约翰·巴丁
约翰·巴丁（John Bardeen，1908年5月23日-1991年1月30日）是美国固体物理学家、美国国家科学院院士、美国科学促进协会、物理学会和哲学学会会员、美国物理学会主席、美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校名誉教授、美国艺术与科学院、美国国家工程院院士及伦敦皇家自然知识促进学会外籍院士。巴丁因发明晶体管和提出超导BCS理论而成为20世纪首位两次荣获诺贝尔物理学奖的物理学家。
1923年，巴丁进入威斯康星大学麦迪逊分校电机工程学系学习；1928年，巴丁获得电机工程学学士；1929年，巴丁获得电机工程学硕士学位。他开始研究物理学，并留校任研究助理；1930年至1933年，巴丁就职于匹兹堡海湾实验研究所，并发明钻探石油的新电磁学方法；1933年，巴丁进入普林斯顿大学学习，他在美国近代物理学家尤金·维格纳（Eugene Paul Wigner）的指导下研究固体物理学；1936年，巴丁获得普林斯顿大学数学物理博士学位。1936年至1938年，巴丁任哈佛大学研究员；1938年至1941年，巴丁任明尼苏达大学助理教授；1941年至1945年，巴丁就职于华盛顿哥伦比亚特区海军军械实验室；1945年至1951年，巴丁就职于贝尔电话公司实验研究所；1951年5月24日，巴丁任伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校物理学兼电机工程学教授；1956年，巴丁与同事沃尔特·布拉顿（Walter Houser Brattain）及威廉·肖克利（William Shockley）因发现晶体管效应而共同获得诺贝尔物理学奖；1959年至1962年，巴丁任美国总统科学咨询委员会委员；1968年至1969年，巴丁任美国物理学会会长；1972年，巴丁再次获得诺贝尔物理学奖。1975年，巴丁正式退休，后任伊利诺伊大学香槟分校名誉教授；1990年，巴丁入选《生活》杂志“世纪百名最有影响力美国人”名单。同年，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校设立约翰·巴丁物理、电气和计算机工程教席；1991年1月30日上午8时45分，巴丁因心脏病去世，享年83岁。
巴丁发明的晶体管被誉为“20世纪最伟大的发明”。晶体管开创了固体电子技术时代，使几乎每种现代电子设备的发展成为可能。从电话到计算机，开启了信息时代；巴丁提出的超导BCS理论解释了许多科学家几十年来未能解释的超导现象，成为量子理论发展以来对理论物理学最重要的贡献之一。
人物生平
早年经历
1908年5月23日，约翰·巴丁出生于威斯康星州麦迪逊市一个富裕家庭。巴丁的父亲查理斯（Charles R. Bardeen，1871-1935）不仅是威斯康星大学医学院创始人和首任院长，也是一位解剖学教授；巴丁的母亲奥尔瑟雅（Althea Harmer Bardeen，1873-1920）从事室内设计和装饰工作。巴丁有四个兄弟姐妹，在家排行第二。1906年4月，奥尔瑟雅产下一对双胞胎儿子，一个男孩名叫威廉（William），另一个男孩名叫普林斯（Prince），普林斯不幸早夭；1910年10月13日，海伦市（Helen）出生；1912年4月10日，狄兰·托马斯（Thomas）出生。
巴丁读小学三年级时，因成绩优异连跳三级上初中，成为班级年龄最小的学生；初中时的巴丁在市代数竞赛中取得了优异成绩，超过了一群年龄比他大的同学；高中毕业后，巴丁不想像他的父亲那样成为学者，于是在1923年进入威斯康星大学麦迪逊分校电机工程学系学习。大学期间，巴丁不顾父亲反对，加入了匹卡巴爱尔发兄弟会，他常用玩扑克牌赢来的钱支付日常开销。1926年，巴丁因在芝加哥打工而缺考几门工程科目，直到1928年才毕业，但他最终还是获得了电机工程学学士。1929年，巴丁获得电气工程硕士学位，并开始研究物理学。大学毕业后，巴丁一直在威斯康星待到1930年。
硕士毕业后，巴丁留校任研究助理；从1930年至1933年，巴丁一直在匹兹堡海湾实验研究所担任地球物理学，他主要从事地球磁场及重力场勘测方法的研发工作，并发明钻探石油的新电磁学方法，为提高勘探率做出了贡献；由于巴丁对这项工作没有兴趣，于是他申报了普林斯顿大学的数学研究生项目并被录取。1933年，巴丁进入普林斯顿大学攻读数学物理学博士学位，并在匈牙利裔物理学家尤金·维格纳（Eugene Paul Wigner）的指导下研究固体物理学。
读博士期间，巴丁的父亲病重。为了陪伴父亲，巴丁中断了博士生涯；父亲去世后，巴丁才重归哈佛大学，继续撰写博士学位论文。1935年，基本完成博士论文的巴丁收到了哈佛大学研究会的邀请，他成为了初级研究会员，哈佛大学为巴丁提供了稳定的青年会员工作及生活条件；在坎布里奇，巴丁遇到了另一个科研小组，该小组有美国物理学家约翰·凡扶累克（John Hasbrouck van Vleck）、实验物理学家珀西·布里奇曼（P.Bridgman）和哲学家怀特海德（A.N. Whitehead）。1936年，巴丁因撰写有关金属功函数的论文而获得普林斯顿大学数学物理博士学位。
青年经历
1936年至1938年，巴丁任哈佛大学研究员；1938年至1941年，巴丁任明尼苏达大学物理助理教授；1939年5月9日，巴丁的妻子珍妮·麦克斯韦（Jenny Maxwell）为刚出生的儿子取名詹姆斯·马克斯韦尔·巴丁（James Maxwell Bardeen）；1941年9月15日，巴丁的第二个儿子出生，昵称为比利（Billy）；1944年4月25日，巴丁的女儿诞生，取名为伊丽莎白·安(Eliza- beth Ann)，昵称为贝特茜(Betsy)。
1941年至1945年，巴丁就职于华盛顿哥伦比亚特区海军军械实验室；1945年10月，巴丁加入了贝尔实验室的威廉·肖克利小组，参与研发制造晶体管的项目。该小组还包括两位美国物理学家：课题负责人肖克利（William Shockley）和沃尔特·布拉顿（Walter Houser Brattain）。1947年12月23日，巴丁和布拉顿发明了第一个锗三极管，使世界上出现第一支点接触晶体管的半导体放大器。一个月后，肖克利发明了PN结型晶体管。晶体管效应的发现使巴丁、布拉顿和肖克利共同获得1956年诺贝尔物理学奖。
中年经历
1951年至1975年，巴丁非常活跃，之后更成为荣誉教授。1951年，巴丁的朋友佛莱德·锡思说服伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校为巴丁提供一份年薪一万美元的工作。由于和威廉·肖克利不合，巴丁接受了聘用。他离开了贝尔实验室，任伊利诺大学香槟分校电机学院和物理学院教授。巴丁建立了两个研究计划，一个计划在电机系，主要研究关于半导体实验和理论；另一个计划在物理系，主要研究关于宏观量子理论，特别是量子超导性和量子液体。巴丁的第1个博士生正是后来在1962年发明了LED的尼克·何伦亚克。1951年5月24日，巴丁任伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校物理学兼电机工程学教授。
1953年，施里弗（John Robert Schrieffer）来到伊利诺斯大学，在巴丁的指导下攻读物理学博士学位，并选择超导问题作为博士论文题目。在普林斯顿高等研究院的杨振宁推荐下，刚从哥伦比亚大学获得博士学位的利昂·N·库珀（Leon N Cooper）开始与巴丁和施里弗进行合作；1957年，巴丁、库珀及施里弗共同创立了BCS理论，并对超导电性做出了合理解释。他们三人也因此获得了1972年的诺贝尔物理学奖。巴丁因此成为历史上第一位两次获得诺贝尔物理学奖的人。
晚年生活
1959年至1962年，巴丁任美国总统科学咨询委员会委员；1960年以后，巴丁任罗彻斯特静电复印公司经理；1968年至1969年，巴丁任美国物理学会会长；1972年，巴丁获得美国国家工程院院士称号；1973年，巴丁当选为伦敦皇家自然知识促进学会外籍院士。1975年，退休后的巴丁任伊利诺伊大学香槟分校名誉教授，并制订超导性和半导体的研究规划；后来，巴丁集中研究低温物理学理论（包括超流体氦Ⅱ）。
1991年1月30日，巴丁因心力衰竭在波士顿一家医院去世，享年83岁。巴丁去世后，被葬于威斯康星州麦迪逊市郊的森林山（Forest Hill）公墓；1997年，巴丁的妻子珍妮去世，与巴丁合葬。
主要成就
巴丁在晶体管和超导BCS理论领域均做出了贡献，他因此成为20世纪首位两次荣获诺贝尔物理学奖的物理学家。
发明晶体管
第二次世界大战后，贝尔实验室着重研究固体电子器件，威廉·肖克利等人集中研究硅、锗等半导体材料，并探讨半导体材料制作放大器件的可能性。1945年10月，巴丁加入贝尔实验室，成为固体物理研究小组（组长肖克利，组员沃尔特·布拉顿）的成员。由于肖克利擅长使用几何图像说明物理现象，布拉顿擅长研究固体表面现象，巴丁擅长使用理论结构解释和协调实验的数据及现象，于是三人展开了合作。
在经历多次尝试金属-半导体结构的失败后，巴丁发现了预期的电流调制作用，并提出半导体表面态理论，使音频信号放大了100倍。1947年12月23日，巴丁和布拉顿发明了第一个锗半导体三极管，使世界上出现第一支点接触晶体管的半导体放大器；38天后，威廉·肖克利因推导半导体载流子中少数载流子的输运理论、公式及利用PN结代替点接触，提出了结型晶体管理论；1948年6月30日，贝尔实验室报道了巴丁、沃尔特·布拉顿及肖克利的发明，其发布了全球第一个晶体管问世的消息，并申请专利，但专利上只有巴丁和布拉顿留名）。
晶体管被誉为“20世纪最伟大的发明”，它是微电子革命的先声，开创了固体电子技术时代，方便人们使用小且消耗功率低的电子器件代替体积大且消耗功率大的电子管。晶体管走进了世界亿万家庭，为集成电路、微处理器及计算机内存等各种电子信息设备的产生奠定了基础，从而迎来现在的电子信息时代。
提出超导BCS理论
1911年，超导被发现，主要指某些金属在极低温度下出现电阻完全消失及电流无损耗流动的现象；1950年代早期，巴丁认为电子与声子的相互作用是解决超导电性问题的关键；1953年，美国物理学家施里弗（John Robert Schrieffer）在伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校接受巴丁的指导，并攻读物理学博士学位，他选择了超导问题作为博士论文题目；1955年，巴丁在研究超导中发现场论方法可以解释粒子间带有相互吸引作用的费米气体多体问题。这时，中国科学院院士、诺贝尔物理学奖得主杨振宁向巴丁推荐利昂·N·库珀（LeonNCooper）。库珀提出了电子对概念，为超导态建立了正确的物理图像，并证明金属的两个电子之间存在通过交换声子而出现的吸引作用。
1957年1月底，施里弗提出了超导体的基础波函数。同年，巴丁、库珀和施里弗共同发表论文。在巴丁的支持下，库珀和施里弗在物理学会会议上宣布了解释常规超导体的超导电性的微观理论BCS（以他们名字的首字母命名），并宣读论文。BCS理论解释了几十年来许多科学家和至少五位诺贝尔奖得主没能解释的超导现象，并成为量子理论发展以来对理论物理学最重要的贡献之一，有助于改革21世纪的科技，如超导磁铁、高速磁浮列车、超级原子对撞机、超导体电子计算机及功率传输线等。
提出BCS理论后，巴丁单独提名库珀和施里弗为诺贝尔物理学奖的候选人，但瑞典皇家科学院还是将1972年诺贝尔物理学奖颁给了他们三人，巴丁也因此成为历史上首位在物理学领域两次荣获诺贝尔奖的传奇。
主要论文和著作
社会任职
荣誉
人才培养
约翰·巴丁在伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校教书期间培养了一些优秀的学生，比如物理系博士生施里弗和电子系博士生尼克·何伦亚克（Nick Holonyak Jr）。
1953年，施里弗进入伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校，成为巴丁的物理学博士生，他选择超导问题作为博士论文题目；1955年，巴丁、施里弗及年轻博士利昂·库珀共同组建了探索超导现象的微观机理研究小组。巴丁是半导体领域专家；库珀熟悉量子场论、量子统计及数理方法；施里弗则年轻、智慧和有胆量。老、中、青三代的结合，为揭开超导之谜做出了巨大贡献。
1962年，尼克·何伦亚克发明了发光二极体（LED）。他是电晶体的发明者，专注于研究矽及半导体。他任职于通用电气（General Electric），喜欢在地板上匍匐前进和爬绳子。
人物争议
约瑟夫效应争论
隧道结是一种“超导体-绝缘体-超导体”的三层结构，其中间绝缘层的厚度只有在几纳米以下，才能产生量子穿隧现象。对于配对的费米能级附近的电子，薄绝缘层形成了一个势能屏障。
1962年7月，22岁的剑桥大学大二研究生布赖恩·约瑟夫森（Brian D.Josephson）的论文发表在物理学快报（Physics Letters）上，题目为”超导隧道翘可能产生的新效应（Possible New Effects in Superconductive Tunnel ling）”；同年9月，在英国伦敦举行的第八届国际低温物理会议上，约瑟夫森与54岁的约翰·巴丁对于“超导体-绝缘体-超导体隧道结的“穿隧电流”问题展开了论辩。
约翰·巴丁根据他的理论图像思路和数学处理方式，认为隧道结的电流来自于单电子的穿隧过程，单电子进入绝缘层中的电子形式是正常态金属内的“单电子”波函数形式，其不包含态的波函数形式。当时的超导学家认为，巴丁“估算”穿隧电流的错误观点来自于他付诸物理图像的直觉与推论，巴丁则认为没有必要考虑一个更完整的“穿隧汉弥顿量”。
布赖恩·约瑟夫森依据BCS理论的构建和Gor'kov理论的非局域性思路和数学形式，认为超导电子对能越过（金属）界面并出现在薄绝缘（金属）层中，且绝缘层中的穿隧电子保留了超导电子对的特性和宏观形式，其大小可以通过实验来检验。约瑟夫森的正确观点来自于他对Gor'kov理论的非局域方案进行了详细的数学计算，他的理论所预测的效应为半个世纪以来超导的广泛应用奠定了基础，其中包括凝态物理学家所高度依赖的“超导量子干涉仪”。
1961年至1962年，美国物理学家P.W.安德森（P.W.Anderson）的对称破缺超导理论对于布赖恩·约瑟夫森寻找“超导波函数相位作为可实际测量的物理量”具有启迪意义；1963年3月，安德森和J.M.罗威尔（J.M.Rowell）将论文“约瑟夫森超导隧穿效应的可能观测（Probable Observation of the Josephson Superconducting Tunneling Effect）”发表在物理评论快报（Physical Review Letters）上，该论文明确验证了约瑟夫森超导穿隧电流预测的实验论文。最后，巴丁接受了安德森和罗威尔的实验证据。
个人生活
婚姻
在普林斯顿大学上学期间，巴丁与珍妮相恋；1938年，两人正式步入婚姻殿堂。婚后，两人育有两子一女。巴丁经常帮助珍妮料理家务，珍妮也一直陪伴巴丁参加各类社会活动。
信仰
巴丁一生没有任何宗教信仰，但他拥有个人信念，“科学不能向人们答复有关生命的意义和目的之类的根本性问题，但是有宗教信仰的人们可以在信念方面找到答案。对于这个问题，大部分科学家并不考虑或者保持沉默，但是他们的确遵守某种道德观念。为了人们共同的幸福，成功的文明社会必须具有一种共同的道德价值观及行为标准。当它们互相发生冲突时，分歧就出现了。”
性格
巴丁的形象并不肆意放纵和超凡脱俗，也不具有神秘色彩。巴丁做事沉着、有条不紊。他在外人面前比较沉默，他更喜欢和家人待在一起，或者安静地待在办公室里工作。由于巴丁没有架子且比较普通，以致于大部分记者认为难以描写他，便忽视了他的存在。
巴丁不擅长与人交流，但他值得别人倾听他说话。巴丁说话十分简洁，还带有令人难以理解的颤音。他被学生称为“细语的约翰”，部分学生觉得与巴丁交流“很轻松”。巴丁不喜欢花哨的东西，只有熟人才能看出他对于反感东西的愤怒。当别人提问时，巴丁通常在思考中出现恍惚的神情，他的漫长沉默使对方不知所措。当别人希望巴丁解释他说话的内容时，巴丁经常会复述前一句话，以表示对别人的尊敬。
巴丁一生的大部分时间都在进行专业学习，因此积累了丰富的物理知识。他从许多前辈处学会了如何解决问题、识别问题及如何寻找成就优异的同事等方法。在解决问题方面，巴丁总是执着于花费数年时间来寻找方法，他通常会把问题拆分成容易处理的各个部分。
人物关系
人物评价
诺贝尔基金会成员：“珠穆朗玛峰只有一小部分热心攀登者才能到达。巴丁、库珀、施里弗三位在前人的基础上，终于成功地到达了这一顶峰。他们作为一支队伍，坚韧不拔，协力攻关。现在来自山顶上的那无限美好的景色终于展现在眼前。”
瑞典皇家科学院高度评价约翰巴丁的BCS理论：“在你们的基础工作中，已给出了超导现象完整的理论解释。并且，你们的理论预言了新的效应，促进了理论和实验的进一步研究。”
《生活》（Life）杂志：“‘20世纪最有影响力的100位美国人’之一。”
德国数学家菲利克斯·克莱因（Felix Christian Klein）：“晶体管的发明以及由此产生的一切催生了第二次工业革命,这起码同第一次工业革命一样重要。”
美国物理学家大卫·派因斯（David Pines）：“约翰是一个相当好的同事，也是一个忠实而富有同情心的朋友。他安静、谦和，并没有沉浸在对科学作出一系列巨大贡献所带来的荣誉中，而宁愿接受下一个科学挑战。他拥有一种看透问题本质的罕见能力，能够从无数个相互矛盾的实验结果中挑选出关键性的现象，并从中找出阐述发展连贯性的要素。没有什么能比他所从事的超导性研究更能体现这一点的了。”
伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校电气与计算机工程和物理学教授尼克·何伦亚克（Nick Holonyak Jr.）：“约翰·巴丁是20世纪最伟大的科学家之一，他是固体电导率量子理论有史以来最伟大的大师，这是所有电子学的核心。近50年来，物理学界的传奇人物在解释超导性的奥秘方面失败了，直到巴丁成功地解决了这个问题，这也将革命性的粒子配对概念引入整个物理学。也许对地球上的每个人来说，更重要的是晶体管，以及它所产生的一切。没有人为自己求得如此之少，付出如此之多，对他的同胞如此慷慨和体贴。”
美国物理学家弗雷德里克·塞茨（Frederick Seitz）：“他那不拘言笑和注重事实的工作态度掩盖了他是我们这一代最富有活力和最善于分析的人之一这一事实。尽管如此，巴丁以其渊博的知识、敏捷的才智赢得了与他打过交道的人的尊重和钦佩。他如同金子一样以他那看似吝啬的特有风格为科学献出了自己的天赋。”
后世纪念
巴丁广场
伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的建筑以橘红色为基准色，整个建筑群包括南、北、中三个小广场，北部便是巴丁广场。巴丁广场附近主要为工程学院建筑。工程学院（包括电子、计算机、土木及图书馆）、物理系、材料系及力学系均位于格林（Green）街北侧的工程学院区。史普林菲尔德路的北面设有贝克曼研究所（Beckman Institute）和几个实验中心。
巴丁技术教研室
1990年，索尼花费三百万美元，在位于厄巴纳的伊利诺斯大学建立了约翰·巴丁物理、电子和计算机工程技术教研室，这是索尼公司巨大的投资。
巴丁邮票
约翰·巴丁因发明晶体管及提出超导性的第一个基本解释而荣获两次诺贝尔物理学奖。为了纪念巴丁的成就，香槟-厄巴纳邮票俱乐部制作了由当地艺术家杰森·潘科克（Jason Pankoke）创作的巴丁图纸，该图纸上印有邮票。2008年3月6日，巴丁邮票在伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校举办的仪式上揭幕。仪式结束后，巴丁邮票以每件 3 美元的价格提供。
参考资料
约翰·巴丁-事实.The Nobel Prize.2024-06-01
约翰·巴丁：只有他，两次获诺贝尔物理学奖丨陈关荣.微信公众平台（集智俱乐部）.2024-04-28
术语在线.术语在线.2024-04-23
约翰·巴丁传记.The Nobel Prize.2024-05-31
John Bardeen Papers，荣誉学位，1960.伊利诺伊大学档案馆.2024-05-31
News Bureau.新闻局.2024-05-18
伊利诺伊大学|University of Illinois at Urbana-Champaign|UIUC.豆瓣.2024-05-18