你可能以為物理學家大多在某一個領域深耕，但實際上有超過一半（63%）的物理學家都活躍在兩個或更多領域。他們的“跨界”遵循一定規律，形成了一張“物理學關係網”。
撰文 | 楊梟
編輯 | 金莊維
物理學誕生之初，伽利略這樣的自然哲學家可以掌握所有物理領域的知識。但如今，物理學經過400年的發展，學科已經繁榮而複雜。2019年1月，發表在Nature Review上的一篇文章（Taking Census of Physics）通過物理學家的論文和引用量等數據，量化了物理學各個領域的規模大小，繪製出物理學家在各個領域流動的圖譜。
哪個領域最受歡迎？
研究人員首先採用Web of Science上的物理論文及引用量數據，選取了發表在294個物理期刊上的320萬篇物理學論文。為防止丟失掉綜合類期刊中的物理學文章，他們又在Nature、Science等其他期刊上選取了引用文獻和參考文獻大多為物理領域的論文，獲得了一個擁有770萬篇文章的數據集。
研究人員將這些論文通過物理和天文學分類方案（Physics and Astronomy Classification Scheme）分別歸到九個子領域。結果表明，凝聚態物理學（CondMat）領域擁有的人氣最高，以46%的份額（62000餘名物理學家）佔據榜首。隨後依次是普通物理學（General，34000人），高能物理學（HEP，33000人），跨學科物理學（Interdisc，32000人），經典物理學（Classical，28000人），核物理學（Nuclear，24000人），原子分子物理學（AMO，20000人），天體天文以及地球物理學（Astro，19000人）和等離子體物理學（Plasma，不到11000人）。
物理學各領域人氣分布（圖源：參考資料[1]）
你可能以為大多數物理學家都在某一個領域深耕，但實際上他們並沒有我們想象中那樣分工明確——有超過一半（63%）的物理學家都活躍在兩個或更多領域。不過這種情況在不同領域之間差別很大，凝聚態物理、高能物理、核物理這三個領域的專才並不少（所佔比例分別是42%，34%，25%），因為研究者要熟悉大型設備，參與長期項目，以至於無暇關注其他領域。
“跨界”科學家往往能夠借鑒不同領域的研究思路和方法，這對做出新發現有很好的促進作用。不過，跨界也有一定規律。研究人員捕捉了這些學科之間相聯繫的蛛絲馬跡，發現上面九個細分領域可以歸為三個緊密的大領域：跨學科物理和凝聚態物理；經典物理、原子分子物理和等離子物理；高能物理、核物理和天體天文以及地球物理學，它們通過普通物理連接到一起（如下圖），形成“物理學關係網”。
物理學關係網。圓圈越大代表從事這個領域研究的物理學家越多，圓圈間的連線越粗代表領域之間的聯繫越緊密。（圖源：參考資料[1]）
從一而終還是見異思遷？
這種關係網的形成，與物理學的“演化”不無關係。研究人員統計了自1985年至2015年的數據，發現在1985年，最受歡迎的領域是凝聚態物理，但其增長率逐漸下降。而跨學科和天體物理雖然在三十年前非常小眾，研究人員數量卻在穩步增長。物理學領域發生如此重大變化的原因與社會政治背景密不可分。
20世紀80年代末是凝聚態物理、高能物理、核物理飛速發展的黃金時代。在冷戰背景下，這三個領域與美國國防部的聯繫最為緊密，研究的大部分資金均來自國防部。當時的蘇聯也是如此。這與統計結果相符：1985年至2015年間，64%的物理學家都將處女作發表在這三個領域。
但隨著冷戰突然結束，軍備建設事項的優先級迅速重置。接踵而來的，便是物理學領域的優先級調整。1993年10月，美國國會投票取消了資助超導超大型加速器（SSC）。
許多一開始做凝聚態的物理學家，後期逐漸轉向跨學科物理、經典物理和普通物理。高能和核物理領域因為學科相似性互相交流，還有部分流向了天體物理。
相比之下，跨學科物理很難用於起步。雖然它不是物理學家的誕生地，但是凝聚態和普通物理的研究者後期會轉向這裡。這與其交叉的特點是一致的。
等離子體和天體物理領域則是來得多、走得少。
物理學家在做選擇時都有各自的思量。有的物理學家從一而終在一個領域深耕，比如著名的物理學家克勞斯·馮·克利青（Klaus von Klitzing），為凝聚態物理領域貢獻了500多篇論文，並在1985年因為發現量子霍爾效應獲得諾貝爾獎。
相比之下，2017年諾獎得主萊納·魏斯（Rainer Weiss）就不那麽“專一”了。他學術生涯的第一篇論文是關於原子分子物理學中某個領域的研究，而他的“成名作”是雷射干涉技術的發明，與最初的研究毫無關係。
物理學的“演化”（圖源：參考資料[1]）
最有潛力的是……
物理學的“演化”帶來了哪些影響？
首先是團隊規模和論文產量。從1985年到2015年，以每篇論文合作者數量為指標，所有領域的團隊規模都在逐步增長，這表明科學家之間的合作越來越多。在高能物理、核物理和天體物理相關領域，大團隊合作的趨勢尤為明顯。諸如ATLAS（超環面儀器）這樣的大型實驗，使得這三個領域產量劇增。而其他六個領域的論文產量基本保持不變。
然而，對於所有領域，論文產量的增長速度都比不上團隊規模。儘管論文產量在增加，但人均產量卻都在下降。
其次是對原有評價體系的挑戰。一直以來，我們都用論文數量和引用量來衡量一位物理學家的影響力，但這一標準是否真的合理？
統計結果顯示，高能物理學領域的頂尖物理學家（前5%）在職業生涯的最初十年，平均合作發表169篇論文，積累超過7000次引用。相比之下，跨學科物理的數據是18篇論文，不到1000次引用。因此，當不同領域的物理學家競爭職位和資助時，學科本身存在的差異不容忽視。
這便衍生出更多問題：當青科在選擇研究方向時，如何知道哪個領域更有潛力？基金資助機構如何判斷哪個領域更值得投入？期刊編輯又該如何衡量論文的影響力？
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參考資料
[1] Battiston F, Musciotto F, Wang D, et al. Taking census of physics[J]. Nature Reviews Physics, 2019, 1(1): 89.
[2] Malmgren, R. D., Ottino, J. M. & Amaral, L. A. N. The role of mentorship in protégé performance. Nature 465, 622 (2010).
[3] Uzzi, B., Mukherjee, S., Stringer, M. & Jones, B. Atypical combinations and scientific impact. Science 342, 468–472 (2013).
[4] https://en.wikipedia.org/wiki/Rainer_Weiss
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