既然都要“炒菜”，材料科学和凝聚态物理有什么不一样？

既然都要“炒菜”——烧炉子、长晶体、调配比，材料科学与凝聚态物理究竟有什么不一样？这个反复被追问的老问题，折射出两门学科研究对象的重叠与定位模糊的尴尬。

本文从美国顶尖高校材料系的核心课程切入，通过“晶体结构-缺陷”与“热力学-动力学”这两组对偶，揭示材料科学独立的底层逻辑。文章指出，相比于凝聚态物理倾向于在简化模型中追求普适，材料科学的灵魂在于直面并调控“缺陷”。这种视“不完美”为工程机遇的独特视角，不仅构成了两者的分水岭，也为重构材料人才培养体系提供了启示。

撰文 | 傅楚亮（宁波东方理工大学）

“核心课程”可以说是一门学科的“名片”。比如数学有各类分析（傅里叶、复、实、泛函）；物理系的学生则需要学四大力学。这些基础学科经过几代理论或实验学家的打磨，已经变得非常优雅且自洽。相比之下，应用类或工程类学科往往难以形成同样完备的体系：它们被夹在了基础科学与现实工程之间。拿材料科学来说，它和凝聚态物理学的研究对象高度重叠，常被视作体系庞杂、不那么“纯粹”的“应用物理学”。但作为一门独立学科，它与凝聚态物理的区别究竟在哪里？

这种定位模糊的尴尬也反映在了培养体系上。我们究竟应该教什么？学生是该扎根基础理论，还是尽早投身于具体工程实践？若过度偏向基本原理，则易与物理学、化学的培养路径趋同；若过分侧重具体技能，又恐窄化成单纯的技术训练。面对这种困境，究竟该如何构建一个真正有价值的培养体系？

美国经验观察

为了探寻答案，我们不妨将目光投向材料科学发展较为领先的美国。在美国，材料科学起步其实很晚，其兴起和定义很大程度上受到了资助机制的影响。材料科学作为独立学科的标志性事件可能是1960年代，美国高级研究计划署（Advanced Research Projects Agency，ARPA）资助建立了一批 “材料科学实验室”，把各路研究整合在同一旗号下[1]。如今美国国家科学基金会（National Science Foundation，NSF）的材料研究部（Division of Materials Research，DMR）整合统筹了一大批五花八门的科研项目，无论是生物材料、陶瓷、凝聚态、电子和光子材料，还是金属和纳米结构，聚合物，以及固态化学，均被纳入其中。

这似乎给人一种印象：材料科学是资助机制催化整合的“大杂烩”，其本身的体系支离破碎，学科跨度极大，也导致各个大学材料系的侧重点各异其趣。比如我们很容易注意到，传统材料系保留着浓厚的冶金传统，而新建的材料系则更多聚焦生物、功能或量子材料等新方向。这意味着不同学校往往需要制定风格迥异的课程体系，学生掌握的知识也因此“南腔北调”。

那么，能否努力建立一个统一的概念框架，用以容纳所有这些小方向？能否将材料科学以某种底层的逻辑框架组织起来？

笔者曾听一位冶金方面的前辈调侃说，新兴的纳米科学是在“炒冷饭”，因为冶金学家们很早就在用一些同样处于纳米尺度下的结构（比如G.P.区）去调控材料力学性质。笔者认为，纳米科学的关注点更多是量子限域和尺寸效应——虽然风格类似（推进到极限去探索），但目标和内容却又有所不同。不过这种横跨不同材料科学领域思考共性的考量给了笔者很大的启发。

或许是为了解决分裂，人们逐渐提出了“结构-性质-加工-性能”的四面体模型来描述材料科学，后来又加入了“表征”这一角。这一框架以其系统性与整体性的思路梳理了材料科学的基本任务，试图从一个统一的观念出发来看不同材料的材料科学。至今材料和冶金领域的顶刊Acta Materialia仍然以这一正四面体作为封面和标志。遗憾的是，笔者认为这一学科框架过于一般化，难以对实际的教学体系构建提供具体指导。

有没有一个底层的体系，既能以统一的范式整合所有材料分支，又可以为人才培养提供切实可行的方案？材料科学能否摆脱“应用物理”的影子，像基础数学、物理学那样演化出拥有独立底层逻辑的学科框架？

我们可以先借鉴美国一部分优秀大学的博士基础课程作为参考。

在U.S.News 2025的美国材料科学的排名中，排在头三位的大学分别是MIT，西北大学和斯坦福大学。在这三所大学的材料科学项目的博士核心课程中，斯坦福的安排（热力学、动力学、缺陷/无序、结构对称性、量子）充分体现了“材料 = 结构对称性 + 缺陷/无序 + 热力学+动力学演化”这个范式；西北大学的 PhD 核心课程则包括热力学、相变、晶体/非晶、缺陷、固体物理、力学性质，体系很扎实； MIT的课程体系除了常见的热力学与动力学，另外两门必修课程则分别是与结构材料更相关的材料力学和与功能材料更相关的电光磁学。

除此之外笔者还调研了其他一些美国知名大学材料科学博士项目的基础核心课程（即必修）安排。尽管各校课程名称各异，但其核心内容可归纳为以下几大板块（见下表）：

可以注意到，在几乎所有顶尖的美国材料系，研究生阶段的核心课程主要围绕四根支柱展开：晶体（电子）结构、缺陷、材料热力学和材料动力学。若深入其哲学内核，结构与缺陷构成了“对称 vs 对称破缺”的一组对偶，而热力学与动力学则区分了平衡态与非平衡的演化——如果你喜欢数学家 Atiyah 的说法[2]，可以理解为“几何 vs 代数”。虽然后一组对偶更加基础，但材料科学真正的工程灵魂却在前者。材料科学关注的核心问题，是各种缺陷在不同晶体对称性下如何影响材料的性质与性能;而热力学与动力学，尤其是它们的可观测量的理论计算和实验测量方法，则是解析相应时空尺度下材料行为的基本研究工具。除此之外顶级学校还会加入量子力学、固体物理、材料力学，以及表征、合成或计算方向的选修课。

材料科学与（凝聚态）物理学的对比

有趣的是，在笔者指出的这两组对偶构成的四大核心课程中，除了“缺陷”之外，其他三门或多或少都能在更为基础的物理学科中学到：热力学很难超出物理系统计力学的内容，材料动力学可以理解为某种输运理论，晶体结构相关的课程则不会超出固体物理导论的范畴。唯有“缺陷”是材料科学真正的独有领域。物理学家向来热爱从简化模型（如“真空球形鸡”）出发，只有在安德森局域化、量子霍尔效应这类“没法绕过去”的问题上，才不得不正面迎击缺陷与无序。而材料科学，从冶金领域的各类强化机制开始，就天生在和缺陷、杂质、复杂的微结构打交道了。一些对于材料科学研究的批判，比如“随便换个体系换个掺杂就能发一篇”，其实只是在对缺陷的理解还很粗糙的情况下，一些学者不得不采取的现实做法。

当然，说物理系只研究完美系统其实也有失公允。就像著名物理学家 Michael Berry 曾说过：

“关于量子力学，一种老派的观点认为它研究的是波。另一种不那么老派的、从数学中汲取有趣物理内涵的方法，则主张研究奇点。”[3]

又或者正如Steven Weinberg所言，“到混乱中去（Go for the Messes）”。尤其是近年来笔者注意到了一些拓扑缺陷相关的量子多体理论，这些理论使用了很深邃的数学工具，笔者不敢妄谈理解。但其与材料科学核心关注点的差异，还是来自于视角和使命不同：物理学似乎倾向于把缺陷或者反常看作“对完美的破坏”，进而在美学的驱动下发展出更新颖、更优雅的普适理论，去简练地容纳和表示出那些奇异性；而材料科学则将缺陷或者反常当作可供工程化的“可调控的现实”。你能识别出多少类“缺陷”，就决定了你能想象出多少类材料科学，多少种可以制备、调节、优化材料的空间。就连表征方法也透露出分野：材料人常追的是电子显微镜下的实空间成像下的微结构和缺陷，凝聚态物理人则更关心动量和能量空间里的色散关系，常使用的是非弹性散射。有趣的是，散射谱学的另外一个分类方式，是将表征方法区分为是否含时，这就又与材料科学的热力学与动力学的对偶“对应”了。

比起凝聚态物理学，材料科学更需要务实地处理那些打破完美对称性的局部异质性、缺陷、复杂的微结构。虽然我们已经熟悉不少从第一性原理出发的底层理论，但要做到“按图设计材料”仍很困难，这恰恰是因为材料系统本身是高度复杂的多尺度系统：其混乱的缺陷广泛分布于各个空间尺度上，而缺陷和微结构的演化过程又跟各个时间尺度互相耦合。没有量化的缺陷描述，再完美的晶格理论也只是背景板，而不是可用于工程的脚手架。

当然，缺陷与晶格基本结构之间、缺陷与缺陷之间的相互作用也可以产生新的“普适性”。这就留出了一个“交叉研究”区间。物理学和材料科学在价值上没有高下之分，只是关注点不同：一个看抽象普遍性，一个看具体复杂性，两者出发点不同，路径偶有交汇。这种分野或许也存在于纯数学与应用数学之间。从追求的道路来看，物理学作为基础学科，力求以最简洁的方式塑造或表示出新的一般性的认知，强调相应的智力挑战和美学[4]；而材料科学则更强调工程实现能力，力求理性地厘清和掌控现实中材料的复杂性，并将新的认知应用到真实的工业实践中去。总而言之，凝聚态物理追求的是简洁而普适的基本原理，而材料科学的世界是要直面现实的“具体”和“复杂”的。

这种差异本可以成为材料科学摆脱物理学等基础学科，构建自身底层逻辑的发展契机，但往往被粗糙的课程设计打回原形。尽管笔者缺乏对国内材料科学教学体系的经历和了解，但至少在美国，缺陷相关的课程仍然鲜被纳入最核心的教学体系。如果课程只是晶体结构、材料力学、电磁学、量子力学、表征、相变、热力学等各类子学科的松散拼凑，学生自然会产生困惑：这些内容物理系不是教得更深吗？力学部分是不是机械系更“正宗”？课程的割裂也让学生难以形成统一而连贯的认知框架。这说明不少材料科学院系的课程设置，很大程度上仍受限于历史惯性和各个系的方向选择，而缺乏内在的系统逻辑。

一个更好的教学体系？

回顾材料科学目前的培养体系，我们的课程还有很大改进空间。其中一个突出问题是，上文提到的“双重对偶”实际上可能未被贯彻。例如，通过调研美国各类学校的博士课程体系，我们注意到一些院校并没有把“缺陷”相关课程列为核心；还有些学校将“力学性质”和“电子/光学/磁性性质”完全分开教学，未能通过“缺陷”建立两者的“纽带”。这源于材料科学自身的历史断层：传统材料科学强调冶金与力学性能，新兴方向更关注新颖的功能材料。结果就是，即便设置了缺陷相关的课程，教学内容也往往继承冶金传统，被局限在材料力学范畴，而不把缺陷看作统一调控结构材料与功能材料的核心。这主要是由于受制于领域之间的壁垒，横跨结构材料与功能材料的研究者非常稀少；此外，我们的教研评价体系也似乎更鼓励深耕特定领域形成利基（niche）。有些学校虽然意识到学生需要尽可能同时理解结构材料与功能材料两大方向，但苦于没有清晰的体系，最后只能寄希望于让学生自我摸索。

要解决这个问题，设计一门整合性的“缺陷课程”可能是一种解决方案。这门课可以在提供一定基础知识的前提下，以广泛的案例分析的形式，同时讨论各类缺陷对结构、功能等多种不同材料的性质、性能的影响，实现“晶体结构-缺陷调控”这一对偶轴的完整性。这样设计，既能服务主攻冶金与结构材料的学生，也能服务研究半导体与功能材料的学生。也许会有人担心，这样的课程对聚合物或生物材料方向的学生是否不适配。但这恰恰提示我们，应当思考“缺陷调控–晶体结构”这一对偶能否迁移到聚合物或生物材料中。

对偶轴另一端“晶体和电子结构”相关的课程，则应强调建立对完美的晶格、倒空间、能带理论、对称性、以及相关的表征的基本认知。不必要求工程领域课程达到像物理系固体物理那样的深度——但或可更强调与缺陷调控作对比，以及着重讨论相应的动量空间和实空间中的表征方法，从而以一种一般性的教学为学生打下基础。

而在“热力学-动力学”这对轴上，材料系普遍已有较强共识——这也许应归功于计算热力学和动力学相关社区的不懈努力。虽然统计力学往往在理论高度上远远高于材料系的材料热力学，但是材料热力学应当更关注考虑了复杂组分、局部异质性、缺陷和多场耦合的热力学稳定性。而动力学方面，则应当强调探索对应的避免或者制造相应缺陷的材料动力学。从这点来看，一旦考虑到缺陷，这对对偶在教研中的探索可能仍稍显不足。

以德国马普可持续材料所为核心，近年来相关研究社区开展了缺陷相图的研究。但平心而论，这方面的探索可能仍处于早期阶段。或许正是因为这一点，2025年美国国防部的多PI交叉学科项目（MURI）也选择了缺陷相动力学作为其资助主题之一，试图推进相关领域的进一步发展。此外，受限于笔者的了解，传统的以相图计算为代表的计算热力学、计算动力学和相关理论计算研究似乎更集中于结构材料和冶金领域。未来如果要进一步深化拓展相应的教学体系，或可尝试将类似方法也引入到功能材料的研究中，在结构材料与功能材料之间打破壁垒，以实现跨子领域的一体化理解。

总而言之，这一教学框架或许比传统的“结构-性质-加工-性能”四面体模型更具实践意义，但也对本科和博士早期训练提出了更高要求。要实现这个体系，学生必须在数学、物理、计算机（含AI）方面都打好一定基础，而各个院系也需因地制宜调整核心课程的侧重点。透过这样一个整体性的教学框架，潜在目标是提供宽口径的基础教育和知识体系，让学生在掌握基础的同时有能力通过清晰的学科框架快速进入各个研究前沿。另一方面，则是让学生有机会比较不同研究子领域或者工程实践中处理实际复杂性的共通之处，从而快速积累起在具体问题上实践的经验和信心。毕竟无论是本科还是硕博阶段，教育的重点不就在于帮助学生积累解决困难的经验，并确立更为宝贵的信心吗？正如爱因斯坦所说：

“我反对这样一种观念，即学校必须直接教授那些在日后生活中会直接用到的专业知识和技能。生活的要求是如此五花八门，以至于在学校里进行这种专门的训练是不可能做到的……比起专业知识的获取，独立思考和判断力的综合培养应当始终放在首位。”

信息化时代的思考

随着 ChatGPT、DeepSeek 等大模型重塑知识的获取方式，笔者在最后想谈谈信息化时代对材料科学本身的影响和相应的人才培养的一些思考。

首先，“AI for Science”正在重塑材料科学的这四个方向：生成模型正在加速新晶体、新分子结构的发现；缺陷工程正借助机器学习对高度复杂的缺陷体系的学习和拟合能力；热力学和动力学的模拟也越来越依赖数据驱动的机器学习势函数。在实验端，机器学习对于材料表征的自动解谱，合成、测试的AI辅助自动化也将对新材料的开发大有助益。

这其中的关键在于，深度学习能够更好地克服“维度灾难”，换句话说是能够从数据出发，更高效地应对系统的复杂性。而材料科学作为一个理论和实验裂隙很深的复杂性学科，复杂性往往正是由不同对称性的晶体结构与各种各样的缺陷在各个时空尺度下相互杂糅产生的。从这一点上来看，当我们把处理材料科学中的各种复杂关联映射成一个应用数学的数据挖掘问题时，深度学习很自然地成为了最有效的工具之一。

值得一提的是，实验端对材料的解析与观测能力的提升主要得益于材料表征、光谱学的发展，特别是近年来“大装置”的不断升级。而当我们从数据或者计算的视角切入，将其转化为一个计算科学的问题之后，近年来计算能力的进步，也恰恰主要得益于“大算力”的提升。两者分别代表了实验端与计算端观测能力的飞跃，它们未来的深度耦合很可能孕育下一轮的机遇。

信息化时代也对科学研究和人才培养提出了新的挑战，突出表现在以下两个特征：

1.信息的交互与世界的发展正以前所未有的速度进行。一方面，如果不积极对外交流而把自身限制在某一个特定的领域，就会错过很多机会，失去转型的空间。另一方面，如果在底层原理方面得到某些突破，这样的传播速度将会使其迅速扩散到其他领域。这就需要我们以更开放的心态面对不同学科以增强适应能力。深度学习就是一个近年来快速扩散并成功应用于多个领域的典型案例。在上个世纪的物质科学方面，则是量子力学。但在那个年代的信息交互工具主要是印刷术，而如今已经是现代化的信息网络了。因此，深度学习在各个学科的扩散速度远胜当年的量子力学，而这一点我们正在亲眼见证。

2.从基础学科到应用学科的链条上，细碎的机会是很多的。在经历过上个世纪的基础科学的黄金时代之后，很多基本原理层面的问题已经得到解决，但打开的是一个更精彩的大门：有很多细碎但不可忽视的问题广泛散布于各个小领域。这些问题本身虽然被基本原理约束，但具体场景却千变万化，有无数差异化的需求和机会显露出来——其中也可能蕴藏着发现新的基本原理的大机会。

这两个特征提示我们需要在新的时代更注重培养下一代学生的基本功、对前沿新工具快速学习的适应力、对基本原理的迁移延拓能力和捕捉问题（尤其是细分领域问题）的洞察力。而这需要我们不断深耕“教研融合”，致力于将这门横跨基础科学与工程应用的学科，以更具内在联系和普适性的面貌呈现给学生。最后，我也想说明：扎实的数理基础固然重要，但同样重要的是认识到，即便是同一套理论基础，在不同学科里也有不同的落地方式。如果学习没有方向，就很容易忘掉；若问题本身没有结构，我们的思维也只会停留在表层。本文借材料科学一隅做了初步思考，希望能抛砖引玉。

2025.12修订于浙江宁波

致谢与说明

1.本文最初以知乎问答等形式流传于互联网，后重新梳理打磨，遂成此文。由于笔者资历和经验尚浅，虽然努力尝试但仍深感难以充分驾驭如此宏大的教学问题。如有不足、错误或冗余表述、得罪之处，还请读者多多包涵。

2.笔者感谢宁波东方理工大学助理教授汪硕的阅读，以及他的大力支持和鼓励。本文的成文受益于在弗吉尼亚大学的经历，博士后导师的指导，以及与程谋阳、Phum Siriviboon、Michael Landry、汪汪研究院内同学的有益讨论。

3.笔者本人受益于一定程度（但仍很有限的）的数学与应用数学的训练。此文也受到了林家翘先生的工作和鄂维南老师的《应用数学新时代的曙光》的影响和启发，尝试跳入具体学科中梳理基础科学与工程应用的关系。

4. 笔者感谢《返朴》编辑部对本文文本的修改建议和修订。

注释

[1] 这一说法采取了英文维基materials science词条对相关历史的说明，以及杜伦大学（Durham University）历史学家Joseph Martin的文献 "What’s in a name change? solid state physics, condensed matter physics, and materials science." Physics in Perspective 17.1 (2015): 3-32.中的相关记述。这篇文章以物理学的视角回顾了相关学科的命名演变和创生历史中的曲折故事，可作为感兴趣的读者拓展阅读的材料。

[2] M. Atiyah, Mathematics in the 20th century, Bulletin of the London Mathematical Society 34, 1 (2002).

[3] M. Berry, Wave geometry: a plurality of singularities, Quantum Coherence , 92 (1991).

[4] 关于物理学的美学的界定、讨论以及物理学家对其的重视，最精彩的论述或许是杨振宁先生的杂文和对应的演讲，《美与物理学》。

注：本文封面图片来自版权图库，转载使用可能引发版权纠纷。

特 别 提 示

1. 进入『返朴』微信公众号底部菜单“精品专栏“，可查阅不同主题系列科普文章。

2.『返朴』提供按月检索文章功能。关注公众号，回复四位数组成的年份+月份，如“1903”，可获取2019年3月的文章索引，以此类推。

版权说明：欢迎个人转发，任何形式的媒体或机构未经授权，不得转载和摘编。转载授权请在「返朴」微信公众号内联系后台。