费利克斯·布洛赫

金属为什么导电？这个问题在 1928 年之前没有像样的答案。

经典图像是：金属里有一群自由电子在正离子之间乱跑。可只要认真算一下就出问题——电子应该不断撞上原子，走不了多远，实测的自由程却长达上千个原子间距。电子似乎能穿过一整片原子而不被拦住。

一个让作者自己吃惊的结论

1928 年，二十三岁的布洛赫在莱比锡跟着海森堡做博士论文，题目就是这件事。

他把晶体的周期性直接写进薛定谔方程，发现解具有一种特别的形式：一个平面波乘上与晶格同周期的调制因子。今天这叫布洛赫波。

推论惊人——在一个完美周期的晶格里，电子根本不被散射。原子非但不是障碍，反而共同构成了让电子畅行无阻的通道。金属的电阻不来自原子本身，而来自破坏周期性的东西：杂质、缺陷、以及热振动。这就是为什么纯净金属降温后电阻会掉下去。

顺着这条路走下去就是能带：允许的能量分成一条条带，带与带之间是禁区。带填满了、禁带又宽，电子无处可去，材料是绝缘体；带只填了一半，材料是导体；禁带不宽不窄，就是半导体。整个电子工业站在这个分类上。

从德国到斯坦福

1933 年布洛赫因犹太血统离开德国。1934 年他去了斯坦福，成为那里第一位理论物理教授——当时斯坦福在物理学上还无足轻重。

战时他先去洛斯阿拉莫斯，很快转到哈佛做雷达对抗。这段经历给了他射频电子学的手艺，后来直接派上了用场。

让原子核发出声音

1946 年，布洛赫在斯坦福提出并实现了「核感应」：把样品放进强磁场，原子核像陀螺一样绕磁场进动，再加一个频率恰好匹配的射频场，核就会吸收能量并在接收线圈里感应出信号。

同一年，哈佛的珀塞尔小组用另一条路子做出了同样的事。两人 1952 年共享诺贝尔奖。

这项技术起初是物理学家测核磁矩的工具，很快被化学家接管——不同化学环境中的原子核共振频率有细微差别（化学位移），于是核磁共振成了确定分子结构的头号手段。

1970 年代，劳特伯与曼斯菲尔德加进了梯度磁场：让磁场强度随位置变化，共振频率就随位置变化，于是可以按频率反推位置，成像。今天医院里的 MRI 就是这个。为了避开「核」字引起的恐慌，医学界把它改称磁共振成像。

1954 年，布洛赫出任欧洲核子研究中心首任总主任。他只干了一年就辞职回斯坦福——据他自己说，他更愿意做物理，而不是管理做物理的人。