在量子力學教學中培養學生的辯證思維能力

史良馬 朱仁義

（巢湖學院電子工程與電氣自動化學院，安徽 巢湖 238000）

1 引言

量子力學是現代物理學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律的學科，已經深入到我們生活的許多方面。量子力學是理工科相關專業的一門重要的基礎課程之一,它在能源、化學、材料等相關學科和許多近代技術中得到了廣泛的應用。因此，量子力學也是學習固體物理、材料科學、材料物理與化學、激光原理、激光物理與技術等專業課程的基礎[1]。量子力學的教學,除了使學生掌握量子力學的基本理論并利用量子力學基本理論分析和解決問題的能力外，還要使學生理解量子力學中蘊藏豐富的哲學基本思想，培養學生辯證的思維能力。對于理工科的本科生來，這種能力的培養更有助于學生認知客觀世界，提高學生的科學素養。

2 從量子力學的建立中啟發學生體會辯證思維

量子力學的發展充分地體現了唯物辯證的思想。在量子力學的教學中通過量子力學的發展史的介紹讓學生認識自然界發展的普遍規律，自覺地運用唯物辯證思想去思考問題、分析問題，從而培養學生辯證的思維能力。

例如19世紀末，很多物理學家認為紛繁復雜的物理現象的本質的認識已經完成，物理學的“大廈”已經建成，盡管還存在一些遺留問題，但與經典物理學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（關于電磁波的傳播介質與黑體輻射的問題）導致了相對論與量子力學的建立，從而將物理學世界顛倒了過來。尤其是量子力學的建立顛覆了人們對客觀世界的認識。雖然從量子力學的誕生起就伴隨激烈的爭論，但迄今所有實驗結果都沒違背量子力學的預言，量子力學導致核能、激光、晶體管等的誕生，鑄造了人類現代文明的基石。通過介紹量子力學的誕生和發展的物理史實說明科學認識是一個永恒發展的過程，任何科學理論，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展。

同時，量子力學建立也蘊含著必然性與偶然性辯證思想，19世紀末牛頓經典力學已經發展了頂點，隨著科學技術的發展，實驗技術水平的提高，經典力學局限性逐漸暴露出。因而，為了解決經典理論不能解釋的自然現象，新理論的建立就必然應運而生，成為歷史的必然。但科學發展進程往往是錯綜復雜的，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。運用經典力學決定論的、邏輯的、確定的觀點無法解釋微觀世界的現象，取而代之的是量子力學的非決定論性、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。與經典力學截然不同，量子力學中描述粒子狀態的量不是可觀測的物理量，而是幾率幅這就導致量子世界的本質是概率性。習慣于確定性經典世界的人很難接受概率性量子世界所發生的一切。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 利用量子力學的內容培養學生辯證思想

量子力學的內容也蘊藏著許多哲學中的辯證思想。在教學中運用辯證的思維分析微觀現象，幫助學生建立起物理圖象和物理情景，并借助于數學工具揭示量子力學的基本規律。從而加深學生對微觀世界本質的認識。

例如，作為量子力學的基本公設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。這種解釋充分展現了微觀粒子客觀存在的本質，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知識，是完全確定的。這種概率的因果關系體現了事物發展的本質。

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

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

首先，通過實驗分析幫助學生獲得波粒二象性的感性的認識。例如一電子源發出電子通過兩狹縫，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，好像是隨機出現的，但隨著粒子數的增加，由“亮”和“暗”條紋構成的干涉圖樣就會越來越清晰。在屏上出現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的現象，單個粒子就具有波動性。打在屏上表現的是粒子性，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，按傳統的經典力學的因果律來說就應該打在屏上的同一個位置，這樣就不可能出現干涉條紋。干涉條紋的出現是波動的表現，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，在量子力學中波與粒子兩種性質統一在一個客體之中。

其次，在實驗中形成波粒二象性的感性認識的基礎上進一步認識與分析量子力學中量子態的疊加原理與不確定度關系，從而將這種辯證統一的思想根植于學生的大腦。在經典世界中，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，則經典粒子只能處于其中的一種狀態，而量子粒子則處于這些可能狀態疊加的狀態上，這就是所謂的量子態疊加原理[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致了不確定度關系，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系著的矛盾統一體。它要求我們要在對立中把握統一，在統一中把握對立，在對立統一中認識和把握事物的整體及其每個方面。因此，在量子力學教學中要運用辯證的思維幫助學生克服在非此即彼的對立中思維的習慣。

4 通過量子力學的發展引導學生進行哲學思考

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

比方說,在講授測量問題時,從介紹量子力學的發展中愛因斯坦與玻爾關于物理實在的爭論入手[7]，更能準確的幫助學生對量子力學中測量的理解。愛因斯坦“相信有一個離開知覺主體而獨立的外在世界，是一切自然科學的基礎”。因此，他的觀點表現為:（1）他把與觀測所引起的干擾無關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果，包括測量結果的幾率特征在內，也是客觀的物理實在的現象。（2）他認為理論中第一個量必定對應于客體中的某一要素。而玻爾則認為物理實在歸結為“現象”，是微觀客體同宏觀儀器相互作用的結果。這種爭論不僅僅是物理學問題的爭論，也是哲學問題的爭論。了解他們爭論的本質，顯然有利于我們對測量的理解。測量的本質看做是觀測者、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生測量結果的原因。玻爾關于物理實在的理解體現人的認識的能動性，也是對認識的一個重要貢獻。

同時，量子力學的發展也在不斷豐富著哲學的內容。在量子力學的教學中適當的滲透量子力學的新的發展，一方面可以激發學生學習量子力學的興趣，另一方面引發學生對微觀世界的哲學思考。例如，EPR效應就是量子世界令人稱奇的現象，這個效應最初是愛因斯坦用來證明“量子力學不完備”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，促使人們對量子世界有更深刻的理解。所謂“EPR效應”是指兩個量子粒子處在特殊的狀態（又稱糾纏態）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會瞬時地發生相應的改變，愛因斯坦稱這個現象為“幽靈般地超距作用”，并認為這是不可能發生的。然而實驗證實這種違犯相對論的超距確實存在！在教學中通過介紹人們利用EPR效應來開發新的量子技術，引起同學們對量子力學興趣的同時，引導學生去思考EPR效應背后的深層次原因及其哲學意義。

5 總結

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

本文從量子力學的建立、量子力學的內容以及量子力學的發展對培養學生辯證的思維能力作了一點嘗試，希望能夠對學生有一點啟示，對學生今后的從事的工作有些幫助。

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

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

[3]曾謹言.量子力學教程[M].北京：科學出版社，2003.

[4]郭光燦.來自量子世界的新技術[J].科學中國人，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.近代物理學進展[M].北京：清華大學出版社，2009.

[7]柳樹滋.物理學的哲學思考[M].北京：光明日報出版社，1988.