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晶体管计算机|晶体管发明人曾在实验室受排挤，但没人能阻止他两获诺奖

晶体管计算机|晶体管发明人曾在实验室受排挤，但没人能阻止他两获诺奖
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晶体管计算机|晶体管发明人曾在实验室受排挤，但没人能阻止他两获诺奖
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图1：邮票上的巴丁
撰文 | 张天蓉（奥斯汀大学理论物理博士、科普作家）
责编 | 宁   茜 吕浩然
著名的诺贝尔奖从1901年第一次颁奖至今 ， 已近120年的历史 。 在众多的诺贝尔物理学奖得主中 ， 唯有一位物理学家得过两次诺贝尔物理学奖 ， 但这个人的名字却鲜为人知 。 他叫约翰·巴丁（John Bardeen ， 1908 – 1991） ， 是一位美国物理学家 。
两获诺奖
巴丁的父亲是一名教授 ， 但是年轻的巴丁并不想像父亲一样成为学者 ， 于是他大学时就读于电机系而非物理系 。 巴丁毕业时 ， 正值1930年美国经济大萧条时代 ， 他向ATT（American TelephoneTelegraph ， 美国电话电报公司）发送的工作申请没有通过 ， 于是便接受了海湾石油公司的聘用 ， 并在那里出色地工作了4年 。
尽管他的初衷是偏向实用 ， 但终归还是因为对物理和数学的浓厚兴趣放弃了工资优厚的工作 ， 到普林斯顿大学攻读物理博士学位 。 巴丁在普林斯顿师从著名的匈牙利裔理论物理学家及数学家尤金·维格纳（Eugene Wigner ， 1902-1995） ， 满足了自己的求知欲 。
巴丁的两项诺奖成就 ， 都不是物理概念意义上的重大革命 ， 但却引发了（或即将引发）对现代文明社会最重要的科学革命：晶体管的发明引发了计算机革命及信息革命 ， 而革命性的超导研究如今仍然是物理界的热门课题 。
1956年寻常的一天 。 早上7点 ， 巴丁正在给家人做煎鸡蛋 。 女儿贝特茜和儿子比尔突然冲进厨房 ， 大喊“爸爸获得了诺贝尔奖！”原来他们刚听到新闻报道 ， 巴丁和过去贝尔实验室的同事威廉·肖克利（William Shockley ， 1910-1989）、沃尔特·布拉顿（Walter Brattain ， 1902-1987）三人 ， 共同获得了1956年诺贝尔物理学奖 。 听到这一消息 ， 巴丁手里的平底锅“啪”地一声掉到了地上 ， 锅里的东西撒了一地 。
“我怀疑委员会中的很多人都不确信晶体管这项技术值得这个奖 ， 我自己也感到怀疑 。 ”后来 ， 在给朋友的信中 ， 48岁的巴丁如此写道 。
这次让巴丁感觉“意料之外”的诺奖 ， 是9年前他们发明的世界上第一支晶体管 。 当时 ， 贝尔实验室的这三名研究人员 ， 担心他们的发现只是偶然成功 ， 经过一周时间的反复验证后才向领导汇报并进行了演示 。 然而 ， 巴丁不久后便遭到肖克利的排挤 ， 在1951年转到了伊利诺伊大学香槟分校任教 。
那时的巴丁正在紧张地研究他的BCS超导理论 ， 差不多已经到了最后冲刺的阶段 。 这个理论最后让他又赢得了1972年的诺贝尔物理学奖 。
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图2：巴丁的两次诺贝尔物理奖
巴丁的这两次诺贝尔奖 ， 第一次主要是技术发明 ， 第二次是基础理论 。 作为一位物理学家 ， 固然更看重自己的理论功夫 。 然而 ， 如今看来 ， 让巴丁荣获第一次诺奖的那个小小的晶体管发明 ， 对人类文明社会的巨大贡献 ， 怎么夸赞都不过分 。
发明晶体管
二战胜利之后的美国 ， 经济迅速发展 。 战争中的许多研究成果 ， 包括原子弹、微波、电子等技术的研发 ， 都对工业及各个科学领域有极大的正面影响 。 引导了美国开展各种产业 ， 形成一股强大的动力 ， 一直延续至今 ， 几十年未衰 。
前几篇文章中描述的二战后几次物理会议（谢尔特岛会议、波科诺会议、纽约Oldstone会议） ， 促成了量子场论（量子电动力学）的建立和发展 。 与此同时 ， 科学家们不仅关注理论 ， 也重视其实用价值 。 甚至在战争尚未终止时 ， 美国政府就加强了对半导体材料的研究 。 1945年夏天 ， 贝尔实验室正式制定了一个庞大的研究计划：决定以固体物理为主要研究方向 。 那时候 ， 半导体整流器已经是成熟的装置 ， 人们希望能用半导体制造晶体管 ， 再组成放大器 ， 以开拓电子技术的新领域 。
1945年的十月 ， 巴丁加入到贝尔实验室的肖克利小组 ， 参与研究开发制造晶体管的项目 。 这个小组还有另外两位美国物理学家：课题负责人威廉·肖克利和另一位同事沃尔特·布拉顿[1] 。
这三人可谓珠联璧合：肖克利是生于伦敦的美国人 ， MIT（麻省理工学院）毕业研究半导体的物理博士 ， 当时已经在PN结研究及策划制造晶体管领域奋斗数年 ， 布拉顿是实验高手 ， 而巴丁是理论天才 。
对晶体管的课题 ， 肖克利原来有些想法 ， 但和布拉顿一起进行的几次实验都失败了 。 擅长理论计算的巴丁潜心研究了这个问题 ， 发现电场无法穿越半导体的原因可能是受到金属片屏蔽 。 他进而提出了固体的表面态和表面能级的概念 。 巴丁猜想半导体物质的表面存在着一种机制 ， 能激发出一种可防止自身被外场贯穿的特殊状态 。 这些工作涉及到半导体、导线和电解质之间的点接触 ， 于是小组将研究重点改为材料的表面状态 。 到1946年冬 ， 他们的研究工作向前迈进了一大步 ， 并且也产出了几篇论文[2,3] 。


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