作者：林志忠 (台湾交通大学物理研究所及电子物理系) Josephson 对Bardeen说：“你详细计算过了吗？没有吧？我计算过了！” Cohen总结说：“他们两人似乎说着不同的语言。” 在《准晶体发现者Shechtman给年轻科学家的忠告》(《物理》杂志(北京) 2017 年第46 卷第6 期)一文中，笔者写了这几句话：“Shechtman的坚持是有其学养依据的，因为他认为Pauling 虽然是一位当代最伟大的(美国)化学家，却并不是电子显微镜(术)专家。他斩钉截铁地说，Pauling 闯进了别人的学术专业领域，所以做出了不够专业(外行)的错误判断。”这种初出茅庐的无名年轻研究员与已经功成名就的“大师”之间的对垒故事，还可以举出一例，就是“Josephson 隧道结(Josephson junction)”的故事。Josephson隧道结是一种“超导体—绝缘体—超导体”三层结构，中间的绝缘层(通常是金属氧化物，如氧化铝，但是也可以用普通金属取代)，厚度必须在几纳米以下，才可以产生量子穿隧现象——对参与配对的费米能级附近的电子而言，薄绝缘层形成了一个位能屏障。 文前点出的那句话“你详细计算过了吗？没有吧？我计算过了！(Did you calculate it？No？I did！)”是1962 年9 月于英国伦敦举行的第8 届国际低温物理会议上，Brian D. Josephson 与John Bardeen 的论辩中的精彩一句1)。那一年， 22 岁的Josephson 是剑桥大学二年级的研究生，54 岁的Bardeen 则刚在1956 年获得了他的第一个诺贝尔物理学奖(发明晶体管)，而且他的超导体理论(Bardeen-Cooper-Schrieffer theory，简称BCS theory)也已经在1957 年堂皇发表。此时期的Bardeen 意兴风发，被公认为是该时代国际上最受尊崇的最重量级固体物理学家之一。这时候， Philip W. Anderson， Sir Nevill F. Mott 和John H. van Vleck 等三人，还不知道再隔15 年之后，他们也会因为对磁性和无序系统的电子结构的研究而荣获诺贝尔物理学奖2)。 图 年轻时的Brian Josephson (摘自网络) Josephson 和Bardeen之争论的焦点在于超导体—绝缘体—超导体隧道结的“ 穿隧电流(tunneling current)”，或称“屏障电流(barrier current)” 问题。Bardeen 根据他的理论图像思路和采用的数学处理方式，得到的结论是超导“电子对(Cooper pairs)”不可能“成双成对”地穿隧通过薄绝缘体(或金属)层。他相信，穿透进入绝缘层中的电子波函数的形式，一定就像正常态金属内的“单电子”波函数的形式，而绝对不可能保有超导态的电子对波函数形式。换句话说，他认为隧道结的电流来自于单电子穿隧(single-particle tunneling)过程。Josephson 则是立定在BCS 理论的架构内(！)，但使用了Gor'kov 理论的非局域性(nonlocal)思路和数学形式，从详细的计算中得出结论说，超导电子对会越过超导体∕绝缘体(金属)界面，出现在薄绝缘(金属)层中。因此，绝缘层中的穿隧电子保留了超导电子对的特性和宏观波函数形式3)。 超导体理论是物理学史上最重要、影响最深广的理论之一，不仅局限在固体物理学。Bardeen 也因此成为了100 多年以来，唯一在同一项学术专业领域获得过两次诺贝尔奖的人4)。但是，为何一个伟大理论的创造者(真正的专家！)，竟然“马失前蹄”，从镕铸了自己(和博士后与学生)无数心血所建构起来的理论中，“推测”出与实验不符的错误结论呢？从当时的一些超导学家的事后回忆以及分析(事后诸葛？)，应可以总结为是由于Bardeen 在“估算”穿隧电流时，忽略了“细节”所致。 测量和计算隧道结的穿隧电流，在1960 年代初期是一个新兴的热门课题。Bardeen 以他对固体物理学和量子穿隧效应的掌握与熟练，很快地，就半定量地估算出绝缘层中的波函数，并且斩钉截铁地说“超导电子对不可能出现于绝缘(金属)层中”，因此通过隧道结的电流必定是来自于未配对的、单电子的穿隧行为。但是，Bardeen 错了！在这个微妙问题上，Josephson 经过踏踏实实的仔细计算和反复验算之后，发现超导波函数会延展进入薄绝缘层中(虽然绝缘层中超导能隙消失了)，从而产生可观的超导穿隧电流，其大小足以用实验明确检验。这位年轻研究生的理论所预测的效应(Josephson effect)，奠立了半个世纪以来的超导电子学的广泛应用基石，包括凝态物理学家所高度倚赖的“超导量子干涉仪(Superconducting Quantum Interference Device，SQUID)”。 Josephson 的正确无误来自于他采用Gor'kov 的非局域方案进行过详尽的数学计算，Bardeen 的“大意失荆州”则似乎部分来自于他的付诸物理图像的直觉与推论，觉得没有必要去考虑一个更加完整的“穿隧汉弥顿量(tunneling Hamiltonian)”。这一次，物理概念的逻辑演绎(大架构)输给了按部就班的数学计算(细节)！幸而，Bardeen 和Josephson 仍有相似之处，他俩对于所有超导体实验的细节与进展，都密切留意。Bardeen 一生坚信，成功的固体物理学理论必须能够解释真实物质(real materials)——而非止于模型简化的理想材料(ideal materials)——的性质。 1962 年7 月，Josephson (唯一作者)的论文发表于新创刊的Physics Letters，题目是Possible New Effects in Superconductive Tunnelling。1963年3 月，明确验证了Josephson 超导穿隧电流预测的实验论文(作者是P. W. Anderson 和J. M. Rowell)发表于Physical Review Letters，题为Probable Observation of the Josephson Superconducting Tunneling Effect。这两篇论文的题目，都很谦卑5)。1961—1962 年间，正是由于Anderson的对称破缺(broken symmetry)超导理论概念，启发了Josephson 寻得“超导波函数相位(phase)作为一个可实际测量之物理量”的重大意义！而后，Bardeen 也立即接受了Anderson 和Rowell 的实验证据，相信Josephson 的预测是精确的——在实验数据出炉之前，有些精微隐晦的物理概念会深埋于数学式子的行列间，欠缺清晰的图像，迷惑了最顶尖的科学家。这个故事给了我们一个启示：让实验数据拍板定案。 Josephson 聪颖早慧， 他的超导穿隧电流理论预测的盛大成功，并不是仅凭着一时的好运气而爆得大名。Anderson 曾经告诉美国康乃尔大学的Vinay Ambegaokar 教授说，他总是相信Josephson 的判断和计算结果。Josephson 的其他经历与事迹，不在本文的讨论范围之内。 后记：(1)本文取材于美国物理学会会刊Physics Today 中Donald G. McDonald 的文章The Nobel Laureate versus The Graduate Student(2001 年7 月号第46 页)，Philip W.Anderson 的文章How Josephson Discovered His Effect (1970 年11 月号第23 页)， 以及Lillian Hoddeson 和Vicki Daitch 合著的Bardeen 传记True Genius—The Life and Scienceof John Bardeen (Joseph Henry Press，Washington，D. C.，2002)。(2)每一篇关于科学史公案的文章，都反映了作者个人的旨趣和对于该事件与科学内涵的理解程度，许多“细节”都未被提及或简化了，因此“ 我们只记得我们所( 愿意) 理解的”！本文是从一位低温物理“实验学家”的观点来写的，或许理论学家会有不同角度的切入点与诠释。 1) 邀请Josephson 和Bardeen 前来面对面辩论宏观量子现象(macroscopic quantum phenomena)的该场会议主持人，是时任美国哈佛大学的Paul Martin 教授。无私邀请巨擘与新秀平起平坐，就事(学术问题)论事，各抒己见，是欧美优良学术传统的开放精神！那天，研讨会上Josephson 独力应战Bardeen。A. Brian Pippard（Josephson 的博士论文指导教授，一位实验物理学家）和Anderson (已结束在剑桥大学的访问，返回美国)两人都未出席。Bardeen 欣然赴约，并不觉得跟一位研究生公开论辩谁的理论模型和计算结果才是正确的，有何丝毫不妥！ 2) 关于Anderson 等三人的获奖工作，请参阅林志忠《普渡琐记——从2010 年诺贝尔化学奖谈起》(《物理》杂志(北京)2010 年第39 卷第11 期)一文。该文中也提及Bardeen等人发明电晶体(晶体管)的故事。 3) 美国芝加哥大学M. H. Cohen、L. M. Falicov 和J. C. Phillips 针对“金属—绝缘体—超导体隧道结”的穿隧电流的理论计算论文的及时出现，对Josephson 能够取得决定性的进展有关键性的影响。他们三人的论文正式发表于1962 年4 月的Physical ReviewLetters，万般幸运的是在刊发之前几个月，Josephson 已经从Anderson 处获得了预印本，并仔细研读过。对于两人的穿隧电流理论争论，Cohen的总结是：Josephson 和Bardeen“似乎说着不同的语言”(the debaters seemed to speak different languages)。 4) “术业有专攻，道有时而穷。”时常被公认为是人类史上最伟大的10 位物理学家之一的费曼(Richard P. Feynman)，曾经花耗无数时间，尝试了各种(计算)方法，却始终未能以他作为粒子物理学“专家”和20 世纪物理学宗师的身份，解开超导性之谜。这一点足以反面印证，Bardeen 确实有他的独到——“天才”——之处。1956 年12 月，Bardeen“很不情愿”地上路，出发前往斯德哥尔摩领取他的第一个诺贝尔物理学奖，因为此时他已经看到了BCS理论即将建构完成的曙光，他心里非常担心Feynman是否会捷足先登，率先提出一套正确的超导体理论。 5) Josephson、Pippard 和Anderson 三人，或许都对“宏观波函数(macroscopic wavefunction)的相位(差)产生了穿隧超导电流”的计算结果感到些许不安，因此没有把论文投递到Physical Review Letters。1961—1962 年，Anderson 从美国贝尔电话实验室(Bell Telephone Laboratories)到剑桥大学进行休假研究一年。在他的固体和多体物理课堂上，Josephson 首次学到了对称破缺的概念。Anderson 回忆说，有Josephson 在课堂上听课，让他每堂课都讲得“胆颤心惊”。 本文选自《物理》2017年第10期
江苏省物理学会
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