安德森论20世纪物理学：大科学时代与“小科学”的繁荣 | 周末读书

　　

　　 20 世纪是物理学的世纪，物理学在20 世纪取得了突破性的进展, 改变了世界以及世界和人们对世界的认识。《20世纪物理学》是由英国物理学会、美国物理学会组织发起, 由各个领域的知名学者（有很多是相关领域的奠基者、诺贝尔奖获得者）执笔撰写，系统总结20 世纪物理学进展的宏篇巨著，其内容涵盖了物理学各个分支学科和相关的应用领域。全书共分3卷27章，最后一章为三位物理学大家对20 世纪物理学的综合思考和对新世纪物理学的展望。本文为其中一篇之下半部分，上半部分请见《 安德森论20世纪物理学：上帝原理与物理学的胜利 》。

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　　 撰文 菲利普·安德森 （Philip Warren Anderson，1977年诺贝尔物理学奖得主）

　　 翻译 曹则贤 （中国科学院物理研究所研究员）

大科学时代

　　 我无需继续扩展我们这 个世纪下半叶所取得之成就的清单。我想要做的是讨论它们历史的共性和产生了 它们的社会生态。我的第一个论点是这个快速膨胀的时期也是物理学离心分化的时期。一个某种程度上自我认定的精英群体早在1930年代就中断了原子与分子的研究转而集中到原子核的研究上，正是这个群体促成了二战时的曼哈顿工程及其衍生工程。战后有两条路供他们选择。许多人继续主要从事武器设计、军事技术和主要与军事问题有关的政府咨询。这其中也许最有名的、最有争议的例子是泰勒。其他许多人回到了大学或国家实验室，顺着他们研究主题的自然发展从核物理走向了介子和其它亚核粒子，或者走向了现代天体物理，两者都学会了花巨资去建造大型加速器。有一伙人循着这两条道之不同程度的混合，形成了一个有影响力的大的咨询科学家团体，这包括像JASON [1] 和国防分析研究所 这样群体里的大量成员。

　　 战后不到十年，一个特定的可称之为“大科学”的文化成长起来，这主要是出自曾参与曼哈顿工程的这一核心 [2] 。还有其他的贡献者：比如，由磁性或惯性约束获得聚变能的期望逐渐获得了来自美国、 英国和苏联政府的大量资助。布鲁克海文、橡树岭、Harwell、 Chalk River、最后还有格勒诺布尔的裂变反应堆上的研究，至少是开始时，因为花费巨大被看作是“大科学”，但不久这些装置被“小”科学家的大圈子当作是“用户”设施。军用裂变项目――如今我们知道其被冷酷无情地滥用过 ―― 已从核物理学家的手中脱离，尽管这仍然玷污他们的名声。最后，所谓的“空间科学”作为“军事 -工业联合体”的产物独立地得到发展，包括一概令人起疑的微重力实验以及一些有意义的天文物理探测和太阳物理研究，让许多物理学家最终也沾了光。

　　 在美国的大科学文化（圈），以及其它地方类似的小组，倾向于拥有各自独立的、直接的同政府，因而也就是同资助机构，之间的联系。大科学同科学的其它部分很大程度上是独立的， 它除了在资助额方面以外从不 是科学的主要构成部分。在美国，美国航天局、能源部（早先的原子能委员会）以及对军事项目的支持运行于常规的同行评议机制之外（能源部支持其它科学，但用的是单列的预算）。涉及的资金总额排除私人支持， 不管是来自工业和大学还是私人基金会的 。 前述机构把大科学不是看作 投资而是看作“摇钱树”，是非常有益的人头费和扩展官僚结构的源 头， 如果不是实际收益的源头的话 。

　　 最终人们能够辨认出一个可以看作是军工联合体之大科学部门的实体（可能永远不会比某种精神状态或一组共同利益更实在）。不管叫它什么，在世纪末大量的争议或问题出现了，显示大科学不再享有来自公众的不受限制的认可，也不再能不受限制地去掏公众的腰包。实际上，被当作“物理时代的结束”而提及的是如下一系列事件。

　　 最显著的事件是超级超导对撞机的资助坍塌了，但还有大量相关的但却未能决断的情势：

　　 (i) 美国 空间站。它依然维持着，但资助额和任务数持续减少。（关于它的）一般的科学观点绝大部分是负面的，而且看起来可能要最终胜出。

　　 (ii) 聚变。惯性聚变，Livermore实验室的挚爱，被裁销了。磁性聚变也最终谈论比较实际点的时间尺度（我最后听到的是要到2040年）和严肃的工程问题了。 显然它也不再有免费的午餐了。

　　 (iii) 因为一位美国参议员的支持而勇敢地坚持着的激光干涉引力“观测台”看起来是另一个加速大科学死亡的错误，尽管它不是很大。其它大科学项目（如先进中子源 、 B-工厂 [3] ）在美国也遇到了麻烦。

　　 看起来没有关联而在公众心目中未必如此的是两个本质上政治性的事件： 星球 大战 计划 和冷战的结束。美国的大多数各色物理学家都反对――这一点值得称赞―― 星球 大战 计划 自吹自擂式的、不切实际的宣传推销，但公众却将之看作是高技术提供的安全许诺，当然大科学联合体圈子里的人支持它。与支持超级超导对撞机项目同样的政治机制――白宫层次上的直接干预――被其提倡者所采用。

　　 冷战的结束，被不正确地看成是军工联合体的巨大倒退。不管掺杂个体科学家怎样的个人感情，大科学是通过其与该联合体的联系而被维持在一个特殊的地位上的，它最终将如那个联合体失去威力一样失去其威力。

　　 在欧洲，大科学仍然维持其大部分的影响。欧洲联合核子中心没表现出其稳定性的削弱，其它的大型项目也继续蓬勃开展。但是，能够感觉到公众对大型投资的冷淡和对经济政治问题日益增加的关切，这会像在美国一样最终导向同样的方向。看起来大科学很可能会同二十世纪一起结束。

“小科学”的繁荣

　　 大科学只是科学全体的一部分，甚至是，或者说特别是，所有基础物理的一部分。做第二类物理学研究的第二类物理学家从战时的进展和战后资助得到了极大的促进。其特别的由此而来的生长核心与曼哈顿工程的核物理、粒子物理和聚变物理核心是不同的。

　　 (i) 新波段的相干电磁辐射源、新型电路以及超灵敏探测的获得，开始了要用相干方法覆盖谱学全波段的持续倾向：先是电子顺磁共振，核磁共振，和微波气相谱学。六十年代初激光的发明让波段发生一个巨大的跨越。

　　 (ii) 使用曼哈顿工程留下的以及那些专为电厂项目建设的裂变反应堆的中子衍射和散射对固体物理的研究产生了巨大的影响，且在每一个国家中心形成了些专家团体。这些群体迅速同常常是处于同一个中心的大科学项目在知识上脱离。这一脱离的标志乃是诺贝尔奖名单上两三个最显著的遗漏之一，即让反铁磁性的实验证实和声子谱研究成为可能的中子衍射和散射。（1994年这一遗漏最终得以纠正。）

　　 (iii) 战时关于半导体和其它材料的研究 ―― 主要是在工业中心进行的 ―― 加上电子学全新的精密程度，导致半导体研究在复杂程度和深度上的巨大进步，自然地孕育了三极管的发明。这只是实用的固体材料和器件，比如绝缘磁性材料，一波研发成果中的第一例。

　　 (iV) 对基础物理一个非常主要的刺激是为大多数实验室都用得起的液氦低温恒温器的研制。这开启了量子效应对几乎所有的凝聚态性质都起到重要作用的温区。超导、超流以及金属中的费米面效应的研究如今已可以在世界上许多实验室开展。

　　 (v) 因为这个世界的技术精密程度的进展，相对来说老旧的测量能力也得以提升：装备了新型大功率源的电子显微镜和X射线衍射（仪）就是这样的范例，它们对分子生物物理和原子水平上的冶金学 ―― 作为其第一批应用 ―― 非常重要。

　　 整体上，这些发展在战时的根基是同大科学在组织上和地理上都是分开的。战时在美国对这方面产生最大影响的姐妹研究机构是贝尔实验室和麻省理工的辐射实验室（后者同哈佛的无线电研究实验室有接触）。饶有意味的是 ， Collins液化器和Bitter磁体出在麻省理工，三极管出在贝尔实验室，而核磁共振作为一个有用的测量手段出在哈佛。（我强调一下，我讨论的不是组织上的历史而是知识的历史。一些管理者如哈佛的Conant或者贝尔实验室的Buckley、Baker、Buchsbaum等人作为政府顾问在军备竞赛和对两类科学的政府支持方面所起到的作用，与此处的讨论无关。）

　　 大科学从洛斯阿拉莫斯扩散到伯克利、芝加哥、普林斯顿、哥伦比亚、斯坦福、加州理工等美国大 学；类似地，小物理从贝尔实验室 ， 哈佛和麻省理工开始散布到一组有特色的如康奈尔、伊利诺斯这样的大学；且在海外如英国的大学系统，以及在Harwell [4] ，最后在Leyden（以及在欧洲大陆的Philips Eindhoven 和巴黎）和日本都变得非常强，后 者是因为众所周知的原因 [5] 。 许多物理系两者兼有，这包括芝加哥和哈佛还有首先该提及的哥伦比亚。但显然的在一些物理系里是某一个群体（大科学或小科学）主导着雇佣和升迁事务 ， 且常常是长达数十年之久，如在（这里强调大科学主导的例子）加州理工、加州大学洛杉矶分校、哥伦比亚（该校物理系有一些单独的、为小科学的科学家设立的组织机构）、普林斯顿和斯坦福，欧洲大陆特别是意大利和德国一般也是这样 ； 当中国加入科学世界时还包括中国。

　　 在美国，整个1950年代美国物理学会试图组织大型的、一般性的会议，囊括进所有类型的物理学，但到1960年代中期，原本是为小科学提供一个论坛的三月会议成长到了可和任 何美国物理学会的会议相媲美的规模，而到了1980年代则让所有其它的会议都相形见 绌 。几乎是作为一种自卫行为，大科学的科学家们在华盛顿召开四月会议，而后又有 了单列的“核物理”和“粒子物理”分会。与此同时，在国际舞台上，国际低温物理大会成了多种小科学的巨型集会，其它专业（如磁学、半导体）也发展了各自的巨型会议。一个完全分立的、非常国际化的会议体系成长了，其开端是日内瓦大会，在该会上冷战对立双方首先在当时看起来非常敏感的核物理和粒子物理领域有了公开接触。

　　 这两方面的成长具有强烈的对比。大科学的实验工程变得日益大型和更加依赖合作，最终在某些情形下单一实验就确实涉及数千个科学家。他们中的大多数人没有真正独立的角 色。 另一方面，这一领域的理论工作变得越来越是猜测性的、鲜有人懂而且抽象 ， 只有一少部分理论家同实验有细节上的互动。当前的一些著名理论家如 威顿、彭罗斯、霍金和施瓦茨则回避将对 实验事实的预言和解释作为理论物理的主要目标。

　　 大科学同深层的、近 宗教的人类冲动（ 指的是想知道生命和宇宙的最终起源以及构成我们的最终原料） 之间的明显关联，除了提供了对公众腰包至少一定程度上的接近以外，还特别为 理论研究保证了急切的年轻成员的无限量供应。这些新成员，其数量即使是在“好”日子里也远超过了能提供的研究位置数，反过来主导了小院校和第三世界大学的物理系，而这又有助于维持持久的供用。

小科学的饱和：权利的结束

　　 从另一方面来说，小科学（特别是物理学）得以飞速膨胀在很大程度上是因为工业界和政府都体认到其产出具有经济价值。其结果是资助的规模大到足以吸收几乎所有的新生力量。战后前三 十年无疑地是这样，我们很少需要重复罗列这些年产出的具有实用价值的材料和器件。但在（小）物理学 这一半，也随处可见前途麻烦的提示。

　　 这类科学既能产生实用的、有益的器件与方法，也能产生智慧层面上激动人心的科学知识，自然是令 人受益无穷的。但此一事实也会导致认识上的混乱。 科学家自然而然的倾向是更显智力型的工作，此倾向因为纯粹的研究者有更高的显示度、更有名望、更灵活（他们是在公开的文献上发表成果的），且经常比应用领域的工作者当然也就比监督实际制造的产业工程师有更高的报酬 ， 而强化了 。在科学团体和国家实验室，甚至在一些大企业里，一直似乎是 名义上其职责是做器件研发、制造设计甚至市场销售的 大多数部门在和同一组织里的纯粹研究部门，或同大学里的物理系和工程科学系，在展开竞争。来自大学“纯”研究氛围的新科博士会发 现继续其论文的主线和“研究”模式是自然的、轻松的且至少财政上是安全的。还是在美国，社会生态鼓励他感觉这是一种（鼓励同样来自一些科学管理者的不恰当的宣传）荣誉。此种社会生态在苏联、东方集团以及西欧的某些地方，程度不同地，也是同样普遍的，认识到这一点是有趣且重要的。在苏联和东德，政府资助的大型研究所成长起来，它们（类似我们能源部的实验室）将小科学同军事和大空间任务相结合。这些研究所里的任职相较一般机构有很大的对个人的优势。至少是在德国，合并时会发现这些研究所相对于任何一个合理的任务需求要超员（保守估计）3-10倍。类似情形在苏联也存在。崩溃的原因，至少是在德国，不完全是因为军事和空间任务，或者冷战思维，的放弃，而是主要因为对技术之经济和产业方面的严重忽视。欧洲、美国和东方集团在这一点上没有本质上的差别，只是程度不同而已。

　　 整个这一时期，同样的快速增长和看似无边的机会意味着小科学特别地是来自印度、苏维埃体系和东方的移民进入高层社会的理想入口。这群人还有另一个坚持从事研究的动机：签证条例允许博士后停留美国而对改换工作则不友好，对改行和换雇主更是不友好。（此外，语言或者其它文化的因素常常让这样的改变很困难）。

　　 其结果是研究作为职场变得越来越拥挤。人们也许会问――各种领袖人物已经问了――多少研究算太多了，甚至会问是否有太多的研究，研究可是被认为绝对是好事的。但是，客观地看，此职业内的状况表明除了不可避免的资金短缺外，该体系也出现过运转失灵。

　　 研究生涯的性质发生了一个非常尖锐的变化。一个“有前途的”年轻科学家的发表文章速率增长了5-10倍，一个年轻的研究者想获得博士后或入门级别位置的申请次数从2-3次增加到了50次。资深科学家会发送和收到成沓的推荐信，因此推荐也就变得毫无意义了。特定专门主题的会议数，或者一个正式会议涉猎的主题数，都增长了十倍或更多。许多领域内的人们一年能，在世界的某个地方，“会 [6] ”52周，而领域内的领袖人物会被邀请到所有的会议。会议不免要有出版物。大多数的发表文章成了这场登顶之路游戏的战术性的东西；在某些有名望的杂志上发表文章成了不可或缺的入场券和记分牌而不是严肃的交流手段。大量文章是关于现实性和关联性都十分可疑的模拟计算的。实质上，战后早期的研究生涯是科学驱动的，主要是被投入到伟大发现事业的吸引和探查自然如何运作的真正好奇心所驱使的。在世纪末的十年，太多的人，尤其是年轻人，视科学为个人间的竞争游戏，胜者不是在科学实在的本质上客观正确的人，而是成功地获得资助，在PRL上发文，被Nature、Science或Physics Today的新闻页面所报道的那些人。

　　 在许多领域，大量的出版物，分化成自我引用评介的单独聚会的所谓学派，以及主要是因为过分的专业化和从业者的社会生态所造成的质量整体退化，意味着确实地有更多的东西变坏了。这一点，在苏联，在许多领域里都很明显。在我比较熟悉的高温超导领域，增加的国家及地区资金资助只是繁殖了不相往来的学派和子文化，而不是集中到有意义的努力上：无疑地这延迟了对科学问题的解决。人们也许会想是否艾滋病研究也会遭遇同样的命运。幸运的是，在这两种情形下，都是实用的，而非科学的，进步是更容易判断和实现的。

　　 关于这一阶段之现代科学的实际运作的观察导致一些社会学家试图将解构主义的思想应用于其上：坚持认为 “ 真理 ” 是纯粹社会学意义上的且是由权力关系而非由自然所决定的。甚至Radcliffe大学的校长看起来也给人以支持这一愚蠢观点的印象。这些社会学家如今看到的是一个暂时的，而且我相信是有偏差的，社会学而非科学的现象；实际上人们并不能举出任何由政治、经济或社会压力所造成的科学上的错误最终未被改正了的案例。如果不是这样，达尔文如何会胜出？哥白尼呢？真理有最终胜出的巨大能力，它是确定的、坚实的，而错误是易变的 。 可重复性胜过幻象和喧闹。

　　 为了了结二十世纪最后十年的故事，最终的崩溃不可避免地发生了。不是通过西方研究引擎的故障，而是这个引擎产出了一个又一个的器件，而日本――它并没有大量的原 始创新的记录――占有了这些器件市场份额的大部分而且还常常将市场丢失给了更为新兴的群体。液晶 显示 可能是压断骆驼背的最后一根稻草 ； 所有的技术都是美国的，而美国的市场份额 接近于零。可以想见的是，美国公司一个接一个地决定要把动机体系从“纯”研究事业转移开。这和从苏联和东欧来的一波移民浪潮，以及国家实验室的萎缩（不管多么缓慢），是同时发生的。美国国会对支持很多大学的研究的国家科学基金正发出威胁性的噪音，但这些还没有导致对那些研究的严重损害。许多学生和一些头脑灵光的博士后正逃离研究渠道。也许到世纪末我们会把1980-90年代看成是糟糕的旧时光，而能取得相当有效的物理学成就（的时光）会回来。当前最可怕的危险是正允许摆锤朝另一侧荡开的更远。

总结性评述

　　 请允许我用对物理学近期的发展和未来趋势的一些评述，大多是更乐观的而非其它，来结束本文。

　　 一个健康的趋势是正在被利用定量之精确、仪器之巧妙和数学之深邃 ―― 这些是最好的物理之特征 ―― 所研究的系统在复杂性层次上的增长。这一趋势的一个美妙迹象是诺贝尔奖被颁给了de Gennes ―― 他花费数十年的功夫研究“软物理”，即关于高分子、胶体物质、液晶、胶等等物质的经典物理分支。此领域正在扩展，新的结果正不断涌现。生物物理是一座含有大量未解决或只是定性地解决了的问题，包括生物催化、细胞微结构、神经功能等，的矿藏 。 一个相对来说较小的研究群体正转到这些方向上，大多情况下他们都使用非常复杂的技术。

　　 过去，物理学曾试图同分子生物学这样的领域一旦当其顺利开展了的时候就脱离开来。这常常是物理学和新开辟的领域双方的损失，因为物理学带来的知识上严格和定量上精确的态度一直是至关重要的，即便研究的物质是生物的。我希望物理学越来越能够保持对生物物理这样的新领域的兴趣。

　　 非线性科学的爆炸性进展在受迫、复杂非线性系统中取得了一些新结果，也提出了一些新问题。此一领域的危险是为了模拟自身的考虑而将模拟替代物理的正当对象物质的诱惑。在模拟或计算同真实世界相切合的地方，那是物理，否则人们有可能失却作为物理学之理智中心的可重复性和实验可证实性这样的指导性判据。生物物理和非线性科学这些领域对“职业者 ” 的社会学（考量）来说还不是诱人的学科，尽管围绕某些进展会发现一定层次的炒作。

　　 由理论物理学家 ―― 先是为了建立标准模型和解决在凝聚态中的类似量子多体问题，而后是是试图前行更远 ―― 发展起来的漂亮灵活的数学工具在大物理学和小物理学不可避免地要普遍地缩小规模时不应任其死掉。（我说的不是数学物理，它已经同实验物理分离了，成熟了）。也许考虑的背景完全不同，但是，同样的数学构建阐明了液晶和量子色动力学，早期宇宙中的相变在超导性和半导体里的液滴金属化中得到回应，我必须相信这是漂亮而又重要的。关于理论，大多可能是糟糕的，很少是较好的，但是没有一个理论是完全不可接受的。基础物理中仍有许多激动人心的问题不会随着超级超导对撞机和类似大型项目死去。例如大天体物理科学看起来是数十年的赌注 ， 而基础凝聚态物理则是充满了问题，如果不是充满了答案的话。

　　 在我给出的关于物理之社会学相当刻薄的描述中，我不是想暗示物理学不是智力上非常活跃的，即便是在某些人们可能以为充分探索了的领域。例如，在过去的十年里人们已经越来越越清楚地认识到，在奇异新型超导体、多种多样的含稀土原子的金属中间化合物以及在层状、表面和链状结构遇到的量子固体多体问题依然充满意外，且基本上都还未解决。反过来的情况是天体物理，那里每一种新探测器带都给我们新的、令人激动的谜题要解决，即使关于宇宙大体结构也是有争议的，关于是否有早期宇宙相变的任何可辨识的痕迹我们知之更少。令人沮丧的是那些以为要研究这些谜题的人，因为业已形成的、令人厌恶的职业主导的社会学（考量），很少有人以有意义的方式在做这件事。

　　 第三个要点是当前小科学的缺点之大部是因为很大程度上其历史上是由冷战和对电子技术的工业需求所驱动的。电子与通讯工业是其主要客户。这些工业正确而健康地认识到此一“硬件”技术的渠道满了，而软件和管理未来会是限制性的因素。未来的“硬件”问题可以预见至少出在两个新方向：生物医学技术，以及能源与环境。物理学在上个十年对医学诊断，以及以一种平静的方式对生物材料，做出了巨大贡献。高等物理学对能源与环境的影响还刚开始。各种形式的卫星勘察以及裂变反应堆目前是具有极大重要性的全部内容。但是太阳能光伏产业、电池、储能、传输（合适的超导输电线不太遥远了）当然还有聚变，都在未来是重要的，如同今日的探矿和痕量分析。这些不是拥有贝尔实验室或国际商用机器公司领军的领域，支持和运作这些领域研究的新机制兴许会产生。

　　 我们的结论是，不会缺乏让物理学和物理学家追求的新方向。但是，此领域存在切实的问题。其一是不断增加的即便是受过最好教育的大众同物理学的疏远，而这是“演生”现象固有的内在的问题。当我们为大众生产经济物资的时候，我们被容忍。但是，即使我们努力为自己解释，我们也不能指望他们特别大度地支持我们的纯粹好奇心，普及和解释物理学将会是越来越难的任务。

　　 我们面临的第二个问题是渡过当前这个研究领域内人满为患的时代，让我们的保持研究过程之质量和完整性的系统不会完全垮掉，以及不会有不恰当的、由外界强加标准的系统。科学家也必须肩负起责任，帮助决定什么样的工程该被资助（即便在自己专业领域之外），哪些领域是知识上坚实的，同科学其它部分是有重大关系的。 如果我们不做出更大的努力去调整我们自己，约束住我们以为有可以如此前一样做事情的权 利 的倾向，公众的容忍有理由变得紧绷起来。

　　 注释

　　 [1] 为美国政府就科学技术事务提供咨询的科学家小组，于1960年建立。－译者注。

　　 [2] 原文如此。－译者注。

　　 [3] 即能产生B介子的加速器。所谓的B介子即是由一个底反夸克同上夸克、下夸克、奇异夸克和粲夸克四者之一所组成的介子。－译者注。

　　 [4] Harwell 是英国南部的一个小城， 1946 此处建立了原子能研究机构（ Atomic Energy Research Establishment ）－译者注。

　　 [5] 可能是说小物理学在日本的繁荣是由于众所周知的原因。这个众所周知的原因可能是指美国因为冷战为扶持日本所作的努力。－译者注。

　　 [6] 原文为“meet”， 是会议(meeting)的词根。作者这里语带调侃。－译者注

　　 本文为安德森所作《二十世纪物理学的历史概述》之下半部分，选自科学出版社出版的《20世纪物理学（3卷本）》第三卷第27章“ 对20世纪物理学的省思：散文三篇 ”。《赛先生》经出版社和译者授权发表。

　　 延伸阅读

　　 ① 安德森论20世纪物理学：上帝原理与物理学的胜利 | 周末读书

　　 ② 诺奖得主安德森：我为什么反对超导超级对撞机

　　 ③ 对二十世纪物理学的省思――温伯格：关于自然本身 | 周末读书

　　 ④ 温伯格：大科学的危机

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