約翰·巴丁

約翰·巴丁（John Bardeen，1908年5月23日－1991年1月30日）是20世紀最偉大的一名美國物理學家和工程師之一。他是唯一一個兩度獲得諾貝爾物理學獎的人：第一次是在1956年與威廉·肖克利和沃爾特·布拉頓一起發明電晶體；第二次是在1972年與利昂·庫珀和約翰·施里弗一起發明被稱為BCS理論的傳統超導現象的基本理論。

電晶體徹底改變了電子工業，使從電話到電腦的幾乎所有現代電子設備的發展成為可能，並開創了資訊時代。巴丁在超導方面的發展使他獲得他的第二個諾貝爾獎——被用於核磁共振光譜（NMR）、醫學磁共振成像（MRI）和超導量子電路。

巴丁在威斯康辛州出生和長大，在普林斯頓大學獲得物理學博士學位。在第二次世界大戰中服役後，他曾在貝爾實驗室擔任研究員，並在伊利諾大學擔任教授。1990年，巴丁被《生活》雜誌評為「本世紀最具影響力的100位美國人」之一。

## 生平

### 早年

1908年5月23日，約翰·巴丁出生在威斯康星州麥迪遜市。他是父親查爾斯·拉塞爾·巴丁（Charles Russell Bardeen）博士與母親海倫·哈默（Althea Harmer）的第2個兒子。他的父親是威斯康星大學麥迪遜分校解剖學教授和第1任醫學院院長。他的母親海倫·巴丁結婚前曾任教於杜威實驗學校（J. Dewey The laboratory school，即今日芝加哥大學實驗學校），從事室內裝潢業務。結婚後她是一個藝術界活躍人物。

約翰·巴丁的很早就顯現數學才能。他的七年級數學老師鼓勵巴丁繼續進修。約翰·巴丁12歲時，母親因患癌症而病重。

巴丁在麥迪遜市的一所大學附屬高中就讀。他也同時參加了另一所高中的額外課程。他的母親在此期間去世。1923年，他從高中畢業，時年15歲。

### 高等教育經歷

1923年，他考入威斯康星大學麥迪遜分校電機工程系。因為他不想像父親一樣成為學者，所以選擇了具有更好就業前景的工程學。大學期間，他參加了高校兄弟會「Zeta Psi」和高校學生榮譽組織「Tau Beta Pi」。他在本科階段參加了所有自己感興趣的數理方向的碩士研究生課程。他曾花費了1年時間在芝加哥工作，結果多拖了1年才畢業。1928年，巴丁獲得電氣工程理學士學位。因學識積累豐富，他在威斯康辛大學升學就讀碩士1年之後（1929年），就在列歐·皮特茲（Leo J. Peters）的指導下取得了電氣工程碩士學位。他的數學導師是沃倫·韋弗和愛德華·凡弗萊克。他的主要物理導師是約翰·哈斯·布勞克·凡弗萊克，保羅·狄拉克、沃納·海森堡和阿諾·索末菲也影響他很多。

1929年，巴丁未能進入劍橋大學三一學院就讀，留在威斯康星大學進行研究,擔任電機工程研究助理1。後來，他去了海灣石油公司的研究部門「匹茲堡大學海灣研究實驗中心」（University of Pittsburgh Applied Research Center）。1930年到1933年，巴丁在那裡參與地球磁場及重力場勘測方法的研究。對工作厭倦之後，他於1933年又前往普林斯頓大學讀博士。巴丁的論文選題方向是固態物理，導師是尤金·維格納。

1935年，還在完成論文的他收到了來自哈佛才俊協會（Society of Fellows at Harvard University）的邀請，並成為其初級研究會員。1935年到1938年，他在哈佛與約翰·凡扶累克和珀西·布里奇曼等人合作研究金屬的內聚和導電性和原子核能級密度。1936年，他獲得普林斯頓大學數學物理博士學位。

### 加入貝爾實驗室

1938年到1941年間，巴丁擔任明尼蘇達大學助理教授，1941年到1945年在華盛頓海軍軍械實驗室工作。1945年10月，約翰·巴丁在貝爾電話公司實驗研究所研究半導體及金屬的導電機制、半導體表面性能等問題。巴丁是固態物理組的成員。組長是威廉·肖克利和化學家斯坦利·摩根（Stanley Morgan）。其他組員還包括沃爾特·布拉頓、物理學家傑拉爾德·皮爾遜（Gerald Pearson），化學家羅伯特·吉尼（Robert Gibney），電子專家希爾伯特·摩爾（Hilbert Moore）和幾個技術員。他搬家到新澤西州薩米市。巴丁在麻薩諸塞州學校認識肖克利。巴丁在普林斯頓大學時代通過布拉頓的兄弟鮑勃·布拉頓認識了布拉頓。鮑勃·布拉頓也是普林斯頓大學的學生。無論是在實驗室或高爾夫球場，巴丁和布拉頓在週末把所有時間都放在實驗和組織理論。

該小組的任務是尋求一種固態放大器來取代易碎的真空管放大器。他們的第1個嘗試是根據肖克利的構想，使用從外部施加的電場來影響半導體的導電性。這些實驗用遍了各種材料和搭配，但是都失敗了。等到巴丁提出一種有關表面態的理論，研究才開始出現轉機。巴丁猜想半導體物質的表面存在著一種機制，能激發出一種可防止自身被外場貫穿的特殊狀態。小組於是將研究重點改為材料的表面狀態，之後幾乎每日都有長談。小組的交流氣氛很棒，眾人都能各抒己見。

到1946年冬，巴丁他們已經有足夠多的研究成果，於是向《物理評論》提交了一篇關於表面態的論文。布拉頓開始研究當亮光照射在半導體表面狀態時，其表面態有何可觀察的物理變化。這項研究又多產出了幾篇論文（其中有一篇有肖克利參與），不僅能更充分地解釋他們之前實驗失敗的原因，還能估計表面態的分布密度。這些工作涉及到半導體、導線和電解質之間的點接觸（point contacts），向前邁進了一大步。

摩爾建立了一種易於調節頻率的電路，並建議使用一種不易蒸發的化學物質硼酸二醇（glycol borate，gu）。最終，當皮爾遜經肖克利的提醒，在P-N結兩端的gu液滴上施加電壓時，他們發現了顯示能量已增幅的跡象。

1947年，巴丁和布拉頓發明了半導體三極體（雙極性電晶體）。一個月後，肖克利發明了P-N結電晶體。電晶體效應的發現導致三人後來共同獲得了1956年諾貝爾物理學獎。

### 任職伊利諾伊大學

在1951年，巴丁的朋友佛萊德·錫思幫巴丁說服伊利諾大學厄巴納-香檳分校，提供巴丁一份年薪一萬元的工作。巴丁由於和肖克利不合，接受了聘用後，離開貝爾實驗室，進入伊利諾大學香檳分校電機學院和物理學院擔任教授。巴丁建立了2個主要研究計畫，一個計畫在電機系，另一個在物理系。電機系的研究計畫是關於半導體實驗和理論，物理系的研究計畫是關於宏觀量子理論，特別是量子超導性和量子液體。他的第1個博士學生正是後來在1962年發明了LED的尼克·何倫亞克。

1950年代早期，巴丁就已經開始考慮超導電性的問題。他意識到電子與聲子的相互作用是解決問題的關鍵。1953年，約翰·施里弗來到伊利諾大學，在巴丁的指導下攻讀物理學博士學位，並選擇超導問題作為博士論文題目。在普林斯頓高等研究院的楊振寧推薦下，剛從哥倫比亞大學獲得博士學位不久的利昂·庫珀開始與巴丁和施里弗進行合作。1957年，巴丁和庫珀、施里弗共同創立了BCS理論，對超導電性做出了合理的解釋。他們三人後來也因此獲得1972年諾貝爾物理學獎。巴丁也成為第一位，也是目前為止唯一一位兩次獲得諾貝爾物理學獎的人。

巴丁在1951-1975年間非常活躍，之後更成為榮譽教授。

## 個人生活

1938年，巴丁與簡·麥克斯韋（Jane Maxwell）結婚，婚後育有兩子一女。巴丁業餘時間喜歡旅遊和高爾夫球。

## 參閱

- 電晶體
- BCS理論

## 基本資料

- 日語原文：約翰·巴丁、John Bardeen
- 出生日期：1908年5月23日
- 出生地：美國威斯康辛州麥迪遜
- 逝世日期：1991年1月30日
- 逝世地：美國麻薩諸塞州波士頓
- 母校：威斯康辛大學麥迪遜分校（BS、MS）、普林斯頓大學PhD
- 知名於：點接觸電晶體、場效電晶體、BCS理論、超導現象、表面物理、載體散射、巴丁形式主義、馬蒂斯-巴丁理論
- 子女：詹姆斯·M·巴丁、威廉·A·巴丁、伊莉莎白·格雷塔克
- 獲獎：斯圖亞特·巴蘭汀獎章（1952）、奧利弗·巴克利獎（1954）、 諾貝爾物理學獎（1956）、弗里茨·倫敦紀念獎列表（1962）、美國國家科學獎章（1965）、IEEE榮譽獎章（1971）、 諾貝爾物理學獎（1972）、皇家學會院士（1973）、羅蒙諾索夫金質獎章（1987）、哈羅德·彭德獎（1988）
- 研究領域：物理學
- 機構：貝爾電話實驗室、伊利諾大學厄巴納-香檳分校、明尼蘇達大學
- 論文：Quantum Theory of the Work Function
- 論文：https://books.google.com/books?id=FEkvGwAACAAJ
- 論文：1936年
- 博士導師：尤金·維格納
- 博士生：威廉·L·麥克米倫、約翰·施里弗、尼克·何倫亞克
- 受影響自：約翰·范扶累克