小研究生與諾獎得主的一場對決

約翰·巴丁（左）與布賴恩·約瑟夫森（右）。圖源：諾貝爾基金會

導讀：

一名研究生預言了超導材料中一種新奇的現象，遭到了一位超導大佬、諾貝爾獎得主的質疑，隨之而來的是二人在一次學術會議上當面交鋒，相互不肯讓步……

當這名研究生的預測得到實驗證實，諾獎得主在會議上收回自己的批評，并主動提攜這位研究生。最后，這位諾獎得主在諾獎的球場上梅開二度，這位研究生的工作次年也獲得嘉獎。

瞿立建｜撰文

SAIXIANSHENG

會議交鋒

1962年9月16日至22日，第八屆國際低溫物理會議在倫敦瑪麗女王大學舉行，來自美國的物理學家約翰·巴丁獲頒倫敦紀念獎[1]，這是低溫物理學領域的一項大獎。這里倫敦不是指會議舉辦城市，而是德國物理學家弗里茨·倫敦（Fritz London，1900年3月7日—1954年3月30日）。巴丁的獲獎理由是，與合作者利昂·庫珀（Leon Cooper，1930年2月28日—2024年10月23日，相關閱讀：）、約翰·施里弗（John Robert Schrieffer，1931年5月31日—2019年7月27日）一起，發展出了超導的微觀理論，現在稱為BCS理論。

六年前，巴丁因發明晶體管獲得1956年的諾貝爾物理學獎。與一些科學家諾獎即巔峰不同，巴丁獲得諾貝爾獎之后，很快迎來事業的第二次高峰，于1957年破解了超導的微觀機制謎題，這一難題當時已經讓物理學家困惑了近50年。

在這次國際低溫物理會議上，巴丁是毫無疑問的焦點之一。不過，會場上還有另外一個焦點——22歲的研究生布賴恩·約瑟夫森（Brian Josephson，1940年1月4日—）。

那年7月，約瑟夫森發表的論文（Phys. Lett. 1962, 1, 251 ），預言了一個令人驚奇的現象：兩個超導體中間隔一層薄薄的絕緣體，而超導體中的電子對可以穿過絕緣薄膜。這是一種宏觀的量子隧穿效應。這就好比困在井里的粒子，經嶗山道施法，它們便可穿過墻壁，并且不留一個孔洞。這篇論文甫一發表便引起了很大的反響。

就在約瑟夫森的論文發表一個月后，巴丁發表了一篇類似主題的文章。他在論文的腳注中寫道，約瑟夫森的論文不可能是對的[2]。

因此，當巴丁和約瑟夫森都來到第八屆國際低溫物理會議，同行們睜大眼睛，豎起耳朵，想看看二人是否會就此展開交鋒。在會場的大廳里，挪威物理學家伊瓦爾·賈埃弗（Ivar Gi?ver，1929年4月5日—，1973年諾貝爾獎得主）介紹約瑟夫森和巴丁認識。約瑟夫森嘗試向巴丁解釋自己的理論，但巴丁聽后搖了搖頭，說：“我不這么認為。”——因為他已經仔細考過過這個問題。然后，巴丁就離開了。對此，約瑟夫森感覺很沮喪，甚至懷疑巴丁是不是盛名之下其實難副。[3]

會議專門安排約瑟夫森和巴丁相繼作報告。約瑟夫森的報告正是關于他的最新超導遂穿理論。約瑟夫森的報告結束后，巴丁開始講他的單電子隧穿理論，包括認為超導體電子對不可能穿過絕緣層的觀點。巴丁講到半途，約瑟夫森提問打斷巴丁的報告，對巴丁的每一條質疑都給出了有力的回復。二人如此質疑、作答來回了幾輪，但巴丁依然不相信約瑟夫森的解釋，約瑟夫森反問道："你計算過嗎？沒有吧？我算過。"

但總體來說，二人都保持了很好的風度，聲音溫和，理性探討。

最后，巴丁張開雙臂擁抱約瑟夫森，就像父親擁抱孩子，然后，離開了會議室[4]。

很多超導大牛見證了超導史上的這場著名辯論。從許多圍觀者看來，研究生約瑟夫森略占上風。比如，會場內皮埃爾-吉勒·德熱納（Pierre-Gilles de Gennes，1932年10月24日—2007年5月18日，1991年諾貝爾物理學獎得主）明確支持約瑟夫森的觀點，來自斯坦福的威廉·利特爾（William Little，也稱為Bill Little）也認為斯坦福應該聘用約瑟夫森。

曾經在美國國家標準局工作29年的科學家Donald McDonald專門研究約瑟夫森效應和超導電子學。他曾撰文記敘這場辯論，認為“它是年輕人和成熟經驗的較量，大膽和深厚經驗的較量，以及數學和直覺的較量。”[3]

他還提到，雖然巴丁創建了 BCS 理論，但約瑟夫森認為自己比創造者更理解它。

那么，BCS理論到底是一個什么樣的理論？

SAIXIANSHENG

超導BCS理論

電子在材料內部定向移動形成電流，不同的材料對電流的阻礙能力不同，這種能力可以用電阻來表征。電流受到阻礙的原因，主要來自電子與晶格上的原子碰撞，電子被碰得亂飛，難以定向移動。

以往的研究發現，溫度越低，晶格上的原子的振動越弱，與電子的碰撞程度越低，電阻也就越低。一個自然而然的問題就是：當溫度降到極致，比如接近絕對零度時，原子幾乎不再動，電阻會怎樣？

有人猜測，電阻將逐漸變為零；也有人認為，電阻將逐漸降低到一個很小的值，但不會是零，因為晶格不可能完美，材料中總會有缺陷或雜質，對電子移動有阻礙作用。還有人猜想，電子會被“凍”住，不再移動，結果就是電阻將非常大。

只是，這個問題長期停留于猜想的層面，因為沒有人知道如何獲得那么低的溫度。直到1908年，荷蘭物理學家海克·卡末林·昂內斯實現了1.15-4.25K的低溫。這時候可以研究低溫下材料的電阻了。

1911年，昂內斯指導實驗室人員研究低溫下水銀的電阻。實驗發現，水銀電阻隨溫度降低而降低，當溫度下降到4.2K時，水銀電阻突然變為零！

昂內斯（Heike Kamerlingh Onnes，1853年9月21日—1926年2月21日，1913年諾貝爾物理學獎得主）（左）發現了超導現象，即水銀的電阻突然變為零（右）。圖源：Wikimedia Commons

昂內斯發現的這一現象現在被稱為超導。此后的幾十年里，科學家一直對超導現象迷惑不解。為什么電阻會突然變化？溫度尚高于絕對零度，晶格上的原子還在振動，電阻為什么就變為零了？

那個時候，令物理學家感到崩潰的現象太多了，超導只是其中之一。從20世紀初開始，物理學家深入到原子內部的微觀領域，用20多年的時間創建出似乎違背常識的量子力學。

在物理學家們對量子理論消化吸收50年后，超導現象終于得到解釋，完成這項杰出工作的正是約翰·巴丁、利昂·庫珀和羅伯特·施里弗。

巴丁1908年生于美國威斯康星州，1928年畢業于威斯康星大學麥迪遜分校，獲得電氣工程專業理學學士學位。他大學讀了5年，因為修了大量物理和數學的課程。1929年，他獲得本校電氣工程專業理學碩士學位。

1930年，在石油公司工作的巴丁感覺工作沒意思，辭職進入到普林斯頓大學攻讀博士學位，并在1936年獲得數學物理博士學位。1935年至1938年，巴丁在哈佛大學做訪問學者。在普林斯頓和哈佛期間，巴丁做的是將量子理論應用于固體的研究，開始嘗試解開超導之謎。與其他理論家不同，巴丁注重從實驗文獻中去找理論的“感覺”。[5]

1938年起，巴丁任明尼蘇達大學助教授。很快，美國卷入二戰，巴丁為軍方工作。二戰結束之后，巴丁加入貝爾實驗室，在這里他和同事發明了晶體管。

1951年，巴丁加盟伊利諾伊大學厄巴納-尚佩恩分校（UIUC），決定全力以赴投入到超導的理論解釋。

1953年，巴丁招了研究生羅伯特·施里弗。一年半后，施里弗向導師要博士課題。巴丁從抽屜里拿出一張紙，上面開列了10個課題，讓施里弗選。施里弗選了最后一個課題——超導。

施里弗知道這個課題的難度，他又征求物理系教授Francis Low的意見。Low問他多大了，施里弗回答24歲。Low說，那就干這個課題吧，還年輕，干不下去再換課題不遲。[6]

巴丁給楊振寧打電話，請推薦個懂場論的學生來，楊振寧推薦了庫珀。巴丁向庫珀解釋了自己對場論方法解釋超導的前景。庫珀當時正迷茫，因為他感覺場論里簡單問題都被解決了，只剩啃不動的難題了。他考慮了幾個月后，接受了巴丁的邀約。

這樣，BCS湊齊了。

巴丁（中）、庫珀（右）、施里弗（左），拍攝于1967年，圖源：Physica Scripta 2015, 90(2): 028002

庫珀很快洞察到，電子如果能結成對，超導理論可望取得突破。但是，電子都帶負電，相互排斥，如何能結成對呢？

施里弗打了這樣一個比方，材料中的電子就像舞池中的舞者，有些舞者，即便中間隔著很多其他舞者，人們也能看出他們是情侶或一對，因為他們步調一致。現在問題的關鍵是，如何給出數學描述。[7]

1956年11月1日，巴丁因發明晶體管獲得諾貝爾獎。在應付紛沓而來的各路祝賀之余，巴丁依然把主要時間用于超導研究上。但施里弗想打退堂鼓了，他找巴丁說，自己發表文章的壓力太大了，想換個課題。巴丁說，再干一兩個月吧，等我從斯德哥爾摩回來再說。[7]

巴丁從斯德哥爾摩回來，繼續埋頭于超導研究，圣誕節當天依然在工作。

1957年1月底、2月初，施里弗和庫珀在紐約參加學術會議。一天乘地鐵，施里弗拿出演草紙，繼續做自己的數學推導。這一次，靈感降臨了，他寫出了電子對的波函數。[8]

BCS三人繼續埋頭苦干，六個月后，終于完成BCS理論。

BCS理論是這樣解釋超導的：材料中的電子在晶格中跑的時候，會輕輕拉拽晶格，晶格上的原子可看作陽離子。晶格輕微變形之后，形成一個正電荷略微過量的空間區域，從而吸引第二個電子。正是由于這種間接作用，兩個電子聯系在了一起，結成了對。這樣的電子對，現在稱為庫珀對。

庫珀對形成機制示意圖。圖源：https://web.pa.msu.edu/people/tessmer/s-S_TI.htm

庫珀對可看作一個玻色子，玻色子可處于同一狀態，庫珀對也是一樣，失去了自己的身份，結成一個整體。所有庫珀對以嚴格同步的步伐通過超導體，不懼雜質和晶格的碰撞，即材料不再表現出電阻。

BCS理論橫空出世，在全球超導研究界掀起進一步研究的熱潮。其中一項重要進展來自約瑟夫森，劍橋大學的一位年輕研究生。

SAIXIANSHENG

約瑟夫森預言庫珀對隧穿效應

約瑟夫森于1940年生于英國威爾士，1957年入讀劍橋大學，僅用兩年時間便通過了著名的Mathematical Tripos考試，覺得數學沒意思，轉而去學物理，依然游刃有余，被老師稱贊解題“如刀切黃油般絲滑”。[9]他也展現了自己的科研天賦，本科期間就發表了一篇重要論文[10]。

1960年，約瑟夫森本科畢業，繼續在劍橋讀研究生。1961至1962年，美國物理學家菲利普·安德森在劍橋講課。他回憶說，當時班上有一個名叫布賴恩·約瑟夫森的學生，讓他感到非常不安，因為他必須保證一切都必須是正確的，哪怕語流停頓不當，否則約瑟夫森會在課后找他來糾正[11]。

菲利普·安德森（Philip Anderson，1923年12月13日—2020年3月29日，1977年諾貝爾獎得主），圖源：Wikimedia Commons

當然，約瑟夫森找安德森，除了交流課堂的內容，還經常跟安德森交流自己所做的一些理論推導和計算。

一天，安德森交給約瑟夫森一篇文章的預印本，約瑟夫森在此論文基礎上做了一些理論推廣，然后與安德森討論。[12]

約瑟夫森設想了一種三明治結構：兩個超導體夾一薄層氧化膜，氧化膜是絕緣體，不導電。對于這樣一種結構，約瑟夫森的理論計算表明，通電之后，電流可以流過氧化膜，且無電阻，氧化膜也是超導的，電阻為零。這暗示，庫珀對穿越了薄薄的絕緣體。

只是，這種現象在經典物理學實驗中理論上不可能發生，因為絕緣的氧化層會像墻一樣把電子擋住。但是，在量子力學里有一種隧穿效應，微觀粒子可以像聊齋中的嶗山道士一樣穿墻而過。約瑟夫森預言了一種量子隧穿現象，不過不是一個電子在遂穿，而是結成對隧穿。

約瑟夫森還預言，他設想的三明治結構中的超導電流還與絕緣層兩邊量子波的相位差有關，相位差越大，超導電流越大。將三明治結構接入外部電流源，外部電流比較小時，會觀測到超導電流，如果外部電流太大，會有多余的電子無法配對，體系便會表現出電阻，兩超導體之間會有電勢差。絕緣層兩邊量子波相位差會隨時間變化，電流是相位差的正弦函數，因此，三明治結構中的恒定電勢差卻產生了交變電流，這一預言非常違反常識。根據約瑟夫森的預測，三明治結構中1毫伏的電勢差產生的交變電流的頻率為驚人的1000億赫茲（1000GHZ），這遠遠大于如今個人電腦的CPU頻率。

約瑟夫森效應示意圖。圖源：hyperphysics

安德森與約瑟夫森的論文導師布萊恩·皮帕爾德（Brian Pippard，1920年9月7日—2008年9月21日）仔細審查了約瑟夫森的推導和計算，認為數學推導沒有問題，物理意義不敢保證，可以發表。1962年7月，約瑟夫森的論文發表于Physics Letters上。

超導體隧穿效應早在1960年就被伊瓦爾·賈埃弗（Ivar Gi?ver，1929年4月5日—，挪威裔美國科學家）發現了[13]，巴丁在1961年給出一個理論解釋（Phys. Rev. Lett. 1961, 6, 57 ）。但巴丁的解釋遭到批評，芝加哥大學的Morrel H. Cohen，Leopoldo M. Falicov和James C. Phillips等人在1962年4月給出了更清晰的論證（Phys. Rev. Lett. 1962, 8, 316），約瑟夫森從安德森獲得的預印本正是這篇論文。

針對來自Morrel H. Cohen等人的批評，巴丁準備再發表一篇論文來回應。在這期間，約瑟夫森的論文發表出來了。

巴丁在校樣回應論文時讀到了約瑟夫森的文章，因此在回應論文中添加一個校樣注（Note added in proof）說，基于物理直覺，庫珀對隧穿的概率極低，約瑟夫森的文章不可能對。

巴丁與約瑟夫森的相反意見引起了第八屆國際低溫物理會議組委會的注意，組委會邀請二人面對面公開辯論。于是有了本文開頭巴丁與約瑟夫森的正面交鋒。

這次會議舉行的時候，安德森已經從劍橋返回到美國的工作單位貝爾實驗室，著手與實驗學家合作，驗證約瑟夫森的理論。果然，他們在實驗上觀測到了約瑟夫森預言的超導電流，1963年發表了相關論文（Phys. Rev. Lett 1963, 10, 230; 11, 200）。約瑟夫森預言的其他現象也陸續被實驗證實。這意味著約瑟夫森效應的正確性無疑，同時也就意味著——巴丁錯了。

巴丁，諾貝爾獎得主，超導理論一代宗師，如何面對這樣的結果？

SAIXIANSHENG

諾獎得主的君子之風

看到安德森的實驗文章之后，巴丁給安德森寫了封信，表示他們的實驗令人信服[4]。

在1963年8月的一次學術會議（非常有可能是在柯蓋德大學舉行的超導科學國際會議, the International Superconductivity Conference at Colgate University, August 26–29, 1963.）上，巴丁公開表示收回對約瑟夫森的批評。[4]

1964年，約瑟夫森獲得博士學位。巴丁親自邀請他來自己門下做博士后。約瑟夫森欣然前往。

1967年，巴丁提名約瑟夫森和另外兩位物理學家諾貝爾獎。1971年，巴丁繼續提名。

1972年，BCS理論獲得諾貝爾物理學獎。圖源：https://physics.illinois.edu/people/nobel-laureates

巴丁的做法還有自己的小九九。他認為施里弗和庫珀應該得諾貝爾獎。如何實現這一目的？巴丁想到一個策略，提名一個基于BCS理論的成果諾貝爾獎，如果成功，會大大增加BCS理論得獎的可能性。超導隧穿效應正是一個基于BCS的成果。[4]

1972年，巴丁繼續自己的提名，這一年BCS理論被授予諾貝爾獎，巴丁如愿以償。1973年，巴丁繼續自己的提名，約瑟夫森等三人獲得諾貝爾獎。一個皆大歡喜的結果。

1973年，約瑟夫森與另外兩位科學家共同獲得諾貝爾物理學獎。圖源：諾貝爾基金會

SAIXIANSHENG

少年成名之后

巴丁獲得第二次諾貝爾獎后，逐漸退出一線研究工作，于1975年退休。退休后，巴丁投入更多時間和精力于社會服務工作，如擔任學術組織領導職務，為政府做科學顧問。

巴丁在1975年和1980年兩次訪問中國，許多中國科學家表示在與巴丁的交流中受益匪淺。[14]

至于約瑟夫森，他獲得諾貝爾獎時年僅33歲，是最年輕的諾獎得主之一。但是，他后來卻偏離了物理研究的主航道，投身于超自然現象的研究，他花費半個世紀研究并不時地支持念力、靈學、意念力和其他新世紀的奇思妙想 [15]。

倒退一百年，無數電子能結成對穿越絕緣薄膜，人人覺得荒謬。倒退六十年，這個想法就值得嚴肅對待。如此看來，物理理論的研究，還是要基于物理事實，才不至于過于虛無縹緲。

參考文獻：（上下滑動可瀏覽）

[1]依慣例，倫敦紀念獎在國際低溫物理會議的開幕式上頒發。

[2]J. Bardeen, Phys. Rev. Lett. 9, 147 (1962). https://sci-hub.wf/10.1103/PhysRevLett.9.147

[3]Donald G. McDonald, Physics Today 54 (7), 46–51 (2001); https://doi.org/10.1063/1.1397394

[4]《曠世奇才：巴丁傳》第12章，上海科技教育出版社，2007。

[5]《曠世奇才：巴丁傳》第5章，上海科技教育出版社，2007。

[6]John Robert Schrieffer: The Microscopic Theory of Superconductivity, in Superconductivity: Discoveries and Discoverers, Springer, 2013。

[7]《曠世奇才：巴丁傳》第11章，上海科技教育出版社，2007。

[8]施里弗訃告，Nature 574, 177 (2019)，doi: https://doi.org/10.1038/d41586-019-03015-3

[9]https://en.wikipedia.org/wiki/Brian_Josephson

[10]Josephson, B.D. Temperature-dependent shift of γ-rays emitted by a solid. Phys. Rev. Lett. 1960, 4, 341.

[11]安德森口述史：https://www.aip.org/history-programs/niels-bohr-library/oral-histories/23362-3

[12]Journal of Superconductivity, 1991, 4, 331

[13]Ivar Giaever, Phys. Rev. Letters 5, 147, 464
(1960).

[14]盧森鍇， 趙詩華，大學物理，2008，27，37-42.

[15]趙金瑜，“諾貝爾病”：偉大的副作用？公眾號賽先生 2023年10月5日推送

本文轉載自《賽先生》微信公眾號

《物理》50年精選文章