青出于蓝

高涌泉

 前些時候,李政道寫了篇文章──《本世紀物理的挑戰》,裡頭提到科學界英雄出少年。他列舉了很多物理學家為例,說明他們在獲得傑出成就之時,多半是三十五歲以下的年輕人。不過或許是由於李所提的例子著重在量子力學、場論與基本粒子物理等領域,所以名單中漏掉了現任劍橋大學物理教授的布萊恩‧約瑟夫森(Brian Josephson)──至目前為止,爬上頂峰之時,年紀最輕的物理學家。約瑟夫森出生於一九四○年元月四日,他在一九六二年提出著名的「約瑟夫森效應」時還是劍橋大學博士班研究生,才二十二歲,比起海森堡提出量子力學時不可思議的二十三歲還要小上一歲。

 「約瑟夫森效應」是展現超導原理的一種「穿隧(tunnelling)效應」:在兩片超導體中間夾入一片薄薄的絕緣體,在沒有外加電壓的情況下,仍會有直流電流通過絕緣體,這純然是古典物理所不容許的量子效應。如果在超導體兩端施上一固定電壓,則居然會出現交流電流;我們可以從交流電的頻率得到非常準確的物理常數。我們也可以利用這個效應,做出非常靈敏的「超導量子干涉儀」(Superconducting Quantum Interference Device,簡稱SQUID)來測量極微弱的磁場。所以「約瑟夫森效應」在學理與應用上都是非常重要的效應。約瑟夫森因為這項成就與另兩位實驗學家一起獲得一九七三年諾貝爾物理獎。

 如果沒有貴人相助,約瑟夫森當然不可能在二十二歲之齡,就在科學前沿闖下名號。貴人其一是他的指導教授,超導體老將布萊恩‧皮琶(Brian Pippard);其二是於一九六一學年度在劍橋任客座教授的凝態理論大師安德森(P. W. Anderson)。安德森後來在一篇文章《約瑟夫森如何發現他的效應》中回憶:「約瑟夫森修了我的固態物理與多體物理課。對於講者來說,那是令人窘困的經驗,因為每個細節都不能出錯,否則他就會在課後走過來解釋給我聽。或許是因為這門課以及我講過的一些東西的關係,他在完成計算後一兩天就拿給我看。」安德森那時對於約瑟夫森已有相當信心,可以接受他所說的任何事。但是約瑟夫森自己反而有些猶疑,所以安德森還特別花了一晚上檢查約瑟夫森的計算。

 安德森所謂「我講過的一些東西」指的是「自發對稱破壞」(spontaneously broken symmetry)這個觀念。約瑟夫森在他的諾貝爾演講中說他之所以會研究起這個問題,就是因為安德森在他的課上介紹了BCS超導理論中的「對稱破壞」,而「這想法把我迷住了,我好奇實驗上有沒有什麼方法可以觀測到它」。約瑟夫森實在幸運,因為當時能夠深切了解「對稱破壞」的物理學家寥寥可數,而安德森恰是其中之一。(事實上,安德森自己後來把「自發對稱破壞」用到規範場論上頭,解決了弱交互作用理論中的難題,而粒子物理學家則隔了更長的時間才了解這一點。)約瑟夫森能夠想到利用「穿隧超導電流」來呈現安德森所教的抽象原理,是非常漂亮的作品。

 約瑟夫森在一九六二年六月將論文寄交《物理通訊》(Physics Letters)發表。沒想到BCS超導理論中的主將巴定,在兩星期後也送出一篇論文到《物理評論通訊》(Physical Review Letters),其中有一附註就在駁斥「約瑟夫森效應」。約瑟夫森受到巴定的批評,其懊惱可想而知。那一年九月,第八屆國際低溫物理會議在倫敦大學舉行,主辦單位特別邀請約瑟夫森與巴定參與一場面對面的辯論。依據巴定傳記《真正的天才》(True Genius)的描述,辯論當天下午會議室擠滿了期待的人們,巴定坐在後面;約瑟夫森首先扼要地說明他的理論如何預測(電子)庫伯對(Cooper pair)的穿隧是很大的效應,然後巴定就站起來解釋他的單電子穿隧理論,並強調庫伯對不會進入絕緣層裡,「約瑟夫森以問題打斷巴定,巴定回答後又反問約瑟夫森,如此來回好幾次,約瑟夫森回答了每一個對他理論的批評。整個場面相當平和,因為兩人都輕言細語」。一位在場的教授記得「巴定一點也不掩飾地表達懷疑」,但「約瑟夫森毫不退讓」,當巴定說他認為約瑟夫森的想法很不可能時,約瑟夫森不停問巴定:「你計算了沒?沒有?我有。」多數人認為約瑟夫森贏了辯論。後來實驗證實了「約瑟夫森效應」,巴定也公開地撤回他的反對。

 約瑟夫森三十出頭就拿了諾貝爾獎,是人人羨慕的天之驕子。他在得獎前後已經轉向研究超自然現象,如超感官知覺、心電感應等。他相信量子力學與這些超自然現象有些關聯。這樣的信念當然會引人側目,也讓不相信這些超自然現象的安德森說出類似「今日之約瑟夫森與昔日之約瑟夫森已經不是同一個人」這樣的話來。



原載台湾中央日報副刊2003.1.29