量子计算含义精选(十四篇)

序言：作为思想的载体和知识的探索者，写作是一种独特的艺术，我们为您准备了不同风格的14篇量子计算含义，期待它们能激发您的灵感。

篇1

关键词：流动分析仪；紫外光度计；水质；亚硝酸盐

中图分类号：X832 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20170533026

养殖水质中亚硝酸盐含量的高低将决定着养殖水质的好坏，影响着养殖水产品的产量；一些长期贮存的饮用水中亚硝酸酸盐含量超标，人一旦长期饮用会影响人体健康，甚至有致癌的风险；在食品生产中亚硝酸盐作为一种着色剂和防腐剂使用，少则无害多存隐患。在人类生活水平得到提高的前提下，人类越来越关注健康，越来越来关注水质的质量，越来越关注食品安全，亚硝酸盐是水质监测与食品添加剂中常测指标之一。测定亚硝酸盐的方法主要有分光光度法、荧光法、离子色谱法、液相色谱法、流动注射法、共振散射光谱法、电化学法、化学发光法等[1]。在生活节奏越来越快的当下，亚硝酸盐含量检测的高效性与准确性成为检测行业追求的新态势。本文就测试水中亚硝酸盐含量的众多方法中选用的流动分析仪与紫外分光光度计两台仪器的测试情况进行了比较与分析。

1 方法与仪器

1.1 方法原理

《水质 亚硝酸盐氮的测定 分光光度法》 在磷酸介质中，pH值为1.8时，试份中的亚硝酸根离子与4-氨基苯磺酰胺反应生成重氮盐，再与盐酸萘乙二胺偶联生成红色染料，540nm波长测定吸光度[2]。

《亚硝酸盐的测定-流动分析法》在酸性介质中，亚硝酸盐与磺胺发生重氮化反应，其产物再与盐酸萘乙二胺偶合生成红色偶氮染料，于550波长测定[3]。

1.2 仪器与工作参数

连续流动分析仪Futura（法国ALLIANCE公司），测量波长540nm，参比波长660nm，分析速率40样/h，取样时间45s，寻峰时间15～65s，清洗时间45s，显色剂进样管0.76mm，水样进样管内径1.85mm。

紫外分光光度计Cary 100 Conc（美国VARIAN公司），测量波长540nm，光程10mm比色皿。

2 试剂与前处理

2.1 试剂

亚硝酸盐标准溶液：100mg/L，购于中国计量科学研究院，证书号GBW（E）080223。亚硝酸盐环境标准样品：0.151±0.008 mg/L，购于环境保护部标准物质研究所，证书号：200633。其它试剂选用至少分析纯级别，水质符合测试分析的2类水质。

2.1.1 流动分析仪测试标准曲线的配制

取1.00mL亚硝酸盐标准溶液（100mg/L）于100.0mL容量瓶，用超纯水定容至刻度线，浓度为1000?g/L，用流动分析仪自备稀释器分别稀释成0、5.00、10.00、25.00、50.00、100.0、150.0、200.0?g/L，共8个浓度点进行测试标准曲线。

2.1.2 紫外分光光度法测试标准曲线的配制

分别移取0、1.00、3.00、5.00、7.00、10.00mL（浓度为1000?g/L的亚硝酸盐标准中间液）至50mL比色管，用水稀释至标线，配制浓度分别为0、20.00、60.00、100.0、140.0、200.0?g/L，共6个浓度点，再分别加入1.0mL显色剂，密塞，摇匀静置，2h内用紫外分光光度计测试标准曲线。

2.2 样品前处理 水质均经过0.45um滤膜过滤后测定

2.2.1 流动分析仪测试所需的水量

待测水样样量

2.2.2 紫外分光光度计测试所需的水量

待测水样约量50mL左右，选用传统的抽空泵进行抽滤水样，达到50mL水样量为待测样品。

2.3 实验步骤

2.3.1 流动分析仪测试过程

配制好显色剂，调试仪器至最佳工作状态，开始泵入显色剂，待试剂基线稳定后，调节基线和增益，标准溶液及待测水样置于自动取样器固定架中，再次等待基线稳定后进行标准曲线与待测样品的测试。

2.3.2 紫外分光光度计测试过程

测试时取50.0mL各待测水样，分别手动加入1.0mL显色剂，密塞，摇匀静置，2h内于540nm最大吸光度波长处，用光程长10mm的比色皿，用水做参比测定样品浓度。

3 结果与讨论

3.1 标准曲线、线性及范围

分别用流动分析仪与紫外分光光度计测试亚硝酸盐0～200?g/L浓度点的标准曲线，测试情况如表1，流动分析仪与紫外分光光度计测试标准曲线的范围均在0～200?g/L之间，线性相关系数均大于0.997，检出限均较低。

3.2 测试精密度与准确度

分别用流动分析仪与紫外分光光度计测试水质样品与编号200633（GSBZ5006-88）的环境标准样品各7次，精密度与准确度如表2，对同一水样的测试标准偏差范围在1.1%～6.9%之间，测试环境标准样品的浓度值在0.151±0.008 mg/L范围，均符合证书要求。

3.3 样品的加标回收率

在待测水样中加入低、中、高的亚硝酸盐标准溶液，按上述处理方法分别用两台仪器进行测试，测试结果如表3，加标回收率在92.0%～102.0%之间，均达到方法要求。

4 结论

用流动分析仪与紫外分光光度2台不同的仪器对相同水样进行测试可知：标准曲线、线性相关系数、方法检出限均接近达到相关规定；2台仪器测试样品的精密度、准确度、加标回收率均能达到方法要求；但流动分析仪测试样品的前处理较简便与快速、测试时自动化程度高、分析速度快、消耗的待测样量少、测试后产生的废液少等优势，故流动分析x是水质亚硝酸盐测试的理想测试仪器之选，值得推广与普遍使用。

参考文献

[1]胡浩光，王耀，谢翠美，等.连续流动分析法测定环境水样中痕量亚硝酸盐[J].现代仪器，2010（06）：68-70.

[2]中华人民共和国国家标准.GB7493-1987水质亚硝酸盐氮的测定分光光度法[S].北京：国家环境保护局，1987.

篇2

关键词： 量子概率； 量子三叉树；量子B-S模型；量子期权敏感性

中图分类号：F830； O413 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）01-0014-03

0 引言

量子金融是量子概率应用于金融市场的研究，体现了期权定价[1]思想上的创新。目前，国内外学者在这方面已做了一定的工作。陈泽乾[2]提出二项式期权定价量子模型。E.Sega[3]用量子效应解释在金融市场期权价格的不规则变化。Emmanuel和E.Have[4]描述了在量子系统中，Black-Scholes模型的具体含义。Belal.E.Baaquie[5]研究了基于量子理论的有息债券欧式期权利率模型。Liviu-Adrian Cotfas[6]借助Fourier变换和量子算符模型分析股票信息与价格的关系。本文建立了量子三叉树模型。根据期权折现流在量子概率下是一个鞅过程，给出了量子概率在金融问题中的作用。同时根据Tailor公式，用量子力学过程代替经典随机过程描述股票价格，在股票价格St遵循量子Brown运动的情形下，得到连续量子B-S模型。实例应用和Matlab仿真都证实了量子B-S的有效性。一方面简化了期权计算，另一方面更好地揭示了金融市场的量子特征。

1 量子三叉树模型

2 连续量子Black-Scholes模型

定理2. 量子期权平价公式

在任意一个时刻t

证明：在t=0时刻，由文献[9]可以构造两个量子投资组合φ1=c+Ke-rT，φ2=p+S。

设Vt（φ）是投资组合φ在时刻t的财富值，考虑上面两个量子投资组合，在t=T时刻的值

VT（φ1）=VT（c）+VT（Ke-rT）=（ST-K）++K=max{K，ST}

VT（φ2）=VT（p）+VT（S）=（K-ST）++ST=max{K，ST}

故VT（φ1）=VT（φ2），从而得到Vt（φ1）=Vt（φ2），即ct+Ke-r（T-t）=pt+St成立。

有了量子期权平价公式，由量子B-S算出看涨期权的价格，就可以得出看跌期权的价格。

4 实例应用

5 量子欧式期权敏感性[10]应用

以下是用MATLA对欧式期权敏感性做的仿真：

图1和图2表示期权标的物的价格波动性变动对期权价格的影响程度，数学表达式■，f为Black-Scholes期权定价公式中期权价格函数C。颜色反映灵敏度，下面是量子图，它比上面的经典图更能体现细微的波动值的变动。

6 结论

本文以量子概率的角度，利用量子力学理论建立了量子三叉树和量子Black-Scholes模型，处理了复杂期权定价问题。实例应用和敏感性分析都证实了量子B-S模型的有效性，量子期权图对金融市场标的物的价格细微波动变化反应更敏感，更能体现金融市场的量子特征。

参考文献：

[1]J.C. Hull. Options， Futures and Other Derivatives[M]. Prentice Hall， Inc， 2009.

[2]Zeqian Chen. Quantum theory for the binomial model in finance theory [J].Journal of systems science and complexity， 2004， 17：567-573.

[3]Segal W， Segal I E. The Black-Scholes pricing formula in the quantum context[J].Economic Sciences， 1998， 95（3）：4072-4075.

[4]E.Haven. Pilot-wave theory and financial option pricing[J].International Journal of theoretical Physica，2005，44（11）：1957-1962.

[5]Belal.E.Baaquie. The minimal length uncertainty and the quantum model for the stock market [J].Physica A， 2012， 391：2100-2105.

[6]Liviu-Adrian Cotfas. A finite dimensional quantum model for the stock market[J].Physica A， 2013，392：371-380.

[7]P.A.M.Dirac. The Principles of Quantum Mechanics.[M]. Science Press，2011.

[8]姜礼尚.期权定价的数学模型和方法[M].北京：高等教育出版社，2010：10-13.

篇3

【关键词】超弦/M理论/圈量子引力/哲学反思

【正文】

本文分四部分。首先明确什么是量子引力？其次给出当代量子引力发展简史，更次概述当代量子引力研究主要成果，最后探讨量子引力的一些哲学反思。

一、什么是量子引力？

当代基础物理学中最大的挑战性课题，就是把广义相对论与量子力学协调起来[1]。这个问题的研究，将会引起我们关于空间、时间、相互作用（运动）和物质结构诸观念的深刻变革，从而实现20世纪基础物理学所提出的空间时间观念的量子革命。

广义相对论是经典的相对论性引力场理论，量子力学是量子物理学的核心。凡是研究广义相对论和量子力学相互结合的理论，就称为量子引力理论，简称量子引力。探讨量子引力卓有成效的理论，主要有两种形式。第一，是把广义相对论进行量子化，正则量子引力属于此种。第二，是对一个不同于广义相对论的经典理论进行量子化，而广义相对论则作为它的低能极限，超弦／M理论则属于这种。

圈(Loop)量子引力[2]是当前正则量子引力的流行形式。正则量子引力是只有引力作用时的量子引力，和超弦／M理论相比，它不包括其它不同作用。它的基本概念是应用标准量子化手续于广义相对论，而广义相对论则写成正则的即Hamiltonian形式。正则量子引力根据历史发展大体上可分为朴素量子引力和圈量子引力。粗略来说，前者发生于1986年前，后者发生于1986年后。朴素量子引力由于存在着紫外发散的重正化困难，从而圈量子引力发展成为当前正则量子引力的代表。

超弦／M理论的目的，在于提供己知四种作用即引力和强、弱、电作用统一的量子理论。理论的基本实体不是点粒子，而是1维弦、2维简单膜和多维brane（广义膜）的延展性物质客体。超弦是具有超对称性的弦，它不意味着表示单个粒子或单种作用，而是通过弦的不同振动模式表示整个粒子谱系列。

圈量子引力和超弦／M理论之外，当代量子引力还有其它不同方案。例如，Euclidean量子引力、拓扑场论、扭量理论、非对易几何等。

二、当代量子引力研究进展

我们主要给出超弦／M理论和圈量子引力研究的重大进展。

1.超弦／M理论方面[3]

弦理论简称弦论，虽然在20纪70年代中期，已经知道其中自动包含引力现象，但因存在一些困难，只是到80年代中期才取得突破性进展。

1)80年代超弦理论

弦论发展可粗略分为早期弦理论（70年代）、超弦理论（80年代）和M理论（90年代）三个时期。我们从80年代超弦理论开始，简述其研究进展。

1981年，M·Green和J.Schwarz提出一种崭新的超对称弦理论，简称超弦理论，认为弦具有超对称性质，弦的特征长度已不再是强子的尺度（～10[-13]厘米），而是Planck尺度（～10[-33]厘米）。

1984年，Green和Schwarz证明[4]，当规范群取为SO(32)时，超弦I型的杨－Mills反常消失，4粒子开弦圈图是有限的。

1985年，D.Gross，J.Harvey[5]等4人提出10维杂化弦概念，这种弦是由D=26的玻色弦和D=10超弦混合而成。杂化弦有E[，8]×E[，8]和SO(32)两种。

同年，P.Candlas，G.Horowitz，A.Strominger和E.Witten[6]对10维杂化弦E[，8]×E[，8]的额外空间6维进行紧致化，最重要的一类为Calabi－丘流形。但是这类流形总数多到数百万个，应该根据什么原则来选取作为我们世界的C－丘流形，至今还不清楚，虽然近10多年来，这方面的努力从来未中断过。

1986年，提出建立超弦协变场论问题，促进了对非微扰超弦理论的探讨。在诸种探讨方案中，以E.Witten的非对易几何最为突出[7]。

同年，人们详细地研究了超弦唯象学，例如E[，6]以下如何破缺及相应的物理学，对紧致空间已不限于C－丘流形，还包括轨形(Orbifold)、倍集空间等。

人们常把1984-86年期间对超弦研究的突破，称为第一次超弦革命。在此期间建立了超弦的五种相互独立的10维理论，而且是微扰的。它们是I型、IIA型、IIB型、杂化E[，8]×E[，8]型和SO(32)型。

2)90年代M理论

经过80年代末期和90年代初期，对超弦理论的对偶性、镜对称及拓扑改变等的研究，到1995年五种超弦微扰理论的统一性问题获得重大突破，从此第二次超弦革命开始出现。

1995年，Witten在南加州大学举行的95年度弦会议上发表演讲，点燃起第二次超弦革命。Witten根据诸种超弦间的对偶性及其在不同弦真空中的关联，猜测存在某一个根本理论能够把它们统一起来，这个根本理论Witten取名为M理论。这一年内Witten、P.Horava、A.Dabhulkar等人，给出ⅡA型弦和M理论间的关系[8]、I型弦和杂化SO(32)型弦间的关系、杂化弦E[，8]×E[，8]型和M理论间的关系等。

1996年，J.Polchinski、P.Townscend、C.Baches等人认识到D-branes的重要性。积极进行D-branes动力学研究[9]，取得一定成果。同年，A.Strominger、C.Vafe应用D-brane思想，计算了黑洞这种极端情形的熵和面积关系[10]，得到了和Bekenstein-Hawking的熵－面积的相同表示式。G.Callon、J.Maldacena对具有不同角动量与电荷的黑洞所计算的结果指出，黑洞遵从量子力学的一般原理。G.Collins探讨了量子黑洞信息损失问题。

1997年，T.Banks、J.Susskind等人提出矩阵弦理论，研究了M理论和矩阵模型间的联系和区别。

同年，Maldacena提出AdS/CFT对偶性[11]，即一种Anti-de Sitter空间中的IIB型超弦及其边界上的共形场论之间的对偶性假设，人们称为Maldacena猜测。这个猜测对于我们世界的Randall-Sundrum膜模型的提出及Hawking确立果壳中宇宙的思想，都有不少的启示。

2.圈量子引力方面[12]

1)二十世纪80年代

1982年，印度物理学家A.Sen在Phys.Rev.和Phys.Lett.上相继发表两篇文章，把广义相对论引力场方程表述成简单而精致的形式。

1986年，A.Ashtekar研究了Sen提出的方程，认为该方程已经表述了广义相对论的核心内容。一年后，他给出了广义相对论新的流行形式，从而对于在Planck标度的空间时间几何量，可以进行具体计算，并作出精确的数量性预言。这种表述是此后正则量子引力进一步发展的关键。

同年，T.Jacobson和L.Smolin求出Wilson圈解。在引进经典Ashtekar变量后，他们在圈为光滑且非自相交情形下，求出了正则量子引力的WDW方程解。此后，他们又找到了即使在圈相交情况下的更多解。

1987年，由于Hamiltonian约束的Wilson圈解的发现，C.Revolli和Smolin引进观测量的经典Possion代数的圈表示，并使微分同胚约束用纽结(knot)态完全解出。

1988年，V.Husain等人用纽结理论(knot theory)，研究了量子约束方程的精确解及诸解间的关系，从而认为纽结理论支配引力场的物理量子态。同年，Witten引进拓朴量子场论(TQFT)的概念。

2)二十世纪90年代

1990年，Rovelli和Smolin指出，对于在大尺度几何近似变为平直时态的研究，可以预言Planck尺度空间具有几何断续性。对于编织的这些态，在微观很小尺度上具有“聚合物”的类似结构，可以看作为J.Wheeler时空泡沫的形式化。

1993年，J.Iwasaki和Rovelli探讨了量子引力中引力子的表示，引力子显示为时空编织纤维的拓朴修正。

1994年，Rovelli和Smolin第一次计算了面积算子和体积算子的本征值[13]，得出它们的本征谱为断续的重大结论。此后不久，物理学者曾用多种不同方法证明和推广这个结论，指出在Planck标度，空间面积和体积的本征谱，确实具有分立性。

1995年，Rovelli和Smolin利用自旋网络基[14]，解决了关于用圈基所长期存在的不完备性困难。此后不久，自旋网络形式体系，便由J.Baez彻底阐明。

1996年，Rovelli应用K.Krasnov观念，从圈量子引力基本上导出了黑洞熵的Bekenstein-Hawking公式[15]。

1998年，Smolin研究圈和弦间的相似性，开始探讨圈量子引力和弦论的统一问题。

三、当代量子引力理论主要成就

1.超弦／M理论方面

1)弦及brane概念的提出

广义相对论中的奇性困难、量子场论中的紫外发散本质、朴素量子引力中的重正化问题，看来都起源于理论的纯粹几何的点模型。超弦理论提出轻子、夸克、规范粒子等微观粒子都是延伸在空间的一个区域中，它们都是1维的广延性物质，类似于弦状，其特征长度为Planck长度。M理论更推广了弦的概念，认为粒子类似于多维的brane，其线度大小为Planck长度。为简单起见，我们把brane也称作膜。超弦／M理论中，用有限大小的微观粒子替代粒子物理标准模型中纯粹几何的点粒子，这是极为重要且富有成效的革命性观念。

2)五种微扰超弦理论

这五种超弦的不同在于未破缺的超对称荷的数目和所具有的规范群。I型有N=1超对称性，含有开弦和闭弦，开弦零模描述杨－Mills场，闭弦零模描述超引力。ⅡA型有N=2超对称性，旋量为Majorana-Weyl旋量，不具有手征性，自动无反常，只含有闭弦，零模描述N=2超引力。IIB型同样有N=2超对称性，具有手征性。杂化弦是由左旋D=10超弦和左旋D=26玻色弦杂化而成，只包含可定向闭弦，有手征性和N=1超对称性，可以描述引力及杨－Mills作用。

3)超弦唯象学

从唯象学角度来看，杂化弦型是重要的，E[，8]×E[，8]是由紧致16维右旋坐标场(26-10=16)而产生的，即由16维内部空间紧致化而得到，也就是说在紧致化后得到D=10，N=1，E[，8]×E[，8]的超弦理论。

但是迄今为止，物理学根据实验认定我们的现实空间是三维的，时间是一维的，把四维时空(D=4)作为我们的现实时空。因此我们必须把10维时空紧致化得到低能有效四维理论，为此人们认为从D=10维理论出发，通过紧致化有

M[10]M[4]×K

此中K为C－丘流形，此内部紧致空间维数为10-4=6，M[4]为Minkowski空间，从而得到4维Minkowski空间低能有效理论。其重要结论有：

(1)由D=10，E[，8]×E[，8]超弦理论（M[10]中规范群为E[，8]×E[，8]）紧致化为D=4，E[，6]×E[，8]、N=1超对称理论。

(2)夸克和轻子的代数Ng完全由K流形的拓朴性质决定：为Euler示性数χ，系拓朴不变量。

(3)对称破缺问题。已知超弦四维有效理论为N=1，规范群为E[，6]×E[，8]的超对称杨—Mills理论，现实模型要求破缺。首先由第二个E[，8]进行超对称破缺，然后对大统一群E[，6]已进行破缺，从而引力作用在E[，8]中，弱、电、强作用在E[，6]中，实现了四种作用的统一。

4)T和S′对偶性

尽管五种超弦理论在广义相对论和量子力学统合上，取得了不少进展，但是五种超弦理论则是相互独立的，理论却是微扰的。尽管在超弦唯象学中，原则上－丘流形K一旦固定下来，在D=4时空中所有零质量费米子和玻色子（包括Higgs粒子）就会被确定下来，但是－丘真空态总数则可多到数百万个，应该根据什么原则来选取－丘真空态，目前还不清楚。T对偶性和S对偶性的提出，正是五种超弦理论融通的主要桥梁。

在M理论的孕育过程中，对偶性起了重要作用。弦论中存在着一种在大小紧致空间之间的对偶性。例如ⅡA型弦在某一半径为R[，A]的圆周上紧致化和ⅡB型在另一半径为R[，8]的圆周上紧致化，两者是等效的，则有关系R[，B]=(m[2，s]R[，A])[-1]。于是当R[，A]从无穷大变到零时，R[，B]从零变到无穷大。这给出了ⅡA弦和ⅡB弦之间的联系。两种杂化弦E[，8]×E[，8]和SO(32)也存在类似联系，尽管在技术性细节上有些差别，但本质上却是同样的。

A.Sen证明，在超对称理论中，必然存在着既带电荷又带磁荷的粒子。当这一猜测推广到弦论后，它被称作为S对偶性。S对偶性是强耦合与弱耦合间的对称性，由于耦合强度对应于膨胀子场，杂化弦SO(32)和I型弦可通过各自的膨胀子连系起来。

5)M理论和五种超弦、11维超引力间的联系

M理论作为10维超弦理论的11维扩展，包含了各种各样维数的brane，弦和二维膜只是它的两种特殊情况。M理论的最终目标，是用一个单一理论来描述已知的四种作用。M理论成功的标志，在于把量子力学和广义相对论的新理论框架中相容起来。

附图

上面给出五种超弦理论、11维超引力和M理论相容的一个框架示意图[16]，即M理论网络。此网络揭示了五种超弦理论、11维超引力都是单一M理论的特殊情形。当然至今M理论的具体形式仍未给出，它还处于初级阶段。

6)推导量子黑洞的熵－面积公式。

在某些情形下，D-branes可以解释成黑洞，或者说是黑branes，其经典意义是任何物质（包括光在内）都不能从中逃逸出的客体。于是开弦可以看成是具有一部分隐藏在黑branes之内的闭弦。Hawking认为黑洞并不完全是黑的，它可以辐射出能量。黑洞有熵，熵是用量子态来衡量一个系统的无序程度。在M理论之前，如何计算黑洞量子态数目是没有能力的。Strominger和Vafa利用D-brane方法，计算了黑－branes中的量子态数目，发现计算所得的的熵－面积公式，和Hawking预言的精确一致，即Bekenstein-Hawking公式，这无疑是M理论的一个卓越成就。

对于具有不同角动量和电荷的黑洞所计算结果指出，黑洞遵从量子力学的一般原理，这说明黑洞和量子力学是十分融洽的。

2.圈量子引力方面

1)Hamiltonian约束的精确解。

圈量子引力惊人结果之一，是可以求出Hamiltonian约束的精确解。其关键在于Hamiltonian约束的作用量，只是在s－纽结的结点处不等于零。所以不具有结点的s－纽结，才是量子Einstein动力学求出的物理态。但是这些解的物理诠释，至今还是模糊不清的。

其它的多种解也已求得，特别是联系连络表示的陈－Simons项和圈表示中的Jones多项式解，J.Pullin已经详细研究过。Witten用圈变换把这两种解联系起来。

2)时间演化问题

人们试图通过求解Hamiltonian约束，获得在概念上是很好定义的、并排除冻结时间形式来描述量子引力场的时间演化。一种选择是研究和某些物质变量相耦合的引力自由度随时间演化，这种探讨会导致物理Hamiltonian的试探性定义的建立，并在强耦合微扰展开中，对S纽结态间的跃迁振幅逐级进行考查。

3)杨－Mills理论的重正化问题

T.Thiemann把含有费米子圈的量子引力，探索性地推广到杨－Mills理论进行研究。他指出在量子Hamiltonian约束中，杨－Mills项可以严格形式给出定义。在这个探索中，紫外发散看来不再出现，从而强烈支持在量子引力中引进自然切割，即可摆脱传统量子场论的紫外发散困难。

4)面积和体积量度的断续性

圈量子引力最著名的物理成果，是给出了在Planck标度的空间几何量具有分立性的论断。例如面积

此中lp是Planck长度，j[，i]是第i个半整数。体积也有类似的量子化公式。

这个结论表明对应于测量的几何量算子，特别是面积算子和体积算子具有分立的本征值谱。根据量子力学，这意味着理论所预言的面积和体积的物理测量必定产生量子化的结果。由于最小的本征值数量级是Planck标度，这说明没有任何途径可以观测到比Planck标度更小的面积（～10[-66]厘米[2]）和体积（～10[-99]厘米[3]）。从此可见，空间由类似于谐振子振动能量的量子所构成，其几何量本征谱具有复杂结构。

5)推导量子黑洞的熵－面积公式

已知Schwarzchild黑洞熵S和面积A的关系，是Bekenstein和Hawking所给出，其公式为：

附图

这里k是Boltzman常量，是Planck常量，G[，N]为牛顿引力常量，c为光速。对这个关系式的深层理解和由物理本质上加以推导，M理论已经作过，现在我们看下圈量子引力的结果。

应用圈量子引力，通过统计力学加以计算，Krasnov和Rovelli导出

附图

此处γ为任意常数，β是实数(～1/4π)，显然如果取γ＝β，则由式(3)即可得到式(2)。这就是说，从圈量子引力所得出的黑洞熵－面积关系式，在相差一个常数值因子上和Bekenstein-Hawking熵－面积公式是相容的。

Bekenstein-Hawking熵公式的推导，对圈量子引力理论是一个重大成功，尽管这个事实的精确含义目前还在议论，而且γ的意义也还不够清楚。

四、量子引力理论的哲学反思

我们从空间和时间的断续性、运动（相互作用）基本规律的统一性、物质结构基本单元的存在性三个方面进行哲学探讨。

1.空间和时间的断续性

当代基础物理学的核心问题，是在Planck标度破除空间时间连续性的经典观念，而代之以断续性的量子绘景。量子引力理论对空间分立性的揭示和论证，看来是最为成功的。

超弦／M理论认为，我们世界是由弦和brane构成的。根据弦论中给出的新的不确定性关系，弦必然有位置的模糊性，其线度存在一有限小值，弦、膜、或brane的线度是Planck长度，从而一维空间是量子化的。由此推知，面积和体积也应该是量子化的。二维面积量子的数量级为10[-66]厘米[2]，三维体积量子的数量级为10[-99]厘米[3]等。

对于圈量子引力，其最突出的物理成果是具体导出了计算面积和体积的量子化公式。粗略说来，面积的数量级是Planck长度lp的二次方，体积的数量级是lp的三次方。这就令人信服地论证了在Planck标度，面积和体积具有断续性或分立性，从而根本上否定了空间在微观上为连续性的经典观念。

依据空间和时间量度的量子性，芝诺悖论就是不成立的，阿基里斯在理论上也完全可以追上在他前面的乌龟。类似的，《庄子·天下》篇中的“一尺之捶，日取其半，万世不竭”这个论断在很小尺度上显然也是不成立的。古代哲学中这两个难题的困人之处，从空间时间断续性来看，是由于预先设定了空间和时间的度量，始终是连续变化的经典性质。实际上在微观领域，空间和时间存在着不可分的基本单元。

2.运动（相互作用）基本规律的统一性

20世纪基础物理学巨大成功之一，就是建立了粒子物理学的标准模型，理论上它是筑基于量子规范场论的。这个模型给出了夸克、轻子层次强、弱、电作用的SU(3)×SU(2)×U(1)规范群结构，在一定程度上统一了强、弱、电三种相互作用的规律。但是它不含有引力作用。

超弦／M理论的探讨，在于构建包含引力在内的四种作用统一的物理理论。传递不同相互作用的粒子如光子（电磁作用）、弱玻色子（弱作用）、胶子（强作用）和引力子（引力作用），对应于弦的各种不同振动模式，夸克、轻子层次粒子间的作用，就是弦间的相互作用。在Planck标度，超弦／M理论是四种基本作用统一理论的最佳侯选者，也就是所说的万物理论(Theory of everything)的最佳侯选者。

在Planck时期，物质运动或四种作用基本规律的统一性，正是反映了我们宇宙在众多复杂性中所显现的一种基本简单性。

3.物质微观结构的基本单元的存在性[17]

世界是由物质构成的，物质通常是有结构的，但是物质结构在层次上是否具有基本单元，即德谟克利特式的“原子”是否存在？这是一个长期反复争论而又常新的课题。当代几种不同的量子引力，尽管对某些问题存在着不同的见解，但是关于这个问题从实质上来看，却给出了一致肯定的回答。

超弦／M理论认为，构成我们世界的物质微观基本单元是具有广延性的弦和brane，并非所谓的只有位置没有大小的数学抽象点粒子。粒子物理学标准模型中的粒子，都是弦或brane的激发。弦和brane的线度是有限短的Planck长度，它们正是构成我们世界的物质基本单元，即德谟克利特式的“原子”，这是超弦／M理论为现今所有粒子提供的本体性统一。

圈量子引力给出了在Planck标度面积和体积的量子化性质，即断续的本征值谱，面积和体积分别存在着最小值。由于在圈量子引力中，脱离引力场的背景空间是不存在的，而引子场是物质的一种形态，因此脱离物质的纯粹空间也就是不存在的。空间体积和面积的不连续性和基本单元的存在，正是物质微观结构的断续性和基本单元的存在性的最有力论据。

总之，超弦／M理论和圈量子引力从不同的侧面，对量子引力的本质和规律作出了一定的揭示，它们在Planck标度领域一致地得出了空间量子化和物质微观结构基本单元存在的结论。这无疑是人们在20世纪末期对我们世界空间时间经典观念的重大突破，也是广义相对论和量子力学统合的成果；同时更是哲学上关于空间和时间是物质存在的客观形式，没有无物质的空间和时间，也没有无空间和时间的物质学说的一曲凯歌！

【参考文献】

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[2]　C.Rovelli.Loop quantum gravity.gr-qc/9710008 10.Oct.1997.

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[5]　D.Gross，J.Horvey，E.Martine and R.Rohm.Heterotic string.Phys.Rev.Lett 54(1985)502.

[6]　P.Candelas，G.Horowitz A.Strominger and E.Witten.Vacuum configurations for superstrings.Nucl.Phys.B258(1985)46.

[7]　E.Witten.Non-commutative geometry and string field theory.Nucl.Phys.B276(1986)291.

[8]　E.Witten.String-string duality conjecture in various.dimensions.Nucl.Phys.B443(1995)307.

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[11]　J.Maldacena.The large-Nlimit of superconformal field theories and supergravity.hep-th/9711200.

[12]　C.Rovelli.Notes for a brief history of quantum gravity.gr-qc/0006061.23Jan，2001.

[13]　C.Rovelli，L.Smolin.Descreteness of area and volume in quantum gravity.gr-qc/9411005.

[14]　C.Rovelli，L.Smolin.Spin networks and quantum gravity.Phys.Rev.D52(1995)5743.

[15]　C.Rovlli，Black hole entropy from loop quantum gravity.Phys.Rev.Lett.74(1996)3288.

篇4

1.1卫星通信系统组成卫星通信系统由两段组成，即地面段和空间段。

1.1.1空间段空间段包括通信卫星以及地面用于卫星控制和监测的设施，即卫星控制中心，及其跟踪、遥测和指令站，能源装置等。

1.1.2地面段地面段包括所有的地球站，这些地球站通常通过一个地面网络连接到终端用户设备，或直接连接终端用户设备。地球站的主要功能是将发射的信号传送到卫星，再从卫星接收信号。地球站根据服务类型，大致可分为用户站、关口站和服务站3类。

1.2卫星通信系统的工作过程卫星通信系统地球站中各个已调载波的发射或接收通路经过卫星转发器转发，可以组成多条单跳或双跳的双工或单工卫星通信线路，整个通信系统的通信任务就是分别利用这些线路来实现的。单跳单工的卫星通信系统进行通信时，地面用户发出的基带信号经过地面通信网络传送到地球站。在地球站，通信设备对基带信号进行处理使其成为已调射频载波后发送到卫星。卫星作为中继站，接收此系统中所有地球站用上行频率发来的已调射频载波，然后进行放大和变频，用下行频率发送到接收地球站。接收地球站对接收到的已调射频载波进行处理，解调出基带信号，再通过地面网络传送给用户。为了避免上下行信号互相干扰，上下行频率一般使用不同的频谱，尽量保持足够大的间隔，以增加收发信号的隔离度。

2卫星通信所使用的频率

卫星通信所用的频率大多是C频段和Ku频段，但是由于业务量急剧增加，这两个频段乃至1—10GHz的频段都显得过于拥挤，所以必须开发更高的频段。现已开发出Ka（26—40GHz）频段，其带宽是3—4GHz，远大于上述两个频段。

3卫星通信的基本参数

3.1有效全向辐射功率：也称等效全向辐射功率，其定义为发射机发出的功率与天线增益的乘积。

3.2噪声系数和等效噪声温度：噪声系数，定义为接收机的输入信噪比与输出信噪比的比值，它用来表示接收机噪声性能的好坏。根据噪声理论，电子元器件内部的电子热运动和电子不规则的运动都将产生噪声，而且温度越高，噪声越大。所以接收机的噪声可用等效噪声温度来衡量。等效噪声温度是假设接收机输入端接一等效电阻，该电阻在一定温度下与该系统实际产生的噪声温度相同的热噪声。

3.3载噪比：卫星通信线路中的载波功率与噪声功率之比，是决定卫星通信线路性能的最基本的参数之一。

3.4地球站的品质因数，定义为接收机天线增益与接收端系统噪声温度之比。

3.5卫星转发器饱和通量密度：表示卫星转发器的灵敏度，其基本含义是，为使卫星转发器单载波饱和工作，在其接收天线的单位面积上应输入的功率。

3.6门限载噪比：为保证用户接收到的话音、图像和数据的质量达到一定要求，接收机所必须得到的最低载噪比，也是门限载噪比的含义。

4卫星通信与互联网

互联网是全球最大的多媒体商用网络、信息库和数字媒体。互联网和数字技术的发展使得所有信息内容都在网上实现，特别是数字音视频技术使得可以在互联网上看电视听广播[3]。由于卫星通信具有三维无缝覆盖能力、远程通信、广播特性、按需分配带宽，以及支持移动性的能力，成为互联网摆脱自身诸多问题的一个重要途径，也是向全球用户提供宽带综合互联网业务的最佳选择[4]。基于卫星的互联网是卫星直播、数字音视频、互联网的有机结合，作为一个开放、宽频、实时广播的网络平台，可以提供以下服务。

4.1宽带互联网接入，可根据使用者的需求，通过地面网络和卫星线路回传。

4.2多媒体服务，比如网页内容投递、内容镜像、缓存、数字电视、商务电视、流式音视频、软件分发(更新)、远程教学、信息商亭等。

4.3交互式应用，如视频点播、网上学习、网上游戏等。卫星通信与互联网结合能够带来很多益处，同时也应注意到，卫星系统和现有互联网地面基础设施之间的结合存在着互操作性问题，再设计和实现基于卫星的互联网时还存在许多技术挑战。

5卫星通信与导航定位系统

该系统是以人造卫星为导航台的星基无线定位系统，其基本作用是向各类用户和运动平台实时提供准确、连续的位置、速度和时间信息。目前该技术已基本取代无线电导航、天文测量和大地测量，成为普遍采用的导航定位技术。拥有此技术及能力，国家就会在政治、军事和经济等诸多领域占据主导地位，因此世界各大国不惜花巨资发展这一技术。1958年美国为解决北极星核潜艇在深海航行和执行任务中的精确定位问题，开始研究军用导航卫星，命名为“子午仪计划”，从1960年起就取消了无线电导航，第二代导航系统即———GPS(GlobalPositioningSyitem)便应运而生。俄罗斯的GLONASS(GlobalNavigationSatelliteSystem)是继GPS之后又一全球卫星导航系统，欧盟与欧空局也开发了新一代卫星导航系统———伽利略（Galileo）系统，习惯上称其为3G（GPSGLONASSGalileo）系统。我国的导航定位技术始于GPS，从2000年10月开始，我国发射了多颗导航卫星，命名为北斗卫星导航系统，现已覆盖我国及周边地区，预计2020年前后覆盖全球。

6卫星与激光通信

卫星与激光通信是利用激光光束作为信息载体在卫星间或卫星与地面间进行通信。经过多年探索，卫星激光通信已取得突破性进展，逐步成为开发太空、利用广阔的宇宙空间资源提供大容量、高数据率、低功耗通信的最佳方案，对于国防及商业应用都具有极大的价值。其原理是信息电信号通过调制加载在光波上，通信双方通过初定位和调整以及光束的捕获、瞄准和跟踪建立起光通信链路，然后在真空和大气中传播信息。其组成有激光光源子系统、光发射/接收子系统、APT子系统和其他一些辅助系统，其工作过程如下：

6.1发射过程。使用不同的激光器，产生信号光和信标光。经准直系统对激光进行光束准直后，具备了合适的发射角，2束光由合束器合成1束光，然后经分光片、精对准机构和天线发射出去。

6.2接收过程。接收到的光经过天线和分光片后，信标光一部分到达粗对准探测器，由粗对准控制器控制和驱动电路控制粗对准机构，完成粗对准和捕获；信标光另一部分经精对准机构、分光片、分束片到达精跟中踪探测器，由精对准控制器控制精对准机构，完成双方的精确对准和跟踪。信号光由信号光探测器检测。

7卫星与量子通信

卫星搭载量子通信技术，能够使人们借助外太空的卫星平台，建立星地高效自由空间量子信道，实现量子保密通信、星地量子纠缠分发、量子隐形传态实验。我国拟在近期发射量子通信卫星，在卫星平台应用量子技术的能力将达到世界领先水平。

7.1星地量子通信通过自动跟踪瞄准系统在高速相对运动的地面站和卫星终端之间建立高效稳定的量子信道，地面站随机发送H/V和+/-四种偏振状态的单光子信号；接收端接收量子信号，并随机选择H/V或+/-基矢对单光子信号进行测量；测量到足够的量子比特后，接收端将通过经典信道通知发射端其每次测量所用的基矢，抛弃所用基矢不一致的测量结果；接收端再将基矢选择一致的测量结果取一部分在经典信道公布出来供发射端校验。通过这一过程就可以在星地之间建立安全的量子密钥。

7.2星地纠缠分发将纠缠光源放在卫星上，通过搭载在卫星平台上的望远镜系统和自动跟瞄系统同时与两个地面站之间建立量子信道。将纠缠光子对的两个光子分别发送给两个地面站，两站在满足类空间隔条件下分别对纠缠光子对进行独立测量，观测量子纠缠现象。

7.3星地量子隐形传态地面量子信源产生一对纠缠光子，其中一个光子通过地面发射端传输给卫星，另一个放入量子存储器中存储起来。空间量子通信平台将接收到的光子态和未知量子态进行联合Bell态测量，同时将测量结果通过经典信道传输给地面系统。地面系统将另一个纠缠光子从量子存储器中读出来，并根据空间量子通信平台的测量结果进行相应的幺正变换，从而得到空间量子通信平台的未知量子态。

篇5

【关键词】微腔物理；半导体；应用；探讨

激光技术研制成功之前，自发式辐射发出光源广泛应用于人们生活及学习环境中。激光研发使用后受激辐射引起研究者广泛关注，大量研究人员将精力投入其中进行研究开发。但随时间推移，人们潜意识认为自行发出辐射是原子处于激发状态，其产生过程是一种无法进行转变的常规反应，人们误认为这种自行发出的辐射激光是常规既定形式，其产生过程无法通过科学手段进行转变。现实中，自行发出辐射不是一种固定的物质形态，而是在真空涨落过程中产生转变使得原子之间相互作用出现自然反应[1]。假设在一个或者多个方向的尺度或者波长数量相同的同一个微腔内，放置一个以原子为剂量单位的物质，其自行产生的辐射本质并没有发生变化，或因所处在既定空间而被控制发生本质改变，通过研究，人们将这一现象称之为“腔量子电动力学”。

一、半导体微腔物理简介

随着科学研究对微腔物理领域及微腔效应不断深入，微腔激光器、微腔结构制作过程及相关性能研究成为国内外研究焦点。微腔是又尺寸很小的谐振腔构成，理想状态下的微腔成正方形，次存是既定不变的。但是实际研究或者使用中，可根据实际情况适当放宽，放宽尺寸后仍可在辐射光谱区内得到同样的作用方式。使用与目前飞速发展的未加工技术领域。1个既定微腔规定最少有1维的规格在光波长的规定范围级别内。实际研发出的微腔激光器根据其使用功能，有效波长范围也可适当调节，出现大于1个光波长的情况。由此得出微腔涉及范围仅为极少数原子或光子行为，对于微腔与原子之间产生作用的研究，能发现众多宏观体系行为与特征差异。微腔与原子之间的相互影响也因腔量子电动力学研究成果更加容易解释。微腔物理是一种具有独特特点，内容多样，不仅有重要理论含义，又能成为高新科技研究新的出发点的交叉领域学科。不仅能根据微腔物理的开发深入了解围观世界量子性能这类基础性认知，还可在最基本认知的基础上，对全新领域进行研究探讨，在今后新型技术研发领域内产生重要作用[2]。比如，微腔可通过改变自发辐射速率增加合成激射膜的发出量，甚至全部转换成激射膜，成为无阑值激光器，这样的转变提成过程导致激光器闭值一个甚至几个数量等级降低反应，是带宽数量级别得到增加，从而适应高密度光束合成。微腔激光器以及微腔激光器a生的2维面阵所产生的光源，具有成本低，效率高且高密度可大量生产等优点。在光学巨平行计算、传输及处理等方面产生不能取代的作用，使其不仅可在低功率光互联、据平行等数字光学计算领域的到应用，在多头存储器、二维扫描、多信道光纤通信、激光打印及信息显示等领域得到广泛使用，成为一个国家信息产业不断进步发展的基础，为金钩信息产业发展产生重要影响。

二、半导体微腔物理的应用

第一，半导体微腔物理的国内应用现状。国内应用研发操作主要体现在微腔激光物理领域，比如使用速率方程对微腔激光器进行研究，对其稳定及瞬态特征进行鉴定，另一方面，研究其在可饱和吸收状态下，微腔激光器的自脉冲稳定性能。实验中研究人员对垂直腔体内进行激光发射、圆盘形半导体内进行激光发射、玻璃微球或者有机物质中产生的微腔反应。根据需求以出现多种类型，不同品牌微腔激光器共同存在的现状局面。这些设备因结构，材料、波长差异，其性能用途也不尽相同[3]。微腔激光器谐振腔小，根据结构不同分为垂直腔表面发射型、圆盘型和微球型。根据材料不同可分为有机聚合物、掺合稀土成分的玻璃或者晶体。微腔激光器发射波长超出红外线等可见光线范围。各微腔部分点泵浦支持下，输出不同性质激光，以满足各种需求。此外，国内光学晶体研究领先于国际水平。国内对于微腔物理研究尚在起步阶段，研究人员培训，队伍建设及实验室都在初步时期，由于具备国内外最新设备，实验条件是目前国内外最先进的。国内现有的实验室条件优越，不仅配备多台先进设备，对于量子线及量子点等材质也可自行制作。设备先进化对于研究起到了推进作用。当然对于研究测定方面，也具备最新技术，对于瞬态光谱、激发状态物理功能等测试也是相当精准的。

第二，半导体微腔物理的国外应用现状。综合微腔物理是实际中的意义及作用，国内外专家学者对于这方面的研究也在不断加强，纵观国内外大型国际会议关于微腔效应的关注程度，微腔效应的研发及微腔激光器、结构及制造、性能等方面已成为国际研究焦点。因研究结果对自身科技推动作用巨大，现有科学论据尚处于保密阶段，国际将微腔激光物理作为研究重点，分别针对理论、实验两个领域入手，对各种腔量子电动学产生的效果进行总结分析。目前垂直腔面激发微腔激光器已研发成功，具备优越功能，在实际中使用。根据理论定位与实验结果相结合，成功研制出一种新型激子激光器，新型激光器是根据量子统计效应发生非平衡激子布局来实现的[4]。

综上所述，近年来，科学研究领域成果层出不穷，不断推动科学技术的进步和发展，人们已经进入信息时代。电子技术及光子技术是信息技术的基本组成。光子技术会在未来通信及计算机领域未来发展中普遍应用。根据微腔物理探究能够促进微腔激光器、光自学以及信息产业技术进步，并且推动其他相关行业的发展进程，对光计算机、光纤通讯、信息显示等光信息处理领域的发展有重要影响。

参考文献：

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[2]张莹， 陈梅雄， 李莹颖.光学微腔的应用和发展前景[J].激光与光电子学进展， 2015， 52（4）：11-21.

篇6

科学技术发展的总体目标（到2020年）：

・ 自主创新能力显著增强，科技促进经济社会发展和保障国家安全的能力显著增强，为全面建设小康社会提供强有力的支撑。

・ 基础科学和前沿技术研究综合实力显著增强，取得一批在世界具有重大影响的科学技术成果，进入创新型国家行列，为在本世纪中叶成为世界科技强国奠定基础。

科技工作的指导方针：

・ 自主创新，重点跨越，支撑发展，引领未来。

关键数字（到2020年）：

・ 全社会研究开发投入占GDP比重提高到 2.5%以上

・ 科技进步贡献率达到 60%以上

・ 对外技术依存度降低到 30%以下

・ 本国人发明专利年度授权量 进入世界前5位

・ 国际科学论文被引用数 进入世界前5位

关键数字：15

纲要涉及的时间段，从2006年到2020年

解读：科技部研究中心创业投资研究所所长 房汉廷

这个时间段是从“十一五”规划的开始到“十三五”规划的结束。其一，未来15年，人均GDP处于1000~3000美元区间，是社会各种矛盾的多发期、凸显期，同时也是机遇期。如果顺利通过这个时期，我国就能顺利成为中等发达国家；如果不顺利，就可能呈现出拉丁美洲国家的形态。其二，十六大报告中提到，到2020年实现人均GDP翻两番，实现小康社会。科学技术的发展，能为全面建设小康社会提供强有力的支撑。其三，中国有望在2020年实现和平崛起。我国传统的经济增长方式已经走到尽头，环境、资源等方面的压力，人民对幸福生活的追求，这些都要求我们转变经济增长方式。要解决未来的可持续性发展问题，中国的经济增长方式必须实现从要素驱动到技术/创新驱动的转变。

关键数字：2.5％

纲要提到，“到2020年，全社会研究开发投入占国内生产总值的比重提高到2．5％以上。”

解读：科技部研究中心创业投资研究所所长 房汉廷

研究开发投入是一个国家的战略投资，具有超前性。从国际上来看，按照统计规律，一个创新型国家的研究开发投入增长速度高于国民生产总值的增长速度。另外，当一个国家的全社会研究开发投入占国民生产总值的比重达到2%时，这个国家才具备基本的创新能力。2%是个临界点。芬兰的这个比重是3.5%，韩国是3%。低于2%，则这个国家基本处于老系统的维持状态，基本不具备创新能力。

在我国，这个比重目前是1.23%，有望在2006年实现一个跳跃式增长，然后进入稳定增长的状态。2020年时，中国的资源将更紧张，对创新的要求也会更高。如果预期目标实现，中国将在2020年年基本成为创新型国家。2.5%是一个并不难实现的目标。我们看到，南方的很多民营企业已经在主动地加大企业的研发投入。

关键数字：60％

纲要提到，到2020年，“力争科技进步贡献率达到60％以上”。

解读：科学技术部部长 徐冠华

我们现在要建设创新型国家，要自主创新，是由我们全面建设小康社会的目标所决定的。我们现在提出来到2020年要全面建设成小康社会，意味着从改革开放开始到2020年的40年里，中国的GDP平均增长率都要超过7%。经济增长率有两个很重要的决定性因素，一个是科技进步的贡献率，还有一个是投资率。我们现在如果要达到全面建设小康社会的目标，就意味着从现在起，如果保持目前的科技进步贡献率，也就是39%左右的水平，我们的投资率必须有大幅度的增加，至少要达到52%的高水平，而这几乎是完全不可能做到的。即使我们的投资率保持在目前40%的水平，都已经算是很高的了。那么，我们只有把科技进步贡献率从目前的40%左右提高到60%，才能够达到2020年的发展目标。

关键数字：30％

纲要提到，到2020年，“对外技术依存度降低到30％以下”。

解读：科学技术部高新技术和产业化司司长 廖小罕

科技竞争力排在我国前面的国家，他们的一个特点就是科技上的对外依存度都在30%以下，而我们国家目前的对外依存度是60%左右。

60%数字背后显现出的是我国科技自主创新的不足，这样的后果便是我国在经济上、国家安全上、国际贸易上都要受制于那些科技实力高于我们的国家。所以，我国首先要自主创新战略，力争在国际竞争中掌握自动权。自主创新也分为原始性创新、集成创新和引进消化吸收后创新三种不同的方式，而不是一定要完全从头开始研究。我们应该在全球范围内主动利用科技资源，形成国际化研发体系，提升国际科技合作的层次和规模。只有对外依存度数值降低，我们才可以掌握核心技术和产业链上重要环节的制控权，并最终落实到推动我国的经济发展和提高我国的国际竞争力上。

关键数字： 5

纲要指出，到2020年，本国人发明专利年度授权量进入世界前5位。

解读：

创新产出高是创新型国家的基本特征之一。世界公认的20个创新型国家拥有的发明专利总数占到全世界的99%。和一些具有较强创新能力的国家相比，中国虽然已具备一些基本条件，但离创新型国家还有一定距离。据了解，2005年国家知识产权局一共受理了17.3万项专利申请，其中本国人的申请达到53%左右。单就信息产业而言，本国人的专利授权量占总量的22%～30%。过去的三、四年是信息产业专利申请数猛增的一个阶段。

国务委员陈至立曾经在中国科协2005年学术年会上指出，我们要抓住信息技术更新换代和新材料技术迅猛发展的难得机遇，掌握装备制造业和信息产业核心技术的自主知识产权。充分表达了对自主知识产权的关注。

据业内人士分析，随着时间发展，达到本国人专利授权量世界第五的目标是很有希望的，情况理想的话还可能达到第三或第四。到2020年，我国将成为创新型国家，成为世界最重要的知识和技术产出国之一。

关键数字：5

纲要指出，到2020年，国际科学论文被引用数进入世界前5位

解读：中国科学技术信息研究所副所长 赵新力

目前，我国国际科技论文数量连续3年保持世界第5位，但论文的被引用数在世界排名刚刚从第18位上升到第14位。论文是展示科研成果的最快捷方式，也是国际上了解同行进展的主要渠道。“被引用数”则是最直接、最简洁地体现国际学术界认可程度的指标。

十五期间，我国在国际上能够被检索收录的论文总篇数（包括EI、SCI、STP、ISTP等）在整体上不断向前推移。目前在科技论文发展的道路上，主要的问题是受语言的限制。学术界应该共同创造更好的英文发展环境，培养国际上认可的精品期刊，在国内更多地举办国际性学术会议，提高科研人员用英文发表文章的能力和驱动力。

说这个目标没有挑战是不对的，但是按照目前我国科技人员的努力程度、国家对科学技术的支持程度和目前工作的加速度，我们对实现这个目标还是充满信心的。

信息产业作为国民经济的基础产业、先导产业和支柱产业，其在中国未来15年的科技发展中将扮演怎样的重要角色？透过纲要的总体部署中的关键数字，我们看到信息产业的重要作用和位置凸显出来：

重要性1：

11个重点领域中，信息产业及现代服务业为其中之一

重点领域的含义：是指在国民经济、社会发展和国防安全中重点发展、亟待科技提供支撑的产业和行业。

重要性2：

68项优先主题中有7项属于信息产业及现代服务业

优先主题含义：是指在重点领域中急需发展、任务明确、技术基础较好、近期能够突破的技术群。

确定优先主题的原则：一是有利于突破瓶颈制约，提高经济持续发展能力；二是有利于掌握关键技术和共性技术，提高产业的核心竞争力；三是有利于解决重大公益性科技问题，提高公共服务能力；四是有利于发展军民两用技术，提高国家安全保障能力。

信息产业及现代服务业领域的7个优先主题：

1. 现代服务业信息支撑技术及大型应用软件；

2. 下一代网络关键技术与服务；

3. 高效能可信计算机；

4. 传感器网络及智能信息处理；

5. 数字媒体内容平台；

6. 高清晰度大屏幕平板显示；

7. 面向核心应用的信息安全。

图1 信息产业在优先主题中的比重

重要性3：

16个重大专项中，4个与信息产业直接相关

重大专项含义：是为了实现国家目标，通过核心技术突破和资源集成，在一定时限内完成的重大战略产品、关键共性技术和重大工程，是我国科技发展的重中之重。

与信息产业直接相关的4个重大专项：

1. 核心电子器件；

2. 高端通用芯片及基础软件；

3. 极大规模集成电路制造技术及成套工艺；

4. 新一代宽带无线移动通信。

图2 信息产业在重大专项中的比重

重要性4：

27项前沿技术中，有3项属于信息技术

前沿技术的含义：是指高技术领域中具有前瞻性、先导性和探索性的重大技术，是未来高技术更新换代和新兴产业发展的重要基础，是国家高技术创新能力的综合体现。

信息技术领域的前沿技术：

1． 智能感知技术

重点研究基于生物特征、以自然语言和动态图像的理解为基础的“以人为中心”的智能信息处理和控制技术，中文信息处理；研究生物特征识别、智能交通等相关领域的系统技术。

2． 自组织网络技术

重点研究自组织移动网、自组织计算网、自组织存储网、自组织传感器网等技术，低成本的实时信息处理系统、多传感信息融合技术、个性化人机交互界面技术，以及高柔性免受攻击的数据网络和先进的信息安全系统；研究自组织智能系统和个人智能系统。

3． 虚拟现实技术

重点研究电子学、心理学、控制学、计算机图形学、数据库设计、实时分布系统和多媒体技术等多学科融合的技术，研究医学、娱乐、艺术与教育、军事及工业制造管理等多个相关领域的虚拟现实技术和系统。

图3 信息技术在前沿技术中的比重

重要性5：

4个重大科学研究计划中，其中之一与信息产业密切相关

重大科学研究计划的含义：根据世界科学发展趋势和我国重大战略需求，选择能引领未来发展，对科学和技术发展有很强带动作用，可促进我国持续创新能力迅速提高，同时具有优秀创新团队的研究方向，这些方向的突破，可显著提升我国的国际竞争力，大力促进可持续发展，实现重点跨越。

4个重大科学研究计划：其中的量子调控研究与信息产业密切相关

1． 蛋白质研究

2． 量子调控研究：以微电子为基础的信息技术将达到物理极限，对信息科技发展提出了严峻的挑战，人类必须寻求新出路，而以量子效应为基础的新的信息手段初露端倪，并正在成为发达国家激烈竞争的焦点。量子调控就是探索新的量子现象，发展量子信息学、关联电子学、量子通信、受限小量子体系及人工带隙系统，构建未来信息技术理论基础，具有明显的前瞻性，有可能在20～30年后对人类社会经济发展产生难以估量的影响。

3． 纳米研究

4． 发育与生殖研究

图4 信息产业在重大科学研究机会中的比重

网友评论

网友一：首先我要说，我本人也是干机械的，看了这个帖我快要流泪了，看着工厂中一个个外国名牌我心痛啊。每当我看到外国车时，我的心里是愧疚，对不起大家的感觉，因为我是搞制造的，可我知道咱们祖国连汽车外壳的曲面精加工都困难，更甭提发动机了。快点懂事吧，醒醒吧，别再沉迷于GDP又增长了，你看看咱们制造的产品的质量，心痛啊！

网友二：愿望是好的，实现目标靠的是人才和管理技术，的方式已经不现实了。

网友三：请创造一个以创新为荣、抄袭盗版为耻的文化，一个奖励创新、保护创新者权益的制度，一个公平透明的核查机制。

网友四：这是提高全民素质和综合国力的最佳手段！扩大基础设施投资拉动经济的时代已过去，要为15年后劳动力资源下降提前做准备。

网友五：好！不过要有税收政策的支持，要让创新的企业有钱赚。

网友六：切不可花拳秀腿哦，要以实际为主，现在的大学生工程师数量那么多，可真正能派上用场的却寥寥无几，先思考一下这个问题再说吧，中国人什么时候能打破靠关系成功，就有希望了。

网友七：观念很好，但应当出台好的政策避免高级人才的外流，科技创新需要更多的人才。

网友八：方向是不错，但怎么执行是问题，而且如何加强保密，保证成果不被他人窃取更成问题，国人的保密意识和措施一直都不怎么样。

网友九：良好的制度比大力倡导更起作用，现在内外资不公平的待遇是一个方面，我想肯定还有其它对国民创造力的限制，我们当前要做的是去掉那些不公平的制度，否则无论如何倡导也白搭！

网友十：目标诚可贵，实干价更高；若要得实现，两者须配合！

篇7

摘 要：凝聚态物理学作为物理学的一大分支，其研究前景十分广泛。凝聚态物理学是研究凝聚态物质的物理性质以及它们的微观结构的学科。其通过分析构成凝聚态物质的电子、离子、原子、分子的运动形态和运动规律，从而对凝聚态物质的物理性质进行认知。凝聚态物质是固体物理学的一个拓展方面，研究的物质的典型特征之一是其具有多种形态。同时，凝聚态物理学也为材料研究引入了新的体系。本文就目前凝聚态物理学发展情况，对其中的基本概念的产生、含义及其发展进行阐述。

关键词：凝聚态物理学；基本概念；特点阐述

凝聚态物理学的基本概念需根据物质世界的层次化进行阐述效果会更加明了。作为一门至今仍然拥有丰富生命力的研究学问，凝聚态物理学时时刻刻影响着我们生活的方方面面。例如，液态金属、溶胶、高分子聚合物等等物质的研究都和凝聚态物理学有着密不可分的联系。凝聚态物理学发展历史和其理论支撑，是对凝聚态物理学的基本概念进行阐述的基础。

一、凝聚态物理学发展历史

1、物质世界层次化

为了对凝聚态物理学基本概念进行阐述，首先就需要提到物质世界层次化的研究方式。纵观二十世纪的物理学发展，在二十世纪初，两大划时代的物理理论突破的出现，拉开了宇观物理学和微观物理学的探究序幕。两大理论即是相对论和量子论，相对论和量子理论是对传统物理学的质疑和挑战。其中，狭义相对论修正了经典物理学当中的电磁学和力学之间存在的矛盾；广义相对论则是为近代物理学当中的天体运行研究做出了巨大的贡献。量子论的建立正式拉开了现代物理学对于微观世界的研究，使得基于原子乃至更小系统的探究成为可能。现代物理学的研究方式正是基于这一种将物质世界进行分层的观点进行的，因为物理学当中的理论使用范围都有区别。例如，在宏观世界当中，牛顿力学成立；在微观世界当中，牛顿力学就难以支撑实验事实了。

2、凝聚B物理学的步步发展

从科学家开始探索微观世界开始，凝聚态物理学就悄然发展开来。科学家从原子物理出发，深入到原子核内外空间的研究，为了探索微观世界粒子的基本特性，建立了多代高能粒子加速器，使得近代微观物理学探索出中子、夸克、轻子类的微观粒子。同时，近代物理学的一条研究途径也是将原子物理作为基本主线。在这条研究主线当中，量子力学和统计物理学向结合，奠定了固定物理学的基础。固定物理学的逐渐发展扩大，演变为了凝聚态物理学。凝聚态物理学的研究发展从简单到复杂，从宏观到微观。其结合到其他学科（材料学、化学、生物学等）共同创新，取得了巨大成果。

二、凝聚态物理学的基本概念阐述

1、基本理论

凝聚态物理学基本概念中最重要的基础则是构建这门学科的理论支撑。其基本理论当中的核心即是量子物理和经典物理。根据凝聚态物理学的发展历史来看，量子物理理论推动了凝聚态物理学的发展，使其对众多实验研究成为可能。经典物理理论在凝聚态物理学中并非一无是处，仍在一些研究方面起着不可忽视的作用。两种理论知识在凝聚态物理学当中的应用都存在着自身的适用范围，下面对其进行比较说明。在中学物理中我们初步了解到，物质粒子具有二象性――粒子与波。在粒子的二象性当中，粒子所具有的波动性使得量子力学有别与经典力学。二者的适用范围的界限通常是一些临界温度、直径、场（电场、磁场）强等方面。

2、凝聚现象

凝聚态物理学的基础概念即是凝聚现象，然而凝聚现象在我们日常生活当中是随处可见的。大家都知道，气体可以凝结成固体或者是液体，液体和固体之间最明显的区别是液体的流动性。根据量子力学等理论分析，在某些临界温度附近，物质之间就发生凝聚现象。发生凝聚现象的物质往往具备一些新的物理性质。例如物质原有的沸点、导电性、光敏性等发生改变。

3、凝聚态物质的有序化

根据中学物理和化学的知识可知，物质反应在平衡状态时，其系统能量内能与熵等因素的影响。系统物质内能的上升使得系统趋于不稳定性，使得熵值增加。当温度下降时，凝聚态物质则趋于熵值下降和系统稳定，研究发现，凝聚态物质往往是某一种有序结构的物相。大量物质粒子所组成的系统表现出来的直观特征即是位置序，这也说明不同的粒子直接是存在着相互联系的。当然，也存在着粒子相互作用较弱的情况，其宏观表现即是粒子无序分布。在经典粒子系统当中，使得系统有序化的物理基础则是粒子和粒子之间的相互作用，这可当作是量子力学当中的一个问题处理。根据中学知识我们知道，在量子力学当中，物质粒子存在着位置不确定性和动量不确定性。根据上述进行总结，凝聚态物质是空间当中的凝聚体，而相对空间往往是分为两个方面。一方面是位置形态空间，另外的一方面是抽象的动量空间。凝聚态物质的有序化在这两个空间当中的存在形态极为丰富。

三、研究概念阐述

凝聚态物理学当中基本的研究概念在于以下几个方面。第一是固体电子论。对固定系统当中电子的行为研究是凝聚态物理学一直在努力的方向，按照电子行为的相互作用的大小，又将其分为三个小的区域。首先是弱关联区，这个区域的研究已经取得了巨大进展，也是构成半导体物理学的理论基础。其次是中等关联区域，主要研究对象包括的是一般的金属和强磁性的物质，其构成了磁铁学的物理基础。强关联区受能带理论发展的影响，目前其研究还有待开拓。第二是宏观量子态。宏观量子态研究当中对某些物质的超导现象的研究是一个重点，一些非常规的超导体研究也是目前科学家所努力的方向。第三是纳米结构与介观物理，凝聚态物理学对于一些简单物质的研究已经较为清楚。按照不同物质材料的结构尺度进行探究是凝聚态物理学研究的新方向之一，纳米结构和介观物理需要量子理论进行支撑，研究目的主要是为了获取材料和器件的复合体，同时创造出一些具有优良性能的物理材料。

四、总结

凝聚态物理学的理论基础是量子力学，目前量子力学的发展已经趋于完备。由于凝聚态物理学设计大量微观粒子的研究，其复杂程度较高，需要研究者从实验、计算、推演等方面开展研究。凝聚态物理学作为一门高新技术，其研究前景十分广阔。只要充分结合其他相关学科知识，加以探究，一定会取得更加丰硕的研究成果。

参考文献

[1]冯端，金国钧.凝聚态物理学中的基本概念[J].物理学进展， 2000， 20（1）：1-21.

篇8

[关键词]课程思政；信息安全；教学方法

现阶段专业课程融入思想政治教育存在的问题

1.思政教育与专业教育之间存在“两张皮”的现象在国家教育改革的引领下，专业课教师积极促进课程思政入课堂，但由于有的教师刻意地加入相关内容，为了思政而思政，造成了思政教育与专业教育“两张皮”的现象，内容的过度生硬，一定程度上影响了学生对思政内容的接受。因此，高校应研究如何将思政教育与专业教育之间由“两层皮”向“一盘棋”转化，以真正达到育人效果。2.思政教育与专业教育的融合比较随机当前，各科教师在融入思政元素的过程中存在较强的随机性，多是依靠专业课程教师自我发掘与发挥，这就有可能导致思政内容重复，甚至会引起学生的反感。对此，高校应从整体专业规划出发，针对每门课的特点确定课程思政的育人目标，以及思政元素的融入方式，使其形成课程体系的一部分。

专业课程与课程思政协同改革

1.紧扣毕业要求，明确教学目标与育人目标在传统的人才培养方案中，重点在于知识目标和能力目标的定位，为了提升学生的综合素养，高校应结合毕业要求，以课程教学大纲为抓手，明确并落实课程育人目标。以信息安全这门课为例，可通过理论教学与实验环节，使学生具备密码学、计算机系统安全、网络攻击技术与防御基础、病毒分析与防范、防火墙技术与VPN、安全扫描与入侵检测等计算机网络信息安全方面的基本理论知识、技能及综合应用，同时，培养学生独立思考、勇于创新的能力。在确定育人目标时，应让学生通过熟悉信息安全领域的国家方针、政策、法律、法规，追求科学真理，牢固树立热爱祖国、“信息安全技术的发展与应用不能损害国家和合法个人的利益”的理念，明确合法行为与非法行为的界限，理解诚实、公正、诚信的职业操守和职业规范，并在实际生活、学习与工作中自觉遵守。另外，还要面向国际科学应用前沿、国家重大需求及经济主战场，将前沿科技渗透到课程实践中，教育学生努力学习，破解“卡脖子”难题。2.坚持问题导向，改革教学方法信息安全主要采用理论教学、课堂讨论和上机实验相结合的教学方式，注重启发式教学，以问题为导向，引导学生独立设计信息安全框架，逐步培养他们分析问题、解决问题、勇于创新的能力。在课堂教学中，教师要加强与学生的互动交流，指引学生开展团队协作和课堂讨论，并及时分析、评价学生的讨论结果。另外，要从课程内容、实验环节、互动交流、分组讨论中进行专业课程的思政教学体系设计，促使学生产生学习内动力。

具体案例研究

将课程的教学目标及育人目标，深入渗透到教学大纲的具体内容中，使专业课程内容与思政元素有效融合。以信息安全课程为例，本课程的教学目标是掌握计算机网络信息安全方面的基本知识，了解设计和维护网络信息安全的基本手段和常用方法，能够利用理论知识解决生活中的实际问题。思政育人目标是培养出能够肩负历史使命，勇担强国重任，坚持面向世界科技前沿、面向国家重大需求、面向经济主战场，不断向科学技术广度和深度进军的高端信息安全人才。

思政育人案例

1教学内容：第一章，信息安全概述教学目的与要求：了解信息安全面临的主要威胁、信息安全的基本概念、信息安全的发展方向，掌握信息安全的主要技术及解决方案。思政元素切入点：针对美国政府在拿不出任何真凭实据的情况下，泛化国家安全概念，滥用国家力量，以列入实体清单、技术封锁、投资设障等手段，加大对中国企业的打压力度，让中国在芯片领域面临较为被动的局面。针对这一案例，要明确信息安全的真实含义，牢固树立“信息安全技术的发展与应用不能损害国家和合法个人的利益”的理念，强调中国人的命运一定要掌握在自己手里，绝对不容许被任何势力“卡脖子”。育人目标：面向国家重大需求，培养新一代科技人才，使其能潜心关键领域的基础研究与关键技术的开发；引导青年学生发挥“两弹一星”的艰苦创业精神，为国家培养彻底解决“卡脖子”问题的技术人才；学生要树立正确的家国意识与主人翁意识，将个人的聪明才智和未来发展与国家需求相结合。实施过程：（1）教师授课。讲授信息安全面临的主要威胁、信息安全的基本概念、信息安全的解决方案、信息安全的主要技术、信息安全的发展方向等，从中穿插思政元素。（2）师生研讨。学生针对信息安全的案例分组展开研讨，每组委派一名学生进行总结发言；教师和学生进行点评，在整个研讨过程中形成良好的思政氛围。（3）课后拓展。教师可适当给学生提供与国家战略相关的新闻报道和重大成果视频，增强思政权威性，引发学生思考。思政育人案例2教学内容：第二章，密码技术基础与公钥基础设施教学目的与要求：掌握密码学基本概念、了解传统密码技术，掌握公钥密码技术、公钥基础设施。思政元素切入点：对传统密码技术及公钥密码技术进行阐述，引入量子技术的快速发展对已有密码学方案的冲击。在量子计算模型下，经典数论密码体系受到了极大的冲击，如何在量子时代保障数据安全成为一个亟待解决的问题。Regev提出基于格的密码体系可以抵抗这种量子算法的攻击。格密码作为备受关注的抗量子密码体制，吸引了研究人员的目光。格自身有完整的理论体系，相较于其他密码体制有独特的优势：困难问题存在从一般情况到最坏情况的规约，具有较高的算法效率和并行性等。通过知识拓展，引导学生从基于格困难问题的密码体制设计进行思考、探索，培养学生的工匠精神、钻研精神。育人目标：让学生通过了解传统密码技术及公钥密码技术，知晓量子技术的发展对已有技术的冲击，引导其发挥工匠精神及钻研精神，勇于探索行业难题。实施过程：（1）教师授课。讲授密码学数学基础、密码学基本概念、对称密码技术、公钥基础设施等知识，从中穿插思政元素。（2）师生研讨。针对“我们是否可以在标准模型下构造一个抗量子攻击的基于位置的服务方案？这样的方案是否可以做到避免密钥滥用？”这两个问题进行探讨，引导学生思考，培养学生的工匠精神，提升其思考问题、分析问题的能力。（3）课后拓展。课后对量子算法技术进行更深一步的研究，了解两字算法技术的发展对现有技术的推动，并引入相关思政素材，增强思政权威性，引发学生思考及探索。思政育人案例3教学内容：第四章，网络攻击技术与防御基础教学目的与要求：了解黑客的概念及黑客的攻击模式，掌握网络攻击的技术与原理、网络攻击工具、攻击防范。思政元素切入点：2014年3月22日，国内漏洞研究平台曝光称，携程系统开启了用户支付服务接口的调试功能，使所有向银行验证持卡所有者接口传输的数据包均直接保存在本地服务器，包括信用卡用户的身份证、卡号、CVV码等信息均可能被黑客任意窃取，导致大量用户银行卡信息泄露，该漏洞引发了关于“电商网站存储用户信息，并存在泄露风险”等问题的热议。针对携程漏洞事件，教师引导学生熟知《中华人民共和国网络安全法》（以下简称《网络安全法》）要求网络运营者对网络安全运营负有责任，对产品的漏洞及时补救，怠于履行法律义务，导致个人信息泄露的，将面临最高五十万元的罚款，如果是关键信息基础设施的运营者将面临最高一百万元的罚款。2014年12月25日，第三方漏洞研究平台发现大量12306用户数据在互联网流传，内容包含用户账户、明文密码、身份证号码、手机号码等，这次事件是黑客通过收集其他网站泄露的用户名和密码，通过撞库的方式利用12306网站安全机制的缺失来获取13万多条用户数据。针对12306用户数据泄露事件，引导学生熟知关键信息基础设施的网络运营者不仅有一般网络运营者应该履行的网络安全等级保护义务，还有更高层次的网络安全保护义务，如对重要系统和数据库进行容灾备份，制定网络安全应急预案并定期进行演练等。关键信息基础设施运营者若没有每年进行一次安全检测评估，拒不改正或导致网络安全严重后果的，将面临最高一百万元的罚款，对直接负责的主管人员处一万至十万元以下的罚款。育人目标：通过“教、学、做”一体化的教学模式，一方面向学生介绍网络攻击的相关知识；另一方面结合具体案例自然融入《网络安全法》的知识，引导学生正确运用网络安全和防御技术，严格规范自己的网络行为，维护好个人、企业、组织、国家的信息安全，积极构建网络安全。实施过程：（1）教师授课。讲授关于黑客、网络攻击技术与原理、网络攻击工具、网络攻击防范等知识，从中穿插思政元素。（2）师生研讨。学生针对《网络安全法》的案例分组展开研讨，研讨之后，每组委派一名学生进行总结发言；教师和学生点评，拓展学生的知识面，在整个研讨过程中让学生构建网络安全意识。（3）课后拓展。课后可适当给学生提供《网络安全法》的相关报道视频，增强学生的安全意识，使其规范自己的网络行为。

总结

篇9

“挑战者”号事故调查

1986年1月28日上午11时39分，在美国佛罗里达州肯尼迪航天中心腾空而起的“挑战者”号航天飞机升空73秒后，突然发生爆炸，机上7名宇航员全部遇难。事发之后，美国航空航天局（NASA）成立了一个事故调查委员会，当时在加州理工学院任教的费曼被邀成为调查委员会的一员。在调查过程中，费曼发现助推火箭上的一个O形环有烧焦痕迹，因此怀疑火箭燃料燃烧时从那里发生了燃料泄漏，从而引发了整个事故。同时，费曼了解到，航天飞机发射当天，地面温度是-3℃～-4℃，远低于通常的12℃。费曼认为事故的罪魁祸首就是这个O形环。

随后，在一次面向公众的电视直播会议上，费曼以他一贯简洁、清晰展示科学原理的风格说明了O形环的问题所在。他在现场只用了3件简单的道具：同样的O形橡胶密封环，一把尖嘴钳，一杯冰水。他用尖嘴钳把O形环夹变形了一些，之后置于冰水杯中，一会儿他又取出来向公众展示，O形环没有恢复变形。科学家都崇尚简单，厌恶繁文缛节，但是像费曼这样身体力行，一生致力于简洁化的科学思想、方法，并倾注大量心血于科学教育的，绝无仅有。他卓越的科学成就，独特的科学教育方式以及迷人的个性使得他成为家喻户晓的明星科学家。

爱唱反调的青年科学家

费曼1918年出生于美国纽约市皇后区的小镇法洛克卫，1939年毕业于麻省理工学院，进入普林斯顿大学念研究生，成为著名物理学家约翰・惠勒的学生。

1943年，在洛斯阿拉莫斯，刚刚研究生毕业的费曼获得了一个难得的机会，同一批最伟大的物理学家和数学家一起工作，他们包括：奥本海默、汉斯・贝特、恩里科・费米、爱德华・泰勒，还有约翰・冯・诺伊曼，而这个机会就是制造出世界上第一颗原子弹的“曼哈顿计划”，这也是费曼研究生涯的起点。在这个团体中，年轻的费曼得到了众多科学前辈的认同。他能运用逻辑来分析一切复杂问题，找出主要因素，并简单明了地说明需要解答的关键问题。令前辈们同样满意的是这位年轻的科学家对物理学全身心投入的热情。当时，年轻的费曼常常与已经小有名气物理学家贝特唱反调，但贝特一点也不生气，相反，费曼深入的思考给他留下了很好的印象，因此他对费曼产生了一种尊敬。贝特还将费曼收入麾下，让他做了计算组的组长。贝特后来还自豪地宣称：“费曼能做任何事情，所有的事情。”“曼哈顿计划”的领导者奥本海默也称他为“这里最才华横溢的年轻物理学家”。

最善于抓住本质的大脑

要善于抓住事物的本质，这是费曼小时候从父亲那里得到的教诲。一次，在林中散步，父子一起观察鸟雀，父亲告诉他，如果你知道了这种鸟雀的名字，哪怕是许多种语言的名字，都无助于加深对鸟的理解，只有通过观察鸟的行为才能去认识它。这些话影响了费曼一生，他对哲学家在概念上的纠缠很不屑，认为自然界不会满足哲学家那些先入为主的见解。有人问他，如何用一句话概括出现代科学最基本的观点，费曼回答说：“一切物质都是由原子构成的。”

费曼由于在量子电动力学上的贡献和施温格、朝永振一郎分享了1965年诺贝尔物理学奖。他们三人其实是用不同的方法创建了量子电动力学。这种现象在科学史上倒不罕见，17世纪时牛顿和莱布尼茨就各自独立发明了微积分;20世纪20年代海森堡和薛定谔也各自创建了量子力学。但是在他们三人中，费曼的方法最直观、最形象，这也是他一贯简洁风格的体现。

其中用到的费曼图，就是一种符号化的物理语言，比如反映物理学中康普顿效应（光子和电子相互作用）的费曼图。

费曼图中的实线代表电子，波纹线代表光子，费曼图不仅有鲜明的物理含义，而且具有严格的数学含义，可以说每一幅费曼图就是一个数学表达式。上述费曼图表示的物理含义是，光子与原子中的电子发生弹性碰撞，碰撞后光子损失能量，改变其运动方向，而电子获得能量从原子中飞出。

费曼的好友、物理学家戴森回忆说：“当费曼看不懂正统教科书中的量子力学时，他只好从头开始发明了一套自己能看得懂的量子力学……我用正统方法所做的计算，花了我几个月的时间，写了几百张纸;费曼却可以在黑板上，花半个小时就得到几乎相同的答案。”这从侧面也反映了费曼创造简洁科学理论的天赋。

送给教育界的宝贵礼物

费曼对科学教育界产生了难以估量的影响，其中最宝贵的礼物应当是著名的三卷本《费曼物理学讲义》，有人认为它是迄今为止最好的大学物理学教材。费曼早年参加了制造原子弹的“曼哈顿计划”，第二次世界大战结束后，他前往康奈尔大学任教。1949年到1951年，他应邀到巴西给大学生讲授了10个月（非连续的）的物理课。费曼发现，那里的学生都喜欢背诵，却不知道自己在背什么。返回美国后，费曼开始在加州理工学院任教，但他一直没有给低年级的大学生讲过物理课。直到1961年秋季，学校有一项物理教育改革项目，他在同事的推荐下答应给低年级大学生讲授两年物理课。《费曼物理学讲义》就是根据那些授课笔记整理的。在这本讲义中，费曼还结合了他对巴西教学生涯的反思，认为大学物理课讲授的目的不应该是为考试做准备，甚至不是为学生服务于工业或者军事做准备。他说：“我最想做的是与你们分享我对于这个奇妙世界的一些欣赏，以及物理学家们看待这个世界的方式，我相信，这是现今时代里真正文化的主要部分（或许有其他学科的许多教授会反对这一点，但我相信他们是完全错误的）。”半个世纪前费曼的教育思想，现在听来依然振聋发聩。

除了他的讲义之外，以他的演讲或访谈为基础整理出版的《物理定律的本性》《发现的乐趣》《费曼讲演录：一个平民科学家的思想》等都是绝好的科学文化读物，从中能体会到作为一名物理学家的费曼是如何阐释科学定律、如何看待科学与社会之间的关系，等等。

真性情的魅力人生

当然，费曼之所以成为费曼，很大程度上归于他独特的个人魅力。不错，他是20世纪一流的物理学家，但若论物理学成就，他要逊色于英国的狄拉克，不过他又是邦戈鼓手、绘画爱好者、开保险柜专家、科学教育专家……而狄拉克仅是一个“标准”、正统的科学家，因此就知名度而言，狄拉克显然逊色费曼。

费曼是卓尔不群的“反叛者”，他曾直接致信美国科学院请辞院士的称号，而且他不止一次请辞，结果每一次都惊扰到科学院院长亲自过问。请看一封1969年6月费曼给当时科学院院长塞兹的回信，你就能清楚了解费曼的个性。

亲爱的塞兹院长：

……我想离开国家科学院这个团体，完全是私人原因，与国家科学院或政府的作为无关，也不是你个人行政风格的问题。多年以来，我就一直很想安安静静地、不惊动任何人而退出这个团体，也不要引发任何的政治联想。这纯粹是我个人的因素，有点孩子气，就是喜欢什么、不喜欢什么而已。请接收我的辞职。

诚挚的祝福

费曼

篇10

关键词 心身二元论 经典力学 观察者 意识

中图分类号：B089 文献标识码：A

意识涵盖了大部分的心理现象，它既是我们体验到的对心理状态的复杂的内省，又等同于“觉醒”的状态，或者感知状态。因此，在给意识下定义时就会出现困难，它所涉及的分支众多，难以用一个单一的定义将意识所包含的方面全部囊括其中。意识的核心问题是“现象性”，理解意识的关键在于弄清楚现象性本身的本质及其起源。在早期西方哲学历史上，意识问题是以“心身问题”为标志开始的，意识是“心灵”的一个特征。从最早时期开始，意识与死亡相关联，人们希望并且相信，意识是与物质性的身体相区别的东西。因此，对意识的研究首先要回溯到早期历史上的心身问题。

自从笛卡尔提出“心身二元论”，赋予“心灵”以实体地位以来，对于心灵是否存在、怎样存在、如果存在，心灵该如何与身体相互作用等问题的争论延续至今。笛卡尔认为，心灵与物质是独立的两个实体，物质具有广延的属性，却不能思考，心灵能够思考却不占有空间。从对日常经验的内在主义素朴描述出发来看，心灵与身体之间和谐地相互作用，促使人们能够相信，心灵必然有其独特的存在地位。为了说明两者如何互动作用，笛卡尔提出“松果腺”这一概念。但是“松果腺”的提出，却恰恰暴露出笛卡尔的心灵观念存在的矛盾。

从内在主义的角度看，心灵确实与物质相互作用，意愿、欲望能够促成行为的发生，导致行为对象的改变等。但是，由于心灵不具有广延且不占有空间的属性，又导致人们无法运用在经典力学基础之上形成的认知图式，来理解和说明心灵的存在形式，心灵怎样与物质相互作用更成为了一个难题。如果承认心灵的独特实体地位，则有悖于经典力学的科学原则，如果依照唯物主义的基本观点，把心灵与物质等同起来，用大脑内部的物质之间的相互作用来说明意识活动，则导致无法说明为什么存在主观体验和感受的问题，这显然又违背了人类体验的直觉。因此，无论是坚持二元论还是唯物主义一元论，心物互动问题都面临着极大的理论困难，坚持内在主义观点，就必须说明心灵有别于物质的本体论地位以及心身互动的作用机制；坚持唯物主义的观点，就必须说明为什么人会有主观体验和感受。本文认为，除了上述两种对心物关系的说明之外，存在第三种对心物关系的思考，即对经典力学原则在说明心灵问题上是否具有适用性的质疑：经典力学的原则是万能的吗？它是否能够作为评判心灵是否存在以及怎样存在的标准？心物关系问题难以有所进展，是否因为我们用来评判心灵存在的标准出了问题？量子力学能否作为新的研究范式来推进心灵的研究？

随着人们认知程度的提高，自然科学的发展，对心灵问题的讨论更加如火如荼。古老神秘的“心灵”概念也逐渐以“意识”这一崭新的形式出现在哲学、神经科学、心理学、计算机科学等多学科的交叉研究视域中。本文将以“意识”这一概念来论述笛卡尔心物二元论中所提及的“心灵”。

“有一种古老的观点：自然由两部分组成，一部分包含感觉和思想，另一部分在运动中包含有物质对象。这个观点在笛卡尔的时代复活，并成为经典物理学的基础。”①1687年，牛顿出版了著名的《自然哲学的数学原理》一书，掀起了科学的革命。在这本书中，宇宙被描述成一个遵循严格规律的大机器，依照数学的精密性在空间中运动。一切事物都可以被还原成遵循严格规律运动的物质实体，作为因果决定链条上的一环，按照既定的规律运行。因此，经典物理学的世界被冠以具有决定论和客观性的特征。但是在涉及到微观世界的对象时，经典物理学的基本原则就失效了。

意识问题是当代哲学、神经科学、心理学、计算机科学等多个交叉学科进行跨学科研究的热点难题。众多学科关注意识的原因在于，它是关乎人的本性根基和人与外部世界关系的根本性问题。不论是唯物主义立场，还是二元论立场来看待意识，都有不可回避的理论困难。

以上两种立场在说明意识问题的过程中，会遭遇到困难的原因，除了意识问题本身的复杂性之外，另一个重要的原因是，唯物主义和二元论均把研究宏观事物低速运动规律的经典力学，作为思考意识问题的理论基础。二元论产生的部分原因是迫于经典力学的还原论和客观性压力，人们无法调和与说明物质活动和意识之间存在形式的不协调，但是却又难以违背自己体验的常识，放弃意识的主观性特征。唯物主义则恰恰相反，它遵循经典力学的客观性、决定论、还原论等根本规律，把物质放在优先地位，试图用经典力学的规律来同化或拒斥意识的主观性特征。在一定程度上，二元论与唯物主义这两种相对立的立场都是以经典力学的原则为根本依据，朝着各自相反的方向建构自己的理论，但是，二元论从理论内部割裂了意识与物质的关联，而唯物主义又混淆了意识与物质的差别。

以牛顿运动定律为主要内容的经典力学在20世纪以前被称为最美的物理学，它通过把“意识”排斥在研究范围之外来实现其理论的完备性。它假定时空的绝对性和依据初始值可进行精确预测等特征，为人类认识自然、了解自身的本性描绘了一幅因果封闭、清晰可测的蓝图。世界上的任何物理系统都能够被分解为各个组成元素，各个组成元素只能够与彼此相邻的元素发生相互作用，物理系统遵循着严格的物理因果封闭定律，根据一定的可观测的物理量，能够做出无限精确的预测。经典力学的唯物主义世界观已经否定了意识是有别于物质，具有独立存在地位的实体。大脑是世界上最为精密且复杂的整体系统，它作为意识活动发生的场所已经是毋庸置疑的科学事实。按照经典力学的观点，大脑与意识同样应该遵守经典力学的根本原则，但显然意识的诸多属性以及对应的神经活动的规律都无法用经典力学来说明。

神经科学的研究成果已经表明，意识活动的发生受到大脑整体活动的控制，它并不是固定发生在大脑的某一个区域。同样，大脑的某一部分神经通路也不是意识发生的场所，完整的意识的出现，需要调动大脑内部不同脑区的神经元进行放电。不同的意识场景所对应的神经元活动的组合也不一样。就目前的神经研究成果而言，神经科学只能够对意识活动的说明进行基于科学经验上的描述，而不能够进行充分的因果说明。经典力学中的整体可以分解成部分的组合的原则，无法说明意识的高度统一性；相邻部分的因果互动原则更加无法解释不同脑区的神经活动，怎样能够作为单一的意识活动的组成部分。发生在个体大脑中的意识转瞬即逝，难以捕捉，甚至毫无规律可循。大脑内部呈现的意识场景为什么具有统一整合性和动态的分化性，归属于不同脑区的神经元为什么能同时放电而形成单一的意识场景，控制这些神经元活动的机制是什么？这些问题，对于研究宏观事物运动规律的经典力学而言存在困难。经典力学中不需要涉及对微观事物的化学过程的说明，而这一点对于大脑研究来说，则非常重要。

如果从大脑内部和大脑外部两个维度，来对意识进行一种描述上的区分，从大脑外部，引入一个“观察者”，那么对意识就可以做出两种不同的描述。这两种维度的描述之间的区别也表明，经典力学难以说明意识。

按照经典力学的原则，每个脑区的神经元只能够与它紧邻的神经元发生互动，并根据所处的大脑区域的定域性而非全局性来表征意识场景。对意识的内在描述不是从外在的“观察者”或者元素集合所体现出的整体功能性角度进行描述，而是对这些独立的神经元描述的组合的描述。“根据经典力学，对物理系统和它的动力学的状态的描述，能够在内在的层次上表达出来。但是人们怎样来理解经验的整体思想的发生呢？”②

外在描述是在引入一个外部“观察者”之后而做出的描述，观察者知道大脑内部描述是由诸多元素所构成，但是，他能够从外在维度对内部元素进行整合，使内部元素组合起来具有整体的表征属性。同时，外部的观察者能够从整体的功能性角度出发来进行整体表征，在观察者的意识中形成的整体性描述，不会受到各个不同脑区神经元活动的区域性限制。总之，这个外在的观察者不仅具备“知道”大脑内部是由多个元素组合的能力，还具备把这些元素集合成整体的能力。因此，在内在描述层次上的独立元素的集合，在外在层次上可以被称为是一个单一的整体。

从功能的角度出发，大脑被看作是一个功能性的整体，但是在经典力学的框架中，功能基本上不具备任何实际的意义，因为大脑的过程受到不同脑区神经活动的控制，然而，大脑部分与部分之间的相互作用不可能实现大脑的整体作用。从根本上来说，一个从外在层次所描述的功能性整体，所表现出来的整体性含义要比逻辑上独立的要素的简单集合要复杂得多，而这一点恰恰是与经典力学的根本原则相悖。因此，意识的整体功能性概念在经典力学框架中也无法得到合理的说明。

依据经典力学的法则，整体可以被分解为独立的局部要素的集合。“功能性”对于物理因果封闭定律而言是无效的，因而不具备任何存在的理由，唯一承认它的理由就是方便我们从外在层次对它进行直接的理解。

灵感与顿悟是经常出现在人类思考过程中的真实存在的心理现象，在艺术和科学研究中表现尤为明显。它们具有突发性、偶然性、丰富性、瞬息变化等特征，它们常常会受到当下场景或意识内容的刺激而产生，但是其产生的机制与结果却远远超出了人对当下对意识的研究水平。按照经典力学的可预测性原则，依据一定的可观测的物理量，就能够对事物做出精确的预测，但是在灵感和顿悟这类具有突发性的心理现象上，经典力学的根本原则显然不适用。

根据经典力学的根本原则来解决意识问题面临诸多的理论困难，意识的高度整合性和高度的分化性、主观体验的整体性和动态多样性、从外在的功能角度所描述的大脑的整体功能性特征、灵感和顿悟这类突发性的心理现象都无法从经典力学理论中得到科学合理的说明。

斯塔普（Henry Stapp）认为，对于经典力学而言，意识和行为之间的紧密关系不可能从逻辑上推导出来，相反，这恰恰意味着经典力学的不完整性。经典力学不能够蕴含意识的现象性方面，除非意识是一种副现象。但是，如果意识是副现象，则显然有悖了直觉。如果经典力学控制自然的整个动态过程，那么作为人类大脑高度进化发展结果的意识就是一个令人怀疑的神话。经典力学的动态原则既不蕴含现象实在的存在，也不能够对它们怎样从简单形式进化到高级阶段提供一种自然的动态说明。在经典力学的理论框架当中，人类的体验既没有存在地位，它也无法对大脑的动态作用提供充分合理的自然说明，那么我们就应该放弃用经典力学的整体逻辑结构来研究意识，并转而寻求一种能让我们的体验充分发挥动态作用，且完全不同的逻辑结构的模式，这一模式就是量子力学。

量子力学的诞生打破了人类对经典力学关于世界的固有认识，传统的物质观念、物理封闭因果定律、决定论和连续性观点都遭到了破坏。量子力学重新为人类描述了一个新奇的、感官不可知、反常识的世界。量子力学的理论框架内，大脑被看作一个量子系统。

意识与大脑之间的紧密联系已经是一个不争的科学事实，虽然经典力学在说明意识问题上存在许多的理论困难，但是科学的发展趋势表明，我们始终要在科学的框架内来说明意识。因此，意识研究必须转换一种新的研究范式。目前，最有希望将意识重新纳入到物质世界的科学理论只有量子力学。“冯诺依曼、诺伯特维纳和霍尔丹指出，自然的量子力学方面似乎是为了将意识重新纳入我们现有的物质概念而为意识量身定做。”③

经典力学与量子力学的不同之处在于，量子力学引入了“观察者”因素，测量结果不再是具有绝对的客观性。尤其是在对意识进行研究的过程中，“观察者”本身也作为物理系统的一部分而参与和影响着对意识的测量结果。由于意识具有高度的分化性，各种心理事件瞬息万变，每一次对意识的测量都会取得不同的结果，为了对意识现象做出完备的描述，每一次的测量结果彼此之间呈互补关系，这种互补性取消了在经典力学框架内应该具有的严格因果律，意识呈现出非因果性的特征。

当代著名的心灵哲学家查默斯也多次在其著作中谈到意识可能与量子力学有紧密的关系，但是对此他常常又持一种怀疑的态度。作为提出“意识的困难问题”而闻名于世的哲学家来说，他始终关注的是意识的主观经验问题，但是，在他看来，量子力学与经典力学相比，在意识问题上具有一定的优势，但是即便如此，这一范式目前还未能说明为什么会有主观感受的发生。“问题在于物理理论的基本元素都要归结到两点：结构和物理过程的动力学，但是从结构和动力学出发，我们只能获得更多的结构和动力学，而有意识的经验仍然没有被涉及。”④尽管如此，量子力学在意识研究上仍有许多探讨的空间。

注释

① Stapp， H.P.（1993）Mind， Matter， and Quantum Mechanics， Springer-Verlag.83.

篇11

关键词：国际信息科学峰会；国际信息哲学研讨会；综述

中图分类号：B01文献标识码：A文章编号：16738268（2015）06008806

一、会议背景

当今世界已经步入信息时代，信息业已成为学术界的研究热点之一，但是不同的学科背景使得学者们对于信息问题各抒己见，因此，为了促进各学科的信息研究能够有效沟通与合作，首届国际信息科学峰会（IS4IS）应运而生。2015年6月3～7日由国际信息科学联合会（International Society for Information Studies）和多国机构联合举办的第一届国际信息科学峰会在维也纳技术大学举行，其中，西安交通大学国际信息哲学研究中心是举办单位之一，此次峰会的总主题是：“处于十字路口的信息社会――信息科学的回应与责任。”此次峰会包括了三个分会：第二届国际信息哲学研讨会（ICPI 2015）、第六届国际信息科学基础大会（FIS 2015）和第五届国际信息通信技术与社会学术研讨会（ICTS 2015）。该峰会吸引了全球300多名信息领域的研究学者参加，我国有涵盖的30多名学者参会，其中邬j教授所带领的信息哲学团队阵容庞大，由邬j本人及其十多名博士生组成。不仅如此，由邬j教授担任主席的“第二届国际信息哲学研讨会”收获颇丰，共收录论文33篇，内容横跨科学、哲学、艺术等多个方面，每一场讨论都十分热烈。邬j教授作为首届国际信息科学峰会主席团成员在峰会开幕式上致辞，并作为“第二届国际信息哲学研讨会”主席在分会上致开幕词和闭幕词。

邬j教授在峰会开幕式上致辞指出，在各国学者的共同努力下，国际信息科学和信息哲学已经出现了一个很好的发展态势。中国的信息科学和信息哲学研究正在走向世界，而世界的信息科学和信息哲学研究也正在走向中国。人类信息社会的发展正在打通世界各国的壁垒，同时，也把世界范围内的科学家和哲学家更为广泛地联合了起来。当今世界的哲学、科学、技术、经济与社会的发展面临着一个共同的信息范式的转换过程，信息不仅是一种全新的思维方式，而且还是一种全新的生产方式、发展模式和组织模式。正是信息范式在哲学、科学、技术、经济和社会的不同层面所呈现出的这种统一性，决定了我们这个时代的特征和发展方式，同时也决定了人类的科学和哲学的发展正面临着在信息范式基础上的重新融合与统一。

在此次峰会闭幕前夕，相关组织机构还召开了国际信息科学联合会的执委会，邬j教授全票当选为国际信息科学联合会副主席；同时，执委会公布成立了国际信息科学联合会的第一个分支机构――中国分会，并决定下一届国际信息科学峰会（2017年）由瑞典哥德堡大学承办，届时西安交通大学国际信息哲学研究中心仍将是会议承办方之一，第三届国际信息哲学研讨会也将成为峰会的分会议之一。

二、信息本质与信息转向

邬j教授作了题为《信息哲学与信息科学的互动与融合》的大会特邀主题报告，他在报告中指出，关于存在的哲学是哲学的元理论，哲学的根本性变革应当基于存在领域的分割方式的变革，并依此对哲学的几次重大转向予以了总结。邬j教授认为，最开始存在被分割为三大领域：上帝（客观理念）、物质、个体精神，随着科学和哲学的发展，上帝的存在被证明是虚设的，于是上帝便被剔除在存在领域之外，最终，存在领域的范式被归结为：“存在=物质+精神”。更进一步，邬j教授基于信息科学的最新成果，将存在领域进行了重新划分，并提出了“存在=物质+信息”的新的存在论范式，在此，邬j教授从最抽象的哲学范畴上揭示了一个全新的存在领域――信息，信息包括主观信息和客观信息（精神）两大领域，并认为“存在=物质+信息”这一新的存在论范式还在信息活动的高级形态的意义上重新规定了精神的本质。同时，邬j教授认为，哲学的这一信息转向是在哲学最高范式的层面发生的变革，是根本性的转向，而所谓的认识论、语言学、现象学转向、生存论转向、价值论转向、实践论转向、身体哲学转向等都是非根本性转向，并由此断定，信息哲学给人类哲学带来了第一次根本性的转向。

来自英国牛津大学的弗洛里迪（Luciano Floridi）教授也通过一个公式定义了信息：I=Q+A。他认为，信息就像回答问题一样：人们所知道的东西就是信息（知道问题并知道回答），人们不十分确信他是否知道的东西就是不确定（知道问题但不知道回答），人们甚至连他不知道本身都不知道就是无知（既不知道问题也不知道回答）。他还将信息和权利问题放在一起来讨论，将人类的历史分为史前阶段（没有信息与通信技术）、历史阶段（个人与社会福利与信息与通信技术有关）和超历史阶段（个人与社会福利依赖于信息与通信技术）。并认为，人类在超历史阶段就进入了成熟的信息社会，成熟信息社会的权利不仅仅是与事物有关或者与关于事物的信息有关，也和不确定性有关，在成熟信息社会谁制造不确定性控制问题并塑造答案，谁就能控制现实的人。

华南理工大学吴国林教授在《量子信息的追问》一文中首先梳理了经典信息概念之所以成立的前提条件：一是可以用概率表示的可能事件集；二是信息是不确定的消除。进而对量子信息进行了考察，认为量子信息满足类似如经典信息的两个前提条件：一是量子信息描述微观事物的可能，并且量子信息是波函数的表达；二是量子信息也是通过编码、传递、解码来处理信息，量子信息是量子不确定的消除（量子信息Ⅰ）。他认为，量子信息与经典信息之间的这种家族类似性，使得量子信息可以归属于信息概念。最后，吴国林教授通过一系列的推导得出结论：量子信息是量子状态的显示（量子信息Ⅱ）。

来自加拿大多伦多大学的罗伯特・ K・洛根（Robert K. Logan）教授立足于系统生物学的观点对信息进行了定义。他在《什么是信息？为什么它是相对的？它和物质、意义以及组织之间的关系是什么？》一文中首先分析了申农信息理论的局限性，认为依据申农的信息定义，一组结构化的数据比一组随机数据包含的信息要少，并以此推出，随机有机化学物质原汤比结构化生物组织包含更多的信息；活体随着越来越结构化和组织化，所包含的申农信息也就越少；但是，这是违反生物学家直觉的。因此，罗伯特・K・洛根教授认为用申农信息理论来描述生物系统是失效的。他认为，从生物信息的角度来看，机体中的信息等同于约束性组织，它有助于机体从环境中获得能量来促进自身的增长和复制。生物体进行约束性组织的增殖，就是在进行信息构建。约束就是信息，信息就是约束，而这种约束就是生物组织，所以生物组织也是信息，反之亦然。生物信息不是象征性的，不像抽象性的符号信息，它不能和实在之物相分离，是实体化的，内嵌于生物体，作用于生物体。并认为，人类主要处理三种信息：遗传信息、认知信息和概念信息（符号）。

三、信息理论的发展

中国人民大学苗东升教授在《信息研究的中国路径在开拓中》一文中对信息相关理论进行了梳理。首先，他对申农、维纳、惠勒以及邬j的信息理论进行了评价，认为申农的信息理论回避了语义信息，为通信技术提供了有力的工具，但是申农信息论的优点也造就了他理论的局限性，认为申农信息论有待突破。苗教授认为维纳信息理论突破了申农信息论的框架，并指出了突破方向：抛弃机械唯物论，承认宇宙存在既非物质、亦非精神的信息，建立信息时代的唯物论。认为惠勒的信息观也有助于突破机械主义论，但是惠勒信息论是唯信息主义，是唯心论在信息时代的反映。苗教授对邬j教授的信息理论给予了高度评价，认为邬j教授既坚持唯物主义立场，又对传统存在领域发出挑战，将存在领域重新划分为物质和信息，并认为邬j教授以这种本体论为核心建构了自己的哲学体系，是对信息时代的哲学回应。此外，苗教授还在文章中以信息概念为核心对辩证法的发展历史进行了梳理，提出了构建信息时代唯物辩证法的重大课题。文章最后，苗教授对信息研究的中国路径也进行了梳理，指出中国的信息研究起步于1960年代，在1980年代出现研究，并认为此次研究得益于钱学森的推动，即“三论热”中的信息论热。苗教授还认为，钟义信教授、邬j教授、闫学杉教授三人的工作大体代表了当前中国信息研究的学术水平，并认为，在中国只有邬j教授形成了一支信息研究队伍。苗教授也肯定了中国其他一些信息理论研究学者的贡献，认为信息研究的中国路径正在开拓中。

还有一些学者从信息这一词的构词以及词义的流变来研究信息，来自于德国国际信息伦理学中心的拉斐尔・卡普罗（Rafael Capurro）教授从亚里士多德作品中的希腊语νóησιζ到阿拉伯语tas・awwur，再到希伯来语z・iyyur，再到拉丁语（in）formatio，讨论了一系列信息构词以及词义的复杂历史流变过程。卡普罗教授还认为，拉丁语的信息概念已经接近我们现代意义的信息概念，Informatio和 informo在整个中世纪被普遍用于认识论、本体论和教育学等相关文献之中，其中信息概念在托马斯・阿奎那（12251274）的作品中得到了最充分的展现。卡普罗教授还认为，在拉丁语中（in）formatio第一个含义代表着“不可分之物”，第二个含义被用来对名字或符号构成的正确与否进行判断。现代英语所用的information更多地保留了信息这一词的认识论上的含义，信息主要用来表示“告知”、“沟通”、“思想的形成”，20世纪随着信息理论的发展，信息概念开始紧密地和知识、科技等联系在一起。

中国青年政治学院肖峰教授在《许多信息“主义”》一文中梳理了众多的信息“主义”。肖峰教授认为，信息主义主要是通过“information+ism”的形式来形成的，包括四种：informationalism，informatism，informationism，informatilism。肖教授认为，informationalism最早可以追溯到加拿大学者大卫・莱昂的著作之中，被用来描述由于信息技术的广泛应用而带来的新的社会结构的出现，后来被美国学者曼纽尔・卡斯特尔泛化了，在他的著作中直接用“information”代替“information technology”（信息技术），认为信息技术从根本上改变了我们这个时代，此时“informationizationism”等同于信息时代，周理乾和索伦在文章中用“Paninformationalism”（泛信息主义）来表示一种哲学命题。肖峰教授还认为，“informatism”比“informationalism”一词出现得更早，被用于文艺领域，包括信息艺术、数据艺术、电子艺术等，主要用来描述那些借由电脑、新媒体、网络、数据处理等信息技术手段来实现的艺术形式，“informatism”也应用于哲学，拉斐尔・卡普罗用“dialectical informatism”（辩证信息主义）来评价沃尔夫冈的信息进化论方法，用以区别“dialectical materialism”（辩证唯物主义）。Informationism被理查德・普莱斯用于表述一种新的哲学趋势。中国学者沈新曦单独把“informatilism”当作一种哲学范畴来使用。

四、信息科学探索

北京邮电大学钟义信教授在《信息转换与智能创生的定律》一文中深入分析了阻碍信息科学发展的原因，钟教授认为主要有三点：一是信息科学研究者学术背景的差异，这些背景包括了图书馆科学界、计算机科学界、通信科学界、信息哲学界、社会信息学界、生物信息学界、艺术学界等，这些不同的学术背景使得相关研究人员对信息科学的理解不甚相同；二是信息科学研究者视角的差异，不同的视角使得研究者对于相同的信息产生了不同看法；三是信息科学研究者的方法论的差异。钟教授认为，方法论上的差异是这些原因中最重要的，传统的“分而治之”的方法论已经不适应于信息科学的研究，而应当将“转而创之”的方法应用于信息科学的研究。钟教授认为，“转而创之”就是“信息转换与智能创生”，具体而言就是通过信息手段来实现智能创生。文章通过一系列的模型和公式推导，研究了“信息转换与智能创生定律”，并认为这一定律是信息科学的核心定律，几乎适用于所有领域，包括人、生物、非生物和人造机器等。

中国科学院大学颜基义教授深入挖掘了申农信息理论中的关键理念，使得申农信息理论的价值重新得到了突显。颜教授认为，从信息去意义化方面来看，正是由于申农信息理论没有考虑信息的意义才使得他的理论和“communication”紧密相联，由此也发挥了很大的作用；从不确定性方面来看，由于“不确定性”现象的普遍存在，而“不确定性”又是申农信息的基本属性，这就使得信息能够和自然界、人类社会中的各种纷繁现象建立起联系；从冗余度方面看，申农的冗余度概念有利于当今的通信实践和“大数据”工作的发展；从点对点的关系方面来看，申农通信理论中的点对点关系抽象为当今的通信应用留下了十分广阔的空间；从逆向推断过程方面来看，申农信息论中的解码过程本质上就是一个逆向推断过程，对于许多技术都有所启发，比如机器翻译；从communication方面来看，尽管申农的信息论去意义化了，但是毕竟是一种通信理论，人类社会离不开communication，所以申农信息论从一开始就同时踏入了科技和社会领域。此外，颜教授还认为莫比乌斯带应当是我们的时代图标，在信息时代，人们自由地在真实世界与虚拟世界之间转换着，他还发现此次国际信息科学峰会的图标正是莫比乌斯带。

北京大学闫学杉副教授在《统一信息科学的三种实现方法与三种可能的前景》一文中认为，人们可以通过直接统一法、级进统一法和特别统一法等方法来建立统一信息科学，并认为无论采取哪种方法，统一信息科学的前景都不超过三种：大信息科学、小信息科学、类信息科学。紧接着，闫学杉副教授详细介绍了这三种方法和可能的三种前景：直接统一法就是将各种信息学科的共同信息特性和问题进行直接统一；级进统一法就是首先将性质相近的信息学科进行统一，然后在此基础之上再进一步统一，一步步最终达到统一的目的；特别统一法就是采取一套特别的方法对信息学科进行一步到位的统一；大信息科学是指有常规科学性质的科学，包含许多子学科；小信息科学是指有交叉科学和跨科学特点的科学；类信息科学是指包含有若干类的信息学科群。

五、信息哲学和信息科学的互动融合

西安交通大学邬j教授认为，信息哲学和信息科学是互动融合的。首先，人类的普遍理性认识方式是哲学和科学内在融合的根据。哲学是追求普遍理性的活动，但是科学并不是单纯的感性活动，也应当包含普遍理性，哲学和科学在普遍理性的认识方式基础上可以融合。其次，普遍理性的层次性导致了哲学和科学划界的相对性和相互规定性。普遍理性是有层次的，不同学科之间只有普遍理性层次差异，而无有无的区别，并且高层次普遍理性和低层次普遍理性之间存在着双向作用，是彼此规范、融合的，所以哲学离不开科学，哲学也应是一种科学，科学也离不开哲学，科学也应是某种意义上的哲学。此外，哲学和科学之间不仅能够融合，还能实现科学对哲学的改造，哲学对科学的批判，哲学的自我批判。邬j教授将科学对哲学的改造看成是普遍理性的层次跃迁，将哲学对科学的批判看成是低层普遍理性局限性的剔除，哲学的自我批判看成是高层普遍理性结构的改变。邬j教授通过信息维度的引入，改变了传统哲学和科学的范式，并提出了“科学的信息科学化”的看法。

来自法国国际跨学科研究中心的布伦纳（Joseph E. Brenner）教授在《信息哲学与信息科学的融合》一文中，首先对邬j教授的信息哲学理论以及邬j教授所做的努力进行了简要的介绍，并认为邬j教授的信息哲学思想对科学和哲学都形成了强有力的冲击。同时，他也提出了自己对于信息哲学与信息科学相互融合的相关看法，认为信息对科学的影响不应当只被认为是影响到了单一的“科学”学科，而应当有更广范围的影响。他认为科学应当包括两个方面：第一，在“硬件”和“软件”的方向上，大约可以分为实验性的科学和概念性的科学；第二，两种不同科学学科的相对独立性。信息科学和信息哲学内在的结合是依据于它们的信息特性。由于信息的多种二重性（物理性和非物理性，动态性和系统性），使得信息无论是在科学上还是哲学上都难以定义，但是信息的特性是科学和哲学都共有的。信息的认识论性质体现了它的科学性，信息作为一种意义的载体体现了它的哲学性。布伦纳教授还指出，跨学科是一种新的理论，这一理论将不同的学科思想融合在一起，不同的学科之间的“交织”有利于更进一步地理解信息和巩固信息科学的基础。并认为，信息哲学作为科学和哲学融合的成果也应当加入到跨学科的进程当中。

来自日本国际教养大学的麻生（Marcin J. Schroeder）教授采用新的范畴来定义信息，将信息看作是哲学和科学的融合点。麻生教授首先分析了亚里士多德、弗朗西斯・培根等人关于科学和哲学的划分依据，认为随着科技的发展，亚里士多德和弗朗西斯・培根的学科划分方法无法解决现代科学中的相关问题。并认为，信息既不能用具体的科学理论，也不能用具体的哲学体系对它进行定义，它是超越科学与哲学的。麻生教授指出，信息的概念涉及到东方哲学中的“一”和“多”这一对范畴，这对范畴超越了一般的科学和哲学的划分原则，通过“一”和“多”来定义信息才能彰显出信息的独特地位：信息是哲学和科学的融合点。麻生教授认为，“多”中选“一”就是信息的选择表现，生成许多的“一”就是给“多”一个限定结构，是信息的结构表现。选择的程度能用作信息的数量特征，结构的程度能被用来描述信息的集成水平，这两种表现可以共存，是信息不同的载体。

六、信息社会

奥地利贝塔朗菲系统科学研究中心的沃尔夫冈（Wolfgang Hofkirchner）教授在《全球可持续信息社会的信息――大分岔势在必行》一文中提出，信息科学将关乎人类的生存与兴旺，并用自己创立的信息理论分析了我们正在经历的全球性挑战中所形成的危机，且提出了相关对策。他首先探讨了进化的路径模型，然后指明了全球可持续信息社会（GSIS）的进化方向，接着分析了全球性、可持续性、信息化等概念及其对于实现全球可持续信息社会的作用，并指出信息是影响全球可持续信息社会实现的重点。沃尔夫冈教授接着借助于自组织系统给出了信息的3C模型，即：认知（cognition）、沟通（communication）、合作（cooperation），并将这一模型用于分析全球可持续信息社会的社会特征，同时指明了人类最终会实现世界主义大同社会。

The Summary of the First International Summit of Information Science

and the Second International Conference of Philosophy of Information

WANG Liang

（School of Humanities and Social Sciences， Xi’an Jiaotong University， Xi’an 710049， China）

篇12

1.前言

文体包含文学文体和科技文体两种，其中的差别于，文学文体具有美学的特点，辞藻华丽、语言多变，容易引起读者的共鸣。而科技文体的使用的目的是以传递信息，文学风格不明显，语言平淡，容易使人感到枯燥。所以许多翻译家的作品比较倾向于文学，在翻译时检查加入美学语言。随着国际交流的不断深入，其美学的范围也在不断扩展。进而延伸出将美学和翻译结合体[1]。在对科技英语进行翻译时，以美学原理为辅助，不仅可以保存原文的精髓，也可以语言更加优美，更加打动人心，具有一定的审美情趣和价值。

2.翻译的严谨美

科技文章进行翻译时用词必须要精确、严谨。所以要在提高翻译的准确性的基础性上，保留原文的内容和精华，并且保存翻译的严谨美。翻译美学指出翻译者在翻译时不但要表现出原文的内容，也要表现译文的严谨性，同时也将科技英语的内部结构展现出来，尽量不要改变作者的写作风格[2]。在组织语言时，不能模棱两可，特别要注意一词多义的使用方法。比如 profile在英语中的本意是"弯曲的"，而"曲线"不是用" profile line"表示，" profile line"的实际意义是"半面线"。因此在进行翻译时要对英文单词的各种意思进行了解要充分，确定最合适的语言，保证文章表述的简洁、精确以及严谨。科技英语表述的语言要进行谨慎使用，使用在对科学英语表达时，穿插一些科技术语，提高科技文章的严谨性，同时使表达形式更加简洁。

3.翻译的逻辑美

逻辑美是使科技英语为人们所理解的重要因素，科学英语的关键点在于清楚地表达出客观事物的起因与发展规律。这对逻辑思维来说是一个挑战，明显具有逻辑美。因此要分清在原理概念上的差别，以简洁的语言和严谨的逻辑来表达产生事物的原因、发展以及结果。虽然科学英语的语言不优美，但具体前因后果连接地比较清晰的特性。使用翻译者在对科学英语进行翻译时要把握文章的基本逻辑，并了解文章的侧重点，就可以文章中因果关系、发展联系、程度大小等逻辑特点，对原文的内容进行准确翻译，表达出作者的思想。

原文：The Key Of Optimizing Quantum Reversible Logic Lies In Automatically Constructing Quantum Reversible Logic Circuits With The Minimal Quantum Cost。

意思为：最优化量子可逆逻辑的关键在于用最小的量子代价自动构造量子可逆逻辑。这个句子包括多层次的逻辑关系，所以在进行翻译不仅要把原文准确的表述出来，也要将其中的规律清楚地展现在人们面前[3]。翻译者只有将多层次的逻辑关系与文学语言结合起来，才能使人们明白其中的具体，充分表现翻译作品的的逻辑美。

4.翻译的简洁美

语言精练才能达到科技英语符合表达简洁的目的，而科技英语为了使人们对文章更明了，就表现以比较少的语言表现最多的内容。这种简洁美不仅应用于词汇层，也应用于句法层。现在科技英语中经常使用名词化结构，将过长句子翻译为一个词语或者短语。其优点在于可以降低人称主语先入为主的几率，增加客观的科技概念的使用效果，同时也可以使得文章内容更加明了，句子结构更加简洁。比如：因为格力空调与其他同类型产品相比，更方便实用，耗能少，更智能，更易操作。其翻译为： Gree air conditioning compared with other products of the same type， more convenient and practical， low energy consumption， more intelligent， more easy to operate.

这段语言由四个表达因果关系的短语组成一个复句，但是在进行科技英语的翻译的过程中，为了保证句子的内容更明了，使用名词化形式来表述文章的内容，使得科技英语的译文不仅简单明了而且更具有美感，同时表现了翻译者文化素养。

另外，为了使得文章内容更具简洁美，使用各类其他名词作主语在科技英语文章也比较常见，人称名词和物质名词是名词的构成部分。所以一般使用人称名词表明主观意愿，优先选择使用物质名词进行表述。使用以非人称做主语的优势在于：首先是简化句子的结构，可以清楚地表达出因果关系；其次就是使语言更加优美，具有感染力。所以在进行科技英语翻译时可以适当运用人称代词，保持翻译的简洁美。

5.翻译的转义美

转义是指原有意义转化借代出新的含义。在科技术语在不断出现，特别是计算机和其他机械类领域科技专业术语不断爆发的情况下，对转义也越来越受到人们的关注。现在科技领域的发展与日常生活处于相辅相成的关系，因此科技术语的也更加生活化，更加优美。当人们的常用语与科技术语进行融合促进科技翻译的发展，使得语言更多元化，变化更加丰富，同时也表现着隐语的形象。比如英文中的"表兄妹"用"cousin这一词表示，但而"cousin"这个词，在日常生活中常常用作"同类型作物"的表达[4]。从另一方面来说，转义词的使用量的增加等一系列的变化表现出日常用语转化为科技名词的现象，不仅提高科技名词的适用范围，也增加了转义的美感。

6.翻译的修辞美

在翻译时使用修辞手法可以让语言更生动优美，随着科技名词的适用范围的扩大，修辞手法在科技英语领域的使用量也越来越多。其中比喻在科技英语翻译中比较常见，其通过不同事物的发展与结果来表述某种道理或者表现另一种事物。使用比喻手法可以使得逻辑与形象思维可以进行更好的融合，表达更加准确。而另一种比较常见的修辞手法是拟人，将无思想的事物进行人格化，给予事物人的心理活动，可以让科技文章亲近人们的感情，更具有打动人心的力量，同时也可以使人们更容易了解其含义和掌握其文章的关键点[5]。但是在进行对科技英语翻译时，要充分发挥想象力，不要过于生硬。

例如：In the spring on the occasion， the North Chinese swallows begin decided to enter the counter trend， came to life in the south.翻译为"在春暖花开之际，中国北方的燕子开始决定进入反潮流，来到南方生活。"在这个句子中使用了拟人的手法，给予燕子人的思维，不仅清楚地表达了燕子的迁徙活动，也表现了翻译的修辞美。

篇13

一、中学生化学反应三重表征的困难

1不能从微观水平上理解化学反应

相关文献综述表明，很多研究者对学生是否在分子水平上理解了化学反应进行了探查。研究发现，学生即使能正确配平化学方程式，也不能在微观上理解化学反应，这可能与用数学化的方式配平化学方程式有很大关系。国外对这个问题的探查多是结合画微粒图和访谈等方法进行的。例如，盖贝尔（Gabel等设计了14个题目来考查大学生对事物微观本质的理解情况。题目用不同大小和形状的圆圈来描述分子、原子，要求学生在物质发生物理或化学变化后再画一幅新的图画。分析结果令人吃惊：第一，有50%的学生忽视了微粒守恒和微粒的排列次序；第二，尽管学过化学的学生比没学过化学的学生回答得要好，但这种差别并不显著。这表明，尽管化学课程在一定程度上涉及物质的微观本质，但通过微观本质的学习并没有使学生较好地理解化学。另外，学生的回答中普遍出现的错误有：（1当液体变成气体时，原子被画大，而不是原子间的距离变大；（2用线条表示液体的水平面，而不是用顶层的微粒来暗示表面；（3气体分子排列有序；（4在分子分解之后，仍用完整的单位来描述微粒，而不是用更小的原子等单元表示。这表明，尽管化学课程在一定程度上涉及物质的微观本质，但通过微观本质的学习学生并没有较好地理解化学。再如，亚洛克Yarroch要求成绩中等以上的高二学生配平给出的化学方程式，并根据方程式画出微观图像，以探查学生对化学方程式的理解。结果显示，60%的学生能够配平化学方程式却不能解释方程式的意义。这说明学生没有从微观水平上理解化学反应。

可以看出，学生不能像化学家那样进行微观表征，对学生而言，微观表征复杂而抽象，这可以从学生对原子结构、化学反应、溶液等特定内容存有_定的相异构想中窥见_二。在过去的三十年里，文献中关于化学相异构想的研究可谓数不胜数，其中相当部分的内容就集中在微观表征上，这就反映出学生在微观表征方面的困难。对于化学反应，学生也存在这样的困难。

(二不理解化学方程式的符号含义

化学方程式既可以表征宏观水平的物质变化，也可以表征微观水平上的粒子行为，符号表征指向的这种模糊性提供了_种思维转换的流动性，即借助于符号表征，思维可以很方便地在宏观表征和微观表征间转换，这为交流和传播解释提供了强有力的工具。符号表征在任何时刻都具有特定的含义，这在专家看来是非常明确的，但对于学生而言，怡怡是符号表征指向的模糊性增加了学生的认知负担，学生必须能利用上下文和背景知识来明确符号表征的指向。

化学方程式隐含着丰富的信息，对化学方程式的理解也包含着多重含义：明确化学式和各个数字及箭头的含义、理解化学反应过程中键的断裂和形成、考察化学变化的定量关系等。研究发现，学生对化学方程式的理解存在困难。如，桑格MJ.Sanger)让学生根据微粒图书写化学方程式，他发现44%的学生对下标和系数的理解有不同程度的混淆，有的学生将C3书写成3C,学生只知道下标表示某分子中的原子个数，却不知道下标可以表示组成物质的元素比例；约翰斯顿Johnstone等人研究发现，离子方程式中没有参与反应的离子、氧化数和离子电荷给学生造成了最大的障碍；巴克（Bark〗探查德国学生对镁条燃烧的理解，他对八、九、十年级的272名学生进行了测验，结果显示，30%的学生能正确写出反应方程式，并能正确进行微观表征，70%的学生只能记住方程式而不能正确理解其微观含义，巴克由此得出结论，单纯使用化学符号不能帮助学生理解化学反应。

三难以在不同表征水平间进行转换

化学概念在本质上是多重表征的，成功的化学学习应该建构三重表征的整体模型，在三重表征之间实现思维的自由转换。现已公认化学教学经常包含宏观表征和微观表征间的转换，用微观表征解释可观察的宏观现象，然而对学生而言，这种不同表征间的转换是困难的，这不仅因为微观世界的抽象本质，还因为对学生来说转换本身可能就是挑战。教师与学生在知识和经验背景方面存在鸿沟，教师已经能很流畅、很容易地实现不同表征间的思维转换，而学生对物质不是很熟悉，当这种转换发生时，学生可能会经历激烈的认知冲突才能实现。作为宏观水平和微观水平中介的符号水平不仅增加了学生学习的复杂性，而且由于它指向的模糊性，增加了初学者在宏观表征和微观表征间讨论的困惑。

已有大量研究发现，很多学生能正确回答谈话性的测试题目，然而进一步测试表明，他们不是真的理解了概念，很多学生能够解决计算问题，而不能解决概念性问题。例如，研究发现，学生成功配平化学方程式并不能保证他们能用图表的形式准确表征相应的化学反应。[8]我们对这一发现的解释是，能够配平化学方程式是符号水平的理解，然而画微粒图的能力是微观水平的理解，学生在联系两种表征水平方面存在困难，难以实现不同表征水平间的思维转换，因此不能成功地解决问题。再如，对于化学平衡，即使是高等化学专业的学生也存在三重表征转换的困难。研究发现，食盐溶于水，达到平衡状态即饱和时，很多学生会认为反应结束了，即将“平衡”等同于“结束”。这说明学生对平衡的动态性缺乏理解，无法建立宏观表征与微观表征的联系。还有很多学生认为，当溶液达到平衡时，化学方程式左边的物质数目就等于右边的物质数目，换句话说，学生经常将化学反应中的理解为“等于”，即如果达到化学平衡就意味着反应物浓度等于生成物浓度。这种相异构想可能缘于等号的应用，也说明学生没有将符号表征和宏观表征、微观表征建立起联系。

专家可以在三重表征之间随意转换，而且可能是自发进行的，而学生的三重表征转换就困难得多。尽管如此，由于三重表征提供了科学概念不同水平上的信息，对概念理解是极其重要的，学生应努力建构起三重表征的内在联系，增进对科学概念的理解。

二、中学生化学反应三重表征困难产生的原因

从学生自身角度来看，三重表征困难的一个原因是，学生的思维受到他们已有的宏观经验的强烈影响，从而无法理解微观表征，如，_滴水里含有大量的水分子，这些分子竟然在不断运动着，这对于初学者来说很难接受；第二个原因是，他们有限的概念性知识和贫乏的空间想象能力，导致学生经常不能将_种表征转化为另_种表征。

本文主要讨论化学反应三重表征困难产生的外部因素，这是因为外部因素可以在教学实践中进行可行性设计，对教学实践更有启发意义。

1微观世界的抽象性

微观表征关注的世界是一个不可视的世界，只能通过想象来触及。由于学生已有的知识经验有限，缺乏空间想象能力，对微观粒子的表征就很困难，很容易将宏观性质直接迁移过去，如，认为微观粒子有颜色、是连续的、有生命、不同状态下质量不同大小可变等。由于缺乏宏观经验的支持，学生的微观表征就显得异常困难。尽管存在各种模型和动画模拟等可视化教学的帮助，但大量研究显示，学生对微观世界的理解还是存有大量的相异构想，过去二十年间化学教育文献的研究热点就是对学生相异构想的探查，其中相当部分的内容集中在微观表征上，由此可见，学生微观表征的困难程度。

现代化学的重要特征之_，就是将微观粒子间的相互作用模型作为解释理论的基础，这些粒子带有科学猜想的性质。对学生来说，粒子这个词有_定的误导性，学生可能把糖和盐的细粒当作教师提到的粒子，而不是相当小空间水平内的假定粒子。这些微观水平上的粒子是分子、原子和电子等等，这些粒子存在空间如此之小以致量子效应（对可以直接观察的粒子来说是微不足道的变得非常显著，这些“量子物质”拥有属性的方式和我们熟悉的宏观粒子拥有属性的方式有很大不同，它是解释化学的微粒模型的一个有力证据。量子物质不是坚硬的难以穿透的有锋利边缘的实体，而是带有量子规则模型化了的属性的很多模糊区域。对化学反应宏观表征的解释都是借助于这些微观粒子的行为来解释的，在科学上，微粒模型具有真实的和重大的解释价值。

众所周知，这种微观表征模型的使用对许多学生来说具有很大的挑战性，他们不能完全理解量子物质显著不同于熟悉的宏观粒子属性，学生通常采用一种虚假的解释，这可能与中学生理解科学模型和科学本质的水平有限有关系，即使是大学生也可能没有形成有效思考微观世界所需的心智模型?。

(二教材编制的局限性

教材的编制和内容呈现具有1定的局限性，这严重影响了学生化学反应三重表征的建构。

首先，教材对有些知识的论述不是很明确，如，对原子的论述就是典型的例子。没有人能说明原子是什么或者原子像什么，虽然通过原子级显微镜我们看到了金色的原子1个挨着_个一但是原子级显微镜的输出结果是它自己的模型应用的结果。很多教科书回避了原子是或像什么这个尴尬问题，只给出了关于原子性质的论述，那么，学生很容易认同教材中画出的原子图像就是原子本来的样子。对化学反应过程的描述也存在类似的局限性。

其次，文本、图表或图形的使用存在问题。如，教材中有的图是这样画的：在一烧杯水中仅画了几个液态水分子，这会使得学生认为_烧杯水中只含有那么多个水分子，而这种理解在学生看来是很自然的，因为他们看到的就是这样，和宏观经验是吻合的。在印刷的纸张上不能描绘一烧杯水中大量的水分子，这是文本编制与生俱来的问题。如果文本不对此作出说明或解释，那么，学生就很容易产生相异构想。

再次，教材内容不能很好地体现微粒的立体性和化学反应的动态性。化学微粒是立体的，化学反应是动态的，但是落实到教材文本中，只能以二维的和静态的方式呈现，这是教材文本印刷难以克服的局限性。

三化学符号的复杂性

符号表征包含着大量的信息，初学者对其理解起来非常困难，对于化学反应更是如此。我们通常用化学方程式来表征_个化学反应，这个方程式里内含着大量的信息，包括_些抽象的概念，如元素、化合价、电负性、化学反应、能量等，还包括_些普适性的书写规则，如分子式的书写规则、方程式的配平规则、离子式的书写规则等。化学符号本身就是人为表征的，因此，对学生而言，它更像是_些无意义的音节，要熟记这些复杂的符号系统，的确是非常困难的。更何况，化学符号表征的还是-些学生本身就觉得学习困难的知识。

为了使符号表征有意义，教师必须花费大量时间让学生熟知符号的含义，熟练掌握化学方程式的书写规则，从一开始就注重从三重表征的角度建构符号表征的意义。符号表征的意义在于，它是一种非常有利的交流工具，_旦建构起正确的符号表征，就会便利我们快速地、有效地交流，并有助于我们在三重表征间的思维转换。

因此，在教授符号表征的时候，教师应清晰地认识到：（1和专家相比，学生的符号表征能力不如专家有效；（2使用符号表征的方式可能增加感知的复杂性和任务认知需求的复杂性；（3考虑化学符号指向对象是否是模糊的，如果真是这样，要明确符号在任1点元素、物质、分子、原子等上的含义，注意方程式中符号使用的贯性。

四化学三重表征教学的困难性

化学教育的一个难题是，宏观表征模型本质上是连续性的，而微观表征模型本质上是分离的，如，气体的流动宏观来看是连续的，而从微观本质上看气体分子的行为是分离的。建立宏观表征和微观表征的联系需要理解微观世界的粒子是极小的。对于“粒子”微粒”这样的主题词，学生早就接触过，因此，学生会借助已有的理解解释微观世界中的粒子行为。教师如果不注意联系学生的已有经验，借助于宏观表征和微观表征的联系进行教学，很容易造成学生理解上的困惑。

如，对于化学反应的判断标准是有新物质的产生，对于什么是新物质是从微观水平上进行判断的，是我们应用了微观模型的结果。而从可观测的宏观表征上来看，新物质就是明显不同于原来的物质，对于学生来讲，冰融化为水也是_种新物质，尽管在化学上它们具有相同的结构，但宏观来看，物理变化产生的新物质就像1些化学反应产生的新物质那样引人注目。很多化学方程式对于学生判断是化学变化还是物理变化是有帮助的，因为它们可以揭示物质的微观粒子的行为，但文献显示，也有很多化学方程式对于学生的判断帮助不大。如，对于碳酸钙加热生成氧化钙和二氧化碳的反应而言，很多学生不认为这是1个化学反应，因为碳酸钙没有和任何物质反应。另外，一些学生将加热看作是1种物质，认为碳酸钙和热发生了反应。这可能是曰常生活中“反应”的意思对理解化学术语的不利影响。

有研究者总结了化学教学导致三重表征的困难表现为三方面：（1化学教学中教师简单强调符号表征和问题解决而不重视宏观现象和微观表征的联系；（2化学教学中教师不能很好地结合宏观、微观和符号表征，使学生长时记忆中的信息分散零乱，不能系统全面地对化学知识进行理解；（3片面、机械地强调宏观、微观和符号三种表征，而不能够将其与学生的曰常生活联系在_起，学生无法达到深刻的理解。

五化学方程式配平的数学化

对于中学阶段化学反应的学习而言，熟练配平化学方程式是学生要达到的一个重要学习目标。为了实现这_目标，教育工作者研究了很多方法帮助学生熟练配平方程式，其中很多方法就是借助于数学或计算机程序。如，布拉克利Blakley证明了几乎每-个化学方程式都能用线性代数的Fotoan程序配平。尽管用数学的方法能正确地配平化学方程式，但正如科尔布Kib所说，反应物和产物在化学上真的是不同的物质，化学方程式不像一个数学表达式，因此，它们不能在数学的感觉上等同起来，忽略数学上和化学方程式之间的细微差别增加了概念性错误的可能性。?已有研究表明，学生即使正确地配平了化学方程式，他们也不一定理解已配平的化学方程式的含义。用数学方式配平化学方程式导致了学生对化学反应本质的忽略，从而导致了学生的很多相异构想的产生。出于对这种状况的反思，很多研究者认为，教师要帮助学生理解化学方程式的意义，让学生学会用化学的方式正确配平化学方程式。目前，国外在这方面的研究大都集中在探查学生配平化学方程式过程中出现的错误及其相关教学建议上。

国内有关配平化学方程式的教学研究主要是总结化学方程式配平的方法，或针对某类特定的化学反应方程式的配平进行具体研究，[14]目前，我国化学教学中仍然随处可见各种各样配平的口诀。可以说，我国在配平化学方程式的教学上，许多教师并不以理解化学反应为基础，而是以数学的方式配平，训练学生配平技巧的成分很大。如此导致的结果是，学生可能会用数学化的方法配平化学方程式，但不理解化学方程式所代表的含义，从而出现对化学方程式本质的理解困难。

篇14

本文提出的针对于理论物理教学与实践的探究方案，是遵循微观到宏观，理论研究到具体实践，单体到多体的顺序展开的，一共包括三个知识单元，它们是统计物理，量子力学和固体物理。为了使得学生充分掌握理论物理知识，我们需要结合教材中原有的三个单元的知识体系，改善原有体系中知识的逻辑性，合理安排各个知识的所占比例，以协助学生循序渐进的掌握知识点。热力学和统计物理学主要是研究宏观物体。宏观物体主要是由微观粒子组成，因此，在这个知识单元里面，我们依照宏观到微观的顺序展开讲解，并遵循统计学和宏观物体的联系。以普通物理学为背景，循序渐进，引入量子统计理论，慢慢激发学生对量子力学的学习兴趣。由此引出第二个知识单元。量子力学知识单元。在第二个知识单元里面，我们首先讲解单原子分子量子理论，慢慢引入到多原子分子量子理论，最后引出第三个知识单元——固体物理。在第三个知识单元里面，先讲解理论，在注重实践应用，引导学生实现创新。这样，三个知识单元互相联系，前后衔接，最后贯穿成为一个整体，给予学生整体上对于理论物理学的知识。

二、理论教学与实践教学相结合

物理理论较为抽象，即便是来源于具体的事例，学生学习起来也具有一定的困难。因此，在理论物理的教学中，需要引导学生从感性上认识物理现象和物理过程。培养学生的感性认识，一方面可以从学生的日常生活中着手，另一方面可以引导学生从物理试验中不断培养。本质与非本质的认识影响着学生对物理概念的认识，因此学生认识物理规律会有一定的困难。物理实验能够提供给学生最具体、最直观的感性认识，因为这些精选出来的物理实验，是最通俗易通，简明扼要表达物理理念的感性材料。与生活中的现实例子有所不同，物理实验也有自己的特点，例如：物理实验比较典型，可以代表一定的物理现象；物理实验需要有动手操作，有一定的趣味性；物理实验定性定量的表明了全面性。学生通过物理实验，可以积累创造意识，同时可以协助学生科学的研究理论物理。学生动手操作物理实验，可以从中掌握到相应的物理知识，更加深刻的理解其中的物理含义，还可以发现试验中存在的问题，从而主动解决问题。因此，老师应当多给学生提供物理实验的机会，引导学生分析总结。一方面，可以督促学生掌握相应的理论物理知识，以及提升自身的动手能力；另一方面，可以引导学生养成严谨的治学态度，培养学生的兴趣。

三、探寻学生在学习物理理论知识过程中的认知模式

学生在物理学习过程中进行的认知活动包含了所有与物理理论知识学习相关的心理活动，具体来说有学生已有知识基础框架、面对新知识的认识、接受和使用、包含已有知识和新知识的知识体系的更新等等。物理认知体系是学生在学习的过程中，通过思考形成的每个人各不相同的知识框架体系，是学生对不断接受到的知识进行理解和组织之后建立的。从认知模式的发展方向中可以容易的发现，学生在认识接触到的物理概念、理论等时经历了一个非常复杂的过程，当物理环境作为刺激源后被学生感受到之后，学生对这些知识的接受程度不仅仅与这些知识有关，还与学生的心理状态、兴趣状态等主观因素有关。当接受到知识后，学生会通过思考在已有知识框架的基础上，对这些知识进行再加工。因此，为了保证学生接受新知识的能力，应该着力引导学生夯实基础，梳理清楚已经学习的知识，形成清晰的体系，实现事倍功半的效果。从认知模式可以发现，学生在认识和掌握物理现象的本质的过程中，首先要利用自己的感官去感知物理现象。对于为何有些同学在学习物理知识的过程中找到了很大的乐趣，而另一些同学却感觉到这些知识枯燥、难以理解。这个问题首先就是因为学习的动机问题。另外一个原因就是没有真正认识什么事理论物理以及它的应用，很多同学在内心当中认为这些基础的物理知识都只是纸上谈兵，对于实际的生产、工作和自己的发展并没有什么作用，在这种思维下，必然很难形成有效的学习动力。其实，在物理学科发展至今的数百年中，已经积累了无数的先进理论，产生了很多影响人类生活的发明和发现，衍生出很多高新科技学科，例如常见的核能、半导体、计算机、通信、太空活动、量子试验等，无不与物理息息相关。在学习过程中，要充分认识到物理学科的理论知识对于人类生活各个方面的巨大作用，培养求知的动力，形成为学科发展、改善人类生活而奋斗的良好志向。最后，应该尽可能的把理论基础物理与更加专业的物理应用领域，例如光信息学科、半导体学科等高新科学专业有机的联系在一起。当今，光学学科的研究热点目前主要集中在光子操控、光材料研发、量子通信等方面，这些热点问题虽然已经取得了很多成绩和成果，但还有很多问题需要进一步的研究。同样的，其他高新学科同样也存在很多有待研究的地方，需要更多的物理人才投入到学科研究当中。如何将基础物理的知识规划与未来高新学科的需求联系起来，为以后学生的进一步发展打下良好基础，也就成为了学科内容规划需要考虑的重要因素。学习理论物理，需要扎实的数学基础，因为理论物理的理论性较强，学习起来十分抽象。因此，物理理论的学习，是感性认知的行为。学生在学习过程中，认知物理理论，认知物理世界，将自身与物理的环境相互作用。通过积累理论物理知识，加上自己的思考，给自己形成立体的物理思维模式。除此之外，老师也要发挥良师益友的功能，首先，协助学生掌握尽可能多的基础理论知识，并且能够将新知识和老知识相互结合。其次，老师也要引导学生构建认知体系，搭建自己的知识框架。兴趣是最好的老师，因此，应当尽力协助学生培养对理论物理的兴趣。理论物理本身是十分有趣的，有多种方式可以感知，包括观摩，听讲等。这个过程中，大部分同学都会产生对物理学习的浓厚兴趣，但是也有一部分同学，由于思路跟不上，落下的知识越来越多，慢慢产生了厌恶抵触的心理。理论物理公式繁多，推导过程繁杂，理解起来也晦涩，甚至感觉实际生活中没有用途，因此，部分同学失去了学习的动力，究其原因，还是由于缺乏认知的缘故。

四、创新教学模式