時(shí)間：2023-06-11 08:23:06
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關(guān)鍵詞：量子密碼；量子加密；測(cè)不準(zhǔn)原理；EPR關(guān)聯(lián)；量子糾纏
中圖分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044(2007)03-10732-02
1 引言
傳統(tǒng)的加密系統(tǒng)，不管是對(duì)密鑰技術(shù)還是公鑰技術(shù)，其密文的安全性完全依賴于密鑰的秘密性。密鑰必須是由足夠長的隨機(jī)二進(jìn)制串組成，一旦密鑰建立起來，通過密鑰編碼而成的密文就可以在公開信道上進(jìn)行傳送。然而為了建立密鑰，發(fā)送方與接收方必須選擇一條安全可靠的通信信道，但由于截收者的存在，從技術(shù)上來說，真正的安全很難保證，而且密鑰的分發(fā)總是會(huì)在合法使用者無從察覺的情況下被消極監(jiān)聽。
近年來，由于量子力學(xué)和密碼學(xué)的結(jié)合，誕生了量子密碼學(xué)，它可完成僅僅由傳統(tǒng)數(shù)學(xué)無法完成的完善保密系統(tǒng)。量子密碼學(xué)是在量子理論基礎(chǔ)上提出了一種全新的安全通信系統(tǒng)，它從根本上解決量子特性不可忽視，測(cè)量動(dòng)作是量子力學(xué)的一個(gè)組成部分。在這些規(guī)律中，對(duì)量子密碼學(xué)起關(guān)鍵作用的是Heisenberg測(cè)不準(zhǔn)原理，即測(cè)量量子系統(tǒng)時(shí)通常會(huì)對(duì)該系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，并產(chǎn)生出關(guān)于該系統(tǒng)測(cè)量前狀態(tài)的不完整信息，因此任何對(duì)于量子信道進(jìn)行監(jiān)測(cè)的努力都會(huì)以某種檢測(cè)的方式干擾在此信道中傳輸?shù)男畔ⅰ?/p>
本文內(nèi)容安排如下：第二部分回顧經(jīng)典的密碼術(shù)，第三部分說明基于EPR糾纏對(duì)的量子加密原理和技術(shù)，第四部分介紹量子密碼術(shù)，最后給出結(jié)論。
2 經(jīng)典密碼術(shù)
一般而言，加密體系有兩大類別，公鑰加密體系與私鑰加密體系。經(jīng)典保密通信原理如圖1所示：
圖1經(jīng)典保密通信原理圖
密碼通信是依靠密鑰、加密算法、密碼傳送、解密、解密算法的保密來保證其安全性.它的基本目的使把機(jī)密信息變成只有自己或自己授權(quán)的人才能認(rèn)得的亂碼。具體操作時(shí)都要使用密碼講明文變?yōu)槊芪模Q為加密，密碼稱為密鑰。完成加密的規(guī)則稱為加密算法。講密文傳送到收信方稱為密碼傳送。把密文變?yōu)槊魑姆Q為解密，完成解密的規(guī)則稱為解密算法。如果使用對(duì)稱密碼算法，則K＝K’ , 如果使用公開密碼算法，則K 與K’ 不同。整個(gè)通信系統(tǒng)得安全性寓于密鑰之中。
公鑰加密體系基于單向函數(shù)(one way function)。即給定x，很容易計(jì)算出F (x)，但其逆運(yùn)算十分困難。這里的困難是指完成計(jì)算所需的時(shí)間對(duì)于輸入的比特?cái)?shù)而言呈指數(shù)增加。舉例而言，RSA (Rivest, Shamir, Adleman ) 即是具有代表性的公開密鑰算法，其保密性建立在分解有大素?cái)?shù)因子的合數(shù)的基礎(chǔ)上。公鑰體系由于其簡單方便的特性在最近20年得以普及，現(xiàn)代電子商務(wù)保密信息量的95%依賴于RSA算法。但其存在以下主要缺陷。首先，人們尚無法從理論上證明算法的不可破性，盡管對(duì)于己知的算法，計(jì)算所需的時(shí)間隨輸入的比特?cái)?shù)呈指數(shù)增加，我們只要增加密鑰的長度即可提高加密體系的安全性，但沒人能夠肯定是否存在更為先進(jìn)的快速算法。其次，隨著量子計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，以往經(jīng)典計(jì)算機(jī)難以求解的問題，量子計(jì)算機(jī)可以迎刃而解。例如應(yīng)用肖氏(Shor's )量子分解因式算法可以在多項(xiàng)式時(shí)間內(nèi)輕易破解加密算法。
另一種廣泛使用的加密體系則基于公開算法和相對(duì)前者較短的私鑰。例如DES (Data Encryption Standard, 1977)使用的便是56位密鑰和相同的加密和解密算法。這種體系的安全性，同樣取決于計(jì)算能力以及竊聽者所需的計(jì)算時(shí)間。事實(shí)上，1917年由Vernam提出的“一次一密碼本”(one time pad) 是唯一被證明的完善保密系統(tǒng)。這種密碼需要一個(gè)與所傳消息一樣長度的密碼本，并且這一密碼本只能使用一次。然而在實(shí)際應(yīng)用中，由于合法的通信雙方(記做Alice和Bob)在獲取共享密鑰之前所進(jìn)行的通信的安全不能得到保證，這一加密體系未能得以廣泛應(yīng)用。
現(xiàn)代密碼學(xué)認(rèn)為，任何加密體系的加密解密算法都是可以公開的，其安全性在于密鑰的保密性。實(shí)際上，由于存在被動(dòng)竊聽的可能性，如果通信雙方完全通過在經(jīng)典信道上傳輸經(jīng)典信息，則在雙方之間建立保密的密鑰是不可能的。然而，量子物理學(xué)的介入徹底改變了這一狀況。
3 量子加密的原理和技術(shù)
量子加密是目前科學(xué)界公認(rèn)唯一能實(shí)現(xiàn)絕對(duì)安全的通信方式。它依賴于兩點(diǎn)：一是基本量子力學(xué)效應(yīng)(如測(cè)不準(zhǔn)原理,Bell 原理量子不可克隆定理)；二是量子密鑰分配協(xié)議量子密碼系統(tǒng)能夠保證：(1)合法的通信雙方可覺察潛在的竊聽者并采取相應(yīng)的措施；（2）使竊聽者無法破解量子密碼，無論破譯者有多么強(qiáng)大的計(jì)算能力。同時(shí)，量子密碼通信不是用來傳送密文或明文，而是用來建立和傳送密碼本，這個(gè)密碼本是絕對(duì)安全的。到目前為止，實(shí)現(xiàn)量子加密的方案主要有如下幾種：
(1)基于兩組共扼正交基的四狀態(tài)方案，其代表為BB84協(xié)議；
(2)基于兩個(gè)非正交態(tài)的二狀態(tài)方案，其代表為B92協(xié)議；
(3)基于EPR糾纏對(duì)的方案，其代表為E91協(xié)議；
(4)基于BB84協(xié)議與B92協(xié)議的4＋2協(xié)議。
在這里我們主要介紹一下基于EPR糾纏對(duì)的方案，Ekert 于1991年提出的基于EPR的量子密鑰分配協(xié)議(E91)充分利用了量子系統(tǒng)的糾纏特性，通過糾纏量子系統(tǒng)的非定域性來傳遞量子信息，取代了BB84 協(xié)議中用來傳遞量子位的量子信道，因而可以更加靈活地實(shí)現(xiàn)密鑰分配。此外，與BB84 不同的是，E91協(xié)議借助于Bell 不等式來驗(yàn)證是否存在竊聽者，而在BB84 和B92 中，都是通過隨機(jī)校驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)竊聽驗(yàn)證。
雖然量子密鑰分配協(xié)議的安全性與Bell不等式之間的確切關(guān)系尚不清楚，但是利用Bell不等式的確可以保證量子密鑰分配是無條件安全的。也就是說無論Eve采取多么高明的竊聽策略，采用多么精密的竊聽設(shè)備，她的竊聽行為必然影響糾纏態(tài)，進(jìn)而使Bell不等式成立。
其中任意角度均表示光子的偏振方向。量子位的信息編碼規(guī)則為：
相應(yīng)的測(cè)量算子為：
根據(jù)上述設(shè)置，E91密鑰分配的操作按如下步驟實(shí)施：
(1)Alice等概率的從{│ω0＞，│ω1＞，│ω2＞}中隨機(jī)選取一個(gè)糾纏態(tài)│ωj＞ ，保留第一個(gè)量子位，并把第二個(gè)量子位發(fā)送給Bob. Alice沒有必要記住│ωj＞究竟處于什么態(tài)， 只要保證三種糾纏態(tài)被等概率的選取。該過程可以在密鑰分配前任何方便的時(shí)候進(jìn)行，而且還可以有Bob或者可靠的第三方執(zhí)行。
(2)Alice和Bob各自獨(dú)立地測(cè)量自己的量子位，測(cè)量算子等概率地從{M0,M1,M2}中隨機(jī)選取。
(3)Alice直接記錄測(cè)量結(jié)果對(duì)應(yīng)的編碼信息比特，Bob則記錄編碼信息比特的反碼。
(4)Alice和Bob在公開的經(jīng)典信道公布自己所選取的測(cè)量算子。當(dāng)然，Alice和Bob 都不透露自己的測(cè)量結(jié)果。
(5)Alice和Bob保留相同的測(cè)量算子所對(duì)應(yīng)的信息比特作為原始密鑰(raw key)。其余的信息比特記為排異位(rejected bits)，與BB84和B92不同，排異位不再被丟棄，而是被公布以用來驗(yàn)證Bell不等式是否成立，并以此判斷是否存在竊聽者。
然而根據(jù)量子力學(xué)，對(duì)于上述糾纏純態(tài)，應(yīng)有β= -0.5，Alice和Bob可以利用公布的排異位分別計(jì)算β ，若Bell不等式成立，即β≥0 ，則表明糾纏態(tài)已經(jīng)被破壞，原始密鑰是不可靠的; Bell不等式不成立，即 β
最后，Alice和Bob利用經(jīng)典糾錯(cuò)碼對(duì)密鑰進(jìn)行糾錯(cuò)，最后施行保密增強(qiáng)生成最終密鑰。
4 量子密碼術(shù)
考慮到環(huán)境噪聲和竊聽者的作用，以防止竊聽者獲得盡可能多信息從而實(shí)現(xiàn)高效的量子密碼傳輸通信。因此在實(shí)際通信系統(tǒng)中，所有量子密鑰分發(fā)協(xié)議都要完成以下四個(gè)過程：
4.1 量子傳輸
不同量子密碼協(xié)議有不同的量子傳輸方式，但它們有一個(gè)共同點(diǎn):都是利用量子力學(xué)原理(如海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理)。在實(shí)際的通信系統(tǒng)中，在量子信道中Alice隨機(jī)選取單光子脈沖的光子極化態(tài)和基矢，將其發(fā)送給Bob, Bob再隨機(jī)選擇基矢進(jìn)行測(cè)量，測(cè)到的比特串記為密碼本。但由于噪聲和Eve的存在而使接受信息受到影響，特別是Eve可能使用各種方法對(duì)Bob進(jìn)行干擾和監(jiān)聽，如量子拷貝，截取轉(zhuǎn)發(fā)等，根據(jù)測(cè)不準(zhǔn)原理，外界的干擾必將導(dǎo)致量子信道中光子極化態(tài)的改變并影響B(tài)ob的測(cè)量結(jié)果，由此可以對(duì)竊聽者的行為進(jìn)行檢測(cè)和判定。這也是量子密碼區(qū)別于其它密碼體制的重要特點(diǎn)。
4.2 篩選數(shù)據(jù)
在量子傳輸中由于噪聲，特別是Eve 的存在，將使光子態(tài)序列中光子的偏振態(tài)發(fā)生變化。另外，實(shí)際系統(tǒng)中，Bob 的檢測(cè)儀也不可能百分之百正確地記錄測(cè)量結(jié)果，所以，A1ice 和Bob 比較測(cè)量基后會(huì)放棄所有那些在傳送過程中沒有收到或測(cè)量失誤，或由于各種因素的影響而不合要求的測(cè)量基，然后，他們可以公開隨機(jī)的選擇一些數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，再丟棄，計(jì)算出錯(cuò)誤率，若錯(cuò)誤率超過一定的閾值，應(yīng)考慮竊聽者的存在。A1ice和Bob放棄所有的數(shù)據(jù)并重新傳光子序列，若是可以接收的結(jié)果，則A1ice和Bob將剩下的數(shù)據(jù)保存下來，所獲得數(shù)據(jù)稱為篩選數(shù)據(jù)。假設(shè)量子傳輸中A1ice傳給Bob的量子比特(Qubit)為m bit，篩選掉m-n bit，則得到的原數(shù)據(jù)為n bit。在這個(gè)過程中可以檢測(cè)出明顯的Eve的存在。
4.3 數(shù)據(jù)糾錯(cuò)
所得到的n bit的篩選數(shù)據(jù)并不能保證A1ice和Bob各自保存完全的一致性，通信雙方仍不能保證各自保存的全部數(shù)據(jù)沒被竊聽。因此要對(duì)原數(shù)據(jù)進(jìn)行糾錯(cuò)。人們提出了幾種方法，經(jīng)研究后提出以下方法：
(1)A1ice和Bob約定好隨機(jī)的變換他們bit 串的位置來打亂錯(cuò)誤的位置；
(2)將bit 串分成大小為K 的區(qū)，K的選取應(yīng)使每一個(gè)區(qū)的錯(cuò)誤盡可能的小；
(3)對(duì)于每一個(gè)區(qū)，A1ice和Bob計(jì)算并公開宣布了奇偶校驗(yàn)結(jié)果；
(4)若相同，A1ice和Bob約定放棄該區(qū)的最后一個(gè)比持；
(5)若不同，用log(K)反復(fù)查找來定位和糾正區(qū)中的錯(cuò)誤；
(6)由于奇偶校驗(yàn)只能發(fā)現(xiàn)奇數(shù)個(gè)同時(shí)出現(xiàn)的錯(cuò)誤，所以仍會(huì)有小部分錯(cuò)誤存在，為了解決這種情況，反復(fù)以上步驟，不斷地增加區(qū)的大小。
4.4 保密增強(qiáng)
保密加強(qiáng)是為了進(jìn)一步提高所得密鑰的安全性，它是一種非量子方法，其具體實(shí)現(xiàn)為假設(shè)Alice 發(fā)給Bob 一個(gè)隨機(jī)變量W , 如一個(gè)隨機(jī)的n bit 串，在隨機(jī)變量V 中，竊聽者Eve 獲得一個(gè)正確的隨機(jī)變量V, 設(shè)對(duì)應(yīng)的比特為t
4.5 身份認(rèn)證
經(jīng)過以上的過程，獲得了一個(gè)對(duì)竊聽者Eve完全安全的密鑰，但他假定朋Alice和Bob都是合法的，并沒有對(duì)A1ice和Bob的身份認(rèn)證。可能會(huì)出現(xiàn)A1ice或M是假冒的情況，因此我們?cè)谠瑽M4協(xié)議中加人身份認(rèn)證這一過程：我們可以從量子密鑰中獲取認(rèn)證密鑰而實(shí)現(xiàn)。將以上過程所得到的密鑰稱為原密鑰(Raw Key)rK，將其分成三個(gè)部分：rK＝Ka+Kb+K，其中Ka，Kb用于身份確認(rèn)。具體過程如下：A1ice秘密地從rK中選取Ka，并發(fā)送給Bob，同時(shí)Bob秘密地從rK中選取Kb并發(fā)送給A1ice，然后A1ice和Bob分別以Kb，Ka利用單向哈希函數(shù)獲得各自的秘密密鑰Ka'，Kb'。最后A1ice和Bob利用雙鑰認(rèn)證體制實(shí)現(xiàn)身份確認(rèn)。
5 結(jié)論
量子密碼術(shù)是量子物理學(xué)和密碼學(xué)相結(jié)合的一門新興科學(xué)，它成功地解決了傳統(tǒng)密碼學(xué)中單靠數(shù)學(xué)無法解決的問題并引起國際上高度重視，是主要應(yīng)用于量子信息領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。近年來，許多國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)對(duì)量子密碼通信的研究非常活躍，這種新的密碼通信不同于經(jīng)典的密碼通信，有著絕對(duì)安全的優(yōu)點(diǎn)。
總之，隨著單光子探測(cè)等技術(shù)的不斷發(fā)展，量子密碼通信技術(shù)在全光網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星通信等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力會(huì)不斷挖掘并成為現(xiàn)實(shí)，當(dāng)量子計(jì)算機(jī)成為現(xiàn)實(shí)時(shí)經(jīng)典密碼體制將無安全可言，量子密碼術(shù)將成為保護(hù)數(shù)據(jù)安全的最佳選擇之一。因此，對(duì)量子保密通信技術(shù)以及為合法通信者間的安全通信的進(jìn)一步研究將是一項(xiàng)非常有意義的工作。
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作為量子實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星先導(dǎo)專項(xiàng)首席科學(xué)家，潘建偉院士和他的團(tuán)隊(duì)在量子通信的研究道路上遭遇過怎樣不為人知的挫折？在歐美眾多實(shí)力強(qiáng)勁的國家中，潘建ネ哦游何選擇奧地利作為量子通信項(xiàng)目的合作伙伴？作為量子通信領(lǐng)域的技術(shù)強(qiáng)國，中國正從經(jīng)典信息技術(shù)的跟隨者，轉(zhuǎn)變成未來信息技術(shù)的并跑者乃至領(lǐng)跑者，而在此過程中，我國量子通信技術(shù)在發(fā)展過程中又有著怎樣里程碑式的事件？
為獲取這些問題的答案，我們邀請(qǐng)到了中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)常務(wù)副校長潘建偉，并對(duì)其進(jìn)行了專題訪問。
尖端科技背后的故事
潘建偉介紹，在量子通信技術(shù)的研發(fā)過程中，單個(gè)光量子的制備和探測(cè)是主要的兩個(gè)技術(shù)難題。首先是制備單個(gè)光量子的技術(shù)難題。潘建偉舉了一個(gè)非常形象的例子來解釋這一關(guān)鍵技術(shù)的難度：一個(gè)十五瓦左右的普通燈泡每秒鐘輻射出的光量子個(gè)數(shù)可以達(dá)到百億億個(gè)，要想實(shí)現(xiàn)單個(gè)光量子的制備就如同在瞬間發(fā)射出來的百億億個(gè)光量子中捕捉到其中的一個(gè)，技術(shù)難度可想而知。另一個(gè)難題是單光子的探測(cè)。單個(gè)光子是光能量的最小單元，能量非常微弱，需要發(fā)展出非常精密和高效的單光子探測(cè)技術(shù)。具備了單個(gè)光量子的制備和探測(cè)的能力后，我們就可以實(shí)現(xiàn)安全的量子通信了。
量子信息的應(yīng)用除了實(shí)現(xiàn)無條件安全的通信外，還可以帶來計(jì)算能力的飛躍，這就需要把一個(gè)個(gè)的單量子糾纏起來。量子計(jì)算機(jī)的能力是隨著糾纏粒子數(shù)目呈指數(shù)增長的，例如，有100個(gè)粒子的糾纏，每個(gè)粒子可以處于“0”和“1”的相干疊加，100個(gè)糾纏的粒子就可以同時(shí)處于2100個(gè)狀態(tài)的疊加，這就相當(dāng)于同時(shí)對(duì)2100個(gè)數(shù)進(jìn)行操縱，計(jì)算能力大幅提升。把一個(gè)個(gè)粒子糾纏起來需要對(duì)它們之間的相互作用進(jìn)行精確的控制，同時(shí)還要保證克服環(huán)境的干擾。潘建偉團(tuán)隊(duì)通過一種名為“光晶格”的實(shí)驗(yàn)裝置成功攻克了這一技術(shù)難題，而“光晶格”捕捉單個(gè)原子的技術(shù)原理就如同把雞蛋逐個(gè)放入蛋槽的過程，每個(gè)光晶格中只能容納一個(gè)原子，再通過人為控制這些原子的相互作用，使得它們糾纏起來。雖然現(xiàn)在的技術(shù)水平已經(jīng)發(fā)展到可以操縱數(shù)百個(gè)原子，但要實(shí)現(xiàn)數(shù)百個(gè)原子之間的量子糾纏態(tài)還有很長的路要走。潘建偉解釋說，如果將幾百個(gè)原子糾纏在一起，就能夠演示量子計(jì)算機(jī)的基本功能了。
奧地利―夢(mèng)開始的地方
據(jù)了解，此次“墨子號(hào)”量子通信衛(wèi)星包含了國際合作任務(wù)，并選擇了奧地利作為首個(gè)國際合作伙伴。為何偏偏選擇奧地利？這還要從潘建偉的求學(xué)經(jīng)歷說起。
潘建偉在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)習(xí)期間，第一次領(lǐng)略到量子世界的奇妙。但隨著對(duì)量子研究的深入，他越發(fā)意識(shí)到量子理論中的各種奇特現(xiàn)象需要更加尖端的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和條件才能夠得到驗(yàn)證，而當(dāng)時(shí)國內(nèi)在這方面還相對(duì)落后。于是，在1996年潘建偉來到奧地利因斯布魯克大學(xué)，師從奧地利物理學(xué)家Anton Zeilinger攻讀博士學(xué)位。那時(shí)Anton Zeilinger教授已經(jīng)建立了量子實(shí)驗(yàn)室，并且是量子物理學(xué)領(lǐng)域的國際權(quán)威。在奧地利，潘建偉和同事們完成了國際上首次實(shí)現(xiàn)光子的量子隱形傳態(tài)的實(shí)驗(yàn)，這被認(rèn)為是量子信息實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域的開端。此后幾年，潘建偉和同事們又先后實(shí)現(xiàn)了一系列量子信息領(lǐng)域的先驅(qū)性實(shí)驗(yàn)，這些寶貴的經(jīng)歷為以后潘建偉在量子通信領(lǐng)域的突破性貢獻(xiàn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。潘建偉對(duì)奧地利的特殊感情還不止于此。潘建偉在奧地利求學(xué)期間，一直得到了奧地利外交部和學(xué)術(shù)交流機(jī)構(gòu)的資助。博士畢業(yè)后，潘建偉又繼續(xù)在維也納大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理所從事博士后研究，而維也納大學(xué)正是薛定諤等量子力學(xué)的奠基人工作過的地方，無疑是量子力學(xué)的“圣地”之一。
所以，當(dāng)昔日的老師主動(dòng)提出加入我國的量子衛(wèi)星計(jì)劃時(shí)，奧地利便順理成章地成了中國量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星項(xiàng)目的第一個(gè)國際合作伙伴。潘建偉提到，量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星會(huì)向全世界開放，在奧地利之后，德國、意大利、加拿大等國的團(tuán)隊(duì)也主動(dòng)請(qǐng)求加入。
追尋量子通信發(fā)展的軌跡
潘建偉在接受采訪時(shí)談到，作為量子通信領(lǐng)域的技術(shù)強(qiáng)國，中國正從經(jīng)典信息技術(shù)的跟隨者，轉(zhuǎn)變成未來信息技術(shù)的并跑者乃至領(lǐng)跑者。回顧中國量子通信領(lǐng)域的發(fā)展歷程，取得的優(yōu)異成績離不開先輩科學(xué)家們孜孜不倦的奮斗與拼搏。
潘建偉表示，我國在量子通信領(lǐng)域的研究起步較早，在上世紀(jì)90年代初就有郭光燦院士、張永德教授等老一輩科學(xué)家密切關(guān)注該領(lǐng)域的發(fā)展，并且中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)已經(jīng)發(fā)表了一些該領(lǐng)域的文章。潘建偉強(qiáng)調(diào)說，中國量子通信領(lǐng)域能夠發(fā)展到今天這一步，與當(dāng)時(shí)中科院與時(shí)俱進(jìn)的敏銳眼光密切相關(guān)。他舉例說，在他2001年回國組建實(shí)驗(yàn)室時(shí)，一切都是從零開始。當(dāng)時(shí)，他向中科院申請(qǐng)了200萬元的經(jīng)費(fèi)，而中科院基礎(chǔ)局卻撥了400萬元。在中科院的重視和支持下，實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展速度非常快，很快就有了一批由中國人完成的量子信息領(lǐng)域的重要成果。之后，中科院的支持力度又進(jìn)一步加大，同時(shí)，國內(nèi)其他團(tuán)隊(duì)也發(fā)展起來了。在2005年，國家的重大研究計(jì)劃也開始注意到了量子調(diào)控，在中科院物理所的于淥院士、南京大學(xué)的閔乃本院士等科學(xué)家的建議下，量子調(diào)控成為國家重大研究計(jì)劃的內(nèi)容，到目前這一計(jì)劃已經(jīng)執(zhí)行了十余年。正是由于國家的重點(diǎn)扶持，我國的量子通信技術(shù)才得以快速發(fā)展。近年來，中科院啟動(dòng)量子衛(wèi)星項(xiàng)目，國家發(fā)改委啟動(dòng)“京滬干線”項(xiàng)目，為量子通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)跨越式的發(fā)展注入了長足的動(dòng)力。但同時(shí)潘建偉也表示，歐美等國家也相繼啟動(dòng)了包括量子通信在內(nèi)的量子專項(xiàng)計(jì)劃，政府也給予了大力支持，所以我國在未來能否持續(xù)搶占量子通信領(lǐng)域的領(lǐng)跑地位，還需要不斷創(chuàng)新、不斷前進(jìn)。
關(guān)鍵詞：自然哲學(xué) 量子革命 系統(tǒng)辯證法
關(guān)于20世紀(jì)科學(xué)革命，有人說只須記住三件事：相對(duì)論、量子革命和混沌學(xué)（系統(tǒng)科學(xué)中最突出的新分支）。正是這三大科學(xué)革命為人類建構(gòu)全新的自然圖景（也就是新穎的自然哲學(xué)）作出了決定性的貢獻(xiàn)。這里所謂自然哲學(xué)是指人對(duì)自然的哲學(xué)反思。自然哲學(xué)的中心問題就是基于人與自然的關(guān)系來研究自然本體最一般的性質(zhì)和人類的世界圖景。
一
自然哲學(xué)在哲學(xué)史上有過兩個(gè)全盛時(shí)期（古希臘及近代機(jī)械論），只是在謝林、黑格爾之后衰落了。由于20世紀(jì)三大科學(xué)革命的強(qiáng)大影響，自然哲學(xué)正在當(dāng)代復(fù)興起來，這是十分令人鼓舞的。我們先從三大科學(xué)革命說起。
首先要提到的是相對(duì)論革命對(duì)改造人類世界圖景的貢獻(xiàn)。在1905年的狹義相對(duì)論中，時(shí)空性質(zhì)依賴于參照系等概念是對(duì)“觀察無關(guān)性”的經(jīng)典信念的初次沖擊；1915年的廣義相對(duì)論把引力場(chǎng)（它具有整體全息相關(guān)性）確立為新的“獨(dú)立的實(shí)在”，這是對(duì)牛頓的實(shí)體觀的又一次打擊。接著要論述的是量子革命，它比相對(duì)論革命更為深刻地改變著人類的世界圖景。因?yàn)?925年以后所創(chuàng)建的量子力學(xué)進(jìn)一步使笛卡兒與牛頓以來的主客絕對(duì)二分原則、實(shí)體主義原則乃至嚴(yán)格決定論原則都受到猛烈沖擊。最后要強(qiáng)調(diào)的是系統(tǒng)科學(xué)革命。20世紀(jì)中葉以來近半個(gè)世紀(jì)系統(tǒng)科學(xué)的蓬勃發(fā)展表明，從總體上說，系統(tǒng)自然觀集中體現(xiàn)了當(dāng)代自然圖景的精華，因此系統(tǒng)自然觀幾乎成了當(dāng)代自然科學(xué)的世界圖景的代名詞，貝塔朗菲稱之為“一種新的自然哲學(xué)”。20年代所出現(xiàn)的懷特海的“機(jī)體論哲學(xué)”則是這種自然哲學(xué)之先聲。
當(dāng)代的系統(tǒng)自然觀借助于維納的控制論(1949)、貝塔朗菲的一般系統(tǒng)論(1948)、普利高津的耗散結(jié)構(gòu)論(1969)和哈肯的協(xié)同學(xué)(1971)等理論復(fù)活了亞里士多德的機(jī)體論和內(nèi)在目的論的自然哲學(xué)。〔1〕控制論通過對(duì)“動(dòng)物（即生命系統(tǒng)）和機(jī)器（即非生命系統(tǒng)）的通用規(guī)律”的研究表明，自動(dòng)機(jī)器通過反饋調(diào)節(jié)機(jī)制可以表現(xiàn)出與神經(jīng)控制同樣的合目的性或規(guī)律。[1]維納在《控制論》中對(duì)牛頓的嚴(yán)格決定論進(jìn)行了深刻有力的批判，肯定了統(tǒng)計(jì)力學(xué)家吉布斯把偶然性引進(jìn)到科學(xué)中來的重大的方法論意義，并突破了目的論與機(jī)械論之間的兩極對(duì)立。莫諾在《偶然性與必然性——略論現(xiàn)代生物學(xué)的自然哲學(xué)》(1971)一書中，則用生物微觀控制論表明，借助于生物化學(xué)和分子生物學(xué)層次的反饋機(jī)制以及微觀-宏觀相互作用，完全偶然的基因突變最終可以納入物種進(jìn)化的必然軌道；耗散結(jié)構(gòu)論表明，在遠(yuǎn)離平衡態(tài)條件下開放系統(tǒng)可以通過非線性正反饋機(jī)制的作用表現(xiàn)出有序化和合目的性；協(xié)同學(xué)還進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)序參量是整個(gè)自組織過程的主宰如此等等。總之，所有這些自動(dòng)機(jī)器和自組織理論都表明，無須超自然的神力和神秘的“生命力”，自然系統(tǒng)也象自動(dòng)機(jī)一樣可以憑借內(nèi)在機(jī)制的作用呈現(xiàn)合目的性。從這個(gè)特定意義上說，認(rèn)為宇宙＝巨大的超級(jí)自動(dòng)機(jī)的“機(jī)械論”是對(duì)的，而非神學(xué)性的宇宙“內(nèi)在目的論”也是對(duì)的。從歷史上看，牛頓的機(jī)械論自然哲學(xué)是對(duì)亞里士多德的目的論自然哲學(xué)的否定。現(xiàn)在，我們的立足于系統(tǒng)科學(xué)的新自然哲學(xué)則應(yīng)看作一種“否定之否定”。它是對(duì)機(jī)械論與目的論自然哲學(xué)的更高的辯證綜合。
當(dāng)代自然哲學(xué)（它以系統(tǒng)自然觀及其系統(tǒng)辯證法為核心或靈魂）最有革命性的一個(gè)方面，也許表現(xiàn)在反嚴(yán)格決定論和對(duì)偶然性客觀意義的新認(rèn)識(shí)。直到現(xiàn)在為止，一般人都相信“近似決定論”：只要近似知道一個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)律和初始條件就可以足夠好地計(jì)算出系統(tǒng)的近似行為。可是混沌學(xué)中著名的“蝴蝶效應(yīng)”，即系統(tǒng)演化進(jìn)程對(duì)初始條件的敏感依賴性，卻斷然否決了牛頓-拉普拉斯決定論的任何翻版（如“近似決定論”）的有效性。美國氣象學(xué)家洛侖茲在1961年發(fā)現(xiàn)，實(shí)際上長期天氣預(yù)報(bào)是不可能的。因?yàn)榧词箤?duì)于嚴(yán)格確定的氣象方程組，初始條件的小誤差，也會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。諸如珞珈山的蝴蝶拍拍翅膀那樣的初始小擾動(dòng)，經(jīng)由地球大氣系統(tǒng)中的逐級(jí)放大，最終可能在南美洲引起大風(fēng)暴。這種由決定論引出來的混沌，對(duì)經(jīng)典觀念的打擊是毀滅性的。混沌革命加強(qiáng)并深化了量子革命。
通過量子力學(xué)、分子生物學(xué)、協(xié)同學(xué)乃至混沌學(xué)的研究，現(xiàn)代科學(xué)家越來越認(rèn)識(shí)到，偶然性在自然界具有不容忽視的本體論地位，以及研究偶然性的內(nèi)在機(jī)制的重要性。為恩格斯贊同過的黑格爾關(guān)于“必然性自己規(guī)定自己為偶然性，……偶然性又寧可說是絕對(duì)的必然性”（〔2〕，第562—563頁）的辯證論斷，得到最新自然科學(xué)的支持。正如馬克斯·玻恩在《關(guān)于因果與機(jī)遇的自然哲學(xué)》(1951)中所注意到的，量子世界是由因果與機(jī)遇聯(lián)合統(tǒng)治的，其中機(jī)遇是有規(guī)則的。同樣，在哈肯的協(xié)同學(xué)演化方程（如福克-普朗克方程和郎之萬方程）中，決定論力項(xiàng)與隨機(jī)力項(xiàng)是共同起作用的。在混沌理論中，混沌本是由決定論規(guī)律引出的內(nèi)在的無序和不規(guī)則性，然而對(duì)混沌吸引子的相空間圖解研究卻表明，即使混沌也有精細(xì)結(jié)構(gòu)，其中機(jī)遇也是有規(guī)則的，偶然性與必然性相互作用的深層非線性機(jī)制是可以認(rèn)識(shí)的。從量子力學(xué)到系統(tǒng)科學(xué)的研究表明，概率統(tǒng)計(jì)定律是比嚴(yán)格決定論定律更好的認(rèn)識(shí)工具，但原有的“大數(shù)定律”與“統(tǒng)計(jì)平均值”等概念對(duì)于描述偶然性已經(jīng)顯得太粗糙了，非線性數(shù)學(xué)該出陣參戰(zhàn)了。因?yàn)槲ㄓ薪柚诜蔷€性數(shù)學(xué)才可能認(rèn)清偶然性起作用的深層結(jié)構(gòu)機(jī)制。
當(dāng)代自然哲學(xué)中的系統(tǒng)整體論思想也是相當(dāng)有革命性的。自從歐幾里得、阿基米德以來，“整體＝部分和”的公理已經(jīng)成為背景知識(shí)不可缺少的一部分。這一觀念也是牛頓的機(jī)械論自然哲學(xué)的一個(gè)基本要素（它與實(shí)體主義、還原主義相協(xié)調(diào)）。然而，一般系統(tǒng)論中的貝塔朗菲原理“整體不等于各部分簡單相加的總和”，卻斷然取消了歐幾里得的公理，以整體論取代了機(jī)械論的還原主義。量子力學(xué)中的全域相關(guān)性和粒子物理學(xué)中的新奇現(xiàn)象（“基本”粒子分割到一定限度，將出現(xiàn)“部分大于整體”的佯謬）以及生態(tài)系統(tǒng)的整體關(guān)聯(lián)性（卡普拉《轉(zhuǎn)折點(diǎn)》，1989）都支持貝塔朗菲的系統(tǒng)整體觀。
總之，以現(xiàn)代物理學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)為代表的當(dāng)代科學(xué)革命已經(jīng)引起了人類自然圖景的根本變革，人們有理由期待一種浸透著量子力學(xué)辯證法和系統(tǒng)科學(xué)辯證法精神的全新的自然哲學(xué)的出現(xiàn)。
二
現(xiàn)在我們轉(zhuǎn)入當(dāng)代自然哲學(xué)的主要疑難及其可能解法的討論。
鑒于機(jī)械論自然哲學(xué)所遇到的困難，當(dāng)代自然哲學(xué)所要討論的主要問題可以歸結(jié)如下：1.自然本體的性質(zhì)問題。物理實(shí)在究竟是孤立的實(shí)體還是依賴于系統(tǒng)場(chǎng)境的存在？“潛在”是否也是物理實(shí)在的基本形態(tài)之一？究竟是否存在終極實(shí)在？2.物理實(shí)在所遵循的規(guī)律究竟是決定論還是非決定論的？自然系統(tǒng)究竟是必然性還是偶然性所支配的？偶然性應(yīng)當(dāng)具有怎么樣的本體論地位（是否應(yīng)當(dāng)有）？3.所謂“觀察者侵入物理事件”的實(shí)質(zhì)是什么？主客二分的合理界限是什么？4.系統(tǒng)整體論與還原主義孰是孰非？5.目的論的新解釋問題。自然系統(tǒng)本身能有目的性嗎？能代替上帝作為選擇主體的地位嗎？目的論是否真與機(jī)械論勢(shì)不兩立？它又如何與神學(xué)劃清界線？下面我們將依次詳細(xì)分析這些問題：
1.自然本體或物理實(shí)在的性質(zhì)問題。
牛頓機(jī)械論自然哲學(xué)的本體論或?qū)嵲谟^的要害就在于實(shí)體主義。一切物理實(shí)在被認(rèn)為都有實(shí)體性、實(shí)存性，自然被等同于實(shí)體的集合（簡單相加的總和），一種在絕對(duì)空間構(gòu)架中的機(jī)械性的存在物。然而，在新的原子科學(xué)中，從前認(rèn)為不容置疑的“實(shí)體實(shí)存”原則已經(jīng)失效。明確的電子“軌道”或光子“路徑”等經(jīng)典性觀念在量子力學(xué)中是不允許的。電子實(shí)際上以“電子云”方式存在著，它并沒有絕對(duì)分明的輪廓，而且只是或然地顯現(xiàn)出來。如“測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系”所要求的，電子的位置與相應(yīng)的動(dòng)量具有天生的不確定性，決不可能同時(shí)有確定的值，因而人們決不可能同時(shí)測(cè)量到其確定的值。所有這些事實(shí)，如果從牛頓的經(jīng)典本體論的眼光來看簡直是不可理解的，因?yàn)椤皾撛谛浴庇^念完全沒有地位。
實(shí)際上，現(xiàn)代物理學(xué)家海森伯在批判牛頓機(jī)械論實(shí)在觀的基礎(chǔ)上，確實(shí)發(fā)展了一種全新的、更廣義的“潛在”實(shí)在觀。他根據(jù)量子力學(xué)事實(shí)總結(jié)出，潛在是介于可能與現(xiàn)實(shí)之間的物理實(shí)在的新型式，它被認(rèn)為特別適用于微觀客體。海森伯尖銳地指出：“在量子論中顯示的實(shí)在概念的變化，并不是過去的簡單的繼續(xù)，而卻象是現(xiàn)代科學(xué)結(jié)構(gòu)的真正破裂。”（〔3〕，第2頁）“幾率波的概念是牛頓以來理論物理學(xué)中全新的東西。……它是亞里士多德哲學(xué)中‘潛在’(potentia)這個(gè)老概念的定量表述。它引入了某種介乎實(shí)際的事件和事件的觀念之間的東西，這是正好介乎可能性和實(shí)在性之間的一種新奇的物理實(shí)在。”（〔3〕，第11頁）“事件并不一定是確定的，而是可能發(fā)生或傾向于發(fā)生的事情便構(gòu)成了宇宙中的實(shí)在”。（〔4〕，第177頁）
總之，海森伯認(rèn)為量子理論意味著實(shí)在觀念的革命，牛頓機(jī)械論的實(shí)在觀念已經(jīng)失效。他舉例說，幾率波、量子態(tài)、電子軌道等都與統(tǒng)計(jì)期望值相關(guān)聯(lián)，表示傾向性的、潛在的物理實(shí)在，這是物理實(shí)在的新形式。
現(xiàn)代粒子物理學(xué)的新假說把潛在性觀念發(fā)展到海森伯本人始料所不及的程度。喬弗利·丘(Geoffrey Chew)著名的粒子靴絆學(xué)說[2]，斷然否定了終極實(shí)體的可能性，揭示了自然本體的自助的、生成的本性。按照我的看法，它使系統(tǒng)實(shí)在論與系統(tǒng)辯證法完全本體論化了！由于任何粒子都可以充當(dāng)基礎(chǔ)粒子，用以構(gòu)成其他粒子，因此說穿了沒有任何一種粒子是真正的“基本粒子”，這就是所謂“基本粒子并不基本”。從根本上說，自然界不可能還原到任何一種或幾種終極的實(shí)體。說一個(gè)質(zhì)子可以由中子和π介子所構(gòu)成，或者說它是由Λ超子和K介子所構(gòu)成，或者說它是由兩個(gè)核子和一個(gè)反核子所構(gòu)成，甚至說是由場(chǎng)的連續(xù)質(zhì)所構(gòu)成。所有這一切可能性是同樣真實(shí)地存在的。應(yīng)當(dāng)說，所有這些陳述都同樣地正確又同樣地不完善。因?yàn)檎鎸?shí)世界等于所有這些潛在的“可能世界”互相疊加的總和。借用日本物理學(xué)家武谷三男的話來說：“作為終極要素的實(shí)體——基本粒子本身也是相互流動(dòng)地相互轉(zhuǎn)化的。這件革了以前的物質(zhì)觀，顯示了辯證邏輯的正確性。”（〔5〕，第28頁）
我們的進(jìn)一步的問題是：作為自然本體的物理實(shí)在究竟是否可以歸結(jié)為互相孤立的實(shí)體？還是從本質(zhì)上說只能是依賴系統(tǒng)場(chǎng)境的整體全息相關(guān)的存在？在對(duì)著名的EPR假想[3]的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)中所表現(xiàn)出來的量子關(guān)聯(lián)（即遠(yuǎn)距粒子之間的整體相關(guān)性）很好地回答了這一問題。正如美國科學(xué)哲學(xué)家西莫尼(A.Shimony)所指出：“我們生活在一個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果正在開始闡明哲學(xué)問題的非凡時(shí)代”。而今最新實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，兩個(gè)相隔幾米且又沒有彼此傳遞信息機(jī)制的實(shí)體可能被相互糾結(jié)在一起，即它們的行為可以有極顯著的相關(guān)性，以致對(duì)其中一個(gè)實(shí)體進(jìn)行測(cè)量將瞬時(shí)地影響到另一個(gè)實(shí)體的測(cè)量結(jié)果。這個(gè)新奇的實(shí)驗(yàn)結(jié)果斷然否定了愛因斯坦等人(EPR)的預(yù)設(shè)（即“空間上遠(yuǎn)隔的客體的實(shí)在狀態(tài)必定是彼此獨(dú)立的”），卻符合量子力學(xué)的系統(tǒng)整體觀。正如玻爾所注意到的，量子現(xiàn)象是作為整體而存在的，其中所反映出來的內(nèi)在關(guān)聯(lián)是不可消解的。量子現(xiàn)象的整體性不允許人們對(duì)它作機(jī)械的切割并把這種切割物認(rèn)作它自身。因此我們有理由說，量子力學(xué)的整體實(shí)在觀是與系統(tǒng)整體觀相通的，量子辯證法與系統(tǒng)辯證法相互滲透，量子革命與系統(tǒng)科學(xué)革命相互支持。因此，作為科學(xué)革命的結(jié)晶，新自然哲學(xué)主張，物理實(shí)在的部分性質(zhì)取決于整體，取決于系統(tǒng)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，從根本上說，自然本體是整體全息相關(guān)的存在。
2.決定論與非決定論疑難，偶然性的本體論地位問題。
從前認(rèn)為不容置疑的機(jī)械論自然哲學(xué)的“嚴(yán)格決定論”預(yù)設(shè)，如今在新的原子科學(xué)中也已經(jīng)失效。人們向來認(rèn)為，自然科學(xué)和“自然科學(xué)唯物主義”有一個(gè)不可動(dòng)搖的支柱：這就是嚴(yán)格決定論。對(duì)自然科學(xué)的這種見解，最典型地表現(xiàn)在拉普拉斯杜撰的那個(gè)精靈故事中，據(jù)說這個(gè)精靈（超智慧者）知道世界現(xiàn)況的一切決定因素，因而能夠無歧義地得出世界在過去或未來的其他一切狀態(tài)。這個(gè)被后人稱作“拉普拉斯妖”的理想實(shí)驗(yàn)正是嚴(yán)格決定論的化身。可是，現(xiàn)在在微觀領(lǐng)域里發(fā)現(xiàn)了與這種嚴(yán)格決定論原則相違背的種種反常事實(shí)。簡略地說，熱學(xué)與分子物理學(xué)的研究表明，氣體分子運(yùn)動(dòng)是包含不確定性的自然進(jìn)程，由于初始條件捉摸不定，單個(gè)分子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)成為純粹的偶然事件。分子運(yùn)動(dòng)論乃至統(tǒng)計(jì)力學(xué)的建立表明，概率統(tǒng)計(jì)定律也是自然描述不可缺少的一種基本形式。
強(qiáng)調(diào)概率統(tǒng)計(jì)定律重要性的科學(xué)思想反映到自然哲學(xué)中去，就成為“統(tǒng)計(jì)決定論”。其要旨可概括如下：對(duì)于一些包含不確定性的自然過程，雖然嚴(yán)格決定論不能直接應(yīng)用，但若應(yīng)用統(tǒng)計(jì)方法研究大量單個(gè)偶然事件的平均行為，卻可以找出明顯的統(tǒng)計(jì)規(guī)律性。換句話說，這些自然過程在統(tǒng)計(jì)平均意義上仍是決定論性的。這是決定論的弱化形式之一。
統(tǒng)計(jì)決定論的科學(xué)基礎(chǔ)在于經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)。統(tǒng)計(jì)力學(xué)的基本出發(fā)點(diǎn)則在于，認(rèn)為盡管大量分子的集團(tuán)行為滿足統(tǒng)計(jì)規(guī)律，但從底層基礎(chǔ)而言，單個(gè)分子（單個(gè)過程）仍遵守牛頓定律，滿足嚴(yán)格決定論。這樣，統(tǒng)計(jì)決定論并不把不確定性歸因于基礎(chǔ)規(guī)律的不同，而是把它歸因于初始條件的難以捉摸（即人類知識(shí)的不完備性）。因此，統(tǒng)計(jì)決定論只是嚴(yán)格決定論的補(bǔ)充形式。
然而，將概率統(tǒng)計(jì)觀點(diǎn)真正貫徹到底，最終導(dǎo)致量子物理學(xué)的興起，而測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系的發(fā)現(xiàn)則使嚴(yán)格決定論淪為無意義的空想。
在現(xiàn)代科學(xué)家中第一個(gè)對(duì)“非完全決定論”（即under-determinism，這個(gè)詞的不恰當(dāng)?shù)奶娲~是indeterminism，即非決定論）有十分清醒認(rèn)識(shí)的是哥廷根學(xué)派的馬克斯·玻恩。他在名著《關(guān)于因果和機(jī)遇的自然哲學(xué)》中對(duì)非完全決定論作了比其他量子物理學(xué)家（如玻爾、海森伯等）更為系統(tǒng)和透徹的分析。通過對(duì)玻恩文本的適當(dāng)解釋、調(diào)整與轉(zhuǎn)譯，我們可以提煉出對(duì)當(dāng)代自然哲學(xué)極有價(jià)值的內(nèi)容和決定論／非決定論問題的辯證解。〔7〕
非完全決定論的最主要或最有特色的一種表現(xiàn)形式，是與量子力學(xué)相應(yīng)的概率決定論。其要點(diǎn)如下：(1)單個(gè)（量子）過程內(nèi)在地是幾率性的、非決定性質(zhì)的；(2)“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。”（〔8〕，第9頁）(3)機(jī)遇律是自然律的終極形式，偶然性有規(guī)則，“它們是用數(shù)學(xué)上的概率論表述出來的。”（〔8〕，第7頁）
關(guān)于自然界究竟是由必然性還是偶然性所支配的，是決定論性還是非決定論性的那個(gè)爭論，波普有一個(gè)著名的比喻：“云和鐘”。“云”就是天上的云，代表極端不確定性，它非常不規(guī)則、毫無秩序又有點(diǎn)難以預(yù)測(cè)；“鐘”就是家家都有的時(shí)鐘，代表高度的確定性，它非常有規(guī)則、有秩序又是高度可預(yù)測(cè)的。這是兩個(gè)不同的極端，一端變化莫測(cè)，另一端高度精確。一般的自然事物往往處在這兩個(gè)極端之間。波普用“所有的云都是鐘”（當(dāng)然也可以說“所有自然事物都是鐘”）表示決定論，用“所有的鐘都是云”（當(dāng)然也可以說“所有自然事物都是云”）表示非決定論。波普終于認(rèn)識(shí)到，人類理性需要的是“處于完全的偶然性和完全的決定論之間的某種中間物，即處于完全的云和完善的鐘之間的某種中間物。”（〔6〕，第239—240頁）這種完全的偶然論（非決定論）和完全的決定論的中間物，我們可以恰當(dāng)?shù)胤Q作“非完全決定論”，它意味著對(duì)偶然性與必然性、因果與機(jī)遇的某種辯證綜合，這就是當(dāng)代自然哲學(xué)對(duì)這一爭論所作的正確解。以上我們是借用M.玻恩與波普的話，經(jīng)校正、轉(zhuǎn)譯納入自己的概念框架，并用以闡發(fā)自己的“非完全決定論”觀點(diǎn)。〔7〕
現(xiàn)代生物學(xué)和生物微觀控制論也為非完全決定論提供新的佐證。莫諾在其名著《偶然性與必然性（略論現(xiàn)代生物學(xué)的自然哲學(xué)）》中，從分子生物學(xué)的材料出發(fā)，有力地抨擊了嚴(yán)格決定論，并為恢復(fù)偶然性在自然哲學(xué)中的本體論地位付出極大的努力。莫諾是這樣說的：
當(dāng)偶然事件——因?yàn)樗偸仟?dú)一無二的，所以本質(zhì)上是無法預(yù)測(cè)的——一旦摻入了DNA的結(jié)構(gòu)之中，就會(huì)被機(jī)械而忠實(shí)地進(jìn)行復(fù)制和轉(zhuǎn)錄，……從純粹偶然性的范圍中被延伸出來以后，偶然性事件也就進(jìn)入了必然性的范圍，進(jìn)入了相互排斥、不可調(diào)和的確定性的范圍了。因?yàn)樽匀贿x擇就是在宏觀水平上、在生物體的水平上起作用的。自然選擇能夠獨(dú)自從一個(gè)噪聲源泉中譜寫出生物界的全部樂曲。（著重號(hào)為引者所加）（〔9〕，第88頁）
莫諾這段話應(yīng)當(dāng)看作關(guān)于生物自然界的非完全決定論，關(guān)于極小幾率的偶然事件向極嚴(yán)格規(guī)律轉(zhuǎn)化過程的生動(dòng)說明。特別是最后那句話是說明生物界的偶然性與必然性的相互聯(lián)系、相互作用方式的絕妙比喻。當(dāng)然，由于莫諾有時(shí)十分不恰當(dāng)?shù)貙?yán)格決定論與辯證唯物論混為一談，應(yīng)當(dāng)注意他的言論本身具有兩重性。（〔10〕，第324頁）
非完全決定論的內(nèi)容還由于系統(tǒng)科學(xué)的興起而得到了進(jìn)一步豐富和加強(qiáng)。有人因之稱作系統(tǒng)決定論。其要旨可概括如下：
一般的自然界的復(fù)雜系統(tǒng)（在自然哲學(xué)中姑且撇開社會(huì)系統(tǒng)），不能由它的構(gòu)成要素和子系統(tǒng)通過簡單相加和線性因果鏈無歧義地決定其整體功能和行為。但系統(tǒng)的存在與演化仍有相當(dāng)確定的規(guī)律可循，機(jī)遇與因果共同決定著系統(tǒng)的存在和發(fā)展，因而系統(tǒng)在整體上仍有決定性。
具體地說，系統(tǒng)演化的主要機(jī)理就在于機(jī)遇性漲落、反饋和非線性作用。人們常喜歡將借助于系統(tǒng)科學(xué)特有的資料所認(rèn)識(shí)的辯證法，稱作“系統(tǒng)辯證法”。系統(tǒng)科學(xué)從自己的角度闡明了因果與機(jī)遇、決定性與隨機(jī)性的辯證法：自組織系統(tǒng)作為遠(yuǎn)離平衡態(tài)的開放系統(tǒng)，以偶然的隨機(jī)的漲落為誘導(dǎo)，通過正反饋和非線性放大，某一漲落在矛盾競(jìng)爭之中取得支配地位，成為序參量，于是使系統(tǒng)的演化納入必然的軌道，建立時(shí)空、功能上的新的有序狀態(tài)。系統(tǒng)辯證法與矛盾辯證法在自組織動(dòng)力學(xué)機(jī)制的解釋上是高度一致的：當(dāng)自組織系統(tǒng)處于不穩(wěn)定點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)部矛盾全面展開并有所激化，與各種子系統(tǒng)及其要素的局部耦合關(guān)系和運(yùn)動(dòng)特性相聯(lián)系的模式和參量都異常活躍，各種參量的漲落此起彼伏，它們都蘊(yùn)含著一定的結(jié)構(gòu)與組織的胚芽，為了建立自己的獨(dú)立模式并爭奪對(duì)全局的支配權(quán)，它們之間進(jìn)行激烈的競(jìng)爭與對(duì)抗，時(shí)而“又聯(lián)合又斗爭”，最后才選拔出作為主導(dǎo)模式的序參量。非完全決定論在協(xié)同學(xué)的描述系統(tǒng)演化的數(shù)學(xué)方程中也得到反映。如郎之萬方程（描述布朗運(yùn)動(dòng)的）和福克-普朗克方程中，概率論描述與因果性描述共處于一體，隨機(jī)作用項(xiàng)與決定論作用項(xiàng)被綜合在一起，偶然性與必然性因子被綜合在一起。從自然哲學(xué)看，它們體現(xiàn)了機(jī)遇律與因果律的辯證綜合。
3.物理事件與觀察的關(guān)系、主體-客體相互作用問題。
從前認(rèn)為不容置疑的“客觀事件與任何觀測(cè)無關(guān)”的自然哲學(xué)信條，如今在新的原子科學(xué)中同樣也正在失效。正如海森伯所指出，經(jīng)典物理學(xué)的真正核心，也就是物理事件在時(shí)間、空間上的客觀進(jìn)程與任何觀測(cè)無關(guān)的信念，由于許多量子實(shí)驗(yàn)的發(fā)現(xiàn)而受到?jīng)_擊。而現(xiàn)代物理學(xué)的真正力量就存在于自然界為我們提供的那些新的思想方法之中。因此，再指望用新實(shí)驗(yàn)去發(fā)現(xiàn)與觀測(cè)無關(guān)的“純客觀事件”或不依賴于觀察者和相關(guān)參照系的“絕對(duì)時(shí)間”，就無異于指望極地探險(xiǎn)家在南極圈尚未勘查過的地方會(huì)發(fā)現(xiàn)“世界盡頭”，那只能是不切實(shí)際的幻想。（〔4〕，第4頁和第9頁）對(duì)原子、電子那樣的客體的任何一次射線照射或觀測(cè)都足以破壞其初始狀態(tài)，而且由于或然性和不可逆性，這種狀態(tài)不可恢復(fù)。
玻爾為量子力學(xué)所作的“互補(bǔ)性詮釋”中一個(gè)最基本的思想是：觀察者（主體）與被觀察者（客體）之間的嚴(yán)格劃界是不可能的，因?yàn)樵趯?shí)際過程中兩者處在緊密相連的相互作用之中。無論是純粹的“主體”即可以）“無干擾”地進(jìn)行觀察的觀察者）或是純粹的“客體”（可以絕對(duì)隔絕外界作用而界定被觀察系統(tǒng)的孤立狀態(tài)）概念都只是經(jīng)典物理學(xué)所作的理想化，而這兩種理想化既是相互補(bǔ)充又是相互排斥的。〔11〕這就是玻爾著名的“我們既是觀眾（觀察者），又是演員（被觀察者）”辯證論斷的真實(shí)含義。
實(shí)際上，從當(dāng)代自然哲學(xué)的眼光看，這是很自然的：人（觀察者）本來就是自然（被觀察者）不可分割的一部分，我們只能用一種內(nèi)在化的眼光來看待自然，而不可能象上帝那樣用完全超脫的外在化眼光看自然，這就是問題的癥結(jié)所在。
正如羅森菲爾德所指出，所謂“觀察者介入原子事件進(jìn)程”的局勢(shì)，容易產(chǎn)生科學(xué)事實(shí)的客觀性被敗壞的假象，因此我們必須與機(jī)械論和不可救藥的唯心主義劃清界線。羅森菲爾德本人正是以辯證法為武器在與機(jī)械論和唯心主義劃界的過程中闡明了觀察者與物理事件的辯證關(guān)系的客觀性質(zhì)。（〔12〕，第140頁）海森伯說得很分明：“量子論并不包含真正的主觀特征，它并不引進(jìn)物理學(xué)家的精神作為原子事件的一部分”。（〔3〕，第22頁）可見，“客體行為與觀測(cè)有關(guān)”原則并不意味著我們可以拋棄客觀實(shí)在而接受主觀主義。
4.系統(tǒng)整體實(shí)在觀問題。在闡述以上各個(gè)問題的過程中，我們實(shí)際上已經(jīng)闡明了整體實(shí)在觀的基本觀點(diǎn)：“整體不同于各部分機(jī)械相加的總和”。自然本體是依賴于系統(tǒng)場(chǎng)境的存在、處在相對(duì)相關(guān)中的存在，是整體全息相關(guān)的實(shí)在。正如D.玻姆所指出的，按照量子概念，世界是作為統(tǒng)一的不可分割的整體而存在的，其中即使是每個(gè)部分內(nèi)在的性質(zhì)（波或粒子）也在一定程度上依賴于場(chǎng)境。其實(shí)，人本身就是自然的產(chǎn)物，自然不可分割的一部分，人只能作為參與者并在相互作用過程中用內(nèi)在化的觀點(diǎn)來理解自然本體。只是在系統(tǒng)及其諸要素之間的相互作用可以忽視的情況下，還原主義才是近似地有效的。
5.自然本體目的性的（自組織解釋）問題。簡單地說，當(dāng)代自然哲學(xué)的目的論觀是亞里士多德內(nèi)在目的論的復(fù)活和發(fā)展，是現(xiàn)代系統(tǒng)科學(xué)目的論觀的升華。宇宙象是一個(gè)有機(jī)統(tǒng)一的整體，自然系統(tǒng)（包括生命系統(tǒng)和非生命自組織系統(tǒng)）的結(jié)構(gòu)、功能和演化過程的合目的性可以通過自然本身的自組織機(jī)制的作用得到合理解釋。〔1〕
例如，自然選擇的實(shí)質(zhì)問題是由生物哲學(xué)所提出的一個(gè)重要問題。按照生物控制論的初步解答，關(guān)于生物進(jìn)化的自然選擇機(jī)制實(shí)質(zhì)上就是一種以偶然的突變?yōu)樗夭模ㄟ^反饋調(diào)節(jié)的最優(yōu)化控制機(jī)制。艾根的超循環(huán)理論則進(jìn)一步明確，在大分子的自組織階段，在生化反應(yīng)的超循環(huán)中選擇價(jià)值高的突變不斷通過過濾和正反饋放大，形成功能性的組織，強(qiáng)化、優(yōu)化并向更高水平進(jìn)化。這里，一方面自然選擇表現(xiàn)為自然本身的純物質(zhì)性的有規(guī)則的相互作用過程，但它不同于牛頓的機(jī)械因果性模式，因?yàn)槠渲型蛔兣c選擇機(jī)制、機(jī)遇與因果是辯證地聯(lián)合起作用的；另一方面，盡管它排除了自然神力的干預(yù)，卻仍然是合目的性的過程，因?yàn)樗凶砸龑?dǎo)的、自動(dòng)調(diào)節(jié)的功能（使物種或分子擬種適應(yīng)環(huán)境）。這樣，按系統(tǒng)辯證法重新解釋過的合理的目的論又能與神學(xué)劃清界線。
三
正如我們已經(jīng)看到的，20世紀(jì)早期的相對(duì)論量子論革命向統(tǒng)治思想界長達(dá)二三百年之久的機(jī)械論自然哲學(xué)，提出了全面的詰難和挑戰(zhàn)，并給予毀滅性的打擊。當(dāng)代自然哲學(xué)正是在克服舊自然哲學(xué)的危機(jī)，在回答新興自然科學(xué)所提出的詰難和挑戰(zhàn)的過程中逐步建立起來的。20世紀(jì)中葉以來以系統(tǒng)科學(xué)群為代表的新興科學(xué)的迅速發(fā)展，豐富了當(dāng)代自然哲學(xué)的內(nèi)涵，加速了人類自然圖景革新的步伐。
總起來說，當(dāng)代自然哲學(xué)的核心觀點(diǎn)，可以簡要地重新概括如下：
1.自然本體是依賴于系統(tǒng)場(chǎng)境的、在關(guān)系中生成的、流動(dòng)的實(shí)在，作為孤立實(shí)體的終極實(shí)在根本不存在，“潛在”是物理實(shí)在的一種新形式；2.自然系統(tǒng)遵循非完全決定論（即決定論與非決定論的中間物），它是由因果與機(jī)遇聯(lián)合統(tǒng)治的，此兩者互斥又互補(bǔ)。偶然性的本體論地位是：它是自然本體本質(zhì)中的一個(gè)規(guī)定、一個(gè)方面和一個(gè)要素。偶然性存在精細(xì)的非線性作用機(jī)制（由混沌革命所發(fā)現(xiàn)！）。3.物理事件與觀測(cè)有關(guān)，人作為自然系統(tǒng)的一分子只能用參與者的身分和內(nèi)在化的觀點(diǎn)來觀察自然，絕對(duì)的主客二分只是不切實(shí)際的幻想；4.系統(tǒng)整體觀在總體上比還原主義更為合理，不過為了進(jìn)行精細(xì)的研究，有節(jié)制的還原主義仍是必不可少的和有啟發(fā)力的，兩者其實(shí)是互斥又互補(bǔ)的。5.自然系統(tǒng)的合目的性可以按自組織觀點(diǎn)得到最合理的解釋，目的論與機(jī)械論也是互斥又互補(bǔ)的。
最后，我們所要強(qiáng)調(diào)的是偶然性的恰當(dāng)?shù)谋倔w論地位問題。迄今仍有不少讀者受過時(shí)的哲學(xué)教科書的影響，把偶然性當(dāng)作一種外在的、主觀的、局部的、非本質(zhì)的和不穩(wěn)定的或暫時(shí)的東西。其實(shí)這種看法有違辯證法的本意，可以毫不客氣地說它屬于機(jī)械論的范疇。通過對(duì)量子辯證法與系統(tǒng)辯證法的研究，我們可以十分有把握地說：機(jī)遇或偶然性在本體論中恰恰是一種內(nèi)在的、固有的、普遍的、本質(zhì)的和永久性的成分。借用列寧論“假象”的話來說，偶然性是“本質(zhì)的一個(gè)規(guī)定、一個(gè)方面和一個(gè)環(huán)節(jié)”，是“本質(zhì)自身在自身中的表現(xiàn)”。機(jī)遇與偶然性是客觀的并且具有自己的非常獨(dú)特的規(guī)律。在新自然哲學(xué)中，我們不能再滿足于把偶然性看作必然性的“補(bǔ)充形式”的外在化理解，而要比以往任何時(shí)候都更加清醒地認(rèn)識(shí)到，機(jī)遇與因果相互聯(lián)結(jié)、相互滲透，辯證地融為一體。在非完全決定論中，偶然性恢復(fù)了它本來應(yīng)有的本體論地位，機(jī)遇與因果，偶然性與必然性以幾率或統(tǒng)計(jì)性乃至“混沌吸引子”為中介辯證地聯(lián)結(jié)在一起。在相空間中混沌吸引子的精巧的無窮嵌套的自相似結(jié)構(gòu)，精確而形象地展示出系統(tǒng)演化過程中機(jī)遇與因果如何聯(lián)合起作用的深層非線性機(jī)制，進(jìn)一步豐富了對(duì)自然本體辯證內(nèi)涵的認(rèn)識(shí)。
應(yīng)當(dāng)說，這是量子辯證法與系統(tǒng)辯證法對(duì)矛盾辯證法的一項(xiàng)貢獻(xiàn)，它們本應(yīng)是相得益彰的。
參考文獻(xiàn)
〔1〕桂起權(quán)：《目的論自然哲學(xué)之復(fù)活》，載“自然辯證法研究”1995(7)，并收入?yún)菄⒅骶帯蹲匀徽軐W(xué)》一書，中國社科出版社1994年版。
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〔3〕海森伯：《物理學(xué)與哲學(xué)》商務(wù)印書館1984年版。
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〔7〕桂起權(quán)：《非完全決定論：因果與機(jī)遇的辯證綜合》，載“科學(xué)技術(shù)與辯證法”1991(2)。
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〔9〕莫諾：《偶然性與必然性（略論現(xiàn)代生物學(xué)的自然哲學(xué)）》，上海人民出版社1977年版。
〔10〕桂起權(quán)：《科學(xué)思想的源流》武漢大學(xué)出版社1994年版。
〔11〕桂來權(quán)《析量子力學(xué)中的辯證法思想—玻爾互補(bǔ)性構(gòu)架之真諦》，載“哲學(xué)研究”1994(10)。
〔12〕羅森菲爾德：《量子革命》商務(wù)印書館1991年版。
注釋：
[1]正是在這一意義上，梁實(shí)秋在《遠(yuǎn)東英漢大辭典》中，將控制論(cybernetics)譯作神經(jīng)機(jī)械學(xué)。
【關(guān)鍵詞】固體物理 Materials Studio CASTEP 計(jì)算模擬 教學(xué)方法
【中圖分類號(hào)】G642 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-4810（2013）33-0054-02
固體物理是大中專院校物理學(xué)、材料科學(xué)與工程、化學(xué)、電子學(xué)專業(yè)中重要的基礎(chǔ)專業(yè)課，它是物理學(xué)中內(nèi)容豐富、應(yīng)用廣泛的分支學(xué)科，是微電子技術(shù)、光電子學(xué)技術(shù)、能源技術(shù)、材料科學(xué)等技術(shù)學(xué)科的基礎(chǔ)。因此做好固體物理學(xué)科的教學(xué)工作尤為重要。同時(shí)這門課程所涉及的知識(shí)點(diǎn)多與物理概念及數(shù)學(xué)公式相關(guān)，內(nèi)容具有一定的學(xué)習(xí)難度，不易理解。因此，在教學(xué)過程中，如果能形象生動(dòng)地展開教學(xué)活動(dòng)，直觀地解釋相關(guān)的物理概念、現(xiàn)象、過程、結(jié)構(gòu)及狀態(tài)等，就能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更好地理解相關(guān)的知識(shí)，提高教學(xué)效率。
理論計(jì)算模擬方法已成為國際上流行的一種科學(xué)研究方法。目前，國內(nèi)外越來越多的學(xué)術(shù)期刊中大量采用理論計(jì)算方法來驗(yàn)證及說明實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)結(jié)果。Materials Studio6.0、VASP、Wein2K等軟件是目前計(jì)算固體物理周期性體系比較流行的軟件，Materials Studio 軟件采用平面波贋勢(shì)基組，而VASP及Wein2k采用全電子基組。從計(jì)算精度上來說，VASP&MedeA、Wein2k的精度更高，但耗用計(jì)算資源較多，可視化不好，只有熟悉第一性原理及計(jì)算模擬的專業(yè)人員才能熟練運(yùn)用，不利于本科生的教學(xué)。相反，Materials Studio 程序包通過Visualizer可視化界面整合了二十幾種計(jì)算模擬模塊，功能強(qiáng)大，操作簡單、直觀，因此，更易被本科生掌握，適宜于本科生的日常教學(xué)實(shí)踐。
一 Visualizer可視化模塊結(jié)合固體物理教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)
1.簡介
Materials studio材料計(jì)算模擬軟件是美國Accelrys公司為材料科學(xué)領(lǐng)域開發(fā)的一款科學(xué)研究軟件。用戶可通過Visualizer模塊進(jìn)行一些簡單的操作來構(gòu)建復(fù)雜材料分子的三維結(jié)構(gòu)模型。隨后對(duì)材料分子進(jìn)行的構(gòu)型優(yōu)化、性質(zhì)預(yù)測(cè)、X射線衍射分析及量子力學(xué)方面進(jìn)行計(jì)算研究。
固體物理其研究內(nèi)容包括：晶體結(jié)構(gòu)；晶體衍射和倒格子；晶體結(jié)合與彈性模量；聲子；自由電子費(fèi)米氣；能帶；半導(dǎo)體晶體；磁性；光學(xué)過程與激子；介電體和鐵電體；表面與界面物理；位錯(cuò)與缺欠等。Materials Studio能夠進(jìn)行模型構(gòu)建；彈性張量；電子光譜與介電常數(shù)的計(jì)算；靜介電常數(shù)；紅外、拉曼光譜計(jì)算；磁性相關(guān)性質(zhì)計(jì)算；費(fèi)米面計(jì)算及可視化；能帶及態(tài)密度的計(jì)算及圖形化；聲子譜及聲子態(tài)密度等等，固體物理學(xué)科中的很多概念及過程我們都可通過Materials Studio程序包來進(jìn)行課堂演示及計(jì)算，給出形象化的解釋。
2.構(gòu)建固體物理教學(xué)內(nèi)容涉及的模型結(jié)構(gòu)
固體物理中的很多章節(jié)，涵蓋的知識(shí)點(diǎn)及概念都可以利用Materials Studio軟件建模并計(jì)算，從而很好地演示出來。比如晶體結(jié)構(gòu)，我們可以通過Visualizer模塊中的FileImportStructuresemiconductorsZnO功能導(dǎo)入程序內(nèi)建的各種晶體結(jié)構(gòu)，包括半導(dǎo)體、玻璃、金屬、金屬氧化物、礦物質(zhì)、有機(jī)物、高分子、催化劑、陶瓷等常用的晶體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并三維可視化。之后我們可以在此晶體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行超晶胞拓展，或者根據(jù)自己的需要進(jìn)行修改，引入一些位錯(cuò)及缺欠；另外還可以構(gòu)建催化表面、氣相吸附等，最后利用CASTEP進(jìn)行計(jì)算演示。
二 CASTEP模塊在教學(xué)中的應(yīng)用
CASTEP（Cambridge Sequential Total Energy Package的縮寫）是專為固體材料科學(xué)設(shè)計(jì)的當(dāng)前最高水平的量子力學(xué)軟件包之一。下面我們簡要舉例講述如何應(yīng)用Materials Studio & CASTEP軟件講解固體物理教學(xué)中的相關(guān)知識(shí)和概念。
1.彈性系數(shù)張量的計(jì)算
彈性系數(shù)張量與塊體模量都是決定材料機(jī)械性質(zhì)和硬度的重要指標(biāo)。下面我們以ZnO做示范。操作步驟為：首先，載入Materials Studio自帶的ZnO模型，進(jìn)行Ultra fine精度的幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化。在Setup選項(xiàng)卡中選擇：FunctionalLDA；QualityUltra fine；在選擇GeomOpt計(jì)算后，從More選項(xiàng)中選擇晶胞Optimize cell選項(xiàng)，使用默認(rèn)的peseudopotential，進(jìn)行幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化ZnO晶胞。之后在優(yōu)化的ZnO晶胞基礎(chǔ)上，做TASK=Elastic Constants的計(jì)算。完成后，進(jìn)行操作CASTEPAnalysis進(jìn)行計(jì)算結(jié)果分析，在選項(xiàng)卡中選擇Elastic Constants來獲得彈性張量，得到ZnO的彈性張量計(jì)算結(jié)果。也可以采用不同的精度及泛函方法計(jì)算幾組數(shù)據(jù)，之后我們可以與文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較，來驗(yàn)證我們計(jì)算的精度。通過整個(gè)計(jì)算過程及操作的講解，可以使學(xué)生易于理解固體物理中彈性模量的計(jì)算原理及此概念的意義。
2.總結(jié)
Materials Studiao具有強(qiáng)大的建模功能，并自帶很多模型數(shù)據(jù)；而CASTEP計(jì)算模塊可方便地計(jì)算出固體物理學(xué)科中所涉及的概念，在教學(xué)過程中恰當(dāng)?shù)剡\(yùn)用此類軟件，通過直觀的操作及可視化圖形展示，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)其動(dòng)手和理論聯(lián)系實(shí)際的能力，使課堂教學(xué)過程引人入勝。
參考文獻(xiàn)
[關(guān)鍵詞]三本院校 固體物理 教學(xué)模式
[中圖分類號(hào)]O48-42 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A
一、引言
固體物理學(xué)是研究固體的微觀結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、物理性質(zhì)及其相互關(guān)系的一門學(xué)科[1]。從歷史上看，固體物理學(xué)的研究引發(fā)了晶體管、激光器等多項(xiàng)重大發(fā)明，并由此催生了微電子技術(shù)、激光技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、光通訊技術(shù)等一系列高新技術(shù)。這些新技術(shù)把人類的歷史推進(jìn)到了原子時(shí)代、信息時(shí)代、空間時(shí)代[2]。因此它不僅是物理系所有專業(yè)中的一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，也是微電子學(xué)專業(yè)非常重要的專業(yè)主干課。
固體物理學(xué)的起點(diǎn)是學(xué)生已有了熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理、量子力學(xué)的基礎(chǔ)[1]。但是對(duì)于三本院校的學(xué)生來說，他們的專業(yè)基礎(chǔ)相對(duì)薄弱，這樣勢(shì)必會(huì)增加學(xué)生的心理負(fù)擔(dān)，使固體物理教學(xué)很難達(dá)到預(yù)期效果。為了講授這門課程，讓學(xué)生對(duì)固體物理知識(shí)的理解和掌握達(dá)到教學(xué)目的的要求，就成為教研室與授課教師必須經(jīng)常研究和探討的問題。筆者結(jié)合三本院校學(xué)生的實(shí)際情況，針對(duì)在固體物理課程教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)的問題淺談一些自己的看法和見解。
二、三本院校中固體物理學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀
在大眾化教育的形勢(shì)下，普通高校生源的知識(shí)結(jié)構(gòu)及基本素質(zhì)有了很大的變化[3]，特別是三本院校的學(xué)生。三本院校的學(xué)生學(xué)習(xí)固體物理過程中存在以下問題。
1.基礎(chǔ)薄弱：三本院校的學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)較薄弱，更無熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理、量子力學(xué)基礎(chǔ)，使這門課程的學(xué)習(xí)變得更加難以理解和把握，導(dǎo)致學(xué)生興趣不高。
2.學(xué)習(xí)質(zhì)量差：以往在教學(xué)的過程中，教師比較注重知識(shí)的傳授而忽視了對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)方法的培養(yǎng)，并且對(duì)三本院校的學(xué)生來說，學(xué)習(xí)方法不當(dāng)，缺乏積極性，導(dǎo)致學(xué)習(xí)質(zhì)量差。
3.教學(xué)內(nèi)容抽象：現(xiàn)有的固體物理教學(xué)基本上以教師講解學(xué)生聽課的模式為主，教學(xué)內(nèi)容較多而且抽象枯燥，提不起學(xué)生興趣。
4.教學(xué)方法單一：傳統(tǒng)的教學(xué)方法往往習(xí)慣于以注入式灌輸知識(shí)，且過于注重理論和書本的內(nèi)容，缺乏對(duì)固體物理實(shí)際應(yīng)用的介紹，不利于培養(yǎng)學(xué)生學(xué)以致用及創(chuàng)新能力。
綜上所述，在教學(xué)環(huán)節(jié)中探求新的教學(xué)方法，采用新的教學(xué)手段，保證和提高課堂教學(xué)質(zhì)量刻不容緩。
三、三本院校有效教學(xué)的探討
針對(duì)三本院校學(xué)生的知識(shí)基礎(chǔ)和心理特點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)固體物理的興趣，至關(guān)重要。
1.選擇適合三本院校學(xué)生特點(diǎn)的教學(xué)內(nèi)容： 目前的固體物理教材一般都以詳細(xì)的理論分析為主，數(shù)學(xué)推導(dǎo)較多。對(duì)三本院校學(xué)生來說，這樣的教材仍然存在部分內(nèi)容過于深?yuàn)W的問題，特別是與量子力學(xué)有關(guān)的內(nèi)容，學(xué)生較難掌握。因此教師在授課時(shí)不應(yīng)照本宣科，應(yīng)將某些偏重于繁瑣數(shù)學(xué)推導(dǎo)的問題簡化。
2.引入前沿課題：采用穿插式方法引入前沿內(nèi)容。可以使學(xué)生們“滲透式”地了解有關(guān)前沿進(jìn)展，從而可以拓寬學(xué)生們的視野，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)固體物理的興趣[4]。
3.讓學(xué)生充分參與教學(xué)：盡量讓學(xué)生直接參與到教學(xué)活動(dòng)中，在思想上變被動(dòng)接受為主動(dòng)參與，加深對(duì)抽象概念的理解。第一，盡量把抽象的概念提取到宏觀或熟知的知識(shí)點(diǎn)中；通過熟知的知識(shí)來提問，引出抽象的結(jié)論。如：原子結(jié)合成晶體會(huì)釋放能量，可通過水凝結(jié)成冰的過程來進(jìn)行提問講解；原子結(jié)合成晶體過程中會(huì)出現(xiàn)吸引力和排斥力，可舉例Na離子和Cl離子的結(jié)合過程進(jìn)行提問講解。第二，講解課程的重點(diǎn)難點(diǎn)后，通過例題及習(xí)題講解的個(gè)別互動(dòng)，充分引導(dǎo)、挖掘?qū)W生的思維并使其他學(xué)生理解。
4.采用板書和多媒體相結(jié)合的教學(xué)模式：第一，固體物理中，許多抽象理論及晶體結(jié)構(gòu)可采用動(dòng)畫和圖示效果以多媒體的形式呈現(xiàn)給學(xué)生。不但能使學(xué)生在視覺上直觀的感受其物理過程所發(fā)生的變化，還能進(jìn)一步加深對(duì)該過程中一些物理量的理解。如晶體結(jié)構(gòu)可用圖形展示使學(xué)生通過視覺的感受加深空間上的理解，使抽象具體化；如點(diǎn)缺陷的形成、一維單原子晶格的振動(dòng)、晶體的對(duì)稱性等，傳統(tǒng)的教學(xué)中只能用靜態(tài)的圖像去展示，學(xué)生不易理解其變化過程，利用Flas完全可以把演化過程動(dòng)態(tài)的展示出來，從而調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。第二，板書具有思路清晰、邏輯性強(qiáng)、能給學(xué)生充分的思考時(shí)間，加深對(duì)概念理論理解的特點(diǎn)。固體物理中，許多的公式、理論都需盡可能地采用板書的教學(xué)模式，其加強(qiáng)了教師和學(xué)生互動(dòng)的同時(shí)，又充分體現(xiàn)了教師利用板書對(duì)學(xué)生的啟發(fā)和引導(dǎo)的過程。因此，只有將教師在課堂中的主導(dǎo)作用與多媒體技術(shù)的輔助作用結(jié)合起來才能獲得良好的教學(xué)效果。
5.以科學(xué)史話激勵(lì)的教學(xué)模式：這種教學(xué)模式就是將物理學(xué)史的內(nèi)容有機(jī)地揉人固體物理教學(xué)中，將所教授內(nèi)容中涉及的科學(xué)家的簡介、有關(guān)此教學(xué)內(nèi)容的發(fā)明、發(fā)現(xiàn)經(jīng)歷、趣聞逸事，簡明扼要地介紹給學(xué)生，既能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又能起到教書育人的作用。如固體物理學(xué)中X射線衍射與晶體結(jié)構(gòu)時(shí)，可簡明地介紹其科學(xué)史話：晶體點(diǎn)陣?yán)碚撎岢鰰r(shí)是一種非常超前的理論，當(dāng)時(shí)沒有實(shí)驗(yàn)手段能證明它。1895年倫琴發(fā)現(xiàn)X射線，1899年哈加和溫德觀測(cè)到X射線通過幾nm的縫隙后稍有擴(kuò)展而估計(jì)它的波長數(shù)量極約為10-10m。1912年勞厄（Laue）產(chǎn)生了一個(gè)極妙的想法： 假設(shè)晶體確實(shí)是點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，就可作為天然光柵使X射線發(fā)生衍射. 但這種新穎的想法卻受到包括倫琴本人在內(nèi)的一些人嘲笑，并與勞厄打賭，限期一月。勞厄用ZnS屢試不成，交給兩個(gè)研究生。就在他們感到山窮水盡，進(jìn)行最后一次實(shí)驗(yàn)時(shí)，抱著試試看的心理將感光底片從晶體側(cè)面移到后面，衍射圖案出現(xiàn)了。這不僅證明了X射線是波長極短的光波，意義更為重大的是開創(chuàng)了一門新學(xué)科——X射線晶體學(xué)，晶體微觀結(jié)構(gòu)的玄妙之門從此逐漸向人類敞開了。眾里尋她千百度，驀然回首，那人卻在，燈火闌珊處，科學(xué)研究的成功往往在再堅(jiān)持幾步。
四、結(jié)束語
三本院校是我國高等教育加快發(fā)展的新產(chǎn)物，也是我國高等教育大眾化的一種制度創(chuàng)新，從其教育模式的特點(diǎn)及人才培養(yǎng)的目標(biāo)來看，學(xué)生基礎(chǔ)薄弱，在課程教學(xué)上應(yīng)與普通本科有所不同。固體物理作為微電子學(xué)專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，針對(duì)在教學(xué)過程中存在的一些問題，，筆者以培養(yǎng)學(xué)生興趣為目的從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法及教學(xué)手段上探討了教學(xué)模式。
[參考資料]
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[2]賀慶麗，楊濤，董慶彥.物理基地班固體物理課程的教學(xué)改革實(shí)踐[J].高等理科教育，2003年第2期（總第48期）：88
[3]姜黎霞，母小云.應(yīng)用型本科院校大學(xué)物理課程教學(xué)模式探討.北京聯(lián)合大學(xué)基礎(chǔ)部中外教育研究，2009年6月，NO.6：18
物理學(xué)本身是其實(shí)豐富多彩的，力、熱、光、電、磁……它來源于生活的方方面面。但是，這些理論用嚴(yán)謹(jǐn)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)語言描述起來就變成了枯燥晦澀的數(shù)學(xué)公式。作為教師，我們需要將這些數(shù)學(xué)公式還原回到生活，使乏味的物理課堂重新變得生動(dòng)有趣。這實(shí)際上也是將理論聯(lián)系到實(shí)際的過程，而這點(diǎn)恰恰又是大學(xué)生最缺乏的。例如，作為光波薄膜干涉的應(yīng)用之一增透膜，用近視眼鏡上的紫色鍍膜來舉例就使干涉理論變得生動(dòng)具體。物理學(xué)是自然科學(xué)和工程技術(shù)的基礎(chǔ)，跟許多專業(yè)學(xué)科都有交叉，如果能夠因人而異地應(yīng)用例舉，就會(huì)引起不同專業(yè)學(xué)生的共鳴，引發(fā)其對(duì)大學(xué)物理的學(xué)習(xí)興趣。例如對(duì)于數(shù)學(xué)專業(yè)的學(xué)生，應(yīng)著重強(qiáng)調(diào)物理和數(shù)學(xué)間密不可分的聯(lián)系，物理和數(shù)學(xué)的發(fā)展是相輔相成的，牛頓當(dāng)年就是在研究物理問題的時(shí)候發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的數(shù)學(xué)工具不夠了，才轉(zhuǎn)頭去研究數(shù)學(xué)，發(fā)明了微積分；所有的物理學(xué)家無一例外地都有著驕人的數(shù)學(xué)功底。
又如，計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生往往對(duì)自己的專業(yè)———計(jì)算機(jī)更感興趣，其實(shí)，計(jì)算機(jī)的硬件離不開物理，法拉第、麥克斯韋的電磁理論，德布羅意、海森伯、薛定諤等人的量子力學(xué)，半導(dǎo)體，甚至牛頓力學(xué)，都是計(jì)算機(jī)誕生的基礎(chǔ)理論，舉個(gè)簡單的例子，在電子器件中，電子在電場(chǎng)的作用下沿著設(shè)定的電路運(yùn)動(dòng)，就實(shí)現(xiàn)了器件的功能。科技的發(fā)展突飛猛進(jìn)，而大學(xué)物理的理論基礎(chǔ)相對(duì)固定，如果不及時(shí)更新應(yīng)用舉例，一直沿用老舊的例子，會(huì)令學(xué)生覺得物理落伍了，學(xué)了沒有用。大學(xué)物理作為自然科學(xué)的基礎(chǔ)，在打好底子的同時(shí)，也應(yīng)賦予它新鮮血液。教師應(yīng)時(shí)刻關(guān)注前沿科技的發(fā)展，恰當(dāng)?shù)匾胝n堂，激發(fā)學(xué)生對(duì)大學(xué)物理的學(xué)習(xí)興趣。
2多種教學(xué)手段相結(jié)合
與大學(xué)物理豐富的教學(xué)探索內(nèi)容相適應(yīng)的，是多樣的教學(xué)探索手段。物理現(xiàn)象千姿百態(tài)，奇妙無窮，僅憑口述和板書，很難展現(xiàn)它的多彩魅力。比如，波動(dòng)光學(xué)里的白光干涉有美麗彩色條紋，教師可以自己制作鐵絲圈配制肥皂水，在課堂上親手演示薄膜干涉現(xiàn)象，定能給學(xué)生留下深刻的印象。再如，自帶一根普通跳繩，隨時(shí)悠動(dòng)起來演示橫波現(xiàn)象，既操作簡單又能形象地解釋深刻的波動(dòng)規(guī)律。當(dāng)然，更多實(shí)驗(yàn)不方便課堂演示，或者得有專門的儀器才能演示，這就得依靠現(xiàn)代教學(xué)探索手段———多媒體了。比如，波動(dòng)學(xué)里的駐波，畫在黑板上時(shí)，它就是某一時(shí)刻的波形圖，看起來和行波完全相同，然而，駐波在同一個(gè)波節(jié)內(nèi)各質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)相位都相同，這跟行波規(guī)律有著本質(zhì)的不同，這點(diǎn)總是會(huì)讓學(xué)生感到費(fèi)解。當(dāng)運(yùn)用多媒體教學(xué)探索手段，動(dòng)態(tài)地演示駐波的傳播過程，讓學(xué)生清楚地看到同一個(gè)波節(jié)內(nèi)各質(zhì)點(diǎn)究竟是如何振動(dòng)的，這個(gè)疑團(tuán)自然就解開了。
3注重講課的藝術(shù)性
關(guān)鍵詞：物理學(xué)；力學(xué)概念；靜電場(chǎng)
類比法是人類認(rèn)識(shí)客觀世界的一種基本思維方法，所謂類比法是指根據(jù)兩個(gè)對(duì)象之間在某些方面的相同或相似而推出它們?cè)谄渌矫嬉部赡芟嗤蛳嗨频耐评矸椒āＮ锢砀拍睢⑽锢硪?guī)律以及研究方法等都可以是類比的對(duì)象。在《大學(xué)物理》課程教學(xué)中，恰當(dāng)運(yùn)用類比思維，往往能給人以啟發(fā)，起到由此及彼、融會(huì)貫通、化難為易的作用。
一、類比方法在物理學(xué)發(fā)展過程中的廣泛應(yīng)用
在物理學(xué)的發(fā)展過程中，類比方法積極地推動(dòng)了物理學(xué)的蓬勃發(fā)展，促成了許多重大思想及理論的建立。在物理學(xué)發(fā)展史上運(yùn)用類比的例子不勝枚舉。例如，荷蘭物理學(xué)家惠更斯在證明了光現(xiàn)象與聲現(xiàn)象都有直線傳播、反射、折射等共同屬性后，便將光現(xiàn)象與聲現(xiàn)象相類比：既然聲音的本質(zhì)是發(fā)聲物體振動(dòng)所產(chǎn)生的一種波，那么光的本質(zhì)可能是由發(fā)光體的振動(dòng)所產(chǎn)生的一種波；既然聲速是有限的，那么光速也可能是有限的；既然聲是以球面波的方式進(jìn)行的，那么光也可能是以球面波的方式進(jìn)行傳播等等，經(jīng)過這樣一番類比推理，惠更斯第一個(gè)認(rèn)為光具有波動(dòng)性，提出了光和聲一樣是以球形波面?zhèn)鞑サ模⒅赋龉庹駝?dòng)所到達(dá)的每一點(diǎn)都可視為次波的振動(dòng)中心，創(chuàng)立了彈性波動(dòng)說。再如，愛因斯坦提出光的波粒二象性以后，法國物理學(xué)家德布羅意在1923年把實(shí)物粒子與光進(jìn)行類比。德布羅意認(rèn)為，光具有波粒二象性，實(shí)物粒子除了有粒子性外也應(yīng)具有波動(dòng)性，其波長為λ=h/p，即稱為德布羅意波，式中p是粒子的動(dòng)量。德布羅意指出：在光學(xué)上比起波動(dòng)的研究方法來說，人們過于忽略了粒子性，而在實(shí)物的理論上，則過多地考慮了他的粒子圖像，而過分地忽略了它的波動(dòng)性質(zhì)。德布羅意的這一類比假設(shè)為量子力學(xué)的發(fā)展提供了思想基礎(chǔ)，薛定諤將德布羅意的物質(zhì)波用數(shù)學(xué)式子表示出來，才建立了量子力學(xué)的波動(dòng)方程。
縱觀物理學(xué)史，無論是經(jīng)典物理學(xué)還是現(xiàn)代物理學(xué)，物理學(xué)家運(yùn)用類比方法取得的重大成果數(shù)不勝數(shù)。類比推理是物理研究中應(yīng)用較為廣泛的方法之一。
二、類比法在《大學(xué)物理》教學(xué)中的具體應(yīng)用
類比法可以看做是溝通新舊知識(shí)的橋梁，物理教學(xué)中恰當(dāng)?shù)剡\(yùn)用類比方法，通過對(duì)新舊知識(shí)的比較、延伸、推廣，最后給出新知識(shí)，使十分難以理解的物理理論簡單、易懂并且易記，同時(shí)也能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和想象力，使學(xué)生在學(xué)習(xí)中能把復(fù)雜、抽象的問題簡單化、具體化，從而加深對(duì)物理問題的理解和掌握。下面通過一些具體例子介紹一下類比法的應(yīng)用。
1.質(zhì)點(diǎn)和剛體中一些力學(xué)概念與規(guī)律的類比
在講剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)的時(shí)候，可以把剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)中所涉及的概念與規(guī)律與質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)內(nèi)容進(jìn)行類比，比如，剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)中的角速度、角加速度、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量受到的合外力矩與質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)中的速度、加速度、質(zhì)量、受到的力進(jìn)行類比，可以看到，剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角動(dòng)量公式、動(dòng)能公式與質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)量公式、動(dòng)能公式很類似，剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)定律與質(zhì)點(diǎn)中的牛頓第二定律很類似，剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)中的角動(dòng)量定理與質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)中的動(dòng)量定理很類似等等。我們通過用較熟悉的質(zhì)點(diǎn)中的線量公式去啟發(fā)學(xué)生，根據(jù)形式和概念上的類似去理解剛體中的角量公式與規(guī)律，能使學(xué)生更容易掌握與記憶新知識(shí)。
2.重力場(chǎng)與靜電場(chǎng)的類比
在講靜電場(chǎng)部分的時(shí)候，我們可以把電場(chǎng)中涉及的概念與規(guī)律與我們已經(jīng)熟知的質(zhì)點(diǎn)力學(xué)內(nèi)容聯(lián)系起來，進(jìn)行類比學(xué)習(xí)與記憶。比如，我們可以將庫侖力與萬有引力概念進(jìn)行類比：在質(zhì)點(diǎn)力學(xué)中，萬有引力是研究兩質(zhì)點(diǎn)之間的相互作用，而質(zhì)點(diǎn)是力學(xué)中的研究模型，質(zhì)點(diǎn)是忽略實(shí)物的大小和形狀，只保留實(shí)際物體的質(zhì)量與位置的理想模型。而在靜電學(xué)中，庫侖力是研究兩點(diǎn)電荷之間的相互作用力，點(diǎn)電荷是電學(xué)中的理想模型，它是忽略帶電體的大小和形狀，保留實(shí)際帶電體的電量和位置的理想模型。也可以將庫侖定律與萬有引力定律相類比，有庫侖定律表達(dá)式：萬有引力定律表達(dá)式，數(shù)學(xué)形式相似，庫侖力和萬有引力都是通過場(chǎng)作用的非接觸力，二力的方向都是在兩質(zhì)點(diǎn)或兩點(diǎn)電荷的連線上，不同的是萬有引力都是引力，而庫侖力既有引力也有斥力，二者都是保守力，它們所做的功只與起點(diǎn)和終點(diǎn)的位置有關(guān)，與路徑無關(guān)。
在介紹抽象的靜電場(chǎng)力做功、電勢(shì)能等概念時(shí)，可以通過對(duì)重力勢(shì)能、重力做功的復(fù)習(xí)，將電勢(shì)能類比重力勢(shì)能，電場(chǎng)力做功類比重力做功，那么從重力做正功，重力勢(shì)能減少；重力做負(fù)功，重力勢(shì)能增加中可以簡單地得出電場(chǎng)力做功與電勢(shì)能變化的關(guān)系：電場(chǎng)力做正功，電勢(shì)能減少；電場(chǎng)力做負(fù)功，電勢(shì)能增加。還可以將靜電場(chǎng)中電勢(shì)概念和重力場(chǎng)中的高度進(jìn)行類比理解，在重力場(chǎng)中，物體所具有的重力勢(shì)能與所受重力的比值與物體所處的位置h有關(guān)，與物體的質(zhì)量m無關(guān)，此位置h可理解為地勢(shì)，在靜電場(chǎng)中，當(dāng)選定零電勢(shì)能的位置后，則放在電場(chǎng)中P點(diǎn)的電荷具有的電勢(shì)能與它的電荷量q的比值，也與電荷量q無關(guān)，由電場(chǎng)本身的性質(zhì)決定，這就是電場(chǎng)中P點(diǎn)的電勢(shì)。可見，通過對(duì)電勢(shì)和高度地勢(shì)的類比，可以很容易理解電勢(shì)這個(gè)抽象概念。
3.電場(chǎng)與磁場(chǎng)的類比
在電磁學(xué)中，我們可以把靜電場(chǎng)與穩(wěn)恒磁場(chǎng)的高斯定理、環(huán)路定理進(jìn)行類比講解，把靜電場(chǎng)、感生電場(chǎng)、兩者之和的總電場(chǎng)與穩(wěn)恒磁場(chǎng)、變化電場(chǎng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)、兩者之和的總磁場(chǎng)，從產(chǎn)生的原因、性質(zhì)等方面進(jìn)行類比，可以對(duì)電磁場(chǎng)有全面的認(rèn)知，從而對(duì)漂亮、完美、對(duì)稱的麥克斯韋方程組有更深刻的理解，可以加深對(duì)電磁場(chǎng)性質(zhì)的內(nèi)在聯(lián)系和統(tǒng)一性的認(rèn)識(shí)。從以上例子可以看到，類比法在應(yīng)用時(shí)要把握住其基本思想，即在相異中尋求相似，從中發(fā)現(xiàn)其規(guī)律性的東西；在相似中尋求相異，從中找出各個(gè)事物的個(gè)性特征。在進(jìn)行類比法運(yùn)用時(shí)，要充分掌握兩個(gè)類比對(duì)象的相似性和相關(guān)性，全面深入分析兩個(gè)類比對(duì)象的各種屬性，注意區(qū)別它們之間的差異，抓住事物的本質(zhì)聯(lián)系并將其作為推理根據(jù)，進(jìn)行類比思維。
綜上所述，物理類比在物理學(xué)發(fā)展中起到了很重要的作用，正如康德所說：“每當(dāng)理智缺乏可靠論證的思路時(shí)，類比這個(gè)方法往往能指引我們前進(jìn)。”在《大學(xué)物理》教學(xué)中，我們可以恰當(dāng)?shù)貞?yīng)用物理類比方法，把陌生的對(duì)象和熟悉的對(duì)象進(jìn)行對(duì)比，把未知的東西和已知的東西進(jìn)行對(duì)比，使抽象的物理概念和規(guī)律理解起來變得具體化、簡單化，幫助學(xué)生有效地把握物理知識(shí)。我們可以在教學(xué)時(shí)加強(qiáng)對(duì)類比法的引導(dǎo)，啟發(fā)學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)類比的特點(diǎn)，使其在今后的學(xué)習(xí)中能靈活運(yùn)用類比法，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)知識(shí)的同時(shí)，提高獲取知識(shí)的能力，掌握科學(xué)的思維方法。物理類比方法是一種非常重要的科學(xué)思維方法，有意識(shí)地將這種科學(xué)思想方法貫穿于整個(gè)物理教學(xué)過程中，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的能力是十分有益的。
參考文獻(xiàn)：
[1]王瑞旦，宋善炎.物理方法論[M].長沙：中南大學(xué)出版社，2002.
關(guān)鍵詞： 化學(xué)史 中學(xué)化學(xué) 教學(xué)應(yīng)用
一、問題的提出
近年來，中學(xué)化學(xué)教學(xué)中化學(xué)史的應(yīng)用逐漸被重視，許多高等師范院校開設(shè)了化學(xué)史課程。對(duì)于中學(xué)化學(xué)教學(xué)中需要應(yīng)用的化學(xué)史實(shí)，已有研究都以舉例形式呈現(xiàn)，未能系統(tǒng)指出中學(xué)化學(xué)階段涉及的化學(xué)史實(shí)。筆者在中學(xué)化學(xué)課程內(nèi)容的基礎(chǔ)上，將化學(xué)史實(shí)分四個(gè)部分，下面對(duì)化學(xué)課程內(nèi)容涉及的化學(xué)史實(shí)進(jìn)行論述。
二、化學(xué)學(xué)科的形成與奠基者
1.化學(xué)學(xué)科的形成
人類從用火開始，由野蠻進(jìn)入文明，開始用化學(xué)方法認(rèn)識(shí)和改造物質(zhì)，人類用火燒制熟食、制作陶瓷、冶煉金屬，逐漸學(xué)會(huì)釀造、染色等。早在公元前四世紀(jì)，我國有陰陽五行學(xué)說，認(rèn)為萬物的構(gòu)成以金、木、水、火、土為基礎(chǔ)，古希臘人提出的火、風(fēng)、土、水四元素說，二者是古代樸素的元素觀。公元前兩世紀(jì)，煉丹術(shù)在古代中國盛行，后來傳入歐洲，演化為煉金術(shù)，成為近代化學(xué)的雛形。
2.波義耳――把化學(xué)確立為科學(xué)
化學(xué)史學(xué)家把1661年作為近代化學(xué)的開端，因?yàn)檫@年有本對(duì)化學(xué)發(fā)展產(chǎn)生重大影響的著作問世，這本書是《懷疑派化學(xué)家》，它的作者是英國化學(xué)家波義耳（1627-1691），波義耳最大的貢獻(xiàn)是給化學(xué)元素下了科學(xué)定義，他的科學(xué)成就還有對(duì)空氣性質(zhì)的研究、燃燒現(xiàn)象本質(zhì)的研究、酸堿和指示劑的研究，波義耳被譽(yù)稱“把化學(xué)確立為科學(xué)”。
3.拉瓦錫――近代化學(xué)之父
拉瓦錫（1743-1794），法國化學(xué)家，被稱為“近代化學(xué)之父”，拉瓦錫的科學(xué)研究方法開創(chuàng)化學(xué)發(fā)展的新紀(jì)元，他了統(tǒng)治化學(xué)理論達(dá)百年之久的燃素說，建立了以氧為中心的燃燒理論，他提出規(guī)范的化學(xué)命名法，倡導(dǎo)并改進(jìn)定量分析方法，驗(yàn)證了質(zhì)量守恒定律，撰寫了第一部真正意義的化學(xué)教科書《化學(xué)基本論述》。
三、原子分子論與元素周期律
1.道爾頓――原子學(xué)說
道爾頓（1766-1844），英國化學(xué)家，1808年道爾頓提出了原子學(xué)說，為近代化學(xué)的發(fā)展奠定了重要基礎(chǔ)，在提出原子論的同時(shí)，確定原子量的測(cè)定工作，從而成為化學(xué)史上測(cè)定原子量的第一人，成為這一領(lǐng)域的拓荒者，引起當(dāng)時(shí)歐洲科學(xué)界的廣泛關(guān)注，測(cè)定各元素的原子量成為當(dāng)時(shí)熱門的課題。
2.阿伏伽德羅――分子學(xué)說
阿伏伽德羅（1776-1856），意大利物理學(xué)家、化學(xué)家，1811年阿伏伽德羅提出分子學(xué)說，在之后的50年里分子學(xué)說沒有受到科學(xué)界的重視，盡管阿伏伽德羅做了再三努力，直到他1856年逝世，分子學(xué)說仍然沒有為大多數(shù)化學(xué)家所承認(rèn)，為了紀(jì)念阿伏伽德羅，把一摩爾某種微粒集體所含微粒數(shù)為阿伏伽德羅常數(shù)。
3.康尼查羅――原子分子論
康尼查羅（1826-1910），意大利化學(xué)家，1860年在德國卡爾斯魯厄的國際化學(xué)家會(huì)議上，他用充分的論據(jù)證實(shí)了分子學(xué)說的正確性，康尼查羅的工作使原子分子論得以確立，當(dāng)時(shí)因?yàn)椴怀姓J(rèn)分子的存在，化合物的原子組成難以確定，原子量的測(cè)定和數(shù)據(jù)呈現(xiàn)一片混亂，原子分子論的確立使原子量測(cè)定工作走出困境。
4.貝采尼烏斯――元素符號(hào)
貝采尼烏斯（1779-1848），瑞典化學(xué)家，對(duì)化學(xué)的突出貢獻(xiàn)是測(cè)定原子量和制定元素符號(hào)，他在近二十年的時(shí)間里孜孜不倦地從事原子量的測(cè)定工作，在化學(xué)發(fā)展史上寫下光輝的一頁，他首先倡導(dǎo)以元素符號(hào)代表各種化學(xué)元素，用化學(xué)元素的拉丁文名表示元素，這就是一直沿用至今的化學(xué)元素符號(hào)系統(tǒng)，他的元素符號(hào)系統(tǒng)公開發(fā)表在1813年由湯姆遜主編的《哲學(xué)年鑒》上。
5.戴維――發(fā)現(xiàn)元素最多者
戴維（1778-1829），英國化學(xué)家，19世紀(jì)初，戴維用電解法和熱還原法制得鉀、鈉、鎂、鈣、鍶、鋇、硼和硅，證明了舍勒發(fā)現(xiàn)的黃綠色氣體不是所謂的“氧化鹽酸”，而是一種化學(xué)元素的單質(zhì)。他將這種元素命名為Chlorine，中文譯名為氯，使元素的種類增加了九種，是發(fā)現(xiàn)元素種類最多的科學(xué)家。
6.門捷列夫――元素周期律
門捷列夫（1834-1907），俄國化學(xué)家，于1869年發(fā)現(xiàn)元素性質(zhì)隨原子量的遞增呈周期變化的規(guī)律――元素周期律，他根據(jù)元素周期律編制了第一個(gè)元素周期表，把當(dāng)時(shí)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的63種元素全部列入表里，從而初步完成使元素系統(tǒng)化的任務(wù)，此時(shí)還有許多元素沒有被發(fā)現(xiàn)，他在元素周期表里留下空位，對(duì)某些未發(fā)現(xiàn)元素的性質(zhì)作了預(yù)言，后來他的預(yù)言都得到證實(shí)。
四、化學(xué)重要原理的提出
1.化學(xué)熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)理論
蓋斯（1802-1850），俄國化學(xué)家，熱化學(xué)的奠基人，化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)熱只與反應(yīng)體系的始態(tài)和終態(tài)有關(guān)，而與反應(yīng)的途徑無關(guān)，即著名的蓋斯定律。吉布斯（1839-1903），美國科學(xué)家，他奠定了化學(xué)熱力學(xué)的基礎(chǔ)，提出了吉布斯自由能。范特霍夫（1852-1911），荷蘭化學(xué)家，在化學(xué)反應(yīng)速度、化學(xué)平衡和滲透壓方面取得了驕人的研究成果，1901年第一個(gè)諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予范特霍夫。勒夏特列（1850-1936），法國化學(xué)家，1888年他提出了化學(xué)平衡移動(dòng)原理（勒夏特列原理）。哈伯（1868-1934），德國化學(xué)家，發(fā)明了合成氨的方法，1918年獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。
2.化學(xué)酸堿理論
波義耳提出了最初的酸堿理論：能使石蕊試液變紅的物質(zhì)是酸，能使石蕊試液變藍(lán)的物質(zhì)是堿。阿倫尼烏斯（1859-1927），瑞典科學(xué)家，電離理論的創(chuàng)立者，1887年提出了酸堿電離理論（阿倫尼烏斯酸堿理論）：凡在水溶液中電離出的陽離子全部都是H+的物質(zhì)是酸，電離出的陰離子全部都是OH-的物質(zhì)是堿，他還研究溫度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速度的影響，得出著名的阿倫尼烏斯公式，提出活化分子理論和鹽的水解理論等，獲得1903年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。
3.有機(jī)化學(xué)理論
維勒（1800-1882），德國化學(xué)家，1828年他因人工合成了尿素，打破了有機(jī)化合物的生命力學(xué)說而聞名，使有機(jī)化學(xué)得到了迅猛發(fā)展。李比希（1803-1873），德國化學(xué)家，被稱為“有機(jī)化學(xué)之父”，他發(fā)明和改進(jìn)了有機(jī)分析的方法，準(zhǔn)確地分析了大量有機(jī)化合物，提出了化合物基團(tuán)的概念及多元酸的理論。凱庫勒（1829-1896），德國化學(xué)家，有機(jī)結(jié)構(gòu)理論的奠基人，1857年提出碳原子四價(jià)和碳原子間相互成鏈理論，1890年提出苯分子的結(jié)構(gòu)式，推動(dòng)了有機(jī)化學(xué)的發(fā)展。
五、化學(xué)微觀世界的探究
1.原子結(jié)構(gòu)理論
在道爾頓的原子學(xué)說基礎(chǔ)上，展開了原子結(jié)構(gòu)的研究。湯姆遜（1856-1940），英國物理學(xué)家，1903年他在發(fā)現(xiàn)電子的基礎(chǔ)上提出了原子結(jié)構(gòu)的葡萄干布丁模型。盧瑟福（1871-1937），英國物理學(xué)家，他根據(jù)α粒子散射實(shí)驗(yàn)提出了原子結(jié)構(gòu)的核式模型。波爾（1885-1962），丹麥物理學(xué)家，于1913年建立起核外電子分層排布的原子結(jié)構(gòu)模型。20世紀(jì)20年代建立的量子力學(xué)理論，使人們對(duì)于原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)更深刻，從而有了原子結(jié)構(gòu)的量子力學(xué)模型。
2.分子間作用力與化學(xué)鍵理論
范德華（1837-1923），荷蘭物理學(xué)家，范德華首先研究了分子間作用力，分子間作用力又稱范德華力。科塞爾（1888-1956），美國化學(xué)家，1916年提出離子鍵理論。路易斯（1875-1946），美國化學(xué)家，提出共價(jià)鍵理論。鮑林（1901-1994），美國化學(xué)家，他提出共價(jià)半徑、離子半徑、電負(fù)性、雜化軌道等概念和理論，他撰寫的《化學(xué)鍵的本質(zhì)》被認(rèn)為是化學(xué)史上最重要的著作之一，1954年因在化學(xué)鍵方面的工作取得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。
六、結(jié)語
上述是中學(xué)化學(xué)課程內(nèi)容涉及化學(xué)史實(shí)的系統(tǒng)總結(jié)，由于理論水平和篇幅限制，難免有所遺漏并且未能展開論述。化學(xué)史實(shí)應(yīng)用在化學(xué)教學(xué)中具有極大價(jià)值，有利于中學(xué)化學(xué)和大學(xué)化學(xué)教學(xué)的銜接，對(duì)化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)和教科書的編寫有啟示意義，從學(xué)生角度而言，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探究欲望，使其了解化學(xué)學(xué)科發(fā)展的大致歷程，加深學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解。在實(shí)際化學(xué)教學(xué)中，要依據(jù)課程內(nèi)容要求和學(xué)生的認(rèn)知水平，把握好化學(xué)史實(shí)涉及知識(shí)理論的深度和難度，合理應(yīng)用化學(xué)史進(jìn)行化學(xué)教學(xué)。
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