量子力學概述范文

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關鍵詞：氣體閃爍體 光學方法 能譜測量 Geant4

中圖分類號：TL816 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）04（a）-0100-04

Abstract：The optical method for measuring the energy spectrum of charged particle beam is a kind of measurement method based on the acquisition luminous image of the charged particles in the gaseous scintillation. It has many advantages such as direct-viewing， high energy resolution， suit to various charged particle， wide range and easy to adjust. In this paper， the basic principles， key techniques and main processes involved in measuring the energy spectrum of charged particles by optical method are briefly introduced.

Key Words：Gaseous scintillator；Optical method；Energy spectrum measurement；Geant4

為了解決現有的帶電粒子束能量測量方法及裝置結構復雜、使用時受輻射場強度限制等技術問題[1]，測量帶電粒子能譜的光學方法將徑跡探測器直觀的、能應用于脈沖輻射場的特點與現代成像組件實時方便的圖像信息采集和處理的優勢結合起來，發展了一種新的基于閃爍圖像直接讀出的探測器，并用于粒子能量測量。

帶電粒子束入射到氣體閃爍體中，粒子沿徑跡沉積能量并激發氣體閃爍體發光，采用CCD相機獲取氣體閃爍發光圖像，入射帶電粒子能量與收集到的閃爍發光圖像一一對應，根據圖像反演可求解得到入射粒子束的能譜。這種成像測量的方法本質是依據帶電粒子束徑跡長度確定能量，粒子徑跡分布只取決于氣體閃爍體和粒子本身，而不受源脈沖狀態的限制。光學成像的測量方法既可應用于脈沖輻射場，又可實現對強流穩態輻射場帶電粒子束能譜的測量。

該文概述了氣體閃爍體的發光機理、閃爍圖像光學方法測量原理，并對如何求解帶電粒子能譜的方法進行了介紹。

1 氣體閃爍發光原理

氣體作為閃爍體的發光材料，具有以下突出優點[2]：發光衰減時間快、通過氣壓調節便于控制阻止本領、發光強度與粒子能量沉積在很廣的能量范圍內線性很好，閃爍圖像強度能夠準確反映粒子的能量沉積分布、氣體密度比固體（液體）材料的密度低3～4量級，同樣能量差的質子束的徑跡長度在氣體中區分明顯便于實現精細的能量分辨。此外，制備簡單、性能可靠、氣體價格便宜、使用方便、擴展性強，可以做成多種合適的形狀以用于具體需求。

帶電粒子能量通過2種方式轉移到氣體原子：電離和激發。電離過程：入射粒子與氣體原子的核外電子之間存在庫侖力作用，傳遞給電子的能量足以克服原子束縛而成為自由電子，氣體分子分離成為一個自由電子和一個正離子。激發過程：入射粒子與氣體原子的核外電子之間的庫侖力作用，傳遞給電子的能量使它從低能級狀態躍遷到較高能級狀態，激發態原子不穩定，隨后原子從激發態躍遷回到基態而退激，退激時釋放出來的能量以光的形式發射出來，釋放出的光子具有特定能量特征。在電離過程中，產生的自由電子如果具有足夠能量會產生更多的電子-離子對或者引起原子激發。總體過程可表示為：

R+Ae+A++R'

R+AA*+R'

e+A+A* （1）

其中，R為入射帶電粒子，A為閃爍氣體原子，它電離和激發產生電子e和離子A+，A*為激發態的原子。激發態的原子通過發出光子釋放能量（輻射過程），如下：

A*A+hνa （2）

或者轉變為熱（非輻射過程）。氣體原子發出的光hνa具有特定的能量特征，在光譜中表現為線狀譜。

在氣體較稠密狀態下（n～1019 cm-3），三體碰撞的概率增加而形成激發態的分子或二聚物：

A*+2AA2*+A （3）

處于激發態的氣體分子的退激是另一N形式，發出的光子在光譜中表現為連續譜分布。

A2*2A+hνm （4）

線狀譜hνa和連續譜hνm構成了閃爍光譜的主要成分，一個典型的氣體閃爍體閃爍發光的光譜圖如圖1所示。

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【關鍵詞】量子通信；量子信息學；量子信道；光子探測

1.引言

量子通信是量子力學和通信科學相結合的產物，可以實現經典信息論不能完成的信息處理任務。量子通信以量子力學為基礎，其研究包括：量子隱形傳態、量子安全直接通信等研究方向，對現有信息技術帶來了重大突破，引起了學術界高度重視。近年來，有關量子計算機、量子相干性、量子通信、量子密碼等理論和研究大熱，其中，量子通信作為量子信息研究的內容之一，成為物理學等領域最活躍的研究熱點。量子通信理論上可以實現絕對安全的通信過程，最初是利用光纖完成的，但由于光纖受地理和自身限制，無法實現遠距離的量子通信，不利于全球化量子通信。1993年，6位來自不同國家的科學提出了利用量子隱形傳送方案，構建了一種脫離實物的量子通信系統，以量子態作為信息載體，通過量子態的傳送完成了大容量信息的傳輸，實現原則上不可被破譯的通信技術。由于存在不可避免的環境噪聲，量子的糾纏態品質會隨著傳送距離的增加而變得越來越差。因此，量子通信不可避免地首先要解決傳輸距離的限制才能具有良好的應用前景。空間量子通信技術利用分發糾纏光子的方法為遠程量子通信的研究提供了一種途徑。

2.空間量子通信技術原理

量子通信具有“容量大、速度快、保密性好”的優點，其過程遵從量子力學原理。典型的量子通信系統包括：量子態發生器、通道和量子測量裝置。具有量子效應的粒子如：光子、電子、原子等，都可以作為實現量子通信的量子信號[1]。由于光信號具有良好的傳輸特性，我們現在通常所說的量子通信系統均為量子光通信系統。單光子（糾纏光子對）的分發是實現空間量子通信的前提，空間量子通信技術可以通過空間技術實現全球化的量子通信，克服自由空間鏈路帶來的距離限制，圖1給出了典型量子通信實驗系統組成。

使用糾纏量子信號的量子態隱形傳輸技術是未來量子通信網絡的核心技術[2]，其原理如下：根據量子力學理論，由兩個光子組成的糾纏光子對（薛定諤將多體量子狀態的不可分的相互關聯稱為量子糾纏），無論其在宇宙中相隔多遠，其狀態均不可分割。單獨測量其中一個光子狀態，會得到完全隨機的結果，根據海森堡測不準原理，一旦測量了其中一個光子的狀態，即使其發生了變化，那么另一個光子也會發生同樣的變化，即“塌縮”到相同的狀態。利用這一特性，通信者Alice隨機產生一個比特，再隨機改變自己的基來制備傳輸量子態，并重復多次，接收者Bob通過量子信道進行接收，他測量每個光子，也隨機改變自己的基，當兩人的基相同時，就得到了一組互補的隨機數。一旦竊聽者Eve進行竊聽，糾纏光子對的特性就被破壞，Alice和Bob就會發覺，因此利用這種方式的通信是絕對安全的。

3.量子通信的研究進展和趨勢

人們最初對量子的研究是基于對光的研究進行的，由于量子通信可以建立無法被破譯的通信系統，因此受到美國、歐盟、日本等國在內有關科研機構的大力研究和發展，我國在這方面的研究成果也受到了國際上的廣泛關注。特別是在量子通信的演示驗證試驗方面，學術界已經由地面自由空間傳輸試驗向空間傳輸試驗發展[1][3]。

（1）分發協議的發展

1984年，IBM公司的Chales H.Bennet和加拿大蒙特利爾大學的Gilles Brassard提出了第一個分發協議——BB84協議[4]。在1992年，他們又提出了EPR協議，又稱E91協議，將糾纏態首次與量子通信聯系起來[5]。2002年，Bostrom和Felbinger提出了Ping-pong協議[6]，這是一個十分重要的協議，其信息可以被確定性的直接傳輸，明顯提高了傳輸相率，受到人們的重視。目前所有實驗基本上基于上述協議進行的[7]。

（2）地面自由空間量子通信實驗進展

1993年，美國IBM公司基于糾纏態交換的實驗方案實現了世界上第一個量子信息傳輸實驗，傳輸距離32cm，傳輸速率10bps，從此拉開了量子通信實驗研究的序幕[1]。表1給出了現在國內外較著名的地面自由空間量子通信實驗及成果[2][8-10]。

其中，中國科學技術大學潘建偉教授、清華大學彭承志教授等人于2005年至2009年間一系列的研究成果表明量子隱態傳輸穿越大氣層是可行的，糾纏光子在穿透等效于整個大氣厚度的地面大氣后，其糾纏特性仍可以保持，這為未來空間量子通信技術的發展奠定了基礎[7]。2007年，Zeilinger領導的聯合實驗室在奧地利兩海島間實現了跨越144km距離的基于誘騙態和糾纏態量子通信，是目前為止自由空間量子通信實驗距離的世界紀錄[7]。該實驗的單光子源采用弱相干脈沖[10]，鏈路采用雙向主動望遠鏡跟蹤系統，包括一臺光學望遠鏡（可發送單光子同時接收信標激光信號）及一架CCD相機等部件，如圖2所示。這個實驗的成功被認為是實現空間量子通信的重要基石。

由于量子通信的優勢和特點，許多國家都把其列入重點研究范圍，縱觀各國研究現狀，不難發現，美國側重研究量子理論，正在大力研究和發展量子計算機和量子通信的理論和技術，希望在十年內有所突破。歐洲則對星地量子通信等空間應用較感興趣，善于聯合各國力量推動量子通信技術發展，現已開展相關實驗。日本則重點致力于提高量子通信傳輸速率，并致力于量子網絡系統的搭建和研究。我國目前已經在自由空間量子通信上取得了一系列世界領先的科研成果，需要廣大科研人員繼續努力，保持我國在該領域的領先地位。

（3）量子通信在空間的實驗計劃

歐空局（ESA）自2002年以來資助了一系列空間量子通信研究，如QSpace項目（2002年-2003年），ACCOM項目（2004年），QIPS（2005年-2007年）。QSpace項目一來是為了驗證基于量子物理學的空間通信技術的可行性，二來是為了驗證空間量子通信較地面量子通信的優勢，如可避免大氣擾動和吸收的影響等[11]。為此該項目進行了一些列的試驗，獲得了空間量子通信四項主要應用方向，對空間量子通信技術優勢進行了歸納總結。ACCOM項目主要包括一個空-地單向通信實驗，該實驗基于當時的星間光通信技術，利用一個空基發射機對多個分布式地基接收機間進行自由空間量子通信實驗，首次研發出了一種可重復使用光學收發終端。該項目的實驗系統是在經典光學通信系統上進行復雜設計后改建的。QIPS項目即為上面描述的Zeilinger領導的聯合實驗團隊進行的144km量子通信實驗。實驗表明，144km地面水平傳輸實驗量子信道傳輸損耗約為25-30dB，這一數值與低軌衛星與地面間傳輸損耗大致相當，由此可見，同樣的技術應用于空-地系統更具發展潛力和優勢。

基于上述研究成果，維也納大學的研究團隊于2004年提出了Space-QUEST計劃。審核該計劃的ELIPS-2項目組認為該計劃具有非常巨大的優勢并強烈推薦ESA進行資助并實施。Space-QUEST實驗旨在首次驗證如下內容[11]：

1）基于新型量子通信技術（QKD）的全球無條件安全空間信息傳輸技術。

2）利用空間環境優勢，突破地基量子通信瓶頸，實現空間量子通信。

如圖4所示，該計劃擬采用國際空間站（ISS）上搭載的量子通信終端設備向地面發送糾纏態光子來進行，搭載的光學望遠鏡口徑僅10-15cm，載荷總重小于100kg，峰值功率小于250W，收發終端間距離大于1000km，遠遠超過現有地基實驗系統傳輸距離。該計劃最終將于2015年實施完成。

（4）空間量子通信技術存在的主要問題

一是空間量子通信噪聲干擾消除問題。由于現實通訊狀況的不完美和噪聲干擾，所有的量子密碼協議的噪聲干擾如果跟有竊聽者存在所帶來的噪聲沒有差別[1]，通信連路是無法建立起來的；二是自由空間量子信道的傳輸特性問題。不同地面環境對光子傳播的影響，包括大氣衰減和退極化效應。4.總結

如上所述，近年來量子通信由于其安全性引起了研究人員廣泛地興趣，目前在實驗領域取得了一系列進展，其中量子態的隱形傳輸，量子網絡等技術正逐步走向實用。正是因為量子擁有廣袤的實用前景，各國均在量子通信技術方面加大科研投入。但是在降低單光子源成本、加大通信傳輸距離、增強檢測概率等一些關鍵性問題上還需要進一步研究。本文主要闡述了空間量子通信技術的產生、基本原理、發展歷程和現狀，并對空間量子通信技術存在的問題和難點進行了介紹。筆者相信，隨著科學技術的發展，量子通信技術實用化、商用化指日可待。

參考文獻

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[2]CZ Peng，T Yang，et al.Experimental free-space distribution of entangled photon pairs over 13km：towards satellite-based global quantum communication[J].PhysicalReviewLetters，2005（94）.

[3]金賢敏.遠程量子通信的實驗研究[J].中國科學技術大學學報，2008.

[4]C.H.Bennett and G.Brassard，in Proc.IEEE Int.Conf.on Computers，Systems and Signal Processing Bangalore，India，pp.175-179.

[5]C.H.Bennett，Quantum cryptography using any two nonorthogonal states.Phys.Rev.Lett.68：3121-3124，1992.

[6]Bostrom K，Felbinger T.Deterministic Secure Direct Communication Using Entanglement[J].Phys Rev Lett，2002，89（18）：187-902.

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關鍵詞：原子結構;科學觀;歷史觀;美國高中;化學教材

文章編號：1008-0546（2014）12-0059-02 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2014.12.023

一、概述

原子是構成自然界萬物的基本粒子，是化學反應中的最小微粒，是化學這座大樓的基礎。原子結構在化學和物理課程的教學中具有極其重要的地位，可以解釋物質狀態、電離能、化學鍵和元素周期律等基本概念和原理。國內很多化學教材對原子結構和各種原子模型的介紹比較簡略，而美國同類教材使用了很長的篇幅來介紹原子結構的發現過程，如《化學――物質與變化》這本教材用25頁的篇幅詳盡介紹了各種原子模型如何相繼提出，科學家們如何通過實驗的觀察和分析一步步走近微小的原子世界，探索其中的精密結構。這樣的教材編排更加有利于學生了解科學研究和發展的真實歷程，學習科學研究方法和培養科學合作精神，對知識能力的提升和人文素質的培養會起到積極作用，對我們教材的編寫和教學研究也有諸多借鑒之處。

二、美國教材原子結構部分設計特點

1. 引入部分深入淺出，體現了歷史觀

Glencoe Science出版的《物質本性》教材開篇把讀者帶回了2500年前的古希臘，在這個古代先哲輩出的國度很多哲學家已經開始熱烈討論一個問題：自然界萬物形態各異，它們到底是由什么物質組成的，如果把任何宏觀物體無限分割，最后會得到什么。以一串珍珠為例引導學生們思考倘若把珍珠切成兩半，每一半再切成兩小半，這種分割是否能夠一直進行下去。《化學――物質與變化》開篇就指出人類對原子結構的認識過程包含了很多思想家和科學家的有趣故事，早期的希臘哲學家認為任何物質由土、水、空氣和火四種基本元素組成，物質可以無止境地不斷分割下去。雖然這些觀點在當時看來很有創造性，但卻無法用實驗來證明其正確性。古希臘哲學家德謨克里特斯（Democritus）第一個提出物質不可以無限分割，而是由很多基本粒子組成，這些粒子被稱為“原子（atomos）”，在希臘語中意思就是“無法繼續分割”。雖然他的很多觀點并非完全正確，但他提出的“原子觀”相對于他所處的時代仍舊非常超前。后來亞里士多德對“原子論”進行了反駁，由于他個人在西方世界的巨大影響力，接下來兩千多年人們對于原子的認識仍舊停留于此，并未取得實質性的進展。教材引入部分的介紹使學生感受到在科學研究的道路上有時取得一點進步都是十分艱難的，我們更多了解的是科學爆發期所產生的各種科學成果，但科學的“沉寂期”往往被人們所忽視，而教材呈現出科學發展進步的真實歷程。

2. 科學實驗介紹詳實，體現了實踐觀

電子的發現是原子結構研究的重要成果，證明了原子是可以再分的。教材《物質本性》詳細介紹了電子發現的實驗裝置和過程。1870年英國科學家克魯克斯在一間暗室做實驗時無意中觀察到從陰極發出的射線，雖然當時對于陰極射線到底是微粒還是電磁波無法做出定論，但足以在科學界引起不小的震動。很多科學家重復了這個實驗，其中湯姆生的工作尤其引人注目。他使用了不同材料做成陰極管，通電后發現都會產生陰極射線。為了研究陰極射線的本質，湯姆生用磁鐵靠近陰極管，若陰極射線是帶電粒子則在磁場中會發生偏轉，但電磁波不會，實驗結果證明陰極射線是帶負電的粒子流（電子）。由于多種陰極材料通電后都會產生電子，從而證明電子是組成物質的基本粒子之一。教材中對陰極射線管的結構以圖文并茂的方式進行了詳細介紹，幫助學生更好地了解陰極射線的本質和電子的發現過程。教材同樣詳盡介紹了α粒子散射實驗的裝置，實驗前盧瑟福預測的現象，實驗實際觀察到的現象和盧瑟福如何通過推理分析提出新的原子核模型，論述具體而又精辟。電子和原子核的發現都是科學史上的重要事件，但從教材的敘述可以看出電子和原子核發現過程具有一定偶然性，但一個杰出的科學家不會輕易放過實驗過程中的任何細節，能對一些易于忽略的實驗現象進行深入研究，從而發現了背后的科學秘密。

3.以近代物理理論研究作鋪墊引出量子力學模型，體現了教材的前沿性

《化學―物質與變化》在介紹電子排布規律之前首先介紹了很多近代物理學重要研究進展，如電磁波譜、光的波動性和粒子性，并通過光電效應和原子發射光譜來闡述量子效應。在介紹波爾提出的電子能級理論時指出這個理論雖然可以成功解釋氫原子的線狀光譜，但對其它原子卻都不適用，具有很大的局限性。在介紹原子的量子力學模型時，教材首先提到法國著名理論物理學家德布羅意的貢獻，他從光波的粒子性受到啟發，推測像電子這樣的粒子應該也具有波動性，通過研究他提出了德布羅意方程，從方程可以看出宏觀物體的德布羅意波長很短，可以忽略其波動性，但像電子這樣微粒的德布羅意波長相對于其尺寸則不可以忽略，因此電子具有的波動性可以被觀察到。教材還介紹了海森堡的測不準原理，即不可能同時準確測量出粒子的運動速率和所處的位置。通過計算得到高速運動電子位置的不確定性達到10-9米，大于原子直徑的10倍，因此不能忽略。教材最后介紹了薛定諤的量子力學模型，這個模型充分考慮了電子的波動性，薛定諤方程賦予電子不同的能量，計算出電子在原子核周圍空間出現的概率。這些理論知識本身非常深奧抽象，為了便于高中學生更好理解這些理論知識，教材使用類比舉例的方式進行了細致介紹，明顯降低了理解的難度。通過對量子力學模型的介紹非常清晰地展示了其與波爾模型的差別。在高中化學教材中介紹很多大學物理學教材的內容似乎增加了學生的理解難度，其實這些并不會成為考試內容，只是為了系統全面展示科學研究的真實歷程，更好地解釋電子在核外運動方式。這些富有挑戰性的理論可以激發學生對科學的探索欲望，特別是那些對科學有濃厚興趣的學生，引導他們進一步思考這些復雜抽象的科學問題。

三、美國教材設計和編排對原子結構教學的啟示

1. 重視科學發展史實

人類對于原子結構的探索和研究經歷了幾千年時間，經過反復試驗、縝密分析和科學推理，對原子的認識才能不斷走向深入，不斷接近真實。這是一個極其漫長、艱辛而又充滿不確定性的探索之路。如果僅僅把原子結構簡單地介紹給學生可能會忽略科學探索的真實歷程，其中涉及到的很多科學家的研究經歷，設計的各種實驗，分析推理的過程會被掩蓋。在傳統的理科教學中教師往往把教學重點放在科學結論本身，而對科學結論產生和發展的過程往往介紹比較簡略，這樣的處理一方面受到學時的限制，但也反映了一些教師對科學探究過程的重視程度不夠。以原子結構教學為例，若學生能夠系統了解各種理論模型的發展過程，他們最終形成的原子模型必然更加立體化。原子結構的研究過程體現了人類發現和掌握科學規律的一般過程，也符合學生對科學原理的認知過程。

2. 突出系統的科學研究方法論

西方科學在近代的迅猛發展得益于一套科學研究方法論的支撐，這套方法論體系是西方科學的精髓，在原子結構的發現過程中得到了淋漓盡致的展現。科學方法論示意圖如圖1所示：首先提出問題，如“原子是否是最小的微粒，原子還可以再分么？”，然后提出假設，并通過實驗來檢驗其正確性。陰極射線的發現證明了電子的存在，從而否定了道爾頓的原子不可分割論。湯姆生提出的棗糕模型難以解釋少量α粒子通過金箔時出現大角度偏轉的現象，因此模型本身也存在問題，需要新的理論模型來解釋，這就催生了盧瑟福的原子核模型。同樣這個模型還是不能解釋原子質量大約是質子質量兩倍的問題，于是又引發了科學家對于其它基本粒子的探索，這個過程不斷反復，直到最后電子云模型的提出。原子結構的研究中正因為有了科學方法論的引領才能不斷進步，達到新的高度。電子云模型同樣要接受各種實驗的檢驗才能證明其正確性。隨著科學研究的不斷深入，原子結構模型還會不斷完善，但科學方法論仍舊是重要的指導原則。雖然高中生對于科學的認識理解還處于初級階段，但在早期的科學教育中若能注重對學生科學方法和科學思維的培養，必定會使他們將來受益良多。

3. 彰顯科學研究的傳承性和合作精神

對原子結構發現做出突出貢獻的幾位科學家曾在一起工作，如湯姆生、盧瑟福、玻爾和查德威克等科學家還有師徒關系。湯姆生因為發現電子而獲得1906年諾貝爾物理學獎。盧瑟福曾在英國劍橋的卡文迪什實驗室工作，在導師湯姆生的指導下做出很多重要的成績并于1908年獲得諾貝爾化學獎。波爾在英國曼徹斯特攻讀博士后時曾得到盧瑟福的指導，并對盧瑟福的模型進行了進一步修正，于1922年獲得諾貝爾物理學獎。查德威克由于在物理研究方面嶄露的超群才華被盧瑟福留在英國劍橋的卡文迪什實驗室工作，他于1932年證明了中子的存在，1935年獲得諾貝爾物理學獎。從這些事實可以看出世界上眾多著名科學家都參與了原子結構的研究，他們在前人研究的基礎上大膽假設并反復實驗，終于完成了原子這樣一個極其精密的原件的進一步解剖。科學的發展既需要傳承，也需要創新，還需要合作。卡文迪什作為世界著名的實驗室能夠把世界上很多優秀的科學家集中起來開展研究，這些杰出的科學家通過相互幫助、合作和啟發才會做出很多劃時代的科學成就。筆者曾在原子結構的教學中鼓勵學生搜集這些科學家的個人資料，通過課堂討論交流讓學生從多維度認識這些科學家，了解科學研究的真實過程，而不僅僅是記住知識本身，希望對學生科學和人文素質的培養有所幫助。

參考文獻

[1] Patricia Horton et al.. The Nature of Matter[M]. US：Glencoe McGraw-Hill，2002

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【關鍵詞】ASON光網絡 管理系統安全性 安全對策

一、ASON光網絡管理系統概述

（一）ASON網管系統結構

ASON的網管系統結構由控制平面，傳送平面和管理平面組成。（1）控制平面：ASON的核心層面，它負責完成網絡連接的動態建立和網絡資源的動態分配。（2）傳送平面：目前傳送平面都是基于SDH技術的，能夠提供大容量且無阻塞的交叉連接的硬件平臺。（3）管理平面：不僅要支持傳統的管理功能，還要支持具有ASON特色的新功能。

（二）ASON網管系統接口說明

ASON節點中實現的主要接口包括用戶網絡接口（UNI）、網絡節點接口（NNI）、連接控制接口（CCI）、網管接口（NMI）等。UNI指ASON節點和客戶設備之間的接口；NNI是指ASON節點之間的接口，又分為域內接口（I-NNI）和域間接口（E-NNI）；CCI是控制平面和傳送平面之間的接口；NMI是管理平面接口，分為管理平面與控制平面間的接口（NMI-A），管理平面和傳送平面間的接口（NMI-T）。

（三）ASON網管通信協議

控制平面有資源和服務發現，路由選擇，LSP建立/刪除等多項功能及UNI，NNI等多種接口，因此無法用單一協議規范。現在普遍采用MPLS在光域擴展后的GMPLS（通用多協議標記交換）協議集作為控制平面協議。

光網絡中經常需要雙向傳輸業務，在傳統MPLS中，要建立雙向LSP就必須分別建立兩個單向LSP，這種方式存在LSP建立時延過長、開銷過多、可靠性差、管理復雜等缺點。GMPLS定義了建立雙向LSP的方法。雙向LSP規定兩個方向的LSP具有相同的流量工程參數，包括LSP資源要求，保護和恢復方式等。

GMPLS協議在ASON控制平面中的應用有以下幾種：

（1）GMPLS協議在ASON中的應用主要集中在ASON控制平面。ASON控制平面的三種最基本的功能是：?資源發現功能：提供一種能自動發現網絡中可使用資源的能力；?路由控制功能：提供路由能力、拓撲發現能力和流量工程能力；

（2）GMPLS協議族中包括多種協議，有信令協議、路由協議和鏈路資源管理協議，這些協議經過修改或者擴展后都可以運用于ASON之中，它們分別為：?鏈路資源管理協議：LMP（GMPLS協議首次提出）；

二、ASON網絡管理系統脆弱性分析

（一）網絡管理系統的安全漏洞

截至到現在，ASON網絡管理系統的三層結構模式在各個廠商的產品中都是相同的，但由于各個廠商在建立網管信息模型中，設計的接口，通信協議的差異性，各個廠商所設計的產品設備并不能參與到管理中來。

1.ASON網管系統在開放性上存在的脆弱性分析。所謂網管系統的開放性，其實質即為能夠在各廠商，各網管系統之間可以靈活進行自適應的兼容性。目前市場上在各業務和各廠商設備間存在的不兼容性，最主要的壁壘，便是各廠商在自由競爭、研發保密等條件下人為造成的。

2.ASON網管系統在安全可信性上存在的脆弱性分析。為確保ASON網絡健康運轉，光網絡的子網層都把相應的網管系統和網管網元配置在一起。所以，一旦有外界環境（如自然災害）和黑客的攻擊，或網絡管理系統中的數據庫和網元節點同時損壞時，網絡配置的恢復非常復雜。

3.ASON網管系統在可控可管性上存在的脆弱性分析。當下，在市場上應用的ASON光網絡基本是由多個設備供應商的設備拼湊成的，但由于網絡管理的不開放性，不同廠商的設備只能使用自己的管理系統。所以不同廠家設備間產生的沖突不可避免，這就造成了ASON網絡管理系統在可控可管性方面存在一定的隱患。

（二）ASON光網絡攻擊分析

對ASON光網絡管理系統的攻擊，將從光層和電層兩個層面來進行分析。

1.光纖微彎注入攻擊。若使光纖微彎，其中的高階導模就可轉換為泄漏模，進而讓光纖中的光輻射出來，由此，便可用于對ASON光網絡管理系統中的信息進行分析和竊聽。

2.電信號層中間人攻擊。電信號層中間人攻擊是一種網絡中出現的傳統的攻擊方式，在這種未授權的情況下，侵入者可以非法進入控制平面，能夠對業務平面和管理平面中的網絡結構進行破壞。

三、ASON網絡的安全措施

（一）電信號保護

維護ASON網絡管理信息的安全，需要從電信號與光信號的層面上進行考慮。在電信號層，本文極力建議在ASON網絡管理系統中，能夠設立統一的認證中心。用此方法，可以在合理給予管理者合法權限的同時，完成對網絡的集中管理。

在這里，我們舉例，當控制層面A或業務層面B需要向管理層面C發送管理命令時，首先要產生若干認證碼。通過這些認證碼的排列組合，生成認證向量。認證向量由一個隨機數，一個期望應答，加密密鑰，完整性密鑰以及認證令牌組成，將認證向量發送給認證中心，通過加密，解密的運算，將結果與恢復序列號進行比較，若計算結果在恢復序列號的正確范圍內，且該序列號在二元列表中，則驗證成功，便將驗證成功的消息原路返回，開始兩端點之間的通信。

認證中心的出現，在電信號保護上為網絡的統一管理提供了解決方案。

（二）光信號保護

鑒于光信號較高的傳播速度，其加密技術則一定要應用于高速的光邏輯器件之上。所以能夠采用量子技術實現上述光邏輯器件的功能，對光信號加密。量子編碼技術是基于量子力學之上的，在ASON中量子編碼技術能夠參考光子的相關定律進行推演及實現。

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關鍵詞：計算機應用； 現狀； 發展

中圖分類號：G718 文獻標識碼：B 文章編號：1672-1578（2015）10-0390-01

1計算機應用概述

計算機應用屬于一門邊緣學科，是研究計算機應用于各個領域的理論、方法、技術和系統等，使計算機學科與其他學科進行了有效的融合，是計算機學科的重要組成部分。如果把計算機應用進行分類，可以分為數值計算領域和非數值應用領域。這兩大領域都有其自身的特點，但都對科學技術的進步起到了非常重要的作用。

40年代中期至50年代末這是計算機的初始階段，在這個階段對計算機的應用主要是對數值的應用，主要應用于國防尖端武器的研制及生產方面。50年代末至60年代末開始向非數值應用方面發展，主要用于數據處理、工商業事務處理、企業信息管理。70年代計算機應用普及到社會經濟更多的領域。隨著計算機應用技術越來越先進，計算機應用技術不僅應用于工農業、文化教育及服務行業，還深入到家庭生活及娛樂之中。近幾年來計算機應用技術及網絡技術的相互融合，使計算機應用得到了更大程度的發展，帶動了信息化社會的快速發展。

2計算機應用技術的現狀

2.1 應用廣泛。計算機技術己廣泛應用于社會各行各業，筆者對計算機的用途進行了簡單的總結，認為大致可以分為以下幾個方面數值計算。由于計算機具有準確快速的計算能力和判斷能力，所以廣泛用于高精度的各類數值計算中。

2.1.1 數據處理。計算機的數據處理能力，目前己廣泛用于我國許多企事業單位。通過使用計算機，可以快速有效的處理、加工、操作任何形式的數據資料，減少了以前人工操作的弊端，在使用過程中收到了良好的效果。所以，一些信息管理系統、資源規劃軟件如雨后春筍般涌現出來，

這些成果的誕生，更方便了企事業各級單位的管理。

2.1.2 電子商務。我國電子商務始于上個世紀時代，它是計算機應用和銷售結合的產物。目前，電子商務對我國的銷售模式產生了巨大影響。比如大家所熟悉的阿里巴巴、淘寶，都是我國著名的電子商務網站。

2.1.3 網上銀行。當今社會，大家對網上銀行己經不陌生，通過網上銀行辦理業務，可以節約時間和金錢，殊不知，這項技術也是計算機應用技術的產物。雖然網上銀行的出現僅僅有幾年的時間，但是己經逐步被大眾所接受。

2.1.4 輔助教學。在當今教學過程中，多媒體教學己經成為了一種重要手段。多媒體教學憑借其圖文聲并茂、操作簡單的優勢，在當今課堂教學中扮演越來越重要的角色。

2.1.5 輔助生產。計算機輔助技術己廣泛應用于輔助設計工程中，這項技術的應用不僅可以縮短設計周期，提高工作效率，節約成本，并且還可以為產品的創新及發展提供一定的幫助。

3計算機的發展趨勢

未來計算機技術會朝著超高速、超小型、平行處理、智能化的方向發展。盡管受到一些物理極限條件的制約，但是隨著科學技術的發展和科技手段的不斷壯大，計算機的核心部分 CPU 的性能也將會保持持續的增長態勢。平行處理技術將會得到重點發展，計算機系統在執行多命令，同時對多數據進行處理方面將會不斷完善，這是改進計算機結構、提高計算機越算技術的關鍵所在。與此同時，計算機將會包含更多的智能成分，單單只是具有運算能力已經遠遠達不到人們的要求，多種感知能力、思考能力、判斷能力以及一定的自然語言能力才是人們所希望能夠達到的境界。當然一些傳統的提供自然的輸入手段，比如手寫輸入，也已經滿足不了人們的胃口，讓大家能夠產生身臨其境的體感設備已經逐漸成為主流，一些虛擬現實技術就是這一領域發展的幾種體現。在儲存方面，傳動的磁儲存和光驅儲存在技術上還會得到發展，主要體現在容量方面。截至到目前，新的海量儲存技術已經處于收官階段，新型儲存器每立方厘米的儲存量可以達到10 TB。在信息儲存的時限當面，永久性的儲存也不再是天方夜譚，千年存儲器的研發正在緊鑼密鼓的進行當中，這項技術主要致力于儲存器在抗干擾、抗高溫、防震防水防腐蝕等方面的缺陷進行改良，爭取早日實現信息的流芳百世。硅芯技術的迅猛發展帶來的影響就是硅技術在物理方面逐漸接近于極限，因此，在計算機的研發上，世界各國正在考慮采用新型計算機，把計算機從結構的改革到技術的革命一同產生一次質的飛躍。

目前開發出來的新型計算機主要有以下幾類：

（1）量子計算機。此類型計算機遵循量子力學規律，該物理裝置完成邏輯運算，并且可以實現存儲及處理量子信息。如果計算機的某個模塊可以實現計算和處理量子信息，使用的是量子算法時，那么該計算機屬于量子計算機。該類型計算機的來源是對可逆計算機的研究，其目的是降低計算機中的能耗。（2）神經網絡計算機。神經網絡計算機主要通過模仿人判斷、適應能力，可以實現并行處理多種數據的神經網絡計算機，神經網絡計算機不僅可以判斷用戶對象的狀態，并根據狀態進行相應的行動，還可以完成對實時變化海量信息進行處理。神經網絡計算機除有許多CPU外，還有類似人的神經節點，節點會連接多個相鄰節點。如果將每一步運算處理分配給微處理器，在同一時刻進行運算，這樣計算機的處理速度會得到大大提高。神經網絡計算機的信息儲存在神經元之間的聯絡網中，并非存儲在存儲器中。如果計算機中有節點發生斷裂，電腦仍有恢復資料重建的能力，這是因為神經網絡計算機具有聲音識別、聯想記憶等功能。（3）化學計算機。對于計算應用，重要的是化學信號抵達后啟動計算過程。在進一步的化學信號無法影響反應時，細胞進入一個不起反應期，阻止信號未經檢驗便穿過任何相互連接的細胞。類似這樣的獨立系統在受到閾值以上水平的刺激時能夠利用自身化學能量進行反應，表現出與神經元類似的特性。（4）光計算機。它主要借助納米電漿子原件為核心進行生產，利用光信號可以完成巨量的數據運算，光計算機技術將光信號作為載體完成計算機的信息處理工作稱為光腦。它的特色在于將光代替電流，達到處理巨量數據的高速化。光計算機的基礎部件主要包括是空間光調制器，該調制器使用光內連技術，將運算與存儲這兩個模塊進行連接，運算模塊能夠直接存取存儲模塊的數據。光計算機突破了傳統的限制，不再是單純的使用總線將CPU、存儲器等相連接。該計算機具有用電量小、運算速度快的特點。

4 結束語

在未來的發展中，計算機應用技術必將會成為大數據時代人們日常生活的重要支撐。計算機技術在人們的工作和生活中所發揮的作用已經越來越明顯，它大大加快了我國社會信息化的發展，其應用頻率也會越來越普遍。因此，不斷地進行計算機技術的探究與發展是我國在未來科技經濟建設中所必須注重的前提。

參考文獻：

[1] 何曄華. 淺析計算機技術的發展與應用[J]. 電子制作，2015，04：229.

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關鍵詞半導體材料量子線量子點材料光子晶體

1半導體材料的戰略地位

上世紀中葉，單晶硅和半導體晶體管的發明及其硅集成電路的研制成功，導致了電子工業革命；上世紀70年代初石英光導纖維材料和GaAs激光器的發明，促進了光纖通信技術迅速發展并逐步形成了高新技術產業，使人類進入了信息時代。超晶格概念的提出及其半導體超晶格、量子阱材料的研制成功，徹底改變了光電器件的設計思想，使半導體器件的設計與制造從“雜質工程”發展到“能帶工程”。納米科學技術的發展和應用，將使人類能從原子、分子或納米尺度水平上控制、操縱和制造功能強大的新型器件與電路，必將深刻地影響著世界的政治、經濟格局和軍事對抗的形式，徹底改變人們的生活方式。

2幾種主要半導體材料的發展現狀與趨勢

2.1硅材料

從提高硅集成電路成品率，降低成本看，增大直拉硅（CZ－Si）單晶的直徑和減小微缺陷的密度仍是今后CZ－Si發展的總趨勢。目前直徑為8英寸（200mm）的Si單晶已實現大規模工業生產，基于直徑為12英寸（300mm）硅片的集成電路（IC‘s）技術正處在由實驗室向工業生產轉變中。目前300mm，0.18μm工藝的硅ULSI生產線已經投入生產，300mm，0.13μm工藝生產線也將在2003年完成評估。18英寸重達414公斤的硅單晶和18英寸的硅園片已在實驗室研制成功，直徑27英寸硅單晶研制也正在積極籌劃中。

從進一步提高硅IC‘S的速度和集成度看，研制適合于硅深亞微米乃至納米工藝所需的大直徑硅外延片會成為硅材料發展的主流。另外，SOI材料，包括智能剝離（Smartcut）和SIMOX材料等也發展很快。目前，直徑8英寸的硅外延片和SOI材料已研制成功，更大尺寸的片材也在開發中。

理論分析指出30nm左右將是硅MOS集成電路線寬的“極限”尺寸。這不僅是指量子尺寸效應對現有器件特性影響所帶來的物理限制和光刻技術的限制問題，更重要的是將受硅、SiO2自身性質的限制。盡管人們正在積極尋找高K介電絕緣材料（如用Si3N4等來替代SiO2），低K介電互連材料，用Cu代替Al引線以及采用系統集成芯片技術等來提高ULSI的集成度、運算速度和功能，但硅將最終難以滿足人類不斷的對更大信息量需求。為此，人們除尋求基于全新原理的量子計算和DNA生物計算等之外，還把目光放在以GaAs、InP為基的化合物半導體材料，特別是二維超晶格、量子阱，一維量子線與零維量子點材料和可與硅平面工藝兼容GeSi合金材料等，這也是目前半導體材料研發的重點。

2.2GaAs和InP單晶材料

GaAs和InP與硅不同，它們都是直接帶隙材料，具有電子飽和漂移速度高，耐高溫，抗輻照等特點；在超高速、超高頻、低功耗、低噪音器件和電路，特別在光電子器件和光電集成方面占有獨特的優勢。

目前，世界GaAs單晶的總年產量已超過200噸，其中以低位錯密度的垂直梯度凝固法（VGF）和水平（HB）方法生長的2－3英寸的導電GaAs襯底材料為主；近年來，為滿足高速移動通信的迫切需求，大直徑（4，6和8英寸）的SI－GaAs發展很快。美國莫托羅拉公司正在籌建6英寸的SI－GaAs集成電路生產線。InP具有比GaAs更優越的高頻性能，發展的速度更快，但研制直徑3英寸以上大直徑的InP單晶的關鍵技術尚未完全突破，價格居高不下。

GaAs和InP單晶的發展趨勢是：

（1）。增大晶體直徑，目前4英寸的SI－GaAs已用于生產，預計本世紀初的頭幾年直徑為6英寸的SI－GaAs也將投入工業應用。

（2）。提高材料的電學和光學微區均勻性。

（3）。降低單晶的缺陷密度，特別是位錯。

（4）。GaAs和InP單晶的VGF生長技術發展很快，很有可能成為主流技術。

2.3半導體超晶格、量子阱材料

半導體超薄層微結構材料是基于先進生長技術（MBE，MOCVD）的新一代人工構造材料。它以全新的概念改變著光電子和微電子器件的設計思想，出現了“電學和光學特性可剪裁”為特征的新范疇，是新一代固態量子器件的基礎材料。

（1）Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料。

GaAIAs／GaAs，GaInAs／GaAs，AIGaInP／GaAs；GalnAs／InP，AlInAs／InP，InGaAsP／InP等GaAs、InP基晶格匹配和應變補償材料體系已發展得相當成熟，已成功地用來制造超高速，超高頻微電子器件和單片集成電路。高電子遷移率晶體管（HEMT），贗配高電子遷移率晶體管（P－HEMT）器件最好水平已達fmax=600GHz，輸出功率58mW，功率增益6.4db；雙異質結雙極晶體管（HBT）的最高頻率fmax也已高達500GHz，HEMT邏輯電路研制也發展很快。基于上述材料體系的光通信用1.3μm和1.5μm的量子阱激光器和探測器，紅、黃、橙光發光二極管和紅光激光器以及大功率半導體量子阱激光器已商品化；表面光發射器件和光雙穩器件等也已達到或接近達到實用化水平。目前，研制高質量的1.5μm分布反饋（DFB）激光器和電吸收（EA）調制器單片集成InP基多量子阱材料和超高速驅動電路所需的低維結構材料是解決光纖通信瓶頸問題的關鍵，在實驗室西門子公司已完成了80×40Gbps傳輸40km的實驗。另外，用于制造準連續兆瓦級大功率激光陣列的高質量量子阱材料也受到人們的重視。

雖然常規量子阱結構端面發射激光器是目前光電子領域占統治地位的有源器件，但由于其有源區極薄（～0.01μm）端面光電災變損傷，大電流電熱燒毀和光束質量差一直是此類激光器的性能改善和功率提高的難題。采用多有源區量子級聯耦合是解決此難題的有效途徑之一。我國早在1999年，就研制成功980nmInGaAs帶間量子級聯激光器，輸出功率達5W以上；2000年初，法國湯姆遜公司又報道了單個激光器準連續輸出功率超過10瓦好結果。最近，我國的科研工作者又提出并開展了多有源區縱向光耦合垂直腔面發射激光器研究，這是一種具有高增益、極低閾值、高功率和高光束質量的新型激光器，在未來光通信、光互聯與光電信息處理方面有著良好的應用前景。

為克服PN結半導體激光器的能隙對激光器波長范圍的限制，1994年美國貝爾實驗室發明了基于量子阱內子帶躍遷和阱間共振隧穿的量子級聯激光器，突破了半導體能隙對波長的限制。自從1994年InGaAs／InAIAs／InP量子級聯激光器（QCLs）發明以來，Bell實驗室等的科學家，在過去的7年多的時間里，QCLs在向大功率、高溫和單膜工作等研究方面取得了顯著的進展。2001年瑞士Neuchatel大學的科學家采用雙聲子共振和三量子阱有源區結構使波長為9.1μm的QCLs的工作溫度高達312K，連續輸出功率3mW.量子級聯激光器的工作波長已覆蓋近紅外到遠紅外波段（3－87μm），并在光通信、超高分辨光譜、超高靈敏氣體傳感器、高速調制器和無線光學連接等方面顯示出重要的應用前景。中科院上海微系統和信息技術研究所于1999年研制成功120K5μm和250K8μm的量子級聯激光器；中科院半導體研究所于2000年又研制成功3.7μm室溫準連續應變補償量子級聯激光器，使我國成為能研制這類高質量激光器材料為數不多的幾個國家之一。

目前，Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料作為超薄層微結構材料發展的主流方向，正從直徑3英寸向4英寸過渡；生產型的MBE和M0CVD設備已研制成功并投入使用，每臺年生產能力可高達3.75×104片4英寸或1.5×104片6英寸。英國卡迪夫的MOCVD中心，法國的PicogigaMBE基地，美國的QED公司，Motorola公司，日本的富士通，NTT，索尼等都有這種外延材料出售。生產型MBE和MOCVD設備的成熟與應用，必然促進襯底材料設備和材料評價技術的發展。

（2）硅基應變異質結構材料。

硅基光、電器件集成一直是人們所追求的目標。但由于硅是間接帶隙，如何提高硅基材料發光效率就成為一個亟待解決的問題。雖經多年研究，但進展緩慢。人們目前正致力于探索硅基納米材料（納米Si／SiO2），硅基SiGeC體系的Si1－yCy/Si1－xGex低維結構，Ge／Si量子點和量子點超晶格材料，Si／SiC量子點材料，GaN／BP／Si以及GaN／Si材料。最近，在GaN／Si上成功地研制出LED發光器件和有關納米硅的受激放大現象的報道，使人們看到了一線希望。

另一方面，GeSi／Si應變層超晶格材料，因其在新一代移動通信上的重要應用前景，而成為目前硅基材料研究的主流。Si/GeSiMODFET和MOSFET的最高截止頻率已達200GHz，HBT最高振蕩頻率為160GHz，噪音在10GHz下為0.9db，其性能可與GaAs器件相媲美。

盡管GaAs／Si和InP／Si是實現光電子集成理想的材料體系，但由于晶格失配和熱膨脹系數等不同造成的高密度失配位錯而導致器件性能退化和失效，防礙著它的使用化。最近，Motolora等公司宣稱，他們在12英寸的硅襯底上，用鈦酸鍶作協變層（柔性層），成功的生長了器件級的GaAs外延薄膜，取得了突破性的進展。

2.4一維量子線、零維量子點半導體微結構材料

基于量子尺寸效應、量子干涉效應，量子隧穿效應和庫侖阻效應以及非線性光學效應等的低維半導體材料是一種人工構造（通過能帶工程實施）的新型半導體材料，是新一代微電子、光電子器件和電路的基礎。它的發展與應用，極有可能觸發新的技術革命。

目前低維半導體材料生長與制備主要集中在幾個比較成熟的材料體系上，如GaAlAs／GaAs，In（Ga）As／GaAs，InGaAs／InAlAs／GaAs，InGaAs／InP，In（Ga）As／InAlAs／InP，InGaAsP／InAlAs／InP以及GeSi／Si等，并在納米微電子和光電子研制方面取得了重大進展。俄羅斯約飛技術物理所MBE小組，柏林的俄德聯合研制小組和中科院半導體所半導體材料科學重點實驗室的MBE小組等研制成功的In（Ga）As／GaAs高功率量子點激光器，工作波長lμm左右，單管室溫連續輸出功率高達3.6～4W.特別應當指出的是我國上述的MBE小組，2001年通過在高功率量子點激光器的有源區材料結構中引入應力緩解層，抑制了缺陷和位錯的產生，提高了量子點激光器的工作壽命，室溫下連續輸出功率為1W時工作壽命超過5000小時，這是大功率激光器的一個關鍵參數，至今未見國外報道。

在單電子晶體管和單電子存貯器及其電路的研制方面也獲得了重大進展，1994年日本NTT就研制成功溝道長度為30nm納米單電子晶體管，并在150K觀察到柵控源－漏電流振蕩；1997年美國又報道了可在室溫工作的單電子開關器件，1998年Yauo等人采用0.25微米工藝技術實現了128Mb的單電子存貯器原型樣機的制造，這是在單電子器件在高密度存貯電路的應用方面邁出的關鍵一步。目前，基于量子點的自適應網絡計算機，單光子源和應用于量子計算的量子比特的構建等方面的研究也正在進行中。

與半導體超晶格和量子點結構的生長制備相比，高度有序的半導體量子線的制備技術難度較大。中科院半導體所半導體材料科學重點實驗室的MBE小組，在繼利用MBE技術和SK生長模式，成功地制備了高空間有序的InAs／InAI（Ga）As／InP的量子線和量子線超晶格結構的基礎上，對InAs／InAlAs量子線超晶格的空間自對準（垂直或斜對準）的物理起因和生長控制進行了研究，取得了較大進展。

王中林教授領導的喬治亞理工大學的材料科學與工程系和化學與生物化學系的研究小組，基于無催化劑、控制生長條件的氧化物粉末的熱蒸發技術，成功地合成了諸如ZnO、SnO2、In2O3和Ga2O3等一系列半導體氧化物納米帶，它們與具有圓柱對稱截面的中空納米管或納米線不同，這些原生的納米帶呈現出高純、結構均勻和單晶體，幾乎無缺陷和位錯；納米線呈矩形截面，典型的寬度為20－300nm，寬厚比為5－10，長度可達數毫米。這種半導體氧化物納米帶是一個理想的材料體系，可以用來研究載流子維度受限的輸運現象和基于它的功能器件制造。香港城市大學李述湯教授和瑞典隆德大學固體物理系納米中心的LarsSamuelson教授領導的小組，分別在SiO2／Si和InAs／InP半導體量子線超晶格結構的生長制各方面也取得了重要進展。

低維半導體結構制備的方法很多，主要有：微結構材料生長和精細加工工藝相結合的方法，應變自組裝量子線、量子點材料生長技術，圖形化襯底和不同取向晶面選擇生長技術，單原子操縱和加工技術，納米結構的輻照制備技術，及其在沸石的籠子中、納米碳管和溶液中等通過物理或化學方法制備量子點和量子線的技術等。目前發展的主要趨勢是尋找原子級無損傷加工方法和納米結構的應變自組裝可控生長技術，以求獲得大小、形狀均勻、密度可控的無缺陷納米結構。

2.5寬帶隙半導體材料

寬帶隙半導體材主要指的是金剛石，III族氮化物，碳化硅，立方氮化硼以及氧化物（ZnO等）及固溶體等，特別是SiC、GaN和金剛石薄膜等材料，因具有高熱導率、高電子飽和漂移速度和大臨界擊穿電壓等特點，成為研制高頻大功率、耐高溫、抗輻照半導體微電子器件和電路的理想材料；在通信、汽車、航空、航天、石油開采以及國防等方面有著廣泛的應用前景。另外，III族氮化物也是很好的光電子材料，在藍、綠光發光二極管（LED）和紫、藍、綠光激光器（LD）以及紫外探測器等應用方面也顯示了廣泛的應用前景。隨著1993年GaN材料的P型摻雜突破，GaN基材料成為藍綠光發光材料的研究熱點。目前，GaN基藍綠光發光二極管己商品化，GaN基LD也有商品出售，最大輸出功率為0.5W.在微電子器件研制方面，GaN基FET的最高工作頻率（fmax）已達140GHz，fT=67GHz，跨導為260ms／mm；HEMT器件也相繼問世，發展很快。此外，256×256GaN基紫外光電焦平面陣列探測器也已研制成功。特別值得提出的是，日本Sumitomo電子工業有限公司2000年宣稱，他們采用熱力學方法已研制成功2英寸GaN單晶材料，這將有力的推動藍光激光器和GaN基電子器件的發展。另外，近年來具有反常帶隙彎曲的窄禁帶InAsN，InGaAsN，GaNP和GaNAsP材料的研制也受到了重視，這是因為它們在長波長光通信用高T0光源和太陽能電池等方面顯示了重要應用前景。

以Cree公司為代表的體SiC單晶的研制已取得突破性進展，2英寸的4H和6HSiC單晶與外延片，以及3英寸的4HSiC單晶己有商品出售；以SiC為GaN基材料襯低的藍綠光LED業已上市，并參于與以藍寶石為襯低的GaN基發光器件的竟爭。其他SiC相關高溫器件的研制也取得了長足的進步。目前存在的主要問題是材料中的缺陷密度高，且價格昂貴。

II－VI族蘭綠光材料研制在徘徊了近30年后，于1990年美國3M公司成功地解決了II－VI族的P型摻雜難點而得到迅速發展。1991年3M公司利用MBE技術率先宣布了電注入（Zn，Cd）Se／ZnSe蘭光激光器在77K（495nm）脈沖輸出功率100mW的消息，開始了II－VI族蘭綠光半導體激光（材料）器件研制的。經過多年的努力，目前ZnSe基II－VI族蘭綠光激光器的壽命雖已超過1000小時，但離使用差距尚大，加之GaN基材料的迅速發展和應用，使II－VI族蘭綠光材料研制步伐有所變緩。提高有源區材料的完整性，特別是要降低由非化學配比導致的點缺陷密度和進一步降低失配位錯和解決歐姆接觸等問題，仍是該材料體系走向實用化前必須要解決的問題。

寬帶隙半導體異質結構材料往往也是典型的大失配異質結構材料，所謂大失配異質結構材料是指晶格常數、熱膨脹系數或晶體的對稱性等物理參數有較大差異的材料體系，如GaN／藍寶石（Sapphire），SiC／Si和GaN／Si等。大晶格失配引發界面處大量位錯和缺陷的產生，極大地影響著微結構材料的光電性能及其器件應用。如何避免和消除這一負面影響，是目前材料制備中的一個迫切要解決的關鍵科學問題。這個問題的解泱，必將大大地拓寬材料的可選擇余地，開辟新的應用領域。

目前，除SiC單晶襯低材料，GaN基藍光LED材料和器件已有商品出售外，大多數高溫半導體材料仍處在實驗室研制階段，不少影響這類材料發展的關鍵問題，如GaN襯底，ZnO單晶簿膜制備，P型摻雜和歐姆電極接觸，單晶金剛石薄膜生長與N型摻雜，II－VI族材料的退化機理等仍是制約這些材料實用化的關鍵問題，國內外雖已做了大量的研究，至今尚未取得重大突破。

3光子晶體

光子晶體是一種人工微結構材料，介電常數周期的被調制在與工作波長相比擬的尺度，來自結構單元的散射波的多重干涉形成一個光子帶隙，與半導體材料的電子能隙相似，并可用類似于固態晶體中的能帶論來描述三維周期介電結構中光波的傳播，相應光子晶體光帶隙（禁帶）能量的光波模式在其中的傳播是被禁止的。如果光子晶體的周期性被破壞，那么在禁帶中也會引入所謂的“施主”和“受主”模，光子態密度隨光子晶體維度降低而量子化。如三維受限的“受主”摻雜的光子晶體有希望制成非常高Q值的單模微腔，從而為研制高質量微腔激光器開辟新的途徑。光子晶體的制備方法主要有：聚焦離子束（FIB）結合脈沖激光蒸發方法，即先用脈沖激光蒸發制備如Ag/MnO多層膜，再用FIB注入隔離形成一維或二維平面陣列光子晶體；基于功能粒子（磁性納米顆粒Fe2O3，發光納米顆粒CdS和介電納米顆粒TiO2）和共軛高分子的自組裝方法，可形成適用于可光范圍的三維納米顆粒光子晶體；二維多空硅也可制作成一個理想的3－5μm和1.5μm光子帶隙材料等。目前，二維光子晶體制造已取得很大進展，但三維光子晶體的研究，仍是一個具有挑戰性的課題。最近，Campbell等人提出了全息光柵光刻的方法來制造三維光子晶體，取得了進展。

4量子比特構建與材料

隨著微電子技術的發展，計算機芯片集成度不斷增高，器件尺寸越來越小（nm尺度）并最終將受到器件工作原理和工藝技術限制，而無法滿足人類對更大信息量的需求。為此，發展基于全新原理和結構的功能強大的計算機是21世紀人類面臨的巨大挑戰之一。1994年Shor基于量子態疊加性提出的量子并行算法并證明可輕而易舉地破譯目前廣泛使用的公開密鑰Rivest，Shamir和Adlman（RSA）體系，引起了人們的廣泛重視。

所謂量子計算機是應用量子力學原理進行計的裝置，理論上講它比傳統計算機有更快的運算速度，更大信息傳遞量和更高信息安全保障，有可能超越目前計算機理想極限。實現量子比特構造和量子計算機的設想方案很多，其中最引人注目的是Kane最近提出的一個實現大規模量子計算的方案。其核心是利用硅納米電子器件中磷施主核自旋進行信息編碼，通過外加電場控制核自旋間相互作用實現其邏輯運算，自旋測量是由自旋極化電子電流來完成，計算機要工作在mK的低溫下。

這種量子計算機的最終實現依賴于與硅平面工藝兼容的硅納米電子技術的發展。除此之外，為了避免雜質對磷核自旋的干擾，必需使用高純（無雜質）和不存在核自旋不等于零的硅同位素（29Si）的硅單晶；減小SiO2絕緣層的無序漲落以及如何在硅里摻入規則的磷原子陣列等是實現量子計算的關鍵。量子態在傳輸，處理和存儲過程中可能因環境的耦合（干擾），而從量子疊加態演化成經典的混合態，即所謂失去相干，特別是在大規模計算中能否始終保持量子態間的相干是量子計算機走向實用化前所必需克服的難題。

5發展我國半導體材料的幾點建議

鑒于我國目前的工業基礎，國力和半導體材料的發展水平，提出以下發展建議供參考。

5.1硅單晶和外延材料硅材料作為微電子技術的主導地位

至少到本世紀中葉都不會改變，至今國內各大集成電路制造廠家所需的硅片基本上是依賴進口。目前國內雖已可拉制8英寸的硅單晶和小批量生產6英寸的硅外延片，然而都未形成穩定的批量生產能力，更談不上規模生產。建議國家集中人力和財力，首先開展8英寸硅單晶實用化和6英寸硅外延片研究開發，在“十五”的后期，爭取做到8英寸集成電路生產線用硅單晶材料的國產化，并有6～8英寸硅片的批量供片能力。到2010年左右，我國應有8～12英寸硅單晶、片材和8英寸硅外延片的規模生產能力；更大直徑的硅單晶、片材和外延片也應及時布點研制。另外，硅多晶材料生產基地及其相配套的高純石英、氣體和化學試劑等也必需同時給以重視，只有這樣，才能逐步改觀我國微電子技術的落后局面，進入世界發達國家之林。

5.2GaAs及其有關化合物半導體單晶材料發展建議

GaAs、InP等單晶材料同國外的差距主要表現在拉晶和晶片加工設備落后，沒有形成生產能力。相信在國家各部委的統一組織、領導下，并爭取企業介入，建立我國自己的研究、開發和生產聯合體，取各家之長，分工協作，到2010年趕上世界先進水平是可能的。要達到上述目的，到“十五”末應形成以4英寸單晶為主2－3噸／年的SI－GaAs和3－5噸／年摻雜GaAs、InP單晶和開盒就用晶片的生產能力，以滿足我國不斷發展的微電子和光電子工業的需術。到2010年，應當實現4英寸GaAs生產線的國產化，并具有滿足6英寸線的供片能力。

5.3發展超晶格、量子阱和一維、零維半導體微結構材料的建議

（1）超晶格、量子阱材料從目前我國國力和我們已有的基礎出發，應以三基色（超高亮度紅、綠和藍光）材料和光通信材料為主攻方向，并兼顧新一代微電子器件和電路的需求，加強MBE和MOCVD兩個基地的建設，引進必要的適合批量生產的工業型MBE和MOCVD設備并著重致力于GaAlAs／GaAs，InGaAlP／InGaP，GaN基藍綠光材料，InGaAs／InP和InGaAsP／InP等材料體系的實用化研究是當務之急，爭取在“十五”末，能滿足國內2、3和4英寸GaAs生產線所需要的異質結材料。到2010年，每年能具備至少100萬平方英寸MBE和MOCVD微電子和光電子微結構材料的生產能力。達到本世紀初的國際水平。

寬帶隙高溫半導體材料如SiC，GaN基微電子材料和單晶金剛石薄膜以及ZnO等材料也應擇優布點，分別做好研究與開發工作。

（2）一維和零維半導體材料的發展設想。基于低維半導體微結構材料的固態納米量子器件，目前雖然仍處在預研階段，但極其重要，極有可能觸發微電子、光電子技術新的革命。低維量子器件的制造依賴于低維結構材料生長和納米加工技術的進步，而納米結構材料的質量又很大程度上取決于生長和制備技術的水平。因而，集中人力、物力建設我國自己的納米科學與技術研究發展中心就成為了成敗的關鍵。具體目標是，“十五”末，在半導體量子線、量子點材料制備，量子器件研制和系統集成等若干個重要研究方向接近當時的國際先進水平；2010年在有實用化前景的量子點激光器，量子共振隧穿器件和單電子器件及其集成等研發方面，達到國際先進水平，并在國際該領域占有一席之地。可以預料，它的實施必將極大地增強我國的經濟和國防實力。

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（西南科技大學，四川621000）

［摘要］現代設計只有充分融入本土文化的精髓，才能真正永葆青春。而如何融入，這是設計師們考慮的核心問題。本文基于中國傳統文化視角，闡述了現代設計與傳統文化的關系，強調將文化元素融入設計，以提升設計品質與內涵。現代設計中需要融合本土文化的精髓，這樣的設計才能永葆青春。

［

關鍵詞 ］中國文化；現代設計；融入

［DOI］10.13939/j.cnki.zgsc.2015.22.197

標志設計過程，實質上是文化傳承與發展過程，能反映出文化結構及其價值。它不僅呈現了現代標志設計觀念，同時也折射出中華民族的歷史特征。設計源自文化，有中華文化為依托，現代設計前景十分明朗；反過來，設計也能作用于文化。現代標志設計中的文化元素，應為精神文明與文化情感。通過將設計對象作為表現載體，能有效傳達產品背后的文化內涵。現代設計要真正融入中國文化，要求設計師對中國文化有較深的了解與感悟，能合理把握中國審美傳統，以提交滿意作品。

1概述

人創造了文化，文化孕育著人。不管是古代還是現代文明，文化始終貫穿于整個設計過程。不同時期的國家或地區，有著不同的思想文化，這也影響著某個歷史階段的設計理念與動向。總體來看，民族性東西可謂根深蒂固，現代人有先進的文明，單純繼承與發揚傳統文明顯然很不夠。有關文化的定義，不同時期的學者所給界定也不同。弗朗茲·博阿茲（美國）曾將文化分成三種：一是物質文化，獲取食物、加工、保存等過程，以及物產和運輸方式等。二是社會關系，如經濟狀態、戰爭、通信形式等。三是藝術、倫理，如裝飾、雕刻等［1］。從某種程度上看，現代設計既可作為產品價值的提升手段，也能用作延續民族文化、促進國家發展的有力武器。所以，將中國文化融入現代設計，有著深刻的現實意義。

2中國文化與現代設計的關系

（1）取其“形”，重塑傳統造型。取其“形”，并非簡單搬抄，而是對傳統造型進行重塑與再創造。具體說來，是運用現代審美觀念來改造和提煉傳統造型中某些元素，以豐富其時代特色；或將傳統造型方法與表現形式充分運用到現代設計中，以傳達設計理念，彰顯民族個性。“形”延伸方面，已有諸多優秀例子。

（2）延其“意”，增添文化氣息。中國傳統造型中的“意”，是人們迷戀的核心。不管在古代還是現代，人們對美好事物都心存憧憬，傳統造型身后的吉祥對現代設計同樣適用，能充分傳達他們的設計理念。例如，中國聯通，采用了佛教八寶中“八吉祥”的“盤長”造型，意為“源遠流長，生生不息”。該種吉祥寓意的傳達，豐富了現代設計的文化氣息，提升了親和力［2］。設計，是賦予所有人造物目的，良好的設計能體現出真善美。現代設計，從過去的功能滿足提升到對精神關懷，這是設計與文化融合，提升產品文化附加值的表現，也是設計師責任所在。

（3）傳其“神”，提升文化價值。針對“形”與“意”，可謂對傳統造型淺層面上的提升。只有充分領悟藝術精神，緊隨西方設計思潮，做到融會貫通，才能真正創造出現代民族形式與設計。2008年，中國申奧標志可謂最佳范例，整個標志采用中國特有的寫意手法，傳遞出“中國結”與“運動員”，真正體現出中國特有的風采。設計中，可借助現代傳媒來宣揚現代產品與本土文化的融合，傳遞文化觀念、提升文化價值。該類傳媒手段分為廣告、網絡、報紙等。拿廣告來說，作為經濟與文化的融合物，它既能推銷產品，也可傳播文化。戈公振于1927年表示，“廣告是商業發展的產物，也是文化進步的表現”［3］。顯然，在實現追求商業價值的同時，廣告還蘊含能對人類造成影響的某種文化價值。

3如何將中國文化融入現代設計

（1）借鑒思維模式，生成新的設計創意。中國傳統文化體現辯證的思維模式，認為事物間存在辯證統一的關系，其思維強調綜合與歸納。中國獨特的思維方式，為現代科技識密提供了有力武器。量子力學、混沌論等現代科學的重要發現中包含的概念與思維，大體符合我國民族文化注重和諧、整體的傳統思想方式。意向思維，對我國文化藝術創作有很大影響。我國意象思維倡導從特殊、具體的直觀領域內發現真理。作為創造性思維，它呈現出長于悟性、活潑不滯的特征。將該種思維方式融入設計中，有助于生成人類公知的潛在創意。思維意念的產生，不受任何交流因素限制，屬于高層次交流。設計過程中，若將作品的創作思維運用到傳統自然觀、思維中，獲得意想不到的效果。

（2）將傳統符號用作裝飾元素。我國民族文化經歷史凝練后，形成了各種內涵豐富的圖形與紋飾。該類傳統符號，不僅有著傳統內涵的紋樣，也有古代圖騰紋飾和宗教符號。經過歷史的沉淀，這些文化符號滲出深厚的凝重感與生命力，成為形式與內涵的結合體。當代，該類符號仍很實用。通常，我們采用下列手法：一是抽象簡約。它是對傳統形式（整體/局部）進行藝術加工與抽象簡化，在保證傳統形式的基礎上，維持傳統之韻。二是符號拼貼。具體是將我們熟悉的傳統構件進行抽象或變形，讓其變成典型意義較大的符號，并用于室內元素拼貼，營造新與舊、古代與現代間的某種聯系。三是移植與嫁接。也就是移植儒、禪或道文化，讓它成為新的藝術形象。現代設計，既應綜合運用傳統藝術與文化，同時也應借助先進技術與工藝，全面拓展和延伸傳統裝飾藝術。

（3）適時彰顯傳統的文化精神。我國傳統文化強調含蓄、曲折與隱晦，倡導“象外之象”、“韻外之致”的美好境界。例如，中國園林藝術提倡“露則淺”，而“藏則深”。園林設計中，習慣采用“欲顯而隱”、“欲露而藏”的設計手法，將精彩的建筑景觀或空間隱藏在幽深地帶或山石林梢間，營造出一種若隱若現、似有似無的意境；而避免開門見山、一覽無余。上述含蓄的表現手法，我們在室內設計中也可適用。另外，應突出傳統室內空間內詩文書畫的應用。例如，室內該如何懸掛楹聯、書畫或匾額等，這些都需要設計師去認真推敲，在正確表達主題和渲染氣氛的同時，營造出含蓄、書卷氣的文化境界。我國設計起步時間較晚，設計理論方面相對薄弱，設計作品仍停留在模仿外國設計的淺層面上。為此，我們應充分意識到挖掘中國文化內質及精神的重要性。不管社會怎樣發展，國家對文化的重視程度只會越來越高，在設計中融入文化烙印有助于人們獲取強烈的歸屬感。

4結論

中華文化源遠流長，是人類不可多得的財富，蘊含著無窮的力量。因此，設計師必須傳承和利用中華文化的精髓，緊跟世界的前沿設計意念，在現代標志設計中融入中國文化，推動中國設計事業走上新的高峰。

參考文獻：

［1］馮建永.論現代標志設計中的傳統文化與企業理念［J］.河南科技學院學報，2010（1）.

［2］劉彬.現代標志設計中的“形”與“神”［J］.漳州職業技術學院學報，2010（2）.

篇8

陳新亮（1970.3-），男，漢族，河北懷來人，河北北方學院藝術學院黨委書記，公共管理碩士，社會科學副研究員，主要研究方向大學生思想政治教育管理。

摘要：時空觀是關于時間和空間的根本看法和根本觀點，是自然觀的重要組成部分。在科學史上，每一次重大理論的變革往往伴隨著新時空觀的誕生。在牛頓力學體系中產生的絕對時空觀使人們的思維機械化，世間一切皆在做機械運動。20世紀初，相對論誕生于世，從而賦予了時間和空間以嶄新的概念，改變了傳統的絕對時空觀。相對論從根本上改變了人們對時間和空間的看法：時間和空間是緊密聯系的，時間、空間和物質密不可分，時空告訴物質怎樣運動，物質告訴時空怎樣彎曲。相對論革新了舊的牛頓時空觀，對科學和哲學產生了巨大的影響。本文先論述前愛因斯坦的牛頓絕對時空觀，再闡述愛因斯坦相對論對時空理論的變革，進而說明愛因斯坦相對論變革時空觀對科學和哲學的意義。

關鍵詞：時空觀；牛頓的絕對時間觀和絕對空間觀；相對論

時空觀，顧名思義，就是對時間和空間的根本看法和根本觀點，它構成了哲學上自然觀的重要內容和組成部分。隨著科學與社會的發展，人們對于時間和空間的認識也在不斷地加深。20世紀初發生了現代物理學革命，在這個激動人心的年代里，愛因斯坦相對論的誕生徹底否定了牛頓經典力學體系的絕對時空觀，深刻地揭示了時間和空間所具有的本質屬性和它們與物質以及物質運動的關系，引起了時空學說的一次重大變革，形成了新的時空觀并產生了深遠的影響。目前學者們對于愛因斯坦相對論引起時空觀變革這一問題的研究已經取得了重大成果，但是對此問題應當有個簡明、清晰的系統闡述。本文預從介紹前愛因斯坦的時空觀，重點介紹牛頓的絕對時空觀入手，進而闡明愛因斯坦相對論變革時空觀的內容和意義。

一、對愛因斯坦時空觀的概述

從古至今，無論在中國還是在西方，科學上和哲學上的一個大的課題就是關于時間和空間的問題，人們總是在問時間和空間究竟是什么。中國古代就有這樣的說法，古往今來為宙，上下四方為宇。顯而易見，在這里，“宙”指的是時間，即過去、當今和未來以及白天與黑夜的更替、春夏秋冬的更迭，而這種時間的觀念來自于平日里對自然現象的觀察和經驗的直覺。“宇”則指的是空間，即上下左右前后、東南西北。時間是無始無終的，空間是無邊無際的。在西方，許多先哲也思考了時間和空間的問題。

（一）時空觀概述

古希臘哲學家德謨克利特認為空間和時間是沒有物質的時空，柏拉圖則認為時間是在存在之外的。對時間和空間形成系統認識的人，最早是古希臘的亞里士多德，關于時間的問題，亞里士多德提出時間是描述“運動”的“數”，他指出：“變化總是或快或慢，而時間沒有快慢。因為快慢是用時間確定的：所謂快就是時間短而變化大，所謂慢就是時間長而變化小；而時間不能用時間確定，也不用運動變化中已達到的量或已達到的質來確定。”[1] 由此可見時間不是運動，而是描述運動的數。亞里士多德認為大地是球形的，地球是宇宙的中心。物體在宇宙中的位置具有關鍵的作用，每個物體都有各自的天然位置，只要沒有阻擋，它們都會到達各自的天然位置。[2] 在當時教會統治人們思想的社會背景下以及當時的社會和科學發展水平，加之亞里士多德的時空觀符合人們當時對自然現象的認識，以至于亞里士多德的時空觀對人們的思維造成了很長時間的影響。但是，由于科學技術的進步，哥白尼提出了日心說，徹底否定了地球是宇宙中心的說法。到17世紀，伽利略提出了力學相對性原理，亞里士多德的時空觀才被伽利略用明確的語言和簡單的物理現象所批駁。緊隨其后，牛頓提出了絕對時間觀和絕對空間觀。之后，康德認為時間和空間意識是人類的先天直觀形式，而不是從感覺經驗中得來的。當然，人們對于時間和空間性質的認識不僅僅停留在哲學層次上，關于時間和空間問題的思考也不只是哲學家所專有的事情。在科學層次上，科學家們也在不斷地探索時間和空間的屬性，法國科學家彭加勒認為時間和空間都不是先天的，而是為了某種目的約定的。愛因斯坦相對論時空觀主要革新了牛頓的絕對時空觀，因此重點介紹一下牛頓的絕對時間觀和絕對空間觀。

（二）牛頓的絕對時空觀

牛頓站在巨人的肩膀上，綜合了哥白尼和伽利略等人的科學成就，建立了牛頓經典力學體系，并且給他的經典力學理論引入了絕對時間和絕對空間的概念，創立了絕對時間觀和絕對空間觀。

牛頓為何要引入絕對時間和絕對空間的概念？我們又該如何理解牛頓所定義的絕對時間和絕對空間，想要弄清這些問題就要從牛頓所建立的經典力學說起了。物體的運動狀態及其改變是經典力學討論的主要對象，而萬事萬物的運動又都離不開時間和空間，都要在一定的時間和空間中進行。[3] 一切運動都是物體本身位置的變化，這樣看來位置就用到了空間的含義，變化則用到了速度，也就是用到了時間的含義，所以牛頓的經典力學體系必定要與一定的時間和空間相聯系。然而，描述機械運動又必然不能離開參照系，但是并不是所有的參照系都適用于牛頓定律，我們常常把適用于牛頓定律的參照系稱之為慣性參照系。那么慣性參照系到底是什么呢，牛頓經典力學本身的理論框架也不能對此給出確切的說明。因此，為了解決這個問題，牛頓便引入了絕對時間和絕對空間的概念。牛頓在其著作《自然哲學的數學原理》中寫道：“絕對的、真正的和數學的時間，就其本身和本性來說，均勻地流逝而與任何外在的情況無關。”“絕對空間，就其本性來說，與任何外在的情況無關，始終保持著相似和不變。”[4] 這里的時間，我們可以形象地把它比擬成永遠流逝著的水，也可以把它想象成一根無限延長的線，無論哪樣，它都與周圍的任何環境無關；而這里的空間，我們也可以把它形象地比擬成一個與任何特殊物質無關的、能夠容納萬事萬物的、靜止的大容器。

牛頓把自己定義的這樣的時間和空間稱為絕對時間和絕對空間，由此便形成了牛頓的絕對時間觀和絕對空間觀。對于牛頓絕對時空觀的基本思想，主要有下列三個方面。

1.同時性是絕對的

在牛頓的絕對時空觀中，同時性是絕對的、無條件的，也就是說，在不同地方發生的兩件事情，如果對一個慣性參照系來說是同時發生的，那么無論對其它任何慣性參照系來說必定都是同時發生的。所以，對準過的兩個鐘表，不管把它們放在任何不同的地方，無論它們是否有相對運動產生，鐘表總是同步的。在這個方面上，牛頓的絕對時空觀似乎是符合我們的生活經驗的。

2.時間是絕對的，空間也是絕對的

在這里，時間是絕對的指的是時間間隔的絕對性。也就是說，如果一個房間的時鐘走了十分鐘，那么世界上任何時鐘都走了十分鐘，無論它們在何種運動狀態下。而空間也是絕對的指的是空間距離的絕對性。比如說，一根筆的長度，當以某一個參照系測量它是十厘米時，那么從別的參照系測量它時，它也是十厘米，而與參照系的運動狀態無關。

3.時間和空間是各自獨立，互不相關的并且與物質及其運動無關

按照牛頓絕對時間和絕對空間的觀點，時間和空間各不相關，而且時間和空間是脫離物質運動而存在的，時間和空間具有絕對性，這也就是說，時間和空間只是單獨的存在，這種存在不受周圍任何事物的影響。

牛頓的絕對時間觀和絕對空間觀是符合我們的生活經驗的，并且適用于當時的科學實驗，因而人們很容易理解和接受這種觀點。隨著科學的進步，到19世紀末，麥克斯韋電磁理論發展起來，牛頓的絕對時空觀顯現出它自身的局限性，牛頓絕對時空觀只適用于物體在宏觀低速下的運動規律，而對于在微觀高速下的運動則無能為力。正是在這種背景下，發生了現代物理學革命，相對論出現在人們眼前。愛因斯坦相對論革新了牛頓的時空理論，創建了新的時空學說。

二、愛因斯坦相對論對時空觀的變革

歷史上每一次新的時空理論的產生總是離不開科學的發展。19世紀末，當時的物理學界普遍認為物理學的大廈已經落成，正在他們展望物理學的美好前景時，物理學晴朗的天空上卻被兩朵烏云所籠罩，即“以太漂移的零結果”和“黑體輻射”。由此爆發了現代物理學革命，誕生了相對論和量子力學。愛因斯坦曾說“相對論同時間和空間的理論有密切的關系”[5]。愛因斯坦相對論研究的是關于時間、空間和物質、運動之間的內在聯系，由狹義相對論和廣義相對論組成。而新的時空觀正是以相對論為理論依據的，它認為時間和空間相互影響，彼此不可分離，形成一個四維時空統一體，時間和空間受物質及其運動的影響。從某些方面來說，新的時空理論也就是愛因斯坦的相對論，正是狹義相對論告訴了人們時間和空間與物質運動的密切關系，而廣義相對論又進一步告訴了人們時間和空間的性質與物質本身的存在及其分布密不可分。[6]

（一） 狹義相對論對時空理論的革新

自從光的波動說復活以來，物理學家們開始對“以太”問題進行激烈的探討，后來著名的邁克爾遜—莫雷實驗的零結果徹底否定了“以太”的存在，但是這種結果卻使更多的物理學家困惑不解。為了更好的解決邁克爾遜—莫雷實驗的困惑，1905年，愛因斯坦發表《論運動物體的電動力學》一文，放棄了牛頓的絕對時間和絕對空間概念，提出了光速不變原理和相對性原理這兩個基本前提假設，宣告了狹義相對論的誕生，從而形成了新的愛因斯坦時空觀。

為了更好的理解愛因斯坦狹義相對論對時空觀作了哪些方面的革新，也就是愛因斯坦新的時空觀是怎樣的，我們首先要來說明一下光速不變原理和相對性原理，因為這兩個原理是狹義相對論得以成立的基本前提假設。光速不變原理，指的是不論光的觀察者運動與否，光速在真空中都是一樣的、不變的，即都是一個常數c；相對性原理，指的是自然規律在所有慣性參照系中，都是一樣的、不變的。[7] 只要拋棄牛頓絕對時間的概念，這兩條基本原理就能夠彼此相容，這樣兩個慣性參照系之間的時間和空間變換就滿足洛侖茲變換。愛因斯坦狹義相對論對時空理論的革新以及愛因斯坦時空的重要性質就包含在這個變換中，主要有下列三個方面。

1.同時性是相對的

依照光速不變原理，狹義相對論認為不同地方的兩件事情，在某一慣性參照系中來看，它們是同時發生的，然而相對于這一慣性參照系運動的其它任一慣性參照系來看，它們就不是同時發生的。因而同時性是相對的，時間與物質運動有關。這里需要注意的是，如果發生在同一個地點或者說是同一個點的兩個事件，其同時性就是絕對的，與參照系的運動和選擇無關。

2. 時間是相對的，空間也是相對的

與牛頓的時空理論不同，愛因斯坦狹義相對論的時空觀認為時間間隔是相對的，也就是說，某一個過程中延續的時間在不同的慣性參照系中所測量的結果是不一樣的，這是由同時性是相對的自然而然推導出的結果。最能說明這一點的便是大家熟知的運動的時鐘會變慢，即時間延緩效應，它主要說的是對于每一位觀察者來說，都有他們自己的時間測度，如果在天空中有一個高速飛馳的時鐘，那么它對于地面上靜止不動的觀察者而言，鐘的時間走的慢了，并且時鐘飛馳運動得速度越快，鐘的時間走得就越慢，這就反映了時間是相對的。

空間也不是牛頓時空理論中所認為的那樣是絕對的，空間也是相對的，長度的相對性就證明了空間是相對的。也就是說，同樣的一把尺子，根據所選擇的慣性參照系，它們的長度是不一樣的。假如A尺子是運動的，速度近于光速時，那么B尺子就會看到A尺子縮短了。[8] 這就是著名的運動的尺子要縮短，即空間收縮效應。這個效應表示空間的大小是相對的。

這兩個時間和空間效應都是相對論的一種效應，它主要歸結于時間和空間所具有的基本屬性，這與牛頓的絕對時空觀是不同的。但是這些效應又是很難被日常生活中的我們所理解的，因為這些效應都是在速度接近光速的高速運動過程中產生的，而我們通常生活在低速運動中。

3. 時間和空間是緊密相聯的，并且與物質運動密不可分

在牛頓絕對時空觀中，時間均勻流逝，不受任何外在環境影響，空間則是個與任何事物無關的、靜止不動的容器。而愛因斯坦狹義相對論的時空學說認為時間和空間不能各自獨立存在，時間與空間是緊密聯系的。一個物體的長寬高表明它的空間，可卻是以時間為尺度的；太陽所在位置的不同則表明時間的不同。時間和空間與物質運動更是不可分開的，時間和空間的性質要通過物質運動表現出來。時間和空間是運動著的物質的存在方式，時間是物質運動的連續，空間則是物質運動的延伸。離開物質運動而獨立存在的時間和空間是毫無意義的。

（二）廣義相對論對時空理論的革新

愛因斯坦狹義相對論的創建，引發了時空理論的變革，但他隨之發現這種狹義相對論時空觀與牛頓的萬有引力定律是不相容的，于是，他又開始研究引力問題。1916年，愛因斯坦以慣性質量與引力質量相等為基礎，提出了著名的等效原理和廣義協變原理，創立了廣義相對論。廣義相對論把引力看成一個彎曲的時空，而不再把引力看成是一種力。等效原理和廣義協變原理構成了廣義相對論的主要內容，等效原理說的是，一個運動在含有引力場的慣性系中和在加速度系統中是完全相同的，即存在引力場的慣性系等效于加速度的非慣性系；廣義協變原理是把相對性原理從慣性系推廣到了非慣性系，即在任何參照系中，自然界的規律都是相同的，與我們所選擇的參照系無關。

依據廣義相對論，空間是一個服從黎曼幾何的彎曲空間，空間彎曲的程度取決于物質本身在空間的分布。物質分布越密集的地方，引力場的強度就越大，時空彎曲得也就越厲害。因而，廣義相對論告訴人們，時間和空間的性質與物質本身的分布也是緊密相關的。“物質告訴時空怎樣彎曲，時空告訴物質怎樣運動”[9]。時間和空間與物質息息相關，時間、空間和物質構成了一個有機整體。這就是廣義相對論對時空理論所作的進一步變革。

總之，愛因斯坦相對論革新了舊的牛頓力學的時空觀，建立起了愛因斯坦相對論的時空觀，是時空理論上的一次史無前例的巨大變革。正是愛因斯坦相對論改變了人們以往對時間和空間的理解。狹義相對論只適用于慣性系，它的時空背景是歐幾里得的平直時空，狹義相對論的時空觀使人們認識到時空都不是絕對的而是相對的，時空不能脫離彼此而獨立存在，時空和物質運動也是密不可分的；而廣義相對論則適用于一切參考系，它的時空背景是黎曼幾何的彎曲空間，廣義相對論的時空觀使人們進一步認識到時間和空間的性質還與物質本身的分布有關，物質告訴時空怎樣彎曲，時空告訴物質怎樣運動，從而說明了時間—空間與物質的統一性。無論怎樣，愛因斯坦相對論所引起的時空觀變革都產生了深遠的影響，都具有無可比擬的意義。

三、愛因斯坦相對論變革時空觀的意義

19世紀末20世紀初，在物理學史上，那是一個既光明又黑暗的時期，但就是這樣的一個時期，卻發生了一場影響深遠的現代物理學革命，誕生了相對論和量子力學，使之成為了一個激動人心的年代。[10] 愛因斯坦相對論對時空理論所作的變革無論是在當時還是在日后，都對科學和哲學產生了不可磨滅的影響，意義巨大。

（一）在科學上，推動了物理學和科學技術的發展

時空觀的變革與科學尤其是物理學的發展是相輔相成的，物理學的發展推動了人們對時間和空間性質的認識，而每一次時空理論的新變革又都是物理學進一步發展的基本前提和主要標志。愛因斯坦相對論對時空觀所作的變革無疑是巨大的，它推進了現代物理學革命，為現代物理學的發展奠定了理論基石，從而推動了科學技術的發展。[11] 可以說，愛因斯坦相對論時空觀的出現是世紀之交中的創舉之一。

在愛因斯坦狹義相對論時空觀中，不僅否定了牛頓經典力學體系中關于時間和空間的概念及其之間的關系，還賦予了質量和能量及其之間的關系以全新的含義。質量并不是絕對不變的，物體在運動速度近于光速時，質量就會接近無窮大；質能關系式則告訴人們質量和能量也不是單獨存在的，而是一個質能統一體，質量守恒定律與能量守恒定律是融合在一起的，這就為原子核物理學的發展和應用開辟了新天地。愛因斯坦廣義相對論時空觀使人們開始對宇宙時空產生了濃厚的興趣，是人們關于天文學中時空理論的一次大變革。所有這些變革都毫無疑問的促進了自然科學的發展。

（二）在哲學上，豐富和發展了辯證唯物主義時空觀

愛因斯坦相對論對時空理論的變革不只是對物理學和科學有重大意義，并且在哲學方面也具有無法比擬的影響，可以說，愛因斯坦相對論時空觀本身就具有哲學的意味。

愛因斯坦相對論時空觀認為時間和空間之間是互相關聯的，時間和空間作為客觀存在是絕對的，但同時又是相對的。物質本身以及物質運動與時間和空間是不可分割的，離開任意一方談論彼此都是沒有意義的。這就說明了時間、空間和物質三者之間存在的聯系，揭示了時空是運動著的物質的存在方式，改變了人們以往對時空與物質關系的認識，從而有力的批判了機械唯物主義中把時間和空間與物質及其運動割裂開來的形而上學時空觀。[12] 愛因斯坦相對論對時空觀的變革進一步豐富和發展了辯證唯物主義時空觀。

愛因斯坦相對論對時空觀的變革還提高了人們的認識能力，使人們的思維方式發生了深刻的變化。愛因斯坦曾說：“世界上可能只有12個人能夠看懂相對論，但是世界上卻有幾十億人借此明白沒有什么是絕對的”[13]。從此人們開始認識到：對于同樣的一個事物，如果不同的人從不同的角度來看，就會產生不同的結果，任何事物都不是絕對的。所以我們要用相對的眼光來看問題，而不能用絕對的眼光來看問題。世界上任何事物都不是絕對存在的，它們都是相對存在的。“長”相對于“短”而存在，“大”則是相對于“小”而言的。因此，我們不能再用牛頓絕對時空觀中的機械思維來思考問題，而要以愛因斯坦相對論時空觀所揭示的哲學思維來思考問題。

綜上所述，通過對愛因斯坦相對論變革時空觀的思考，我們不難發現，無論是在科學上，還是在哲學上，愛因斯坦相對時空觀都有巨大的推動作用，它對人類社會產生了深遠的影響。正是愛因斯坦相對論對時空觀的變革將我們帶入了一個不一樣的時空世界，這個世界不再是牛頓所描述的絕對時間和絕對空間的世界，在這里我們要學會用更加開放的思維和眼光來看待它。愛因斯坦相對論時空觀取代舊的牛頓時空觀，不管是在科學上還是哲學上都是時空理論的一次巨大的變革。然而，任何事物都不是絕對的，當然也就不存在絕對真理，隨著科學的不斷發展進步，不久的將來一定會產生新的時空觀，使時空世界更加絢麗多彩。（作者單位：1. 天津大學；2. 河北北方學院藝術學院）

參考文獻：

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[10]李醒民.激動人心的年代[M].北京：中國人民大學出版社，2009.40-45.

[11]關小蓉.時空觀的三次變革及其產生的影響[J].玉林師專學報（自然科學版），1998， （03）：44-47.

篇9

關鍵詞：計量標準；考核；測量不確定度

Abstract: Based on the uncertainty of measurement for the understanding, analysis of the experimental data of each link in the examination of measurement standard requirements, specify the measurement uncertainty of a practical application of this theory in the examination of measurement standard of.

Key words: standards of measurement; evaluation; uncertainty of measurement

中圖分類號：TB9

1、測量不確定度

1.1測量不確定的概念

一切測量結果都存在不確定度──這是科學公理。量子力學早在20世紀20年代就已以證明：基本粒子的運動速度和位置不能在同一時刻同時測量，這就是著名的不確定性原理。科學家發現雖然對單一事件不能測準，但可以用概率統計學的方法確定一個樣本集合的變動性范圍及其概率，這一發現及隨后用于測量領域的確究，逐步形成現代不確定度理論體系。根據國際標準化組織、國際計量局等7個國際組織聯合制定的對不確定度的定義以及國家計量技術規范JJF1059.1－2012《測量不確定度評定與表示》的有關規定，測量不確定度就是對測量結果質量的定量表征，測量結果的可用性很大程度上取決于其不確定度的大小。所以，測量結果必須附有不確定度說明才是完整并有意義的。測量不確定度的含義是：表征合理地賦予被測量之值的分散性，與測量結果相聯系的參數。

我們不可能給出一個確切的值──真值，但我們可以給出一個范圍，使真值的可能值的大部分含于其中，這個范圍的半寬就是測量結果擴展不確定度的數值U,通常用合成標準不確定度的倍數表示。

1.2測量中可能導致不確定度的來源

測量中可能導致不確定度的來源一般有：

（1）被測量的定義不完整；

（2）復現被測量的測量方法不理想；

（3） 取樣的代表性不夠，即被測樣本不能代表所定義的被測量；

（4）對測量過程受環境影響的認識不恰如其分或對環境的測量與控制不完善；

（5）對模擬式儀器的讀數存在人為偏移；

（6）測量儀器的分辨力或鑒別力不夠；

（7）賦予計量標準的值或標準物質的值不準；

（8）引用于數據計算的常量和其他參量不準；

（9）測量方法和測量程序的近似性和假定性；

（10）在表面上看來完全相同的條件下，被測量重復觀測質的變化。

1.3測量不確定度的評定步驟

評定測量結果的不確定度或提供測量不確定度評定報告的一般步驟如下：

（1）建立數學模型；

（2）不確定度來源分析；

（3）標準不確定度分量評定；

（4） 合成標準不確定度評定；

（5）擴展不確定度評定；

（6）測量不確定度報告。

2、計量標準考核環節

《JJF1033-2008計量標準考核規范》要求，新建計量標準或計量標準更換時，應填寫“建立計量標準技術報告”，報告中所涉及的內容要準確、可靠，對所測的數據和實驗結果要實事求是。撰寫建標技術報告的目的一方面是加深對計量標準裝置性能的理解和掌握及對相關條件、數據的正確應用，更主要的是應根據分析結果——計量標準的測量重復性、計量標準的穩定性和計量標準的不確定度，通過驗證這三個計算數據，直接判斷該計量標準是否符合國家鑒定系統標和國家計量檢定規程的要求做出計量標準是否可以開展所申請項目的檢定標準工作的結論。

下面通過一個實例進行說明。本單位于2012年11月購進一臺0.1級YC-1891單相電能表檢定裝置，在試運行期間進行了計量標準的測量重復性考核、穩定性考核和測量不確定的評定。

2.1 計量標準的測量重復性考核

用YC-1891D型單相電能表檢定裝置 0.1級出廠編號：0112027，在實驗室工作環境（溫度：20℃，相對濕度70%）條件下，選定一臺常規的被檢電能表（型號：DDS102，出廠編號：2011080017，等級2.0級，規格220V， 5(20)A, 該表經上級部門檢定，證書編號：電能字第110401180號）。參照JJF1033-2008《計量標準考核規范》中規定的重復性試驗方法，選擇典型測試點進行重復性測試：

1、在參比電壓220V，參比電流=1.0時和=0.5L時情況下，進行測試。

2、在重復性條件下，計量標準的重復性采用單次測量結果測量的實驗標準差來表示。次數 =10次，每次測量對電流（電壓）重新從零升至選定的示值，讀取被檢電能表的測試數據，測得10個測量數據如下表1（%）：

表1 被檢電能表測量結果

所測得功率因數為=1.0時和=0.5L時,實驗標準差的測量重復性小于測量不確定度所采用的數，符合要求。

2.2 計量標準的穩定性考核

在實驗室工作環境（溫度：20℃，相對濕度：70%）條件下，選定一臺穩定的被檢電能表（型號：DDSI102，出廠編號為ABC201106018、準確度等級1.0級、規格220V、10(60)A，該表經上級部門檢定，證書編號為電能字第110401180號），在下述條件下進行穩定性測試：

1、在參比電壓220V，參比電流10ACOS=1.0時和COS=0.5（L）情況下，進行測試。

2、每隔一段時間（大于一個月），用該計量標準（進行一組n（n≥10）次測試，取其算術平均值作為該組的測量結果。

3、共觀測m組（m≥4），并進行記錄。

4、取m組測量結果中的最大值和最小值之差，作為該計量標準在該時間段內的穩定性。

根據上述要求在半年時間內對上述試驗點進行了四組實際測試，每組測量的間隔均大于一個月，測量日期和測試數據分別如下表2（%）：

表2 測試結果

本電能表檢定裝置的穩定性遠小于最大允許誤差的絕對值，符合要求。

2.3測量不確度評定

1、概述

（1）檢定依據：JJG596—2012《電子式交流電能表檢定規程》

（2）環境條件：溫度20℃，相對溫度70%

（3） 檢定標準：0.1級電能表檢定裝置，型號YC—1891D規格：（0～220）V（0～100）A

（4） 被測對象：型號：DDSI102，出廠編號為ABC201106018、準確度等級2.0級、規格220V、10(60)A。

（5） 檢定過程：裝置輸出一定功率給被檢表，并對被檢表進行光電采樣，得到的電能值與裝置輸出的標準電能值比較，得到被檢表在該功率時的相對誤差。

（6）評定結果的使用：符合上述條件的測量結果，一般可直接使用本不確定度的評定方法。

2、數學模型：

裝置輸出一定功率給被檢表，并對被檢表進行光電采樣，將得到的電能值與裝置輸出的標準電能值比較，得到被檢表在該測量點的相對誤差。被檢電能表的誤差表達式為：

γ=γ0 (1)

式中：γ—被檢電能表的相對誤差；

γ0—電能表檢定裝置上測得的相對誤差。

靈敏系數

C=аγ/аγ0=1 （2）

3、單相電子式電能表示值誤差的標準不確定度的評定

輸入量γ0的標準不確定度的來源主要有：①在重復性條件下由被測電能表示值重復性引起的不確定度,采用A類評定方法評定；②電能表檢定裝置的示值誤差引起的不確定度，采用B類評定方法評定；③數據修約引入的不確定度，采用B類評定方法評定。

（1）標準不確定度的評定

該不確定度分項主要是由于被檢測電能表的示值誤差重復性引起的，可以通過連續測量得到測量列，采用A類方法進行評定。

對一臺2.0級單相費控智能電能表，在220V10（60）A條件下，功率因數為1.0和0.5L時，每個數據取兩次測量平均值，分別得到一組測量值,測得數據如下表3、表4所示。

表3 （=1.0時）％

表4 （=0.5L 時）％

在實際工作中取2次讀數的平均值作為測量結果，所以：

當=1.0 時：= 0.0139%==0.0098%

當=0.5L時：= 0.0116% == 0.0082%

（2）標準不確定度的評定

該不確定度的評定主要是電能表檢定裝置示值誤差引起的。該0.1級單相電能表檢定裝置經廣西計量測試研究所檢定合格，檢定證書號為電能字第電能字第130400201號。

根據JJG597—2005《交流電能表檢定裝置》檢定規程可知，該裝置的最大允許誤差=1.0 時，MPE=±0.10%，則其變化半寬為a=0.10%，在此區間內屬矩形(均勻)分布，包含因子k= 。=0.5L時，MPE=±0.15%，則其變化半寬為a=0.15%，在此區間內屬矩形(均勻)分布，包含因子k= =1.73。

當=1.0時:== 0.0577%

當=0.5L時:== 0.0866%

（3）數據修約引入的不確定度的評定

由于2.0級電能表的化整間距為0.2，所以其變化半寬a=0.2

= = 0.1155%

（4）合成不確定度的評定

合成標準不確定度的估算

當=1.0時:==

≈ 0.1295%

當=0.5L時: ==

≈0.1459%

（5）擴展不確定度U計算如下

當=1.0時: =.= 1.96×0.1295 % =0.26%

當=0.5L時: =.= 1.96×0.1459% =0.29%

（6）擴展不確定度報告

2.0級單相電子式電能表，在220V，10（60）A功率因數為1.0和0.5L時，其示值相對誤差分別為：

= -0.3% （=1.0時)）

= -0.2% （=0.5L時）

測量結果的擴展不確定度：

=0.26% ＝ 2 （=1.0時）；

=0.29 % ＝ 2（=0.5L時）

4、測量不確定驗證

對計量標準的測量不確定度驗證，采用傳遞比較法，具體方法如下：

采用一臺經上級單位檢定的單相電能表（型號：DDSI102，編號：0201106018，等級：2.0級校準證書號：電能字第120400612號），在試驗室工作環境（溫度20℃，65%）的條件下，選定兩個典型測試點用本裝置進行測試：

（1）在電壓為220V，電流為10A，功率因數COS=1.0和COS=0.5L的情況下，進行測試。其測試數據ylab為-0.1038%和-0.0892% 。

（2）在上級單位檢定的證書中找出，電壓為220V，電流為10A，功率因數COS=1.0和COS=0.5L時，單相電能表的測試數據yref為0.0066%和-0.0558% 。

（3）單相電能表進行測量時的擴展不確定度分別為：

COS=1.0時 Ulab=0.26 % ；Uref=0.13%

COS=0.5L時U lab=0.29% ；Uref=0.12%

（4）上述數據代入如下公式應滿足要求

│ylab－yref│≤

（5）上述數據代入下表5

表5

（6）故通過驗證結果可知，符合JJF1033－2008計量標準考核規范中 │ylab－yref│≤要求，檢定結果的測量不確定度的評定是合理的。

2.4 結論

綜上所述，建標技術報告中計量標準的重復性、穩定性和測量不確定評定這三個計算數據互為支持、互有聯系、相互約束、相互應證，并可得到三個相應的結論，計量標準不確定度分析計算的正確性和計量標準的可靠性，保證了量值測量的準確一致性。由此可見，只有這三個方面都得到了證明，方可得出計量標準滿足相應要求的最終結論。

參考文獻：

1、《現代計量學概論》

2、JJF1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》

篇10

關鍵詞：懷疑論；知識；分析/綜合的區分

作者簡介：劉玉軍，華中科技大學學院博士研究生（湖北 武漢 430074）

陳明益，華中科技大學哲學系博士研究生（湖北 武漢 430074）

一、懷疑論的基本觀點

從哲學史來看，懷疑論是一種十分重要的哲學立場，并始終伴隨著認識論的發展。古希臘時期，懷疑論哲學以皮羅（Pyrrhon）學說為代表，這種懷疑論主要是針對獨斷論而言的。獨斷論者相信自己發現真理，懷疑論者則認為真理是不可知的。按照塞克斯都·恩披里可的概述，懷疑論起因于獲得“靈魂的安寧”，懷疑論者為事物中的各種矛盾所困惑，對二者擇一加以接受產生懷疑，因而對事物的真假不做判斷。皮羅說，“萬物一致而不可分別。因此，我既不能從我們的感覺也不能從我們的意見來說事物是真的或假的。所以我們不應當相信它們，而應當毫不動搖地堅持不發表任何意見，不作任何判斷，對任何一件事物都說，它既不不存在，也不存在，或者說，它既不存在也存在，或者說，它既不存在，也不不不存在” [1 ] （177）。因此，皮羅主義的懷疑哲學可以稱作一種過度的懷疑論或激進的懷疑論（radical scepticism），它主張我們無法獲得關于外在世界的可靠知識，因為我們和外在世界的接觸只有感官這個唯一通道。如果知覺系統性地誤導我們，我們對真實世界的認知就都是假的。顯然，如果我們接受這種激進的懷疑論，也就意味著感官所提供的“資訊”是不可靠的，我們就無法過一種正常的生活。

近代哲學家笛卡爾提倡一種普遍的懷疑，他要求我們懷疑我們先前的一切意見和原則，還要求我們懷疑自己的各種官能。如果我們想要確信官能以及由這些官能得出的知識是真實的，那么我們必須根據一種沒有錯誤和不受欺騙的原始原則來一絲不紊地推論出來。因此，笛卡爾實際上排除了激進的懷疑論立場，他相信有一種絕對確定的東西，基于這種絕對確定的基礎，我們可以建立我們的知識，包括外在世界的可靠知識。這種確定的基點就是“我思”，或者說“懷疑”本身。換言之，“我思”或“我懷疑”本身是不能懷疑的。休謨區分了古希臘皮羅的激進懷疑論（Pyrrhonian scepticism）與溫和的懷疑論（mitigated scepticism），以及前件懷疑論（anticedent scepticism）與后件懷疑論（consequent scepticism），但是他并沒有給他自己的懷疑論觀點提供任何明確暗示或論述。正如大衛·諾頓（David Norton）所言，“懷疑論這個術語，似乎意味著不同的事物。盡管休謨已經進行了廣泛的討論，但還是很難說已經有多少種懷疑論被鑒別出來，其困難在于許多的范疇相互重疊” [2 ]。自休謨以后，懷疑論的種類不斷增加。盡管如此，一般的觀點都認為，懷疑論通常意味著否定我們人類擁有知識。例如，皮特·克萊恩（Peter Klein）將懷疑論概括為這樣一種觀點：我們缺少知識。因此，我們可以同樣認為休謨的懷疑論與知識有關。例如，摩爾（G. E. Moore）通過對休謨的懷疑論的細致研究發現休謨的懷疑論正是基于對“知識”概念的特定理解，這種理解“對什么成其為知識的標準限制過緊”才產生懷疑論 [3 ]。也許，休謨主要不是在“我們缺乏知識”這個意義上來考慮懷疑論的，但是我們姑且認為休謨的懷疑論也可以被理解“我們缺乏知識”這樣一種觀點。因為在休謨那個時代，懷疑論至少在部分程度上是與知識的否定相聯系的，而且休謨似乎也有某種知識的概念，他的論證意味著如果按照他所認為的知識的概念，那么我們是沒有任何知識的，也許在這種規定的意義上，我們可以更好地理解休謨被看作為一位懷疑論者。

二、休謨的懷疑論與確定性的知識

后世對休謨通常持兩種對立的觀點：一種觀點認為休謨主要是一位消極的思想家，因為他抽取了經驗論的含義而發展了一種激進的、整體的（global）懷疑論；另一種觀點則認為休謨是一位積極的自然主義理論家，因為他試圖將自然科學的方法應用到解決哲學問題當中去 [4 ]。后一種觀點，即將休謨看作一位積極的自然主義理論家的人們卻面臨著一個難題：休謨在其所有著作中的懷疑論證是顯而易見的，那么該如何對休謨的這種懷疑論證作一番合適的定位？正如帕斯莫爾（Passmore）所言，“休謨的體系準確地說，就是一個建立在懷疑論基礎上的科學” [2 ]。因此，不管任何人如何來解釋休謨，他都不可避免地要面對懷疑論這種令人驚恐不安的立場。

既然懷疑論總是與知識相關，因此，如果我們要理解休謨的懷疑論，我們必須理解休謨的知識觀，也即在休謨看來，知識是什么，有什么樣的特性。休謨在《人性論》第一卷第三部分第一節“論知識”中談到七種不同的哲學關系，分別是類似、同一、時空關系、數量或數的比例、任何性質的程度、相反和因果關系。這些關系可以分為兩類，一類“完全決定于我們所比較的各個觀念”，比如三角形的三個角等于兩直角和的關系取決于我們的三角形觀念（在歐幾里得幾何學范式內）；另一類“可以不經過觀念的任何變化而變化”，比如兩物體間的接近和遠隔關系可以依位置改變而變化，無需經過它們觀念的變化。然而，休謨似乎將知識嚴格地限制于觀念的關系。他說，“這七種關系中，只有四種完全決定于觀念，能夠成為知識和確實性（certainty）的對象。這四種是類似、相反、性質的程度和數量或數的比例。” [5 ] （86）由此可見，休謨將知識與確實性緊密聯系在一起。在《人類理解研究》中，休謨表達了類似觀點：

人類理性或研究的一切對象可以自然分為兩種：觀念的關系（Relations of Ideas）和實際的事情（Matters of Fact）。屬于第一類的，有幾何、代數、三角諸科學；總而言之，任何斷言凡有直覺的確定性或解證的確定性的，都屬于前一種。‘直角三角形弦之方等于兩邊之方’這個命題，乃是表示這些形象間關系的一種命題。又如‘三乘五等于三十之一半’，也是表示這些數目間的一種關系。這類命題，我們之憑思想作用，就可以把它們發現出來，并不依據于在宇宙中任何地方存在的東西。自然中縱然沒有一個圓或三角形，而歐幾里得所解證出的真理也會永久保持其確實性和明白性。 [6 ] （26）

從休謨的有關知識論述我們可以看到，休謨像他的前輩或同時代人那樣堅持認為知識要求確實性或確定性（certainty），因為確定性是局限于觀念的關系范圍內。在休謨看來，知識是產生于觀念的比較（comparison of ideas）而獲得的信據（assurance），而確定性則是一種排除懷疑的確信。在《人性論》中，“懷疑”和“不確定性”被交替使用，所以懷疑和不確定性是同義的。換言之，一個人能夠確定p當且僅當他不能懷疑p。但是，盡管知識與確定性緊密相連，免于懷疑的確定性對于知識而言卻是不足夠的，因為確定性僅僅源于觀念的比較，而S知道P當且僅當（1）S贊同P來源于觀念的比較（a comparison of ideas）；（2）S確信（is certain that）P。因此，要理解休謨的“知識”概念，我們必須理解他所談論的“確定性”概念。實際上，確定性在休謨那里有兩層意義。如我們剛才所言，一層意義是與懷疑相對立，也即真實的確定性是完全排除懷疑的確信，因為懷疑排除任何種類的確定性。另一層意義的確定性包含合理的懷疑度。休謨認為，一位公正的理性者（reasoner）在進行任何判斷的過程中必須擁有一個人應當有的懷疑水準。具言之，在決定如何獲取適當的確定性時，我們應該使我們的信念與所獲得的證據相稱，因為信念的證據有助于決定適當的懷疑水準。例如，哥德巴赫猜想必定為真或假。假定我證明了（affirm）哥德巴赫猜想，并進一步假設它為真，那么我可以說我肯定它為真，但理由不是由于我占有任何證據，而只是由于我的固執，我有一個不愿意放棄的肯定信念：它必定為真。然而，我不應該確信（be certain of）哥德巴赫猜想，或對其采取任何明確的立場，因為我對它的肯定或否定沒有任何充足的理由或證據，一個公正的理性者對于哥德巴赫猜想至少應該保持某種程度的懷疑或不完全的確信。因此，我們應該明確某人提出一種知識理論與斷言他擁有知識是不同的。依據休謨的理論，知識是限定于觀念的關系，并要求一種確定性，而且這種確定性是不受公正的理性人所應具有的合理懷疑的影響。但是，當我們根據休謨的知識理論斷言人們是否擁有知識或獲得某種知識時，盡管我們也是在確定性的意義上來斷定，這種確定性卻是基于人們具有的信念與證據的相稱性，因為理性的人們必須保持一種合理的懷疑度。

那么從真實的確定性的意義上講，我們是否擁有知識呢？在《人性論》第一卷第四部分中，休謨談到理性的懷疑主義：

一切理證性的科學（demonstrative sciences）中的規則都是確實的（certain）和無誤的（infallible）。但是當我們應用它們的時候，我們那些易誤的、不準確的官能（faculties）便很容易違背這些規則，而陷入錯誤當中。因此，我們在每一段推理中都必須形成一個新的判斷，作為最初的判斷或信念的檢查或審核；而且我們必須擴大視野去檢視我們的知性曾經欺騙過我們的一切例子的經過，并把這些例子和知性的證據是正確而真實的那些例子進行比較。我們的理性必須被視為一個原因，而真理為其自然的結果；但是理性是那樣一個原因，它可以由于其他原因的侵入，由于我們心理能力的浮動不定，而往往可以遭到阻礙。這樣，全部知識就降落為概然推斷（probability）。隨著我們所經驗到的知性的真實或虛妄，隨著問題的單純或復雜，這種概然性也就有大有小。 [5 ] （206）

休謨認為，數學家無論進行多少次計算來核對結果，他們對結果的信心的增加不過是概然推斷或概率（probability）的增加，這些計算過程并沒有產生確定性的知識。因此，休謨將這種不確定性主張擴展至所有理證性的科學。由于這些理證性科學為知識提供唯一來源，所以人類研究所得出的一切結果都沒有達到可靠知識的完美狀態。換言之，由于知識是一種產生于觀念的比較而得出的確定性，然而現在沒有這樣的確定性，所以我們無論如何都沒有知識。那么為什么沒有這樣的確定性呢？在休謨看來，確定性與不可錯性或絕對可靠性相聯系，也即絕對可靠性是確定性的標志，而可錯性則是不確定性和懷疑的標志，所以說絕對可靠性暗含錯誤的不可能性。但是，這種不可能性既非邏輯的不可能性也非心理的不可能性，因為休謨論證所有判斷（包括數學判斷）都是不確定的，而他并非意味著1+1≠2在邏輯上是可能的，也非意味著人們對數學陳述的掌握是不可錯的僅僅由于人們在心理上不可能不相信這個數學陳述。具體說來，如果知識p要求確定性，那么休謨要求的既不是非p的邏輯不可能性，也不是一個認知者拋棄p的心理不可能性，而是要求任何真實的或可靠的知識主張能夠超越合理的懷疑，例如，我們能夠合理堅持認為不可能理性地懷疑這種主張，因為不可錯的或絕對可靠的知識是不容置疑的。但是休謨也認為我們應該在某種程度上理性地懷疑每一個主張，所以沒有任何主張是確定的，我們缺少知識。正是從他否認我們擁有任何可靠知識的意義上說，休謨是一位整體懷疑論者。

休謨的懷疑論立場表明，有關觀念的關系的任何陳述都要經受懷疑，一切思想或論證（包括經驗證據）都要經受懷疑，所以“全部知識只是概然推斷”，我們沒有可靠知識。正如休謨所言，“知識與概然推斷是極其相反而分歧的兩種東西，它們不能在不知不覺中互相滲入，這是因為它們是完整而不能分割，而必然是完全存在，或是完全不存在的” [5 ] （207）。也即是說，盡管我們有關于必然真理或觀念的關系等信念，但是這些信念都是可錯的。因此，知識與信念的本性完全不同。然而，如果兩者有著完全不同的本性，那么我們該如何理解休謨所言的“知識降落為概然推斷”呢？畢竟，知識轉變成概率如同“鱷魚變成金子”那樣不可能，休謨的這種論證似乎與他自己的認識論相沖突。對此，大衛·歐文（David Owen）的解釋是我們可以用某人有p的知識的可能信念來代替他有p的知識的主張，所以知識的主張嵌入到信念的主張（如概率判斷）當中。但是，假如知識主張仍然體現在信念主張當中并保留知識的地位，那么就不是一種“降落”或“退化”（degeneration）。即便如此，由于休謨認為知識和概率是本性如此相反的東西，我們就很難理解知識主張如何體現于信念主張當中。 [2 ]第三，休謨明確地說到“全部知識既然都歸結為概然推斷，而且最后變成和我們日常生活中所用的證據一樣” [5 ] （207），因此假若知識體現于信念主張中，那就破壞了知識主張以致它的本性發生改變。如此看來，休謨的本意應該是真的知識不可能“退化”為信念，然而我們當作知識的東西卻能夠“退化”為信念。根據休謨的標準，真的知識要求確定性，由于沒有任何東西是確定的，所以沒有什么東西是知識。人們所認為確定的知識主張實際上是概率或信念，休謨檢驗所有這些聲稱是知識的例子（例如簡單數學判斷），發現它們都不能滿足知識所要求的嚴格確定性標準。真的知識不能被懷疑，并就其本性而言與信念不相容，但所有聲稱為知識的主張都退化為信念，因為來自容易犯錯的人類所聲稱的任何知識主張能夠被懷疑，所以它們都不能滿足知識的標準。因此，我們可以將休謨的論證解釋為一種歸謬論證。這種歸謬論證如下：假定我們擁有知識，而知識要求確定性。如果我們能夠知道任何事物，那么可以肯定我們能夠知道簡單的數學真理，由此就可以得出這些所聲稱的（purported）的事例應該免于懷疑。但是休謨認為甚至所有這些簡單的數學判斷也要經受某種懷疑。如果它們免于懷疑，那么我們就不需要由于以上所討論的理由重新核對計算。因此，這些所聲稱為知識的范例既應該免于懷疑，也不應該免于懷疑。因此，我們有知識的這種假定就導致矛盾。

三、知識的二重性論題與分析—綜合的二分

我們已經看到，休謨是一位知識的懷疑論者，正如他的先輩和他的同時代人那樣理解知識，譬如唯理論者認為從自明的天賦觀念出發經過理性演繹可以獲得可靠知識，經驗論者則強調從客觀的感覺經驗出發借助歸納推理才能獲得可靠知識，這樣的知識才具有普遍必然性和絕對確定性。休謨堅持認為沒有任何信念（即使是關于簡單計算的信念）是如此神圣而可以超越懷疑。因為真的知識排除懷疑，所以沒有知識。然而，休謨似乎并不否認我們擁有知識，這就要從休謨所談論的“確定性”意義上來看。從真實的確定性意義上說，我們沒有知識。但是，正如我們已經談到，“確定性”還包含另外一層意義，也即合理的懷疑度。比如數學家們通過計算來核對他們的結果，他們可以增加計算次數，從而絕對地肯定他們的結果是正確的，這樣看來，他們還是獲得了一種確定性。這兩種不同層次的確定性的確出現于休謨的論述當中，如果我們不加區分，就會誤解休謨。休謨說過：“雖然在自然中從來沒有一個圓或三角形，但是歐幾里德證明的真理將永遠保留它們的確定性”。這難道不與我們所讀到的休謨否認一切事物（包括數學和幾何學）的確定性相沖突嗎？因此，我們認為這里存在兩種可能的解釋：其一是休謨使用這個術語由于歐幾里德幾何學的“當前觀點”，并且他當然不是意味著它們在它們是確定知識的對象的意義上是“確定的”；其二，對于休謨來說，“確定性”和我們所理解的“概率”一樣有相同的模糊性。他可能用另外的語言說，歐幾里德的真理是“確定的”（例如，有1的客觀概率）。在休謨談論“關于理性的懷疑主義”中，我們看到：“在所有證明性科學中規則是確定的和絕對可靠的，但是當我們應用這些規則時，我們易錯的和不確定的官能（uncertain faculties）非常容易背離它們，并陷入錯誤當中” [7 ] （98）。我們注意到“確定的”的第一次使用是應用到規則自身。通過這種方式我們可以說歐幾里德證明的真理是確定的（必然為真），即使我們不應該說這些公理和定理都免于所有可能的懷疑。休謨在《人性論》第一卷的結尾處說道：

我們不但容易忘掉我們的懷疑主義，甚至也容易忘掉我們的謙遜，而應用這一類的詞語，如顯然、確實、不可否認的；我們對于公眾如果存著適當的敬意，或許就應當避免這類詞語。我也可能曾經照著別人的榜樣陷入這種錯誤之中；不過在這里，我要申請大家不要再提出在這一方面所可以提出的任何駁斥，我在這里聲明，這一類詞語是由我對于對象的現前觀點所逼出來的，并不意味著獨斷的精神，也不意味著對于我自己的判斷的自負的看法；我非常清楚，這一類意見是不適合于任何人的，而對于一個懷疑主義者則更不合適。 [5 ] （305）

由此，我們可以說，休謨雖然在知識標準的意義上否認知識，卻暗示了現在流行的“知識”定義：知識就是得到辯護的真實信念。正如杰塞菲·皮特（Joseph Pitt）所言，“看待邏輯實證主義對科學知識的解釋的發展的一種方式就是將其看做從一種更古老的、非常漫長的傳統演化而來的（在這種傳統中知識意味著確定性），并朝向一種更新的觀點，這種觀點與休謨的經驗論相聯系，即知識是得到辯護的真實的信念” [2 ]。基于此，我們可以認為休謨的懷疑論其實蘊含了一種知識二重性論題，也即知識包含確定性與或然性兩個方面：我們沒有確定性的知識，但是我們擁有或然性知識（概率或信念）。這種知識的二重性正如有的學者所言是休謨依據確定性和可靠性標準來對知識的區分，“如果我們把確定性分層或弱化，原來不是知識而只是信念的命題就可能成為另一層次上的知識，這就直接影響我們對歸納結論的接受” [8 ]。因此，確定性的分層預示著知識的分層，休謨對歸納推理的質疑可以理解為歸納結論的確定性問題。換言之，歸納結論是否能夠接受為知識，休謨問題因而可理解為知識接受問題，他的懷疑論也可進行知識論的解讀。約翰·洛西認為，休謨將知識細分為關于觀念關系的陳述與事實的陳述，這兩種知識存在兩個方面的不同。一方面，“對這兩類陳述提出的真理要求的類型不同”：關于觀念關系的陳述是必然真理，關于事實的陳述是偶然地真；另一方面，“用以確定兩類陳述真假的方法不同”：觀念關系陳述的真假無需訴諸經驗證據，而關于事實陳述的真假必須訴諸經驗證據。由此，“休謨達到了數學的必然陳述與經驗科學的認識陳述的分界，從而加深了牛頓的形式演繹系統及其應用于經驗之間的區別” [9 ] （106-107）。然而，知識二重性論題并不意味著兩種知識之間有著絕對明晰的分界。相反在休謨看來，知識與信念之間或者說關于觀念關系的必然真理與關于事實陳述的偶然真理之間并不存在清晰甚或模糊的界線。休謨所言的“所有知識都退化為概率”（all knowledge degenerates into probability）正暗含了這一點。因此，即使休謨關于觀念關系的知識與事實的知識的區分預示了后來的分析與綜合的二分，它同樣暗含著這種二分的消解。蒯因對分析/綜合的區分的攻擊是20世紀哲學史上的最著名事件之一。蒯因雖然贊成流行的邏輯實證主義綱領，但是他使用這個綱領中的一些經驗論資源來破壞這個綱領的一個核心區分。按照凱文·米克爾（Kevin Meeker）的觀點，根據蒯因自己對分析/綜合的區分的理解，他明確承認他的攻擊是從邏輯實證主義者的“圣人”（patron saint）大衛·休謨那里繼承了這種“同質性的破壞精神”（a kindred subversive spirit）。 [10 ]休謨看到“知識退化為概率”的方式與蒯因看待“分析陳述退化為綜合陳述”有很大相似性。當然我們不是在暗示休謨和蒯因都支持所有相同的論題。在《經驗論的兩個教條》中，蒯因總結了現代經驗論的兩個教條：一是“相信在分析的或以意義為根據而不依賴于事實的真理與綜合的或以事實為根據的真理之間有根本的區別”；二是“相信每一個有意義的陳述都等值于某種以指稱直接經驗的名詞為基礎的邏輯構造”的還原論。蒯因認為“這兩個教條都是沒有根據的”，由此提出他的整體論思想。根據蒯因的整體論，“我們所謂的知識或信念的整體”是“一個人工的織造物”，“沒有任何陳述是免受修改的。有人甚至曾經提出把修正邏輯的排中律作為簡化量子力學的方法，這樣一種改變和開普勒之代替托勒密，愛因斯坦之代替牛頓，或者達爾文之代替亞里士多德的那種改變在原則上有什么不同呢？” [11 ] （40-41）蒯因的整體觀是說在分析陳述（定義性陳述或根據成分的意義為真的陳述）與綜合陳述（根據事實為真的陳述）之間沒有精確的劃分線。這種區分崩潰的一個重要后果是我們不能排除綜合陳述可能轉變為（overturn）分析陳述。具體而言，在蒯因看來，來自科學（物理學）的經驗考量與一些分析陳述（諸如邏輯的排中律）的可接受性有關。休謨的觀點很相似：觀念的關系與事實之間沒有明顯的區分。當然休謨可能保留了一種類似于分析/綜合的區分。他可能在判斷的“對象”的基礎上作出了一種區分：關于觀念關系的判斷是關于必然真理，而關于事實的判斷則是關于偶然真理 [12 ]。因此，我們不能排除這種可能性，即事實可能使我們贊同觀念的關系（甚至是簡單的數學真理）的可接受性產生問題。簡言之，休謨和蒯因都允許經驗證據能夠影響非經驗的事實（如邏輯和數學）的可接受性。當然，蒯因并沒有將他反對分析/綜合區分的大多數例子建立在可錯性問題上，相反他更多地依賴迪昂的考慮以及迪昂用來攻擊這種區分的不確定性教條。但是，蒯因關于物理學修改邏輯的評論揭示出他的整個理論包括了允許經驗考量能夠影響分析陳述的可接受性，這是一種非常類似于休謨的結果。

參考文獻：

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[10] Kevin Meeker. Quine on Hume and the Analytic/ Synthetic Distinction[J].Philosophia 2011（39）：369-373.

[11] 蒯 因.從邏輯的觀點看[M].上海：上海譯文出版社，1987.