基礎物理為何被認為自1926年薛定諤方程提出就沒有進展?


出現這個疑問的根本原因,是題主問得太模糊了。具體來說,題主沒有分清物理學理論的不同種類。

愛因斯坦曾把物理學理論分為兩類:原理性理論和構造性理論。原理性理論是物理學科的一般原則,是統御所有物理學理論的基本原理,它代表著一個時代物理學的基本特徵,例如牛頓三大定律;而構造性理論則是對具體現象的描述,例如萬有引力定律,或固體理論之類。這兩類理論有著深刻的差別:原理性理論往往簡單、穩固,一般有公理化表述;而構造性理論則相對複雜,常常有大量人為的參數設置。

從這個角度來說,二十世紀初的物理學革命,是原理性理論層面上的革命,是對物理學基本原理的徹底改造,在這次革命中,量子力學和相對論代替了原有的牛頓三大定律。

什麼是相對論?我們現在知道,相對論的根本是兩個公設:光速不變原理定義了時空(四維偽黎曼流形),而相對性原理定義了物理定律的形式。

什麼是量子力學?量子力學的公理系統最早由Dirac和von Neumann建立( Dirac-Neumann axioms),它的現代數學形式,也就是題主所謂「薛定諤方程」的精確形式(Mathematical formulation of quantum mechanics)則大致包括:可分希爾伯特空間中的射線描述了量子態,么正算符描述演化,投影算符描述測量,自伴算符的譜描述了物理量的可能取值,以及複合系統的希爾伯特空間是子系統希爾伯特空間的張量積。

這些原理在20世紀初就由愛因斯坦,波爾,以及Dirac,von Neumann等人建立起來了。迄今為止的主流物理學理論,從描述量子霍爾效應的凝聚態模型到超弦理論,全部是基於以上兩大原理性理論構造出的構造性理論。而原理性理論自此之後並無革新。答主在這一點上的認知是正確的。

需要澄清的是,有人認為量子場論帶來了「新的原理」,這其實是一個常見的誤解。量子場論是滿足Wightman axioms的一個量子力學模型,它本質上是相對論性量子力學(凝聚態場論則不要求相對論性)。還有人認為量子場論基於Fock空間,而量子力學基於Hilbert空間,這也是一個初學者常犯的錯誤:實際上,只要單粒子Hilbert空間可分,構造出的Fock空間就也是一個可分Hilbert空間。且由於Haag定理,Fock空間的描述僅限於自由場論,對相互作用場論則一般不存在這樣的直和分解。這也是問題的微妙之處:自由場論中並不存在粒子生滅,而在存在粒子生滅的相互作用場論中,一般卻沒有Fock空間的構造,只能用「相似」於Fock態的in/out態來描述散射過程(見Weinberg I)。此外,還有一些人分不清「單粒子相對論量子力學」和「相對論量子力學」的區別,這大概是因為許多(特別是國內一些舊的)教材也分不太清。實際上,「單粒子相對論量子力學」是一個不自洽的錯誤理論,這個道理也很簡單:相互作用場論一般沒有Fock空間的描述,自然也不可能用單粒子態構造出自洽、么正的量子力學模型。此外還有很多問題這裡就不展開了,感興趣的讀者可以參考Srednicki或Weinberg的經典教科書:量子場論博大精深,看一兩本講義、做幾道課本習題是遠遠不夠的。

有了這些基本概念,我們就可以很容易地回答題主的問題了:自二十世紀初,原理性的物理學理論確實不再發展,但構造性理論則得到了長足的發展——我們現在有粒子物理標準模型,可以解釋超導體和Mott絕緣體的微觀原理;我們還對基本理論有了更加深刻的理解,建立了重整化群、規範對稱性這樣前所未有的偉大物理學思想。從實踐上說,量子場論模型已經成為了物理學研究的主流語言:從超導中的電聲子相互作用,氧化物中的電子-電子相互作用,再到LHC中基本粒子的對撞,都可以用相同的數學框架——量子場論來描述;高能物理學家假設的Axion和拓撲超導體中的動力學,都可以歸結為同樣的Axion場論;強電場下石墨烯電子的激發和黑洞事件視界處正反粒子對的產生,都可以用同一個Schwinger效應來討論。這是二十世紀後半葉物理學最驚人的成就之一。這些成就甚至讓凝聚態和冷原子系統成為了物理學家的「理論試驗場」,並在客觀上增加了「極低能」物理學標題的新聞性。

這段20世紀物理學的發展史,其實和牛頓三大定律建立之後的古典物理學發展非常相似:17世紀之後直到20世紀初,物理學的基本原理幾乎沒有發展,所有新建立的物理學理論都遵循伽利略協變原理和牛頓三大定律——但在構造性理論方面,人們卻建立了麥克斯韋方程組;在數學物理和物理思想層面上,則建立了偉大的分析力學和物理學理論的統一數學形式:最小作用量原理。

總而言之,20世紀初之後的物理學發展,在物理學史角度看沒有任何反常。在原理性理論得以建成之後,科學界專註於建立構造性理論解釋實驗,並在數學物理(如楊振寧和Witten的很多工作)和物理學思想(重整化群、規範不變性、自發對稱破缺等)上有大量建樹,這正是迄今為止物理學發展的基本模式。


事實上基礎物理從宇宙創始之後就沒有進展過,一直都是同一套物理。


搞成量子場論,完成標誌模型的那些物理學家估計要哭暈在廁所了。

何況還不止這些……


然而薛定諤當時不知道中子,正電子,反粒子,夸克,場論,higgs,WZ強相互作用,弱相互作用,標準模型..更不要說天文宇宙和固體


說這句話是要負責任的。量子力學之後就是場論和弦論了,稍微厲害一點的人也就都看不懂了,而很多科普作者就屬於這一類。順便,寫出來薛定諤方程離明白量子力學還差很遠。密度泛函(DFT)之類的方法論也是很重要的。


估計說這話的人看到薛定諤方程就能瞬間證明higgs機制+楊冪場的可重整性吧……

畢竟那麼顯然,是吧……


是被誰認為?

我看是被題主你自己和千千萬萬根本不懂物理只是想扯兩句高大上的詞裝個逼秀一下存在感的人認為吧?


薛定諤方程的提出標誌著量子力學的基本框架已經建成。

可當時量子場論的基本框架還連影兒都沒有呢.....

當然也有可能在題主的眼中,場論不算基礎物理......


可能好多人以為基礎物理就只剩相對論和量子力學了。。。科普書可以看,不要看太多,嗯,就醬


卧槽……我前兩天的回復真有人又重新問這個問題……http://www.zhihu.com/question/24543363/answer/126672873

基礎物理在薛定諤方程後已經大大發展了,衍生的量子場論弦論也都超過五六十年了,各種新的詮釋和理論層出不窮,可是對於廣大數學物理方法都沒學過的普通大眾,他們能理解嗎?傳播信息的媒體人能理解這玩意嗎?他們的理解大多數情況下只是望文生義吧?

物理學,尤其是基礎領域的前沿,本來就是少數精神貴族的遊戲,本來就是不能普羅大眾的,但是,科普的事業是必須進行的,這既是矛盾的,也是統一的。


如果一個人走路像鴨子,講話像鴨子,那麼他仍然是一位所謂的薛定諤鴨子。不一定真的存在這種鴨子。

當你看到一個人半個身體漂在水面上的時候,不能確定「黑箱中」另外半個身體是否也像鴨子一樣,用分泌的液體用油脂形成一個平底船而浮在水面上。他甚至可以用皮膚輔助呼吸而不被發現。

也許這個像鴨子duck的人在他自己的世界裡是一位獨裁者dictator。

Dictator ♂ Duck ♂ Fantasy


正確答案:基礎物理自1926年以後有了翻天覆地的變化,取得了不亞於之前90年的巨大進展。

另外,反對 @李宗生 的回答。

在他的回答中:

1、有人重新定義了量子力學。

2、沒有人認為Fock空間不是Hilbert空間

3、也沒有人認為量子力學中的Hilbert空間和量子場論的Hilbert空間是一樣的。

他的回答引用愛因斯坦的描述,據此模糊變化到底是大是小是沒有價值的。據他的答案,類似也可以說自伽利略之後,理論物理學一直屬於同一個框架,沒有革命性的變化。顯然不是。

知乎的回答需要一個合乎題意的答案。如非必要,最好不要偷換概念。


因為科技在那一年轉向了微電子工業的發展


沒有甲級設計資質


來立個FLAG吧。21世紀物理學大廈已經全部建成,今後物理學家只是修飾和完美這座大廈。


應該這樣說,基礎物理理論對人類工業科技的貢獻,到薛定諤方程提出為止,就告一段落。

後面提出的基礎物理理論,對工業科技的貢獻,出現一個量子化的漲落,一下子降低到幾乎為零的程度。

這個事實,似乎也是一個量子化的現象,具有顯著的量子化的特徵。

之前的基礎物理理論,牛頓力學、統計物理、電磁學、薛定諤方程為止的量子論,都對人類工業科技,具有極大的推動作用。

但到後面的基礎物理理論,對工業科技的推動作用,一下子就大幅度下降。量子場論,從1930左右就開始提出發展,到現在也快100年。但現在的工業科技,基本用不到量子場論。

反觀牛頓力學、統計物理、電磁學、薛定諤方程為止的量子論,從理論提出開始,100年內,已經對工業科技產生巨大的影響。這個現象,確實值得探討。

個人再補充下這個話題。

1、本人沒有說量子場論完全沒有對工業貢獻價值。只是說到目前為止,貢獻的價值還很小。相比前面的理論貢獻的價值,真的是幾乎為零。這個是看比較的比例百分比,而不是看絕對數值。

2、個人還想說的是,一個理論,在其理論思想的指導下,或者直接的理論利用下,產生過至少一項具有革命性的工業產品,才有底氣討論這個理論對工業科技的貢獻。沒有,就還不到討論這個理論對工業科技貢獻的階段。比如機械、冰箱、空調、無線電通信、電力、電子產品、晶體管,等等, 前面的每一個理論,都有其代表性的工業產品,來證明其對工業科技的貢獻。沒有這種代表性的工業產品,全都是附加提高,這沒法來準確衡量其工業科技的貢獻價值。

有人說,技術還在發展完善階段,不能以現在的狀況來斷定未來的狀況。這個我個人也承認這一點。但我個人的話題,也只是討論的,到目前為止的狀態,並沒有討論未來。未來不可知,未來可能變成現實,也可能變不成現實。等到未來變成現實,再來對未來進行評價。

這裡只是在評論一個理論的應用現狀,探討這個話題,如此而已。這個話題,肯定不能作為一個理論成立與否、是好是壞、是否前途遠大的依據。一個理論成立與否、是好是壞、是否前途遠大,和本話題無關。有人非要向這方面想,不是我個人的責任。


先問是不是?再問為什麼?


科學是無國界的,但科學家們是有國界的


知乎不能摺疊問題嗎?!


那一年宇宙物理時間量出現了無法解釋的銨軌運動,其在8月17日出微觀粒子時間線巨大幅度扭轉現象,薛定諤與他的研究團的壽命迅速驟減,導致沒能再把實驗進行下去


不可能沒有吧?怎麼也有偉大的楊-mills場論。


update

前一段時間比較忙,剛才又想起了這個問題。我原來的回答是基於 @李宗生 早期的答案,那時他在答案中並沒有詳細地解釋他所謂的相對論量子力學指的是什麼,所以造成了一定程度的誤解。

現在看來,他所指的量子力學其實就是一種公理化的數學框架,目前的量子場論以及弦論是否都在他所講的這一數學框架內,本人存疑。因為本人以前是做粒子唯象研究的,並且已經退出學術界多年,對 Formal Theory 不甚了解,有知道的的人可以出來說一聲。 @張建東 @海伯利安 @李星河 @鄒益健 @lyounger

另外,本人亦反對把物理問題公理化。物理本質上是一門實驗科學,物理學理論是對自然界的一種模型化的近似描述,所有物理理論都不是絕對真理,永遠無法從某種絕對正確的公理出發描來述整個自然界,不然物理就成為了數學或者宗教。

還有,他在答案中提到「凝聚態場論則不要求相對論性」,我表示懷疑。據我所知,有些凝聚態理論研究需要相對論性,比如以下引用張首晟教授的話:

「相對論性狄拉克方程描述靜止質量為E = 1 MeV = 106 eV的的電子,但電子在1 eV原子能量尺度上可以被非相對論薛定諤方程描述。但是在1 meV = 10-3eV的能量級上,拓撲絕緣體的表面狀態再次由相對論性的狄拉克方程描述。我稱這從MeV到meV的狄拉克方程的層展現象(emergent phenomenon),它是自然界美最深刻的表現之一。通常認為,相對論性狄拉克方程比非相對論的薛定諤方程更為基本。因此,從相對論性的狄拉克方程推導出非相對論的薛定諤方程並不奇怪。然而,從描述固體中電子的非相對論薛定諤方程出發,推導出拓撲表面狀態的相對論性狄拉克方程是相當令人驚訝的。」

最後,我感覺文中「原理性理論」和「構造性理論」的劃分有些人為性。比如「規範理論」(我不喜歡「規範對稱性」這個詞),我認為它是當代物理學的一個基本原理,因為從高能物理,到凝聚態物理,都可以從它出發來構造自己的理論模型。並且它也不能從 @李宗生 的回答中所提到的相對論和量子力學基本原理推導出來,所以把它歸入「原理性理論」,還是「構造性理論」就是一個見仁見智的問題了。

本人才疏學淺,以前所學的一點場論知識已經忘記了不少,與知乎大牛完全沒有可比性,以上敘述一定有不妥之處,歡迎批評指正。

以下是原回答

-----------------------------------------------------------------------

實名反對 @李宗生 的回答,這個人並不十分清楚相對論量子力學和量子場論的區別,而這是很多量子場論初學者都不容易弄明白的一個基礎問題。有興趣的朋友可以看看北大劉川老師在他的《量子場論》講義的楔子部分中所做的說明,見下圖。

另外,推薦盧昌海老師的一篇科普文章,看看用相對論量子力學算算μ子反常磁矩,能不能得到和實驗一樣的結果。μ 子反常磁矩之謎 (四)


推薦閱讀:

激光是通過什麼樣的原理來讀取光碟上記錄的信息的?
「時間」是真實的存在,還是幻覺?
為什麼兩個或多個物理實體不能同時佔據同一個空間位置?
如何看待量子糾纏的超距作用?
為什麼微觀粒子不可分辨?

TAG:物理學 | 理論物理 | 量子物理 | 物理科普 | 釣魚廣義的 |