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瞿立建丨撰文

1973年，约瑟夫森与另外两位科学家共同获得诺贝尔物理学奖。图源：诺贝尔基金会

会议交锋

1962年9月16日至22日，第八届国际低温物理会议在伦敦玛丽女王大学举行，来自美国的物理学家约翰·巴丁获颁伦敦纪念奖[1]，这是低温物理学领域的一项大奖。这里伦敦不是指会议举办城市，而是德国物理学家弗里茨·伦敦（Fritz London，1900年3月7日—1954年3月30日）。巴丁的获奖理由是，与合作者利昂·库珀（Leon Cooper，1930年2月28日—）、约翰·施里弗（John Robert Schrieffer，1931年5月31日—2019年7月27日）一起，发展出了超导的微观理论，现在称为BCS理论。

六年前，巴丁因发明晶体管获得1956年的诺贝尔物理学奖。与一些科学家诺奖即巅峰不同，巴丁获得诺贝尔奖之后，很快迎来事业的第二次高峰，于1957年破解了超导的微观机制谜题，这一难题当时已经让物理学家困惑了近50年。

在这次国际低温物理会议上，巴丁是毫无疑问的焦点之一。不过，会场上还有另外一个焦点——22岁的研究生布赖恩·约瑟夫森（Brian Josephson，1940年1月4日—）。

那年7月，约瑟夫森发表的论文（Phys. Lett. 1962, 1, 251 ），预言了一个令人惊奇的现象：两个超导体中间隔一层薄薄的绝缘体，而超导体中的电子对可以穿过绝缘薄膜。这是一种宏观的量子隧穿效应。这就好比困在井里的粒子，经崂山道施法，它们便可穿过墙壁，并且不留一个孔洞。这篇论文甫一发表便引起了很大的反响。

就在约瑟夫森的论文发表一个月后，巴丁发表了一篇类似主题的文章。他在论文的脚注中写道，约瑟夫森的论文不可能是对的[2]。

因此，当巴丁和约瑟夫森都来到第八届国际低温物理会议，同行们睁大眼睛，竖起耳朵，想看看二人是否会就此展开交锋。

在会场的大厅里，挪威物理学家伊瓦尔·贾埃弗（Ivar Giæver，1929年4月5日—，1973年诺贝尔奖得主）介绍约瑟夫森和巴丁认识。约瑟夫森尝试向巴丁解释自己的理论，但巴丁听后摇了摇头，说：“我不这么认为。”——因为他已经仔细考过过这个问题。然后，巴丁就离开了。对此，约瑟夫森感觉很沮丧，甚至怀疑巴丁是不是盛名之下其实难副。[3]

会议专门安排约瑟夫森和巴丁相继作报告。约瑟夫森的报告正是关于他的最新超导遂穿理论。约瑟夫森的报告结束后，巴丁开始讲他的单电子隧穿理论，包括认为超导体电子对不可能穿过绝缘层的观点。巴丁讲到半途，约瑟夫森提问打断巴丁的报告，对巴丁的每一条质疑都给出了有力的回复。二人如此质疑、作答来回了几轮，但巴丁依然不相信约瑟夫森的解释，约瑟夫森反问道：”你计算过吗？没有吧？我算过。”

但总体来说，二人都保持了很好的风度，声音温和，理性探讨。

最后，巴丁张开双臂拥抱约瑟夫森，就像父亲拥抱孩子，然后，离开了会议室[4]。

很多超导大牛见证了超导史上的这场著名辩论。从许多围观者看来，研究生约瑟夫森略占上风。比如，会场内皮埃尔-吉勒·德热纳（Pierre-Gilles de Gennes，1932年10月24日—2007年5月18日，1991年诺贝尔物理学奖得主）明确支持约瑟夫森的观点，来自斯坦福的威廉·利特尔（William Little，也称为Bill Little）也认为斯坦福应该聘用约瑟夫森。

曾经在美国国家标准局工作29年的科学家Donald McDonald专门研究约瑟夫森效应和超导电子学。他曾撰文记叙这场辩论，认为“它是年轻人和成熟经验的较量，大胆和深厚经验的较量，以及数学和直觉的较量。”[3]

他还提到，虽然巴丁创建了 BCS 理论，但约瑟夫森认为自己比创造者更理解它。

那么，BCS理论到底是一个什么样的理论？

超导BCS理论

电子在材料内部定向移动形成电流，不同的材料对电流的阻碍能力不同，这种能力可以用电阻来表征。电流受到阻碍的原因，主要来自电子与晶格上的原子碰撞，电子被碰得乱飞，难以定向移动。

以往的研究发现，温度越低，晶格上的原子的振动越弱，与电子的碰撞程度越低，电阻也就越低。一个自然而然的问题就是：当温度降到极致，比如接近绝对零度时，原子几乎不再动，电阻会怎样？

有人猜测，电阻将逐渐变为零；也有人认为，电阻将逐渐降低到一个很小的值，但不会是零，因为晶格不可能完美，材料中总会有缺陷或杂质，对电子移动有阻碍作用。还有人猜想，电子会被“冻”住，不再移动，结果就是电阻将非常大。

只是，这个问题长期停留于猜想的层面，因为没有人知道如何获得那么低的温度。直到1908年，荷兰物理学家海克·卡末林·昂内斯实现了1.15-4.25K的低温。这时候可以研究低温下材料的电阻了。

1911年，昂内斯指导实验室人员研究低温下水银的电阻。实验发现，水银电阻随温度降低而降低，当温度下降到4.2K时，水银电阻突然变为零！

昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes，1853年9月21日—1926年2月21日，1913年诺贝尔物理学奖得主）（左）发现了超导现象，即水银的电阻突然变为零（右）。图源：Wikimedia Commons

昂内斯发现的这一现象现在被称为超导。此后的几十年里，科学家一直对超导现象迷惑不解。为什么电阻会突然变化？温度尚高于绝对零度，晶格上的原子还在振动，电阻为什么就变为零了？

那个时候，令物理学家感到崩溃的现象太多了，超导只是其中之一。从20世纪初开始，物理学家深入到原子内部的微观领域，用20多年的时间创建出似乎违背常识的量子力学。

在物理学家们对量子理论消化吸收50年后，超导现象终于得到解释，完成这项杰出工作的正是约翰·巴丁、利昂·库珀和罗伯特·施里弗。

巴丁1908年生于美国威斯康星州，1928年毕业于威斯康星大学麦迪逊分校，获得电气工程专业理学学士学位。他大学读了5年，因为修了大量物理和数学的课程。1929年，他获得本校电气工程专业理学硕士学位。

1930年，在石油公司工作的巴丁感觉工作没意思，辞职进入到普林斯顿大学攻读博士学位，并在1936年获得数学物理博士学位。1935年至1938年，巴丁在哈佛大学做访问学者。在普林斯顿和哈佛期间，巴丁做的是将量子理论应用于固体的研究，开始尝试解开超导之谜。与其他理论家不同，巴丁注重从实验文献中去找理论的“感觉”。[5]

1938年起，巴丁任明尼苏达大学助教授。很快，美国卷入二战，巴丁为军方工作。二战结束之后，巴丁加入贝尔实验室，在这里他和同事发明了晶体管。

1951年，巴丁加盟伊利诺伊大学厄巴纳-尚佩恩分校（UIUC），决定全力以赴投入到超导的理论解释。

1953年，巴丁招了研究生罗伯特·施里弗。一年半后，施里弗向导师要博士课题。巴丁从抽屉里拿出一张纸，上面开列了10个课题，让施里弗选。施里弗选了最后一个课题——超导。

施里弗知道这个课题的难度，他又征求物理系教授Francis Low的意见。Low问他多大了，施里弗回答24岁。Low说，那就干这个课题吧，还年轻，干不下去再换课题不迟。[6]

巴丁给杨振宁打电话，请推荐个懂场论的学生来，杨振宁推荐了库珀。巴丁向库珀解释了自己对场论方法解释超导的前景。库珀当时正迷茫，因为他感觉场论里简单问题都被解决了，只剩啃不动的难题了。他考虑了几个月后，接受了巴丁的邀约。

这样，BCS凑齐了。

巴丁（中）、库珀（右）、施里弗（左），拍摄于1967年，图源：Physica Scripta 2015, 90(2): 028002

库珀很快洞察到，电子如果能结成对，超导理论可望取得突破。但是，电子都带负电，相互排斥，如何能结成对呢？

施里弗打了这样一个比方，材料中的电子就像舞池中的舞者，有些舞者，即便中间隔着很多其他舞者，人们也能看出他们是情侣或一对，因为他们步调一致。现在问题的关键是，如何给出数学描述。[7]

1956年11月1日，巴丁因发明晶体管获得诺贝尔奖。在应付纷沓而来的各路祝贺之余，巴丁依然把主要时间用于超导研究上。但施里弗想打退堂鼓了，他找巴丁说，自己发表文章的压力太大了，想换个课题。巴丁说，再干一两个月吧，等我从斯德哥尔摩回来再说。[7]

巴丁从斯德哥尔摩回来，继续埋头于超导研究，圣诞节当天依然在工作。

1957年1月底、2月初，施里弗和库珀在纽约参加学术会议。一天乘地铁，施里弗拿出演草纸，继续做自己的数学推导。这一次，灵感降临了，他写出了电子对的波函数。[8]

BCS三人继续埋头苦干，六个月后，终于完成BCS理论。

BCS理论是这样解释超导的：材料中的电子在晶格中跑的时候，会轻轻拉拽晶格，晶格上的原子可看作阳离子。晶格轻微变形之后，形成一个正电荷略微过量的空间区域，从而吸引第二个电子。正是由于这种间接作用，两个电子联系在了一起，结成了对。这样的电子对，现在称为库珀对。

库珀对形成机制示意图。图源：https://web.pa.msu.edu/people/tessmer/s-S_TI.htm

库珀对可看作一个玻色子，玻色子可处于同一状态，库珀对也是一样，失去了自己的身份，结成一个整体。所有库珀对以严格同步的步伐通过超导体，不惧杂质和晶格的碰撞，即材料不再表现出电阻。

BCS理论横空出世，在全球超导研究界掀起进一步研究的热潮。其中一项重要进展来自约瑟夫森，剑桥大学的一位年轻研究生。

约瑟夫森预言库珀对隧穿效应

约瑟夫森于1940年生于英国威尔士，1957年入读剑桥大学，仅用两年时间便通过了著名的Mathematical Tripos考试，觉得数学没意思，转而去学物理，依然游刃有余，被老师称赞解题“如刀切黄油般丝滑”。[9]他也展现了自己的科研天赋，本科期间就发表了一篇重要论文[10]。

1960年，约瑟夫森本科毕业，继续在剑桥读研究生。1961至1962年，美国物理学家菲利普·安德森在剑桥讲课。他回忆说，当时班上有一个名叫布赖恩·约瑟夫森的学生，让他感到非常不安，因为他必须保证一切都必须是正确的，哪怕语流停顿不当，否则约瑟夫森会在课后找他来纠正[11]。

菲利普·安德森（Philip Anderson，1923年12月13日—2020年3月29日，1977年诺贝尔奖得主），图源：Wikimedia Commons

当然，约瑟夫森找安德森，除了交流课堂的内容，还经常跟安德森交流自己所做的一些理论推导和计算。

一天，安德森交给约瑟夫森一篇文章的预印本，约瑟夫森在此论文基础上做了一些理论推广，然后与安德森讨论。[12]

约瑟夫森设想了一种三明治结构：两个超导体夹一薄层氧化膜，氧化膜是绝缘体，不导电。对于这样一种结构，约瑟夫森的理论计算表明，通电之后，电流可以流过氧化膜，且无电阻，氧化膜也是超导的，电阻为零。这暗示，库珀对穿越了薄薄的绝缘体。

只是，这种现象在经典物理学实验中理论上不可能发生，因为绝缘的氧化层会像墙一样把电子挡住。但是，在量子力学里有一种隧穿效应，微观粒子可以像聊斋中的崂山道士一样穿墙而过。约瑟夫森预言了一种量子隧穿现象，不过不是一个电子在遂穿，而是结成对隧穿。

约瑟夫森还预言，他设想的三明治结构中的超导电流还与绝缘层两边量子波的相位差有关，相位差越大，超导电流越大。将三明治结构接入外部电流源，外部电流比较小时，会观测到超导电流，如果外部电流太大，会有多余的电子无法配对，体系便会表现出电阻，两超导体之间会有电势差。绝缘层两边量子波相位差会随时间变化，电流是相位差的正弦函数，因此，三明治结构中的恒定电势差却产生了交变电流，这一预言非常违反常识。根据约瑟夫森的预测，三明治结构中1毫伏的电势差产生的交变电流的频率为惊人的1000亿赫兹（1000GHZ），这远远大于如今个人电脑的CPU频率。

约瑟夫森效应示意图。图源：hyperphysics

安德森与约瑟夫森的论文导师布莱恩·皮帕尔德（Brian Pippard，1920年9月7日—2008年9月21日）仔细审查了约瑟夫森的推导和计算，认为数学推导没有问题，物理意义不敢保证，可以发表。1962年7月，约瑟夫森的论文发表于Physics Letters上。

超导体隧穿效应早在1960年就被伊瓦尔·贾埃弗（Ivar Giæver，1929年4月5日—，挪威裔美国科学家）发现了[13]，巴丁在1961年给出一个理论解释（Phys. Rev. Lett. 1961, 6, 57 ）。但巴丁的解释遭到批评，芝加哥大学的Morrel H. Cohen，Leopoldo M. Falicov和James C. Phillips等人在1962年4月给出了更清晰的论证（Phys. Rev. Lett. 1962, 8, 316），约瑟夫森从安德森获得的预印本正是这篇论文。

针对来自Morrel H. Cohen等人的批评，巴丁准备再发表一篇论文来回应。在这期间，约瑟夫森的论文发表出来了。

巴丁在校样回应论文时读到了约瑟夫森的文章，因此在回应论文中添加一个校样注（Note added in proof）说，基于物理直觉，库珀对隧穿的概率极低，约瑟夫森的文章不可能对。

巴丁与约瑟夫森的相反意见引起了第八届国际低温物理会议组委会的注意，组委会邀请二人面对面公开辩论。于是有了本文开头巴丁与约瑟夫森的正面交锋。

这次会议举行的时候，安德森已经从剑桥返回到美国的工作单位贝尔实验室，着手与实验学家合作，验证约瑟夫森的理论。果然，他们在实验上观测到了约瑟夫森预言的超导电流，1963年发表了相关论文（Phys. Rev. Lett 1963, 10, 230; 11, 200）。约瑟夫森预言的其他现象也陆续被实验证实。这意味着约瑟夫森效应的正确性无疑，同时也就意味着——巴丁错了。

诺奖得主的君子之风

看到安德森的实验文章之后，巴丁给安德森写了封信，表示他们的实验令人信服[4]。

在1963年8月的一次学术会议（非常有可能是在柯盖德大学举行的超导科学国际会议, the International Superconductivity Conference at Colgate University, August 26–29, 1963.）上，巴丁公开表示收回对约瑟夫森的批评。[4]

1964年，约瑟夫森获得博士学位。巴丁亲自邀请他来自己门下做博士后。约瑟夫森欣然前往。

1967年，巴丁提名约瑟夫森和另外两位物理学家诺贝尔奖。1971年，巴丁继续提名。

1972年，BCS理论获得诺贝尔物理学奖。图源：https://physics.illinois.edu/people/nobel-laureate

巴丁的做法还有自己的小九九。他认为施里弗和库珀应该得诺贝尔奖。如何实现这一目的？巴丁想到一个策略，提名一个基于BCS理论的成果诺贝尔奖，如果成功，会大大增加BCS理论得奖的可能性。超导隧穿效应正是一个基于BCS的成果。[4]

1972年，巴丁继续自己的提名，这一年BCS理论被授予诺贝尔奖，巴丁如愿以偿。1973年，巴丁继续自己的提名，约瑟夫森等三人获得诺贝尔奖。一个皆大欢喜的结果。

1973年，约瑟夫森与另外两位科学家共同获得诺贝尔物理学奖。图源：诺贝尔基金会

巴丁，诺贝尔奖得主，超导理论一代宗师，如何面对这样的结果？

少年成名之后

巴丁获得第二次诺贝尔奖后，逐渐退出一线研究工作，于1975年退休。退休后，巴丁投入更多时间和精力于社会服务工作，如担任学术组织领导职务，为政府做科学顾问。

巴丁在1975年和1980年两次访问中国，许多中国科学家表示在与巴丁的交流中受益匪浅。[14]

至于约瑟夫森，他获得诺贝尔奖时年仅33岁，是最年轻的诺奖得主之一。但是，他后来却偏离了物理研究的主航道，投身于超自然现象的研究，他花费半个世纪研究并不时地支持念力、灵学、意念力和其他新世纪的奇思妙想 [15]。

倒退一百年，无数电子能结成对穿越绝缘薄膜，人人觉得荒谬。倒退六十年，这个想法就值得严肃对待。如此看来，物理理论的研究，还是要基于物理事实，才不至于过于虚无缥缈。

参考链接：

[1]依惯例，伦敦纪念奖在国际低温物理会议的开幕式上颁发。 ↩︎

[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]《旷世奇才：巴丁传》第12章，上海科技教育出版社，2007。 ↩

[5]《旷世奇才：巴丁传》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]《旷世奇才：巴丁传》第11章，上海科技教育出版社，2007。 ↩︎

[8]施里弗讣告，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]卢森锴， 赵诗华，大学物理，2008，27，37-42. ↩︎

[15]赵金瑜，“诺贝尔病”：伟大的副作用？公众号赛先生 2023年10月5日推送 ↩︎