【人物传记】唯一一位两次获得诺贝尔物理学奖-约翰·巴

1 约翰·巴丁简介约翰·巴丁英语John Bardeen1908年5月23日—1991年1月30日[6]是一名美国物理学家和工程师。他是唯一一个两度获得诺贝尔物理学奖的人第一次是在1956年与威廉·肖克利和沃尔特·布拉顿一起发明晶体管第二次是在1972年与利昂·库珀和约翰·施里弗一起发明被称为BCS理论的传统超导现象的基本理论。他发明的晶体管开启了数字时代他建立的BCS理论破解了超导之谜。2 生平与成长从丧母少年到物理巨擘1908年5月23日约翰·巴丁出生于美国威斯康星州麦迪逊市。他的父亲查尔斯·巴丁是威斯康星大学医学院的创始人和第一任院长母亲奥尔瑟雅从事室内设计。巴丁是家中五个孩子中的老二。巴丁的童年并不平坦。他9岁时从小学三年级直接跳级进入初中。第二年他在麦迪逊市中学生数学竞赛中获得第一名。然而12岁那年母亲因癌症去世失去母爱的小巴丁变得忧郁孤僻成绩全面下降法语甚至不及格。他浑浑噩噩地过了三年之后和哥哥同时高中毕业。1923年15岁的巴丁进入威斯康星大学麦迪逊分校电机工程系。他选择工程而非物理是因为不想像父亲一样成为学者同时也看好工程的就业前景。1928年他获得学士学位1929年获得硕士学位。1928年对巴丁来说是转折之年。那一年许多著名物理学家——冯·弗莱克、德拜、狄拉克、索末菲、海森堡——相继访问威斯康星大学他们的学术报告深深鼓舞了巴丁让他立志向物理学发展。1930年美国经济大萧条巴丁在匹兹堡海湾研究实验室找到工作从事地球物理和海底探油技术研发。他很快发明了一种利用电磁场勘探石油的新技术但公司保密三十多年后才对外公布。这段经历让他意识到自己更渴望基础研究。1933年巴丁进入普林斯顿大学攻读博士学位。他本想跟随爱因斯坦但爱因斯坦不收研究生于是师从匈牙利裔物理学家尤金·维格纳——后来的诺贝尔物理学奖得主。1936年巴丁获得数学物理学博士学位论文题目是《功函数的量子理论》。1935年至1938年巴丁在哈佛大学研究员协会担任初级研究员与后来的诺奖得主珀西·布里奇曼等人合作研究金属的凝聚和导电问题。1938年他离开哈佛前与麻省剑桥一所女子学校的生物学教师简·麦克斯韦结婚。两人育有两子一女相伴五十余载。1938年至1941年巴丁任明尼苏达大学助理教授。二战期间他加入海军军械实验室从事船体去磁、水雷设计、鱼雷设计等研究。1945年37岁的巴丁加入贝尔实验室开启了他改变世界的十年。3 核心贡献两次诺奖两个时代3.1 晶体管的发明数字时代的起点1945年10月巴丁加入贝尔实验室固态物理研究组组长是威廉·肖克利组员包括沃尔特·布拉顿。他们的任务是寻找固态放大器替代笨重易碎的真空管。肖克利提出的“场效应”原理——用外部电场控制半导体导电性——在实验中屡屡失败。巴丁通过理论研究提出半导体表面存在“表面态”束缚了电子阻止电场穿透内部。这一洞察让团队转向研究表面现象。1947年12月16日巴丁和布拉顿用一块三角形塑料板、金箔和锗半导体制造出世界上第一个点接触晶体管。他们观察到两个触点间的电压增益达100倍。这个“三条腿的魔术师”虽然原始笨拙却开启了电子革命。一个月后肖克利在此基础上发明了更稳定的结型晶体管。晶体管体积只有真空管的1/50无需预热功耗低寿命长让电子设备小型化成为可能。从收音机到计算机从手机到卫星晶体管是所有现代电子设备的核心。3.2 BCS理论破解超导之谜超导现象自1911年被荷兰物理学家昂内斯发现以来半个世纪内无人能解释——某些材料在低温下电阻突然消失成为没有电阻的超导体。玻尔、海森堡、费曼等众多大牛都尝试过却未能成功。1951年巴丁因与肖克利不合离开贝尔实验室到伊利诺伊大学香槟分校任教。从1950年代初他就开始思考超导问题。巴丁意识到需要借助场论专家的帮助。通过李政道的推荐他邀请哥伦比亚大学博士毕业的利昂·库珀加入。库珀起初犹豫说自己不懂超导巴丁说“你懂场论就够了。” 1953年巴丁的博士生约翰·施里弗也加入研究。1957年初施里弗参加学术会议在火车上灵光一现想通了关键技术问题。回到学校后师徒三人一周内完成了BCS理论的构建。该理论以三人姓氏首字母命名解释了超导现象的微观机理电子通过与晶格振动声子的相互作用形成“库珀对”在低温下凝聚成宏观量子态从而无电阻地流动。BCS理论被誉为“自量子理论发展以来对理论物理学的最重要贡献之一”。它为核磁共振、磁悬浮、超导磁体等应用奠定了理论基础。3.3 其他贡献巴丁在伊利诺伊大学建立了两个主要研究项目电机工程系的半导体研究实验与理论并重和物理系的宏观量子系统研究超导与量子液体。他的博士生中包括发明LED的尼克·何伦亚克1954级。1980年代巴丁专注于电荷密度波的量子理论认为这与超导性同属宏观量子现象。他在80多岁仍发表论文直到去世前一年还在《物理评论快报》和《今日物理》撰文。4 至暗时刻被排挤的天才沉默的离开4.1 与肖克利的矛盾晶体管的发明引发了三人之间的裂痕。肖克利在公开场合极力突出自己的贡献对巴丁和布拉顿有所冷落。更严重的是肖克利利用行政权力阻止两人参与晶体管的后续发展工作。巴丁选择了沉默。1951年他离开贝尔实验室接受了伊利诺伊大学的邀请。布拉顿也转去其他部门。只有肖克利后来去硅谷创业虽然被誉为“硅谷之父”却因专横的个性逼走了“八叛徒”——包括后来创办英特尔的诺伊斯和摩尔。4.2 不被理解的两次诺奖1956年巴丁与肖克利、布拉顿共同获得诺贝尔物理学奖。颁奖当天早上巴丁正在厨房给家人煎鸡蛋。女儿冲进厨房大喊“爸爸你获得了诺贝尔奖”巴丁吓了一跳手里的锅和鸡蛋掉在了地上。在给朋友的信中他写道“我怀疑委员会中的很多人都不确信晶体管这项技术值得获奖我自己也感到怀疑。”1972年巴丁与库珀、施里弗再次获得诺贝尔物理学奖。10月20日清晨一个越洋电话吵醒了熟睡的巴丁。他成为历史上第一位也是迄今唯一一位两次获得诺贝尔物理学奖的科学家。4.3 被遗忘的奠基者尽管两次登上诺奖领奖台巴丁在大众中的知名度远不如爱因斯坦、费曼等人。有人提出“巴丁数”概念用来形容“谦虚程度”等于成就除以自我吹嘘。物理学家巴哈特说一般人的巴丁数等于1就很不错而巴丁则为无穷大。巴丁自己开玩笑说因为两次获奖都是与他人分享所以其实只获得了三分之二的诺贝尔奖。5 思想遗产谦逊、合作与长青5.1 合作型科学家的典范巴丁的两次诺奖都是与他人合作的结晶。他对此深有体会“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。”在BCS理论的构建中他主动邀请库珀加入放手让博士生施里弗探索。李政道回忆巴丁曾坦诚自己场论基础不够需要专家帮助。这种“知道自己不知道”的智慧正是科学合作的精髓。5.2 晶体管的遗产数字时代的基石晶体管被公认为“20世纪最重要的发明”。它让计算机从庞然大物变成个人设备让通信从有线走向无线让信息从稀缺变为丰裕。正如英特尔CEO基辛格评价戈登·摩尔时所说晶体管“改变了这个星球上每个人的生活”。巴丁的晶体管和BCS理论共同支撑起现代电子和量子技术的两大支柱。从手机芯片到核磁共振从超导磁悬浮到量子计算处处有他的影子。5.3 谦逊的权威巴丁的精神遗产巴丁一生低调。1956年获奖后当地报纸头版标题是“本地一女子的丈夫获得诺贝尔奖”。1972年第二次获奖后他带齐所有孩子参加颁奖典礼——兑现了16年前对瑞典国王的承诺。他的学生尼克·何伦亚克LED发明者回忆巴丁从不摆架子总在办公室门上的留言板写满公式和年轻人平等讨论。这种“巴丁数无穷大”的品格在崇尚张扬的学术界显得尤为珍贵。6 时代启示6.1 合作胜过单干在AI时代知识分工愈发精细没有人能通晓一切。巴丁的故事提醒我们最伟大的成就往往来自优势互补的团队。他不是最聪明的那个却是最会合作的那个。6.2 低调的力量巴丁用一生证明真正的权威不需要自我标榜。在社交媒体泛滥、人人争夺注意力的今天他的沉默是一种反潮流的清醒。6.3 基础研究的长远价值巴丁研究超导时没人能预见它会催生核磁共振和超导磁体。晶体管发明之初也无人想到它会改变世界。在AI热潮中我们更需要巴丁式的耐心——不为追逐热点只为探索真理。7 结语沉默的巨人1991年1月30日约翰·巴丁因心脏衰竭在波士顿一家医院辞世享年82岁。他被安葬在家乡威斯康星州麦迪逊市的福里斯特希尔公墓。1997年妻子简去世后与他合葬。中科院院士周光召曾评价“在科学史上巴丁不像爱因斯坦那么有名但我觉得他是真正的物理学家。”巴丁的“真正”在于他用谦逊与合作在两大领域都登上了人类认知的顶峰。他的晶体管点亮了数字时代他的BCS理论照亮了量子世界。而他自己始终躲在光芒之外做一个沉默的巨人。8 荣誉与著作文献8.1 荣誉年份荣誉名称授予机构备注1952斯图尔特·巴兰坦奖章富兰克林研究所1954美国国家科学院院士美国国家科学院1954巴克利奖美国物理学会1955约翰·斯科特奖章1956诺贝尔物理学奖瑞典皇家科学院与肖克利、布拉顿共同获得“表彰对半导体的研究和发现了晶体管效应”1959美国艺术与科学院院士美国艺术与科学院1959-1962美国总统科学顾问委员会委员白宫1962弗里茨·伦敦纪念奖国际纯粹与应用物理联合会低温物理领域最高荣誉1963-1972国际纯粹与应用物理联合会成员1969-1972年出任主席1965美国国家科学奖章美国总统1968-1969美国物理学会主席美国物理学会1971IEEE荣誉奖章电气与电子工程师协会“表彰他对固体导电理解的深远贡献、对晶体管的发明以及对超导微观理论的贡献”1972诺贝尔物理学奖瑞典皇家科学院与库珀、施里弗共同获得“表彰他们共同发展的超导理论即BCS理论”1972美国国家工程院院士美国国家工程院1973英国皇家学会外籍院士英国皇家学会1973詹姆斯·麦迪逊奖章普林斯顿大学1975富兰克林奖章富兰克林研究所1977总统自由勋章美国总统卡特美国最高平民荣誉1981-1982白宫科学委员会委员白宫1987罗蒙诺索夫金质奖章苏联科学院1990世纪百位最有影响力的美国人《生活》杂志入选1990第三届世纪奖美国总统老布什表彰对美国创造力的杰出贡献此外巴丁一生获得16个荣誉博士学位当选美国哲学学会会士。8.2 著作与文献巴丁的学术成果以论文为主主要发表在《物理评论》Physical Review等期刊年份标题合作者意义1936《功函数的量子理论》独立博士论文计算金属电子溢出晶体所需的能量1946-1947半导体表面态系列论文布拉顿等为晶体管发明奠定理论基础1948晶体管相关专利布拉顿等点接触晶体管的专利1957BCS理论系列论文库珀、施里弗超导微观理论的奠基文献1980年代电荷密度波系列论文发表于《物理评论快报》《今日物理》直到去世前一年BCS理论论文发表后立即成为凝聚态物理学的经典至今仍被广泛引用。欢迎访问我的网站BruceOu的哔哩哔哩BruceOu的主页BruceOu的博客BruceOu的CSDN博客BruceOu的简书BruceOu的知乎欢迎订阅我的微信公众号关注公众号[嵌入式实验楼]获取更多资讯欢迎订阅我的知识星球关注知识星球[嵌入式实验楼]获取更多资讯