两次诺贝尔物理学奖获得者——约翰·巴丁 41页

首都师范大学硕士学位论文两次诺贝尔物理学奖获得者——约翰·巴丁姓名：赵继军申请学位级别：硕士专业：科学技术史指导教师：王士平20070512 摘要约翰·巴丁是美国著名物理学家，他是迄今为止唯一一位两次获得诺贝尔物理学奖的科学家。他因晶体管的发明和超导微观理论—BcS理论的提出，分别于1956年和1972年获得诺贝尔物理学奖。巴丁的研究所涉及的领域十分广泛，对物理学的发展做出了杰出的贡献。除了在科学上取得的卓越成就之外，巴丁在工业企业发展战略，政府政策制定等方面也做出了自己的贡献。本文包括五部分：第一部分是巴丁的传略，主要介绍了巴丁的家庭背景、求学历程、工作经历、主要成就等。第二部分回顾了巴丁与布拉顿合作发明点接触型晶体管的过程，讨论了晶体管发明的影响和有益启示，同时分析了他惜别贝尔实验室的原因。第三部分回顾了巴丁与库珀、施里弗协作，共同建立BCS理论的过程，讨论了BCS理论的影响和意义。第四部分介绍了巴丁担任工业企业和政府顾问期间的工作，以及在此做出的贡献。第五部分概括了巴丁的品格和科学风格。关键词：约翰·巴丁；物理学史；诺贝尔物理学奖；晶体管；超导电性；电子一声子相互作用；BCS理论 AbstractJohnBardeenisafamousAmericanphysicist．So缸．hehasbeentheonlyscientistthateverwontwoNobelPrizesinPhysics．Hewonthe1956NobelPrizeinphysicsfortheinventionofthetransistorandthe1972NobelPrizeinphysicsfortheestablishmentofthetheoryofsuperconductivity,usuallyconsideredastheBCStheory．Bardeen’Sresearchtouchedseveralale．asandhemadegreatcontributionstothedevelopmentofphysics．Apartfromthepredominantachievementsinscience，Bardeenalsomadecontributionstothedevelopmentstrategiesoftheindustrialenterprisesandthepoliciesofgovernment．Thethesisisdividedintofiveparts．ThefirstpartisabiographyofJohnBardeen．ItcontainsBardeen’Sfamilybackground，studyingexperience，workingexperience，mainachievementsandSOon．Thesecondpartreviewstheinventionprocessofthepoint-contacttransistor,whichwasmadethroughthecooperationofBardeenandBmttain，discussestheimpactandhelpfulinspirationofthetransistor，andanalyzesthereasonsthatBardeenwasreluctanttepartfromBelllabs．The吐drdpartreviewstheprocessoftheestablishmentoftheBCStheorymadebyBardeen，togetherwithCooperandSchrieffer，andsummarizestheimpactandthesignificanceoftheBCStheory．ThefourthpartintroducesBardccn’Sworkandcontributionsintheperiodwhenheact[eclasanadvisorofindustrialenterprisesandgovernment．ThefifthpartoutlinesBardeen’Scharacterandstyleofscience．Keywords：JohnBardeen；physicshistory；theNobelPrizeinphysics；transistor；superconductivity；elec打on—phononinteraction；BCStheoryII 首都师范大学位论文原刨性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：益沁参日期加睥明，扫首都师范大学位论文授权使用声明本人完全了解首都师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。学位论文作者签名：慈!摩奎日期：榔月Mj 首都师范大学硕士学位论文两次诺贝尔物理学奖获得者——约翰·巴丁引一言美国著名物理学家约翰·巴丁(JohnBardeen，1908—1991)是迄今为止唯一一位两次获得诺贝尔物理学奖的科学家，他因晶体管的发明和超导微观理论—BCS理论的提出，分别于1956年和1972年获得诺贝尔物理学奖。巴丁的研究所涉及的领域十分广泛，对物理学的发展做出了杰出的贡献。除了在科学上取得的卓越成就之外，巴丁在工业发展政策，企业规划等方面也做出了自己的贡献。综观巴丁的一生，他的成功带给我们许多有益的启示，他的研究风格，他关于科技、工业政策制定的独特见解等，非常值得研究。目前，国内方面已有不少介绍巴丁的文章，其中，刘兵的文章生动而概括地介绍了巴丁的生平和两项诺贝尔奖获奖工作的研究过程，尤其是对超导BES理论建立的背景进行了深入的研究；卢鹤绂的文章也概述了巴丁的生平，并从专业角度介绍了巴丁两项诺贝尔奖获奖工作，但限于篇幅，这两篇文章还不够全面、丰富和深入。国外方面，最为突出的就是莉莲·霍德森出版了第一本有关巴丁的传记，对巴丁的生平、求学历程、科学成就等诸方面都进行了较为深入的研究。无论国内，还是国外方面，人们对巴丁的研究都取得了一定的成果，但是对于巴丁两次获得诺贝尔物理学奖探索历程的研究，都还有值得进一步深入研究的问题，例如：巴丁在发明了点接触型晶体管后为何离开贝尔实验室，巴丁为何让派尼斯、李政道和洛研究极化子问题，巴丁为何在做出BCS理论后力荐库珀、施里弗公开发表他们的研究成果等。国内方面有关巴丁的文章对巴丁在工业企业发展、政府政策咨询方面的工作却没有人进行过研究。综上所述，基于国内外方面对巴丁所作研究尚存在不全面、甚至不准确的问题，对巴丁进行深入研究是十分有必要的。因此，本人在搜集有关巴丁生平、科学成就等诸方面文献资料，巴丁的原始论文，以及前人工作基础上，对巴丁进行了进一步研究。鉴于巴丁在科学上所取得的巨大成就，恰逢2007年晶体管诞生60周年，BCS理论提出50周年，2008年巴丁诞辰100周年之际，研究巴丁是很有意义的，这篇论文是对这位伟大的物理学家一个纪念。 首都师范大学硕士学位论文第1部分约翰·巴丁的生平图1约翰·巴1约翰·巴丁(JohnBardeen)，1908年5月23日出生于美国威斯康星州的麦迪逊。巴丁的父亲C·R·巴丁(CharlesRussellBardeen)是威斯康星大学医学院的创始人、第一任院长和解剖学教授，母亲A·H·巴丁(AltheaHarmerBardeen)曾在纽约布鲁克林的普拉特学院学习过美术和设计，她还在芝加哥杜威中学作过短暂教学，随后独自从事室内装饰生意。在五个兄弟姐妹中，巴丁排行第二，上面还有一个哥哥比尔·巴丁(BillBardeen)，巴丁与哥哥关系最好，他们相处融洽，一同集邮，一起参加各种各样的活动。与其他兄弟姐妹不同的是，巴丁自幼便显示出超乎寻常的智慧，并很快成了父母最喜爱的孩子。与不少杰出科学家一样，巴丁从小便表现出对数学的浓厚兴趣和对学习的卓越才能。当巴丁9岁时，他就从小学三年级直接跳级进入了麦迪逊公立中学初中一年级。巴丁的数学老师也发现了巴丁特有的数学天赋，便经常给他布置一些额外的家庭作业，并不断培养他对数学的热爱。进入该中学的第二年，巴丁又转到了威斯康星大学附属中学，并获得了麦迪逊市代数竞赛第一名的好成绩。虽然巴丁跳级进入了高年级，然而放学后，他回到家中仍同当地同龄的小朋友一起愉快地玩耍和做游戏，天真烂漫的他愉快地过着童年生活。像哥哥比尔一样，巴丁从小就热爱体育运动，夏天常常到离家不远的门多塔湖游泳，冬天则在冰面上溜冰或坐冰上划艇。每逢周日，巴丁和哥哥就替父母背着球杆，到当地的高尔夫球场看大人们打球。当他们渐渐地长大到能够挥舞球杆时，他们就参加了这项运动，打高尔夫球也成为巴丁终生除物理学之外最大的爱好。不过与哥哥比尔活泼开朗的性格不同，巴丁沉默寡言。12岁时，巴丁的母亲因患癌症去世，他深受打击。失去母亲的他感到2 首都师范大学硕士学位论文异常悲伤与孤独，学习成绩全面下降，尤其是法语几乎不及格。13岁时，由于威斯康星大学附属中学缺乏足够的实验设备，巴丁回到公立中学．在公立中学又度过了两年时光，巴丁15岁时，与年长他两岁的哥哥比尔同时从高中毕业。中学毕业后，巴丁进入威斯康星大学电气工程系。在威斯康星大学，他主修电气工程，辅修数学和物理学．巴丁之所以选择工程学，是因为工程学有很好的就业前景。他不愿成为他父亲那样的学者，至少在那时他是这样想的。当时威斯康星大学应用数学专业师资力量非常雄厚，但是还没有开设原子物理学课程，直到1928年秋天范弗累克(JohnVanVleck，1905--1996)来到这里，巴丁才从他那里第一次接触到量子力学。德拜(PeterJosephWillJamDebye，1884--1966)、狄拉克(Paul^drienMaurieeDirac，1902--1984)、索末菲(ArnoldSommerfeld，1868--1951)、海森堡(WernerKarlHeisenberg，190l一1976)等相继来到威斯康星大学访问并做了精彩的系列学术报告，这些学术报告极大地激发了巴丁对物理学的兴趣。1928年他获得理学学士学位，1929年获得理学硕士学位。1929年巴丁最喜爱的彼得斯(LeoPeters)教授离开威斯康星大学，加入了海湾石油公司新设立的实验室，从事地球物理勘探法的开发。而巴丁则继续留在威斯康星大学，多呆了一年，从事天线设计的研究，同时继续他对原子物理学的兴趣。当时，巴丁萌发了将自己的主攻方向转向物理学，特别希望能够去欧洲进一步深造的想法。于是巴丁便向剑桥大学申请一份奖学金，可是没有申请成功。不过，此时已经是他需要考虑就业的时候了。他想去贝尔实验室工作，但由于大萧条时期该实验室人事冻结，使得巴丁未能如愿。1930年夏天，他收到了来自海湾石油公司的录用通知。在海湾石油公司，巴丁与威斯康星大学教授、他的论文指导老师彼得斯一道从事地球物理探油术的开创性研究。不久，他发明了一种新的电磁方法来勘探石油，这种方法十分新颖，以致海湾石油公司当即决定不申请专利，以防竞争对手用新方法获得更多有用的信息。差不多30年后，该方法才公布于世。虽然巴丁身在海湾石油公司，但他始终保持着对原子物理学的浓厚兴趣。通过临近该公司的匹兹堡大学组织的讨论会等各种途径，他一直密切关注着物理学的进展。1933年，出于对海湾石油公司日常工作的厌倦和对物理学那份热爱，他毅然辞掉了海湾石油公司待遇优厚的工作，到普林斯顿大学攻读博士学位，研究理论物理。巴丁决定去普林斯顿大学，主要是想在爱因斯坦(AlbertEinstein，1879--1955)指导下攻读博士学位。爱因斯坦是在1932年离开德国到达美国的，并在普林斯顿从事研究工作。当巴丁来到普林斯顿大学之后才发现爱因斯坦是在普林斯顿高等研究所从事研究工作，而不是在 首都师范大学硕士学位论文大学里从事教学工作，并且爱因斯坦对指导研究生也不感兴趣。因此，巴丁转而师从来自匈牙利的著名物理学家维格纳(EugenePaulWigner，1902--1995)攻读博士学位．维格纳是杰出的理论物理学家，在物理学的许多领域都做出过卓越贡献，尤其在原子核和基本粒子的理论研究方面，他因对原子核和基本粒子理论，特别是通过基本对称原理的发现和应用所作的贡献与因对核壳层模型的建立做出贡献的玛丽娅·戈佩特一迈耶(MariaGoeppert—Mayer，1906--1972)和詹森(J．Hans．D．Jensen，1907--1973)共同分享了1963年的诺贝尔物理学奖获。巴丁师从维格纳使得他受益匪浅，维格纳的研究方法对他后来从事固体物理学的研究有重要的影响。他来到普林斯顿大学时，维格纳和塞兹(FredSeitz)正在开创固态物理学的一个新领域。从在普林斯顿大学攻读博士学位起，巴丁便开始了长达几十年的固体物理学研究生涯。巴丁的博士论文就是计算把一个电子从晶体内部溢出到晶体表面所需的能量，即金属中电子的功函数。1935年春天，巴丁基本上完成了他的博士论文，可当时他的指导老师维格纳已经离开普林斯顿回到欧洲，专注于他自己的研究工作。因而。维格纳暂时不能检查巴丁的计算过程。同年，巴丁的博士论文还未最后完成时，便被吸收成为哈佛大学研究会的初级会员，该研究会为他提供了三年的研究基金，每年1500美元的资助及生活费用，使他能专心从事研究工作。这份邀请是由巴丁在威斯康星大学时的老师范弗累克发出的，他很早就看出了巴丁所具有的个人才能，非常赏识巴丁。在这里，巴丁沿用维格纳一塞兹的方法通过计算，得出了钠等碱性金属的内聚能和导电率同体积的关系，并同布里奇曼(Percyi『illiamsBridgman，1882—1961)用高压实验所得结果比较，两者基本符合。同时。巴丁充分利用提供给他的良好的机会，扩展他的物理学知识。这期间他与麻省理工学院的斯莱特(JohnSlater)及其领导的固体物理研究小组建立了紧密的联系，并且在那里结识了正在攻读博士学位的肖克剥(willi鲫Shockley，1910—1989)．同时，通过阅读伦敦兄弟的论文以及与斯莱特的讨论，巴丁对超导电性产生了兴趣。1936年，巴丁通过了普林斯顿大学博士论文答辩，获得了数学物理学哲学博士学位。在范弗累克的帮助下，1938年至1941年巴丁受聘明尼苏达大学物理系助理教授，教授量子力学等理论课程，并应该校地质学系的邀请讲授地球物理探油术。同时，他继续保持着对超导电性的兴趣，并且从休思伯格(DavidShoenberg)撰写的有关超导电性的小册子中受益匪浅。在明尼苏达大学工作期间他主要进行了金属理论及热扩散分离同位素等理论的研究工作。同时，他与女友迈克斯韦(J．Maxwell)结了婚，她是一所女子学校的生物学教师。4 首都师范大学硕士学位论文1941年第二次世界大战爆发，由于政府需要，不少科学家中断了各自手头的科学研究工作而去专门从事与战争有关的工作。巴丁也不例外，他举家搬到了华盛顿，在海军军械实验室从事水下军械的研究工作。由于巴丁对核物理和同位素分离有浓厚兴趣，他还曾被征用作为美国曼哈顿计划的候选人，但由于巴丁早期的同事中有人有不守法的记录，因此未被选中而留在了海军军械实验室。在这里，他先后进行了去磁(抵消船的磁场)、扫雷、水雷设计、鱼雷设计等方面研究和设计工作．大战结束后，巴丁原本打算回到明尼苏达大学任教，但是此时他已经有了两予一女，家庭负担加重了，出于经济上的考虑，他接受了贝尔实验室的邀请，于1945年底在贝尔实验室同肖克利和布拉顿(WalterBrattain，1902一1987)合作，从事半导体性能的研究。1947年底巴丁和布拉顿发明了点接触型晶体管。在此基础上，肖克利发明了结型晶体管。为此他们三人共同获得1956年诺贝尔物理学奖。1951年，巴丁受聘担任伊利诺伊大学物理学和电气工程学两系的教授。1952年，美国施乐公司聘请巴丁为顾问，他对名为Xerox复印机的迅速发展提供了帮助。此时，巴丁对低温超导理论展开了深入的研究。自1911年发现超导现象之后，在近50年里，这方面的研究没有能得出令人满意的理论解释。巴丁曾根据超导电同位素效应提出过一个超导电理论，但是它被验证是错误的。1955年巴丁在德国科学百科全书上发表了一长篇论文，总结了人们为建立超导理论所作的工作，并带领他的博士后研究助手库珀(LeonN．Cooper，1930--)和研究生施里弗(JohnR。Schrieffer，1931一)协同攻关，终于取得了突破：1956年库珀提出在金属晶格的作用下电子对(库珀对)流动的概念，施里弗又做出有关的理论计算。1957年，他们三人成功解释了金属超导电现象，世称“BCS理论”。巴丁、库珀和施里弗为此共同获得1972年诺贝尔物理学奖金。迄今为止，巴丁是唯一一位两度获得诺贝尔物理学奖的物理学家。70年代巴丁又提出了新的研究课题，那就是有机金属的超导性能。他希望用宏观量子体系解释准一维有机金属的导电性能。1969年，巴丁从伊利诺伊大学退休。1954年巴丁被选入美国国家科学院，1972年被选入美国国家工程院。1968--1969年他当选为美国物理学会主席。1959--1962年他被任命为美国总统科学顾闯委员会委员。1981--1982年他被任命为白宫科学委员会成员。1963--1972年他是纯粹及应用物理学联合会的低温委员会成员，1969--1972年被选为该联合会的主席。1961—1974年他是施乐公司董事会成员。1983年以来他是Supertex公司董事会成员。 首都师范大学碗士学位论文巴丁获得的主要荣誉有：1952年富兰克林研究院斯图尔特·巴兰坦奖章；1954年美国物理学会巴克利奖金；费城约翰·斯科特奖章；1956年同布拉顿及肖克利一起获得诺贝尔物理学奖；1962年低温物理学伦敦奖；1964年美国工程教育文森特·本迪克奖；1965年美国国家科学院奖章；1971年电气和电子工程师学会荣誉奖章；1972年同库珀及施里弗共同获得诺贝尔物理学奖。巴丁一生先后在多个工业研究发展部门和大学研究单位进行理论物理学方面的基础科学研究，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巨大的贡献。巴丁感到最荣幸的是他在半导体表面物理学上的创造性研究引发了信息技术的革命。1984年他说过：“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里有了迅速的生长，直到70年代才慢下来。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。材料工程技术上，为实现各种期望做到的功能而设计和制造的新材料都变成了事实。能够设计和制造的结构几乎细到原子的层次，因而性能连续在提高。没有预料到的新现象接连被发现，开拓了科学研究的各个新领域。”1巴丁教授对中国人民非常友好，曾两次到中国访问，并进行学术交流。1975年，巴丁和他的同事跟随美国一个文化交流代表团来中国进行了访问，到了北京、西安等地。1980年5月应我国教育部和北京大学校长周培源的邀请，巴丁携夫人第二次来我国讲学。在人民大会堂，巴丁受到了国务院副总理方毅的亲切接见。巴丁教授在北京大学讲学期间，分七次做了有关“超导问题的发展与近况”、“超导计算机发展近况”、“量子阱异质结激光器”等方面内容的报告。对半导体、超导体方面的发展作了扼要介绍，阐述了自己的见解。在京期间他先后与北京大学低温物理专业、半导体物理专业、中国科学院物理研究所以及冶金工业部有色金属研究院等单位举行了多次座谈，对科学发展方向发表了独到的看法。他还访问了南京大学，五百多人聆听了巴丁的报告。5月23日是巴丁的生日，又恰逢南京大学校庆，为此，校方举行了隆重的庆祝会，使巴丁这次中国之行达到了高潮。为了帮助推进我国的科学发展，巴丁曾建议中国和美国建立文化交流项目，将我国物理学家研究的范围引入更广泛的问题中去，以此推动我国的科学研究得以均衡发展。1991年1月30日，巴丁于伊利诺伊去世，享年83岁。卢鹤绂．巴丁．钱临照，许良英主编．世界著名科学家传记·物理学家Ⅱ．北京；科学出版社，1999：28．6 首都师范大学硕士学位论文第2部分巴丁与晶体管的发明晶体管的发明是20世纪物理学发展史上最重要的事件之一．(一)晶体管发明的背景晶体管的发明是科学家长期探索的结晶，它的研究可以追溯到19世纪。1833年法拉第(M．Faraday，1791--1867)惊奇地发现硫化银的电阻率随温度升高而迅速降低，这成为半导体效应的先声。1874年，德国物理学家布劳恩(F．Braun，1850--1918)第一次注意到金属和硫化物接触时具有整流特性。1876年，英国物理学家亚当斯(w．G．Adams)等人发现硒的表面会产生光生电动势。1883年，美国发明家弗利兹(C．E．Fritts)制成第一个实用的硒整流器。无线电报出现后，矿石被广泛用作检波器，其主要成分是硫化铜，后来用上了硅和锗。1904年，英国的弗莱明(J．A．Fleming，1849—1945)制造出检测电子用的第一支真空二极管。1906年，美国发明家德福雷斯特(L．D．Forest，1873—1961)发明了第一支真空三极管(电子管)。电子管一经发明出来，就被广泛应用在各种电子设备上。但是，随着电子管的广泛使用，电子管体积大、寿命短、价格昂贵、耗能多、易破碎等许多难以克服的缺点逐渐暴露了出来，这直接影响了有关行业的发展。例如：1946年美国宾夕法尼亚大学研制成的世界上第一台数字式电子计算机ENIAc，它使用了约18000个电子管、1500个继电器，耗电量达150kW，占地面积167m2，重量约30T。19世纪20年代，量子力学的诞生使经典物理理论发生了根本性的变革，量子理论的创立为固体物理学的研究提供了新的理论工具。1926年，索末菲用费米一狄拉克统计解释了金属中电子的行为。同年，海森堡让他的学生布洛赫(FelixBloch，1905--1983)研究晶体点阵对电子运动的影响；两年后，布洛赫指出在周期性势场中电子占据的能级可能形成能带。1931年威尔逊(A．H．Wilson)进一步发展了布洛赫的能带理论，用能带理论解释了导体、绝缘体和半导体的行为特征，其中包括半导体电阻的负温度系数效应和光电导现象。后来，他又提出杂质能级概念，对掺杂半导体的导电机理做出了说明。1939年达维多夫(A．C．Davydov)、莫特(NevillMott，1905—1996)和肖特基(w．Shottky)各自独立地提出了解释金属一半导体接触整流作用的理论。达维多夫首先认识到半导体中少数载流子的作用，而莫特和肖特基则提出了可以解释阻挡层整流的“扩散理论”。至此，在20世纪30年代科学家已经完成了以下三个方面的工作：(1)威尔逊的半导体能带模型的量子理论。利用能带模型可以根据过剩电子和空穴7 首都师范大学硕士学位论文来描述导电。这个理论表明了“载流子的浓度是怎样随温度和掺杂而变化的”．(2)有关光电现象的弗伦克尔(Frenkel)理论(通过光照和电磁电子效应来改变接触势垒)。这个理论建立了一个当没有任何导电电子和空穴平衡浓度存在时，用来描述电子流动的基本方程。他认识到，同有电场时一样，当有电场梯度存在的情况下，扩散也将使电子发生流动。(3)莫特、肖特基和达维多夫各自独立发展了接触整流理论，肖特基和他的合作者斯彭克(Spenke)发展了更加完善的数学理论。这些工作为晶体管的发明建立起了牢固的理论基础1。理论基础已经准备就绪，接下来的工作就是如何把理论和实践结合在一起了。(二)巴丁与晶体管发明的过程贝尔实验室创立于1925年，隶属于美国电话电报公司(AT＆T)及其子公司西部电器公司，其主要宗旨是开展通信科学的研究，由电话的发明者贝尔(AlexanderGrahamBell，1847—1922)创立。早在20世纪30年代，当时贝尔实验室的研究部主任凯利(M．Kelly)根据19世纪以来关于半导体在光照下能产生电流以及它和金属接触能起到整流和检波作用的现象，预见到半导体有希望取代电子管。他决定组建固体物理研究小组，加强对固体物理基础理论的研究。为此，开始聘请优秀的固体物理学家，其中就有从麻省理工学院获得博士学位的肖克利和明尼苏达大学获得博士学位的布拉顿。1940年之前，固体物理小组主要从事半导体理论的探索，很少做实验，只有对通信特别是电话的研究与发展有所用处时，才进行实验研究。由于二战爆发，贝尔实验室转向对通信和雷达的实用研究，固体物理研究实际上被冻结起来了，但是用半导体器件取代电子管的梦想却仍然萦绕在这些科学家的脑海之中，战前的研究虽然中断了，但这却为这些科学家日后的研究工作积累了丰富的经验。1945年，贝尔实验室总裁巴克利(O．E．Buckley)为了适应该室研究从战时转向和平时期的需要，决定从组织上进行彻底的改组，凯利升任实验室副总裁。同年夏天，贝尔实验室决定重建固体物理研究小组，其宗旨就是要在固体物理理论的指导下，“寻找物理和化学方法，以控制构成固体的原子和电子的排列和行为，以产生新的有用的性质”。2这就1‘诺贝尔讲演全集》编译委员会。诺贝尔讲演全集·物理学卷2．福州：福建人民出版社，2003：162．2郭奕玲。沈慧君．物理学史．第2版．北京：清华大学出版社，2005：320．8 首都师范大学硕士学位论文明确地提出了固体物理研究小组的研究目标。1946年1月。贝尔实验室固体物理研究小组正式成立，最初小组共有七位专家。组长肖克利，副组长摩根(S．～lorgan)，另外还有半导体专家皮尔逊(G．L．Pearson)、物理化学家吉布尼(R．B．Gibney)、电子线路专家摩尔(H．R．I^oore)、实验物理学家布拉顿、理论物理学家巴丁(他当时在固体物理学方面已有一定的造诣)。这个固体研究组可谓群英荟萃，集各方面人才于一堂，称得上是一组黄金搭配。他们根据各自在30年代中期之后的经验，从刚成立时起就把重点放在了硅和锗这两种半导体材料的研究上．1945年4月，肖克利正在筹备新的固体物理研究小组，他根据莫特一肖特基的整流理论，并结合自己的实践经验，做出了一个大胆预言。他认为，如果硅或锗薄片的厚度与表面空间电荷层的厚度差不多，那么就有可能通过在垂直于硅或锗表面方向上施加外电场来调节薄片的电阻率，从而使平行于表面的电流得到控制。这就是“场效应”，也是后来场效应晶体管的理论基础。可是，当布拉顿、皮尔逊等人按照肖克利的理论设想进行了几次实验后，却得不到肖克利期待的结果。这是由于，当时肖克利的场效应在理论上和实验上还不够成熟，实验材料的制备还有缺陷。巴丁和肖克利早在20世纪30年代就已相识。二战结束后，尚在海军军械实验室的巴丁原本打算回到明尼苏达大学，回到自己热爱的基础研究中去。但此时他已是两个儿子和一个女儿的父亲，家庭负担加重，而明尼苏达大学提供的年薪又过低，巴丁只好另作选择。肖克利早就了解巴丁的杰出才能，因此竭力高薪邀请巴丁来贝尔实验室工作。另外早年和巴丁同为哈佛大学初级会员，当时在贝尔实验室(后来成为了该室总裁)的菲斯克(JamesFisk)也极力支持巴丁来此工作。巴丁开始并没有当即做出决定，但经汤斯(CharlesH．Townes，1915一)引导对贝尔实验室进行了一次参观后，他下定决心来此工作。巴丁之所以选择来贝尔实验室工作从事半导体研究，除了对科学本身的兴趣以外，在他看来半导体研究是个很有希望和前途的研究方向，半导体在电子仪器方面将会越来越重要。1945年10月，肖克利要求刚刚加入贝尔实验室的巴丁对自己“场效应”的设想进行检验，说明实验失败，理论和实验不符的原因。1946年3月，巴丁经过深入思考和认真研究，联系自己早年在普林斯顿大学的工作，提出了表面态理论。他认为，半导体的表面上有可能吸附一些正离子或负离子。从而使半导体表面形成表面能级，就像半导体内的杂质会使半导体内部形成杂质能级一样。他计算出，即使低密度表面态，都足以使半导体内部免受到加于其表面的甚至大电场的作用。在3月底举行的小组会上，他向与会者介绍了表面态理论。巴丁认为负电荷集中在半导体表层，正电荷恰好集中在负电荷层正下方，这种9 首都师范大学硕士学位论文电荷的双层结构也许就是半导体表面所固有的特性。巴丁的表面态理论使人们对表面和界面的认识提高了一大步，为固体物理研究小组半导体器件的研究开辟了新思路，指明了前进的方向。从此，固体物理研究小组调整了工作重点：一是利用表面态这个新理论，进行一系列新实验；二是验证这个理论是否正确。巴丁同实验物理学家布拉顿和皮尔逊紧密协作，表面态的存在随后被实验加以证实。巴丁也因其对表面态的研究后来被人们视为表面物理学的先驱。表面态理论的引入，使固体物理研究小组的工作登上了一个新的台阶。肖克利和巴丁测量了一系列杂质浓度不同的p型和n型硅的表面接触电势。他们发现经过不同表面处理或在不同的环境中，接触电势也不同。接着，布拉顿在实验中发现，当光照射硅的表面时，其接触电势会发生变化，这就产生了光生电动势。为了研究光生电动势的变化，他们准备进一步测量锗、硅的接触电势跟温度的关系。为了避免水汽凝结在半导体表面造成的影响，他们把样品和参考电极浸在电解质中，这时意外的情况出现了。他们发现，光生电动势大大增强，改变电压的大小和极性，光生电动势也随之改变大小和符号。经过讨论，他们认识到，这正是肖克利预言的“场效应”．电解质改变了半导体表面的电荷分布和电势分布，从而影响到半导体表面的导电性。这一发现促使固体物理小组增强了利用场效应实现功率放大作用的信心。图2在针尖周围放一滴水(作电解液)使水接触到硅表面富有创见的巴丁提出了一个新方案。他们用薄薄的一层石蜡封住金属针尖，再把针尖压进已经处理成11型的P型硅表面(如图2)，在针尖周围加一滴水作为电解质，水与硅表面接触。带有蜡层的针同水是绝缘的。正如他们所预期的，加在水和硅之间的电压，会改变从硅流向针尖的电流。这一实验使他们第一次实现了半导体的功率放大。后来，采用n型锗进行实验，效果更好。然而，这样的装置还不具有实用价值，因为水滴很快便会被蒸发掉，即使采用不易挥发的硼酸乙二醇，也存在着响应频率过低的问题。这种装置只能在8赫兹以下的频率才能有效地工作。10 首都师范大学硕士学位论文通过进一步的实验，他们发现，在电解液下面的锗表面会形成氧化膜，氧化膜是绝缘的。于是他们就直接在氧化膜上蒸镀一个金点作为电极，氧化膜在金点与锗片之间起绝缘作用。在金点中央留一个小孔以便让针尖与锗片接触．然而，当他们在两极之间加上电压时，意外的事情发生了。针尖与锗片之间发生了放电现象，继而锗片流向针尖的电流大增。原来，氧化膜不牢固，绝缘层很容易被破坏掉。这一方案行不通。他们决定在锗表面安置两个靠得非常近的触点，近到约0．05m的样子。而当时他们用作接触的金丝直径最细也只有0．13m，这从工艺上来看，简直是无法实现的难题。然而，实验技术高超的布拉顿做到了这一点，他想出了一条妙计．他剪了一块三角形的塑料片，在其狭窄而平坦的侧面上牢固地粘上金箔，金箔两端连接引线，以便接通电源。然后用剃须刀片小心地从三角形塑料片的顶端把金箔割开。由于顶端非常尖细，可以做到两侧的间距非常小。再用弹簧加压的办法，将塑料片和金箔一起压在经过处理的锗片上(如图3)。他们发现，当轻轻摇动它，使它处于最佳的接触位置，就可以得到半导体同金箔两端的接触点，一个是发射极，一个是集电极。这样他们就得到了一个放大倍数达100量级的放大器。于是，世界上第一只晶体管诞生了，这一天是1947年12月16日。图3用弹簧加塑料片连同金箔一起压在经过处理的锗片上1947年12月23日，巴丁和布拉顿当着贝尔实验室的管理层和其他专家的面成功进行了将话音调制的演示实验。次日，又做了把点接触型晶体管当作振荡器的实验。这两次实验实际上确认了点接触晶体管的发明。晶体管的发明时间实际上就是点接触型晶体管的发明时间，由于在许多文章中都详细介绍了1947年12月23日巴丁等向管理层和专家们进行演示实验这件事情，以至于很容易在读者心目中形成一种错觉，好像点接触型晶体管就是这一天发明的。但是如果我们把婴儿的出生时刻以脱离母体的那一瞬间为准的话，则晶体管的发明时间就应该是1947年12月16日，而12月23日则相当于把婴儿抱给父亲看的时间。因此，晶体管的诞生时间是1947年12月16日。lf 首都师范大学硕士学位论文图41947年巴丁和布拉顿发明的点接触型晶体管在巴丁提出表面态理论之后，由于小组成员对半导体的研究工作如此得心应手，肖克利就回到了他自己在战前所从事的有关合金中有序排列和无序排列等有关问题的研究工作中去了。巴丁和布拉顿点接触型晶体管的成功发明，极大地刺激了圆体物理研究小组组长肖克利。1948年1月，经过一个月的努力工作，肖克利又提出了结型晶体管理论。(三)晶体管发明的影响和启示图5晶体管的三位发明者布拉顿(左)、肖克利(中)和巴丁(右)晶体管的发明是时代发展的必然产物，是20世纪科技史上最重要的发明之一。它源于固体物理学的进展，也是社会需求推动的结果。晶体管的问世对人类社会产生了广泛而深远的影响。第一，晶体管克服电子管的缺陷，以其体积小、耗能少、价格低廉等诸多优点取代了电子管，成为了电子技术的最基本元件。第二，基于晶体管的发明，1958年第一块集成电路研制成功，这种集成电路经过小、中、大、超大规模集成的历程，正向巨大规模方向发展。第三，由于晶体管和集成电路的发明，促使电子计算机技术得到进一步发展，进而开创了微电子革命的到来，并导致了信息革命的出现．今天，晶体管几乎无处不在，小到人们日常生活中所使用的助听器、收音机、录音机和电视机，大到实验室仪器、工业生产及国防设备、电子计算机、机器人、宇宙飞船等，都离不开晶体管。可以毫不夸张地12 首都师范大学硕士学位论文说，正是晶体管奠定了现代电子技术的基础，开启了信息时代的大门．第四，晶体管的发明，带动了产业革命，开辟了亿万个就业岗位，改变了人们的生产、生活方式，给社会生产力带来了巨大而深刻的变化，从而证明了科学在历史上所起的推动作用和革命力量。第五，由于巴丁、布拉顿和肖克利对晶体管这一划时代发明所做出的杰出贡献，他们同获1956年的诺贝尔物理学奖，创造了企业研发机构有史以来因技术发明而获诺贝尔奖的先例。晶体管发明过程中的突出特点，对于其他科技的产生和发展有重要的参考和启示意义，特别是对工业企业研发机构具有重要的指导意义．第一，晶体管是工业企业研发机构从事基础研究的重大成果，它突出了科学对技术的主导作用，科学创新的先行作用。第二，机遇总是垂青那些有准备的人。贝尔实验室领导层富有远见，很早就预见了固体器件必然代替电子管。第三，晶体管是贝尔实验室科学的研究政策、良好的科研环境、宽松而民主的科研氛围的产物。面对崭新的科研课题，贝尔实验室领导层放手让研究人员在广阔的领域内大胆思考和探索，充分发挥了大家的积极性和创造性。第四，贝尔实验室重视人才，领导层知人善任、博采众长，聘请了像巴丁、布拉顿、肖克利等一批杰出的人才，组建了一支高效的科研团队，最终导致了晶体管的发明。总之，晶体管的影响面非常广泛，对人类社会发展的影响意义深远。(四)惜别贝尔实验室一对于贝尔实验室和固体物理研究小组来说，点接触型晶体管的诞生无疑是一个具有重大历史意义的圣诞节礼物，但对于时任固体物理研究小组组长的肖克利而言，他的内心却充满了无限的惆怅和遗憾之情，他为自己最早提出场效应理论，却没有能够直接参与点接触型晶体管的发明而懊恼不已。不过，在巴丁和布拉顿点接触型晶体管发明的刺激下，肖克利也很快发明了自己的结型晶体管。就结型晶体管而言，它比点接触型晶体管结构更简单、性能更强、体积更小，并且更易于制造，因此，它很快便取代了点接触型晶体管。在看到晶体管拥有巨大潜能的情况下，肖克利要求小组大部分成员加强对晶体管的应用进行更深入的研究，这无形中占用了固体物理研究小组成员宝贵的基础研究时光。他的行为无疑与像巴丁这样自主的科学家产生了不一致。巴丁更希望能够进行超导电性的研究，为此还多次在肖克利的上司面前抱怨他的行为。但是由于肖克利作为固体物理研究小组的组长，既是场效应理论的提出者，又是更实用的结型晶体管的发明者，贝尔实验室的上级主管显然都把赌注押在了肖克利身上，更看重晶体管的应用研究。发现自己不能专心从事超导电性研究，以及同肖克利的矛盾日趋加剧，巴丁在1949年春天就曾考虑离开贝尔实验室，到国立橡树岭实验室负责一个新成立的固体物理研究小13 首都师范大学硕士学位论文组的工作。但回到办公室同菲斯克讨论了此事之后，他改变了想法。从那以后，他又在贝尔实验室固体物理研究小组多呆了一年时间，在此期间他同布拉顿和其他一些同事一道从事在他看来并非重要的研究工作。1950年春天以来，巴丁就一直在探索超导理论，但他的研究并不顺利。虽然实验室也有几位同事对这个问题颇感兴趣，但实验工作无法进行，为此他感到十分孤独。实验室高层管理人员虽然表示支持他的超导电性研究工作，但实际上没有真正帮助过什么，相反却倾向于给肖克利完全的行动自由。巴丁曾向实验室高层管理人员提议设立另外一个理论组，也被他们拒绝了。肖克利对固体物理研究小组的领导无疑影响了巴丁从事自己感兴趣的研究工作，他们的关系因此彻底破裂了。巴丁决定必须寻找一个新的学术环境，以使自己拥有更大的自由、专心从事超导电性理论的基础研究。1951年10月，巴丁开会期间遇到了老朋友塞兹，谈到了自己想离开贝尔实验室和寻找一份新的工作的想法。在塞兹的帮助下，伊利诺伊大学决定提供给巴丁一份兼任物理学和电气工程学两系教授的职位。此时如梦初醒的贝尔实验室极力挽留，但久已存在的裂缝是不可愈合的，巴丁最终带着一丝遗憾离开了贝尔实验室。巴丁指出，他的困难来自于晶体管的发明。在那之前，这里有着浓厚的基础研究氛围，但肖克利为了进行晶体管的应用研究而将基础研究抛置一旁，致使固体物理研究小组迷失了方向。总之，晶体管的发明导致了半导体研究计划的重新安排，而在这个研究方向上，巴丁感觉自己是发挥不了作用的。他宁愿去研究超导现象。他感到在大学星研究超导现象要比这里合适的多，因为在大学里，超导现象可以作为巴丁最主要的研究方向，而在这里，超导研究只能是巴丁的业余爱好。1951年，巴丁正式离开了贝尔实验室，转投伊利诺伊大学，担任物理学和电气工程学两系的教授。第3部分巴丁与BCS理论的提出超导现象是物理学中的一个重大发现，BCS理论从微观上揭示了这一奇特现象的秘密，巴丁为建立超导微观理论--BCS理论，做出了巨大的贡献。(一)BCS理论提出的背景BCS理论是在许多前人的实验发现和理论成就的基础上建立起来的。14 首都师范大学硕士学位论文1908年，荷兰低温物理学家卡末林一昂纳斯(HeikeKamerlingh—onnes，1853--1926)成功地使氦气液化，并使温度接近了绝对零度。随后，他开始详细地研究在极低温条件下物质的各种特性。其中就包括低温下电阻随温度变化的规律。1911年，他首次发现水银在4．2K以下时，电阻突然消失．这种低温下发生的零电阻现象称为超导现象。电阻突然消失的温度叫做超导体的临界温度。另外，昂内斯还发现超导状态能够在足够强的磁场下被破坏，这个磁场强度叫做超导体的临界磁场。尽管昂内斯发现了超导现象，但是他却倾向于把超导体看成是电阻率为零的导体，并没有看出超导体与正常导体有什么不同．此外，人们普遍误以为电阻为零是超导体的唯一特性。1933年，德国物理学家迈斯纳(WalterMeissner，1882--1974)和奥森菲尔德(R．Ochsenfeld)通过实验发现，当物体进入超导状态之后，无论此前物体内部有无磁场，只要进入超导状态，且外部磁场小于临界磁场的条件下，超导体内部的磁感应强度为零，超导体具有完全的抗磁性。这种现象叫做迈斯纳效应。这种完全抗磁性是超导体独立于完全导电性的又一个基本特性。从1911年到1933年这20多年的时间里，人们一直认为超导体只不过是电阻为零的理想导体，而完全抗磁性的发现，使人们认识到超导态实际上是一个热力学态，完全导电性和完全抗磁性是超导体所具有的两个独立的基本特性。超导现象的发现吸引了众多物理学家的目光，一些著名物理学家都纷纷涉足到这一研究领域中来，如玻恩(MaxBorn，1882--1970)、海森堡(WernerKarlHeisenberg，1901一1976)、伦敦兄弟(F．London，H．London)、布洛赫(FelixBloch，1905--1983)、费曼(RichardPhillipsFeynman，1918--1988)等等，他们都曾试图从理论上解释这种现象产生的原因。然而，这项研究的进展却异常缓慢、艰难。看到超导理论研究面临的困境，有人甚至认为，超导理论的研究已经成为“理论物理学的耻辱与绝望⋯。1928年，布洛赫在提出布洛赫定理，成功地建立了正常金属导电理论之后，就试图解决超导问题。由于布洛赫提出金属正常导电理论所依据的模型是自由电子模型，忽略了很多相互作用，因此自然不能解释超导现象。1934年，戈特(C．J．Gorter)和卡西米尔(H．B．G．Casimir)为了解释超导电现象提出了二流体模型。这个模型认为：金属内部存在两种流体，即正常流体和超导流体。它们的相对数量随温度和磁场的变化而变化。正常流体导电性与金属中电子气相同，而超导流体在晶格中运动完全自由，凝聚到超导态上了。这个模型虽然比较粗糙，畅通无阻。低于超导转变温度，所有电子都但是可以解释超导体的电子比热实验和直流刘兵，章立源．超导物理学发展简史．西安：陕西科学技术出版社，1988：7115 首都师范大学硕士学位论文电阻为零的实验现象，为以后的理论发展提供了十分直观的图像。但是，二流体模型只能说明超导体的热力学性质和临界磁场随温度变化的关系，要想进一步描述超导体的电磁性质，还需电动力学理论。1935年，伦敦兄弟在二流体模型的基础上，提出了两个描述超导体宏观电动力学性质的电动力学方程，简称伦敦方程。他们认为超导体内部有两种电子：正常电子和超导电子。正常电子服从欧姆定律，超导电子运动服从伦敦方程，利用伦敦方程可以解释超导体的完全抗磁性。在此基础上，他们还做出了一个重要预言，即在外磁场作用下超导体的内部磁场并不完全为零，在超导体表层有一个约10。Cm的穿透深度。1950年，在伦敦方程的基础上，金兹堡(VitalyL．Ginzburg，1916一)和朗道(LevD．Landau，1908--1968)又提出了更精确的金兹堡一朗道方程。他们把超导体划分为第一类超导体和第二类超导体。第一类超导体大都是纯金属，丽第二类超导体主要是合金和金属氧化物。不论是二流体模型、伦敦方程，还是金兹堡一朗道方程，它们都是对超导体的唯象描述，都是建立在一些假定基础上，再结合其它基本理论来说明超导体的一些基本性质。这些理论都不是从量子力学出发，进而推导出超导体的具体性质，超导体的微观机制还有待说明。纵然如此，这些唯象理论还是十分有用的，它们为后来超导微观理论的发展奠定了基础。许多人都曾尝试建立超导微观理论，但都纷纷以失败告终。由于看到当时许多超导理论的不成功，布洛赫因此曾开玩笑地提出了他的推论：任何超导理论都是可以被驳倒的。他的推论显然是一种过分悲观的论调，但这也充分表明了超导微观理论的建立是相当艰难的。(二)巴丁与BOS理论的建立巴丁最初接触超导电性问题是在20世纪30年代，当时他仔细阅读了休恩伯格所著、1938年出版的《超导电性》的小册子，从中受益匪浅。这本书全面地概述了当时的实验发现和已有的唯象理论。但是，给巴丁留下印象最深的还是弗里兹·伦敦的一些观点t即认为超导电性是宏观尺度上的一种量子现象，给出了能隙的概念，并认为“电子因某种形式的相互作用而耦合起来，致使最低态与激发态之问被隔开一有限的间隔⋯。他还特别指出，基于迈斯纳效应，完全抗磁性才是超导体真正的基本性质。这些观点对巴丁很有启发。在弗里兹·伦敦思想的影响下，1940年，巴丁尝试提出一个超导理论，其主要思想就是由于小的晶格位移导致费米面上产生小的能隙，在紧靠费米面下面的电子能量被降低。处于这种态的电子具有非常小的有效质量、很大的轨道和很强的抗磁性。但实际上能隙产生并不‘诺贝尔讲演全集》编译委员会．诺贝尔讲演全集·物理学卷2．福州：福建人民出版社，2003：162．16 首都师范大学硕士学位论文是源于晶格位移，所以这次尝试是不成功的。而且由于1941年巴丁参加了战时军事研究工作，也就中断了对超导电性的研究。二战之后，巴丁来到了贝尔实验室，在那里他的兴趣转向了半导体物理，并做出了导致晶体管发明的重要工作．当巴丁再度回过头来注意超导问题时，已经是1950年了。这一次，主要是超导体同位素效应的发现促使巴丁重新燃起对超导电性的兴趣。第二次世界大战之后，原子能技术的发展为同位素效应的发现提供了技术条件。1950年春天，美国国家标准局的麦克斯韦(E．Maxwell)和拉特格斯大学的雷诺兹(C．A．Reynolds)等人同时分别独立地发现，水银的超导转变温度与其同位素质量有关，同位素质量越小，转变温度就越高，这就叫做同位素效应。在有关同位素效应的研究报告正式在《物理评论》上发表之前，曾经于1950年3月在美国国家海军局(ONR)主办的一次低温物理会议上宣布了有关的内容，但在低温界以外的人并不知道这个消息。1950年5月15日，参与同位素效应发现的塞林(B．Serin)打电话将此消息告诉了巴丁。巴丁马上意识到，超导电性必定同电子一声子(晶格振动的量子)相互作用有关，并试图在此基础上构造一个理论。因为如果原子的质量与超导转变温度有关，那就意味着超导电性在某种程度上依赖于电子和晶格振动之间的相互作用，即电子与声子之间的相互作用。为了确保优先权，巴丁迅即完成了一封概述自己思想的信函寄给了《物理评论》杂志。实际上，在此之前英国利物浦大学的弗勒里希(H．Frohlich)独立于同位素效应的发现已经先行提出了一个基于电子一声子相互作用的超导理论。1950年5月16日，弗勒里希正在普渡大学访问，当他离开那里时，向《物理评论》提交了有关电子一声予相互作用的文章。事隔两天，他在普林斯顿看到了载有发现同位素效应的最新一期《物理评论》。看过《物理评论》上两篇有关发现同位素效应的报告之后，他马上意识到，在他自己的电一声相互作用理论中实际上已经包含了对同位素效应的预言。为了维护自己理论的优先权，于是5月19日他立即写信给《皇家学会会报》，声明他的理论如何预言了同位素效应。6月份，巴丁又向《物理评论》寄出了一篇概述自己有关超导电性思想的信件。也就在巴丁递交他的信件约一周之后，弗勒里希来到贝尔实验室拜访巴丁，在巴丁的办公桌上看到了自己不久前刚提交给《物理评论》的文章。巴丁对弗勒里希的这次来访非常高兴，因为这使弗勒里希明白巴丁的工作是完全独立于他而做出的。弗勒里希和巴丁的理论虽然在正确的方向上取得了突破，但却仍存在许多难以克服的困难和问题。巴丁采用的是变分法，弗勒里希采用的是微扰法，但两人的计算均基于声子场中电子的自具能，而不是电子和晶格振动间的真实相互作用。此外，沙夫罗斯 首都师范大学硕士学位论文(M．R．Schafroth)指出采用微扰法处理电一声相互作用无法导出迈斯纳效应，无论微扰的级次有多高。这两种理论本质上都不能成功地说明超导性质，但他们认识到要发展一个成功的理论就必须包括电子和声子的相互作用。困难一时难以解决，又由于巴丁同贝尔实验室固体研究小组组长肖克利矛盾的加剧，他从贝尔实验室转到了伊利诺伊大学。虽然巴丁的超导理论研究遇到了困难，但他还是密切关注着超导问题，并且通过吸纳、利用优秀人才，来推动对这一问题的研究。1952年7月，他邀请玻姆(DavidBohm)的学生派尼斯(DavidPines)来到伊利诺伊大学，做他的第一个博士后研究员。由于看到自己和弗勒里希的电一声弱耦合方法是不成功的，为了弄清楚电一声强耦合是否有意义，于是巴丁要求派尼斯和暑假期间来到伊利诺伊大学作博士后的李政道(TsungDaoLee，1926一)合作研究极化子问题。因为极化子闯题与超导电性问题有许多相同特点，但却比后者简单得多。后来又邀请洛(FrancisLow)参与工作，三人采用李政道在场论研究中使用过的中间耦合的方法，利用正则变换得出了极性晶体中电一声强耦合的中间耦合解。他们所作的工作对后来BCS理论的发展有着重要的意义。1952年，弗勒里希利用场论方法提出了用有效电子一声子相互作用来表示的哈密顿量，它包含了电子问由于电子一声子相互作用而产生的吸引，但没有考虑到它们间的库仑排斥作用。1955年，巴丁与派尼斯合作，提出了包括库仑相互作用在内的完整哈密顿量，表明剩余的电子间库仑排斥作用是很小的。这个哈密顿量就是BCS理论中简化哈密顿量的基础。可问题是，这个哈密顿量哪一部分最重要，当时并不清楚，因此无法着手做进一步的计算。1955年，巴丁应德国出版的《物理学手册》的邀请，在对超导电性有关文献的广泛研究的基础上，写了一篇关于超导理论研究的述评。这使巴丁对当时的超导研究有了更加全面的认识。当时，不论在理论上还是实验上，都已为超导微观理论的提出创造了条件。巴丁已经明确了超导现象的产生涉及三个主要因素：一是电子与晶格振动的相互作用；二是能隙的存在；三是速度空间或动量空间的凝聚。这些显然是发生超导现象的关键所在。巴丁认为提出超导理论的时机已经成熟，为此他决定立即组织人马，协助他一同攻克这一难题。特别是看到弗勒里希在场论方面的优势，使他认识到，这种从前主要是为高能物理而发展的场论方法，对于求解粒子间带有吸引相互作用的费米气体多体问题，将是一种有力的工具。由于派尼斯的离开，他急需一名有才华的年轻理论物理学家帮助处理复杂的多体问题，便打电话给当时在普林斯顿高等研究所工作的杨振宁(ChenNingYang，1922一)，闯他是否认识精通场论方法又愿意从事超导电性研究的人。杨振宁随即推荐了当时正在那里作博士后研究工作的库珀。1955年9月库珀来到了伊利诺伊大学。与此同时， 首都师范大学硕士学位论文巴丁的研究生施里弗也加入到这个行列中来．当时，巴丁列出十个物理问题作为博士论文研究题目供施里弗选择，最后一个问题是超导电性问题。施里弗征求洛的意见，洛鼓励他选择超导电性这个问题进行研究。于是他们三人一同向超导电性微观理论的难关发起了最后的攻势。巴丁无疑是这个研究小组的有力领导者和组织者。他们的协作从1955年秋天～开始，当时由于办公室紧缺，巴丁与库珀合用物理系三层的一间办公室，而施里弗则与其他学理论的研究生们一起待在临近巴丁和库珀办公室三层半的一个地方．在巴丁的安排下，三人分工协作，每天至少聚集一次讨论他们各自的思想和工作进展。巴丁首先为库珀和施里弗讲解了成功的超导电性理论应具有的基本特征——能解释能隙、迈斯纳效应、同位素效应等等，他的有关超导问题的思想在某些方面同伦敦有关著作中的思想是一致的。刚刚到达伊利诺伊大学的库珀为了使巴丁和施里弗熟悉场论方法，则作了一系列有关格林函数方法的报告。要真正形成和发展微观理论，关键是要对超导态有一个清晰的物理图象．1956年春天，号称“东部来的量子技师”的库珀不负众望，迈出了关键的一步，提出了超导理论所需要的新图象，即“电子对”的概念。库珀利用量子场论方法，直接从动力学的角度考虑相互吸引的直接作用，得到了费米面近旁两个动量和自旋都大小相等而方向相反的电子能结合成对。这种电子对后来被称为“库珀对”。库珀对的两个电子间存在着吸引的电一声相互作用和排斥的库仑相互作用，这两种相互作用抵消后还有一个净吸引。无论净吸引多么弱，都会使两个电子处于束缚态，能量比费米面能量略低一些，形成所谓超导能隙。库珀创造性地运用电子对概念是BCS理论成功的一个关键。库珀对提出后，巴丁指出，单用库珀对构造一个超导理论还是不可能的。如果这电子对的结合能有K。耳的量级，那么电子对的波函数尺度就具有10_4cm量级。但是，如果在费米面K。耳内所有的电子都结成电子对，那么这些电子对之间的平均距离只有约10-6cm，而这个距离远小于电子对的尺度。于是，按照多体方法，他们必须找到超导体的基态波函数，这个任务落到了施里弗的肩上。要找到一个代表超导体的基态波函数谈何容易，施里弗把解决超导体内所有电子的多体问题，形象地说成为用波函数来“指挥1023个电子对在晶格中跳舞”’。他必须找到描述这个问题的数学式和解决这个问题的算法。但这个多体问题是如此麻烦和难于驾驭，直到1956年11月，施里弗毫无任何进展，他有点气馁了，开始陆继宗，黄保法．绝对零度的奇迹：超导超流与相变．上海：上海科技教育出版社，2001；5019 首都师范大学硕士学位论文私下里悄悄地搞起铁磁性问题的研究。同时，美国国家自然科学基金会(NSF)将为他提供一份诱人的奖学金去欧洲从事研究，但前提条件是他必须拿到博士学位．正当施里弗进退维谷、骑虎难下的时候，巴丁要动身前往斯德哥尔摩，去领取他因发明晶体管而获得的1956年诺贝尔物理学奖。施里弗深为巴丁获奖而感到高兴，但是他要为自己的未来考虑。就在巴丁启程前，施里弗胆怯地找到了巴丁，询问由于小组的研究陷入了僵局，是否允许将博士论文题目改向对铁磁性的研究上去。巴丁不想耽误自己学生的前途，但他更清楚他们眼前工作的形势。巴丁前后已经致力于超导电性问题的研究将近二十年，他能够敏锐感觉到他们的工作已经接近了突破，这是施里弗和库珀的经验所不能理解的。面对这种情况，巴丁不同意施里弗就这样放弃，力劝施里弗再继续坚持工作一段时间。有趣的是，巴丁在1956年12月去斯德哥尔摩领奖时，因为不想影响正在哈佛读书的两个儿子的学习，除了自己的妻子和母亲外，身边只带了自己的女儿。瑞典国王古斯塔夫六世埋怨他不应该在如此重要的时刻，将两个孩子丢在家中。巴丁随后向国王保证下次他会将所有的孩子都带来．这件事也充分表明巴丁不仅对超导电性工作重要性有深刻认识，而且更反映了他对于自己小组工作取得成功的自信。实际上，对于巴丁来说时间也很紧迫，一个严峻的威胁来自于费曼。1956年9月，费曼在日本东京作了有关超流和超导问题的演讲，他的工作正在接近解决超导电性之谜。巴丁非常清楚费曼在场论方面的优势。小组成员头上都笼罩着巨大的压力，巴丁动员所有人，抓紧时间推进工作，以抢先解决超导电性之谜。刚刚从斯德哥尔摩回到工作中来的巴丁，在紧接着来临的圣诞节期间就完全沉浸在他的超导电性研究工作中。然而，直到1957年的1月大部分时间工作仍没有获得突破。山重水复疑无路，柳暗花明又一村。施里弗一直在努力构造一个非常简单、便于计算的波函数，经过多次尝试没有成功。到1957年1月底，他的工作出现了转机。当时他正在纽约参加有关多体问题的学术会议。他一边聆听有关核子相互作用的报告，脑予却在思考着超导电性问题，这时一个直觉产生了。他大胆地提出了一个考虑进了库珀对的超导基态波函数的可能形式。经过数学处理，他得到了能隙方程、吸引势的简单模型，以及绝对零度时的凝聚能。几天后，施里弗回到了伊利诺伊大学。巴丁认真地核实了施里弗提出的超导基态波函数，很快就确认了它的正确性。在此基础上，巴丁立即分配任务，施里弗主要致力于热力学性质的研究，库珀负责研究迈斯纳效应等其他电动力学性质，而巴丁自己承担输运和非平衡态性质研究。巴丁的同 首都师范大学硕士学位论文事已经预感到重大突破将要产生，因为当他们询问巴丁任何问题时，都被以太忙没有时间考虑别的事情为由所拒绝。在施里弗的工作取得突破两周之后，巴丁等人得出了包括正常态和超导态之间的基态能量差，以及对于T=OK时的能隙的解释等初步结果。但是，他们还没有得出二级相变。最后，他决定不能再证这个问题拖延他们发表自己的工作。1957年2月中旬，三人写出了有关这个理论的原始报告，发表在4月1日出版的《物理评论》上．随后，他们继续扩展理论，以得到激发谱，并得到超导体的各种热力学性质和输运性质，解释了迈斯纳效应、同位素效应．在三人剐剐发出第一篇有关超导微观理论研究工作的通讯之后的一天晚上，一位瑞典冶金学家来到巴丁家赴宴，当晚巴丁却深深陷入了对二级相变问题的思考，显然没有把注意力放在同客人的交谈上。巴丁的夫人几次试图使他将注意力转移到正在谈论的话题当中来，但他很快又回到了自己的思考中去了。第二天早上，巴丁就告诉施里弗他得到了二级相变。三人接下来的工作极富成果，几乎每天都有新成果出现，他们甚至难以置信采用这些概念和技巧竟能得到如此正确的结论，将计算结果与实验比较，两者往往是符合的，若二者相差较大，一般是计算出了错误，三人感觉所有的一切都像拼板玩具片那样彼此吻合的很好。1957年3月，巴丁、库珀和施里弗三人有关超导理论的头两篇专题论文在美国物理学会年会上公开发表。其实他们投寄论文时，已经超过了年会接收发言稿的期限，由于文章内容的重要，经著名固体物理学家塞兹安排，会议破例接收了这两篇过了投稿期限的文章。考虑到施里弗和库珀应该获得他们应得的荣誉，巴丁决定自己不参加这次会议，安排他们两人出席这次会议并公开发表他们的工作。但是，施里弗也因故未能参加，于是库珀代表三人首次公开地报告了这一理论的有关成果。1957年12月，第一篇完整叙述他们理论的文章发表在了《物理评论》上。人们习惯上取三位作者各自姓氏的第一个字母，称这一理论为BCS理论。BCS理论的物理图象是：电子和晶格有吸引相互作用(电一声相互作用)，在与电子间的库仑排斥力抵消后，电子之间还有剩余的吸引作用。于是费米面附近的电子将两两结合为电子对(又叫库珀对)，对中的两个电子的自旋和动量相反。电子是费米子，但是这种电子对是玻色子，因此会发生动量空间内的玻色一爱因斯坦凝聚。大量这种具有相同总动量(速度)的电子对总体就构成了无电阻的超导电流。BCS理论提出后引起了不少反响，有些人接受了它，有些人对它持怀疑态度，有些人21 首都师范大学磺士学位论文不以为然，还有些人对其中的计算提出了批评．怀疑这～理论的人主要是一些理论物理学家，尤其是那些已经在超导理论研究上投入了大量精力的人，他们一时还无法相信BCS理论的正确性。有人批评BCS理论，主要是认为在迈斯纳效应的计算方面，巴丁等人的计算没有采取一种具有明显的规范不变性的方式。但安德森等人紧接着的研究工作，证实BCS理论在有关迈斯纳效应的计算上是具有规范不变性的，这使大家最终确信三人的计算是正确的．最为重要的还是由于BCS理论推导出来的计算结果大都与实验符合的很好，使大多数人确认了它的正确性。到1959年，由于越来越多热心于超导问题的理论物理学家和实验物理学家进一步完善BCS理论，超导BCS理论已牢固地确立了地位，以致连实验物理学家都以宣称自己的实验结果符合BCS理论为荣1。自从1911年昂内斯发现零电阻现象以来，不少杰出物理学家为从微观上解释超导电性付出了努力，在超导电性发现了46年之后，BCS理论从微观上揭开了超导这一奇特现象的秘密。(三)BOS理论的影响和意义年图6利用AIP的Scitation平台统计自1900年至1970年每年发表的有关超导研究的科学论文的数量变化巴丁、库珀、施里弗三人创立的BCS理论，解决了一个长期困扰人们的问题。它是众多物理学家努力的结果，它的建立标志着人们对超导电性的解释从宏观唯象阶段进入了微观阶段，也推动了超导理论与实验研究的发展。越来越多的实验和理论结果的诞生，使这个领域充满了活力(如图6>。由图6可以清楚地看到，1957年BCS理论建立以后，有关‘DavidPines．AnextraordinarymantReflectionson／ohnBardeen．Phys．Today，1992，45(4)64—70．22∞∞柏如∞∞∞加如0， 首都师范大学硕士学位论文超导研究的文章数量相比此前有了明显的增长。以BCS理论为基础，人们应用它导出了伦敦方程、皮帕德方程以及金兹堡一朗道方程等重要方程；贾埃沃(IvarGiaever，1929一)发现了超导隧道效应；约瑟夫森(BrianJosephson，1940--)预言了以他名字命名的效应并得到实验证实。MS理论因而成为超导物理学史上的重要里程碑。8CS理论的意义还超出了超导理论本身，巴丁等人为解决超导问题所采用的理论方法及数学方案，在与原课题不相同的方向，如核物理、基本粒子等领域也得到了应用。BCS理论不仅解决了某一个领域的问题，还被应用在其他研究方向上，同时为科学研究提供了一种很有效的方法。这一理论从微观上解释了超导电性问题，并开拓出新的研究领域，它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。巴丁在提出BCS理论后，考虑到自己因为晶体管的发明而获得过诺贝尔物理学奖，曾一度担心瑞典皇家科学院会一般不授予同一个人在同一领域两次诺贝尔奖的惯例，继而影响施里弗和库珀因BCS理论的工作获得他们应得的荣誉。于是，巴丁曾提名库珀和施里弗两人作为诺贝尔物理学奖候选人。令巴丁欣慰的是，瑞典皇家科学院打破了惯例，他们三人最终因为对超导理论的巨大贡献而共同获得了1972年的诺贝尔物理奖。巴丁因此也成为历史上第一位在同一领域中两次获得诺贝尔奖的传奇式人物。图7巴丁(左)、库珀(中)和施里弗(右)因为超导电性理论共同获得1972年诺贝尔物理学奖巴丁因晶体管的发明和BCS理论的提出两度获得诺贝尔物理学奖，两项重大成就都产生了深远的影响。晶体管的发明引发了一场技术革命，并且使社会发生了巨大的变化。不过，巴丁似乎对BCS理论更偏爱，认为它对物理学理论的进展更为重要，自从x射线发现以来，还从来没有哪项新发现引出了如此多的论文1。GloriaB．Lubkin．Specialissue：JohnBardeen．Phys．Today。1992，45(4)：23—2523 首都师范大学硕士学位论文第4部分巴丁对工业企业与政府政策制定的贡献巴丁一生除了投身科学研究之外，还担任了许多工业企业和政府机构的顾问，与工业和政府部门保持着长期的合作。早在1929年在获得了威斯康星大学电气工程学硕士学位以后，巴丁的第一份工作就是在匹兹堡的海湾研究实验室担任一名工程师和科学家，研究磁学方法探矿。由于二战对于与军事有关技术的迫切需要，从1941年到1945年，巴丁被安排到华盛顿地区的海军军械实验室，研究磁性水雷技术。二战后，巴丁来到了贝尔实验室，在那里他从事于半导体材料的电学性质研究一直到1951年。这期间他与布拉顿共同发明了点接触型晶体管，他们为此共同获得专利。(一)担任工业企业顾问纵观巴丁一生，他非常重视自己所研究的物理问题是否具有潜在的应用价值，因此，他非常乐于同广大工业企业建立良好的关系。巴丁长期同施乐公司保持紧密的联系。早在1949年，巴丁就常常拜访施乐公司的科学家，并且于1951年当他离开贝尔实验室去了伊利诺伊大学之后，正式担任了该公司的顾问。该公司曾在巴丁大力的支持下，开展了对感光材料进行优化的科学研究。图81964年12月，巴丁在施乐公司驻纽约韦伯斯特实验室发表演讲在施乐公司早年开发静电复印机的时候，巴丁就频繁接触施乐公司的科学家，并就他们研究过程中遇到的难题进行热烈的讨论，提供积极的建议。1961年，巴丁被选入施乐公司董事会，在这个位置上他一直担任到70年代。同年，巴丁还进入了公司的技术指导委员会。这个委员会是施乐公司专门聘请的由科学家和工程师组成的，它定期对施乐公司的全部研究计划进行评估，并将评估报告递交公司高层作为参考。自从参加该委员会后，巴丁积极履行自己的职责，同委员会其他成员．定期参观施乐公司的各个研究中心、实验室和个别研究小组。作为一位著名科学家，他从不摆架子，认真听取施乐公司各个研究部门 首都师范大学硕士学位论文科研人员就各自研究情况所作的陈述，并同他们进行深入的探讨。接触过巴丁的人们无不认为他所作的评论与个人见解独具战略眼光。在巴丁的影响下，他的许多学生毕业之后也加入了该公司。在施乐公司帕洛阿尔托研究中心，有一群来自伊利诺伊大学的博士，由这群年轻的科学家组建的小组后来制造出了世界上具有领先地位的高功率输出固体激光器。此外，由于巴丁成为施乐公司董事会成员和在该公司技术指导委员会任职广为人知，许多科学家和工程师也投奔施乐公司。在巴丁的影响下，施乐公司吸引来了大批的优秀人才。巴丁认为，一个企业若想获得成功，需要对工业研究进行积极有效的投资。在他有关科技投资战略理念的影响下，施乐公司在基础研究和热门研究上保持了稳定投资。1958年，施乐公司全部资金流量不足500万美元，但是用于基础研究的经费预算就高达200万美元。从1954年开始，巴丁在相当长的一段时间内，还担任了通用电气公司的顾问。自20世纪50年代末到60年代初，巴丁差不多每个月都到通用电气公司来一次，像在施乐公司一样与通用电气公司的科学家就自己感兴趣的问题进行热烈的讨论。此外。他还经常就有关公司未来科技研发战略的有关问题同通用高层进行有益的探讨。在这里，通用电气公司的科学家和管理人员同样深深为巴丁的学识和敏锐的战略眼光所折服。1961年，当巴丁加入了施乐公司董事会后，他辞去了通用电气公司顾问的职务。除了同大公司建立密切联系之外，巴丁也曾为一些新组建的公司或者他的学生开办的公司担任顾闻，并就这些公司的发展积极提出自己有益的指导性意见。特别值得指出的就是1975年在加利福尼亚组建的Supertex公司，巴丁曾连续几年担任该公司的董事会成员。这个公司主要致力于集成电路和电子器件的生产与销售。在巴丁建议下，Supertex积极重视高压集成电路研发，并取得了巨大的成功。巴丁为了加强伊利诺伊大学与伊利诺伊大学所在地工业企业的联系，积极帮助当地建立了中西部电子研发中心。这一研发中心的建立不但帮助当地工业企业增强了他们的研发能力，同时还将他们的发展同伊利诺伊大学的研究紧密地联系了起来。巴丁还同日本的索尼公司高层建立了良好的个人关系。1953年正当巴丁在东京出席一个科学会议的时候，他认识了当时还在日本国际贸易与工业部电工实验室任职的鸠山一郎(GeorgeHatoyama)和菊池武夫(MakotoKikuchi)。鸩山--N后来成为了索尼公司的第一任实验室主任，菊池武夫后来继承了他的职位。自从那次会议之后，巴丁经常与这两个人保持通信联系，积极探讨有关科学研究和未来科技研发战略的有关问题。1968年当伊利诺伊大学庆祝巴丁60岁生日的时候，鸠山一郎专门从日本乘坐飞机赶来参加这次庆祝 首都师范大学硕士学位论文会。鸠山一郎同时还赠送给巴丁一个特殊的礼物，一个内含索尼公司制造的晶体管收音机的高尔夫球作为纪念品。1989年菊池武夫访问了伊利诺伊大学，并在那里捐资设立了索尼巴丁讲席，以此来表彰巴丁对电子工业的发展所做出的巨大贡献。1990年，巴丁最后一次访问日本索尼公司，并发表了一个有关超导研究的重要演讲．(二)担任政府顾问从1959年至1962年，巴丁是美国总统科学顾问委员会中的一员。美国总统科学顾问委员会专门帮助美国政府分析科学研究项目，就政府资金如何在空间探索、导弹研发、科学教育等领域进行分配提供指导意见。它由美国许多著名科学家组成，被分成许多小组，每个小组独自讨论有关国防政策、导弹研发、空间科学、科学和工程教育等各种问题，然后拟定成报告提交总统科学顾问委员会讨论，一旦通过，报告将递交美国总统，供总统和政府相应职能部门参考。在总统艾森豪威尔和肯尼迪在任期间，正是总统科学顾问委员会最富成效的时期。图91960年12月19日巴丁出席总统科学顾问委员会会议，后排右起第三人是巴丁巴丁在美国总统科学顾问委员会任职期间，积极工作，尽职尽责，积极提出自己有价值的个人建议。他曾积极建议大气科学要要着眼长远打算，将大气科学研究分成几部分，然后对各部分进行规划，最后再统一形成一个整体。在有关国家科学预算问题方面，巴丁强调政府应当关注政府资金所支持的科学研究项目的研究进展情况。对于研究生教育，巴丁则认为博士后研究员是培养美国年轻科学家的一个重要途径。对于科学家所从事的科学研究工作，巴丁指出，科学家拥有自主选择他们喜欢的研究课题的自由，或许这些问题与有关基金资助的直接目标并不相符，比如来自国防部的基金。1969年有人提出要通过新的军事授权法案，禁止国防部门支持那些与军事目的没有直接联系的研究项目，巴丁随即表示强烈反对，并且认为国防部应当支持大学里的基础研究项目。早在1959年美苏关系紧张时期，巴丁就强调国际科学交流不应当受到限制，主张国际科学界开展广泛而自由的学术交流。艾森豪威尔总统和肯尼迪总统非常清楚科学对国家的重要性，他们愿意倾听来自总统26 首都师范大学硕士学位论文科学顾问委员会科学家的建议，这使巴丁深受鼓舞。最终在美国总统科学顾问委员会的影响下，美国成立了美国国家航空和太空总署，美国教育部门强化了国民的科学教育。约翰逊总统任职期间，总统和总统科学顾问委员会之间产生了紧张的关系，紧接着尼克松总统于1972年就撤消了整个科学顾问机构。虽然在福特总统领导下得以重建，但是总统科学顾问委员会再也没有恢复曾经具有的影响力。1981—1982年，巴丁被任命为白宫科学委员会成员。1983年3月23日，美国总统里根发表了著名的题为。星球大战”的演讲。包括巴丁在内的许多科学家一致认为，星球大战计划的目标是很难实现的，这纯粹是浪费金钱．于是同贝特(HansA．Bethe，1906--2005)一起，巴丁公开反对星球大战计划，他指出星球大战计划将使整个国家有限的科学人力资源严重偏离增强美国国民经济竞争力的目标。同年，因为强烈反对星球大战计划，巴丁从白宫科学委员辞职。站在今天的角度，我们不难看出，巴丁的确很英明，观点独具远见。第5部分结语(一)巴丁的品格当人们谈到物理学家巴丁时，总会习惯用谦逊、温和、坚定、乐观、沉默寡言、高尚等词汇来形容他。巴丁以温和、谦逊著称，熟悉他的人无疑都或多或少能够体会到这一点。他的妻子回忆起他在贝尔实验室发明了点接触型晶体管后那一天的情景。那天巴丁下班后回到家中，把车停在屋后，走进了厨房。当时妻子正在做晚饭，他声音非常平静地告诉妻子“今天我们发现了重要的东西。”1伊利诺伊大学巴丁的同事斯利奇特(c．Slichter)也回忆起类似的一件事。一天，巴丁在伊利诺伊物理大楼的过道拦住了斯利奇特一当时正是巴丁、库珀和施里弗已经确定他们完成了BCS理论的第二天早晨。斯利奇特回忆说：“显然他有事要说，但他只是站在那儿。我就等着。终于他开口了，‘噢，我认为我们已经揭示了超导电性。”尽管巴丁在许多情况下显得腼腆，斯利奇特说：“如果他做出了真正重大的事，他就很想告诉别人。”2巴丁在建立超导BCS理论过程中，深受弗里兹·伦敦思想的影响，出于对弗里兹·伦2GloriaB．Lubkin．Specialissue：JohnBardeen．Phys．Today，1992，45(4)：23—2527 首都师范大学硕士学位论文敦的感激，他把1972年自己所获诺贝尔物理学奖的奖金全部捐献，用于设置弗里兹·伦敦奖，以此纪念这位曾经对超导研究做出杰出贡献的著名物理学家。这既是对弗里兹·伦敦工作的肯定，也体现了巴丁那谦逊的品格。巴丁的高尚品格体现在他努力给予合作者他们应得的荣誉，并热情地为年轻人获得成功创造条件，而不是极力渲染自己的贡献。当超导BCS理论提出后，巴丁极力坚持自己留在伊利诺伊大学，而让库珀和施里弗参加当年召开的美国物理学会大会，公布三人的科学成果，以便为两个年轻人获得科学界的认可和应得的荣誉而创造条件。他还考虑到自己曾因晶体管的发明获得过诺贝尔物理学奖，因此只提名库珀、施里弗两人为诺贝尔物理学奖获奖候选人，以免因为自己的缘故使二入失去应得的诺贝尔奖。巴丁的乐观、自信更是深深地根植于他的每一项科研工作之中，在超导BCS理论的研究过程中，巴丁三人经过了无数次失败的尝试，但是他仍然保持着乐观的态度，正是这一点极大地鼓舞着三人坚持到最后的成功。(二)对巴丁的思考巴丁是迄今为止，唯一一位在物理学领域两度获得诺贝尔奖的科学家，纵观他成就辉煌的一生，我们不难得出以下结论。首先，巴丁能够做出两项重要工作，两次获得诺贝尔物理学奖不是偶然的，这与他渊博的知识、敏锐的思维、关注实验分不开的。他知识极为渊博，知识面十分宽广。早在威斯康星大学攻读电气工程专业时，巴丁就旁听范弗累克讲授的原子物理，燃起了他对物理学的兴趣，由此促成他日后将主攻方向转向了物理学。同样，在哈佛大学作为初级会员时，他就抓住难得的机遇，积极扩展自己的物理学知识，并在那时接触了超导问题。巴丁作为一名理论物理学家，在从事固体物理研究的几十年生涯中，一个最重要的特点是他密切关注着有关研究的实验进展。他和许多实验专家保持着非常密切的个入关系，他的一些想法常常是根据实验线索，而不是某些数学模型的公式推导产生出来的。点接触型晶体管的发明，正是巴丁同实验物理学家布拉顿的合作获得的结晶，而从塞林那里获悉同位素效应的实验发现后使巴丁对超导电性理论研究倾注了巨大的热情。许多认识巴丁的人感到，巴丁似乎是在直接和自然打交道，并从中了解许多复杂的现象，尽管他的某些想法常常和常人不同1。正是这一切培养了他敏锐的观察力和灵活的思维判断能力。祝汉民．电子时代的奠基人和两次诺贝尔物理学奖获得者：巴丁．自然杂质。1998。5：296 首都师范大学硕士学位论文其次，巴丁几乎一生都处于优越的学术环境之中，众多的科学大师对他产生了深远的影响。早年巴丁求学威斯康星大学时，就深受1977年诺贝尔物理学奖得主、现代磁学之父范弗累克的影响，使他首次接触到量子力学。同时，在那里他还聆听了来自欧洲的德拜、狄拉克、索末菲、海森堡等著名物理学家的演讲，从此巴丁深深热爱上了物理学。在普林斯顿大学，巴丁又深受1963年诺贝尔物理学奖得主、物理学大师维格纳的教诲，维格纳不但将巴丁引入了固体物理学这一研究领域，而且维格纳的将科学问题分解、逐个解决的研究方法也影响了巴丁此后的科学研究，使他受益终生。巴丁为了研究超导电性问题，让派尼斯等人预研极化子问题，无疑展现了他将科学难题分割成一些较小、较简单的问题，但是仍能保留原先大问题精髓的科研方法。维格纳对他的影响，由此可见一斑。在哈佛大学巴丁又身处范弗累克、布里奇曼等大师的身边，和大师们一起共同从事科学研究。范弗累克不但将量子力学等传授给巴丁，更重要的是他为巴丁的发展提供了一次次的机遇，这包括接收巴丁为哈佛大学初级研究员，推荐巴丁担任明尼苏达大学助理教授的学术职位等等。通过同各位物理学大师们朝夕相处，巴丁不但学习到了他们各自独特的科学研究方法，而且兼收并蓄形成了自己独特的科学风格。贝尔实验室作为世界上最优秀的工业实验室和伊利诺伊大学这座优越的学府更是成就了巴丁一生最辉煌的两大科学成就。再次，机遇总是垂青那些有准备的人，巴丁是一个善于把握机遇的科学大师。他能够取得如此多重大的科学成就，这与他紧紧地把握住每一次难得的机遇是分不开的。巴丁有众多名家大师的帮助，他抓住了他们提供的每次机会。通过利用范弗累克提供的帮助，巴丁在哈佛大学开始了他早期的研究工作，并同范弗累克和布里奇曼进行了有益的合作。同布里奇曼的合作是巴丁作为一名理论物理学家与实验物理学家的第一次合作。他还利用贝尔实验室提供的机会与布拉顿合作发明了点接触型晶体管，利用塞林提供的同位素效应的启示，及时将注意力转向了对超导电性的研究。最后，物理学家巴丁是一个典型的合作型科学家。科学合作是指在为了提高科研效率和研究质量，科学研究活动由两个以上科研人员或者科研机构共同完成。巴丁两次获得诺贝尔物理学奖，他的两次获奖项目都是与其他科学家合作的结晶。在贝尔实验室固体物理研究小组，巴丁在固体量子理论方面具有扎实的基础，善于用理论结构分析和解释实验数据及其现象，而肖克利长于用几何图像说明物理现象，布拉顿则是熟知理论，并善于巧妙地进行各种实验的能手，他们的合作相得益彰，铸就了晶体管的发明。在进行超导理论研究过程中，巴丁意识到场论方法对求解粒子间存在相互吸引作用的费米多体问题，将是一种有力的工具，而自己并不擅长量子场论，因此通过杨振宁的举荐吸收库珀加入了自己的 首都师范大学硕士学位论文超导研究小组，同时吸纳进自己才华横溢的学生施里弗，最终在巴丁领导下，经过三人共同努力，促成了BCS理论的诞生。这些无不反映出巴丁超凡的组织能力和协作能力．超导BCS理论的成功建立，更是与巴丁善于发现人才、组织人才、利用人才分不开的。巴丁曾说过：“在当今时代，物理学中的进展通常是在世界上不同国家工作的许多人合作的结果。对于超导电性当然也是这样。在过去几十年中对于超导电性的理解上所取得的令人难忘的进展，是基于许多人的工作的。”1综上所述，作为两次诺贝尔物理学奖获得者的巴丁，他能集众多成就于一身，有其必然性。可以说，巴丁把自己的一生都献给了科学事业，献给了他挚爱的物理学。在科学探索的道路上，巴丁是一个孜孜不倦的求索者，是物理学发展史上的一棵常青树。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中。JohnBardeen．DevelopmentofConceptinSuperconductivity．Fhys．Today，1963，16：19 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首都师范大学硕士学位论文致谢本论文是在我的导师王士平教授的悉心指导下完成的。从论文选题的确定、取材、修改，王老师都付出了很多心血。王老师渊博的学术知识、严谨的治学态度，给我以极大的影响和教诲，并将继续鼓舞着我永远前进。自从读研以来，王老师在学习、生活等各方面都给予我很多的帮助，在此向他致以深深地谢意。三年来，刘树勇、李艳平和刘占存老师也在学习上给了我很多帮助。在平时的论文写作过程中，各位老师给予了我积极地指导与帮助；在毕业论文的撰写过程中各位老师同我进行了有益的讨论。在此向三位老师表示深深地谢意。申先甲教授和戴念祖教授对本文的完成提出了非常宝贵的意见，在此向两位老师致以深深地谢意。在我攻读硕士研究生期间，同学陈岗，师弟宋广利给予我很多帮助，在此一并向他们表示感谢。感谢巴丁之子willJamA．Bardeen博士为本文提供的几十篇文献资料。父母的一贯支持，使我能在科研工作中投入全部的精力。然而寸革春晖，对父母的谢意是无法用语言来表达的。最后，感谢所有关心、支持和帮助我的师长、同学和朋友们!赵继军2007．05．12 两次诺贝尔物理学奖获得者——约翰·巴丁作者：赵继军学位授予单位：首都师范大学相似文献(9条)1.期刊论文刘小君.LIUXiao-jun物理学史课程的教学改革与实践-理工高教研究2009,28(4)结合物理学史的课程特点.克服传统教学存在的弊端,创新教学内容和方式,将学生的课堂参与作为教学过程的一个重要环节.在课程内容中添加了诺贝尔物理学奖得主及其研究成果探究这条主线,由学生以多种多样的形式自主开展自学、互学、互教等.在实战中取得了良好的教学效果.2.期刊论文秦克诚邮票上的物理学史(78)--诺贝尔物理学奖-大学物理2004,23(12)每年10月上旬,人们的目光都移向斯德哥尔摩,都在猜测:本年度的诺贝尔奖将花落谁家?诺贝尔奖是科学界的最高荣誉,每年一度的诺贝尔奖,对于把公众的注意力引向当前的科学前沿起了不可替代的作用.3.期刊论文杨庆余.YangQiyu现代物理学史上的一位奇才——彼得·卡皮察-物理通报2002,""(12)俄国著名的物理学家彼得·卡皮察一生在超强磁场和极低温这些极端条件下取得了许多重要的成就:得到了著名的卡皮察定律;发现了卡皮察热阻和HeⅡ的超流动性;发展了磁控电子装置的一般理论;建成了连续运转的磁控管振荡器;提出了关于球形闪电本性的假说.由于在低温物理学方面所做的杰出贡献,1978年度被授予诺贝尔物理学奖,使他成为诺贝尔物理学奖史上年龄最大的一位获奖者.他是现代物理学史上的一位奇才,他通过独特的思维方式和快速转移科研阵地的能力,把科学研究推向了一个又一个新的高峰.4.期刊论文王向贤.尹军.许雪艳诺贝尔物理学奖获奖信息教学软件设计与使用-天水师范学院学报2010,30(2)用VB语言编写了诺贝尔物理学奖获奖信息教学软件.软件可查看1901年至2008年之间历届诺贝尔物理学奖的相关信息,包括每年的获奖人数,获奖者姓名、性别、国籍、所在单位、生卒年、获奖年龄、获奖理由、获奖领域以及部分研究项目发现的时间等方面的信息.该软件对物理学史研究、物理教学和诺贝尔物理学奖获奖信息的普及等均具有较大的帮助.5.期刊论文武荷岚.胡炳元.王世涛.WUHe-lan.HuBing-yuan.WANGShi-tao诺贝尔物理学奖与长度基准的历史沿革-大学物理2007,26(2)从2005年诺贝尔物理学奖出发,考察了已往和长度基准有关的诺贝尔物理学奖,从物理学史的角度,探讨了长度基准的历史沿革及其意义.6.期刊论文王士平科学研究中思路"高于"技巧--从劳厄、戴维逊、查德威克、费米等获诺贝尔物理学奖谈起-首都师范大学学报(自然科学版)2002,23(3)本文通过对物理学史上的几个典型事例的简要分析,阐明了在科学研究中思路的重要性.7.期刊论文秦克诚邮票上的物理学史(B36)--爱因斯坦和相对论(续)-大学物理2001,20(6)1919年日食观测的结果使爱因斯坦的声名大噪，人们都把他比成哥白尼授予爱因斯坦诺贝尔奖已不能再回避了从1909年奥斯特瓦尔德提名爱因斯坦为1910年诺贝尔奖候选人起，几乎年年都有著名科学家提名爱因斯坦，而且提名者越来越多，但是每次都没有通过在由于相对论而被提名时，评奖委员会的意见是实验证明还不足以判断；而在有人提议因爱因斯坦在布朗运动方面的工作授予他诺贝尔奖时，委员会又认为爱因斯坦的统计论文不像他在相对论和量子物理学方面的工作那样突出，因而"如果爱因斯坦因统计物理学……而不是因为其它主要论文而获奖，那会让学术界感到奇怪"拖延给爱因斯坦授奖的原因，据派斯分析，一个原因是在那些年里瑞典科学院的院士中没有一个人能够合格地评价相对论其实还有一个原因，是当时社会上的一股反相对论的潮流由于爱因斯坦一贯的反战立场和犹太人出身，也由于他在日食观测后声誉雀起，他成了战败的德国一小撮人仇恨的目标他们建立了一个组织(爱因斯坦蔑称之为"反相对论公司")，疯狂攻击他们不懂的相对论参与攻击的不仅有无名政客和三流物理学家，还有像勒纳德(1905年)和斯塔克(1919年)这样的诺贝尔物理学奖获奖人他们甚至声称，如果授予爱因斯坦诺贝尔奖，就要退回自己的得奖因此，瑞典科学院被夹在赞成和反对给爱因斯坦授奖两股巨大压力之中实际上，1921年诺贝尔物理学奖就因为意见不一暂时没有评出1922年，推荐爱因斯坦的人更多法国物理学家布里渊在推荐信里写道："请想一下，如果诺贝尔奖获奖人名单上没有爱因斯坦，自今50年以后公众将怎么说"这一年，普朗克建议把1921年和1922年的奖分别授予爱因斯坦和玻尔，瑞典乌普萨拉大学的理论物理学教授奥席恩则因为光电效应而提名爱因斯坦，评奖委员会最后按这个意见通过了这一提名瑞典科学院秘书在给爱因斯坦的信中还特别声明："王国科学院决议授予您以去年度的诺贝尔物理学奖，以表彰您在理论物理学中的工作，特别是在光电效应的规律方面的发现，但是没有考虑您的相对论和引力理论一旦得到证实所应得到的评价"可以看出，瑞典科学院的这个决定是考虑了各种矛盾之后的一个妥协它避开了相对论这个热点这样，支持爱因斯坦的人可以说，由于一项较小的成就得奖，更说明爱因斯坦的伟大，而且并没有排斥以后由于相对论再次授奖；而反对爱因斯坦的人，也可以有一个说法：相对论不够得奖资格但是，爱因斯坦1923年7月在瑞典哥特堡"北欧自然科学家会议"上为答谢诺贝尔奖而作的报告中(这个报告是代替颁奖仪式上的领奖演说的，被收入诺贝尔基金会编的《诺贝尔奖领奖演说集》爱因斯坦由于远在日本，没有出席诺贝尔奖颁奖仪式他的奖金是德国驻瑞典大使代领的，而奖章则由瑞士驻德国大使送到他家中，这符合他的双重国籍身份)，谈的仍然是相对论，而60年后瑞典1981年发行的纪念邮票(图8)上印的也是〖WTBX〗E=mc2这个公式后来并没有给爱因斯坦再次颁奖但是，不少物理学家认为，爱因斯坦有资格至少得5次诺贝尔奖他的以下工作都有得奖资格：光量子假说(光电效应理论)，布朗运动理论，狭义相对论，E=mc2，广义相对论，激光理论，凝聚态物理(固体比热理论及磁学)爱因斯坦是在他去日本访问的途中，在上海由瑞典驻上海领事告知他得奖的消息的他来回在上海共停留了3天，对中国人民的苦难有深刻的印象由于哲学家罗素1921年在中国讲学时多次谈到列宁和爱因斯坦是当代最伟大的人物，当时的中国人对爱因斯坦的名字并不陌生 北京大学校长蔡元培曾计划邀请他在从日本返欧途中到北京讲学，但因通讯阻隔、日程安排等原因，后来未能实现〖JP〗〖JP3〗1924年，他建立了玻色-爱因斯坦统计，并从玻色-爱因斯坦气体的统计涨落的分析，论述了波与物质的关系不是光所特有的；他热烈支持德布罗意的物质波假说，为波粒二象性的发现和量子理论作出了重大贡献〖JP〗爱因斯坦虽然是量子理论的创建者之一，但是，他对后来的量子力学是不满意的他承认量子力学在解决实际问题中的重要作用，但是他不同意量子力学的概率解释爱因斯坦思想中有根深蒂固的经典决定论概念，他说："上帝不丢骰子"在他看来，量子力学的概率特征是其理论不完备的表现，由此开始了他和玻尔之间毕生的争论他也对波粒二象性的图象不满意，希望用场取代粒子，从而消除物理学中粒子与场并存的二元论情况〖JP2〗从1925年以后，他把主要精力用来探索统一场论他的统一场论不但要把电磁场和引力场统一起来，而且还要把相对论和量子论统一起来，希望能够从这个理论推出各种量子效应他追求的统一场论与今天的量子场论不同，是完全建立在经典场的基础上的，而今天的量子场论则并不排除粒子图象的合理地位由于各种主客观原因，他在这方面的努力没有成功晚年他脱离了当代物理学研究的主流，在物理学界显得比较孤立〖JP〗1933年初，希特勒攫取了德国政权，爱因斯坦是他们在科学界首先要迫害的对象幸好当时他在美国讲学，免遭毒手，但他在德国的住所被搜查，财产被没收，著作被焚爱因斯坦谴责纳粹的暴行，声明退出普鲁士科学院，放弃德国国籍，进行了针锋相对的斗争他从美国回到欧洲，避居比利时他的挚友劳厄来信，劝他在政治斗争上收敛一些，他回信说："要是布鲁诺、斯宾诺莎、伏尔泰和洪堡也都这样想，这样行事，那么我们的境况会怎样呢?我对我说过的话一个字也不感到后悔，我相信我的行为是在替人类服务"他改变了他的绝对和平主义立场，号召各国青年服兵役，与纳粹做殊死斗争10月再赴美国，定居普林斯顿，应聘为新建立的高等研究所教授1940年，他取得美国国籍美国后来为爱因斯坦发行了两枚邮票：一枚是1966年发行的(图9)，杨振宁教授代表普林斯顿高等研究所出席了这枚邮票的首发式并讲话另一枚是1979年为纪念爱因斯坦诞生100周年而发行的(图10)作为犹太人，爱因斯坦支持以色列建国但是，爱因斯坦希望犹太人和阿拉伯人和睦相处1953年以色列第一任总统魏兹曼逝世后，以色列政府曾请爱因斯坦继任总统，他谢绝了他对以色列大使说："我这样的人，怎么能当总统呢?对自然，我算是了解一点，而对人，我几乎一点也不了解"以色列为爱因斯坦发行了两张邮票一张是他去世后不久于1956年发行的(图11)，另一张(图12)是1998年发行的"著名犹太人"，同一套票中还有苏联物理学家兰道、捷克作家卡夫卡等二战后美国企图通过垄断核武器称霸世界，爱因斯坦对此非常反感，他说："战争是打赢了，但和平并未赢得"特别是20世纪50年代初，麦卡锡主义在美国猖獗，侵害公民自由，迫害进步人士，更使他痛心疾首去世前5个月，在被问到美国科学家的处境时，他气愤地说："如果我重新是个青年人，并且要决定怎样去谋生，那么，我决不想做什么科学家、学者或教师为了争取在目前环境下还能有的那一点独立性，我宁愿做一个管子工，或沿街叫卖的小贩"而美国管子工工会就通过决议，授予爱因斯坦荣誉工会会员称号1955年4月18日，爱因斯坦与世长辞对于这位人类历史上最伟大的物理学家，对于这位社会责任心极强，为捍卫个人自由、社会正义和世界和平而斗争不息的世界公民，世界各国人民永志不忘许多国家都为爱因斯坦发行了邮票下面选刊一些有代表性的，大致以发行时间为序比较早的，如图13(波兰1959年)，图14(加纳1964年)，图15(巴拉圭1965年，全套含8.期刊论文钱长炎.QianChang-yan赫兹对光电效应的研究及其历史意义-自然杂志2003,25(2)关于赫兹发现光电效应的实验过程和他对这种效应重要性的认识及其影响,在相关物理学史论著中尚未见有充分的论述.文章根据赫兹的日记、书信、实验笔记和他对光电效应研究发表的论文,对他的实验研究过程进行了仔细分析,揭示了他对这一效应研究和认识的学术价值和历史意义,阐明了他的这项发现和实验研究对诺贝尔物理学奖获得者勒纳德等人所产生的重要影响.9.期刊论文黄祖洽我为什么学了物理?-物理通报2005,""(1)2005年被2004年6月10日的联合国大会定为"国际物理年",以纪念100年前伟大的理论物理学家爱因斯坦做出的三项重要贡献:1905年3月17日他完成了关于量子假设的论文,在历史上第一次揭示了微观客体的波粒二象性,并用这个观点写下了关于光电效应的方程,圆满地解释了实验上发现的光电效应,因此获得了1921年的诺贝尔物理学奖;5月11日,他完成了关于布朗运动的论文,从统计物理的角度对物质的分子、原子结构给出了令人信服的理论解释;6月30日,他完成了关于特殊相对论的第一篇论文,9月27日,完成了关于特殊相对论的第二篇论文,从根本上改变了人们习惯认为时空彼此独立无关的观念,建立了著名的质能等价关系:E=mc2.这三项贡献中,每一项都将因其深刻的物理思想而永垂物理学史册.实际上,这些理论思想和以后由玻尔、海森伯、薛定谔、狄拉克和玻恩等进一步发展起来的量子力学,一起构成了一百年来物理学和有关科学技术极大发展的坚实理论基础.作为人类历史上一颗明亮的巨星,爱因斯坦的光辉激发了一代又一代年轻人探索物理学的兴趣,使他们投身于物理学的学习和研究,造就了20世纪这个"物理学的世纪".1922年11月和1923年1月,爱因斯坦两次路过上海,表达了对苦难中中国人民的深挚同情,也使中国物理学界接触了当时风靡世界的"相对论热".从此在中国出版的一些科普读物,如<科学>、<科学画报>上,就不断出现介绍有关相对论知识的文字.小时候,从家中所订的科普刊物中,这类文字也被我一知半解地翻阅过,引起过我的好奇心和一些天真的遐想.为我上中学以后对物理学的兴趣埋下了根苗.本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Thesis_Y1062770.aspx授权使用：上海海事大学(wflshyxy)，授权号：760ea089-eb61-4c87-9a16-9e4501249004下载时间：2010年12月7日