時間：2022-03-23 04:30:23
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篇物理學論文，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。
二十世紀即將結，二十一世紀即將來臨，二十世紀是光輝燦爛的一個世紀，是個類社會發展最迅速的一個世紀，是科學技術發展最迅速的一個世紀，也是物理學發展最迅速的一個世紀。在這一百年中發生了物理學革命，建立了相對信紙和量子力學，完成了從經典物理學到現代物理學的轉變。在二十世紀二、三十年代以后，現代物理學在深度和廣度上有了進一步的蓬勃發展，產生了一系列的新學科的交叉學科、邊緣學科，人類對物質世界的規律有了更深刻的認識，物理學理論達到了一個新高度，現代物理學達到了成熟的階段。
在此世紀之交的時候，人們自然想展望一下二十一世紀物理學的發展前景，探索今后物理學發展的方向。我想談一談我對這個問題的一些看法和觀點。首先，我們來回顧一下上一個世紀之交物理學發展的情況，把當前的情況與一百年前的情況作比較對于探索二十一世紀物理學發展的方向是很有幫助的。
一、歷史的回顧
十九世紀末二十世紀初，經典物物學的各個分支學科均發展到了完善、成熟的階段，隨著熱力學和統計力學的建立以及麥克斯韋電磁場理論的建立，經典物理學達到了它的頂峰，當時人們以系統的形式描繪出一幅物理世界的清晰、完整的圖畫，幾乎能完美地解釋所有已經觀察到的物理現象。由于經典物理學的巨大成就，當時不少物理學家產生了這樣一種思想：認為物理學的大廈已經建成，物理學的發展基本上已經完成，人們對物理世界的解釋已經達到了終點。物理學的一些基本的、原則的問題都已經解決，剩下來的只是進一步精確化的問題，即在一些細節上作一些補充和修正，使已知公式中的各個常數測得更精確一些。
然而，在十九世紀末二十世紀初，正當物理學家在慶賀物理學大廈落成之際，科學實驗卻發現了許多經典物理學無法解釋的事實。首先是世紀之交物理學的三大發現：電子、X射線和放射性現象的發現。其次是經典物理學的萬里晴空中出現了兩朵“烏云”：“以太漂移”的“零結果”和黑體輻射的“紫外災難”。[1]這些實驗結果與經典物理學的基本概念及基本理論有尖銳的矛盾，經典物理學的傳統觀念受到巨大的沖擊，經典物理發生了“嚴重的危機”。由此引起了物理學的一場偉大的革命。愛因斯坦創立了相對論；海林堡、薛定諤等一群科學家創立了量子力學。現代物理學誕生了！
把物理學發展的現狀與上一個世紀之交的情況作比較，可以看到兩者之間有相似之外，也有不同之處。
在相對論和量子力學建立起來以后，現代物理學經過七十多年的發展，已經達到了成熟的階段。人類對物質世界規律的認識達到了空前的高度，用現有的理論幾乎能夠很好地解釋現在已知的一切物理現象。可以說，現代物理學的大廈已經建成。在這一點上，目前有情況與上一個世紀之交的情況很相似。因此，有少數物理學家認為今后物理學不會有革命性的進展了，物理學的根本性的問題、原則問題都已經解決了，今后能做到的只是在現有理論的基礎上在深度和廣度兩方面發展現代物理學，對現有的理論作一些補充和修正。然而，由于有了一百年前的歷史經驗，多數物理學家并不贊成這種觀點，他們相信物理學遲早會有突破性的發展。另一方面，雖然在微觀世界和宇宙學領域中有一些物理現象是現代物理學的理論不能很好地解釋的，但是這些矛盾并不是嚴重到了非要徹底改造現有理認紗可的程度。在這方面，目前的情況與上一個世紀之交的情況不同。在上一個世紀之交，經典物理學發生了“嚴重的危機”；而在本世紀之交，現代物理學并無“危機”。因此，我認為目前發生現代物理學革命的條件似乎尚不成熟。
雖然在微觀世界和宇宙學領域中有一些物理現象是現代物理學的理論不能很好地解釋的，但是這些矛盾并不是嚴重到了非要徹底改造現有理認紗可的程度。在這方面，目前的情況與上一個世紀之交的情況不同。在上一個世紀之交，經典物理學發生了“嚴重的危機”；而在本世紀之交，現代物理學并無“危機”。因此，我認為目前發生現代物理學革命的條件似乎尚不成熟。客觀物質世界是分層次的。一般說來，每個層次中的體系都由大量的小體系（屬于下一個層次）構成。從一定意義上說，宏觀與微觀是相對的，宏觀體系由大量的微觀系統構成。物質世界從微觀到宏觀分成很多層次。物理學研究的目的包括：探索各層次的運動規律和探索各層次間的聯系。
回顧二十世紀物理學的發展，是在三個方向上前進的。在二十一世紀，物理學也將在這三個方向上繼續向前發展。
1）在微觀方向上深入下去。在這個方向上，我們已經了解了原子核的結構，發現了大量的基本粒子及其運規律，建立了核物理學和粒子物理學，認識到強子是由夸克構成的。今后可能會有新的進展。但如果要探索更深層次的現象，必須有更強大得多的加速器，而這是非常艱巨的任務，所以我認為近期內在這個方向上難以有突破性的進展。
2）在宏觀方向上拓展開去。1948年美國的伽莫夫提出“大爆炸”理論，當時并未引起重視。1965年美國的彭齊亞斯和威爾遜觀測到宇宙背景輻射，再加上其他的觀測結果，為“大爆炸”理論提供了有力的證據，從此“大爆炸”理論得到廣泛的支持，1981年日本的佐藤勝彥和美國的古斯同時提出暴脹理論。八十年代以后，英國的霍金[2,3]等人開始論述宇宙的創生，認為宇宙從“無”誕生，今后在這個方向上將會繼續有所發展。從根本上來說，現代宇宙學的繼續發展有賴于向廣漠的宇宙更遙遠處觀測的新結果，這需要人類制造出比哈勃望遠鏡性能更優越得多的、各個波段的太空天文望遠鏡，這是很艱巨的任務。
我個人對于近年來提出的宇宙創生學說是不太信的，并且認為“大爆炸”理論只是對宇宙的一個近似的描述。因為現在的宇宙學研究的只是我們能觀測到的范圍以內的“宇宙”，而我相信宇宙是無限的，在我們這個“宇宙”以外還有無數個“宇宙”，這些宇宙不是互不相干、各自孤立的，而是互相有影響、有作用的。現代宇宙學只研究我們這個“宇宙”，當然只能得到近似的結果，把他們的延伸到“宇宙”創生了初及遙遠的未來，則失誤更大。
3）深入探索各層次間的聯系。
這正是統計物理學研究的主要內容。二十世紀在這方面取得了巨大的成就，先是非平衡態統計物理學有了得大的發展，然后建立了“耗散結構”理論、協同論和突變論，接著混沌論和分形論相繼發展起來了。近年來把這些分支學科都納入非線性科學的范疇。相信在二十一世紀非線性科學的發展有廣闊的前景。
上述的物理學的發展依然現代物理學現有的基本理論的框架內。在下個世紀，物理學的基本理論應該怎樣發展呢？有一些物理學家在追求“超統一理論”。在這方面，起初是愛因斯坦、海森堡等天才科學家努力探索“統一場論”；直到1967、1968年，美國的溫伯格和巴基斯坦的薩拉姆提出統一電磁力和弱力的“電弱理論”；目前有一些物理學家正在探索加上強力的“大統一理論”以及再加上引力把四種力都統一起來的“超統一理論”，他們的探索能否成功尚未定論。
愛因斯坦當初探索“統一場論”是基于他的“物理世界統一性”的思想[4]，但是他努力探索了三十年，最終沒有成功。我對此有不同的觀點，根據辯證唯物主義的基本原理，我認為“物質世界是既統一，又多樣化的”。且莫論追求“超統一理論”能否成功，即便此理論完成了，它也不是物理學發展的終點。因為“在絕對的總的宇宙發展過程中，各個具體過程的發展都是相對的，因而在絕對真理的長河中，人們對于在各個一定發展階段上的具體過程的認識只具有相對的真理性。無數相對的真理之總和，就是絕對的真理。”“人們在實踐中對于真理的認識也就永遠沒有完結。”[5]
現代物理學的革命將怎樣發生呢？我認為可能有兩個方面值得考試：
1）客觀世界可能不是只有四種力。第五、第六……種力究竟何在呢？現在我們不知道。我的直覺是：將來最早發現的第五種力可能存在于生命現象中。物質構成了生命體之后，其運動和變化實在太奧妙了，我們沒有認識的問題實在太多了，我們今天對于生命科學的認識猶如亞里斯多德時代的人們對于物理學的認識，因此在這方面取得突破性的進展是很可能的。我認為，物理學業與生命科學的交叉點是二十一世紀物理學發展的方向之一，與此有關的最關于復雜性研究的非線性科學的發展。
2）現代物理學理論也只是相對真理，而不是絕對真理。應該通過審思現代物理學理論基礎的不完善性來探尋現代物理學革命的突破口，在下一節中將介紹我的觀點。
三、現代物理學的理論基礎是完美的嗎？
相對論和量子力學是現代物理學的兩大支柱，這兩大支柱的理論基礎是否十全十美的
呢？我們來審思一下這個問題。
1）對相對論的審思
當年愛因斯坦就是從關于光速和關于時間要領的思考開始，創立了狹義相對論[1]。我們今天探尋現代物理學革命的突破口，也應該從重新審思時空的概念入手。愛因勞動保護坦創立狹義相對論是從講座慣性系中不同地點的兩個“事件”的同時性開始的[4]，他規定用光信號校正不同地點的兩個時鐘來定義“同時”，這樣就很自然地導出了洛侖茲變換，進一步導致一個四維時空（x，y，z，ict）（c是光速）。為什么愛因勞動保護擔提出用光信號來校正時鐘，而不用別的信號呢？在他的論文中沒有說明這個問題，其實這是有深刻含意的。
時間、空間是物質運動的表現形式，不能脫離物理質運動談論時間、空間，在定義時空時應該說明是關于什么運動的時空。現代物理學認為超距作用是不存在的，A處發生的“事件”影響B處的“事件”必須通過一定的場傳遞過去，傳遞需要一定的時間，時間、空間的定義與這個傳遞速度是密切相關的。如果這種場是電磁場，則電磁相互作用傳遞的速度就是光速。因此，愛因斯坦定義的時空實際上是關于由電磁相互作用引起的物質運動的時空，適用于描述這種運動。
愛因斯坦把他定義的時間應用于所有的物質運動，實際上就暗含了這樣的假設：引力相互作用的傳遞速度也是光速c.但是引力相互作用是否也是以光速傳遞的呢？令引力相互作用的傳遞速度為c＇。至今為止，并無實驗事實證明c＇等于c。愛因斯坦因他的“物質世界統一性”的世界觀而在實際上假定了c=c＇。我持有“物質世界既統一，又多樣化的”以觀點，再加之電磁力和引力的強度在數量級上相差太多，因此我相相信c＇可能不等于c。工樣，關于由電磁力引起的物質運動的四維時空（x，y，z，ict）和關于由引力引起的運動的時空（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）是不同的。如果研究的問題只涉及一種相互作用，則按照現在的理論建立起來的運動方程的形式不變。例如，愛因斯坦引力場方程的形式不變，只需把常數c改為c＇。如果研究的問題涉及兩種相互作用，則需要建立新的理論。不過，首要的事情是由實驗事實來判斷c＇和c是否相等；如果不相等，需要導出c＇的數值。
我在二十多年前開始形成上述觀點，當時測量引力波是眾所矚目的一個熱點，我曾對那些實驗寄予厚望，希望能從實驗結果推算出c＇是否等于c。令人遺憾的是，經過長斯的努力引引力波實驗沒有獲得肯定的結果，隨后這項工作冷下去了。根據愛國斯坦理論預言的引力波是微弱的，如果在現代實驗技術能夠達到的測量靈敏度和準確度之下，這樣弱的引力波應該能夠探測到的話，長期的實驗得不到肯定的結果似乎暗示了害因斯坦理論的缺點。應該從c＇可能不等于c這個角度來考慮問題，如果c＇和c有較大的差異，則可能導出引力波的強度比根據愛因勞動保護坦理論預言的強度弱得多的結果。
弱力、強力與引力、電磁力有本質的不同，前兩者是短程力，后兩者是長程力。不同的相互作用是通過傳遞不同的媒介粒子而實現的。引力相互作用的傳遞者是引力子；電磁相互作用的傳遞者是光子；弱相互作用的傳遞者是規范粒子（光子除外）；強相互作用的傳遞者是介子。引力子和光子的靜質量為零，按照愛因斯坦的理論，引力相互作用和電磁相互作用的傳遞速度都是光速。并且與傳遞粒子的靜質量和能量有關，因而其傳遞速度是多種多樣的。
在研究由弱或強相互作用引起的物質運動時，定義慣性系中不同的地點的兩個“事件”的“同時”，是否應該用弱力或強力信號取代光信號呢？我對核物理學和粒子物理學是外行，不想貿然回答這個問題。如果應該用弱力或強力信號取代光信號，那么關于由弱力或強力引起的物質運動的時空和關于由電磁力引起的運動的時空（x，y，z，ict）及關于由引力引起的運動的時空（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）
有很大的不同。設弱或強相互作用的傳遞速度為c＇＇，c＇＇不是常數，而是可變的，則關于由弱或強力引起的運動的時空為（x＇＇，y＇＇，z＇＇，Ic＇＇t＇＇），時間t＇＇和空間（x＇＇，y＇＇，z＇＇）將是c＇的函數。然而，很可能應該這樣來考慮問題：關于由弱力引起的運動的時空，在定義中應該以規范粒子的靜質量取作零時的速度c1取代光速c。由于“電弱理論”把弱力和電磁力統一起來了，因此有可能c1=c，則關于由弱力引起的運動的時空和關于由電磁力引起的運動的時空是相同的，同為（x，y，z，ict）。關于由強力引起的運動的時空，在定義中應該以介子的靜質量取作零（在理論上取作零，在實際上沒有靜質量為零的介子）時的速度c＇＇取代光速c，c＇＇可能不等于c。則關于由強力引起的運動的時空（x＇＇，y＇＇，z＇＇，Ic＇＇t＇＇）不同于（x，y，z，ict）或（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）。無論上述兩種考慮中哪一種是對的，整個物質世界的時空將是高于四維的多維時空。對于由短程力（或只是強力）引起的物質運動，如果時空有了新的一義，就需要建立新的理論，也就是說需要建立新的量子場論、新的核物理學和新的粒子物理學等。如果研究的問題既清及長程力，又涉及短程力（尤其是強力），則更需要建立新的理論。
1）對量子力學的審思
從量子力學發展到量子場論的時候，遇到了“發散困難”[6]。1946——1949年間，日本的朝永振一郎、美國的費曼和施溫格提出“重整化”方法，克服了“發散困難”。但是“重整化”理論仍然存在著邏輯上的缺陷，并沒有徹底克服這一困難。“發散困難”的一個基本原因是粒子的“固有”能量（靜止能量）與運動能量、相互作用能量合在一起計算[6]，這與德布羅意波在υ=0時的異性。
現在我陷入一個兩難的處境：如果采用傳統的德布羅意關系，就只得接受不合理的德布羅意波奇異性；如果采納修正的德布羅意關系，就必須面對使新的理論滿足相對論協變性的難題。是否有解決問題的其他途徑呢？我認為這個問題或許還與時間、空間的定義有關。現在的量子力學理論中時寬人的定義實質上依然是決定論的定義，而不確定原理是微觀世界的一條基本規律，所以時間、空間都不是嚴格確定的，決定論的時空要領不再適用。在時間或空間的間隔非常小的時候，描寫事情順序的“前”、“后”概念將失去意義。此外，在重新定義時空時還應考慮相關的物質運動的類別。模糊數學已經發展得相當成熟了，把這個數學工具用到微觀世界時空的定義中去可能是很值得一試的。
1）在二十一世紀物理學將在三個方向上繼續向前發展（1）在微觀方向上深入下去；（2）在宏觀方向上拓展開去；（3）深入探索各層次間的聯系，進一步發展非線性科學。
2）可能應該從兩方面去控尋現代物理學革命的突破口。（1）發現客觀世界中已知的四種力以外的其他力；（2）通過審思相對論和量子力學的理論基礎，重新定義時間、空間，建立新的理論
當人們用望遠鏡觀測銀河系以外的星系時，可以發現絕大多數星系光譜都存在紅移或藍移現象，并且越遠的星系其光譜紅移值越大。根據多普勒效應：星系光譜存在紅移說明星系正離我們遠去，星系光譜存在藍移說明星系正向著我們運動。需要指出的是越遠的星系紅移值也越大，看起來所有的星系都好象以銀河系為中心向外爆炸形成的一樣，越遠的星系離開我們的速度也越大。鑒于此有人提出宇宙大爆炸假說：認為宇宙是由150億年前發生的一次大爆炸形成的，人類居住的銀河系則是宇宙的中心。可是人們在觀測銀河系和河外星系時，卻并沒有發現銀河系有什么特別之處。有人據此懷疑宇宙大爆炸假說；也有人從星系的演化推算出宇宙的年齡大于150億年；還有人認為若宇宙大爆炸假說是正確的，那么宇宙輻射在各個方向上就會表現出各向異性；更有人擔心宇宙的膨脹沒有盡頭，遂認為宇宙的膨脹和收縮是交替進行的……。但不管怎樣，大部分人還是相信“眼見為實”，由星系光譜的紅移現象承認了宇宙大爆炸假說。更有人把紅移現象與宇宙背景輻射和宇宙元素豐度并作宇宙大爆炸假說的三大支柱。那么宇宙是否發生過爆炸并仍在向外擴張，年齡是否只有150億年呢？非也！
1．星系光譜紅移原因
20世紀初，當人們用望遠鏡觀測銀河系以外的星系時，發現絕大多數星系光譜都有紅移現象，并且越遠的星系其光譜紅移值越大。有人認為星系光譜紅移是因為星系正在離我們遠去，從而得出這樣的結論：所有的星系都是以我們銀河系為中心向外爆炸后形成的，越遠的星系離開我們的速度也越大；宇宙中所有的星系都在彼此分離，并且越遠的星系相互分離的速度越大。值得一提的是，我們銀河系正處在爆炸中心，足以值得我們自豪的是：銀河系是宇宙中獨一無二的星系—因為它是宇宙的中心。更讓我們驚奇的是，銀河系自身也在不斷運動著，然而無論它運動到哪里，它始終是銀河系的中心。我們解釋不了銀河系為什么是宇宙的中心，因為銀河系也和其它星系一樣，并沒有什么特別之處。有人以為，銀河系處于宇宙的中心是一個巧合，雖然銀河系從上個世紀至今一直在不斷運動，但它走過的距離和整個宇宙空間的尺寸比起來是微不足道的，所以銀河系目前仍然處在宇宙的中心，這種看法未免有些牽強。因為人們在觀測近處的星系時，發現近處的星系并沒有相互分離的趨勢，并且也沒有證據表明近處的星系正在以某一個中心為起點向外膨脹。因此“銀河中心說”頗值得懷疑。還有的人雖然承認宇宙大爆炸假說，但不承認“銀河中心說”，他們不認為銀河系是宇宙的中心。這種觀點同樣也是站不住腳的。我們可以這樣分析：如果宇宙大爆炸假說是正確的，那么宇宙中所有的星系必定在以某一個中心為起點向外膨脹，星系之間彼此互相分離。目前我們觀測到近處的星系并沒有相互分離的趨勢，并且也沒有證據表明近處的星系在以某一個中心為起點向外膨脹。倘若我們不是在宇宙的中心而是處于偏離宇宙中心的任一點處，因為在我們周圍的星系都沒有相互分離的趨勢，也沒有以某一個中心為起點向外膨脹，這樣一來，倘若宇宙中任一點處的星系都沒有相互分離的趨勢，那么整個宇宙也不可能在膨脹，即宇宙大爆炸假說是錯誤的。
前事不忘，后事之師。人類文明發展到今天，“地心說”和“日心說”都被證明是為科學，難道我們還要重蹈覆轍提出“銀河中心說”嗎？愚以為，我們應當承認這樣一個假設，那就是：銀河系按目前的速度運動下去，100萬年，100億年以后，我們仍然會發現自己處在宇宙的“中心”，無論我們處在宇宙的任何地方，中心也好，邊緣也好，我們都會發現宇宙中越遠的星系光譜紅移值也越大，就好象我們處在宇宙的“中心”一樣。事實上，這個“中心”是光子在宇宙空間中的傳播特性引起我們視覺上的錯誤，“眼見”未必“為實”，我們不能過分相信“眼見”的東西。
紅移現象是否由觀測者自身的運動引起的呢？不是的！如果紅移現象是由觀測者自身的運動引起的，那么我們將觀測到與我們相向運動的星系光譜將發生藍移而與我們相背運動的星系光譜將發生紅移，然而事實并非如此。再者，雖然我們“坐地日行八萬里”，但這個速度和光速比起來實在算不了什么，不至于影響觀測結果。換句話說，我們在觀測星系紅移值時，觀測者自身運動速度的影響可以忽略不計。紅移現象說明光子與觀察者之間的相對速度變小了。產生這種情況有兩種可能：第一是星系正離我們遠去，第二是光子在穿越宇宙空間時速度變小了。這兩種情況都可能導致星系光譜紅移。我們認為導致星系光譜紅移的原因是后者。光子在穿越宇宙空間時會與各種粒子(比如引力子)相互作用從而使其速度逐漸減小。當然單個粒子與光子作用時間極短，引起光子速度的改變量也是極其微小的，以致于我們觀測不到。隨著光子穿越宇宙空間距離的增大，與光子作用的粒子數目也逐漸增多，光子速度的減小量也越明顯。可以推測：光子在穿越一定的宇宙空間距離后速度將減小到零。由于光子速度為零故相對我們的能量也為零，這樣的光子當然不會被我們觀測到。可見用光學法觀測宇宙空間尺度時有一個極限：150億光年(也有人認為是200億光年)。在這個尺度以外的星系發出的光子由于在沒有到達地球時速度已經降低到零，所以這樣的星系不可能被我們觀測到，至少目前還沒有辦法觀測到。也有人認為，紅移現象是由光子頻率減小引起的，即認同第一種可能：認為星系正離我們遠去。這種觀點聽起來很有道理，卻經不起分析。我們知道，星系離我們遠去時會引起光子頻率減小，但各種不同頻率光子的頻率減小量應該相同，反應在星系光譜上，各種不同頻率光子的紅移量應該相同。因此，不論星系離我們多遠，星系光譜雖然發生紅移但不應該變寬，但事實上遠處星系光譜卻被拉寬了（星系光譜不會變寬是指星系光譜中任意兩條譜線的距離恒定，雖然它們都發生了紅移，但它們移動的距離相等，因此各譜線之間的距離不變）。而且能量越小的光子紅移值越大，能量越大的光子紅移值越小。不同頻率光子的頻率減小量不同，說明紅移現象不是由光子頻率減小引起的。即第一種可能站不住腳。假設宇宙中所有的星系都是靜止的，宇宙空間中的物質是均勻分布的，那么光子穿越宇宙空間時的速度衰減量僅與其通過的空間距離有關。光子穿越的宇宙空間越長，其速度衰減量也越大。這樣星系光譜的紅移值僅與其離我們的距離有關，離我們越遠的星系紅移值也越大，就好象越遠的星系正在以越快的速度離開我們一樣。這也正是哈勃定律所揭示的：星系遠離銀河系的速度ν與距離成正比，ν=H*D，其中H為哈勃常數。實際上宇宙中各星系都在不斷運動著，宇宙空間中的物質也并非均勻分布的，造成星系光譜紅移的原因也很多，所以光譜的實際紅移值要考慮許多情況。
2．譜線紅移與光子速度衰減
光子與宇宙空間中的粒子是如何作用的呢？可以設想，宇宙空間中存在許多比光子質量小得多的粒子(比如引力子)。由于光子在與粒子作用后仍然是光子，可以認為光子僅與粒子發生了彈性碰撞。既然是彈性碰撞，我們知道，二者質量越接近光子損失的能量越大。由于光子的質量遠遠大于引力子的質量，所以在不同頻率(質量)的光子中，頻率(質量)較小的光子損失的能量較大。于是經過同一段宇宙空間以后，在不同頻率(質量)的光子中，頻率(質量)較大的光子損失的能量較少，頻率(質量)較小的光子損失的能量較大，例如紅光損失的能量比紫光損失的能量多。由于不同頻率(質量)的光子在宇宙空間運動時都損失了能量，這樣整個星系的光譜將向紅端移動，但由于紅光損失的能量多向紅端移動的距離大，而紫光損失的能量少向紅端移動的距離小，于是整個光譜被“拉寬”了。如果不同頻率(質量)光子的能量損失率相同，雖然它們都產生紅移，但是它們紅移的距離相等，這樣星系光譜雖存在紅移但不會被“拉寬”，星系光譜存在紅移而且被“拉寬”說明兩點：第一光子在穿越宇宙空間時速度會衰減，第二不同頻率(質量)的光子速度衰減率不同。顯然，由于不同頻率(質量)光子的能量損失率不同，各種光子的速度衰減量差異將隨著空間距離的增加而增大，這樣星系光譜被“拉寬”的程度與其離我們的距離有關，離我們越遠的星系其光譜被拉寬的程度也越大。另外，星系光譜被拉寬時還有一個特點，那就是能量大的光子被拉寬的程度小，能量小的光子被拉寬的程度大。也就是說，越靠近紅端光譜被拉寬的程度越大，越靠近紫端光譜被拉寬的程度越小。考慮到星系引力場的影響，實際情況還要復雜一些。
上面我們談到光子在宇宙空間運動時速度會逐漸減小，這和人們熟悉的“真空中光速不變”的看法相矛盾。實際上宇宙空間并非真空，即使宇宙空間是絕對真空它還存在引力場。換句話說，光子在真空中速度變不變的問題，實際上是光子受不受引力作用的問題。如果光子不受引力作用，那么真空中光速不變，但這樣一來不論星體的引力再強，對光子都沒有影響，從而宇宙中也不可能產生“黑洞”了，而現在的黑洞理論基礎將不復存在；假如光子受引力作用，則就不應該有“真空中光速不變”的結論。有人對此這樣解釋：宇宙空間中各星體的引力分布在不同的方向上，它們的作用力相互抵消，因此光子在宇宙空間中的速度不變。這種解釋也是站不住腳的。我們知道在太陽系內，引力的方向是指向太陽的；在銀河系里引力的方向是指向銀河系中心的，所以局部的宇宙空間引力總是有一定的方向的。我們認為光子作為一種物質實體，它的速度并非一成不變的。無論在真空中還是在介質中，它的運動速度都會越來越小。所以，光速不變只是一個神話，光年也不能作為距離單位，因為光子在前一年中走過的路程總比后一年中走過的路程長。
3.光子在引力場中的運動
星光在通過太陽附近時會受到太陽引力的作用而發生彎曲，說明光子也會受到引力的作用。其實光子也有質量，當然會受到引力作用了。通常我們認為：引力場中物質的加速度僅與引力場的強弱有關，而與物質的質量無關。如在地球表面不管是1噸的物體還是1千克的物體，其每秒獲得的速度增量都是9.8米/秒。但引力場中光子的加速度與其質量有關：質量越小的光子加速度越大，質量越大的光子加速度越小。既然光子也受引力作用，那么很自然，光子在離開引力場時必然會被減速，在進入引力場時必然會被加速，在垂直于引力方向(或其它方向)運動時受引力影響其運動軌跡也會發生變化。既然光子在離開引力場時會被減速，而且質量越小的光子速度衰減量也越大，那么星體發出的不同頻率的光子就有不同的速度。一般而言，星體引力越強，其發出的光速度也越小；當星體引力足夠強時甚至可能使一部分光子擺脫不了星體引力的束縛，產生黑洞現象。對同一星體而言，在它發出的光中，質量大的光子速度大，到達地球的時間也越早；質量小的光子速度小，到達地球的時間也越晚。我們通常認為不同頻率的光同時到達地球，這其實是錯誤的。關于這一點我們可以用實驗來證實。當星體發生爆發或其它異常時，總是能量較大的X射線或γ射線先被我們觀測到，其次才是可見光，然后才是紅外線。雖然理論上如此，但在實際觀測中總有這樣或那樣的因素及別的解釋使大部分人不相信這一點。如果條件允許的話，我們可以用一個實驗來證實我們的觀點。在離我們很遠的宇宙飛船上以兩種不同能量的光子同時發出一種信號，這兩種光子的能量差異越大它們到達地球的時間差異也越大。實際上考慮到不同能量的光子在同一介質中的傳播速度不同，我們應該想到不同頻率的光子在真空中的傳播速度也不相同。由于光子在穿越宇宙空間時速度逐漸減小，并且質量小的光子速度衰減得快，可以想象，在經過一段相當長的距離以后，質量小的光子速度已經衰減到零而質量大的光子速度不為零，這樣我們就只能觀測到質量大的光子。若星體離我們更遠一些，則我們只能觀測到質量更大的光子……，隨著空間距離的增大，最終我們將看不到遠處星體發出的光，這個距離就是我們現在認為的宇宙極限--150億光年。人們在觀測宇宙時總有一個錯誤想法：由于真空中光速不變，所以不管離我們多遠的星系，只要足夠亮就可以被我們發現。事實上宇宙空間并非真空，光子在其中穿行時速度會逐漸減小，所以任何星系發出的光只能傳播一定的距離，也正因為如此，不管我們在宇宙中任何地方，始終只能看到有限的宇宙空間。換句話說，目前我們能夠觀測到的宇宙空間的尺度實際上是光子在宇宙空間中傳播的最遠距離。
4.光子在宇宙空間中的運動
實際上光子在宇宙空間運動時并不總是做減速運動。在光子離開星體時它要掙脫引力的束縛而作減速運動，當它脫離星體的引力場在空間自由運動時，也作減速運動；如果它進入另一個星體的引力場向著該星體運動時，就會在該星體的引力作用下作加速運動。光子就這樣減速--加速--減速--加速……不停地穿越宇宙空間，直到其速度為零。倘若星體離我們很近而引力又很小，從該星體發出的光速度衰減量不大，但進入銀河系時光子的速度增加量有可能很大，當光子的速度增加量大于其速度衰減量，或者說大于剛離開星體表面時的速度，在我們看來該星體光譜就發生了藍移。忽略距離因素，由于星體自身在不斷運動，這樣它相對銀河系引力場的強弱也可能發生變化，所以其光譜也可能有規律的發生紅移或藍移。通常情況下，宇宙空間對光子的減速作用總大于加速作用，所以星系的光譜以紅移的居多。
光子在引力場中速度變化的問題許多人恐怕不相信也不能理解。一些人認為光子沒有靜質量，況且光子是一種波，在引力場中的運動規律和宏觀物質不同。其實持這種觀點的人把光子神話了，弄的不可捉摸了。現在大多數人都接受了“黑洞”的概念，認為當一個星體的引力足夠強時甚至連光子也逃脫不了，因而是漆黑的一團。這里實際上指出了光子也會受到引力作用。既然光子也受引力作用，那么它在引力場中的加速與減速自然就可以理解了。稍后我們將看到，引力作用是造成衍射現象的重要因素之一。
5.類星體
一個很明顯的事實是：宇宙中離我們越遠的星體能量越大，通常類星體離我們的距離都在10億光年以上，并且遠處星體發出的光中能量較大的光子占有很大的成分。有人把這作為支持宇宙大爆炸的依據，認為：若宇宙中物質是均勻分布的話，則在我們銀河系或其周圍就應該有象類星體這樣的高能星體存在。為什么我們在近處發現不了類星體呢？一些人看見遠處的星體發出的光中含有大量的X射線或γ射線成分，就推測此類星體存在著目前尚不為我們知道的能量源。這種觀點未免有些片面。實際上宇宙中大部分恒星的能量都差不多，能量特別大的和能量特別小的只是極少數，恒星的能量呈中間多、兩頭少的分布態勢。從遠處的恒星發出的光，在經過漫長的宇宙空間以后，能量小的光子由于速度衰減率大而停了下來，不被我們觀測到；只有X射線和γ射線才能到達地球。所以我們觀測到該星體的光子中，X射線和γ射線占有很大的成分，以致于我們誤認為這類星體只向外發出X射線和γ射線。實際上這類星體也向外發射可見光和紅外線，但是可見光和紅外線由于速度衰減到零故我們觀測不到。這就導致我們觀測到極遠處的星體，其顏色通常是藍色或紫色，事實上可能和該星體的真實顏色相差極大。這說明我們看到的星體的顏色未必就是星體的真實顏色，星體的顏色是由其自身能量狀況和離我們的距離決定的，星體離我們的距離越大往往使其顏色中的藍色和紫色成分增加。另外，我們認為類星體離我們非常遠，是因為類星體的紅移值很大。也就是說我們沒有直接證據表明類星體真的離我們很遠。考慮到光子在引力場中的運動，我們知道：當星體的引力足夠大時，其發出的光子速度衰減量也較大，因而該星體的光譜也將發生較大的紅移。這就是說，引力因素也可以使星系光譜產生紅移。倘若星體引力足夠大又離我們很近，由于星體紅移值較大，往往導致我們認為該星體離我們很遠。舉例來說，假設有一個引力較大的星體處于銀河系的中心，由于該星體引力很強，導致它發出的光子速度衰減量極大，我們在觀測其光譜時就會觀測到很大的紅移值，根據該星體很大的紅移值我們就會認為它離我們非常遙遠，絕不會想到它就在銀河系中心。
如何解釋類星體離我們那么遠而其發射的X射線和γ射線又是如此強烈呢？只有兩種可能。第一，類星體的能量非常大，向外發出的X射線和γ射線非常強；第二，類星體離我們并沒有原先認為的那么遠，類星體光譜的紅移是由類星體的引力造成而并非由距離因素造成的。我們認為兩種因素都有。因為如果類星體離我們非常遠，那么我們觀測到其向外發出的X射線或γ射線就不可能很強；倘若類星體的能量不是很大，它的引力場也不可能很強，不足以使其光譜產生較大的紅移。這說明：星系光譜發生紅移可能是距離因素造成的，也可能是引力因素造成的，紅移值大的星體未必就離我們遠。那么，如何區別星體的引力紅移和距離紅移呢？對觀測者而言，由距離因素造成紅移的星體發出的光不可能很強，而由引力因素造成紅移的星體發出的光往往很強，特別是X射線或γ射線的成分多。類星體的發射光譜和吸收光譜的寬度不同，通常吸收光譜的寬度比發射光譜窄，為什么呢？我們知道，吸收光譜是由于光子經過大氣后產生的，這說明類星體周圍也存在氣體。光子從高溫星體內部發出以后，總會有一部分光子沒有被氣體吸收而直接射向宇宙空間，這些光子形成發射光譜；還有一部分光子在與氣體作用后，頻率（質量）大的光子損失的能量大，頻率（質量）小的光子損失的能量小；光子離開類星體在宇宙空間中運動時，則是頻率（質量）大的光子損失的能量小而頻率（質量）小的光子損失的能量大，總的看來各種不同頻率的光子速度差異減小，所以其光譜紅移值也較發射光譜小。實際上類星體的吸收光譜還可能有幾種不同的寬度。
6.黑洞與星體引力
最初在人們考慮黑洞時，認為它的引力強到連光子也逃脫不了，因而是漆黑的一團，黑洞是宇宙中物質的墳墓。后來人們認為黑洞可以向外發出X射線和γ射線。同樣是光子，能量大的可以逃脫，能量小的逃脫不了，說明(黑洞的)引力對光子的作用是不一樣的。事實上我們知道當星體的引力逐漸增強時，總是質量較小的光子逃脫不了，質量較大的光子則可以擺脫星體的引力，并不是所有的光子全部被吸入星體中。所以從這個意義上來說，狹義上的黑洞僅指引力強到可見光不能脫離的星體，即在可見光波段觀測不到的星體；廣義上的黑洞指引力強到使一部分光子不能脫離的星體，即在某一能量較小的波段觀測不到的星體，這里廣義上的黑洞甚至可能非常亮，可以被我們肉眼看到，但在紅外線波段或能量更小的波段卻觀測不到。從理論上講，“黑洞”并不黑，至少它可以向外發射X射線和γ射線或能量更高的光子，完全不向外拋射粒子的黑洞是不存在的。那么宇宙中黑洞存在嗎？當然存在了。當星體離我們足夠遠，以致于該星體發出的紅外線速度衰減為零而不被我們觀測到時，它就像一個“黑洞”；若星體離我們再遠一些，可見光不再為我們觀測到，只能觀測到X射線和γ射線，這時它就是漆黑的一團，成為名副其實的黑洞；而宇宙中150億光年以外的星體對我們來說是完全徹底的黑洞，因為我們完全觀測不到它們。除了因空間距離造成“黑洞”現象以外，星體的引力也可以造成黑洞現象。黑洞現象并不是我們原先想象的那樣：“當星體的引力足夠大時，所有的光子都被吸入星體中，整個星體變成黑暗的一團”。當星體的引力逐漸增大時，它對光子的束縛作用也逐漸增強。星體的引力足夠大時，紅外線光子將擺脫不了星體引力的束縛，而可見光、紫外線則可以擺脫星體引力的束縛；星體的引力再增大時，可見光將擺脫不了星體引力的束縛，而紫外線則可以擺脫星體引力的束縛；若星體的引力再增大，可能只有γ射線放出。應該明確指出：黑洞現象是與星系光譜的紅移緊密相連的。若某一星體的光譜不存在紅移現象，則它一定不是黑洞；若某一星體的光譜存在紅移現象，則它可能是黑洞也可能是距離因素造成的。
總的來說，我們對黑洞的認識經歷了三個階段：第一階段認為黑洞的引力足夠強，所有的光子都不能擺脫黑洞的引力，因而整個星體是黑暗的一團；第二階段認為黑洞可以向外發出強烈的X射線或γ射線，人們認識到黑洞的引力對不同能量光子的作用不同；第三階段也就是現在正在探索的階段。應該明確指出：與黑洞現象緊密聯系的因素有兩個，引力因素和距離因素。以往我們在考慮黑洞現象時往往只考慮引力因素而忽略了距離因素，這就導致我們認為整個宇宙空間僅有150億光年，對150億光年以外的宇宙空間，認為看不見的就是不存在的。
7.恒態宇宙
也許有人會問，既然光子的速度能夠降低到零，那么宇宙中會不會堆積越來越多的光子呢？不會的！光子作為物質的一種存在方式，它不是永恒的，在一定條件下光子可以轉化為別的物質，也就是說光子是有一定壽命的。任何一個光子不可能永遠存在下去，它必將轉化為別的物質形式。宇宙中的物質無時無刻不在運動，所以宇宙中不會堆積越來越多的光子。雖然我們目前并不知道光子是如何轉化為別的物質的，但我們依然相信整個宇宙是穩定的、恒態的，而局部宇宙則可能是不穩定的，處于演化過程中的。同樣的道理，整個宇宙也不會被光子均勻照亮。由于光子在宇宙空間中運動時速度逐漸減小，所以任何星體發出的光只能傳播到有限遠處。也正因為如此，我們所觀測到的宇宙始終是有限的。如果想觀測更遠的宇宙空間，一個方法是派出宇宙飛船，另一個辦法是在宇宙空間中建立許多中轉站，在光信號速度未衰減到零以前接受、放大、轉播它。理論上講，只要中轉站的數量足夠多，我們就可以看見任意遠處的宇宙空間。
8.浩瀚宇宙
假設我們能夠乘座一艘高速飛行的宇宙飛船遨游太空，在剛離開地球時，我們可以觀測到150億光年的宇宙，離我們越遠的星體其紅移值也越大，遠處的星體放出強烈的X射線或γ射線。隨著我們飛行距離的增大，我們會發現銀河系的紅移值越來越大，并且其顏色逐漸偏藍，而原先我們觀測到呈藍色或紫色的星體顏色逐漸偏紅，最終銀河系將消失在我們的視野之外。當我們飛到離銀河系150億光年的地方，我們發現展現在我們面前的宇宙范圍仍然有150億光年；而原先我們認為正在以很大速度分離的星體或膨脹的宇宙空間并沒有膨脹。無論我們飛到哪里，始終只能看見150億光年的宇宙空間，也始終能夠看見150億光年的宇宙空間，宇宙是無限的；并且我們始終是宇宙的“中心”，因為所有的星體看起來所有的星體都好象以我們為中心向外爆炸形成的一樣，越遠的星系(紅移值越大)離開我們的速度也越大。我們認為，宇宙是無始無終的，物質的存在是永恒的，對某一特定的物質形態有其產生和消亡的過程，但整個宇宙不存在產生和消亡的過程，它是自始至終存在并且不會消亡的。同時也應該看到，宇宙是無限的，不會僅僅只有150億光年的空間。
從上個世紀以來，人們已經探索到了上百億光年的宇宙空間，然而這只不過是蒼海一粟。也許還要幾十年甚至上百年人類才能認識到宇宙的無限性，但只要天下有志之士攜手合作，這一天定會早日到來。
二、淺談光的衍射
通常情況下光總是直線傳播。但當光線經過足夠窄的窄縫時將形成明暗相間的衍射條紋。由于光子不帶電，在電磁場中不偏轉，所以光子的衍射不是電磁力作用的結果，而是引力子與光子作用產生的。光子與引力子作用不是一個簡單的碰撞過程，而是一個極為復雜的過程。在光子與引力子相遇的一瞬間它們形成一個混合體，這就打破了結合前光子內部各部分的平衡，混合體內部存在著排斥力和凝聚力兩種作用。若排斥力占主導作用，則混合體將在極短的時間內“裂變”放出引力子；若凝聚力占主導作用，則混合體將形成一個新的光子。那么滿足什么條件的混合體(光子)才是穩定的呢？經典電磁理論指出：所有光子的能量均為某個最小能量的整數倍。也即所有光子的質量均為某個最小質量的正整數倍，只有這樣的光子才能穩定存在。當然這并不表明能量為某個最小能量的非整數倍的光子就不存在，只不過由于它們極不穩定，在形成后瞬間就“裂變”生成能夠穩定存在的光子，目前我們還沒有觀測到或注意到這類光子罷了。從這里我們可以看出，與原子核一樣，所有光子的質量均為某個最小質量的正整數倍，說明光子也有一定的內部結構，某些質量的光子由于極不穩定，在其形成后瞬間就“裂變”生成能夠穩定存在的光子，這就造成穩定存在的光子質量的不連續。言歸正傳，由于引力子質量遠遠小于光子的質量，所以光子不可能吸收一個引力子形成新的光子(因為這樣的光子是不穩定的)。但是若在同一時刻，光子與許多引力子相互作用，而這些引力子質量之和又大于最小光子的質量，光子就有可能吸收質量和等于最小光子質量的引力子數目而形成新的光子。舉例來說，若最小光子的質量是引力子質量的10萬倍，那么當同一瞬間有15萬個引力子作用于光子時，光子只可能吸收10萬個引力子，另外5萬個引力子不被光子吸收，僅對光子產生微小的沖量。倘若在同一瞬間有9萬個引力子作用于光子,那么這9萬個引力子都不會被光子吸收，它們僅對光子產生微小的沖量。光子可能吸收的引力子數目只可能是10萬的正整數倍。只有光子吸收引力子形成新的光子才能全部吸收引力子的沖量，否則的話，光子僅受到極小的沖量。
現有一個寬度為α的窄縫，絕大多數光子經過窄縫時雖然與許多引力子作用，但大多不會形成新的光子，這樣大部分光子僅以極其微小的發散角投射到屏幕上，形成寬度略大于α的中央亮紋。由于衍射條紋是對稱分布的，所以我們只討論一半。拿中央亮紋以上的條紋來說，這些條紋是由縫中心到縫頂部經過的光子偏轉形成的。從縫中心到縫頂部經過的光子，若吸收10萬個引力子則形成穩定的新光子，而新光子由于全部吸收了引力子的沖量因而向上發生較大的偏移，從而在屏幕上形成寬度為0.5α的第一條亮紋。從縫中心到縫頂部經過的光子，若吸收20萬個引力子則它向上的偏移量是第一條亮紋偏移量的兩倍，形成第二條亮紋。同樣形成第3條、第4條、第5條……第n條亮紋。中央亮紋以下的亮紋也是這樣形成的，并且中央亮紋的寬度約為其它亮紋寬度的兩倍。由于從縫中心到縫頂部引力逐漸增大，所以與光子作用的引力子數目也可能逐漸增多。假設在離開縫中心向上的極小位移處，在該處最多只可能有10萬個引力子與光子發生作用，那么經過該處的光子最多只可能偏移到第一條亮紋處。換句話說它最多只可能對第一條亮紋的形成做貢獻，對第2條、第3條、第4條……第n條亮紋都沒有貢獻。由此在向上某處經過的光子最多只可能吸收20萬個引力子，但也可能吸收10萬個引力子，故經過該處的光子對第1條、第2條亮紋的形成做出貢獻而對第3條至第n條亮紋都沒有貢獻……；從縫頂部經過的光子可能吸收10萬*1、10萬*2、10萬*3……10萬*n個引力子，所以從該處經過的光子對第1條、第2條、第3條至第n條亮紋的形成都有貢獻。這樣形成的亮紋亮度依次為第一條>第二條>第三條>……>第n條。若縫變窄，則在離開縫中心向上的極小位移處，光子最多可能有20萬個引力子，經過該處的光子對第1條、第2條亮紋的形成都有貢獻，這樣就減小了第1條、第2條亮紋亮度的差異。也就是說，縫越窄條紋亮度越向兩邊分散，縫越寬條紋亮度越向中央集中。當縫很寬時，條紋亮度幾乎全部集中在中央區域，兩邊的光子數幾乎為零。這就是我們看到的光的直線傳播現象。由于光子并不是一種波，其偏離直線傳播(衍射)現象是由引力子引起的，所以光的衍射現象與縫的寬度無關。物體在陽光下的陰影邊緣常常較模糊，這說明光子在經過物體表面時受到引力作用而偏離了直線傳播。理論上來說只要光子的運動方向和引力方向不在一條直線上，光子就會偏離原來的運動軌跡，并且引力場越強光子彎曲的程度也越大。星光在經過恒星以后通常會發生彎曲，有時我們甚至能夠看到星體后面的其它星體發出的光。
三、論電子結構與原子光譜現象
1.電子發光
原子是如何發光的？要弄清這個問題首先必須明白光子是由原子的哪一部分發出的。我們知道，原子是由原子核和核外的電子組成的，原子核的結合能很大，不可能發出光子，所以光子只可能是電子發出的。在化學反應中伴隨著電子的得失，常常有能量(光子)放出，光電效應、激光現象及其它一些實驗也證明了光子是由電子發出的，所以可以肯定原子發光其實是電子發出光子。既然電子可以放出光子，那么光子必然是電子的組成部分，或者說電子有一定的內部結構，光子是其組成部分之一；由于光子不帶電，說明電子內部電荷的分布是不均勻的，因為如果電子內部電荷是均勻分布的，則光子就應該帶電。原子中原子核和電子之間的距離很小，它們之間的靜電力很強，因為電子內部電荷分布不均勻，所以在原子核強大的靜電力作用下電子內部電荷將重新分布，甚至可能發生裂變，這就為電子放出光子創造了條件。當電子裂變放出光子后，它的各個組成部分結合的更加緊密，在適當的時候可能吸收一個光子，這就為電子吸收光子儲存能量創造了條件。而電子正是通過不停地吸收、放出光子來和外界交換能量的。稍后我們將看到，原子正是通過電子不斷吸收、放出光子來和外界完成能量交換的。一般來說，電子質量越大其內部各部分結合的越松散，在靜電力作用下越容易發生裂變；電子質量越小其內部各部分結合的越緊密，在靜電力作用下越不容易發生裂變。與原子核“幻數”相似，總有特定質量的電子的結合力相當大，比其它質量電子的結合力大許多，這些特定質量的電子往往對應于某些穩定的軌道。
有人認為物質發光是由于物質中的原子或分子受到擾動的結果，認為光子是由原子或分子發出的。其實這是一種錯誤的看法。我們知道，原子是由原子核和核外電子組成的，光子是一種物質實體，或者是由原子核發出的，或者是由電子發出的，除此以外再沒有別的選擇。說光子是由原子發出的，這是一種不確切的說法。
2.原子核和電子之間的磁力作用
兩個相距一定距離的異種點電荷在靜電力作用下必然會吸引在一起，因為靜電力作用在兩點電荷連線上。而原子核和電子不會吸引在一起。這就啟示我們在原子核和電子中必然存在一種其它作用力。這個力就是原子核和電子之間的磁力。我們知道，在通以相同方向電流的兩條平行導線間會產生磁力作用，在磁力作用下它們將彼此吸引，原子核和電子的相向運動正相當于通以相同方向電流的兩條平行導線，在它們之間也將產生磁力作用。靜電力的作用總是使電子獲得指向原子核的向心速度，而原子核和電子之間的磁力則使電子獲得切向速度，并且原子核和電子之間的相對速度越大，它們之間的磁力也越大。當原子核和電子之間彼此相對靜止在一定遠處時，在靜電力和磁力的共同作用下，它們并不會吸引在一起。因為靜電力使電子獲得向心速度，磁力使電子獲得切向速度，電子并不是沿著直線靠近原子核，而是沿著螺旋線靠近原子核。開始時螺旋線的半徑為無窮大，電子作直線運動；一旦電子相對原子核的速度不為零，磁力開始起作用，電子的運動軌跡開始發生彎曲；當電子與原子核靠近到一定的距離時，電子和原子核之間的靜電力恰好等于電子作圓周運動所需的向心力，此時電子處于平衡狀態，螺旋線變成了圓。同樣在電子離開原子核時也是沿著螺旋線運動的。在靜電力作用下，電子總要盡量靠近原子核，在磁力作用下，電子有遠離原子核的離心趨勢，正是在這兩種力作用下，電子處于穩定的平衡狀態中。電子在原子核中處于穩定狀態時，它的軌跡是圓。因為當電子的軌跡不是圓時，它總要受到磁力的作用，這個力使電子的切向速度增加、運動軌跡向圓靠近。而電子受磁力作用時它的運動軌跡就要發生變化，就不是穩定的，只有當電子的軌跡是圓時才不受磁力的作用，所以說電子在原子核中的穩定軌跡是圓。太陽系中的行星在太陽引力作用下，其運動軌跡可以是圓或橢圓，但在原子系統中，電子在原子核靜電力作用下，其穩定軌跡只可能是圓而不可能是橢圓。
3.基態電子的穩定性
處于基態的電子為什么是穩定的？為什么不會被原子核吸收？人們通常認為：做加速運動的電荷會向外輻射能量.如果電子在原子核中做圓周運動，則它就有加速度，必然會不斷地向外輻射電磁波，隨著電子能量的減小它將沿著螺旋線落入原子核中，這樣整個原子就是不穩定的，然而事實并非如此。于是人們推測電子在原子核中不可能做圓周運動。我們認為以上推斷是錯誤的，電子的確在原子核中做圓周運動，其理由如下：第一，電子輻射電磁波并不是一個只出不進的過程。電子時刻不停地向外輻射能量，也在時刻不停地吸收光子，這是一個動態平衡過程。如果電子吸收的能量大于其輻射的能量則原子的溫度升高，如果電子吸收的能量小于其輻射的能量則原子的溫度降低，倘若沒有外界能量輸入，原子總會由于向外輻射能量而降低溫度，只要物體的溫度在絕對零度以上就會向外輻射電磁波。第二，電子在原子中的質量并非一成不變的。一般而言，電子離核越近質量越小，離核越遠質量越大(這一點我們稍后證明)。第三，電子和原子核之間并非只有靜電力作用，還存在磁力作用。正因為磁力作用的存在使電子在靠近原子核時切線速度不斷增大，從而使其離心力逐漸增大，以致于可以與靜電力抗衡維持電子在原子核中的穩定。
這里需要我們證明隨著電子離核距離的減小，離心力的增加速度大于靜電力的增加速度。設電子穩定時質量為M，速度為V，與原子核相距R，原子核電量為Q，此時靜電力F正好等于電子作圓周運動的向心力，
離心力大于靜電力，所以此時電子作離心運動，將回到距核R的軌道上。同樣當電子受到遠離原子核的擾動后，靜電力F大于電子作圓周運動的向心力，電子將向原子核運動，最終要回到距核R的軌道上，這里不再證明。
另外我們認為，做加速運動的電荷會向外輻射電磁波這個提法不夠確切，應該說做加速運動的自由電荷會向外輻射電磁波，而電子在原子核中做圓周運動時不會向外輻射電磁波。兩者有什么區別呢？我們知道，在原子核和電子結合成原子的過程中要向外放出能量，即自由電子要在原子核靜電力作用下裂變放出光子才能夠成為原子中的電子，原子中的電子和自由電子是有區別的。自由電子的質量大于原子中的電子的質量，自由電子各部分結合得較為松散，受到外界擾動(有加速度)時會向外輻射電磁波；而原子中的電子質量小，各部分結合得較為緊密，受到外界擾動(有加速度)時未必會向外輻射電磁波，只有當外界擾動(加速度)足夠大時才會裂變輻射電磁波，所以電子可以在原子中做圓周運動而并不向外輻射電磁波。
4.穩定軌道的形成
對于處于基態的電子來說，每秒會有許多光子與其作用。這些作用有指向原子核的，也有指向核外的。電子在吸收一個或幾個光子以后質量增加，形成新的電子。我們先考慮指向核外的擾動。設電子在吸收一個或幾個光子以后質量增加為M+Δm，與原子核相距R+Δr，我們知道，一定質量的電子總有與一條特定軌道與之對應，比如電子的質量為M時其軌道半徑為R，那么當電子質量為M+Δm時就可能停留在半徑為R+Δr的軌道。但這里我們少考慮了一個條件，那就是質量為M+Δm的電子的結合能。我們知道電子在每秒內會受到許多光子的擾動，假設質量為M+Δm的電子運行在半徑為R+Δr的軌道上，若它受到一個指向原子核的擾動，離核距離變為R+Δr-r，此時原子核靜電力對它的作用增強，若它的結合能小的話則電子立即裂變放出光子重新回到其原來的軌道R上；如果質量為M+Δm的電子內部的結合能非常小，以至于受到微小的擾動時立即裂變放出光子，那么它在半徑為R+Δr的軌道上停留的時間也趨近于零，換句話說半徑為R+Δr的軌道根本不存在；如果質量為M+Δm的電子內部的結合能非常大，以致于受到很大的擾動時它才裂變放出光子，那么電子就能夠在半徑為R+Δr的軌道上停留一段時間，這段時間就是原子的平均壽命。假設有一群電子處于同一激發態，由于每個電子受到的擾動情況不一樣，有的電子受到的擾動大有的電子受到的擾動小，而只有電子受到足夠大的擾動并運動到離核足夠近的地方才會裂變放出光子，所以電子裂變回到基態的時間也不一樣。處于同一激發態的原子的平均壽命和兩個因素有關：一是電子的結合能，二是電子受到的擾動。電子內部的結合能與原子核“幻數”相似，只有特定質量的電子的結合能才是很大的，所以電子的軌道也是特定的、不連續的，其它質量的電子由于結合能很小，裂變時間極短，所以它們不可能穩定停留在原子中，也形成不了穩定軌道甚至根本就沒有軌道。我們再來考慮指向原子核的擾動。設電子在吸收一個或幾個光子以后質量增加為M+Δm，與原子核相距R-Δr，此時原子核對電子的靜電力增強，電子立即裂變放出質量為Δm的光子，由前面的證明我們知道，此時電子的速度增大，離心力大于靜電力，電子最終將停留在半徑為R的穩定軌道上。也許有人會懷疑，這樣看來電子可能存在的穩定軌道豈不是唯一的了？實際上由于電子在原子核外有幾個不同的穩定質量，所以它也有幾條穩定軌道，一定的質量總是與某一條特定軌道相對應。從這里我們可以看出，電子在原子核中的穩定軌道往往對應于電子結合能極大的質量，結合能小的質量由于在原子中不穩定因而不會形成穩定軌道。
5.電子結構與不同躍遷軌道
對于處于同一激發態的一群電子而言，設電子的質量為M+Δm，它們可能會有不同的躍遷軌道，放出的光子的能量(質量)也不同，但總是躍遷到離核近的電子放出的光子的能量(質量)大。電子從激發態回到基態的過程并不是先放出光子再回到基態，而是先回到比基態更近的地方放出光子然后才回到基態。當電子回到離核R-Δr處時，在靜電力作用下電子裂變放出質量為Δm的光子，此時離心力大于靜電力，電子將回到半徑為R的穩定軌道上。那么電子為什么會有多條躍遷軌道呢？這說明處于同一激發態的電子內部結構(結合力)不同，有的結合力大，有的結合力小，結合力小的光子在離核較遠的地方裂變，放出的光子能量也較小；結合力大的光子在離核較近的地方裂變，放出的光子能量也較大，電子的躍遷方式是由其內部結構決定的。同一質量的電子可能有多種裂變方式，再次向我們說明電子具有內部結構，在考慮原子光譜時一定要考慮電子的內部結構。處于激發態的電子在向基態躍遷時會發出光子；把原子的內層電子打掉以后外層電子會放出光子并向離核更近的軌道躍遷。這些現象啟示我們：電子離核越近質量越小，電子離核越遠質量越大。從這里也可以看出，電子質量越小其內部結合力越大。因為離核越近電子受到的靜電力越大，而電子能夠穩定存在說明其內部結合力越大。在同一個原子中，內層電子的質量小于外層電子的質量；同一個電子離核越近質量越小。
人們發射的人造衛星可以設定軌道，其軌道變化可以是連續的，但對原子核中的電子來說，其軌道變化則是不連續的。怎樣理解這一點呢？讓我們做一個假想實驗。把兩個帶異種電荷的點電荷放置在一定遠處，并且假定它們之間除了靜電力以外不在受到其它力的作用，則最終它們將互相吸引在一起。無論怎樣改變這兩個電荷的質量、電量，結果都是相同的。這說明：用宏觀電荷不可能模擬原子核和電子之間的作用力。說到這里，好事者馬上就會解釋，因為宏觀電荷物質波的波長極短而電子物質波的波長較大，所以用宏觀電荷不可能模擬原子核和電子之間的作用力。換一個角度來說，宏觀物質和微觀物質是有區別的，用宏觀物質不能模擬微觀物質。但區別究竟在哪里？一個是宏觀物質而另一個是微觀物質，這個解釋近乎無聊了。還是讓我們來仔細分析為什么用宏觀電荷不可能模擬原子核和電子之間的作用力。我們知道，在靜電力作用下，電子和原子核開始時相向運動，而后在磁力作用下沿著螺旋線相互靠近，正是由于原子核和電子之間的磁力使電子獲得了繞原子核運動的切向加速度，并使整個原子處于穩定狀態。那么，兩個宏觀點電荷之間的運動軌跡為什么是一條直線呢？這是因為宏觀電荷的荷質比遠遠小于原子核和電子的荷質比，在靜電力作用下宏觀點電荷獲得的最終速度也小得可憐，因此宏觀點電荷之間因相對運動而產生的磁力也微乎其微，近似于零。所以宏觀點電荷在靜電力作用下表現為相向運動，其運動軌跡接近直線。從這里我們可以得出這樣一個結論：雖然靜電力作用在兩個電荷的連心線上，但是僅在靜電力作用下，電荷的運動軌跡不一定就是直線，兩個電荷的荷質比越小，其運動軌跡越接近直線，反之則越接近曲線。那么，如果宏觀點電荷的荷質比足夠大甚至可以與原子核或電子相比時，是否可以用宏觀點電荷模擬原子核和電子相之間的作用呢？也不能！如果宏觀點電荷的荷質比足夠大，甚至可以與原子核或電子相比，那么這樣的兩個異種電荷在靜電力作用下會沿著螺旋線相互接近，最終會處于穩定狀態，但由于宏觀點電荷的質量不會發生變化，因此最多只能形成一條穩定軌道，而不可能象電子那樣在原子核中有多條穩定軌道。
在多電子原子中，各電子間有什么主要區別呢？有人認為離核越近的電子能量越低，越不容易失去；離核越遠電子能量越高越容易失去，但這還不是最主要的區別。多電子原子中各電子間最主要的區別在于它們的質量不同。離核越近的電子質量越小，離核越遠的電子質量越大，同一個原子中沒有兩個質量相同的電子存在。在氫原子中也是電子離核越近質量越小，離核越遠質量越大。
6.原子的吸收光譜和明線光譜
在原子的吸收光譜中，只有特定能量的光子才被電子吸收；在原子的明線光譜中，同樣也只能發出特定能量的光子。于是人們認為電子只能吸收或發出特定能量的光子。我們知道，只要物體的溫度在絕對零度以上，就會向外發射電磁波，物質的發射光譜是連續光譜。那么其它能量的光子是由哪一部分發出又是如何發出的呢？顯然還是由電子發出的，因為原子核不可能發出光子。當我們用電子束轟擊汞原子蒸汽時，可以發現當電子的能量為某些特定值時，汞原子強烈地吸收其能量；對于其它能量的電子汞原子只吸收其一部分能量。汞原子只吸收電子束的能量實際是汞原子中的電子吸收電子束的能量。可見，原子中的電子可以吸收各種能量(質量)，但對特定的能量(質量)吸收能力十分強。在原子的吸收光譜中，電子可以吸收各種能量的光子，只不過大部分光子被電子吸收后與電子的結合能并不大，受到微小的擾動后立即放出光子，由于該過程極短，所以當連續光通過原子蒸汽時，大部分光子被吸收后又很快放出，看起來似乎沒有與原子作用，只有極少數具有特定能量的光子與電子的結合力極大，這類光子被吸收后要保持一段時間才可能放出，故吸收光譜會出現幾條暗線。至于原子的明線光譜，與其說是明線光譜還不如說原子的發射光譜中有幾條線特別亮。這是因為處于激發態的電子比別的能量狀態的電子穩定，停留的時間較長，所以在一群原子中處于激發態的電子數目總比別的狀態的電子數目多，因而它們發出的光也更亮一些。事實上原子的發射光譜不僅僅是明線光譜，明線光譜只是原子發射光譜中極個別的具有代表性的光子，原子幾乎可以發出小于一定能量的任何光子。電子在原子中時刻不停地吸收各種能量的光子，由于電子與絕大部分光子的結合力都不大，所以電子也在時刻不停地放出各種能量的光子，因此物質的發射光譜往往是連續光譜。
許多人都認為原子只能吸收特定能量的光子，原子也只能放出幾種特定能量的光子，因為他們看到原子的吸收光譜中僅有幾條特定頻率的暗線，而子的發射光譜也僅僅是幾條特定頻率的明線而已。其實這種看法是錯誤的。我們不妨這樣分析，若原子只能吸收特定能量的光子，則只有特定能量的幾種光子對物體具有明顯的熱效應，并且每種物質的敏感光子不同。實際上并非如此。我們知道，紅外線具有顯著的熱效應，對任何物質都是如此。此外，物質的發射光譜是連續光譜，這也說明原子或分子的吸收（或發射）出的光子是廣譜性的。為了充分理解這個問題，需要作進一步的說明。現代物理學指出：氫原子吸收的光子能量只能是13.6/n*n電子伏（這里n取自然數），也就是13.6、3.4、1.5……電子伏，并且認為對于10電子伏、3電子伏這樣的其它能量的光子不會被電子吸收。我們認為：電子吸收的光子能量是連續的，對于10電子伏、3電子伏這樣的其它能量的光子同樣會被電子吸收，只不過電子吸收這些光子后，電子和光子的結合能不夠大形不成穩定的軌道，所以電子又很快放出該光子，由于作用時間極短，以致于我們誤認為電子沒有吸收光子。換一個角度來考慮，當大量的原子吸收了能量連續的光子時，由于大部分電子與光子的結合力都不大，所以這些電子在極短的時間內（設為t）就會裂變放出光子，而能量為13.6、3.4、1.5……電子伏的光子與電子的結合力很大，所以電子裂變放出光子的時間也很長，如果這個時間是100t，則電子放出相應的光子也比其它光子亮100倍；如果這個時間是1000t，則電子放出相應的光子也比其它光子亮1000倍……，這樣，在原子的明線光譜中自然就形成幾條特殊的亮線了。由此我們得出一個結論：在原子的發射光譜中，任意一條譜線的亮度與處于相應激發態的原子的平均壽命成正比，原子的平均壽命越長，譜線的亮度越大；原子的平均壽命越短，線的亮度越小。當然這有個前提，那就是被原子吸收的連續光譜中各種能量的光子是平均分布的。
7.熱現象的本質
由于電子時刻不停地受到光子的擾動，不斷地吸收各種能量的光子，也不停地放出各種能量的光子，所以電子在原子核中并不是處于穩定狀態，它的運動軌跡也不是正圓。一般來說，溫度越高，電子受到的擾動越大，其運動軌跡偏離圓形的趨勢越明顯；溫度越低，電子受到的擾動越小，電子的運動軌跡越接近圓(只有在絕對零度時，電子的運動軌跡才可能是正圓)。從這個意義上來說，原子模型可以看作是盧瑟福的行星模型和電子云模型的結合：溫度越高，原子模型越接近行星模型；溫度越低，原子模型越接近電子云模型(但在某一瞬間，電子在原子核中有確切的位置)。溫度的高低反映了電子偏離穩定軌道程度的大小，單個原子(分子)也有溫度。電子偏離圓形軌道的程度越大，表明該原子的溫度越高，電子裂變后放出的能量也越大。所以溫度升高時物體發出的電磁輻射向短波方向移動。對于溫度一定的物體來說，它內部包含了大量的原子，這些原子中的電子由于受到的擾動大小不同，它們裂變放出光子的質量也不同，但大致滿足正態分布，即發出的光子中能量特別大的和能量特別小的都是極少數。由前面的論述我們知道，電子在原子核中的能量大小并非定值：電子離核越遠電勢能越大，離核越近電勢能越小。與宏觀電荷一樣，電子的電勢能是其與原子核距離的函數，電子和原子核間的作用力服從庫侖定律。溫度越高，電子離核越遠，電勢能也越大，因而也越容易失去；溫度越低，電子離核越近，電勢能也越小，也越不容易失去。
什么是熱現象呢？這似乎是不是問題的問題。人們通常認為：熱現象是大量分子無規則運動的反映，溫度越高分子的平均速率越大，溫度越低分子的平均速率越小。果真如此嗎？我們知道，太陽時刻不停地向外拋射高能粒子，這些粒子的速度接近光速，宇宙中其它恒星也在不停地向外拋射高能粒子，所以在宇宙空間任何地方，都有許多高能粒子正在做雜亂無章的運動，這些粒子的速度通常都接近光速或亞光速。這樣看來宇宙空間的溫度應該很高(至少比恒星內部高)，宇宙空間應該是很明亮的。但事實上，宇宙空間是漆黑的一團，溫度只超過絕對零度一點。這說明粒子運動速度大未必溫度就很高，物體的溫度不是由組成它的原子(分子)的平均運動速度決定的。溫度升高，原子(分子)的平均速度增大。但反過來，原子(分子)的平均速度增大并不意味著溫度升高。我們知道，只要物體的溫度在絕對零度以上就會向外輻射電磁波，而物質向外輻射電磁波的原因是電子受到擾動后在靜電力作用下放出光子，并且光子受到的擾動越大放出的光子能量也越大，相應的物體的溫度也越高。從這個意義上來說，原子是儲存熱量的最小單位，單個原子也有溫度，因為它可以儲存熱能。但單個的帶電粒子如質子、電子在不受外界任何擾動時，即便速度再大也不會向外界釋放能量，因此它們都不能儲存熱能，因而也沒有溫度。應該看到，原子(分子)的高速運動所具有的能量僅僅是動能而不是熱能，和宏觀物體一樣，速度大未必溫度高。宏觀物體的速度與其溫度無關，原子(分子)也是如此。一個原子(分子)的速度比其它原子(分子)的速度大，只能說明它的動能大，儲存的熱能未必就多。熱能僅儲存于原子核和電子形成的原子體系中，兩者中缺少任何一個都不能儲存熱能。在日常生活中我們用紅外線(微波)加熱而不用紫外線，紫外線的熱效應遠遠小于紅外線(微波)。這是因為紅外線(微波)光子的質量小，和原子中電子的結合力大(包括內層電子)，而紫外線和原子中電子的結合力小(它幾乎不與內層電子作用)，所以紅外線往往容易被物體吸收，其熱效應當然比紫外線強。
再進一步考慮，什么是熱現象呢？熱現象和溫度之間有什么關系呢？我們認為：對一個物體而言，倘若它儲存了熱能它就有溫度，并且它儲存的熱能越多它的溫度就越高，反之則溫度越低；倘若物體沒有儲存熱能則它就沒有溫度或者說它的溫度是絕對零度；倘若物體不能儲存熱能，則用溫度來衡量該物體是沒有意義的。我們知道，原子是儲存熱能的最基本單位，原子的熱能實際上是儲存在電子中的。單獨的原子核、單獨的電子都不能儲存熱能，所以單獨的原子核、單獨的電子都沒有溫度。同樣的道理，光子也不能儲存熱能，它僅僅是熱能的載體，因為單獨的原子可以儲存熱能，所以單獨的原子有溫度，但由于單獨的光子不能儲存熱能，所以單獨的光子沒有溫度，不同能量的光子之間只有能量的差異而沒有溫度的差異，用溫度來衡量光子是毫無意義的。倘若光子也有溫度，則在太陽系中離太陽越近的空間溫度就應該越高，離太陽越遠的空間溫度就應該越低，事實上完全不是這么回事。
8.電子的質量-結合能曲線表
盡管肌體對應外部的感受系統繁多、各部分組織及器官復雜多樣,但這些神經系統進入腦內后布局合理、活動有序.如腦干中來自不同部位的7種神經系統,因運動和感受功能不同進一步細分為19個腦神經核,并分別對應于肌體各運動和感知組織及器官[4].這些神經核團或許運用振蕩頻率的差異進行功能分類或區域劃分.上述5部分假設模型基于以下的理由提出:首先,早在20多年前,德國的有關研究人員首先在貓的視皮層觀察到振蕩現象[8-9].之后,其他研究人員在貓、免、猴的視、聽、海馬等不同部位都發現了振蕩現象.實驗發現,神經元發出的脈沖并不隨機出現,而是和皮層局域的振蕩“同步”發放.這些振蕩波并不很規則,而更像一個隨手畫出的粗糙的波.當使用2個電極作記錄時,場電位還存在同位相振蕩現象[10-11].也有實驗表明,同步振蕩可以出現在大腦兩半球皮質之間[12].對于振蕩現象,許多人認為感覺通道中對同一物體的不同特征敏感的神經元,可能通過40Hz的同步振蕩把它們整合(捆綁)起來,形成一個完整的物體概念[13-20].Crick與科赫合作研究視覺意識時還將這一觀點進一步推廣,認為這些與γ振蕩(35~75Hz)同步發放,可能與視覺覺知的神經相關聯[21].近年來,運用功能磁共振成像(fMRI)等技術,神經同步振蕩現象在認知以及記憶等方面也有著廣泛的研究[22-24].其次,腦干中的復雜結構是神經解剖學一直未找到合理解釋的一個謎.位于腦干的網狀結構在神經系統中發揮的功能和作用,早在10多年前就已引起許多研究者的關注,他們中的大部分人認為:所有的感覺神經都有分支通向網狀結構,網狀結構對于“喚醒”大腦皮層的功能起重要的作用,所以網狀結構對意識起重要作用[25].現有的醫學教課書都將腦干稱之為神經中樞區域,分布于肌體全身的12對神經,包括視神經進入大腦后幾乎無一例外地終止于各自的一個神經核團,對于這些神經核團均稱其為特異結構或稱“疑核”.第三,長期以來,在醫療實踐中被習以為常的腦電圖測定中的某些怪現象,也可在本假設模型中獲得解釋.視網膜獲取的電信號經外側膝狀核振蕩后,形成的電波向外發送:眼睛一睜,15~25Hz的β腦電波立即出現;眼睛閉合,視網膜信號消失,神經核的振蕩也就停止,電波頻率重又回到8~12Hz的α波.而困倦或睡眠狀態,電波頻率就落在1~4Hz的δ頻率段[1],這是肌體對外的神經感受器停止工作后,其所對應的所有神經核團不再需要發送電波的顯著跡象.1~4Hz是肌體自身活動所形成的神經核發放的電波頻率段.電荷振蕩產生電磁波是物理學的基本特性之一,通過同步振蕩形成電波符合生物進化規律.人體從外部采集的大量信息,進入大腦后不再存在任何介質可用于電信號傳導.覆蓋在頂部的端腦與脊髓延伸的腦干之間,所有神經系統均不具備足以傳導大量信息的連接介質.信號的形成、傳遞和加工必須在生物學的范疇內考慮.而許多研究者在實驗和理論上提出的腦內信息多次傳遞折返形成意識的理論模型,明顯地違背生物學中細胞保持穩定這一法則,將意識研究引到不可知論之中.需要特別說明的是:視網膜就是一個接收電波(人類可接收的波長為380~780nm[6])信號的神經組織.本模型提出的腦干中“特性不明”的網狀結構接收電波信息只是換了個位置,僅是一個“同位等效”的邏輯推理,最終當然需要實驗加以證明.
2意識功能區感知神經活動原理及其物理學依據
從臨床實踐中已知,腦干網狀結構受到損傷會導致不同程度的意識障礙,甚至深度昏迷,一些鎮靜藥物就是通過阻滯該系統傳入通路而達到鎮靜[4].某些患者因腫瘤治療,為了處理腫瘤的惡性擴散,作為最后一種方案切除腫瘤所在的整個左半球大腦,沒有遺留下任何大腦皮層.手術導致了最嚴重的全面失語癥.但病人的核心意識未受損傷,不只是清醒和有注意力,有時還能使用手勢表達問題,主導情緒與當時的情景非常協調[26].
2.1網狀結構具有意識感知功能的擬合特性
腦干中的網狀神經結構不僅在解剖學上符合意識功能區的最佳位置布局選擇,而且其結構特點也非常有規律性:(1)神經元胞體形狀和大小各異,小的只有12~14μm,大的可達90μm,這些細胞被纖維分隔成許多小群,核團不易辨認.(2)纖維來源和走向縱橫交錯.(3)纖維聯系廣泛,平均每個神經元表面有7000~8000個突觸[4].網狀結構中的每個尺寸的神經細胞分別對應一個固定的電波頻率范圍起作用,正像視網膜中每個神經元可捕獲一種固定波長的光波一樣.網狀結構的布局形式非常擬合于同時接收不同頻率組合的電波信號.
2.2從視網膜接收到意識感知的信號轉換
為了證明意識和記憶是2個獨立的功能區,現以視覺系統的意識形成為例進行分析.視網膜上約有60種不同類型細胞,1億個左右視桿細胞和500萬個視錐細胞[1],眼睛一睜開,視網膜通過3條通路約150萬根神經節細胞的軸突每秒大約輸出1000萬bit以上的視覺信息[1],大量信息傳輸的下一站是外側膝狀核,之后沒有下一站,通過神經纖維介質傳導的電信號就此終斷.神經解剖中還有小部分纖維走向由視網膜出發后不經過外側膝狀核而與腦內上丘和頂蓋前區等組織相連,稱為視第2通路[6].這種信息通路很容易被理解為腦內各神經組織活動時起同步觸發器作用.大腦該如何處理視網膜源源不斷的信號,并最終形成視圖意識？外側膝狀核通過有節律(如25Hz)的振蕩活動將電信號進行整合,以特定頻率向外發送電波信號.電波進入意識感知區后,腦干部位的網狀神經結構中廣泛分布的大量12~90μm大小不同的神經元正好對應這一由視圖轉換后的電波信號,眾多獲得對應波長感知的神經元組合形成的綜合感受就是眼前的一幅圖景.這種視圖感知意識也可以看成從視網膜到腦干網狀結構的信號轉換和神經元功能轉換,相當于一種映射.外側膝狀核振蕩頻率25Hz是一個待定值,筆者采用電影發展史上的經驗數據,即電影放映速度從每秒16禎到24禎改進后,畫面的軸動(俗稱卓別琳動作)現象消失,動作變得流暢.外側膝狀核每隔40ms(1000ms/25)發送1次電波恰似一個速度開關,將自然界3×105km•s-1的光速(電磁波)轉換成生物學意義上的神經元的機械運動速度.外側膝狀核振蕩電波除了被網狀結構感知,同時也被大腦皮層記憶神經元接收.如果大腦皮層記憶神經元中已儲存了相同的視圖信息,則電波信號與記憶神經元之間因同頻諧振的特性使得記憶神經元被激活,即同頻諧振波幅疊加的物理學特性確保了發送信號與儲存類同信息的神經元達到了準確無誤對接.被激活的記憶神經元轉而又向外發送電波,皮層記憶神經元發送的電波信息讓意識區網狀結構神經元感知到曾經有過的體驗—–熟悉.如果電波信息完全是新的,即視覺畫面從未見過,則電波所含的內容成為新的一個記憶事件儲存.
3大腦皮層記憶神經元的信息儲存原理及其生物學依據
3.1基于模型假設的記憶信息儲存原理
生命誕生初期,記憶神經元的原始狀態可形象地認為“空白”.當意識感知到的電波同樣作用于“空白”神經元時,腦內的神經化學遞質與電波共同作用改變了神經元的結構,比如增加了許多樹突和樹棘,這就形成了神經元記憶儲存的最初架構.神經元的結構改變并不符合“生命活動的最高目標是保持結構穩定”這一鐵的規則,在電子顯微鏡下可以發現,一個單細胞的生命體也以最大的努力保持內部平衡以達到生命的延續.穩定和平衡是神經元的最大目標,也是生命活動的最大任務[26].被增生樹突樹棘的神經元處于不穩定狀態,恢復原狀的活動使神經元產生了與記憶儲存時類同的電波信號.初始階段,神經元活動強度較大,其產生的信號強度也大,所以剛形成的記憶很容易得到恢復,且回憶的準確度也高.隨著時間推移,神經元慢慢降低活動強度,產生的信號變弱,部分增生的樹突或樹棘丟失了,但電波的總體架構沒有變,能模糊記得某件事,而不那么準確.時間無限延長后,神經元恢復原狀的成功率增加,直至基本復原,我們小時候的大量記憶事件就是這樣被遺忘了.心理學上的記憶曲線變化規律符合神經元樹突樹棘增生和丟失的生物學機制過程,人類在實踐中歸納出的經驗是可以用科學的內在規律進行解釋的.被改變結構的神經元若再次受到同樣的意識電波作用,神經元的結構改變將被強化,多次被改變被強化就成了新的穩定結構.樹突棘具有可塑性,在學習過程中可能發生新的樹突棘[7].比如你新認識的朋友,再次相遇,二三次及以后的意識電波作用在同一神經元上,神經元會增加許多新的樹棘和分叉的樹突,甚至還發現與別的神經元新增加“突觸”,即一個神經元的軸突或樹突與后一個神經元的樹突形成突觸相連,因為新的記憶事件慢慢成為老的記憶事件后,信息的容量擴大了,記憶的細節豐富了,內容拓展了.大腦回憶的事件總是相關聯的內容一起出現,這是記憶神經元發放時,通過同步振蕩確保了以“突觸”相關聯的神經元在時間次序上起到先后排隊作用.此外,與原有事件相關的內容總是容易記住.心理學實驗中強調有意義的事件或關聯性的事件一起記憶效率更高就是這種生物學機制的作用.時間推移造成記憶模糊總是發生在細節內容方面,即樹突樹棘的丟失.記憶的初始架構非常重要,如大家知道一個人成長初期的啟蒙教育很重要,一個好的行為習慣也是從入門教育開始.這些被人們普遍認可的規律背后就是記憶神經元初始架構形成的不可改變性的生物學機制.
3.2記憶儲存的生物學依據
為了進一步解釋筆者的假設模型,從神經解剖學的角度比對神經元結構的許多固有特性,可進一步說明記憶儲存的生物學特性.一個胞體直徑5~150μm的神經元,平均表面約有6000~10000個棘[7],不同種類的神經元的樹突形態和大小各不相同、一般樹突從胞體的發起部較寬,其后分支和變細,長度不等,一般較短.樹突上最突出的特征是帶有大小不同的伸出物,稱為樹突棘,可呈細長形體、蘑菇形、粗短形等不同形狀.樹突棘極大地擴展了樹突與其他神經元形成接觸的機會,且在學習記憶過程中樹突樹棘會有數量和形狀上的變化[6].另外,20世紀70年代,紐約A1bertEinstein醫學院的Purpura等發現了樹突結構的重要的線索.他們用高爾基染色法研究智障兒童的腦,發現其神經元的樹突結構發生了明顯的改變.智障兒童的樹突上少了很多樹突棘,而僅有的少量樹突棘又異常細長.進一步觀察發現,樹突棘改變的程度與智力遲鈍的程度成正相關.Purpura指出智障兒童的樹突棘與正常胎兒的樹突觸棘非常相似[27].
3.3記憶信息處在不斷變化中
意識形成的電波結構組合每一單位時間都在變化,因此記憶神經元的結構也隨之變化.如果按照現代信息儲存概念,一個人一生中形成的天量數據幾乎很難用任何人造的設備可以完整儲存.自然進化恰恰在關鍵的時候出乎預料.記憶神經元的儲存方式與意識當下形成的電波,在電波的框架結構(電波頻率組合及次序)相似性上解決了難題.當后一個意識電波形成的框架結構與記憶神經元中已儲存電波的框架結構相似度比較高時,新的電波就在原有記憶神經元或神經元組合上找到了“歸宿”.新電波與原儲存電波之間的差異部分,通過樹突樹棘的增生就輕易地解決了記憶儲存的擴容.
3.4記憶信息的恢復原理
意識電波與記憶神經元之間運用物理學中的諧振原理很容易地解決了現代信息技術中很難解決的尋址速度難題.人們用無線收音機很容易在浩翰無邊的空間找到自己需要的廣播電臺,相同的原理,一個儲存了信息的神經元就是一臺固定頻率組合的收發機,下一次只要大腦中出現同樣的電波,對應的神經元就會立即動作—–接收,接收到的電波信息與儲存的信息不完全相同,故樹突樹棘又有新的變化;變化又產生了新的不穩定,之后神經元就轉為反對變形活動—–發送.用傳統的概念表述就是神經元被激活,被激活(被變形)的神經元一定會比其他神經元發放更高電位的信號.大腦的這種機制確保了意識的高效率工作,在茫茫人海中,無論你走到哪里,當你偶遇老同學時會不假思索地叫出對方的稱呼,并感知到老同學與你相處時的幾乎所有的經歷,此時意識概念和意識閃念都在起作用,如果相遇者是曾經戀愛過的男女朋友,此時或許你的心跳會突然加快,臉色跟著變化,肌體內形成的是一種意識體驗.就在見到老同學的當下,你的記憶神經元的儲存信息也在變化,比如老同學頭發白了,人老了.所以意識當下的電波結構在化學神經遞質的共同作用下,又一次對同一個單位的記憶神經元進行新的結構改變,如樹突或樹棘又在增加.而這次新增的記憶信息容易保存,原因就在儲存老同學的神經元早已成為一種新的穩定結構,不再向“空白”復原,這就成了永久記憶.
3.5記憶儲存與“小人圖”的關系
記憶神經元不僅儲存下大腦活動時的顯性意識,如你的所有生活經歷,它還儲存了肌體活動形成的固有的動作習慣信息(傳統上稱為無意識活動),應該稱為隱性意識.Penfield繪制的“小人圖”就是肌體各部位動作信息儲存的對應位置.“小人圖”中手和頭部,尤其嘴唇所占空間面積特別大[28],就是因為肌體在長期的生活經歷中過多地活動了這2個部位保留下來的記憶儲存.可以預言,一個因意外事故造成上肢被截,日后學會用腳干活,尤其學會用腳做針線活、彈鋼琴者,其“小人圖”中腳對應的皮層空間位置一定很大,而手則很小.個體成長期間學會走路、學會用筷子、用手與腳干各種高難度的事,均是經過長期反復練習后,動作對應的電信號被儲存到皮層記憶神經元,之后在日常生活中方可運用自如.跳水、體操等各種技巧性動作的運動員在極短的時間內將一個非常復雜的動作做得完美無缺,正是通過長期的訓練,這一連串動作電波組合被記憶神經元穩定地儲存下來,之后才能夠達到各關節協調自如.臨床實踐中,醫學專家已把意識與記憶的工作原理很好地運用在患者身上了.央視《走近科學》(2013-11-11)曾介紹北京武警總醫院神經科醫生運用大腦干細胞移植技術成功將一些下肢無法站立的腦癱患者治愈,并讓其學會走路.大腦干細胞移植并獲得增生確保了下肢運動神經形成的電信號有了儲存的位置.而帕金森疾病則是患者對應的記憶神經元功能降低,致使以往儲存的信息不能獲得穩定的發放.目前醫學上采用一種電子信號發生器—–電子藥,通過導線將一定的頻率信號送至大腦皮層相應位置,剌激記憶神經元,這種強制神經元工作的治療方法,在初期階段已顯示出非常好的效果.
4意識與記憶之間的互動關系
新課程教材版面設計圖文并茂，讓學生耳目一新，內容更貼近生活，聯系實際。例如，為了介紹、探討科學技術與社會的密切聯系，教材設計了“生活·物理·社會”欄目，讓同學們感受到物理既有趣又有用。
每一個物理概念都有相應的英文單詞表示，既促進了英語的學習，也加深了對概念的理解，還提高了學習的興趣。“work”、“time”的第一個字母“w”、“t”分別是功、時間的字母表示。
在講到“速度”時，課本上給出了獵豹追捕鹿與蝸牛緩慢爬行的圖片等；在各章前專設一頁，印有與本章內容相關的圖片。
又如活動“通過兩個透鏡觀察物體”，目的是讓學生去動手、體驗、觀察，從而揭開望遠鏡的神秘面紗。
另外，課本中還設計了許多讓學生便于操作的探究性實驗等等。教師靈活處理這些內容，都可以對學生學習物理起到積極的推動作用，提高了學習的興趣，從而達到很好的教學效果。
二、重視實驗教學
在教學中，筆者發現學生喜歡實驗，特別喜歡能自己親手做實驗。滿足學生這種迫切需要的心理，同樣是激發、培養學生興趣的一種有效方法。
新課程改革提倡自主、探究、合作的學習方式，這種學習方式是以學生為主體，以能力和素質的培養為目標，以關注學生的個性發展為特點，以探究性學習為主導的模式進行。這就要求我們在實驗教學中實施新的學習模式。
為了使實驗探究深入一層，更進一步，我們成立了學生專題探究實驗中心小組，把班級學生分成4個中心實驗小組，定期召開會議，布置任務，自主設計實驗方案。然后學生在教師的指導下進行實驗探究。
學生通過自主探究性的實驗，彌補了課本書刊上只有實驗結果的缺憾，自悟知識的個中真諦，自尋擺脫挫折達到成功的蹊徑，自謀解決實際問題的良方，更是培養了學生實事求是、嚴謹求實的科學精神，一絲不茍的科學態度和團結協作的科學作風，從而使學生初步掌握科學的研究方法，形成終身學習的意識和能力，培養了學習興趣。
三、采取新穎教法
雖然物理實驗生動有趣，但物理原理和計算卻顯得枯燥乏味。為了鞏固物理實驗培養起來的學習興趣，采用新穎有趣的教法，不但能引起學生的興奮感和愉，而且在這種氣氛下學生能牢固地掌握物理知識。
在教學中，教師要根據教學內容的特點，可以采取諸如自學輔導法、質疑答疑法、對比論證法、邊講邊實驗法、對抗賽法、聽題判斷法和物理游戲法等多種啟發式教學方法，這些方法都能收到較好的教學效果。
以對抗賽法為例，每章結束或臨近期中期末考試復習，都可以用此法，使枯燥乏味的復習變得生動有趣，而且通過這種方法復習的效果比題海戰術好得多。
比如每學完一章，教師事先擬訂好題目寫在投影上，然后布置學生課前準備，課上或組與組之間或男生與女生之間進行對抗賽。教師打出投影片之后，看誰答得又快又準確，在小黑板上記下各組的得分。
參與激烈的競賽和角逐，學生的那股興奮勁是無法用語言來形容的，這樣的教學效果是反復做題、講題所無法達到的。這種方法能考查學生思維的靈活性和敏捷性，使課堂氣氛異常活躍，學生的應變能力也能得到提高，學習興趣濃厚，知識掌握得牢固。
另外，這種方法還適用于基本概念、基本原理及物理計算的教學，可以收到事半功倍的效果。
四、開展科普活動
興趣是求知最大的動力，濃厚的學習興趣能加強學生學習的自主性，培養鉆研精神，開發創造能力，重視學生學習興趣的培養是調動學生學習積極性、開發學生非智力因素、提高教學質量的重要途徑之一。
在教學中開展科普活動，重視第二課堂，對于發展學生學習物理的興趣，具有重要的作用，還可以擴大學生的知識面，同時對學生的創新精神與實踐能力的培養也起到潛移默化的作用。現代科學技術發展呈現多層次多樣化的交叉發展趨勢，物理學是研究各種科學技術的基礎，與其他學科交叉滲透，在工業、農業、軍事、醫療、交通航天技術和信息技術等領域的應用不勝枚舉。為此，筆者在教學中結合國內外重大事件，收集圖書雜志、上網查詢并下載了大量有關物理學在現代科學技術方面的應用現狀及發展前景的專題資料，精心組織、篩選，每學年出6期科普專欄。該科普專欄設置在學校的走廊過道，學生課前、課后都能隨時觀賞到圖文并茂、通俗易懂的科普墻報。
如分別出過“納米技術”、“航天技術”、“物理學與載人飛船”等科普專刊，讓學生感到物理就在身邊，與我們現在和未來的生活息息相關，我們只有努力學習才能緊隨時代的步伐前進。這樣能激發學生較高層次的學習動機和探索科學的強烈愿望，使之保持學習物理的濃厚興趣。
五、提供成功體驗
所謂成功，即行為者達到了預定的目標或獲得了預期的結果。行為者一旦取得成功便會產生愉快的情緒和體驗。在初中物理教學中，成功意味著學生在學習上獲得進步和好評。因此，教師的表揚與肯定顯得格外重要，尤其是對那些學習有困難的學生，一次好成績的取得，教師的一句表揚和贊賞，或是一種信任的目光，都會給他們以無窮的力量，使他們興奮不已。教師對學生的評價應關注學生的發展，體現學生主體，尊重學生個體差異。
例如：為學生建立“檔案袋”、“文件夾”等。教師不僅要鼓勵成績優秀的學生更上一層樓，而且更要注重發展后進生的潛在能力，幫助學生建立“我可以學好”和“我能學得更好”的信心。教師應盡可能地給他們提供成功的機會，充分信任、尊重、愛護他們，善于發現，善于引導，對他們的點滴進步及時給予表揚和鼓勵，以堅定他們克服困難的自信心。
孔子說：“知之者不如好之者，好之者不如樂之者”。由知之到好之，再由好之到樂之，這是人的認識過程的三個“質”的飛躍，三層學習的臺階。當學生進入“知之”階段時，教師通過精心、刻意的引導和培養，形成學習物理的濃厚興趣，促使學生在物理學的殿堂里越學越有勁，樂此不疲地勤奮上進，在他們的面前鋪設一條永久輝煌的人生道路，敲開物理學中一些未知領域的大門，創造出最新的神話。
摘要：物理教學的核心是注重培養學生的能力，教會學生研究物理問題的方法，訓練學生的物理技能。初中物理教學是整個物理教學過程中的啟蒙教育，教師在教學中要根據青少年的心理和生理特點，激發學生學習物理的濃厚興趣。
關鍵詞：物理教學；興趣；創新能力
參考文獻：
[1]教育部.物理課程標準(實驗稿)[S].北京：北京師范大學出版社,2001.
[2]廖伯琴,張大昌.物理課程標準解讀(實驗稿)[S].武漢：湖北教育出版社,2002.
1．模型化
物理學科的研究，以自然界物質的結構和最普遍的運動形式為內容。對于那些紛繁復雜事物的研究，首先就需要抓住其主要的特征，而舍去那些次要的因素，形成一種經過抽象概括了的理想化的“典型”，在此基礎上去研究“典型”，以發現其中的規律性，建立新的概念。這種以模型概括復雜事物的方法，是對復雜事物的合理的簡化。而抽象概括和簡化的過程，也正是人腦對事物的思維加工過程。模型就是一種概括的反映，就是概念，亦即是一種思維的形式。
把握好物理模型的思維，是學生學習物理的困難所在之一。然而，在中學物理教學中，模型占有重要的地位。物理教學，首先是引導學生步入模型這個思維的大門，適應并掌握這種思維形式，具備掌握物理模型的思維能力。
2．多級性
任何一門學科，其內容都不會是孤立的存在，不可避免地會與其他學科有或多或少的聯系。在本學科內，一個物理問題的提出、解決，其后所牽涉到的問題，可能有許多個環節，問題的解決所經歷的思維過程，往往需要分作幾個過程、階段或幾個方面、幾步。須經歷分析、綜合的相互轉換，往復循環，逐級上升。本文謂此特點為物理思維的多級性。
一般說，物理思維的多級性，亦包括了模型的轉換。無疑，這種思維的多級性，要求更高的思維能力，這是對于思維能力培養的一次推進。而對于步入新階段學習的學生來說，是一個新的水平，也是對思維惰性的一個沖擊。從開設物理課開始，便須注意不斷地引導并培植學生發現新問題、解決新問題的敏銳能力，鼓勵學生勤于鉆研、深于追究的思維品質。
3．多向性
許多物理問題的解決，并不只有一種辦法。同一個問題，從不同的方面出發，用不同的方法，都可以得到同一個結果。
還有一些問題則不同，并不只有一個結果存在，需要作全面的分析。而解決這類問題所需要的思維過程，須是開放性的。即依據一定的知識或事實，靈活而全面地尋求對問題的各種可能的答案。這種特點，被稱作發散思維或求異思維。
求異、發散是思維的靈活性、廣闊性的體現，要求個體具有能從常規、呆板或帶有偏見的思維方式中解脫出來，把思維從曾經歷過的路上轉移開來，以探求新的解決辦法，又能從不同的角度、方向、方面去思考問題，用多種方法去解決問題。
而且，在思考中能靈活地進行分析和綜合的轉換，全面地把握問題，細心地權衡哪些思維是有利的，哪些思維是正確的。
4．表述的多樣性
物理問題的表達方式也是多種多樣的。例如表述物理規律，可以用文字敘述，也可以用公式表示，還可以借助于畫圖像。有些問題還可以用各種圖示。概念的表述，亦有類似的方式。每一種表述，都是一種語言，同樣是一種思維。
這種表述的多樣性，在解決問題的過程中，要求首先對思維的方法要加以選擇、優化。選擇和優化是對思維的批判性品質的表現，也是思維靈活性品質的表現。物理教學，就需培養學生選擇表述方式的意識，學會并掌握物理語言，準確地運用適當的語言思考、論述物理問題的習慣和能力。
5．思維的轉換
思維的轉換是物理思維的又一個特點。它要求個體及時地更換自己的思維方向，轉換思維的方式，改變語言表達方式，以更簡捷、有效的方式進行分析、綜合。研究對象的轉換、物理模型的轉換、物理模型和數學模型的轉換等是常見的。
思維的轉換，既是物理思維的特點，也是學生學習物理甚覺困難的又一所在。
思維的轉換，是思維的靈活性品質的體現，在物理教學中，需要有意識地培植這種品質。
6．假設與驗證
為著解決某一問題的思維，所必須經歷的步驟，一般說有如下四步，即發現問題、認清問題、提出假設、驗證假設得出結論。而其中的假設與驗證是思維過程的中心環節或關鍵環節。在解決有多種可能的問題時，結論與假設有關的，必須加以驗證。驗證假設的思維是人的認識深化的過程。驗證的方法，可以是間接的方法，即推理的方法，也可以是直接的檢查，即知覺的方法。但無論以怎樣的方法來作驗證，都直接地培養了學生思維的廣闊性和深刻性。
7．等效思維
等效方法的運用，是物理思維的又一個特點。所謂等效，即效果相同。例如矢量的合成分解、等效電路等屬之，都是簡化復雜問題的方法。把復雜的對象等效作一個模型，以便能夠應用已有的知識去處理。這種等效處理的方法本身，就是一種思維。
8.實踐性
物理知識的另一個特點是它與實踐的緊密聯系。許多知識是實踐觀察的總結。
一、要使學生認識到方法的重要性
1．學習方法是方法論的重要組成部分。我們的科學發展史既是記錄成果的歷史，也是研究方法、學習方法的歷史。物理學是一門很成熟的學科，特別是中學生學習的經典物理學部分。它所闡述的概念和規律是完整、深刻、系統的。充分體現了研究思想和方法的完善與正確。著名科學家們對自己方法論的評價遠比對科學成果的評價高得多。巴甫洛夫認為：“重要的是科學方法、科學思想的總結，認識一個科學家的方法遠比認識他的成果價值更大。”
我在自己的教學實踐中反復強調學生學習知識的兩重意義：一方面掌握知識本身，這是學習更高深知識的基礎。另一方面是要訓練自己的思考方法，這是繼續探求新知識的能力。在許多重要的概念和規律的教學中，創造條件讓學生在已有知識的基礎上沿著科學家已用過的正確思維方法，自己去思考，得出規律，以加強科學思想方法的訓練。
2．科學的方法是科學成果獲得的重要條件。要用實例使學生認識科學成果的獲得常與方法的突破有著密切的關系。著名的法拉第電磁感應定律發現之前，安培和科拉頓都做了與法拉第相同的實驗。只是科拉頓將電流計放在另一間，結果將磁鐵插入線圈后再去觀察電流計，沒有看到感生電流的產生，錯過了一個重要現象發現的時機。
3．要使學生認識正確的學習方法、科學的思維方法是科學世界觀的體現。正確的學習方法和科學的思維方法的形成過程是辯證唯物世界觀形成過程的重要組成部分。掌握正確的學習方法和思維方法對自己近期學習效果和未來成才都是極為重要的。
二、物理學習方法的指導
（一）掌握研究物理問題的基本方法
1．掌握觀察實驗的方法。要在演示實驗和分組實驗中注意引導學生掌握有意觀察。并養成綜合分析觀察習慣。
在觀察實驗現象時善于根據觀察的目的發現現象的特征，這才是有意觀察，然而不是所有的學生都會有意觀察。測試表明，未經過訓練的學生中能夠有意觀察實驗現象的約占10％—15％。例如：教師在課堂上做了一個試管裝水燒小金魚的實驗，讓同學們觀察，學生們看到水開了，小金魚還活著。然后教師發給學生每人一只試管，讓學生自己做這個實驗，結果85％—90％的學生將小金魚燒死了。這說明只有少數學生觀察中有意識地發現了現象的特征，火在試管上端燒上端的水開了，試管下端水溫度不高，所以魚才能活。此實驗證明水是熱的不良導體。可見有意觀察是需要培養訓練的。每次觀察實驗現象均要求學生說出看到了什么，說明什么，引導學生逐步養成有意觀察的習慣。同時又要引導學生觀察實驗現象的全過程，不僅看結果，還要注意觀察現象如何隨時間變化，注意現象出現的條件，邊看邊想，養成綜合分析的觀察習慣。
2．掌握實驗方法，提高實驗的技能技巧。
實驗是研究物理問題的基本方法，有計劃地對學生進行實驗設計思路和實驗技能技巧的訓練是非常重要的。
在中學物理教材中，實驗可分為物理量測量和規律的探索與驗證兩類。無論對科學家做過的但現在不能再現的探索性實驗，還是現在可做的演示實驗、分組實驗，我在教學中都注意實驗原理的分析和實驗設計思路的剖析，以便加強對學生進行設計思路和方法的訓練。盡量創造條件讓學生根據研究課題的需要獨立設計實驗，上好實驗設計方案討論答辯課。在分組實驗中，注意總結有獨到見解和實驗操作巧妙的學生的經驗，用以啟發提高其他學生的實驗技能技巧。
我將設計實驗的基本方法歸納為下面幾種：（1）平衡法。用于設計測量儀器。用已知量去檢驗測量另一些物理量。例如天平、彈簧秤、溫度計、比重計等。（2）轉換法。借助于力、熱、光、電現象的相互轉換實行間接測量，例如打點計時器的設計，電磁儀表、光電管的設計等。（3）放大法。利用迭加，反射等原理將微小量放大為可測量，例如游標尺、螺旋測微器、庫侖扭秤、油膜法測分子直徑等。
3．掌握理想化模型法。將復雜的物理過程、物理現象中最本質具有共性的東西抽象出來，將其理想化、模型化，略去其次要因素和條件，研究其基本規律，這是研究物理問題的重要思想方法。在中學物理中應用的理想化模型歸納起來有以下幾種：
①實體物理模型：質點、系統、理想氣體、點電荷、勻強電場、勻強磁場。
②過程模型：等溫、等容、等壓過程；勻速、勻變速直線運動；拋體運動；簡諧振動；穩恒電流等等。
③結構模型：分子電流、原子模式結構、磁力線、電力線。
指導學生掌握此研究方法時要特別注意指出理想化模型不是實際存在的事物，是有條件、有范圍、有局限性的抽象，所以在運用時就要十分注意其規律的適用范圍和運用條件。
4．掌握等效思想方法。等效方法是研究物理問題的又一重要方法。中學物理教材中體現出的等效思想方法有下面幾種：
①作用效果等效：力的合成與分解，速度、加速度的合成與分解；功與能量變化關系；電阻、電容的串、并聯計算。
②過程等效：將變速直線運動通過平均速度等效為勻速直線運動；將變加速直線運動通過平均加速度等效為勻變速直線運動；交流電有效值的定義；拋體運動等效為兩個直線運動的合成等等
總之，在學生學習掌握物理概念和規律的時候，還要將研究問題的重要思想方法揭示出來，以幫助指導學生掌握這些正確的思考方法。
5．掌握數學方法的應用。研究物理問題離不開數學工具，數學方法在物理上的應用很多，如比例，一次、二次函數方程，三角函數、指數、對數及正、負號，數學歸納法，求極值等等。
值得突出提出的是函數圖像在物理上的應用，用圖象描述物理過程和物理規律，在力學中有：S－t圖，V-t圖，振動圖象。熱學中有：P-V圖，P－T圖。電學中有：I-V圖。可以用圖象處理實驗數據，導出表示物理規律的函數式；可依據物理圖象求解物理量，對物理問題進行判斷論證。
以上所述為研究處理問題的五種基本方法。在平時章節教學中分散訓練，貫徹始終，總復習時可分專題總結歸納，以達到使學生條理清晰的目的。
（二）物理學習過程中的具體方法指導
掌握學習物理的正確方法才能提高學習效率和學習能力。我在平時教學中采用“單元自學研討式”教學法。力圖使課堂教學結構的設計有利于調動學生學習的主動性和學法的訓練。“單元自學研討式”教學方法在下面四個環節上下功夫，對學生進行有計劃的訓練和指導，使學生掌握正確學習方法，不斷提高自學能力。
1．自學質疑課。按照老師下發的單元教學計劃，在指定的課堂時間內進行自學，將自學中的疑難問題寫在質疑小本上交給老師。初期為了幫助學生質疑，在課堂上專門安排提問題競賽，促進思考。
2．討論研究課。由教師依據學生的疑點及大綱要求確定適當的討論題目，引導學生各抒己見，通過互相爭辯加強對基本概念和規律的理解。對于可以通過實驗研究的課題，引導學生根據研究課題設計實驗方案（方案中包括原理、器材選擇、實驗步驟、記錄表格和數據處理方法），經過討論和完善后，學生按自己設計的實驗方案動手實驗，并分析實驗記錄，處理實驗數據，得出實驗結論。這不僅發揮學生的想象力、創造力，而且對學生進行了科學研究方法的訓練。
3．教師精講課。此課將引導學生按照知識的邏輯關系整理單元知識（其中包括：概念、規律、方法），指導學生理解重點、難點知識，歸納總結掌握規律概念需要注意的問題。
4．習題課。針對分析解答各部分習題的關鍵，精選例題，用小組競賽的方法，對學生進行分析解決問題的思路方法和技巧的訓練。
（三）對學生學習過程中的自我評價的指導
準確的自我評價，可以不斷增強自我完善的自覺性，對掌握學習方法，提高學習能力有明顯作用。
1．促使學生養成自我評價的習慣，如組織小型競賽，課堂討論，問題答辯及單元測驗總結等。對學生提出正確了解評價自己的標準和要求。
1．模型化
物理學科的研究，以自然界物質的結構和最普遍的運動形式為內容。對于那些紛繁復雜事物的研究，首先就需要抓住其主要的特征，而舍去那些次要的因素，形成一種經過抽象概括了的理想化的“典型”，在此基礎上去研究“典型”，以發現其中的規律性，建立新的概念。這種以模型概括復雜事物的方法，是對復雜事物的合理的簡化。而抽象概括和簡化的過程，也正是人腦對事物的思維加工過程。模型就是一種概括的反映，就是概念，亦即是一種思維的形式。
把握好物理模型的思維，是學生學習物理的困難所在之一。然而，在中學物理教學中，模型占有重要的地位。物理教學，首先是引導學生步入模型這個思維的大門，適應并掌握這種思維形式，具備掌握物理模型的思維能力。
2．多級性
任何一門學科，其內容都不會是孤立的存在，不可避免地會與其他學科有或多或少的聯系。在本學科內，一個物理問題的提出、解決，其后所牽涉到的問題，可能有許多個環節，問題的解決所經歷的思維過程，往往需要分作幾個過程、階段或幾個方面、幾步。須經歷分析、綜合的相互轉換，往復循環，逐級上升。本文謂此特點為物理思維的多級性。
一般說，物理思維的多級性，亦包括了模型的轉換。無疑，這種思維的多級性，要求更高的思維能力，這是對于思維能力培養的一次推進。而對于步入新階段學習的學生來說，是一個新的水平，也是對思維惰性的一個沖擊。從開設物理課開始，便須注意不斷地引導并培植學生發現新問題、解決新問題的敏銳能力，鼓勵學生勤于鉆研、深于追究的思維品質。
3．多向性
許多物理問題的解決，并不只有一種辦法。同一個問題，從不同的方面出發，用不同的方法，都可以得到同一個結果。
還有一些問題則不同，并不只有一個結果存在，需要作全面的分析。而解決這類問題所需要的思維過程，須是開放性的。即依據一定的知識或事實，靈活而全面地尋求對問題的各種可能的答案。這種特點，被稱作發散思維或求異思維。
求異、發散是思維的靈活性、廣闊性的體現，要求個體具有能從常規、呆板或帶有偏見的思維方式中解脫出來，把思維從曾經歷過的路上轉移開來，以探求新的解決辦法，又能從不同的角度、方向、方面去思考問題，用多種方法去解決問題。
而且，在思考中能靈活地進行分析和綜合的轉換，全面地把握問題，細心地權衡哪些思維是有利的，哪些思維是正確的。
4．表述的多樣性
物理問題的表達方式也是多種多樣的。例如表述物理規律，可以用文字敘述，也可以用公式表示，還可以借助于畫圖像。有些問題還可以用各種圖示。概念的表述，亦有類似的方式。每一種表述，都是一種語言，同樣是一種思維。
這種表述的多樣性，在解決問題的過程中，要求首先對思維的方法要加以選擇、優化。選擇和優化是對思維的批判性品質的表現，也是思維靈活性品質的表現。物理教學，就需培養學生選擇表述方式的意識，學會并掌握物理語言，準確地運用適當的語言思考、論述物理問題的習慣和能力。
5．思維的轉換
思維的轉換是物理思維的又一個特點。它要求個體及時地更換自己的思維方向，轉換思維的方式，改變語言表達方式，以更簡捷、有效的方式進行分析、綜合。研究對象的轉換、物理模型的轉換、物理模型和數學模型的轉換等是常見的。
思維的轉換，既是物理思維的特點，也是學生學習物理甚覺困難的又一所在。
思維的轉換，是思維的靈活性品質的體現，在物理教學中，需要有意識地培植這種品質。
6．假設與驗證
為著解決某一問題的思維，所必須經歷的步驟，一般說有如下四步，即發現問題、認清問題、提出假設、驗證假設得出結論。而其中的假設與驗證是思維過程的中心環節或關鍵環節。在解決有多種可能的問題時，結論與假設有關的，必須加以驗證。驗證假設的思維是人的認識深化的過程。驗證的方法，可以是間接的方法，即推理的方法，也可以是直接的檢查，即知覺的方法。但無論以怎樣的方法來作驗證，都直接地培養了學生思維的廣闊性和深刻性。
7．等效思維
等效方法的運用，是物理思維的又一個特點。所謂等效，即效果相同。例如矢量的合成分解、等效電路等屬之，都是簡化復雜問題的方法。把復雜的對象等效作一個模型，以便能夠應用已有的知識去處理。這種等效處理的方法本身，就是一種思維。
8.實踐性
物理知識的另一個特點是它與實踐的緊密聯系。許多知識是實踐觀察的總結。
1.1研究對象傳統教學組：2006級臨床醫學專業206名學生；實驗改革組：2007級臨床醫學專業308名學生。
1.2實驗教學改革設計傳統教學組實驗課按照傳統的教學模式進行，在實驗課上由指導教師詳細講解相關理論知識和實驗步驟，或按步驟帶著學生進行實驗。實驗改革組采用改革方式進行教學實踐，針對開設的實驗，教研室制定了詳細的“實驗預習要求”，明確每一個實驗預習應達到的目標，并做出必要的書面回答，規定只有認真預習的學生，才能進入實驗室做實驗；在上實驗課時由指導教師檢查或抽查提問，檢查學生預習情況，并作為實驗成績的參考；結合對實驗預習的細化要求，指導教師在上實驗課時盡量壓縮理論講解時間。
1.3觀察項目及數據分析以“示波器的使用”實驗作為檢查指標，對兩組學生實驗課的課時分配、實驗操作及成績進行對比分析，對學生的實驗操作合格率、實驗成績等數據用統計學方法進行處理，P<0.05時，差異被認為有統計意義。
2結果
2.1課時分配情況分析傳統教學組教學中，教師講解實驗原理、儀器和步驟；實驗改革組教學中，教師的理論講解僅提示重點、難點和注意事項。兩組授課時間分配見表1。表1醫學物理學實驗教學改革課時分配
2.2實驗操作情況分析實驗操作情況見表2。教學改革組學生一次合格率提高了21.1%，χ2=20.74,P＜0.05；二次合格率和多次重做合格率均有下降，χ2值分別為33.38和4.37，P<0.05。說明實驗改革對實驗方法和技能掌握比傳統教學更好，學生能順利完成實驗操作。
2.3實驗成績分析實驗成績見表2。實驗改革組學生的合格率較傳統教學組提高0.5%，χ2=0.07，P＞0.05，無顯著性差異；而優良率提高16.9%，χ2=20.74，P＜0.05，兩組存在顯著性差異。說明雖然兩種教學方法中絕大部分同學都能基本完成實驗，達到合格水平，但是實驗改革組學生能更熟練地掌握實驗操作，更好地完成數據處理、分析、總結，達到優良水平。
3討論
在醫學物理學實驗中，傳統的教學方法是教師詳細講解或示教，學生按要求做實驗。由于教師認表2兩組學生實驗操作合格率與實驗成績注：P<0.05；在實驗成績中，“合格”≥60分，“優良”≥85分。
為學生不能通過預習掌握實驗原理、內容，并獨立完成實驗，因而耗費大量時間進行理論知識的講解；另一方面，教師的這種做法也使學生越來越依賴教師，喪失了學習主動性。
在醫學物理學實驗教改實踐中，采用了實驗預習要求，學生在課前有針對性地進行預習，教師對學生預習情況通過提問等形式進行檢查、記錄，利用獎勵機制給學生施加良好壓力，激發學生的主觀能動性[3]。學生在課前已基本掌握與實驗相關的理論知識，教師可縮短講授時間，給學生足夠的時間熟悉儀器、操作儀器，在實驗中培養并逐步提高觀察和分析實驗現象的能力以及理論聯系實際的獨立工作能力[4]。研究結果表明，實驗改革組教師講授時間縮短并未影響學生實驗的完成情況，且有更多的學生一次就成功完成實驗操作，比傳統教學組一次合格率增加21.1%；實驗改革組學生的實驗成績優良率大幅度提高，比傳統教學組學生提高16.9%。因此，教師應通過積極的心理暗示，引導學生建立積極主動的學習心態，逐漸培養起自學能力和獨立分析問題的能力[5,6]。學生從真正獨立地完成每一個實驗的過程中獲得扎實的知識，實現物理學實驗教學目的，通過對實驗現象的觀察、分析和對物理量的測量，學會運用理論指導實驗，用理論分析和解決實驗中存在的問題，加深對物理學理論的理解[7]。
另外，給予暗示者的權威性和受暗示者對給予暗示者的信任度，對暗示的結果有著非常重大的影響。教師在教學中需要不斷進行探索，不斷提高自身素質和教學業務水平，使學生能最大程度地感受到教師傳遞出的積極的心理暗示，使醫學物理學實驗教學改革措施能夠發揮更好的效果。
【參考文獻】
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醫學物理學100多年來對醫學發展起著重要的推動作用，其發展水平是醫學現代化的標志之一，例如醫學影像等技術為現代醫學提供了不可或缺的技術手段，是醫院現代化、信息化的核心內容。醫學物理學在醫療過程中對保障廣大患者的生命與健康起著重要作用。醫學物理學還為以影像和放療設備為代表的高新技術產業起源頭創新的核心推動作用，占據著全球每年大約1500億美元的銷售額，在有些國家已經成為國民經濟的支柱產業之一。
半個世紀以來，發達國家一直十分重視醫學物理學的發展，已經有廿五屆諾貝爾物理學獎的成果直接應用于醫學，說明物理學在醫學中的應用歷來受到重視，而有廿二位物理學家獲得了諾貝爾生理及醫學獎，說明物理學對醫學的推動作用。英美等國在很多大學都設有醫學物理學系，在醫療機構內設有醫學物理師制度，每百萬人口中醫學物理師的人數已經占到13人，在某些科室內，與醫生的比例已經達到1:1的水平。許多發展中國家例如印度、馬來西亞等國都有醫學物理學科和醫學物理師制度。
但是我國目前在國務院學位委員會制訂的學科目錄上尚未設立醫學物理學科，醫院內也沒有設立醫學物理師制度。目前在我國醫院內從事有關工作的人數大約700人左右，且多數是進行技術性輔助工作的，每百萬人口中的醫學物理工作者還不到0.5人。
這種狀況嚴重阻礙了我國醫學事業的發展、影響了我國醫院現代化的進程。雖然我國進口了大量的現代化醫療設備，由于沒有得到正確和充分的使用，使廣大患者得不到準確有效的診療，甚至受到不必要的輻射損傷等醫療傷害，造成非正常死亡。許多昂貴的醫療設備的功能沒有得到充分開發應用，造成資源浪費。
由于我國醫學物理學科發展嚴重滯后，形不成高精密醫療設備研發的創新源頭，影響了我國醫療設備產業的發展。雖經科技人員幾十年的努力，所研發的醫學影像和放療設備等，仍然只是市場的低端產品。
對發展我國醫學物理學事業的建議有以下幾個方面
1、增設醫學物理學一級學科
基于社會需求的緊迫性和我國現有工作的基礎，我們認為，在國務院學位委員會學科目錄上增設醫學物理學一級學科的條件已經成熟。在醫學物理學科的建立和發展的規劃中，要建立適合這個學科發展的環境，在所有相關環節中，核心是促進學科的建立和發展。
2、正式建立醫學物理師制度
蒸蒸日上的凝聚態物理學
自從80年代中期發現了所謂高臨界溫度超導體以來，世界上對這種應用潛力很大的新材料的研究熱情和樂觀情緒此起彼伏，時斷時續。這種新材料能在液氮溫區下傳導電流而沒有阻抗。高臨界溫度超導材料的研究仍是今后凝聚態物理學中活躍的領域之一。目前，許多國家的科學工作者仍在爭分奪秒，繼續進行競爭，向更高溫區，甚至室溫溫區超導材料的研究和應用努力。可以預計，這個勢頭今后也不會減弱，此外，高臨界溫度的超導材料的機械性能、韌性強度和加工成材工藝也需進一步提高和解決。科學家們預測，21世紀初，這些技術問題可以得到解決并將有廣泛的應用前景，有可能會引起一場新的工業革命。超導電機、超導磁懸浮列車、超導船、超導計算機等將會面向市場，屆時，世界超導材料市場可望達到2000億美元。
由不同材料的薄膜交替組成的超晶格材料可望成為新一代的微電子、光電子材料。超晶格材料誕生于20世紀70年代末，在短短不到30年的時間內，已逐步揭示出其微觀機制和物理圖像。目前已利用半導體超晶格材料研制成許多新器件，它可以在原子尺度上對半導體的組分摻雜進行人工“設計”，從而可以研究一般半導體中根本不存在的物理現象，并將固態電子器件的應用推向一個新階段。但目前對于其他類型的超晶格材料的制備尚需做進一步的努力。一些科學家預測，下一代的電子器件可能會被微結構器件替代，從而可能會帶來一場電子工業的革命。微結構物理的研究還有許多新的物理現象有待于揭示。21世紀可能會碩果累累，它的前景不可低估。
近年來，兩種與磁阻有關的引起人們強烈興趣的現象就是所謂的巨磁阻和超巨磁阻現象。一般磁阻是物質的電阻率在磁場中會發生輕微的變化，而巨磁和超巨磁可以是幾倍或數千倍的變化。超巨磁現象中令人吃驚的是，在很強的磁場中某些絕緣體會突變為導體，這種原因尚不清楚，就像高臨界溫度超導材料超導性的原因難以捉摸一樣。目前，巨磁和超巨磁實現應用的主要障礙是強磁場和低溫的要求，預計下世紀初在這方面會有很大的進展，并會有誘人的應用前景。
可以預計，新材料的發展是21世紀凝聚態物理學研究重要的發展方向之一。新材料的發展趨勢是：復合化、功能特殊化、性能極限化和結構微觀化。如，成分密度和功能不均勻的梯度材料；可隨空間時間條件而變化的智能材料；變形速度快的壓電材料以及精細陶瓷材料等都將成為下世紀重要的新材料。材料專家預計，21世紀新材料品種可能突破100萬種。
等離子體物理與核聚變
海水中含有大量的氫和它的同位素氘和氚。氘既重氫，氧化氘就是重水，每一噸海水中含有140克重水。如果我們將地球海水中所有的氘核能都釋放出來，那么它所產生的能量足以提供人類使用數百億年。但氘和氚的原子核在高溫下才能聚合起來釋放能量，這個過程稱為熱核反應，也叫核聚變。
核聚變反應的溫度大約需要幾億度，在這樣高的溫度上，氘氚混合燃料形成高溫等離子體態，所以等離子體物理是核聚變反應的理論基礎。1986年美國普林斯頓的核聚變研究取得了令人鼓舞的成績，他們在TFTR實驗裝置上進行的超起動放電達到20千電子伏，遠遠超過了“點火”要求。1991年11月在英國卡拉姆的JET實驗裝置上首次成功地進行了氘氚等離子體聚變試驗。在圓形圈內，2億度的溫度下，氘氚氣體相遇爆炸成功，產生了200千瓦的能量，雖然只維持了1.3秒，但這為人類探索新能源——核聚變能的實現邁進了一大步。這是90年代核能研究最有突破性的工作。但目前核聚變反應距實際應用還有相當大的距離，技術上尚有許多難題需要解決，如怎樣將等離子加熱到如此高的溫度？高溫等離子體不能與盛裝它的容器壁相接觸，否則等離子體要降溫，容器也會被燒環，這就是如何約束問題。21世紀初有可能在該領域的研究工作中有所突破。
納米技術向我們走來
所謂納米技術就是在10[-9]米（即十億分之一米）水平上，研究應用原子和分子現象及其結構信息的技術。納米技術的發展使人們有可能在原子分子量級上對物質進行加工，制造出各種東西，使人類開始進入一個可以在納米尺度范圍，人為設計、加工和制造新材料、新器件的時代。粗略的分，納米技術可分為納米物理、納米化學、納米生物、納米電子、納米材料、納米機械和加工等幾方面。
納米材料具有常規材料所不具備的反常特性，如它的硬度、強度，韌性和導電性等都非常高，被譽為“21世紀最有前途的材料”。美國一研究機構認為：任何經營材料的企業，如果現在還不采取措施研究納米材料的開發，今后勢必會處于競爭的劣勢。
納米電子是納米技術與電子學的交叉形成的一門新技術。它是以研究納米級芯片、器件、超高密度信息存儲為主要內容的一門新技術。例如，目前超高密度信息存儲的最高存儲密度為10[12]畢特／平方厘米，其信息儲存量為常規光盤的10[6]倍。
納米機械和加工，也稱為分子機器，它可以不用部件制造幾乎無任何縫隙的物體，它每秒能完成幾十億次操作，可以做人類想做的任何事情，可以制造出人類想得到的任何產品。目前采用分子機器加工已研制出世界上最小的（米粒大小）蒸汽機、微型汽車、微型發電機、微型馬達、微型機器人和微型手術刀。微型機器人可進入血管清理血管壁上的沉積脂肪，殺死癌細胞，修復損壞的組織和基因。微型手術刀只有一根頭發絲的百分之一大小，可以不用開胸破腹就能完成手術。21世紀的生物分子機器將會出現可放在人腦中的納米計算機，實現人機對話，并且有自身復制的能力。人類還有可能制造出新的智能生命和實現物種再構。
“無限大”和“無限小”系統物理學
“無限大”和“無限小”系統物理學是當今物理學發展的一個非常活躍的領域。天體物理和宇宙物理學就屬于“無限大”系統物理學的范疇，它從早期對太陽系的研究，逐步發展到銀河系，直到對整個宇宙的研究。熱大爆炸宇宙模型作為本世紀后半葉自然科學中四大成就之一是當之無愧的。利用該模型已經成功地解釋宇宙觀測的最新結果。如宇宙膨脹，宇宙年齡下限，宇宙物質的層次結構，宇宙在大尺度范圍是各向同性等重要結果。可以說具有暴脹機制的熱大爆炸宇宙模型已為現代宇宙學奠定了一定的基礎。但是到目前為止，關于宇宙的起源問題仍沒有得到解決，暴脹宇宙論也并非十全十美，事實上想一次就能得到一個十分完善的宇宙理論是很困難的，這還有待于進一步的努力和探索。
“無限大”系統物理學還有兩個比較重要的問題是“類星體”和“暗物質”。“類星體”是1961年發現的，一個類星體發出的光相當于幾千個星云，而每個星云相當于1萬億個太陽所發出的光，所以對類星體的研究具有十分重大的意義。60年代末，科學家們發現一個編號為3C271的類星體，一天之內它的能量增加了一倍，到底是什么原因使它的能量增加如此迅速？有待于21世紀去解決。“暗物質”是一種具有引力，看不見，什么光也不發射的物質。宇宙中百分之九十以上的物質是所謂的“暗物質”，這種“暗物質”到底是什么？我們至今仍不清楚，也有待于下世紀去解決。
原子核物理和粒子物理學則屬于“無限小”系統物理學的范疇，它從早期對原子和原子核的研究，逐步發展到對粒子的研究。粒子主要包括強子（中子、質子、超子、л介子、K介子等）、輕子（電子、μ子、τ輕子等）和媒介子（光子、膠子等）。強子是對參與強相互作用粒子的總稱，其數量幾乎占粒子種類的絕大部分；輕子是參與弱相互作用和電磁相互作用的，它們不參與強相互作用；而媒介子是傳遞相互作用的。目前，人們已經知道參與強相互作用的粒子都是由更小的粒子“夸克”組成的，但是至今不能把單個“夸克”分離出來，也沒有觀察到它們可以自由地存在。為什么“夸克”獨立不出來呢？還有一個不能解釋的問題是“非對稱性”，目前我們已有的定理都是對稱的，可是世界是非對稱的，這是一個有待于解決的矛盾。尋找獨立的夸克和電弱統一理論預言的、導致對稱性自發破缺的H粒子、解釋“對稱”與“非對性”的矛盾，是21世紀粒子物理學研究的前沿課題之一。
從表面上看“無限大”系統物理學與“無限小”系統物理學似無必然的聯系。其實不然，宇宙和天體物理學家利用廣義相對論來描述引力和宇宙的“無限大”結構，即可觀察的宇宙范圍；而粒子物理學家則利用量子力學來處理一些“無限小”微觀區域的現象。其實宇宙系統與原子系統在某些方面有著驚人的相似性。預計21世紀“無限大”系統物理學將會與“無限小”系統物理學結合得更加緊密，即宏觀宇宙物理學和微觀粒子物理學整體聯系起來。熱大爆炸宇宙模型就是這種結合的典范，實際上該模型是在粒子物理學中弱電統一理論的基礎上建立起來的。可以預計，這種結合對科技發展和應用都會產生巨大的影響。
二、跨世紀科學技術的發展趨勢
科學技術能否取得重大突破的關鍵取決于基礎科學的發展。所以，首先必須重視基礎科學的研究，不能忽視更不能簡單地以當時基礎科學成果是否有用來衡量其價值。相對論和量子力學建立時好像與其他學科和日常生活無關，直到20世紀中期相對論和量子力學在許多科學領域中引起深刻的變革才引起人們的足夠重視。可以說，20世紀幾乎所有的重大科技突破，像原子能、半導體、激光、計算機等，都是因為有了相對論和量子力學才得以實現。可以說，沒有基礎科學就沒有科學技術、社會和人類的發展。
20世紀重大科技成果的成功經驗證明，不同學科間的互相交叉、配合和滲透是產生新的發明與發現，解釋新現象，取得科學突破的關鍵條件之一。例如，核物理與軍事技術的交叉產生了原子彈；半導體物理與計算技術的交叉產生了計算機。可以預計，21世紀待人類掌握核聚變能的那一天，一定是核物理、等離子體物理、凝聚態物理和激光技術等學科的交叉和配合的結果。這也是21世紀科學技術的發展趨勢之一。
1利用物理學史，培養學生的敬業精神
敬業是公民的基本職業要求，是從業者做好本職工作的前提條件，也是愛國主義精神在工作和生活中的具體體現．人類之所以能夠發明和創造，關鍵因素是人類具有執著的敬業精神．沒有這種精神，哥白尼就不可能在生命受到威脅的時候提出“日心說”．物理科學史中很多科學家的模范行為和高尚人格是培養學生敬業精神的典型范例．在進行“磁生電”教學時，可以介紹法拉第的事跡．法拉第從開始實驗到發現電磁感應現象，經歷了失敗、試驗，再失敗、再試驗的艱苦過程，斷斷續續地研究了將近10年，他從失敗中不斷吸取教訓，總結經驗，不斷地改進實驗裝置和實驗條件，終于在1831年8月29日的日記中詳細地記錄了第一次成功地觀察到電磁感應現象．電磁感應現象的發現，具有劃時代的意義，開創了電氣化時代的新紀元．法拉第出身清苦，沒有受過正規教育，經過自己的頑強努力，登上了當時科學的高峰，為科學做出了巨大的貢獻，這在物理史上是罕見的．法拉第對工作的熱情以及執著敬業精神讓人敬佩，對工作兢兢業業、一絲不茍的精神是我們學習的楷模．
2利用物理學史，培養學生的誠信品質
誠信是個人的立身之本和必備的道德品格，其基本內容是誠實、誠懇、信用．物理學史中許多科學家的故事都是塑造學生誠信品質的極佳素材．例如，在做“測量物質密度”實驗時，講述英國物理學家瑞利的故事．19世紀末，在精確測量各種氣體的密度時，瑞利發現從空氣中取得的氮的密度是1．2572kg/m3，從氨中取得的氮的密度是1．2505kg/m3．雖然多次重復測量，依然存在這個令人奇怪的差異．后來，他與化學家拉姆塞合作，于1894年在從空氣中取得的氮里分離出另一種當時還不知道的氣體氬，這個謎才解開了．原來，氬的密度較大，空氣中的氮混有少量氬，它的密度就比從氨中取得的純氮的密度稍大．瑞利由于不放過這一細微差異而執著地研究下去，終于導致氬的發現，并因此榮獲1904年的諾貝爾物理學獎．這是科學史上一個很有名的故事，說明在科學實驗中，實事求是、精確的測量是多么重要．丁肇中是美籍華裔實驗物理學家，主要從事高能實驗物理、基本粒子物理、量子電動力學、γ輻射與物質的相互作用等方面的研究．1974年，與里希特各自獨立地發現了J/ψ粒子，共同獲得了1976年諾貝爾物理學獎．2002年6月，一家知名電視臺的記者對丁肇中進行專訪．記者說:“我發現在咱們談話過程中，您說的最多的一句話就是‘我不知道’．”丁肇中回答:“是!確實這是事實．不知道的，你絕對不能說知道．”科學家的這種誠信品質是值得我們學習，能給學生以良好的道德教育．
3利用物理學史，培養學生友善的態度
友善是中華民族的傳統美德之一．以友善的態度為人處世，體現了一個人的道德水平，更體現了一個民族素質的高低．物理學史上的一些偉大的發現和原理的創見往往都是科學家友善待人、精誠合作的結晶．向學生介紹這些事例，有助于他們形成友善互助的處事態度．例如，在100多年來，卡文迪許實驗室竟然出了30多位科學家獲得諾貝爾獎．卡文迪許實驗室中匯聚全球精英，由名師主持相關研究領域，依靠團隊協作取得成功．其中湯姆遜是盧瑟福的老師，盧瑟福是查德威克和玻爾的老師，名師們研究當時物理學最前沿的領域，作為助手的學生也從中學到了相關的知識和研究方法，逐漸地學生也成為該領域的名師，團結協作使得卡文迪許實驗室的成員屢屢獲得諾貝爾獎．諸如此類的例子還有許多，如果能在教學中適時地引用這樣一些事例，就可以潛移默化地培養學生形成友善的態度和合作的精神．社會主義核心價值觀表達了社會主義的價值理想，它是一個國家文化軟實力的靈魂，凝結著中華民族的道德準則．教育是形成正確的世界觀、人生觀和價值觀的關鍵．作為物理教育工作者，我們要善于挖掘物理學史的育人功能，對學生加以引導和熏陶，立德樹人，引領學生全面發展．
作者：張芳芳 單位：安慶市第十六中學
一、基于畢業論文寫作的信息素養教育目標——以物理學專業為例
作為物理學專業學生重要學習環節的畢業論文寫作，是一種重要的專業實踐教學形式，是全面發展學生信息素養的一個有效途徑。教育部高等學校物理學與天文學教學指導委員會制訂的《高等學校物理學本科指導性專業規范》指出：“論文內容可以是理論研究、實驗研究、文獻綜述、調研報告或應用開發。論文應具有完整性和一定的系統性，對所研究的問題應有比較充分的調研，分析具體，結論可靠。提交的論文應符合通常科技論文的規范和要求，內容基本正確。對論文的評價重點是學生的學風、對知識的綜合掌握、應用能力、分析能力和解決問題的能力”。[6]因此，結合物理學專業特點制訂畢業論文寫作的信息素養教育目標就顯得非常重要。因為科學合理的信息素養教育目標，能夠促使學生主動將信息素養能力納入自身能力建設中，使學生的信息素養能力隨著專業知識的增長而得到不斷的強化，并最終成為保障其終身學習的一種能力。[7]對于物理學專業學生而言，基于畢業論文寫作的信息素養教育的總目標是在發展學生物理學專業素養的同時，促進信息素養的發展，使學生成為終身學習者。具體的信息素養教育目標：一是使學生掌握信息檢索策略，學會運用專業數據庫，具備檢索物理學專業信息的良好能力；二是使學生學會批判性的運用所獲得的信息，并選擇有益信息融入自己的知識結構和價值體系，會在所獲取信息的基礎上進行初步的學術創新；三是在論文寫作過程中遵循學術規范、學術道德和信息道德；四是在答辯過程中能夠有效的傳遞、交流信息。
二、基于畢業論文寫作的信息素養教育策略
畢業論文寫作中的信息素養教育是基于物理學專業情境的學習過程。這種滲透式的專業信息素養教育可以使學生鞏固所學物理學專業知識，擴大知識面，發展學術素養，全面提升信息素養。
1.通過論文選題培養學生的信息檢索能力物理學專業學生的畢業論文選題可以是教師科研項目的組成部分，也可以在教師指導下自由選題。例如，與教師科研項目相關的畢業論文題目：一維三原子鏈的晶格振動分析，一維線性諧振子薛定諤方程的數值計算，相互作用帶電粒子運動軌跡的數值模擬與分析，航天器變軌過程分析，光學渦旋的產生及衍射特性，數字全息顯微技術研究，光學實驗中的圖像處理與應用，等等。學生參與教師的科研項目，可以增加科研實踐機會，拓展物理學專業知識視野。學生在導師的指導下自主選題時，要綜合考慮自己的知識掌握情況和專業能力，并根據自己的專業興趣選定論文題目。學生可以從科學研究中尚未解決的難點問題，以及公眾關心的熱點問題中自主選題，也可以在他人研究成果的基礎上進行選題。無論如何選題，都是以大量信息為基礎的，充分利用信息，善于捕捉為己所用的信息，了解課題的學術意義、學術創新和國內外最新進展，就會大大拓寬研究思路。[8]在論文選題過程中，課題檢索是一個必不可少的環節。通過課題檢索，有助于學生掌握各種物理學專業數據庫的檢索途徑、方法和技巧，如學會熟練運用中國知網、超星數字圖書館、萬方數據庫、維普等中文數據庫的使用方法，了解SCI、EI、ISTP、EBSCO、IOPP、ScienceDirect、SpringerLink、IEEEXplore等外文數據庫的使用方法。這樣可以督促學生自覺主動地利用圖書館的各類館藏文獻資源進行自主探究學習，使學生學會課題檢索，掌握文獻檢索知識，豐富信息知識，鞏固所學物理學專業知識，使學生的專業信息能力得到發展。
2.通過文獻綜述培養學生的信息能力在確定好論文題目之后，學生需要進一步進行文獻的檢索和整理，并在此基礎上進行文獻綜述。文獻綜述是指在全面掌握、分析與課題相關文獻的基礎上，對該課題在一定時期內的已有研究成果進行分析、歸納、整理和評述而形成的論文。文獻綜述一般要對研究現狀進行客觀的敘述和評論，以便預測發展、研究的趨勢或尋求新的研究突破點。[9]在文獻檢索過程中，教師要指點學生注意文獻資料的新穎性、價值性和真實性，引導學生科學合理的篩選、評價所獲取的信息資源，提取有價值的信息內容，并將收集到的文獻資源進行分類，將其融入到自己的知識體系中。在此基礎上，應充分利用所獲取的信息，完成文獻綜述。當然，本科生的文獻綜述只要能夠對已有研究成果進行較為全面的分析和述評即可。文獻綜述的作用體現在多個方面：第一，充分了解課題的全面情況，把握課題的發展規律，熟悉已取得的成果和存在的問題，以及從事該課題工作的主要學者的成就和水平；[10]第二，可以培養學生熟練運用信息檢索工具的能力以及根據主題收集信息、整理信息的能力；第三，文獻綜述對參考文獻的要求可以幫助學生掌握學士學位論文的規范要求；第四，文獻綜述可以有效減少學生的抄襲現象，便于對學生進行信息倫理道德教育。
3.通過畢業論文寫作全面提升學生的信息素養畢業論文的寫作不僅需要學生掌握系統的物理學專業知識，還需要學生具備復合型的知識結構、良好的邏輯思維能力和扎實的文字功底。在論文寫作過程中，學生要充分利用所占有的各類信息資源，運用各種創造性思維，在綜合歸納材料、分析實驗數據的基礎上形成自己的見解。教師要指導學生掌握論文寫作的各個細節，如要讓學生掌握科技論文的結構：一是論文前置部分，包括封面、題名、中英文摘要、目錄；二是主體部分，包括引言、材料和方法、結果與分析、討論、結論、致謝、參考文獻；三是附錄；四是致謝。在開始論文寫作前，要列出論文的寫作提綱。寫作提綱要提綱挈領、主次分明、組織合理。在寫論文的主體部分時，要注意結構嚴謹、層次清楚、文字通順、銜接自然、用語符合技術規范，圖表清楚，格式規范。論文中的論據應該真實可靠；論證要合情合理；論述要具有科學性、專業性、創新性；結論與全文觀點要保持高度的一致性。
4.通過論文答辯評價學生的物理學專業信息素養能力論文答辯是畢業生在規定時間內展示自己畢業論文的研究內容、研究方法和主要結論，由答辯委員會就論文進行點評，指出優缺點及修改意見的過程。論文答辯是學生展示、交流畢業論文成果及學業成就，檢驗學生信息能力的重要環節。通過論文答辯可以全方位檢驗學生對所寫論文的認知程度，對物理學專業知識的掌握程度及運用能力，運用論文觀點回答問題的應變能力，以及對文中創新點的解釋能力。
三、結論
信息素養教育與專業課程學習的有機整合是發展大學生信息素養的最佳途徑。物理學專業學生的畢業論文寫作，是基于物理學專業情境的學習過程，是專業素養教育與信息素養教育的有機整合。通過畢業論文寫作，可以豐富大學生的信息知識，拓展信息視野，鍛煉信息能力，培養信息道德。因此，畢業論文寫作既是一種重要的專業實踐教學形式，也是全面發展學生物理學專業素養和信息素養的一個有效途徑。在畢業論文寫作過程中，教師可以把信息檢索、信息獲取、信息評價、信息創新、信息交流、信息倫理等內容滲透到論文寫作的各個環節，如文獻查閱、開題報告、中期檢查、文獻綜述、論文提綱與結構、論證方法、實驗研究、數據處理、圖表處理、論文撰寫與排版、文獻引用等。與此同時，指導教師自己也應在教學過程中不斷學習，更新自身的知識結構和思維方法，不斷優化教學，探索出適合信息素養教育的教學方法；教師自身也要采取有效措施提升信息能力，發展信息素養，在教學過程中與學生共享各類信息，充分實現師生的有效互動。[11]
作者：劉婷婷孫海濱李峰單位：泰山學院物理與電子工程學院泰山學院物理與電子工程學院
