兩次獲得諾貝爾獎的物理學(xué)家

若蘭

諾貝爾獎獲得者的名單中群星閃耀，約翰·巴丁（下文簡稱“巴丁”）就是其中綻放光芒的一顆。作為迄今為止唯一一位兩次獲得諾貝爾物理學(xué)獎的科學(xué)家，巴丁的創(chuàng)造性工作對電子學(xué)和固體物理學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了極為深遠(yuǎn)的影響。

少年聰慧展鋒芒

1908年5月，巴丁出生于美國威斯康星州麥迪遜市。9歲時，巴丁從小學(xué)三年級直接跳級升入初中，展現(xiàn)了他在學(xué)業(yè)上過人的天賦和智慧。在接下來的求學(xué)之路上，巴丁始終保持著亮眼的學(xué)習(xí)成績。1923年，15歲的巴丁完成了大學(xué)預(yù)備課程，進(jìn)入名校威斯康星大學(xué)麥迪遜分校電機(jī)工程系學(xué)習(xí)，并輔修數(shù)學(xué)和物理學(xué)。1928年，巴丁取得學(xué)士學(xué)位。一年之后，巴丁又取得了碩士學(xué)位。

1930年，巴丁被海灣石油公司錄用，從事地球物理探油技術(shù)的研究。不久后，巴丁就發(fā)明了一種新的電磁學(xué)方法來勘探石油，這種方法能大大提高勘探效率。雖然身在海灣石油公司，巴丁始終關(guān)注物理學(xué)的前沿動態(tài)。1933年，巴丁果斷放棄了待遇優(yōu)厚的工作，自費(fèi)去普林斯頓大學(xué)攻讀博士學(xué)位，研究理論物理。1935年，巴丁的博士論文還未完成時，他就獲邀成為哈佛大學(xué)研究會的初級會員，并得到了該協(xié)會三年的基金支持，讓他可以專心做研究。1936年，巴丁獲得了普林斯頓大學(xué)博士學(xué)位。

發(fā)明半導(dǎo)體三極管

1945年4月，巴丁加入貝爾電話公司實(shí)驗(yàn)研究所，成為固體物理研究小組的成員。這個小組的主要研究任務(wù)就是研發(fā)半導(dǎo)體三極管。電子管曾經(jīng)推動了無線電的蓬勃發(fā)展，但它始終存在損耗大、易出故障、攜帶不便等問題，因而半導(dǎo)體三極管的研發(fā)勢在必行。

組長肖克利提出了構(gòu)造半導(dǎo)體三極管的設(shè)想，即將一片金屬覆蓋在半導(dǎo)體上面，利用金屬與半導(dǎo)體之間的電壓所產(chǎn)生的電場來控制半導(dǎo)體中通過的電流。然而，肖克利在實(shí)驗(yàn)中一直觀測不到場效應(yīng)（在物理學(xué)中，場效應(yīng)指的是使用外加的電場改變材料的導(dǎo)電性），這就意味著他的理論始終無法被實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。巴丁加入后，提出了“晶體管效應(yīng)”理論，他發(fā)現(xiàn)在外加電場的作用下，電子被吸引到半導(dǎo)體的表面并被束縛在那里，形成了嚴(yán)密的屏蔽作用，從而阻止了電場穿透到半導(dǎo)體內(nèi)部，因而不能形成電流。巴丁和組員們一起巧妙地借助含正負(fù)離子的電解液，改變了晶體表面電荷的分布，解決了這一難題。

1947年12月，世界上第一只半導(dǎo)體三極管成功問世。人類被帶進(jìn)了數(shù)字時代，一場電子工業(yè)革命徐徐拉開帷幕。我們現(xiàn)在所使用的各類電子產(chǎn)品，幾乎都運(yùn)用了半導(dǎo)體三極管技術(shù)。1956年，巴丁與同事肖克利、布拉頓因發(fā)現(xiàn)晶體管效應(yīng)共同獲得諾貝爾物理學(xué)獎。

創(chuàng)立BCS理論

在朋友的引薦下，巴丁于1951年5月到伊利諾伊大學(xué)任教。在那里，他開始重拾超導(dǎo)理論研究。超導(dǎo)現(xiàn)象（指材料在低于某一溫度時，電阻變?yōu)榱愕默F(xiàn)象，而這一溫度稱為超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度）最早于1911年被發(fā)現(xiàn)，吸引了無數(shù)科學(xué)家嘗試進(jìn)行超導(dǎo)理論研究。但像愛因斯坦、費(fèi)曼等大科學(xué)家的嘗試，最后也以失敗告終。在很長一段時間里，超導(dǎo)理論的研究進(jìn)展都被視為“理論物理學(xué)的恥辱和絕望”。

為了解決超導(dǎo)理論問題，巴丁帶領(lǐng)自己的學(xué)生組建了一個“超導(dǎo)電性理論”攻關(guān)團(tuán)隊(duì)。團(tuán)隊(duì)的兩位成員分別是博士后庫珀和正在攻讀博士學(xué)位的施里弗。經(jīng)過2年的努力，他們便創(chuàng)立了BCS理論（B——巴丁，C——庫珀，S——施里弗），從微觀上對超導(dǎo)電性做出了合理的解釋。

巴丁不僅帶著學(xué)生終結(jié)了“理論物理學(xué)的恥辱和絕望”，還十分尊重愛護(hù)學(xué)生的榮譽(yù)。巴丁單獨(dú)提名了庫珀和施里弗兩人為諾貝爾物理學(xué)獎候選人。令人欣慰的是，瑞典皇家科學(xué)院最后還是給巴丁團(tuán)隊(duì)的三人一起頒發(fā)了1972年諾貝爾物理學(xué)獎。

巴丁匯集了眾多成就于一身，把自己的一生獻(xiàn)給了科學(xué)事業(yè)。巴丁不但尊重前輩的研究成果，還培養(yǎng)了一批才華橫溢的學(xué)生，無愧為物理學(xué)發(fā)展史上的常青樹，永遠(yuǎn)激勵著后來者。

（摘自《科學(xué)啟蒙》2022年第8期）