當(dāng)他還只是個(gè)大學(xué)生的時(shí)候，就寫出過(guò)足以讓他在物理學(xué)史上留名的論文;他剛滿22歲就在超導(dǎo)領(lǐng)域做出了重要貢獻(xiàn);他促進(jìn)了超導(dǎo)電子學(xué)的誕生，從理論上證明了兩個(gè)超導(dǎo)體之間隧穿的特殊性質(zhì)，他的工作開(kāi)辟了物理學(xué)的新圖景—他就是英國(guó)著名物理學(xué)家布萊恩·約瑟夫森。他的成長(zhǎng)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(lái)源 / Wiki）

約瑟夫森出生于英國(guó)威爾士卡迪夫，在高中時(shí)期他就遇到了物理大師埃姆斯·瓊斯，從他那里學(xué)到過(guò)關(guān)于理論物理的知識(shí)。

1957年

三一學(xué)院外景（供圖 / 王江山）

約瑟夫森進(jìn)入劍橋大學(xué)久負(fù)盛名的三一學(xué)院學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)。可是，在讀完兩年之后，他覺(jué)得數(shù)學(xué)有點(diǎn)無(wú)趣，就把興趣轉(zhuǎn)向了物理。即使在天才云集的劍橋大學(xué)，約瑟夫森仍因聰明而聞名，不過(guò)人們都認(rèn)為他是個(gè)害羞的小伙子。曾有一位考官這樣評(píng)價(jià)他：“約瑟夫森這個(gè)家伙是誰(shuí)？他似乎像刀切黃油一樣清晰流暢地研究著理論?！痹谶€只是個(gè)大學(xué)生的時(shí)候，約瑟夫森就發(fā)表了一篇關(guān)于穆斯堡爾效應(yīng)的論文，在文章中指出了其他研究人員忽略的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。約瑟夫森后來(lái)又寫了好幾篇重要論文，有人甚至認(rèn)為，僅這幾篇文章也足以保證約瑟夫森在物理學(xué)史上占有一席之地。那時(shí)人們還不知道，這個(gè)天才少年會(huì)在未來(lái)發(fā)現(xiàn)震驚世界的約瑟夫森效應(yīng)。

1960年

蒙德實(shí)驗(yàn)室大樓（供圖 / 王江山）

約瑟夫森獲得物理學(xué)學(xué)士學(xué)位，來(lái)到蒙德實(shí)驗(yàn)室攻讀研究生。美國(guó)物理學(xué)家菲利普·沃倫·安德森（1977年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主）曾在那里當(dāng)過(guò)一年講師，他認(rèn)為約瑟夫森是一個(gè)讓他倍感壓力的學(xué)生。菲利普回憶道：“作為一個(gè)年輕講師，約瑟夫森這個(gè)學(xué)生總是令我感到不安，因?yàn)槲冶仨毐ＷC課堂上講的一切都是正確的，否則他就會(huì)在下課后來(lái)找我，并把錯(cuò)誤解釋給我聽(tīng)?！?h3>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(jì)算結(jié)果發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》的一篇題為《超導(dǎo)隧穿的可能新效應(yīng)》的論文中。后來(lái)這一結(jié)果被普林斯頓貝爾實(shí)驗(yàn)室的菲利普·沃倫·安德森和約翰·羅威爾通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)。

1962年7月25日

美國(guó)物理學(xué)家約翰·巴?。↗ohn Bardeen）（供圖 / 王江山）

針對(duì)約瑟夫森的批評(píng)很快就出現(xiàn)了。批評(píng)他的還是一位學(xué)術(shù)大牛——諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主——約翰·巴丁，他向《物理評(píng)論快報(bào)》提交了一篇文章，認(rèn)為“不可能存在這樣的‘超流體流動(dòng)?！?h3>1962年

單個(gè)約瑟夫森結(jié)示意圖（A和B為超導(dǎo)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(shì)壘的位勢(shì)為V）（供圖 / 王江山）

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

超導(dǎo)體是指在某一溫度下，電阻為零的導(dǎo)體，有許多奇特的性質(zhì)，因此有很大的應(yīng)用潛力。約瑟夫森通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，如果將兩個(gè)超導(dǎo)體微弱連接在一起，那么這個(gè)結(jié)構(gòu)可以成為一個(gè)薄的絕緣層（稱為超導(dǎo)體–絕緣體–超導(dǎo)體接面，簡(jiǎn)稱S-I-S）。如果兩個(gè)超導(dǎo)體距離足夠近，電子可以作為一種輻射波穿透超導(dǎo)體之間的極薄絕緣層而形成電流，而超導(dǎo)結(jié)上并不出現(xiàn)電壓;如果超導(dǎo)結(jié)上加有電壓，電流就停止流動(dòng)并產(chǎn)生高頻振蕩，而此電流無(wú)論對(duì)于多小的磁場(chǎng)都有響應(yīng)。這個(gè)形態(tài)就叫約瑟夫森結(jié)，由此產(chǎn)生的效應(yīng)就是著名的約瑟夫森效應(yīng)。

1962年9月

倫敦大學(xué)瑪麗皇后學(xué)院（圖片來(lái)源 / Wiki）

在倫敦大學(xué)瑪麗皇后學(xué)院舉行的第八屆國(guó)際低溫物理大會(huì)上，當(dāng)舉世聞名的巴丁開(kāi)始講話時(shí)，當(dāng)時(shí)還是學(xué)生的約瑟夫森竟然站起來(lái)打斷了他。他們就約瑟夫森的發(fā)現(xiàn)交換了意見(jiàn)，但人們回憶道，他們的爭(zhēng)論并不是劍拔弩張，而是兩個(gè)人都彬彬有禮、輕聲細(xì)語(yǔ)。

2012年11月

蒙德實(shí)驗(yàn)室大樓的約瑟夫森紀(jì)念牌匾（供圖 / 王江山）

劍橋大學(xué)在蒙德實(shí)驗(yàn)室大樓懸掛了一塊牌匾，以紀(jì)念約瑟夫森效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)。約瑟夫森結(jié)在量子線路中有許多重要的應(yīng)用，例如超導(dǎo)量子干涉儀（SQUIDs）可用于地質(zhì)學(xué)中高度敏感的測(cè)量，能在測(cè)定巖石磁力、探測(cè)礦藏分布方面大顯身手;可用來(lái)制造超導(dǎo)隧道結(jié)探測(cè)器，裝備在天文望遠(yuǎn)鏡上，幫助人們探索宇宙的奧秘;人們可利用約瑟夫森效應(yīng)制造元器件，如伏特計(jì)、安培計(jì)、數(shù)字電子設(shè)備等，利用該原理制作的元件更精準(zhǔn)、更靈敏、功耗更小。在人們不斷加深對(duì)約瑟夫森效應(yīng)認(rèn)知的過(guò)程中，超導(dǎo)電子學(xué)誕生，這是超導(dǎo)電性領(lǐng)域的重大進(jìn)展，其在風(fēng)力發(fā)電機(jī)、大功率推進(jìn)電機(jī)、磁懸浮列車、質(zhì)子治療儀等精密儀器的制造過(guò)程中發(fā)揮了重要作用。

1964年

伊利諾伊大學(xué)（圖片來(lái)源 / Wiki）

越來(lái)越多的科學(xué)家意識(shí)到約瑟夫森效應(yīng)的意義，物理學(xué)家惠特克認(rèn)為，約瑟夫森效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)催生了“非常重要的物理學(xué)”，可以廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)和計(jì)算。在這一年約瑟夫森也順利畢業(yè)，以論文《超導(dǎo)體的非線性傳導(dǎo)》獲得博士學(xué)位，并成為伊利諾伊大學(xué)研究助理教授。

1973年

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

約瑟夫森因?qū)α鹘?jīng)隧道阻擋層的超導(dǎo)電流特性的理論預(yù)測(cè)而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，而他做出這個(gè)理論預(yù)測(cè)時(shí)年僅22歲。