作為唯一一個兩次獲諾貝爾物理學獎科學家，他的「巴丁數」無窮大

在科學界有一個數叫做巴丁數（Bardeen number），即一個人的成就除上他的自我吹噓，表示一個人的謙虛程度。

貝爾實驗室的物理學家 Ravin Bhatt 講過：「一般地講，如果一般的科學家的這個數為「一」，就是說他的自我吹噓和獲得的成就是一致的，那麼成績就很不錯了；但大多數人的這個數是低於「一」，就是都在自我吹噓，其實成就沒有那麼大。」

早期經歷

巴丁數是以約翰·巴丁（John Bardeen）的名字命名，而巴丁本人的巴丁數是無窮大，意味著他從未炫耀過自己的成績。

他曾因電晶體效應和超導BCS理論在1956年和1972年兩次獲得諾貝爾物理學獎。但與其他同時代的擁有古怪、出格個性的名人相比，他低調樸實，默默無聞。

美國郵政總局發行的紀念巴丁的郵票

巴丁於1908年出生在美國中部，他的父親是威斯康辛大學醫學院的院長，母親曾在著名教育家杜威（John Dewey）創辦的實驗室、中學裡教課。在巴丁小學三年級時，母親將他和哥哥轉入威斯康辛大學附屬中學的初一年級。

巴丁一家

在接受美國物理學會（America Institute of Physics）的採訪時，巴丁說道：「對我來說，當時連跳三級確實是個不小的挑戰，由於上學時沒有與同齡人相處，我的語言能力只有中等水平。」

在學校，巴丁與哥哥和比他年齡大的同學們相處；放學後，巴丁在父母的建議下與同年齡的小夥伴們一起運動，交了很多朋友，提高了自己的社交能力。巴丁是「合作型科學家」的典型代表，他兩次都是和團體成員共同獲得諾獎。

約翰·巴丁

在高中時期，數學和科學學科對他更具吸引力，他在地下實驗室照著化學書所描述的方法嘗試過給衣服染色，還向雞蛋中噴射顏料，也經常做一些小實驗。

由於對數學有著相當的「執念」，巴丁在上大學時選擇了電氣工程學作為自己的專業，因為他聽說「電氣工程學會用到很多的數學」。

在上大學時，他就已經完成了大學到研究生的物理課程。為了深入了解電工在實際工作中的應用，巴丁還主動到西方電器公司實習了一個學期，由此延期一年在20歲（1928年）畢業。

約翰·巴丁

由於當時較為先進的物理研究成果都是在劍橋大學完成，因此在碩士論文完成後，巴丁主動申請劍橋大學，卻被劍橋大學拒絕。與此同時，美國經歷了經濟大蕭條，迫於無奈他只能去海灣石油公司（Gulf Oil Company）進行地質勘探工作。

雖然地質勘探並不是他的專業，他也工作的非常出色。在工作一段時間之後，巴丁研發出了一種勘探石油的新電磁學方法，海灣公司決定將這種勘探方法保密，直到50多年後，在20世紀80年代這種勘探法才被公布出來。

對數學和物理學念念不忘巴丁在周末經常去公司附近參加物理研討會，最終不顧所有人的勸阻，巴丁在1933年毅然選擇進入普林斯頓大學數學系自費攻讀博士。

巴丁進入普林斯頓，原因之一是希望能在愛因斯坦的指導下完成博士學位，但當他進入普林斯頓時，愛因斯坦已經離開這所大學。

所以他最終選擇了維格納（Wigner）作為博士論文導師，用量子力學研究固體物理，這也是當時固體物理最前沿的研究方向。正是從這時開始，他開始了長達數十年的固體物理學研究。

1933年，巴丁與簡·麥克斯韋相識。在1938年，30歲的巴丁在明尼蘇達大學任教時與簡結婚。婚後的生活是甜蜜的，巴丁體貼、溫柔，在與簡結婚後，經常陪伴簡一起做家務，簡也在他出國訪問、頒獎典禮時陪伴在巴丁左右。

巴丁與妻子簡

巴丁在博士畢業後應哈佛大學的邀請擔任初級研究員，此後他相繼在明尼蘇達大學、海軍軍械實驗室工作。

首次獲得諾獎

約翰·巴丁在麻薩諸塞州上學時就認識了威廉·肖克利（W. B. Shockly），在畢業時他也認識了該小組的另一名成員布拉頓（W. H. Brattain）。

因此戰後時期，在肖克利被任命為貝爾實驗室的一個新研究小組的負責人後，巴丁也應邀進入小組。小組中還包括兩名物理學家、一名化學家、一名電路專家及兩名技工。

早在戰時，肖克利和布拉頓已經開始研究半導體材料及其在電子技術中應用的可能性問題。1945年7月，小組成立後主要圍繞「研製具有三端電極的半導體電子放大器件」問題展開研究，著重檢測組長肖克利提出的場效應思想：「在半導體表面和被絕緣的金屬電極之間施加一個橫向電場，用以控制半導體表面的電子或空穴的濃度而獲得放大作用。」但他們所有的實驗都沒有發現場效應。

1945 年 10 月，巴丁進入貝爾實驗室後，與布拉頓一起分析前一階段實驗失敗的原因，他對半導體表面特性進行梳理並進行一系列分析。

巴丁與布拉頓、肖克利

在1946年，他提出半導體表面態理論：在外加電場的作用下，電子被吸引到半導體的表面並被束縛在那裡，形成了嚴密的屏蔽作用。這也阻止了電場穿透到半導體內部，因而不能形成電流。

這個理論很好的解釋了為什麼肖克利場效應實驗觀測不到。隨後在1947年11 月，由於儀器進水，在清洗過程中布拉頓偶然發現如果儀器浸泡在電解液中，會觀察到更強的光電效應，他們立刻認識到有可能實現場效應。

接著，他們用各種各樣的電解液進行試驗，發現只要電解液在半導體表面形成一薄層氧化物絕緣體，去掉電解液也會產生所需的場效應，還發現在P 型半導體表面加上一層 N 型半導體，放大效應更好。

11 月 21 日巴丁向布拉頓建議用一個放大器的模型，他們二人開始實驗。在這個模型上，他們發現電流和功率得到放大，但電壓沒有放大。雖然這個裝置沒有實用價值，但它的出現卻推進了點接觸電晶體的發明，具有重要的歷史意義。

半導體放大器的幾何裝置圖示

以後一個月，他們繼續嘗試了各種材料和結構，尋求最好的放大效果。12月8日中午，巴丁從普渡大學（Purdue University System）研究工作的得到啟發，改用摻錫的鍺作為半導體材料，下午實驗發現電壓放大了一倍，功率放大了330倍。

在點接觸電晶體發明過程中的最後關鍵階段，他們遇到了放大器輸入與輸出端信號的同步問題，巴丁提出將鍺晶體表面上的兩個接觸點儘可能的靠近，使其間距為千分之四釐米（0.002英寸），在當時這樣的工作只能用手來做，心靈手巧的布拉頓為此做了無數次的試驗。

布拉頓與巴丁完美配合，精確的將接觸點的距離掌控在千分之四釐米，於是世界上第一個晶體三極體誕生了。肖克利隨後一個人設計固體放大器的改進模型，在12月30日至31日他在家中想出了以兩層 P 型矽或鍺中間夾以一層 N 型矽或鍺的模式，以面接觸代替點接觸的方案。

世界上第一個晶體三極體

1956年，巴丁、布拉頓和肖克利三人共同獲得了諾貝爾物理學獎。

肖克利、巴丁和布拉頓 來源：The Nobel Prize

再次獲得諾獎

1951年，巴丁離開貝爾實驗室，到伊利諾斯大學（University of Illinois）任教，當時關於超導體的新實驗和理論研究引起了巴丁的關注。他在攻讀博士學位時、在明尼蘇達大學任教時，都做過這方面的研究，但之後被迫停止，此時他決定繼續進行超導領域的研究。

巴丁在伊利諾斯大學授課 來源：University of Illinois

在整理相關論文和資料後，巴丁意識到他需要組建團隊共同攻克難題。於是在1955年，他選擇了楊振寧博士為他推薦的庫珀（Leon Cooper）。同年，跟隨巴丁攻讀博士學位的研究生施裡弗（John Robert Schrieffer）選擇了超導作為自己的博士論文選題，超導團隊建立起來了。

1955 年冬，庫珀注意到在費米面附近電子之間由晶格作用引起的吸引力能夠使自旋相反的一對電子形成能量低於正常態的束縛態，即「庫珀對」。

庫珀 來源：The Nobel Prize

在1957年1月，施裡弗借用日本物理學家朝永振一郎用來處理核子和介子相互作用的變分法，只花了一個晚上的時間，就想出了利用變分法寫出超導整體波函數的方法，求出了超導體的能隙方程，構建了電子吸引勢的模型，計算了絕對零度時的凝聚能。

施裡弗 來源：The Nobel Prize

他們日以繼夜進行了幾個月的計算，獲得了超導的電磁現象、熱學性質、關聯尺度、相變溫度、臨界磁場強度、輸運過程，等等參數之間的關係，發現和已有的實驗數據完全符合。

為了讓年輕人得到認可，在1957年3月的美國物理學年會上，由庫珀公布了這一理論的基本內容。同年11月，巴丁三人正式在《物理評論》上發表了關於這一理論的完整論文，後來人們取他們三人名字的首字母將這一理論命名為超導BCS理論（即Bardeen、Cooper、Schrieffer）。

1972年，巴丁團隊三人共同獲得諾貝爾物理學獎。

巴丁、庫珀和施裡弗 來源：University of Illinois

平凡的諾獎獲得者

在研究電晶體時，他與布拉頓密切合作；在研究超導現象時，他們團隊三人雖然具有不同的學識、個性和背景，卻互相爭論、啟發，在突破過程中，各自貢獻了關鍵想法的一部分，而巴丁既是學識和經驗豐富的學術領導，運籌帷幄，指揮若定，又是凝聚和鼓舞團隊士氣的核心。

他的研究成果——電晶體，引發了給人類帶來桌上型電腦、巨型計算機和微電子的電子革命。在20世紀一直讓愛因斯坦、費恩曼和許多科學家感到困惑的超導理論，革新了20世紀的科技，造就了如高速磁浮列車、超級原子對撞機以及其他非凡的科技奇蹟。

他是一位曾獲兩次諾貝爾物理學獎的曠世奇才，他的名字是約翰·巴丁。

巴丁在打高爾夫球