諾貝爾物理學獎得主，如何兌現對瑞典國王的承諾？
從你手中滑動的手機開始，人類其實正在操控數十億個電子開關，而這一切的起點，來自1947年電晶體的誕生，實現這裝置的主要研究人員之一就是John Bardeen，他因此獲得了諾貝爾物理學獎，然而，在領獎的時候，卻被瑞典國王責備為什麼沒把家人都帶來，於是他答應國王下一次定會帶上家人，原本以為只是一句客套話，竟在16年後，Bardeen實現了這個承諾，在獲得兩次的諾貝爾獎的殊榮之後，縱使聲名大噪，他仍然過著一個烤漢堡的平凡人生，讓我們一起來看看這位傳奇人物的人生軌跡。
撰文｜黃鼎鈞
如果你現在把手機放在手中，輕輕滑動螢幕，你其實正在操控數十億個電子開關，每一次點擊、每一段影像、每一則訊息，背後都依賴著一個簡單的機制：讓電流「通過」或「停止」，但在不到一個世紀之前，人類甚至還不知道，這樣的控制可以在一塊固體材料中完成，這個改變世界的轉折點，發生在1947年的一間實驗室裡，而其中一位關鍵人物，是一位安靜的物理學家：John Bardeen (1908–1991)。
Bardeen出生於1908年，美國威斯康辛州麥迪遜。1923年進入威斯康辛大學，於1928年取得電機工程學士學位，1929年進一步完成碩士訓練，隨後轉往普林斯頓大學攻讀物理，並於1936年取得博士學位，第二次世界大戰期間 (1941–1945)，Bardeen曾在海軍軍械實驗室工作，研究水雷與魚雷相關問題。戰後，他進入貝爾實驗室，加入固態物理研究小組，同時在這一個年代，人們正在尋找能取代真空管的電子技術，因為真空管雖然能放大訊號，但他笨重的體積、龐大的耗電、有限的壽命，成為了電子產品的巨大限制，為了突破這一個瓶頸，科學家需要尋找一種全新控制電流的方式，讓電子系統變得更小、更節能、更可靠。
現代電子元件的起點：點接觸電晶體
Bardeen出生於1908年，美國威斯康辛州麥迪遜。1923年進入威斯康辛大學，於1928年取得電機工程學士學位，1929年進一步完成碩士訓練，隨後轉往普林斯頓大學攻讀物理，並於1936年取得博士學位，第二次世界大戰期間 (1941–1945)，Bardeen曾在海軍軍械實驗室工作，研究水雷與魚雷相關問題。戰後，他進入貝爾實驗室，加入固態物理研究小組，同時在這一個年代，人們正在尋找能取代真空管的電子技術，因為真空管雖然能放大訊號，但他笨重的體積、龐大的耗電、有限的壽命，成為了電子產品的巨大限制，為了突破這一個瓶頸，科學家需要尋找一種全新控制電流的方式，讓電子系統變得更小、更節能、更可靠。
1947年，Bardeen與Walter Brattain (1902–1987) 找到了一種全新的方式來放大電子訊號，他們將兩個金屬接點放在一塊半導體材料上，著對其中一端施加電壓，另一個接點的電流竟不成比例地放大，也就是說，電子傳遞不再是在真空中飛行，而是在固態半導體材料中完成，這打開了電子元件微縮的大門，這一個元件後來被稱為「點接觸電晶體」。
有趣的是，這項成功讓當時的固態物理研究小組組長William Shockley (1910–1989) 感到被冷落，因為Bardeen與Walter Brattain是在私下完成這項成果的，隨後，William Shockley在短時間內，從載子在半導體中的傳輸機制出發，建立理論模型，並設計出以p–n接面為核心的結構，將原本較不穩定的「點接觸電晶體」改良為更具可製造性與穩定性的「接面電晶體」，這項成果也成為後來雙極性接面電晶體 (Bipolar Junction Transistor, BJT) 的基礎。
我們現在所享受的科技，像是個人電腦、智慧型手機，裡頭都是上億個電晶體所組成的，而Bardeen正是其中一位成功做出第一塊磚的人。
1956年諾貝爾物理學獎
1956年，Bardeen、Brattain與William Shockley因半導體研究與電晶體效應的發現，共同獲得諾貝爾物理學獎。依照傳統，諾貝爾獎每年於斯德哥爾摩舉行頒獎典禮，由瑞典國王親自頒發獎章與證書，就在Bardeen從瑞典國王Gustaf VI Adolf (1882–1973) 手中接獲獎項的時刻，也發生了一段有趣的插曲。
Bardeen 當時只有帶著他的大兒子James Maxwell Bardeen出席頒獎典禮，瑞典國王Gustaf VI Adolf就幽默地責備他：「你應該帶全家人一起來的，這麼重要的時刻，應該讓全家人都來見證。」Bardeen回答：「因為其他小孩還在學校上課，我不想打擾他們的學習。」但他也答應：「下次我會把他們都帶來。」，當時大家都覺得這只是一個玩笑話，畢竟誰能預料自己拿到第二次諾貝爾獎呢？ 但Bardeen真的做到了。
Bardeen的第二座諾貝爾獎，實現對瑞典國王的承諾
1951年離開貝爾實驗室後，Bardeen至伊利諾大學香檳分校 (University of Illinois at Urbana-Champaign) 任教，他著手處理另一個困擾物理學界已久的問題：超體現象。早在1911年，科學家就發現某些材料在極低溫下電阻會完全消失，電流可以無耗損地流動，然而，這個現象雖然被發現了幾十年，真正的機制卻始終沒有被釐清。到了1957年，Bardeen（1908–1991）與Leon Cooper (1930– ) 以及John Robert Schrieffer (1931–2019) 共同提出的BCS (Bardeen–Cooper–Schrieffer) 理論，終於給出了答案。這個理論指出，在特定條件下，電子可以透過晶格振動形成「庫柏對」，成對後，是以一個整體一起運動，穿過晶格時不再被雜亂地散射，因此，電流在流動時幾乎不再被阻攔，造成電阻降為零，並可形成持續電流，這理論不僅解釋了超導現象，也改變了物理學家對量子多體系統的理解。
因BCS理論成功描述了超導現象，1972年，Bardeen再次獲得諾貝爾物理學獎，這一次，他真的履行當年對瑞典國王的承諾，帶著全家人一同前往瑞典，他不只是完成了承諾，他也成為第一位獲得兩次相同領域諾貝爾獎的人。即使擁有如此罕見的成就，Bardeen在日常生活中是位低調、安靜、平凡的人，根據《True Genius: The Life and Science of John Bardeen》這本書的記載，鄰居多描述他是一位會在後院烤漢堡、與家人野餐、喜歡打高爾夫的人，許多人甚至不知道這位靜悄悄的鄰居，竟然是「兩次諾貝爾物理學獎得主」，書中甚至寫到，Bardeen的形象與一般張揚的天才形象截然不同。
電晶體讓人類得以精準地控制資訊的流動，BCS理論揭開了物質深處的量子秩序，而Bardeen的一生，彷彿告訴我們，在非凡之後，回到那沒有喧嘩、不用張揚的平凡日常，那才是真實的日子。
參考文獻
- Hoddeson, L., & Daitch, V. (2002). True genius: the life and science of John Bardeen: the only winner of two Nobel Prizes in physics. Lillian Hoddeson, 10372.
- Neamen, D. A., & Biswas, D. (2011). Semiconductor physics and devices (pp. 106-169). New York: McGraw-Hill higher education.