两次获得诺贝尔奖的物理学家

若兰

诺贝尔奖获得者的名单中群星闪耀，约翰·巴丁（下文简称“巴丁”）就是其中绽放光芒的一颗。作为迄今为止唯一一位两次获得诺贝尔物理学奖的科学家，巴丁的创造性工作对电子学和固体物理学的发展产生了极为深远的影响。

少年聪慧展锋芒

1908年5月，巴丁出生于美国威斯康星州麦迪逊市。9岁时，巴丁从小学三年级直接跳级升入初中，展现了他在学业上过人的天赋和智慧。在接下来的求学之路上，巴丁始终保持着亮眼的学习成绩。1923年，15岁的巴丁完成了大学预备课程，进入名校威斯康星大学麦迪逊分校电机工程系学习，并辅修数学和物理学。1928年，巴丁取得学士学位。一年之后，巴丁又取得了硕士学位。

1930年，巴丁被海湾石油公司录用，从事地球物理探油技术的研究。不久后，巴丁就发明了一种新的电磁学方法来勘探石油，这种方法能大大提高勘探效率。虽然身在海湾石油公司，巴丁始终关注物理学的前沿动态。1933年，巴丁果断放弃了待遇优厚的工作，自费去普林斯顿大学攻读博士学位，研究理论物理。1935年，巴丁的博士论文还未完成时，他就获邀成为哈佛大学研究会的初级会员，并得到了该协会三年的基金支持，让他可以专心做研究。1936年，巴丁获得了普林斯顿大学博士学位。

发明半导体三极管

1945年4月，巴丁加入贝尔电话公司实验研究所，成为固体物理研究小组的成员。这个小组的主要研究任务就是研发半导体三极管。电子管曾经推动了无线电的蓬勃发展，但它始终存在损耗大、易出故障、携带不便等问题，因而半导体三极管的研发势在必行。

组长肖克利提出了构造半导体三极管的设想，即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。然而，肖克利在實验中一直观测不到场效应（在物理学中，场效应指的是使用外加的电场改变材料的导电性），这就意味着他的理论始终无法被实验验证。巴丁加入后，提出了“晶体管效应”理论，他发现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，从而阻止了电场穿透到半导体内部，因而不能形成电流。巴丁和组员们一起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，解决了这一难题。

1947年12月，世界上第一只半导体三极管成功问世。人类被带进了数字时代，一场电子工业革命徐徐拉开帷幕。我们现在所使用的各类电子产品，几乎都运用了半导体三极管技术。1956年，巴丁与同事肖克利、布拉顿因发现晶体管效应共同获得诺贝尔物理学奖。

创立BCS理论

在朋友的引荐下，巴丁于1951年5月到伊利诺伊大学任教。在那里，他开始重拾超导理论研究。超导现象（指材料在低于某一温度时，电阻变为零的现象，而这一温度称为超导转变温度）最早于1911年被发现，吸引了无数科学家尝试进行超导理论研究。但像爱因斯坦、费曼等大科学家的尝试，最后也以失败告终。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”。

为了解决超导理论问题，巴丁带领自己的学生组建了一个“超导电性理论”攻关团队。团队的两位成员分别是博士后库珀和正在攻读博士学位的施里弗。经过2年的努力，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做出了合理的解释。

巴丁不仅带着学生终结了“理论物理学的耻辱和绝望”，还十分尊重爱护学生的荣誉。巴丁单独提名了库珀和施里弗两人为诺贝尔物理学奖候选人。令人欣慰的是，瑞典皇家科学院最后还是给巴丁团队的三人一起颁发了1972年诺贝尔物理学奖。

巴丁汇集了众多成就于一身，把自己的一生献给了科学事业。巴丁不但尊重前辈的研究成果，还培养了一批才华横溢的学生，无愧为物理学发展史上的常青树，永远激励着后来者。

（摘自《科学启蒙》2022年第8期）