巴丁库珀施里弗理论的优化方法

自昂内斯发现超导现象之后，人们一直或公开或隐藏了一个问题：为什么一些金属在极低温的情况下，它的电阻就消失了呢？而且为什么这种现象还可以持续较长的时间呢？据说，在20世纪50年代，有人把一个铅环冷却到绝对温度7.25开以下，用磁铁可在铅环中感应出几百安培的电流。实验人员从1954年3月16日开始实验，在与外界隔绝的条件下，到1956年9月5日，铅环中的电流仍然未发生变化，并且持续地流动着。

不过，如果有人要问，为什么在我们日常的常温下，金属中电流会产生电阻而使电流衰竭呢？在极低温的条件下，金属中的电流却因电阻消失而电流依旧呢？

就在那个能保持电流持续两年的实验正在进行之时，美国物理学家巴丁（1908～1991）开始思索超导的理论问题。为了深入研究超导问题，巴丁意识到数学方法的重要性，为此，他邀请博士后库珀一起工作；还有巴丁的一个研究生，名叫施里弗。施里弗对超导理论的研究也很有兴趣。这样，巴丁、库珀和施里弗就一起干了起来。

巴丁是著名的物理学家。他出生在美国威斯康星州的麦迪逊。1928年毕业于威斯康星大学，获得电气工程学方面的理学士学位；接着在该校攻读无线电辐射和地球物理学，并于1929年获得硕士学位。1930年到宾夕法尼亚州匹兹堡海湾研究与发展公司的地球物理学部工作。1933年到普林斯顿大学攻读数学物理学，在著名的物理学家维格纳（1902～1995）的指导下获得哲学博士学位（他是维格纳门下的第二个美籍博士）。他是美国培养出的第一代固体物理学方面的专业人才。1935年，巴丁开始在哈佛大学任初级研究员。1938年在明尼苏达大学任物理助理教授。在第二次世界大战期间，他于1941年受聘于华盛顿海军军械实验室，他参与了一些军事研究项目。在战争结束后，他被物理学家肖克利（1910～1989）动员到美国著名的工业研究机构——贝尔电话实验室（后改称贝尔实验室）。巴丁到了位于新泽西州默里山的实验室，从事固体物理学的研究工作。1951年后到伊利诺伊大学任物理学与电气工程学教授。在伊利诺伊大学，巴丁的研究方向转到了凝聚态物理的另一个分支——超导物理学。1959～1962年任美国总统科学咨询委员会委员。1960年后任罗彻斯特静电复印公司经理。巴丁是美国科学院院士，1968～1969年任美国物理学会会长。

巴丁到贝尔电话实验室后，他们成立了一个研究小组，以开发新型的半导体器件。他们以半导体硅和锗为研究对象，试图控制半导体内电子的行为。他们还想用这种新型器件取代电子管（也叫真空管）。由于巴丁曾获得固体物理学方面的博士学位，对固体导电理论很有造诣，在这个小组中巴丁以理论擅长，并且与以实验擅长的布拉顿密切配合，结果，他们在1947年12月终于研制成第一只点接触型晶体管。巴丁也因此与布拉顿（1902～1987）和肖克利获得了1956年诺贝尔物理奖。

除了诺贝尔奖之外，巴丁于1952年获得富兰克林研究所授予的巴兰坦奖章，1954年，美国物理学会授予巴丁巴克利奖金，1955年美国费城授予巴丁约翰·斯可特勋章，1962年获弗里茨·伦敦奖，1964年获文森特·本迪克斯奖，1966年获国家科学奖章，1968年获莫勒奖，1975年获富兰克林奖章，1977年获总统自由奖章。

由于要到瑞典首都斯德哥尔摩去参加颁奖仪式，巴丁在12月份就离开了伊利诺伊。也就是在这些日子，库珀和施里弗取得了重大的进展，竟然圆满地完成了巴丁留下的“作业”。当巴丁回到学校时，他看到二人的研究结果非常高兴，并且确认了这些结果。(www.xing528.com)

肖克利（坐者）、巴丁（左）和布拉顿（右）

说起来，超导理论还是挺有趣的。库珀提出了一个模型。他的理论可以作个比喻。

所谓导电，在平常的导体中，电子们各自“行走着”。但是，这些电子并不“守纪律”，电子之间时有“碰撞”，正是这些“碰撞”，使电子之间彼此干扰了它们各自的“行走”。这就是导体内产生电阻的缘由。然而，当温度降低到“临界温度”以下时，电子们突然“团结”起来。电子们会“两两”地携手“行走”。正是这些“电子对”的合作，电阻竟奇迹地“消失”了。而且，温度越低，结成的“电子对”就越多，“电子对”的结合就越加牢固，不同的“电子对”之间的相互干扰就更弱了。由于这种“电子对”是库珀提出的，所以也被称为“库珀对”。

巴丁、库珀和施里弗成功地建立起关于超导的微观理论。为了表示对他们的尊敬，他们的理论就以他们的姓氏中的头一个字母组成这种理论的名称，即“巴丁—库珀—施里弗理论”，或简称“BCS理论”。他们在超导理论研究上的成就也使他们获得了1972年度的诺贝尔物理奖，而且，至今，巴丁还是唯一的两次获得诺贝尔物理奖的物理学家。

为了促进超导物理学的研究，巴丁把第二次诺贝尔奖捐赠于设置的弗里茨·伦敦奖（巴丁曾得到过这个奖）和弗里茨·伦敦纪念馆讲座，以纪念在超导领域中做出贡献的物理学家弗里茨·伦敦（1900～1954）。