少年得志的諾貝爾獎獲得者： 約瑟夫森

當他還只是個大學生的時候，就寫出過足以讓他在物理學史上留名的論文;他剛滿22歲就在超導領域做出了重要貢獻;他促進了超導電子學的誕生，從理論上證明了兩個超導體之間隧穿的特殊性質，他的工作開辟了物理學的新圖景—他就是英國著名物理學家布萊恩·約瑟夫森。他的成長之路上都有哪些故事呢？

1940年1月4日

約瑟夫森的出生地卡迪夫（圖片來源 / Wiki）

約瑟夫森出生于英國威爾士卡迪夫，在高中時期他就遇到了物理大師埃姆斯·瓊斯，從他那里學到過關于理論物理的知識。

1957年

三一學院外景（供圖 / 王江山）

約瑟夫森進入劍橋大學久負盛名的三一學院學習數學。可是，在讀完兩年之后，他覺得數學有點無趣，就把興趣轉向了物理。即使在天才云集的劍橋大學，約瑟夫森仍因聰明而聞名，不過人們都認為他是個害羞的小伙子。曾有一位考官這樣評價他：“約瑟夫森這個家伙是誰？他似乎像刀切黃油一樣清晰流暢地研究著理論。”在還只是個大學生的時候，約瑟夫森就發表了一篇關于穆斯堡爾效應的論文，在文章中指出了其他研究人員忽略的一個關鍵問題。約瑟夫森后來又寫了好幾篇重要論文，有人甚至認為，僅這幾篇文章也足以保證約瑟夫森在物理學史上占有一席之地。那時人們還不知道，這個天才少年會在未來發現震驚世界的約瑟夫森效應。

1960年

蒙德實驗室大樓（供圖 / 王江山）

約瑟夫森獲得物理學學士學位，來到蒙德實驗室攻讀研究生。美國物理學家菲利普·沃倫·安德森（1977年諾貝爾物理學獎得主）曾在那里當過一年講師，他認為約瑟夫森是一個讓他倍感壓力的學生。菲利普回憶道：“作為一個年輕講師，約瑟夫森這個學生總是令我感到不安，因為我必須保證課堂上講的一切都是正確的，否則他就會在下課后來找我，并把錯誤解釋給我聽。”

1962年6月8日

菲利普·沃倫·安德森（供圖 / 王江山）

約瑟夫森把計算結果發表在《物理評論快報》的一篇題為《超導隧穿的可能新效應》的論文中。后來這一結果被普林斯頓貝爾實驗室的菲利普·沃倫·安德森和約翰·羅威爾通過實驗證實。

1962年7月25日

美國物理學家約翰·巴丁（John Bardeen）（供圖 / 王江山）

針對約瑟夫森的批評很快就出現了。批評他的還是一位學術大牛——諾貝爾物理學獎得主——約翰·巴丁，他向《物理評論快報》提交了一篇文章，認為“不可能存在這樣的‘超流體流動。”

1962年

單個約瑟夫森結示意圖（A和B為超導體，C為A和B微弱連接形成的薄絕緣層）（供圖 / 王江山）

量子隧穿示意圖（粒子的原本能量為E，位勢壘的位勢為V）（供圖 / 王江山）

約瑟夫森開始攻讀博士學位，從事量子隧道研究。在量子物理學中，物質被描述為波和粒子。在經典物理學的概念中，電子作為粒子時不能穿過位勢壘（一種位勢，位勢又稱重力勢、重力位，指空氣塊在地球重力場下所具有的勢能），但在量子物理學的視角下，電子作為輻射波就可以穿透位勢壘，人們將這種現象稱為量子隧穿效應（Quantum tunnelling effect）。此前，美國通用電氣的伊瓦爾·賈埃弗（Ivar Giaever）曾在超導和正常狀態下，通過一層由金屬包裹的非常薄的氧化物層，證明了隧穿效應。約瑟夫森大受啟發，他決定去分析隧穿理論，那時他就敏銳地預感到，超導體具有人們意想不到的性質。

超導體是指在某一溫度下，電阻為零的導體，有許多奇特的性質，因此有很大的應用潛力。約瑟夫森通過計算發現，如果將兩個超導體微弱連接在一起，那么這個結構可以成為一個薄的絕緣層（稱為超導體–絕緣體–超導體接面，簡稱S-I-S）。如果兩個超導體距離足夠近，電子可以作為一種輻射波穿透超導體之間的極薄絕緣層而形成電流，而超導結上并不出現電壓;如果超導結上加有電壓，電流就停止流動并產生高頻振蕩，而此電流無論對于多小的磁場都有響應。這個形態就叫約瑟夫森結，由此產生的效應就是著名的約瑟夫森效應。

1962年9月

倫敦大學瑪麗皇后學院（圖片來源 / Wiki）

在倫敦大學瑪麗皇后學院舉行的第八屆國際低溫物理大會上，當舉世聞名的巴丁開始講話時，當時還是學生的約瑟夫森竟然站起來打斷了他。他們就約瑟夫森的發現交換了意見，但人們回憶道，他們的爭論并不是劍拔弩張，而是兩個人都彬彬有禮、輕聲細語。

2012年11月

蒙德實驗室大樓的約瑟夫森紀念牌匾（供圖 / 王江山）

劍橋大學在蒙德實驗室大樓懸掛了一塊牌匾，以紀念約瑟夫森效應的發現。約瑟夫森結在量子線路中有許多重要的應用，例如超導量子干涉儀（SQUIDs）可用于地質學中高度敏感的測量，能在測定巖石磁力、探測礦藏分布方面大顯身手;可用來制造超導隧道結探測器，裝備在天文望遠鏡上，幫助人們探索宇宙的奧秘;人們可利用約瑟夫森效應制造元器件，如伏特計、安培計、數字電子設備等，利用該原理制作的元件更精準、更靈敏、功耗更小。在人們不斷加深對約瑟夫森效應認知的過程中，超導電子學誕生，這是超導電性領域的重大進展，其在風力發電機、大功率推進電機、磁懸浮列車、質子治療儀等精密儀器的制造過程中發揮了重要作用。

1964年

伊利諾伊大學（圖片來源 / Wiki）

越來越多的科學家意識到約瑟夫森效應的意義，物理學家惠特克認為，約瑟夫森效應的發現催生了“非常重要的物理學”，可以廣泛應用于醫學和計算。在這一年約瑟夫森也順利畢業，以論文《超導體的非線性傳導》獲得博士學位，并成為伊利諾伊大學研究助理教授。

1973年

2004年6月，約瑟夫森在德國林道舉行的第54屆諾貝爾獎得主大會上接受采訪（圖片來源 / The Nobel Prize）

約瑟夫森因對流經隧道阻擋層的超導電流特性的理論預測而獲得諾貝爾物理學獎，而他做出這個理論預測時年僅22歲。