凝聚态物理学的崛起：从边缘到核心的百年技术演进

Physics Today 网站曾刊载长文，详述了凝聚态物理学如何从一个不存在的概念，发展为如今物理学中最大的分支。这段历程始于二战之后，揭示了一个学科领域如何重新定义物理学的版图。

编译：集智俱乐部翻译组
来源：physicstoday.scitation.org
原题：When condensed-matter physics became king

凝聚态物理学如今枝繁叶茂。每年三月美国物理学会（APS）的凝聚态物理会议，或是其庞大的与会者名单，都印证了这一点。数十年来，它一直是物理学中最大的分支，但其显赫地位却是近期才得以确立。在二战前，这个领域根本不存在。直到20世纪40年代，其前身——固体物理学（solid-state physics）才刚成为物理学的一个分支。

Iwan Rhys Morus 在《物理学加冕日》（When Physics Became King）一书中，讲述了物理学如何在20世纪崛起为重要学科的故事。显然，19世纪的人们无法预见物理学的辉煌。类似地，在19世纪物理学家刚开始探索原子奥秘时，也没人能想到复杂物质的研究会在21世纪初取得如此巨大的成就。凝聚态物理学从19世纪的物理学中继承了丰富资源，它的成就并非像高能物理或天体物理那样揭示宇宙最深层的秘密，而是重写了物理学领域的定义与分类。

这引发了一个根本性的讨论：谁有资格被称为物理学家？同时，它也挑战了美国物理学界，尤其是美国物理学会（APS）的思想根基。

20世纪初的讨论：物理学应该是纯粹的吗？

APS 的首任主席亨利·罗兰（Henry Rowland）是推动“世纪之交美国物理学”理念的关键人物。他主张物理学应成为一门纯粹的科学，与应用科学或‘实用’科学分离开来。

罗兰是当时少数几位能引起国际物理学界关注的美国人。痴迷于恒星光谱的欧洲物理学家们争相抢购他制造的精密衍射光栅。然而，公众眼中美国科学家的代表仍是思想务实的发明家托马斯·爱迪生。为此罗兰曾哀叹：“这个国家有太多的智力被浪费在追求所谓的实用科学上，这些科学只服务于我们的身体需求。只有很少的关怀和经费投入到那些占比更大、能促进我们智力的学科上。” 于是，在1899年，为了服务智力资源的积累与发展，罗兰和其他35人共同创立了美国物理学会（APS）。

然而，APS对纯科学的倡导并未减弱工程技术界对科学的热情。1916年，一战期间，美国电气工程师学会会长 John Carty 宣称：“我们机构的主要职责是……让美国制造商深刻认识到，科学发现能提高他们的产品销量。” 当然，物理学家也并非全然拒绝工业界的橄榄枝。两次世界大战期间，工业实验室雇佣了大量物理学家，并在美国物理学期刊上发表了众多文章。

那个时期，美国工业界对物理学深感着迷，许多物理学家对此作出了回应，但也有一部分人看不上这种“实用工作”。1944年，物理学家 Arthur Roberts 的一首歌在麻省理工学院放射实验室广为流传，体现了20世纪中叶物理学界的主流态度。最后一段歌词流露出对那些渴望进入公司赚大钱的物理学家的鄙夷：

仰望星空，你的目光引领后辈
能量糖果，让年轻人动力不竭
二百周俸，工业界的诱惑不菲
毅然拒绝，是我学人高风亮节
无关利益
做事要分错与对
无关利益
物理学家不是推磨的鬼
无关利益原子核运作的科学原则
毕生追求的智慧

学术界与工业界在观点上的分歧，反映了一个更广泛的转变：科学从少数人的事业变成了大众化的职业。并非所有人都在寻求学术职位。科学社会学家 Robert Merton 曾试图理解科学实践的规范，同时也注意到了科学扩张带来的文化冲突。二战后，人们普遍认为工业流水线式的工作妨碍了理想实现。随着工业界物理学家人数持续增加，裂痕也随之产生，许多物理学家希望能修复它。

重新绘制物理学版图：20世纪中叶的固体物理学

工业界和学术界试图恢复关系的努力，直接促进了固体物理学的诞生。但在谈论这些努力之前，有必要先审视一个妨碍了学科本质的假设：为了让固体物理学成为有意义的领域，物理学家不得不换一种方式思考物理学。

1946年，物理学家 Bernard "Bern" Porter 加入了曼哈顿计划。广岛核爆后，他深感幻灭与挫败，最终选择退出，并将激情投入艺术，以表达对成为核武器共犯的抗争。但在1939年，仍痴迷于物理学的 Porter 绘制了一张图，这张图反映了战前对物理学体系的理解，其中包含着对固体物理学的轻蔑。

Porter 的地图展现了当时物理学的视角：将应用和工业研究置于边陲。物理学的不同分支被一条名为“能量”的河流分割，最终汇入名为“研究未来物理学”的海洋。这张图暗示物理学在概念上是统一的，由现实世界的现象定义，这一点在任何历史和地点都一致。物理学就在那里，等着物理学家去发现。至于技术领域，充其量只是个前沿哨所，不值得被描绘在地图上。

十年后，固体物理学的出现就像地图上多出了一个省份，但很难想象 Porter 会把它标在何处。固体物理学并非一个独立的主题或方法。它的组成部分取自 Porter 地图上的所有区域。从这个意义上说，它是一个奇怪的类别。

这种陌生感并非事后评价。在20世纪40年代中期，面对APS要设立固体物理学分会（DSSP）的提议，爱荷华大学理论物理学家 Gregory Wannier 就声称：“固体物理学听起来有些可笑。”二十年后，当《美国物理学会手册》第二版增加固体物理学章节时，编辑抱怨道：“在传统的力学、热学、声学等章节后面加上这样一个章节，就像把人类分成了女人、男人、女孩、男孩和齐特琴演奏者一样。”

这些评价精准地指出了这个广阔领域的古怪之处：固体物理学领域的边界是非常规的。声学、光学等传统类别由物理现象定义，而固体物理学则跨越了这些现象区分，重塑了物理学的版图。许多物理学家也不从学科从属角度思考问题。例如，核物理和高能物理学家长期认为自己的工作就是“简简单单的物理学”，直到20世纪60年代都回避参与APS分会活动，认为只有次要领域才需要这种组织。讽刺的是，固体物理学最初就被归入了这种“次要的、人为设定的类别”。谁能料到，固体物理学将成为战后物理学的中心。

新领域，新学科

从设计上看，固体物理学就很独特。自觉被边缘化的工业界和应用物理学家，一直要求在美国物理机构中获得更重要的席位。1931年，修改APS章程时，为工业物理学设立分会的议案被理事会拒绝。在APS领导层看来，工业物理学不构成一门学科，单独设立只会加剧学界与业界的隔阂。

然而，来自通用电气（GE）的波兰裔物理学家 Roman Smoluchowski 提出设立“金属物理学”分会时，他依然认为有必要为工业物理学家争取一席之地。他推断，大多数工业研究与金属相关，因为他在GE的日常工作就是与金属和冶金专家打交道。设立金属物理学分会，既能给工业界研究员一个“家园”，也能代表学术界中对电导率、热导率等主题感兴趣的物理学家。

但APS理事会再次反对，认为这个提议太“工业”了。APS秘书 Karl Darrow 认为，以“物质的固态”（包括金属、其他晶体及非晶固体）为基础来划分可能更好。尽管 Smoluchowski 认为冶金专家可能对“固体物理学”不感兴趣，但他最终接受了这个折中方案。通过这一系列微妙的事件，固体物理学于1947年正式获得APS批准，成为一个独立的分支学科。

正如我们今天所理解的，固体物理学主要关注用量子方法研究常规晶体固体。但 Smoluchowski 及其合作者当时设想了一个更宽泛的领域。1945年1月，APS召开研讨会讨论设立新分会，展示了该领域广阔的实验和理论范围。理论专家们强调了固态、统计物理新进展与量子力学之间的关系。来自Watertown Arsenal的学者概述了统计方法在合作现象（即单一组分不能被视为独立行动个体）中的新应用。自20世纪初开始研究铁磁性的 John Van Vleck，描述了可与量子力学媲美的现象学方法。

这次研讨会也承诺关注应用研究。发言者包括贝尔实验室的 Richard Bozorth 和 Howell Williams，他们阐述了该领域的价值。“为研发仪器中的磁性材料是战争的一部分，” Watertown Arsenal 的 Clarence Zener 在谈论钢铁断裂应力时提到，“战争的肌肉——枪支、弹药、装甲——都是由钢铁铸造的。”

Van Vleck 对铁磁性的强量子力学描述感兴趣，但他研究的问题与钢铁的现象学并无直接概念关联。新的固体物理学会旨在将各种方法和问题汇聚在一起，至少在专业层面上如此。

固体物理学奇特的体系结构，反映了人们对物理学态度的变化，尤其是在工业和应用领域。传统观点认为，物理学是研究自然现象的学问，物理学家是推导其背后法则的人。按此定义，专注应用和工业研究的人可能不算“物理学家”。但到20世纪中叶，这种观点日益受到怀疑。发展了微波放大真空管的斯坦福学者 William Hansen，就反对其同事 David Webster 的“物理应是纯粹自然物理学”的观点：“看起来你设定了很高的目标，然而你知道有多少物理学家发现了自然法则？在我看来这是一种特权，只有少数人能够拥有，但其余人的工作也同样有价值。”

更多的人开始倾向于接受更宽泛的分类。固体物理学的庞大体系正是对此的回应。“物质的固态”是一个很好的类别，因为它足够宽泛，能涵盖许多主题，并且保证了不会歧视工业或应用物理学家。物理学家们可以用宽泛的术语描述他们的研究重点，从而使新的固体物理学会能够跨越学术界、工业界以及其他零散的主题。

固体物理学的繁荣

这个新领域开始蓬勃发展。冷战初期，政府和工业界都愿意在理论和应用研究上投入大量，有时甚至是不加节制的经费，固体物理学从中受益匪浅。大量的博士生、大学和工业实验室被吸引进来，创造了众多新职位，催生了大量会议和研讨会，也诞生了许多新概念。1947年，贝尔实验室的半导体物理学家发明了“晶体管”一词，这本身就说明了“固态”（相较于“金属”）这个词的灵活性，使得固体物理学家能以从事前沿活跃研究而自居。20世纪40年代末，固体物理学的另一项核心技术——核磁共振波谱学也诞生了。

战后固体物理学迅猛发展的原因有二：

1. 它解决了一个痛点：应用物理学家此前长期无法从美国顶尖物理学机构中获得支持。他们接纳了这个新组织，并借此争取权益。
2. 这个新领域的组织是为了解决战后时代的专业问题，而非统一理论与实践。因此，它能服务于来自不同专业、有着不同研究兴趣的物理学家。

然而，由于只有少数研究明确专注于“物质的固态”，许多物理学家的研究工作并不完全属于固体物理学范畴。例如，Van Vleck 关于气体磁化率的经典工作被归入固体物理学；Charles Townes 小组组装出的第一个氨气微波激射器也是如此；1937年 Peter Kapitza 发现的氦超流性，也开启了一项被固体物理学家认领的卓越研究项目。

半导体物理无疑是固体物理学的核心部分。类似地，核磁共振和低温物理学也被包含进来。正因为固体物理学是一个人为设定的门类，其边界非常灵活，可以涵盖任何有发展前景的新研究领域。只要这个领域能为研究“聚集物性质”的物理学家提供施展空间，参与者就愿意对其古怪之处视而不见。

到20世纪60年代初，固体物理学会（DSSP）已成为APS最大的分支机构，并且此后一直保持。到70年代，DSSP曾动员招募了超过10%的APS会员，1989年这一比例几乎突破25%。DSSP的成员数常常是场论与粒子物理学分会的1.5至2倍。

David Kaiser 曾阐述美国战后物理学爆炸式增长的兴衰周期，尤其强调了增长对研究生教育的影响。研究生不再接受详尽的个人指导，而是转向集体训练。大型讲座式课程取代了密切的师徒指导，这些课程侧重于基础计算，通过快速讲授量子力学方程来传递必要知识。量变带来了质变，改变了物理学的教学和实践方式。

这个在20世纪40年代中期还看不到希望的领域，以独特的方式成为了美国物理学界最庞大的分支，同时也说明了战后美国物理学界的本质性改变。这个新领域连接了理论与技术，并认为工业界是物理学领域中可行甚至可取的职业路径。尽管高能物理学家通过努力探究基础知识，维护了纯粹科学的理想，但美国物理学界的风气正在转变。整个物理学领域，开始变得更像一个由松散领域拼凑起来的整体，而其中每个领域，或多或少都与APS创立之初的理念有所不同。

从固态到凝聚态

固体物理学最初是为了应对20世纪中期特有的专业挑战而设计的。因此，随着世事变迁，这个名字逐渐显得不合时宜。这也并不奇怪，因为对物质的非固态（如液体）以及复杂量子多体问题的研究日益增加。从20世纪60年代开始，就有一小部分固体物理学家更愿意称自己为“凝聚态物理学家”。

这个新名称在传到美洲之前，已在欧洲流传开来。1962年，西德创办了刊物《Physics of Condensed Matter》（凝聚态物理），编辑们明确将这一主题与固体物理进行对比。他们解释道：“将固相和液相物理研究包含在一起，是为了增进这两个领域的关系，特别是促进液体领域的进一步研究。” 1968年，剑桥大学著名的固态物理研究团体也将他们的研究方向重新命名为“凝聚态理论”。剑桥大学教授、贝尔实验室理论专家 Philip Anderson 拥护了这一改变，他的举动促进了该术语在美国的推广。1978年，APS固体物理学分会（DSSP）正式更名为凝聚态物理学分会（DCMP）。

凝聚态物理学分会网址：
https://www.aps.org/units/dcmp/index.cfm

这个新名称显著增强了该领域物理学家的自我认同，更重要的是，它描绘了一个更宏大的统一概念。即使在固体物理学早期，其名称也常遭非议，因为该领域的研究常涉及液体、分子、等离子体等非固态物质。当半导体物理是前沿时，这种名不副实尚可容忍。但到了70年代，诸如相变、流体系统的非线性动力学、与固体几乎无关的液氦研究等临界现象占据了关键位置。“固体物理学”这个称呼显得明显用词不当，已无法忽视。

新名称“凝聚态物理学”也彰显了该领域的知识严谨性。“凝聚物质”一词让人联想到众所周知的多体计算难题，而不仅仅是简单的固态。此外，20世纪60年代的趋势也促使固体物理学家在智力上贡献更多。随着越南战争期间美国政府对基础研究的热情减退，固态基础研究的资金萎缩。尽管高能物理因建造大型加速器消耗了更多联邦经费，但政府和工业界的投资者都开始要求短期技术回报。

一些参与者担心优秀研究会因缺钱而消失。剑桥固体物理学家 Brian Pippard 抱怨，“液氦”、“超导性”和“磁阻”等从亟待解决的主要问题列表中消失了。在任何有志于作出新贡献的年轻研究者看来，这个领域前景堪忧。

临界现象的突破性发现为固体物理学家提供了一种对抗挫败感的方式，也帮助该领域获得了堪比高能物理的知识声望。1972年，Anderson 在《科学》杂志上发表了里程碑式的文章《More Is Different》。文章指出，科学家面对的每一种新的复杂性问题，都可能蕴含着全新的基础理论和智力挑战。随着凝聚态物理学家着手研究越来越复杂的物理现象，他们能够开拓出新的智力前沿。

更名为凝聚态物理不仅仅是简单的重命名，它代表着由美国物理学界知识分子氛围和专业环境所驱动的优先级的转变。

学科分类的力量

凝聚态物理学如何成为美国物理学界核心的故事，本质上是一个关于学科分类的故事，它告诉我们分类何等重要。在20世纪早期，物理学家可能像 Bern Porter 那样，依据在自然界中观察和感受得到的分类来绘制学科地图。

但这种分类方法背后有意识形态在作祟，它约束了物理学研究活动应有的样子：在物理学家与非物理学家之间划清界限，规定了谁是大都会的领导者，谁又是排头兵。物理学家对其工作进行划界的方式，决定了工作的方向与价值。

在20世纪早期，应用物理学家被边缘化。到了二战后，他们吸取了教训。固体物理学这个领域极好地帮助了工业界物理学家把握上世纪中叶的政策方向。当人们意识到“固体物理学”已不合时宜时，“凝聚态物理学”又改变了领域的方向。通过这两次努力，物理学的地图得以重绘。曾经只是“排头兵”的应用物理学和多体理论，如今走向了舞台中央。但这个过程并非简单地在地图上开辟一块新领土并命名；创立这些新领域，更需要改变过去已有的认知版图。

历史学家 Daniel Kevles 曾清晰表达一种普遍观点：“物理学家研究的就是物理学”（physics is what physicists do）。然而，凝聚态物理学的兴起意味着这句话需要做出改变：“物理学家决定着物理学是什么”（physics is what physicists decide it is）。固体物理学及其继任者凝聚态物理学能够成为显学，正是因为物理学家意识到了学科分类带来的力量，并且愿意根据需要进行调整和重塑。

---

参考文献

1. I. R. Morus, When Physics Became King, U. Chicago Press (2005).
2. H. A. Rowland, Science 10, 825 (1899).
3. J. J. Carty, Science 44, 511 (1916).
4. S. R. Weart, in The Sciences in the American Context: New Perspectives, N. Reingold, ed., Smithsonian Institution Press (1979).
5. A. Roberts, “It Ain’t the Money,” lyrics.
6. S. Shapin, The Scientific Life: A Moral History of a Late Modern Vocation, U. Chicago Press (2008).
7. R. M. Bozorth, H. J. Williams, Rev. Mod. Phys. 17, 72 (1945).
8. C. Zener, Rev. Mod. Phys. 17, 20 (1945).
9. W. W. Hansen to D. L. Webster (4 February 1943), Felix Bloch papers, Stanford University.
10. D. Kaiser, Osiris 27, 276 (2012).
11. J. D. Martin, Phys. Perspect. 17, 3 (2015).
12. Phys. Kondens. Mater. 1, i (1963).
13. P. W. Anderson, Science 177, 393 (1972).
14. P. W. Anderson, testimony before the US Senate Committee on Energy and Natural Resources, 24 February 1989.
15. D. Kevles, Hist. Stud. Phys. Biol. Sci. 20, 239 (1990).

翻译：Leo
审校：陈星强
编辑：王怡蔺
原文地址：https://physicstoday.scitation.org/doi/10.1063/PT.3.4110