在量子力学教学中培养学生的辩证思维能力

2013-08-15史良马朱仁义

巢湖学院学报 2013年4期

史良马朱仁义

（巢湖学院电子工程与电气自动化学院，安徽巢湖 238000）

1 引言

量子力学是现代物理学最重要和最成功的理论之一。它作为研究微观粒子的运动和变化的基本规律的学科，已经深入到我们生活的许多方面。量子力学是理工科相关专业的一门重要的基础课程之一,它在能源、化学、材料等相关学科和许多近代技术中得到了广泛的应用。因此，量子力学也是学习固体物理、材料科学、材料物理与化学、激光原理、激光物理与技术等专业课程的基础[1]。量子力学的教学,除了使学生掌握量子力学的基本理论并利用量子力学基本理论分析和解决问题的能力外，还要使学生理解量子力学中蕴藏丰富的哲学基本思想，培养学生辩证的思维能力。对于理工科的本科生来，这种能力的培养更有助于学生认知客观世界，提高学生的科学素养。

2 从量子力学的建立中启发学生体会辩证思维

量子力学的发展充分地体现了唯物辩证的思想。在量子力学的教学中通过量子力学的发展史的介绍让学生认识自然界发展的普遍规律，自觉地运用唯物辩证思想去思考问题、分析问题，从而培养学生辩证的思维能力。

例如19世纪末，很多物理学家认为纷繁复杂的物理现象的本质的认识已经完成，物理学的“大厦”已经建成，尽管还存在一些遗留问题，但与经典物理学所取得的巨大成就相比似乎是微不足道了[2]。然而正是这些微不足道的问题（关于电磁波的传播介质与黑体辐射的问题）导致了相对论与量子力学的建立，从而将物理学世界颠倒了过来。尤其是量子力学的建立颠覆了人们对客观世界的认识。虽然从量子力学的诞生起就伴随激烈的争论，但迄今所有实验结果都没违背量子力学的预言，量子力学导致核能、激光、晶体管等的诞生，铸造了人类现代文明的基石。通过介绍量子力学的诞生和发展的物理史实说明科学认识是一个永恒发展的过程，任何科学理论，不论怎么成功，也只能是相对完成的体系，要在实践中不断向前发展。

同时，量子力学建立也蕴含着必然性与偶然性辩证思想，19世纪末牛顿经典力学已经发展了顶点，随着科学技术的发展，实验技术水平的提高，经典力学局限性逐渐暴露出。因而，为了解决经典理论不能解释的自然现象，新理论的建立就必然应运而生，成为历史的必然。但科学发展进程往往是错综复杂的，通向真理的道路往往是曲折的，究竟通过怎么的道路，在什么问题上首先被突破和被谁突破，则具有一定的偶然性[3]。

量子力学的建立颠覆了我们对客观世界的认识，从这个意义上来看，也是认识论上的一场革命。运用经典力学决定论的、逻辑的、确定的观点无法解释微观世界的现象，取而代之的是量子力学的非决定论性、非逻辑性和不确定性。使得人们必须从全新的角度来看待周围的世界，尽管其后果不一定总是美好的。与经典力学截然不同，量子力学中描述粒子状态的量不是可观测的物理量，而是几率幅这就导致量子世界的本质是概率性。习惯于确定性经典世界的人很难接受概率性量子世界所发生的一切。爱因斯坦相信“上帝是不会掷骰子的”的感叹，也代表着许多人的共同疑惑[4]。

3 利用量子力学的内容培养学生辩证思想

量子力学的内容也蕴藏着许多哲学中的辩证思想。在教学中运用辩证的思维分析微观现象，帮助学生建立起物理图象和物理情景，并借助于数学工具揭示量子力学的基本规律。从而加深学生对微观世界本质的认识。

例如，作为量子力学的基本公设薛定谔方程是一个微观粒子就遵循的波动方程，它是在一定条件下对微观粒子的行为作出确切的描述，这种描述是一种概率的解释。这种解释充分展现了微观粒子客观存在的本质，而不是主观造成的。这种不确定性的偶然性概率的解释不能认为是认识不完全的结果。恰恰相反，我们得到的概率是确定的、完全的，也就是我们对不确定事物具有的不确定性的系统知识，是完全确定的。这种概率的因果关系体现了事物发展的本质。

通过这种辩证的分析，可以用量子力学中新思维方法来思考微观世界的新问题，帮助学生消去学习量子力学的畏难情绪。有些学生觉得量子力学难，不容易理解，是因为没有摆脱经典力学的思维方法。

例如关于粒子的波粒二象性的认识，这是量子力学的重点与核心内容。如果在教学中不帮助学生克服思维的定势，很难让学生理解。实物粒子的波粒二象性充分地体现了唯物辩证的思想。

首先，通过实验分析帮助学生获得波粒二象性的感性的认识。例如一电子源发出电子通过两狭缝，到达屏上可以得到电子的双缝干涉图样[5]。控制粒子流，让粒子一个一个地通过狭缝，开始粒子落在屏上看上很乱，好像是随机出现的，但随着粒子数的增加，由“亮”和“暗”条纹构成的干涉图样就会越来越清晰。在屏上出现分离点意味着每一个电子具有粒子性，因为每一个点表示一个电子撞击屏的位置，屏上的干涉图样则说明了电子具有波动性。这个实验充分说明了微观粒子的波粒二象性。粒子一个一个地通过仪器，足够长的时间屏上也出现干涉的图样，这表明粒子的波动并不是很多粒子在空间聚集才呈现的现象，单个粒子就具有波动性。打在屏上表现的是粒子性，而打在屏上的位置由波动性来确定，因为粒子在相同条件下，按传统的经典力学的因果律来说就应该打在屏上的同一个位置，这样就不可能出现干涉条纹。干涉条纹的出现是波动的表现，这种波是一种概率波，对每一个粒子落在屏上看上去似乎是随机的，但在这种随机中蕴藏概率的规律即每个电子落在屏上任一位置的概率是确定的。因此，在量子力学中波与粒子两种性质统一在一个客体之中。

其次，在实验中形成波粒二象性的感性认识的基础上进一步认识与分析量子力学中量子态的叠加原理与不确定度关系，从而将这种辩证统一的思想根植于学生的大脑。在经典世界中，粒子在空间中有准确的位置并有确定的运动轨迹，而在量子世界中粒子以某种概率分布在整个空间，当粒子有几条可能的途径从某处传到另一处时，它会同时经由这些途径传输，不具有确定的轨迹。如果一个粒子有几种可能的状态，则经典粒子只能处于其中的一种状态，而量子粒子则处于这些可能状态叠加的状态上，这就是所谓的量子态叠加原理[6]。微观粒子的这种奇异特性就来源于它的波粒二象性，也正是这种波粒二象性直接导致了不确定度关系，即精确地确定电子的位置就意味着其动量的无限不确定；反之亦然。将这一结论同样可以推广到能量与时间的测量上。

唯物辩证法认为，任何事物都是普遍联系着的矛盾统一体。它要求我们要在对立中把握统一，在统一中把握对立，在对立统一中认识和把握事物的整体及其每个方面。因此，在量子力学教学中要运用辩证的思维帮助学生克服在非此即彼的对立中思维的习惯。

4 通过量子力学的发展引导学生进行哲学思考

量子力学本身就含有丰富的辩证法思想，只有以辩证思维为指导实施课堂教学，方可有意地、自觉地把辩证思维的方式渗透于教学活动中，一方面可以有效地帮助学生形成正确的物理图像；另一方面有利于学生的辩证思维能力的形成。

比方说,在讲授测量问题时,从介绍量子力学的发展中爱因斯坦与玻尔关于物理实在的争论入手[7]，更能准确的帮助学生对量子力学中测量的理解。爱因斯坦“相信有一个离开知觉主体而独立的外在世界，是一切自然科学的基础”。因此，他的观点表现为:（1）他把与观测所引起的干扰无关的客体的情况看作是唯一的实在，忽略了微观客体同仪器的相互作用的结果，包括测量结果的几率特征在内，也是客观的物理实在的现象。（2）他认为理论中第一个量必定对应于客体中的某一要素。而玻尔则认为物理实在归结为“现象”，是微观客体同宏观仪器相互作用的结果。这种争论不仅仅是物理学问题的争论，也是哲学问题的争论。了解他们争论的本质，显然有利于我们对测量的理解。测量的本质看做是观测者、测量仪器和被测对象之间的相互作用。量子测量本身也是产生测量结果的原因。玻尔关于物理实在的理解体现人的认识的能动性，也是对认识的一个重要贡献。

同时，量子力学的发展也在不断丰富着哲学的内容。在量子力学的教学中适当的渗透量子力学的新的发展，一方面可以激发学生学习量子力学的兴趣，另一方面引发学生对微观世界的哲学思考。例如，EPR效应就是量子世界令人称奇的现象，这个效应最初是爱因斯坦用来证明“量子力学不完备”而提出的“思辨”性实验。但事与愿违，这个实验最终不仅没有证实爱因斯坦提出的观点，反而揭示出量子世界的非局域性本质，促使人们对量子世界有更深刻的理解。所谓“EPR效应”是指两个量子粒子处在特殊的状态（又称纠缠态）中，不管其空间分离得多远，当对其中一个粒子施行操作或测量，远处的另一个粒子状态会瞬时地发生相应的改变，爱因斯坦称这个现象为“幽灵般地超距作用”，并认为这是不可能发生的。然而实验证实这种违犯相对论的超距确实存在！在教学中通过介绍人们利用EPR效应来开发新的量子技术，引起同学们对量子力学兴趣的同时，引导学生去思考EPR效应背后的深层次原因及其哲学意义。