時間：2023-05-31 08:57:03
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇量子力學應用舉例，希望這些內容能成為您創作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
關鍵詞：量子密碼；量子加密；安全
中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2012)08-1752-02
如今，應用廣泛的密碼基本都是依靠數學計算方法來實現的――用復雜的數字串對信息進行加密。無論多么復雜的數學密鑰也可以找到規律，破解復雜的數學密碼成為計算網絡安全的重要隱患。由美國專門制定密碼算法的標準機構――美國國家標準技術研究院與美國國家安全局設計的SHA-1密碼算法，早在1994年就被推薦給美國政府和金融系統采用，是美國政府目前應用最廣泛的密碼算法。然而2005年初，山東大學王小云教授和她的研究小組宣布成功破解SHA-1，因為王小云的出現，美國國家標準與技術研究院宣布，美國政府5年內將不再使用SHA-1密碼算法。
隨著信息安全技術的發展,量子通信網絡的安全問題逐漸得到了人們的關注。1984年，Charles Bennett與Gilles Brassard利用量子力學線性疊加原理及不可克隆定理，首次提出了一個量子密鑰協議，稱為BB84協議（BB84 protocol），可以實現安全的秘密通信。1989年IBM公司的Thomas J. Walson研究中心實現了第一次量子密鑰傳輸演示實驗。這些研究成果最終從根本上解決了密鑰分配這一世界性難題。經研究發現以微觀粒子作為信息的載體，利用量子技術，可以解決許多傳統信息理論無法處理或是難以處理的問題。“量子密碼”的概念就是在這種背景下提出的。當前，量子密碼研究的核心內容就是，如何利用量子技術在量子信道上安全可靠地分配密鑰。從數學角度上講如果把握了恰當的方法任何密碼都可破譯，但與傳統密碼學不同，量子密碼學利用物理學原理保護信息。通常把“以量子為信息載體，經由量子信道傳送，在合法用戶之間建立共享密鑰的方法”，稱為量子密鑰分配（quantum key distribution, QKD），其安全性由“海森堡測不準原理”及“單量子不可復制定理”保證。2000年美國Los Alamos實驗室自由空間中使用QKD系統成功實現傳輸距離為80km。目前，量子通信已進入大規模實驗研究階段，預計不久量子通信將成為現實。
“海森堡測不準原理”是量子力學的基本原理，它表明，在同一時刻以相同的精度測定量子的位置與動量是不可能的，只能精確測定兩者之一。“單量子不可復制定理”是“海森堡測不準原理”的推論，它表明，在不知道量子狀態的情況下復制單個量子是不可能的，因為要復制單個量子就只能先作測量，而測量必然改變量子的狀態，所以說不可能。可利用量子的這些特性來解決秘密密鑰分發的難題。
1量子密碼理論
量子密碼技術應用量子力學的基本理論,包括海森伯格的測不準原理和單光子的不可分割性,從而解決了典型密碼一直無法完善處理的安全性問題。假設竊聽者可觀察到傳統信道上發送的信息，也可觀察及重發量子信道上的光子。
假設Alice要將一個比特序列m發送給Bob。她先對m中的每個比特bi隨機地選擇極化基B1或B2對其進行編碼：如果Alice對比特bi選擇極化基B1則當bi＝0時就編碼成|〉，當bi＝1時就編碼成|〉（也可以將0編碼成|〉，而將1編碼成|〉）如果Alice對比特bi選擇極化基B2，則當bi＝0時就編碼成|〉，當bi＝1時就編碼成|〉。
Alice每發送出一個光子，Bob就隨機選擇一個相應的極化基B1或B2對收到的光子進行測量。因此，對Alice發出每一個光子，Bob就根據選擇的極化基對光子的測量得到一個元（即集合｛|〉，|〉，|〉，|〉｝中的一個元）。Bob記下他的測量并保密。當Alice發送完相應于m的所有比特的光子后，Bob告訴Alice他測量每個光子的極化基。Alice則反饋Bob她發送的光子極性的正確基。他們保存使用了相同基的比特，而拋棄其他使用不同基的比特。由于使用了兩個不同的基，因此Bob所獲得的比特大約會有一半與Alice所發送的比特相同。這樣Alice與Bob就可將Bob所得到的與Alice所發送的相同的比特用作傳統密碼系統的密鑰
2量子密碼安全協議
Charles H. Bennett與Gilles Brassard 1984年發表的論文中提到的量子密碼分發協議，后來被稱為BB84協議。BB84協議是最早描述如何利用光子的偏振態來傳輸信息的。發送者Alice和接收者Bob用量子信道來傳輸量子態。如果用光子作為量子態載體，對應的量子信道可以是光纖。另外他們還需要一條公共經典信道，比如無線電或因特網。公共信道的安全性不需考慮，BB84協議在 設計時已考慮到了兩種信道都被第三方Eve竊聽的可能。
這個協議的安全性還基于量子力學的一個性質：非正交的狀態間無法通過測量被徹底的分辨。BB84協議利用兩對狀態，分別是光子偏振的兩個直線基"+"：水平偏振（0°）記作|〉，垂直偏振（90°）記作|〉；和光子偏振的兩個對角基"×"：45°偏振記作|〉，和135°偏振記作|〉。這兩對狀態互相不正交，無法被徹底的分辨。比如選擇基"+"來測量|〉，會以100%的概率得到|〉。但選擇基"+"來測量|〉，結果是隨機的，會以50%的概率得到|〉，或以50%的概率得到|〉，而原始狀態的信息丟失了。也就是說，當測量后得到狀態|〉，我們不能確定原本的狀態是|〉還是|〉，這兩個不正交的狀態無法被徹底分辨。
3量子共享密鑰舉例
假設Alice與Bob想借助量子信息建立他們的共享密鑰進行秘密通信。首先他們需要兩個信道：一個是量子信道，另一個是傳統信道。他們利用量子信道來交換從糾纏光子源泉分享出來的極化光子，利用傳統信道將通常的信息發送給對方。假設竊聽者可觀察到傳統信道上發送的信息，也可觀察及重發量子信道上的光子。
假設Alice先選定一個比特串m=0111001010發送給Bob。Alice隨機選擇極化基：
B1，B2，B1，B1，B2，B2，B1，B2，B2，B2
則她發送量子比特（即光子）給Bob：
|〉，|〉，|〉，|〉，|〉，|〉，|〉，|〉，|〉，|〉
Bob隨機選擇極化基：
B2，B2，B2，B1，B2，B1，B1，B2，B2，B1
然后對Alice發送的量子比特進行測量，并記下每次測量的結果。且Bob告訴Alice他選擇的極化基。Alice則反饋Bob他選擇的第2、4、5、7、8、9個極化基與她選擇的相同。于是：
|〉，|〉，|〉，|〉，|〉，|〉
就是Bob測量到的正確結果，它們對應的比特是：1，1，0，1，0，1。因此Alice與Bob就得到了相同的比特串110101，他們就可用此比特串作為秘密通信的密鑰。如果Alice發送一個大約112長的量子比特串給Bob，則他們就可得到一個可用于DES加密體制的56比特的密鑰。
4量子密鑰分發
一般來說，利用量子（態）進行秘密密鑰分發的過程可由下面幾個步驟組成。
1）量子傳輸：設Alice與Bob要利用量子信道建立一個共享的密鑰，則Alice隨機選取單光子脈沖的光子極化態和極化基將其發送給Bob。Bob再隨機選擇極化基進行測量，將測量到的量子比特串秘密保存。
2）數據篩選：由于傳輸過程中噪聲以及竊聽者的干擾等原因將使量子信道中的光子極化態發生改變，還有Bob的接受儀器測量的失誤等各種因素，會影響Bob測量到的量子比特串，所以必須在一定的誤差范圍內對量子數據進行篩選，以得到確定的密碼串。
3）數據糾錯：如果經數據篩選后通信雙方仍不能保證各自保存的全部數據無偏差，可對數據進行糾錯。目前比較好的方法是采用奇但凡校驗，具體做法：Alice與Bob將數據分為若干個數據區，然后逐區比較各數據區的奇偶校驗子。例如計算一個數據區的1的個數并進行比較，如果不相同，則將該數據區再強加于人發，然后再繼續上面的過程。在對某一數據區進行比較時，雙方約定放棄該數據區的最后一個比特。并且操作過程重復多次，可在很大程度上減少竊聽者所獲得的密鑰信息量。量子信息論的研究表明這樣做可使竊聽者所獲得的信息量按指數級減少。雖然數據糾錯減少了密鑰的信息量，但保證了密鑰的安全性。
綜上所述，隨著科技的進步，信息交換手段越來越先進，速度也越來越快，信息的內容和形式越來越豐富，信息的規模也越來越大。由于信息量的集聚增加，保密需求也從軍事、政治和外交領域擴展到民用和商用。量子密碼學正在逐步滲透到通信、電子政務、金融系統乃至航天科技。我國是國際上最早從事量子密碼技術研究的國家之一，20多年來，我國密碼科技工作者在蕪湖“量子政務網”等多個項目中取得優異成績，我們正在逐步邁進量子信息時代。
參考文獻：
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關鍵詞：物理知識思維方法物理實驗物理學家物理學史學習生活
物理起源于自然哲學，經過幾百年的發展，給人們的生產、生活、思想觀念等方面帶來了翻天覆地的變化，為國家的軍事、國防立下了汗馬功勞。就中學生個體而言，物理的哲學意義和應用價值暫且不說，一個最直接最實用的好處是：學習物理也是學習生活。就物理老師而言，教學生學習物理也是教學生學會生活。
一、物理知識本身充滿生活道理
1、力的合成說：大小一定的兩個力合成，合力隨兩力夾角的增大而減小，就像兩個人，分歧（夾角）越大，合力就越小，合力可能大于、小于或等于任一個分力。所以生活中我們需要團結合作，大家心往一處想，勁兒往一處使，萬眾一心，眾志成城。
2、牛頓第三定律說：物體間力的作用是相互的。你怎樣對待別人，別人就怎樣對待你，小到一個班集體，大到一個社會，我為人人，人人為我。
3、做功的兩個必要條件：（1）力，（2）在力的方向上通過的位移。切記不要只會心存幻想而不努力，導致“不勞無功”；做事也要注意正確的方向，不可漫無目的，導致“勞而無功”。
4、能量守恒定律說能量是守恒的。人的精力（時間）也是一定的：集中精力做好自己生命中的大事情，才容易成功，三心二意，終究一事無成。
5、楞次定律說：感應電流的磁場總是阻礙原磁場的變化，增反減同。正如：天之道，損有余而補不足。
6、機械效率說：多好的機器也達不到100%。那生活中的我們應該積極追求進步，但不要求十全十美。
講課之余，順口聯系一點兒生活哲理，物理知識因聯系生活而變得溫暖、清晰、易記，生活道理因聯系物理而變得親切、深刻、實際。師愛生之情盡在其中，生愛理之日不遠矣。
二、物理思維方法讓學生善于分析
1、力學的受力分析中有整體法和隔離法，一個把握全局，整體來看，一個把握細節，精細分析，二者往往綜合運用，轉換不同角度考慮問題。長期訓練下來，學生思維敏捷、清晰，既有大局觀，又能精細思考，思維品質會大大提高。
2、逆向思維。不管在具體解題中，還是在科學研究中，逆向思維常常帶來便利或新的突破：電生磁，磁生電，電與磁相互激發而產生電磁波。生活中，學會逆向思維，既是解決問題的一種思維，也是一種換位思考。
3、物理要求學生說話要有根據、說理要符合邏輯。比如講一個曲線運動的方向，先舉例猜測，再實驗驗證，最后理論分析。從生活感知到實驗顯示再到理論分析，教我們的學生不要盲從，要有自己的判斷力，講道理要符合邏輯。
4、物理是思維的體操，力學要受力分析，電學有電路分析，光學有光路分析，經常分析來分析去，給學生留下一個善于分析思考的大腦。
方法比知識更重要，讓學生掌握方法，學會分析推理，達到活學活用，比題海戰術高效得多、長遠得多、高明得多！
三、物理緊抓本質讓學生著眼根本
物理求真，透過紛繁的表象，追根朔源，究其本質。物理知識系統，環環相扣，一旦抓住根本，分析推理開來，很多問題變得迎刃而解。比如牛頓力學，其全部根基就是牛頓三定律，最多再加上一個能量守恒定律，在此基礎上用數學知識可以推出整個中學力學的全部，這會讓學生感覺學物理是如此簡單、輕松自在，大有一覽眾山小的驕傲：物理是所有科里最簡單的一門課，物理老師是所有老師中最輕松的老師！
當學生體驗到回歸根本、回歸本真的魅力，當學生體驗到分清主次、分清輕重緩急的從容自在，他的生活境界、生活能力將高出一兩個檔次。
四、物理實驗讓學生心靈手巧
物理是一門以實驗為基礎的科學。通過實驗操作，鍛煉了學生的動手操作能力，當他在生活中需要學習某種新技能時，他學習操作的速度會比別人快得多，他會因自己的學習能力而更有積極進取的底氣。實驗過程使他們善于觀察、善于思考。實驗事實讓他們實事求是、尊重事實，他們會形成一種習慣：判斷正確與否主要不是看誰更“權威”，也不是誰說的似乎“有理”，而是看誰的意見與事實一致。實踐是檢驗真理的唯一標準！怪不得國外有專家十分尖銳地指出：沒有物理修養的民族是愚蠢的民族！
放棄急功近利吧！物理教師首先就要轉變那種空口講實驗的做法！盡可能多做演示實驗、多開分組實驗、多增添小實驗，多鼓勵創新實驗。磨刀不誤砍柴工，這樣培養出來的才是愛學習愛生活、會學習會生活的優等生，成績自不在話下。
五、物理學家樹立了光輝榜樣
“牛氣沖天”的牛頓學習非常刻苦勤奮，他認為：先天的天賦很重要，但后天的勤奮、努力更重要！
愛因斯坦生活簡樸、不拘小節。沒出名時，朋友勸他換掉身上的舊大衣，他笑著說：“這沒有什么關系，在紐約，誰也不認識我。”幾年后愛因斯坦成了著名的科學家，朋友勸他換件新大衣，愛因斯坦幽默地說：有這個必要嗎？在這里，大家都認識我！”
而牛頓、愛因斯坦、居里夫人……哪一位不是淡泊名利、精神專注的典范：居里夫人小時候，不管周圍怎么吵鬧，都分散不了她的注意力，姐姐和同學悄悄地在她身后搭起幾張凳子，只要她一動，凳子就會倒下來。時間一分一秒地過去了，她讀完了一本書，凳子仍然豎在那兒。
幾句話講個小故事吧。會講故事的老師是最受歡迎的老師，會講故事的老師是最會打動人的老師，會講故事的老師是深諳教書育人的老師。
六、物理學史讓學生學習自我超越
關鍵詞：納米涂層；場發射；電子強關聯；軟凝聚態物質
2003年在國際和中國都發生了具有突發性的災難事件，但中國的GDP仍以9.1％的高速度在增長，達到了人民幣11.6萬億元，其中第二產業貢獻4萬多億元。中國現今的第二產業主要領域是冶金、制造和信息，在世界的地位是大加工廠，也是大市場。在國際競爭中所以有優勢是中國的勞動力廉價，這個優勢我們能保持多久?我們還注意到與化工有關的產品中，我們的生產效率是國際發達國家的5％，能耗是3倍，環境的破壞是9倍。這就是我們所付出的代價。不論形勢如何嚴峻，21世紀是中華民族振興的機遇期，制造業絕對是一個極其重要的領域，是個急速發展變化的領域。2003年3月國際真空學會執委會在北京舉行，會議上討論了將原來的冶金專委會改名為“表面工程專委會”，當時也考慮了另一個名字“涂層專委會”，我想用涂層材料更合適，含有繼承性和變革性。20世紀70年代曾經說成是塑料年代，此后塑料科技和工業迅速崛起，極大地改變了人類社會。繼而是信息時代，通信網、計算機網、萬維網、智能網，信息流，日新月異地改變著人類的生活和觀念。我們這個時代是高速發展的時代，技術和觀念都在與時俱進地改變著。
本世紀初興起了納米科技，促進其到來的是由于微電子小型化的發展趨勢，推動科技發展進入納米時代[1]，不僅電子學將進入納電子學領域，物理學進入介觀物理領域，各類科技，包括生物醫學等都在探索納米結構與特性。涂層和表面改性越來越多地增加了納米科技的內容，這是一種低維材料的制造和加工科技，將是制造技術的主流，將迅速地改變傳統制造技術的方法、理論和觀念，作為現今國際上的制造大國，世界加工廠，我們更應該注意研究制造技術的發展和未來。
1突破傳統制造技術的觀念
納米科技研究的內容主要是在原子、分子尺度上構造材料和器件，測量表征其結構和特性，探索、發現新現象、新規律和應用領域。與我們熟悉傳統的相比，納米材料和器件具有顯著的維數效應和尺寸效應。近幾年來，在納米材料制造方面做了大量的研究工作，在納米粒子粉材的制造，以及材料結構和特性測量、表征上取得了顯著成果[2～7]。接下來深入到納米線、納米管和納米帶的研究[8～14]，出現了一些成功有效的制造方法，發現了一些驚人的結構和特性。在此基礎上，發展了納米復合材料的研究，展現了非常有希望的應用前景[15～17]。近來人們在納米科技初期成果的基礎上挑戰某些產品的傳統加工技術，比如Al組件的快速加工。
T.B.Sercombe等人報道了快速加工鋁(Al)組件的新方法[18]，這個方法的主要特征是用快速成型技術先形成樹脂鍵合件，然后在氮氣氛中分解其鍵和第二次滲入鋁合金。在熱處理過程中，鋁與氮反應形成氮化鋁骨架，在滲透過程中得到剛體結構。與傳統制造工藝相比，這個過程是簡單的快速的，可以制造任何復雜組件，包括聚合物、陶瓷、金屬。圖1是過程示意和原型樣品，(a)是尼龍巾鑲嵌鋁粒子的SEM像，中心有結構細節的是Mg粒子，白色是Al粒子，加入少量的Mg是為還原氧化鋁，它將不是鑄件中的成分。在尼龍被燒去時，這個結構基本保持不變。(b)是氮化物骨架，圍繞Al粒子的一些環狀結構的光學顯微鏡像，再滲入Al時將形成密實結構。(c)是燒結的氮化鋁和滲鋁組件，小柱的厚為0.5mm其密度和強度都達到了傳統鑄造技術的水平。他們還制作了公斤重量多種結構的樣品。這是一種冶金技術的探索，開辟了一種新的冶金和制造技術途徑。
2納米材料的完美定律
描述材料結構的常用術語是原子結構和電子結構。原子結構的主要參量是晶格常數、鍵長、鍵角；電子結構的主要參量是能帶、量子態、分布函數。對于我們熟悉的宏觀體系，這些參量多是確定的常數，但對于納米體系，多數參量隨著原子數量的改變而變化。這是納米材料和器件的典型特征，它決定了納米材料的多樣性。其中有個重要規律，我們稱之為納米材料的完美定律，用簡單語言表述：“存在是完美的，完美的才能存在”。它包括了納米晶粒的魔數規則，即含有13、55、147…等數量原子的原子團是穩定的，對于富勒烯碳60和碳70存在的幾率最大，而對于碳59或碳71等結構體系根本不存在。這就是為什么斯莫利(Smmolley)他們當初能在大量的富勒烯中首先發現碳60和碳70，從而獲得了諾貝爾獎。對于一維納米結構，包括納米管和納米線，存在類似的規則。可以模型上認為是由殼層構成的，每個殼層中更精細的結構稱為股，每一股是一條原子鏈，中心為1股包裹殼層為7股的表示為7-1結構，再外殼層為11股的，表示為11-7-1結構，等等，構成最穩定的結構，這是一維納米結構的魔數規則。對二維納米膜存在類似的缺陷熔化規則，即不容許存在很多缺陷，一旦超過臨界值，缺陷自發產生，完全破壞二維晶態結構。上述這些低維結構特征是完美定律的具體表述，進步普遍表述理論是正在研究中的課題。
完美定律是我們討論涂層材料的出發點，因為納米材料有更多的人造品格，是大自然很少存在或者不存在的，需要人工大量制造。在制造過程中，方法簡單、產額高、成本低是最有競爭力的。可以想象，制造成本很高的材料和器件能有市場，一定是不計成本的特殊需要，有政治背景或短期的社會需求。因此在我們探索納米材料制造時，首先考慮的應是滿足完美定律的技術，如用甲烷電弧法制備納米金剛石粉技術[1]，電化學沉積法制備金屬納米線陣列技術[19]，以及電爐燒結法制造氧化物納米帶技術[20]等等。
3涂層納米材料將給我們帶來什么?
涂層納米材料是納米科技領域具有代表的材料，或是低維納米材料的有序堆積結構，或者是低維納米材料填充的復合結構。兩者都比傳統材料有驚人的結構和特性。如新型高效光電池[21]、各向異性結構材料[19]、新型面光源材料[22]等，這里舉例介紹基于熱電效應的新型納米熱電變換材料。
熱電效應器件的代表是熱電偶，即利用不同導體接觸的溫差電現象進行溫度測量的器件。基于熱電效應可以制成兩類器件：熱產生電和電產生溫差。前者可以用于制造焦電器件，即用熱直接發電，如將焦電材料涂于內燃機缸表面，利用缸體溫度高于環境幾百度的溫差發電，將余熱變作電能回收。后者可以做成電致冷器件。這類的直接熱電變換器件具有無污染，沒有活動部件，長壽命，高可靠性等優點，但塊體材料制成器件的效率低，限制了它的應用。納米科技興起以后，人們探索利用納米晶或納米線結構能否解決熱電效應的效率問題。認為用量子點超晶格材料有希望顯著提高熱電器件的效率，這是由于納米材料顯著的能級分裂，有利于載流子的共振輸運和降低晶格熱傳導，從而提高了器件的效率。T.C.Harman等人[23]報告了量子點超晶格結構的熱-電效應器件，他們制備了PbSeTe／PbTe量子點超晶格(QDSL)結構，用其制造了熱電器件(Thermo-electrics，TE)，圖2(a)是納米超晶格TE致冷器件的結構和電路圖，(b)電流-溫度曲線。將TE超晶格材料，其寬11mm，長5mm，厚0.104mm，n-型的TE片，一端置于熱槽，另一端置于冷槽，為了減小冷槽熱傳導而形成這同結接觸，用一根細金屬線與熱槽連接。當如圖2(a)所示加電流源時，將致冷降溫。對于這種納米線超晶格結構，由于量子限制效應，發生間隔很大的能級分裂，從而得到很高的熱電轉換效率。圖2(b)是TE器件的電流-溫度曲線，實驗點標明為熱與冷端溫差(T)與電流(I)關系，電流坐標表示相應通過器件的電流。■為熱端溫度Th與電流I的關系，其溫度對于流過器件的電流不敏感。為冷端溫度Tc與電流I的關系，其溫度對于電流是敏感的。圖中A是測得的最大溫差，43.7K，B是塊體(Bi，Sb)2(Se，Te)3固溶合金TE材料最大溫差，30.8K。從圖中可以看出，在較大電流時，冷端溫度趨于飽和。采用這種致冷器件由室溫降至一般冰箱的冷凍溫度是可能的。
電熱效應的逆過程的應用就是焦電器件，即利用熱源與環境的溫差發電。對于內燃機、鍋爐、致冷器高溫熱端等設備的熱壁，涂上超晶格納米結構涂層，利用剩余熱能發電，將是人們利用納米材料和組裝技術研究的重要課題。
類似面致冷、取暖，面光源，面環境監測等涂層功能材料，將給家電產業帶來革命性的影響，將會極大地改變人類的生活方式和觀念。
4含鐵碳納米管薄膜場發射
碳納米管陣列或含碳納米管涂層場發射被廣泛研究，以其為場發射陰極做成了平板顯示器。研究結果表明碳管的前端有較強的場發射能力，因此碳管涂層膜中多數碳管是平放在基底上的，場電子發射能力很差。我們制備了含有鐵(Fe)納米粒子的碳納米管，它的側向有更大的場發射能力，有利于用涂層法制造平板場發射陰極。圖3(a)是含鐵粒子碳納米的TEM像，碳管外形發生顯著改變。(b)是碳管場發射I-V特性曲線，I是CVD生長的豎直排列碳納米管的場發射曲線，II是含鐵粒子碳納米管豎直陣列的場發射曲線，III是含粒子碳納米管躺在基底上的場發射曲線，有最強的場發射能力。根據此結果，將含鐵的碳納米管用作涂層場發射陰極，有利于研制平板顯示器。
5電子強關聯體系和軟凝聚態物質
上面所講到的涂層納米功能材料和器件是當今國際上研究的熱門課題，會很快取得重要成果，甚至有新產品進入市場。當我們在討論這個納米科技中的重要方向時，不能不考慮更深層的理論問題和更長遠的發展前景。這就涉及到物理學的重要理論問題，即電子強關聯體系(electronstrongcorrelationsystem)與軟凝聚態物質(softcondensationmatter)。
在量子力學出現之前，金屬材料電導的來源是個謎，20世紀初量子力學誕生后，解決了金屬導電問題。基于Bloch假設：晶體中原子的外層電子，適應晶格周期調整它們的波長，在整個晶體中傳播；電子-電子間沒有相互作用。這是量子力學的簡化模型，沒有考慮電子間的相互作用，特別是在局域態電子的強相互作用。2003年又有人提出了金屬導電問題，Phillips和他的同事以“難以琢磨的Bose金屬”為題重新討論了金屬導電問題[24]。當計入電子間的相互作用時，可能產生的多體態，超導和巨磁阻就是這種狀態。晶體中的缺陷破壞了完善導體，導致電子局域化。電子與核作用的等效結果表現為電子間的吸引作用，導致電荷載流子為Cooper對。但這個對的形成，不是超導的充分條件。當所有Cooper對都成為單量子態時，才能觀察到超導性。這樣，對于費米子由于包利(Paulii)不相容原則，不可能產生宏觀上的單量子態。Cooper對的旋轉半徑小于通常兩個電子相互作用的空間，成為Bose子。宏觀上呈現單量子態，Bose子的相干防止了局域量子化。在局域化電子范圍內，超導性可能認為是玻色-愛因斯坦凝聚，這個觀點現今被很多人接受。從20世紀初至今，對于基本粒子的量子統計有兩種，一是Fermi統計，遵從Paulii不相容原理，即每個能量量子態上只能容納自旋不同的2個電子，而Bose子則不受這個限制。在凝聚態物質中有兩個基態：即共有化Bose子呈現超導態，局域化Bose子呈現絕緣態。然而，在幾個薄合金膜的實驗中，觀察到金屬相，破壞了超導體和絕緣體之間直接轉換。經分析認為這是玻色金屬態，參與導電的是Bose子。推斷這個金屬相可能是渦流玻璃態，這個現象在銅氧化物超導體中得到了驗證。
軟凝聚態物質研究的對象是原子、分子間不僅存在短程作用力，而且存在長程作用力，表觀上呈現的粘稠物質形態，稱為軟凝聚態。至今，人類對于晶體和原子存在強相互作用的固體已經知道得相當透徹了，但對軟凝聚態的很多科學問題還沒有深入研究，21世紀以來，引起了科學家的極大興趣。軟凝聚態物質包括流體、離子液體、復合流體、液晶、固體電解、離子導體、有機粘稠體、有機柔性材料、有機復合體，以及生物活體功能材料等。這其中的液晶由于在顯示器件上的很大市場需求，是被研究得相當清楚的一種。其他軟凝聚態結構和特性的科學問題和應用前景是目前被關注的研究課題。這其中主要有：微流體閥和泵、納米模板、納米陣列透鏡、有機半導體、有機陶瓷、流體類導體、表面敏感材料、親水疏水表面、有機晶體、生物材料(人造骨和牙齒)、柔性集成器件，以及他們的復合，統稱為分子調控材料(materialsofmolecularmanipulation)。其主要特征是原子結構的多變性和柔性，研究材料的設計、制造、結構和特性的測量、表征，追求特殊功能；理論上探討原子結構的穩定體系，光、電、熱、機械特性，以及載流子及其輸運。關于軟凝聚態物質，有些早已為人類所用，電解液、液晶等，但對其理論研究處于初期階段。科學的發展和應用的需求促進深入的理論研究，判斷體系穩定存在的依據是自由能最小，體系自由能可表示為F=E-TS，其中S是熵。對于軟凝聚態物質體系，S是重要參量。其中更多的缺陷，原子、分子運動的復雜行為，更多的電子強關聯，不再是單粒子統計所能描述，需要研究粒子間存在相互作用的統計理論。多樣性是這個體系的突出特征，因此其理論涉及廣泛、復雜問題。
物理學是探索物態結構與特性的基礎學科，是認識自然和發展科技的基礎，其中以原子間有較強作用的稠密物質體系為主要研究對象的凝聚態物理近些年有了迅速進展，研究范圍不斷擴大，從固體結構、相變、光電磁特性擴展到液晶、復雜流體、聚合物和生物體結構等。幾乎每一二十年就有新物質狀態被發現，促進了人類對自然的認識和對其規律把握能力，推動了科學和技術的發展。21世紀仍有一些老的科學問題需要深入研究，一些新科學問題已提到人們的面前。特別是低維量子限域體系和極端條件下的基本物理問題。20世紀80年代出現的介觀物理，后來發展成為納米科技所涉及的學科領域。與宏觀體系和原子體系相比，低維量子限域體系，還有很多物理問題有待解決，人們熟悉的宏觀體系得到的規則和結論有些不再有效，適用于低維量子限域體系的處理方法和理論需要探索，特別是將涉及到多層次多系統問題的描述和表征，將會有更多的新現象、新效應、新規律被發現。在納米尺度，研究原子、分子組裝、測量、表征，涉及有機材料、無機／有機復合材料和生物材料，這將大大的擴展了物理學研究的范圍和深度。涉及的重大科學前沿問題和重點發展方向有①強關聯和軟凝聚態物質，及其他新奇特性凝聚態物質；②低維量子限域體系的結構和量子特性，包括納米尺度功能材料和器件結構和特性；③粒子物理，描述物質微觀結構和基本相互作用的粒子物理標準模型和有關問題，以及復雜系統物理；④極端條件下的物理問題，探索高能過程、核結構、等離子體、新物理現象和核物質新形態等；⑤生命活動中的物理問題，物理學的基本規律、概念、技術引入生命科學中，研究生物大分子體系特征、DNA、蛋白質結構和功能等，其研究關鍵將在于定量化和系統性，必然是多學科的交叉發展，成為未來科學的重要領域。
6結論
本文討論了納米線涂層的結構和特性，重點是納米線的復合涂層和其電學特性、光電特性。其中包括制造技術新觀念，納米材料的完美定律，納米涂層的熱-電效應，碳納米管的側向場發射，以及電子強關聯體系和軟凝聚態物質，展示了涂層科學與技術的發展前景。
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關鍵詞：熱脹冷縮；應用；發展前景
中圖分類號：G63 文獻標識碼：A 文章編號：1673-9132（2017）01-0236-02
DOI：10.16657/ki.issn1673-9132.2017.01.144
物理中的熱脹冷縮，是物體的一種基本性質，大多數物體都有這種性質，在遇熱后膨脹，在遇冷后縮小。那么，物體為什么會有這樣的性質呢？科學技術高速發展，對這個原理的研究不斷深入。
科學研究表明：物體受熱時，物體的分子動能增強，分子變得活躍，所以表現為膨脹；物體受冷時，物體的分子動能減弱，分子受到抑制，所以表現為冷縮。由于受到物體內部分子的復雜性影響，這種熱脹冷縮的性質也有例外。例如，水在4℃以上會熱脹冷縮，而在4℃以下就會冷脹熱縮，這是因為水中的氫鍵在4℃以下時會隨著水溫的下降而增多，所以水在4℃以下就會呈現出膨脹的狀態。除了水，還有銻、鉍、鎵和青銅等物質，也會有這種不同于大多數物質的特性。
再繼續研究下去，為什么物體溫度發生變化時，物體分子的動能就要受到影響并發生相應的變化呢？于是，科學進一步發現，是原子內部的一種加速運動，促成了物體的這種熱脹冷縮的性質。當原子受熱后，原子核的自旋和外層電子的公轉就會相應地受到溫度的激發，就會引起原子內部的離心力和電場力的相應變化，于是核內的質子和中子以及核外的電子就會呈現出粒子運動的加速狀態。這種狀態體現在物質的表面，就是熱脹冷縮這種自然現象。
科學研究的目的是為了實際生活中的應用，或者反過來說，實際生活中的多種實踐活動也促進了科學研究的進步。
一、熱脹冷縮在日常生活中的基本運用
例如，日常生活中剝雞蛋這樣一件小事，人們就應用了熱脹冷縮的原理。雞蛋剛剛煮好的時候，如果急于剝殼，蛋殼上就會粘連著很多蛋白。這個時候，如果把剛出鍋的熱雞蛋放到冷水里浸一下，再剝蛋殼就容易得多了。
這里面的道理很簡單，就是蛋殼和蛋白是由不同的物質組成的，不同的物質內部當然有不同的原子，不同原子受到溫度激發后內部的加速運動也是不同的，所以熱脹冷縮的速度和幅度也是不同的。一般情況下：密度大的物質伸縮性小，密度小的物質伸縮性大；傳熱慢的物質不易伸縮，傳熱快的物質容易伸縮。因為蛋殼與蛋白的伸縮步調不一致，就造成了蛋殼與蛋白的分離。
在生活中，這樣利用熱脹冷縮的現象很常見。如小學生用開水燙圓被擠凹的乒乓球，就是一個非常有趣的例子。
二、熱脹冷縮在工業生產實踐中的重要影響
在人們的生產生活實踐中，熱脹冷縮對工業影響最大。比如，鋪設火車的軌道，在兩截鐵軌之間，要留出熱脹冷縮的接縫。再如，如果一種產品是由兩種材料混合生產而成，就要考慮這兩種材料的熱脹冷縮性質，一般情況下是越接近越好。
熱膨脹系數是各種材料主要性能指標中的一個重要參數，如金屬材料的熱膨脹系數、混凝土的熱膨脹系數等。在生產和施工中，都要充分考慮這一因素以保證產品和工程的質量。例如，在建筑行業中，混凝土的熱膨脹系數直接關系著工程的質量。
舉例來講，現在的建筑大多是鋼筋混凝土結構。在這種結構中，鋼筋主要承受拉力，混凝土主要承受壓力，不僅比鋼結構節省鋼材以及成本相對較低，而且具有堅固、耐久的特點，更重要的是還具有防火性能好的優點。一旦遭遇火災，因為鋼筋和混凝土的熱膨脹系數不同，鋼筋急劇膨脹就會掙脫混凝土，使混凝土和鋼筋徹底分離，從而使建筑物徹底損毀。如在震驚世界的911事件中，美國世貿大樓雙子座的損毀就是一個很好的例子。但是，普通的火災一般沒有恐怖襲擊中那么高能的熱源，所以熱膨脹系數低的混凝土作為不良導熱體，就會保護里面的鋼筋不會立即受到高溫的威脅。這樣，在無形之中就增強了建筑物內部所有鋼筋互相作用支撐的時間，增強了建筑物承受火災的能力，也為消防員的營救爭取了寶貴的時間。
三、熱脹冷縮在現代高科技時代的發展前景
在現今的高科技時代，物體熱脹冷縮這一性能，正在呈現出高科技的新態勢。科學技術的高度發展，像微電子這樣高科技和結合信息產業的核心技術，給自動化帶來了跨時代的改變。一方面對材料的熱膨脹性能提出了更高的要求，另一方面對熱膨脹的利用也不斷出現新的突破，并呈現出更加廣闊的發展趨勢。
（一）新的高科技材料為航空航天的發展提供了重要的保證
航空航天的發展，最先對工業材料發起了挑戰，像衛星整流罩、太陽能電池陣基板這一類的高科技產品，必然對材料科學提出更高的要求。航空航天領域的材料，不但要求耐腐蝕、耐高溫、耐輻射，而且要求密度小、剛性好、強度高、尺寸穩定。針對這些高科技的需要，先進復合材料得到了大幅度的發展。通過石墨纖維與樹脂的復合，可以得到熱膨脹系數幾乎等于零的材料。可以說，這是人類對熱脹冷縮這一物理性能的挑戰，通過科學徹底改變了物體的性能。
（二）新的自動化裝置將幫助人們解決更多的實際問題
微電子技術的高速發展，也促進了電器元件的開發和創新。比如，有些電器元件由兩種熱膨脹系數相差很大的材料構成，然后利用熱脹冷縮的原理，通過熱膨脹系數大的材料的彎曲變形，達到在某種條件下自動連接的目的。正是應用熱脹冷縮這種性能，制成了多種自動化裝置和儀表。日光燈的啟動器就是根據這一原理制成的。啟動器里有精巧的雙金屬片，它們能夠隨著溫度的改變自動屈伸，開啟日光燈。
（三）隨著科學技術的不斷發展物體的熱膨脹性能將發揮更大的作用
可以設想一下，人類既然能夠通過材料復合使材料的熱膨脹系數基本上等于零，那么也就可以說，人類的科學手段已經能夠掌握對熱膨脹系數的控制。因此，展望未來，人類很有可能通過控制熱膨脹系數，制造出更多自動化的裝置和設備，人類社會的現代化大大地向前推進。
馬克思說過：“科學就是實驗的科學，科學就在于用理性的方法去整理感性的材料。”物理作為一門實用科學，它要求人們既忠于現實需要，又忠于科學規律。世界發展到今天，人類已經創造了很多驚人的奇跡，如克隆技術、網絡技術、核能技術、航天技術等，科學正在以前所未有的速度向前發展。從亞里士多德創立自然科學，到牛頓在力學上的重大推進，再到現代物理學中量子力學的產生，都體現了物理學在人類生活的各個領域的重要作用。同樣，熱脹冷縮這一物體最基本的性能，也將在科學發展中不斷被研究、開發和利用。
參考文獻：
【關鍵詞】數學復習課；數學素養；數學文化
【中圖分類號】G633.6 【文獻標志碼】A 【文章編號】1005-6009（2016）38-0038-03
【作者簡介】趙士元，江蘇省蘇州市吳中區教育局（江蘇蘇州，215007）教研室主任，中國教育學會會員，江蘇省教育學會考試專業委員會會員。
一般的觀點認為：數學復習與數學素養的培養似乎沒有必然的聯系，作為復習的數學教學其最終目的是提高學生的解題能力從而進一步提高學生的應試能力，而作為思想領域的數學素養其主要目的是培養人的思維品質。目前盡管各地教學行政機構都在反思“應試”給教育帶來的種種不利因素，也正在努力通過各種途徑減少“應試”對教育帶來的負面影響，但中國幾千年的科舉制度決定了考試制度存在的必要性。更何況就目前的機制來看，高考是最公平、最值得老百姓信任的人才選拔機制。有考試，應試就在所難免，我們所要做的不是如何去批判“應試教育”，我們要做的是對應試教育進行反思剖析，從應試教育中尋找有利和不利于我國目前教育的因素，從而做到科學地進行應試教育，本文試圖就在數學復習課中如何滲透數學素養的培養作一探討。
一、認識數學應用的廣泛性，提升學生數學欲望
什么是數學？一般認為，數學是研究數量、結構、變化以及空間模型等概念的一門學科，它有三個基本特性：思維的抽象性、邏輯的嚴密性和應用的廣泛性。我們發現，在平時的教學實踐中教師強調的更多的是思維的抽象性和邏輯的嚴密性，伴隨著教育評價機制的局限性、教學的急功近利、各級主管部門的應試指標，大題量的數學訓練讓我們的學生“聞數喪膽”。由于在平時的教學實踐中忽視了它的第三大特性“廣泛的應用性”，讓很多學生對數學學習必要性的認識很模糊。他們認為學習數學僅僅只是為了讓高考總分有個突破，于是一種被迫學習的陰影深深扎根在學生的心里，出現的結局是：教師急功近利、被動地教、學生被動地學，表面上教師教過了的題目學生知道了，但其中隱藏的豐富的數學思想卻往往被教師一帶而過，知識在學生頭腦中的保有時間非常有限。于是，在高考復習中我們經常會發現部分教師感嘆：一方面講過了的知識學生沒記住，另一方面學生又會亂七八糟地“創造”出一大堆似是而非或者根本不對的“知識”，復習陷入了“惡性循環”。
出現這種狀況，我認為問題不完全在高三，而在基礎年級的教學。要改變這種狀況，首先應該通過生動具體的實例讓學生明白數學無處不在，讓學生明白學好數學是現代人的一項基本技能而不只是為了高考，在平時的教學過程中可視教材的具體內容，適時滲透數學史知識和數學在當今社會發展中的作用，讓學生了解時展到今天，數學的應用已相當廣泛。
從歷史來看，數學最早應用于食物、牲畜、工具以及其他生活用品的分配與交換，房屋、倉庫的建造，丈量土地、興修水利、編制歷法等。隨著數學的發展和人類的進步，數學的應用逐漸擴展和深入到更一般的技術和科學領域，“數字地球”的構想已逐漸成為事實，數學已被應用到氣象、海洋、地震、遙感、資源探測、環境、生態等各個領域。二十世紀，隨著CT的問世和人類對DNA的關注，“數學生物學”也產生了，它幫助人們更加清晰地了解生命與智力。二十一世紀進入了“大數據時代”，數學在人類生活中的作用進一步得到了凸顯。
我們的課堂教學如果能注意滲透各種有用的數學史知識，同時讓學生及時了解最新數學動態，那么學生學習數學的興趣必定會越來越濃，學生不會再認為學數學只是為了在高考中取得高分，而是一項實實在在的技能。這時我們的學生會自覺地將這種學習的動力內化為學習的需求，只有當學生的學習達到了這樣的境界時，學生的數學素養才能得到有效的提升，課堂教學才會真正地提高效率。
二、善用數學語言，強化學生的思維轉換
數學，可以說是一門符號性的學科，大量的數學公式、數學定理都是通過一種符號性的語言來表現的，因此在數學課堂里應善于應用符號語言來描述數學定理。受中學生年齡層次和抽象概括能力的限制，在使用符號語言時，應注意學生知識的前后連接，充分利用“通俗語言”“符號語言”與“圖形語言”三種語言的相互轉化，幫助學生理解抽象的數學定理和數學公式以及一些重要的數學性質。當然，這樣的要求未必能在新授課時就達到，但數學復習課作為一種對新授課的補充和鞏固的課型，就理應能達到。比如在復習立體幾何中的定理時應讓學生從相對復雜的圖形中提煉出定理的特征圖形，同時能用自己的語言表述定理的條件和結論，其最關鍵的是要讓學生能結合圖形用特定的數學符號描述出定理的內容，這既是應試的需要更是未來社會對人才概括能力的需求。
不少自然科學家、特別是理論物理學家都對數學的語言功能有過明確的論斷。著名物理學家玻爾（N. H. D. Bohr）就曾指出：“數學不應該被看成是以經驗的積累為基礎的一種特殊的知識分支，而應該被看成是普通語言的一種精確化，這種精確化給普通語言補充了適當的工具來表示一些關系，對這些關系來說普通字句是不精確的或過于糾纏的。嚴格說來，量子力學和量子電動力學的數學形式系統，只不過給推導關于觀測的預期結果提供了計算法則。”愛因斯坦（A. Einstein）更是通過與藝術語言的比較專門論述了數學的語言性質，他寫道：“人們總想以最適當的方式來畫出一幅簡化的和易領悟的世界圖像；于是他就試圖用他的這種世界體系來代替經驗的世界，并來征服它。這就是畫家、詩人、思辨哲學家和自然科學家所做的，他們都按照自己的方式去做……理論物理學家的世界圖象在所有這些可能的圖象中占有什么地位呢？它在描述各種關系時要求盡可能達到最高標準的嚴格精確性，這樣的標準只有用數學語言才能做到。”（《愛因斯坦文集》第一卷）由此可見，我們必須在平時的復習教學過程中充分注意學生數學語言的應用，注重生活語言和數學語言的相互轉換，惟有如此，學生的數學素養才能得到有效的提升。
三、滲透數學文化，讓學生體會數學文化價值
數學是人類生活的工具，數學是研究數量關系和空間形式的科學，數學與人類生活和社會發展緊密關聯。華東師范大學張奠宙教授也說過：“數學文化必須走進數學課堂。”數學作為一種文化，它具有比數學知識體系更為豐富和深邃的文化內涵，它的內容、思想、方法和語言在日常生活和科學技術及其他學科中都有廣泛的應用。可是，在平時的課堂觀察中我們不難發現，由于應試教育的需要，“重結論輕過程，重知識輕文化”的現象非常普遍。三年高中讀下來，學生能夠熟練地解決一些數學難題，但對數學最基本的思想方法卻不夠熟悉，更不用說數學素養的提升。
“高分低能”也絕非危言聳聽，學生不善于用“不完全歸納”的思想尋求一般結論，只會死死地抓住教師教給他們的“通性通法”。舉例來說，在平時的應用題教學過程中，有些教師過分注重題型的歸納，不注意學生審題和數學思維的培養，忽視教會學生用數學的思維看待現實問題，于是在學生中造成了“談應用題色變”的現象。
曾有一位數學家提出：“讓學生用數學家的眼光來看世界”。這意味著學生要學會用數學家的眼光去看實際生活中所用的數學，也要用同樣的眼光去看待正在學習的數學。而教會學生“用數學家的眼光觀察世界，用數學家的思維分析世界，用數學家的語言表達世界”正是數學教學的一個主要任務，數學教學只有真正落實了這一點，學生的學習熱情才能得到激活，學生的數學素養才能得以提升。
在數學復習課中還有許多地方可以讓學生深入地體會數學文化價值。例如，用數學語言來體會數學文化的韻味，用數學的規律來體會數學文化的美，用數學與文學之間關系，用數學的宏觀和微觀的認識來體會數學文化中的哲學思想等。在教學中我們可以通過提供相關文化背景、創建文化氛圍、挖掘文化內涵，讓學生真正地體會到數學的教育功能，加強數學文化的感染力和滲透力，從而真正提升學生的數學素養。
四、滲透數學思想，提升課堂復習質量
素質教育也罷，應試教育也罷，歸根到底是要大面積地提高課堂教學質量。何為質量？是分數，還是學生未來發展的能力？教育部前部長袁貴仁在2016年全國教育工作會議上提出，“要全面提升學生的成長成才能力、社會貢獻力和國際競爭力”，而“三力”的提升離不開必要的基礎，即分數。我們認為分數與能力并不是對立的兩個方面，關鍵是我們如何平衡。
考試是目前最公平、最公正的一種人才選拔形式，既然有考試就必然會有分數。筆者個人認為，一個考分很低的學生不會有很強的數學能力。古今中外，的確有一些“高分低能”的考試選手，但“低分高能”的成功者又有幾個呢？所以，分數雖然不是衡量數學課堂教學質量高低的唯一標準但至少應該是一個重要標準。
那么，在素質教育的大背景下如何提高數學課堂復習的質量呢？筆者認為，注重數學思想的滲透、注重數學的理性歸納是一項重要的舉措。
舉例來說，在講解二次函數的區間最值問題時，我們往往會讓學生學會對參數字母進行分類，卻缺少對“為什么要這樣分類”的深層次分析，學生往往不能完成對知識的提煉，從而學習顯得呆板，不能靈活運用。再如二次函數y=ax2+bx+c（a>0）的性質眾所周知，學生也能較為熟練地應用二次函數的性質討論二次函數的區間最值問題，但在解決類似于“已知函數y=ax+■在區間[2，5]上的最大值，求a的值”這樣的問題時，學生往往會對“a”進行詳細的分類，而沒有意識到無論a是正還是負，函數在已知區間上的最大值只可能在x=2或x=5時取得，其思維就顯得很呆板。造成學生思維呆板的主要原因是教師在平時的教學或復習過程中過分地注重知識的傳授而忽視了思想的滲透。
再比如，在數列的復習過程中我們可能過分地強調了幾種常見的數列遞推關系，但往往會忽視重要的不完全歸納思想；在三角函數的復習過程中我們會過多地注重公式的應用但往往忽視重要的化歸思想；在例題教學過程中我們會重視重要的題型但往往會忽視等價轉換思想的滲透……在我們平時的課堂觀察中經常會發現教師在講解“含參不等式”時往往會抱怨學生理解能力不夠，殊不知造成學生不理解的原因很可能是在平時的教學過程中沒有很好地滲透分類討論思想，沒有讓學生明白為什么要這樣分類。如果我們在平時的教學或復習過程中有意識地注重數學思想的滲透，那么“減時增效”不再是天方夜譚。
以上是筆者就數學復習課堂中如何滲透數學素養的幾點個人看法。總之，如果我們在平時的復習過程中能充分注意到各種數學思想和數學文化的滲透，那么數學復習課同樣會顯得非常精彩，學生也能抱著欣賞的心態走進數學課堂。如果這樣，即使離開了大題量的數學訓練，教學同樣能獲得預期的效果。
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1、物理實驗的現象美
物理實驗展示的現象實際上是實驗物理學家對自然現象或自然過程重新組織或者重新構建。因此物理實驗中的現象美就包含兩方面的內容:物理觀察的自然現象美和物理實驗展現的現象美。物理觀察的自然現象美和傳統美學中所謂的自然美的內涵是不盡相同的。后者是審美主體的感官直接感受到的自然界表面屬性，如日月星辰的光芒、銀河系的廣闊幽深、彩虹的絢麗多彩等等這些自然物的自然屬性。前者所涉及的廣度和深度要大得多。物理觀察可以獲得諸如星系的漩渦結構、行星的橢圓軌道等宇宙結構圖，物質的晶體、分子、原子等物質層次結構圖等等反映自然、物質結構奧秘的特征。這些特征本身也有非常多的美，而這些又是自然美無法體現的。
既然，物理觀察存在大量的自然現象美，那么，對自然現象美進行重構的物理實驗也必然展現很多的現象美。看一看實驗物理學家給我們展現的圖景:棱鏡或光柵展示的多色光譜，由若干不同顏色的細亮譜線按波長順序排列組成，展現了簡單有序美;雙縫干涉條紋呈現出了明暗相間的等間距的直條紋，單縫衍射花樣中各極大處的光強是不相同的，中央明紋光強最大，其他明紋光強迅速下降，呈現對稱分布;兩個頻率不同相互垂直諧振動的合成得到的李薩如圖形展現的對稱美;平面鏡成像的物象對稱;點電荷電場的球對稱;無限長直導線周圍磁場的軸對稱等等，這些令人賞心悅目、回味無窮的圖景，是人們感性認識的范圍內就可以體驗其美感效應的，與繪畫有同樣的審美價值。這些美麗的圖景具有對稱、簡潔、和諧等特點。
2、物理實驗的設計、方法的美
物理實驗的審美價值不僅僅表現在現象美上，還表現在獨具創造性的實驗構思、精巧完美的實驗設計上，以及精湛的實驗操作和控制技術中。在歷史上人們一直認為光的傳播不需要時間。直到十七世紀，物理學家才開始嘗試測定光的速度。剛開始物理學家測定光速時，必需利用很大的距離，用精巧的方法準確地測出很短時間間隔，得到的結果誤差很大，后來邁克爾遜設計了一個十分精巧的實驗，非常準確地測出了光速度。他選擇兩個山峰，測出兩山峰間的距離。在第一個山峰上安裝一個強光光源和一個正八面棱鏡及一個望遠鏡;另一個山峰上安裝一面凹鏡和一個平面反射鏡。通過調節八面棱鏡的轉速，測定光速。愛因斯坦稱贊這一實驗的優美和方法的精湛時說:“邁克爾遜是科學的藝術家”。是的，他的實驗裝置和方法是優美的。他使用的儀器是普通的，原理是眾所周知的，然而得到的結果卻是完滿的。他后來又利用干涉儀做了一個更美妙的實驗，從而否定了“以太”的存在，為相又抓侖和量子力學的建立奠定了基礎，引起近代物理學的革命，進而促進了新技術革命和產業革命的到來，物理實驗創造了人類美好的未來。
再如對稱性的方法是現代物理實驗的一個重要方法，并且物理實驗過程中也展現了對稱美的美學形式。傳統美學中的對稱僅指人們感性意識中的三維空間的對稱，物理學中的對稱則包含各種數學空間的對稱，是一種理性范疇的對稱。對稱性原理在現代物理學研究中發揮了越來越大的作用，對稱性的方法其實已經是當代物理學家研究物理學問題的一種方法。實驗物理學家對于對稱這種美學形式更是寵愛有加，義無反顧地去追求這種美。法拉第從對稱性中得到了很大的啟發，他想既然電能生磁，那么磁也一定能生電，這樣才能顯示出自然界的對稱美。他經過10年的艱苦努力，終于用實驗證實了電與磁之間存在對稱美的設想。對稱性思想已經是現代物理學實驗的一個重要思想。物理學史上的諸多實驗，在科學發展及人類進步的歷史舞臺上閃耀著藝術的光輝，堪稱物理世界中的藝術精品。如庫侖的電抨實驗;托馬斯楊的光雙縫干涉實驗;蓋革與馬斯登在盧瑟福指導下進行的粒子散射實驗;赫茲的電磁波實驗;查德威克發現中子的實驗和吳健雄驗證弱相互作用下宇稱不守恒理論的實驗等。
3、物理實驗結論美
物理實驗展示出人的認識與自然界的和諧統一。物理實驗的最終目的不是創造藝術作品，而是為理解自然提供細節觀察或者是為理論尋找證據。其中物理實驗結論與理論的和諧統一是物理實驗美的突出體現。近代物理學的一個特點是理論的發展走在實驗的前頭。暫時造成美與真的矛盾的主要原因是物理學家極其廣闊的思維空間與現實空間由于實驗手段和技術的限制而暫時無法溝通。只有理論與實驗和諧統一了，物理學新理論才得以在科學界被廣泛接受和應用，才能推動人類社會的進步。
二、在物理實驗教學中進行美學教育
在教學中，教師的教學能否產生藝術效果，既取決于教師的教學藝術，也有賴于學生的藝術情趣。一個從未體驗過科學美的人在學習科學理論時可能會覺得遇到的不過是一大堆枯燥無味的符號、公式和圖表，毫無美感可言。正像一個毫無藝術素養的人聽到旋律優美、節奏明快的音樂時會覺得那不過是叮叮咚咚的雜音;看到構圖新穎、寓意深刻的繪畫時會覺得那只是一些五顏六色的堆積罷了。所以，一個精通教學藝術，講究教學效果的教師一定會在備課中充分挖掘物理實驗的科學美的因素，在教學中培養學生科學的審美能力，從而提高學生的實驗技能。
1、以真實的生活情景為實驗藍本，體現物理科學的自然美，提高學生的學習興趣
自然美是客觀世界中自然物、自然現象的美。物理學是一門自然科學，是以觀察和實驗為基礎建立起來的，物理學中涉及到大量的物理現象和自然現象，無不體現物理科學的自然美。
例如，除前面的舉例之外，還有電子的繞核運動、天體的和諧運動;結晶體的多樣化、液體的表面能;高壓放電、摩擦起電、磁石吸鐵、電磁感應;四季變更，風、雨、雷、電的形成等，物理實驗教學中，必須以觀察實驗為基礎，盡量從現代日常生活中尋找物理現象，創設物理環境，讓學生獲得詳實、直觀、具體的感性美，使實驗教學更加貼近生活、貼近社會。使學生感受物理實驗就在身邊，物理科學的自然美就在現實生活中，從而提高學生的學習興趣。物理學是自表面向深層的發展。表面有表面的結構，有表面的美。比如虹和霓是極美的表面現象，人人都可以看到。實驗工作者作了測量以后發現虹是420的弧，紅在外，紫在內;霓是500的弧，紅在內，紫在外。這種準確規律增加了實驗者對自然現象的美的認識。這是第一步。進一步的唯象理論研究可以了解到這42與50可以從陽光在水珠中的折射與反射推算出來，此種了解顯示出了深一層的美。還可以引導學生再進一步地研究，可深人了解折射與反射現象本身可從一個包容萬象的麥克斯韋方程推算出來，這就顯示出了極深層的理論架構的美。
2、開設綜合性、設計性實驗，給學生體驗實驗的設計、手段的方法美與創造美的空間
多開設一些綜合性、設計性實驗，給學生更大的空間去創造、思考，充分挖掘學生的潛能來完成實驗，從而完成體驗實驗的設計、手段的方法美與創造美。隨著科學技術的迅猛發展、許多邊緣學科、交叉學科的興起，學科互相滲透、互相結合的整體化發展日益迅速，某一疑難科技問題的解決不再僅僅依賴于某一個學科，而是多學科的綜合化。因此，培養學生的融合意識和知識整合能力成為大學物理實驗教學的重要使命，而物理學是自然科學中的基礎學科，它與化學、生物學數學等學科的聯系相當密切。因此，為了培養學生的發散思維能力，提高探究能力，在物理實驗內容的選擇方面可涉及其他學科與物理學相聯系的綜合性問題，如光譜技術、真空技術、磁共振技術、光纖技術、傳感器技術、光學信息處理技術等等。
設計性物理實驗是在學生具有一定能力的基礎上，運用有關物理實驗知識、技能、科學過程與方法，獨立(或在老師啟發下)分析實驗目的和要求，對實驗的儀器、裝置、步驟和操作方法所進行的一種規劃。設計性物理實驗對于發展學生科學研究能力、提高他們的實踐能力和創新精神、培養學生的興趣具有重要意義。例如“光電傳感器的設計與應用”，教師可提供一定的資料，讓學生用計算器作為計數器，用光敏三極管和其他電子元器件設計一個計數電路，記錄邁克爾遜干涉條紋“涌出”和“陷人”數目困。再如還可以在經典實驗內容之一――霍爾效應的基礎上開設“用霍爾元件測地磁場”、“用霍爾傳感器設計制作數字高斯計”等帶有一定應用性與設計性的實驗。在大學物理實驗中適當增加設計性和綜合性的實驗不僅可以提高學生的學習興趣，拓展學生的視野，激發學生的學習動機，而且可以鍛煉他們的實踐能力，在完成實驗的過程中學生可以充分體驗實驗的設計、手段的方法美與創造美。
3、結合物理學史教學，體現物理學家科學品格和人性美，激發學生人格力量美人性是社會美的一種，是指人的思想、品格、志趣、情操、智慧、情感等多方面的美。大學物理中涉及到幾十位中外著名的物理學家，盡管他們的國籍不同，所處的年代不同，個人經歷不同，但在他們探索物質世界的奧秘的動人事跡中，都閃爍著人性美的光輝。科學品格是科學家得以科學成功的重要保證，科學品格的高下，決定科學家科學貢獻的大小。科學品格包括科學家的探索勇氣、創新精神、追求真理的理想、實事求是的方法論、百折不撓堅忍不拔不怕失敗的性格特征等。
關鍵詞：意會認知 科學知識 信念
科學知識到底是什么？這是科學家、哲學家、歷史學家以及其他相關者數百年來激烈爭論的問題，其觀點百出，莫衷一是。與傳統知識論不同，波蘭尼首先把所有知識分為可明示性和非明示性兩大部分，進而指出包括自然科學、社會科學和諸人文學科的所有人類知識都是“個人知識”，或者至少可以說都必須建基于“個人知識”之上。“個人知識”的典型特征為個人性、意會性和信念（寄托）性。此三特征乃“個人知識”或說“意會認知”的三大支柱。其中，個人性與普遍性是互為必要的條件，個人性通過對普遍性意向斷言而體現其自身的存在，而普遍性則由于其被承認為認知者的信念（belief）并與個人“無關”而得以構成。正是個人性與普遍性在信念框架內的統一構成了所有人類的知識。對于波蘭尼“個人知識”論中的個人性與意會性特征，人們已日益引起重視并加以運用。[1] 但對其信念性特征，或說對波蘭尼的“信念科學知識觀”即視信念為知識之根本，將科學知識乃至一切知識皆視為“信念”或“信念體系”的觀點，學界還未引起足夠注意。而對之進行分析批判，無疑有利于知識論的發展。本文的用意在于為此拋磚引玉。
一、波蘭尼的“信念科學知識觀”
一般認為，信念乃一種接受或同意某一主張的心理態度，是對還不能充分肯定的東西予以接受。信念中具有相信的成分，是建基于有限事實或說有限證據上的心理肯定。在證據不足或者說還不清楚所有背景知識和經驗的情況下，人們之所以能夠發現或者整體把握某一事物或知識，波蘭尼認為是由于存在著只可意會不可言傳的支援線索在支持著我們的認識活動。因此，看似沒有知識或經驗背景的認知行為實際上是有背景的，這些背景或說支援線索或許就是知識包括科學知識的“證據”。從其認為知識具有“個人性”和“意會性”上亦不難推論，知識中必然具有信念等因素，波蘭尼還因此進一步認定：包括科學在內的所有知識的來源和本質是一種寄托，是一種信念或信念體系。
為了闡明科學知識的信念性特征及實質，波蘭尼首先論述了科學的“前提”及其必要性等相關問題。他指出，“前提”是一個邏輯范疇，它指的是一個肯定，這個肯定在邏輯上先于另一個以其為前提的肯定。相應地，隱含于科學發現的某一成就中，或說對將要進行的某項科學研究有影響的一般見解和目的就是科學的前提，即使這些見解和目的可能與該項研究的最原初設想并不一致。實際上，人們總是按自己所期望的方式從事研究，而根據一定的程序方法取得成功又形成了自己的預期。科學研究離不開科學程序和規則，離不開科學信念和評價。在科學研究中，信念和評價是互相決定的，兩者共同起著前提性的作用。波蘭尼指出，從哥白尼及其反對者、開普勒及愛因斯坦、拉普拉斯及約翰道爾頓，一直到李森科，“所有這些以及其他無數科學家或自稱為科學家的人們，都對事物的本質以及對科學研究的正確方法和目的持有某些所謂的‘科學’信念。這些信念和評價已向其追隨者顯示某種合理性且能激起人們探討的興趣。”[2] 他認為“科學的前提是在科學追求的實踐中、在承認科學追求的結果為真實時意會地予以遵循的。”[3] 要理解這一點，就得知道科學研究和科學知識的把握必須依靠預設。然而，預設的實質至今尚未明了，以至于對預設所做出的任何解釋都還難以令人信服。又由于這些預設具有不可明示性，因此無論科學是以正確的程序為基礎，還是以對事物本質的堅實信念為基礎，它甚至也都無法說成是基于可以言傳的預設之上。他斷言：“那些假定的科學預設是非常無效的，因為我們的科學信念的實際基礎是一點也不能斷言的。”個中原因是：當認知者接受某一套預設并將之作為自己的解釋框架時，就內居于該預設之中了，猶如其內居于自身軀殼之中一樣。顯然，認知者將預設毫無批判地接受下來的過程就是對后者認同并予以吸收的過程。“由于那些預設本身就是我們的終極框架，所以它們本質上是非言述性的。”[4]
如前所述，科學知識分為明示性和非明示性兩種。在波蘭尼看來，既然是科學知識，證據是需要并且也是存在的，可明示性科學知識的證據是可以說出來的，而不可明示者的證據則無法加以言說。人們到底何以確信及把握即使有證據也無法言說的知識？波蘭尼的意見是依賴“信托”，他還進一步認為，科學乃至所有的知識，歸根到底要靠“形而上學的追問”，要靠信念。他指出，在進行科學驗證時，自然界的事物并未貼著“證據”的標簽，證據之所以成為證據，只是由于已為觀察者所接受，在這一點上，即使是最精密的科學，也概莫能外。當認知者將某一外在事物轉變為自己肢體的延伸時就給該事物賦予了意義，在此過程中，信念也就被轉換成了依賴于其整個人的更為能動的意向。正是預先存在于頭腦中的種種信念，使人們的行動得以展開及維系。任何解釋框架特別是諸精密科學的形式體系，以及教科書中眾多的具體斷言，其背后無不隱藏著種種預設。科學家的本領由規則支配，而規則僅可被應用于個人判斷的框架之內。“正是由于對科學框架的吸收，科學家才使經驗變得有意義。”[5] 而這種“賦義”是一種技能行為，它既包括科學家實施正確測量和觀察的技能，又包括某些行家絕技。“賦義”的結果給相應的知識打上了科學家個人參與的烙印。科學的意義和說服力“來自我們對似乎暗示著其有效性的諸自然學科之整體的先行信念，而只有當我們變得飽學自然科學的知識并學會應用其方法來解決新問題時，我們才能學會欣賞這些假設并把它們當作我們所依賴的指導原則。”[6] 波蘭尼指出，科學發現一直是由一代又一代的偉人以自己堅定的信念通過不懈的努力而取得，我們的科學觀就是這樣成型的。每一個人之所以接受自身已有的科學知識，無非是由于科學是一個龐大的信念體系，它深深地根植于人類的歷史中，并由當下社會的專門機構培育著。科學并非通過接受某一公式而建立起來，它已是全世界成千上萬的科學家和非科學家心靈生活的一部分。[7] 人們說話時隱含的情態、核實科學“證據”時的判斷，都表達了其信念或寄托。當人們運用工具、記號或包括語言在內的符號時，情形無不如此。工具只有被人們相信能提供某種用途時才會被依賴，而這種依賴就是一種個人寄托，這一現象存在于一切智力行為之中。通過智力行為，人們將某些事物附帶地整合于關注焦點之中，吸收并使之成為其自身的一種延伸，而每一次這樣的行為又都是一種寄托。對任何事物的首次考察和肯定，都是一種寄托行為，其中都包含著信念。在此意義上，知識也就可以說是認知者“構造”的結果。波蘭尼說：“那些相信科學的人，必得承認他們是將一種解釋置于他們的證據之上，對這種解釋，他們必須自行負責進行明確的測定。一旦把科學接受為一種整體，一旦同意科學的任何特定的陳述，他們在某種程度上都要依賴他們自己的個人確信。”[8] 他進一步斷言，信念是知識的唯一源泉，科學則是人們所寄托的一個龐大的信念體系，對其不能用與其自身無關的詞語加以描述，“無論是用在不同體系內所看到的經驗還是用沒有包含任何經驗的理由，都不可能對這一體系做出解釋。然而，這并不表示我們可以自由地接受它或拋棄它。”“正如我們的內驅力的追求隱含著某種假設，即存在著某些我們有理由想得到或恐懼的物體那樣，一切激起和造成發現的熱情也同樣隱含著一個信念，即相信這些熱情宣布其價值的某種知識有存在的可能性。”[9] 包括科學在內的一切知識內含非言說性的信念要素，這也正是波蘭尼稱之為“個人知識”，并且是知識具有個人性和意會性觀點得以成立的一個非常重要的原因和證據。
總之，在波蘭尼看來，人類理解實在的認知活動必須依賴詞匯、語言、概念、形象和理解方式乃至整個文化等認知工具或說“透鏡”才能進行。這種“透鏡”是隨著人的成長而形成并內化為人的一部分，以至于人們已感覺不到其存在，當人們將之用于認知時，其實是毫無批判地加以依賴。更何況，按照他的“個人知識”及“意會認知”理論，認知活動又是帶有個人意愿和責任的行為，這就必然會帶有個人的價值和信念，信念在科學中起著基礎性的作用，科學知識因此就是一種信念或說信念體系，這是確切無疑的事實。
二、對“信念科學知識觀”的支持及發展
對科學到底是什么的問題至今尚未形成完全一致的意見。盡管如此，正如美國科學史家戴維林德伯格所指出，以下觀點已在較大程度上得到認可：其一是將科學視為人類藉以獲得對外界環境控制的行為模式。它視科學與技術緊密相連，不可分割，即科學包含了技術。其二是認為科學是理論形態的知識體系，技術則是應用理論知識來解決實際問題。此時，科學與技術被嚴格區分，又由于并非所有的理論都是科學，因而還須進一步提出科學的劃分標準。通常的做法是依據理論的陳述形式來定義“科學”，它要求這種陳述是一般的、定律式的形式，最好以數學語言表達。例如，波義耳定律就表述為：若其余一切保持不變，氣體的壓力與其體積成反比。科學又可以從方法論視角加以定義，如此，科學就與具體的一套程序聯系在一起，通常是為探明自然奧秘和證實或證偽某一有關自然特性理論的實驗程序。此時，一個陳述如果而且只有以實驗為依據，才是科學的。為了避免由此導致人們以主觀意志如對科學的認識論態度，或某些教條來定義科學，羅素（Bertrand Russell）曾指出：“不能根據從事科學活動的人相信什么來評判他是不是一個科學家，而要根據他如何和為什么相信。科學家的信念是嘗試性的、非教條的，他們以證據為基礎，而不以權威或直覺為基礎。”[10] 這顯然是將科學視為獲取和評判知識的某種獨特方法，它一方面指出了科學與信念之間存在著聯系，另一方面又強調了證據對于科學的必要性及其意義。“科學”的拉丁文為“Scientia”，希臘文為“episteme”，在古代它指的是任何有著嚴格和確定性特征的信念體系，不管這些信念與自然是否相關。古代和中世紀對自然的研究活動，無論是在過去還是現在，其最明確的提法是“自然哲學”或“關于自然的哲學”。基于此，以古代科學史研究見長的戴維林德伯格指出，科學史研究所需要的“科學”定義是寬泛且具包容性的，而不是狹窄而具排斥性的。我們所追溯的歷史年代越久遠，所需的科學定義就越寬泛。也正是出于這樣的原因，他常以“自然哲學”來表示整個科學事業，也將“科學”等同于包含了技術的“自然哲學”。他認為，在大多情況下，科學是依據其陳述內容而非其方法論或認識論態度來定義的。這樣，科學就是一套關于自然的信念，它大體上與現行的物理學、化學、生物學等學說相當。與此相關，“科學”和“科學的”這兩個術語常常是指具有嚴格、精確或客觀特性的過程或信念，而以此為標準，煉金術、占星術就都是非科學。無疑地，戴維林德伯格的觀點可視為對波蘭尼的“信念科學知識觀”的有力支持。
若把波蘭尼歸于后現代科學觀陣營，陣營中的如下科學哲學家的相關觀點值得注意。庫恩認為，科學是科學共同體的共同范式。按其觀點，范式包含某一研究傳統及其歷史范例，以及隱含在傳統基本概念中的形而上學假設，三者中都有著極強的信念色彩。范式與信念相隨相依，前者的形成、擴展、延續乃至轉變的過程實際上可以說就是后者的形成、擴展、延續乃至轉變的過程。費耶阿本德強調科學應該是包括外行人在內的社會公眾“舉手”表決的結果，它與巫術、迷信等一樣，都是文化傳統的一種，所以應該與這些傳統平權。不僅如此，更由于科學“不存在方法”，也就不具備所謂的正確性和客觀真理性，因而也不必奢談什么“證據”。利奧塔認為，所謂科學或說科學知識只是一種敘事，直言之，它乃科學家所編造的故事，只不過這些故事最終要加以“證明”。羅蒂則認為科學其實是科學家的“德性”，是他們之間互相“親和”、互相包容和協商的結果，這大抵上可稱為一種“主體間性的科學觀”。容易看出，費耶阿本德和利奧塔的觀點并沒有形成對波蘭尼科學知識觀的支持，也就談不上對其加以發展。庫恩涉及到了信念作為科學知識要素的問題，但他對此未予以足夠深刻的論述。就視“科學”為一種主體間性的知識而言，除了羅蒂以外，持有這一觀點的流派也不少，其中比較突出的是SSK。所謂“主體間性”即科學共同體甚至是社會共同體所共有的性質、體驗或信念。在SSK看來，由于知識本身具有密切的協作與互動的性質，作為知識的信念的確證需要滿足不僅包括傳統知識論所要求的條件，而且包括社會關系、利益、作用與制度等社會條件對知識的概念與規范條件的影響。SSK是一個相當復雜的學派， 其中“溫和”型的SSK持“柔性”的相對主義態度，他們視“科學”為主體間性知識，并不主張消解科學知識的客觀性，雖然其所謂的客觀性不同于實證主義傳統意義上的對自然界的客觀反映。可以說，SSK的這一部分人在一定程度上支持了波蘭尼。但是，強綱領SSK實質上叛逆了波蘭尼而沒有對其予以支持。[11] 對波蘭尼的“信念科學知識觀”加以繼承發展者中，比較突出的大致可以認為是下述的當代分析知識論學派。
一般認為，20世紀西方知識論的發展大致可分為三個階段，一是邏輯經驗論的基礎主義階段，二是反邏輯經驗論基礎主義的階段，三是20世紀60年代中期以后的當代分析知識論的階段。[12] 按照傳統的“知識”定義，構成知識必須具備三個條件，即：一個命題首先必須是真的，其次認識者必須相信這一命題，再者是認識者這一信念必須得到確證。如果一個信念是真的并且得到確證，則它就構成了知識。簡言之，知識即是確證的真信念。據此，知識必須是真的，信念則是知識的必要條件，構成了知識的第二要素。在當代西方知識論中，對信念作為知識的一個要素為持正統觀點的哲學家所贊同，在其看來，除非相信某一事情，否則就不可能對其加以認識。有的哲學家甚至認為信念比知識更為根本，知識只不過是信念的一種形式，是一種有關真命題的信念。只要具備“真(true)”、“信念（belief）”兩個條件，再加上“確證（justification）”就成為知識。
羅素認可知識是一種信念的觀點，同時又認為：“我們有時給‘知識’下的定義是“真的信念”，但是這個定義過于寬泛。”[13] 至于一個信念除了其正確性之外，還必須具備什么性質才可以算是知識？他指出：“平常人會說必須要有可靠的證據作為信念的根據。作為常識而論，這在大多數發生疑問的場合下是對的，但是如果拿它當作關于這個問題的一種完備的說法就很不夠。‘證據’一方面包含一些公認為無可爭辯的事實，另一方面也包含一些在根據事實進行推理時所要憑借的原理。”[14] 他舉例說，假如某一人去看其自認為還走著而事實上已經停了下來的一座鐘，并且碰巧看到其時刻正和鐘面上的時間—樣。那么，此人將得到關于時間的—個真的信念，但卻不能正確地說得到了知識。他認為“由于兩種原因，知識是一個意義模糊的概念。第一，因為除了在邏輯或純粹數學的范圍內，一個詞的意義多少總有些模糊不清；第二，因為我們所認為的全部知識在或多或少的程度上是不確定的，而且我們無法判斷不確定性達到什么程度一個信念就不配叫作“知識’，正像我們無法判斷一個人脫落了多少頭發才算禿一樣。”[13] 在他看來，既然所謂確定的知識是難以獲得的，故而倒不如以不確定作為是否“知識”的尺度更為妥當。基于給“知識”定義的困難性，他認為，人們曾從三個角度提出解決的方法。“第一種也是最早的一種方法是強調“不證自明”這個概念的重要性。第二種方法是打破前提與結論之間的區別，認為知識就是由信念組成的整體的一致性。第三種也是最徹底的一種方法是完全拋棄“知識”這個概念，而用“導致成功的信念”來代替它——這里‘成功”一詞也許可以按照生物學的意義來解釋。”[14] 他還進一步指出，笛卡爾、黑格爾和杜威可視為這三種觀點的代言人。無論如何，羅素已將知識與信念掛鉤，問題只是在于何種信念可以稱為知識。
對“知識即是確證的真信念”的傳統觀點提出更有力挑戰者是當代分析知識論，其重要標志是葛梯爾《確證的真信念是否為知識》一文的發表。其結果導致了激烈的爭論并使知識論所關注的主題轉向了知識的條件與確證方面。葛梯爾指出，即使滿足“真、確證和相信（信念）”三個條件，確證的真信念也未必是知識。從此，知識與信念的聯系更為緊密，解決信念何以成為知識便成了當代知識論的主流和核心問題。20世紀60－70年代以來，當代西方知識論盛極一時，其研究重點先是知識的結構和確證問題，目前則加強對信念及其確證問題的研究。由于對信念的研究已經逐漸成為當代西方知識論的核心和熱點問題，而且視知識與信念相一致甚至將二者等而視之是其普遍觀點，以致人們將知識論指稱為“信念學”。
總的說來，當代分析知識論學派對波蘭尼的科學知識觀予以了有力的繼承和發展。雖然在它們那里，科學也許已不是傳統意義上的有“證據”支持的知識，它是否知識并為人們所信賴，關鍵不在于傳統意義上的“證據”而在于“證詞”（Testimony）。需要“證詞”的部分，大多得靠“信仰”、“權威”，甚至是靠“演講”和“宣傳”。這樣，科學知識也就不再具有硬生生的“客觀性”了。在此，我們確實看到了波蘭尼的影子，看到了“信念”與“Testimony” 的相通（之處）。
三、“信念”在科學知識中的必要和必然性
科學中的信念通常可分為“常識”、“科學見識”、和“世界觀”三個層次，它們在科學中發揮程度不同的作用。無論是笛卡兒的理性主義、休謨經驗主義懷疑論，還是新老實證主義，都無法排除信念的這種作用。如把科學研究過程大致分為觀察有意義的事實、根據事實提出假說和以觀察或者實驗檢驗假說三個階段，則在任何一個階段中信念都是必須的。第一階段要靠科學家的直覺，而直覺的正確與否在觀察前是無從證明的，因而需要信念；第二階段，科學史證明從事實到假說之間并沒有必然的邏輯通道。這一過程中科學家的直覺、想象或者概念是否正確也無法證明。這就更需科學家的直覺、想象和創造力，更需要信念；在第三階段，有限的觀察或者實驗往往難以證實或者證偽一個假說。人們之所以在即使存在反例的情況下仍能接受某一假說或者理論，顯然是信念在起作用的結果。[15]
信念與認知有著內在的聯系，沒有信念就沒有認知活動，作為人類對客觀事物及其運動規律的認知活動，科學概莫能外。早在20世紀初，英國哲學家懷特海（A. N. Whitehead）在論述現代科學的起源時曾明確指出：“如果我們沒有一種本能的信念，相信事物之中存在著一定的秩序，尤其是相信自然界中存在著秩序，那末，現代科學就不可能存在。”[16] 在近代科學誕生之前，就已經有了一些觀念上的準備。具體來說，我們在著手研究任何事物之前，就已經有了一些先在的信念，如相信事物之間的聯系是有恒常的規律的，并且這種規律是可以被人認識的，有了這樣的信念（或者說假設），科研活動才有可能。他把這種信念追溯到古希臘悲劇中關于命運的看法，到了中世紀，這種信念又和上帝的全知、全在、支配一切的觀念融合在一起。他斷言：“在現代科學理論還沒有發展以前人們就相信科學可能成立的信念是不知不覺地從中世紀神學中導引出來的。”他還指出，在科學研究中，有“一種堅定的信念，它認為每一細微的事物都可以用完全肯定的方式和它的前提聯系起來，并且聯系的方式也體現了一般原則。沒有這個信念，科學家的驚人的工作就完全沒有希望了。這種本能信念活生生地存在于推動進行各種研究的想象力之中，它說:有一個秘密存在，而且這個秘密是可以揭穿的。”[17] 與波蘭尼相一致，懷特海也認為，對自然秩序的信念不僅使得科學發生和發展，而且“這種信念不能用歸納的概括加以證明，它是我們對自身的現存直接經驗中所顯示的事物本質作直接觀察時產生出來的。這種信念和我們是血肉相連的。”[18] “科學從來不為自己的信念找根據，或解釋自身的意義，對于休謨所提出的駁斥也完全置之不理。”[19]
事物之間的聯系有規律且這種規律可為人所認識，對這一信念普朗克也深信不疑。他在《科學自傳》中曾明確指出，我們的思維規律和我們從外部世界獲得印象過程的規律，是完全一致的，所以人們就有可能通過純思維去洞悉那些規律性。在這個事實中，具有重要意義的是，外部世界乃是一個獨立于我們的絕對東西，而去尋找那些適合于這個絕對東西的規律是科學生涯中最美好的使命。愛因斯坦也明確指出：“要是不相信我們的理論構造能夠掌握實在，要是不相信世界的內在和諧，那就不可能有科學。這種信念是，并且永遠是一切科學創造的根本動力。”[20] 那些我們認為在科學上有偉大創造成就的人全都浸染著真正的宗教的信念”，“我不能設想一個真正的科學家會沒有這樣深摯的信仰。”[21] 這里所謂的“宗教的信念”和“深摯的信仰”是一種“宇宙宗教感情”，即一種對宇宙的執著信念:“相信世界在本質上是有秩序的和可認識的。”[22] “相信我們這一世界是完美的，并且是能夠使追求知識的理性努力所感受到的。”[23] 由于他深受古希臘以來的西方哲學中關于世界的秩序性、統一性、簡單性和理性的影響，故而始終對世界的合理性和可知性抱著堅定的信念，并堅定不移地花費大量時間精力從事統一場論的研究。相較之下，玻爾更崇尚互補思想。這樣，發生曠日持久的關于量子力學基礎問題的“愛因斯坦--玻爾之爭”就不足為奇了。可見，懷特海、普朗克和愛因斯坦等偉大科學家都認定了信念在科學中的基礎性作用。
科學哲學在二十世紀所取得的成果表明，觀察滲透理論，理論滲透范式，而范式又滲透文化和價值，科學既具有客觀性、經驗性和理性的一面，又具有主觀性、歷史性和社會性的一面，而后者就包含著信念。科學中的信念通過與科學理論和事實，通過與科學理論的評價過程，與科學經驗和邏輯相結合而發揮其自身的作用。至于從社會對科學影響上看，信念對科學及其發展的影響亦非常廣泛和深遠，各種信念因素以不同的方式進入科學共同體，從而對之造成影響，甚至人們的經濟利益和階級利益、社會歷史觀等相關觀念也會滲透到科學過程之中。懷特海在肯定信念在科學中基礎性作用時又指出：“但科學并不僅僅是本能信念的產物，它還需要對生活中的簡單事物本身具有積極的興趣。”而且強調說“‘為事物本身’這一點很重要。”[17] 從此可見懷特海也注意到了信念含義的廣泛性，而到了SSK的科學知識論就更進了一步。
《蘇聯哲學百科全書》（1964年版）指出，科學作為關于外部世界和人的精神活動的現象與規律的知識體系，是精神文化的最重要因素，是人類知識的最高形式，它需要實踐檢驗和證據的支持。科學的產生、發展依靠科學理性，而后者的基本內容有三：一是自然可理解性的信念。這就是懷特海、愛因斯坦和普朗克等科學家所具有的信念。它是科學研究的前提，是科學理性的靈魂，它指導并促成了科學的真正發生。二是相關的自然模型或者自然觀。它是對世界自然界的總體看法，雖然其自身并非科學的理論，但卻影響科學家對自然現象研究的路線和方式。如古希臘原子論和畢達哥拉斯關于數的形式主義，其中都有抽象、臆想的觀念，但它們從不同的角度為現代自然科學研究指明了總體方向和基本機制。最后是科學理性方法。它不僅是一些科研規則，而且也是一種精神氣質。按照默頓的觀點，后者是有情感色彩的一套約束并內化為科學家自覺遵循的價值和規范的綜合，其實也就是一種信念。比如愛因斯坦認定，對真的追求將達到善的境界，也就是達到一種預定的和諧和內心寧靜。其所謂“宇宙宗教感情”既是一種感情，又是一種信念。科學理性乃人類在認識世界的過程中所運用的特定的理性形式，是人類理性發展出來的有效地認識世界的信念和原則。這些信念和原則為科學共同體所接受、信奉，并規范和指導科學家的認識活動，以使活動富有成效。科學理性是蘊含在科學家的科學實踐過程中，它既表現為這一過程的方法又表現在成果之中。換言之，科學必須依靠信念的支持并使之成為自己的不可或缺的要素。
總之，“信念”在科學知識中具有其必要性和必然性。自笛卡爾以來的西方傳統客觀主義知識觀，存在著貶斥信仰、傳統、權威，推崇批判、懷疑的傾向，認為知識必須經受經驗檢驗，如果前者超越經驗或與經驗相沖突，最終就會被拋棄。這種知識論不僅難以接受知識的個人性，而且要盡力剔除知識中的個人成分，以達到理想的、與個人無關的、絕對客觀的知識。簡言之，傳統客觀主義知識觀認為真正的知識必定是“客觀的”，它具有普遍性，可以明示并與個人無關。比如，羅素雖然認為知識可以分為個人知識和社會知識兩類，但僅就科學知識而言，他明確指出：“科學知識的目的在于去掉一切個人的因素，說出人類集體智慧的發現。”[24] 人們若要使科學知識達到最大限度的成功就必須犧牲掉個人的因素。波蘭尼充分肯定了傳統知識論的意義和作用，但他認為其一味強調批判、懷疑，對于信念、傳統、權威因素，只見其消極面，而沒有認識到這些因素在科學研究乃至一般認識中的積極作用，這就難免失之偏頗。事實上，客觀主義的知識論，導致了只強調“科學”和“客觀”而忽視了人的唯科學主義，導致了現實世界生態惡化、環境污染、道德淪喪等災難。為了解決這些問題，波蘭尼認定首先要從根本上變革傳統知識論，以便徹底糾正其偏失。他指出正是“信念”使科學知識成為可能。科學在沒有足夠證據時依靠信念來支持，即使有了確實的證據，追問到底仍然需要信念的支持。從此看來，波蘭尼的科學知識觀自有其可取之處。由于主張科學知識是一種“信念”，因而其科學知識觀既可歸于認定由“信念、真和確證”三個要素組成的傳統知識論，又可視為當代知識論的先聲，具有十分積極的意義。
四、科學知識能否徹底歸結為信念
如上所述，波蘭尼的“信念科學知識觀”有其正確性和積極意義。但是，科學知識能否徹底歸結為信念？為回答這一問題，我們有必要分析波蘭尼觀點中存在的缺陷。
事實上，按照目前眾所公認的觀點，科學乃依靠證據支持的知識體系。“證據”對于科學來說是必不可少的。盡管信念在科學中起著重要的作用，但并不能因此將科學完全、徹底地歸結為信念。
作為權威機構的美國科學促進會在其《面向全體美國人的科學》中論述科學的性質時，便旗幟鮮明地表明“科學需要證據”，“科學的本質是通過觀察驗證。”等觀點。[25] 它指出科學家通過觀察現象和搜集樣本來探索這個世界，并認為科學主張的正確性遲早要通過對現象的觀察來判定。因而，科學家把注意力集中在搜集準確的數據上。由于科學的證據只有通過觀察和測繪才能獲得，故而書中還論述了觀察的選擇以及獲取證據的具體方法和途徑。進一步地，書中還指出，任何研究人員或研究小組的發現都必須接受其他人的檢查。科學是邏輯和想象的融合。科學家常對某些取得證據的價值持有不同意見或對假設的恰當與否表示疑問，進而不同意判定的結論。但是，他們同意把證據和假設同結論連接起來的邏輯推論原則。“事實上，形成假設和驗證假設的過程是科學的核心活動之一。假設的用途在于能按時人們哪些證據能證實它，哪些證據將否定它。從原則上講，一個不能用證據驗證的假設可能很有趣，但是在科學上卻不一定是有用的。”[26] “科學不仰仗權威”“從長遠的觀點來看，沒有一個科學家有權決定其他科學家是否正確，不論他多么著名，多么聲望顯赫。因為，沒有一個科學家可以代表絕對真理。而且，世間不存在未經科學家親自調查而得出的現成結論。”[27] 當科學家面對一個聲稱正確的事物時，他就會反問：“如何證實？”由于對數據的解釋不同，記錄或報告方式不同，以及選取什么樣的數據，科學驗證可能會被歪曲。科學家的國籍、性別、民族、年齡、政治信仰等等都可能影響他們偏向尋求或強調這種或那種數據或解釋。科學是一項復雜的社會活動，它不可避免地要反映社會價值和社會觀點。當公共利益以及他們個人的利益、合作伙伴的利益、本單位的利益和本社區的利益受到威脅時，他們也會同別人一樣產生偏見。對難于察覺的偏見，其防范和補救辦法是讓眾多不同領域的人從事一項工作。科學作為一項事業，具有個人、社會和團體三個層面。科學工作涉及許多個體去從事許多不同的工作，科學在一定程度上在世界各國范圍內進行。所有民族、所有國家的男人和女人都參與科學研究和應用。盡管完全避免偏見的主觀愿望不可能完全達到，但是，“科學家要努力鑒別，避免偏見。”[25] 如是而觀之，科學就要具有可重復性和可檢驗性。在此所要重復與檢驗的是科學的結論是否與客觀自然界相一致。科學，按照“標準”觀點，便是對自然界事物及其運動規律的正確反映，是關于自然界的知識體系，具有客觀真理性。所以，人們必須“小心求證”并“拿出證據”，爾后才可獲得確認。直言之，科學必須經受嚴格的檢驗，其最終依靠證據而非信念的支持。
總之，科學知識的本質是經過實驗檢驗的、對于自然現象、自然現象之間的關系以及自然現象的原因的正確反映。科學知識在認識論和方法論方面的主要特征是可檢驗性、系統性和主體際性。可檢驗性要求科學知識是在觀察與實驗的基礎上形成的對客觀世界的正確反映，它的內容與客觀存在的過程或現象相聯系，它的具體命題在可控條件下可以重復接受實驗的檢驗，具有可檢驗性。在科學知識中不承認任何超自然的、神秘的東西。主體際性要求科學知識必須具有客觀其理性，它的基本概念反映事物固有的本質屬性；基本定律反映客觀事物之間的內在聯系，因而科學知識是客觀的、普遍的，能被不同認識主體所重復所理解，能接受不同認識主體用實驗進行檢驗，并在他們之間進行討論、交流。這就是主體際性。它是科學發現獲得社會承認的基本條件。[28]
認識自然界的事物及其運動發展規律，誠然需要有一個預先的圖式，圖式中一個非常重要的因素就是信念。從此意義上也就是在認識論層次上，波蘭尼說知識是一種“信念”或“信念體系”，是一種“寄托”是對的，正如波普爾在主張“知識進化論”時說“觀察滲透理論”一樣。但是，當波蘭尼將信念在科學知識中的重要性強調到決定性的作用，將信念視為知識的根本時卻是錯誤的了，正如波普爾在本體論意義上強調“理論先于觀察”一樣。從能動認識論上說來，認識來自于實踐并由實踐所決定，人的認識無非是對客觀事物的反映。按照這樣的認識路線，客觀事物在前，而認知者的感覺、思想觀念在后。信念只不過是認識結果的一種具體形式，它歸根到底是對客觀事物的主觀映像。所以從根本上說，科學要靠實踐、要靠物質性的證據作為支持，而不是靠信念的支持。由于信念的背后還有物質性的根源，我們不能僅僅追究到“信念”就止步。波蘭尼將科學知識乃至于一切知識視為信念，將信念視為知識的惟一根源，這就有了“先驗論”的意味和色彩，其“信念科學知識觀”因此存在著明顯的缺陷。他的最大偏失正在于不加限定地越過認識論層面而進入本體論層面，以至于把信念視為科學知識乃至于所有知識的根本。這樣就極易導致科學知識觀中的信仰主義，從而使之從反對純粹客觀主義一端走到非理性、主觀主義一端，這顯然也就違背了他的本意而達不到目的。除此之外，這樣還有可能給人們造成種種誤導，致使人們認為科學知識并非客觀知識，而是僅憑信念等非理性因素“制造”或“建構”出來的體系。波蘭尼所有這些不足都應引起我們的注意并應加以相應的批判。
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