小研究生vs诺奖巨佬!超导史上的这场神级论战结果你一定想不到

哈奇一
2024-09-03 11:53:40
本帖最后由 哈奇一 于 2024-9-3 11:55 编辑

 

这是青涩与老成的争辩,是聪明大胆与成熟经验的对决,同时也是数学理论与直觉之间的较量。”谈起发生在 1962 年 9 月第八届国际低温物理会议上的那场著名“交锋”,物理史学家多纳尔德·麦克唐纳如此叹道。

 

青涩、聪明大胆、具备严谨数学推理的一方,是当时正在剑桥大学就读研究生的 22 岁天才小伙约瑟夫森 (Brian Josephson)。他日后将是诺贝尔物理学奖最年轻的获奖者之一。

 

老成、阅历丰富、拥有直观认知经验的一方,是54岁的手握一枚诺贝尔物理学奖章物理大佬巴丁 (John Bardeen)。他未来更将是两次把诺贝尔物理学奖揽入怀中的神级巨匠!

 

而这两个天才中的天才所讨论的问题,可以用一个大家熟知的故事来概括,那就是:崂山道士真的存在吗?

 

彼时,对超导理论研究已在迷雾中兜兜转转近 50 年,理论和实验都不完备。

 

故而巴丁对约瑟夫森提出的“库珀对隧穿效应”满怀质疑,但约瑟夫森却认为自己比巴丁更懂由巴丁等人联合创立的 BCS 理论。

 

就这样,在一场备受瞩目的行业会议上,年龄、成就差距悬殊又各怀己见的两人,展开了一场超导史上的著名理论激辩。

 

拨云见日的 BCS 理论

 

出生于 1908 年的巴丁,在威斯康星大学麦迪逊分校度过了本科和硕士生涯,后在普林斯顿大学取得数学物理博士学位,还在哈佛大学做过三年访问学者。1956 年,巴丁作为晶体管发明者之一荣获诺贝尔奖。

 

1956年诺贝尔颁奖典礼上的巴丁

 

此时巴丁还对超导有着浓厚兴趣,誓要揭开超导特性背后的秘密。

 

超导现象,由荷兰物理学家昂内斯(Heike Kamerlingh Onnes)于 1911 年首次发现,并因此获得 1913 年诺贝尔物理学奖。在昂内斯发现超导现象之后近 50 年时间内,尽管物理学家们也观察到了多个现象,如“迈斯纳效应”(超导体具有完全抗磁性)、“伦敦方程”(揭示超导体的电磁特性)、“同位素效应”(电子-声子相互作用与超导电性有关)等,但遗憾的是,上述理论都只体现了实验现象之间的相互关系,并未进一步发展出超导的基本理论。

 

这一困窘局面,直至 BCS 理论出现才被打破。

 

1957 年,巴丁(Bardeen)、库珀(Cooper)、施里弗(Schrieffer)三人小队提出了BCS 理论:超导体晶格中自旋和动量相反的两个电子可以配对,形成所谓的“库珀对”,库珀对在晶格当中可以无损耗地运动,形成超导电流。

 

 

BCS 理论解决了超导电性的物理机制问题,解释了超导电性是由于电子形成库珀对,并在这种成对状态下无电阻的移动所造成BCS 理论标志着超导理论的正式建立,不仅成为物理学界的重要理论之一,也被视为量子力学最重要的胜利之一

 

1972 年,巴丁、库珀和施里弗三人因共同提出首个成功的超导微观理论——BCS 理论,共享了当年的诺贝尔物理学奖。

 

这是巴丁第二次获得诺贝尔物理学奖。

 

原本纷繁复杂的电子宏观集体行为,在“神至之笔” BCS 理论的阐述下,呈现出一种简洁之美。著名华裔物理学家李政道先生,曾将单个电子形象地描述为单翅蜜蜂,并专门与著名画家华君武展开深入沟通,诚邀其创作一幅 BCS 超导理论漫画:“双结生翅成超导,单行苦奔遇阻力”。

 

华君武:BCS超导理论漫画

 

漫画中,在 C60(富勒烯)构成的蜂巢上,生存着拥有单边翅膀的蜜蜂,只有当左翅蜜蜂抱住右翅蜜蜂,才可无阻飞行。

 

就是这样一个成双结对的思想,解决了困扰理论物理学家长达 40 余年的难题。作为超导理论之路上的“破冰者”,又是诺奖得主,巴丁在业内享有极高声望。

 

但很快,一个名叫约瑟夫森的年轻人,风风火火站到了巴丁面前。

 

超强预言:库珀对隧穿效应

 

1940 年,约瑟夫森在英国威尔士出生,父母都是犹太人。高中时期,在物理大师埃默里斯·琼斯(Emrys Jones)的引导下,约瑟夫森对数学和理论物理学产生了浓厚兴趣,后被剑桥大学录取,在这个世界顶尖学府开始了从本科到博士的学术生涯。

 

约瑟夫出生地 卡迪夫

 

起初,约瑟夫森在久负盛名的三一学院学习数学,仅用两年时间,就通过了鼎鼎大名的 Mathematical TRIPOS 考试。要知道,这可是目前世界范围内公认的最具价值、最为严格的数学课程之一。

 

自这之后,在数学中咂摸出乏味的约瑟夫森,转而将物理学作为自己的主修专业,并在量子力学和超导体理论方面,展现出惊人的才华。

 

剑桥大学三一学院外景

 

本科期间,约瑟夫森就发表了一篇关于穆斯堡尔效应的论文,指出了其他研究人员忽视的一个关键问题。有位外校考官看到约瑟夫森的成绩后惊讶大呼:“这个叫约瑟夫森的小伙子是谁?他的科研表现竟如热刀切黄油一样丝滑。”

 

之后约瑟夫森还发表了多篇重要论文,一位著名物理学家后来接受《物理世界》采访时称,即使约瑟夫森后来没有发现库珀对隧穿效应,这些论文也足以保他在物理学史上占有一席之地

 

1960 年,本科毕业的约瑟夫森,进入蒙德实验室攻读研究生,却因迟迟无法确定合适的研究课题而苦恼,恰逢后来的诺奖得主、凝聚态理论物理学家菲利普·安德森(Philip Anderson)以客座教授身份来剑桥大学任教,僵局才有了转机。

 

蒙德实验室

 

在安德森眼里,约瑟夫森是个聪明、自信、严谨且不惧挑战权威的学生,纵然时隔多年,安德森依然能够清晰回忆起源自约瑟夫森的“压迫感”:只要是给约瑟夫森所在的班级讲课,必须打起十二分精神,确保每一句话都经得起推敲,否则一到课后,约瑟夫森定会跑来礼貌地与自己“比试”。

 

面对虚心前来请教的约瑟夫森,安德森给出了一个课题建议:超导隧穿效应。有了目标,约瑟夫森全身心投入了研究。

 

菲利普·安德森

 

1962 年,时年 22 岁的约瑟夫森,做出了这样一个预言:在接近绝对零度的温度条件下,成对的超导电子可以隧穿一道绝缘屏障

 

怎么回事,电子一成对就有了穿墙术?难道说世上真有“崂山道士”不成?

 

从经典物理学的视角出发,这无疑是种荒谬的言论,但凭借严谨的数学推理以及导师的支持,约瑟夫森对自己的这一论断有足够信心,他将计算结果写成一篇题为《超导隧穿的可能新效应》的论文,发表在 7 月 1 日的《物理评论快报》上。

 

这篇新鲜热乎的论文,很快进入了巴丁的视线范围,他阅读后确信文中的论据有误。7 月 25 日,巴丁也向《物理评论快报》提交了一篇文章,驳斥了约瑟夫森所谓的超导电流,断言“电子配对不会延伸到绝缘物中,这样的‘超导电流’根本不存在”。

 

各持己见、隔空对话的二人还不知道,两个月后他们将展开一场超导史上的神级交锋。

 

 

“最强大脑”的正面交锋

 

1962 年 9 月,第八届国际低温物理会议,两人受邀出席。

 

讲座开始前,参会者多在大厅里闲逛,这时约瑟夫森试图向巴丁解释自己的理论,但巴丁却微微摇头,轻轻吐出一句“我不这么认为”,因为他坚信自己此前的判断不会有误。几句话后,巴丁转身离开,解释无果的约瑟夫森非常失落。讲座前的极简交流,除了帮二人将对方具化成眼前的真实身影外,没有起到任何其他作用。

 

下午晚些时候,讲座按时召开,人们或站或坐,会议室里水泄不通,出席的大约 40 位物理学家,都渴望目睹巴丁和约瑟夫森的面对面对峙。

 

作为首个上台发言的人,约瑟夫森按照提早准备好的稿件,详尽解释了自己为什么认为库珀对隧穿是一种至关重要的效应。

 

待这个 22 岁的年轻人发言完毕,巴丁从容地走上台,就约瑟夫森的核心发言点做出回应,不仅阐述了自己的单粒子隧穿效应,还着重强调电子对不会穿过障碍物。

 

原本约瑟夫森只是静静地倾听,但当巴丁争辩电子对无法穿过障碍物时,约瑟夫森忍不住了,他决定开口打断巴丁。就从这一刻起,两人展开了“激烈却不失优雅”的论战:激烈,源自约瑟夫森回应了巴丁对他的所有质疑,巴丁也毫不客气地一一驳斥;至于优雅,约瑟夫森一如他曾在学校里无数次与老师“掰头”所呈现出的礼貌姿态,而巴丁全程同样展现了一个学术大佬不急不躁的极高素养。

 

在场的与会者们,无疑都是幸运儿,他们亲身见证了这场被载入超导史册的著名交锋。或许唯一与预期有所差异的是,这场诺奖得主和在读研究生的辩论落下帷幕时,大多数旁观者竟都有一种感受:约瑟夫森占了上风。

 

这场讲座后没多久,约瑟夫森的研究课题提供者安德森,结束休假返回贝尔实验室,与另一位同事着手探寻隧穿电流。最终实验迎来成功,证实了直流约瑟夫森效应,还发现了磁场中超导电流的独特特性。几个月后,又有科学家证实了交流约瑟夫森效应。

 

这些带有决定性意味的实验,验证了约瑟夫森预言的正确:在微观的量子世界里,真的存在“能穿墙而过的崂山道士”!得知消息的巴丁也谦和地承认了这一点。

 

1973 年,就在巴丁等人因 BCS 理论获得诺奖的第二年,约瑟夫森凭借对“约瑟夫森效应”的精准预测,获得了诺贝尔物理学奖,将自己的名字永远写进了物理学的史册。时年仅 33 岁的约瑟夫森,也是诺贝尔物理学奖最年轻的获奖者之一。

 

更值得一提的是,诺贝尔物理学奖极少连续两年在同一个细分领域内颁奖,此次破例,也足以证明约瑟夫森这一研究的含金量!

 

 

有些人执着追求真理,且不在意这种追求会将自己引向何方,约瑟夫森便是如此。尽管后期约瑟夫森沉迷于探索超自然现象的本质,但他对于理论物理学的贡献却不容置疑。

 

这场神级论战的背后,是对“科研不以资历论高下”的精彩演绎,让社会一睹青年科研者的力量。

 

作为国家最高科学技术奖最年轻的获奖者,薛其坤院士同样非常重视年轻学子的力量

 

薛院士曾提到,“一个人的一生,总得有点追求、有点志气。希望年轻人不管是大的目标、小的理想,都要在心里为自己设立一个人生目标,并在人生目标的驱动下,把生活、学习、工作做好。挫折、困难、一时的不顺利,实际上是促使成长非常重要的机遇,希望你能把握住。”还在南京科技大学写下寄语追求科学无极限,追逐幸福无止境,以此勉励广大青年学子。

 

薛其坤院士手写寄语

 

在科研的漫漫征程上,最关键的是要不惧权威、坚持真理,持续推进思维与认知的边界。唯有如此,科学探索才能不断向更深层次迈进。

 

交锋折射出的探索之路

 

无论是 BCS 理论,还是约瑟夫森效应,二者有一个共性:理论先于验证

 

我们都知道,以实验为基础的科学研究,实验现象都必须回归到理论框架中,分门别类,最终形成一套系统性的科学描述。但凡事总有例外,以超导研究为例,理论物理学家们遵循的是“唯象理论”。

 

有一句耳熟能详的话,叫做“知其然,不知其所以然”,虽有贬义蕴于其中,但“唯象理论”刚巧就是这样一种研究思路:它是实验现象的概括和提炼,即在利用物理学解释物理现象时,只要抓住物理现象背后的本质,不管具体过程是如何发生的,由此建立起的能够描述这种现象的物理理论。

 

之所以会存在“唯象理论”,是因为那些“暂时”令人觉得“不可思议”的物理现象,难以用已有的科学理论体系进行解释,只好采取先不解释,只对物理现象进行描述和预言这样一种研究思路

 

超导体所展现的诸多奇异特性,例如零电阻、完全抗磁性,虽然蕴藏着巨大的应用潜力,但在机制研究方面却充满挑战,以至于在超导现象的理论解释方面,难倒了物理学界早已对微观电子了如指掌的一众“最强大脑”,包括且不限于天才科学家爱因斯坦、电子的发现者汤姆孙、不确定性原理的提出者海森堡、提出量子计算机概念的费曼等。这些如雷贯耳的名字,在与超导问题的对决上都以失败告结。

 

“科学顽童”费曼曾郁闷地表示:“天知道这些年(1950-1966)我都经历了什么,好像我在努力解决超导问题,然而最终还是失败了...”

 

由此不难看出,早期的超导理论不仅粗糙,而且进展缓慢,实验验证更是远远落后,直到巴丁三人联合创立的 BCS 理论出现,才算摘取了物理学的超导体圣杯,解决了困扰物理学家近 50 年的难题,其后约瑟夫森效应的出现,又成为一个重大突破。

 

BCS 理论和约瑟夫森效应,都是超导物理领域的重要发现,二者相辅相成:BCS 理论中的库珀对概念,是理解约瑟夫森效应中电子对隧穿现象的关键;约瑟夫森效应是对 BCS 理论的一种直接预测,进一步验证了 BCS 理论的正确性。

 

三明治结构的约瑟夫森结,具有广泛的实际用途,例如它是当前构建超导量子比特的关键组件,为实现超导量子计算机提供了必要的物理基础和技术支撑。尽管超导量子计算机目前离工程化实用化还有很远的距离,但约瑟夫森结已经在其余很多地方已有关键应用,比如它能探测到只有地球磁场强度 1000 亿分之一的超弱磁场,可帮助地球物理学家在地下深处寻找石油;神经外科医生利用由数百个约瑟夫森结组成的阵列,能够准确找到脑瘤位置,还可以定位癫痫患者的致痫病变。

 

距离超导发现已有百余年,但物理界有关超导研究的好奇心依旧未减。正如爱因斯坦所言:“自然最不可理解的地方在于——它竟然是可以被理解的。”

 

好奇不灭,那些对于真理的不懈探索和顶级交锋,也永远不会停止。

 

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