美国物理学会建立75周年，美国物理学史家斯宾塞 · 沃特(Spencer Weart)在周年纪念会上演讲，对物理学在过去75年的发展概况作了简要评述，而面对发展现状，又对今后75年的前景和趋势是否可能作出一定预测，发表了独到的见解。今年是量子力学建立80周年，且借此文，亦就对这一优异理论的光辉历程作一简单回顾。
量子力学的成功
75年前的1931年，量子力学问世才五年，但已显露其无可比拟的革命力量和无限强大的应用能力。美国物理学会应时而建立，实际上表示物理学已进入需大力扩展学术交流和社会合作的新时期；这是相对论和量子论所导致的物理学革命为现代物理带来的新特征、新面貌、新形势。
1925～1926年，海森伯和薛定谔等人赋予量子力学以坚实的数学基础；接着，玻尔和海森伯等人给出其崭新的物理解释。爱因斯坦与玻尔为了何者是量子力学的正确解释——尤其是关于量子态的真实性问题——而激烈争论；沃特认为，这场争论更接近于哲学(与实验科学相比而言)，因此凭藉于量子力学，显然会解决一些长期悬而未决的科学哲学问题。
狄拉克，作出了伟大的正电子预言，1932年，安德森利用其小型的云室，从宇宙线里发现了正电子。也在1932年，欧内斯特 · 劳伦斯发明制作了很小的回旋加速器原型(见图2左)，这最早的加速器可以把质子加速到1兆(106)电子伏；他企望用加速了的高能粒子把原子核打碎成核子，以实现核反应。不久，罗伯特 · 范德格喇夫创制了静电加速器，乃是另一类型的早期加速器。与此同时，爱因斯坦热衷于探索统一场论；然而，沃特认为，使场理论统一起来，只是一个愿望——一个落空的愿望而已，统一场论有其数学上的创造性，却没有什么物理意义。可是，狄拉克的相对论量子力学方程，把量子力学推上顶峰，这个理论大厦就得以建成了。
在广义相对论的狭窄领域里，比利时的勒梅特于1931年前后作出出色工作，却未被人们注意到；但一旦将他对广义相对论方程的解释与哈勃定律——埃德温 · 哈勃由天文观测证实：遥远星系的退行速度与其跟地球的距离成正比——联系起来，便能得出宇宙的时空在持续地膨胀的断言。鉴此，爱因斯坦抛弃了为保持宇宙稳恒而在其广义相对论方程中所引入的宇宙常数。1939年，奥本海默等人从广义相对论得出一个奇异结论，即存在所谓“黑洞”的时空区域；这在当时，不能与实验观测挂上钩，看来只不过是一个数学上的玩意儿罢了。
加速器的发明，为三十年代的物理学家展示了一条前进道路，从而引向亚核粒子的发现和对这些新粒子性状的认知。当时，物理学家还认识到原子核是巨大能量的“仓库”；四十年代，实现了人工核裂变，终使原子能大量地释放，从此改变了世界各方面的面貌。
在物理学进展中，还有一项惊人变化表现于仪器尺寸和实验规模的扩大：1932年安德森发现宇宙线中的正电子，用的云室甚小，而如今的中微子探测器是那样的巨大；1932年劳伦斯发明首创的加速器只有11英吋大小，而如今欧洲核子研究中心建造的大型强子对撞机，其周边竞有27千米长。实验规模的扩大，改变了物理学家的工作方式。譬如说，1931年的一些物理学研究论文的作者只有一、二位，而如今一些大实验工程的研究成果论文的署名者竟有数百位之多。这表明当代的一些物理学研究成果是多方面、多领域、大量研究人员的协作产物。
第二次世界大战后的几十年间建造了一些大型仪器，导致迷人的亚核粒子“动物园”的淋漓展现。三十年代，实验物理学家力图“击碎”核子；如今，布鲁海文的相对论性重离子对撞击碎了质子。从而证实六十年代所提出的强子由夸克组成的假说，利用此假说可对粒子动物园里的各粒子家属作出恰当的描述。七十年代粒子物理学的“标准模型”建立，与种种实验成果相符合。该模型可谓20世纪后半叶物理学的杰出成就。
就在1931年，化学家鲍林发表论文《化学键的本质》，利用量子力学构建了化学键的介键理论，从而开辟了量子化学的新领域。再者，利用量子力学解释光谱线分布及其谱线强度，甚为圆满。这两方面正是量子力学之强大应用能力的明显例证。如今，用标准模型计算同样的应用课题，其精确度大大提高。
尽管标准模型的成效经久不衰，但一些基本问题尚未藉以解决。沃特认为，微观粒子的实在性问题以及强子和轻子的对称性问题向人们提出了难以对付的挑战。量子理论基于原子光谱的规则性，而夸克假说基于由高能加速器展现的强子多样性，因此对于标准模型的重大规则亟需作出更为深入的解释。标准模型乃立足于量子力学的原有基础，而另外一些进展状况又涉及对这个“年届80”之理论的基本特征所给予的重新考查。激光器和其他一些精密仪器的使用，逐渐显示量子力学和玻尔-海森伯解释的正确性；然而，这些实验成果却证实爱因斯坦的如下直觉：量子物理学太诡谲，以致不能与通常认识相调和。在量子物理发展的同时，空间大范围的实验以及天文观测促使人们对广义相对论重新予以深入研究，爱因斯坦方程迄今也得到很好的检验。标准模型并非爱氏等人长期寻觅的统一场论，其理论基础是与广义相对论不相协调的量子论。有些物理学家希望三十年代量子力学的规则迳为后来的弦理论或膜理论所沿用。而有些物理学家却猜疑：弦理论或许更像电动力学里的以太理论。19世纪后期，某些一流物理学家认为，进一步考究以太理论以及电动力学的那组精致的麦克斯韦方程，有望提供对于一切物理现象的统一解释。
20世纪的头十年，量子论和狭义相对论的神秘性使物理学家感到探索之旅漫长而奇异；直到1928年，狄拉克的相对论量子力学方程建立，他们以为其探索之旅已抵达目的地。可是至今2006年，如沃特所云：物理学前沿理论探索的现状却显得更为混乱而神秘莫测，没有人知道是否会有新的重大突破、以及新突破何时会来临。
量子物理学的扩展
量子力学研究从原子领域深入到亚核粒子领域，实际上使物理学的探索对象超乎普通物质世界之外，微观物质层面与人们能直接感知的、普通的宏观物质层面有着截然不同的现象和规律，量子力学的原理和规则正是微观物质运动所遵循的。
至1931年，物理学家还已意识到，量子力学有非常灿烂的发展前景，尽管他们尚未明白会沿着哪些途径前进，即有哪些领域会发展得很快、以及会发展到怎样的程度。但有一个领域最明显，那就是固体——诸如晶体、超导金属等——物理领域，那时已引起物理学家的强烈兴趣。与超导性研究相关联的是低温实验。在三十年代已达到1 K的低温条件，如此低温是以测定氦Ⅰ和氦Ⅱ之间相变性状。至1931年，汉斯 · 贝蒂已解决了晶体的一维点阵问题，为后来完善的点阵动力学奠定了基础。也是在1931年，雅科夫 · 弗伦格提出激子概念——一种新的“粒子”，只可能作为晶体点阵里粒子相互作用的一种产物或形态而存在；这是类粒子激发概念，藉以可理解许多现象，诸如超导性等。据云，在1931年，海森伯还引入导体的电子海里的“空穴”概念。此概念迅即被艾伦 · 威尔逊、费利克斯 · 布洛赫等人用来发展关于金属和半导体的理论阐述。
图1费密和索末菲在1931年于罗马举行的核物理讨论会上。二、三十年代，国际性学术交流活动逐渐增多
如今，在凝聚态物理——物理学的这个最大领域里，博士的人数占据全部物理学博士之人数的比例在前十年里已不低于五分之一，而且比例数还在上升。六十年代，同时伴随着对流体研究的进展，凝聚态物质这个词代替了固态物质；对其所作的实验研究和理论研究成为“物质科学”中的“时尚和热门”。其中，奇特的超流性探索颇引人注重；如今已达到10-9 K的低温条件，这是有效研究超流性的保证。再者，对于磁性材料的研究不仅使人们得到智力上的满足，而且为计算机的数据存储量带来指数增长的甚快进展。当然，计算机本身的不断完善也依赖于对半导体内“空穴”动作的操纵。如今凭藉于计算机的“计算”，已可用来研究、解释流体现象、混沌、分形和其他种种现象，这是75年前的计算手段所无法比拟的。
此外，凝聚态物理已在生产部门和人们的日常生活中得到全面应用，这可谓是19世纪就开始的电气化，无线电的广泛应用导致工农业生产和人类生活的革命性转变的延续，所产生的社会效益是显而易见的。凝聚态物理是量子力学的重要应用领域；也就是说，它是扩展了的量子物理学的重要分支。
图2加速器的今和昔。左：劳伦斯拿着他发明、制作的回旋加速器的原型（1931年）；右：27千米周长的LEP对撞机环的阿尔法粒子探测器，于2001年拆除，改建为大型强子对撞机所用的更大探测器，即将在一二年内建成使用。
物理学与其他学科领域的交接
量子力学的发展途径，其实从1931年起，人们已看清了两条：其一是向内——深入到原子内部，其二是向外——遍及种种固态物质和流体；前者是探索微观物质层面，后者是探索宏观物质层面。然而，这两条不同途径的研究工作终究会聚拢起来。例如，厄恩斯特 · 鲁斯卡制成了第一台电子显微镜；在此仪器里，以电子来取代光束，将电子束聚焦成像。当然，电子显微镜对于探测微观物质的结构和性状颇为有用。如今利用这种仪器的工作原理，发展成射线断层摄影术，此新颖探测技术不仅对物理学有用，对医学和生理学也同样有用，甚至还用来检查人的精神状态是否正常。而对于纳米技术——例如其分子设计等——来说，新探测技术亦是至关重要的。直至如今2006年，这分子设计还不成熟，但肯定是一个有前途的发展方向。把分子尺寸的复杂机器引入生物体的细胞，当然是分子生物工程里的精致技术，通过这样的技术进展途径，一些边缘学科，如“医疗物理学”和“生物物理学”应运而生，并被赋予广袤的高新科技意义。
一些边缘学科，由物理学与其他学科相交接，这在三十年代还只是一个朦胧的意向，但在20世纪后半叶，已成为物理学发展最显著的趋势。譬如说，地球物理学是一门很有用的边缘学科，1957年前后，世界各国为发射人造地球卫星和发展近地空间技术而协同努力，地球物理学也就相应地快速发展。至1931年，大多数地质学家都已相信，大陆漂移理论取消了板块运动的物理极限，如今藉助于计算机，用地震的断层摄影术研究大陆板块运动的深层次结构，这也是地球物理学的前沿课题。
大气科学亦进步很快。1931年有一篇优秀论文是关于大气光谱学的，作者是爱德华 · 赫尔伯特。文中有创意的计算成果支持之前三十年有人发表的一条假设：大气中二氧化碳的含量若成倍增加，则就使地面温度可觉察地上升。长期以来，人们对于这一研究成果并不在意；而直到近十年内，才得到此假设中有关数据的精确测量值，并通过计算机的模拟，使所有专家确信：地面大气的温室效应，对于现代文明社会是否能保持良好状态，已形成为一种严重的威胁。而大气物理学作为独立的边缘学科而受到人们的重视。
天体物理学里另一个活跃的边缘学科。1931年前后，伯恩哈特 · 施米特创制的光学望远镜系统能拍摄天空广阔区域的高分辨率照片。弗里茨 · 兹维基把施米特的望远镜转向一个大的星系团，然后从其相对运动——因此而测的红移量——推断：星系团包含着一些看不见的物质。当时人们并不觉得此推断结论有多大的意义。但到今天，大范围的斯隆“天空数字搜查”获得大量数据，不仅使人们信服兹维基的“暗物质”存在的推断，而且由于这推断获得证据，则便表明：爱因斯坦在哈勃定律发现之后就抛弃了宇宙常数，是太草率的了。
又是在1931年前后，工程师卡尔 · 詹斯基用不甚精致的天线(见图3)研究无线电电话干扰，他后来证明，一些干扰来之于银河系；人们认为，源自银河系的发射并不干扰无线电通信。如今，天文学家用无线电波和非可见光波段的电磁波——即用射电望远镜——探查中子星和作为宇宙大爆炸残余的微波背景辐射。这些探查在三十年代是不可能进行的。
图3射电天文学的今和昔。左：1931年前后由卡尔·詹斯基制作、调整的无线电天线列陈，在新泽西州。右：27个无线电天线组成的甚大阵列，每个射电望远镜的直径为25米，1981年建于新墨西哥州。
另一项最杰出的贡献是爱因斯坦早在1917年作出的“光子的受激发射”预言。如今激光无处不用，但当初为什么没人注意到这也是一条促使物理学进步的有效途径呢？因为从爱因斯坦的出奇思想到激光工作装置，实在是一个太伟大的概念上和技术上的飞跃。激光发射器的诞生以脉泽(微波发射器)为先导；四十年代，雷达的激波技术发展了，才会导致对脉泽的研制，所以激光技术的兴旺也就比较晚了。
75年前，物理学家尚缺乏先进的仪器、充足的数据以及获取数据的通信网络和全球的合作系统，某些对于今天科学研究很重要的东西——诸如激光、玻色-爱因斯坦凝聚、微波背景辐射等等——1931年的物理学家是无法预知其发展前景的。
物理学走向社会
物理学不仅显示智力上的训练能力，而且也可作为人们及其公共机构的共同体协同努力的一个结果。1931年的研究生如果被送到今天相近规模的物理系，或许会发现许多熟悉的东西——包括课程、考查方式、论文指导教师、论文发表形式等方面的设置，与三十年代相仿佛。沃特觉得，可谓最妙的也是最糟的：21世纪的研究生教育，依然保留了19世纪德国所创办的大部分机构和教育方式。除了这些以外，过去的和现在的研究生想的就都是谋职问题。大多数物理学研究生希望在学术界谋得一职，也有一部分想到工业部门谋职，少数想进管理机关供职。但在1931年没有老板雇佣他们。幸运的是，过了几年，大学教育规模随着工业和行政机构的扩展而扩大。经济萧条和“二战”只是暂时中断了物理学工作者人数的指数增长(每12年人数翻一番)。
数量上的增长导致质量的变化。三十年代的许多物理学工作者从杂志上读到所有重要的东西，其研究课题，过了几年以后也就从一个分支领域转移到另一个分支领域。他们往往在不止一个专门领域里发表论文。物理学及其社团变成分支领域的联合体。边缘学科——诸如上述的天体物理学、地球物理学、生物物理学等等——使不同专业的研究者联合起来工作，现在的物理学家觉得这样做可使彼此相得益彰。
当然，物理学工作者人数的指数增长不能无限制地持续下去，到七十年代后期，发达国家的这个人数达到了社会乐于支持其研究工作的极限。此后，人数围绕极限值振荡；而这极限值随着经济总产值的增长而逐渐上升(在某些发达国家里上升得较快)。
如今研究工作的相互协作不断地加强，如美国物理学会这样的公共协作机构也扩充了不少，这说明物理学研究工作的社会性在增强，大范围、跨学科的相互协作是非常必要的。
物理学与军用设施之间的关联也加强了。此关联使得公众对物理学产生反感。1931年前后，一方面，科学系于第一次世界大战的异常恐怖；另一方面，科学系于促使经济扩展的新技术和挑战宗教信仰的新思想。当时，美国物理学会的奠基者们首先致力于专业刊物的出版，同时也要求新学会为改善物理学在公众心目中的印象而工作。今天，这样的工作确实比任何时候更为必要。
但是，公众对物理学的疑惑还是被他们对物理学带来的利益的了解所冲淡。1931年的研究生到现代化实验室就职，或许是盯住了那里的计算机系统。发展经济的许多方面，都计算机化了，这令人惊叹，就如1931年之前几十年实现了电气化时人们的心情一样。物理学家在工业部分工作的人数不断增加，八十年代以后此增长速度更快。1931年，美国物理学会会员在工业部门工作的约占其总数的12%，如今已增至24%。
未来的75年
通过对1931年和如今的发展状况的比较，能否了解未来的状况？最令人惊奇的是二者是多么的不同，某些已有的趋势可以用来推测未来。在未来的75年，恐怕难于持续地扩展物理学的应用和相关作业的可能性。但人们还是指望，借助于通信技术的进步，持续地改善协作机构的效用。然而，不能指望今后科学发展的速度会像过去75年那样快；科学发展要受制于世界经济形势的变化。
不可能预计事事都有线性型的发展趋势，科学家总倾向其呈现指数形式的激进。似乎合理的估算表明：人类的需求已超过地球所具有的能量，人们生存所消耗的资源不可能迅速地恢复，耗费的石油等资源——甚至水资源——在猛增。再者，气候的变化会使人类生存环境受到严重伤害。
2081年世界人口将高达100亿，到那时几乎没有可能使每个人的能耗量达到目前美国人(即使如俄罗斯人)的能耗平均水平。全球每个人对于物理资源和生物资源的消耗量，几乎可肯定将总是保持低于目前发达国家的水平。那末，人类经济是否会崩溃、生活标准是否会降低？不一定。相反，资源消耗量曲线可匹配以生产能力的指数增长曲线。莫尔定律——每两年翻一番——不仅对数据处理速度来说是成立的，对贮存能力(数据的贮存量)亦然。预期那么快地增长，有人则设想：再过几十年将达到人类有效智力的“︷点”(最高点)，越过此点会怎样回落，尚不可知。沃特说，人们犹如在进行一场比赛，期望改善能力的速度比资源消耗的速度快一些；为了赢得这场比赛，除了依靠物理学之外就别无他法。
与量子力学的发展进程相比照，物理学迄今并非处在其基础性发现之“巨浪”的顶点上。今后，至少有两条明显的发展途径。其一，进一步了解物质的基本性质；其二，直截了当地认识并操纵、利用物质世界。还有第三条途径：洞察基本粒子和全宇宙；尽管尚未能预见其有何具体利益。再者，除了纳米物理和生物物理这两个领域外，尚难在凝聚态物理学科内发现更多的奇迹；这两个领域是该学科的引伸，其前程无可估量。
关于未来的进展，还能作些什么预测？上文谈到过去75年里的许多未测预测到的发现——从激光到暗物质，从医疗物理学到气候变化，等等——都是取决于新款仪器(包括计算机在内)和大规模的观测计划。今天，年轻的学者也会将注意力投向新仪器的发明和创制以及大范围的合作组织上。人们预期：新仪器的创制和随之而订的观测计划，在以后二十年内可能一并实现。在未来的75年里，人们期盼着许多新的惊人发现接踵而至，就像过去的75年一样：一些发现是难以具体地先期预测的。
看来，沃特的一些基本看法是颇有道理的。
［沈葹据Spencer Weart：Trend-spotting：Physics in 1931 and today（载Physics Today June 2006）一文译撰］