不同的文化
（本文为《环球科学》2008年第3期专栏文章，专栏名叫《小有科观》，与大有可观相对，英文名为A Personal Periscope。查看今年《环球科学》第2期目录，发现台湾大学物理系教授高涌泉同学的专栏文章《大师》，想不到老朋友同为《环球科学》写专栏。第3期有很多关于粒子物理的文章，第3期目录，第2期目录。）
人类从事的每一个行当都有自己的特点和传统，即使是同一个行当，因分工的不同也会有不同的价值判断和标准，从事这个行当的人有非常鲜明的个人动机和动力。今天我想谈的是物理学中高能物理和凝聚态物理的价值观的不同。这两个学科自然同属物理，在中国有明显的分别，属于两个不同的二级学科。而在美国，虽然没有设立所谓的二级学科，但这两个方向在每个物理系的确分属两个不同的小组，而且在这两个小组之间存在明显的竞争，表现在系里不同场合的话语权上，以及招聘新的教授名额的竞争，甚至是纯智力上的竞争。
严格地说，在有着自己特色的中国学科分类中，高能物理和凝聚态物理有时有相当的重合，例如理论高能物理和理论凝聚态同属于二级学科理论物理。外行也许会觉得奇怪，为什么同属于一个二级学科的研究者之间会存在巨大的差别？
为了解释两者价值观之间的不同，我们先追溯一下这两个学科的起源。先谈高能物理，这个学科又叫粒子物理，顾名思义，就是研究基本粒子的。为什么又叫高能物理呢？因为探测最基本的粒子需要到最微观的层次上，即越来越小的距离上，而量子力学告诉我们，探测越小的距离需要越大的能量，例如现存的最大的研究粒子物理的机器可以达到的能量是电子伏特，这个数字在的一台今年将要运转新机器上将提高7倍。仅从能量上看，高能物理已经成为一个非常专业化的方向，虽然，追溯历史，高能物理的研究目标和牛顿、麦克斯韦、爱因斯坦一脉相承，也就是说，高能物理的研究对象是物理的基本规律和物质的基本组成。比如说，我们可以问，地球上的物质的基本组分是什么？回答是分子和原子，分子和原子之间的电磁力基本上可以解释一切物质性质和许多奇奇怪怪的现象。不夸张地说，凝聚态物理只需要电磁力，而研究多分子和多原子体系就是凝聚态的任务。如果我们继续追问，原子有结构吗？回答是有，每个原子由电子和原子核组成，原子的性质基本上也可以由这些组分之间的电磁力来解释。那么，原子核和电子有结构吗？回答是，就我们目前的知识来说，电子没有结构，原子核却是由中子和质子组成的，原子核的结构主要由核子之间的强作用力来解释，但是核子之间还存在电磁力以及弱作用力。我们可以一直这么追问下去，目前高能物理学家的“终极”回答是类似电子的轻子以及组成核子的夸克看上去似乎是基本粒子。这些基本粒子是否有结构，它们之间是否存在更加微妙的相互作用，是粒子物理学家当前研究的课题。
我们看到，粒子物理的研究对象和研究风格可以用三个字来总结，还原论。是否将还原论作为研究哲学和动机是区别粒子物理和凝聚态物理的罗塞塔之石。凝聚态物理同样发源于近代物理，虽然它与还原论本身不是一脉相承，所以在某种意义上，它的历史相对短一点。凝聚态物理可以说研究地球上一切宏观物质形态，包括固体、液体、气体。因为宏观现象是缤纷复杂的，所以凝聚态物理是物理学中最大的分支。在美国，大约有三分之一的物理学家可以称自己为凝聚态物理学家。宏观物理现象的研究源远流长，而凝聚态物理的前身固体物理的历史发端于量子力学的发现之后。1967年，菲利普•安德森正式将他的固体物理研究小组改名为凝聚态物理研究小组；1978年，美国物理学会正式将固体物理部改名为凝聚态物理部。如果我们过分执着，那么凝聚态物理只有短短的四十年历史。
安德森本人是凝聚态物理最大的代言人，1977年因无序系统的研究成就获诺贝尔奖。凝聚态物理的研究哲学从安德森的一篇文章的标题可以看出，该文发表在1972年的《科学》杂志上，题目是“多就是不同”。多就是不同，所以宏观系统在每个不同的层次上有自己的规律，这些规律，正如安德森所说，不一定可以从更加基本的规律导出。我们可以这么理解安德森的观点：宏观系统的一些规律，一方面在很大程度上独立于粒子物理学家追求的更加基本的规律，如强相互作用，大统一理论；另一方面，即使我们知道一些宏观物理现象原则上是电磁相互作用所决定的，如固体的刚性，我们却不知道如何精确地导出这些性质。
粒子物理学家温伯格最近在一个演讲中说得好，凝聚态物理学家对现象感兴趣，如超导、超流、量子霍尔效应，这些现象看上去不可思议，他们想在某种程度上理解这些现象，预言一些与这些现象相关的新现象，如果他们本着安德森说的多就是不同，他们对还原论没有兴趣。粒子物理学家完全相反，因为例如电子和电子以极高能相撞时，现象并不那么复杂有趣，他们只是想知道规律本身。
由于两种文化的截然不同，两种物理学家之间极易发生冲突。例如，安德森极力反对美国政府对粒子物理做前所未有的大投入，在90年代初出席国会听证会反对美国的超导超级对撞机的计划。后来这个计划的确流产了，具有讽刺意味的是，温伯格说，安德森的证词并没有起到推波助澜的作用，可能恰恰相反帮助了对方，因为他公正地说明凝聚态物理和粒子物理是相互独立的学科。正如温伯格所说，大统一理论不能直接用来解释超导现象，反之，凝聚态物理知识也不一定可以直接帮助我们理解基本粒子的尚未发现的相互作用的规律。当然，历史上两个学科的确发生过相互影响的事情，这是另外一个话题了。
2008年2月27日 18:22:18
我记得Gell-mann在一本书里提过, Anderson反对SSC可能是他认为粒子物理学家在对称性自发破缺这个重要的idea上给他的credit不够多,所以对粒子物理学家有一肚子怨气.
2008年2月27日 20:10:30
笑傲江湖：
同意。但我现在还有很多事情，如带学生什么的。好在下学期我将开《弦论与宇宙学》，也许可以作为教材的素材。
ymytm：
说的是。还原论和呈展论本来是一枚硬币的两面，可惜很多专业人士容易只看一面。
xexz：
我没有本事 产生什么思想了，但如能砸砖引出玉来当然好，所以我忠诚于我的砸砖事业
Perturbation：
是有这个说法，我不太相信，他不至于这么小气。
2008年2月27日 21:57:54
期待李老师的教材
2008年2月28日 1:13:12
不知道为什么？这是一个春暖花开的日子，但不意味着没有凋谢。同学的同学选折了离开。她跳了下去，从此不再去砍柴喂马，不再把脸对着那茫茫的大海。也许天堂的大海更加宽阔，天堂的花朵更加鲜艳。http://www.lifeall.com/mem/1982/main.ahtml
人生本来就是如此的短暂，平凡的每一瞬间都是美丽。何必要把自己关在狭小的笼子里，何必？
又是一个安庆人。
2008年2月28日 8:16:24
李老师：
能否把《弦论与宇宙学》讲义放在网上，让我们也能享受一下。谢谢。
2008年2月28日 9:09:32
李淼你好!
我们学校今年搞校庆,要了解校友的情况,我想请你帮我把你熟悉的78届的同学联系一下,帮我搞一个他们的通讯录,好吗?
2008年2月28日 10:18:21
还原论不在那么有吸引力，也怪粒子物理学家过早的签了一写TOE之类的空头支票。
2008年2月28日 12:23:20
汪显林：
绝大多数同学多年不联系了，我试试能找到多少。
2008年2月28日 12:24:16
cmx：
这本离写出来还早着呢。
2008年2月28日 14:51:08
李淼:
麻烦你了
2008年2月28日 22:45:13
刚才看到一个排名，科大在竞争力排名上已经d跌出前10，好在研究创新还排在第7。
=====我觉得国外做的世界排名中，国内大学的相对位置，比国内做的大学排名更可信
国内的大学排名太重视数量了和规模，忽视质量
武汉大学邱均平做的物理学科排名中，Caltech就相当靠后。。。。。
2008年2月29日 2:03:20
用量化指标评价学术机构根本就是不可行的，
国内国外的评价机构给的结果都会有争议。
排名这个问题史铁生同志早就看透了
“我大致看懂了排名的用意:时不时地抛出一份名单,把大家排比得就像是梁山泊的一面零八将,被排者争风吃醋,排者趁机拿走的是权利。 ”
ps：
这里有一个博客的测试：“2007我很忙”，大家有兴趣可以试一试
http://www.yodao.com/07busy/
2008年2月29日 14:47:19
中文翻译讨论：还原论对呈展论、还原论对形成论、还原论对演生论？
还原论的英文是reductionism,呈展论的英文是emergentism. 这两者的中译都不很令人满意。但目前还没有比还原论更好的译法。至于呈展论，于渌老师曾提出形成论的译法。作为对立的两种哲学观点，还原论对形成论似乎更为自然。
胡滨女士在翻译文小刚的书时，将emergent phenomena翻为演生现象。 “演生“一词似为新造，于此实比“衍生”更为传神，将emergentism的原意全部传达出来。我在这里支持将emergent phenomena翻译为演生现象。还原论对演生论，和还原论对形成论一样自然、传神。
2008年2月29日 17:53:45
呵呵 我打错了，是呈展论。
2008年2月29日 20:29:49
随感：
谢谢指教。
2008年3月4日 3:21:58
我是搞材料化学的，算是个Chemist吧。凝聚态物理是我必须关注的一个方向。至于粒子物理，我的水平也只能达到李老师文中所简介的程度。李老师提到粒子物理奉行的还原论，而凝聚态物理奉行某种相对的方法，现在大家都不喜欢直接把那个方法名称说出来，一说就很像伪科学。但这的确是一个越来越不可回避的问题了。我看，粒子物理应该叫物理，凝聚态物理应该叫化学。物理和化学的区分不应该再按老标准了，现在就应该看方法。把还原法放在像粒子物理这种高度的才能算是物理，盯着涌现不放的，从现象到现象的（最多中途建建模，解解方程），就叫化学。物理思维是逻辑思维，物理学家爱看数学推导；化学是形象逻辑思维，化学家爱看模型爱看图表。把凝聚态物理分为化学，它与粒子物理的矛盾就好理解了，而且实际上我们搞化学的很难回避凝聚态物理，都快到了不学习凝聚态物理搞不了化学的程度了。
2008年3月4日 10:55:08
我学习凝聚态的时候受到了高能物理的思维方式的影响，总是试图在繁乱复杂的凝聚态物理现象中寻找它们共同的规律，看看不同现象的理论是否具有对偶性，是否也有一个隐藏在深处的类似于弦论中的“M理论”，但是逐渐发现这犯了方向性的错误，凝聚态家们关心的是寻找更多的新奇的现象，并研究这些现象的磁，电，光等性质，他们并不会试图用统一的理论描述量子霍尔效应和高温超导现象。总之，我觉得高能物理的思维是纵向的，凝聚态物理的思维是横向的。
2008年3月4日 11:23:50
孙尉翔：
你的说法对我来说很新颖。
maldacena粉丝：
横向的说法也挺好。
2008年3月12日 0:34:12
在分子原子层面上讨论化学，就是物理化学的范畴了
2008年5月29日 19:43:29
孙尉翔:
现代物理化学中的分支学科——分子反应动力学和原子分子物理中间已经没有任何界限，其实二者已经高度融合了。
对于现代化学而言影响最大的物理学分支学科应该是原子分子物理学，其次才是凝聚态物理。现在量子电动力学都走进了理论化学的前沿；和理论物理的风格类似，理论化学也是高度数学化和推导的，看看我国著名物理化学家徐光宪院士的经典著作——《量子化学》，看看徐光宪院士对费曼路径积分、矩阵形式的量子力学和相对论性量子力学等等用的多娴熟，数学能力不亚于优秀的理论物理学家。
我所感兴趣的物理学三大分支学科——原子分子物理、凝聚态物理和光物理，这三大分支学科恰好是和化学、生物学和材料科学技术有着高度交叉和融合的领域。
另外你可以从一位理论物理学家的角度去思考：为什么凝聚态物理的这个层次会有类似于化学的一种典型的非数学化的风格；而小尺度的核物理和粒子物理，大尺度的天体物理与宇宙学却没有。
首先，请注意，广义上讲，化学（包括材料科学）可以看成物理学在原子分子和凝聚态层次上的一个定性的分支，这个分支因为数学上的高度非线性和复杂性问题，不可能被严格定量化。而在别的物质尺度上，在原子分子这个层次有一个截止，尺度比这个小的，没有；尺度比这个大的，都有一个广义上的非数学风格的定性分支：原子分子和凝聚态尺度上是化学，地球尺度上是地质科学（包括金星、火星等类地行星的地质学）和地球化学，天体物理和宇宙尺度上是一般天文学和观测天文学。
原子分子这个尺度层次有一个截止原因其实是因为我们宇宙四种作用力角力的结果。就像宇宙学家指出的几个物理常数决定宇宙一样。强相互作用的短程性，以及电磁相互作用的长程性，决定了在非极端物理条件下，核不会很大（中子星是极端物理条件，人类在极端物理条件下不能生存）。弱相互作用等作用的特点，决定了，原子核中的质子与中子的数目之比不能是任意比——比如由9个质子，一个中子组成的氟原子核就不可能存在。所以，原子核和稳定的粒子相对很少；而原子虽然不多，可是电磁相互作用的长程性，原子可以组成种类极为丰富的分子、离子和凝聚态物质，原子分子间的化学反应也比核反应丰富得多。正式由于种类的极其丰富性，导致了复杂性，从而使得在这个尺度上的非数学化的广义分支——化学得以诞生。而由凝聚态物质组成的类地行星和天体等，也就因为复杂性，也就有了非数学化的广义定性分支。比方，虽然目前对于中子星的研究还是物理学的范畴，但将来如果人类近距离探测乃至登陆中子星的话，我可以肯定类似于中子星地质学等会发展起来。
现在再回到前一个问题，为何原子分子尺度以上，都因为有复杂性问题而有广义的定性分支，却唯独只有凝聚态物理有类似于化学的一种典型的非数学化的风格和研究范式；地球物理、天体物理和宇宙学却不是这样呢？（不要和我说地球物理的数学化程度比不上粒子物理，其实地球物理恰恰是将物理学的风格与范式带入地球科学）这是因为，只有凝聚态物理跨越了微观和宏观两大层次，直接面对电磁相互作用的长程性导致的复杂性，必然不可能完全依赖第一性原理和及在此基础上的严格定量化，而要发展唯象理论，从而有这种化学的风格典型的非数学化的风格和研究范式。而地球物理、天体物理和宇宙学却根本不需要考虑小尺度的细节，我们不可能考察组成天体的每一个基本粒子的具体状态去研究天体物理，而对于宇宙学尺度，整个星系都被简化成一个“分子质点”，这种简化消除了复杂性，从而又保持了数学化的物理风格。
而粒子物理与宇宙学的交叉融合，一方面是超高能宇宙线中的基本粒子是上好的粒子物理实验材料；另一方面，宇宙暴涨前和大爆炸早期尺度极小，真空性质的理解，宇宙的个数问题等都离不开粒子物理。