科普：学科诞生记之凝聚态物理学的兴起

来源：两江科技评论

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。

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（1848-1901）

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：

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。