当今美国科学正经受着变革前的困惑和阵痛。备感就业艰辛的青年科学家更是对美国科学的前途，对他们自己的职业生涯忧心忡忡。出现这种状况是有历史原因的。冷战结束、工业缩减、政府赤字和人口增长等因素造成了科研经费不足、科学家择业困难和就业机会减少等问题。当然，这些问题在不同学科、领域的表现和反映不尽相同，本文旨在探讨物理学，特别是大学物理学所面临的难题并提出一些解决的设想和办法。
对大多数人来说，特别是对于那些业已在物理学界占据一定位置、功成名就的科学家而言，他们认为目前物理学界所存在的种种问题会自行消除、自然解决。这正如他们以往所经历的那样：没有什么“根治”或“彻底”改变现状的必要，随着时间的推移，情况总会好起来。然而，我们所掌握的材料和数据却表明，这种轻描淡写的态度是非常危险的。因为若不及时纠正，情况还会继续恶化。可以说现在是亡羊补牢的关键时刻。本文的讨论较少地考虑物理学家所不易控制的外部因素，而把注意力较多地放在物理学界自身之上。因此，物理学界应当对物理学的历史、现状，特别是它的未来进行追本溯源的认真反思了。
一、不容乐观的事实
我们对物理学界现状的分析始于这样两组发人深省的数字：第一，过去20年间，美国大学物理学教授的年龄中值以每一自然年增加8个月的惊人速度线性增长。截止1992年，至少有一半的大学物理学教授的年龄高于54岁。第二，过去20年间，受雇于大学物理系各分支学科的具有博士学位的物理学界的人数及其比例没有明显变化。上述两组数据反映了同样的事实：美国大学物理系在1970年达到鼎盛之后，物理学人员的招募和专业领域的拓展就都停滞不前了。这一变化是耐人寻味的。因为，“物理学”作为大学专业的一个名称，仅仅被物理学家当成了研究和讲授的固定不变的原理体系，而不再意味着它是一门疆界广阔、探索不息的有生命力的学科了。
这难道有什么不好吗？尽管这些年来物理学的各主要分支学科都有一些戏剧性的进步，人们有理由为宇宙学、天体物理学、粒子物理学、原子理论、光学理论、超导物理学等领域的进步而感到骄傲。但这一切对当前的物理学而言，似乎总有种勉为其难之感。例如：为什么尽管天体物理学家掌握了前所未有的丰富观察材料，但天体物理学在众多大学物理系中难有较大发展？为什么与日益重要的生物学有关的物理学研究没有得到充分的重视？根据国家科学院（National Academy of Science）的统计，生物物理学家的人数就很少。有几个研究模式构成（pattern formation）的物理学家、几个研究新材料的物理学家？在环境和地球科学中，在信息系统领域，即使有物理学家在从事研究，他们也远没有在美国物理学界占据一席之地。令人痛心的是，许多优秀的物理学家感到，他们似乎只有离开大学物理系才能更有效地工作。看来，如今美国大学的物理系大大远离了许多本来属于物理学领域的专业和分支学科。而这些专业和分支学科也许正是物理学摆脱困境的希望所在。
我们的物理学怎么就成了这个样子？今天相对狭隘的物理学定义与传统的物理学定义其内涵一致吗？与物理学的形象相符吗？哪些办法是切实可行的？如何改进才是“表本兼治”？这些问题没有一个容易回答，特别是后两个问题。
二、我们是如何到了这种境地的
为什么现在物理学在大学被紧紧束缚？简单地讲，这是二战结束后数十年间物理学受宠信而大力发展的必然结果。二战期间，诸如雷达，核武器使人们认清了技术的重要性并由此使得人民、政府和工业界支持物理学研究的热情空前高涨。但其中绝大部分经费投入都集中在与防卫和电子工业相关的有限领域。并且，上述领域中那些没有明显短期效益的基础研究也得到了肯定，因为人们相信这些基础研究迟早会开花结果转变为可应用的技术。在当时那种形势下，物理学的多样性根本无法提到议事日程上来。因为工业增长和冷战对峙为大学培养出的物理学家提供了足够的选择和就业机会。同时，物理学研究经费来源很多，前景一片光明。但也正是这种一时的成功，导致了物理学界不少人的盲目乐观和丧失远见。他们忽视了这样一个基本事实，即物理现象的内涵远比二战后工业和军事的需要所涉及的领域要宽阔、丰富得多。
据美国物理学会（American Physical Society）公布的关于1920~1993年美国物理学博士人数的材料：美国物理学博士人数在第一次世界大战后的50年间呈持续指数增长状态。这当然不是件坏事。因为这种高速增长不仅有利于物理学系的迅速更新，而且也为新的物理系和专业的拓展创造了条件和机会。问题在于，任何指数增长都是有限度的，不可能长盛不衰。果然，这种增长到1970年突然停止，从此以后，物理学界的新老更新急剧下降。据格登斯（Lee Grodzins）的估计，1959~1960年进入有关物理学就业市场的物理学博士有47%被聘用，而70年代初期这一比例下降到了8%。另据国家科学院的有关统计：70年代以来，美国物理学各分支学科的变化也很小，人员流动极少。即使一些学科间有稍许流动，也只是维持了各分支领域间的相对平衡。从一定程度上看，1970年大学对物理学家聘用的大幅度减少，冻结了物理学各分支学科间人员的结构比例关系，而且直到今天仍无大的变化。
三、就业问题
任何大学和院系都不能无视其学生的就业问题。近期的《今日物理》在编者按中也对此表达了严重的不安和焦灼。1970年就业形势逆转以来，现在可谓每况愈下，恶化到了史无前例的程度。美国物理学会曾资助一项关于1979年前物理学就业市场的分析，其中许多内容对我们理解现在的问题也很有启发。报告认为：70年代的10年是物理学界和物理学家奔走呼号要求支持的动荡时期。特别是那些刚刚完成其学业的青年物理学家……。而60年代，毕业的青年物理学家则是在供不应求的形势下开始其职业生涯的，他们大都找到了自己满意的工作。从60年代起，物理学家的过剩问题已初露端倪，阳光灿烂的日子似乎到了尽头。而人口状况和联邦预算更是向物理学界敲响了警钟……。后来由于人们觉得科学对国家贡献甚少，华盛顿聪明的头头脑脑们认为：联邦资助应当转向国家更迫切需要的地方。70年代后，物理学界就业增长缓慢。能源问题、亟待改善的经济和随后里根政府注重国家防卫的思想都要求华盛顿投入更多的基础研究经费。在此之后的几年里，物理学界感到似乎要苦尽甘来了。然而到了80年代末，物理学家的就业状况又趋恶化，甚至变得比过去更糟。
四、物理学是什么？
物理学是什么？这个问题对于我们理解目前物理学家的职业前景并提出行之有效的措施而言是极为重要的，如果说现代科学的历程始于伽利略的话，那么人们称之为“物理学”的科学探索该有400年历史了。我们不妨问一问：从二战结束至今的这段时期，我们所言的“物理学”究竟是何种意义上的物理学，它能代表真正的物理学吗？显而易见，很难说这段时期的物理学能代表真正的物理学。物理学无疑早已从少数学者的个人爱好发展成为一项遍及全球的事业，而在这种转变过程中，物理学自身的性质是否也发生了改变呢？
在大部分物理学家看来，词典关于“物理学”的定义通常都没有反映物理学的全部内容。历史地看，似乎有这样一种趋势：随着时代的前进，物理学的领域被定义得越来越窄。例如，1860年韦伯斯特英语词典（未删节本）把物理学的范围定义得非常宽泛。认为物理学是“关于物质系统的科学 ……，该门学科范围极其广泛，包括理解和发现自然界和物质的属性、原因、结果、特征、运动、现象及其规律等”。到了1934年，该词典将物理学的定义改为：“研究物质及其现象的分支学科；自然哲学；此后又从其中依次独立分化出了生物学、天文学、化学和地质学。”换言之，对物理学的定义采取了将那些从物理学演化发展出来的专业排除出物理学领域的“排除法”。1985年，韦伯斯特第九版新大学词典对物理学的定义则变成了：“研究物质和能量及其在力学、声学、光学、热学、电学、磁学、放射性、原子结构和核现象领域的相互作用。”至此，物理学的定义已不是用“排除法”得出，而变为用限制性更强的“直接定义法”定义了。
当然，这些定义决不比那些有地位、有影响的物理学家所撰写的有关物理学的词条更狭隘。事实上，任一学科的作用和影响也都不是孤立单一的，物理学家往往会重新认识世界，认识那些有用的方法和领域。在19~20世纪之交时，当时已发展得相当完善的化学，在物理学家研究原子结构时再度成为物理学研究的热门领域。与此类似，本世纪30到60年代并未获得物理学家青睐的原子光谱学，由于激光技术使其测量手段焕然一新而又重新吸引了物理学家的兴趣。现在，生物学也正因有关大分子结构和分子控制技术的突破，而再次引起物理学家的兴趣。显然，学科内容的变化和由于技术手段所引起的专业复兴，往往和物理学有关。
为了得到“什么是物理学”的最好答案，为了更好回答“什么是物理学”的问题，我们不妨借鉴物理学史上一些物理学家的观点，例如，莫里斯 · 夏莫斯（Morris Shamos）在其所著《物理学中的伟大实验》清楚地表明：自伽利略时代以来，物理学作为一种科学探索的方式，已经切实地维持了它的整体性，物理学家对物理学的定义不是根据那些特定的专业和领域，而是基于那些把不同时期和不同研究活动结合为科学家共同体的一组概念工具。它们分别是：
（1）在一组核心学科方面接受过高级训练。目前，这些学科有力学、电学、磁学、热力学、统计力学和量子力学等。
（2）掌握了研究物理现象所使用的定f方法和整理数据的方法。
（3）有较强的抽象能力和打破常规的勇气和精神，能超越特定研究对象的洞察力和对问题本质的把握。
这些概念化工具比其他任何特征和标准更能使物理学家区别于其他科学家。应当说，最能体现物理学家与其他科学家不同的地方，不在于他们所涉及的领域，所研究的问题，而取决于他们所采用的研究方法和所寻求信息的特征。以概念化工具为基础的物理学定义也使物理学与其他一些被紧紧束缚的学科区分开来。例如，天文学家研究脉冲星I生物学家研究生命系统；而物理学对二者都关心，因此，这两者都是物理学的研究对象。用概念化工具而不是学科内容来定义物理学的作法是经过时间考验的。这种准确、简洁和定性的思维在伽利略的传世之作中，在费米杰出的物理学生涯里，乃至在近500年的物理学实践中都得到了令人信服的体现。所有这一切应当作为人们开拓物理学未来的光辉典范。
五、物理学向何处去？
面对严峻的现实，当今物理学将向何处去呢？不思进取、无所作为是不行的。因为这将导致物理学事业处于被动挨打的境地，将削弱物理学的规模和生命力。正确的态度应当是设法唤起物理学家的创造热情，采取强有力的进取措施。
借鉴物理学史上诸多成功经验，会有助于我们正确理解和看待与物理学有关的新问题、新专业。特别是当问题和专业完全超出当今主流物理学的研究领域时更应如此。历史表明，在物理学面临重重困难的时候，应当首先想到改革和拓展大学物理系的研究领域。而且，在拓展中强调的不应是学科的名称。而应是问题的重要性及其是否能用物理学方法去研究和解决。这种改革和扩展的必然结果是；物理学研究领域的扩大必然伴随着大学物理系学生专业训练范围的扩大和大学对物理学家需求的增加。
六、拓展物理学研究领域
这世界正不可逆转地前进着，而我们大学物理系的专业划分却依然故步自封，裹足不前。冷战结束后，国际竞争环境和经济因素使工业界比以往任何时候都看重短期效益，政府对物理学研究的拨款也比以前更严格审慎。同时，社会的需要也在改变，物理学已无法再如二战结束后一段时期内那样，以其带来激动人心的进步而成为引人瞩目的主角了。现在，诸如研究活的有机物、地球、成像和信息系统、大分子、复杂系统的非线性行为和新型多组件材料等问题的学科正日益受到重视，成为新的明星。虽然这些领域的研究也不是一帆风顺，但没人能否认在赢得社会支持和赞助方面其前景极其诱人。客观地讲，对物理学形成挑战的也都与这些现代发展有关。然而，目前这些问题大都被大学物理系回避掉了，不是因为物理学家无法把握它们，而是因为上一个20年那段特定的历史。
如果要维持物理学这一知识职业的重要性和生命力的话，大学物理系现在必须促进非主流物理学的教育和研究。完成这项任务将是困难重重和充满风险的，不但会难以从研究基金组织和大学负责人那儿争取到经费，而且还会有跨专业的阻力。最大的难题也许是难以招募和吸引有才华的年轻人与我们共同努力。因为物理系在不远的将来未必会愿意扩展，而新领域的引进将不得不牺牲一些原有的东西。我们并不是要物理系放弃主流研究，而是希望在接受新思想时更具有灵活性，以利在振兴物理学的机会来临之时，能够认识物理学沿着新方向成长的必要性。下面是我们的几条建议。
首先，现有物理院系必须充分认识扩大研究领域的重要性。那些准备进行改革的院系肯定会遇到诸多障碍，指望这些障碍能在关系复杂的高级研究人员中被轻易克服是不切实际的。另外，新的物理系也不可能独行其道。尽管困难不少，但改革必须要让有声望的高级研究人员参与进来。
第二，现有的各种研究建制必须准备对改革提供更多的支持。非传统研究领域课题的资助申请，应当由物理系之外的科学家进行评议，以便他们对物理系能否进行成功的跨专业研究提出质询，以往的经验表明，在得到肯定的评议结果后，对这些跨专业申请的怀疑通常都会烟消云散。但既有的大学物理系等各种机构必须为申请者提供到达接受评议和质询这一阶段所必需的支持，
第三，院系在评价申请者的资格时必须具备极大的灵活性。这并不是要降低评价标准，而是希望在对非传统物理学课题进行评价时，把物理系内外的意见有机结合起来。评价应当特别注重两个问题 :一是被评审的课题在其所属领域的重要性，二是被评审的课题能否反映物理学家的能力水平（如果只是对其他领域的简单模仿，那么应由其他相应的院系评审之〉。
第四，物理系必须要准备大力推进专业之间的互动，近年来，许多物理学家都在大谈跨专业研究的好处。可事实上，物理学家比其他领域的科学家更难适应这种互动。阻力在相当程度上来自物理学家的傲慢。物理学家应该承认，其他专业领域的研究传统也是由其自身的典型问题和研究方式等因素通过长期的实践而造就的。物理学家要想与他们有效地沟通、互动，就必须学习其特定的语言和专业基础知识。但不少物理学家却指望其他专业领域的研究者来适应、学习物理学的语言和方法。这未免过分天真了些。
对物理学家而言，建立跨专业研究领域的最有效办法就是与其他领域的科学家进行卓有成效的合作。这种合作不仅有利于研究的开展，而且还会使其他专业的科学家在评审物理学跨专业课题时更多地投赞成票。现在，已有一些鼓励跨专业合作的尝试性作法；如多学科合作教学、联合研究小组及合作培养研究生等。
七、扩展课程的设置
近年来年轻物理学家的尴尬处境，可以被看作是70年代就业形势急剧恶化的回音。正如菲斯克（M. D. Fiske）在对70年代的物理学市场分析时所指出的：五、六十年代是物理学家的黄金岁月，那时，人们认为支持物理学家研究他们所感兴趣的问题是理所当然的事情，因为大家相信物理学迟早会回报社会，就像资助有价值的交响乐和艺术一样。然而，70年代成长起来的那一代物理学家尽管与他们的前辈一样聪颖和有才华，却发现社会不愿再全力支持他们了。面对如此现实，他们深感震惊和失望，许多人蒙受创伤。菲斯克还认为，改革的出路在于增强物理学研究生培训的适应性而不是先去寻求应用性更强的研究。但迄今为止，研究生物理学培养仍无大的改观，仍局限于狭窄的领域。这也是造成现在物理学博士就业困难的原因之一。应当说，对70年代物理学受挫折原因的错误认识使物理学界今天再吞恶果。
如今，我们不得不面对两个相互矛盾的事实|物理学家的就业取决于大学所培养的物理人才能否满足社会需要，而现在的大学又很少培养未来社会所需要的物理人才。今后大有可为的一些专业和领域，如交通、环境、材料、消费品、保健、娱乐、服务和金融等对目前的大多数物理学家而言还很陌生。也许有些物理学界的同仁会说，物理学在这些地方没有用武之处。可如果一味坚持门户之见，必将使物理学事业日益衰落。我们坚信，事在人为。当物理学能向社会大量输送横跨众多领域而不是过分专业化的人才时，就业问题也就不成其为问题了。
当然，拓宽课程设置还会面临与拓宽研究领域同样的困难。太多大学的物理学专业训练仍难脱流行的物理学定义和狭窄专业思想的老框框。同时，也不能指望通过增加一些浅显的专题来拓宽课程设置。根据以概念化工具定义的物理学，我们坚持认为至少相当一部分问题应讲授得有足够深度，以使学生理解怎样才是真正解决了问题，因而，确定优先设置和讲授哪些课程就变得至关重要。此外，也许还应该明确，是不是所有的物理学学位都一定意味着同样的内容，或者说从全新的视角看待物理学和其他专业的边界又会出现怎样的情形？总之，研究生专业方向的改变势在必行。有关数据表明，美国全部物理学博士中近一半的人已受雇于物理学领域之外的部门。由此我们不仅要问，现在的训练是如何培养这些物理系学生承担其他工作，特别是在非大学环境中承担其他工作的能力的？现在的课程设置是鼓励学生进入非物理学领域进行跨专业研究呢，还是相反？物理学研究生与更广泛意义上的科学家，如大学的和非大学的、物理学家和非物理学家有接触吗？物理系对那些有兴趣在非传统物理学领域尝试和就职的学生态度又如何呢？
美国的许多物理学系已开始严肃地对待这些问题，但阻力依然很大。阻力之一是担心为满足学生就业需要而拓宽专业领域会影响物理学的纯研究。这种担心其实毫无根据。适应市场需求并不意味着一定要以牺牲研究和研究生的质量为代价。国家科学院在最近的一项题为“重构科学家与工程师的研究生培养模式”的报告中指出：研究生的研究经历是其就业多样化的重要基础。而且没有理由认为更多样化的研究环境会阻止最优秀的学生在大学物理系寻求职位。实际情况是，若大学之外的就业机会太少，这些优秀者往往会因害怕选择机会少而不来读博士，换言之，真正有生命力的物理学，一定会鼓励而不是削弱纯研究的发展。为进一步理解物理学纯研究和应用研究的争论，我们不妨看看斯宾赛 · 瓦尔特（Spencer Weart）1979年关于二次世界大战之间物理学的一项研究。20年代美国有远见的领导者认为，基础研究与应用研究密切相关。他们说服物理学界采取实际行动消除内部分歧。在这种形势下，美国物理学研究会（The American Institute of Physics）作为一个协调机构而宣告诞生，并在美国物理学会的旗帜下成为了与美国光学学会、美国声学学会等专业学会共存的姊妹机构。大约同时，一些新杂志如美国光学会刊、声学会刊、科学仪器评论等作为“物理学评论”的补充也相继问世。这些行动的最显著功绩正如瓦尔特所言，就是使物理学的基础研究和应用研究、工业研究和大学研究在整个经济衰退的年代发展壮大了起来。
当然，每个时代都有自己的特征、今天物理学教育的目标，应当是培养更多能洞察到物理学在新领域中发展机会的人才。这比我们先辈75年前所要完成的任务更为迫切和艰巨。
八、让物理学焕发青春
不可回避的是，我们这一代人年龄渐大，日见衰老。即使我们依然能保持较高的科学产出率，但在把握新的契机方面毕竟有些力不从心了。带领物理学进入新领域的重任恐怕得寄希望于年轻人。年龄结构老化也是当前物理学危机的一部分。我们塑造未来物理学不仅要重视、强调新领域的开拓，而且要让青年一代物理学家在这种转变中扮演领导角色。
在目前物理学所遇到的所有问题中，大学物理系成员老化是最棘手的，而且估计短期之内不易解决。我们认为最好也是最简单的方法，就是在一定条件下让年事已高的教授提前退休，如前几年加州大学所作的那样。当然，还应当注意相关的问题。一是提前退休计划不易从整体上控制和实施，例如，提前退休者再进入就业市场与他们的年轻同行竞争职位，或者年轻人仅仅是简单地取代退休者在原有领域的位置而没有任何学科领域的创新。二是提前退休计划有可能引起物理学的持续衰退。如果提前退休的动力不是来自物理学内部的话，也许会招致物理学界的竭力抵抗。在此，我们呼吁物理学家应以大局为重，积极推进大学物理系的年轻化。
物理学站在了又一个十字路口。我们必须直面学生就业困难、院系老化、专业老化，物理学与现代科学和技术的重要领域严重脱节等等问题。物理学向何处去？笔者对此也给不出不受磨难就能治愈创伤的灵丹妙药。前述一些设想也仅是一家之言。但我们认为，合理公正的答案只有通过物理学界开明的共同探讨才能得到。我们深深地关心着物理学事业的前途命运，也对未来充满信心。但要切记：未来的物理学决不能再画地为牢、作茧自缚了，因为未来物理学的兴衰取决于我们今天的正确努力！
［编译自Physics Today，1995年12期］