约翰·巴丁：史上唯一两获物理诺奖的科学家，到底有多强？

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约翰·巴丁：史上唯一两获物理诺奖的科学家，到底有多强？

原创  关注全球科研的  科学方程式  2025 年 05 月 19 日 16:47  北京

诺贝尔物理学奖，是物理学领域的最高荣誉。对于那些醉心物理学，关注和探究世界本质的科学家们来说，拿到诺贝尔物理学奖是对他们学术生涯的最大认可。

一次荣誉加身，足以千古流芳。而有一位物理学家，却在其有生之年让诺奖为他破例，成为迄今为止唯一一位两度摘得诺贝尔物理学奖的科学家。他就是即将迎来 113 周年诞辰的美国物理学家约翰·巴丁（John Bardeen ，1908 年 5 月 23 日 — 1991 年 1 月 30 日）。

原因何在？毫无疑问，这是对他卓越贡献的最大赞赏——晶体三极管和超导理论，前者直接奠定了近现代计算机硬件的基础，后者更是为人类探索前沿科学领域指明了方向。

NO.1  天才学霸，学业一路遥遥领先

1908 年 5 月 23 日，约翰·巴丁出生在美国的威斯康辛州。他的父亲是一名解剖学教授，同时还是威斯康辛大学医学院的创始人。他的母亲专攻室内设计，在自己的事业领域成就同样不俗。这样的起跑线，已经超越了一个多世纪前绝大多数人一生所接触的学术水平的终点。巴丁也没有令人失望，而且，如果要用一个词来形容他的聪明程度，这个词更适合放到标题黑体加粗：震惊！


约翰·巴丁（右）一家

巴丁进入小学，发现一二年级的课程简直太过于简单，他无法理解为什么许多同学会对着基础的加减乘除捶胸顿足。课程的进度远远无法满足巴丁学习的速度，于是他自己探索更高年级的课程。9 岁时，他已经学完了小学阶段所有的内容，于是跳级到了初中。

进入初中，比身边同学小了好几岁的巴丁依然成绩优异，而且参加了麦迪逊市的中学生数学竞赛，而且从一众选手中脱颖而出，捧得奖牌而归。

然而，这个“别人家的孩子”终究也是个孩子，在他 12 岁时，母亲病逝，丧母之痛让巴丁受到沉重打击。自幼沉默寡言的巴丁更加木讷内敛，成绩曾经一落千丈，但历经低谷之后，他依然在 15 岁就进入了大学。

由于对数学的浓厚兴趣，巴丁在上大学时选择了电气工程学作为自己的专业，因为他听说“电气工程学会用到很多的数学”。在大学里，他从一些来到威斯康辛大学访问的物理学专家那里，第一次感受到了量子力学的魅力所在，这也点燃了巴丁对物理学的热情。

NO.2  晶体三极管，献给世界的圣诞礼物

巴丁大学毕业时适逢美国大萧条时期，要找到科研实验室的工作并非易事。于是为了生活，他进入一家石油公司工作。天才的大脑在任何环境下都不会被埋没，电气工程专业背景的巴丁在跨行业的工作中，开创了用电磁来勘探石油的技术，在那个时代这项技术简直无异于魔法，甚至公司都将之严格保密。

但是，对数学和物理学念念不忘的巴丁在周末经常去公司附近参加物理研讨会。最终，不顾所有人的劝阻，巴丁在 1933 年毅然选择进入普林斯顿大学数学系自费攻读博士。巴丁进入普林斯顿，原因之一是希望能在爱因斯坦的指导下完成博士学位，但当他进入普林斯顿时，爱因斯坦已经离开这所大学。所以他最终选择了维格纳（Wigner）作为博士论文导师，用量子力学研究固体物理，这也是当时固体物理最前沿的研究方向。正是从这时开始，他开始了长达数十年的固体物理学研究。

彼时电子管计算机技术已经有了一定的发展，几乎所有领域都意识到了计算机的重要性。但电子管计算机受限于其体积和算力，很快就走到了尽头。


电子管计算机

材料科技是所有行业发展的实体基础。上世纪 30 年代，肖克利和布拉顿等世界知名的固体物理学家在贝尔电话实验室研究部主任的邀请下，组建了固体物理研究小组。小组的最大目标是发明一种更加优越的半导体材料，取代电子管。

虽然二战的爆发让研究小组的工作一度搁置，但 40 年代中期又快速重组，肖克利求贤纳新，邀请巴丁加入团队。


巴丁、布拉顿和肖克利在实验室

1947 圣诞前夕一次实验中，他们用一个塑料楔子将两个金属触点固定在一块纯锗片上，然后用电压来调节触点之间的电流。他们发现，当其中一个触点上加上一个微弱的信号时，另一个触点上的电流就会随之变化，从而实现了信号的放大。

一周后，他们向实验室的管理层演示了这个新奇的器件，引起了轰动。这个器件被命名为“晶体管”。晶体管比真空电子管更小、更便宜、更耐用、更节能，它开启了微电子技术的新时代，也被誉为“献给世界的圣诞礼物”。而晶体管由于其特性，替代电子管也就成了发展的必然。


晶体管原型

今天，晶体管已经广泛应用在工作和生活的每个角落当中。当我们转动旋钮调节音量时，通过传感器感知环境时，享受各种集成电路带来的便利时，其背后都是晶体管的贡献。在这个人工智能的时代，通信基站、物联网等等所有的高科技都离不开晶体管。

NO.3  超导理论，为能源和算力发展开拓航路

1911 年，荷兰物理学家 H·卡末林·昂内斯发现汞在温度降至 4.2K 附近时突然进入一种新状态，其电阻小到超出了仪器测量量程（10-5 Ω），他把汞的电阻消失的状态称为超导态，即实现了超级导电性。以后又发现许多其他金属也具有超导电性。


卡末林·昂内斯发现超导现象

科学家和工程师在第一时间就意识到了超导的价值，无损能量和完全抗磁的特性，在几乎每个领域都有着诱人的应用前景。然而，在相当长的时间里，科学家都没能建立与超导有关的理论来解释这一现象。甚至在精确测定了多种材料的超导临界温度情况下，对此现象的认知也只能停留在“低温”这一显而易见的条件。

1951 年，巴丁离开贝尔实验室，到伊利诺斯大学（University of Illinois）任教，当时关于超导体的新实验和理论研究引起了巴丁的关注。

没有理论的指导，任何技术的探索和发展都有着极大的盲目性和失败可能。像所有物理学家一样，巴丁明白数学方法在物理研究当中的重要性，他想到在高能物理中常用到的场论方法也许有助于解决问题。于是他找到正在普林斯顿高等研究院的杨振宁。杨振宁当即推荐正在那里的博士后库珀。库珀在 1955 年秋来到了巴丁所在的伊利诺伊大学。巴丁身边还有一位年轻的研究生施里弗。三人合作，在巴丁的领导下为研究超导电性的微观理论共同努力。


巴丁、库珀和施里弗

在研究期间，库珀提出了电子对概念，为超导理论奠定了重要的基础。然而，要精确阐述理论时，却遇到了巨大的挑战：团队需要一个适当的波函数来代表超导体基态的特性。面对挑战，施里弗有点犹豫，甚至打算变更自己的研究方向。恰好此时巴丁要去瑞典接受因发明晶体管而获得的诺贝尔物理学奖，临行前，他劝施里弗再坚持一个月，等他回来再作决定。

在导师的鼓励下，施里弗不懈努力，终于找到了一个非常简单、便于计算的波函数。施里弗把这一方案向巴丁介绍后，巴丁很快就给予了肯定。扫除障碍之后，超导电性的微观理论发展很快。1957 年 3 月美国物理学会的年会上，库珀代表三人报告了这一理论的基本内容，同年 11 月，三人正式在《物理评论》上发表论文，完整地叙述了他们的理论。从此，以他们三人姓氏的第一字母表示的 BCS 理论成了人们心目中基本成功的超导电性微观理论。

有了理论的指导，超导技术的发展也终于走上了快车道。截至目前，科学家已经将临界温度从首次发现超导现象的4.2K（约 -269℃）提升到 134K（约 -139℃）。虽然这一数字离常温超导还有相当大的差距，但以当今的技术水平，已经比较容易实现了。与此同时，科学家们仍在孜孜不倦地追求更高临界温度的超导材料和技术。如果常温超导得以实现，我们身边所有电气电子产品和技术都将发生翻天覆地的变化。

科学是全人类的财富。作为超导理论的先驱，巴丁没有将之据为己有，而且不吝与世界分享。1980 年 5 月，约翰·巴丁应中国教育部和北京大学的邀请来中国讲学，在北京大学讲学期间，作了有关“超导问题的发展和近况”、“超导计算机发展近况”，以及“量子阶异质结激光器”等方面的报告。

1991 年起，伊利诺伊大学（UIUC）物理学系设立了“约翰·巴丁奖”（John Bardeen Prize），每年由超导材料与机理国际会议负责颁发，奖励“为超导原理提供重要理论并导致可验证的预测”的杰出科学家。


约翰·巴丁奖

NO.4  荣誉等身，两度获得诺贝尔物理学奖

如果没有晶体管，以现在的算力，一台电子管计算机的体积就足以“媲美”青藏高原，更不可能有我们正在阅读这篇推文的智能设备。1956 年，巴丁、布拉顿和肖克利因为晶体管的发明而获得了诺贝尔物理学奖。他们被誉为“微电子之父”。

原则上，如果一位科学家已经获得过某个领域的诺奖，那么之后无论再有如何的成就，也将与这个领域的诺奖无缘。史上虽曾有大名鼎鼎的居里夫人两获诺奖，但也是分别在物理和化学领域的荣誉。

巴丁在学术方面是严谨的，但对于成果的分享和荣誉的归属，却非常大度。深谙诺奖评奖规则的巴丁，他担心施里弗作为自己的学生，受到自己已获诺奖的影响，被评委会直接划掉。于是在提交文件时根本没有签署自己的名字。1957 年的物理学大会上，巴丁甚至没有亲自出席，而是让团队两位年轻人站在了台前，由库珀做了报告。

然而，诺奖评委会深知超导理论的意义，认为这样伟大的成就不应该受到奖项规则的限制。于是 1972 年的诺奖组委会做了个惊人的决定，他们打破惯例，跳出规则，将当年的诺贝尔物理学奖，同时颁发给了巴丁、库珀和施里弗。


巴丁（左）再获物理诺奖

至此，约翰·巴丁成为历史上第一个两次获得同一领域诺贝尔奖项的伟大科学家。但巴丁始终保持谦逊，他甚至认为，由于两次获奖都是与其他两位科学家共享，“从严格意义上来说，我只是获得了三分之二个诺贝尔奖。”

NO.5  斯人已逝，但他的贡献仍在改变世界

从 1980 年代开始，巴丁对电荷密度波的新量子力学理论感兴趣，他认为电荷密度波可以解释为与超导性相同的宏观量子现象。于是，他在人生最后十年致力于这项研究。直至 1991 年 1 月 30 日，巴丁辞世而去。

他是一位幸运的科学家，在自己的有生之年能看到自己的研究成果转化为应用技术，并且让世界发生了翻天覆地的变化。90 年代，计算机的运算速度达到了 10 亿/秒的水平，相比电子管时代每秒几千次的水平，无异于神话。而超导技术也在医疗、交通、勘探等等许多领域成为技术核心。

巴丁的成功令人敬佩和敬仰，他自幼所表现出的聪明程度，只能用天才来形容；但更重要的是，他所走过的每一步都稳扎稳打，为日后迈上更高的阶梯奠定坚实的基础。

他从小热爱并钻研数学，掌握了物理学突破的重要工具；大学选择的电气工程专业，为他展开了电气应用技术和材料科学的全景；石油公司的工作，令他的才华得以发挥。成功往往具有偶然性，但也只会垂青有能力的人。深厚的专业知识和应用科学经验帮助他在放大器研究过程中敏锐意识到晶体管的价值；而超导理论的创立，是他对实验科学和理论研究的完美结合。

巴丁一生低调谦逊，他从不因为自己的成就而张扬。他注重团队合作，并乐于让年轻的科学家更多地展示才华。唯一两获物理诺奖的巴丁，创造了科学史的奇迹，而他自身，也是一个奇迹。



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