少年得志的诺贝尔奖获得者： 约瑟夫森
2019-09-06王江山
当他还只是个大学生的时候，就写出过足以让他在物理学史上留名的论文;他刚满22岁就在超导领域做出了重要贡献;他促进了超导电子学的诞生，从理论上证明了两个超导体之间隧穿的特殊性质，他的工作开辟了物理学的新图景—他就是英国著名物理学家布莱恩·约瑟夫森。他的成长之路上都有哪些故事呢？
1940年1月4日
约瑟夫森的出生地卡迪夫（图片来源 / Wiki）
约瑟夫森出生于英国威尔士卡迪夫，在高中时期他就遇到了物理大师埃姆斯·琼斯，从他那里学到过关于理论物理的知识。
1957年
三一学院外景（供图 / 王江山）
约瑟夫森进入剑桥大学久负盛名的三一学院学习数学。可是，在读完两年之后，他觉得数学有点无趣，就把兴趣转向了物理。即使在天才云集的剑桥大学，约瑟夫森仍因聪明而闻名，不过人们都认为他是个害羞的小伙子。曾有一位考官这样评价他：“约瑟夫森这个家伙是谁？他似乎像刀切黄油一样清晰流畅地研究着理论。”在还只是个大学生的时候，约瑟夫森就发表了一篇关于穆斯堡尔效应的论文，在文章中指出了其他研究人员忽略的一个关键问题。约瑟夫森后来又写了好几篇重要论文，有人甚至认为，仅这几篇文章也足以保证约瑟夫森在物理学史上占有一席之地。那时人们还不知道，这个天才少年会在未来发现震惊世界的约瑟夫森效应。
1960年
蒙德實验室大楼（供图 / 王江山）
约瑟夫森获得物理学学士学位，来到蒙德实验室攻读研究生。美国物理学家菲利普·沃伦·安德森（1977年诺贝尔物理学奖得主）曾在那里当过一年讲师，他认为约瑟夫森是一个让他倍感压力的学生。菲利普回忆道：“作为一个年轻讲师，约瑟夫森这个学生总是令我感到不安，因为我必须保证课堂上讲的一切都是正确的，否则他就会在下课后来找我，并把错误解释给我听。”
1962年6月8日
菲利普·沃伦·安德森（供图 / 王江山）
约瑟夫森把计算结果发表在《物理评论快报》的一篇题为《超导隧穿的可能新效应》的论文中。后来这一结果被普林斯顿贝尔实验室的菲利普·沃伦·安德森和约翰·罗威尔通过实验证实。
1962年7月25日
美国物理学家约翰·巴丁（John Bardeen）（供图 / 王江山）
针对约瑟夫森的批评很快就出现了。批评他的还是一位学术大牛——诺贝尔物理学奖得主——约翰·巴丁，他向《物理评论快报》提交了一篇文章，认为“不可能存在这样的‘超流体流动。”
1962年
单个约瑟夫森结示意图（A和B为超导体，C为A和B微弱连接形成的薄绝缘层）（供图 / 王江山）
量子隧穿示意图（粒子的原本能量为E，位势垒的位势为V）（供图 / 王江山）
约瑟夫森开始攻读博士学位，从事量子隧道研究。在量子物理学中，物质被描述为波和粒子。在经典物理学的概念中，电子作为粒子时不能穿过位势垒（一种位势，位势又称重力势、重力位，指空气块在地球重力场下所具有的势能），但在量子物理学的视角下，电子作为辐射波就可以穿透位势垒，人们将这种现象称为量子隧穿效应（Quantum tunnelling effect）。此前，美国通用电气的伊瓦尔·贾埃弗（Ivar Giaever）曾在超导和正常状态下，通过一层由金属包裹的非常薄的氧化物层，证明了隧穿效应。约瑟夫森大受启发，他决定去分析隧穿理论，那时他就敏锐地预感到，超导体具有人们意想不到的性质。
超导体是指在某一温度下，电阻为零的导体，有许多奇特的性质，因此有很大的应用潜力。约瑟夫森通过计算发现，如果将两个超导体微弱连接在一起，那么这个结构可以成为一个薄的绝缘层（称为超导体–绝缘体–超导体接面，简称S-I-S）。如果两个超导体距离足够近，电子可以作为一种辐射波穿透超导体之间的极薄绝缘层而形成电流，而超导结上并不出现电压;如果超导结上加有电压，电流就停止流动并产生高频振荡，而此电流无论对于多小的磁场都有响应。这个形态就叫约瑟夫森结，由此产生的效应就是著名的约瑟夫森效应。
1962年9月
伦敦大学玛丽皇后学院（图片来源 / Wiki）
在伦敦大学玛丽皇后学院举行的第八届国际低温物理大会上，当举世闻名的巴丁开始讲话时，当时还是学生的约瑟夫森竟然站起来打断了他。他们就约瑟夫森的发现交换了意见，但人们回忆道，他们的争论并不是剑拔弩张，而是兩个人都彬彬有礼、轻声细语。
2012年11月
蒙德实验室大楼的约瑟夫森纪念牌匾（供图 / 王江山）
剑桥大学在蒙德实验室大楼悬挂了一块牌匾，以纪念约瑟夫森效应的发现。约瑟夫森结在量子线路中有许多重要的应用，例如超导量子干涉仪（SQUIDs）可用于地质学中高度敏感的测量，能在测定岩石磁力、探测矿藏分布方面大显身手;可用来制造超导隧道结探测器，装备在天文望远镜上，帮助人们探索宇宙的奥秘;人们可利用约瑟夫森效应制造元器件，如伏特计、安培计、数字电子设备等，利用该原理制作的元件更精准、更灵敏、功耗更小。在人们不断加深对约瑟夫森效应认知的过程中，超导电子学诞生，这是超导电性领域的重大进展，其在风力发电机、大功率推进电机、磁悬浮列车、质子治疗仪等精密仪器的制造过程中发挥了重要作用。
1964年
伊利诺伊大学（图片来源 / Wiki）
越来越多的科学家意识到约瑟夫森效应的意义，物理学家惠特克认为，约瑟夫森效应的发现催生了“非常重要的物理学”，可以广泛应用于医学和计算。在这一年约瑟夫森也顺利毕业，以论文《超导体的非线性传导》获得博士学位，并成为伊利诺伊大学研究助理教授。
1973年
2004年6月，约瑟夫森在德国林道举行的第54届诺贝尔奖得主大会上接受采访（图片来源 / The Nobel Prize）
约瑟夫森因对流经隧道阻挡层的超导电流特性的理论预测而获得诺贝尔物理学奖，而他做出这个理论预测时年仅22岁。
