物理群星
布赖恩·约瑟夫森 肖像

图:布赖恩·约瑟夫森本人释出,2004 / Wikimedia Commons / CC BY 3.0

布赖恩·约瑟夫森

Brian David Josephson

1940–今 · 生于英国威尔士加的夫 · 英国

凝聚态量子力学

二十二岁的研究生算出一件权威说不可能的事,然后一辈子站在主流之外

诺贝尔物理学奖 1973 对隧穿势垒中超导电流性质的理论预言,即通称的约瑟夫森效应

1962 年,剑桥一个还没拿到博士学位的研究生算出:两块超导体夹一层薄绝缘层,电子对能整对穿过去,而且不需要加任何电压。写下 BCS 理论的巴丁在《物理评论快报》上公开表示这不可能。

半年后,实验站在了研究生这一边。

抓住相位的那一步

那一年安德森在剑桥休假讲学,课上讲破缺对称性:超导态的序参量不只有大小,还有一个整块超导体共有的相位。

别人计算电子对隧穿时问的是「概率有多小」,答案总是小得没意义。约瑟夫森换了个问法:两侧的相位差会带来什么? 结果是两条预言——零电压下的稳恒超流,以及加上直流电压后凭空出现的交变电流(推导与后果见本站「约瑟夫森效应」页)。

论文两页多一点,投给刚创刊的《物理快报》,因为他担心正统期刊的审稿会拖太久。

与巴丁的那次交锋

1962 年 9 月,伦敦玛丽女王学院的低温物理会议。约瑟夫森二十二岁,报告完自己的推导;坐在下面的是四十年来这个领域最权威的人,而巴丁刚刚在期刊上写文章说他错了。

据在场者回忆,交锋礼貌而坚决,谁也没有说服谁。安德森后来形容那是一场「令人尴尬又令人难忘」的场面。

巴丁的错误不在数学,而在物理图像:他认为配对关联不会延伸进绝缘层,因此绝缘层里没有可以承载超流的东西。约瑟夫森关注的却不是绝缘层里有什么,而是两侧宏观波函数的相位如何被势垒耦合起来。

1963 年结果出来后,巴丁接受了。他从未公开纠缠此事,此后也照常引用这项工作。

他没有回头

诺贝尔奖 1973 年到来,他三十三岁。而在此前后,他的兴趣已经转向别处。

1970 年代初他接触超觉静坐,此后把主要精力投向意识、心灵与物质的关系,1996 年在卡文迪什实验室设立「心智-物质统一计划」,公开为超心理学现象的真实性辩护,也批评主流学界在这类问题上的态度。

物理学界没有接受这些主张。 他与不少同行发生过公开争论,一些期刊拒绝刊发他相关方向的文章,而他在剑桥的教职一直保留到 2007 年退休。

把这两件事并排放在一起,很容易滑向某种现成的说法——不管是「天才的另一面」还是「伤仲永」。更可靠的说法也许只是:1962 年那件事之所以成立,靠的不是权威,而是一步谁都能复核的推导。 它今天仍然成立,与他后来相信什么无关。

那两行还在跑

你的万用表读数最终追溯到一排浸在液氦里、被微波照着的约瑟夫森结;医院的脑磁图靠 SQUID 直接测出神经元电流的磁场;而今天几乎每一个超导量子比特里,都躺着一个约瑟夫森结——它是目前已知唯一一种无耗散的非线性电路元件。

一个二十二岁的人写下的两页纸,至今是超导电子学的全部地基。

代表方程

约瑟夫森关系

I=Icsin⁡(Δφ),d(Δφ)dt=2eVℏI = I_c \sin(\Delta\varphi), \qquad \frac{d(\Delta\varphi)}{dt} = \frac{2eV}{\hbar}

上面一条说:零电压下也能有电流,大小由两侧超导体的量子相位差决定。下面一条说:一旦加上电压,相位差就随时间匀速增长,电流因此变成交流,频率只由电压与两个基本常数定。今天的伏特基准与超导量子比特都建在这两行上。

伟大发现