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量子物理的思维范式对长度计量研究创新的启发(一)

发布时间:2014-06-10 00:00 作者:中国标准物质网 阅读量:504


     一、引言
     有人如是说:“任何哲学革命首先在于它提供了一种崭新的思维范式,也正是这种崭新的思维范式才导致了哲学的革命。”哲学对其他科学具有指导作用,新的哲学思维范式会对科技革命产生促进作用,并且哲学也会随着科技革命发展而发展。
     例如, 量子物理从1900年普朗克提出量子概念,后经过玻尔、德布罗意、玻恩、海森柏、薛定谔、狄拉克、爱因斯坦等许多物理大师的努力,到20世纪30年代,初步建立了量子力学理论。量子物理重要认识有波粒二象性、测不准原理等, 这一些认识颠覆了以往人类对自然世界的认识。量子世界的物理规律不是牛顿力学,而是量子物理学。它是研究微观世界的理论, 被称为研究量子现象的物理学。总之,量子物理的许多基本概念、规律与方法和经典物理的基本概念、规律和方法是截然不同的。因此,量子物理学的思维范式也与传统的思维范式非常不同。可见,总结量子物理的思维范式对我们具有重要的指导意义。例如对于精密测量领域的尺寸计量, 也称长度计量具有客观的指导价值。
     传统尺寸测量,都是采用一个标准的米尺。随着量子物理的深入, 国际米制公约定了新的米:目前所沿用米的定义是:“1/299792458s的时间间隔内光在真空中行程的长度”。它的前提是光速c为基本物理常数,所以长度测量可由时间或频率测量导出。因此,目前的空间尺寸能够溯源至时间频率。这在没有量子物理学的发展是不可能的。当前国际单位制已经是基于量子物理学的基础之上,相关研究也称为量子计量学。
     二、量子物理的经典思维范式
     量子物理学与牛顿经典物理学相对立的几个重要方面有:“测不准原理”、“波粒二象性”、“电子自旋”、“几率波”等的研究,它揭示了微观物质世界动的本质与规律。正是通过对微观世界的粒子不连续、海森堡测不准原理等的认识,人类才进一步了解物质世界映射至哲学高度的实在和存在等问题。例如,PaulA.M.Dirac提出了相对论性的波动方程用来描述电子,解释了电子的自旋并且预测了反物质。因此,任何科学的发展和变革都对哲学发展具有启蒙意义。这也符合人类在认识自然过程中认识自我,改造自然过程中改造自我的规律。
     强调思维范式的学习就是自觉主动改造自身的行为之一。思维范式是指立足于一种世界观、认知体系、信念等而形成的固有的稳定的反复使用的具有范例特点的思维规范、模型结构或模式。而量子物理的哲学思维范式,笔者特指是基于量子物理的主要理论方法和科技成果所展现出来的,并区别于以往经典物理规律为特征的思维范式,它是源于对微观世界认知过程和方法的总结,经过高度概括和抽象,上升到哲学高度的思维结构模式和思维规范。
     以学习量子物理的哲学范式为例,就是有意识地提升和改造我们认识能力和思维能力的一个方法,并且会发现其是卓有成效的。
     以测不准原理为例, 不可能同时测准一个粒子动量和质量。转化为宏观概念的含义可以理解为测量活动本身也会对物质属性和状态产生影响。例如,测温电阻本身也散发热量,从而改变被测物体的温度,它们共同组成一个相互作用的系统。而经典力学往往是独立的参考模型,模型中不讨论物理实验对物理知识的影响和作用,因为宏观物理世界通常是无需考虑的。而在社会学研究中,将会遇到很多测不准的情况,可以将每个人理解为粒子,一个工作单位结构可以解释为粒子组成的群体结构。每个人的社会功能可能是纷繁变化的,但单位的社会属性和作用则相对固定,这不妨理解为波粒二象性。因此,本文认为此种意义上量子物理学也是个体与群体关系分析的科学。只不过社会规律的观察周期较长,可统计样本通常也是反观人类各时期的历史,但笔者仍然相信社会学规律并不比物理规律少。
     还有一个重要的量子效应是连续和离散的关系。每个粒子是不连续的,每列波却是连续的。因此,给予测量技术的启发是如何通过测量不连续的物理量值,得到连续变化的物理量值。对应社会学方面,相当于通过较全面的统计单位职工的各项能力,判断和评价该单位的职能绩效。具体过程中利用模糊数学和层次分析法,将定性的感性认识转化为定量的理性认识。如上,量子物理学产生的思维范式已经渗透至其他各种学科研究和分析过程中。
     三、量子计量学及其经典思维范式
     量子计量学作为量子物理发展的产物和重要组成部分, 当前主要研究基于量子物理学的国际单位制的建立。例如,利用原子与原子间的物理特性及其新型量子效应和基本物理常数, 来替代经典物理学原理设立的米制公约的计量传递体系。比如,采用测量时间频率和真空光速替代国际米原器作为长度计量标准, 采用阿伏伽德罗常数替代质量千克原器,将人们日用的尺寸重量等物理量值与量子效应和物理常数建立关系, 使我们的测量达到前所未有的准确。
量子计量学有几个重要的特色对尺寸测量具有启发意义。首先传统观念中时间和空间是相互独立的, 爱因斯坦的相对论改变了人类的时空观, 对于计量学的贡献则是, 长度测量最终溯源至时间频率上。
     其次在量子计量学领域, 长度、温度、质量、力学、电磁等独立的物理量, 能够统一到几个基本物理常量上。基本物理常量是指那些在物理学中起着基本而广泛作用的普适常量。如真空中的光速、波尔兹曼常数、普朗克常数、基本电荷常数、阿伏伽德罗常数。通过这几个常数能够导出其他物理量的单位。现在计量基准的发展趋势则是利用目前准确度最高的频率单位, 通过相关的基本物理常数定义其他的基本或导出单位。
     这对我们的启发是在进行单一物理量测量时,必须考虑其他物理量的影响。例如,测量长度需要考虑环境电磁场的影响, 这并不是说测量手段受到干扰, 也可能是被测物体也具有磁致伸缩的效应, 特别是温度对各种测量活动的影响更是无处不在。对于高精度的测量而言, 影响量也可能是重要的被测量。
     总结量子计量学的经典思维范式就是在测量空间时,真正需要测量的可能是时间;某些特殊情况下测量长度实质是在测量温度。在极端极限测量情况下,与待测物理量相关的其他物理量均是要求精密测量,或者某一项物理量是最大影响因素,可能的办法是先转化为测量其他物理量的问题。
转载自中国计量网

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