發現自然之美 諾貝爾物理獎1977

1977 年的諾貝爾獎頒給美國科學家菲利普· 沃倫· 安德森（Philip Warren Anderson，1923 年12 月13 日-2020 年3 月29 日）、英國科學家內維爾· 弗朗西斯· 莫特爵士，CH，FRS（Sir Nevill Francis Mott，1905 年9 月30 日-1996 年8 月8 日）以及美國物理學家約翰· 范扶累克（John van Vleck，1899 年3 月13 日-1980 年10 月27 日）。他們三人是因為「對磁性和無序系統電子結構的基礎性理論研究」而得獎。基本上這一年的諾貝爾獎彰顯了一個新的物理分枝的確立，那就是今天大家熟知的凝態物理（condensed matter physics）。磁性與無序系統正是最早成功運用量子力學到凝態物理的主題。磁性物質自古為人所知，至於無序系統則是指，決定它性質的物理參數是隨機變量的系統。這些無序系統充斥在自然中，最常見的是摻了雜質的金屬等。當然它們都是凝態物理研究的對象。而研究凝態物理需要統合電磁學，統計物理以及量子力學，不意外地，凝態物理的長足發展正是拜量子力學的威力所賜。

菲利普· 沃倫· 安德森 Philip Warren Anderson 圖片來源	內維爾· 弗朗西斯· 莫特爵士 Sir Nevill Francis Mott 圖片來源	約翰· 范扶累克 John van Vleck 圖片來源

三人之中最年長的約翰· 范扶累克出生於康乃狄克州密德鎮，他在哈佛大學取得學位後，於1923 年作為助理教授加入明尼蘇達大學，然後搬到威斯康星大學，最後在哈佛定居。他建立了磁性的量子力學理論、晶體場理論和配體場理論（金屬絡合物中的化學鍵合）的基礎。范扶累克被公認為是現代磁學之父。在二戰期間，范扶累克也在麻省理工學院輻射實驗室從事雷達方面的工作。他一半時間在輻射實驗室工作，一半時間在哈佛工作。他發現大氣中的水分子吸收大約1.25 厘米的微波，而氧氣分子會吸收 0.5 厘米波長的微波。這個發現不僅對軍用（和民用）雷達系統，而且後來對微波天文學也有重要影響。

至於莫特，則是於1906 年出生在利茲，他的父母相識於卡文迪希實驗室，當時他們都從事物理研究。由於他父親的工作，他們全家首先搬到了斯塔福德郡，然後搬到了切斯特，最後搬到了利物浦。十歲時，他開始在布里斯托的克利夫頓學院接受正規教育，隨後在劍橋的聖約翰學院學習。1929 年時他被任命為曼徹斯特大學物理系講師。1930 年他回到劍橋，擔任岡維爾和凱斯學院的研究員和講師，並於1933 年移居布里斯托大學，在那裏擔任理論物理學教授。1948 年，他成為亨利· 奧弗頓· 威爾斯物理學講座教授和布里斯托的物理實驗室主任。1954 年，他被任命為劍橋大學卡文迪希物理學教授，一直擔任該職位至1971 年。

莫特的早期工作是關於氣體碰撞的理論分析，特別是電子與氫原子的碰撞後，電子自旋如何在碰撞後翻轉的效應。這激發了後來關於傳導電子之間的類似效應以及在磁性物質中的電子了類似效應相關的研究。這些研究促使莫特寫了兩本書。第一本的內容是介紹量子力學，特別是薛丁格方程的運用。第二本則是描述氣體中的原子和電子的碰撞，其中使用了Hartree － Fock 方法以及巧妙運用了電子態間的旋轉對稱性。

到了1930 年代中期，莫特的興趣逐漸擴大到固態，1936 年，他與H. Jones 一起編寫了「金屬和合金性能理論」，內容描述了一個簡化的框架導致了固態物理快速地發展。他與羅納德· 威爾弗雷· 德格尼（Ronald Wilfred Gurney）合著的《關於固體的物理化學》則處理了金屬在低溫下的氧化過程，描述了氧化物層的生長是由於金屬和吸收的氧離子之間形成的電場，迫使金屬或氧離子通過無序的氧化物層。該書還分析了銀離子化合物中銀離子沉澱成金屬團簇的攝影反應。莫特在氧化方面的工作，除了促進該領域的新研究之外，也啟發了半導體中由供體和受體雜質的分佈梯度產生帶隙（band gap）的概念。

二戰期間，莫特致力於研究塑性變形在斷裂裂紋（fracture cracks）發展中的作用。戰後他回到布里斯托，他遇到並聘請了弗雷德里克· 查爾斯· 法蘭克（Frederick Charles Frank），他們兩人在差排（dislocations）研究方面取得了長足的進步。所謂差排指的是指晶體材料的一種內部微觀缺陷，即原子的局部不規則排列。布里斯托成為該主題的研究中心，尤其是在20 世紀40 年代末。莫特的熱情激勵了法蘭克在晶體生長和可塑性方面取得了可觀的進展。莫特另一項重要的貢獻是關於莫特絕緣體。所謂莫特絕緣體就是在常規能帶理論之下被認為應該是導體的物質，卻在低溫測量時表現為絕緣體。其實早在1937 年時，Jan Hendrik de Boer 和Evert Johannes Willem Verwey 即已指出不同的過渡金屬氧化物，像是氧化鎳，雖然被能帶理論預測是導體，但實際上卻是絕緣體。1949 年莫特主張像氧化鎳這類物質的性質是來自於電子之間的庫侖位能U 與相鄰原子之間的電子的交互作用之間的競爭。當排斥庫侖勢U 大到足以產生形成阻止傳導的能隙時，就會出現莫特絕緣體。描述莫特絕緣體最簡單的理論之一是1963 年的哈伯德模型。隨著U 的增加，在所謂的動態平均場理論中可以預測到金屬過渡到絕緣體—這被稱為莫特相變。

莫特離開布里斯托，前往劍橋以後，完全投入到差排與金屬的力學強度的研究上，他從劍橋團隊利用電子顯微鏡顯示出薄箔中的移動差排獲得了極大的樂趣。他回頭省思自己在1949 年關於電子－電子相互作用的想法，總結地說，隨著雜質含量的增加，半導體中應該會發生類似的轉變。隨著實驗的證實，莫特相變很快發展成為一個活躍的研究領域。

至於三人之中最年輕的安德森於1923 年出生於美國的印地安納州的印第安納波利斯。他成長於伊利諾伊州厄巴納－ 香檳（Urbana-Champaign），他的父親在伊利諾伊州立大學厄巴納－香檳校區擔任植物病理學系的教授。1940 年他從厄巴納的高中畢業之後進入哈佛大學就讀。二戰時，安德森也被送去位在華盛頓特區的海軍實驗室去幫忙從事雷達相關的任務。1945 年大學畢業之後，安德森繼續在哈佛念研究所。安德森選擇范扶累克當他的指導教授。著名的科學史家，《科學革命的結構》的作者孔恩（Thomas Kuhn），則是他的同門師兄弟。

1949 年安德森拿到博士學位之後，他接到電晶體的共同發明人William Shockley 的邀請，加入位於新澤西州Murray Hill 的貝爾電話實驗室理論小組。當時的貝爾實驗室有許多精通固態物理的同事，所以安德森也往這個方向發展。貝爾實驗室在半導體方面的工作使安德森在1957 年提出了著名的安德森局部化。

安德森局部化，有時也被稱為強局部化是在無序介質中，波不會如一般想像發生擴散的奇特現象。這個機制可以解釋材料中的缺陷和雜質引起的無序狀態如何使電子波函數局部化，從而使材料變成絕緣體。這個現象的根源是來自於多條不同散射路徑之間的波，彼此干涉所致。當無序狀態在某種程度以下，這個效應會讓金屬的電阻率會上升，此時被稱為弱局部化（weak localization）。但是當晶格中的隨機度（無序度）變得足夠大的時候，像是在具有足夠雜質或缺陷的半導體裡，電子可能身陷於晶格電位中而無法導電。簡單地說，就是在無序程度轉強時，嚴重的干涉會讓無序介質內部的波動完全無法傳播。這就是安德森局部化。安德森局部化是一種普遍的波現象，適用於電磁波、聲波、量子波、自旋波等的傳輸。這是物質內部的一個重要的量子現象，二十年後，它替安德森帶來一座諾貝爾獎！

從1967 年到1975 年，安德森是劍橋大學的客座教授，這個長期的”客座” 正是由他的好友，莫特，所一手安排的。1975 年以後他離開劍橋，而在新澤西州的普林斯頓大學任職。1977 年，安德森與他的好友莫特和指導教授范扶累克一起得獎。三年後范扶累克以八十高齡過世，而莫特則一直活躍於學界，1995 年，莫特訪問拉夫堡大學物理系時還作了“ 物理學65 年” 的演講。他於隔年以九十一高齡過世。

安德森與莫特也一樣，晚年時仍然活躍於學界，他的研究領域更為廣泛，而且影響也更深遠。其中最重要的當屬1962 年，他提出了一種可以讓傳遞作用力的規範玻色子獲得質量的機制，這機制需要一個純量場。因為在粒子物理中要讓基態，也就是真空，破壞理論的對稱性，至少需要一個純量場。這個純量場後來以英國物理學家彼得· 希格斯（Peter Higgs）命名，被稱為希格斯場。他被譽為當代最有創造力的科學家。他於2020 年過世，享耆壽九十七。