量子计算的含义范文

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篇1

两千多年前，古希腊哲学家德谟克利特就认为，物质是由原子组成的。“原子”一词的英文就来自希腊文，含义为“不可分割的”。

但是，直到18世纪才开始有现代意义上的原子理论，而原子的真正奥秘则直到20世纪才开始被揭示。这究竟是为什么呢？因为原子实在太小了，看不见、摸不着。如今我们知道，原子并非是“不可分割的”，它是由更小的粒子所组成的。

所谓粒子，是指构成物质的比原子核更简单的物质，包括电子、质子、中子、光子、介子和超子等。科学家最早发现的粒子是电子和质子，1932年又发现了中子，确认原子由电子、质子和中子组成。以后发现的粒子越来越多，累计已超过几百种，且还有不断增多的趋势。

后来，科学家还发现，微观世界的粒子所遵循的物理规律和宏观世界有所差异。宏观世界的能量是连续的，而微观世界的能量是按照最小的单元跳跃式增长。这种能量的最小单元称为量子。在此基础上建立起来的物理学称为量子物理学，原子、电子、光子等粒子的活动则遵循量子物理学的相关定律。

有意思的是，量子物理学虽然表述的是微观粒子的活动规律，却是在宏观观测的基础上建立起来的。也就是说，物理学家观测粒子的宏观活动，然后推测出这些粒子的微观量子特征。

我们知道，在传统物理学领域，我们要了解某个物体的特征，可以直接观测单个的物体。比如，我们要总结滚动摩擦的特性，可以用一辆带轮子的小车来做实验。那么，为什么量子物理学家不直接观测单个粒子呢？这是因为单个粒子实在太小，且太活泼了，要找到单个的粒子就已经很不容易了，即使找到它们，它们也不会按照某种规律停留在某个地方或某个轨迹上。

捕捉光子的陷阱

由于粒子太小太活泼，于是科学家自然就想到设置个“陷阱”去困住这些粒子。这个思路听起来很简单，似乎常人都能想到。但是，设置这个陷阱却是个高难度的事情，一度被科学界认为是不可能的事情。法国物理学家赛日尔・阿罗什却率先完成了这个似乎不可能的任务。 阿罗什（右）在进行光子阱实验 瓦恩兰在设计原子钟

从1990年开始，阿罗什就在设法完成这个任务。最终，他在接近绝对零度（零下273摄氏度）的温度条件下，用两个高性能超导体充当的反光镜组成了一个光学陷阱。这种陷阱的科学术语为“高反射光学微腔”，或“光子阱”。

接下来，阿罗什成功地把一些光子引入到光子阱中。这些光子被困在反光镜陷阱中的时间仅仅为0.1秒。这个时间对我们普通人来说实在太短了，也不过一眨眼的时间。但是，对于量子物理学家来说，这个时间已经足够长了。

在这短短0.1秒的时间内，光子不断反弹的总移动距离居然高达3万千米，足以做很多测量和操控动作。阿罗什就是抓住了这个转瞬即逝的机会，将一个极为活跃的“里德博原子”送入“陷阱”中作为探针。这个原子在捕获光子后，将单个光子的量子信息呈现出来，就如同X光描绘出人体的内部构造一样。

阿罗什早在20年前就设置出光子阱，而且他一直坚持从事这个领域的研究，并不断获得新的突破。2011年，阿罗什在光子阱实验中引入反馈机制。当发现光子阱中的光子数变少时，他就注入新光子，令光子阱中保持固定数目的光子。采用这样的方法，就好像把一些光子永久地困在了光子阱中，这超越了爱因斯坦的希望――将光子困住几秒。

阿罗什花了很大的力气来建立光子阱，但是他曾经也不太清楚他的研究成果究竟会有什么实际应用。他说：“如果你像我们一样研究单个的粒子，那么你将可以以一种奇妙的方式来揭示量子力学，并且你也可以研究所有的量子过程。”也许，好奇心才是驱动他一生进行这项研究的动力，而研究工作本身就是对他最好的报答。

阿罗什在接到获奖的电话通知时正与妻子一起回家，他说：“我很幸运，我在街上走着，正好经过一个长椅，所以我就马上坐下来……当我看到是瑞典的号码时，我就知道好事来了，你知道那种感觉势不可挡。” 量子计算机通过操控粒子的量子状态来快速传输信息（漫画）。

捕捉离子的陷阱

在阿罗什的实验中，光子是被囚禁的粒子，而原子是探针。而美国科学家戴维・瓦恩兰设计的实验正好与之相反，他把离子（即带电的原子）囚禁起来，用光子作为探针去探测和操控它。

1975年，瓦恩兰被聘为美国国家标准技术研究所物理研究员。在那里，他成为离子储存团队的负责人。应用激光冷却离子技术，这个团队制造出了至2012年为止最准确的原子钟。正是在研制原子钟的过程中，瓦恩兰设计了捕捉离子的陷阱。阿罗什是用光学陷阱来囚禁光子，瓦恩兰则用电磁场作为陷阱来囚禁离子，这个陷阱的科学术语因此称为“离子阱”。为了确保被囚禁的是单个离子，需要这个实验在超高真空和超低温的条件下进行。要实现这些条件又是十分高难度的事情。最终，瓦恩兰完成了对单个离子的囚禁，测得了单离子的量子信息。

目前，许多研究人员都已经能在实验室中实现对单个粒子的囚禁，并在单粒子量子系统研究中取得了不少成果。但是，阿罗什和瓦恩兰是这个领域的开拓者，因此2012年的诺贝尔物理学奖颁发给了他们。

粒子陷阱的用途

目前，离子阱和光子阱已被广泛地应用于科学和技术研究的各个领域。尤其是近几十年来，人们以离子阱为工具，把激光冷却技术应用于离子阱，为精密测量、制造新材料、观察新现象、获得新知识提供了广泛的实验基础。

离子阱的研究还可以用来建造超高精度的原子钟。在这种新型的原子钟里，科学家用囚禁起来的离子取代了传统原子钟所采用的铯原子。目前，这种新型时钟已经达到了比传统铯原子钟高两个数量级的精度。在那样的精度下，哪怕从宇宙大爆炸之初开始计时，迄今的累计误差也只有区区几秒。

建造出这种人类历史上最精确的时钟，到底有什么实际意义呢？意义可是相当重大：人类可以更精确地测量各种宇宙常数，同时，也可以进一步验证广义相对论的各种预测。根据广义相对论，在引力场强度更高的地方或是在速度更快的状态下，时间的流逝将会变慢，这种微观效应很难在实际生活中观察到。而通过世界上最精确的原子钟，一个人即使是高度变化30米，或是以10米/秒的速度进行运动，时间对于他流逝的速度变化都可以测量出来――这将是验证广义相对论对于时空特性的描述的绝佳工具。

和实现精密的测量、制造更精确的原子钟相比，诺贝尔评奖委员会认可阿罗什和瓦恩兰的原因是他们开启了量子计算机时代的大门。两位获奖者的突破性实验方法使得整个研究领域向研制新型超快量子计算机又跨了一大步。由于量子计算机在理论上要比现有的计算机快成千上万倍，人们十分期盼它能尽快变为现实。

目前，量子计算机（在理论上将比现在的计算机快成千上万倍）是各国科学家竭力攀登的高峰。但这不仅涉及技术问题，也涉及许多基础物理问题。量子计算机需要克服的最大障碍是让处于宏观世界的我们如何去操控微观世界的粒子，最理想的情况是能够操控单个量子。量子计算机研究面临的难题之一就是如何操控单粒子的量子状态，而两位获奖科学家的研究让量子计算机的理论基础变得扎实起来。目前，科学家最乐观的预测是10年后能够出现最简单的量子计算机。

美国物理学会主席罗伯特・拜尔评价说：“阿罗什和瓦恩兰都通过优美的实验手段使21世纪有望成为量子世纪。”可能到21世纪中叶，量子计算机就会彻底改变我们的日常生活，其影响跟传统计算机在20世纪所做的不相上下。虽然量子计算机离实用还比较遥远，但是那一天一旦来到，新的技术革命也将随之出现。而这两块诺贝尔物理学奖奖牌，就像是纪念人类探索量子世界的里程碑。

篇2

中图分类号：TP3 文献标识码：A

1云计算技术的飞速发展

1.1云计算的提出

著名的美国计算机科学家、图灵奖 （Turing Award）得主麦卡锡（John McCarthy， 1927-）在半个世纪前就曾思考过这个问题。1961年，他在麻省理工学院 （MIT） 的百年纪念活动中做了一个演讲。在那次演讲中，他提出了像使用其它资源一样使用计算资源的想法，这就是时下IT界的时髦术语“云计算”（Cloud Computing） 的核心想法。

1.2云计算的含义

云计算是基于互联网的相关服务的增加、使用和交付模式，通常涉及通过互联网来提供动态易扩展且经常是虚拟化的资源。云是网络、互联网的一种比喻说法。过去在图中往往用云来表示电信网，后来也用来表示互联网和底层基础设施的抽象。狭义云计算指IT基础设施的交付和使用模式，指通过网络以按需、易扩展的方式获得所需资源；广义云计算指服务的交付和使用模式，指通过网络以按需、易扩展的方式获得所需服务。这种服务可以是IT和软件、互联网相关，也可是其他服务。它意味着计算能力也可作为一种商品通过互联网进行流通。

1.3云计算的特点

（1）资源配置动态化。根据消费者的需求动态划分或释放不同的物理和虚拟资源，当增加一个需求时，可通过增加可用的资源进行匹配，实现资源的快速弹性提供；如果用户不再使用这部分资源时，可释放这些资源。云计算为客户提供的这种能力是无限的，实现了IT资源利用的可扩展性。

（2）需求服务自助化。云计算为客户提供自助化的资源服务，用户无需同提供商交互就可自动得到自助的计算资源能力。同时云系统为客户提供一定的应用服务目录，客户可采用自助方式选择满足自身需求的服务项目和内容。

（3）网络访问便捷化。客户可借助不同的终端设备，通过标准的应用实现对网络访问的可用能力，使对网络的访问无处不在。

（4）服务可计量化。在提供云服务过程中，针对客户不同的服务类型，通过计量的方法来自动控制和优化资源配置。即资源的使用可被监测和控制，是一种即付即用的服务模式。

（5）资源的虚拟化。借助于虚拟化技术，将分布在不同地区的计算资源进行整合，实现基础设施资源的共享。

1.4云计算技术的发展应用

云计算的发展也给我们的生活方面带来各种各样的变化，主要包括基础设施即服务，平台即服务和软件即服务三方面的服务。这些服务应用在很多领域，如云物联、云安全、云存储、私有云、云游戏、云教育等方面。

2未来计算机

2.1量子计算机

量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理的量子物理设备，当某个设备是由两子元件组装，处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。

2.2神经网络计算机

人脑总体运行速度相当于每秒1000万亿次的电脑功能，可把生物大脑神经网络看做一个大规模并行处理的、紧密耦合的、能自行重组的计算网络。从大脑工作的模型中抽取计算机设计模型，用许多处理机模仿人脑的神经元机构，将信息存储在神经元之间的联络中，并采用大量的并行分布式网络就构成了神经网络计算机。

2.3化学、生物计算机

在运行机理上，化学计算机以化学制品中的微观碳分子作信息载体，来实现信息的传输与存储。DNA分子在酶的作用下可以从某基因代码通过生物化学反应转变为另一种基因代码，转变前的基因代码可以作为输入数据，反应后的基因代码可以作为运算结果，利用这一过程可以制成新型的生物计算机。生物计算机最大的优点是生物芯片的蛋白质具有生物活性，能够跟人体的组织结合在一起，特别是可以和人的大脑和神经系统有机的连接，使人机接口自然吻合，免除了繁琐的人机对话，这样，生物计算机就可以听人指挥，成为人脑的外延或扩充部分，还能够从人体的细胞中吸收营养来补充能量，不要任何外界的能源，由于生物计算机的蛋白质分子具有自我组合的能力，从而使生物计算机具有自调节能力、自修复能力和自再生能力，更易于模拟人类大脑的功能。现今科学家已研制出了许多生物计算机的主要部件―生物芯片。

篇3

中图分类号:TN911文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)05-047-04

Goals Optimization Based on Quantum Crowd Particle Algorithm in PHY

Layer and MAC Layer in Cognitive Radio System

XUE Zhoucheng1,LV Junwei1,NI Lei2

(1.Ordnance Engineering College,Shijiazhuang,050003,China;2.Unit 61451 of the PLA,Beijing,100094,China)

Abstract:Cognitive radio technology is tendency and the direction of future communication development,it is also the focus of the communication research.Aimming at solving the problem of goals optimization under certain channel condition in its physical layer and medium link layer in cognitive radio system.The problems of goals optimization problem in cognitive radio based on the basic thoughts of quantum particle crowd algorithm are solved and thoughts of quantum particle crowd algorithm in the cognitive radio system are used for carrying out proper improvements.Finally it emulates the optimization problem using the radio station controlled by WSGA.

Keywords:cognitive radio;quantum crowd particle algorithm;goals optimization;PHY layer and MAC layer

0 引 言

认知无线电(Cognitive Radio)将人工智能与无线电通信相结合,这个领域具有高度的多学科性质,混合了传统通信与电子工程的无线电,同时应用了来自计算机科学的一些概念[1]。基本定义可归纳为:它是可以感知外界通信环境的智能通信系统,认知无线电系统通过学习,不断地感知外界环境的变化,并通过自适应调整内部的通信机理达到对环境变化的适应。这样的自适应调整,一方面是为了改进系统的稳定性,另一方面也是为了提高频谱的利用率。根据认知无线电框架,用户首先需要检测频谱环境,估计当前信道中的干扰温度及其接入对邻近用户的干扰,根据这些测量数据,用户可以自适应地改变传输参数,以达到系统最终的性能最优。其基本任务是:环境分析、信道预测估计和信道预测建模、传输功率控制和动态频谱管理[2]。

认知无线电的目标是最优化自身性能以及支持用户的需求,但是“最优化”的含义是什么?它不仅仅是无线电用户追求自身资源消耗最大化的自适应参数调整,考虑在无线电通信上,如果两对节点在不同的网络上通信,传输在时间和频率上的重叠,会形成干扰。节点将低信干噪比(SINR)的情况认为是观测到了干扰,传统应对干扰的方法是通过增大发射功率来增加SINR,┮惶趿绰飞系姆⑸浠增加发射功率,另一链路也将会以提高发射功率来回应[3]。每个无线电用户都将通过增大自身的发射功率来使接收机的SINR最大化,这样最终会使功率增加到硬件的极限[4]。

在严重拥塞的频谱环境中,改变频率可能不是一个很好的解决方法,这是为什么要查找可能调整的所有物理层和链路层来改善其性能的原因[5]。

首先定义,在无线电中实现了满足用户的性能水平,并最小化其消耗资源(如占用的带宽、消耗的功率等)时,就认为“最优化”。因此应该知道用户的需要以及如何调整无线电性能才能满足这些需要。

在物理层中,中心频率、符号速率、发射功率、调制类型和调制阶数、脉冲成形滤波器(PSF)类型、阶数、扩频类型、扩频因子等都能进行调整。链路层上则为各种可以改进网络性能的变量,包括信道编码和交织类型和速率,以及接入控制方法,如流量控制、帧的大小以及多址接入技术等。

认知无线电遵循的基本过程是调整自身的参数来实现某一期望的最优性能组合。无线最优化概念是通过分析许多目标函数的输入与输出来描述的,在这种情况下,描述各个目标之间的相互依赖关系使用单目标分析系统变得困难,用户和网络的需求不能同时得到满足,这种需求会随着时间和具体情况发生很大变化。这时单目标函数已不能充分表示这些不同目标的需求[6]。

设认知无线电需调整的N个参数为a=,具体参数是发射功率、调制方式、中心频率、符号速率等,由于受各种制度、物理环境、硬件条件等方面的限制,认知无线电参数通常要满足很多约束条件。为适应当前外部条件,认知无线电需优化的目标函数为f=,其中n为目标函数的个数,目标函数的选择要求能反映当前的链路质量,如平均发射功率、数据速率、识码率、带宽、频带效率、数据包延时等。不同的链路条件、不同的用户需求导致不同目标函数的重要性不尽相同。在实际运用中可用权重数值的大小来反映目标函数的重要性程度。由此可知实现认知无线电参数的调整功能是一个多目标优化问题,即如何调整无线电参数取值来实现给定权重情况下多个目标函数的优化[7]。

由于缺少单目标函数的衡量,所以不能从经典的优化理论来获得调整无线电参数的方法,取而代之的是使用MODE标准来分析无线电性能。MODE理论使得人们可以在与之用来建模的目标函数个数一样多的维数中实现最优化,目前遗传算法已被广泛用于MODE问题的求解[1]。

MODE理论的核心是用数学方法选择一系列的参数,从而使一组目标函数最优化。MODE方法的基本表示如式(1)、式(2)所示:

min/max(y)=f()=),f2(),…,fn()〗(1)

约束条件:

=(x1,x2,…,xm)∈X

=(y1,y2,…,ym)∈Y(2)

其中,所有的目标函数都定义成最大化y或最小化y,最大化或最小化取决于具体的实际应用。x的值(即x1,x2等)表示输入;y值表示输出。式(1)提供了MODE的表示,但没有指定优化系统的方法。某些目标函数以某种方式进行组合会产生最优化的输出。在实践中可以有很多方法实现最优化,目前遗传算法运用最广泛。

传统求解多目标优化问题的方法有加权法、约束法、目标规划法等,这些求解方法按某种策略确定多目标之间的权衡方式,将多目标问题转换为多个不同的单目标问题,并用这些单目标优化问题的最优解构成的解集去近似最优解。这些方法和每次优化结果,只得到┮桓鐾仔解,而且采用不同的方法求解,结果可能完全不同。

本文引入的量子粒子群算法用于对MODE问题的求解,同时对于量子粒子群算法进行了一些改进。量子衍生计算是近年来新提出的一种新的计算方法,引进量子理论的进化算法具有很好的空间搜索能力。量子多目标进化算法具有更强逼近最优前沿的能力和更好的多样性,具有量子行为的粒子群算法,能保证全局的收敛性,其性能优于传统的遗传算法。

1 量子粒子群算法

1.1 粒子群算法的基本思想

粒子群算法(PSO)是由Kennedy和Eberhart等于1995年率先提出的,它借鉴鸟群捕食过程的社会行为,是一种并行进化的计算方法,引入惯性权重来实现对解空间的搜索控制,逐步形成了目前普遍应用的基本粒子群算法[8]。思想是:为将每个个体看作是D维搜索空间中一个没有体积和质量的粒子,在搜索空间中,以一定的速度飞行,并根据个体和群体飞行经验的综合分析来动态调整这个速度。设群体中第i个粒子为Xi,它经历过的位置为Pi,其中最佳位置记为Pbest,当前组成的群体中所有粒子经过的最佳位置记为Pgbest,粒子i速度用vi=(vi1,vi2,…,vid)表示,对第i次迭代,粒子i在D维空间的运动方程为:

vid(t+1)=w•vid(t)+c1rand()[pbest-xid(t)]+

c2rand()[Pgbest-x(t)]

xid(t+1)=xid+v(t+1)(3)

式中:w为惯性权重,它使粒子保持运动的惯性,使其有能力探索新的区域;c1,c2为常数;rand为范围的随机数。

1.2 量子比特的表示

提出量子比特编码多态问题可由式(4):

α1α2…αm

β2β2…βm〗(4)

表示为。通用量子旋转门调整则相应可表示为:

α′iβ′i〗=cos(Δθ)-sin(Δθ)sin(Δθ)cos(Δθ)〗αiβi〗(5)

1.3 量子粒子群算法

从量子力学的角度出发提出了一种新的PSO算法模型。这种模型以DELTA势阱为基础,认为粒子具有量子行为,并根据这种模型,提出了一种具有量子行为的粒子群算法。此算法具有简单易实现和调节参数少的优点,具有良好的稳定性和收敛性[9]。

借用粒子群中的群智能策略,将这种群的所有量子看成一个智能群体,找到每次迭代过程中局部最优解进行进一步的动态调整,其操作过程是:量子粒子i在┑j比特经i次迭后,速度、位置、个体最好和全局位置分别为vij(t),θij(t),θbestij,θgbestij,则速度和位置迭代公式为:

vij(t+1)=w•vij(t)+c1rand()+

c2rand()

θij(t+1)=θij(t)+vij(t+1)(6)

本文基于以上量子粒子群算法的基本思想,采用基于Pareto支配关系的排序关系来更新粒子的个体最优值和局部发最优值,定义一种新的极大极小距离方法,并采用该距离方法裁减非支配解。利用量子粒子旋转门更新粒子的量子角度,提出了一种新的多目标优法算法。

1.4 基于距离方法的量子粒子群多目标优化算法

提出用于计算适应值的距离方法――量子粒子群多目标优化算法(Quantum Bit Particle Swarm Optimization,QBPSO),来解决多目标优化问题。这种方法的基本思想是根据每个个体到前┮淮获得的Pareto解之间的距离来分配其适应值。它采用外部惩罚函数将多目标优化问题转换为无约束问题。其中,参数r控制惩罚项的幅度,Pi是初始潜在值。

该距离方法对于Pi和r的设置比较敏感。对于任何不可行解,r的值越高,计算得到的距离值也越高,因此,适应值最终接近于0,如果太多,个体的适应值为0,搜索将无法进行。另外,如果初始潜在值与不同解之间的适应值差别会很不明显。这将导致选择压力过小,结果导致算法收敛速度较慢。另一方面,如果初始潜在值过小,计算得到的适应值将趋向于0。

对于每个个体历史最优解的选取,采用以下步骤:

(1) 如果当前解支配个体i个历史最优解,则作为历史最优解。

(2) 如果当前解不支配i个历史最优解,则比较当前解和历史最优解的D(i)值,选择具有较小D(i)的那个解作为历史最优解[10]。

1.5 惯性权重的改进

惯性权重类似模拟退火中的温度,较大的w有较好的全局收敛能力;而较小的w则有较强的局部收敛能力,惯性权重w满足:

w(t)=0.9-(0.5t)/MaxNumber(7)

式中:MaxNumber为最大截止代数。这样,将惯性权重w看成迭代次数的函数,可从0.9~0.4线性减少。

虽然该方法能保证惯性权重w随迭代次数的增加而减小,但在每一代中,所有粒子的惯性权重均一样,不能很好地体现每个粒子的支配关系和拥挤程度。因此,在本文算法中,采用不动态设置惯性权重。

惯性权重w=群体粒子数/个体粒子数N+被粒子I所支配的粒子数+距离密度D(i)。

可以看出,惯性权重取值区间为(0.33,1),在算法当前期粒子惯性权重趋向于后期惯性权重时,逐渐趋于1,而且在每次迭代过程中各个粒子的惯性权重也不尽相同,越好的粒子获得的惯性权重越小,越差的粒子获得的惯性的权重值越大。该方法能更好的平衡和局部搜索,提高算法的收敛速度。

1.6 算法流程

上述量子粒子群算法流程如下:

(1) t0,初始化种群Q(0)。

(2) 对初始化种群的各个体实施测量,得到一组状态P(0),并进行适应度评估。

(3) While 非结束条件do。

Begin

① tt+1;

② 对于Q(t-1)实施观测,得到P(t),进行适应评估;

③ 比较各解,计算各解所支配的解的个数;

④ 计算极大极小距离,求出各Pareto解的D(x)值;

⑤ 利用基于量子门旋转策略更新Q(t)。

End

2 算法验证及基于某型电台的最优化仿真

本文改进的这种基于粒子群化多目标优化算法,采用新的距离方法,以保持解群体的分布性能,同时,动态设置粒子的惯性权重,有效地保持了算法前期全局搜索和后期局部搜索之间的平衡。以多维0/1背包问题为测试对象,经多次实验结果表明,该算法具有较好的收剑性和保持解的分布性。该算法能够快速搜索到多目标优化问题的Pareto前沿,特别对多维、复杂优化问题提供更有效的方法[10]。

下面以某型电台为例,它是基于硬件的平台,具有有限的参数和调整范围,所有的物理层特性如表1所示。

在受限制的无线电台中,量子粒子群算法也是可行的,设计试验由WSGA控制的点对点无线电链路和作为干扰的第三个同型号的无线电台组成。

表1 硬件参数的配置

参数范围参数范围

频率5 730~5 820 MHz编码速率:1/2,2/3,3/4

功率6~17 dBmTDD29.2%~91%

调制QPSK,QAM8,QAM16

注:QPSK为正交相移键控;TDD为时分双工。

试验包括建立一条高流量的初始视频链路,当出现干扰时,信号质量迅速下降且变得无法区别时,WSGA接着运行,目标函数设置为最小化BER、最小化发射功率、最大化数据速率、电台不改变现有的频率,测试目的是为了测试无线电如何处理其他参数。

试验中显示了在测试中WSGA的良好性能,但仍然希望有更灵活的平台,这样就能建立一个软件无线电(SDR)的物理层仿真,具有更多的可调参数,以及更大的调整范围,如表2,表3所示。

表2 仿真参数

参数范围参数范围

功率0~30 dBmPSF滚降系数0.01~1

频率2 400~2 480 MHzPSF阶数5~10

调制MPSK,MQAM符号速率1~20 MSPS

调制M2~64

表3 仿真试验条件

函数

权重最小频谱占用最大流量干扰避免

BER255100200

带宽25510255

频谱效率100200200

功率22510200

数据速率100255100

干扰00255

在此时的无线电仿真参数和条件下,目标函数为BER、占用带宽、功率、数据速率以及干扰量。

运用算法如表3所示,每个目标都得到了优化,每个结果BER都为0。

第一试验:如图1所示,将占用频谱最小化为1 MHz。

第二试验:如图2所示,将流量最大化为72 Mb/s。

第三试验:如图3所示,找到一个嵌入干扰空隙的解。

图1 占用频谱最小化为1MHz

图2 流量最大化为72 Mb/s

图3 一个嵌入干扰空隙的解

3 结 语

认知无线电的设计目标是优化自身的性能,支持用户需求。当无线电在达到具有一定水平的性能,且满足用户需求时,对占用带宽和电池功率等资源消耗最小时,就实现了优化。本文所讨论的算法可解决物理层和链路层参数调整的一些基础性问题。

参考文献

[1][美] Bruce A Fette.认知无线电技术[M].赵知劲,郑仕链,译.北京:科学出版社,2008.

[2]Mitola J,Maguire G.Cognitive Radio:Making Software Radios more Personal[J].IEEE Personal Communication Magazine,1999,6(4):13-18.

[3]Mitola J.Cognitive Radio for Flexible Mobile Multimedia Communications[J].1999 IEEE International Work-shop on Mobile Multimedia Communications,1999,10(3):15-17.

[4]Ganesan G,Li YG.Cooperation Spectrum Sensing in Cognitive Radio Networks[J].Proceedings of IEEE,2005:137-143.

[5]Mitola J.Cognitive Radio for Flexible Mobile Multimedia Communications[J].Mobile Networks and Applications,2001,6(5):435-441.

[6]Urkowitz H.Energy Detection of Unknown Detection Signals[J].Proceedings of IEEE,1997,55:523-231.

[7]Nuttall A H.Some Integrals involving the Qm Function[J].IEEE Trans.on Information Theory,1975,21(1):95-96.

篇4

为了便于厘清量子通信技术的相关概念，本文基于量子行业曲线linkindustryDOI：10.3969/j.issn.1001-8972.2022.11.002可替代度影响力行业关联度技术的发展以及相关概念内在的联系，下面着重对量子、量子通信、量子密钥分发以及量子保密通信的概念分别予以阐述。

1.1量子

普朗克提出了光辐射的能量是非连续的，而是一份一份的，对于频率为ν的电磁波，这一份能量为hν，其中，h为普朗克常数。这一份能量就是电磁波在频率ν下的最小能量。随着频率的不同，这个最小能量也不同，普朗克称这个最小能量为“量子”（Quantum）。爱因斯坦看到了普朗克的量子假说后，更进一步地认为，电磁波本质上就是由一份一份的能量组成的，他称为光量子，也就是光子（Photon）。

1.2量子通信

20世纪90年代以后，随着对量子等微观粒子的不断调控，当人们将基于经典物理学描述过程的信息传输变换成基于量子力学描述和操控的过程时，便催生出了一种新的通信方式：量子通信。量子通信不应该简单地从字面意思理解为通过量子来通信，真正的“量子通信”的含义应是利用量子态作为信息载体来进行信息交互的通信技术。现阶段，量子通信的一种典型应用是量子密钥分发（QuantumKeyDistribution，QKD），量子密钥分发可用来实现经典信息的安全传输。

1.3量子密钥分发

量子密钥分发作为量子通信的典型应用之一，是最先实用化起来的量子信息技术。现有实际的量子密钥分发系统主要采用的是由IBM的C.H.Bennett和G.Brassard在1984提出的BB84协议，其与经典密码体制不同，量子密钥分发是基于量子力学的基本原理，能够保证密钥的安全性，这种安全性在学术界称为“信息理论安全”或者“无条件安全”，是经过严格的数学证明的。因此，量子密钥分发能够在空间上分隔的用户之间以信息理论安全的方式共享密钥。1.4量子保密通信量子密钥分发可以通过对量子态的传输和测量，为经典数字通信建立牢不可破的量子密钥，为经典信息的加密服务提供安全性保证，因此，可以将QKD技术作为密钥分发功能组件，结合适当的密钥管理、安全的密码算法和协议而形成的加密通信安全解决方案定义为量子保密通信。目前，以量子密钥分发为核心的量子保密通信已是量子通信领域的主要发展方向。基于前面的介绍，我们可以清晰地理出量子密钥分发、量子通信和量子保密通信的层次关系，如图1所示。

2.专利技术布局分析

近年来，国内外对量子通信技术日益重视，纷纷加大对相关技术的研发力度，图2、图3、图4、图8、图9分别展示的全球/中国量子通信行业规模以及量子通信技术的专利申请量和专利申请人态势的持续增长均可见一斑。我们通过对国际专利分类体系（IPC）和联合专利分类体系（CPC）中的与量子通信相关的分类号进行统计分析，得出与量子通信技术相关的分类号主要集中在H04L9、H04B10。其中H04L9主要描述的是量子密码相关的密码、密钥的产生、共享或更新，H04B10主要描述的是量子通信的传输系统。通过对H04L9下的专利统计分析，将其技术分支划分为量子密钥分发、量子秘密共享、量子隐形传态、量子安全直接通信、量子签名、量子随机数发生器。通过对H04B10下的专利统计分析，将其技术分支划分为信号生成、信号探测、信号调制。通过对上述技术分支进行统计，不难看出量子密钥分发、量子签名和信号探测三个技术分支的相关专利申请居前，从侧面也说明这三个技术分支是目前量子通信技术领域研究的热点和关注所在。下面选取了量子通信技术中的量子密钥分发和信号探测两个热点技术分支来着重了解一下。

2.1关键技术之密钥分发

通过对量子密钥分发技术的专利进行统计，由图6可知在全球和中国该关键技术近年来保持增长态势。聚焦到该细分技术领域的专利分析后，发现目前针对该技术分支的研究的关注焦点主要集中在：（1）离散变量量子密钥分发DV-QKD的改进。如CN213879845U中采用环形网络实现了一种三用户TF-QKD网络系统，对现有的只是两用户的量子通信TF-QKD协议进行改进，结构简单，易于实现；（2）连续变量量子密钥分发CV-QKD的改进。如CN107682144A中优化现有的信息调制技术，改进数据后处理流程，提高后处理的数据处理速度，提高CV-QKD系统的密钥率。在DV-QKD技术方面，尤其是双场量子密钥分发协议（Twin-FieldQuantumKeyDistribution，TF-QKD）的提出使得整个QKD传输系统的性能，尤其是数据传输能力，得到了显著提高，而CV-QKD技术在成本和集成度方面优势明显。基于目前CV-QKD技术和DV-QKD技术在安全传输距离方面存在的差异，以及两者由于固有的特点在应用场景上的不同侧重，使得两者可以形成很好的互补关系，从而具备了构建商业化系统的条件。当前国内在DV-QKD方面的研究机构主要有国盾量子、九州量子、国腾量子、华南师范大学、中国科学技术大学、安徽问天量子科技；在CV-QKD方面的研究机构主要有循态量子、华为、烽火通信、北京大学、北京邮电大学。

2.2关键技术之信号探测

通过对信号探测技术的专利进行统计，由图7可知在全球和中国该关键技术近年来同样保持增长态势。聚焦到该细分技术领域的专利分析后，发现目前针对该技术分支研究的关注焦点主要集中在：（1）探测效率的改进。如CN112929170A中引入本地本振强光，避免接收机的探测效率变低，提高系统的成码率。（2）系统设计的改进。如CN107196758A中提供一种单光子探测方法，通过对同步信号进行相位切换和分段延时扫描的方式达到单光子信号的正周期延时，降低系统的冗余度。目前，单光子探测技术是量子通信系统中接收端探测微弱量子信号的主流技术，其中的超导纳米线单光子探测（superconductingnanowiresinglephotondetector，SNSPD）技术具备低暗计数、高量子探测效率等优异特性，成为量子通信系统信号接收端重点关注对象。2021年7月5日，中科大潘建伟团队在预印本arXiv上公开了113个光子的量子计算机原型机“九章2.0”，在实现“高斯玻色取样”任务的快速求解的同时，其中的一项核心技术SNSPD，使得平均系统探测效率达到了83%。

2.3量子通信技术的创新主体情况

从全球范围的量子通信技术专利布局情况来看，目前国内走在前列的创新主体有：九州量子、神州量子、安徽问天、国盾量子、如般量子、中国科学技术大学、北京邮电大学、华南师范大学、中国电子科技集团公司电子科学研究院、阿里巴巴。国外的创新主体主要分布在美国、欧洲、日本、韩国，包括：日本的东芝公司、日本电信电话株式会社、三菱株式会社、日本电气株式会社，美国的MagiQ技术公司、惠普、谷歌，芬兰的诺基亚，英国电信集团，韩国电子通信研究院、韩国科学技术院。

篇5

没有人会说“这里”的事物存在，而不在“这里”的事物不存在。那么为什么我们会说“现在”的事物存在，而不处于“现在”的事物就不存在呢？“现在”究竟是客观的、流动性的、让事物延续存在的概念，还是和“这里”这个观念一样，只是存在于我们大脑中的主观反应？

这似乎是个深奥的问题，但是在现代物理学中，已经成为一个亟待解决的问题。爱因斯坦的狭义相对论表明，“现在”这一概念也是主观的。物理学家已得出结论，“现在”对整个宇宙普遍适用的观点是说不通的。爱因斯坦在其挚友米歇尔・贝索去世后，给米歇尔的妹妹写了一封感人的信，信中说：“他只是比我稍早一点离开了这个奇怪的世界，这并没有什么，对我们这些笃信物理学的人来说，过去、现在与未来没有什么区别，只不过是一种持久并固有的幻觉。”

不管是不是幻觉，我们该如何解释时间在流逝这一事实呢？时间流逝对所有人来说都显而易见。我们的思想和话语存在于时间里，我们的语言结构需要这个有着“现在”、“过去”和“未来”的时间。德国哲学家马丁・海德格尔强调我们“生活在时间里”，但我们有没有可能不用“时间流逝”来描述世界？

一些哲学家，包括海德格尔的忠实追随者，都认为物理学无法描述现实生活中最基本的方面，他们将物理学看成是一种误导性的知识而加以排斥。但是，我们已经意识到有时直觉并不准确。如果我们一直坚信这种不准确的直觉，就会仍旧认为地球是平的，太阳绕着地球转。我们的直觉源于有限的经验。当我们抛开直觉再深入一些，就会发现地球并非我们看到的那样：地球是圆的，在我们脚下地球的另一面，人们脚朝上，头朝下。

尽管这看起来很生动，但我们体验的时间流逝并不一定反映基本的现实世界。可是如果不是，那么时间又来自何处？

我认为，从某种层面上看，答案就在于时间和热量之间的密切联系。只有热量流动时，我们才能发觉过去和未来的差别。热量与概率（即利用统计学计算出的大量粒子的运动）相关，而概率又与这样一个事实相关，即我们与世界其他地方的相互作用不能涵盖现实中的每个细节。时间流逝的观念源于物理学，但它的出现并不是为了精确描述事物，而是出现在统计学和热力学的情境中。这可能是解开时间之谜的钥匙。客观来讲，“现在”和“这里”一样，并不是一种客观存在，而是主观存在，但是世界内部微观的相互作用促使一个系统中（如我们自己）发生某些临时现象，这一系统只是以无数变量为媒介进行交互。

我们的记忆和意识都是建立在这些统计学计算出来的现象之上的。对某种假想的超智慧生命而言，时间不会流逝。正如爱因斯坦描绘的那样，整个宇宙是一幢由过去、现在和未来组成的大楼。但由于我们的意识存在局限性，我们只能对世界有着模糊的认识，认为自己活在时间里，因此也就产生了时间流逝的观念。

这样的解释还不够清楚，还有很多问题有待深入理解。“时间”处在各种复杂难题的中心，这些难题是由重力、量子力学和热力学交错在一起引起的。目前还没有一种理论能够整合我们了解这个世界所需的这三方面的基本知识。

篇6

大宝坪教学点是恩施市三岔乡、白杨坪乡、龙凤镇和七里坪交界的地带，交通极为不便。57岁的村民阳兴香告诉记者，她家离这个教学点是最近的，但也需要走5公里的路程。

阳家海说，1978年，他从师范毕业分配到张家槽小学任教。第二年，来到白杨坪乡大宝坪小学――就是现在这个最偏远的教学点，没想到一干就是33年，他见证了该小学的发展变迁。“我不能耽误孩子的教育，怎么把孩子教育好，让家长信任，就是我最大的满足。”

为了更好地把孩子教育好，阳家海把出门打工的妻子杜显翠叫回学校，义务给孩子做饭和辅导学习。杜显翠告诉记者，为了让阳家海不寂寞，他们以校为家，从18岁相伴，一直到现在人过中年。

阳家海教过的学生遍布全州内外。在福建打工的马晓东回来看望阳家海时说：“小学的生活留给我终身难忘的记忆。时隔几十年，阳老师还坚守在这教学点上，我想如果不是阳老师，这里的娃娃要到更远的地方去上学了，这学校垮不得。”

（宋正艳）

量子物理或可“操纵”过去事件

维也纳大学量子光学和量子信息学院及维也纳量子科学与技术中心的研究人员，首次在实验中证明，有关两个粒子是否处于纠缠或分离的量子状态，或可由这些粒子被测量后和不再存在时来决定，从而实现对过去事件的模拟、操纵。

作为奥地利理论物理学家和量子力学的奠基人之一，埃尔温・薛定谔曾表示纠缠是量子力学的特殊性质，其也是新兴的量子密码学和量子计算等量子信息技术的关键资源。

纠缠的粒子所表现出的相关性，比经典物理学定律所允许的更强大也更复杂。如果两个粒子处于纠缠的量子态，它们就能完全地定义共同属性，并以损失自己的个体特性为代价。通常，我们会认为无论骰子是否纠缠，量子态的性质至少应是现实的客观事实，研究人员现在却可在实验中证明，情况并非一直如此。

他们实现了名为“延迟选择纠缠交换”的“思想实验”，这项实验由亚瑟・佩雷斯于2000年提出。根据爱因斯坦的名言，量子纠缠效应将呈现出“鬼魅似的远距作用”。而这一实验又向前迈进了一步，依照传统的观念，量子力学甚至可模拟对过去事件的未来影响，实现量子对于过去的“操纵”。

此研究看似很复杂，但说不定反而更容易让人理解――特别是对于那些福尔摩斯和波洛的拥趸，以及穿越剧的粉丝们。不过，相较而言，量子纠缠对过去事件的再现应该更加类似于神探对犯罪现场的精准还原，而远没有穿越剧的编剧、导演派一位现代人改变历史那般厉害。（张巍巍）

科技竞赛参赛队多被名校垄断

记者在采访中发现，以中小学生为主的青少年科技创新大赛、各类机器人比赛，出现了“高”“精”“富”的现象。“高”是指高科技产品增多，“精”是指参赛项目涉及技术研发新领域甚至是前沿领域的增多，“富”是指项目完成花费较高。

确实，单看作品名称，就会感受到“高”“精”的含义：槲芪散主要成分与肝癌细胞增殖机制、雄性田鼠基因表达、病毒聚合酶PA亚基N段蛋白表达、石墨烯用于环境净化纳米催化剂……“以前一个小制作就有可能获奖，现在已经不行了。”一位评委这样评价，有些项目的研究水平甚至已达到大学本科、研究生水平。

与前几届类似，今年的青少年科技创新大赛中，北京市海淀区、西城区、东城区等区代表队大都被名校垄断，通州、顺义、怀柔等郊区县代表队也差不多都是区内示范校，郊区县普通中学的学生凤毛麟角。

北京市科协早就注意到了这种差距，并一直努力解决。“科技教育的差距大，不是科协一个部门就能够改变的。”北京市科协副主席周立军介绍，预赛时，有按照学生人数分配进入决赛的规定，而且在同等条件下有倾斜政策。可郊区县和一些普通学校的选手太少，根本报不上来。 （柳 海）

怎样提高课堂效率

一、精心准备课堂教案

备好课是上好课的前提，我们备课时既要备教材教法，更要备学生。要了解学生实际情况，要吃透教材和大纲，根据大纲和教材要求抓住教学重点与难点，根据教学内容创设一些学生感兴趣的教学内容和轻松的学习环境，让学生在轻松自在的气氛下学到知识。

二、有效创设课堂活动情境

根据学生的认知规律、心理特点及教学内容，创设良好的学习情境，有助于激发学生学习兴趣。教师作为课堂的主导者，要运用引导、启发、提问的方式影响学生，全面了解学生的知识基础、身体素质、对所学内容的兴趣程度，才可以把握学生的心理需求，精心创设课堂活动情境，调动学生的学习积极性。

三、恰当选用课堂教学方法

长期使用一种教学方法，学生会变得有些麻木。他们不愿意每节课都一成不变，他们需要恰当、新颖的教学方法。

四、合理进行课堂训练

有效训练，就是对知识巩固提高，可采用比赛、游戏等形式对主要内容进行巩固提高。这既活跃了课堂气氛，又达到巩固的效果。

五、及时反思课堂教学成效

课后反思也是对本节课的总结。总结就有好有坏，我们更侧重的是差的一面。自我总结本节的不足之处，下一节的时候，尽量避免。课后反思一定要及时记录、整理，这样才能更好地指导后续的教学实践。

精心创设教学情境，采用一些新的手段和方法，不仅可以激发学生学习的欲望，也能最大限度地调动学生练习的积极性，让学生在乐中学，趣中练，让学生体验到学习的乐趣，从而形成良好的学习习惯。同时，不断反思自己的教学，不断实践，教学效果就一定能提高。

（陈正兵）

大家小书，远近成趣

2011年夏天，北京大学出版社出版了一套装帧典雅别致的小丛书，虽然只有薄薄的四册，然而拿在手上很有些分量。这并不是因为其精装本的硬皮封面的重量，而是这套书的作者，真正可以称得上是大家。这套书命名为“远近丛书”，每一本书由一位中国作者和一位法国作者就同一主题同时撰写，然后用法文和中文互译出版。“突出不同文化环境中个人的体验和差异……把两个全然不同的普通人的生活体验联结在一起，达到互相参照和沟通的目的……”这种设计，无论在中国还是法国，都是第一次。

这套书独特的格局在于“大家小书”。看看作者阵容就一目了然。《天》的中方作者是汤一介先生，法方是汪德迈先生。汤先生治魏晋玄学半个多世纪，可谓是一代宗师。汤先生的古代思想史研究，博而通，深且透。《天》的法方作者汪德迈是法国东亚研究的资深教授，成就卓著。汪先生谈“天”与汤先生颇为不同，他从地中海的“天”说起。汪先生熟知中国文化，故而还时常与中国文化（如《易经》）中的“天命观”作一番比较，这就与汤先生构成直接对话。

再看看《童年》这本书，又是另一种韵味。这本书的作者分别是张炜和施舟人。张炜正值壮年，施舟人年过古稀。两代人从不同国度、不同文化回首童年往事，为我们打开了两扇童年的大门，看到不同年代不同民族中两个孩童各异的命运。

这套书还有另外两本。一本是哲学家高宣扬先生与艺术家程抱一先生的《对话》，一本是唐克扬先生和巴士曼先生的《树》。

这套书读起来让人不忍释卷，就在它有一种自由亲切的风格。这既是大家之间的坦诚对话，也是与读者的真挚谈心。那些看似高远深奥的学理，在这里谈得非常真切清晰，如身边的事物，如日常的感怀。

（周 燕）

外国名校怎样定义优秀

在西方，许多大学甚至不设入学考试，学生凭其之前学校的在读成绩和其他文书材料提交申请即有机会被大学录取。即使是SAT、ACT这类考试的设立也是为了提供一个学术参考，完善大学招生官的评估体系，而非唯一标准。

对于西方的大学，排名并不重要，成绩也非绝对――关键是找到适合自己的学校。每一所美国的大学都有自己的风格，正是这样的风格成为他们吸引不同学生的标志。比如麻省理工学院从来都是标新立异、不走寻常路。这一点，是不能用成绩去体现的，而习惯了以分数为目标的中国学生往往忽视教育及大学的内涵。

海外院校招生要求时，顶尖大学会注明他们欢迎“优秀”学生申请。此“优秀”轻易地被中国学生们理解为高分。诚然，高分是优秀在学术能力上的体现之一(也取决于该分数考核是否达到检验学生真实水平的目的)，而除此之外，优秀可以体现在学业之外的各个方面――课外活动、艺术修养、乐器演奏、组织领导能力……评价标准的差异，致使众多中国学生想入常青藤的门，却有时找不到正确的方向。

（林文广）

国际不打小孩日

4月30日是“国际不打小孩日”。这个节日的口号是：“请来试试看，至少在今天不要打小孩，或者你将会发现，今天过后的每一天，你都不需要打小孩了。”

篇7

物理学所蕴含之美主要包括:对称美、简洁美、和谐美、统一美。

1.对称美

由于物理学揭示了自然界物质的存在、构成、运用及其转化等规律的对称性而产生的美感,称为物理学的对称美。

物理学中的对称主要表现为时空对称、数学对称和抽象对称。

时空对称有空间对称、时间对称、时间和空间同时对称三种类型。时空对称表示物理现象在时空变换下的不变性。如杠杆的平衡、平面镜成像、磁体的两极、电荷的正负表现了物质的直观形象在空间上的对称;匀速运动的速率在运动过程中的任一点都相等,相干光在干涉空间任一区域都保持相等的条纹宽度等表现了物质在运动变化过程中的空间对称;周期、节奏、频率等表示了时间对称;不随时间变化的匀强电场、匀强磁场表现出既具有时间对称,又具有空间对称等等。

数学对称表示物理内容在教学形式(图与式)上的对称性。如简谐振动的振动图线、简谐波的波形图线具有对称性。这种对称性表示了物理内容在数学图形形式上的对称。万有引力定律、库仑定律与距离之间都具有对称性,这些对称性表示了物理内容在数学表达式上的对称。

抽象对称表示以抽象的方式所反映出的物理内容的对称。由于在无穷大或无穷小的尺度上研究物理问题,很难具有直观性,故很多物理形象及物理内容所呈现的对称具有抽象性。如处于平衡态的气体对容器壁的压强处处相等;处于平衡态的气体分子的热运动在三维空间各个自由度上发生的几率相等,这些都体现了物理内容的抽象对称美。

2.简洁美

由于物理学揭示了自然界物质的存在、组成、运动及其转化等规律的简单性而产生的美感,称为物理学的简洁美。

从物理理论的整体来看,在形形的物理世界中,各种物理现象和过程千差万别,但在本质上却可逻辑地归结为为数不多的若干基本概念和原理。例如,宇宙中纷乱的种种作用力,在本质上可归结为四种:万有引力、电磁力、强相互作用力、弱相互作用力;牛顿定律将宏观低速条件下各种机械运动的现象都置于其统治之下;麦克斯韦方程组使复杂的电磁运动形成了一个和谐美满的家庭;量子力学理论使行踪飘忽的微观粒子眉目清晰……F=ma,E=mc2等等,其形式是多么的简洁而优美。这些都体现了物理学理论整体的简洁美。

物理学中的理想化方法是从多维的具体形象中,抓住最具有本质特征的主要形象,舍弃一些次要形象,建立起一个轮廓清晰、主题突出的新形象,从而简化物理问题。显然,具有简洁美。

3.和谐美

和谐是指由于组成整体的各个要素相互间恰到好处而在整体上显现出协调。和谐给人以一种恰如其分、浑然一体、轻松自如的美感。物理学的和谐美,主要是指由于物理理论揭示了自然界物质的存在、构成、运动及其转化等整体上的和谐性而产生的美感。它主要表现在自洽、对应和互补三个方面。

自洽,与其基本含义一致,即自身内不存在不可统一的矛盾。物理学中的自洽和谐美,主要体现在物理学各分支理论内部以及各分支理论之间在现象、概念、规律等方面都是互不矛盾的。

对应和谐美是指由物理学不同理论间的对应关系而展现的物理学和谐美。对应是高级理论对低级理论的包容,或者是说低级理论是与高级理论在某一特定条件下的结论相一致。具体地说,对某领域正确的物理理论,在新的、更加普遍的理论出现时,并不作为错误的东西被抛弃,而是作为新理论的极限形式和局部情况,在新理论中保持原有的意义。如当v

互补和谐美是由物理学各部分之间的互补关系而展现出的物理学和谐美。所谓互补,就指彼此间弥补、相辅相成。物理学中的互补主要表现在不同的、甚至是相互排斥的物理理论,从不同的侧面描述物理学的研究对象。如光的波动性与粒子性、微观粒子的波动性与粒子性,都分别从不同的侧面反映了光与微观粒子的本质。在这里,波动性与粒子性既互斥,又互补。

4.多样统一美

篇8

中图分类号：F719 文献识别码：A 文章编号：1001-828X（2016）012-000-01

前言

现代科技技术的发展催生了“大数据”，大数据的产生不仅变革了信息技术，还为人们提供了有效方法，极深远地影响了社会经济等各个生活领域，促使各个企业开始实行网络营销模式，开展网络营销业务，本文就这个方面开始探讨网络营销中应用大数据的措施。

一、大数据和网络营销

大数据的意思简而言之就是大量的数据，深层含义是使用现代化的先进计算机技术，处理非人力或常规处理技术所能处理的大量数据，传统处理技术很难处理这些大量的数据资源，因此导致资源利用率低，鉴于现代化进程加快的背景，每天都会产生大量的数据，时间的推移只会让这些数据以滚雪球的速度增长，资料显示，互联网每天产生的数据有40ZB，所以，现代网络营销中，依托大数据，很多企业往往拥有大量的数据资源，但数据处理技术却不成熟，难以处理大量的数据。但企业在进行业务工作时，统计各个环节、统计分析客户和市场数据都会产生大量的数据， 怎样有效管理和利用这些大数据，对许多企业而言是一个比较严峻的问题。而进行网络营销又离不开这些大数据，因此，做好计算机大数据处理技术十分重要。

二、大数据下的网络营销模式更新

科技的发展促进了计算机技术的发展更新，网络营销中利用计算机技术，可以有效汇总大量的有用信息，创建一个基于大数据的网络营销模型。大数据之下，网络营销若想长久发展就必须不断更新，利用新技术不断摸索新方式。

（一）建立商品关联挖掘网络营销模式

商品关联挖掘营销是指在某种特殊联系的基础上将两种商品放在一起，进行营销推广，比如，美国的经典案例，啤酒和尿布，销售商将这两种商品放在一起销售，表面看起来这两种商品似乎并没有什么联系，但实际上却大有门道，许多美国妇女由于做家庭主妇非常忙，没有时间买尿布，所以往往让爱人下班时去买，将尿布和啤酒放在一起，人们在购买尿布时就会顺手买些啤酒，这就是尿布和啤酒之间的特殊联系。这种商品关联挖掘网络营销模式需要以大数据为基础探索商品之间的联系。

（二）建立基于大数据的社会网络营销模式

使用社会数据进行网络营销会产生大量的数据，具体案例有利用QQ、微信等社交媒体，在这些社交媒体上广告，增加产品销量，比如，红米手机在QQ空间里广告，通过大量转发，达到了很好的宣传效果，从而大大提高了红米手机的销售量，甚至超出了售前预期销量，这就是利用大数据进行社会网络营销模式的优秀案例。

（三）建立基于大数据的用户行为分析营销

在大数据背景下建立用户行为分析营销模式意指通过记录和分析用户的上网数据，总结出用户的喜好和经济水平，筛选出有价值的潜在客户，对其制定一对一的营销计划。这种营销模式具有很强的针对性，目前基于这种营销模式还开发出了一种新的社交工具――云信，它可以依据消费者发出的产品评价和社交历史记录自动分析消费者对产品的喜好程度，建立一个用户系统，为网络营销提供大量的、潜在的、有购买欲望的客户。

（四）建立基于大数据的个性化推荐营销

网络营销模式中，基于大数据背景下的个性化推荐营销模式是非常重要的模式，在目前的一些社交网络平台中，比如微信、微博、知乎等，用户可以根据自己的喜好建立属于自己的社交圈，在自己的社交圈中随时随地自己喜欢的信息，利用大数据，销售者可以收集这些用户喜欢的信息，分析消费者的心理需求，利用快速的网络传播速度和目前庞大的社交群体，进行个性化的商品推荐，这种营销方式和用户行为分析营销方式有很大的相同点，也具有极强的针对性。

（五）建立现代通信的大数据分析营销模式

现代通信数据分析营销模式的运用在实际生活中的例子有很多，其中比较有名的有淘宝中量子恒道统计，它主要有两种功能，一种是量子恒道网站统计，另一种是量子恒道店铺统计，网站统计主要是统计客户和第三方的一些数据和内容，比如网站访问量，全面监控数据变化，同时通过分析收集的互联网数据，归纳总结客户的网络使用规律，根据分析结果制定相关的网络营销策略，量子恒道店铺统计通常是实时统计淘宝店铺在运营中产生的数据，利用这些数据对店铺作出相应修改，吸引客户。

三、网络营销中应用大数据应注意的问题

以上是几种基于大数据基础的创新网络营销模式，利用大数据，网络营销可以实现无数种新型模式，但要达到高效利用大数据还需注意几下几点：第一，加强网站建设和运营管理，企业要进行网络营销首先是要建立一个公共网站平台，通过网站平台顾客可以对企业有一个初步的了解，能否给顾客留下好印象，使其对企业产品感兴趣就看网站建设如何，所以，加强网站建设非常重要，建立好网站后还要对其进行运营管理，维护好网站，实时更新资讯，吸引受众；第二，建设一支复合型网络营销人才队伍。成功的网络营销离不开好的人才队伍，人才队伍是网络营销的基础，企业应重视人才吸收，培训现有人才，组间一支高素质、高技能的网络营销人才队伍；第三，积极使用网络营销新手段。在现代社会，科技技术日新月异，企业要做好网络营销必须及时跟上时代潮流灵活使用网络营销新手段，比如利用最流行的通信软件推广企业品牌。

四、结束语

互联网信息技术的不断进步不仅产生、更是加速了网络营销的发展，网络营销与传统营销手段相比，它依托网络平台，减少了广告宣传费用，不仅可以为企业减少成本投入，更是增加了利益收入。

参考文献：

[1]陈卓.基于大数据的中小企业网络营销问题及对策探讨[J].中国市场，2016，09：21-22.

[2]韩松洋.大数据时代政治网络营销的本质研究[J].陕西行政学院学报，2014，02：88-91.

篇9

以下精编一组课堂教学中的习题，帮助学生认识和巩固“连续变化”的观点，拓宽解题思路，激发学习物理的兴趣。

例1.如图1所示，湖面上有一个半径为45 m的圆周，AB是它的直径，在圆心O和圆周上的A点分别装有同样的振动源，振动情况相同，激起的波在湖面上传播的波长是10 m。若一只小船在B处恰好感觉不到振动，它沿圆周慢慢向A划行，在到达A之前的过程中还有几次感觉不到振动？（ ）

A.8次 B.9次 C.5次 D.2次

【解析】：由波的干涉原理知，波程差为？驻？姿处振动减弱，船在B处和A处的波程差均为OB-AB=R=45 m=4.5？姿，C为AO垂直平分线上的点AC-OC=O？姿，根据位移变化的连续观点，在从-4.5λ～0λ～4.5λ变化过程中，必有3.5λ，2.5λ，1.5λ，0.5λ，-0.5λ，-1.5λ，-2.5λ，-3.5λ，共有8处减弱点，故选A项。

例2.一个壁厚均匀的空心球壳用一根长线把它悬挂起来，先让空腔中充满细沙，然后让细沙从球底部的小孔缓慢流出来。如果让球小角度摆动，那么在细沙漏出过程中振动周期的变化情况

（ ）

A.变大 B.变小

C.先变大后变小 D.先变小后变大

【解析】：在“满”和“空”始、末两状态时，重心在球的几何中心上，细沙下漏过程中球的重心位置变化是连续的，先降低后升高，而单摆的摆长L由重心位置决定，由知周期T先变大后变小。

例3.如图3，两个等量同种电荷固定在A，B两点，在A，B两点的中垂线上有C，D两点，将一个检验电荷由C点移到D点，该检验电荷受到的电场力大小（ ）

A.由大变小 B.由小变大

C.先变大后变小 D.不能确定

【解析】：根据电场叠加原理知，AB中点O处和中垂线上无穷远处两极端位置的合电场均为零，由“连续变化”观点知，从EO=0变化到E∞=0过程中，中垂线上某处会出现合电场的极值点，不知C，D两点位于极值点的何侧，故电场力大小不能判定。

例4.如图4，宇航员进行素质训练时，抓住秋千杆由水平状态开始下摆，到达竖直状态的过程中，飞行员受到重力的瞬时功率变化情况是（ ）

A.一直增大 B.一直减小

C.先增大后减小 D.先减小后增大

【解析】：根据瞬时功率计算式P=mg×v×cosθ知，从开始到竖直状态两个极端位置时功率为零，由“连续变化”观点知，在荡到中间某处时刻有最大功率，故选项C正确。

例5.如图5，AOC是光滑直角型金属导轨（电阻不计），ab是一根金属直棒，电阻为R，它从静止开始在重力作用下由竖直位置落到水平位置过程中，a、b端始终与AO、OC接触良好，空间存在垂直纸面向里的匀强磁场，则ab棒在上述运动过程中（ ）

A.感应电流方向始终为ab

B.感应电流方向开始ba，后来变为ab

C.所受安培力大小先变小后变大

D.所受安培力大小先变大后变小

【解析】：因为Oab的面积先增后减，所以磁通量先增后减，由楞次定律知选项B正确；棒ab与AO、OC重合时两处极端位置时磁通量为零，但磁通量的变化率最大，中间位置时磁通量虽然最大但其变化率最小，故感应电动势先减小后增大，选项C正确。

例6.如图6，滑动变阻器AB的总电阻与图中R阻值相同，电源电动势为E，内阻不计，当触头P从右端A点开始一直滑到B点为止的过程中，电流表的度数将（ ）

A.逐渐增大 B.逐渐减小

C.先减小后增大到原值 D.先增大后减小到原值

【解析】：设AP段电阻为X。根据串、并联电路特点和欧姆定律可知：，上式分母存在极大值，IA 有最小值，而触点P在两极端位置A，B处时电流表示数均为，故应选C项。

例7.如图7，甲分子固定在坐标原点O，乙分子位于X轴上，甲、乙分子间的作用力与它们距离的关系如图7所示，F>0为斥力，F

A.ab加速，bc减速

B.ab加速，到达c时速度最大

C.ac过程，两分子间的势能一直减小

D.ad过程，两分子间的势能一直增加

【解析】：由于分子间同时存在相互作用的引力和斥力，c处为平衡位置，在abc间距连续变化过程中，分子间引力先增后减，加速度也先增后减，而乙分子的速度变化是连续的，其速度将一直增大，故选项B正确；因ac表现为引力，cd表现为斥力，ac过程引力始终做正功，分子势能一直在减小，故选项C也正确。

例8.如图8，一根足够长的水平滑杆SS′上套有一质量为m的光滑金属圆环（电阻不计），在杆的正下方与其平行放置一同样长的光滑水平木质轨道PP′，轴线穿过环的圆心，现使质量为M的条形磁铁以水平速度v0沿木质轨道向右运动，设磁铁与圆环的最终速度分别为vM和vm，则（ ）

A.磁铁穿过环后，两者先后停下来

B.圆环可能获得的最大速度为

C.一定有vM>vm

D.一定有vM

【解析】：根据法拉第电磁感应定律，磁铁与圆环间存在相互作用的一对内力（类似碰撞问题），在两者组成的系统内，由动量守恒定律知，磁铁减速的同时圆环在加速，由于速度变化是连续的，当且两者速度变化到相同时，共同匀速向右运动，根据Mv0=（m+M）v，选项B正确。

从上列几例可以归纳如下解题方法：在模拟量的连续变化过程中，要善于找出变化量的极值（最大或最小），一般是把研究的模拟量外推到两端分析寻找是否有极值，如在两端出现数值相同，则在变化过程中有一极值，也就是说自然现象中事物发展变化不可能是分裂的、间断的，总是连续变化的。

篇10

要说明科学语言何以能成为这样的中介，需要先对科学的认识结构加以分析。

作为一种形式化理论的近现代科学，其目的是力图摹写客观实在。这种摹写的认识论前提是一个外在的、自为的客体和作为其思维对立面的内在的主体间的双重存在。这一认识论前提在科学认识方面衍生出一个更实用的前提，就是把客体看作是一种自在的“像”或者“结构”（包括动态结构，比如动力学所概括的各种关系和过程）。

这一自在的实在具有由它的“自明性”所保证的严格规范性。这种自明性只在涉及存在与意识的根本关系时才可能引起怀疑。而科学是以承认这种自明性为前提的。因此科学实际就是关于具有自明性的实在的思维重构。它必须限于处理自在的实在，因为科学的严格规范性（主要表现为逻辑性）是由实在的自明性所保证的，任何超越实在的描述都会破坏这种描述的前提。这一点对稍后关于量子力学的讨论非常重要。

上述分析表明，科学的严格规范性并非如有唯理论倾向的观点所认为的那样，是来自思维，也并非如经验论观点所认为的来自具体手段对经验表象的操作，也并不象当代某些科学哲学家所认为的纯粹出于主体间的共同约定。科学的最高规范是存在在客观实在中的，是来自客体的自明性。一切具体手段只是以这种规范为目标而去企及它。

在科学认识活动中，不论是一个思维过程还是一个实验过程，如果其中缺失了语言过程，那就什么意义都不会有。科学语言与人类思维形态固然有很大的关系，但是它们可能在一个很高的层次上有着共同的根源。就认识的高度而言，思维形态作为人类的一种意识现象，对它进行本质的追究，至少目前还不能完全放在客观实在的背景上。因此，在科学认识的层次上，思维形态完全可以被视为相对独立的东西。而科学语言则是明确地被置于实在自身这一背景之中的。这就使我们实际上可以把科学语言看作一种知识，它与系统的科学知识具有完全相同的确切性，即它首先是与实在自身相谐合，然后才以这种特殊性成为思维与对象之间的中介。这才能保证，既使科学语言所述说的科学是关于实在的确切图景，又使思维活动具备与实在相联络的手段。

科学语言作为一种知识所具备的上述特殊性，使它成为客观实在图景构成的基本要素，或科学知识的“基元”。思维形态不能独立地形成知识，但思维形态却提供某种方式，使科学语言所包含的知识基元获得某种特定的加成和组合，从而构成一种系统化的理论。这就是语言在认识中的中介作用。由于任何事物都必须“观念地”存乎人的意识中，才能为人的心智所把握，所以，在这个意义上，一个认识过程就是一个运用语言的过程。

二、数学语言

数学语言常常几乎就是科学语言的同义词。但实际上，科学语言所指的范围远比数学语言的范围大，否则就不会出现量子力学公式的解释问题。在自然科学发生以前，数学所起的作用也还不是后世的那种对科学的叙录。只是由于精密推理的要求所导致的语言理想化，才推进了数学的应用。但归根究底，数学与前面说的那种合乎客观实在的知识基元是不同的。将数学用作科学的语言，必须满足一个条件，即数学结构应当与实在的结构相关，但这一点并不是显然成立的。

爱因斯坦曾分析过数学的公理学本质。他说，对一条几何学公理而言，古老的解释是，它是自明的，是某一先验知识的表述，而近代的解释是，公理是思想的自由创造，它无须与经验知识或直觉有关，而只对逻辑上的公理有效性负责。爱因斯坦因此指出，现代公理学意义上的数学，不能对实在客体作出任何断言。如果把欧几里德几何作现代公理学意义上的理解，那么，要使几何学对客体的行为作出断言，就必须加上这样一个命题：固体之间的可能的排列关系，就象三维欧几里德几何里的形体的关系一样。〔1〕只有这样，欧几里德几何学才成为对刚体行为的一种描述。

爱因斯坦的这种看法与上文对科学语言的分析是基本上相通的。它可以说明，数学为什么会一贯作为科学的抽象和叙录工具，或者它为什么看上去似乎具有作为科学语言的“先天”合理性。

首先，作为科学的推理和记载工具的数学，实际上是从思维对实在的一些很基本的把握之上增长起来的。欧几里得几何学中的“点”、“直线”这样一些概念本身就是我们以某种方式看世界的知识。之所以能用这些概念和它们之间的关系去描绘实在，是因为这些“基元”已经包含了关于实在的信息（如刚体的实际行为）。

其次，数学体系的那种严密性其实主要是与人类思维的属性有关，尽管思维的严密性并不是一开始就注入了数学之中。如前所述，思维的严密性是由实在的自明性来决定的，是习得的。这就是说，数学之所以与实在的结构相关，只是因为数学的基础确切地说来自这种结构；而数学体系的自洽性是思维的翻版，因而是与实在的自明性同源的。

由此可见，数学与自然科学的不同仅表现在对于它们的结果的可靠性（或真实性）的验证上。也就是说，科学和数学同样作为思维与实在相互介定的产物，都有可能成为对实在结构的某种描述或“伪述”，并且都具有由实在的自明性所规定的严密性。但数学基本上只为逻辑自治负责，而科学却仅仅为描述的真实性负责。

事实正是如此。数学自身并不代表真实的世界。它要成为物理学的叙录，就必须为物理学关于实在结构的真实信息所重组。而用于重组实在图景的每一个单元，实际上是与物理学的基本知识相一致的。如果在几何光学中，欧几里德几何学不被“光线”及其传播行为有关的概念重组，它就只是一个纯粹的形式体系，而对光线的行为“不能作出断言”。非欧几何在现代物理学中的应用也同样说明了这一点。

三、物理学语言

虽然物理学是严格数学化的典范，但物理学语言的历史却比数学应用于物理学的历史要久远得多。

在认识的逻辑起点上，仅当认识论关系上一个外在的、恒常的（相对于主体的运动变化而言）对象被提炼和廓清时，才能保证一种仅仅与对象自身的内在规定性有关的语言描述系统成为可能。对此，人类凭着最初的直觉而有了“外部世界”、“空间”、“时间”、“质料”、“运动”等观念。显然，这些观念并非来自逻辑的推导或数学计算，它是人类世代传承的关于世界的知识的基元。

然后，需要对客观实在进行某种方式的剥离，才能使之通过语言进入我们的观念。一个客观实在，比如说，一个电子，当我们说“它”的时候，既指出了它作为离散的一个点（即它本身），又指出了它身处时空中的那个属性。而后一点很重要，因为我们正是在广延中才把握了它的存在，即从“它”与“其它”的关系中“找”出它来。

当我们按照古希腊人（比如亚里士多德）的方式问“它为什么是它”时，我们正在试图剥离“它”之所以为“它”的属性。但这个属性因其离散的本质，在时空中必为一个“奇点”，因而不能得到更多的东西。这说明，我们的语言与时空的广延性合若符节，而对离散性，即时空中的奇点，则无法说什么。如果我们按照伽利略的方式问“它是怎样的”时，我们正是在描绘它与广延有关的性质，即它与其它的关系。这在时空中呈现为一种结构和过程。对此我们有足够的手段（和语言）进行摹写。因为我们的语言，大多来自对时空中事物的经验。我们运用语言的主要方式，即逻辑思维，也就是时空经验的抽象和提升。

可见，近现代物理学语言是一种关于客观实在的时空形式及过程的语言，是一种广延性语言。几何学之所以在科学史上扮演着至为重要的角色，首先不在于它的严格的形式化，而在于它是关于实在的时空形式及过程的一个有效而简洁的概括，在于与物理学在面对实在时有着共同的切入点。

上述讨论表明了近现代物理学语言格式包含着它的基本用法和一个根深蒂固的传统，这是由客观实在和复杂的历史因素所规定的。至为关键的是，它必须而且只是关于实在的时空形式及过程的描述。可以想象，离开了这种用法和传统，“另外的描述”是不可能在这种语言中获得意义的。而这正是量子力学碰到的问题。

四、量子力学的语言问题

上文说明，在描摹实在时，人类本是缺乏固有的丰富语言的。西方自古希腊以来，由于主、客体间的某种相互介定而实现了有关实在的时空形式和过程的观念及相应的逻辑思维方式。任何一种特定的语言，随着时代的变迁和认识的深入，某些概念的含义会发生变化，并且还会产生新的语言基元。有时，这样的变化和增长是革命性的。但不可忽视的是，任何有革命性的新观念首先必须在与传统语言的关系中获得意义，才能成为“革命性的”。在自然科学中，一种新理论不论提出多么“新”的描述，它都必须仍然是关于时空形式及过程的，才能在整体的科学语言中获得意义。例如，相对论放弃了绝对时空、进而放弃了粒子的观念，但代之而起的那种连续区概念仍然是时空实在性的描述并与三维空间中的经验有着直接联系。

量子力学的情况则不同。微观粒子从一个态跃迁到另一个态的中间过程没有时空形式；客体的时空形式（波或粒子）取决于实验安排；在不观测的情况下，其时空形式是空缺的；并且，观测所得的客体的时空形式并不表示客体在观测之前的状态。这意味着，要么微观实在并不总是具有独立存在的时空形式，要么是人类无法从认识的角度构成关于实在的时空形式的描述。这两种选择都将超出现有的物理学语言本身，而使经典物理学语言在用于解释公式和实验结果时受到限制。

量子力学的这个语言问题是众所周知的。波尔试图通过互补原理和并协原理把这种限制本身上升为新观念的基础。他多次强调，即使古典物理学的语言是不精确的、有局限性的，我们仍然不得不使用这种语言，因为我们没有别的语言。对科学理论的理解，意味着在客观地有规律地发生的事情上，取得一致看法。而观测和交流的全过程，是要用古典物理学来表达的。〔2〕

量子力学的反对者爱因斯坦同样清楚这里的语言问题。他把玻尔等人尽力把量子力学与实验语言沟通起来所作的种种附加解释称之为“绥靖哲学”（Beruhigunsphilosophie）〔3〕或“文学”〔4〕，这实际上指明了互补原理等观念是在与时空经验相关的科学语言之外的。爱因斯坦拒绝承认量子力学是关于实在的完备描述，所以并不以为这些附加解释会在将来成为科学语言的新的有机内容。薛定谔和玻姆等人从另一个角度作出的考虑，反映了他们以为玻尔、海森堡、泡利和玻恩等人的观点回避了经典语言与实在之间的深刻矛盾，而囿于语言限制并为之作种种辩解。薛定谔说：“我只希望了解在原子内部发生了什么事情。我确实不介意您（指玻尔）选用什么语言去描述它。”〔5〕薛定谔认为，为了赋予波函数一种实在的解释，一种全新的语言是可以考虑的。他建议将N个粒子组成的体系的波函数解释为3N维空间中的波群，而所谓“粒子”则是干涉波的共振现象，从而彻底抛弃“粒子”的概念，使量子力学方程描述的对象具有连续的、确定的时空状态。

固然，几率波的解释使得理论的数学结构不能对应于实在的时空结构，如果让几率成为实验观察中首要的东西，就会让客观实在在描述中成了一种“隐喻”。然而薛定谔的解释由于与三维空间中的经验没有明显的联系，也成了另一种隐喻，仍然无法作为一种科学语言而获得充分的意义。

玻姆的隐序观念与薛定谔的解释在语言问题上是相似的。他所说的“机械序”〔6〕其实就是以笛卡尔坐标为代表的关于广延性空间的描述。这种描述由于经典物理学的某些限定而表现出明显的局限性。玻姆认为量子力学并未对这种序作出真正的挑战，在一定程度上指出了量子力学的保守性。他企图建立一种“隐序物理学”，将量子解释为多维实在的投影。他以全息摄影和其它一些思想实验为比喻，试图将客观实在的物质形态、时空属性和运动形式作全新的构造。但由于其基础的薄弱，仍然只是导致了另一种脱离经验的描述，也就是一种形而上学。

这里所说的“基础”指的是，一种全新的语言涉及主客体间完全不同的相互介定。它涉及对客体的完全不同的剥离方式，也就是说，现行科学语言及其相关思维方式的整个基础都将改变。然而，现实地说，这不是某一具有特定对象和方法的学科所能为的。

可见，试图通过一种全新的语言来解决量子力学的语言问题是行不通的。这个问题比通常所能想象的要无可奈何得多。

五、量子力学何种程度上是“革命性”的

量子力学固然在解决微观客体的问题方面，是迄今最成功的理论，然而这种应用上的重要性使人们有时相信，它在观念上的革命也是成功的。其实，上述语言与实在图景的冲突并未解决。量子力学的种种解释无法在科学语言的基础上必然过渡到那种非因果、非决定论观念所暗示的宇宙图景。这就使我们有必要对量子力学“革命性”的程度作审慎的认识。

正统的量子力学学者们都意识到应该通过发展思维的丰富性来解决面临的困难。他们作出的重要努力的一个方面是提出了很多与经典物理学不同的新观念，并希望这些新观念能逐渐溶入人类的思想和语言。其中玻恩用大量的论述建议几率的观念应该取代严格因果律的概念。〔7〕测不准原理以及其中的广义坐标、广义动量都是为粒子而设想的，却又不能描述粒子在时空中的行为，薛定谔认为应该放弃受限制的旧概念，而玻尔却认为不能放弃，可以用互补原理来解决。玻尔还希望，波函数这样的“新的不变量”将逐渐被人的直觉所把握，从而进入一般知识的范围。〔8〕这相当于说，希望产生新的语言基元。

另一方面，海森堡等人提出，问题应该通过放弃“时空的客观过程”这种思想来解决。〔9〕这又引起了量子力学的客观性问题。

这些努力在很大程度上是具有保守性的。

我们试把量子力学与相对论作比较。相对论的革命性主要表现在，通过对时间和空间的相对性的分析，建立起时间、空间和运动的协变关系，从而了绝对时空、绝对同时性等旧观念，并代之以新的时空观。重要的是，在这里，绝对时空和绝对同时性是从理论上作为逻辑必然而排除掉的。四维时空不变量对三维空间和一维时间的性质依赖于观察者的情形作了简洁的概括，既不引起客观性危机，又与人类的时空经验有着直接关联。相对论排除了物理学内部由于历史和偶然因素形成的一些含混概念，并给出了更加准确明晰的时空图景。它因此而在科学语言的范围内进入了一般知识。

量子力学的情况则不同。它的保守性主要表现在：

第一，严格因果律并不是从理论的内部结构中逻辑地排除的。只是为了保护几率波解释，才不得不放弃严格因果律，这只是一种人为地避免逻辑矛盾的处理。

第二，不完全连续性、非完全决定论等观念并没有构成与人类的时空经验相关联的自洽的实在图景。互补原理和并协原理并没有从理论内部挽救出独立存在于时空的客体的概念，又没有证明这种概念是不必要的（如相对论之于“以太”那样）。因此，量子力学的有关哲学解释看似抛弃旧观念，建立新观念，实际上，却由于这些从理论结构上说是附加的解释超出了关于实在的描述，因而破坏了以实在的自明性为保证的描述的前提。所以它实际上对观念的丰富和发展所作的贡献是有限的。

第三，量子力学内在地不能过渡到关于个别客体的时空形式及过程的模型，使得它的反对者指责说这意味着位置和动量这样的两个性质不能同时是实在的。而为了保护客观性，它的支持者说，粒子图像和波动图象并不表示客体的变化，而是表示关于对象的统计知识的变化。〔10〕这在关于实在的时空形式及过程的科学语言中，多少有不可知论的味道。

第四，人们必须习惯地设想一种新的“实在”观念以便把充满矛盾的经验现象统一起来。在对客体的时空形式作抽象时，这种方法是有效的。而由于波函数对应的不是个别客体的行为，所以大多新的“实在”几乎都是形而上学的构想。薛定谔和玻姆的多维实在、玻姆在阐释哥本哈根学派观点时提出的那种包含了无限潜在可能性的“第三客体”〔11〕，都属于这种构想。玻恩也曾表示，量子力学描述的是同一实在的排斥而又互补的多个影像。〔12〕这有点象是在物理学语言中谈论“混元”或“太极”一样，很难说对观念有积极的建设。

本文从科学语言的角度，对量子力学尤其是它的哲学基础的保守性作出一些分析，这并不是在相对论和量子力学之间作价值上的优劣判断。也许量子力学的真正价值恰恰在于它所碰到的困难是根本性的。

海森堡等人与新康德主义哲学家G·赫尔曼进行讨论时，赫尔曼提出，在科学赖以发生的文化中，“客体”一词之所以有意义，正在于它被实质、因果律等范畴所规定，放弃这些范畴和它们的决定作用，就是在总体上不承认经验的可能性。〔13〕我们应该注意到，赫尔曼所使用的“经验”一词，实际上是人类对客观事物的广延性和分立性的经验。这种经验是科学的实在图景成立的基础或真实性的保证，逻辑是它的抽象和提升。

在本文的前三节已经谈到，自从古希腊人力图把日常语言理想化而创立了逻辑语言以来，西方的科学语言就一直是在实在的广延性和分立性的介定下发展起来的。我们也许可以就此推测，对于人的认识而言，世界是广延优势的，但如果因此认为实在仅限于广延性方面，却是缺乏理由的。广延性优势在语言上的表现之一是几何优势。西方传统中的代数学思想是代数几何化，即借助空间想象来理解数的。不论毕达哥拉斯定理还是笛卡尔坐标都一样。直角三角形的斜边是直观的，而根号2不是。我们可以用前者表明后者，而不能反过来。可是一个离散的数量本身究竟是什么呢？它是否与实在的另一方面或另一部分（非广延的）相应？也许在微观领域里不再是广延优势而量子力学的困难与此有关？

如果量子力学面临的是实在的无限可能性向语言的有限性的挑战，那么问题的解决就不单单是语言问题，甚至不单单是目前形态的物理学的问题。它将涉及整个认识活动的基础。玻尔似乎是深刻地意识到这一点的。他说“要做比这些更多的事情完全是在我们目前的手段之外。”〔14〕他还有一句格言；“同一个正确的陈述相对立的必是一个错误的陈述；但是同一个深奥的真理相对立的则可能是另一个深奥的真理。”〔15〕

参考文献和注释

〔1〕〔3〕〔4〕《爱因斯坦文集》第一卷，商务印书馆，1994，第137、241、304页。

〔2〕〔5〕〔9〕〔13〕〔14〕〔15〕海森堡：《原子物理学的发展和社会》，中国社会科学出版社，1985，第141、84、82、131、47、112页。

〔6〕玻姆：《卷入——展出的宇宙和意识》，载于罗嘉昌、郑家栋主编：《场与有——中外哲学的比较与融通（一）》，东方出版社，1994年。

〔7〕玻恩：《关于因果和机遇的自然哲学》，商务印书馆，1964年。

篇11

要说明科学语言何以能成为这样的中介，需要先对科学的认识结构加以分析。

作为一种形式化理论的近现代科学，其目的是力图摹写客观实在。这种摹写的认识论前提是一个外在的、自为的客体和作为其思维对立面的内在的主体间的双重存在。这一认识论前提在科学认识方面衍生出一个更实用的前提，就是把客体看作是一种自在的“像”或者“结构”（包括动态结构，比如动力学所概括的各种关系和过程）。

这一自在的实在具有由它的“自明性”所保证的严格规范性。这种自明性只在涉及存在与意识的根本关系时才可能引起怀疑。而科学是以承认这种自明性为前提的。因此科学实际就是关于具有自明性的实在的思维重构。它必须限于处理自在的实在，因为科学的严格规范性（主要表现为逻辑性）是由实在的自明性所保证的，任何超越实在的描述都会破坏这种描述的前提。这一点对稍后关于量子力学的讨论非常重要。

上述分析表明，科学的严格规范性并非如有唯理论倾向的观点所认为的那样，是来自思维，也并非如经验论观点所认为的来自具体手段对经验表象的操作，也并不象当代某些科学哲学家所认为的纯粹出于主体间的共同约定。科学的最高规范是存在在客观实在中的，是来自客体的自明性。一切具体手段只是以这种规范为目标而去企及它。

在科学认识活动中，不论是一个思维过程还是一个实验过程，如果其中缺失了语言过程，那就什么意义都不会有。科学语言与人类思维形态固然有很大的关系，但是它们可能在一个很高的层次上有着共同的根源。就认识的高度而言，思维形态作为人类的一种意识现象，对它进行本质的追究，至少目前还不能完全放在客观实在的背景上。因此，在科学认识的层次上，思维形态完全可以被视为相对独立的东西。而科学语言则是明确地被置于实在自身这一背景之中的。这就使我们实际上可以把科学语言看作一种知识，它与系统的科学知识具有完全相同的确切性，即它首先是与实在自身相谐合，然后才以这种特殊性成为思维与对象之间的中介。这才能保证，既使科学语言所述说的科学是关于实在的确切图景，又使思维活动具备与实在相联络的手段。

科学语言作为一种知识所具备的上述特殊性，使它成为客观实在图景构成的基本要素，或科学知识的“基元”。思维形态不能独立地形成知识，但思维形态却提供某种方式，使科学语言所包含的知识基元获得某种特定的加成和组合，从而构成一种系统化的理论。这就是语言在认识中的中介作用。由于任何事物都必须“观念地”存乎人的意识中，才能为人的心智所把握，所以，在这个意义上，一个认识过程就是一个运用语言的过程。

二、数学语言

数学语言常常几乎就是科学语言的同义词。但实际上，科学语言所指的范围远比数学语言的范围大，否则就不会出现量子力学公式的解释问题。在自然科学发生以前，数学所起的作用也还不是后世的那种对科学的叙录。只是由于精密推理的要求所导致的语言理想化，才推进了数学的应用。但归根究底，数学与前面说的那种合乎客观实在的知识基元是不同的。将数学用作科学的语言，必须满足一个条件，即数学结构应当与实在的结构相关，但这一点并不是显然成立的。

爱因斯坦曾分析过数学的公理学本质。他说，对一条几何学公理而言，古老的解释是，它是自明的，是某一先验知识的表述，而近代的解释是，公理是思想的自由创造，它无须与经验知识或直觉有关，而只对逻辑上的公理有效性负责。爱因斯坦因此指出，现代公理学意义上的数学，不能对实在客体作出任何断言。如果把欧几里德几何作现代公理学意义上的理解，那么，要使几何学对客体的行为作出断言，就必须加上这样一个命题：固体之间的可能的排列关系，就象三维欧几里德几何里的形体的关系一样。〔1〕只有这样， 欧几里德几何学才成为对刚体行为的一种描述。

爱因斯坦的这种看法与上文对科学语言的分析是基本上相通的。它可以说明，数学为什么会一贯作为科学的抽象和叙录工具，或者它为什么看上去似乎具有作为科学语言的“先天”合理性。

首先，作为科学的推理和记载工具的数学，实际上是从思维对实在的一些很基本的把握之上增长起来的。欧几里得几何学中的“点”、“直线”这样一些概念本身就是我们以某种方式看世界的知识。之所以能用这些概念和它们之间的关系去描绘实在，是因为这些“基元”已经包含了关于实在的信息（如刚体的实际行为）。

其次，数学体系的那种严密性其实主要是与人类思维的属性有关，尽管思维的严密性并不是一开始就注入了数学之中。如前所述，思维的严密性是由实在的自明性来决定的，是习得的。这就是说，数学之所以与实在的结构相关，只是因为数学的基础确切地说来自这种结构；而数学体系的自洽性是思维的翻版，因而是与实在的自明性同源的。

由此可见，数学与自然科学的不同仅表现在对于它们的结果的可靠性（或真实性）的验证上。也就是说，科学和数学同样作为思维与实在相互介定的产物，都有可能成为对实在结构的某种描述或“伪述”，并且都具有由实在的自明性所规定的严密性。但数学基本上只为逻辑自治负责，而科学却仅仅为描述的真实性负责。

事实正是如此。数学自身并不代表真实的世界。它要成为物理学的叙录，就必须为物理学关于实在结构的真实信息所重组。而用于重组实在图景的每一个单元，实际上是与物理学的基本知识相一致的。如果在几何光学中，欧几里德几何学不被“光线”及其传播行为有关的概念重组，它就只是一个纯粹的形式体系，而对光线的行为“不能作出断言”。非欧几何在现代物理学中的应用也同样说明了这一点。

三、物理学语言

虽然物理学是严格数学化的典范，但物理学语言的历史却比数学应用于物理学的历史要久远得多。

在认识的逻辑起点上，仅当认识论关系上一个外在的、恒常的（相对于主体的运动变化而言）对象被提炼和廓清时，才能保证一种仅仅与对象自身的内在规定性有关的语言描述系统成为可能。对此，人类凭着最初的直觉而有了“外部世界”、“空间”、“时间”、“质料”、“运动”等观念。显然，这些观念并非来自逻辑的推导或数学计算，它是人类世代传承的关于世界的知识的基元。

然后，需要对客观实在进行某种方式的剥离，才能使之通过语言进入我们的观念。一个客观实在，比如说，一个电子，当我们说“它”的时候，既指出了它作为离散的一个点（即它本身），又指出了它身处时空中的那个属性。而后一点很重要，因为我们正是在广延中才把握了它的存在，即从“它”与“其它”的关系中“找”出它来。

当我们按照古希腊人（比如亚里士多德）的方式问“它为什么是它”时，我们正在试图剥离“它”之所以为“它”的属性。但这个属性因其离散的本质，在时空中必为一个“奇点”，因而不能得到更多的东西。这说明，我们的语言与时空的广延性合若符节，而对离散性，即时空中的奇点，则无法说什么。如果我们按照伽利略的方式问“它是怎样的”时，我们正是在描绘它与广延有关的性质，即它与其它的关系。这在时空中呈现为一种结构和过程。对此我们有足够的手段（和语言）进行摹写。因为我们的语言，大多来自对时空中事物的经验。我们运用语言的主要方式，即逻辑思维，也就是时空经验的抽象和提升。

可见，近现代物理学语言是一种关于客观实在的时空形式及过程的语言，是一种广延性语言。几何学之所以在科学史上扮演着至为重要的角色，首先不在于它的严格的形式化，而在于它是关于实在的时空形式及过程的一个有效而简洁的概括，在于与物理学在面对实在时有着共同的切入点。

上述讨论表明了近现代物理学语言格式包含着它的基本用法和一个根深蒂固的传统，这是由客观实在和复杂的历史因素所规定的。至为关键的是，它必须而且只是关于实在的时空形式及过程的描述。可以想象，离开了这种用法和传统，“另外的描述”是不可能在这种语言中获得意义的。而这正是量子力学碰到的问题。

四、量子力学的语言问题

上文说明，在描摹实在时，人类本是缺乏固有的丰富语言的。西方自古希腊以来，由于主、客体间的某种相互介定而实现了有关实在的时空形式和过程的观念及相应的逻辑思维方式。任何一种特定的语言，随着时代的变迁和认识的深入，某些概念的含义会发生变化，并且还会产生新的语言基元。有时，这样的变化和增长是革命性的。但不可忽视的是，任何有革命性的新观念首先必须在与传统语言的关系中获得意义，才能成为“革命性的”。在自然科学中，一种新理论不论提出多么“新”的描述，它都必须仍然是关于时空形式及过程的，才能在整体的科学语言中获得意义。例如，相对论放弃了绝对时空、进而放弃了粒子的观念，但代之而起的那种连续区概念仍然是时空实在性的描述并与三维空间中的经验有着直接联系。

量子力学的情况则不同。微观粒子从一个态跃迁到另一个态的中间过程没有时空形式；客体的时空形式（波或粒子）取决于实验安排；在不观测的情况下，其时空形式是空缺的；并且，观测所得的客体的时空形式并不表示客体在观测之前的状态。这意味着，要么微观实在并不总是具有独立存在的时空形式，要么是人类无法从认识的角度构成关于实在的时空形式的描述。这两种选择都将超出现有的物理学语言本身，而使经典物理学语言在用于解释公式和实验结果时受到限制。

量子力学的这个语言问题是众所周知的。波尔试图通过互补原理和并协原理把这种限制本身上升为新观念的基础。他多次强调，即使古典物理学的语言是不精确的、有局限性的，我们仍然不得不使用这种语言，因为我们没有别的语言。对科学理论的理解，意味着在客观地有规律地发生的事情上，取得一致看法。而观测和交流的全过程，是要用古典物理学来表达的。〔2〕

量子力学的反对者爱因斯坦同样清楚这里的语言问题。他把玻尔等人尽力把量子力学与实验语言沟通起来所作的种种附加解释称之为“绥靖哲学”（Beruhigunsphilosophie）〔3〕或“文学”〔4〕， 这实际上指明了互补原理等观念是在与时空经验相关的科学语言之外的。爱因斯坦拒绝承认量子力学是关于实在的完备描述，所以并不以为这些附加解释会在将来成为科学语言的新的有机内容。

薛定谔和玻姆等人从另一个角度作出的考虑，反映了他们以为玻尔、海森堡、泡利和玻恩等人的观点回避了经典语言与实在之间的深刻矛盾，而囿于语言限制并为之作种种辩解。薛定谔说：“我只希望了解在原子内部发生了什么事情。我确实不介意您（指玻尔）选用什么语言去描述它。”〔5〕薛定谔认为，为了赋予波函数一种实在的解释， 一种全新的语言是可以考虑的。他建议将N 个粒子组成的体系的波函数解释为3N维空间中的波群，而所谓“粒子”则是干涉波的共振现象，从而彻底抛弃“粒子”的概念，使量子力学方程描述的对象具有连续的、确定的时空状态。

固然，几率波的解释使得理论的数学结构不能对应于实在的时空结构，如果让几率成为实验观察中首要的东西，就会让客观实在在描述中成了一种“隐喻”。然而薛定谔的解释由于与三维空间中的经验没有明显的联系，也成了另一种隐喻，仍然无法作为一种科学语言而获得充分的意义。

玻姆的隐序观念与薛定谔的解释在语言问题上是相似的。他所说的“机械序”〔6 〕其实就是以笛卡尔坐标为代表的关于广延性空间的描述。这种描述由于经典物理学的某些限定而表现出明显的局限性。玻姆认为量子力学并未对这种序作出真正的挑战，在一定程度上指出了量子力学的保守性。他企图建立一种“隐序物理学”，将量子解释为多维实在的投影。他以全息摄影和其它一些思想实验为比喻，试图将客观实在的物质形态、时空属性和运动形式作全新的构造。但由于其基础的薄弱，仍然只是导致了另一种脱离经验的描述，也就是一种形而上学。

这里所说的“基础”指的是，一种全新的语言涉及主客体间完全不同的相互介定。它涉及对客体的完全不同的剥离方式，也就是说，现行科学语言及其相关思维方式的整个基础都将改变。然而，现实地说，这不是某一具有特定对象和方法的学科所能为的。

可见，试图通过一种全新的语言来解决量子力学的语言问题是行不通的。这个问题比通常所能想象的要无可奈何得多。

五、量子力学何种程度上是“革命性”的

量子力学固然在解决微观客体的问题方面，是迄今最成功的理论，然而这种应用上的重要性使人们有时相信，它在观念上的革命也是成功的。其实，上述语言与实在图景的冲突并未解决。量子力学的种种解释无法在科学语言的基础上必然过渡到那种非因果、非决定论观念所暗示的宇宙图景。这就使我们有必要对量子力学“革命性”的程度作审慎的认识。

正统的量子力学学者们都意识到应该通过发展思维的丰富性来解决面临的困难。他们作出的重要努力的一个方面是提出了很多与经典物理学不同的新观念，并希望这些新观念能逐渐溶入人类的思想和语言。其中玻恩用大量的论述建议几率的观念应该取代严格因果律的概念。〔7〕测不准原理以及其中的广义坐标、广义动量都是为粒子而设想的，却又不能描述粒子在时空中的行为，薛定谔认为应该放弃受限制的旧概念，而玻尔却认为不能放弃，可以用互补原理来解决。玻尔还希望，波函数这样的“新的不变量”将逐渐被人的直觉所把握，从而进入一般知识的范围。〔8〕这相当于说，希望产生新的语言基元。

另一方面，海森堡等人提出，问题应该通过放弃“时空的客观过程”这种思想来解决。〔9〕这又引起了量子力学的客观性问题。

这些努力在很大程度上是具有保守性的。

我们试把量子力学与相对论作比较。相对论的革命性主要表现在，通过对时间和空间的相对性的分析，建立起时间、空间和运动的协变关系，从而推翻了绝对时空、绝对同时性等旧观念，并代之以新的时空观。重要的是，在这里，绝对时空和绝对同时性是从理论上作为逻辑必然而排除掉的。四维时空不变量对三维空间和一维时间的性质依赖于观察者的情形作了简洁的概括，既不引起客观性危机，又与人类的时空经验有着直接关联。相对论排除了物理学内部由于历史和偶然因素形成的一些含混概念，并给出了更加准确明晰的时空图景。它因此而在科学语言的范围内进入了一般知识。

量子力学的情况则不同。它的保守性主要表现在：

第一，严格因果律并不是从理论的内部结构中逻辑地排除的。只是为了保护几率波解释，才不得不放弃严格因果律，这只是一种人为地避免逻辑矛盾的处理。

第二，不完全连续性、非完全决定论等观念并没有构成与人类的时空经验相关联的自洽的实在图景。互补原理和并协原理并没有从理论内部挽救出独立存在于时空的客体的概念，又没有证明这种概念是不必要的（如相对论之于“以太”那样）。因此，量子力学的有关哲学解释看似抛弃旧观念，建立新观念，实际上，却由于这些从理论结构上说是附加的解释超出了关于实在的描述，因而破坏了以实在的自明性为保证的描述的前提。所以它实际上对观念的丰富和发展所作的贡献是有限的。

第三，量子力学内在地不能过渡到关于个别客体的时空形式及过程的模型，使得它的反对者指责说这意味着位置和动量这样的两个性质不能同时是实在的。而为了保护客观性，它的支持者说，粒子图像和波动图象并不表示客体的变化，而是表示关于对象的统计知识的变化。〔10〕这在关于实在的时空形式及过程的科学语言中，多少有不可知论的味道。

第四，人们必须习惯地设想一种新的“实在”观念以便把充满矛盾的经验现象统一起来。在对客体的时空形式作抽象时，这种方法是有效的。而由于波函数对应的不是个别客体的行为，所以大多新的“实在”几乎都是形而上学的构想。薛定谔和玻姆的多维实在、玻姆在阐释哥本哈根学派观点时提出的那种包含了无限潜在可能性的“第三客体”〔11〕，都属于这种构想。玻恩也曾表示，量子力学描述的是同一实在的排斥而又互补的多个影像。〔12〕这有点象是在物理学语言中谈论“混元”或“太极”一样，很难说对观念有积极的建设。

本文从科学语言的角度，对量子力学尤其是它的哲学基础的保守性作出一些分析，这并不是在相对论和量子力学之间作价值上的优劣判断。也许量子力学的真正价值恰恰在于它所碰到的困难是根本性的。

海森堡等人与新康德主义哲学家G·赫尔曼进行讨论时， 赫尔曼提出，在科学赖以发生的文化中，“客体”一词之所以有意义，正在于它被实质、因果律等范畴所规定，放弃这些范畴和它们的决定作用，就是在总体上不承认经验的可能性。〔13〕我们应该注意到，赫尔曼所使用的“经验”一词，实际上是人类对客观事物的广延性和分立性的经验。这种经验是科学的实在图景成立的基础或真实性的保证，逻辑是它的抽象和提升。

在本文的前三节已经谈到，自从古希腊人力图把日常语言理想化而创立了逻辑语言以来，西方的科学语言就一直是在实在的广延性和分立性的介定下发展起来的。我们也许可以就此推测，对于人的认识而言，世界是广延优势的，但如果因此认为实在仅限于广延性方面，却是缺乏理由的。广延性优势在语言上的表现之一是几何优势。西方传统中的代数学思想是代数几何化，即借助空间想象来理解数的。不论毕达哥拉斯定理还是笛卡尔坐标都一样。直角三角形的斜边是直观的，而根号2不是。我们可以用前者表明后者，而不能反过来。可是一个离散的数量本身究竟是什么呢？它是否与实在的另一方面或另一部分（非广延的）相应？也许在微观领域里不再是广延优势而量子力学的困难与此有关？

如果量子力学面临的是实在的无限可能性向语言的有限性的挑战，那么问题的解决就不单单是语言问题，甚至不单单是目前形态的物理学的问题。它将涉及整个认识活动的基础。玻尔似乎是深刻地意识到这一点的。他说“要做比这些更多的事情完全是在我们目前的手段之外。”〔14〕他还有一句格言；“同一个正确的陈述相对立的必是一个错误的陈述；但是同一个深奥的真理相对立的则可能是另一个深奥的真理。”〔15〕

参考文献和注释

〔1〕〔3〕〔4〕《爱因斯坦文集》第一卷，商务印书馆，1994，第137、241、304页。

〔2〕〔5〕〔9〕〔13〕〔14〕〔15 〕海森堡：《原子物理学的发展和社会》，中国社会科学出版社，1985，第141、84、82、131、47、112页。

〔6〕玻姆：《卷入——展出的宇宙和意识》，载于罗嘉昌、 郑家栋主编：《场与有——中外哲学的比较与融通（一）》，东方出版社，1994年。

篇12

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）02-0083-02

结构化学是高等院校化学、材料等相关专业的一门专业基础课，是理论化学的一个重要分支。它是探究原子、分子、晶体结构的微观结构，原子和分子中电子的运动规律，及原子和分子结构和性质之间关系的一门科学[1-3]。开设结构化学课程的目的是使相关专业的学生对微观世界的结构和运动规律有所了解，初步掌握结构与性质的相互关系；从而使学生更进一步地从更深的层次上理解其他化学相关的专业课程，包括无机化学、有机化学、分析化学、物理化学等。

一、结构化学课程的特点

结构化学这门课程特点明显，如下：（1）综合程度高；（2）理论性强；（3）内容抽象。由于这一系列的特点，初学者在开始接触这门课程时，常有听“天书”无从下手的感觉；作者在教学过程中也因此遇到了一些问题。下面将遇到的问题做一概括：

1.综合程度高。结构化学这门课程不是建立在经典力学体系下的课程，而是一门以量子力学为基础的课程[4]。因此在此门课程的学习开始，就要求学生们巩固好大一、大二所学的四大化学（无机化学、有机化学、分析化学、物理化学）课程以及其他学过的化学理论基础知识，并在脑海中建立起一套完善的量子力学体系。此外量子力学论还是近代物理的重要组成部分，因此同学还要兼备一定的物理知识基础。只有综合掌握了物理和化学的相关基础知识后，才能从本质上理解微观化学领域各个粒子的结构与性能的特征，学懂结构化学这门课程。由此可见，该课程不管是教还是学，两方面都存在着较大的难度。

2.理论性强。结构化学授课困难的一个重要原因就是课本中含有大量的公式推导过程，复杂的数学模型和大段的文字叙述求解过程。公式推导过程用到比较多的包括微积分、线性代数等高等数学知识。而高等数学方面向来是化学专业学生们的弱点，一步步的推导过程枯燥乏味，让学生感觉云里雾里般，进而忙于应付求解过程忽略了公式中各个变量的深层次含义。

3.内容抽象。微观粒子的结构和运动规律是结构化学的主要研究内容，而看不见摸不着的微观粒子的运动给同学们学的过程带来了一定的困难，文字叙述无法直观表达，只能靠学生的凭空想象。因此这门课程对学生的逻辑思维能力和空间想象能力都有较高的要求。

二、结构化学课程授课过程中存在的问题及改革建议

本文作者根据自己多年的教学授课经验，结合学生课后的反馈意见，对改革结构化学的教学方式提出了一些建议，旨在激发学生的学习兴趣充分调动学生的学习积极性，活跃课堂气氛提高课上学生的吸收率。

1.重视引导。结构化学是一门化学专业类的理论基础课，学生们看到教材上大段的文字叙述还有繁杂的数学公式推导过程，往往还没有开始学习就对此门课程失去了兴趣。所以，在上第一节课的时候就应对学生进行正确的引导，在绪论课上给大家讲述一些结构化学发展史。首先便是1900年，普朗克提出了量子假说，勇敢地打破了能量必须连续变化的经典理论，规定了以间断形式存在的能量，电磁场中的能量和物质交换间的能量，能量子的大小同辐射频率成正比，用普朗克常数作为二者之间的比例常数，从而得出黑体辐射能量分布公式，完美地诠释了黑体辐射现象。其次在1905年，爱因斯坦意识到了量子化概念在微观领域的重要性，引进了光子的概念，从而解释了光电效应，开启了量子力学的新篇章。学生们在听故事的同时，会不知不觉地克服恐惧心理，激发学习的兴趣。最后顺着教学大纲的思路，引导大家用量子力学体系的思维去思考分析结构化学中所遇到的问题，让同学们处于愉快的气氛中，带着笑容下课。

2.充分利用多媒体教学手段辅助教学。结构化学在教学内容上涉及一些相对抽象的模型，如原子轨道形状、多原子分子的组合方式、配位化合物的配位形式、晶体的点阵结构等都涉及原子和分子的空间排布规律，这些内容要求学生具备较强的空间想象能力。传统的板书教学方式很难将结构化学中较为抽象的理论以直观的形式表现给同学们，大段大段的纯文字描述也使得学生感到晦涩难懂。多媒体技术可以将授课内容动态化、立体化[5]，绝大多数的分子、晶体结构都可以用3D软件结合FLASH等做成可360°观看，任意缩放、平移、旋转的模型，同学们可任意角度观看，有利于巩固加深记忆。

3.注重理论与实际的联系。由于结构化学是一门理论基础学科，因此学生们理解起来可能会有一定的难度，容易学过即忘，在教学过程中应让学生通过理论联系实际中所熟知或已学过的现象，通过类比的方法巩固加深记忆。比如，在讲晶体的宏观对称性时，联系大自然，启发学生思考：大自然虽然讲究对称美，但为什么很少有五边形和七边形的物体呢？由此引入晶体的空间点阵结构、对称元素、对称操作的概念并对对称轴次加以证明，得出结论：晶体结构中的对称轴次只允许存在1、2、3、4、6这五种不存在5和7，这与大自然世界的对称美是相呼应的。而讲到离域键的共轭效应时，以碱性条件下酚酞会变成红色为例，结合学生高中所学知识让学生理解酚酞变色的根本原因，主要过程是酚酞与碱性溶液发生反应，形成了离域键，产生了共轭效应，酚酞-碱性溶液体系能量下降，能级间隔变小，光谱偏移至可见光区，因此我们看到无色的酚酞变成了红色。通过这种由外至内、循序渐进的引导方式使学生转变对结构化学这门课程的印象，说明这门课程不是凭空想象漫无边际地研究我们用不到的东西，而是服务于实践，解释着实践中所遇到的问题，从而使他们树立起学习信心，增加学习动力，真正做到课上讲过的东西当堂就吸收理解掌握。

4.弱化公式推导。结构化学教学的目的就是让同学们理解掌握结论和推导过程中各符号的物理意义及这些符号在化学中起到了什么样的作用，有什么应用。结构化学中的公式推导过程用到的高等数学的课程知识比较多，包括微积分的多重积分求解，线性代数中的行列式求值等。而数学功底普遍是化学专业学生们的弱项，大部分所用到的数学知识又都是在大一学习的可能已经被忘到了脑后，因此在讲述结构化学课本中的公式时应尽可能弱化公式推导过程，强化学生对整体大局和结论的理解，不再单独强调详细的求解过程。因此在讲到公式部分时，首先要明确每个符号所代表的物理意义，从本质上理解结构化学这门课程，引导学生们如何去解决问题，解决问题后又能得出怎样的结论，所得结论的实际意义是什么，然后再回到研究数学推导求解过程上。让学生抓住该课程的主线厘清学习这门课程的基本思路，顺着大纲学下去，把握住主要的大方向，这样继续向后面章节学习就不会出现断层。反之如果从数学公式推导出发，进行烦琐的化简计算，就容易忽略需要解决的问题的主体，不知道这些纯数学求解过程是要干什么，得出的结果有什么意义，事倍功半。

5.科学的完善考核机制。考试是教学活动不可缺少的一部分，也是衡量教师授课成果和学生掌握课程情况的主要方法。现代大学是以培养综合创新型人才为目的的，因此在教学考核过程中，应该用科学的、多元的方式去综合评价每个学生，拒绝一考定终身的制度，取代传统的单一闭卷考试方法，转变学生们认为只要死记硬背课本就能取得好成绩的惯性思维。将最终成绩定为三部分之和，其中，平时成绩占30%；期中成绩30%；期末成绩40%。平时成绩的30%包括课堂表现（10%）、习题作业（10%）和专业课小论文（10%）。课堂上教师有针对性地提出问题并根据学生的回答情况给出分数，既能随时掌握学生们的学习状况还能根据学生们的整体掌握情况随时调整课程安排。有利于增强师生课上的互动、改变课堂沉闷的授课氛围，培养学生们独立自主的思考问题，讨论问题，解决问题的能力，同时还可以锻炼他们的语言表达能力和应变能力。课后的习题作业主要是引导学生正确地复习所学内容。专业小论文则偏重于考查学生查阅相关文献、获取知识的能力。这样灵活的考试机制有利于引导学生改变突击复习期末考试的方法，树立正确的学习观，从平时开始做到课后即复习，查漏补缺，也只有这样才能真正达到结构化学的教学目的。

根据笔者多年来对结构化学课程改革的摸索，使用上述方法学生们学习结构化学课程的积极性明显提高，课堂气氛也活跃起来了，学生们爱听了，授课效率明显提高。

总之，结构化学是一门其中理论在实际生活中接触较少，学习的知识内容相对抽象，老师和同学们在教与学的过程都感到较为困难的理论基础课。教师们应精心备课，认真设计教学内容，研究课程改革，由浅入深的教学，消除学生们对课程的恐惧心理。通过一系列的改革过程，改变课堂环境，活跃课堂气氛，让学生体会到独立自主创新和团队合作精神的重要性，培养他们对问题分析和解决的能力；最后引入科学合理的考核机制对学生进行综合评价，引导学生树立正确的学习观，不断充实结构化学理论基础知识，提高主动获取知识、综合运用知识的能力，培养多能创新型优秀人才。

参考文献：

[1]杨志广，彭鹏，石晓明，周凯.如何激发学生学习结构化学的兴趣[J].教育教学论坛，2014，（20）：118-120.

[2]令狐文生，董华平.结构化学课程建设的实践与思考[J].教育教学论坛，2011，（35）：214-215.

篇13

在提出人体电磁辐射是中医“气”的观点的基础上,通过分析地球、天体的电磁辐射,提出地球生物生活生存于“时空电磁场”的概念,认为“时空电磁场”是所谓天地之“气”,揭示了“天人相应”是人体电磁场与时空电磁场的相互共振作用的科学内涵。

1中医理论中“天人相应”的含义

天人关系是中国古代哲学的基本脉络,中医学天人相应论的形成和发展有着深厚的思想文化基础。中国历史上丰富而深刻的天人合一思想是孕育、形成天人相应论的思想文化母体。《周易》、道儒两家早期有关天人关系的思想对于正在萌芽阶段的天人相应论具有启迪作用。秦汉黄老之学则直接渗入天人相应论中,其观点和内容为天人相应论广泛接受。元气论及宋明理学的宇宙生成论又继续充实、推动着天人相应论的发展[1],形成了贯穿中医基础理论,左右理、法、方、药的中医的核心理论。

天人相应观点基于《黄帝内经》的“人与天地相应也”(《灵枢・邪客》),“人与天地相参也,与日月相应也”《(灵枢・岁露》)。应,有两层含义:一是对应,即人是自然界的产物,人的存在遵循自然法度,人处于从属地位。二是适应,即人能够对自然界的影响做出相应的反应,通过自身调节保持稳态,“应之以治则吉”《(荀子・天论》),从这个意义上讲,人是主动的、积极的。参,在古代,下级见上级叫参,这又表达了人在自然界的从属地位。参,又通叁,引申为错综复杂,“参伍以变,错综其数”(《易经・系辞上》)。相,有辅助、帮助之意。因此,“人与天地相参”也深刻地表达了人在“天地”的作用下从简单到复杂演化过程的思想[2]。

多年来,人们已从季节气候、昼夜晨昏、地区方域、节律性、时间医学、天文历法、数学、生态学、非线性动力学、系统论、控制论、信息论、复杂科学等方面对“天人相应”思想进行了大量而深入的研究,但天人相应的科学内涵仍未得到明确的揭示,需进一步探讨研究。

2地球生物生存于“时空电磁场”中

宇宙太空是一个统一的整体大系统,银河系是宇宙太空的一个次级的大系统,太阳系则是他们的子系统。太阳本身以及太阳系的九大行星,都随同太阳一起在银河系和二十八宿所构成的恒星际中运动。天体物理学与空间科学研究发现,大部分天体都有自己的磁场,二十八宿恒星无一例外地都具有自己的磁场,就是说,他们都会以场量子形式向宇宙空间一刻不停地发射自己的磁场能量。

天体物理学和太阳物理学研究发现,太阳磁场有两种不同的能量结构形式,一种是南北方向上的相对恒定的太阳普遍磁场,同于一般天体;另一种是东西方向上的相对变化的整体磁场。太阳整体磁场是太阳磁场所特有的,它是具有扇形区域结构的、有极性方向的、随同太阳本体而同步旋转运动的悬臂状态。这种悬臂结构和扇形区域的极性是随同太阳的自转周期而呈现处有规律的振荡节律,而这种自然振荡的极性变换状况由与月相(上玄、下玄)的运动周期同步。

大量的观测研究表明[3],太阳表面的活动同太阳的磁场有关。例如太阳的黑子就是因黑子处的磁场很强而使其温度降低所产生的暗斑。太阳的一些区域因能量的突然剧烈猛增而产生的亮度剧增的耀斑爆发现象,以及伴随耀斑爆发引起太阳喷射大量高能量的带电粒子流(如电子、质子、氢原子核等)的太阳风及电磁波(如射电、X射线等)辐射,也同太阳的磁场活动有关。许多天文观测表明,在各行星之间的行星际空间、各恒星之间的恒星际空间以及各星系之间的星系际空间也都存在着强度虽很微弱,但范围却极大的行星际磁场、恒星际磁场和星系际磁场。这些磁场对如太阳风、恒星风和宇宙线等都会产生重要的影响。由此可见,不但宇宙万物有磁性,宇宙处处有磁场,而且这些磁的作用也是重要和不可忽视的。

地球由地核、地幔、地壳等构成,表层的地壳为固体,地心地核由铁-镍合金组成,核外包绕一层液体,并按照一定的规律流动着,运动着。

地球伴随着庞大的地磁场遨游于太空之中,每时每刻都有来自四面八方的能量辐射造访地面。如以微波为主的宇宙辐射背景场,以宇宙射线为主的高能辐射,来自脉冲星的电磁脉冲,来自中子星的中子辐射,来自超新星爆发的能量辐射,来自太阳黑子活动的太阳粒子流(太阳风)、太阳辐射以及太阳整体磁场(包括行星际磁场)等等。这些名目繁多的能量辐射与地磁场发生不同层次的相互作用(屏蔽大部分宇宙射线使地球上的生物免受其害),最后构成一个整体的宇宙自然太空场。由于宇宙太空场中的能量流、信息流、物质流瞬息万变,地面上不同的时间不同的位置(相位)接收到的这种相关的能量流、信息流、物质流不同,它与此时此地地磁场所发生的作用和结果也不会完全相同。换言之,在地球表面,存在一个由太空各天体运动辐射相互作用形成的庞大的电磁场,该电磁场与时间、空间位置相关,人类以及世间万物就生活和生存在这个空间,这种由太空各天体运动辐射相互作用综合形成的庞大的电磁场不妨称为“时空电磁场”。因为在不同的时间不同的位置,该电磁场不同。

3天人相应的科学内涵

自然界中存在强、弱、电磁和引力等四种作用力。强、弱作用力主要是夸克间的作用力,在生命运动中基本不涉及它们。生物生活生存的空间里,确实存在引力场,但根据F=GmM/r2公式计算,人类及其它生物与各天体的引力太小,或者即使有也是基本恒定不变的,所以对地球上生命的运动基本没有影响。

只有电磁力对生命体活动现象起着决定性作用。一切生命,不论人还是动、植物,都是由原子与分子组成的。在生命体中起重要作用的是由氨基酸和核酸组成的蛋白质和DNA,以及糖类和脂类分子等分子。生命体中发生的生长、繁殖、新陈代谢、调节、应激等各种生理、病理、生化、免疫等反应都是在分子、原子层次,其实质是分子、原子的电子间通过电磁力的的相互作用。因此,电磁相互作用是生命体中主导型的相互作用力。

(下转第65页)

(上接第63页)

人体也是一个磁体,存在着弱磁场[4]。例如:已被确定的心磁场、脑磁场、肺磁场等等。人体的磁场是由这些局部磁场综合而成的,是一个复合的磁场。这个磁场的强度是非常微小的。如心脏的交变磁场的强度为10-11～10-12T,而头部的磁场约为10-13T。所以人的磁场强度约在10-10～10-13T之间。约是地球磁场强度的万分之一到千万分之一。

由前面分析可知,人类生活和生存在由太空天体和地球综合形成的时空电磁场中,人体磁场是在时空磁场这一个大背景下产生、维持的。这两个磁场之间必定存在着相互共振作用。由于人类长期的进化,人体与时空磁场之间已经建立起了某种平衡。当时空磁场发生剧变时,这种磁场平衡即会被打破,因而给人体带来某种影响。这种共振作用就是所谓的“天人相应”,这种时空电磁场既是所谓的天地之“气”。这种天地之气与笔者提出的“人体之气是机体电磁辐射形成的量子场[5]”同性。由此认为:天人相应是人体电磁场(人体之气)与时空电磁场(天地之气)相互共振作用实现的。

4“天人相应”现象解释

4.1天人一“气”,天地气交中医理论认为,人与自然的统一性是通过气的中介作用实现的。人是宇宙中的万物之一,处于天地气交之中,也是物质世界整体的一部分。通过气的中介作用,人与天地相通,与宇宙万物息息相应。天地、日月、昼夜、季节、气候变化对人体生理和病理的影响都凭借着气的中介作用而实现。

4.2生物钟由《黄帝内经》可以归纳出有关经络运行规律的生物钟[6]如计十二时辰钟、计日钟、计月钟、计季钟、计年钟、计六十年钟、计(六个六十年)360年钟。生物钟皆可用上述“天人相应是人体电磁场(人体之气气)与时空电磁场(天地之气)相互共振作用”的观点解释。

上述观点同样也可以解释子午流注、时间医学等天人相应现象。

5讨论与展望

在人体电磁辐射是中医“气”的物质基础的观点的基础上,提出地球生物生活生存于“时空电磁场”概念,认为“时空电磁场”是所谓天地之“气”,揭示了“天人相应”是生物机体电磁场与时空电磁场的相互共振作用的科学内涵。在此基础上,结合量子力学、生物电磁学、天体物理学,辐射测量学等学科,深入探讨研究天体、环境对人体等生物的影响规律,具有重要的现实意义,也是中医现代化的必经之路,同样也是量子中医学[7]的主要内容。

参考文献