少年得志的諾貝爾獎獲得者： 約瑟夫森

當(dāng)他還只是個大學(xué)生的時候，就寫出過足以讓他在物理學(xué)史上留名的論文;他剛滿22歲就在超導(dǎo)領(lǐng)域做出了重要貢獻;他促進了超導(dǎo)電子學(xué)的誕生，從理論上證明了兩個超導(dǎo)體之間隧穿的特殊性質(zhì)，他的工作開辟了物理學(xué)的新圖景—他就是英國著名物理學(xué)家布萊恩·約瑟夫森。他的成長之路上都有哪些故事呢？

1940年1月4日

約瑟夫森的出生地卡迪夫（圖片來源 / Wiki）

約瑟夫森出生于英國威爾士卡迪夫，在高中時期他就遇到了物理大師埃姆斯·瓊斯，從他那里學(xué)到過關(guān)于理論物理的知識。

1957年

三一學(xué)院外景（供圖 / 王江山）

約瑟夫森進入劍橋大學(xué)久負盛名的三一學(xué)院學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)?？墒?，在讀完兩年之后，他覺得數(shù)學(xué)有點無趣，就把興趣轉(zhuǎn)向了物理。即使在天才云集的劍橋大學(xué)，約瑟夫森仍因聰明而聞名，不過人們都認為他是個害羞的小伙子。曾有一位考官這樣評價他：“約瑟夫森這個家伙是誰？他似乎像刀切黃油一樣清晰流暢地研究著理論?！痹谶€只是個大學(xué)生的時候，約瑟夫森就發(fā)表了一篇關(guān)于穆斯堡爾效應(yīng)的論文，在文章中指出了其他研究人員忽略的一個關(guān)鍵問題。約瑟夫森后來又寫了好幾篇重要論文，有人甚至認為，僅這幾篇文章也足以保證約瑟夫森在物理學(xué)史上占有一席之地。那時人們還不知道，這個天才少年會在未來發(fā)現(xiàn)震驚世界的約瑟夫森效應(yīng)。

1960年

蒙德實驗室大樓（供圖 / 王江山）

約瑟夫森獲得物理學(xué)學(xué)士學(xué)位，來到蒙德實驗室攻讀研究生。美國物理學(xué)家菲利普·沃倫·安德森（1977年諾貝爾物理學(xué)獎得主）曾在那里當(dāng)過一年講師，他認為約瑟夫森是一個讓他倍感壓力的學(xué)生。菲利普回憶道：“作為一個年輕講師，約瑟夫森這個學(xué)生總是令我感到不安，因為我必須保證課堂上講的一切都是正確的，否則他就會在下課后來找我，并把錯誤解釋給我聽?！?h3>1962年6月8日

菲利普·沃倫·安德森（供圖 / 王江山）

約瑟夫森把計算結(jié)果發(fā)表在《物理評論快報》的一篇題為《超導(dǎo)隧穿的可能新效應(yīng)》的論文中。后來這一結(jié)果被普林斯頓貝爾實驗室的菲利普·沃倫·安德森和約翰·羅威爾通過實驗證實。

1962年7月25日

美國物理學(xué)家約翰·巴?。↗ohn Bardeen）（供圖 / 王江山）

針對約瑟夫森的批評很快就出現(xiàn)了。批評他的還是一位學(xué)術(shù)大牛——諾貝爾物理學(xué)獎得主——約翰·巴丁，他向《物理評論快報》提交了一篇文章，認為“不可能存在這樣的‘超流體流動?！?h3>1962年

單個約瑟夫森結(jié)示意圖（A和B為超導(dǎo)體，C為A和B微弱連接形成的薄絕緣層）（供圖 / 王江山）

量子隧穿示意圖（粒子的原本能量為E，位勢壘的位勢為V）（供圖 / 王江山）

約瑟夫森開始攻讀博士學(xué)位，從事量子隧道研究。在量子物理學(xué)中，物質(zhì)被描述為波和粒子。在經(jīng)典物理學(xué)的概念中，電子作為粒子時不能穿過位勢壘（一種位勢，位勢又稱重力勢、重力位，指空氣塊在地球重力場下所具有的勢能），但在量子物理學(xué)的視角下，電子作為輻射波就可以穿透位勢壘，人們將這種現(xiàn)象稱為量子隧穿效應(yīng)（Quantum tunnelling effect）。此前，美國通用電氣的伊瓦爾·賈埃弗（Ivar Giaever）曾在超導(dǎo)和正常狀態(tài)下，通過一層由金屬包裹的非常薄的氧化物層，證明了隧穿效應(yīng)。約瑟夫森大受啟發(fā)，他決定去分析隧穿理論，那時他就敏銳地預(yù)感到，超導(dǎo)體具有人們意想不到的性質(zhì)。

超導(dǎo)體是指在某一溫度下，電阻為零的導(dǎo)體，有許多奇特的性質(zhì)，因此有很大的應(yīng)用潛力。約瑟夫森通過計算發(fā)現(xiàn)，如果將兩個超導(dǎo)體微弱連接在一起，那么這個結(jié)構(gòu)可以成為一個薄的絕緣層（稱為超導(dǎo)體–絕緣體–超導(dǎo)體接面，簡稱S-I-S）。如果兩個超導(dǎo)體距離足夠近，電子可以作為一種輻射波穿透超導(dǎo)體之間的極薄絕緣層而形成電流，而超導(dǎo)結(jié)上并不出現(xiàn)電壓;如果超導(dǎo)結(jié)上加有電壓，電流就停止流動并產(chǎn)生高頻振蕩，而此電流無論對于多小的磁場都有響應(yīng)。這個形態(tài)就叫約瑟夫森結(jié)，由此產(chǎn)生的效應(yīng)就是著名的約瑟夫森效應(yīng)。

1962年9月

倫敦大學(xué)瑪麗皇后學(xué)院（圖片來源 / Wiki）

在倫敦大學(xué)瑪麗皇后學(xué)院舉行的第八屆國際低溫物理大會上，當(dāng)舉世聞名的巴丁開始講話時，當(dāng)時還是學(xué)生的約瑟夫森竟然站起來打斷了他。他們就約瑟夫森的發(fā)現(xiàn)交換了意見，但人們回憶道，他們的爭論并不是劍拔弩張，而是兩個人都彬彬有禮、輕聲細語。

2012年11月

蒙德實驗室大樓的約瑟夫森紀念牌匾（供圖 / 王江山）

劍橋大學(xué)在蒙德實驗室大樓懸掛了一塊牌匾，以紀念約瑟夫森效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)。約瑟夫森結(jié)在量子線路中有許多重要的應(yīng)用，例如超導(dǎo)量子干涉儀（SQUIDs）可用于地質(zhì)學(xué)中高度敏感的測量，能在測定巖石磁力、探測礦藏分布方面大顯身手;可用來制造超導(dǎo)隧道結(jié)探測器，裝備在天文望遠鏡上，幫助人們探索宇宙的奧秘;人們可利用約瑟夫森效應(yīng)制造元器件，如伏特計、安培計、數(shù)字電子設(shè)備等，利用該原理制作的元件更精準(zhǔn)、更靈敏、功耗更小。在人們不斷加深對約瑟夫森效應(yīng)認知的過程中，超導(dǎo)電子學(xué)誕生，這是超導(dǎo)電性領(lǐng)域的重大進展，其在風(fēng)力發(fā)電機、大功率推進電機、磁懸浮列車、質(zhì)子治療儀等精密儀器的制造過程中發(fā)揮了重要作用。

1964年

伊利諾伊大學(xué)（圖片來源 / Wiki）

越來越多的科學(xué)家意識到約瑟夫森效應(yīng)的意義，物理學(xué)家惠特克認為，約瑟夫森效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)催生了“非常重要的物理學(xué)”，可以廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)和計算。在這一年約瑟夫森也順利畢業(yè)，以論文《超導(dǎo)體的非線性傳導(dǎo)》獲得博士學(xué)位，并成為伊利諾伊大學(xué)研究助理教授。

1973年

2004年6月，約瑟夫森在德國林道舉行的第54屆諾貝爾獎得主大會上接受采訪（圖片來源 / The Nobel Prize）

約瑟夫森因?qū)α鹘?jīng)隧道阻擋層的超導(dǎo)電流特性的理論預(yù)測而獲得諾貝爾物理學(xué)獎，而他做出這個理論預(yù)測時年僅22歲。