約翰·羅伯特·施里弗（1931—2019）

編譯 許林玉

約翰·羅伯特·施里弗是美國著名的物理學家，因為奠定超導性理論基礎而榮獲諾貝爾物理學獎。

約翰·羅伯特·施里弗

在科學圈子里，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。他對超導性工作原理的闡釋為他贏得了1972年諾貝爾物理學獎。施里弗是美國物理學會（APS）前會長，于2019年7月27日去世，享年88歲。

1911年，人們發現某些金屬在冷卻到足夠低的溫度時，可以攜帶電流而不產生電阻。這種看似神奇的特性，即超導性，來源于量子力學，是磁共振成像人體掃描技術和粒子加速技術等諸多當代技術的基礎。然而，數十年過后，仍然沒有理論能夠解釋超導材料中的電子如何克服它們自身的互斥特性以及其他導致電阻產生的原因。

1957年初，當時還是研究生的25歲的施里弗寫下了一個量子力學波函數，解釋了超導體中電子的性質。不到一年后，他與導師約翰·巴丁（John Bardeen）以及博士后同事利昂·庫珀（Leon Cooper）一起發表了如今赫赫有名的BCS波函數和完整的超導性理論。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。這項工作對基礎科學和應用技術都產生了深遠的影響，施里弗為理解固體中電子的性質作出了貢獻。

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院，主修物理。在伊利諾伊大學香檳分校研究生院求學時，他便開始與巴丁一起合作。1956年，巴丁因發明晶體管而成為當年諾貝爾物理學獎的獲得者之一。

巴丁建議施里弗嘗試對超導性進行研究，但這一提議有一定風險。量子理論在描述普通導體、絕緣體和半導體方面取得初步成功之后，科學家曾無數次試圖解釋超導體，但都以失敗而告終。但此時提議研究超導性的確恰逢其時。巴丁和他的博士后大衛·派因斯（David Pines）研究了聲子（量子化聲波）對金屬的影響，發現它們可以介導電子之間一種相互吸引的作用。庫珀又發現這種相互作用可以促進束縛電子對的形成。然而，庫珀的理論只對單個電子對的形成問題進行了描述，而如何描述金屬在全電子狀態下的多電子配對，為什么這種配對能夠成就超導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會會議時，在地鐵上他突然想到，描述電子對狀態的自然波函數是電子數不固定、但具有一定量子力學不確定性的波函數，他當即將其寫下來。這一重要見解在當時堪稱激進，但現在已經成為理論物理的經典之一，它徹底解決了上述未解的問題。有了波函數，許多已經觀察到的超導體特性都能夠得到解釋，而且它預測出了之后發現的新特性。施里弗的獨到理論還為基礎物理學的許多分支作出了貢獻。

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

1980年，施里弗進入加州大學圣巴巴拉分校，加盟新成立的理論物理研究所。1984年至1989年，他擔任該所第二任主任，為研究所贏得了良好聲譽。1992年，他回到佛羅里達，在佛羅里達州立大學系統中擔任全州范圍的教授職位，并成為佛羅里達州立大學國家高磁場實驗室的第一位首席科學家。在1996年擔任APS主席期間，他致力于改善物理學界與公眾之間以及物理學家之間的溝通，以幫助實現該領域的統一。

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