導語
“你要想得到諾貝爾獎的話，應該具備三個條件：第一，努力；第二，機遇；第三，合作精神。”
——約翰·巴丁
陳關榮 | 作者
鄧一雪 | 編輯
約翰·巴丁（John Bardeen，1908年5月23日－1991年1月30日）先後于1956年和1972年獲諾貝爾實體學獎，是曆史上迄今為止唯一的一位兩次獲實體學獎的科學家。
諾貝爾實體學獎自1901年起到2021年止共頒發了116項，獲獎者共222人次，其中巴丁獲得過兩次，是以總共有221人獲得過該獎。再細分一下，116次頒獎中，47次隻有一位獲獎人，32次有兩位獲獎人，37次有三位獲獎人。遺憾的是，女性諾貝爾實體學獎得主隻有4位：瑪麗·居裡（1903年）、瑪麗娅·格佩特-梅耶（1963年）、唐娜·斯特裡克蘭（2018年）、安德裡亞·蓋茲（2020年）。
圖1 巴丁和他的簽名
巴丁出生于美國威斯康辛州的麥迪遜（Madison）市。他的父親查理斯（Charles R. Bardeen，1871-1935）是威斯康辛大學醫學院的創始人和第一任院長，是個解剖學教授。他的母親奧爾瑟雅（Althea Harmer Bardeen，1873-1920）從事室内設計和裝飾業務。家中五個兄弟姐妹裡，巴丁排行第二。
圖2 巴丁全家（最右側為約翰）
巴丁9歲時從國小三年班跳級進入麥迪遜公立中學國中一年班，第二年轉學到了威斯康辛大學附屬中學。不久，他榮獲麥迪遜市中學生數學競賽第一名。巴丁12歲時母親因癌症去世。失去母愛的小巴丁性格變得憂郁孤獨，長期情緒低落，學習成績全面下降，法語甚至不及格。巴丁渾渾噩噩地過了三年之後，和哥哥同時高中畢業。
1923年，15歲的巴丁進入了威斯康辛大學電機工程系，同時還修讀數學和實體。在那裡，他1928年獲實體學士學位，翌年獲實體碩士學位。
1928年對巴丁來說，是他後來畢生實體學研究的起點。那一年，許多著名實體學家相繼來到威斯康辛大學進行學術通路，包括約翰·馮·弗萊克（John H. Van Vleck，1899-1980）、彼得·德拜（Peter J. W. Debye，1884-1966）、保羅·狄拉克（Paul A. M. Dirac，1902-1984）、阿諾德·索末菲（Arnold J. W. Sommerfeld，1868-1951）、維爾納·海森堡（Werner K. Heisenberg，1901-1976），其中不乏諾貝爾實體學獎得主。他們的各種學術前沿報告極大地鼓舞了巴丁，促成他立志向實體學方向發展。
巴丁畢業後留在大學做了一年的天線設計研究。上述幾位實體學家的報告令他特别向往歐洲。他于是申請了劍橋大學博士獎學金，可惜沒有成功。
1930年，美國經濟開始進入大蕭條。巴丁在位于匹茲堡的海灣研究實驗室找到了一份工作，從事地球實體和海底探油技術的研發。不久，他發明了一種利用電磁場來勘探石油的新技術，但該公司保密使用了三十多年後才對外公布。
1933年，巴丁離開了海灣研究實驗室，來到普林斯頓大學。巴丁希望能夠跟從剛從歐洲來到普林斯頓高等研究院不久的愛因斯坦攻讀博士學位。可是愛因斯坦無意接收研究所學生，于是他跟随匈牙利裔實體學家尤金·維格納（Eugene P. Wigner，1902-1995），攻讀理論實體。維格納是一位優秀的實體學家，在諸多領域特别是原子核和基本粒子的理論研究方面有卓越貢獻。1963年，維格納因在原子核殼層模型方面的傑出成果獲諾貝爾實體學獎。在普林斯頓，巴丁得到了維格納以及後來成為美國科學院院士的弗雷德裡克·塞茨（Frederick Seitz，1911-2008）的聯合指導。
1935年春，即将畢業的巴丁獲得了哈佛大學研究院提供三年資助前往哈佛大學訪學。在哈佛，他采用維格納－塞茲計算方法，得出了堿金屬的内聚能和導電率與體積的關系公式。他的計算結果與後來的諾貝爾實體學獎得主珀西·布裡奇曼（Percy W. Bridgman，1882-1961）用高壓實驗所得結果相符合。在哈佛，巴丁還與麻省理工學院後來的美國科學院院士約翰·斯萊特（John C. Slater，1900-1976）及其上司的固體實體研究小組建立合作，開始超導電性能材料的理論和實驗研究。
1936年，還在哈佛訪學的巴丁獲得了普林斯頓大學數學實體學博士學位。在博士論文中，他推導出金屬電子功能函數，用來計算一個電子從晶體内部溢出到晶體表面所需要的能量。
1938年，巴丁在離開哈佛大學之前和麻省劍橋一所女子學校的生物學教師簡·麥克斯韋（Jane Maxwell，1907-1997）結了婚。兩人後來育有兩子一女。
圖3 簡和巴丁合照（1938）
圖4 巴丁與簡結婚50周年紀念照
1941年，第二次世界大戰爆發。巴丁到了海軍軍械實驗室工作，至1945年戰争結束。在那裡，他先後參加了船體去磁、水下掃雷、水雷設計、魚雷設計等方面的研究。
1945年二戰結束後，巴丁加入了貝爾實驗室（Bell Lab）的實體部。1947年底，巴丁和沃爾特·布拉頓（Walter H. Brattain，1902-1987）合作發明了點接觸型半導體。在此基礎上，實驗室實體部主任威廉·肖克利（William Shockley，1910-1989）于1951年發明了結型半導體。如所周知，半導體的出現大大地改變了我們的世界，被譽為是二十世紀最偉大的發明。為此，三人共同分享了1956年的諾貝爾實體學獎。順便提及，布拉頓是在中國廈門出生的，當年他父母在廈門一個小書院當外教。到布拉頓一歲時，他們全家傳回了美國。
其實這三位諾貝爾實體學獎得主在獲獎前早已因諸多内部沖突而分道揚镳了。一般人認為主要問題在肖克利，因為他作為實體部主任對另外兩位同僚時有欺壓行為。1951年，巴丁到了伊利諾伊大學（UIUC）實體學系和電機工程學系任職教授，布拉頓留在貝爾實驗室但轉到了另一個部門，而肖克利後來去了矽谷創辦一個半導體實驗室。
圖5 肖克利（前）、 巴丁（中）和布拉頓（右）在貝爾實驗室
巴丁在伊利諾伊大學工作直至退休。在那裡，他開展了低溫超導理論和實驗的長期深入研究。超導現象自1911年發現之後半個世紀内的研究沒有什麼進展。巴丁根據超導電同位素效應提出過一種超導電理論，但它很快就被實驗證明是錯的。巴丁于是意識到自己的場論基礎不夠。怎麼辦呢？巴丁明白，一個人不可能什麼都懂，但可以找合作者補救。據李政道回憶，1953 年夏天，巴丁因為對李政道幾篇極化子的文章很感興趣，希望李政道能介紹一位年輕粒子實體和場論方面的專家來和他合作，共同研究超導實體問題。李政道正好知道在哥倫比亞大學的同僚有一位天賦極高的研究所學生利昂·庫珀（Leon N. Cooper，1930-）畢業後正在普林斯頓高等研究院做博士後研究，便把他推薦給巴丁。但庫珀十分猶豫，說自己不懂超導實體。不過巴丁說，你懂場論就已經足夠了。
1957年初，有一個國際凝聚态實體和統計力學大會在紐澤西州的Stevens學院召開。巴丁派了他的博士生約翰·施裡弗（John R. Schrieffer，1931-2019）去參加會議。在那裡，施裡弗聽了李政道的講演，大受啟發，在會後回家的火車上想明白了一些關鍵的技術問題。他一到學校，馬上就找巴丁和庫珀報告了他的新想法。一周之後，師徒三人便正式公布了他們的合作研究成果，成功地解釋了低溫條件下金屬超導電的現象。這就是後來以他們三人命名的“BCS理論”。為此，師徒三人共同分享了1972年的諾貝爾實體學獎。巴丁成為了迄今為止唯一的一位兩度獲得諾貝爾實體學獎的科學家。
圖6 施裡弗（左）、巴丁（中）和庫珀（右）在UIUC
1978年，巴丁離開了伊利諾伊大學電機工程和實體學的教學工作，退為榮休教授。
接下來的 1980 年代，巴丁主要對電荷密度波的新量子力學理論感興趣。他認為，電荷密度波可以解釋為與超導性相同的宏觀量子現象。巴丁人生最後十年緻力于這項研究。
1991年1月30日，巴丁因心髒衰竭在波士頓一家醫院裡辭世，享年83歲。他被安葬在家鄉威斯康辛州麥迪遜市郊的Forest Hill 公墓。1997年，巴丁的夫人簡去世後和他合葬在一起。
圖7 巴丁夫婦墓碑
巴丁一生的主要榮譽和獎項包括：
1952年，獲富蘭克林研究所頒發 Stuart Ballantine 獎。
1954年，獲選為美國國家科學院院士。
1959年，獲選為美國藝術與科學院院士。
1959-1962年，任美國總統科學顧問委員會委員。
1962年，獲國際純粹與應用實體聯合會頒發低溫實體Fritz London 紀念獎。
1963-1972年成為國際純粹與應用實體聯合會成員，并于1969-1972年出任主席。
1965年，獲美國國家科學獎章。
1968-1969年，出任美國實體學會主席。
1971年，獲 IEEE 榮譽勳章（Medal of Honor）。
1972年，獲選為美國國家工程院院士。
1973年，獲選為英國皇家學會外籍院士。
1975年，獲富蘭克林研究所頒發Franklin 獎。
1977年，獲美國總統卡特頒發總統自由獎章（Presidential Medal of Freedom）。
1981-1982年，任白宮科學委員會委員。
1988年，獲蘇聯科學院頒發羅蒙諾索夫金質獎章。
1990年，獲美國總統老布什頒發Third Century Award，并被評選為20世紀最有影響的100個美國人之一。
1987年。獲美國成就科學院（American Academy of Achievement）頒發金質獎牌。
巴丁雖然是個理論實體專業的學者，但他一生都關注實際應用。他擔任過不少工業、企業和政府機構的咨詢顧問，與工業界和政府部門保持長期的接觸和聯系。
巴丁與施樂（Xerox）影印機公司有長期密切的合作。從1949年開始，巴丁就在那裡開始感光材料優化的研究。1952年起他擔任該公司技術顧問，1961年進入公司董事會，1970年加入其技術指導委員會。在許多年裡，巴丁一直是施樂公司的重要成員。
從1954年開始，巴丁還在相當長的一段時期内擔任通用電氣（General Electronic）公司的技術顧問。此外，巴丁還在新組建的科技企業和公司、特别是他學生創辦的小公司裡擔任顧問，支援他們的創業并提供技術指導。其中一個特别成功的例子是1975年組建、後來發展得非常成功的Supertex 公司，起步時巴丁便擔任公司董事會成員，在那裡合作許多年，指導高壓內建電路的研發。
巴丁還與日本索尼（Sony）公司有長期的聯絡和合作。1953年，巴丁認識了索尼公司的第一任實驗室主任鸠山一郎和後來的繼承者菊池武夫。1968年伊利諾伊大學慶祝巴丁60周歲生日之時，鸠山一郎專程從日本飛去參加慶典。1989年，菊池武夫專程到訪伊利諾伊大學，代表公司捐款設立了“索尼－巴丁講座教授”冠名席位，以表彰巴丁對電子工業的貢獻。
兩屆諾貝爾實體學獎得主巴丁并不是那種鋒芒畢露甚至盛勢淩人的學術霸王。恰恰相反，他既沒有驕橫的氣勢也沒有怪異的個性。他的朋友和學生都說他是個表裡如一的普通人。事實上，巴丁一向以“為人低調”出名。他的學生們引進了一個“巴丁數”（Bardeen number），即一個人的成就除以他自我吹噓的程度，作為一個人的謙虛名額。學生們認為，巴丁的這個數遠遠大于1，而很多學者的這個數都小于1。一個故事說，當人們祝賀巴丁榮膺兩次諾貝爾獎時，他總是笑着解釋：兩次諾貝爾獎都是三個人分享的，是以我實際上隻獲得了三分之二個獎。
回顧巴丁的一生，他在學校、工業界和軍隊實驗室都有長期的工作經驗，又經曆了美國經濟大蕭條和第二次世界大戰。巴丁豐富而曲折的閱曆加上聰明又用功的品格，造就了他這樣一個科學奇才。
因為是名人，尤其是大名人， 坊間自有不少傳說。這裡隻說兩件比較靠譜的轶事。
1957年3月，巴丁和他的博士後庫珀及博士生施裡弗計劃到費城參加美國實體學學會主辦的一個國際學術會議，去報告他們師徒三人建立的關于金屬超導實體的“BCS理論”。但是，巴丁臨時卻決定不參加會議了，讓兩位學生去做報告。巴丁是想讓後輩們在學術界獲得同行的公認。多年之後，巴丁以諾貝爾獎得主的資格提名庫珀和施裡弗兩人為諾貝爾獎候選人。他的本意是讓學生們也能獲得和自己同等的獎勵。出乎意料之外，諾貝爾獎評選委員會讓他們師徒三人一起登上了1972年諾貝爾實體學獎的領獎台。
巴丁随即把剛獲得的諾貝爾實體學獎獎金全部捐獻給了由國際純粹與應用實體聯合會負責頒發的弗裡茲·倫敦紀念獎（Fritz London Memorial Prize）基金，以紀念這位曾經對超導研究做出過傑出貢獻的實體學家并獎勵優秀的後來人。
1991年起，伊利諾伊大學（UIUC）實體學系設立了“約翰·巴丁獎”（John Bardeen Prize），每年由超導材料與機理國際會議負責頒發，獎勵“為超導原理提供重要理論并導緻可驗證的預測”的傑出科學家。
圖8 “約翰·巴丁獎”的獎牌
巴丁先後兩次來訪中國。1975年9月4 日，巴丁随美國固體實體學家十二人的代表團第一次到訪北京。代表團中除了巴丁，還有兩位諾貝爾實體學獎得主，就是他的前博士生施裡弗和發現超導體隧道效應的1973年實體學獎得主伊瓦爾·賈埃弗（Ivar Giaever，1929-）。代表團在北京參觀了中國科學院實體所、半導體所、生物實體所、北京大學、清華大學和半導體裝置廠。之後，代表團到過西安、南京、無錫和上海，參觀通路了西安交大、南京大學、無錫農村和工廠、複旦大學、上海機械廠等地方。該行程于9月15目結束。
巴丁第二次通路，是應中國教育部和北京大學校長周培源的邀請前來講學。1980年4月30日，巴丁偕同妻子到達北京。副總理方毅在人民大會堂會見了巴丁夫婦。巴丁的學術交流活動主要在北京大學進行。五月中，他夫婦倆又到了西安、南京和上海參觀通路。巴丁先後作了十二場有關超導實體發展與近況的學術報告和公衆演講，廣受歡迎。講學期間，巴丁再次通路了中科院實體所。在那裡，他回答一個中國朋友的提問時半開玩笑地說：“你要想得到諾貝爾獎的話，應該具備三個條件：第一，努力；第二，機遇；第三，合作精神。”
圖9 紀念巴丁的明信片
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來源：集智俱樂部
編輯：雲開葉落