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约翰·巴丁:史上唯一两夺诺贝尔物理奖,却低调到几乎被世人遗忘 精选

已有 9548 次阅读 2018-4-9 20:59 |系统分类:人物纪事

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没点古怪性格,都不好意思称之为天才科学家。

如谈起牛顿、爱因斯坦、费曼、薛定谔等大科学家,除了科学成就外,人们对他们“不按常理出牌”的趣事更为津津乐道。

这也造成了一种另类的刻板印象,“疯狂”几乎是天才科学家的标配。

而那些生性低调的天才科学家,则难以被大众捕捉,看起来像是没什么“市场”。

约翰·巴丁

例如,约翰·巴丁就是一位天才科学家,但他却因个人风格不突出而鲜为人知。

首先,他是世上唯一一位,在同一领域获得两次诺贝尔奖的科学家,天才不言而喻。

他发明了晶体管,直接引发了一场电子工业革命,真正地改变了世界。

若不是他,我们现在用的手机、电脑乃至一切电子产品,都仍是科幻小说的素材。

而他的另一个成就则是创立了BCS超导理论

这也是发现超导现象以来的50年里,人类首次取得的突破性进展。

这两个成就,也分别使他获得了1956年和1972年,分别两次诺贝尔物理学奖。

他本该有张狂的底气,但却低调了一辈子。

那么他究竟能低调到什么程度?

例如著名作家张纯如曾想为这位两夺诺奖的传奇人物著述立传,但是却遭到极力反对。

原因是除了其辉煌的成就外,他的生活真的没有什么特别,更无法引起大多数读者的兴趣。

张纯如著有《钱学森传》《南京浩劫》等作品

不过,一个人低调到这种地步,也造就了另一种极致。

有人曾经提出过“巴丁数”这一概念,用于形容“谦虚程度”,等于成就比上自我吹嘘。

物理学家巴哈特就说,一般人的巴丁数等于1就很不错了,而巴丁则为无穷大。

最右为巴丁

1908年5月28日,约翰·巴丁生于美国威斯康星州,是家中五个孩子中的第二个。

虽然不像高斯那般神童,但从小学起他的才能就已经显现了。

才9岁刚上三年级,他就觉得功课简单得不像话,直接连跳三级,成了一名初中生。

尽管突然成了班里年纪最小的学生,他的学习依然十分突出,尤其表现在数学方面。

那时他就碾压一批大他几岁的同学,在麦迪逊市的代数竞赛中取得了优异成绩。

约翰·巴丁与哥哥威廉·巴丁

到14岁,巴丁就已完成大学预备课程,直接升入名校维斯康星大学了。

不过,一路顺风顺水的巴丁,很快就遇上人生第一个挫折了。

1930年硕士毕业的巴丁,就赶上了美国的经济大萧条。

他找的第一份在at&t(美国电话电报公司)的工作,就直接被拒绝了。

当时,也只有因汽车时代来临而发起横财的海湾石油公司,仍愿招人。

阴差阳错间,原本学电气工程的巴丁,也只能干起了勘测石油的工作。

在其位,谋其职,巴丁非但没因学非所用而怨天尤人,反而是利用自己的知识踏实工作。

果然不久后,他就发明了一种勘探石油的新电磁学方法。

这种方法不但新颖,且还能大大挺高勘探效率。

而为了不让同行获得更多信息,海湾研究甚至决定不申请专利,也要将这项技术保密到底。

所以直到30年后,他的这项发明才得以公布于世。

虽然工作得到了领导的高度赞赏,但巴丁知道,自己还是对物理和数学最感兴趣。

所以才在实验室待了三年,他就放弃了优厚的工资,自费到普林斯顿继续攻读博士学位了。

普林斯顿大学,对巴丁来说简直就是天堂。

虽然刚来报道时,自己想拜会的偶像爱因斯坦已经不在此处了。

但这也并不妨碍巴丁结识一大批优秀的同学和老师。

巴丁与珍妮

在这里,他还遇上了一生挚爱珍妮,并与其步入了婚姻的殿堂。

不得不说,巴丁是个不可多得的好儿子、好丈夫、好父亲。

在读博期间,他就为了陪父亲直接中断了普林斯顿大学博士学位的工作。

直到父亲去世后,他才再次进去哈佛大学继续博士学位论文。

与珍妮结婚后,在外,他为了增加收入会同时给大学生和研究所授课,连暑假也不歇息。

在内,巴丁也尽自己的一切所能帮珍妮料理家务,洗衣烹饪样样精通。

无论出国访问,还是出席重大授奖仪式,珍妮也总是陪伴在他身边。

摄于巴丁与珍妮50周年纪念日

不过在生活中对亲人无微不至的呵护,并没有阻碍他在学术上的永攀高峰。

他后面两获诺奖,就是最好的证明。

1945年4月,巴丁加入到了贝尔实验室,成为固体物理研究小组的成员。

当时,肖克利(William Shockley )是小组长,组员还有布拉顿(Walter Brattain)。

他此行的目的,正是要研发出全世界人民热切盼望的半导体电子器件——晶体管。

1904年史上第一个电子二极管

在晶体管还未面世时,电子管的缺点就已经暴露无遗了

虽然电子管曾推动了无线电的蓬勃发展,但其笨重、能耗大、寿命短、易出故障、难以维修等毛病,就已经十分让人厌弃了。

当时,组长肖克利就提出了构造一个半导体三极管的设想,以寻求解决办法。

也就是将一片金属覆盖在半导体上面,利用金属与半导体之间的电压所产生的电场来控制半导体中通过的电流。

这虽然已是“结型场效应”的基本工作原理了。

但不幸的是,这一理论无论做多少次实验都未能成功,而肖克利也无法解释原因。

1948年贝尔实验室,巴丁(左)、肖克利(中)、布拉顿(右)

直到巴丁的加入,并提出那个至关重要的半导体表面态理论,这才解决了卡住所有人的难题。

原来,在外加电场的作用下,电子被吸引到半导体的表面并被束缚在那里,形成了严密的屏蔽作用。

这也阻止了电场穿透到半导体内部,因而不能形成电流。

这也是为什么肖克利在实验中,一直观测不到场效应的原因。

约翰·巴丁

找到谜题的答案,实验就好办多了。

在这之后,他们便巧妙地借助含正负离子的电解液,改变了晶体表面电荷的分布,解决了“半导体表面态”的问题。

经过几天的奋斗,巴丁和布拉顿就观测到了放大30%的输出功率和15倍的输出电压。

于是,世界上第一只称为点接触晶体管的半导体放大器就这样问世了。

晶体管,是20世纪当之无愧最重要的划时代发明。

他将人类直接带进了数字时代,只要你能想得到的电子产品,几乎都运用了晶体管技术。

世上第一只晶体管

晶体管的发明,无疑是研究小组送给贝尔实验室最好的礼物,人人都欢欣鼓舞。

但却有一人高兴不起来,那就是肖克利。

因为作为一组之长,他并没有身先士卒亲自指导,自然也没被列为专利发明家

于是,他打算趁这个成果未公布之前,背着巴丁和布拉顿,独自研究出更先进的结型晶体管。

很快,肖克利也设计出了结型晶体管,并在1955年脱离了贝尔实验室,自立门户成立了“肖克利半导体实验室”*

*注:当时,肖克利凭着“晶体之父”的名气,吸引来了一批聪明又富有激情的年轻人,在硅谷开天辟地,甚至被称为“硅谷之父”。只是因为傲慢专横的个性,那些斗志昂扬的年轻人都纷纷离他而去,这便是历史上的“硅谷八叛逆”。这“八叛逆”包括了后来仙童半导体、因特尔公司的创始人诺伊斯和摩尔等。而肖克利却在那10年实业生涯里什么都没捞到,只能回到大学校园。

肖克利

当初为了不让巴丁和布拉顿再参与晶体管的后续发展工作,肖克利还利用自己的行政权,直接将他们踢出了研究小组。

此外,在这个成果公布之时,傲慢的肖克利也极力突出自己的成就,冷落了一旁的巴丁和布拉顿。

所以这也导致了一个现象,只要提起晶体管,人们第一时间想起的总是张扬的肖克利,而不是巴丁或布拉顿。

三位晶体管之父

当然,温和的巴丁本人也什么都没说,就离开贝尔实验室,退出了这场晶体管争夺战。

其实离开贝尔实验室,对巴丁本人来说或许才是最好的选择。

因为不需要晶体管,巴丁也同样能走向了人生的第二个巅峰。

在朋友的引荐下,他于1951年5月24日在伊利诺斯大学任教。

在那里,巴丁也开始重拾过去一直钟情的超导理论研究

超导现象*最早发现于1911年,这种奇妙的现象一经发现就立马引起了许多界出物理学家的关注。

当时,无数科学家都前仆后继地尝试用理论给出解答。

但像爱因斯坦、费曼等大科学家的尝试,最后也只能以失败告终。

所以在很长一段时间里,超导理论的研究进展都被视为“理论物理学的耻辱和绝望”

*注:超导现象指的是许多金属和合金,在一定的低温下直流电阻率突然消失,被称作零电阻效应,而处于超导状态下的导体则被称为“超导体”。

利用超导体的抗磁性可以实现的磁悬浮

巴丁虽然决定向这个问题发起总攻,但也深知以个人的能力是很难完成的。

于是在单干了五年待时机成熟后,他便发挥领导才能,找了两个不同专业的学生。

一位是由杨振宁推荐的,来自普林斯顿大学的博士后库珀;

另一位则是跟巴丁攻读博士学士的研究生施里弗。

就这样,不同背景的三人便组了一个“超导电性理论”攻关团队

经过两年努力后,他们便创立了BCS理论(B——巴丁,C——库珀,S——施里弗),从微观上对超导电性作出了合理的解释,解决了困扰物理学家长达46年的“耻辱难题”。

而超导理论,也被认为是自量子理论发展以来,对理论物理最重要的贡献之一。

1957年3月,他们正式在物理学会会议上宣布了这一发现。

当时为了让后辈们得到承认,巴丁还决定不参加会议,论文由这两位学生宣读。

巴丁、库珀、施里弗

巴丁的温柔也总是周到的。

在提出BCS理论后,考虑到自己因晶体管已经获得过诺贝尔奖了,他还单独提名了库珀和施里弗两人为诺奖候选人。

因为在过去,还未出现过在同一领域获得两次诺奖的先例。

所以巴丁正是担心委员会的不成文规定,会影响到两位年轻人应得的荣誉,才出此下策”将所有机会让出后辈

或许这才是真正的“一日为师,终生为父”的真正诠释,而不是逼着学生喊自己“爸爸”。

巴丁再次登上诺奖领奖台

令人欣慰的是,瑞典皇家科学家最后还是为巴丁打破了惯例,他们三人一同获得了1972年的诺贝尔物理学奖。

而巴丁也因此成为了历史上首位,在同一个领域两次获诺奖的传奇。

不过,获得两次诺奖对巴丁来说,其令人兴奋的程度也不过是一次“一杆进洞”罢了(巴丁喜欢打高尔夫球)。

如果说,天才总是“疯狂的”。

但巴丁没有费曼的幽默天赋、也没有爱因斯坦那一头不羁的头发、其成就亦丝毫不输任何人。

而在那群满身怪癖的“疯狂科学家”中,巴丁“平凡”的个性也才是最耀眼的存在。

毕竟天才常有,而谦虚低调的天才,才真正万中无一。

*参考资料

候新杰,王瑞.两次诺贝尔物理学奖获得者——巴丁的科学成就和人格品质.自然杂志[J].2007(30):4.

周光召. 创新人才的成长——以伟大的物理学家John Bardeen成长为例[J]. 宁波大学学报: 人文科学版.2009(2): 5.

卢森锴.晶体管发明60年.大学物理[J].2008(27):2



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