量子力学重要概念(6篇)
量子力学重要概念篇1
关键词：中学化学教学化学概念关键词内涵和外延
搞好化学概念教学是提高化学教学质量，培养学生各种能力的关键环节之一。那么，如何搞好化学概念教学呢？笔者结合自己的教学实践，采取“直观教学，概念图法，辨析比较，同化理解，变式训练”等策略进行概念教学，并着重从以下几个方面抓起。
一、抓关键词
化学概念中的字和词都是很严谨的，不能相差一字，否则会意义皆非。例如：氧化反应是物质跟氧发生的化学反应。“氧”是什么意思？为什么不用“氧气”这个词？这是因为“氧”除氧气外，还包括含氧化合物。学生对“氧”这个词也往往容易产生错觉，认为凡是物质跟氧气发生的化学反应都是氧化反应，没有氧气参加的化学反应就不属于氧化反应。说明学生对“氧”一词的含义还不甚理解。这里应向学生交代清楚，“氧”与“氧气”是不同的概念。例如：氢气和氧化铜是加热条件下生成铜和水的反应，虽然在反应中没有纯氧参加，但氢气与氧化铜中的氧反应生成水，故也属于氧化反应。所以在化学概念中有关的字、词、句是很关键的，教师要抓住关键提问题，引导学生进行分析，弄清它们的含义。
二、剖析词语含义
含义比较深刻、内容比较复杂的化学概念，对其中关键的词语要认真分析解剖。如原子的概念，定义的句式虽短，但涉及的知识较多，对于讲述概念可以分四层意思讲解，一是决定物质化学性质，即同种物质的原子性质相同，不同种物质的原子性质不同；二是在化学变化中原子是构成物质的最小微粒；三是原子是一种肉眼看不到的微观粒子；四是说明在化学变化前后原子种类（即元素种类）、原子个数、相对原子质量保持不变。这样，对概念进行剖析讲解，既容易理解，又便于记忆。
三、把握内涵和外延
化学概念都有其特定的内涵和外延，也就是说都有特定的含义和适用范围。例如元素概念，把“具有相同的核电荷数（即质子数）的一类原子总称为元素”。这个定义仅仅局限于原子，但钠原子和钠离子所带的电荷数就不同，可它们是同一类元素。所以在教学中要紧紧把握“具有相同核电荷数（即质子数）”和“一类原子”两个关键要素，实质上“质子数”都是划分元素的唯一标准。还必须明确两点：1.元素是宏观概念，只论各种类，而不论个数；2.一类原子指的是质子数相同的中性原子和带电原子（离子），这就掌握了“元素”的含义和适用范围。
四、重视量词的作用
许多化学概念是用数量词说明的，而且“数量”在其中起决定作用。例如讲氧化物的概念时，要抓住“由两种元素组成的化合物，其中一种是氧元素”这些关键性的数量词。又如在确定化合物价数值时，必须讲清在离子化合物里，元素化合价的数值就是这种元素的一个原子得失电子的数目；在共价化合物里，就是这种元素的一个原子跟其他元素的原子形成共同电子对的数目，且突出“一个”和“数目”。
五、运用直观教学方法，帮助学生形成概念
中学生思维能力的发展正处于从形象思维到抽象思维的过渡时期，形象思维多于抽象思维，对抽象概念的学习一般离不开感性材料的支持。因此讲授概念时要遵循学生的认识规律，从感性到理性，从具体到抽象，做到从直观入手，通过观察，感受、分析、抽象、概括而引出概念。一是引导学生联系生活经验认识化学概念。如讲授“分子”时可以从糖溶于水、氨气扩散、湿衣服晾干等日常生活经验入手，说明分子的客观存在，再用比喻的方法描述分子的大小，就可把摸不到的分子的概念深深印在学生的脑海里。二是利用实验、模型、挂图、录像、多媒体等直观教具认识概念。
六、辨析比较，弄清概念异同，防止模糊概念
在化学概念中，有些概念之间既有本质不同的一面，又有内在联系的一面。在教学中可以采用对比的方法，将既有联系又有区别的概念进行对比，使学生弄清概念的异同，防止模糊概念。例如单质、化合物、氧化物、纯净物等概念的比较，首先寻找联系点：单质是由同种元素组成的纯净物；化合物是由不同种元素组成的纯净物。又如“氧化剂”与“还原剂”，它们的联系点都是指反应物并存于同一个反应体系中。不同点是还原剂得到氧，氧化剂失去氧。还有氧化物、酸性氧化物、碱性氧化物等，都是既有联系又有区别的概念。无机化学中所学的同位素、同素异形体与有机化学中的同分异构体、同系物，无机化学中的“根”与有机化学中的“基”，缩聚反应与加聚反应等，对于这类概念的教学可采用类比法，通过类比使学生真正找出其根本区别所在，帮助学生理解和记忆。
七、变式训练、强化理解，运用概念
量子力学重要概念篇2
数学概念是反映现实世界的空间形式和数量关系的本质属性的思维形式。数学概念是数学知识的基础，是数学教材结构的最基本的因素，是数学思想与方法的载体。正确理解数学概念，是掌握数学基础知识的前提。学生如果不能正确地理解数学中的各种概念，就不能很好地掌握各种法则、公式、定理，也就不能应用所学知识去解决实际问题。因此。抓好数学概念的教学，是提高数学教学质量的关键。数学概念比较抽象，初中学生由于年龄、生活经验和智力发展等方面的限制，要接受教材中的所有概念是不容易的。在教学过程中，一些教师不注意结合学生心理发展特点去分析事物的本质特征。只是照本宣科地提出概念的正确定义，缺乏生动的讲解和形象的比喻，对某些概念讲解不够透彻，使得一些学生对概念常常是一知半解、模糊不清，也就无法对概念正确理解、记忆和应用。下面就如何做好数学概念的教学工作谈几点体会。
一、利用生活实例引入概念
概念属于理性认识，它的形成依赖于感性认识，学生的心理特点是容易理解和接受具体的感性认识。教学过程中，各种形式的直观教学是提供丰富、正确的感性认识的主要途径。所以在讲述新概念时，从引导学生观察和分析有关具体实物人手，比较容易揭示概念的本质和特征。例如，在讲解梯形”的概念时，教师可结合学生的生活实际，引入梯形的典型实例(如梯子、堤坝的横截面等)，再画出梯形的标准图形，让学生获得梯形的感性知识。再如，讲数轴”的概念时，教师可模仿秤杆上用点表示物体的重量。秤杆具有三个要素：①度量的起点；②度量的单位；③明确的增减方向，这样以实物启发人们用直线上的点表示数，从而引出了数轴的概念。这种形象的讲述符合认识规律，学生容易理解，给学生留下的印象也比较深刻。
二、注重概念的形成过程
许多数学概念都是从现实生活中抽象出来的。讲清它们的来源，既会让学生感到不抽象，而且有利于形成生动活泼的学习氛围。一般说来，概念的形成过程包括：引入概念的必要性，对一些感性材料的认识、分析、抽象和概括，注重概念形成过程，符合学生的认识规律。在教学过程中，如果忽视概念的形成过程，把形成概念的生动过程变为简单的条文加例题”，就不利于学生对概念的理解。因此，注重概念的形成过程，可以完整地、本质地、内在地揭示概念的本质属性，使学生对理解概念具备思想基础，同时也能培养学生从具体到抽象的思维方法。例如，负数概念的建立，展现知识的形成过程如下：①让学生总结小学学过的数，表示物体的个数用自然数1，2，3…表示；一个物体也没有，就用自然数0表示：测量和计算有时不能得到整数的结果，这就用分数。②观察两个温度计，零上3度。记作+3°，零下3度，记作-3°，这里出现了一种新的数——负数。③让学生说出所给问题的意义，让学生观察所给问题有何特征。④引导学生抽象概括正、负数的概念。三、深入剖析。揭示概念的本质
数学概念是数学思维的基础，要使学生对数学概念有透彻清晰的理解，教师首先要深入剖析概念的实质，帮助学生弄清一个概念的内涵与外延。也就是从质和量两个方面来明确概念所反映的对象。如，掌握垂线的概念包括三个方面：①了解引进垂线的背景：两条相交直线构成的四个角中，有一个是直角时，其余三个也是直角，这反映了概念的内涵。②知道两条直线互相垂直是两条直线相交的一个重要的特殊情形，这反映了概念的外延。③会利用两条直线互相垂直的定义进行推理，知道定义具有判定和性质两方面的功能。另外，要让学生学会运用概念解决问题，加深对概念本质的理解。如。一般地，式子(a≥0)叫做二次根式”这是一个描述性的概念。式子(a≥0)是一个整体概念，其中a≥0是必不可少的条件。又如，讲授函数概念时，为了使学生更好地理解掌握函数概念，我们必须揭示其本质特征，进行逐层剖析：①存在某个变化过程”——说明变量的存在性；②在某个变化过程中有两个变量x和v”——说明函数是研究两个变量之间的依存关系；③对于x在某一范围内的每一个确定的值”——说明变量x的取值是有范围限制的，即允许值范围；④v有唯一确定的值和它对应”——说明有唯一确定的对应规律。由以上剖析可知，函数概念的本质是对应关系。
四、通过变式。突出比较。巩固对概念的理解
巩固是概念教学的重要环节。心理学原理认为：概念一旦获得，如不及时巩固，就会被遗忘。巩固概念，首先应在初步形成概念后，引导学生正确复述。这里绝不是简单地要求学生死记硬背，而是让学生在复述过程中把握概念的重点、要点、本质特征，同时，应注重应用概念的变式练习。恰当运用变式，能使思维不受消极定势的束缚，实现思维方向的灵活转换，使思维呈发散状态。如有理数”与无理数”的概念教学中，可举出如π与3.14159”为例，通过这样的训练，能有效地排除外在形式的干扰，对有理数”与无理数”的理解更加深刻。最后，巩固时还要通过适当的正反例子比较，把所教概念同类似的、相关的概念比较，分清它们的异同点，并注意适用范围，小心隐含陷阱”，帮助学生从中反省，以激起对知识更为深刻的正面思考，使获得的概念更加精确、稳定和易于迁移。
五、注重应用。加深对概念的理解，培养学生的数学能力
量子力学重要概念篇3
概念是最基础的化学知识，它是学生认识物质属性极其规律的起点。在现行初中化学教材中，有许多精炼的化学概念，这些概念是用简练的语言高度概括出来的，常包括定义、原理、反应规律等。其中每一个字、词、每一句话、每一个注释都是经过反复推敲并有其特定的意义，以保证概念的完整性和科学性。化学概念是学习化学必须掌握的基础知识，准确地理解概念对于学好化学是十分重要的。初中学生的阅读和理解能力都有待培养和提高，因此，在教学过程中讲清概念，把好这一关是非常重要和必要的。本文就新课程教学改革中，如何做好初中化学概念教学进行阐述，仅供大家参考。
1、加强直观教学
初中学生由于年龄特征原因，他们的思维主要以直观为主。因此，在进行化学概念教学时，要尽量利用直观的手段。比如，原子、分子的结构，它们是微观粒子，看不见，摸不着，学生想象不出来。这时候，老师可以用模型来帮助学生的认识原子、分子等微观粒子的结构，从而形成原子、分子等概念。
多媒体技术也是很好的直观教学，因此在具体的化学教学中，我们应该重视它、用好它。比如，学生对“原子是化学变化中的最小微粒”这一概念总是不理解，很多学生根据这个概念，还错误的认为分子比原子大。利用多媒体动画，可以让化学反应过程清楚的展示出来，让学生清晰的看到：在化学反应时，分子分为原子，原子重新组合成新的分子。
2、帮助学生理解化学概念的本质
对化学概念的理解不能是支离破碎的，而应该是全面的，只有这样才能使学生深刻的理解，并能利用化学概念解决实际问题。如果学生不能深刻的理解化学概念，他们只能死记硬背的学习概念了。学生死记化学概念，就不会灵活运用，那就等于没有掌握化学概念。因此，在实际的教学中，老师要帮助学生理解化学概念的本质。比如，对物理变化与化学变化的学习，要强调判断的标准是看有无新物质的生成，有新物质生成的就是化学变化。比如，水变成水蒸气，很多学生错误的认为它是化学变化，那就要向学生讲清楚：水蒸气的本质仍然是水，只是状态发生了变化，不是新的物质，因此它属于物理变化。同样，水结成冰、电灯发光等变化，都没有新的物质生成，它们都属于物理变化。
在具体教学中，老师要对某些化学概念需要进行剖析，才能帮助学生透彻的理解。尤其，要帮助学生领会其本质意义。比如，催化剂这个概念，一定要让学生理解其中的“改变”的含义，它可以是加快，也可以是减慢；“不变”的含义是指质量与化学性质，很多学生将“改变”理解为只有加快，讲“化学性质”误认为是性质。事实上，物质的性质包括化学性质与物理性质，因此，概念中的化学性质不能随便的理解为性质。又如，氧化反应概念中的氧，很多学生错误的理解为氧气，事实上，概念中的氧不只是指氧气，它还包括含氧化合物中氧的意思。
由上可知，在初中化学教学中，利于剖析的方法对概念进行教学，可以有效的帮助学生准确理解概念的内在含义。
3、利于对比方法帮助学生正确的形成概念
化学上很多概念具有对立性，如果在教学中采用对比的方式进行，可以帮助学生更好的领会概念的含义，从而收到良好的教学效果。比如，物理性质与化学性质；物理变化与化学变化；分解反应与化合反应；纯净物与混合物；单质与化合物等等，在教学中应该加强对比就能有效的帮助学生理解、掌握它们。
4、利用实验帮助学生建立化学概念
化学是一门以实验为基础的自然科学，在化学教学中无任怎样重视实验都不过分的。在初中化学概念教学中，同样要重视发挥化学实验的作用。比如，饱和溶液与未饱和溶液，在教学中应该让学生亲手配制，这样能使学生深刻的理解其含义。同样，溶解度、质量守恒等概念，都可以用实验让学生建立概念。否则，老师空洞的讲解，只能使学生听的枯燥。
5、加强引导，注重概念的内涵与外延
紧扣概念，弄清概念的内涵与外延，既有助于学生理解概念，又有助于拓展学生的思维视野。如人教版初中化学教材P48关于“盐”定义为组成里含有金属离子和酸根离子的化合物。学生根据定义可能无法判断NH4NO3、NH4Cl等物质是否为盐。对此，教师可以将盐的定义延伸拓展一下，组成里含有金属离子或铵根离子和酸根离子的化合物叫做盐，以后学生再遇到这类问题就不会困惑了。另外，复分解反应发生的条件为生成物中有沉淀或气体或水生成时复分解反应才能发生。在介绍侯氏制碱法时，学生无法理解：NaCl+NH4HCO3=NaHCO3+NH4Cl的反应类型。如果教师将复分解反应发生的条件延伸为：生成物中有沉淀或气体或水或难电离的物质或溶解度更小的物质生成时复分解反应才能发生，学生便很容易理解了。
6、正确辨析，注意概念之间的区别
物质分类一直是近几年中考考查的重点和热点，考查的方式灵活多样，题型背景层出不穷，混合物和纯净物辨析区分更是许多省市命题考查的热点。对此，教师在教学中应引导学生正确辨析，注意概念之间的区别。如“纯净物”只有一种物质组成，有固定的性质，有固定的化学式。“混合物”至少有两种成分，每种成分都保持各自的性质，而且每种成分之间没有发生化学反应，通常没有固定的化学式。据此学生结合自己的化学认知结构便可以正确区分纯净物和混合物了。
7、系统分类，注意概念之间的联系
量子力学重要概念篇4
化学概念往往都是“成群结队”出现，而且众多概念间有着千丝万缕的联系，故澄清概念间的相互关系是化学基本概念教与学活动中的一个非常重要的组成部分。
对于表示知识范围的大小的同一知识系列概念，可启发学生根据分析对象的特点及其相互间的关系用对应的数学手段――集合加以表示。如：氧化物、含氧化合物、化合物三个概念的相互关系就可以用集合的定义表示成：
对那些从定量角度反映概念内涵，而仍以文字形式给出的概念可让学生通过对概念认真分析，弄清各个量之间的相互关系，然后用代数式的形式把概念“翻译”出来。例如在“相对原子质量”概念的教学中，教师首先讲述原子是化学变化中的最小微粒，其质量极小，运用起来很不方便，指出“相对原子质量”使用的重要性。指导学生阅读相对原子质量概念，然后依据课本中定义把相对原子质量的概念“翻译”成下列代数式：
公式：相对原子质量=■
再指导学生通过练习的形式对概念加以巩固，在实际计算中体验相对原子质量的真正含义。如果学生只注意背相对原子质量概念，尽管多次记忆仍一知半解。通过这样计算，学生便能直观地准确地理解“相对原子质量”的概念，而且还较容易地把握相对原子质量只是一个比值，一个没有单位的相对量，数值大于等于一。
实践证明，用数学手段（集合、代数式等）处理化学概念，大大降低了学生理解概念和澄清概念相互关系的难度。同时对学生掌握和应用概念起到了很大的促进作用。
二、利用实验对基本概念进行解析
概念教学往往强调的语言较多，绕来绕去，让学生感到化学很难学。为避免学生用死记硬背的方法学习，教师尽可能地加强直观教学，增加课堂实验，让每个学生都能直接观看到实验现象，加强直观性，增强学生对概念的信度。同时学生的感性认识有助于形成概念、理解和巩固概念。例如，在学习质量守恒定律时，首先由教师演示测定白磷燃烧前后质量变化的实验，然后由学生分组测定白磷燃烧前后质量的变化。通过多组学生的实验事实导出质量守恒定律的内容。教师还可以借助现代化教学技术和手段，进一步从微观角度去分析质量守恒定律的原因，并指导学生在此基础上进行练习，学生就会真正理解质量守恒定律。这样，从宏观到微观，从实践到理论再到实践，自然学生学习起来兴趣高，学习内动力大，对理论问题认识清楚。再如“化学变化”、“物理变化”、“催化剂”、“饱和溶液”、“不饱和溶液”等概念的形成，都可以由实验现象分析、引导、归纳得出其概念。
三、通过比较分析的方法，掌握相关概念的本质
学生对基本概念的运用造成偏差的原因，主要是对概念的本质掌握不牢、理解不准，特别是对一些本质属性相似的概念更是如此。因此做题时经常出现差错。在教学的过程中，对有关概念进行有目的地比较，让学生辨别其区别与联系很有必要。通过运用比较分析的方法，有利于学生抓住概念的本质要点和特征，从而更深刻地理解概念，启发学生积极的抽象思维活动。如在“元素”和“原子”概念形成之后，比较分析它们的区别和联系。即元素是宏观概念，是描述物质的宏观组成，只讲种类，不讲个数。而原子是微观概念，是描述物质的微观构成，既讲种类，又讲个数。元素是具有相同核电荷数（即质子数）的一类原子的总称。再如分子和原子，物理变化与化学变化，化合反应和分解反应，溶解度与溶质质量分数等概念也可以通过对比的方式找出它们之间的联系和区别进行辨析，使学生明确概念间的相同点和不同点，加深印象，从而理解概念。
四、通过反面论证，加深对概念的理解
为了使学生更好地理解和掌握概念，教学中指导学生在正面认识概念的基础上，引导学生从反面或侧面去逆向剖析，使学生从不同层次、不同角度去理解、掌握每一个概念。如对于“同种分子构成的物质一定是纯净物”这一概念，反过来问“纯净物一定由同种分子构成吗？”学生容易看出分子只是构成物质的一种微粒，构成物质的微粒除了分子外，还有原子、离子。如铁是纯净物，但是铁是由铁原子构成的。氯化钠是纯净物，但是氯化钠是由钠离子和氯离子构成的。再如，元素具有相同的核电荷数（即核内的质子数）同一类原子的总称。这一概念，可理解为同种元素的粒子中质子数一定相同。如氧元素里的16O、17O、18O三种原子都具有相同的质子数（质子数均为8）；氯元素里的氯原子与氯离子的质子数相同（质子数均为17）。但是反过来问“质子数相同的粒子一定是同种元素吗？”如钠离子与铵根离子具有相同的质子数，但它们不是同种元素。教学中要及时指导学生运用反面论证的方法，对所学概念反复认识，以达到深刻理解概念的目的。
五、通过练习巩固，灵活应用概念
对难理解的概念还可以从不同的角度设计练习题，使学生能够灵活地应用这些概念。事实证明，一道好的、典型的习题，不但能起到检验被试者是否准确记忆和理解概念的作用，还能提供从多方面深入认识概念的机会，甚至还能起到深化和发展概念的作用。通过教师精心设计或筛选出来的质量较高、对应性较强的习题，经过练习之后，会把学生认识概念的水平提高到一个较高的层次。
六、抓住概念的关键词，灵活记忆
概念关键词的记忆和理解，是准确掌握概念的前提；强化概念应用，是概念拓宽、深化的关键。例如，在“催化剂”概念中，强调“一变”和“二不变”。“一变”指能改变（加快或减慢）其他物质的化学反应的速率，“二不变”是指催化剂在化学反应前后本身的质量和化学性质不发生变化，但物理性质可能变。又如：单质的概念中要强调两点：一是同种元素，二是纯净物。因同种元素组成的物质不一定是单质，也可能是混合物。如氧气和臭氧的混合气体就是混合物。这样的要点，不仅便于记忆，又能将重点准确地理解。
量子力学重要概念篇5
初中物理概念有很大一部分可以从字面得到解释，对于这些概念，学生可以从字面含义出发，斟字酌句，由浅入深．比如:磁感线，磁－磁场，感－感应，线－曲线，即感应磁场的曲线．再比如:匀速直线运动，匀－均匀，速－速度，即速度均匀不变的运动．进一步延伸则表示在一条直线中，加速度不变的运动．在解释字面意思的时候，要让学生了解相同的词在不同的概念中不一定具有相同的意思．学生在斟字酌句的时候，经常会陷入迷茫的死胡同．此时，就需要拓宽视野，发挥想象．如“匀速圆周运动”中的“匀速”和“匀速直线运动”中的“匀速”，大部分学生在看到这两个概念中的“匀速”时都觉得应该是速度不变的，实则不然，“匀速圆周运动”中的“匀速”是指物体运动的速率大小不变，但运动的方向时刻改变，而“匀速直线运动”中的“匀速”是指物体运动的速率大小不变．因此，学生在从字面上理解概念的含义时，一定要确保词义的正确理解．
二、从区别中寻找联系学习物理概念
要想真正的理解物理概念，就要学会把相似的概念放到一起进行分析比较，找到相似概念之间的区别和联系，进而加深对物理概念的理解．比如速度和速率两个概念一直是初中物理教学中的重难点，有些学生在学习完初中物理教材之后也不能完全的理解这两个概念的区别和联系，因而刚接触这两个概念时，就要做出明确的区分．教师首先要让学生明确二者的不同点．速度有大小和方向，是矢量，而速率只有大小没有方向，是标量;速度与位移相联系，平均速度即单位时间内的位移，是矢量，而速率与路程相联系，平均速率是单位时间内的路程，是标量．但是二者之间也有着不可分割的联系．在匀速直线运动中或者是变速运动中的瞬时速度的大小等于速率的大小．由此，学生通过对二者的比较，更加深入的理解了速度和速率这两个概念．
三、利用理想模型强化物理概念
理想模型在初中物理教学中起着重要的作用．它是指忽略了研究对象的次要因素，抓住主要因素，即研究对象的本质问题，或者是在一个研究系统中，忽略了研究对象本身并不影响研究系统效果的次要因素．理想模型通常将研究对象化繁为简，有利于更直观形象的理解物理概念．比如我们所熟知的点电荷的概念．很多学生刚接触点电荷的概念时并不能快速的描绘出点电荷的样子，学生的脑中，电荷往往是杂乱无章、看不见、摸不到的，它们毫无规律的运动着，但是随着不断的研究会发现:在一个研究系统中，我们只关心点电荷电荷量的多少，因此完全可以忽视电荷的质量、大小、形状和电荷的分布情况，把这些电荷看成简单的集合点，就称为点电荷．如此，学生便在脑中建立了点电荷的理想模型，理想模型的建立为学生进一步理解物理概念提供了有效的方法．
四、巧用多媒体领会物理概念
多媒体在物理教学中的应用给物理教学带来极大的便利，多媒体教学可以使学生看到原本看不到的东西，听到原本听不到的声音，让这些抽象和难以想象的物理概念变得形象而直观．例如教师在教学静电的概念时，可以用多媒体播放一些生活中静电的案例，如用刚梳过头发的梳子去吸引纸屑的场景和夜里脱毛衣的场景，不仅可以让学生充分感受到生活中的静电事例，而且可以激发学生对物理的兴趣，起到一举两得的作用．再例如，教师在讲解电流的概念时，可以调用电流产生和运动的模拟动画，让学生清楚的看到电流的产生及运动过程，帮助学生理解电流的计算公式和电流的微观表达式．所以巧用多媒体教学可以在保证物理教学有质有量完成的同时，也进一步提高了物理课堂教学的效率．
量子力学重要概念篇6
关键词:经典相对论;宇宙学;量子引力;概念解释;形而上学
正如巴特菲尔德和厄尔曼编撰的《物理学哲学》一书所言，近半个世纪以来，物理学哲学充满活力有两个重要的原因，第一是与所分析的科学哲学的形成期相关，第二则是近半个世纪以来物理学自身的研究有关。也正因此，在物理学哲学发展的进程中，其研究的论题和研究方法也随着科学哲学和物理学自身的论题和方法进行着改变。在很长一个历史时期内，物理学哲学曾经关注经验物理学领域，物理学哲学的探讨与对客观性、真理性以及科学合理性的辩护分不开。而在当前宇宙学、量子引力发展的前沿时刻，《物理学哲学》一书体现了当代物理学哲学研究的新特点。本书与以往物理学哲学书籍最大的不同之处就在于，在以往物理学哲学著作往往重点讨论统计物理学、相对论和量子力学的哲学问题的基础上，增加了新的领域:“这些支柱的结合”———量子引力，并运用决定论和对称性这两个“能架起联结物理学理论间(甚至三大支柱间)鸿沟的桥梁”的主题，把最终的讨论由具体引向一般，从而让我们看到两个结论:第一，物理学哲学和物理学之间并不存在清晰的界限。第二，物理学概念的复杂化，想要借由物理学去丰富哲学，并非容易。本文主要就书中的“经典相对论”、“宇宙学中的哲学问题”和“量子引力”等内容进行分析，指出它们所揭示的物理学概念解释的新特征以及物理学理论理解的新特征。
一相对论、宇宙学和量子引力哲学概要
巴特菲尔德在引言中指出，数学的相对论者在不断深化我们对广义相对论基础的理解。大卫•马拉蒙特的“经典相对论”［1］一文就明显具有这样的特点，并不讨论经典相对论的历史发展及其实验依据，而是以微分几何的语言，从概念和形式化的角度对相对论的结构以及相对论引发的一些基础问题进行了分析和讨论。首先从描述相对时空的结构开始，相对论的弯曲时空是一类几何模型(M，gab)表示的相对时空，其中M为一个平滑的连续的四维流形，gab是M中的一个平滑的半黎曼度规。其中每个模型都代表一个与理论的约束条件相容的可能世界。M可以解释为世界中点事件的流形，而gab的解释则关乎四个物理学解释性原理，由点粒子和光线的行为决定，由此把引力和时空几何效应等同起来。当粒子只受到引力作用时，它的轨迹为弯曲时空的测地线。而任何质量粒子的加速度即偏离测地线的轨迹，由引力以外的力决定。马拉蒙特详细地描述了gab的解释性原理和限定条件。在此基础上分析了本征时间、某一点的空间时间分解及粒子动力学、物质场、爱因斯坦方程、类时曲线的汇与“公共空间”、基灵场与守恒量等内容。经典相对论中所有发生的事件都可以用物质场F表示，为时空流形M中的一个或者多个平滑张量或旋量，满足包含gab的场方程。Tab为与F相关的能量－动量场，时空的弯曲受物质分布的影响，任意区域的时空度规和物质场会发生动力学相互作用，遵循爱因斯坦方程。在专题讨论部分，关于闵可夫斯基时空中的相对同时性的地位，试图还原爱因斯坦定义同时性对标准关系选择的特定背景;关于牛顿引力理论的几何化，将引力化的牛顿理论与爱因斯坦相对论进行了结构上的对比;关于时空的整体“因果结构”，关注了什么程度上时空的整体几何结构能够从其“因果结构”中得到。“宇宙哲学中的问题”［2］的作者是乔治•F．R．埃利斯。宇宙学哲学的部分在书中起着承上启下的作用，因为一方面，宇宙学哲学的研究基于爱因斯坦广义相对论引力理论时空曲率和宇宙的演化由物质决定的思想，用广义相对论描述宇宙远古时期之后的演化;另一方面，由于在黑洞以及宇宙大爆炸初期物质高密度状态下无法忽略引力问题，因而无法避免引力理论。总的来说，整篇文章把当代宇宙学看作是观测宇宙学、物理宇宙学、天文宇宙学与各种形式的量子宇宙学共生共长、互惠互补的综合理论系统，想要给出一个“描绘真实宇宙起源和演化的理论”。主要内容分为两大部分，第一部分为宇宙学概论，包括基本理论、热大爆炸、宇宙观测、因果和可视世界、理论的发展、暴胀、极早期宇宙、一致性模型等内容，并澄清了关于宇宙暴胀和超光速等问题的一些误解。在埃利斯看来，“宇宙学正在由一种猜测性的事业向真正的科学转变，这不仅带来了与科学革命相近的多种哲学问题，也使得其他哲学问题更加紧迫，例如关于宇宙学中的说明和方法等问题。”因此文章第二部分进行的问题讨论围绕这些说明和方法问题展开，讨论了宇宙的唯一性、宇宙在空间和时间上的巨大尺度、早期宇宙中的无约束能量、宇宙起源的解释问题、作为背景存在的宇宙、宇宙学明确的哲学基础、有关人类的问题:生命的精细调节、多元宇宙存在的可能性和存在的本质等九大问题。在此过程中，埃利斯提出了34个论点，关涉到这9个问题的方方面面，包括人择原理和多重宇宙存在的可能性等。这些论述关乎几何学、物理学和哲学，它们构成了宇宙学面面临的哲学问题的环境及其与局域物理学之间的关系。埃利斯期望通过这一系列讨论改变人们认为宇宙学只不过是确定一些物理参数的简单看法。“量子引力”［3］一文的作者是卡罗尔•罗韦利，内容大致可分为四个方面。第一，量子引力的研究方法，包括早期的历史和方向、目前的主要尝试性理论等。量子引力的早期思想可以概括为“用一个理论来描述引力的量子特性”。期间出现的第一种方法是罗森菲尔德等人的“协变化”方法，通过引入一个虚构的“平坦空间”来考虑周围度规的微小涨落，并且运用电磁场中的方法来对这些波进行量子化;第二种是伯格曼等人的“正则化”方法，研究和量子化整个广义相对论的哈密顿函数，而不只是量子化其围绕平坦空间的线性化函数;第三种是米斯纳等人的路径积分方法。目前主要的尝试性理论主要介绍了基于协变化方法发展起来的弦理论和基于正则化方法发展起来的圈量子引力理论以及它们之间的争论。第二，关于量子引力研究方法论问题。指出量子引力研究的理由包括经验数据的缺乏和对引力是否应当量子化的思索。分析了当前量子引力研究中的各种态度以及科学知识的累积性和科学哲学的影响。第三，空间和时间的本质，包括广义相对论的物理意义、背景无关性、时间的本质等。第四，与其他未决问题之间的关系，包括统一、量子引力学的解释宇宙学常数、量子宇宙学等等。这些章节的详细内容不是本文的重点，我们想要做的，是分析作者的研究方式所代表的当代物理学哲学研究的视野和方法的转变。本书的研究方式明显地具有两个特征:第一个特征关乎物理学概念的解释:物理学的概念解释脱离不开数学形式化下的整体系统;第二个特征关乎新的物理学理论的理解:在理论的发展中处处显示物理学和形而上学的交织统一。这两个特征与这些物理学研究领域实验检验的缺乏以及理论构造的特征密切相关。
二物理学概念解释的新特征:数学形式化整体系统中的关联解释
巴特菲尔德相信当前基本物理学中的基础问题会为物理学哲学提供从最为有趣且最为重要的问题，而我们关注的是本书处理这些基础问题的方式。虽然从章节上来看，物理哲学的论题被划分为若干个领域，但从内容上，完全可以看到作者的用心，站在当代数学物理学发展的高度用整体微分几何等数学语言对物理学系统进行重新形式化和解释，每一章节的紧密联系使得物理学作为一个整体系统得以呈现。其中对每一个物理概念解释的细节，正是物理学哲学追求的基础问题的答案。可以说，概念解释居于本书的核心地位，物理学哲学解释问题的最重要的方式就是处理当代物理学中的概念和解释问题。
(一)物理学概念的解释:我们理解世界的基础
物理学的发展时时刻刻影响着人们对世界的理解方式，其途径就是物理学概念的解释。经典物理学、相对论和量子力学曾极大地改变我们对世界的看法，它们在经验上的有效性曾经强化过我们对科学理论客观性和真理性的观点，也曾让很多物理学家追求理论的实用性而认为有些基础性的问题毫无意义。但当前宇宙学和量子引力理论的提出，使人们重新注视广义相对论和量子力学的不相容性的时候，从广义相对论以来的一些基础性问题和哲学问题得以重新复兴。相对论为我们宇宙的时空结构确定了一类几何模型，其中每个模型都代表了一个与理论的约束条件相融的可能世界或区域。而我们对时空的理解涉及整体时空结构和爱因斯坦方程的约束条件等等。宇宙学和量子引力的研究则让我们明白，改变我们对空间和时间的理解的广义相对论是在可以忽略引力的量子特性时对引力进行描述的场理论，那么真正的空间和时间的本质又是如何呢?我们对宇宙起源的理解绕不开量子引力方法的尝试，但这种尝试要受到很多约束，比如成熟量子引力理论的缺乏、量子力学基础问题，比如测量问题、波函数的塌缩问题等。现在人们期望得到的成功量子引力的路径基于目前理论的发展，比如惠勒－德维特方程和宇宙波函数思想、来自弦论思想的高维时空方法，或者圈量子引力的应用等。但这些问题是否能真正解决宇宙起源的问题却并没有确切的答案，比如维兰金的创生虚无的真理论的理解要依赖于量子场论的精致框架和粒子物理学标准模型等很多结构，而这些基础本身也是需要解释的。可以说，我们理解世界的基础就在于我们用于理解它的那些概念的意义。
(二)概念解释的新特点:数学形式化下整体系统中的关联解释
巴特菲尔德在经典力学的辛约化中指出，经典力学的核心理论原理已经被欧拉、拉格朗日、哈密顿和雅可比等改写，“我们已经认不出来了，因此对它们的哲学反思也发生了变化。”因此引入辛几何、李代数等语言对理论进行形式化，旨在利用辛约化理论使连续对称和守恒量之间产生联系的特征，从理论结构上显现经典力学与量子物理学的联系，这是运用数学形式化系统展现物理学理论的对称性本质。相对论、宇宙学和量子引力哲学部分，情况也是如此。整本书是站在当代数学发展的高度，运用拓扑学、群理论和微分几何等重新形式化物理学的整个体系，并对其概念进行剖析的一个过程。而对基本问题的理解，则建立在概念剖析的基础之上。在这些文章中，理论发展的历史状况和实验成果，只是系统阐释整个理论概念和解释的背景而已。作者们的重点则放在用数学领域的发展和物理学理论形式化的诉求，促进对物理学理论结构的探索，进而把论题转化为对其哲学问题的探讨。理论的形式化体系、概念结构和物理学解释是有机地结合在一起的。在牛顿引力的几何化中，也是站在当代物理学和数学发展的高度，重新形式化作为相对论弱场近似的牛顿理论，得到与广义相对论类似的数学结构，正是在这个意义上，才能够好地发现两个理论在何种条件和何种程度上是相符的，又在何种条件和何种程度上是区别的。在这个形式化的整体系统中，对于物理概念的解释不再是孤立的解释，而是站在理论的数学结构的高度，成为一个整体系统中的关联解释。这在很大程度上突出了物理学哲学中语义分析方法的重要性，因为没有完全独立的概念，物理学的概念定义之间互相依赖，只有在一个系统的语义结构中才能理解概念的意义。如普斯洛斯在这套爱思唯尔哲学手册的《一般科学哲学》一书中所言:“理论解释的唯一方式就是把它嵌入到同类概念的框架中，并尝试着解开它们的相互关联。”［4］
(三)旧概念重新解释的意义:还原理论创立过
程中概念选择的特定背景在物理学的发展中，每一次理论创新和进步都伴随着新概念的提出或旧概念的重新解释，站在理论发展的角度考虑，这样的解释会让我们更好地理解物理学理论的提出、发展和变迁的合理性。比如蒙特在经典相对论一文中对闵可夫斯基时空环境下相对同时性关系的重新考虑。蒙特指出，当相对于一个四维速度矢量将一点上的矢量分解为“时间”和“空间”分量进行讨论时，我们理所当然地相信包含正交性的相对同时性的标准认同。在解释这种认同的理由时，根据方便在闵可夫斯基时空结构即狭义相对论体系下进行分析。他援引霍华德•斯坦的论述，指出采用相对同时性的标准(ε=1/2)的惯例是需要特定背景的。在他们看来，爱因斯坦是为了解决我们无法检测到地球相对于以太的运动而采取的解决方案，以一种特定的方式(ε=1/2)来思考同时性，但如果并非从爱因斯坦最初的思路来考虑，而是从一个成功理论的高度来理解它，把相对论视为是针对时空结构不变性的论述时，其意义就完全不同了。这在很大程度上还原了爱因斯坦对同时性做出的“定义”中挑选出来的这种标准关系的实质，它可能并非一种自然的存在，而是理论选择的特定需要，还原这个过程，对我们更好地理解理论和概念的本质有着重要的意义。
(四)新理论的概念澄清:科学进步的必然现象
物理学史上每一个新理论的诞生都会引起旧的概念的澄清，量子引力就是个很典型的例子。量子引力是对空间和时间本质的探索，它引导我们重新思考关于时间、空间、“在某处”、运动和因果观测者的地位等很多问题。作为试图把广义相对论和量子理论结合的理论，我们需要以历史的眼光重新追问。我们都知道，广义相对论改变了我们对牛顿独立于物质运动的绝对空间和时间的理解。量子力学则用我们关于运动的一般性理论替代了经典力学，并改变了物质、场和因果性的观念。但量子力学的外在时间变量和量子场论静止的背景时空都是和广义相对论不相容的。而广义相对论中引力场被假设为一个经典决定论的动力学场，无法处理小尺度引力的量子特性。因此，想要把二者进行结合的量子引力就遇到了困难。正因为如此，罗韦利直言尽管基础物理学在经验上有效，但它正处于一种深刻的概念混乱的状态。虽然20世纪后半叶，物理学注重实用而忽略了这些基本问题，但量子引力告诉我们这些基本问题必须得到新的答案。但问题的澄清并没有一条唯一明确的路可以走，超弦理论和圈量子引力在假设、成就、具体结果以及概念框架上都有着显著的不同，但它们都有自己的代价，弦理论的思想基础是为了消除广义相对论的微扰量子化的困难，保留了量子场论的基本概念结构，其代价之一是放弃广义相对论的广义协变性。圈量子引力植根于描述广义相对论的协变性，但它的代价是忽略了理论的不完备性，放弃了幺正性、时间演化、基本层次上的庞加莱不变性以及物理学对象是在空间中局域化的且在时空中演化的概念。可以看出的是，新理论澄清概念的过程是科学理论进步的必然现象，而这一过程是通过分析在描述世界结构时所产生的概念上的困难来对以往科学的研究框架予以质疑或辩护，这涉及的是对世界本质更深刻的哲学和形而上的思考。
三物理学理解的新特征:物理学和形而上学的交织统一