編譯 許林玉

約翰·羅伯特·施里弗是美國著名的物理學(xué)家，因?yàn)榈於ǔ瑢?dǎo)性理論基礎(chǔ)而榮獲諾貝爾物理學(xué)獎。

約翰·羅伯特·施里弗

在科學(xué)圈子里，一直流傳著一個傳奇故事：約翰·羅伯特·施里弗（John Robert Schrieffer）在紐約乘坐地鐵時，解決了一個困擾了物理界40多年的難題。他對超導(dǎo)性工作原理的闡釋為他贏得了1972年諾貝爾物理學(xué)獎。施里弗是美國物理學(xué)會（APS）前會長，于2019年7月27日去世，享年88歲。

1911年，人們發(fā)現(xiàn)某些金屬在冷卻到足夠低的溫度時，可以攜帶電流而不產(chǎn)生電阻。這種看似神奇的特性，即超導(dǎo)性，來源于量子力學(xué)，是磁共振成像人體掃描技術(shù)和粒子加速技術(shù)等諸多當(dāng)代技術(shù)的基礎(chǔ)。然而，數(shù)十年過后，仍然沒有理論能夠解釋超導(dǎo)材料中的電子如何克服它們自身的互斥特性以及其他導(dǎo)致電阻產(chǎn)生的原因。

1957年初，當(dāng)時還是研究生的25歲的施里弗寫下了一個量子力學(xué)波函數(shù)，解釋了超導(dǎo)體中電子的性質(zhì)。不到一年后，他與導(dǎo)師約翰·巴?。↗ohn Bardeen）以及博士后同事利昂·庫珀（Leon Cooper）一起發(fā)表了如今赫赫有名的BCS波函數(shù)和完整的超導(dǎo)性理論。BCS取自三個人的姓氏首字母，他們后來分享了1972年的諾貝爾獎。這項(xiàng)工作對基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用技術(shù)都產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，施里弗為理解固體中電子的性質(zhì)作出了貢獻(xiàn)。

施里弗于1931年出生在美國伊利諾伊州奧克帕克，本科時就讀于麻省理工學(xué)院，主修物理。在伊利諾伊大學(xué)香檳分校研究生院求學(xué)時，他便開始與巴丁一起合作。1956年，巴丁因發(fā)明晶體管而成為當(dāng)年諾貝爾物理學(xué)獎的獲得者之一。

巴丁建議施里弗嘗試對超導(dǎo)性進(jìn)行研究，但這一提議有一定風(fēng)險(xiǎn)。量子理論在描述普通導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體方面取得初步成功之后，科學(xué)家曾無數(shù)次試圖解釋超導(dǎo)體，但都以失敗而告終。但此時提議研究超導(dǎo)性的確恰逢其時。巴丁和他的博士后大衛(wèi)·派因斯（David Pines）研究了聲子（量子化聲波）對金屬的影響，發(fā)現(xiàn)它們可以介導(dǎo)電子之間一種相互吸引的作用。庫珀又發(fā)現(xiàn)這種相互作用可以促進(jìn)束縛電子對的形成。然而，庫珀的理論只對單個電子對的形成問題進(jìn)行了描述，而如何描述金屬在全電子狀態(tài)下的多電子配對，為什么這種配對能夠成就超導(dǎo)體的某些特性等問題仍然懸而未決。

1957年，施里弗在參加美國物理學(xué)會會議時，在地鐵上他突然想到，描述電子對狀態(tài)的自然波函數(shù)是電子數(shù)不固定、但具有一定量子力學(xué)不確定性的波函數(shù)，他當(dāng)即將其寫下來。這一重要見解在當(dāng)時堪稱激進(jìn)，但現(xiàn)在已經(jīng)成為理論物理的經(jīng)典之一，它徹底解決了上述未解的問題。有了波函數(shù)，許多已經(jīng)觀察到的超導(dǎo)體特性都能夠得到解釋，而且它預(yù)測出了之后發(fā)現(xiàn)的新特性。施里弗的獨(dú)到理論還為基礎(chǔ)物理學(xué)的許多分支作出了貢獻(xiàn)。

在他的整個職業(yè)生涯中，施里弗都展現(xiàn)出他對波函數(shù)卓越的洞察力。1979年，他和同事們證明了某些導(dǎo)電聚合物可以表現(xiàn)出帶有電荷的激發(fā)態(tài)，但是不存在自旋。相反的情況也可能發(fā)生：激發(fā)態(tài)可能帶有自旋，但不帶電荷。這揭示了電子的兩個基本性質(zhì)——電荷和自旋——可以分開而單獨(dú)存在。此后，這種現(xiàn)象在凝聚態(tài)物理的許多其他前沿領(lǐng)域均被發(fā)現(xiàn)。

1980年，施里弗進(jìn)入加州大學(xué)圣巴巴拉分校，加盟新成立的理論物理研究所。1984年至1989年，他擔(dān)任該所第二任主任，為研究所贏得了良好聲譽(yù)。1992年，他回到佛羅里達(dá)，在佛羅里達(dá)州立大學(xué)系統(tǒng)中擔(dān)任全州范圍的教授職位，并成為佛羅里達(dá)州立大學(xué)國家高磁場實(shí)驗(yàn)室的第一位首席科學(xué)家。在1996年擔(dān)任APS主席期間，他致力于改善物理學(xué)界與公眾之間以及物理學(xué)家之間的溝通，以幫助實(shí)現(xiàn)該領(lǐng)域的統(tǒng)一。

施里弗的熱情、慷慨和才華同樣令其聲名遠(yuǎn)揚(yáng)。他在討論物理問題時，眼睛里總會閃耀光芒，并閃現(xiàn)出孩童般的神態(tài)。他的這種熱情未曾減退，一直樂于為年輕物理學(xué)家出謀劃策。像拍攝照片一樣，BCS波函數(shù)捕捉到了他的這些獨(dú)特風(fēng)格。