学科诞生记：凝聚态物理学的兴起

Original Joseph D. Martin 集智俱乐部 2021-02-09

导语

Physics Today 网站刊载了一篇长文，介绍了凝聚态物理学从无到有、从领域边缘到中学科的百年历程。凝聚态物理学的光辉历程以及定名为“凝聚态物理学”的故事要从二战结束后说起，这一系列事件揭示了二战后物理学界的重大转变。

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

凝聚态物理学枝叶繁茂。凡是参加了每年 3 月份美国物理学会凝聚态物理方向的会议，或者是仔细阅读了参会成员名单的人，都不会对此感到惊讶。数十年以来，凝聚态物理学都是物理学领域中最大的分支，但是凝聚态物理学的成就直到最近才得以彰显。在二战之前这个领域根本不存在。直到 20 世纪 40 年代，这个领域的前身——固体物理学才刚刚成为物理学中的一个分支。

Iwan Rhys Morus 有一本精彩的书：《物理学加冕日》（When Physics Became King）（1）。这本书讲述了物理学如何在 20 世纪发展成为一门重要学科的故事。显然在 19 世纪没有人能意识到物理学在 20 世纪会有怎样的蓬勃发展。在西方文化中，物理学占据了重要的位置，因此作者把物理学称为国王。物理学家能够提供资源（包括制度空间，观众，赞助商以及信任）来创造一种氛围，这样一种氛围下，物理学成为了所有探索自然奥秘与新技术的科学中最令人信任的一门。

相似地，在 19 世纪，物理学家刚刚开始探索原子的奥秘的时候，人们无法想象复杂物质的物理学原理能在 21 世纪初取得如此巨大的成绩。凝聚态物理学从 19 世纪的物理学那里继承了大量资源，相比于高能物理学和宇宙物理学的成就在于揭示自然界中最深的秘密，凝聚态物理学的成就则是它重写了物理学领域的定义与分类。

这催生出一个讨论：谁应该被称为物理学家？同时，它也挑战了美国物理学界（特别是美国物理学会，APS）的思想根基。

1. 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”这一理念的最有力的推进者。他主张物理学应该成为一门纯粹的科学，与应用科学或者说“实用”科学分离开来。

APS（美国物理学会）及其首任主席 Henry Augustus Rowland（1948-1901）

罗兰是当时少数几个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积极地抢购罗兰的精密衍射光栅。但是，思想务实的发明家托马斯·爱迪生仍然代表着美国科学家的公众形象。为此罗兰哀叹道：在这个国家有太多的智力被浪费在了去追求所谓的实用科学上，而这些实用科学只能够服务于我们的身体需求。这个国家只有很少的关照以及经费投入在占比更大的能够促进我们智力的学科上（2）。因此，在1899年，为了服务于智力资源的积累和发展，罗兰和其他35人一道建立了美国物理学会（APS）。

19世纪初，亨利·罗兰设计了一套引擎（大图），这个引擎能制造全世界需求量极大的精密衍射光栅（小图）

然而 APS 对纯科学理念的倡导，并没有减弱工程技术领域对科学的热情。在 1916 年，第一次世界大战的中期，美国电气工程师学会会长 John Carty 认为：“我们机构的主要职责就是……在经济活动中科学发现能够提高他们的产品销量这一点，给美国制造商留下了深刻的印象。（3）”当然，物理学家们也不会不接受来自工业界的提议。两次世界大战期间，工业实验室雇佣了大量的物理学家，并且在美国物理学期刊上发表了大量文章。（4）

在那个时期，美国工业界对物理学非常的着迷，许多物理学家都对这份兴趣作出了回应，但是也有部分物理学家看不上这样的“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，这首歌体现了20世纪中叶物理学界的主流态度。最后一段歌词表现出了对那些渴望进入公司发大财的物理学家的鄙夷：

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

（5）“It Ain’t the Money,” lyrics,
https://ww3.haverford.edu/physics-astro/songs/roberts/money.htm

学术界文化和工业界文化在观点上的不相同，反映出了一个广泛存在的转变。以前只被少数人关注的科学逐渐变成了一种大众化的职业。而且，也并不是所有的人都在寻求研究院所的职位。科学社会学家 Robert Merton 就试图去理解科学实践的规范，同时他也注意到了科学扩张带来的文化不兼容（6）。二战结束后，人们普遍认为工业流水线化的工作妨碍了人们实现自己的理想。并且在工业界当中物理学家的人数持续增加，这样物理学界和工业界就制造了裂痕，许多物理学家都希望能够修复这个裂痕。

2. 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，促进了固体物理学（solid-state physics）的诞生。但是在谈论这些努力之前，先讨论一下妨碍了物理学本质的假设是有必要的。为了让固体物理学有意义，物理学家不得不从不同的方式思考物理学。

1946 年物理学家 Bernard "Bern" Porter 加入了曼哈顿计划。然而在广岛核弹爆炸之后，他感受到了幻灭，挫败，并选择了退出。最终他把他的激情释放到了艺术领域，借此来表达他对成为制造核武器共犯的斗争。但是在1939年，仍然痴迷于物理学的 Porter，绘制了一张图。这张图反映出战前对物理学体系组织的理解与态度，一种对固体物理学非常轻蔑的态度。

Bernard "Bern" Porter 于 1939 年绘制的物理学地图。这个地图是根据自然现象进行分类的。

Porter 的地图展示了物理学的视角。将应用和工业研究置于边陲地带。物理学的不同分支被一条名为能量的河流分割成了几个区域。在与位于三角洲的放射性水库汇合后，整条河流向了名为研究未来物理学的海洋。这张图表示物理学在概念上是统一的物理学，由现实世界中存在的现象而定义，这一点在历史和其他任何地方都是一致的。

物理学就在那里，物理学家是受到召唤而去发现他们的人。至于技术领域，充其量也无非是一个前哨战、前沿阵地而已，并不值得被描绘在这张地图上。

十年之后固体物理学的出现就像这张地图上多了一个省，但是很难看出 Porter 能把它标在地图上的什么位置，或者说如何标记在地图上。固体物理学并不是一个独立的主题或者方法。它可以被描绘为是一个岛屿，是一块大陆或者是其他什么地貌特征。它的组成部分取自 Porter 地图上的所有区域。在这个意义上来说，它是一个奇怪的类别。

这种陌生感不是回顾评价。在 20 世纪 40 年代的中期，面对 APS 要设立固体物理学分会（division of solid state physics，DSSP）的提议，爱荷华大学理论物理学家 Gregory Wannier 声称：“固体物理学听起来有些可笑。”20年后，当美国物理学会手册第2版增加了一个关于固体物理学的章节时，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。”

这些评价把握住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。物理学现象定义的那些我们所熟悉的类别，比如声学和光学，而固体物理学跨越了物理学现象的区分，跨越了物理学的版图。并且物理学家也不会从学科从属的角度来考虑问题。例如，核物理学家和高能物理学家仍然认为他们的工作是简简单单的物理学。直到 20 世纪 60 年代他们都回避参与 APS 的活动，并认为只有那些次要的领域才需要这种机构。遗憾的是，固体物理学首先就入围了这种“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。

3. 新领域新学科

在设计上，固体物理学很奇怪。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学院中占据更加重要的席位。在 1931 年，修改 APS 章程时，为工业物理学设立分支被写入了议案，APS 理事会拒绝了这个主题。在 APS 的领导层看来，工业物理学并不能成为一门学科。把它单独设为一门学科，只会加重学术界和工业界的分歧。

然而，波兰移民通用电气（GE）的物理学家 Roman Smoluchowski 提出了要设立金属物理学时，他认为工业物理学家仍然是必要的。他推断大多数的工业研究都和金属相关，因为他在通用电气每天都要和金属打交道，并且要经常和冶金专家打交道。设立金属物理学这一分支也相当于为工业界的研究员提供了一个家园，且也能够代表对电磁和热导率等主题感兴趣的学术界物理学家。

Roman Smoluchowski 通用电气的物理学家，设立金属物理学的提议者。他在 GE 研究金属合金

但是 APS 理事会反对了他的提议。认为这个提议太“工业”了。APS 秘书 Karl Darrow 认为物质的固态（金属其他的固体以及无定形的固体）可能成为一个更好的划分基础。尽管 Smoluchowski 认为冶金专家可能对固体物理学这个分支并不感兴趣，但事后表明他接受了妥协。通过这一些接连发生的微妙的事件。1947年固体物理学正式通过了APS 的批准，成为了物理学的一个分支。

就像我们今天所学到的那样，固体物理学主要关注点在于用量子的方法去研究常规的结晶固体。Smoluchowski 和他的合作者们设想了一个更加宽博的领域。于 1945 年 1 月，APS 召开了研讨会，提出设立新的分支，并且展示了实验范围和理论范围。这个领域的理论专家们在强调固态、统计学的新进展和量子物理学之间的关系。Watertown Arsenal 概述了统计方法在合作现象中的新应用。在这项进展中，单一组分不能被视为能单独行动的个体。从20世纪开始，John Van Vleck 用现象学的方法调查了铁磁性之后又描述出能够与量子力学媲美的方法。

有长程纠缠的量子比特海

这次讨论会也对应用研究作出了承诺。会议上的发言人包括了贝尔实验室的研究员 Richard Bozorth 和 Howell Williams，他们讲述了自己对这个领域的理解。“为研发仪器中的磁性材料是战争的一部分（7），”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。”（8）

Van Vleck 对铁磁性的强量子力学描述感兴趣。但是他研究的问题和钢铁的现象学并没有什么概念上的关系，和铁磁性与气体自性之间的关系相比，这两个问题的关系比较弱。新的固体物理学会旨在把各种方法和问题融汇在一起，至少在专业上是这样子。

固体物理学怪异的体系结构反映出了人们对物理的态度变化，特别是在工业和应用领域。传统上物理学界的一个普遍观点认为，物理学是指研究自然现象的学问，物理学家是推导出支配自然现象背后法则的人。若按照这样的定义，专注于应用和工业研究的人员都不能算是物理学家。

但是在20世纪中叶，对这种观点的怀疑持续增加。发展了微波放大真空管的斯坦福大学学者 William Hansen，反对其同事 David Webster 的“物理应该是纯粹的自然物理学”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，只有我们当中少数人能够拥有这样的特权，然而其余人的工作也同样是有价值的。”（9）

不过其余的人倾向于同意这个分类方法。固体物理学的庞大体系也就说明了人们对此的反应。物质的固态是一个很好的类别，因为它足够的宽泛能够包含许多主题，这个范围就保证了，它不会去歧视工业物理学家或者应用物理学家。因为这些物理学家们能够宽泛地描述他们的研究重点，新的固体物理学会能够跨越学术界和工业界以及其他零碎的主题。

4. 固体物理学的繁荣

这个新的领域蓬勃发展。在冷战初期，政府和工业界都愿意在理论的研究与技术研究上投入大量的经费，有些时候几乎不加节制。这样的投入使得固体物理学能够从中受益。大量的博士生以及大学和工业界的实验室受到吸引，在这个领域中开展研究，这样就创造了大量的新职位，催生了大量的会议、研讨。也囊括了许多新概念。1947年贝尔实验室的半导体物理学家发明了晶体管这一词，这就说明了固态（和金属相比）这个词的灵活性，这种灵活性使得固体物理学家能以从事新的、活跃的研究领域而自居。20世纪40年代末，固体物理学的另外一项核心技术，核磁共振光谱学也诞生了。

战后初期，固体物理学迅猛发展的原因有二：

它解决了一个痛点：应用物理学家此前曾长期无法从美国的顶尖物理学机构中获得支持。他们接受了这个新的组织，并借此争取权益。
这个新领域的组织是为了解决战后时代的专业问题。而不是为了把理论与实践统一起来。这样固体物理学就能够为许多来自不同专业、有着不同研究兴趣的物理学家而服务。

不过，因为只有少数的研究是明确地专注于物质的固态，许多物理学家的研究中常常没有包含多少固体物理学。Van Vleck 对气体磁化率所做出的经典研究工作成为了固体物理学的经典。Charles Townes 和他的研究小组组装出了第一个氨气微波激射器。在 1937 年 Peter Kapitza 发现了氦的超流性。并由此开始了一项成就卓著的研究项目，固体物理学家也声称这是该领域的研究成果。

其中的一些领域，例如半导体物理就是固体物理学中不可或缺的部分。类似的被包含进来的还有核磁共振和低温物理学。因为固体物理学是一个人为设定的门类，因此可以说它的边界是很灵活的，可以涵盖有发展前景的新研究领域。只要固体物理学能够为研究聚集物的性质的物理学家提供施展空间。参与者就愿意对这个领域的怪事装作视而不见。

到了20世纪60年代初期。固体物理学会 DSSP 已经成为了美国物理学会 APS 最大的分支机构。并且此后一直都是最大的分支机构。到了20世纪70年代。DSSP 在 APS 发动过一次动员会，由此招募了超过10%的会员。在1989年这一比例几乎要突破了25%。DSSP 的成员数常常是场和粒子分会的1.5~2倍。

David Kaiser 阐述了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带来的影响（10）。物理学学生并没有受到详尽的监督指导，取而代之的是集体训练。对研究生的密切指导让位于大型的讲座式课程。这些课程以基础计算为重点，通过讲授量子力学的数学方程式，来快速地向学生们传达量子力学的必要知识。量变带来了质变，这样做使得物理学的教学发生了本质变化，而物理学的实践也由此发生变化。

这个在20世纪40年代中期还看不到希望的领域，却以它的方式成为了美国物理学界最庞大的分支，这同时也说明了美国战后物理学界的本质性改变。这个新的领域同时连接了理论和技术，并且也认为工业界在物理学领域中是可以存在的，甚至是一条可取的职业路径。尽管高能物理学家通过努力的探究基础知识，维护了纯粹的科学理想，但美国物理学界的风气正在发生转变。美国的物理学更像是，由一些与 APS 创立之初的理念多少有些差异的松散领域拼凑在一起的，整个物理学领域看上去都更像固体物理学。

5. 从固态到凝聚态

固体物理学最初被设计出来是为了应付20世纪中期特有的专业挑战。因此随着世事变迁，这个名字已经显得有些不合时宜。这也并不奇怪，因为对物质的非固态以及量子多态问题的研究日渐增加，从20世纪60年代开始，就有一小撮固体物理学家更愿意称自己为凝聚态物理学家（11）。

这个新的名字在传播到美洲之前，就已经在欧洲流传开来。1962年西德就创立了刊物《凝聚态物理》（Physics of Condensed Matter），该部出版物的编辑把他们这一主题和固体物理做了一个明确的对比。他们解释道，把固相物理研究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，特别是为了促进液体领域的进一步研究。（12）在1968年剑桥大学也做出了类似的突破，该校著名的固态物理研究团体将他们的研究兴趣重新命名为凝聚态理论（theory of condensed matter）。剑桥大学教授、贝尔研究室的理论专家 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

这个新名字明显的增进了凝聚态物理学家的自我认同，而至关重要的是，它描绘了一个更大的统一概念。即使在固体物理学早期，固体物理学这个名字也经常遭到非议，因为该领域的研究与技术通常关乎于液体、分子等离子体和其他非固态的物质。当半导体物理这个领域还处于前沿地位时，这种名称与研究对象的不一致还无关紧要。但是到了20世纪70年代，半导体领域就不再是前沿阵地了。诸如，相变流体系统的非线性动力学、与固体几乎没有关系的液氦研究等临界现象，占据着该领域的关键位置。固体物理学这个称呼变得明显地用词不当，这不容忽视。

凝聚态物理学这个新名称也显示出了该领域的知识严谨性。“凝聚物质”能让人想起众所周知的多体计算难题，而不仅仅是简单的固态。并且1960年代的趋势促使着固体物理学家们贡献他们的智力。随着越南战争时期美国政府对基础研究的热情大减，投向固态基础研究的资金也萎缩了。尽管高能物理消耗了更多的联邦经费，用于建造更大的粒子加速器。政府和工业界的投资者都开始要求技术的短期回报。

一些参与人士担心好的研究会因为缺钱而消失。剑桥固体物理学家 Brian Pippard 抱怨道，“液氦”、“超导性”和“磁-阻”从亟待解决的主要问题列表中消失了。在任何一个认为自己日后能作出新贡献的年轻小白看来，这个研究领域太糟糕了。

临界现象的突破发现为固体物理学家提供了一种对抗这种挫败感的方法。这些突破也帮助这个领域获得了只有高能物理才能享有的在知识上的声望。1972年 Anderson 在 Science 杂志上发表了一篇具有里程碑意义的文章《More Is Different》。该文章指出科学家参与的每一种新的复杂问题都会成为蕴含着新的基础理论和智力挑战的宝藏。随着凝聚态物理学家着手于越来越复杂的物理现象，他们能够开拓出新的智力前沿阵地。（13）

更名为凝聚态物理并不仅仅是简单的重命名，也代表着一股由美国物理学界的知识分子和专业环境所驱动的优先权的转变。

在20世纪的90年代初期，围绕着超导超级对撞机（Superconducting Super Collider， SSC）展开的辩论，凝聚态物理学家测试了这种优先权。高能物理学家将这视为一种前所未有的叛变。包括诺贝尔奖得主 Anderson 和 Nicolaas Bloembergen 在内的许多著名凝聚态物理学家不仅仅私下反对超级对撞机 SSC 项目，并且敢在能够决定项目命运的决策人面前反对超级对撞机。

该漫画讽刺了高能物理学家的期望与联邦政府优先事项之间的脱节。

这是一场理想与现实的冲突。对于高能物理学家来说，获取基础知识的途径是一条研究领域越来越窄的单行道，对于能从多个领域获取基础知识的凝聚态物理学家来，说支持 SSC 项目会削弱物理学的其他领域，尤其是他们所在的领域。1989 年 Anderson 对国会说道，凝聚态物理就夹在迷人的重大科学项目和程式化研究之间，进退维谷，腹背受敌。在这样的处境中，为了达到短期的目标，你必须做出一些具体的研究工作（14）。

像 Anderson 这样的抱怨已经过时了。固体和凝聚态物理学家长期以来都在为他们的智力价值做辩护，以此来反对他们被指控为“垃圾状态物理学”。从20世纪60年代中期，人们愈加担心大型加速器设施会抽走原本可以更加公平分配的研究经费。不过固态和凝聚态物理学数十年以来享有巨大的人数优势，再加上其智力计划的复兴，鼓舞了该领域的领导者。

到了20世纪80年代末期，凝聚态物理学家不仅准备声明他们应该在物理学科的核心位置占据一席之地，而且认为他们的研究目标与高能物理学家的狭窄且单一的研究目标相比，更能代表整个物理学界的目标。

6. 学科分类的力量

这个揭示了凝聚态物理学如何成为美国物理学界核心领域的故事，是一个关于学科分类的故事，并且特告诉了我们学科分类的重要性。在20世纪早期，物理学家可能已经像 Bern Porter 那样，通过依照在自然界中观察和感受得到的分类，绘制他们的学科地图。

但是这种分类方法有意识形态在作祟，这种方法对物理学研究活动应该是什么样子的做出了约束：它在物理学家和非物理学家之间画出了一条界线，规定了谁可以声称自己是大都会的领导者，而谁是排头兵。物理学家对他们的工作做出分界的方式，决定了他们工作进行的方向以及价值。

在20世纪早期，应用物理学家被物理学边缘化。等到了二战后，他们已经吸取了这个经验教训。固体物理学这个领域就极好的帮助了工业界物理学家们掌握上世纪中叶的政策方向。当人们意识到固体物理学已经上了年纪时，凝聚态物理学改变了这个领域的方向。通过这二者的努力，物理学地图也得以重绘。这在以前只能占据排头兵地位的应用物理学和多体理论，现在能够走向舞台中央。但这个过程并不是简单的在地图上开辟一块新的领土并将其命名为固态物理或者是凝聚态物理，创立这些新的领域更多的是需要改变过去已有的领域。

历史学家 Daniel Kevles 清晰表达出了一种普遍的观点：“物理学家研究的就是物理学”（physics is what physicists do）（15）。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）。固体物理学及其之后的凝聚态物理学能够成为显学，是因为物理学家意识到了学科分类带来的力量，并且愿意根据需要来进行修缮。

参考文献：

1. I. R. Morus, When Physics Became King, U. Chicago Press (2005).

2. H. A. Rowland, Science 10, 825 (1899), p. 826.

https://doi.org/10.1126/science.10.258.825

3. J. J. Carty, Science 44, 511 (1916), p.512.

https://doi.org/10.1126/science.44.1137.511

4. S. R. Weart, in The Sciences in the American Context: New Perspectives, N. Reingold, ed., Smithsonian Institution Press(1979), p. 295.

5. A. Roberts, “It Ain’t the Money,” lyrics,

https://ww3.haverford.edu/physics-astro/songs/roberts/money.htm

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).

https://doi.org/10.1103/RevModPhys.17.72, Google ScholarCrossref

8. C. Zener, Rev. Mod. Phys. 17, 20 (1945).

https://doi.org/10.1103/RevModPhys.17.20, Google ScholarCrossref

9. W. W. Hansen to D. L. Webster (4 February 1943), series 1, box 5, folder 20, Felix Bloch papers, 1931–1987, Special Collections and University Archives, Stanford University, Stanford, CA.

10. D. Kaiser, Osiris 27, 276 (2012). https://doi.org/10.1086/667831

11. J. D. Martin, Phys. Perspect. 17, 3 (2015).https://doi.org/10.1007/s00016-014-0151-7

12. Phys. Kondens. Mater. 1, i (1963).

13. P. W. Anderson, Science 177, 393 (1972).

https://doi.org/10.1126/science.177.4047.393

14. P. W. Anderson, Proposed Fiscal Year 1990 Budget Request (DOE’s Office of Energy Research), testimony before the US Senate Committee on Energy and Natural Resources, Subcommittee on Energy Research and Development, 101st Congress, 24 February 1989, p. 134.

15. D. Kevles, Hist. Stud. Phys. Biol. Sci. 20, 239 (1990), p. 264