时间：2023-05-31 08:57:03
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇量子力学应用举例，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
关键词：量子密码；量子加密；安全
中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2012)08-1752-02
如今，应用广泛的密码基本都是依靠数学计算方法来实现的――用复杂的数字串对信息进行加密。无论多么复杂的数学密钥也可以找到规律，破解复杂的数学密码成为计算网络安全的重要隐患。由美国专门制定密码算法的标准机构――美国国家标准技术研究院与美国国家安全局设计的SHA-1密码算法，早在1994年就被推荐给美国政府和金融系统采用，是美国政府目前应用最广泛的密码算法。然而2005年初，山东大学王小云教授和她的研究小组宣布成功破解SHA-1，因为王小云的出现，美国国家标准与技术研究院宣布，美国政府5年内将不再使用SHA-1密码算法。
随着信息安全技术的发展,量子通信网络的安全问题逐渐得到了人们的关注。1984年，Charles Bennett与Gilles Brassard利用量子力学线性叠加原理及不可克隆定理，首次提出了一个量子密钥协议，称为BB84协议（BB84 protocol），可以实现安全的秘密通信。1989年IBM公司的Thomas J. Walson研究中心实现了第一次量子密钥传输演示实验。这些研究成果最终从根本上解决了密钥分配这一世界性难题。经研究发现以微观粒子作为信息的载体，利用量子技术，可以解决许多传统信息理论无法处理或是难以处理的问题。“量子密码”的概念就是在这种背景下提出的。当前，量子密码研究的核心内容就是，如何利用量子技术在量子信道上安全可靠地分配密钥。从数学角度上讲如果把握了恰当的方法任何密码都可破译，但与传统密码学不同，量子密码学利用物理学原理保护信息。通常把“以量子为信息载体，经由量子信道传送，在合法用户之间建立共享密钥的方法”，称为量子密钥分配（quantum key distribution, QKD），其安全性由“海森堡测不准原理”及“单量子不可复制定理”保证。2000年美国Los Alamos实验室自由空间中使用QKD系统成功实现传输距离为80km。目前，量子通信已进入大规模实验研究阶段，预计不久量子通信将成为现实。
“海森堡测不准原理”是量子力学的基本原理，它表明，在同一时刻以相同的精度测定量子的位置与动量是不可能的，只能精确测定两者之一。“单量子不可复制定理”是“海森堡测不准原理”的推论，它表明，在不知道量子状态的情况下复制单个量子是不可能的，因为要复制单个量子就只能先作测量，而测量必然改变量子的状态，所以说不可能。可利用量子的这些特性来解决秘密密钥分发的难题。
1量子密码理论
量子密码技术应用量子力学的基本理论,包括海森伯格的测不准原理和单光子的不可分割性,从而解决了典型密码一直无法完善处理的安全性问题。假设窃听者可观察到传统信道上发送的信息，也可观察及重发量子信道上的光子。
假设Alice要将一个比特序列m发送给Bob。她先对m中的每个比特bi随机地选择极化基B1或B2对其进行编码：如果Alice对比特bi选择极化基B1则当bi＝0时就编码成|〉，当bi＝1时就编码成|〉（也可以将0编码成|〉，而将1编码成|〉）如果Alice对比特bi选择极化基B2，则当bi＝0时就编码成|〉，当bi＝1时就编码成|〉。
Alice每发送出一个光子，Bob就随机选择一个相应的极化基B1或B2对收到的光子进行测量。因此，对Alice发出每一个光子，Bob就根据选择的极化基对光子的测量得到一个元（即集合｛|〉，|〉，|〉，|〉｝中的一个元）。Bob记下他的测量并保密。当Alice发送完相应于m的所有比特的光子后，Bob告诉Alice他测量每个光子的极化基。Alice则反馈Bob她发送的光子极性的正确基。他们保存使用了相同基的比特，而抛弃其他使用不同基的比特。由于使用了两个不同的基，因此Bob所获得的比特大约会有一半与Alice所发送的比特相同。这样Alice与Bob就可将Bob所得到的与Alice所发送的相同的比特用作传统密码系统的密钥
2量子密码安全协议
Charles H. Bennett与Gilles Brassard 1984年发表的论文中提到的量子密码分发协议，后来被称为BB84协议。BB84协议是最早描述如何利用光子的偏振态来传输信息的。发送者Alice和接收者Bob用量子信道来传输量子态。如果用光子作为量子态载体，对应的量子信道可以是光纤。另外他们还需要一条公共经典信道，比如无线电或因特网。公共信道的安全性不需考虑，BB84协议在 设计时已考虑到了两种信道都被第三方Eve窃听的可能。
这个协议的安全性还基于量子力学的一个性质：非正交的状态间无法通过测量被彻底的分辨。BB84协议利用两对状态，分别是光子偏振的两个直线基"+"：水平偏振（0°）记作|〉，垂直偏振（90°）记作|〉；和光子偏振的两个对角基"×"：45°偏振记作|〉，和135°偏振记作|〉。这两对状态互相不正交，无法被彻底的分辨。比如选择基"+"来测量|〉，会以100%的概率得到|〉。但选择基"+"来测量|〉，结果是随机的，会以50%的概率得到|〉，或以50%的概率得到|〉，而原始状态的信息丢失了。也就是说，当测量后得到状态|〉，我们不能确定原本的状态是|〉还是|〉，这两个不正交的状态无法被彻底分辨。
3量子共享密钥举例
假设Alice与Bob想借助量子信息建立他们的共享密钥进行秘密通信。首先他们需要两个信道：一个是量子信道，另一个是传统信道。他们利用量子信道来交换从纠缠光子源泉分享出来的极化光子，利用传统信道将通常的信息发送给对方。假设窃听者可观察到传统信道上发送的信息，也可观察及重发量子信道上的光子。
假设Alice先选定一个比特串m=0111001010发送给Bob。Alice随机选择极化基：
B1，B2，B1，B1，B2，B2，B1，B2，B2，B2
则她发送量子比特（即光子）给Bob：
|〉，|〉，|〉，|〉，|〉，|〉，|〉，|〉，|〉，|〉
Bob随机选择极化基：
B2，B2，B2，B1，B2，B1，B1，B2，B2，B1
然后对Alice发送的量子比特进行测量，并记下每次测量的结果。且Bob告诉Alice他选择的极化基。Alice则反馈Bob他选择的第2、4、5、7、8、9个极化基与她选择的相同。于是：
|〉，|〉，|〉，|〉，|〉，|〉
就是Bob测量到的正确结果，它们对应的比特是：1，1，0，1，0，1。因此Alice与Bob就得到了相同的比特串110101，他们就可用此比特串作为秘密通信的密钥。如果Alice发送一个大约112长的量子比特串给Bob，则他们就可得到一个可用于DES加密体制的56比特的密钥。
4量子密钥分发
一般来说，利用量子（态）进行秘密密钥分发的过程可由下面几个步骤组成。
1）量子传输：设Alice与Bob要利用量子信道建立一个共享的密钥，则Alice随机选取单光子脉冲的光子极化态和极化基将其发送给Bob。Bob再随机选择极化基进行测量，将测量到的量子比特串秘密保存。
2）数据筛选：由于传输过程中噪声以及窃听者的干扰等原因将使量子信道中的光子极化态发生改变，还有Bob的接受仪器测量的失误等各种因素，会影响Bob测量到的量子比特串，所以必须在一定的误差范围内对量子数据进行筛选，以得到确定的密码串。
3）数据纠错：如果经数据筛选后通信双方仍不能保证各自保存的全部数据无偏差，可对数据进行纠错。目前比较好的方法是采用奇但凡校验，具体做法：Alice与Bob将数据分为若干个数据区，然后逐区比较各数据区的奇偶校验子。例如计算一个数据区的1的个数并进行比较，如果不相同，则将该数据区再强加于人发，然后再继续上面的过程。在对某一数据区进行比较时，双方约定放弃该数据区的最后一个比特。并且操作过程重复多次，可在很大程度上减少窃听者所获得的密钥信息量。量子信息论的研究表明这样做可使窃听者所获得的信息量按指数级减少。虽然数据纠错减少了密钥的信息量，但保证了密钥的安全性。
综上所述，随着科技的进步，信息交换手段越来越先进，速度也越来越快，信息的内容和形式越来越丰富，信息的规模也越来越大。由于信息量的集聚增加，保密需求也从军事、政治和外交领域扩展到民用和商用。量子密码学正在逐步渗透到通信、电子政务、金融系统乃至航天科技。我国是国际上最早从事量子密码技术研究的国家之一，20多年来，我国密码科技工作者在芜湖“量子政务网”等多个项目中取得优异成绩，我们正在逐步迈进量子信息时代。
参考文献：
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关键词：物理知识思维方法物理实验物理学家物理学史学习生活
物理起源于自然哲学，经过几百年的发展，给人们的生产、生活、思想观念等方面带来了翻天覆地的变化，为国家的军事、国防立下了汗马功劳。就中学生个体而言，物理的哲学意义和应用价值暂且不说，一个最直接最实用的好处是：学习物理也是学习生活。就物理老师而言，教学生学习物理也是教学生学会生活。
一、物理知识本身充满生活道理
1、力的合成说：大小一定的两个力合成，合力随两力夹角的增大而减小，就像两个人，分歧（夹角）越大，合力就越小，合力可能大于、小于或等于任一个分力。所以生活中我们需要团结合作，大家心往一处想，劲儿往一处使，万众一心，众志成城。
2、牛顿第三定律说：物体间力的作用是相互的。你怎样对待别人，别人就怎样对待你，小到一个班集体，大到一个社会，我为人人，人人为我。
3、做功的两个必要条件：（1）力，（2）在力的方向上通过的位移。切记不要只会心存幻想而不努力，导致“不劳无功”；做事也要注意正确的方向，不可漫无目的，导致“劳而无功”。
4、能量守恒定律说能量是守恒的。人的精力（时间）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，终究一事无成。
5、楞次定律说：感应电流的磁场总是阻碍原磁场的变化，增反减同。正如：天之道，损有余而补不足。
6、机械效率说：多好的机器也达不到100%。那生活中的我们应该积极追求进步，但不要求十全十美。
讲课之余，顺口联系一点儿生活哲理，物理知识因联系生活而变得温暖、清晰、易记，生活道理因联系物理而变得亲切、深刻、实际。师爱生之情尽在其中，生爱理之日不远矣。
二、物理思维方法让学生善于分析
1、力学的受力分析中有整体法和隔离法，一个把握全局，整体来看，一个把握细节，精细分析，二者往往综合运用，转换不同角度考虑问题。长期训练下来，学生思维敏捷、清晰，既有大局观，又能精细思考，思维品质会大大提高。
2、逆向思维。不管在具体解题中，还是在科学研究中，逆向思维常常带来便利或新的突破：电生磁，磁生电，电与磁相互激发而产生电磁波。生活中，学会逆向思维，既是解决问题的一种思维，也是一种换位思考。
3、物理要求学生说话要有根据、说理要符合逻辑。比如讲一个曲线运动的方向，先举例猜测，再实验验证，最后理论分析。从生活感知到实验显示再到理论分析，教我们的学生不要盲从，要有自己的判断力，讲道理要符合逻辑。
4、物理是思维的体操，力学要受力分析，电学有电路分析，光学有光路分析，经常分析来分析去，给学生留下一个善于分析思考的大脑。
方法比知识更重要，让学生掌握方法，学会分析推理，达到活学活用，比题海战术高效得多、长远得多、高明得多！
三、物理紧抓本质让学生着眼根本
物理求真，透过纷繁的表象，追根朔源，究其本质。物理知识系统，环环相扣，一旦抓住根本，分析推理开来，很多问题变得迎刃而解。比如牛顿力学，其全部根基就是牛顿三定律，最多再加上一个能量守恒定律，在此基础上用数学知识可以推出整个中学力学的全部，这会让学生感觉学物理是如此简单、轻松自在，大有一览众山小的骄傲：物理是所有科里最简单的一门课，物理老师是所有老师中最轻松的老师！
当学生体验到回归根本、回归本真的魅力，当学生体验到分清主次、分清轻重缓急的从容自在，他的生活境界、生活能力将高出一两个档次。
四、物理实验让学生心灵手巧
物理是一门以实验为基础的科学。通过实验操作，锻炼了学生的动手操作能力，当他在生活中需要学习某种新技能时，他学习操作的速度会比别人快得多，他会因自己的学习能力而更有积极进取的底气。实验过程使他们善于观察、善于思考。实验事实让他们实事求是、尊重事实，他们会形成一种习惯：判断正确与否主要不是看谁更“权威”，也不是谁说的似乎“有理”，而是看谁的意见与事实一致。实践是检验真理的唯一标准！怪不得国外有专家十分尖锐地指出：没有物理修养的民族是愚蠢的民族！
放弃急功近利吧！物理教师首先就要转变那种空口讲实验的做法！尽可能多做演示实验、多开分组实验、多增添小实验，多鼓励创新实验。磨刀不误砍柴工，这样培养出来的才是爱学习爱生活、会学习会生活的优等生，成绩自不在话下。
五、物理学家树立了光辉榜样
“牛气冲天”的牛顿学习非常刻苦勤奋，他认为：先天的天赋很重要，但后天的勤奋、努力更重要！
爱因斯坦生活简朴、不拘小节。没出名时，朋友劝他换掉身上的旧大衣，他笑着说：“这没有什么关系，在纽约，谁也不认识我。”几年后爱因斯坦成了著名的科学家，朋友劝他换件新大衣，爱因斯坦幽默地说：有这个必要吗？在这里，大家都认识我！”
而牛顿、爱因斯坦、居里夫人……哪一位不是淡泊名利、精神专注的典范：居里夫人小时候，不管周围怎么吵闹，都分散不了她的注意力，姐姐和同学悄悄地在她身后搭起几张凳子，只要她一动，凳子就会倒下来。时间一分一秒地过去了，她读完了一本书，凳子仍然竖在那儿。
几句话讲个小故事吧。会讲故事的老师是最受欢迎的老师，会讲故事的老师是最会打动人的老师，会讲故事的老师是深谙教书育人的老师。
六、物理学史让学生学习自我超越
关键词：纳米涂层；场发射；电子强关联；软凝聚态物质
2003年在国际和中国都发生了具有突发性的灾难事件，但中国的GDP仍以9.1％的高速度在增长，达到了人民币11.6万亿元，其中第二产业贡献4万多亿元。中国现今的第二产业主要领域是冶金、制造和信息，在世界的地位是大加工厂，也是大市场。在国际竞争中所以有优势是中国的劳动力廉价，这个优势我们能保持多久?我们还注意到与化工有关的产品中，我们的生产效率是国际发达国家的5％，能耗是3倍，环境的破坏是9倍。这就是我们所付出的代价。不论形势如何严峻，21世纪是中华民族振兴的机遇期，制造业绝对是一个极其重要的领域，是个急速发展变化的领域。2003年3月国际真空学会执委会在北京举行，会议上讨论了将原来的冶金专委会改名为“表面工程专委会”，当时也考虑了另一个名字“涂层专委会”，我想用涂层材料更合适，含有继承性和变革性。20世纪70年代曾经说成是塑料年代，此后塑料科技和工业迅速崛起，极大地改变了人类社会。继而是信息时代，通信网、计算机网、万维网、智能网，信息流，日新月异地改变着人类的生活和观念。我们这个时代是高速发展的时代，技术和观念都在与时俱进地改变着。
本世纪初兴起了纳米科技，促进其到来的是由于微电子小型化的发展趋势，推动科技发展进入纳米时代[1]，不仅电子学将进入纳电子学领域，物理学进入介观物理领域，各类科技，包括生物医学等都在探索纳米结构与特性。涂层和表面改性越来越多地增加了纳米科技的内容，这是一种低维材料的制造和加工科技，将是制造技术的主流，将迅速地改变传统制造技术的方法、理论和观念，作为现今国际上的制造大国，世界加工厂，我们更应该注意研究制造技术的发展和未来。
1突破传统制造技术的观念
纳米科技研究的内容主要是在原子、分子尺度上构造材料和器件，测量表征其结构和特性，探索、发现新现象、新规律和应用领域。与我们熟悉传统的相比，纳米材料和器件具有显著的维数效应和尺寸效应。近几年来，在纳米材料制造方面做了大量的研究工作，在纳米粒子粉材的制造，以及材料结构和特性测量、表征上取得了显著成果[2～7]。接下来深入到纳米线、纳米管和纳米带的研究[8～14]，出现了一些成功有效的制造方法，发现了一些惊人的结构和特性。在此基础上，发展了纳米复合材料的研究，展现了非常有希望的应用前景[15～17]。近来人们在纳米科技初期成果的基础上挑战某些产品的传统加工技术，比如Al组件的快速加工。
T.B.Sercombe等人报道了快速加工铝(Al)组件的新方法[18]，这个方法的主要特征是用快速成型技术先形成树脂键合件，然后在氮气氛中分解其键和第二次渗入铝合金。在热处理过程中，铝与氮反应形成氮化铝骨架，在渗透过程中得到刚体结构。与传统制造工艺相比，这个过程是简单的快速的，可以制造任何复杂组件，包括聚合物、陶瓷、金属。图1是过程示意和原型样品，(a)是尼龙巾镶嵌铝粒子的SEM像，中心有结构细节的是Mg粒子，白色是Al粒子，加入少量的Mg是为还原氧化铝，它将不是铸件中的成分。在尼龙被烧去时，这个结构基本保持不变。(b)是氮化物骨架，围绕Al粒子的一些环状结构的光学显微镜像，再渗入Al时将形成密实结构。(c)是烧结的氮化铝和渗铝组件，小柱的厚为0.5mm其密度和强度都达到了传统铸造技术的水平。他们还制作了公斤重量多种结构的样品。这是一种冶金技术的探索，开辟了一种新的冶金和制造技术途径。
2纳米材料的完美定律
描述材料结构的常用术语是原子结构和电子结构。原子结构的主要参量是晶格常数、键长、键角；电子结构的主要参量是能带、量子态、分布函数。对于我们熟悉的宏观体系，这些参量多是确定的常数，但对于纳米体系，多数参量随着原子数量的改变而变化。这是纳米材料和器件的典型特征，它决定了纳米材料的多样性。其中有个重要规律，我们称之为纳米材料的完美定律，用简单语言表述：“存在是完美的，完美的才能存在”。它包括了纳米晶粒的魔数规则，即含有13、55、147…等数量原子的原子团是稳定的，对于富勒烯碳60和碳70存在的几率最大，而对于碳59或碳71等结构体系根本不存在。这就是为什么斯莫利(Smmolley)他们当初能在大量的富勒烯中首先发现碳60和碳70，从而获得了诺贝尔奖。对于一维纳米结构，包括纳米管和纳米线，存在类似的规则。可以模型上认为是由壳层构成的，每个壳层中更精细的结构称为股，每一股是一条原子链，中心为1股包裹壳层为7股的表示为7-1结构，再外壳层为11股的，表示为11-7-1结构，等等，构成最稳定的结构，这是一维纳米结构的魔数规则。对二维纳米膜存在类似的缺陷熔化规则，即不容许存在很多缺陷，一旦超过临界值，缺陷自发产生，完全破坏二维晶态结构。上述这些低维结构特征是完美定律的具体表述，进步普遍表述理论是正在研究中的课题。
完美定律是我们讨论涂层材料的出发点，因为纳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。在制造过程中，方法简单、产额高、成本低是最有竞争力的。可以想象，制造成本很高的材料和器件能有市场，一定是不计成本的特殊需要，有政治背景或短期的社会需求。因此在我们探索纳米材料制造时，首先考虑的应是满足完美定律的技术，如用甲烷电弧法制备纳米金刚石粉技术[1]，电化学沉积法制备金属纳米线阵列技术[19]，以及电炉烧结法制造氧化物纳米带技术[20]等等。
3涂层纳米材料将给我们带来什么?
涂层纳米材料是纳米科技领域具有代表的材料，或是低维纳米材料的有序堆积结构，或者是低维纳米材料填充的复合结构。两者都比传统材料有惊人的结构和特性。如新型高效光电池[21]、各向异性结构材料[19]、新型面光源材料[22]等，这里举例介绍基于热电效应的新型纳米热电变换材料。
热电效应器件的代表是热电偶，即利用不同导体接触的温差电现象进行温度测量的器件。基于热电效应可以制成两类器件：热产生电和电产生温差。前者可以用于制造焦电器件，即用热直接发电，如将焦电材料涂于内燃机缸表面，利用缸体温度高于环境几百度的温差发电，将余热变作电能回收。后者可以做成电致冷器件。这类的直接热电变换器件具有无污染，没有活动部件，长寿命，高可靠性等优点，但块体材料制成器件的效率低，限制了它的应用。纳米科技兴起以后，人们探索利用纳米晶或纳米线结构能否解决热电效应的效率问题。认为用量子点超晶格材料有希望显著提高热电器件的效率，这是由于纳米材料显著的能级分裂，有利于载流子的共振输运和降低晶格热传导，从而提高了器件的效率。T.C.Harman等人[23]报告了量子点超晶格结构的热-电效应器件，他们制备了PbSeTe／PbTe量子点超晶格(QDSL)结构，用其制造了热电器件(Thermo-electrics，TE)，图2(a)是纳米超晶格TE致冷器件的结构和电路图，(b)电流-温度曲线。将TE超晶格材料，其宽11mm，长5mm，厚0.104mm，n-型的TE片，一端置于热槽，另一端置于冷槽，为了减小冷槽热传导而形成这同结接触，用一根细金属线与热槽连接。当如图2(a)所示加电流源时，将致冷降温。对于这种纳米线超晶格结构，由于量子限制效应，发生间隔很大的能级分裂，从而得到很高的热电转换效率。图2(b)是TE器件的电流-温度曲线，实验点标明为热与冷端温差(T)与电流(I)关系，电流坐标表示相应通过器件的电流。■为热端温度Th与电流I的关系，其温度对于流过器件的电流不敏感。为冷端温度Tc与电流I的关系，其温度对于电流是敏感的。图中A是测得的最大温差，43.7K，B是块体(Bi，Sb)2(Se，Te)3固溶合金TE材料最大温差，30.8K。从图中可以看出，在较大电流时，冷端温度趋于饱和。采用这种致冷器件由室温降至一般冰箱的冷冻温度是可能的。
电热效应的逆过程的应用就是焦电器件，即利用热源与环境的温差发电。对于内燃机、锅炉、致冷器高温热端等设备的热壁，涂上超晶格纳米结构涂层，利用剩余热能发电，将是人们利用纳米材料和组装技术研究的重要课题。
类似面致冷、取暖，面光源，面环境监测等涂层功能材料，将给家电产业带来革命性的影响，将会极大地改变人类的生活方式和观念。
4含铁碳纳米管薄膜场发射
碳纳米管阵列或含碳纳米管涂层场发射被广泛研究，以其为场发射阴极做成了平板显示器。研究结果表明碳管的前端有较强的场发射能力，因此碳管涂层膜中多数碳管是平放在基底上的，场电子发射能力很差。我们制备了含有铁(Fe)纳米粒子的碳纳米管，它的侧向有更大的场发射能力，有利于用涂层法制造平板场发射阴极。图3(a)是含铁粒子碳纳米的TEM像，碳管外形发生显著改变。(b)是碳管场发射I-V特性曲线，I是CVD生长的竖直排列碳纳米管的场发射曲线，II是含铁粒子碳纳米管竖直阵列的场发射曲线，III是含粒子碳纳米管躺在基底上的场发射曲线，有最强的场发射能力。根据此结果，将含铁的碳纳米管用作涂层场发射阴极，有利于研制平板显示器。
5电子强关联体系和软凝聚态物质
上面所讲到的涂层纳米功能材料和器件是当今国际上研究的热门课题，会很快取得重要成果，甚至有新产品进入市场。当我们在讨论这个纳米科技中的重要方向时，不能不考虑更深层的理论问题和更长远的发展前景。这就涉及到物理学的重要理论问题，即电子强关联体系(electronstrongcorrelationsystem)与软凝聚态物质(softcondensationmatter)。
在量子力学出现之前，金属材料电导的来源是个谜，20世纪初量子力学诞生后，解决了金属导电问题。基于Bloch假设：晶体中原子的外层电子，适应晶格周期调整它们的波长，在整个晶体中传播；电子-电子间没有相互作用。这是量子力学的简化模型，没有考虑电子间的相互作用，特别是在局域态电子的强相互作用。2003年又有人提出了金属导电问题，Phillips和他的同事以“难以琢磨的Bose金属”为题重新讨论了金属导电问题[24]。当计入电子间的相互作用时，可能产生的多体态，超导和巨磁阻就是这种状态。晶体中的缺陷破坏了完善导体，导致电子局域化。电子与核作用的等效结果表现为电子间的吸引作用，导致电荷载流子为Cooper对。但这个对的形成，不是超导的充分条件。当所有Cooper对都成为单量子态时，才能观察到超导性。这样，对于费米子由于包利(Paulii)不相容原则，不可能产生宏观上的单量子态。Cooper对的旋转半径小于通常两个电子相互作用的空间，成为Bose子。宏观上呈现单量子态，Bose子的相干防止了局域量子化。在局域化电子范围内，超导性可能认为是玻色-爱因斯坦凝聚，这个观点现今被很多人接受。从20世纪初至今，对于基本粒子的量子统计有两种，一是Fermi统计，遵从Paulii不相容原理，即每个能量量子态上只能容纳自旋不同的2个电子，而Bose子则不受这个限制。在凝聚态物质中有两个基态：即共有化Bose子呈现超导态，局域化Bose子呈现绝缘态。然而，在几个薄合金膜的实验中，观察到金属相，破坏了超导体和绝缘体之间直接转换。经分析认为这是玻色金属态，参与导电的是Bose子。推断这个金属相可能是涡流玻璃态，这个现象在铜氧化物超导体中得到了验证。
软凝聚态物质研究的对象是原子、分子间不仅存在短程作用力，而且存在长程作用力，表观上呈现的粘稠物质形态，称为软凝聚态。至今，人类对于晶体和原子存在强相互作用的固体已经知道得相当透彻了，但对软凝聚态的很多科学问题还没有深入研究，21世纪以来，引起了科学家的极大兴趣。软凝聚态物质包括流体、离子液体、复合流体、液晶、固体电解、离子导体、有机粘稠体、有机柔性材料、有机复合体，以及生物活体功能材料等。这其中的液晶由于在显示器件上的很大市场需求，是被研究得相当清楚的一种。其他软凝聚态结构和特性的科学问题和应用前景是目前被关注的研究课题。这其中主要有：微流体阀和泵、纳米模板、纳米阵列透镜、有机半导体、有机陶瓷、流体类导体、表面敏感材料、亲水疏水表面、有机晶体、生物材料(人造骨和牙齿)、柔性集成器件，以及他们的复合，统称为分子调控材料(materialsofmolecularmanipulation)。其主要特征是原子结构的多变性和柔性，研究材料的设计、制造、结构和特性的测量、表征，追求特殊功能；理论上探讨原子结构的稳定体系，光、电、热、机械特性，以及载流子及其输运。关于软凝聚态物质，有些早已为人类所用，电解液、液晶等，但对其理论研究处于初期阶段。科学的发展和应用的需求促进深入的理论研究，判断体系稳定存在的依据是自由能最小，体系自由能可表示为F=E-TS，其中S是熵。对于软凝聚态物质体系，S是重要参量。其中更多的缺陷，原子、分子运动的复杂行为，更多的电子强关联，不再是单粒子统计所能描述，需要研究粒子间存在相互作用的统计理论。多样性是这个体系的突出特征，因此其理论涉及广泛、复杂问题。
物理学是探索物态结构与特性的基础学科，是认识自然和发展科技的基础，其中以原子间有较强作用的稠密物质体系为主要研究对象的凝聚态物理近些年有了迅速进展，研究范围不断扩大，从固体结构、相变、光电磁特性扩展到液晶、复杂流体、聚合物和生物体结构等。几乎每一二十年就有新物质状态被发现，促进了人类对自然的认识和对其规律把握能力，推动了科学和技术的发展。21世纪仍有一些老的科学问题需要深入研究，一些新科学问题已提到人们的面前。特别是低维量子限域体系和极端条件下的基本物理问题。20世纪80年代出现的介观物理，后来发展成为纳米科技所涉及的学科领域。与宏观体系和原子体系相比，低维量子限域体系，还有很多物理问题有待解决，人们熟悉的宏观体系得到的规则和结论有些不再有效，适用于低维量子限域体系的处理方法和理论需要探索，特别是将涉及到多层次多系统问题的描述和表征，将会有更多的新现象、新效应、新规律被发现。在纳米尺度，研究原子、分子组装、测量、表征，涉及有机材料、无机／有机复合材料和生物材料，这将大大的扩展了物理学研究的范围和深度。涉及的重大科学前沿问题和重点发展方向有①强关联和软凝聚态物质，及其他新奇特性凝聚态物质；②低维量子限域体系的结构和量子特性，包括纳米尺度功能材料和器件结构和特性；③粒子物理，描述物质微观结构和基本相互作用的粒子物理标准模型和有关问题，以及复杂系统物理；④极端条件下的物理问题，探索高能过程、核结构、等离子体、新物理现象和核物质新形态等；⑤生命活动中的物理问题，物理学的基本规律、概念、技术引入生命科学中，研究生物大分子体系特征、DNA、蛋白质结构和功能等，其研究关键将在于定量化和系统性，必然是多学科的交叉发展，成为未来科学的重要领域。
6结论
本文讨论了纳米线涂层的结构和特性，重点是纳米线的复合涂层和其电学特性、光电特性。其中包括制造技术新观念，纳米材料的完美定律，纳米涂层的热-电效应，碳纳米管的侧向场发射，以及电子强关联体系和软凝聚态物质，展示了涂层科学与技术的发展前景。
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关键词：热胀冷缩；应用；发展前景
中图分类号：G63 文献标识码：A 文章编号：1673-9132（2017）01-0236-02
DOI：10.16657/ki.issn1673-9132.2017.01.144
物理中的热胀冷缩，是物体的一种基本性质，大多数物体都有这种性质，在遇热后膨胀，在遇冷后缩小。那么，物体为什么会有这样的性质呢？科学技术高速发展，对这个原理的研究不断深入。
科学研究表明：物体受热时，物体的分子动能增强，分子变得活跃，所以表现为膨胀；物体受冷时，物体的分子动能减弱，分子受到抑制，所以表现为冷缩。由于受到物体内部分子的复杂性影响，这种热胀冷缩的性质也有例外。例如，水在4℃以上会热胀冷缩，而在4℃以下就会冷胀热缩，这是因为水中的氢键在4℃以下时会随着水温的下降而增多，所以水在4℃以下就会呈现出膨胀的状态。除了水，还有锑、铋、镓和青铜等物质，也会有这种不同于大多数物质的特性。
再继续研究下去，为什么物体温度发生变化时，物体分子的动能就要受到影响并发生相应的变化呢？于是，科学进一步发现，是原子内部的一种加速运动，促成了物体的这种热胀冷缩的性质。当原子受热后，原子核的自旋和外层电子的公转就会相应地受到温度的激发，就会引起原子内部的离心力和电场力的相应变化，于是核内的质子和中子以及核外的电子就会呈现出粒子运动的加速状态。这种状态体现在物质的表面，就是热胀冷缩这种自然现象。
科学研究的目的是为了实际生活中的应用，或者反过来说，实际生活中的多种实践活动也促进了科学研究的进步。
一、热胀冷缩在日常生活中的基本运用
例如，日常生活中剥鸡蛋这样一件小事，人们就应用了热胀冷缩的原理。鸡蛋刚刚煮好的时候，如果急于剥壳，蛋壳上就会粘连着很多蛋白。这个时候，如果把刚出锅的热鸡蛋放到冷水里浸一下，再剥蛋壳就容易得多了。
这里面的道理很简单，就是蛋壳和蛋白是由不同的物质组成的，不同的物质内部当然有不同的原子，不同原子受到温度激发后内部的加速运动也是不同的，所以热胀冷缩的速度和幅度也是不同的。一般情况下：密度大的物质伸缩性小，密度小的物质伸缩性大；传热慢的物质不易伸缩，传热快的物质容易伸缩。因为蛋壳与蛋白的伸缩步调不一致，就造成了蛋壳与蛋白的分离。
在生活中，这样利用热胀冷缩的现象很常见。如小学生用开水烫圆被挤凹的乒乓球，就是一个非常有趣的例子。
二、热胀冷缩在工业生产实践中的重要影响
在人们的生产生活实践中，热胀冷缩对工业影响最大。比如，铺设火车的轨道，在两截铁轨之间，要留出热胀冷缩的接缝。再如，如果一种产品是由两种材料混合生产而成，就要考虑这两种材料的热胀冷缩性质，一般情况下是越接近越好。
热膨胀系数是各种材料主要性能指标中的一个重要参数，如金属材料的热膨胀系数、混凝土的热膨胀系数等。在生产和施工中，都要充分考虑这一因素以保证产品和工程的质量。例如，在建筑行业中，混凝土的热膨胀系数直接关系着工程的质量。
举例来讲，现在的建筑大多是钢筋混凝土结构。在这种结构中，钢筋主要承受拉力，混凝土主要承受压力，不仅比钢结构节省钢材以及成本相对较低，而且具有坚固、耐久的特点，更重要的是还具有防火性能好的优点。一旦遭遇火灾，因为钢筋和混凝土的热膨胀系数不同，钢筋急剧膨胀就会挣脱混凝土，使混凝土和钢筋彻底分离，从而使建筑物彻底损毁。如在震惊世界的911事件中，美国世贸大楼双子座的损毁就是一个很好的例子。但是，普通的火灾一般没有恐怖袭击中那么高能的热源，所以热膨胀系数低的混凝土作为不良导热体，就会保护里面的钢筋不会立即受到高温的威胁。这样，在无形之中就增强了建筑物内部所有钢筋互相作用支撑的时间，增强了建筑物承受火灾的能力，也为消防员的营救争取了宝贵的时间。
三、热胀冷缩在现代高科技时代的发展前景
在现今的高科技时代，物体热胀冷缩这一性能，正在呈现出高科技的新态势。科学技术的高度发展，像微电子这样高科技和结合信息产业的核心技术，给自动化带来了跨时代的改变。一方面对材料的热膨胀性能提出了更高的要求，另一方面对热膨胀的利用也不断出现新的突破，并呈现出更加广阔的发展趋势。
（一）新的高科技材料为航空航天的发展提供了重要的保证
航空航天的发展，最先对工业材料发起了挑战，像卫星整流罩、太阳能电池阵基板这一类的高科技产品，必然对材料科学提出更高的要求。航空航天领域的材料，不但要求耐腐蚀、耐高温、耐辐射，而且要求密度小、刚性好、强度高、尺寸稳定。针对这些高科技的需要，先进复合材料得到了大幅度的发展。通过石墨纤维与树脂的复合，可以得到热膨胀系数几乎等于零的材料。可以说，这是人类对热胀冷缩这一物理性能的挑战，通过科学彻底改变了物体的性能。
（二）新的自动化装置将帮助人们解决更多的实际问题
微电子技术的高速发展，也促进了电器元件的开发和创新。比如，有些电器元件由两种热膨胀系数相差很大的材料构成，然后利用热胀冷缩的原理，通过热膨胀系数大的材料的弯曲变形，达到在某种条件下自动连接的目的。正是应用热胀冷缩这种性能，制成了多种自动化装置和仪表。日光灯的启动器就是根据这一原理制成的。启动器里有精巧的双金属片，它们能够随着温度的改变自动屈伸，开启日光灯。
（三）随着科学技术的不断发展物体的热膨胀性能将发挥更大的作用
可以设想一下，人类既然能够通过材料复合使材料的热膨胀系数基本上等于零，那么也就可以说，人类的科学手段已经能够掌握对热膨胀系数的控制。因此，展望未来，人类很有可能通过控制热膨胀系数，制造出更多自动化的装置和设备，人类社会的现代化大大地向前推进。
马克思说过：“科学就是实验的科学，科学就在于用理性的方法去整理感性的材料。”物理作为一门实用科学，它要求人们既忠于现实需要，又忠于科学规律。世界发展到今天，人类已经创造了很多惊人的奇迹，如克隆技术、网络技术、核能技术、航天技术等，科学正在以前所未有的速度向前发展。从亚里士多德创立自然科学，到牛顿在力学上的重大推进，再到现代物理学中量子力学的产生，都体现了物理学在人类生活的各个领域的重要作用。同样，热胀冷缩这一物体最基本的性能，也将在科学发展中不断被研究、开发和利用。
参考文献：
【关键词】数学复习课；数学素养；数学文化
【中图分类号】G633.6 【文献标志码】A 【文章编号】1005-6009（2016）38-0038-03
【作者简介】赵士元，江苏省苏州市吴中区教育局（江苏苏州，215007）教研室主任，中国教育学会会员，江苏省教育学会考试专业委员会会员。
一般的观点认为：数学复习与数学素养的培养似乎没有必然的联系，作为复习的数学教学其最终目的是提高学生的解题能力从而进一步提高学生的应试能力，而作为思想领域的数学素养其主要目的是培养人的思维品质。目前尽管各地教学行政机构都在反思“应试”给教育带来的种种不利因素，也正在努力通过各种途径减少“应试”对教育带来的负面影响，但中国几千年的科举制度决定了考试制度存在的必要性。更何况就目前的机制来看，高考是最公平、最值得老百姓信任的人才选拔机制。有考试，应试就在所难免，我们所要做的不是如何去批判“应试教育”，我们要做的是对应试教育进行反思剖析，从应试教育中寻找有利和不利于我国目前教育的因素，从而做到科学地进行应试教育，本文试图就在数学复习课中如何渗透数学素养的培养作一探讨。
一、认识数学应用的广泛性，提升学生数学欲望
什么是数学？一般认为，数学是研究数量、结构、变化以及空间模型等概念的一门学科，它有三个基本特性：思维的抽象性、逻辑的严密性和应用的广泛性。我们发现，在平时的教学实践中教师强调的更多的是思维的抽象性和逻辑的严密性，伴随着教育评价机制的局限性、教学的急功近利、各级主管部门的应试指标，大题量的数学训练让我们的学生“闻数丧胆”。由于在平时的教学实践中忽视了它的第三大特性“广泛的应用性”，让很多学生对数学学习必要性的认识很模糊。他们认为学习数学仅仅只是为了让高考总分有个突破，于是一种被迫学习的阴影深深扎根在学生的心里，出现的结局是：教师急功近利、被动地教、学生被动地学，表面上教师教过了的题目学生知道了，但其中隐藏的丰富的数学思想却往往被教师一带而过，知识在学生头脑中的保有时间非常有限。于是，在高考复习中我们经常会发现部分教师感叹：一方面讲过了的知识学生没记住，另一方面学生又会乱七八糟地“创造”出一大堆似是而非或者根本不对的“知识”，复习陷入了“恶性循环”。
出现这种状况，我认为问题不完全在高三，而在基础年级的教学。要改变这种状况，首先应该通过生动具体的实例让学生明白数学无处不在，让学生明白学好数学是现代人的一项基本技能而不只是为了高考，在平时的教学过程中可视教材的具体内容，适时渗透数学史知识和数学在当今社会发展中的作用，让学生了解时展到今天，数学的应用已相当广泛。
从历史来看，数学最早应用于食物、牲畜、工具以及其他生活用品的分配与交换，房屋、仓库的建造，丈量土地、兴修水利、编制历法等。随着数学的发展和人类的进步，数学的应用逐渐扩展和深入到更一般的技术和科学领域，“数字地球”的构想已逐渐成为事实，数学已被应用到气象、海洋、地震、遥感、资源探测、环境、生态等各个领域。二十世纪，随着CT的问世和人类对DNA的关注，“数学生物学”也产生了，它帮助人们更加清晰地了解生命与智力。二十一世纪进入了“大数据时代”，数学在人类生活中的作用进一步得到了凸显。
我们的课堂教学如果能注意渗透各种有用的数学史知识，同时让学生及时了解最新数学动态，那么学生学习数学的兴趣必定会越来越浓，学生不会再认为学数学只是为了在高考中取得高分，而是一项实实在在的技能。这时我们的学生会自觉地将这种学习的动力内化为学习的需求，只有当学生的学习达到了这样的境界时，学生的数学素养才能得到有效的提升，课堂教学才会真正地提高效率。
二、善用数学语言，强化学生的思维转换
数学，可以说是一门符号性的学科，大量的数学公式、数学定理都是通过一种符号性的语言来表现的，因此在数学课堂里应善于应用符号语言来描述数学定理。受中学生年龄层次和抽象概括能力的限制，在使用符号语言时，应注意学生知识的前后连接，充分利用“通俗语言”“符号语言”与“图形语言”三种语言的相互转化，帮助学生理解抽象的数学定理和数学公式以及一些重要的数学性质。当然，这样的要求未必能在新授课时就达到，但数学复习课作为一种对新授课的补充和巩固的课型，就理应能达到。比如在复习立体几何中的定理时应让学生从相对复杂的图形中提炼出定理的特征图形，同时能用自己的语言表述定理的条件和结论，其最关键的是要让学生能结合图形用特定的数学符号描述出定理的内容，这既是应试的需要更是未来社会对人才概括能力的需求。
不少自然科学家、特别是理论物理学家都对数学的语言功能有过明确的论断。著名物理学家玻尔（N. H. D. Bohr）就曾指出：“数学不应该被看成是以经验的积累为基础的一种特殊的知识分支，而应该被看成是普通语言的一种精确化，这种精确化给普通语言补充了适当的工具来表示一些关系，对这些关系来说普通字句是不精确的或过于纠缠的。严格说来，量子力学和量子电动力学的数学形式系统，只不过给推导关于观测的预期结果提供了计算法则。”爱因斯坦（A. Einstein）更是通过与艺术语言的比较专门论述了数学的语言性质，他写道：“人们总想以最适当的方式来画出一幅简化的和易领悟的世界图像；于是他就试图用他的这种世界体系来代替经验的世界，并来征服它。这就是画家、诗人、思辨哲学家和自然科学家所做的，他们都按照自己的方式去做……理论物理学家的世界图象在所有这些可能的图象中占有什么地位呢？它在描述各种关系时要求尽可能达到最高标准的严格精确性，这样的标准只有用数学语言才能做到。”（《爱因斯坦文集》第一卷）由此可见，我们必须在平时的复习教学过程中充分注意学生数学语言的应用，注重生活语言和数学语言的相互转换，惟有如此，学生的数学素养才能得到有效的提升。
三、渗透数学文化，让学生体会数学文化价值
数学是人类生活的工具，数学是研究数量关系和空间形式的科学，数学与人类生活和社会发展紧密关联。华东师范大学张奠宙教授也说过：“数学文化必须走进数学课堂。”数学作为一种文化，它具有比数学知识体系更为丰富和深邃的文化内涵，它的内容、思想、方法和语言在日常生活和科学技术及其他学科中都有广泛的应用。可是，在平时的课堂观察中我们不难发现，由于应试教育的需要，“重结论轻过程，重知识轻文化”的现象非常普遍。三年高中读下来，学生能够熟练地解决一些数学难题，但对数学最基本的思想方法却不够熟悉，更不用说数学素养的提升。
“高分低能”也绝非危言耸听，学生不善于用“不完全归纳”的思想寻求一般结论，只会死死地抓住教师教给他们的“通性通法”。举例来说，在平时的应用题教学过程中，有些教师过分注重题型的归纳，不注意学生审题和数学思维的培养，忽视教会学生用数学的思维看待现实问题，于是在学生中造成了“谈应用题色变”的现象。
曾有一位数学家提出：“让学生用数学家的眼光来看世界”。这意味着学生要学会用数学家的眼光去看实际生活中所用的数学，也要用同样的眼光去看待正在学习的数学。而教会学生“用数学家的眼光观察世界，用数学家的思维分析世界，用数学家的语言表达世界”正是数学教学的一个主要任务，数学教学只有真正落实了这一点，学生的学习热情才能得到激活，学生的数学素养才能得以提升。
在数学复习课中还有许多地方可以让学生深入地体会数学文化价值。例如，用数学语言来体会数学文化的韵味，用数学的规律来体会数学文化的美，用数学与文学之间关系，用数学的宏观和微观的认识来体会数学文化中的哲学思想等。在教学中我们可以通过提供相关文化背景、创建文化氛围、挖掘文化内涵，让学生真正地体会到数学的教育功能，加强数学文化的感染力和渗透力，从而真正提升学生的数学素养。
四、渗透数学思想，提升课堂复习质量
素质教育也罢，应试教育也罢，归根到底是要大面积地提高课堂教学质量。何为质量？是分数，还是学生未来发展的能力？教育部前部长袁贵仁在2016年全国教育工作会议上提出，“要全面提升学生的成长成才能力、社会贡献力和国际竞争力”，而“三力”的提升离不开必要的基础，即分数。我们认为分数与能力并不是对立的两个方面，关键是我们如何平衡。
考试是目前最公平、最公正的一种人才选拔形式，既然有考试就必然会有分数。笔者个人认为，一个考分很低的学生不会有很强的数学能力。古今中外，的确有一些“高分低能”的考试选手，但“低分高能”的成功者又有几个呢？所以，分数虽然不是衡量数学课堂教学质量高低的唯一标准但至少应该是一个重要标准。
那么，在素质教育的大背景下如何提高数学课堂复习的质量呢？笔者认为，注重数学思想的渗透、注重数学的理性归纳是一项重要的举措。
举例来说，在讲解二次函数的区间最值问题时，我们往往会让学生学会对参数字母进行分类，却缺少对“为什么要这样分类”的深层次分析，学生往往不能完成对知识的提炼，从而学习显得呆板，不能灵活运用。再如二次函数y=ax2+bx+c（a>0）的性质众所周知，学生也能较为熟练地应用二次函数的性质讨论二次函数的区间最值问题，但在解决类似于“已知函数y=ax+■在区间[2，5]上的最大值，求a的值”这样的问题时，学生往往会对“a”进行详细的分类，而没有意识到无论a是正还是负，函数在已知区间上的最大值只可能在x=2或x=5时取得，其思维就显得很呆板。造成学生思维呆板的主要原因是教师在平时的教学或复习过程中过分地注重知识的传授而忽视了思想的渗透。
再比如，在数列的复习过程中我们可能过分地强调了几种常见的数列递推关系，但往往会忽视重要的不完全归纳思想；在三角函数的复习过程中我们会过多地注重公式的应用但往往忽视重要的化归思想；在例题教学过程中我们会重视重要的题型但往往会忽视等价转换思想的渗透……在我们平时的课堂观察中经常会发现教师在讲解“含参不等式”时往往会抱怨学生理解能力不够，殊不知造成学生不理解的原因很可能是在平时的教学过程中没有很好地渗透分类讨论思想，没有让学生明白为什么要这样分类。如果我们在平时的教学或复习过程中有意识地注重数学思想的渗透，那么“减时增效”不再是天方夜谭。
以上是笔者就数学复习课堂中如何渗透数学素养的几点个人看法。总之，如果我们在平时的复习过程中能充分注意到各种数学思想和数学文化的渗透，那么数学复习课同样会显得非常精彩，学生也能抱着欣赏的心态走进数学课堂。如果这样，即使离开了大题量的数学训练，教学同样能获得预期的效果。
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1、物理实验的现象美
物理实验展示的现象实际上是实验物理学家对自然现象或自然过程重新组织或者重新构建。因此物理实验中的现象美就包含两方面的内容:物理观察的自然现象美和物理实验展现的现象美。物理观察的自然现象美和传统美学中所谓的自然美的内涵是不尽相同的。后者是审美主体的感官直接感受到的自然界表面属性，如日月星辰的光芒、银河系的广阔幽深、彩虹的绚丽多彩等等这些自然物的自然属性。前者所涉及的广度和深度要大得多。物理观察可以获得诸如星系的漩涡结构、行星的椭圆轨道等宇宙结构图，物质的晶体、分子、原子等物质层次结构图等等反映自然、物质结构奥秘的特征。这些特征本身也有非常多的美，而这些又是自然美无法体现的。
既然，物理观察存在大量的自然现象美，那么，对自然现象美进行重构的物理实验也必然展现很多的现象美。看一看实验物理学家给我们展现的图景:棱镜或光栅展示的多色光谱，由若干不同颜色的细亮谱线按波长顺序排列组成，展现了简单有序美;双缝干涉条纹呈现出了明暗相间的等间距的直条纹，单缝衍射花样中各极大处的光强是不相同的，中央明纹光强最大，其他明纹光强迅速下降，呈现对称分布;两个频率不同相互垂直谐振动的合成得到的李萨如图形展现的对称美;平面镜成像的物象对称;点电荷电场的球对称;无限长直导线周围磁场的轴对称等等，这些令人赏心悦目、回味无穷的图景，是人们感性认识的范围内就可以体验其美感效应的，与绘画有同样的审美价值。这些美丽的图景具有对称、简洁、和谐等特点。
2、物理实验的设计、方法的美
物理实验的审美价值不仅仅表现在现象美上，还表现在独具创造性的实验构思、精巧完美的实验设计上，以及精湛的实验操作和控制技术中。在历史上人们一直认为光的传播不需要时间。直到十七世纪，物理学家才开始尝试测定光的速度。刚开始物理学家测定光速时，必需利用很大的距离，用精巧的方法准确地测出很短时间间隔，得到的结果误差很大，后来迈克尔逊设计了一个十分精巧的实验，非常准确地测出了光速度。他选择两个山峰，测出两山峰间的距离。在第一个山峰上安装一个强光光源和一个正八面棱镜及一个望远镜;另一个山峰上安装一面凹镜和一个平面反射镜。通过调节八面棱镜的转速，测定光速。爱因斯坦称赞这一实验的优美和方法的精湛时说:“迈克尔逊是科学的艺术家”。是的，他的实验装置和方法是优美的。他使用的仪器是普通的，原理是众所周知的，然而得到的结果却是完满的。他后来又利用干涉仪做了一个更美妙的实验，从而否定了“以太”的存在，为相又抓仑和量子力学的建立奠定了基础，引起近代物理学的革命，进而促进了新技术革命和产业革命的到来，物理实验创造了人类美好的未来。
再如对称性的方法是现代物理实验的一个重要方法，并且物理实验过程中也展现了对称美的美学形式。传统美学中的对称仅指人们感性意识中的三维空间的对称，物理学中的对称则包含各种数学空间的对称，是一种理性范畴的对称。对称性原理在现代物理学研究中发挥了越来越大的作用，对称性的方法其实已经是当代物理学家研究物理学问题的一种方法。实验物理学家对于对称这种美学形式更是宠爱有加，义无反顾地去追求这种美。法拉第从对称性中得到了很大的启发，他想既然电能生磁，那么磁也一定能生电，这样才能显示出自然界的对称美。他经过10年的艰苦努力，终于用实验证实了电与磁之间存在对称美的设想。对称性思想已经是现代物理学实验的一个重要思想。物理学史上的诸多实验，在科学发展及人类进步的历史舞台上闪耀着艺术的光辉，堪称物理世界中的艺术精品。如库仑的电抨实验;托马斯杨的光双缝干涉实验;盖革与马斯登在卢瑟福指导下进行的粒子散射实验;赫兹的电磁波实验;查德威克发现中子的实验和吴健雄验证弱相互作用下宇称不守恒理论的实验等。
3、物理实验结论美
物理实验展示出人的认识与自然界的和谐统一。物理实验的最终目的不是创造艺术作品，而是为理解自然提供细节观察或者是为理论寻找证据。其中物理实验结论与理论的和谐统一是物理实验美的突出体现。近代物理学的一个特点是理论的发展走在实验的前头。暂时造成美与真的矛盾的主要原因是物理学家极其广阔的思维空间与现实空间由于实验手段和技术的限制而暂时无法沟通。只有理论与实验和谐统一了，物理学新理论才得以在科学界被广泛接受和应用，才能推动人类社会的进步。
二、在物理实验教学中进行美学教育
在教学中，教师的教学能否产生艺术效果，既取决于教师的教学艺术，也有赖于学生的艺术情趣。一个从未体验过科学美的人在学习科学理论时可能会觉得遇到的不过是一大堆枯燥无味的符号、公式和图表，毫无美感可言。正像一个毫无艺术素养的人听到旋律优美、节奏明快的音乐时会觉得那不过是叮叮咚咚的杂音;看到构图新颖、寓意深刻的绘画时会觉得那只是一些五颜六色的堆积罢了。所以，一个精通教学艺术，讲究教学效果的教师一定会在备课中充分挖掘物理实验的科学美的因素，在教学中培养学生科学的审美能力，从而提高学生的实验技能。
1、以真实的生活情景为实验蓝本，体现物理科学的自然美，提高学生的学习兴趣
自然美是客观世界中自然物、自然现象的美。物理学是一门自然科学，是以观察和实验为基础建立起来的，物理学中涉及到大量的物理现象和自然现象，无不体现物理科学的自然美。
例如，除前面的举例之外，还有电子的绕核运动、天体的和谐运动;结晶体的多样化、液体的表面能;高压放电、摩擦起电、磁石吸铁、电磁感应;四季变更，风、雨、雷、电的形成等，物理实验教学中，必须以观察实验为基础，尽量从现代日常生活中寻找物理现象，创设物理环境，让学生获得详实、直观、具体的感性美，使实验教学更加贴近生活、贴近社会。使学生感受物理实验就在身边，物理科学的自然美就在现实生活中，从而提高学生的学习兴趣。物理学是自表面向深层的发展。表面有表面的结构，有表面的美。比如虹和霓是极美的表面现象，人人都可以看到。实验工作者作了测量以后发现虹是420的弧，红在外，紫在内;霓是500的弧，红在内，紫在外。这种准确规律增加了实验者对自然现象的美的认识。这是第一步。进一步的唯象理论研究可以了解到这42与50可以从阳光在水珠中的折射与反射推算出来，此种了解显示出了深一层的美。还可以引导学生再进一步地研究，可深人了解折射与反射现象本身可从一个包容万象的麦克斯韦方程推算出来，这就显示出了极深层的理论架构的美。
2、开设综合性、设计性实验，给学生体验实验的设计、手段的方法美与创造美的空间
多开设一些综合性、设计性实验，给学生更大的空间去创造、思考，充分挖掘学生的潜能来完成实验，从而完成体验实验的设计、手段的方法美与创造美。随着科学技术的迅猛发展、许多边缘学科、交叉学科的兴起，学科互相渗透、互相结合的整体化发展日益迅速，某一疑难科技问题的解决不再仅仅依赖于某一个学科，而是多学科的综合化。因此，培养学生的融合意识和知识整合能力成为大学物理实验教学的重要使命，而物理学是自然科学中的基础学科，它与化学、生物学数学等学科的联系相当密切。因此，为了培养学生的发散思维能力，提高探究能力，在物理实验内容的选择方面可涉及其他学科与物理学相联系的综合性问题，如光谱技术、真空技术、磁共振技术、光纤技术、传感器技术、光学信息处理技术等等。
设计性物理实验是在学生具有一定能力的基础上，运用有关物理实验知识、技能、科学过程与方法，独立(或在老师启发下)分析实验目的和要求，对实验的仪器、装置、步骤和操作方法所进行的一种规划。设计性物理实验对于发展学生科学研究能力、提高他们的实践能力和创新精神、培养学生的兴趣具有重要意义。例如“光电传感器的设计与应用”，教师可提供一定的资料，让学生用计算器作为计数器，用光敏三极管和其他电子元器件设计一个计数电路，记录迈克尔逊干涉条纹“涌出”和“陷人”数目困。再如还可以在经典实验内容之一――霍尔效应的基础上开设“用霍尔元件测地磁场”、“用霍尔传感器设计制作数字高斯计”等带有一定应用性与设计性的实验。在大学物理实验中适当增加设计性和综合性的实验不仅可以提高学生的学习兴趣，拓展学生的视野，激发学生的学习动机，而且可以锻炼他们的实践能力，在完成实验的过程中学生可以充分体验实验的设计、手段的方法美与创造美。
3、结合物理学史教学，体现物理学家科学品格和人性美，激发学生人格力量美人性是社会美的一种，是指人的思想、品格、志趣、情操、智慧、情感等多方面的美。大学物理中涉及到几十位中外著名的物理学家，尽管他们的国籍不同，所处的年代不同，个人经历不同，但在他们探索物质世界的奥秘的动人事迹中，都闪烁着人性美的光辉。科学品格是科学家得以科学成功的重要保证，科学品格的高下，决定科学家科学贡献的大小。科学品格包括科学家的探索勇气、创新精神、追求真理的理想、实事求是的方法论、百折不挠坚忍不拔不怕失败的性格特征等。
关键词：意会认知 科学知识 信念
科学知识到底是什么？这是科学家、哲学家、历史学家以及其他相关者数百年来激烈争论的问题，其观点百出，莫衷一是。与传统知识论不同，波兰尼首先把所有知识分为可明示性和非明示性两大部分，进而指出包括自然科学、社会科学和诸人文学科的所有人类知识都是“个人知识”，或者至少可以说都必须建基于“个人知识”之上。“个人知识”的典型特征为个人性、意会性和信念（寄托）性。此三特征乃“个人知识”或说“意会认知”的三大支柱。其中，个人性与普遍性是互为必要的条件，个人性通过对普遍性意向断言而体现其自身的存在，而普遍性则由于其被承认为认知者的信念（belief）并与个人“无关”而得以构成。正是个人性与普遍性在信念框架内的统一构成了所有人类的知识。对于波兰尼“个人知识”论中的个人性与意会性特征，人们已日益引起重视并加以运用。[1] 但对其信念性特征，或说对波兰尼的“信念科学知识观”即视信念为知识之根本，将科学知识乃至一切知识皆视为“信念”或“信念体系”的观点，学界还未引起足够注意。而对之进行分析批判，无疑有利于知识论的发展。本文的用意在于为此抛砖引玉。
一、波兰尼的“信念科学知识观”
一般认为，信念乃一种接受或同意某一主张的心理态度，是对还不能充分肯定的东西予以接受。信念中具有相信的成分，是建基于有限事实或说有限证据上的心理肯定。在证据不足或者说还不清楚所有背景知识和经验的情况下，人们之所以能够发现或者整体把握某一事物或知识，波兰尼认为是由于存在着只可意会不可言传的支援线索在支持着我们的认识活动。因此，看似没有知识或经验背景的认知行为实际上是有背景的，这些背景或说支援线索或许就是知识包括科学知识的“证据”。从其认为知识具有“个人性”和“意会性”上亦不难推论，知识中必然具有信念等因素，波兰尼还因此进一步认定：包括科学在内的所有知识的来源和本质是一种寄托，是一种信念或信念体系。
为了阐明科学知识的信念性特征及实质，波兰尼首先论述了科学的“前提”及其必要性等相关问题。他指出，“前提”是一个逻辑范畴，它指的是一个肯定，这个肯定在逻辑上先于另一个以其为前提的肯定。相应地，隐含于科学发现的某一成就中，或说对将要进行的某项科学研究有影响的一般见解和目的就是科学的前提，即使这些见解和目的可能与该项研究的最原初设想并不一致。实际上，人们总是按自己所期望的方式从事研究，而根据一定的程序方法取得成功又形成了自己的预期。科学研究离不开科学程序和规则，离不开科学信念和评价。在科学研究中，信念和评价是互相决定的，两者共同起着前提性的作用。波兰尼指出，从哥白尼及其反对者、开普勒及爱因斯坦、拉普拉斯及约翰道尔顿，一直到李森科，“所有这些以及其他无数科学家或自称为科学家的人们，都对事物的本质以及对科学研究的正确方法和目的持有某些所谓的‘科学’信念。这些信念和评价已向其追随者显示某种合理性且能激起人们探讨的兴趣。”[2] 他认为“科学的前提是在科学追求的实践中、在承认科学追求的结果为真实时意会地予以遵循的。”[3] 要理解这一点，就得知道科学研究和科学知识的把握必须依靠预设。然而，预设的实质至今尚未明了，以至于对预设所做出的任何解释都还难以令人信服。又由于这些预设具有不可明示性，因此无论科学是以正确的程序为基础，还是以对事物本质的坚实信念为基础，它甚至也都无法说成是基于可以言传的预设之上。他断言：“那些假定的科学预设是非常无效的，因为我们的科学信念的实际基础是一点也不能断言的。”个中原因是：当认知者接受某一套预设并将之作为自己的解释框架时，就内居于该预设之中了，犹如其内居于自身躯壳之中一样。显然，认知者将预设毫无批判地接受下来的过程就是对后者认同并予以吸收的过程。“由于那些预设本身就是我们的终极框架，所以它们本质上是非言述性的。”[4]
如前所述，科学知识分为明示性和非明示性两种。在波兰尼看来，既然是科学知识，证据是需要并且也是存在的，可明示性科学知识的证据是可以说出来的，而不可明示者的证据则无法加以言说。人们到底何以确信及把握即使有证据也无法言说的知识？波兰尼的意见是依赖“信托”，他还进一步认为，科学乃至所有的知识，归根到底要靠“形而上学的追问”，要靠信念。他指出，在进行科学验证时，自然界的事物并未贴着“证据”的标签，证据之所以成为证据，只是由于已为观察者所接受，在这一点上，即使是最精密的科学，也概莫能外。当认知者将某一外在事物转变为自己肢体的延伸时就给该事物赋予了意义，在此过程中，信念也就被转换成了依赖于其整个人的更为能动的意向。正是预先存在于头脑中的种种信念，使人们的行动得以展开及维系。任何解释框架特别是诸精密科学的形式体系，以及教科书中众多的具体断言，其背后无不隐藏着种种预设。科学家的本领由规则支配，而规则仅可被应用于个人判断的框架之内。“正是由于对科学框架的吸收，科学家才使经验变得有意义。”[5] 而这种“赋义”是一种技能行为，它既包括科学家实施正确测量和观察的技能，又包括某些行家绝技。“赋义”的结果给相应的知识打上了科学家个人参与的烙印。科学的意义和说服力“来自我们对似乎暗示着其有效性的诸自然学科之整体的先行信念，而只有当我们变得饱学自然科学的知识并学会应用其方法来解决新问题时，我们才能学会欣赏这些假设并把它们当作我们所依赖的指导原则。”[6] 波兰尼指出，科学发现一直是由一代又一代的伟人以自己坚定的信念通过不懈的努力而取得，我们的科学观就是这样成型的。每一个人之所以接受自身已有的科学知识，无非是由于科学是一个庞大的信念体系，它深深地根植于人类的历史中，并由当下社会的专门机构培育着。科学并非通过接受某一公式而建立起来，它已是全世界成千上万的科学家和非科学家心灵生活的一部分。[7] 人们说话时隐含的情态、核实科学“证据”时的判断，都表达了其信念或寄托。当人们运用工具、记号或包括语言在内的符号时，情形无不如此。工具只有被人们相信能提供某种用途时才会被依赖，而这种依赖就是一种个人寄托，这一现象存在于一切智力行为之中。通过智力行为，人们将某些事物附带地整合于关注焦点之中，吸收并使之成为其自身的一种延伸，而每一次这样的行为又都是一种寄托。对任何事物的首次考察和肯定，都是一种寄托行为，其中都包含着信念。在此意义上，知识也就可以说是认知者“构造”的结果。波兰尼说：“那些相信科学的人，必得承认他们是将一种解释置于他们的证据之上，对这种解释，他们必须自行负责进行明确的测定。一旦把科学接受为一种整体，一旦同意科学的任何特定的陈述，他们在某种程度上都要依赖他们自己的个人确信。”[8] 他进一步断言，信念是知识的唯一源泉，科学则是人们所寄托的一个庞大的信念体系，对其不能用与其自身无关的词语加以描述，“无论是用在不同体系内所看到的经验还是用没有包含任何经验的理由，都不可能对这一体系做出解释。然而，这并不表示我们可以自由地接受它或抛弃它。”“正如我们的内驱力的追求隐含着某种假设，即存在着某些我们有理由想得到或恐惧的物体那样，一切激起和造成发现的热情也同样隐含着一个信念，即相信这些热情宣布其价值的某种知识有存在的可能性。”[9] 包括科学在内的一切知识内含非言说性的信念要素，这也正是波兰尼称之为“个人知识”，并且是知识具有个人性和意会性观点得以成立的一个非常重要的原因和证据。
总之，在波兰尼看来，人类理解实在的认知活动必须依赖词汇、语言、概念、形象和理解方式乃至整个文化等认知工具或说“透镜”才能进行。这种“透镜”是随着人的成长而形成并内化为人的一部分，以至于人们已感觉不到其存在，当人们将之用于认知时，其实是毫无批判地加以依赖。更何况，按照他的“个人知识”及“意会认知”理论，认知活动又是带有个人意愿和责任的行为，这就必然会带有个人的价值和信念，信念在科学中起着基础性的作用，科学知识因此就是一种信念或说信念体系，这是确切无疑的事实。
二、对“信念科学知识观”的支持及发展
对科学到底是什么的问题至今尚未形成完全一致的意见。尽管如此，正如美国科学史家戴维林德伯格所指出，以下观点已在较大程度上得到认可：其一是将科学视为人类藉以获得对外界环境控制的行为模式。它视科学与技术紧密相连，不可分割，即科学包含了技术。其二是认为科学是理论形态的知识体系，技术则是应用理论知识来解决实际问题。此时，科学与技术被严格区分，又由于并非所有的理论都是科学，因而还须进一步提出科学的划分标准。通常的做法是依据理论的陈述形式来定义“科学”，它要求这种陈述是一般的、定律式的形式，最好以数学语言表达。例如，波义耳定律就表述为：若其余一切保持不变，气体的压力与其体积成反比。科学又可以从方法论视角加以定义，如此，科学就与具体的一套程序联系在一起，通常是为探明自然奥秘和证实或证伪某一有关自然特性理论的实验程序。此时，一个陈述如果而且只有以实验为依据，才是科学的。为了避免由此导致人们以主观意志如对科学的认识论态度，或某些教条来定义科学，罗素（Bertrand Russell）曾指出：“不能根据从事科学活动的人相信什么来评判他是不是一个科学家，而要根据他如何和为什么相信。科学家的信念是尝试性的、非教条的，他们以证据为基础，而不以权威或直觉为基础。”[10] 这显然是将科学视为获取和评判知识的某种独特方法，它一方面指出了科学与信念之间存在着联系，另一方面又强调了证据对于科学的必要性及其意义。“科学”的拉丁文为“Scientia”，希腊文为“episteme”，在古代它指的是任何有着严格和确定性特征的信念体系，不管这些信念与自然是否相关。古代和中世纪对自然的研究活动，无论是在过去还是现在，其最明确的提法是“自然哲学”或“关于自然的哲学”。基于此，以古代科学史研究见长的戴维林德伯格指出，科学史研究所需要的“科学”定义是宽泛且具包容性的，而不是狭窄而具排斥性的。我们所追溯的历史年代越久远，所需的科学定义就越宽泛。也正是出于这样的原因，他常以“自然哲学”来表示整个科学事业，也将“科学”等同于包含了技术的“自然哲学”。他认为，在大多情况下，科学是依据其陈述内容而非其方法论或认识论态度来定义的。这样，科学就是一套关于自然的信念，它大体上与现行的物理学、化学、生物学等学说相当。与此相关，“科学”和“科学的”这两个术语常常是指具有严格、精确或客观特性的过程或信念，而以此为标准，炼金术、占星术就都是非科学。无疑地，戴维林德伯格的观点可视为对波兰尼的“信念科学知识观”的有力支持。
若把波兰尼归于后现代科学观阵营，阵营中的如下科学哲学家的相关观点值得注意。库恩认为，科学是科学共同体的共同范式。按其观点，范式包含某一研究传统及其历史范例，以及隐含在传统基本概念中的形而上学假设，三者中都有着极强的信念色彩。范式与信念相随相依，前者的形成、扩展、延续乃至转变的过程实际上可以说就是后者的形成、扩展、延续乃至转变的过程。费耶阿本德强调科学应该是包括外行人在内的社会公众“举手”表决的结果，它与巫术、迷信等一样，都是文化传统的一种，所以应该与这些传统平权。不仅如此，更由于科学“不存在方法”，也就不具备所谓的正确性和客观真理性，因而也不必奢谈什么“证据”。利奥塔认为，所谓科学或说科学知识只是一种叙事，直言之，它乃科学家所编造的故事，只不过这些故事最终要加以“证明”。罗蒂则认为科学其实是科学家的“德性”，是他们之间互相“亲和”、互相包容和协商的结果，这大抵上可称为一种“主体间性的科学观”。容易看出，费耶阿本德和利奥塔的观点并没有形成对波兰尼科学知识观的支持，也就谈不上对其加以发展。库恩涉及到了信念作为科学知识要素的问题，但他对此未予以足够深刻的论述。就视“科学”为一种主体间性的知识而言，除了罗蒂以外，持有这一观点的流派也不少，其中比较突出的是SSK。所谓“主体间性”即科学共同体甚至是社会共同体所共有的性质、体验或信念。在SSK看来，由于知识本身具有密切的协作与互动的性质，作为知识的信念的确证需要满足不仅包括传统知识论所要求的条件，而且包括社会关系、利益、作用与制度等社会条件对知识的概念与规范条件的影响。SSK是一个相当复杂的学派， 其中“温和”型的SSK持“柔性”的相对主义态度，他们视“科学”为主体间性知识，并不主张消解科学知识的客观性，虽然其所谓的客观性不同于实证主义传统意义上的对自然界的客观反映。可以说，SSK的这一部分人在一定程度上支持了波兰尼。但是，强纲领SSK实质上叛逆了波兰尼而没有对其予以支持。[11] 对波兰尼的“信念科学知识观”加以继承发展者中，比较突出的大致可以认为是下述的当代分析知识论学派。
一般认为，20世纪西方知识论的发展大致可分为三个阶段，一是逻辑经验论的基础主义阶段，二是反逻辑经验论基础主义的阶段，三是20世纪60年代中期以后的当代分析知识论的阶段。[12] 按照传统的“知识”定义，构成知识必须具备三个条件，即：一个命题首先必须是真的，其次认识者必须相信这一命题，再者是认识者这一信念必须得到确证。如果一个信念是真的并且得到确证，则它就构成了知识。简言之，知识即是确证的真信念。据此，知识必须是真的，信念则是知识的必要条件，构成了知识的第二要素。在当代西方知识论中，对信念作为知识的一个要素为持正统观点的哲学家所赞同，在其看来，除非相信某一事情，否则就不可能对其加以认识。有的哲学家甚至认为信念比知识更为根本，知识只不过是信念的一种形式，是一种有关真命题的信念。只要具备“真(true)”、“信念（belief）”两个条件，再加上“确证（justification）”就成为知识。
罗素认可知识是一种信念的观点，同时又认为：“我们有时给‘知识’下的定义是“真的信念”，但是这个定义过于宽泛。”[13] 至于一个信念除了其正确性之外，还必须具备什么性质才可以算是知识？他指出：“平常人会说必须要有可靠的证据作为信念的根据。作为常识而论，这在大多数发生疑问的场合下是对的，但是如果拿它当作关于这个问题的一种完备的说法就很不够。‘证据’一方面包含一些公认为无可争辩的事实，另一方面也包含一些在根据事实进行推理时所要凭借的原理。”[14] 他举例说，假如某一人去看其自认为还走着而事实上已经停了下来的一座钟，并且碰巧看到其时刻正和钟面上的时间—样。那么，此人将得到关于时间的—个真的信念，但却不能正确地说得到了知识。他认为“由于两种原因，知识是一个意义模糊的概念。第一，因为除了在逻辑或纯粹数学的范围内，一个词的意义多少总有些模糊不清；第二，因为我们所认为的全部知识在或多或少的程度上是不确定的，而且我们无法判断不确定性达到什么程度一个信念就不配叫作“知识’，正像我们无法判断一个人脱落了多少头发才算秃一样。”[13] 在他看来，既然所谓确定的知识是难以获得的，故而倒不如以不确定作为是否“知识”的尺度更为妥当。基于给“知识”定义的困难性，他认为，人们曾从三个角度提出解决的方法。“第一种也是最早的一种方法是强调“不证自明”这个概念的重要性。第二种方法是打破前提与结论之间的区别，认为知识就是由信念组成的整体的一致性。第三种也是最彻底的一种方法是完全抛弃“知识”这个概念，而用“导致成功的信念”来代替它——这里‘成功”一词也许可以按照生物学的意义来解释。”[14] 他还进一步指出，笛卡尔、黑格尔和杜威可视为这三种观点的代言人。无论如何，罗素已将知识与信念挂钩，问题只是在于何种信念可以称为知识。
对“知识即是确证的真信念”的传统观点提出更有力挑战者是当代分析知识论，其重要标志是葛梯尔《确证的真信念是否为知识》一文的发表。其结果导致了激烈的争论并使知识论所关注的主题转向了知识的条件与确证方面。葛梯尔指出，即使满足“真、确证和相信（信念）”三个条件，确证的真信念也未必是知识。从此，知识与信念的联系更为紧密，解决信念何以成为知识便成了当代知识论的主流和核心问题。20世纪60－70年代以来，当代西方知识论盛极一时，其研究重点先是知识的结构和确证问题，目前则加强对信念及其确证问题的研究。由于对信念的研究已经逐渐成为当代西方知识论的核心和热点问题，而且视知识与信念相一致甚至将二者等而视之是其普遍观点，以致人们将知识论指称为“信念学”。
总的说来，当代分析知识论学派对波兰尼的科学知识观予以了有力的继承和发展。虽然在它们那里，科学也许已不是传统意义上的有“证据”支持的知识，它是否知识并为人们所信赖，关键不在于传统意义上的“证据”而在于“证词”（Testimony）。需要“证词”的部分，大多得靠“信仰”、“权威”，甚至是靠“演讲”和“宣传”。这样，科学知识也就不再具有硬生生的“客观性”了。在此，我们确实看到了波兰尼的影子，看到了“信念”与“Testimony” 的相通（之处）。
三、“信念”在科学知识中的必要和必然性
科学中的信念通常可分为“常识”、“科学见识”、和“世界观”三个层次，它们在科学中发挥程度不同的作用。无论是笛卡儿的理性主义、休谟经验主义怀疑论，还是新老实证主义，都无法排除信念的这种作用。如把科学研究过程大致分为观察有意义的事实、根据事实提出假说和以观察或者实验检验假说三个阶段，则在任何一个阶段中信念都是必须的。第一阶段要靠科学家的直觉，而直觉的正确与否在观察前是无从证明的，因而需要信念；第二阶段，科学史证明从事实到假说之间并没有必然的逻辑通道。这一过程中科学家的直觉、想象或者概念是否正确也无法证明。这就更需科学家的直觉、想象和创造力，更需要信念；在第三阶段，有限的观察或者实验往往难以证实或者证伪一个假说。人们之所以在即使存在反例的情况下仍能接受某一假说或者理论，显然是信念在起作用的结果。[15]
信念与认知有着内在的联系，没有信念就没有认知活动，作为人类对客观事物及其运动规律的认知活动，科学概莫能外。早在20世纪初，英国哲学家怀特海（A. N. Whitehead）在论述现代科学的起源时曾明确指出：“如果我们没有一种本能的信念，相信事物之中存在着一定的秩序，尤其是相信自然界中存在着秩序，那末，现代科学就不可能存在。”[16] 在近代科学诞生之前，就已经有了一些观念上的准备。具体来说，我们在着手研究任何事物之前，就已经有了一些先在的信念，如相信事物之间的联系是有恒常的规律的，并且这种规律是可以被人认识的，有了这样的信念（或者说假设），科研活动才有可能。他把这种信念追溯到古希腊悲剧中关于命运的看法，到了中世纪，这种信念又和上帝的全知、全在、支配一切的观念融合在一起。他断言：“在现代科学理论还没有发展以前人们就相信科学可能成立的信念是不知不觉地从中世纪神学中导引出来的。”他还指出，在科学研究中，有“一种坚定的信念，它认为每一细微的事物都可以用完全肯定的方式和它的前提联系起来，并且联系的方式也体现了一般原则。没有这个信念，科学家的惊人的工作就完全没有希望了。这种本能信念活生生地存在于推动进行各种研究的想象力之中，它说:有一个秘密存在，而且这个秘密是可以揭穿的。”[17] 与波兰尼相一致，怀特海也认为，对自然秩序的信念不仅使得科学发生和发展，而且“这种信念不能用归纳的概括加以证明，它是我们对自身的现存直接经验中所显示的事物本质作直接观察时产生出来的。这种信念和我们是血肉相连的。”[18] “科学从来不为自己的信念找根据，或解释自身的意义，对于休谟所提出的驳斥也完全置之不理。”[19]
事物之间的联系有规律且这种规律可为人所认识，对这一信念普朗克也深信不疑。他在《科学自传》中曾明确指出，我们的思维规律和我们从外部世界获得印象过程的规律，是完全一致的，所以人们就有可能通过纯思维去洞悉那些规律性。在这个事实中，具有重要意义的是，外部世界乃是一个独立于我们的绝对东西，而去寻找那些适合于这个绝对东西的规律是科学生涯中最美好的使命。爱因斯坦也明确指出：“要是不相信我们的理论构造能够掌握实在，要是不相信世界的内在和谐，那就不可能有科学。这种信念是，并且永远是一切科学创造的根本动力。”[20] 那些我们认为在科学上有伟大创造成就的人全都浸染着真正的宗教的信念”，“我不能设想一个真正的科学家会没有这样深挚的信仰。”[21] 这里所谓的“宗教的信念”和“深挚的信仰”是一种“宇宙宗教感情”，即一种对宇宙的执著信念:“相信世界在本质上是有秩序的和可认识的。”[22] “相信我们这一世界是完美的，并且是能够使追求知识的理性努力所感受到的。”[23] 由于他深受古希腊以来的西方哲学中关于世界的秩序性、统一性、简单性和理性的影响，故而始终对世界的合理性和可知性抱着坚定的信念，并坚定不移地花费大量时间精力从事统一场论的研究。相较之下，玻尔更崇尚互补思想。这样，发生旷日持久的关于量子力学基础问题的“爱因斯坦--玻尔之争”就不足为奇了。可见，怀特海、普朗克和爱因斯坦等伟大科学家都认定了信念在科学中的基础性作用。
科学哲学在二十世纪所取得的成果表明，观察渗透理论，理论渗透范式，而范式又渗透文化和价值，科学既具有客观性、经验性和理性的一面，又具有主观性、历史性和社会性的一面，而后者就包含着信念。科学中的信念通过与科学理论和事实，通过与科学理论的评价过程，与科学经验和逻辑相结合而发挥其自身的作用。至于从社会对科学影响上看，信念对科学及其发展的影响亦非常广泛和深远，各种信念因素以不同的方式进入科学共同体，从而对之造成影响，甚至人们的经济利益和阶级利益、社会历史观等相关观念也会渗透到科学过程之中。怀特海在肯定信念在科学中基础性作用时又指出：“但科学并不仅仅是本能信念的产物，它还需要对生活中的简单事物本身具有积极的兴趣。”而且强调说“‘为事物本身’这一点很重要。”[17] 从此可见怀特海也注意到了信念含义的广泛性，而到了SSK的科学知识论就更进了一步。
《苏联哲学百科全书》（1964年版）指出，科学作为关于外部世界和人的精神活动的现象与规律的知识体系，是精神文化的最重要因素，是人类知识的最高形式，它需要实践检验和证据的支持。科学的产生、发展依靠科学理性，而后者的基本内容有三：一是自然可理解性的信念。这就是怀特海、爱因斯坦和普朗克等科学家所具有的信念。它是科学研究的前提，是科学理性的灵魂，它指导并促成了科学的真正发生。二是相关的自然模型或者自然观。它是对世界自然界的总体看法，虽然其自身并非科学的理论，但却影响科学家对自然现象研究的路线和方式。如古希腊原子论和毕达哥拉斯关于数的形式主义，其中都有抽象、臆想的观念，但它们从不同的角度为现代自然科学研究指明了总体方向和基本机制。最后是科学理性方法。它不仅是一些科研规则，而且也是一种精神气质。按照默顿的观点，后者是有情感色彩的一套约束并内化为科学家自觉遵循的价值和规范的综合，其实也就是一种信念。比如爱因斯坦认定，对真的追求将达到善的境界，也就是达到一种预定的和谐和内心宁静。其所谓“宇宙宗教感情”既是一种感情，又是一种信念。科学理性乃人类在认识世界的过程中所运用的特定的理性形式，是人类理性发展出来的有效地认识世界的信念和原则。这些信念和原则为科学共同体所接受、信奉，并规范和指导科学家的认识活动，以使活动富有成效。科学理性是蕴含在科学家的科学实践过程中，它既表现为这一过程的方法又表现在成果之中。换言之，科学必须依靠信念的支持并使之成为自己的不可或缺的要素。
总之，“信念”在科学知识中具有其必要性和必然性。自笛卡尔以来的西方传统客观主义知识观，存在着贬斥信仰、传统、权威，推崇批判、怀疑的倾向，认为知识必须经受经验检验，如果前者超越经验或与经验相冲突，最终就会被抛弃。这种知识论不仅难以接受知识的个人性，而且要尽力剔除知识中的个人成分，以达到理想的、与个人无关的、绝对客观的知识。简言之，传统客观主义知识观认为真正的知识必定是“客观的”，它具有普遍性，可以明示并与个人无关。比如，罗素虽然认为知识可以分为个人知识和社会知识两类，但仅就科学知识而言，他明确指出：“科学知识的目的在于去掉一切个人的因素，说出人类集体智慧的发现。”[24] 人们若要使科学知识达到最大限度的成功就必须牺牲掉个人的因素。波兰尼充分肯定了传统知识论的意义和作用，但他认为其一味强调批判、怀疑，对于信念、传统、权威因素，只见其消极面，而没有认识到这些因素在科学研究乃至一般认识中的积极作用，这就难免失之偏颇。事实上，客观主义的知识论，导致了只强调“科学”和“客观”而忽视了人的唯科学主义，导致了现实世界生态恶化、环境污染、道德沦丧等灾难。为了解决这些问题，波兰尼认定首先要从根本上变革传统知识论，以便彻底纠正其偏失。他指出正是“信念”使科学知识成为可能。科学在没有足够证据时依靠信念来支持，即使有了确实的证据，追问到底仍然需要信念的支持。从此看来，波兰尼的科学知识观自有其可取之处。由于主张科学知识是一种“信念”，因而其科学知识观既可归于认定由“信念、真和确证”三个要素组成的传统知识论，又可视为当代知识论的先声，具有十分积极的意义。
四、科学知识能否彻底归结为信念
如上所述，波兰尼的“信念科学知识观”有其正确性和积极意义。但是，科学知识能否彻底归结为信念？为回答这一问题，我们有必要分析波兰尼观点中存在的缺陷。
事实上，按照目前众所公认的观点，科学乃依靠证据支持的知识体系。“证据”对于科学来说是必不可少的。尽管信念在科学中起着重要的作用，但并不能因此将科学完全、彻底地归结为信念。
作为权威机构的美国科学促进会在其《面向全体美国人的科学》中论述科学的性质时，便旗帜鲜明地表明“科学需要证据”，“科学的本质是通过观察验证。”等观点。[25] 它指出科学家通过观察现象和搜集样本来探索这个世界，并认为科学主张的正确性迟早要通过对现象的观察来判定。因而，科学家把注意力集中在搜集准确的数据上。由于科学的证据只有通过观察和测绘才能获得，故而书中还论述了观察的选择以及获取证据的具体方法和途径。进一步地，书中还指出，任何研究人员或研究小组的发现都必须接受其他人的检查。科学是逻辑和想象的融合。科学家常对某些取得证据的价值持有不同意见或对假设的恰当与否表示疑问，进而不同意判定的结论。但是，他们同意把证据和假设同结论连接起来的逻辑推论原则。“事实上，形成假设和验证假设的过程是科学的核心活动之一。假设的用途在于能按时人们哪些证据能证实它，哪些证据将否定它。从原则上讲，一个不能用证据验证的假设可能很有趣，但是在科学上却不一定是有用的。”[26] “科学不仰仗权威”“从长远的观点来看，没有一个科学家有权决定其他科学家是否正确，不论他多么著名，多么声望显赫。因为，没有一个科学家可以代表绝对真理。而且，世间不存在未经科学家亲自调查而得出的现成结论。”[27] 当科学家面对一个声称正确的事物时，他就会反问：“如何证实？”由于对数据的解释不同，记录或报告方式不同，以及选取什么样的数据，科学验证可能会被歪曲。科学家的国籍、性别、民族、年龄、政治信仰等等都可能影响他们偏向寻求或强调这种或那种数据或解释。科学是一项复杂的社会活动，它不可避免地要反映社会价值和社会观点。当公共利益以及他们个人的利益、合作伙伴的利益、本单位的利益和本社区的利益受到威胁时，他们也会同别人一样产生偏见。对难于察觉的偏见，其防范和补救办法是让众多不同领域的人从事一项工作。科学作为一项事业，具有个人、社会和团体三个层面。科学工作涉及许多个体去从事许多不同的工作，科学在一定程度上在世界各国范围内进行。所有民族、所有国家的男人和女人都参与科学研究和应用。尽管完全避免偏见的主观愿望不可能完全达到，但是，“科学家要努力鉴别，避免偏见。”[25] 如是而观之，科学就要具有可重复性和可检验性。在此所要重复与检验的是科学的结论是否与客观自然界相一致。科学，按照“标准”观点，便是对自然界事物及其运动规律的正确反映，是关于自然界的知识体系，具有客观真理性。所以，人们必须“小心求证”并“拿出证据”，尔后才可获得确认。直言之，科学必须经受严格的检验，其最终依靠证据而非信念的支持。
总之，科学知识的本质是经过实验检验的、对于自然现象、自然现象之间的关系以及自然现象的原因的正确反映。科学知识在认识论和方法论方面的主要特征是可检验性、系统性和主体际性。可检验性要求科学知识是在观察与实验的基础上形成的对客观世界的正确反映，它的内容与客观存在的过程或现象相联系，它的具体命题在可控条件下可以重复接受实验的检验，具有可检验性。在科学知识中不承认任何超自然的、神秘的东西。主体际性要求科学知识必须具有客观其理性，它的基本概念反映事物固有的本质属性；基本定律反映客观事物之间的内在联系，因而科学知识是客观的、普遍的，能被不同认识主体所重复所理解，能接受不同认识主体用实验进行检验，并在他们之间进行讨论、交流。这就是主体际性。它是科学发现获得社会承认的基本条件。[28]
认识自然界的事物及其运动发展规律，诚然需要有一个预先的图式，图式中一个非常重要的因素就是信念。从此意义上也就是在认识论层次上，波兰尼说知识是一种“信念”或“信念体系”，是一种“寄托”是对的，正如波普尔在主张“知识进化论”时说“观察渗透理论”一样。但是，当波兰尼将信念在科学知识中的重要性强调到决定性的作用，将信念视为知识的根本时却是错误的了，正如波普尔在本体论意义上强调“理论先于观察”一样。从能动认识论上说来，认识来自于实践并由实践所决定，人的认识无非是对客观事物的反映。按照这样的认识路线，客观事物在前，而认知者的感觉、思想观念在后。信念只不过是认识结果的一种具体形式，它归根到底是对客观事物的主观映像。所以从根本上说，科学要靠实践、要靠物质性的证据作为支持，而不是靠信念的支持。由于信念的背后还有物质性的根源，我们不能仅仅追究到“信念”就止步。波兰尼将科学知识乃至于一切知识视为信念，将信念视为知识的惟一根源，这就有了“先验论”的意味和色彩，其“信念科学知识观”因此存在着明显的缺陷。他的最大偏失正在于不加限定地越过认识论层面而进入本体论层面，以至于把信念视为科学知识乃至于所有知识的根本。这样就极易导致科学知识观中的信仰主义，从而使之从反对纯粹客观主义一端走到非理性、主观主义一端，这显然也就违背了他的本意而达不到目的。除此之外，这样还有可能给人们造成种种误导，致使人们认为科学知识并非客观知识，而是仅凭信念等非理性因素“制造”或“建构”出来的体系。波兰尼所有这些不足都应引起我们的注意并应加以相应的批判。
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