材料物理专业中量子力学教学与

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摘 要：本文结合材料物理专业中的基础课程――《量子理论》的发展史,从哲学的角度出发,浅谈了材料学科发展中的哲学思想,并以哲学思想为主线,来进一步指导学生对现代科学技术发展的理解,对加强学生的世界观、物质观以及运动观的进一步理解,具有重要的指导意义.

关 键 词：量子力学教学研究哲学思想

“大学之道,在明明德,在亲民,在止于至善.”温故知今,止于至善,提高当代大学生的哲学素养、人文情怀和科学素养,是素质教育的要求之一.以牛顿运动三定律、电磁理论和热力学及统计物理学为基础的经典力学诞生于17世纪,成功地解释了大量物理学现象,取得了辉煌的科学成就,曾经被人们信奉为客观真理.在19世纪末20世纪初,人类以巨大的热情来研究原子核和放射现象,导致了两大理论成果的诞生：量子理论和相对论.随后,激光器、二极管、三极管、集成电路、互联网、移动通信、登月等等,这些辉煌的成就促使人类迈进了信息时代.运动着的电子――一个小小的微观粒子,却促使人类文明进入了电子信息时代.事实表明,现代信息技术的理论基础是物理学,信息的产生、发送、接收和处理,都是由一个个物理的系统来实现,因此信息世界的物理体系归根结底要受到物理定律的制约.现在人们明白了,经典物理理论仅适用于宏观低速运动的物体的场合,而对于微观小尺度下、接近于光速运动的粒子的运动规律误差会变得很大,必须使用相对论和量子理论来描述.而经典物理理论仅仅是量子理论和相对论在低速宏观范围下的良好近似.

量子理论是二十世纪最伟大的发现之一.量子理论的形成和发展,是整个物理学发展中最值得书写的,也是对青年大学生最具有启发意义的过程,在此期间包括了爱因斯坦的奇迹年（1905年）.梳理和探究整个过程中所包含的科学思维,科学方法,科学理论,科学素养等都是值得我们去探索、去深思、去挖掘的.

一、对青年大学生物质观和运动观的进一步加深具有重要意义

科学技术发展到21世纪,人类对于物质世界的认识进入到了纳米尺度.材料学科的研究中出现了很多量子效应.量子理论中的许多不同于经典力学的物理现象颠覆性地发展了经典力学的思维,拓宽了人类认识物质世界的视野,使人们对运动的本质有了更进一步的了解.随着人类认识的不断深入和材料尺寸的不断缩小,电子运动的量子效应愈加明显.现在人们已经明白了,电子既是一种微观粒子,同时也是一种波,这就是所谓的波粒二象性.与经典物理现象不同的是,微观粒子的诸多物理量之间受到量子规律的束缚,其中之一便是著名的不确定性原理,例如时间与能量之间、动量与位置之间等.此外,另一个有趣的现象是电子的势垒贯穿效应,即能量小于势垒高度的电子或者其它微观粒子可以以一定的几率,越过势垒,运动到势垒的右边去.尽管一个理性的人对这种解释可能不满意,但是我们必须明白“隧穿”仅仅是我们为了理解的方便而构造的一个东西,除非人们对量子世界的认识更进一步.我们唯一能确定的是当满足一定条件的时候,隧穿效应就会发生.

二、对青年大学生思维拓展与创新具有重要的启发意义

量子理论是描述微观粒子运动规律的理论,其概念体系与研究宏观现象及其规律的经典物理学有很大的不同.量子理论的出现,是人类对物质世界认识日益深化的结果,为其他自然学科的发展开辟了广阔的前景.从培养研究型科学人才的角度来说,量子理论是与现代科学研究联系最紧密的课程之一.这对当代青年大学生提出了更高、更严格的要求.

第一,必须尊重客观世界的运动规律,坚持创新思维,深刻认识微观世界的规律.规律是物质在运动过程中表现出来的必然的、稳定的、永恒的联系,任何事物之间都有联系,都是矛盾的对立统一体,这就需要在实际的学习探索中抓住主要矛盾以及矛盾的主要方面.同时,矛盾具有特殊性,内因是事物发展的根据,决定着事物发展的方向和主要性质,外因是事物发展的次要因素.在实际的处理过程中要区别对待.

第二,注意量变到质变的积累.量变是指事物单纯数量上的增加或减少,事物保持其质的稳定性.质变是指事物根本性质的变化,“量变→质变→新的量变”是事物发展的基本规律.注意收集数据,逐步地总结规律.任何重大的发现,都有一个辛苦的积累过程,面对纷繁杂芜的实验数据,如何去伪存真,由表及里,层层剖析?这需要尊重客观规律,逐渐挖掘深层次的信息,切勿急于求成或者违背客观规律.这方面在量子理论的发展过程中体现得尤为重要.

第三,量子理论是开放的理论,对量子理论的争论一直在继续.量子理论过去的成功并不意味着它是一个彻底完善的物理学理论.自量子理论诞生以来,关于量子理论的思想基础和基本问题的争论,从来就没有停止过.人们对于量子理论本身的完备性及其一些基本观念的理解,甚至持有截然不同的观点.其他的理论也是在不断地争论中不断完善.

三、量子力学中的数学思想及其知识框架

量子力学中主要的数学知识,主要是Hilbert内积空间,这是学生在学完微积分初步、线性代数以及概率论后需要掌握的、在工程领域内应用最为广泛的一门数学学科,也是对空间解析几何的推广和延伸.其中包括了对前面提到的几门学科的综合应用,例如量子力学中的力学量,用线性算符来描述,则必须是厄米的；用海森堡的矩阵力学表示,则要求该矩阵的本征值和平均值均为实数；还有,在计算不同物理量表象的矩阵元时,要用到定积分的运算；而不同表象之间的变换,需要用到矩阵变换；此外,在讲到微扰论和变分法时,还需要进一步的用到更多的数学知识.这些数学学科分支的交叉出现,足以让学生对该门课程的进一步学习产生畏惧心理.如何消除和转变学生的这种畏惧心理,这就要求教师在课堂上增强授课的趣味性.事实上,一部量子力学的发展史,包含了太多的启迪、方法、思维和科学研究的因素,因利势导,重视基础知识的讲解,将所有涉及到的数学知识及其发展史,生动地传授给学生.笔者经过近五年的课堂教学,认为对当前的大学本科学生,倘能在授课中能做到这一点,那么,学习《量子力学》的意义就达到了.

结论：以量子理论为核心的量子物理无疑是本世纪最深刻、最有成就的科学理论之一.它不仅代表了人类对微观世界基本认识的革命性进步,而且带来了许多划时代的技术创新,直接推动了社会生产力的发展,从根本上改变了人类的物质生活.让学生在不断的思考和探索中,体会到学习和思考的快乐；对学生的世界观、物质观以及运动观的进一步深入,具有重要的指导意义.