兩度榮獲諾貝爾物理學獎的科學家
　　　　　　　　 [美國』巴丁(1908—1991)

　　巴丁因1956年和1972年兩度榮獲諾貝爾物理學獎而聞名於全世界。這是第一個在同一領域內兩次獲得諾貝爾獎的科學家，他的名字永遠地寫入了物理學的史冊。他在半導體器件、複製技術和超導等方面都做出了卓越貢獻。由於成果卓著，貢獻巨大，他先後榮獲
1952年富蘭克林研究所授予的巴蘭坦獎章，1954年美國物理學會授予的巴克利獎金，1955年美國費城授予的約翰·斯可特勳章，1956年獲諾貝爾物理學獎，1962年獲弗里茨·倫敦獎，1964年獲文森特·本迪克斯獎，1966年獲國家科學獎章，1968年獲莫勒獎，1972年又獲諾貝爾物理學獎，1975年獲富蘭克林獎章，1977年獲總統自由獎章。這一系列的殊榮是他一生光輝歷程的最好寫照。

　　　　　　　　 贏得了崇高的榮譽

　　約翰·巴丁(JohnBardeen)是美國物理學家。1908年5月23日，巴丁出生於美國威斯康星州麥迪遜一個知識分子家庭。父親c．R．巴丁是威斯康星大學的解剖學教授，治學嚴謹，對孩子的成長極為關注。母親A．H．巴丁是個藝術家，又是位賢妻良母，注重對孩子能力的全面培養。

　　巴丁從小勤奮好學，10歲時就進入麥迪遜大學附中學習。1924年，巴丁中學畢業，進入威斯康星大學電氣工程學系學習。1928年巴丁大學畢業，獲電氣工程學理學士學位，一年後再獲科學碩士學位、1930—1933年，巴丁在賓夕法尼亞州匹茲堡海灣研究與開發公
司的地球物理學部任職，參與地球物理探油術研究工作。1933年他回到了校園，師從普林斯頓大學物理學教授維格納攻讀博士學位。在維格納教授的指導下，巴丁開始研究潔淨金屬表面的功函數(即從金屬表面下撤出一個電子所需要的最小能量)與金屬整體性質之間的關係。一般來說，金屬的內聚能(即把整個金屬分散成其所由組成的自由原子或分子所需的最小能量)越大，其功函數就越大。但金屬功函數不僅決定於金屬內部的結合性質，也決定於金屬的表面結構。1936年，巴丁完成了關於金屬功函數的博士論文，並獲得了普林斯頓大學的博士學位。

　　1935年，巴丁被任命為哈佛大學研究會的初級會員，從事專門研究工作，他運用維格納一塞茨的方法計算出鋰、鈉等鹼性金屬的內聚能，這與布里奇曼用高壓實驗所取得的結果接近於符合。巴丁的計算豐富了量子力學近似計算的實際應用，並能得出與實驗結果相
比較的經驗物態方程。

　　1938-1941年，巴丁受聘為明尼蘇達大學物理學助理教授，並應明尼蘇達大學地質學系邀請講授地球物理探油術。在此期間，他進行了金屬理論及熱擴散分離同位素等理論的研究工作。1941年因第二次世界大戰需要，巴丁被聘到華盛頓海軍軍械實驗室，從事水下軍械的研究工作，他先後進行了去磁、掃雷、水雷設計及魚雷設計等工作。第二次世界大戰結束後，巴丁雖然想回到明尼蘇達大學繼續任教，但出於家庭經濟上的考慮，他於1945年接受了美國新澤西州默里山的貝爾電話實驗室的邀清，與肖克利和布拉頓合作，從事半導
體性能的研究。1947年底巴丁和布拉頓發明了雙點接觸型晶體管。這項發明導致了20世紀50年代電子管微型化的工業化發展。他們三人也因此分享了1956年的諾貝爾物理學獎。

　　1951年以後，巴丁一直擔任伊利諾依大學物理學教授和電子工程學教授。1952年巴丁被聘為哈羅愛德公司顧問，對公司複印機的迅速發展提供了很大幫助，1961—1965年他成為該公司董事會成員之一。此時，巴丁對低溫超導研究產生了濃厚的興趣，帶領他的博士
後研究助手庫珀和研究生施里弗一道並肩努力探索，他們終於在1957年成功地解釋了低溫超導，提出了著名的BCS理論，因而三人分享了1972年的諾貝爾物理學獎。

　　巴丁因其突出貢獻贏得了崇高的榮譽，先後被授予國家科學院院土、國家工程學院院士，被任命為美國總統科學顧問委員會顧問、白宮科學議會成員、美國物理學會會長。鮮花與掌聲環繞着這位偉大的科學家，人們永遠銘記着他的功績。

　　　　　　　　 致力於半導體的研究

　　1945年，美國貝爾電話實驗室成立了以巴丁．肖克利和布拉頓為核心的固體物理研究小組，從事半導體研究，以探索一種既能排除電子管的缺點又能夠起到放大作用的電子器件。

　　巴丁對半導體的研究，開始主要靠當時人們對半導體性能研究積累的有效成果，從前人那裡汲取智慧的力量與知識營養。後來巴丁以研究物理學家的身份參與半導體的研究工作，發揮了他在半導體的體內和表面現象等方面的研究專長。在實驗研究中，巴丁和布拉頓發現電流從一適當的接觸點流人半導體時，半導體中電子和空穴的濃度會增加。這就是晶體二極管的原理。同時他們又發現從適當的接觸點流過的電流能使半導體的電導發生改變，後來就把這一現象稱為晶體管效應。這一效應的發現，讓巴丁和布拉頓格外驚喜。
正是這一效應引導他們發明了半導體三極電子管，即晶體三極管。根據理論設想和實踐經驗，巴丁和布拉頓試驗了兩種設計之後，發現具有良好整流作用的鍺的金屬點接觸附近蒸發上一金斑點的電極，在這個金斑點電極和鍺主體底的一個面接觸電極之間加上電壓後，從金斑點電極而來的電流對從鍺主體流入負偏壓的金屬點接觸的電流有很大影響，使後者減小。他們的結論是空穴必然是在從金斑點接觸電極經表面層流到金屬點接觸，從而得到一些放大電壓，改變了半導體的電導。這就是晶體管效應的第一次驗證——從一適當
的點接觸流人半導體的電流改變了半導體的電導。

　　巴丁和布拉頓後來又進一步改試兩個緊靠近的半行線接觸，並一次試驗就成功地得到了使輸入電信號的電壓放大及電流放大的現象。但他們最後認識到兩平行線接觸是不必要的。他們最後的設計是改用兩個緊靠近的點接觸，使一個施加在發射空穴的點接觸電極，
這就會使晶體底面上的基電極之間的電信號，在收集空穴的點接觸電極和基電極之間的高電阻負載上出現放大信號。1947年12月23日，他們在貝爾實驗室向其主管們演示了這個雙點接觸型晶體三極管。這是他們發明的第一個半導體三極電子管。這種半導體器件的體積僅為真空電子管的幾十分之一，所消耗的功率僅為真空管的萬分之一，卻具有真空管的大部分功能，其性能遠遠超過了真空電子管。隨後，肖克利在此基礎上發明了面接觸型晶體管。這一發明在當時無疑是一項重大的突破，它開闢了電子器件的新紀元o

　　1948年6月，用晶體三極管和半導體整流器元件製成了沒有真空管的收音機，不但節省了燈絲電流，大大降低了電消耗，減小了體積和重量．而且增強了性能穩定性和延長了收音機使用壽命。除此之外．晶體管的早期應用還有貝爾電話系統中的按鈕撥號裝置和用
於長途電話自動選定線路的插件轉換器。探險者號和先鋒號衛星的發報機也曾用晶體管向地球上轉送科學資料。現在，無處不有的晶體管和電路的微型化已經使電子器件發生了革命性變革。

　　晶體管的發明是集體研究與個人成就結合的一個光輝典範，為表彰巴丁、布拉頓和肖克利他們的重大成果，他們三人共同分享1956年度的諾貝爾物理學獎。

　　　　　　　　　　　　　　BCS理論的創建

　　1911年，卡墨林·歐內斯通過人工液化氦從而達到接近溫度的絕對零度。其後他又發現在這樣超低溫度降到臨界值時，汞、鉛．錫等金屬的電阻突然變為零，電流可以無限地維持下去。這個奇怪的低溫超導現象吸引了包括玻爾、海森堡、布洛赫等一大批傑出的理論物理學家的興趣。但40多年來一直沒有得到滿意的解釋。巴丁以長者的身份正確地估量了年輕合作者庫珀、施里弗等人的潛在力量，三人並肩朝低溫超導現象開進，

　　約在1950年，E．麥克斯韋和B．塞林在魯特格斯大學領導下的一個小組彼此獨立地發現，使金屬成為超導體的溫度與該金屬的原子量成反比。當巴丁得知這一消息後，他立刻想到必須考慮金屬晶格上的原子對電子的影響，即“晶格振動與電子的相互作用”，但並沒有獲得成功。

　　從B．古德曼關於熱傳導的工作以及布朗、布爾斯關於比熱的工作看來，似乎超導理論中需要的另一個成分是“能隙”的概念。泡利“不相容原理”確定了電子在軌道上或原子能級上的分布狀況。即使在絕對零度時，由於較低的能級被填滿了，某些電子仍具有相當大的能量，如果沒有與被占據的最高能級(即費米能級)相鄰的更高能級，那就一定存在一個“能隙”。巴丁直覺地意識到，如果找到了“能隙”出現的原因，那就能理解超導電性了。的電子雖然帶着同種電荷會有相互排斥現象，但它們對金屬晶格中正電荷的吸引會使得晶格畸變，導致了穩定的“庫珀電子對”的形成o巴丁、庫珀和施里弗試圖將庫珀的思想應用推廣到與晶格相互作用的所有電子的多體問題研究上。最後，他們明確了超導電性存在的依據：兩電子相吸的聲子作用勝過兩電子靜電相斥的作用。這樣，他們的超導電流理論，即BCS理論(以他們三人的名字的第一個字母命名)就建立起來了。

　　“庫珀屯子對”具有共同的動量，由於泡利不相容原理，改變這種動量，使它裂成兩個正常電子，就需要兩倍“能隙”那麼大的能量。這在低溫狀態是做不到的。超導電流以“庫珀電子對”為載流子，大大不同於正常金屬中以傳導電子載電的電流。“庫珀電子對”的總動量在夠低溫度時不能改變，從而導致超流動性，即超導電性。

　　BCS理論已被認為是自量子理論發展以來對理論物理學最重要的貢獻之一。由於BCS理論有助於設計出能在不太低的溫度下成為超導體的合金，因而，這一吸引人的超導成果已導致了超導磁體的研究，並有可能在計算機和動力傳輸線中得到應用。

　　由於BCS理論取得的成就，巴丁與庫珀、施里弗共同分享了1972年度的諾貝爾物理學獎。這樣，巴丁便成為世界上至今惟一的在同一領域內兩次獲諾貝爾獎的偉大人物。他把第二次獲得的獎金全部用於設置弗里茨·倫敦獎和支持弗里茨·倫敦紀念館講座，以紀
念這位曾經對超導研究做出傑出貢獻的著名物理學家。

　　　　　　　　　　　　　　 無止境的求索

　　在科學探索的道路上，巴丁是一個孜孜不倦的求索者。對未知的世界，他永遠懷有一份好奇，或許他的快樂就在於這不盡的好奇與探索。

　　BCS超導理論預示着一個重要發現：具有某特種相互作用的許多個弗米型等同粒子所組成的體系，傾向於產生關聯着或結合着的粒子對，每對都有相同的總動量，BCS理論中的成對關聯概念及由其導出的成對波函數，後來被成功地用到解釋原子核基態及低激發態的性質上，從成對的凝聚態中取出一個中子需要的能量，比從不成對的單個中子需要的能量為大。基於此，巴丁認識到基本物理概念能在很大的範圍內應用到初看起來完全不同的問題上，在一個領域進展的理解常可被應用到初看起來完全不同的許多其他領域之中。1980年巴丁研究了這類具有廣泛共同性的基本物理概念，指出理解磁性、液氦的超流性和超導電性所發展出來的各個概念，如何能延伸並應用到家核物質、弱和電磁相互作用、液晶的徑個相關但又完全不同的領域。

　　巴丁對上述這類共同性進行了廣泛的研究與總結，並舉例說明磁體．液氦、超導體，液晶之間的共同特色，指出由這些體系中發展出來的基本理論在其他領域會有相通性的認識，並強凋這種相通性認識的重要性。這同那種把整個物理學分割成零碎的專門化的流行做法形成鮮明對比。

　　1985年，巴丁又提出用宏觀尺度上的量子現象來解釋一些金屬化合物導電體中存在的“電荷密度波”狀態，把這些“電荷密度波”看成是聲子態的宏觀占領。通過實驗，巴丁發現某些有機化合物在某臨界轉變溫度之下，也可以以運動着的“電荷密度波”的方式來傳導電流。在正常情況下，由於晶格內有雜質釘扎着，“電荷密度波”無法傳導電流；當所加電場強度超過某臨界值時，這些“電荷密度波”就能在晶格中傳播，不被釘扎，從而傳導電流。

　　人們在兩個完全不同的路線上試圖理解“電荷密度波”實驗結果。巴丁的“暈子路線”是把呈現“電荷密度波”傳播的凝聚體看成是在縱向橫向上都具有宏觀波函數所表徵的宏觀量子體系。通過約lo微米宏觀量子的隧道作用，釘扎作用被解除，“電荷密度波”就得以形成。與此相反，1982年斯內登等人則提出“經典路線”，“電荷密度波”被看作一個具有質量的經典物體。其理論假定是在高電場強度下“電荷密度波”在本質上是自由的，因而用微擾論方法來處理同雜質的相互作用。但事實並非如此，即使在很高的電場強度時，釘扎仍很牢固。巴丁的量子理論已能在很大範圍內定量地說明“電荷密度波”的各種現象，特別是電導率同所加電場強度、頻率及溫度的關係。不懈的探索沒有辜負這位白髮蒼蒼的老人，晚年的巴丁一直走在科學的光明大道上。

　　巴丁的一生可以說是完全地獻給了物理學的研究，獻給了人類進步的事業。他先後在金屬理論、原子核理論，氣體理論，半導體理論，超導電理論、固態理論等方面做出了傑出的貢獻。這些不但促進了物理學本身的發展，而且對於工業技術的革命性變革也有重大的意義。正如他自己1984年所說過的：“在50和60年代，固態物理學和技術在大學、企業和政府的各個實驗室堅有了迅速的生長，直到70年代才慢了下來。儘管在各個時期人們曾預料固態領域的發展已接近尾聲，在工業上的發現和發明卻為數不減地一個接一個出現，
直到如今。”