相对论和量子力学的关系范文篇1

我们对物理这门学科并不陌生，早在17世纪，伟大的物理学家伽利略就曾想出用理想斜面来研究力和运动的关系。他开创了“观察实验、科学思维、与数学相结合的研究方法”，发现了惯性定律、自由落体规律、力学相对性原理，从此奠定了动力学的基础。而天才的物理学家牛顿将研究方法发挥到极至他在前人研究的基础上，采用归纳演绎、综合分析的方法，总结出牛顿运动定律和万有引力定律，建立了完整的经典力学。同时也确立了他在物理学界至高无上的地位,并被称为经典力学之父。但是人创造了历史必然也会受到历史的制约，因此经典力学有其巨大的成就性，但其也存在着局限性。

一、经典力学的成就

经典力学理论体系的完美和实用威力的强大使物理学家相信,天地四方,古往今来发生的一切现象都能够用力学来描述.许多科学家宣称物理学的大厦已基本建成，留给后人的只是补充与完善。经过三次革命，第一次,是一位年轻的物理学家几乎仅靠单枪匹马之力引发的。他就是伟大的理论物理学家，阿尔伯特•爱因斯坦。19世纪末科学家们发现,当研究有关光的问题时,用经典物理的理论解释一些相关现象,就会产生尖锐的矛盾.为了解决这一矛盾,爱因斯坦于1905年提出了狭义相对论；第二次革命的导火索是物理学史上的三大发现：伦琴发现X射线、汤姆生发现电子、贝克勒耳发现天然放射线,使物理学的研究从宏观领域进入了微观世界,人们发现,微观粒子所表现出的现象用经典物理理论根本无法解释，为了克服这一困难,德国物理学家普朗克大胆提出了量子的观点,爱因斯坦等物理学家又将量子论进一步丰富、发展，形成了现代量子力学理论.因此对其做出阐述是：经典物理对物理学思想和科学方法作了重点总结，它只适用于宏观低速的物体，相对论和量子论则适用于微观高速粒子的运动。因此，相对论和量子力学的建立,并不是对经典力学的否定。

二、经典力学的局限性

（一）绝对时间、绝对空间等基本概念引入。按照伟大的物理学家牛顿所阐述的是，绝对的、真正的和数学的时间自身在流逝着，而且由于其本性而均匀地、与任何其他外界事物无关地流逝着。绝对空间就其本性而言，是与任何外界事物无关而永远是相同的和不动的。绝对运动是一个物体从某一绝对的处所向另一绝对的处所的移动。但是莱布尼兹、贝克莱、马赫等先后都对绝对空间、时间观念提出过有价值的异议，指出过，没有证据能表明牛顿绝对空间的存在。爱因斯坦推广了上述的相对性原理，提出狭义相对论。在狭义相对论中，长度和时间间隔也变成相对量，运动的尺相对于静止的尺变短，运动的钟相对于静止的钟变慢。在广义相对论中，时空的性质不是与物体运动无关的：一方面，物体运动的性质要决定于用怎样的空间时间参照系来描写它另一方面时空的性质也决定于物体及其运动本身。另一方面量子论的发展，对时间概念提出了更根本的问题。量子论的结论之一就是：对于一个体系在过去可能存在于什么状态的判断结果，要决定于在现今的测量中做怎样的选择。这种现在与过去之间的相互关系，是与因果顺序概念十分不同的，暗含于时间概念中的因果序列要求过去的存在应是不依赖现在的。因此，用时间来描述事件发生的顺序，可能并不总是合用的。空间与时间是事物之间的一种次序，但并不一定是最基本的次序，它可能是更基本的次序的一种近似。

（二）牛顿虽然对引力作了抽象的、纯粹数学形式的概括，把它实际看作是一种直接的、即时传递的超距作用力。爱因斯坦的广义相对论对万有引力做出一种解释，就是时空本身是有弹性的，可以弯曲、伸展。当一个有质量的物体置于某一空间时，空间就会弯曲变形，质量越大，空间弯曲变形就越严重。那么，空间为什么会在有质量的物体周围弯曲呢？爱因斯坦也没能给出答案。所以，爱因斯坦的弯曲空间理论也没有说明引力的本质是什么。量子力学关于电荷间的电磁力和强子间的强相互作用力的传递原理的解释也没有说明引力的本质是什么。认为引力是通过引力场或引力子来传递的观点也未得到肯定，因而至今科学家也没有找到传递万有引力作用的引力子。

（三）在经典力学中物体的质量是恒定不变的，它与物体的速度或能量无关。在相对论中质量这一概念的外延就被大大地扩展了。.爱因斯坦著名的质能方程E=mc2使到原来在经典力学中彼此独立的质量守恒和能量守恒定律结合起来，成了统一的“质能守恒定律”，它充分反映了物质和运动的统一性。质能方程说明，质量和能量是不可分割而联系着的.一方面，任何物质系统既可用质量m来标志它的数量，也可用能量E来标志它的数量；另一方面，一个系统的能量减少时，其质量也相应减少，另一个系统接受而增加了能量时，其质量也相应地增加。爱因斯坦从力学的观点出发，考虑两个球体的弹性碰撞，利用动量守恒定理和相对论速度相加定理能够导出著名的质速度公式，该式说明，物体的质量不再是与其运动状态无关的量，它依赖于物体的运动速度。当物体的速度趋于光速时，物体的质量趋于无穷大。

（四）经典力学定律只适用于宏观低速世界，对于可与光速相比的高速情况和微观世界的适用问题，当时没有涉及也不可能涉及。

（五）在经典物理学中，最难使人满意之处恐怕莫过于对光的描述了。如果微粒说是正确的，那么人们不禁要问，当光被吸收的时候，组成光的粒子变成了什么呢？而且为了既表示可称量物质又表示光，必须在讨论中引入不同的实体，这无论如何也不能使人心安理得。

同样，纳入力学框架中的光的波动论也难以自圆其说。按照波动论，光被解释为充满宇宙空间的以太的振动。由于光是横波，因此以太必须具有承受切应力而不承受压应力的能力，又由于以太对可称量物质并不产生可观察到的阻力，它又必须具有极小的密度。为此，人们绞尽脑汁，臆想出种种以太模型。这种无所不能、无奇不有的以太反倒使人如堕五里雾中。在1865年，克劳修斯确立了热力学第二定律，该定律揭示出与热现象有关的物理过程具有不可逆性。在经典力学中，从来也未发现类似的情况，力学过程的可逆性是由普遍的力学原理作保证的。可是热力学第二定律也是普遍成立的，因此，这个矛盾是无法用力学的基本观念予以解释的。

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系统论控制论高职院校教育教学质量校内保障体系

一、引言

教育质量关涉人才培养和社会发展进步的大局，是教育领域不容回避的重要命题。在强调以科技进步和人才、智力支持促进综合国力提升的时代要求下，教育质量更是被赋予了重要的地位和意义。在我国教育结构整体谱系中，高职教育是一重要的支系，因其人才培养目标中职业性、技能性和应用性的侧重而有着独特的教育定位，成为高等教育发展中一个重要而特殊的类型。自上世纪末期在教育规律演变和经济社会发展的合力下应运而生以来，高职教育已从注重数量和规模大幅提升的外延扩张式发展阶段中走出，而日益向纵深发展，进入内涵建设时期。内涵建设要求把握高职教育的本质属性，注重加强高职院校内在品质的培养和提高，以期实现高职教育的可持续发展。教育教学质量是内涵建设的主要依托和集中体现。高职教育教学质量指“高职院校在既定的社会条件下，遵循办学规律，履行办学职能，满足社会发展需要和学生成长及发展需要的程度”。教育部《关于全面提高高等职业教育教学质量的若干意见》（教高[2006]16号）明确强调了教育教学质量之于高职院校的重要性。《意见》指出：全面提高教育教学质量是实施科教兴国战略的客观要求，是高等职业教育自身发展的必然要求；要强化质量意识，切实把工作重点放在提高质量上。

二、高职院校教育教学质量校内保障工作的研究现状

教育教学质量的提高涉及诸多方面的协同与配合，艰巨而繁重，必须辅以科学、完善的质量保障体系。质量保障体系是质量形成过程中的各要素、各环节为实现既定产出目标、达到预定质量标准而构成的相互联系、相互制约的有机整体。伴随着高职教育的跨越式发展和对高职教育质量的再认识，质量保障意识日益深入人心，愈发引起了教育行政主管部门、高职院校和社会各界的关注和重视。高职教育教学质量保障是一个复杂、综合的系统，由校内质量保障和校外质量保障两部分共同构成。2010年召开的“全国高职改革与发展工作会议”明确指出，要以提高质量为核心，完善质量保障体系，提高人才培养质量和办学水平，从而进一步突出了质量保障工作的重要性和必要性，推动了相关研讨在深度和广度上的改进和提高。然而，综合国内相关研究资料，在有关高职教育教学质量保障工作的研究中仍存在些许不足。

首先，在高职教育强调工学结合、校企合作的背景下，研究者把过多的目光集中在了对校外保障体系的研讨上，低估、忽视了校内质量保障工作的重要性和必要性。校外质量保障工作固然重要，但侧重在宏观调控和导向定位层面发挥作用，而校内质量保障工作则无疑是整个质量保障系统的基础和出发点。

其次，在校内质量保障的研究上，研究者往往把其简单化和片面化，把其仅仅等同于校内教育教学质量评估或是针对具体教学环节的质量监控，忽视了校内质量保障工作中的其他重要环节。

再次，研究者们多缺乏系统观念和全局观念，倾向于把校内质量保障等同于教学过程的简单累加，在校内质量保障研究中忽视全员性、全过程性和全方位性，没有注意保障工作整体的前后贯通、点面结合和立体交叉。针对上述情况，全面深入地对高职教育教学质量校内保障工作进行研究，探寻保障体系科学构建和有效运作的合理途径，为保障实践提供正确的理论参考以改进具体工作中的不足，尤显必要与紧迫，尤具理论和现实指导意义。

三、高职院校教育教学质量校内保障工作研究的理论依据

系统论和控制论系现代科学的经典理论，是20世纪最伟大的科学成就之一。系统论以一切综合系统或子系统的一般模式、原则和规律为研究对象，注重对其整体性、关联性、动态性、平衡性及时序性等基本特征的探究。控制论是研究动态系统在量变的环境条件下如何保持平衡或稳定状态的科学，它以系统为研究对象，特别强调以调节为手段操纵受控系统，使其向既定目标发展，实现最优控制。创立迄今，系统论和控制论皆表现出了巨大的生命力和空前的影响力，强力冲破了学科间的界限，迅速渗透到自然科学和社会科学的诸多领域，深刻地影响着人们的思维方式和认知理念，成为具有普遍意义的方法论指导。

教育教学研究是通过一定的方式、途径和程序进行的有计划、有组织的复杂的探究活动，它以各类教育教学行为和教育教学现象为研究对象。此种探究特别强调要“以科学方法为手段”，从而“获得教育科学规律性的认识”。目前，国内外在教育教学研究方面均呈现出全新趋势，既注重通过汲取现代科学的研究成果和思维方式来进一步推动研究的深入发展。提高教育教学质量、加强质量保障工作是新时期高职教育发展和改革最本质、最核心的问题。以系统论和控制论为方法论指导对高职教育教学质量校内保障进行观照，能在有效整合现有研究的基础上进一步拓宽思路，推动校内质量保障创新研究向纵深发展，促进校内质量保障实践工作在良性循环的轨道上有效开展、稳步推进。

四、高职院校教育教学质量校内保障体系的科学构建

根据系统论的观点，系统是由若干要素以一定结构形式联结而成的具有某种功能的有机整体，其功能是各要素在孤立状态下所无法具备的全新性质，远大于构成它的因果链中各环节的简单总和。其中，系统的结构是系统功能产生的内在依据，只有使系统具有最优的结构和形态，其功能才能得到保障和发挥，从而导向最佳应用效果和最大产出效益。再者，系统并非客观存在的实体，它产生于构建者的主观规定。构建者总是根据自身的需求，倾向于“把一组相互耦合相关程度较强的变量规定为一个系统”。控制论强调，要建立完善有效的控制体系，排除各方面的干扰，确保各项活动的实施不偏离方向，从而在组织目标的导向作用下，最终取得理想的预期效果。针对组织运行的具体过程，控制可以分为前馈控制、实时控制和反馈控制三个核心阶段。前馈控制即事前控制，突出强调资源配置的合理性与科学性；实时控制乃过程控制，重点关注活动的实施过程和进行状态；反馈控制指事后控制，重在对已经完成的活动项目进行综合评价，以为下一阶段活动的有效开展提供可靠的控制依据。

高职教育教学质量校内保障涵盖质量产出的各个环节，必然是一项复杂的系统工程，必须全面认识和科学界定其内涵构成。基于系统论和控制论的相关理论，本着系统全局、过程控制的宗旨，从纵向延伸和横向辐射两个维度对质量产出的全过程进行考量，高职教育教学质量校内保障体系的构成赫然彰显，决策指挥、管理控制、执行实施、评价考核和服务支持五个子系统环环相扣，节节互联，共同成就了校内质量保障的系统整体。

决策指挥子系统由学院领导核心及其权威学术机构构成，是教育教学质量产出链条的起点，在质量形成过程中起着重要的导向定位作用。该子系统的职能主要在于立足高职办学特色和人才培养目标，充分考虑各种校内外因素，合理制定质量方针和质量目标，统筹安排专业设置和专业建设。管理控制子系统由学院、系部、处室三级管理控制机构所组成的立体网络构成，既隶属整个质量保障体系，又是体系内部质量产出过程最直接的微观保障环节。该子系统旨在以质量方针和质量目标为依据有效行使管理职能，以保障质量的顺利产出和目标的如期实现。各教学系部、教研处室及其各任课教师是执行实施子系统的主要构成要素。该子系统涉及质量产出过程中的微观具体操作，隶属整个系统的中间环节，上观质量方针，下涉质量监控，是质量目标统领下最基础的部分，直接关涉质量的生成。评价考核子系统位于质量产出链条的末端，其构成要素（包括评价主体与客体）点面结合，立体交叉，相对复杂。该子系统直接指涉位于起点的决策指挥子系统及作为中间环节的管理控制和执行实施子系统，为其提供有力的技术参数和实际依据。各教学辅助机构及后勤服务部门构成了服务支持子系统，该子系统为质量产出提供物质基础、条件支持和环境保障，与其他各子系统纵横交错、交互作用，以其不容忽视的存在施加着固有的影响，彰显着其在整个质量保障体系中的重要作用。

五、高职院校教育教学质量校内保障体系的有效运作

教育教学质量校内保障体系的科学构建基础而且关键，为目标的实现提供了预设条件和前提保证。然而，根据系统论和控制论的观点，体系的科学构建并非理论探讨和实践操作的独一主旨和终极关怀，因为体系的有效运作同样重要而必需，实为保障体系良性发展和长久生存之核心要义。系统论视动态性和有序性为系统的重要特征，在对系统的特点及规律进行全面认识的同时，重视利用之对系统进行管理、控制、改进和创造，以使它的存在和发展更好地满足目标需要。同时，系统论尤其突出强调整体与局部、局部与局部的交互关系，重视它们的协调合作、动态平衡，以保证系统的有序性和整体运行效果。控制论特别推崇目的和行为，主张调节受控方的行为，使其向既定目标发展，实现最优调节，达到最佳控制。同时，要掌握受控方变化的可能性、结果及达到预定目标所需的条件，确保正确的控制信息作用于受控方，以使其保持良好的运行状态。由此，在科学构建校内质量保障体系的基础上，必须确保该体系的有效运作。

系统之为系统，必定是其各构成要素既分工又协作的结果。一方面，系统诸要素之间有序关联，相互促进、联系和制约，综合地影响和决定着系统整体。另一方面，各要素既各子系统又有着自身的特点及发展规律，能够在与其他要素的交互作用中随着到达信息的不同而对自身的结构和方式进行不断调整，以增加个体的环境适应性和生存动力。控制论指出，必须在系统内部创设自调节机制，使系统避免出现震荡和混乱，从而维持正常运作，实现超稳定控制。据此，一方面，要在科学、先进的高职教育质量观及质量保障观的统领下，对各子系统进行统筹布局、合理安排，使它们协调合作，形成合力。要致力于突出质量保障工作的全局性和长效性，避免各子系统自成一统，各自为政；避免其间因作用、角色差异而区分态度，悬殊地位，厚此薄彼。另一方面，为保证系统整体的有效运作，要切实加强各个子系统的建设，明确职能，强化目标，避免出现局部的片面与失衡现象，从而影响系统整体工作。为此，要注重加强各个子系统的内涵建设，着力提高其科学性和可行性。就决策指挥子系统而言，要真正秉持高职教育特色，重视其社会约束性，立足当下，放眼未来，真正在质量形成的源头上合理定位、科学把关、正确导航。对于管理控制子系统，要着力加强管理的制度化、规范化和合理化，突出长效性；同时，真正树立“以人为本”的管理理念，力争实现弹性管理和柔性管理。在执行实施子系统的建设上，要真正转变思想，正确认识该子系统的地位和作用。另一方面，要切实细化、优化具体操作环节，增强创新意识和革新理念，着力提升实效性。对于评价考核子系统，要真正摆脱传统教育教学质量观控制下的评价考核理念，提高对评价主体和客体的认识与把握，加强对评价考核方法和手段的改革与创新，提高评价考核的客观性和真实度。在服务支持子系统的建设上，要在加大经费投入、改善硬件条件的同时，以全员参与、多方联动的理念提高对该子系统的认识，进一步明确其在整个质量保障体系中的作用，避免对其内涵及功能产生认知方面的偏差。

六、小结

校内质量保障体系是高职教育教学质量保障大系统的重要组成部分。对高职教育教学质量校内保障体系进行研究，探讨其科学构建和有效运作的合理途径，是坚持以校为本思想的必然要求，既可以充分发挥高职院校作为独立法人实体的作用，也可以发挥其作为办学主体的积极性和创造性。同时，对校内质量保障体系进行研究，还能有助于依法规范高职院校自身的办学行为，促进其形成自我约束、自我管理、自我发展的良好机制，进一步提升其生存能力和社会竞争力。另一方面，对校内质量保障体系进行研究，是在可控层面所进行的内部研究，能在基础操作方面为校外质量保障创设前提和条件，使其工作的开展成为可能，使其存在的合理性得到加强，并使得校内保障和校外保障的协同合作成为可能与必然，从而促进高职教育教学质量保障大系统的建设，真正提高高职教育教学质量。

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相对论和量子力学的关系范文

[关键词]量子体系对称性守恒定律

一、引言

对称性是自然界最普遍、最重要的特性。近代科学表明，自然界的所有重要的规律均与某种对称性有关，甚至所有自然界中的相互作用，都具有某种特殊的对称性——所谓“规范对称性”。实际上，对称性的研究日趋深入，已越来越广泛的应用到物理学的各个分支：量子论、高能物理、相对论、原子分子物理、晶体物理、原子核物理，以及化学（分子轨道理论、配位场理论等）、生物（dna的构型对称性等）和工程技术。

何谓对称性？按照英国《韦氏国际辞典》中的定义：“对称性乃是分界线或中央平面两侧各部分在大小、形状和相对位置的对应性”。这里讲的是人们观察客观事物形体上的最直观特征而形成的认识，也就是所谓的几何对称性。

关于对称性和守恒定律的研究一直是物理学中的一个重要领域，对称性与守恒定律的本质和它们之间的关系一直是人们研究的重要内容。在经典力学中，从牛顿方程出发，在一定条件下可以导出力学量的守恒定律，粗看起来，守恒定律似乎是运动方程的结果．但从本质上来看，守恒定律比运动方程更为基本，因为它表述了自然界的一些普遍法则，支配着自然界的所有过程，制约着不同领域的运动方程．物理学关于对称性探索的一个重要进展是诺特定理的建立，定理指出，如果运动定律在某一变换下具有不变性，必相应地存在一条守恒定律．简言之，物理定律的一种对称性，对应地存在一条守恒定律．经典物理范围内的对称性和守恒定律相联系的诺特定理后来经过推广，在量子力学范围内也成立．在量子力学和粒子物理学中，又引入了一些新的内部自由度,认识了一些新的抽象空间的对称性以及与之相应的守恒定律，这就给解决复杂的微观问题带来好处，尤其现在根据量子体系对称性用群论的方法处理问题，更显优越。

在物理学中，尤其是在理论物理学中，我们所说的对称性指的是体系的拉格朗日量或者哈密顿量在某种变换下的不变性。这些变换一般可分为连续变换、分立变换和对于内禀参量的变换。每一种变换下的不变性，都对应一种守恒律，意味着存在某种不可观测量。例如，时间平移不变性，对应能量守恒，意味着时间的原点不可观测；空间平移评议不变性，对应动量守恒，意味着空间的绝对位置不可观测；空间旋转不变性，对应角动量守恒，意味着空间的绝对方向不可观测，等等。在物理学中对称性与守恒定律占着重要地位,特别是三个普遍的守恒定律——动量、能量、角动量守恒，其重要性是众所周知，并且在工程技术上也得到广泛的应用。因此，为了对守恒定律的物理实质有较深刻的理解，必须研究体系的时空对称性与守恒定律之间的关系。

本文将着重讨论非相对论情形下讨论量子体系的时空对称性与三个守恒定律的关系，并在最后给出一些我们常见的对称变换与守恒定律的简单介绍。

二、对称变换及其性质

一个力学系统的对称性就是它的运动规律的不变性，在经典力学里，运动规律由拉格朗日函数决定，因而时空对称性表现为拉格朗日函数在时空变换下的不变性．在量子力学里，运动规律是薛定谔方程，它决定于系统的哈密顿算符?，因此，量子力学系统的对称性表现为哈密顿算符?的不变性。

对称变换就是保持体系的哈密顿算符不变的变换．在变换s（例如空间平移、空间转动等）下，体系的任何状态ψ变为ψ??（s）?。

三、对称变换与守恒量的关系

经典力学中守恒量就是在运动过程中不随时间变化的量，从此考虑过渡到量子力学，当?是厄米算符，则?表示某个力学量，而

然而,当?不是厄米算符,则?就不表示力学量.但是，若?为连续变换时，我们就很方便的找到了力学量守恒。

设?是连续变换，于是可写成为?=1+iλf,λ为一无穷小参量，当λ0时，?为恒等变换。考虑到除时间反演外，时空对称变换都是幺正变换，所以

（8）式中忽略λ的高阶小量，由上式看到

即f是厄米算符，f称为变换算符?的生成元。由此可见，当?不是厄米算符时，?与某个力学量f相对应。再根据可得

（10）

可见f是体系的一个守恒量。

从上面的讨论说明，量子体系的对称性，对应着力学量的守恒，下面具体讨论时空对称性与动量、能量、角动量守恒。

1.空间平移不变性（空间均匀性）与动量守恒。

空间平移不变性就是指体系整体移动δr时，体系的哈密顿算符保持不变．当没有外场时，体系就是具有空间平移不变性。

设体系的坐标自r平移到，那么波函数ψ(r)变换到ψ??(s)?(r)

2.空间旋转不变性（空间各向同性）与角动量守恒

空间旋转不变性就是指体系整体绕任意轴n旋δφ时，体系的哈密顿算符不变。当体系处于中心对称场或无外场时，体系具有空间旋转不变性。

3.时间平移不变性与能量守恒

时间平移不变性就是指体系作时间平移时，其哈密顿算符不变。当体系处于不变外场或没有外场时，体系的哈密顿算符与时间无关（），体系具有时间平移不变性。

和空间平移讨论类似，时间平移算符???δt?对波函数的作用就是使体系从态变为时间平移态：

同样，将（27）式的右端在t的领域展开为泰勒级数

四、结语

从上面的讨论我们可以看到，三个守恒定律都是由于体系的时空对称性引起的，这说明物质运动与时间空间的对称性有着密切的联系，并且这三个守恒定律的确立为后来认识普遍运动规律提供了线索和启示，曾加了我们对对称性和守恒定律的认识．对称性和守恒定律之间的联系，使我们认识到，任何一种对称性，或者说一种拉格朗日或哈密顿的变换不变性，都对应着一种守恒定律和一种不可观测量，这一结论在我们的物理研究中具有极其重要的意义，尤其是在粒子物理学和物理学中，重子数守恒、轻子数守恒和同位旋守恒等内禀参量的守恒在我们的研究中起着重要的作用．下表中我们简要给出一些对称性和守恒律之间的关系。

参考文献

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