發現自然之美：諾貝爾物理獎1972

1972 年的諾貝爾物理獎頒給發明BCS 理論的三位美國物理學家。他們分別是約翰· 巴丁（John Bardeen，1908-1991）、利昂· 庫柏（Leon Cooper，1930-）和約翰· 施里弗（John Robert Schrieffer，1931-2019）。巴丁是第二次得到諾貝爾物理獎。事實上，他也是史上唯一得到兩次諾貝爾物理獎的物理學家。瑪莉· 居禮雖然也得了兩次，但是第二次是得到諾貝爾化學獎。

由 Nobel foundation - http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1956/bardeen-bio.html, 公有領域, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=6155225

他們的得獎理由是「他們聯合創立了超導微觀理論，也就是所謂的BCS 理論」。BCS 理論（BCS theory or Bardeen － Cooper － Schrieffer theory）正是以其發明者約翰· 巴丁、利昂· 庫柏和約翰· 施里弗的名字首字母命名。

超導現象是指某些金屬在極低的特定溫度下，其電阻會完全消失，電流可以在其間無損耗的流動。這個現象於1911 年發現，當超導發生時，還有另一個重要的現象會發生，稱之為邁斯納效應，就是超導體從一般狀態相變至超導態的過程中對磁場的排斥現象，1933 年時被瓦爾特· 邁斯納（Walther Meißner，1882-1974）與羅伯特· 奧克森菲爾德（Robert Ochsenfeld，1901-1993) 在量度超導錫及鉛樣品外的磁場時發現。在有磁場的情況下，超導體被冷卻至它們的超導相變溫度以下時，樣品幾乎抵消掉所有裏面的磁場。在弱場下，超導體幾乎「排斥」掉所有的磁通量，磁力線無法穿透超導體。變成超導的樣品通過在其表面建立起電流來達到這點。這些表面電流的磁場與外加的磁場在超導體內互相抵消。雖然弗里茨· 倫敦與海因茨· 倫敦於1935 年提出了倫敦方程式，成功地解釋了邁斯納效應，但那只是現象學的權宜之計，一直要等到1957 年巴丁、庫柏和施里弗提出BCS 理論之後，它的微觀機制才首次得到一個令人滿意的解釋。

BCS 理論的核心是所謂「庫柏對」，由於庫柏對的自旋為零，依照包立的自旋統計原理，它適用量子統計力學中的玻色統計，不會遵守包立不相容原理，在玻色子的某一個能階上，可以容納無限個粒子。所以庫柏對如同超流體可以繞過晶格缺陷雜質流動毫無阻礙地形成超導電流。當材料降溫到特定溫度下，電子形成庫柏對，超導現象於焉產生。問題在於電子如何形成庫柏對。由於電子間的直接相互作用是相互排斥的庫倫力。如果僅僅存在庫倫力直接作用的話，電子不能形成配對。但電子間還存在以晶格振動（聲子）為媒介的間接相互作用：聲子交互作用。電子間的這種相互作用在滿足一定條件時，可以是相互吸引的，正是這種吸引作用導致了金屬中自旋和動量相反的電子可以配對形成所謂「庫柏對」。

其形成機制是這樣子的：電子在晶格中移動時會吸引鄰近格點上的正電荷，導致格點的局部變形，形成一個局部的高正電荷區。這個局部的高正電荷區會吸引自旋相反的電子，和原來的電子以一定的束縛能相形成配對。在特定的低溫下，這個束縛能開始高過於晶格原子振動的能量，如此一來，電子對不會與晶格發生能量交換，也就沒有電阻，這就形成了所謂「庫柏對」。

這個絕妙的理論是在伊利諾伊大學厄巴納－香檳分校發展出來的。在介紹1956 年的諾貝爾物理獎得主時，提到了巴丁由於與蕭克利不合而離開貝爾實驗室，1951 年，巴丁成為伊利諾伊大學厄巴納－香檳分校的電機和物理學的教授。從1951 年到1975 年，他是伊利諾伊州的一名活躍教授，然後成為名譽教授。1972 年諾貝爾獎頒獎典禮，他的三個小孩與他一齊參加盛會，因為上一次他獲獎時只帶了一位，他向瑞典國王承諾，下次所有的小孩都會來，果然說到做到呢。

巴丁於1991 年在波斯頓過世，享壽八十二。

庫柏於1930 年出生於紐約，1947 年畢業於布朗克斯科學高中，1954 年拿到哥倫比亞大學的博士學位。在高等研究院度過了一年後來到伊利諾伊大學。1958 年成為布朗大學的教授，他是布朗大學的Thomas J. Watson 高級科學教授，大腦和神經系統研究所所長。庫柏對是他在嘗試對角化系統的簡併態的時候出現的靈感，事後他回憶時提到，費米海讓基態高度簡併是最關鍵的。

By Associated Press - [1] [2], Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=62244812

三人中最年輕的施里弗出生於伊利諾伊州的Oak Park，1949 年他進入麻省理工學院就讀，原本主修電機，大三那年轉到物理系。1953年，他在約翰· C · 斯萊特（John C. Slater）的指導下完成了關於重原子多重態的學士論文。因為對固態物理學產生興趣，施里弗到伊利諾伊大學厄巴納- 香檳分校攻讀博士，成為巴丁的研究助理。在研究所第三年，他與巴丁和庫柏一起發展超導理論。

施里弗回憶說，1957 年1 月，他在紐約市的地鐵上想到要如何用數學方法描述超導電子的基態。返回伊利諾伊州後的第二天，施里弗向巴丁展示了他的方程式，巴丁立即意識到它們正是完成拚圖的最後的一塊！

完成超導理論的博士論文後，施里弗在1957-1958 學年擔任英國伯明翰大學和哥本哈根尼爾斯波爾研究所的國家科學基金會研究員，在那裡他繼續研究超導。在芝加哥大學擔任助理教授一年後，他於1959 年回到伊利諾伊大學任教。兩年後，施里弗加入了費城賓夕法尼亞大學，並於1964 年出版了關於BCS 理論的著作《超導理論》。

1980 年，施里弗成為加州大學聖巴巴拉分校教授，1992 年，佛羅里達州立大學任命施里弗為大學傑出學者教授和國家高磁場實驗室首席科學家，在那裡他繼續追求物理學的偉大目標之一：室溫超導。

但是他在2004 年9 月24 日，施里弗在駕照被吊銷的情況下發生車禍，造成一人死亡，七人受傷。據說施里弗在他的車上睡著了。2005年11 月6 日，他因車輛過失殺人罪被判處兩年有期徒刑。施里弗被監禁在加利福尼亞州聖地亞哥附近Rock Mountain 的 Richard J. Donovan懲教所。

他於2019 年7 月下旬在佛羅里達州的一家護理機構睡覺時去世。享壽88 歲。