在量子力學(xué)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的辯證思維能力

史良馬 朱仁義

（巢湖學(xué)院電子工程與電氣自動化學(xué)院，安徽 巢湖 238000）

1 引言

量子力學(xué)是現(xiàn)代物理學(xué)最重要和最成功的理論之一。它作為研究微觀粒子的運動和變化的基本規(guī)律的學(xué)科，已經(jīng)深入到我們生活的許多方面。量子力學(xué)是理工科相關(guān)專業(yè)的一門重要的基礎(chǔ)課程之一,它在能源、化學(xué)、材料等相關(guān)學(xué)科和許多近代技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用。因此，量子力學(xué)也是學(xué)習(xí)固體物理、材料科學(xué)、材料物理與化學(xué)、激光原理、激光物理與技術(shù)等專業(yè)課程的基礎(chǔ)[1]。量子力學(xué)的教學(xué),除了使學(xué)生掌握量子力學(xué)的基本理論并利用量子力學(xué)基本理論分析和解決問題的能力外，還要使學(xué)生理解量子力學(xué)中蘊藏豐富的哲學(xué)基本思想，培養(yǎng)學(xué)生辯證的思維能力。對于理工科的本科生來，這種能力的培養(yǎng)更有助于學(xué)生認知客觀世界，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

2 從量子力學(xué)的建立中啟發(fā)學(xué)生體會辯證思維

量子力學(xué)的發(fā)展充分地體現(xiàn)了唯物辯證的思想。在量子力學(xué)的教學(xué)中通過量子力學(xué)的發(fā)展史的介紹讓學(xué)生認識自然界發(fā)展的普遍規(guī)律，自覺地運用唯物辯證思想去思考問題、分析問題，從而培養(yǎng)學(xué)生辯證的思維能力。

例如19世紀末，很多物理學(xué)家認為紛繁復(fù)雜的物理現(xiàn)象的本質(zhì)的認識已經(jīng)完成，物理學(xué)的“大廈”已經(jīng)建成，盡管還存在一些遺留問題，但與經(jīng)典物理學(xué)所取得的巨大成就相比似乎是微不足道了[2]。然而正是這些微不足道的問題（關(guān)于電磁波的傳播介質(zhì)與黑體輻射的問題）導(dǎo)致了相對論與量子力學(xué)的建立，從而將物理學(xué)世界顛倒了過來。尤其是量子力學(xué)的建立顛覆了人們對客觀世界的認識。雖然從量子力學(xué)的誕生起就伴隨激烈的爭論，但迄今所有實驗結(jié)果都沒違背量子力學(xué)的預(yù)言，量子力學(xué)導(dǎo)致核能、激光、晶體管等的誕生，鑄造了人類現(xiàn)代文明的基石。通過介紹量子力學(xué)的誕生和發(fā)展的物理史實說明科學(xué)認識是一個永恒發(fā)展的過程，任何科學(xué)理論，不論怎么成功，也只能是相對完成的體系，要在實踐中不斷向前發(fā)展。

同時，量子力學(xué)建立也蘊含著必然性與偶然性辯證思想，19世紀末牛頓經(jīng)典力學(xué)已經(jīng)發(fā)展了頂點，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，實驗技術(shù)水平的提高，經(jīng)典力學(xué)局限性逐漸暴露出。因而，為了解決經(jīng)典理論不能解釋的自然現(xiàn)象，新理論的建立就必然應(yīng)運而生，成為歷史的必然。但科學(xué)發(fā)展進程往往是錯綜復(fù)雜的，通向真理的道路往往是曲折的，究竟通過怎么的道路，在什么問題上首先被突破和被誰突破，則具有一定的偶然性[3]。

量子力學(xué)的建立顛覆了我們對客觀世界的認識，從這個意義上來看，也是認識論上的一場革命。運用經(jīng)典力學(xué)決定論的、邏輯的、確定的觀點無法解釋微觀世界的現(xiàn)象，取而代之的是量子力學(xué)的非決定論性、非邏輯性和不確定性。使得人們必須從全新的角度來看待周圍的世界，盡管其后果不一定總是美好的。與經(jīng)典力學(xué)截然不同，量子力學(xué)中描述粒子狀態(tài)的量不是可觀測的物理量，而是幾率幅這就導(dǎo)致量子世界的本質(zhì)是概率性。習(xí)慣于確定性經(jīng)典世界的人很難接受概率性量子世界所發(fā)生的一切。愛因斯坦相信“上帝是不會擲骰子的”的感嘆，也代表著許多人的共同疑惑[4]。

3 利用量子力學(xué)的內(nèi)容培養(yǎng)學(xué)生辯證思想

量子力學(xué)的內(nèi)容也蘊藏著許多哲學(xué)中的辯證思想。在教學(xué)中運用辯證的思維分析微觀現(xiàn)象，幫助學(xué)生建立起物理圖象和物理情景，并借助于數(shù)學(xué)工具揭示量子力學(xué)的基本規(guī)律。從而加深學(xué)生對微觀世界本質(zhì)的認識。

例如，作為量子力學(xué)的基本公設(shè)薛定諤方程是一個微觀粒子就遵循的波動方程，它是在一定條件下對微觀粒子的行為作出確切的描述，這種描述是一種概率的解釋。這種解釋充分展現(xiàn)了微觀粒子客觀存在的本質(zhì)，而不是主觀造成的。這種不確定性的偶然性概率的解釋不能認為是認識不完全的結(jié)果。恰恰相反，我們得到的概率是確定的、完全的，也就是我們對不確定事物具有的不確定性的系統(tǒng)知識，是完全確定的。這種概率的因果關(guān)系體現(xiàn)了事物發(fā)展的本質(zhì)。

通過這種辯證的分析，可以用量子力學(xué)中新思維方法來思考微觀世界的新問題，幫助學(xué)生消去學(xué)習(xí)量子力學(xué)的畏難情緒。有些學(xué)生覺得量子力學(xué)難，不容易理解，是因為沒有擺脫經(jīng)典力學(xué)的思維方法。

例如關(guān)于粒子的波粒二象性的認識，這是量子力學(xué)的重點與核心內(nèi)容。如果在教學(xué)中不幫助學(xué)生克服思維的定勢，很難讓學(xué)生理解。實物粒子的波粒二象性充分地體現(xiàn)了唯物辯證的思想。

首先，通過實驗分析幫助學(xué)生獲得波粒二象性的感性的認識。例如一電子源發(fā)出電子通過兩狹縫，到達屏上可以得到電子的雙縫干涉圖樣[5]。控制粒子流，讓粒子一個一個地通過狹縫，開始粒子落在屏上看上很亂，好像是隨機出現(xiàn)的，但隨著粒子數(shù)的增加，由“亮”和“暗”條紋構(gòu)成的干涉圖樣就會越來越清晰。在屏上出現(xiàn)分離點意味著每一個電子具有粒子性，因為每一個點表示一個電子撞擊屏的位置，屏上的干涉圖樣則說明了電子具有波動性。這個實驗充分說明了微觀粒子的波粒二象性。粒子一個一個地通過儀器，足夠長的時間屏上也出現(xiàn)干涉的圖樣，這表明粒子的波動并不是很多粒子在空間聚集才呈現(xiàn)的現(xiàn)象，單個粒子就具有波動性。打在屏上表現(xiàn)的是粒子性，而打在屏上的位置由波動性來確定，因為粒子在相同條件下，按傳統(tǒng)的經(jīng)典力學(xué)的因果律來說就應(yīng)該打在屏上的同一個位置，這樣就不可能出現(xiàn)干涉條紋。干涉條紋的出現(xiàn)是波動的表現(xiàn)，這種波是一種概率波，對每一個粒子落在屏上看上去似乎是隨機的，但在這種隨機中蘊藏概率的規(guī)律即每個電子落在屏上任一位置的概率是確定的。因此，在量子力學(xué)中波與粒子兩種性質(zhì)統(tǒng)一在一個客體之中。

其次，在實驗中形成波粒二象性的感性認識的基礎(chǔ)上進一步認識與分析量子力學(xué)中量子態(tài)的疊加原理與不確定度關(guān)系，從而將這種辯證統(tǒng)一的思想根植于學(xué)生的大腦。在經(jīng)典世界中，粒子在空間中有準確的位置并有確定的運動軌跡，而在量子世界中粒子以某種概率分布在整個空間，當粒子有幾條可能的途徑從某處傳到另一處時，它會同時經(jīng)由這些途徑傳輸，不具有確定的軌跡。如果一個粒子有幾種可能的狀態(tài)，則經(jīng)典粒子只能處于其中的一種狀態(tài)，而量子粒子則處于這些可能狀態(tài)疊加的狀態(tài)上，這就是所謂的量子態(tài)疊加原理[6]。微觀粒子的這種奇異特性就來源于它的波粒二象性，也正是這種波粒二象性直接導(dǎo)致了不確定度關(guān)系，即精確地確定電子的位置就意味著其動量的無限不確定；反之亦然。將這一結(jié)論同樣可以推廣到能量與時間的測量上。

唯物辯證法認為，任何事物都是普遍聯(lián)系著的矛盾統(tǒng)一體。它要求我們要在對立中把握統(tǒng)一，在統(tǒng)一中把握對立，在對立統(tǒng)一中認識和把握事物的整體及其每個方面。因此，在量子力學(xué)教學(xué)中要運用辯證的思維幫助學(xué)生克服在非此即彼的對立中思維的習(xí)慣。

4 通過量子力學(xué)的發(fā)展引導(dǎo)學(xué)生進行哲學(xué)思考

量子力學(xué)本身就含有豐富的辯證法思想，只有以辯證思維為指導(dǎo)實施課堂教學(xué)，方可有意地、自覺地把辯證思維的方式滲透于教學(xué)活動中，一方面可以有效地幫助學(xué)生形成正確的物理圖像；另一方面有利于學(xué)生的辯證思維能力的形成。

比方說,在講授測量問題時,從介紹量子力學(xué)的發(fā)展中愛因斯坦與玻爾關(guān)于物理實在的爭論入手[7]，更能準確的幫助學(xué)生對量子力學(xué)中測量的理解。愛因斯坦“相信有一個離開知覺主體而獨立的外在世界，是一切自然科學(xué)的基礎(chǔ)”。因此，他的觀點表現(xiàn)為:（1）他把與觀測所引起的干擾無關(guān)的客體的情況看作是唯一的實在，忽略了微觀客體同儀器的相互作用的結(jié)果，包括測量結(jié)果的幾率特征在內(nèi)，也是客觀的物理實在的現(xiàn)象。（2）他認為理論中第一個量必定對應(yīng)于客體中的某一要素。而玻爾則認為物理實在歸結(jié)為“現(xiàn)象”，是微觀客體同宏觀儀器相互作用的結(jié)果。這種爭論不僅僅是物理學(xué)問題的爭論，也是哲學(xué)問題的爭論。了解他們爭論的本質(zhì)，顯然有利于我們對測量的理解。測量的本質(zhì)看做是觀測者、測量儀器和被測對象之間的相互作用。量子測量本身也是產(chǎn)生測量結(jié)果的原因。玻爾關(guān)于物理實在的理解體現(xiàn)人的認識的能動性，也是對認識的一個重要貢獻。

同時，量子力學(xué)的發(fā)展也在不斷豐富著哲學(xué)的內(nèi)容。在量子力學(xué)的教學(xué)中適當?shù)臐B透量子力學(xué)的新的發(fā)展，一方面可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)量子力學(xué)的興趣，另一方面引發(fā)學(xué)生對微觀世界的哲學(xué)思考。例如，EPR效應(yīng)就是量子世界令人稱奇的現(xiàn)象，這個效應(yīng)最初是愛因斯坦用來證明“量子力學(xué)不完備”而提出的“思辨”性實驗。但事與愿違，這個實驗最終不僅沒有證實愛因斯坦提出的觀點，反而揭示出量子世界的非局域性本質(zhì)，促使人們對量子世界有更深刻的理解。所謂“EPR效應(yīng)”是指兩個量子粒子處在特殊的狀態(tài)（又稱糾纏態(tài)）中，不管其空間分離得多遠，當對其中一個粒子施行操作或測量，遠處的另一個粒子狀態(tài)會瞬時地發(fā)生相應(yīng)的改變，愛因斯坦稱這個現(xiàn)象為“幽靈般地超距作用”，并認為這是不可能發(fā)生的。然而實驗證實這種違犯相對論的超距確實存在！在教學(xué)中通過介紹人們利用EPR效應(yīng)來開發(fā)新的量子技術(shù)，引起同學(xué)們對量子力學(xué)興趣的同時，引導(dǎo)學(xué)生去思考EPR效應(yīng)背后的深層次原因及其哲學(xué)意義。

5 總結(jié)

從量子力學(xué)的誕生起，就伴隨著哲學(xué)的爭論。量子力學(xué)不僅僅在當代許多科學(xué)的各個方面取得了很大的成功，而且?guī)Ыo人們許多關(guān)于哲學(xué)問題的思考，極大的豐富人們對客觀世界的認識。

本文從量子力學(xué)的建立、量子力學(xué)的內(nèi)容以及量子力學(xué)的發(fā)展對培養(yǎng)學(xué)生辯證的思維能力作了一點嘗試，希望能夠?qū)W(xué)生有一點啟示，對學(xué)生今后的從事的工作有些幫助。

[1]沈葹.量子力學(xué)的光輝八十年[J].世界科學(xué)，2006，（5）:12-17.

[2]吉姆·巴戈特.量子迷宮[M].潘士先，譯.北京：科學(xué)出版社，2012.

[3]曾謹言.量子力學(xué)教程[M].北京：科學(xué)出版社，2003.

[4]郭光燦.來自量子世界的新技術(shù)[J].科學(xué)中國人，2011，（12）:46-51.

[5]A.Tonomura,J.Endo,T.Matsuda,et al.Demonstration of Single-electron Buildup of an Interference Patten[J].Am.J.Phys.,1989，（58）:117-120.

[6]張禮主編.近代物理學(xué)進展[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.

[7]柳樹滋.物理學(xué)的哲學(xué)思考[M].北京：光明日報出版社，1988.