两度荣获诺贝尔物理学奖的科学家
　　　　　　　　 [美国』巴丁(1908—1991)

　　巴丁因1956年和1972年两度荣获诺贝尔物理学奖而闻名于全世界。这是第一个在同一领域内两次获得诺贝尔奖的科学家，他的名字永远地写入了物理学的史册。他在半导体器件、复制技术和超导等方面都做出了卓越贡献。由于成果卓著，贡献巨大，他先后荣获
1952年富兰克林研究所授予的巴兰坦奖章，1954年美国物理学会授予的巴克利奖金，1955年美国费城授予的约翰·斯可特勋章，1956年获诺贝尔物理学奖，1962年获弗里茨·伦敦奖，1964年获文森特·本迪克斯奖，1966年获国家科学奖章，1968年获莫勒奖，1972年又获诺贝尔物理学奖，1975年获富兰克林奖章，1977年获总统自由奖章。这一系列的殊荣是他一生光辉历程的最好写照。

　　　　　　　　 赢得了崇高的荣誉

　　约翰·巴丁(JohnBardeen)是美国物理学家。1908年5月23日，巴丁出生于美国威斯康星州麦迪逊一个知识分子家庭。父亲c．R．巴丁是威斯康星大学的解剖学教授，治学严谨，对孩子的成长极为关注。母亲A．H．巴丁是个艺术家，又是位贤妻良母，注重对孩子能力的全面培养。

　　巴丁从小勤奋好学，10岁时就进入麦迪逊大学附中学习。1924年，巴丁中学毕业，进入威斯康星大学电气工程学系学习。1928年巴丁大学毕业，获电气工程学理学士学位，一年后再获科学硕士学位、1930—1933年，巴丁在宾夕法尼亚州匹兹堡海湾研究与开发公
司的地球物理学部任职，参与地球物理探油术研究工作。1933年他回到了校园，师从普林斯顿大学物理学教授维格纳攻读博士学位。在维格纳教授的指导下，巴丁开始研究洁净金属表面的功函数(即从金属表面下撤出一个电子所需要的最小能量)与金属整体性质之间的关系。一般来说，金属的内聚能(即把整个金属分散成其所由组成的自由原子或分子所需的最小能量)越大，其功函数就越大。但金属功函数不仅决定于金属内部的结合性质，也决定于金属的表面结构。1936年，巴丁完成了关于金属功函数的博士论文，并获得了普林斯顿大学的博士学位。

　　1935年，巴丁被任命为哈佛大学研究会的初级会员，从事专门研究工作，他运用维格纳一塞茨的方法计算出锂、钠等碱性金属的内聚能，这与布里奇曼用高压实验所取得的结果接近于符合。巴丁的计算丰富了量子力学近似计算的实际应用，并能得出与实验结果相
比较的经验物态方程。

　　1938-1941年，巴丁受聘为明尼苏达大学物理学助理教授，并应明尼苏达大学地质学系邀请讲授地球物理探油术。在此期间，他进行了金属理论及热扩散分离同位素等理论的研究工作。1941年因第二次世界大战需要，巴丁被聘到华盛顿海军军械实验室，从事水下军械的研究工作，他先后进行了去磁、扫雷、水雷设计及鱼雷设计等工作。第二次世界大战结束后，巴丁虽然想回到明尼苏达大学继续任教，但出于家庭经济上的考虑，他于1945年接受了美国新泽西州默里山的贝尔电话实验室的邀清，与肖克利和布拉顿合作，从事半导
体性能的研究。1947年底巴丁和布拉顿发明了双点接触型晶体管。这项发明导致了20世纪50年代电子管微型化的工业化发展。他们三人也因此分享了1956年的诺贝尔物理学奖。

　　1951年以后，巴丁一直担任伊利诺依大学物理学教授和电子工程学教授。1952年巴丁被聘为哈罗爱德公司顾问，对公司复印机的迅速发展提供了很大帮助，1961—1965年他成为该公司董事会成员之一。此时，巴丁对低温超导研究产生了浓厚的兴趣，带领他的博士
后研究助手库珀和研究生施里弗一道并肩努力探索，他们终于在1957年成功地解释了低温超导，提出了著名的BCS理论，因而三人分享了1972年的诺贝尔物理学奖。

　　巴丁因其突出贡献赢得了崇高的荣誉，先后被授予国家科学院院土、国家工程学院院士，被任命为美国总统科学顾问委员会顾问、白宫科学议会成员、美国物理学会会长。鲜花与掌声环绕着这位伟大的科学家，人们永远铭记着他的功绩。

　　　　　　　　 致力于半导体的研究

　　1945年，美国贝尔电话实验室成立了以巴丁．肖克利和布拉顿为核心的固体物理研究小组，从事半导体研究，以探索一种既能排除电子管的缺点又能够起到放大作用的电子器件。

　　巴丁对半导体的研究，开始主要靠当时人们对半导体性能研究积累的有效成果，从前人那里汲取智慧的力量与知识营养。后来巴丁以研究物理学家的身份参与半导体的研究工作，发挥了他在半导体的体内和表面现象等方面的研究专长。在实验研究中，巴丁和布拉顿发现电流从一适当的接触点流人半导体时，半导体中电子和空穴的浓度会增加。这就是晶体二极管的原理。同时他们又发现从适当的接触点流过的电流能使半导体的电导发生改变，后来就把这一现象称为晶体管效应。这一效应的发现，让巴丁和布拉顿格外惊喜。
正是这一效应引导他们发明了半导体三极电子管，即晶体三极管。根据理论设想和实践经验，巴丁和布拉顿试验了两种设计之后，发现具有良好整流作用的锗的金属点接触附近蒸发上一金斑点的电极，在这个金斑点电极和锗主体底的一个面接触电极之间加上电压后，从金斑点电极而来的电流对从锗主体流入负偏压的金属点接触的电流有很大影响，使后者减小。他们的结论是空穴必然是在从金斑点接触电极经表面层流到金属点接触，从而得到一些放大电压，改变了半导体的电导。这就是晶体管效应的第一次验证——从一适当
的点接触流人半导体的电流改变了半导体的电导。

　　巴丁和布拉顿后来又进一步改试两个紧靠近的半行线接触，并一次试验就成功地得到了使输入电信号的电压放大及电流放大的现象。但他们最后认识到两平行线接触是不必要的。他们最后的设计是改用两个紧靠近的点接触，使一个施加在发射空穴的点接触电极，
这就会使晶体底面上的基电极之间的电信号，在收集空穴的点接触电极和基电极之间的高电阻负载上出现放大信号。1947年12月23日，他们在贝尔实验室向其主管们演示了这个双点接触型晶体三极管。这是他们发明的第一个半导体三极电子管。这种半导体器件的体积仅为真空电子管的几十分之一，所消耗的功率仅为真空管的万分之一，却具有真空管的大部分功能，其性能远远超过了真空电子管。随后，肖克利在此基础上发明了面接触型晶体管。这一发明在当时无疑是一项重大的突破，它开辟了电子器件的新纪元o

　　1948年6月，用晶体三极管和半导体整流器元件制成了没有真空管的收音机，不但节省了灯丝电流，大大降低了电消耗，减小了体积和重量．而且增强了性能稳定性和延长了收音机使用寿命。除此之外．晶体管的早期应用还有贝尔电话系统中的按钮拨号装置和用
于长途电话自动选定线路的插件转换器。探险者号和先锋号卫星的发报机也曾用晶体管向地球上转送科学资料。现在，无处不有的晶体管和电路的微型化已经使电子器件发生了革命性变革。

　　晶体管的发明是集体研究与个人成就结合的一个光辉典范，为表彰巴丁、布拉顿和肖克利他们的重大成果，他们三人共同分享1956年度的诺贝尔物理学奖。

　　　　　　　　　　　　　　BCS理论的创建

　　1911年，卡墨林·欧内斯通过人工液化氦从而达到接近温度的绝对零度。其后他又发现在这样超低温度降到临界值时，汞、铅．锡等金属的电阻突然变为零，电流可以无限地维持下去。这个奇怪的低温超导现象吸引了包括玻尔、海森堡、布洛赫等一大批杰出的理论物理学家的兴趣。但40多年来一直没有得到满意的解释。巴丁以长者的身份正确地估量了年轻合作者库珀、施里弗等人的潜在力量，三人并肩朝低温超导现象开进，

　　约在1950年，E．麦克斯韦和B．塞林在鲁特格斯大学领导下的一个小组彼此独立地发现，使金属成为超导体的温度与该金属的原子量成反比。当巴丁得知这一消息后，他立刻想到必须考虑金属晶格上的原子对电子的影响，即“晶格振动与电子的相互作用”，但并没有获得成功。

　　从B．古德曼关于热传导的工作以及布朗、布尔斯关于比热的工作看来，似乎超导理论中需要的另一个成分是“能隙”的概念。泡利“不相容原理”确定了电子在轨道上或原子能级上的分布状况。即使在绝对零度时，由于较低的能级被填满了，某些电子仍具有相当大的能量，如果没有与被占据的最高能级(即费米能级)相邻的更高能级，那就一定存在一个“能隙”。巴丁直觉地意识到，如果找到了“能隙”出现的原因，那就能理解超导电性了。的电子虽然带着同种电荷会有相互排斥现象，但它们对金属晶格中正电荷的吸引会使得晶格畸变，导致了稳定的“库珀电子对”的形成o巴丁、库珀和施里弗试图将库珀的思想应用推广到与晶格相互作用的所有电子的多体问题研究上。最后，他们明确了超导电性存在的依据：两电子相吸的声子作用胜过两电子静电相斥的作用。这样，他们的超导电流理论，即BCS理论(以他们三人的名字的第一个字母命名)就建立起来了。

　　“库珀屯子对”具有共同的动量，由于泡利不相容原理，改变这种动量，使它裂成两个正常电子，就需要两倍“能隙”那么大的能量。这在低温状态是做不到的。超导电流以“库珀电子对”为载流子，大大不同于正常金属中以传导电子载电的电流。“库珀电子对”的总动量在够低温度时不能改变，从而导致超流动性，即超导电性。

　　BCS理论已被认为是自量子理论发展以来对理论物理学最重要的贡献之一。由于BCS理论有助于设计出能在不太低的温度下成为超导体的合金，因而，这一吸引人的超导成果已导致了超导磁体的研究，并有可能在计算机和动力传输线中得到应用。

　　由于BCS理论取得的成就，巴丁与库珀、施里弗共同分享了1972年度的诺贝尔物理学奖。这样，巴丁便成为世界上至今惟一的在同一领域内两次获诺贝尔奖的伟大人物。他把第二次获得的奖金全部用于设置弗里茨·伦敦奖和支持弗里茨·伦敦纪念馆讲座，以纪
念这位曾经对超导研究做出杰出贡献的著名物理学家。

　　　　　　　　　　　　　　 无止境的求索

　　在科学探索的道路上，巴丁是一个孜孜不倦的求索者。对未知的世界，他永远怀有一份好奇，或许他的快乐就在于这不尽的好奇与探索。

　　BCS超导理论预示着一个重要发现：具有某特种相互作用的许多个弗米型等同粒子所组成的体系，倾向于产生关联着或结合着的粒子对，每对都有相同的总动量，BCS理论中的成对关联概念及由其导出的成对波函数，后来被成功地用到解释原子核基态及低激发态的性质上，从成对的凝聚态中取出一个中子需要的能量，比从不成对的单个中子需要的能量为大。基于此，巴丁认识到基本物理概念能在很大的范围内应用到初看起来完全不同的问题上，在一个领域进展的理解常可被应用到初看起来完全不同的许多其他领域之中。1980年巴丁研究了这类具有广泛共同性的基本物理概念，指出理解磁性、液氦的超流性和超导电性所发展出来的各个概念，如何能延伸并应用到家核物质、弱和电磁相互作用、液晶的径个相关但又完全不同的领域。

　　巴丁对上述这类共同性进行了广泛的研究与总结，并举例说明磁体．液氦、超导体，液晶之间的共同特色，指出由这些体系中发展出来的基本理论在其他领域会有相通性的认识，并强凋这种相通性认识的重要性。这同那种把整个物理学分割成零碎的专门化的流行做法形成鲜明对比。

　　1985年，巴丁又提出用宏观尺度上的量子现象来解释一些金属化合物导电体中存在的“电荷密度波”状态，把这些“电荷密度波”看成是声子态的宏观占领。通过实验，巴丁发现某些有机化合物在某临界转变温度之下，也可以以运动着的“电荷密度波”的方式来传导电流。在正常情况下，由于晶格内有杂质钉扎着，“电荷密度波”无法传导电流；当所加电场强度超过某临界值时，这些“电荷密度波”就能在晶格中传播，不被钉扎，从而传导电流。

　　人们在两个完全不同的路线上试图理解“电荷密度波”实验结果。巴丁的“晕子路线”是把呈现“电荷密度波”传播的凝聚体看成是在纵向横向上都具有宏观波函数所表征的宏观量子体系。通过约lo微米宏观量子的隧道作用，钉扎作用被解除，“电荷密度波”就得以形成。与此相反，1982年斯内登等人则提出“经典路线”，“电荷密度波”被看作一个具有质量的经典物体。其理论假定是在高电场强度下“电荷密度波”在本质上是自由的，因而用微扰论方法来处理同杂质的相互作用。但事实并非如此，即使在很高的电场强度时，钉扎仍很牢固。巴丁的量子理论已能在很大范围内定量地说明“电荷密度波”的各种现象，特别是电导率同所加电场强度、频率及温度的关系。不懈的探索没有辜负这位白发苍苍的老人，晚年的巴丁一直走在科学的光明大道上。

　　巴丁的一生可以说是完全地献给了物理学的研究，献给了人类进步的事业。他先后在金属理论、原子核理论，气体理论，半导体理论，超导电理论、固态理论等方面做出了杰出的贡献。这些不但促进了物理学本身的发展，而且对于工业技术的革命性变革也有重大的意义。正如他自己1984年所说过的：“在50和60年代，固态物理学和技术在大学、企业和政府的各个实验室坚有了迅速的生长，直到70年代才慢了下来。尽管在各个时期人们曾预料固态领域的发展已接近尾声，在工业上的发现和发明却为数不减地一个接一个出现，
直到如今。”