哥伦比亚大学固体物理

导语

“你要想得到诺贝尔奖的话，应该具备三个条件：第一，努力；第二，机遇；第三，合作精神。”

——约翰·巴丁

陈关荣 | 作者

邓一雪 | 编辑

约翰·巴丁（John Bardeen，1908年5月23日－1991年1月30日）先后于1956年和1972年获诺贝尔物理学奖，是历史上迄今为止唯一的一位两次获物理学奖的科学家。

诺贝尔物理学奖自1901年起到2021年止共颁发了116项，获奖者共222人次，其中巴丁获得过两次，所以总共有221人获得过该奖。再细分一下，116次颁奖中，47次只有一位获奖人，32次有两位获奖人，37次有三位获奖人。遗憾的是，女性诺贝尔物理学奖得主只有4位：玛丽·居里（1903年）、玛丽娅·格佩特-梅耶（1963年）、唐娜·斯特里克兰（2018年）、安德里亚·盖兹（2020年）。

图1 巴丁和他的签名

巴丁出生于美国威斯康辛州的麦迪逊（Madison）市。他的父亲查理斯（Charles R. Bardeen，1871-1935）是威斯康辛大学医学院的创始人和第一任院长，是个解剖学教授。他的母亲奥尔瑟雅（Althea Harmer Bardeen，1873-1920）从事室内设计和装饰业务。家中五个兄弟姐妹里，巴丁排行第二。

图2 巴丁全家（最右侧为约翰）

巴丁9岁时从小学三年班跳级进入麦迪逊公立中学初中一年班，第二年转学到了威斯康辛大学附属中学。不久，他荣获麦迪逊市中学生数学竞赛第一名。巴丁12岁时母亲因癌症去世。失去母爱的小巴丁性格变得忧郁孤独，长期情绪低落，学习成绩全面下降，法语甚至不及格。巴丁浑浑噩噩地过了三年之后，和哥哥同时高中毕业。

1923年，15岁的巴丁进入了威斯康辛大学电机工程系，同时还修读数学和物理。在那里，他1928年获物理学士学位，翌年获物理硕士学位。

1928年对巴丁来说，是他后来毕生物理学研究的起点。那一年，许多著名物理学家相继来到威斯康辛大学进行学术访问，包括约翰·冯·弗莱克（John H. Van Vleck，1899-1980）、彼得·德拜（Peter J. W. Debye，1884-1966）、保罗·狄拉克（Paul A. M. Dirac，1902-1984）、阿诺德·索末菲（Arnold J. W. Sommerfeld，1868-1951）、维尔纳·海森堡（Werner K. Heisenberg，1901-1976），其中不乏诺贝尔物理学奖得主。他们的各种学术前沿报告极大地鼓舞了巴丁，促成他立志向物理学方向发展。

巴丁毕业后留在大学做了一年的天线设计研究。上述几位物理学家的报告令他特别向往欧洲。他于是申请了剑桥大学博士奖学金，可惜没有成功。

1930年，美国经济开始进入大萧条。巴丁在位于匹兹堡的海湾研究实验室找到了一份工作，从事地球物理和海底探油技术的研发。不久，他发明了一种利用电磁场来勘探石油的新技术，但该公司保密使用了三十多年后才对外公布。

1933年，巴丁离开了海湾研究实验室，来到普林斯顿大学。巴丁希望能够跟从刚从欧洲来到普林斯顿高等研究院不久的爱因斯坦攻读博士学位。可是爱因斯坦无意接收研究生，于是他跟随匈牙利裔物理学家尤金·维格纳（Eugene P. Wigner，1902-1995），攻读理论物理。维格纳是一位优秀的物理学家，在诸多领域特别是原子核和基本粒子的理论研究方面有卓越贡献。1963年，维格纳因在原子核壳层模型方面的杰出成果获诺贝尔物理学奖。在普林斯顿，巴丁得到了维格纳以及后来成为美国科学院院士的弗雷德里克·塞茨（Frederick Seitz，1911-2008）的联合指导。

1935年春，即将毕业的巴丁获得了哈佛大学研究院提供三年资助前往哈佛大学访学。在哈佛，他采用维格纳－塞兹计算方法，得出了碱金属的内聚能和导电率与体积的关系公式。他的计算结果与后来的诺贝尔物理学奖得主珀西·布里奇曼（Percy W. Bridgman，1882-1961）用高压实验所得结果相符合。在哈佛，巴丁还与麻省理工学院后来的美国科学院院士约翰·斯莱特（John C. Slater，1900-1976）及其领导的固体物理研究小组建立合作，开始超导电性能材料的理论和实验研究。

1936年，还在哈佛访学的巴丁获得了普林斯顿大学数学物理学博士学位。在博士论文中，他推导出金属电子功能函数，用来计算一个电子从晶体内部溢出到晶体表面所需要的能量。

1938年，巴丁在离开哈佛大学之前和麻省剑桥一所女子学校的生物学教师简·麦克斯韦（Jane Maxwell，1907-1997）结了婚。两人后来育有两子一女。

图3 简和巴丁合照（1938）

图4 巴丁与简结婚50周年纪念照

1941年，第二次世界大战爆发。巴丁到了海军军械实验室工作，至1945年战争结束。在那里，他先后参加了船体去磁、水下扫雷、水雷设计、鱼雷设计等方面的研究。

1945年二战结束后，巴丁加入了贝尔实验室（Bell Lab）的物理部。1947年底，巴丁和沃尔特·布拉顿（Walter H. Brattain，1902-1987）合作发明了点接触型晶体管。在此基础上，实验室物理部主任威廉·肖克利（William Shockley，1910-1989）于1951年发明了结型晶体管。如所周知，晶体管的出现大大地改变了我们的世界，被誉为是二十世纪最伟大的发明。为此，三人共同分享了1956年的诺贝尔物理学奖。顺便提及，布拉顿是在中国厦门出生的，当年他父母在厦门一个小书院当外教。到布拉顿一岁时，他们全家返回了美国。

其实这三位诺贝尔物理学奖得主在获奖前早已因诸多内部矛盾而分道扬镳了。一般人认为主要问题在肖克利，因为他作为物理部主任对另外两位同事时有欺压行为。1951年，巴丁到了伊利诺伊大学（UIUC）物理学系和电机工程学系任职教授，布拉顿留在贝尔实验室但转到了另一个部门，而肖克利后来去了硅谷创办一个晶体管实验室。

图5 肖克利（前）、 巴丁（中）和布拉顿（右）在贝尔实验室

巴丁在伊利诺伊大学工作直至退休。在那里，他开展了低温超导理论和实验的长期深入研究。超导现象自1911年发现之后半个世纪内的研究没有什么进展。巴丁根据超导电同位素效应提出过一种超导电理论，但它很快就被实验证明是错的。巴丁于是意识到自己的场论基础不够。怎么办呢？巴丁明白，一个人不可能什么都懂，但可以找合作者补救。据李政道回忆，1953 年夏天，巴丁因为对李政道几篇极化子的文章很感兴趣，希望李政道能介绍一位年轻粒子物理和场论方面的专家来和他合作，共同研究超导物理问题。李政道正好知道在哥伦比亚大学的同事有一位天赋极高的研究生利昂·库珀（Leon N. Cooper，1930-）毕业后正在普林斯顿高等研究院做博士后研究，便把他推荐给巴丁。但库珀十分犹豫，说自己不懂超导物理。不过巴丁说，你懂场论就已经足够了。

1957年初，有一个国际凝聚态物理和统计力学大会在新泽西州的Stevens学院召开。巴丁派了他的博士生约翰·施里弗（John R. Schrieffer，1931-2019）去参加会议。在那里，施里弗听了李政道的讲演，大受启发，在会后回家的火车上想明白了一些关键的技术问题。他一到学校，马上就找巴丁和库珀报告了他的新想法。一周之后，师徒三人便正式公布了他们的合作研究成果，成功地解释了低温条件下金属超导电的现象。这就是后来以他们三人命名的“BCS理论”。为此，师徒三人共同分享了1972年的诺贝尔物理学奖。巴丁成为了迄今为止唯一的一位两度获得诺贝尔物理学奖的科学家。

图6 施里弗（左）、巴丁（中）和库珀（右）在UIUC

1978年，巴丁离开了伊利诺伊大学电机工程和物理学的教学工作，退为荣休教授。

接下来的 1980 年代，巴丁主要对电荷密度波的新量子力学理论感兴趣。他认为，电荷密度波可以解释为与超导性相同的宏观量子现象。巴丁人生最后十年致力于这项研究。

1991年1月30日，巴丁因心脏衰竭在波士顿一家医院里辞世，享年83岁。他被安葬在家乡威斯康辛州麦迪逊市郊的Forest Hill 公墓。1997年，巴丁的夫人简去世后和他合葬在一起。

图7 巴丁夫妇墓碑

巴丁一生的主要荣誉和奖项包括：

1952年，获富兰克林研究所颁发 Stuart Ballantine 奖。

1954年，获选为美国国家科学院院士。

1959年，获选为美国艺术与科学院院士。

1959-1962年，任美国总统科学顾问委员会委员。

1962年，获国际纯粹与应用物理联合会颁发低温物理Fritz London 纪念奖。

1963-1972年成为国际纯粹与应用物理联合会成员，并于1969-1972年出任主席。

1965年，获美国国家科学奖章。

1968-1969年，出任美国物理学会主席。

1971年，获 IEEE 荣誉勋章（Medal of Honor）。

1972年，获选为美国国家工程院院士。

1973年，获选为英国皇家学会外籍院士。

1975年，获富兰克林研究所颁发Franklin 奖。

1977年，获美国总统卡特颁发总统自由奖章（Presidential Medal of Freedom）。

1981-1982年，任白宫科学委员会委员。

1988年，获苏联科学院颁发罗蒙诺索夫金质奖章。

1990年，获美国总统老布什颁发Third Century Award，并被评选为20世纪最有影响的100个美国人之一。

1987年。获美国成就科学院（American Academy of Achievement）颁发金质奖牌。

巴丁虽然是个理论物理专业的学者，但他一生都关注实际应用。他担任过不少工业、企业和政府机构的咨询顾问，与工业界和政府部门保持长期的接触和联系。

巴丁与施乐（Xerox）复印机公司有长期密切的合作。从1949年开始，巴丁就在那里开始感光材料优化的研究。1952年起他担任该公司技术顾问，1961年进入公司董事会，1970年加入其技术指导委员会。在许多年里，巴丁一直是施乐公司的重要成员。

从1954年开始，巴丁还在相当长的一段时期内担任通用电气（General Electronic）公司的技术顾问。此外，巴丁还在新组建的科技企业和公司、特别是他学生创办的小公司里担任顾问，支持他们的创业并提供技术指导。其中一个特别成功的例子是1975年组建、后来发展得非常成功的Supertex 公司，起步时巴丁便担任公司董事会成员，在那里合作许多年，指导高压集成电路的研发。

巴丁还与日本索尼（Sony）公司有长期的联络和合作。1953年，巴丁认识了索尼公司的第一任实验室主任鸠山一郎和后来的继承者菊池武夫。1968年伊利诺伊大学庆祝巴丁60周岁生日之时，鸠山一郎专程从日本飞去参加庆典。1989年，菊池武夫专程到访伊利诺伊大学，代表公司捐款设立了“索尼－巴丁讲座教授”冠名席位，以表彰巴丁对电子工业的贡献。

两届诺贝尔物理学奖得主巴丁并不是那种锋芒毕露甚至盛势凌人的学术霸王。恰恰相反，他既没有骄横的气势也没有怪异的个性。他的朋友和学生都说他是个表里如一的普通人。事实上，巴丁一向以“为人低调”出名。他的学生们引进了一个“巴丁数”（Bardeen number），即一个人的成就除以他自我吹嘘的程度，作为一个人的谦虚指标。学生们认为，巴丁的这个数远远大于1，而很多学者的这个数都小于1。一个故事说，当人们祝贺巴丁荣膺两次诺贝尔奖时，他总是笑着解释：两次诺贝尔奖都是三个人分享的，所以我实际上只获得了三分之二个奖。

回顾巴丁的一生，他在学校、工业界和军队实验室都有长期的工作经验，又经历了美国经济大萧条和第二次世界大战。巴丁丰富而曲折的阅历加上聪明又用功的品格，造就了他这样一个科学奇才。

因为是名人，尤其是大名人， 坊间自有不少传说。这里只说两件比较靠谱的轶事。

1957年3月，巴丁和他的博士后库珀及博士生施里弗计划到费城参加美国物理学学会主办的一个国际学术会议，去报告他们师徒三人建立的关于金属超导物理的“BCS理论”。但是，巴丁临时却决定不参加会议了，让两位学生去做报告。巴丁是想让后辈们在学术界获得同行的公认。多年之后，巴丁以诺贝尔奖得主的资格提名库珀和施里弗两人为诺贝尔奖候选人。他的本意是让学生们也能获得和自己同等的奖励。出乎意料之外，诺贝尔奖评选委员会让他们师徒三人一起登上了1972年诺贝尔物理学奖的领奖台。

巴丁随即把刚获得的诺贝尔物理学奖奖金全部捐献给了由国际纯粹与应用物理联合会负责颁发的弗里兹·伦敦纪念奖（Fritz London Memorial Prize）基金，以纪念这位曾经对超导研究做出过杰出贡献的物理学家并奖励优秀的后来人。

1991年起，伊利诺伊大学（UIUC）物理学系设立了“约翰·巴丁奖”（John Bardeen Prize），每年由超导材料与机理国际会议负责颁发，奖励“为超导原理提供重要理论并导致可验证的预测”的杰出科学家。

图8 “约翰·巴丁奖”的奖牌

巴丁先后两次来访中国。1975年9月4 日，巴丁随美国固体物理学家十二人的代表团第一次到访北京。代表团中除了巴丁，还有两位诺贝尔物理学奖得主，就是他的前博士生施里弗和发现超导体隧道效应的1973年物理学奖得主伊瓦尔·贾埃弗（Ivar Giaever，1929-）。代表团在北京参观了中国科学院物理所、半导体所、生物物理所、北京大学、清华大学和半导体设备厂。之后，代表团到过西安、南京、无锡和上海，参观访问了西安交大、南京大学、无锡农村和工厂、复旦大学、上海机械厂等地方。该行程于9月15目结束。

巴丁第二次访问，是应中国教育部和北京大学校长周培源的邀请前来讲学。1980年4月30日，巴丁偕同妻子到达北京。副总理方毅在人民大会堂会见了巴丁夫妇。巴丁的学术交流活动主要在北京大学进行。五月中，他夫妇俩又到了西安、南京和上海参观访问。巴丁先后作了十二场有关超导物理发展与近况的学术报告和公众演讲，广受欢迎。讲学期间，巴丁再次访问了中科院物理所。在那里，他回答一个中国朋友的提问时半开玩笑地说：“你要想得到诺贝尔奖的话，应该具备三个条件：第一，努力；第二，机遇；第三，合作精神。”

图9 纪念巴丁的明信片