04.09 史上唯一兩奪諾貝爾物理獎的傳奇,卻低調到幾乎被世人遺忘

沒點古怪性格,都不好意思稱之為天才科學家。

如談起牛頓、愛因斯坦、費曼、薛定諤等大科學家,除了科學成就外,人們對他們“不按常理出牌”的趣事更為津津樂道。

這也造成了一種另類的刻板印象,“瘋狂”幾乎是天才科學家的標配。

而那些生性低調的天才科學家,則難以被大眾捕捉,看起來像是沒什麼“市場”。

約翰·巴丁

例如,約翰·巴丁就是一位天才科學家,但他卻因個人風格不突出而鮮為人知。

首先,他是世上唯一一位,在同一領域獲得兩次諾貝爾獎的科學家,天才不言而喻。

他發明了晶體管,直接引發了一場電子工業革命,真正地改變了世界。

若不是他,我們現在用的手機、電腦乃至一切電子產品,都仍是科幻小說的素材。

而他的另一個成就則是創立了BCS超導理論

這也是發現超導現象以來的50年裡,人類首次取得的突破性進展。

這兩個成就,也分別使他獲得了1956年和1972年,分別兩次諾貝爾物理學獎。

他本該有張狂的底氣,但卻低調了一輩子。

那麼他究竟能低調到什麼程度?

例如著名作家張純如曾想為這位兩奪諾獎的傳奇人物著述立傳,但是卻遭到極力反對。

原因是除了其輝煌的成就外,他的生活真的沒有什麼特別,更無法引起大多數讀者的興趣。

張純如著有《錢學森傳》《南京浩劫》等作品

不過,一個人低調到這種地步,也造就了另一種極致。

有人曾經提出過“巴丁數”這一概念,用於形容“謙虛程度”,等於成就比上自我吹噓。

物理學家巴哈特就說,一般人的巴丁數等於1就很不錯了,而巴丁則為無窮大。

最右為巴丁

1908年5月28日,約翰·巴丁生於美國威斯康星州,是家中五個孩子中的第二個。

雖然不像高斯那般神童,但從小學起他的才能就已經顯現了。

才9歲剛上三年級,他就覺得功課簡單得不像話,直接連跳三級,成了一名初中生。

儘管突然成了班裡年紀最小的學生,他的學習依然十分突出,尤其表現在數學方面。

那時他就碾壓一批大他幾歲的同學,在麥迪遜市的代數競賽中取得了優異成績。

約翰·巴丁與哥哥威廉·巴丁

到14歲,巴丁就已完成大學預備課程,直接升入名校維斯康星大學了。

不過,一路順風順水的巴丁,很快就遇上人生第一個挫折了。

1930年碩士畢業的巴丁,就趕上了美國的經濟大蕭條。

他找的第一份在at&t(美國電話電報公司)的工作,就直接被拒絕了。

當時,也只有因汽車時代來臨而發起橫財的海灣石油公司,仍願招人。

陰差陽錯間,原本學電氣工程的巴丁,也只能幹起了勘測石油的工作。

在其位,謀其職,巴丁非但沒因學非所用而怨天尤人,反而是利用自己的知識踏實工作。

果然不久後,他就發明了一種勘探石油的新電磁學方法。

這種方法不但新穎,且還能大大挺高勘探效率。

而為了不讓同行獲得更多信息,海灣研究甚至決定不申請專利,也要將這項技術保密到底。

所以直到30年後,他的這項發明才得以公佈於世。

雖然工作得到了領導的高度讚賞,但巴丁知道,自己還是對物理和數學最感興趣。

所以才在實驗室待了三年,他就放棄了優厚的工資,自費到普林斯頓繼續攻讀博士學位了。

普林斯頓大學,對巴丁來說簡直就是天堂。

雖然剛來報道時,自己想拜會的偶像愛因斯坦已經不在此處了。

但這也並不妨礙巴丁結識一大批優秀的同學和老師。

巴丁與珍妮

在這裡,他還遇上了一生摯愛珍妮,並與其步入了婚姻的殿堂。

不得不說,巴丁是個不可多得的好兒子、好丈夫、好父親。

在讀博期間,他就為了陪父親直接中斷了普林斯頓大學博士學位的工作。

直到父親去世後,他才再次進去哈佛大學繼續博士學位論文。

與珍妮結婚後,在外,他為了增加收入會同時給大學生和研究所授課,連暑假也不歇息。

在內,巴丁也儘自己的一切所能幫珍妮料理家務,洗衣烹飪樣樣精通。

無論出國訪問,還是出席重大授獎儀式,珍妮也總是陪伴在他身邊。

攝於巴丁與珍妮50週年紀念日

不過在生活中對親人無微不至的呵護,並沒有阻礙他在學術上的永攀高峰。

他後面兩獲諾獎,就是最好的證明。

1945年4月,巴丁加入到了貝爾實驗室,成為固體物理研究小組的成員。

當時,肖克利(William Shockley )是小組長,組員還有布拉頓(Walter Brattain)。

他此行的目的,正是要研發出全世界人民熱切盼望的半導體電子器件——晶體管。

1904年史上第一個電子二極管

在晶體管還未面世時,電子管的缺點就已經暴露無遺了

雖然電子管曾推動了無線電的蓬勃發展,但其笨重、能耗大、壽命短、易出故障、難以維修等毛病,就已經十分讓人厭棄了。

當時,組長肖克利就提出了構造一個半導體三極管的設想,以尋求解決辦法。

也就是將一片金屬覆蓋在半導體上面,利用金屬與半導體之間的電壓所產生的電場來控制半導體中通過的電流。

這雖然已是“結型場效應”的基本工作原理了。

但不幸的是,這一理論無論做多少次實驗都未能成功,而肖克利也無法解釋原因。

1948年貝爾實驗室,巴丁(左)、肖克利(中)、布拉頓(右)

直到巴丁的加入,並提出那個至關重要的半導體表面態理論,這才解決了卡住所有人的難題。

原來,在外加電場的作用下,電子被吸引到半導體的表面並被束縛在那裡,形成了嚴密的屏蔽作用。

這也阻止了電場穿透到半導體內部,因而不能形成電流。

這也是為什麼肖克利在實驗中,一直觀測不到場效應的原因。

約翰·巴丁

找到謎題的答案,實驗就好辦多了。

在這之後,他們便巧妙地藉助含正負離子的電解液,改變了晶體表面電荷的分佈,解決了“半導體表面態”的問題。

經過幾天的奮鬥,巴丁和布拉頓就觀測到了放大30%的輸出功率和15倍的輸出電壓。

於是,世界上第一隻稱為點接觸晶體管的半導體放大器就這樣問世了。

晶體管,是20世紀當之無愧最重要的劃時代發明。

他將人類直接帶進了數字時代,只要你能想得到的電子產品,幾乎都運用了晶體管技術。

世上第一隻晶體管

晶體管的發明,無疑是研究小組送給貝爾實驗室最好的禮物,人人都歡欣鼓舞。

但卻有一人高興不起來,那就是肖克利。

因為作為一組之長,他並沒有身先士卒親自指導,自然也沒被列為專利發明家

於是,他打算趁這個成果未公佈之前,揹著巴丁和布拉頓,獨自研究出更先進的結型晶體管。

很快,肖克利也設計出了結型晶體管,並在1955年脫離了貝爾實驗室,自立門戶成立了“肖克利半導體實驗室”*

*注:當時,肖克利憑著“晶體之父”的名氣,吸引來了一批聰明又富有激情的年輕人,在硅谷開天闢地,甚至被稱為“硅谷之父”。只是因為傲慢專橫的個性,那些鬥志昂揚的年輕人都紛紛離他而去,這便是歷史上的“硅谷八叛逆”。這“八叛逆”包括了後來仙童半導體、因特爾公司的創始人諾伊斯和摩爾等。而肖克利卻在那10年實業生涯裡什麼都沒撈到,只能回到大學校園。

肖克利

當初為了不讓巴丁和布拉頓再參與晶體管的後續發展工作,肖克利還利用自己的行政權,直接將他們踢出了研究小組。

此外,在這個成果公佈之時,傲慢的肖克利也極力突出自己的成就,冷落了一旁的巴丁和布拉頓。

所以這也導致了一個現象,只要提起晶體管,人們第一時間想起的總是張揚的肖克利,而不是巴丁或布拉頓。

三位晶體管之父

當然,溫和的巴丁本人也什麼都沒說,就離開貝爾實驗室,退出了這場晶體管爭奪戰。

其實離開貝爾實驗室,對巴丁本人來說或許才是最好的選擇。

因為不需要晶體管,巴丁也同樣能走向了人生的第二個巔峰。

在朋友的引薦下,他於1951年5月24日在伊利諾斯大學任教。

在那裡,巴丁也開始重拾過去一直鍾情的超導理論研究

超導現象*最早發現於1911年,這種奇妙的現象一經發現就立馬引起了許多界出物理學家的關注。

當時,無數科學家都前仆後繼地嘗試用理論給出解答。

但像愛因斯坦、費曼等大科學家的嘗試,最後也只能以失敗告終。

所以在很長一段時間裡,超導理論的研究進展都被視為“理論物理學的恥辱和絕望”

*注:超導現象指的是許多金屬和合金,在一定的低溫下直流電阻率突然消失,被稱作零電阻效應,而處於超導狀態下的導體則被稱為“超導體”。

利用超導體的抗磁性可以實現的磁懸浮

巴丁雖然決定向這個問題發起總攻,但也深知以個人的能力是很難完成的。

於是在單幹了五年待時機成熟後,他便發揮領導才能,找了兩個不同專業的學生。

一位是由楊振寧推薦的,來自普林斯頓大學的博士後庫珀;

另一位則是跟巴丁攻讀博士學士的研究生施裡弗。

就這樣,不同背景的三人便組了一個“超導電性理論”攻關團隊

經過兩年努力後,他們便創立了BCS理論(B——巴丁,C——庫珀,S——施裡弗),從微觀上對超導電性作出了合理的解釋,解決了困擾物理學家長達46年的“恥辱難題”。

而超導理論,也被認為是自量子理論發展以來,對理論物理最重要的貢獻之一。

1957年3月,他們正式在物理學會會議上宣佈了這一發現。

當時為了讓後輩們得到承認,巴丁還決定不參加會議,論文由這兩位學生宣讀。

巴丁、庫珀、施裡弗

巴丁的溫柔也總是周到的。

在提出BCS理論後,考慮到自己因晶體管已經獲得過諾貝爾獎了,他還單獨提名了庫珀和施裡弗兩人為諾獎候選人。

因為在過去,還未出現過在同一領域獲得兩次諾獎的先例。

所以巴丁正是擔心委員會的不成文規定,會影響到兩位年輕人應得的榮譽,才出此下策”將所有機會讓出後輩

或許這才是真正的“一日為師,終生為父”的真正詮釋,而不是逼著學生喊自己“爸爸”。

巴丁再次登上諾獎領獎臺

令人欣慰的是,瑞典皇家科學家最後還是為巴丁打破了慣例,他們三人一同獲得了1972年的諾貝爾物理學獎。

而巴丁也因此成為了歷史上首位,在同一個領域兩次獲諾獎的傳奇。

不過,獲得兩次諾獎對巴丁來說,其令人興奮的程度也不過是一次“一桿進洞”罷了(巴丁喜歡打高爾夫球)。

如果說,天才總是“瘋狂的”。

但巴丁沒有費曼的幽默天賦、也沒有愛因斯坦那一頭不羈的頭髮、其成就亦絲毫不輸任何人。

而在那群滿身怪癖的“瘋狂科學家”中,巴丁“平凡”的個性也才是最耀眼的存在。

畢竟天才常有,而謙虛低調的天才,才真正萬中無一。

候新傑,王瑞.兩次諾貝爾物理學獎獲得者——巴丁的科學成就和人格品質.自然雜誌[J].2007(30):4.

周光召. 創新人才的成長——以偉大的物理學家John Bardeen成長為例[J]. 寧波大學學報: 人文科學版.2009(2): 5.

盧森鍇.晶體管發明60年.大學物理[J].2008(27):2