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。