約翰·巴丁 - 人物簡(jiǎn)介

約翰·巴丁（John Bardeen，1908年5月23日—1991年1月30日），美國(guó)物理學(xué)家，因晶體管效應(yīng)和超導(dǎo)的BCS理論兩次獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

巴丁1908年出生于美國(guó)威斯康星州的麥迪遜市，1923年進(jìn)入威斯康星大學(xué)麥迪遜分校電機(jī)工程系學(xué)習(xí)， 1928年取得學(xué)士學(xué)位，1929年取得碩士學(xué)位。畢業(yè)后巴丁留校擔(dān)任電機(jī)工程研究助理。1930年到1933年期間，巴丁在匹茲堡海灣實(shí)驗(yàn)研究所從事地球磁場(chǎng)及重力場(chǎng)勘測(cè)方法的研究。1933年巴丁進(jìn)入普林斯頓大學(xué)，在E.P.魏格納的指導(dǎo)下研究固體物理學(xué)。1935年到1938年期間任哈佛大學(xué)研究員，并于1936年獲得普林斯頓大學(xué)博士學(xué)位。1938年到1941年間，巴丁擔(dān)任明尼蘇達(dá)大學(xué)助理教授，1941年到1945年在華盛頓海軍軍械實(shí)驗(yàn)室工作，1945年到1951年在貝爾電話公司實(shí)驗(yàn)研究所研究半導(dǎo)體及金屬的導(dǎo)電機(jī)制、半導(dǎo)體表面性能等問(wèn)題。1947年和同事布拉頓發(fā)明了半導(dǎo)體三極管，一個(gè)月后，肖克利發(fā)明了PN結(jié)晶體管，三人因發(fā)現(xiàn)晶體管效應(yīng)共同獲得1956年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

約翰·巴丁 - 人物經(jīng)歷

巴丁是在同一學(xué)術(shù)領(lǐng)域(物理學(xué))中獲得兩次諾貝爾獎(jiǎng)金的第一位科學(xué)家。就這一事實(shí)本身，人們不難看出巴丁在科學(xué)的道路上是何等的勇于進(jìn)取，和善于發(fā)揮集體的力量。在1972年他接受諾貝爾獎(jiǎng)金時(shí)，基金會(huì)成員贊揚(yáng)他們說(shuō)：“……珠穆朗瑪峰只有一小部分熱心攀登者才能到達(dá)。巴丁、庫(kù)珀、斯里弗三位在前人的基礎(chǔ)上，終于成功地到達(dá)了這一頂峰……你們作為一支隊(duì)伍，堅(jiān)韌不拔，協(xié)力攻關(guān)……現(xiàn)在來(lái)自山頂上的那無(wú)限美好的景色終于展現(xiàn)在你們的眼前。”
1908年5月23日，巴丁出生于美國(guó)咸斯康星州的麥迪遜。1924年，進(jìn)威斯康星大學(xué)攻讀電氣工程，1928年畢業(yè)，獲學(xué)土學(xué)位，1929年獲碩士學(xué)位后，去古爾夫研究實(shí)驗(yàn)室，研究地球物理學(xué)三年。在進(jìn)取心的驅(qū)使下，他又去新澤西州普林斯頓大學(xué)做研究生，鉆研數(shù)學(xué)和物理學(xué)。在那里，尤金·魏格納(Eu9enewi9ne r)把他領(lǐng)入了固體物理學(xué)的大門，正是在這個(gè)領(lǐng)域里，巴丁先后兩次獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)金。
1936年，巴丁在普林斯頓大學(xué)獲哲學(xué)博士學(xué)位。1936一1938年間，在哈佛大學(xué)任教兩年。1938一1941年問(wèn)，在明尼蘇達(dá)大學(xué)任助理教授三年。194l一1945年間，在華盛頓哥倫比亞特區(qū)的海軍軍械實(shí)驗(yàn)室工作。1945一1951年間，巴丁去紐約市R爾電話實(shí)驗(yàn)室，參加一個(gè)新成立的固體物理學(xué)研究小組。在那里，他和肖克利及布拉坦一起在1947牛不及現(xiàn)晶體二孤百雙應(yīng)。這項(xiàng)研究工作使他們?nèi)�人獲得1956年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)金。
U51年以后，巴丁任伊利諾斯大學(xué)的物理學(xué)教授兼電氣工程教授，退休后擔(dān)任該校的名譽(yù)教授。在伊利諾斯大學(xué)，巴丁幫助制訂了超導(dǎo)性和半導(dǎo)體的研究規(guī)劃，后期的研究興趣主要集中在低溫物理學(xué)的理論方面，包括對(duì)超流體氦B的研究。U59—1962年間，任美國(guó)總統(tǒng)科學(xué)咨詢委員會(huì)委員。1960年以后，任羅徹斯特靜電復(fù)印公司的經(jīng)理。他是美國(guó)國(guó)立科學(xué)院院士，美國(guó)科學(xué)促進(jìn)協(xié)會(huì)、物理學(xué)會(huì)和哲學(xué)學(xué)會(huì)的會(huì)員，并曾擔(dān)任過(guò)美國(guó)物理學(xué)會(huì)的主席。
由于工業(yè)上各種電子管如二極管、三極管、四極管和五極管的制造技術(shù)不斷發(fā)展，在物理學(xué)中便產(chǎn)生了一個(gè)新的學(xué)科，叫做電子學(xué)。借助于各種電子管和適當(dāng)?shù)碾娐�，很容易�?shí)現(xiàn)整流、小信號(hào)的放大和產(chǎn)生各種頻率的無(wú)衰減的電振蕩。在電子管中，在不同電極間電的輸運(yùn)是靠真空中的自由電子完成的。但在固體物質(zhì)中，電荷的輸運(yùn)要復(fù)雜得多。純金屬都有很好的導(dǎo)電性，電荷輸運(yùn)是靠金屬中的自由電子完成的。在半導(dǎo)體中，例如摻微量雜質(zhì)砷(或鋼)之類的N型(或P型)半導(dǎo)體，電流是靠電子(或空穴)來(lái)傳導(dǎo)的。后來(lái)又發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體在某些條件下具有很好的整流作用。對(duì)半導(dǎo)體現(xiàn)象進(jìn)一步研究的結(jié)果開(kāi)拓了物理學(xué)的又一重要領(lǐng)域，即固體物理學(xué)。由于這門學(xué)科具有明顯的實(shí)用價(jià)值，所以從四十年代開(kāi)始，許多工業(yè)部門和研究部門對(duì)它進(jìn)行了多方面的深入研究。第二次世界大戰(zhàn)末期，美國(guó)物理學(xué)家肖克利和布拉坦已經(jīng)開(kāi)始研究半導(dǎo)體材料及其在電子技術(shù)中應(yīng)用的可能性問(wèn)題。1945年，巴丁很快參加了這項(xiàng)工作，并在其中起了很大的作用。他提出一個(gè)關(guān)于電子行為性質(zhì)的假設(shè)，指明了達(dá)到理想固體器件的途徑。他們?nèi)�人組成的研究小組在巴丁的這個(gè)假設(shè)下發(fā)現(xiàn)，與電極接觸的特定排列的半導(dǎo)體層，如PNP或NPN排列，不但能起整流作用，而且還可以放大電流或電壓。這樣，他們?nèi)�人終于在1947年末發(fā)明了一種半導(dǎo)體器件，用來(lái)代替笨重易碎且效率很低的真空管。他們將這種器件定名為“Transferre sistor9，后來(lái)縮寫(xiě)為“TranslstorV，中譯名就是晶體三極管。晶體管的三個(gè)電極分別稱為發(fā)射極、基極和集電極，在外加直流電壓的作用下，發(fā)射極發(fā)射載流子(電子或空穴)，這些載流子很小一部分流入基圾，絕大部分流入集電極。如果用微弱的外加信號(hào)控制基極電流，那么小的基極電流變化會(huì)引起大的案電極電流的變化，這就是晶體三極管的放大作用。晶體管比普通電子管具有一些明顯的優(yōu)點(diǎn)，例如功耗低、尺寸小、壽命長(zhǎng)等。晶體管的出現(xiàn)引起了電子技術(shù)的一場(chǎng)大革命，出現(xiàn)了晶體管收音機(jī)、晶體管電視機(jī)和微型電子計(jì)算機(jī)等。這場(chǎng)革命一直延續(xù)到現(xiàn)在，從分立晶體管發(fā)展到集成電路，從小規(guī)模集成電路發(fā)展到中規(guī)模、大規(guī)模和目前的超大規(guī)模集成電路。
后來(lái)，巴丁又與庫(kù)珀和斯里弗密切合作，在1957年提出BCS理論，成功地解釋了幾十年來(lái)許多科學(xué)家，其中至少包括五位諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)金獲得者沒(méi)能解釋的超導(dǎo)現(xiàn)象。Bcs是他介1三人的姓Ba rdeen、Cooper和Schrieff e r的字首縮寫(xiě)，而B(niǎo)CS理論就是巴丁—庫(kù)珀—斯里弗理論。他們?nèi)�人堪稱科學(xué)史上老年科學(xué)家與青年科學(xué)家相結(jié)合的典范。19U年，荷蘭人卡默林·昂尼斯(H．Kame rlingh onne s)發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)性，某些金屬在低于15開(kāi)的低溫下呈現(xiàn)一種新的性質(zhì)，一旦在其中引起電流，這電流就會(huì)無(wú)休止地維持下去。超導(dǎo)性的理論解釋十分重要，以致許多杰出的理論家都對(duì)它進(jìn)行探索，這些理論家包括玻爾(N．Bohr)、海森堡(W．K．Heis enberg)、倫敦(F．London)、布洛赫(F．BIoch)、蘭道(L．D．Landau)和費(fèi)曼(比P．Feynman)等人在內(nèi)，他們大都是諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)金的獲得者。
大約在1950年，美國(guó)標(biāo)難局的E．麥克斯韋(E．Max—weH)和拉特格斯大學(xué)的塞林(B．serin)領(lǐng)導(dǎo)下的一個(gè)小組分別獨(dú)立發(fā)現(xiàn)，某一金屬出現(xiàn)超導(dǎo)性時(shí)的溫度是與這個(gè)金屬的原子量成反比例的。塞林打電話給巴丁，把這個(gè)發(fā)現(xiàn)告訴他，巴丁一聽(tīng)到這個(gè)消息，立即想到必需把電子—聲子相互作用包會(huì)水溝．4b就縣． L4門艦?zāi)欣宵c(diǎn)金屬品格中構(gòu)舊子對(duì)待雖由子的效應(yīng)。但是，這些早期的嘗試未能成功地解釋超導(dǎo)性。
1956年，年僅二十六歲的伊利諾斯大學(xué)的副研究員庫(kù)珀指出，金屬中具有費(fèi)米能級(jí)附近能量的兩個(gè)電子，彼此松散地吸引對(duì)方，會(huì)形成一種共振態(tài)，叫做一個(gè)“庫(kù)珀對(duì)”。下一年，巴丁和當(dāng)時(shí)還是研究生的斯里弗把庫(kù)珀的想法應(yīng)用于多個(gè)電子，指出所有傳導(dǎo)電子如何可以形成一種新的合作狀態(tài)。按照這個(gè)模型，在金屬中正常移動(dòng)的自由電子是成對(duì)稻合的，并同金屬品格相互作用。這些電子對(duì)具有共同的動(dòng)量，它們并不隨意地受個(gè)別電子隨機(jī)散射的影響，所以，有效電阻是零。自從量子理論發(fā)展以來(lái)，BCS理論被稱為是對(duì)理論物理學(xué)的最重要貢獻(xiàn)之一。由于BCS理論的指導(dǎo)，超導(dǎo)體已可以在稍高的溫度下形成，制成了這樣的超導(dǎo)合金。因此，對(duì)超導(dǎo)性的神話般的研究已導(dǎo)致種種實(shí)用成果，如超導(dǎo)磁鐵、超導(dǎo)體電子計(jì)算機(jī)，功率傳輸線等。美國(guó)IBM公司集中了很大力量，已使超導(dǎo)計(jì)算機(jī)得到了很大發(fā)展。
巴丁教授在二十多年前就提出了量子尺寸效應(yīng)，這問(wèn)題近年在美國(guó)和國(guó)際上頗受重視。他還提出利用量子尺寸效應(yīng)的原理研究制造所謂的GaAs—0aAlAs多層量子5ff異質(zhì)結(jié)激光器。雖然倫敦曾把超導(dǎo)體看作“微觀尺度上的量子結(jié)構(gòu)”，卻是約瑟夫遜(B．Josephson)利用BCS理論來(lái)預(yù)言微觀現(xiàn)象，并制成約瑟夫遜結(jié)。約瑟夫遜效應(yīng)制成的靈敏器件可以測(cè)量電流、電壓和磁場(chǎng)等。BCS理論的建立引起了大量更加深入的探索，由于這一貢獻(xiàn)，三人于1972年共同獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)金。1980年5月，巴丁應(yīng)中華人民共和國(guó)教育部和北京大學(xué)校長(zhǎng)周培源的邀請(qǐng)來(lái)中國(guó)講學(xué)。在北京大學(xué)講學(xué)期間，作了有關(guān)“超導(dǎo)問(wèn)題的發(fā)展和近況”、“超導(dǎo)計(jì)算機(jī)發(fā)展近況”以及“量子階異質(zhì)結(jié)激光器”等方面的報(bào)告。巴丁特別提到超導(dǎo)應(yīng)用目前有大功率(兆瓦)和小功率(微瓦)兩個(gè)方面，前一方面主要是超導(dǎo)磁體的各種應(yīng)用，近年的發(fā)展比人們預(yù)期的慢；后者是超導(dǎo)性用于電子器件，發(fā)展比人們預(yù)期的快。

1951年，巴丁由于和肖克利不合，離開(kāi)貝爾實(shí)驗(yàn)室，到伊利諾伊大學(xué)香檳分校任教。1950年代早期，巴丁就已經(jīng)開(kāi)始考慮超導(dǎo)電性的問(wèn)題。他意識(shí)到電子與聲子的相互作用是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。1953年，施里弗來(lái)到伊利諾伊大學(xué)，在巴丁的指導(dǎo)下攻讀物理學(xué)博士學(xué)位，并選擇超導(dǎo)問(wèn)題作為博士論文題目。在普林斯頓高等研究院的楊振寧推薦下，剛從哥倫比亞大學(xué)獲得博士學(xué)位不久的庫(kù)柏開(kāi)始與巴丁和施里弗進(jìn)行合作。1957年，巴丁和庫(kù)珀、施里弗共同創(chuàng)立了BCS理論，對(duì)超導(dǎo)電性做出了合理的解釋。他們?nèi)�人也因此獲得1972年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。巴丁也成為第一位，也是目前為止唯一一位兩次獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的人。

巴丁1938年與麥克斯韋結(jié)婚，婚后育有兩子一女。業(yè)余時(shí)間巴丁喜歡旅游和打高爾夫球。

約翰·巴丁 - 合作型科學(xué)家

物理學(xué)家約翰·巴丁是一個(gè)合作型科學(xué)家的典型。巴丁是唯一的一個(gè)兩次獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)的科學(xué)家。他的兩次獲獎(jiǎng)項(xiàng)目都是與其他科學(xué)家合作的結(jié)晶。

1939年凱利出任貝爾實(shí)驗(yàn)室半導(dǎo)體研究部主任，為了充實(shí)力量，他從麻省理工學(xué)院招來(lái)了肖克萊，負(fù)責(zé)半導(dǎo)體物理小組的工作。1945年肖克萊雇用了在海軍軍械實(shí)驗(yàn)室的固體理論物理學(xué)家巴丁。而布拉頓是一個(gè)出色的研究表面現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，從1929年就開(kāi)始在貝爾實(shí)驗(yàn)室工作。巴丁在固體量子理論上有扎實(shí)的基礎(chǔ)，善于用理論結(jié)構(gòu)解釋和協(xié)調(diào)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及其現(xiàn)象；而肖克萊長(zhǎng)于用幾何圖像說(shuō)明物理現(xiàn)象。這兩位理論物理學(xué)家在固體理論上取長(zhǎng)補(bǔ)短，相得益彰，適應(yīng)了半導(dǎo)體研究對(duì)理論的全面需要，而布拉頓等人在半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)上成果由于巴丁在理論解釋上的合作取得了重要進(jìn)展。1945年肖克萊設(shè)計(jì)了晶體管和有關(guān)電路，布拉頓等進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)卻未發(fā)現(xiàn)預(yù)期的電流調(diào)制作用，1946年巴丁提出了表面效應(yīng)理論，克服了這個(gè)困難。1947年巴丁和布拉頓合作導(dǎo)致了第一個(gè)晶體管點(diǎn)接觸晶體管的發(fā)明。肖克萊、巴丁和布拉頓3位科學(xué)家由于在晶體管的發(fā)現(xiàn)過(guò)程中在理論和實(shí)驗(yàn)方面發(fā)揮的不同作用，共同分享了1956年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)�！　�

1951年巴丁離開(kāi)貝爾實(shí)驗(yàn)室，擔(dān)任伊利諾大學(xué)的教授。1955年巴丁把研究領(lǐng)域轉(zhuǎn)向了超導(dǎo)研究。在進(jìn)行超導(dǎo)研究中，巴丁意識(shí)到場(chǎng)論方法對(duì)求解粒子間帶有吸引相互作用的費(fèi)米氣體多體問(wèn)題，將是一種有利的工具。由于巴丁對(duì)此不夠熟悉，便向當(dāng)時(shí)在普林斯頓高等研究所工作的楊振寧教授求助，問(wèn)他是否認(rèn)識(shí)既精通場(chǎng)論有愿意從事超導(dǎo)電性的人。楊振寧推薦了正在那里作博士后研究的庫(kù)珀。庫(kù)珀于1955年秋到了伊利諾大學(xué)。與此同時(shí)，巴丁的一位年輕研究生施里弗也參加了進(jìn)行。1956年庫(kù)珀首先邁出了關(guān)鍵的和基礎(chǔ)性的一步，提出了現(xiàn)在以“庫(kù)珀對(duì)”而聞名的電子對(duì)的概念。1957年1月底，施里弗提出了超導(dǎo)體的基礎(chǔ)波函數(shù)。在此基礎(chǔ)上，1957年3人合作寫(xiě)作發(fā)表了論文，一個(gè)全新的揭示超導(dǎo)電性的微觀理論就誕生了�，F(xiàn)在人們習(xí)慣采用這個(gè)理論的3位作者各自姓氏的第一個(gè)字母，稱之為BCS理論。1972年，巴丁、庫(kù)珀和施里弗分享了 1972年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。