很多人認(rèn)為量子力學(xué)難以理解,我一開始也是這么認(rèn)為的。 為什么? 可以從兩個角度來考察:
(首先,我們需要花很多篇幅講哲學(xué),甚至數(shù)學(xué)和哲學(xué)的關(guān)系,你可能覺得這是廢話,其實(shí)不然。這是介紹“抽象”的兩種科學(xué)思維和“拓展”。它們是讓我們深入“理解”的必要條件……不過,對哲學(xué)不感興趣的朋友可以跳過前幾段,直接看下面的文字)
(一)理念
這就是愛因斯坦不懂量子力學(xué)的原因。 事實(shí)上,哲學(xué)概念是從科學(xué)事實(shí)中抽象出來的(例如,時間和空間的概念是從物質(zhì)運(yùn)動規(guī)律中抽象出來的)。 關(guān)鍵是哲學(xué)始終追求普遍性,從而拓展了抽象概念。 但普遍性必須存在于特殊性之中。 這就是矛盾的癥結(jié)所在。 尚不確定“高速”的特殊性是否可以通過從低速運(yùn)動中抽象和擴(kuò)展的概念來容納。 量子的哲學(xué)困境與相對論相似。 經(jīng)典物理學(xué)(也就是相對論)不涉及物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)(我前兩天寫了一篇期刊《外在性質(zhì)與內(nèi)在性質(zhì)》專門討論這個問題),所以從宏觀到微觀的轉(zhuǎn)變會給物質(zhì)帶來革命。思維。 影響讓人感覺量子力學(xué)很難理解。 事實(shí)上,微觀世界并非沒有因果規(guī)律。 狀態(tài)演化的確定性形式和狀態(tài)測量崩潰的隨機(jī)性構(gòu)成了微觀世界新的因果規(guī)律。 問題是,當(dāng)哲學(xué)思想與科學(xué)事實(shí)發(fā)生沖突時,我們應(yīng)該堅持哪一個呢? 反思我們的思維過程,“抽象”沒有問題,但“擴(kuò)展”有問題。 經(jīng)典力學(xué)的決定論不能擴(kuò)展為普遍適用。
(2) 數(shù)學(xué)
事實(shí)上,數(shù)學(xué)和哲學(xué)并不是沒有聯(lián)系的。 遺憾的是,很多人極力崇尚數(shù)學(xué),拒絕哲學(xué)。 聯(lián)系方式在哪里? 就是前面提到的“抽象”和“擴(kuò)展”。 有多抽象? 它并不像常人所說的“難以理解”,而是意味著概括。 例如,“一根筷子和另一根筷子放在一起”和“一只羊和另一只羊放在一起”有共同的特征,所以我們說“1+1=2”。 這是抽象。 如何拓展? 例如,從有理數(shù)到實(shí)數(shù)再到復(fù)數(shù); 從二維空間到三維空間再到高維空間等等。 這種“抽象”和“擴(kuò)展”找到了數(shù)學(xué)和哲學(xué)之間的聯(lián)系,表明它們都在追求普遍性。
學(xué)了一點(diǎn)量子力學(xué)之后,為什么不免費(fèi)去物理系呢? 我是否白來物理系主要基于兩點(diǎn):第一,與名校的物理系相比,在燕大這樣的爛物理系學(xué)到的知識太有限;第二,與名校的物理系相比,我在燕大這樣的爛物理系學(xué)到的知識太有限了。 第二,與高中相比,我的物理知識有多少增長。 本文重點(diǎn)討論后一點(diǎn)。
第一點(diǎn)和第二點(diǎn)有什么區(qū)別? 這取決于知識的特性。 也就是說,量子理論與其他理論有很大不同。 其他理論無論學(xué)多少,都只是知識的積累,思維方式不會有太大改變; 然而,量子理論改變了你的思維方式。 量子力學(xué)與以前的課程有很大不同。 為什么不一樣呢? 雖然力學(xué)與理論力學(xué)、熱與熱力學(xué)統(tǒng)計物理、電磁學(xué)、光學(xué)與電動力學(xué)(后者比前者深很多,尤其是比高中物理深很多)有很多區(qū)別,但畢竟我們還是可以用常規(guī)物理思維(只是對數(shù)學(xué)要求有點(diǎn)高)。 但當(dāng)涉及到量子力學(xué)時,情況就完全不同了。 對數(shù)學(xué)的要求確實(shí)比較高,但不是言語描述方面,而是思維方面。 也就是說,上述其他理論的思想基本上都是純粹的物理思想,數(shù)學(xué)只是其語言表達(dá); 而量子力學(xué)的物理思想是建立在數(shù)學(xué)思想的基礎(chǔ)上的,量子力學(xué)中的數(shù)學(xué)不僅僅是語言或者思想。 以前的物理思想可以不用數(shù)學(xué)的幫助,用日常生活的語言(中文和英文)表達(dá)清楚,看幾本科普書就可以理解; 而量子力學(xué)所體現(xiàn)的物理思想必須借助數(shù)學(xué)來表達(dá)清楚(我說的是真正的理解(理解,而不只是表面的味道),如果你不熟悉數(shù)學(xué),你將無法理解即使你想讀幾門科普課程,也無法了解量子力學(xué)的內(nèi)涵,如果你想真正理解量子力學(xué)的物理思想,就必須努力研究它的數(shù)學(xué)思想。
這幾天聽老師講量子力學(xué)的矩陣形式,感覺很輕松,心里暗自高興——這完全是我前段時間努力學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)的結(jié)果——和系里的本科生一起聽高等代數(shù)數(shù)學(xué)系,和物理系研究生一起聽小組討論。
為什么高等代數(shù)和群論對量子力學(xué)如此重要? 這是因為量子力學(xué)的基礎(chǔ)是空間。 偉大的數(shù)學(xué)家,無話可說。 關(guān)鍵是“空間”的概念。 什么是空間? 很多人一提到空間,立馬想到的是笛卡爾坐標(biāo)系(受過物理教育比較好的會想到空間和時間,也就是連接時間和空間。但這并沒有多大進(jìn)展。為什么呢?像相對論的時空觀還不夠進(jìn)步?是的。為什么?因為這樣的概念對理解量子力學(xué)有害!后面我們會講如何理解空間有利于理解量子力學(xué))這當(dāng)然是直觀的。 但很多時候,大自然就是不喜歡直覺。 量子力學(xué)就是這樣一個“叛徒”。 “上帝喜歡玩骰子”的數(shù)學(xué)表達(dá)就是上帝喜歡抽象。 所謂現(xiàn)象學(xué)理論,一般都是不深刻、不本質(zhì)的理論。
為什么又提到“抽象”? 當(dāng)然。 不然的話,就不用寫“簡介”來鋪路了。 有多抽象? “直角坐標(biāo)系”的抽象空間與通常的幾何空間有什么區(qū)別? 哈哈,容我再多講一點(diǎn)哲學(xué)(其實(shí)就是數(shù)學(xué)和哲學(xué)的聯(lián)系)。 數(shù)學(xué)始終追求普遍性。 如何實(shí)現(xiàn)通用性? 這是試圖找到不同事物之間的相似之處。 如何找出? 抽象的。 僅有“抽象”是不夠的,還必須有“擴(kuò)展”,或者說抽象的目的是為了更好的擴(kuò)展。
那么,如何“抽象”然后“拓展”空間呢? 就是拋棄不相關(guān)的特征,找到本質(zhì)的特征,或者保留那些有利于擴(kuò)展的特征。 空間的哪些特征有利于擴(kuò)展? 你可以自己考慮一下。 為了節(jié)省網(wǎng)上的時間,我就更直接了:不從認(rèn)識論的角度討論如何抽象獲得抽象空間,而是直接講抽象空間的特征。 給出一些特征后,與原來的三維幾何空間進(jìn)行比較,你就知道哪些被舍棄了,哪些被保留了。
抽象空間是集合。 收集? 它們與三維空間有什么共同特征? 別急,讓我慢慢分解。 有了集合,擴(kuò)展就容易多了。 您可以將空間視為定義某種操作的集合。 線性空間是定義線性運(yùn)算的集合。 什么是線性運(yùn)算? 加法和乘法(嚴(yán)格來說,這兩個運(yùn)算是封閉的)。 有了線性空間,就可以進(jìn)一步展開。 例如,指定度量屬性-內(nèi)積。 在實(shí)數(shù)域中定義內(nèi)積的線性空間是歐幾里得空間。 擴(kuò)展到復(fù)域,就是酉空間。 對于不同情況的內(nèi)積,有不同的線性空間。 其中,內(nèi)積收斂的空間(平方可以積分)就是空間。 這就是我們之前談到的量子力學(xué)的基礎(chǔ)。 不過我們暫且不談量子力學(xué),先回答一下抽象空間繼承于普通三維空間的特性。 我們知道空間有一組基,空間中的任意向量都可以展開為這樣一組基的線性組合。 線性組合的系數(shù)就是這組基下的坐標(biāo)。 “基地”這個概念很棒。 有了基的概念,我們就可以有維度了。 維度是基向量的數(shù)量。 這樣一來,高維甚至無限維空間就不難理解了。 一方面,“基”不一定是一組單位向量i、j、k,也可以是一組函數(shù),只要它們是線性無關(guān)的(這是保留的特性); 另一方面,“選擇基礎(chǔ)的方法有很多種,不同的方法對應(yīng)不同的表示(量子力學(xué)通常分為波動力學(xué)和矩陣力學(xué),分別針對位置表示和能量表示)。不同的表示可以轉(zhuǎn)化為彼此之間(即表示變換,說白了就是坐標(biāo)變換),可以通過算子進(jìn)行變換(別害怕,這并不是什么神秘的東西,只是線性變換)。
既然有很多種方法,自然要選擇最簡單的一種。 經(jīng)過嘗試,我發(fā)現(xiàn)選擇“正交歸一化”基礎(chǔ)最為方便。 正交是什么意思? 在這里,您再次看到前面介紹中的“擴(kuò)展”一詞。 正交是“垂直”概念的擴(kuò)展。 貴義怎么了? 從向量的角度來說,就是將其統(tǒng)一化。 但這不利于擴(kuò)張。 如何方便擴(kuò)展? 尋找更重要的功能。 后來我們發(fā)現(xiàn)用內(nèi)積來定義“歸一化”更具普適性,這符合我們“追求普適性”的愿望。 事實(shí)上,“內(nèi)積”更容易被視為一個積分(畢竟有一個“積”字),而不是三維幾何空間中的點(diǎn)積。 然而點(diǎn)和點(diǎn)乘看似相隔千里,又怎么會扯上關(guān)系呢? 由此可見數(shù)學(xué)的力量。 我們要抽象、抽象、再抽象,抽象出不同事物的共同特征,然后進(jìn)行擴(kuò)展。 你沒注意到嗎? 點(diǎn)乘是一種向量運(yùn)算,而向量有分量形式,因此點(diǎn)乘的結(jié)果不是一項(三維幾何空間為三項),而是多項之和。 好了,有了這個“和”,我們就可以把它和“積”聯(lián)系起來了。 只要離散量是連續(xù)的,“和”就可以變成“積分”。 這種“求和與積分的相互轉(zhuǎn)化”比高中時三角函數(shù)的“和與差積、積與和差”要大得多。 因為它不僅是一種計算方法,更是一種思想。 想法? 這是正確的。 數(shù)學(xué)不僅僅是語言,更是思想。 回想一下定積分最初是如何引入的,就是將整條曲線下方的面積相除,然后求和。
分割得越細(xì),近似面積值越接近真實(shí)值。 “由近似而知精密”是微積分思維的精髓。 你應(yīng)該反思一下“由近似而知精確”的數(shù)學(xué)思想在物理學(xué)中占了多大的比重。 我們總是對函數(shù)進(jìn)行泰勒級數(shù)展開,然后省略高階項。 我們的“求曲線下面積”包含兩個很棒的想法。 一是“近似知其準(zhǔn)”,二是“化和為積分”。 這兩種數(shù)學(xué)思想都對古典物理學(xué)和現(xiàn)代物理學(xué)產(chǎn)生了致命的影響。 事實(shí)上,從經(jīng)典場論到量子場論的過渡采用了“求和與積分互化”的思想(哲學(xué)上體現(xiàn)了離散性與連續(xù)性的辯證統(tǒng)一)。
好吧,扯遠(yuǎn)了,我們回過頭來看看我們剛才提到的內(nèi)積。 在三維幾何空間中,將兩個向量的分量相乘,然后求和。 當(dāng)擴(kuò)展到抽象空間(一種集合)時,兩個向量的分量相乘,然后積分。 那么如何統(tǒng)一呢? 即積分值為1,為什么一定是1呢? 這不能簡單地看作只是一個數(shù)學(xué)問題(為了數(shù)學(xué)的一致性:展開必須保留一些原始特征),它還有物理意義。 在量子力學(xué)中量子物理學(xué)基礎(chǔ)課后答案,波函數(shù)被展開為特征函數(shù)的線性組合。 組合的系數(shù)就是前面提到的坐標(biāo)。 系數(shù)的平方和實(shí)際上就是發(fā)現(xiàn)粒子的概率(波恩的統(tǒng)計解釋)。 概率當(dāng)然是1(因為在非相對論情況下,要求粒子數(shù)量守恒。在量子場論中,允許粒子湮滅,這是另一回事)。 這與內(nèi)積有什么關(guān)系? 哈哈,不僅要注重結(jié)果,更要注重過程。 結(jié)果積分值為1,操作過程是怎樣的? 一方面,由于要求粒子數(shù)守恒,積分至少要收斂,于是“平方可積”的概念應(yīng)運(yùn)而生。 這不是之前說的那個空間嗎? 加法和乘法運(yùn)算的閉集是線性空間。 在實(shí)數(shù)域中定義內(nèi)積的線性空間是歐幾里得空間。 延伸到重述領(lǐng)域,就是酉空間。 其中,內(nèi)積收斂(平方可積)為空間。 看似繞口令,實(shí)則體現(xiàn)了數(shù)學(xué)邏輯的嚴(yán)謹(jǐn)性。 另一方面,這個“系數(shù)”可以通過求本征函數(shù)和波函數(shù)的內(nèi)積(即本征函數(shù)和本征函數(shù)本身的線性組合的內(nèi)積)來獲得。
這里面有一些學(xué)問。 “特征函數(shù)的線性組合和特征函數(shù)本身求內(nèi)積的公式”有點(diǎn)奇怪。 由于展開需要一組基向量,因此意味著存在多個特征函數(shù)。 那么,我們應(yīng)該用哪個特征函數(shù)對這樣一個線性組合的表達(dá)式進(jìn)行內(nèi)積呢? 假設(shè)它是ψ1。 顯然,這個組合的表達(dá)式還必須包含ψ1和其他特征函數(shù)ψ2。 如果1和1的內(nèi)積是1,那么1和2的內(nèi)積就是0。。更一般的,這里的1用m代替,2用n代替,也就是說當(dāng)m和n相等時,內(nèi)積為1 ,不相等時為0。這就是δ符號(克羅內(nèi)克符號,過渡到連續(xù)情況下,就是狄拉克函數(shù))。 這樣的符號很有趣。 為什么這很有趣? 如果我們嘗試將其表示為一個矩陣,我們會發(fā)現(xiàn)這個矩陣除了主對角線之外的所有其他元素都是0。換句話說,“正交”意味著對角矩陣。 矩陣表示? 感覺抽象? 事實(shí)上,這是可視化抽象線性代數(shù)理論的最簡單方法。 “表達(dá)為矩陣”的結(jié)果很美量子物理學(xué)基礎(chǔ)課后答案,但是如何表達(dá)呢? 這個轉(zhuǎn)型過程會不會很艱難? 其實(shí)并不太難。 您不是已經(jīng)熟悉向量了嗎? 我們可以將其擴(kuò)展到張量。 標(biāo)量是零階張量,向量是一階張量。 自然地,我們問什么是二階張量。 它是矩陣。 高階的是“三維矩陣”。 張量這個復(fù)雜的東西應(yīng)該不會陌生,因為你最熟悉的電磁場就是張量,它表示為4×4的矩陣(之所以是4×4而不是3×3是因為數(shù)學(xué)基礎(chǔ)電動力學(xué)的理論基礎(chǔ)是相對論,相對論主張時間和空間不可分割,構(gòu)成統(tǒng)一的4維時空。
對于3維空間中的張量,它的矩陣是3×3。 例如,偏振矢量之所以不是2維而是3維就是空間各向異性造成的)。 張量本身是抽象的,用分量形式(即矩陣)表示就很容易理解。 我們的波函數(shù)也是如此。 張量使用它的分量作為一組基礎(chǔ),而我們的波函數(shù)使用它的本征函數(shù)作為一組基礎(chǔ)。 這不是自然的嗎? 好吧,我們再一遍一遍地討論本征函數(shù)。 到底什么是本征函數(shù)? 為什么能夠體現(xiàn)“本質(zhì)特征”? 我們之前不是提到過表示和向量嗎? 現(xiàn)在讓我們整合這兩件事。 在表征變換(不是深刻的,只是坐標(biāo)變換)中,向量的大小和向量之間的角度保持不變。 重點(diǎn)是什么? 在幾何中,兩個向量的大小相乘,然后乘以角度的余弦,就是內(nèi)積! 無論如何變換,向量的度量屬性(內(nèi)積)都保持不變。 它不依賴于坐標(biāo)系的選擇。 由于向量本身的屬性(比如度量屬性)并不隨著坐標(biāo)系(或者更本質(zhì)的是基向量)的變化而變化(實(shí)際上,對稱性也是變換中的不變性,即它符合變換后的原圖。而描述這種對稱變換的數(shù)學(xué)就是群論。哈哈,這個“不變不變”聽起來有點(diǎn)“拓?fù)洹薄J聦?shí)上,薛定諤方程有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),貝里曲率程然前輩比較關(guān)心的體現(xiàn)了這一點(diǎn)。不過,這在哲學(xué)上很容易理解。對稱不變性和拓?fù)洳蛔冃远俭w現(xiàn)了變化與不變的辯證統(tǒng)一),所以當(dāng)然是它的相對本質(zhì)特征( ,簡稱本征費(fèi))。
什么是坐標(biāo)系? 在物理學(xué)中,它是參考系統(tǒng)。 當(dāng)參考系改變時,物理定律不會改變。 這是自然的。 似曾相識吧? 這就是相對論的基本原理。 等等,我們不是在談?wù)摿孔恿W(xué)嗎? 我們?yōu)槭裁匆務(wù)撍闹饕偁帉κ郑?事實(shí)上,相對論和量子力學(xué)之所以難以統(tǒng)一,并不是因為“相對論原理”。 相對論原理在任何地方都是正確的。 關(guān)鍵在于另一個基本原理(狹義上是光速不變原理;廣義上來說是等效原理)。 因此,如果微觀物體也遇到需要考慮相對論的情況,量子和相對論就不再是死敵,而是可以聯(lián)姻了。 比如一些微觀粒子可以運(yùn)行得極快(接近光速),這就需要考慮狹義相對論,量子電動力學(xué)就應(yīng)運(yùn)而生。 至于加速系統(tǒng)和引力場的等價性,并不是說它與量子力學(xué)無關(guān),只是相關(guān)性大小的問題(說得更深一點(diǎn),就是“弱等價”和“強(qiáng)等價”)。 這個問題高手們還沒有解決,所以我們后輩不敢談。 那么,學(xué)術(shù)討論就結(jié)束了,我們來聊點(diǎn)閑聊吧。 我很想回到這篇文章的標(biāo)題,談?wù)劄槭裁础斑@次物理系之行終究沒有白費(fèi)”。
曾金言的《量子力學(xué)導(dǎo)論》(第二版)最后幾頁談到了教授量子力學(xué)和培養(yǎng)創(chuàng)新人才。 里面有這樣一句話:“真理總是簡單的。我相信所有的理論,無論多么困難、復(fù)雜、抽象,總有一種方法可以用簡單而深刻的方式把事情解釋清楚。做不到這一點(diǎn)就是往往是因為老師自己對問題的理解太膚淺了。” 這幾天聽了吳老師的量子課,沒想到竟然能聽明白。 “真理總是簡單的,無論多么困難,總有辦法理解它”,這句話讓我深受感動。 我想這一部分是因為吳宜東老師對量子力學(xué)有了更清晰的認(rèn)識,另一部分是因為我前段時間參加了高級代數(shù)和群論課程。 前面一段關(guān)于線性代數(shù)理論的內(nèi)容是在旁聽高級代數(shù)課程時產(chǎn)生的; 而開頭引言中提到的“抽象與擴(kuò)展”(并貫穿全文)是群論老師自己說的(他從集合論開始,使得群的概念并不太難理解。正如提到的前面,通過集合,可以定義抽象空間。而且,子空間可以通過子集類推來理解,子空間的“直和”可以根據(jù)交集為空來定義。通過集合,我們可以擴(kuò)展這個概念群。當(dāng)然,展開之前需要抽象(群的定義是從“對稱變換”中抽象出來的,即對稱變換的集合)。 謹(jǐn)向三位老師表示特別的感謝。 另外,感謝李景陽學(xué)長建議我去數(shù)學(xué)系上課。 我還要感謝潘一文教授,他用數(shù)學(xué)理解物理的方法對我產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。 值得尊敬、可愛的前輩還有很多,在此無法一一列舉。
量子力學(xué)經(jīng)受了近100年的考驗,因此可以被視為真理(盡管它不是終極真理)。 道理很簡單,那么量子力學(xué)也應(yīng)該是可以理解的。 那么為什么很多人不明白呢? 正如一開始所提到的,這些人要么不理解其哲學(xué)意義,要么不理解其數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。 我想之所以不理解它的哲學(xué),是因為頭腦里殘留著太多經(jīng)典物理學(xué)的成見; 之所以不理解它的數(shù)學(xué),是因為對數(shù)學(xué)的偏見。 我用自己的親身經(jīng)歷證明,量子力學(xué)的數(shù)學(xué)并沒有想象中那么難,線性代數(shù)、群論和泛函分析也一樣(雖然我還沒有真正學(xué)過后兩門課程,但基礎(chǔ)知識我已經(jīng)了解了) )想法和結(jié)論如何影響量子力學(xué))。
當(dāng)然,這并不意味著我學(xué)會了量子力學(xué)。 因為我只是感覺自己正在慢慢入門,很多問題我還是不知道答案。 尤其是做練習(xí)對于我來說絕對是一個超級挑戰(zhàn)。 學(xué)習(xí)了四大力學(xué)后,我發(fā)現(xiàn)即使了解了基礎(chǔ)知識點(diǎn),也不一定能做練習(xí)。 。 。 。 。 。 雖然我只對知識本身感興趣,但是我還是要做練習(xí)。 因為我要考研。 我之所以考研,是因為我的大學(xué)學(xué)習(xí)資源太匱乏。 在燕達(dá),像上述三位老師那樣的人才是鳳毛麟角。 而且即使有群論課程(還有量子場論課程),學(xué)時也太少,有才華的老師不可能只講32個小時。 (而在名校,如中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),同一門課程的學(xué)分相當(dāng)于我們的5倍)。 因此,在燕大這樣的環(huán)境下,很容易產(chǎn)生“白來物理系”的感覺,這是一個很大的心理問題。 今天能寫出這篇日記,真是不幸中之幸。 事實(shí)上,我一直在尋找理由,讓自己在逆境中不感到自卑。 因此,這篇文章的標(biāo)題是《物理系之行沒有白費(fèi)》,以勉勵自己以及和我陷入同樣命運(yùn)的朋友們。
最后回答一下“諸葛”朋友的問題:數(shù)學(xué)思想是如何推動物理學(xué)進(jìn)步的?我查閱了物理學(xué)史,發(fā)現(xiàn):1、哥白尼提出日心說,是因為他覺得數(shù)學(xué)思想托勒密地心說的描述過于復(fù)雜; 2、歐姆受到傅立葉的啟發(fā)發(fā)現(xiàn)了歐姆定律,而且因為德國不重視數(shù)學(xué)。 被同事排斥; 3、麥克斯韋嘗試用數(shù)學(xué)方法描述法拉第力線并建立了麥克斯韋方程組; 4. 數(shù)學(xué)分析導(dǎo)致??了最小作用原理的發(fā)現(xiàn)和分析力學(xué)的建立,分析力學(xué)是量子場論等現(xiàn)代物理學(xué)的基本要素。 這個想法是找到哈密頓量; 5、“對稱導(dǎo)致守恒定律”原理是數(shù)學(xué)家發(fā)現(xiàn)的。 從此,尋找對稱性成為物理學(xué)家面對未知世界的主導(dǎo)思想。
因此,數(shù)學(xué)不僅僅是一種描述物理定律的語言,也不僅僅是在物理定律建立后為物理定律提供更深刻的支持(如支持規(guī)范場物理思想的纖維束的數(shù)學(xué)思想、群論等)和功能分析)。 數(shù)學(xué)思想支持量子力學(xué)的物理思想,微分幾何的數(shù)學(xué)思想支持廣義相對論的物理思想等),它們也是導(dǎo)致物理發(fā)現(xiàn)的思想的先驅(qū)。