2012论文指导手册
物理电子工程学院
本科毕业论文
指 导 手 册
2012 年 2 月 13 日
本科毕业论文写作基本指导思想
精 心 选 题 广 泛 调 研 深 入 研 究 规 范 写 作 重 在 创 新
教师姓名: 手 机:
办公地点:
目
录
前言………………………………………………………………………1 1.毕业论文工作领导小组及答辩委员会………………………………2 2 .本科毕业论文工作总流程图 ……………………………………… 3 3.本科毕业论文工作具体安排与分工…………………………………4 4 .本科毕业论文答辩阶段流程图 …………………………………… 7 5.本科毕业论文选题申报表……………………………………………8 6.论文封面……………………………………………………………… 9 7. 开题报告………………………………………………………………10 8. 中期检查表……………………………………………………………11 9. 目录格式………………………………………………………………12 10.正文格式……………………………………………………………13 11.指导教师评语表……………………………………………………1 5 12.评阅人评议表………………………………………………………16 13.答辩记录表…………………………………………………………17 14.成绩评审表…………………………………………………………18 15.优秀毕业论文推荐表………………………………………………19 16. 附录 1: 本科毕业论文范文…………………………………………20 17. 附录 2: 物电学院本科毕业论文 (设计) 管理系统…………………36 18. 附录 3: 本科毕业论文 (设计) 管理系统功能及使用………………37 19.本科毕业论文指导学生名单………………………………………38
前
言
本科毕业论文写作,是培养学生探求真理、提高综合实践能力与创造能力等的一个 重要环节,是对学生四年学习的专业基础知识和自学能力、研究能力以及各种综合实践 能力的一次大检验。通过毕业论文的写作,可以使学生在综合能力、治学态度、研究方 法和学以致用等方面得到锻炼,从而更加深入地理解所学专业知识,扩大知识面,并为 学生毕业后从事教育教学、科学研究和其它工作打下良好的基础。 我校毕业论文工作从毕业年级第七学期的第 15 周开始至第八学期的第 12 周结束, 共 16 周。 根据学校统一要求,并结合我院实际,现对我院本科毕业论文工作作如下说明: 1.毕业论文选题实行指导教师命题与学生自主命题相结合的原则,鼓励学生自主 命题; 论文题目
的难度和覆盖面要适当, 要符合教学实际和专业培养目标要求, 以巩固、 深化学生所学知识,培养独立工作能力,达到专业培养目标的要求。提倡学生结合课程 论文、学年论文、大学生科研立项及指导教师的科研项目进行选题,选题要有一定的学 术性,对探讨、研究的问题能提出自己的见解,阐明有价值的观点。同时,选题要避免 过大、过窄、空泛、类型单一,要坚持一人一题原则。 2.毕业论文的写作要观点正确,论据充分,数据准确,文字通顺,条理清晰,格 式规范,要有一定程度的改进或创新等。论文字数一般在 4000 字以上。 3.毕业论文的评定必须严格掌握标准,答辩过程中发现毕业论文存在严重剽窃、 抄袭等学术不端行为的,经学院答辩委员会认定后,对该学生毕业论文成绩应按不及格 处理。 4. 本科毕业论文的规范和质量严格实行指导教师负责制, 即要求 “谁指导谁负责” 。 5.毕业论文工作结束后,教务处将开展优秀毕业论文评选活动,评选出“信阳师 范学院优秀毕业论文” 。对评定为优秀毕业论文的指导教师,我院将相应增加其教学工 作量。 毕业论文工作,既是对学生所学专业知识、实践技能和研究能力的全面检验,又可 以培养学生的创新精神和实践能力。因此,各位指导教师要高度重视、认真指导,以圆 满完成我院各届毕业论文工作。
1
1.本科毕业论文工作领导小组及论文答辩委员会
(1)本科毕业论文工作领导小组 组 长:余本海 副组长:涂友超 成 员:熊保库、马占卿、秦 萍、李长庚、王栋臣、张东玲、冯一兵
(2)本科毕业论文答辩委员会 主席:余本海 委员:涂友超、熊保库、马占卿、秦 萍、李长庚、王栋臣、张东玲、冯一兵
2
2.本科毕业论文工作总流程图
第七学期 第 15 周 学院成立毕业论文工作领导小 组,制定工作计划,选定本届毕 业论文指导教师,召开指导教师 毕业论文工作专题会,布置拟定 毕业论文选题任务。 第七学期 第 16-17 周 指导教师拟定论文选题和毕业 生自主命题,填写《本科毕业 论文选题申报表》 ,上报学院。 学院对提交的毕业论文选题进 行汇总。 第七学期 第 18 周 院毕业论文工作领导小组审核 并确定本届毕业论文选题,编制 本届《毕业论文选题一览表》 。 并把选题信息输入《物电学院本 科毕业论文网上管理系统》 。 第七学期 第 18 周 学院召开全体毕业生毕业论文 选题及写作动员会,宣布毕业 论文写作流程、要求、评分标 准和时间安排等。公布论文题 目,动员学生积极选题。
第七学期 第 18 周 学生登录《物电学院本科毕业论文 网上管理系统》进行选
题,并最终 确认。然后下载与本人选题相对应 的《毕业论文选题申报表》 ,填写 个人信息及选题理由后,打印两份 上交给指导教师。 (其中一份由指 导教师交给冯一兵老师留存)
第七学期 第 18 周 学生与指导教师见面,共同分析选 题及写作方案等,并由指导教师向 学生介绍毕业论文写作的一般要 求、规范、方法、注意事项以及相 应的研究方法、途径及参考文献 等。之后,学生进入毕业论文写作 的开题阶段。
第八学期 第 1-4 周 通过前期调研、资料收集和 充分论证后, 由学生填写 《毕 业论文开题报告》 , 并交给指 导教师,经指导教师审查、 评定并由学生反复修改后, 再次上交指导教师,指导教 师收齐后, 及时报送至学院。
第八学期 第 4 周 院毕业论文工作领导小组对提 交的《开题报告》进行审核, 对合格者同意其进行正式论文 写作, 对不合格或未经开题者, 不予批准其下一阶段的论文写 作任务。
第八学期 第 5-6 周 学生按计划开展研究,随后,指导教 师先期进行中期检查,学生填写《毕 业论文中期检查表》 ,并由指导教师 收齐后上交学院。 学院毕业论文工作 领导小组进行检查,确保工作进度。
第八学期 第 7-11 周 指导教师随时检查、督促工作进 度,指导学生拟定论文提纲,完成 论文初稿,并经指导教师和学生反 复修改,初步定稿。随后,指导教 师给出论文评语及成绩。
第八学期 第 11 周 论文评阅人对指定论文 进行评阅,给出论文评 语及成绩,之后进入论 文答辩环节。
第八学期 第 11-12 周 进行论文答辩,并由答辩小组给 出答辩意见和成绩。指导教师根 据本组各篇论文总成绩,推荐 1 篇优秀毕业论文并填写《推荐 表》 。最后,学院进行材料汇总。
3
3.本科毕业论文工作具体安排与分工
序号 时间
成立领导小组 (七学期第 15 周) 制定工作计划 (七学期第 15 周) 选定指导教师 (七学期第 15 周) 召开专题会议 (七学期第 15 周)
内
容
负责人
备
注
1
学院接到学校有关毕业论文工作通知后, 立即成立 物电学院毕业论文工作领导小组。 学院毕业论文工作领导小组制定本届物理学专业 本科毕业论文工作计划和具体实施方案等。 经过认真讨论, 学院毕业论文工作领导小组最终确 定本届毕业论文工作指导教师人选。
余本海
2
余本海、涂友超
3
余本海、涂友超
4
学院召开本届本科毕业论文工作专题会议。 通过指导教师命题与毕业生自主命题相结合的方 式征集论文选题。中级职称教师拟定 8 个题目,副 高级以上职称教师拟定 10 个题目。提倡和鼓励学 生自主命题。 指导教师提交《毕业论文
选题申报表》 。 学院毕业论文工作领导小组对提交的论文选题进 行审核,最终确定本届毕业论文题目。
余本海、涂友超
5
征题 (七学期第 15-17 周)
涂友超、冯一兵
每届题目要 更新。
6
审题 (七学期第 18 周)
余本海、涂友超
严格把关题 目质量。
7
编制选题指南 (七学期第 18 周)
学院编制本届毕业论文选题指南, 并把该选题信息 输入《物电学院本科毕业论文网上管理系统》 。 学院召开本届毕业论文工作动员会, 向学生公布毕 业论文题目和指导教师等信息。 并介绍毕业论文写 作的具体安排、相关规定和写作要求等。 学生根据选题指南初选后,登录《物电学院本科毕 业论文网上管理系统》进行最终确认。然后下载对 应的《毕业论文选题申报表》 ,填写个人信息及选 题理由后,打印上交两份,一份给对应指导教师, 另一份交学院留存。 指导教师与学生见面,深入分析选题,制定相关研 究方案。
冯一兵
8
召开动员会、公布选题 (七学期第 18 周)
涂友超、冯一兵
强调毕业论 文写作环节 纪律要求。 严格控制一 人一题,题 目确定后, 原则上不再 更改。 强调时间安 排 和 纪 律 等。
9
学生选题 (七学期第 18 周)
冯一兵
10
安排研究方案 (七学期第 18 周)
各指导教师
11
调研和论证 (八学期第 1-3 周)
学生通过详细调研、资料收集和充分论证后,向指 导教师提交文献综述报告和各类参考资料。
各教导教师
注意保证参 考资料的数 量和质量。
12
提交开题报告 (八学期第 4 周)
指导教师审查文献综述报告, 与学生讨论并确认学 生能胜任后,要求学生写《毕业论文开题报告》 。 交由指导教师收齐后报学院审核。
各教导教师
注意《开题 报告》的写 作格式。
4
13
审核开题报告 (八学期第 4 周)
学院毕业论文工作领导小组对提交的 《毕业论文开 题报告》进行审核,对审核通过者同意其继续进行 研究,未能通过或未经开题者,不予同意其下一阶 段的写作,并立即整改。
涂友超、冯一兵
14
开展研究 (八学期第 5-6 周)
学生在指导教师指导下,继续开展深入研究。
各指导教师
把握学生写 作进度
15
中期检查 (八学期第 6 周)
指导教师先期进行中期检查,并指导学生填写《毕 业论文中期检查表》 ,收齐后上交学院。学院毕业 论文工作领导小组开展中期检查,确保研究进度。 之后,整理相关材料,迎接学校中期检查。 指导教师对学生研究项目进行验收,合格后,要求 并指导学生拟定论文写作题纲。
涂友超、冯一兵 各指导教师
16
完成研究 (八学期第 7-8 周)
各指导教师
17
论文写
作 (八学期第 9-10 周)
学生根据论文规范写出论文初稿, 经指导教师和学 生反复修改后,并初步定稿。
各指导教师
严格写作规 范,遵守学 术道德。 论文材料不 要装订,用 燕尾夹夹住 即可。 钢笔或水笔 填写,注意 成绩比例分 配。 钢笔或水笔 填写,注意 成绩比例分 配。
18
提交论文 (八学期第 10 周)
学生打印 1 份纸质论文,并在计算机上填写《指导 教师评语表》 、 《评阅人评议表》 、 《成绩评审表》上 的相关信息后,也分别打印 1 份,均上交给指导教 师。 指导教师用笔填写《指导教师评语表》 ,给出论文 评语及成绩。 成绩等次及比例分别为: 优秀 (20%) 、 良好(45%) 、中等(25%) 、及格和不及格(10%) 。 评阅人对指定的毕业论文进行评阅,用笔填写《评 阅人评议表》 ,给出评语及成绩。成绩等次及比例 分别为:优秀(20%) 、良好(45%) 、中等(25%) 、 及格和不及格(10%) 。 学院毕业论文工作领导小组根据本届学生和指导 教师人数比例,研究决定成立论文答辩小组及分 工,并确定各答辩小组组长。 进行论文答辩,答辩过程中,学生可以辅助采用多 媒体进行,每位答辩学生陈述时间为 5-8 分钟,回 答问题时间为 5-6 分钟,同时,各答辩小组要指定 一名教师作好答辩记录并填写《答辩记录表》 。 各答辩小组根据答辩结果,经过认真合议,写出评 审意见,并由组长签字。同时,答辩小组各成员按 照优秀(20%) 、良好(45%) 、中等(25%) 、及格和 不及格(10%)五个等级给出答辩成绩,并签名。 学院毕业论文工作领导小组根据各项成绩, 按指导 教师成绩× 30%+评阅教师成绩× 30%+答辩小组成绩 × 40%的计算办法,核定各论文的最后成绩。
各指导教师
19
指导教师成绩评定 (八学期第 11 周)
各指导教师
20
评阅人成绩评定 (八学期第 11 周)
各评阅教师
21
成立答辩小组 (八学期第 11 周)
余本海、涂友超
另行通知
22
论文答辩 (八学期第 11-12 周)
各答辩小组组长
作 答 辩 记 录, 填写 《答 辩记录表》 。
23
答辩成绩评定 (八学期第 12 周)
各答辩小组组长
严格评审, 不合格者不 予及格。
24
总成绩核定 (八学期第 12-13 周)
冯一兵
5
25
优秀论文推荐 (八学期第 13 周)
各指导教师根据本人指导的本组学生毕业论文质 量和总成绩,推荐 1 篇优秀毕业论文,并填写《优 秀毕业论文推荐表》 。 各指导教师对相关材料进行整理后, 按要求提交本 组学生所有毕业论文材料、 论文电子档和指导记录 本等。 学院分别统计、整理、填写《本科毕业论文指导教 师一览表》 、 《本科毕业论文
选题一览表》 、 《本科毕 业论文选题分析表》 、 《本科毕业论文质量分析报 告》 、 《本科学生毕业论文成绩汇总表》 等, 并上报。
各指导教师
严把论文质 量。
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提交论文材料、论文电 子档和指导记录等 (八学期第 13 周)
各指导教师 冯一兵
指导记录每 周不少于 2 次。
27
材料汇总 (八学期第 14 周)
冯一兵
28
写出总结报告 (八学期第 14 周)
根据本届本科毕业论文工作完成情况, 写出毕业论 文工作总结报告。
冯一兵
29
整理、归档 (八学期第 14 周)
各项材料整理后,按要求装袋、归档。
冯一兵、胡雪慧
注: 1.论文材料装订要求 (1)论文材料按论文封面、开题报告、中期检查表、目录(对应到二级 标题)、正文、附录、指导教师评语表、评阅人评议表、答辩记录表、成绩 评审表顺序装订,并每生一袋,存档。 (2)教师指导记录本、学生写作记录、论文答辩记录等作为辅助材料另 装袋进行归档。
2.重点提示 每一位学生所提交的各自的所有毕业论文材料中,论文题目应保持一致, 要做到一字不差。
6
4.本科毕业论文答辩阶段流程图
参与答辩的同学提交给指导教师已完成的规范毕业论文及 已填写好表头的《指导教师评语表》 、 《评阅人评议表》 、 《论文成 绩评审表》等各一式一份。 (相关表格可从物电学院主页下载)
各指导教师对提交的每份答辩论文进行审核,并在相应的 《指导教师评语表》上写出评语,给出成绩,签名。 (负责人: 指导教师)
审查合格并填好评语表后,各指导教师把本人指导的各篇 毕业论文连同“三表”转交给指定的对应答辩小组组长。 (负责 人:指导教师)
答辩小组组长按分组表上指定的各篇论文对应的评阅教师 进行分配, 并把论文和相关材料及时转交给评阅教师。 (负责人: 答辩小组组长)
论文评阅教师对答辩论文进行仔细审核后,写出评阅人评 语,给出成绩,并签名。另外,还要拟定答辩时待提问的 3 个 以上问题。 (负责人:评阅教师)
各论文答辩小组在指定期间内自己确定具体的答辩时间和 地点,并组织答辩。答辩结束并经小组合议后,写出答辩评审 意见,给出成绩,并签名。同时,还要指定专人填写《答辩记 录本》 ,相关人员签名。 (负责人:答辩小组组长)
答辩结束后,论文需整改的,要提出修改意见,在学生修 改并复查合格后打印两份最终正式论文(不要装订) ,经答辩小 组检查整理后,连同其它材料一并交给各对应指导教师。 (负责 人:答辩小组组长)
指导教师根据本人指导的各篇论文的质量及总成绩,择优 推荐一篇优秀
毕业论文,并填写《优秀毕业论文推荐表》 。所有 材料齐全后,连同本人的《论文指导记录》一并交给冯一兵老 师,同时,发送各篇论文电子档一份。 (负责人:指导教师)
7
信 阳 师 范 学 院
物理电子工程学院本科毕业论文选题申报表
论文题目编号: 拟定论文题目 选题类型 题目来源 指导教师 联系电话 选题背景: 1.理论研究;2.调查研究;3.实验及应用研究;4.教育教学 研究;5.其它 1.教师命题;2.学生自主命题;3.师生协商命题 学历 E-mail 职 称 办公地点
(本表各栏用宋体五号字填写)
基本要求:
以上内容由指导教师填写 学生姓名 班 级 性 别 学 号
联系电话
选题理由:
以上内容由选择此论文题目的学生填写 院审核小组意见:
负责人签字: 年 备注: 注: (1)论文题目编号即为学号; (2)本表一式三份,物电学院、指导教师和学生各留存一份。
8
月
日
学号
本科毕业论文
学 专 年 姓
院 业 级 名
(四号宋体字,下同)
论文题目 (本行不用则删除) 指导教师 职称
20
年
月
日(小二号宋体,居中)
9
信阳师范学院本科学生毕业论文开题报告
姓 名 性别 学 号 专 业 年 级
题 目 选 题 意 义 及 主 要 内 容
1.选题意义: (选题意义及主要内容,思路及方法部分用宋体五号字)
2.主要内容:
思 路 及 方 法
1.思路:
2.方法
指 导 教 师 意 见
(本栏用钢笔或水笔填写、签名)
指导教师签名:
年
月
日
学 院 意 见
学院领导签名:
年
月
日
10
信阳师范学院本科学生毕业论文中期检查表
学院: 题 目 学 号 指导教师 计划完成时间: 论文的进度计划:(进度计划可根据以下时间安排和不同题目的实际情况进行调整,要补充一定的
与题目相关的具体内容) 第 7 学期第 15 周-第 18 周:进行题目初选;与指导教师讨论,确认能否完成所选题目;确定所 选论文题目,并与指导教师协商,制定具体的工作计划和写作方案。 第 8 学期第 1 周-第 4 周:根据讨论、调研、资料搜集和文献综述及进度情况,写出开题报告。 第 8 学期第 5 周-第 6 周:在教师指导下,按照工作计划开展研究;完成中期检查。 第 8 学期第 7 周-第 9 周:拟定论文题纲;写出论文初稿。 第 8 学期第 9 周-第 10 周:学生本人和指导教师多次修改,最后定稿;指导教师给出评语及成绩。 第 8 学期第 11 周:评阅教师评定论文成绩;参加论文答辩。
专业:
年级:
姓名 职称
已经完成的内容:
(本栏用宋体五号字)
指导教师意见:
(本栏用钢笔或水笔填写、签名)
指导教师签名: 备注:
11
年
月
日
本科毕业论文目录
基本格式
目(空四格)录(黑体三号字加粗
(空 2 行) 摘
居中)
要(宋体小四号字) ....................................................................................................... x
Abstract (Times New Roman 小四号加粗) ............................................................................ x 1 绪论(宋体小四号字) ....................................................................................................... x 1.1 基于嵌入式远程监控系统研究的背景(宋体小四号字) ...................................... x 1.2 基于嵌入式远程监控系统研究的意义(宋体小四号字) ...................................... x 1.3 基于嵌入式远程监控系统的设计目标及主要工作(宋体小四号字) ................. x 2 基于嵌入式远程监控系统硬件设计(宋体小四号字) ................................................... x 2.1 基于嵌入式远程监控系统的硬件系统结构设计(宋体小四号字) ..................... x 2.2 远程监控系统硬件单元电路设计(宋体小四号字) ............................................. x 3 结论(总结或结束语) (宋体小四号字) ......................................................................... x 参考文献(宋体小四号字) ................................................................................................... x 致谢(宋体小四号字) ........................................................................................................... x 附录(宋体小四号字) ........................................................................................................... x
(另:目录整体分散对齐,行距为固定值 23 磅或 1.5 倍左右,只列到二级标题,页脚不 加页码,附录部分可根据需要来确定是否添加。该目录也可通过 word 自动生成。 )
12
本科毕业论文正文基本格式
标题 XXXXXXXXXXXXXX(宋体三号字加粗,居中)
学生姓名:XX 学 院:XX 学号:XXX(五号宋体字不加粗,居中) 专业:XXX (五号宋体字不加粗,居中) 职称:XXX(五号宋体字不加粗,居中)
指导教师:XX
摘 要(黑体小四,首行缩进两个汉字字符):具体内容(楷体小四号,不加粗) 关键词(黑体小四,首行缩进两个汉字字符): **;**;** (楷体小四号,不加粗) (空一行)
Title (Times New Roman 三号加粗)
Abstract(Times New Roman 小四加粗, 首行缩进四个英文字符): contents(Times New Roman 小四,不加粗) Key words(Times New Roman 小四加粗, 首行缩进四个英文字符): **; **; ** (Times New Roman 小四,不加粗) (空一行)
1 概述(或绪言、绪论、引言等) (一级标题,宋体四号加粗顶格) 2 XXXXXX(一级标题,宋体四号加粗顶格)
2.1 XXXXXX(二级标题,宋体小四号加粗顶格) 2.1.1 XXXXX(
三级标题,仿宋体小四号顶格) 正文内容(宋体小四号不加粗,行距为固定值 23 磅,段前段后为 0)
图表说明(宋体小五号不加粗) ,格式如: 表 1 串行口工作方式(位置居中在表格上) 或 图 1 主要设计流程图(位置居中在图下)
3 结论(总结或结束语) (宋体四号字加粗顶格) 参考文献: (宋体四号字加粗顶格)
(以下参考文献数量不少于 15 篇,其中,英文为 3-5 篇,内容用宋体五号不加粗,英 文符号用半角,标点用全角)
详细格式参见 《信阳师范学院学报》 (自然科学版) 参考文献要求: 文献序号标在引用处文字末、 句号前,加[]标于右上角。内部资料、个人通讯、报纸及未公开发表的文章不能作为参考引文。 序号以在文中出现先后为序。
13
引用期刊文献的格式为: [编号] 作者姓名(3 名以内全部列出,各姓名间加逗号,4 名以上则列前 3 名,后加右 2.5cm(此时装订线为 0) ; 字间距:为“标准” ;段前、段后不空行;页码在页面底端居中(数字格式为 1、2、3) , 第 1 页从正文起始。每一参考文献标号在正文中应有标注。 )
14
信阳师范学院本科毕业论文指导教师评语表
姓 名 性别 专 业 年 级
论文题目
指 导 教 师 评 语
(本栏及以下用钢笔或水笔填写、签名,其余各栏用宋体小四号字填写)
1 选题 2 质量 3 (25 分) 4 5 6 能力 7 水平 (30 分) 8 9 10 11 成果 12 质量 (45 分) 13 14 指导教师签名:
评 价 项 目 选题符合专业培养目标,体现综合训练基本要求 题目难易度 题目工作量 理论意义或实际价值 查阅文献资料能力 综合运用知识能力 研究方案的设计能力 研究方法和手段的运用能力 外文应用能力 文题相符 写作水平 写作规范 篇幅 成果的理论或实际价值 合 计 得 分 年 月 日
分值 8分 5分 5分 7分 6分 6分 6分 6分 6分 9分 9分 10 分 9分 8分
得分
15
信阳师范学院本科毕业论文评阅人评议表
姓 名 性别 专 业 年 级
论文题目
评 阅 人 评 语
(本栏及以下用钢笔或水笔填写、签名,其余各栏用宋体小四号字填写)
评 价 项 目 毕业论文 书写规范分 (计 15 分) 毕业论文文字表达基本 要求分 (计 15 分) 毕业论文正文或设计图 面质量分 (计 55 分) 格式规范,符合学校规定的毕业论文撰写格式 要求。 语句通顺、流畅;标点符号、语法正确;叙述 简明扼要;思路层次清晰,概括全面准确;重 点突出。 对于研究课题能熟练运用本专业所必须的基础 理论和基本专业知识,分析问题,解决问题; 理论、公式正确;概念清楚,应用合理;层次 清晰;逻辑性强;论证严密,计算准确全面; 图表质量好。 研究成果具有一定水平,得出创造性结论,在 某些领域获得初步进展。同行阅读毕业论文后 能感到作者的研究工作具有一定的学术和实用 价值,体现出很好水平。 合 计 得 分 年 月 日
得分
毕业论文创造性分 (计 15 分)
评议人签名:
16
信阳师范学院本科毕业论文答辩记录表
论文题目:
(只填写答辩内容,不写答辩前陈述内容,答辩问题不少于三个。内容用宋体五号字填写) 1. (问题一) 答:
2. (问题二) 答:
3. (问题三) 答:
答辩主持人 答辩记录人
(手写) 答辩时间: (手写) 年 月 日
17
信阳师范学院本科毕业论文成绩评审表
姓 名 性别 专 业 年 级
论文题目
答 辩 评 审 意 见
(本栏及以下用钢笔或水笔填写、签名,其余各栏用宋体小四号字填写)
答辩小组组长签名: 评 价 项 目 报告内容 (30 分) 答辩情况 (40)
年
月
日
评 价 内 容 1.论
述思路清晰,评议表达准确;2.概念清楚,论点正确;3.实 验方法科学,分析归纳合理;4.结论严谨;5.结果有一定应用 价值。 1. 问题回答理论依据准确; 2. 基本概念、 基础知识掌握扎实; 3. 语 言表达清晰、流畅;4.对研究涉及的知识掌握透彻。 5.重点内 容研究深入、表达具有逻辑性。
成果(含作品展示) 论文写作规范,对前人工作有改进或突破,或有独特见解,有一 (20 分) 定创新性结果。 论文工作量 (10 分) 姓 名 答辩 小组 成员 理论知识、基本技能掌握扎实,能够按照毕业论文工作条例所规 定的各项要求全面完成毕业论文工作。 性别 职 称 工作单位 评 分
合 计 得 分(总分÷ 人数) 最后成绩(指导教师成绩× 30%+评阅教师成绩× 30%+答辩小组成绩× 40%) 论文 等级 学院领导签名: 年 月 日
18
信阳师范学院优秀毕业论文推荐表
姓名 性别 专业 年级
论文 题目
导师对 论文评 价意见
(本栏用钢笔或水笔填写、签名,以上各栏用宋体小四号字填写)
导师签名: 年 月 日
教学单 位推荐 意 见
签 章: 年 月 日
学 校 意 见
签 章: 年
备注
月
日
各指导教师在报送本表时,需提供一份经多次认真修改的规范毕业论文一份。
19
附录 1:本科毕业论文范文
学号
[1**********]
本科毕业论文
学 专 年 姓
院 业 级 名
物理电子工程学院 物理学 2007 级 曹阳杰 物理佯谬研究 冯一兵 职称 副教授
论文题目 指导教师
2011 年 04 月 26 日
20
目
录
摘
要„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 1
Abstract„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 1 1 引言„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1 2 佯谬与物理佯谬„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 1 2.1 佯谬„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 1 2.2 物理佯谬„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 2 3 物理佯谬产生的根源„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 4 3.1 哲学根源„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4 3.2 物理学根源„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 4 4 经典物理佯谬分析„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 6 4.1 奥尔伯斯佯谬„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„7 4.2 克劳修斯热寂说„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 8 4.3 薛定谔猫佯谬„„„„„„„„„„„„„„„„
„„„„„„„„„„10 4.4 双生子佯谬„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 11 4.5 EPR 佯谬„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„11 5 物理佯谬的启示„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 12 5.1 物理佯谬可引发人们思维方式的转变„„„„„„„„„„„„„„„ 12 5.2 物理佯谬的产生预示着物理理论的不完善„„„„„„„„„„„„„„13 5.3 物理佯谬可导致物理理论的变革„„„„„„„„„„„„„„„„„„14 6 结论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 14 参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 14 致谢„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 15
物理佯谬研究
学生姓名:曹阳杰 单 学号:[1**********] 位:物理电子工程学院 专业:物理学 职称:副教授
指导老师:冯一兵
摘
要:在物理学发展过程中曾经产生了许多物理佯谬,而物理佯谬的产生对物理
学的发展也产生了不可忽视的影响。本文将从物理佯谬产生的根源谈起,并通过对物理 佯谬产生根源和几个经典物理佯谬的分析,来深入探讨物理佯谬在物理学发展中的作用, 最后做出总结。 关键词:佯谬;物理佯谬;根源;分析;启示
The Research on Physical Paradox
Abstract:There are a lot of physical paradoxes in the history of physical development. And the effect of physical paradoxes can not be ignored in the history of physical development. So, in this paper, the root of physical paradox's generation was discussed firstly; secondly, the analysis on some important physical paradoxes were made; lastly, the function of physical paradox in physics will be discussed and a conclusion will be drew. Key words:paradox;physical paradox;root;analysis;inspire
1 引言
“佯谬”一词顾名思义就是假错的意思,如果可以更宽泛一点去讨论佯谬,那么佯谬 也可以被称之为悖论。但是,不论是佯谬还是悖论,实质上它们都是指在逻辑上可以推 导出互相矛盾的结论,但表面上又能自圆其说的命题或理论体系。它们的出现往往是由 于人们对某些概念的理解认识不够深刻或者不够准确所导致,同时它们的出现也诱发人 们对原有理论深层次思考,并且每一个佯谬或者悖论的提出和解决往往孕育着新理论的 诞生。在物理学中,曾经也产生过许多物理佯谬,那么物理佯谬的产生与解决对物理学 的发展究竟起到了怎样的作用呢?本文将做一些研究,并在最后得到相关结论。
2 佯谬与物理佯谬
2.1 佯谬 什么是佯谬,在《美国大学百科全书》中有这
样的定义:“它是从显而易见的前提 出发,并由此导致一个矛盾的出现而产生的,广义的说,当结论并不是矛盾的,但它与
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一般的观念或直观知识激烈地冲突时,即为佯谬或者悖论(paradox)”。佯谬和悖论都 是由于前提、判断和结论的运用而产生的,它们具有相同的逻辑本性,大多数情况下两 词可以等同。例如,爱因斯坦等物理学家提出的EPR佯谬通常也被称为EPR悖论。佯谬和 悖论都是一种用目前的正确理论所无法解释的命题,是在保持论断逻辑正确的情况下产 生的矛盾。 需要说明的是,佯谬与谬误是不同的,谬误是用目前的理论就可以解释,并能够判 断其为错误的理论或观点,是完全错误的。佯谬与悖论则不同于谬误,虽然看起来佯谬 或悖论也是充满矛盾、是非难辨的,但是,它们的“是非难辨”并非是永远不能分辨的。 随着人们认识能力的不断提高,随着科学的不断发展,佯谬是可以逐步得到消除,矛盾 是可以解决的。 2.2 物理佯谬 在物理学中,佯谬一词我们并不陌生。如果单从自然科学的角度讲,在物理学中, 我们这样来定义佯谬会比较精确一点。即从一定的物理原理出发,所导出的结论与当时 一般的物理原理或物理事实不符,这样从原理到结论的陈述就叫佯谬。表 1 为几种常见 的物理佯谬。
表 1 常见的几种物理佯谬
1 2 3
双生子佯谬 超光速佯谬 奥尔勃斯佯谬
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芝诺佯谬 费米佯谬 吉布斯佯谬
7 8 9
薛定谔猫佯谬 EPR 佯谬 克莱因佯谬
物理佯谬的产生过程可以简单表示为:物理原理(在一定条件下成立)→结论(与 物理经验事实不符)。 当结论与物理经验事实不符就导致物理佯谬的产生,而结论的正确与否是与前面的 物理前提和推导过程是有直接关系的,两个条件中有一个不正确都可能导致矛盾性结论 的产生,因此根据其产生的过程我们可以把物理佯谬分为三类来进行说明。 第一类,推理前提不正确导致物理佯谬的产生。也就是说物理前提是一定条件下成 立的,对物理学理论的超范围使用导致了结论与物理实验或物理事实不符,因此出现了 物理佯谬。这一类的物理佯谬并不少见,例如,克劳修斯热寂说佯谬。热寂说佯谬是以 宇宙整体正在从热力学的非平衡趋于平衡的结论为前提的,然而大爆炸宇宙学的研究和 观测表明,由于引力作用的存在,宇宙一直在膨胀。热力学熵增加理论并不完全适用于 有自引力的系统中,因此便产生了热寂说佯谬。
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第二类,推理过程中出现了问题,或者在推理过程中违反了推理规则,导致佯谬的 出现。前提是正确的,而在推理的过程中不严密、不规范,或违背了某些条
件,这样就 会导致出一个与事实不符的结论,即产生了佯谬。奥尔波斯佯谬的产生就属于这种情况。 奥尔波斯佯谬认为每颗恒星都是一个太阳,那么夜空就不应该是黑的。在这个物理佯谬 的推论中,它的前提无疑是正确的,但它的推导过程却不够严谨。佯谬的提出者本人认 为,由于太空中的弥散物质吸收了来自恒星的光,所以夜晚才变黑了。但随着物理学理 论的发展和物理观察、测量手段的改进,人们最终发现恒星发光时间的有限、恒星间平 均距离的巨大,才是导致观察者所在处位置接受不到光亮的原因,至此这个佯谬才最终 得以解决。 第三类,前提和推导过程都是正确的,并且结论也是正确的。之所以这也会被认为 是佯谬,主要是因为该理论的前提是一个全新的原理,人们还没有完全认识并接受,结 论又与一般的经验事实矛盾,实验也一时无法做出解释,因此人们认为是一个佯谬。可 以说这样的状况只是暂时的,随着新的原理被人们普遍接受,其结论被实验证实,佯谬 自然而然的就会消除。 ERP佯谬就属于这类物理佯谬, 1935年爱因斯坦等物理学家发表论 文指出量子力学存在一个佯谬:要么量子力学对物理实在的描述是不完备的,要么存在一 种神秘的超距作用。这个理论一提出就在物理学界引起了巨大反响,玻尔等一批知名物 理学家提出了反驳,后来的一些物理实验也证实了爱伊斯坦该理论的不完善性。可即便 如此我们仍不能对爱因斯坦的观点做否定的判决。因为第一,现有实验的涉及范围有限; 第二, 70年代弱电统一理论取得成功, 使人们对爱因斯坦统一场理论的思想有了新的评价, 促使更多物理学家在思考爱因斯坦关于量子力学的见解是否有价值。 EPR佯谬引起的各种 诠释还正在研究之中, 至今没有比较一致的看法。也许随着物理学的发展,人类的时空观 会产生新的变革。
3 物理佯谬产生的根源
自然科学发展过程中出现大量佯谬、悖论是不可避免的[1]。每一个佯谬的产生都有其 一定的根源,如果我们从哲学上以及物理学本身发展的内在规律上来探讨物理学中佯谬 的产生,就会发现物理佯谬的产生具有必然性,下面我们从两个方面来讨论。 3.1 哲学根源 发展是一种前进上升的运动,发展的实质就是新事物的产生或者旧事物的毁灭。同 时发展也是一个过程,一切事物只有经过一定的过程才能实现其自身的发展。在唯物主 义哲学中,联系和发展是唯物辩证法的总特征,联系是普遍的,而事物的相互联系、相
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互作用必然导致事物的运动、变化和发展,可以说发展是必然的、永恒的。而在事物的 发展过程中,对立统一
规律是发展的根本规律,对立统一规律揭示了事物永恒发展的内 在动力,从根本上回答了事物为什么会发展的问题,并且给人们提供了一个在看待问题、 解决问题时行之有效的方法——矛盾分析法。矛盾是反映事物内部和事物之间对立统一 关系的哲学范畴,统一属性即同一性,对立即斗争性,正是矛盾的这种同一性和斗争性 的相互依存、贯通对事物的发展起到了根本推动力的作用。因此,从逻辑上讲,我们可 以说事物要发展,矛盾是前提,而发展的必然与永恒性也导致了矛盾产生的不可避免性。 在物理学中,物理佯谬就是从一定的物理原理出发,经过物理推理,导出与当时一 般的物理原理或物理事实相矛盾的结论。由此可见,物理佯谬本身就是一种矛盾,而物 理学中的矛盾又大多通过物理佯谬来表现。因此我们可以说,在物理学中,物理佯谬即 是物理矛盾的重要体现。当我们把物理学作为一个哲学范畴的事物来看待时,物理学必 然是运动、变化和发展的物理学。按照哲学观点,物理学要发展,它就需要物理学矛盾 的根本推动作作用,那么必然发展的物理学中就必然会有矛盾产生,而物理佯谬作为物 理矛盾的重要体现,它的产生就成了不可避免的。因此,从哲学角度来说,物理佯谬的 产生是必然的[2]。 3.2 物理学根源 从物理学的特征和发展规律上来说,我们又可以从以下两个方面来分析。 一、物理学理论总是在一定范围内是正确的,并非在所有的范围内是绝对正确的。 当它的推论与物理经验事实相冲突时,就说明了理论本身或者它的适用范围存在问题。 因为物理学理论是人类在一定阶段对自然和客观事物的认识的结晶,它总是有一定的适 用范围的,而人类认识的天性总是想将其拓而广之,有可能某种范围的拓广是正确的, 但也有可能拓广会产生错误的认识,这种错误认识的存在就为物理佯谬的产生提供了可 能性。 以热力学第二定律所导致的热寂说佯谬为例来说明这个问题,热力学第二定律揭示 了熵在孤立系统中趋于一个极大值,克劳修斯把它推广到宇宙,得出:“宇宙的永远守 恒,宇宙的熵永远增大。宇宙的熵趋于极大,宇宙越是接近于其熵为一最大值的极限状 态,它发生变化的可能就越小。当她最后完全达到这个状态时,就不会出现进一步的变 化了。宇宙将会永远处于一种死寂的状态。”这就是所谓的热寂说佯谬。从克劳修斯这 段话中,似乎他找到了宇宙的最终极限状态,但令人不可理解的是为什么到目前为止丝 毫找不到整个宇宙趋于平衡的迹象,在有限的时空范围内的宏观物理现象中,不仅存在
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趋向平衡
的弛豫过程,而且也存在偏离平衡的物理过程,只要外界条件合适甚至可以远 离平衡。这个佯谬的提出困惑了物理学家、哲学家一百多年,但最终被宇宙大爆炸所解 释。这表明,热寂说佯谬之所以会产生旷日持久的争论,其原因在于忽略了引力场在宇 宙演化中的作用。由于宇宙中存在引力作用,宇宙根本没有平衡态,宇宙只能处于动态 的演化过程中,而不是静态,虽然系统的熵不断增加,但它距离平衡态却是越来越远, 那就是说熵的增大并不意味着热寂说的存在。 由以上可以看出,热寂说佯谬之所以会产生,主要是由于当时天体物理观测手段仅 靠光学观测,其观测的范围、发现的现象都是有限的,关于宇宙的起源、宇宙如何演化 以及它是否有最后结局问题都在探讨研究之中,人们对宇宙本身知道甚少,所以轻率地 把热力学第二定律用在宇宙上,并导致了一个错误的结论。 二、科学理论总是体现出一定的层次性。各种理论之间并非泾谓分明,理论的交叉 之处可能产生佯谬。 例如,牛顿力学描述了宏观物体低速运动的规律,相对论描述了高速运动规律,无 论如何划分这两种力学,谁也无法将一种力学完全游离于另一种力学之外。当速度远远 小于光速时,相对论的力学结论归结于牛顿力学,当速度接近光速时,牛顿力学包含于 相对论中。理论之间一但出现这种交叉,各种概念便难免混淆,最著名的例子就是相对 论中的孪生子佯谬。爱因斯坦在《运动物体的电动力学》中讲到:如果A处有两个同步的 计时钟,其中一只以恒定速度沿一条闭合曲线运动,经历了T秒之后回到A处,那么运动 的钟比起那只在A处始终未动的钟来说要慢一些。这等于讲,宇航员在遨游太空返回后要 比他的孪生兄弟年轻些,这个让常人感到不可思议的结论就是孪生子佯谬。追根溯源, 之所以会产生这样的佯谬,主要是由于相对论中的时空概念不同于经典力学的时空概念, 不把两者加以区别便产生了佯谬。
4 经典物理佯谬分析
4.1 奥尔勃斯佯谬 4.1.1 奥尔勃斯佯谬的产生 奥尔勃斯佯谬,又称夜黑佯谬。从文献记载看,在欧洲英、法、德三国,各有一位 天文学家,哈勒 (E. Italley) 于 1720 年、切西亚赫 (L.dc Che'seaux) 于 1744 年和奥尔勃斯 (H.W.M.Olbers) 曾于1823年先后以大致相同的方式提出如下命题:夜间天空没有太阳照 耀,但天上并非只有一个太阳,每颗恒星都是一个太阳,虽然由于其它恒星离我们较远, 其光线很弱,但宇宙中无限多的恒星完全可以照亮整个天空,所以夜晚不应该是黑的。
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4.1.2 奥尔勃斯佯谬分析 佯谬的提出者切西亚赫和奥尔勃斯对这个命题是
这样回答的:星际空间存在许多弥 散物质,它们会吸收恒星发出的光,使得远处的恒星所发出的光未能传到我们的眼睛。 这一佯谬在后来很长一段时间内几乎无人再提,直到1960年左右,英国的班迪(Bondi)、 戈尔特(Gold)、霍伊尔(Hoyle)等科学家提出稳恒态宇宙模型时,这一佯谬才以“奥尔勃斯 佯谬”为名广为宣传。班迪等人指出:用弥散物质对光的吸收来解释该佯谬是不行的, 因为被吸收的辐射将使物质加热,然后重新被释放出来,结果天空还是一样亮。班迪他 们认为根据河外星系巨大红移的事实,我们就可以解释这一佯谬。因为星体离我们越远, 它们发出的光向低频(长波)方向红移越厉害,光子的能量便越低,于是我们观察者所 处的辐射能密度的贡献也就越少。通俗地说:星空本来应当是明亮的像个炉膛那样,只 是因为宇宙在不断膨胀,才使得这个炉膛变暗了。但是班迪等人的解释并没有得到广泛 的认可。1964年,哈里森(E.R.Harrion)重新研究了这个问题,指出班迪等人的论证错误在 于假定恒星一直发光。事实上,按照最近几十年来的恒星演化理论,一个恒星从星际弥 散物质中开始形成,在引力收缩下温度升高到一定的程度才发光,经过主序星阶段,膨 胀为红巨星,再经过爆炸,抛掷物质变成白矮星、中子星或黑洞。从生到死,虽然经历 了漫长的时间,但它的生命终归是有限的。哈里森通过推算得出,恒星发光时间的有限、 恒星间平均距离的巨大,才是导致观察者所在处的辐射场密度远远小于恒星表面的辐射 场密度的根本原因,宇宙膨胀红移则是次要原因。 至此,困惑人类200多年的疑团得以解决。在奥尔勃斯佯谬的提出和解决过程中,人 类的探索愈深愈广,从稳恒态宇宙模型到宇宙膨胀模型,从恒星的演化到宇宙起源等等, 人们对自然的认识愈接近真理。可见,物理佯谬的提出与最终解决的确能推动物理学的 巨大发展,使得人类对物理学理论有更深刻的认识。 4.2 克劳修斯热寂说 4.2.1 克劳修斯热寂说的产生 克劳修斯在 1865 年的论文中指出应把宇宙看作一个孤立的绝热系统, 在这个系统中, 热的正向变化总是大于负向变化,因此他认为宇宙热量的总和将向一个方向变化而趋于 最终状态。另外克劳修斯指出,他的熵只包含了“热含量”和“热离散度”,而未考虑热辐射 和由“以太”传播的热量等。因此克劳修斯写道:“由此熵尚未用尽,还必须考虑辐射热, 或以太振动方式通过宇宙空间弥散热的其它形式,以及不包括在热名义下的那些扩展更 远的某种运动” 。克劳修斯正是在上述的前提下得出他表示宇宙的基本定律:
(1)宇宙
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的能量是恒定的; (2)宇宙的熵趋于极大。克劳修斯在 1867 年作的《关于机械热理论的 第二定律》的讲演中,又进一步提出:“宇宙越是接近于其熵为一最大值的极限状态,它 继续发生变化的可能性就越小,当它最后完全达到这个状态时,就不会再出现进一步的 变化了,宇宙将永远处于一种惰性的死寂状态。”这就是著名的克劳修斯的“热寂说”的来 历。 4.2.2 克劳修斯热寂说分析 长期以来,人们总以为宇宙基本上是静态的,而且在时间上既无始又无终。但按照 热寂说的说法,似乎宇宙早就该处于热寂状态了。然而最使人不可理解的是,为什么现 实宇宙至今并没有达到热寂状态?由于热寂说在感情上和理智上都给人以强烈的冲击,所 以它问世不久,就遭到各方面的抨击。但是这些对热寂说的批判说服力并不不强,并没 有真正的解决问题。直到1948年,美籍俄裔物理学家伽莫夫(G.Gamow)和他的同事提出了 一个“大爆炸”的宇宙理论,才使得使热寂说的佯谬迎刃而解。 热寂说是以宇宙整体正在从非平衡趋于平衡的结论为前提的。然而大爆炸宇宙学的 研究和观测表明,宇宙起源于150亿年前“原始火球”的一次大爆炸,大爆炸之后宇宙一直 在膨胀。它不是趋于平衡,而是越来越趋于不平衡。按照熵增加原理,只对于每个静态 的封闭体系,熵才有个固定的极大值;对于膨胀着的系统,每一瞬时熵可能达到的极大 值是与时俱增的。如果膨胀得足够快,系统不但不能每时每刻跟上过程以达到新的平衡, 而且实际上熵值S的增长速度落后于极大值的增长, 二者的差距越拉越大。 在这种情况下, 虽然系统的熵不断增加,但它距平衡态却愈来愈远。我们的宇宙中发生的正是这种情况。 另一方面, 宇宙膨胀的原因是由于引力的作用[3]。 有引力作用的热力学与无引力作用 的热力学得出的结论完全不同。在不考虑引力的经典热力学中,加热则体系升温,冷却 则体系降温,热容量是正值。而在一个自引力体系中,情况则刚好相反,加热则体系变 冷,放热则体系升温,热容量是负值。而负热容物体的存在对于热力学来说具有根本性 的影响。在一个体系中,如果同时存在着正热容物体和负热容物体,那么这个体系就具 有极大的不稳定性。稍有扰动,平衡就会彻底遭到破坏而产生温差。因此,只要有引力 体系存在,原则上就不存在稳定的热平衡,而宇宙间的天体或天体系统大多数正是处在 这种引力系统中。尽管自引力系统中熵是增加的,但由于没有热平衡,因而熵的增加是 无止境的,永远没有极大值。 因此我们可以这样总结:热平衡的存
在对整个热力学是至关重要的,热平衡是热力 学的出发点,而对于有引力作用的体系,实际上不存在热力学意义上的热平衡态,而是
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不稳定的状态。这种现象在静态宇宙模型中是不可能发生的,它也是开尔文和克劳修斯 等人没有料想到的。 4.3 薛定谔猫佯谬 4.3.1 薛定谔猫佯谬的产生 近百年的学术争论中,影响最大的就是薛定谔于1935年提出的所谓薛定谔猫佯谬, 被誉为是科学史上最离奇的佯谬。 20世纪20年代中期,以物理学家玻尔为首的“哥本哈根学派”提出了量子力学的“哥 本哈根解释” 。根据“哥本哈根解释” ,在微观世界,由于测量仪器对于微观粒子存在着 “不可控制”的干扰作用,因而我们对于微观粒子性质的认识,不再是一个独立于观测 作用的客观过程。这一解释的一些极端说法甚至认为,微观粒子不再是一种独立于观察 者主体的客观存在。 量子力学的“哥本哈根解释”在科学界引发了激烈的论战,薛定谔也被卷入其中。 薛定谔有两个自认为构成了科学方法的基础的哲学原理:自然的可理解性原理和客观化 原理。在薛定谔看来, “哥本哈根解释”恰恰在这些方面是出问题的。于是便尖锐地提出 著名的薛定谔猫佯谬[4],其描述如下。 一只猫被关在一个密闭的钢盒中,盒中的一个装置中的辐射原子会发生衰变,并通 过一组仪器让盒内一个装有毒气的小瓶破碎,从而毒死这只猫。但这样的事情也可能不 会发生,因为辐射原子可能不发生衰变。 (如图 1)微观量子受量子统计规律的支配,假 如整个过程持续一小时,那么在这段时间内,由于辐射原子既可能发生衰变也可能不发 生衰变, 因而这只猫既是死的又是活的, 即猫处于了一种“ 死活叠加” 的奇怪状态,亦 即处于了量子力学所说的量子相干叠加态。这种宏观量子叠加态的存在从经验上讲,它 是非常奇怪的,因为人们通常认为这只薛定谔猫要么还活着,要么已经死亡,而无法接 受这只薛定谔猫的生死会因为观测者打开盒子而改变。那么我们究竟该如何理解这只不 死不活的薛定谔猫呢?
图 1 “薛定谔猫”佯谬装置示意图 8
4.3.2 薛定谔猫佯谬分析 事实上,由薛定谔猫佯谬可我们以延伸出两个科学问题:①量子力学是否适用于宏 观世界;②在量子测量中,量子叠加态如何向统计混合态过渡。与之相应,也可以延伸 出两个哲学问题:①量子态是否是一种真实的客观存在;②如果是,它能否被客观地认 识。要解除薛定谔猫佯谬,就得清楚地回答上面的问题[5]。 近年来, 量子测量关于薛定谔猫的研究取得了一系列新的实验进展。2000年, 纽约州 立大学石溪分校的一
实验小组,运用一个没有耗散效应的特殊超导环,成功地实现了由 数十亿电子对组成的、非常和谐的、没有阻抗的、运动的两个宏观不同的磁通态的量子 叠加实验[6]。在这个实验中,两个宏观不同的磁通态,一个对应于顺时针方向绕环流动的 一些微安电流,相当于“活猫” ;一个对应于逆时针方向绕环流动的等量的微安电流,相 当于“死猫” 。它们在环中反向流动所形成的对称和反对称的叠加,相当于一只死活叠加 的“薛定谔猫” 。 死活叠加的薛定谔猫成为现实,打破了微观量子和宏观经典的界限,表明我们的物 质世界原本上是一个量子力学的世界。虽然量子力学的规则在宏观尺度至少在普通情况 下并不适用,但是在原则上量子力学理论确实可以用来描述我们日常生活的现实世界。 只不过,在现实生活中,由于客观的退相干效应的存在,在量子向经典过渡的区域,量 子物理学自动地还原为经典物理学,从而使得宏观物体自动地遵循着经典物理学的规律 行为。这样一来,当初用以质疑量子力学自洽性和普适性的“薛定谔猫佯谬” ,也就成为 揭示自然隐藏于其背后深刻奥妙的帷幕。 4.4 双生子佯谬 4.4.1 双生子佯谬的产生 “双生子佯谬”是相对论中一个引人关注的问题,从20世纪50年代起,物理学界就 开始对该问题进行激烈争论。双生子佯谬是指:有双生子(即孪生兄弟)甲、乙(他们 的生命节律相同,忽略生物学上的变异) ,甲留在地球上,乙乘上接近光速飞行的宇宙飞 船到地球外的天体去旅行,到达目的地后立即以同样的速率飞回。按照狭义相对论时空 理论,运动的钟较慢。若甲、乙同时开始计时,当乙飞回地球,甲、乙再次相遇,乙比 甲年轻。但运动是相对的,飞船中的乙认为甲相对他运动,应是甲比乙年轻。相对于不 同的参考系,同一件事有不同的结论,这显然是荒谬的[7]。事实上甲乙的年龄关系应该是 唯一的,那么事实上到底是乙年轻还是甲年轻呢?这就是著名的双生子佯谬。 4.4.2 双生子佯谬分析
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实际上,我们对于这个佯谬的讨论已经越出了狭义相对论范畴。狭义相对论只讨论 相互匀速运动的惯性系,即乙上了飞船后是一去不复返了,谁也没有机会再直接看到对 方年龄。若乙想回到地球,飞船必须掉头,而这样就有加速度,飞船立即变成一个“非 惯性参考系” ,其中出现了强大的引力,我们必须用广义相对论来讨论这个问题。那时不 能认为甲看乙掉头等价于乙看甲掉头,因为地球与飞船一大一小不能等量齐观。广义相 对论对上述被看作“佯谬”的效应是肯定的,认为该种现象能够发生[8]。然而,实
际上双 生子真的可能吗?真人做星际旅行在今天仍是科学幻想,但有了精确度极高的原子钟, 用仪器来模拟“孪生子”实验已成为可能。1971年哈费尔与吉丁将铯原子钟放在飞机上, 沿赤道向东和向西绕地球一周,回到原处发现分别比静止在地面上的钟慢59纳秒和快273 纳秒。实验表明,相对惯性系转速愈大的钟走得愈慢,这和孪生子问题所预期的效应相 一致。实验结果与广义相对论的理论计算比较,在误差范围内相符。双生子佯谬终于解 除,双生子佯谬也从佯谬变成了效应。 从以上可以看出,双生子佯谬正是人们对物理理论使用范围的不加区分造成的,但 随着物理理论的发展和人们认识水平的提高,以及实验条件的改善,人们最终合理的解 释了这个佯谬。 4.5 EPR 佯谬 4.5.1 EPR 佯谬的产生 1935年5月,爱因斯坦、波多尔斯基、罗森联名发表了一篇论文《能认为量子力学对 物理实在的描述是完备的吗?》 ,他们从定域实在论的观点出发,通过分析相关体系的思 想实验,论证量子力学存在一个佯谬:要么量子力学对物理实在的描述是不完备的,要 么存在一种神秘的超距作用。他们的论证被称为EPR论证,这个佯谬被称为EPR佯谬[9]。 爱因斯坦的EPR论文原文的篇幅不到4页,分两个部分,论文首先给出完备理论的条 件和物理实在的判据作为论证的前提,他们提出理论完备性的必要条件是物理实在的每 个要素都必须在物理理论中有它的对应,怎样确定物理实在的要素呢?作者认为若是对 一个物理体系没有任何干扰,我们就能确定地预测(即概率等于1)一个物理量的值,那么 必定存在着一个物理实在的要素。论文的第二部分考虑了一个假想实验,由此论证如果承 认他们关于完备理论的条件和物理实在的判据,那么量子力学对物理实在的描述就是不完 备的。他们的证明是通过考虑一个特殊物理体系的分析来进行的。经过分析,他们得出 这样一个结论:在两个曾经发生但早已不再发生相互作用的体系中,通过触动其中的一 个体系可以影响另一个体系,而这另一个体系是不再和第一个体系有什么关联的。这种
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佯谬苦恼了许多人,人们至今仍然没有一致的看法[10]。EPR论文的作者们认为他们关于 “不完备性”的证实是不容否认的,他们曾经在各种场合下表明了这种考虑。 4.5.2 EPR 佯谬分析 玻尔认为对EPR论文作出反应是他义不容辞的责任,经过思考, 玻尔于1935年6月给 《自 然》杂志编辑写了一封信,题为《量子力学和物理实在》 ,反驳EPR文章中的物理实在的 判据,不久之后的7月玻尔又在《物理评论》上发表同名文章《能认为量子力学对物理实 在的
描述是完备的吗?》 ,以此文阐明测量手段会影响赖以定义物理量的条件,证明EPR 的结论是不合理的。 玻尔认为EPR文章中所提出的那种关于物理实在的判据, 本身就是站 不住脚的, 从而EPR论证也就不能影响量子力学描述的可靠性。 玻尔强调把经典物理学体 系分离为各个部分的处理方法在量子领域已经失效 , 因为只要两个体系联合成一个单一 的体系, 即使只在一段有效时间内, 那么这样的一个组成过程就不再可分离。他认为传统 的哲学观点在合理地说明量子力学中所涉及的那种类型的物理现象方面本质上已不再适 用。 客体和测量仪器之间相互作用的非无限小性, 已经规定了因果性这一经典理想的最终 放弃, 必须把复合体系看成单一的不可分离的整体, 整个实验装置工作的结果并不告诉我 们关于想要观察的体系的知识, 而只告诉我们实验装置本身的整个情况,因此他认为, 像 EPR论文中所提出的那种判据, 不论它的表述可能显得多么深思熟虑, 当应用到实际问题 时总是会包含着一种本质上的含糊性[11]。EPR论证未被玻尔接受,同样玻尔的反驳也不 能让爱因斯坦信服。 第一个成功地检验EPR效应的实验是弗里德曼和克劳色在1972年年完成的。 他们利用 的是钙原子的级联辐射,实验结果同量子力学一致。最成功的实验由阿伦·阿斯比小组 在法国奥塞实验室完成的, 他们的结果也与量子力学一致。1975年,卡斯戴、厄尔曼和吴 健雄用湮没辐射光子方法检验了EPR论证,他们的结果与量子力学一致。迄今为止,物理 学界已完成12个实验,大多数结果都与量子力学一致而违反贝尔不等式对爱因斯坦的可 分离性和是否存在超距作用等问题做出了重要的局部检验[12]。 可是尽管已完成的实验绝大部分明确的支持了量子力学结果,但这并不等于已对爱 因斯坦的观点做了否定的判决[13]。因为第一,现有实验的涉及范围有限;第二,70年代 弱电统一理论取得成功,使人们对爱因斯坦统一场理论的思想有了新的评价,促使更多 物理学家在思考爱因斯坦关于量子力学的见解是否有价值。 总之, EPR佯谬引起的各种诠 释还正在研究之中, 至今没有比较一致的看法,也许随着物理学的发展,人类的时空观会 产生新的变革[14]。
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5 物理佯谬的启示
物理学是用来认识和解释自然的,但人们的认识水平总是与当时的科技文化的发展 相一致的,并随着这种发展在不断地提高,因此认识自然不是一蹴而就的,这是一个发 展的、不断完善的而过程。从以上物理佯谬的产生与分析来看,我们可以说物理佯谬是 建立物理新理论、认识新事物过程中的重要一环,并且随着人们认识
水平的提高和理论 的发展,物理佯谬也就会随之得到合理的解释。而解决物理佯谬本身也是人类思维方式 的一次解放。在物理学中,物理佯谬这种突出的作用给我们带来了一些启示。 5.1 物理佯谬可引发人们思维方式的转变 佯谬的产生,有可能导致人们思维方式的改变。因为佯谬一旦产生,他会促使人们 审视原有的理论正确与否,为解决佯谬就回提出各种新的解释与解决方案,这就可能使 人们冲破原有的旧的思维定势,建立一个全新的思维模式,为新的理论的诞生铺开道路。 例如1865年克劳修斯用熵表述了热力学第二定律,解释了自然过程的不可逆性,那 宏观世界的不可逆性从何而来?1866年克劳修斯用纯粹力学规律推导热力学第二定律, 提出了著名的H定理。 1876年洛希密脱提出了可逆佯谬, 证明了H定理不是一条力学定理。 1877年克劳修斯重新解释了H定理,使H定理从绝对有效的力学定理转变为统计有效的定 理。H函数不再是一定减少,而是几乎总是减少,H函数增加不是不可能,而是不可几, H的单向性并非由力学规律引起的。 几率概念这一非力学因素在解释不可逆性起了决定作 用。试设想:如果不在思维模式上冲破原来经典力学的框架束缚,大胆引进几率的概念, 那么是不可能推导出可逆的H定理的, 引进几率概念, 使人们在思维上产生了一个大飞跃。 由此人们认识到单个粒子服从牛顿运动定律的,而微观领域多粒子运动是服从统计规律 的。因此,我们可得出结论,自发过程的不可逆性、时间的方向性是由统计规律决定的。 5.2 物理佯谬的产生预示着物理理论的不完善 由物理佯谬产生的原因我们可以知道,之所以物理佯谬会出现不外乎两个原因。第 一,物理理论总有一定的适用范围,但这个范围没有在理论中做出必要的说明,从而导 致了人们用理论解释自然时出现了对理论的超范围运用,因此使得佯谬有了产生的可能。 第二,物理理论总是体现一定的层次性,但各个层次并非泾渭分明,理论的交叉与重叠 使得人们在使用理论时要做出必要的选择,而不科学的选择又为物理佯谬的产生提供了 可能。由此可见,物理佯谬的产生必然隐含着物理学中人们对物理理论描述的不完善, 也正是这种不完善的物理描述最终造成了物理佯谬的出现。 例如,前面提到的EPR佯谬,该佯谬指出:要么量子力学对物理实在的描述是不完备
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的,要么存在一种神秘的超距作用。著名的物理学家波尔立刻提出了与此论证针锋相对的 看法, 并在随后发表同名论文对此观点予以反驳, 玻尔认为EPR文章中所提出的那种关于 物理实在的判据, 本身就是站
不住脚的, 从而EPR论证也就不能影响量子力学描述的可靠 性[15]。 后来的一些物理实验也对EPR进行了验证, 迄今为止物理学界已完成12个关于EPR 的实验,大多数结果都与量子力学一致而违反了EPR论证。但尽管如此,我们现在仍然不 能完全否定EPR论证,因为第一,现有实验的涉及范围有限;第二,70年代弱电统一理论 取得成功, 使人们对爱因斯坦统一场理论的思想有了新的评价 , 促使更多物理学家在思 考爱因斯坦关于量子力学的见解是否有价值。由此可见,正是由于物理学相关理论的不 完善使得EPR佯谬产生,并且直到现在也没有没有得到彻底的解决。但是我们相信,随着 物理学的发展,随着物理学理论的逐步完善,EPR佯谬必然会得到合理的解释。 5.3 物理佯谬可导致物理理论的变革 一个佯谬的产生往往会给某些理论体系带来不小的触动,这种触动把学术界人们的 注意力吸引到如何解决佯谬的焦点上,因此物理学家们为消除这一佯谬开始不断地探索、 研究,从可能导致物理学理论的变革。 例如经典力学在解释诸如热力学第三定律、比热、辐射热等一些实验规律时都遇到 了困难,这种困难有的是在统计方法上,有的是在对微观态的判断上,有的出在所依据 的微观粒子的力学规律上,正是这种困难的存在使得人们在用物理理论解释自然时产生 了佯谬,并且这种困难也使机械决定论在微观领域彻底而全面的崩溃,从而导致了量子 统计学的诞生,使人们对自然的认识发生了根本深刻的变革。
6 结论
物理学发展过程中出现大量悖论、佯谬,它们的出现是物理学自身发展中是必然的、 不可避免的。每一个佯谬的出现往往暗示着原有理论体系内部存在着矛盾,暴露出原有 理论体系的非科学性和局限性,它能诱发人们对旧理论的深层思考,并极大激励和启迪 人们开始探索一个新的物理学领域,每一个佯谬的提出和解决往往孕育着新理论的诞生, 昭示一场深刻的物理学革命即将到来。可以说,佯谬是推进物理学发展的一个强大动力。
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致谢
在本论文的写作过程中,指导教师冯一兵老师倾注了大量的心血,从选题到开题报 告,从写作提纲到一遍又一遍地指出每稿中的具体问题,他都严格把关、循循善诱。在 此我表示衷心地感谢。同时我还要感谢在我学习期间给我极大关心和支持的各位老师以 及关心和帮助过我的同学和朋友。
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附录 2:物电学院本科毕业论文(设计)管理系统(自主开发)
图1
管理系统登陆界面
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附录 3:物电学院本科毕业论文(设计)管理系统的功能及使用
1.毕业论文(设计)网上管理系统的功能 本管理系统可实现:查看工作通知、选题情况、论文成绩以及上传、下载各项毕业 论文材料等。 2.毕业论文(设计)网上管理系统的使用 ( 1 )在物电学院主页下方点击“论文选题” ,即可进入本管理系统(网址: www.601online.com/glxt/login.asp) ; (2)登录:教师按已下发给个人的帐号和密码登录; 学生登录帐号为个人学号,登录密码为个人学号后三位; (3)选择本届毕业生所在年级和专业,可查看所有论文选题; (4) 点击各题右方的 “选择此题” 按钮, 进行确认 (此时该按钮变为红色标记的 “此 题已选” ) ; (5)选择后,若想更换题目,可先退出原选题,再重新选择; (6)选题完毕,退出登录。
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