xué)前沿與高新技術(shù)，也講授數(shù)學(xué)物理方法和量子力學(xué)等基礎(chǔ)課程。所用的通常是中文教材，面對母語頗感親切。但對于一個熟諳西方治學(xué)方法的學(xué)者，又覺得欠缺靈活性與實用性。所以我的授課依然與學(xué)生的課本不相配合。而

7、且不提供課件。學(xué)生給我發(fā)郵件訴求：“說句真心話，聽顧老師的課是一種享受，您講課太棒了！不知您能否把課件上傳，這樣我們復(fù)習(xí)就可以節(jié)約一些時間”。問題還是沒有稱心如意的教材。許多學(xué)生以及聽課教師問我為什么不出版自己的教材。我的想法是，有寫教材的時間，不如去鉆研重要的生物光子學(xué)課題。但是，這樣的想法隨著聽課人數(shù)的不斷增加發(fā)生了改變，授課與課本不相配合產(chǎn)生的負面作用越來越明顯，學(xué)生普遍感到壓力很大。于是，漸漸萌生了寫書的念頭。就在這時，我發(fā)現(xiàn)不少學(xué)生已經(jīng)設(shè)法將我的課件復(fù)制下來并傳到網(wǎng)上。這說明學(xué)生們對課件的喜愛，但孰不知其