库珀潇洒走一回，事了拂衣去

库珀只在伊利诺伊大学待了两年，在这里做出了BCS理论，这也几乎是他学术生涯中仅有的专注于固体物理学课题研究的两年。

撰文 | 林志忠 (台湾阳明交通大学电子物理系)

来源 | 选自《物理》2025年第11期

经典超导体理论称为 Bardeen—Cooper—Schrieffer (BCS) 理论，其中第二位作者库珀 (Leon Cooper, 1930—2024) 在构思及建立该套理论的参与过程与杰出贡献，可谓是潇洒走一回，“事了拂衣去” (李白《侠客行》：事了拂衣去，深藏身与名) 。

2017年1月中旬，在布朗大学物理系为 J. Michael Kosterlitz 荣获2016年诺贝尔物理学奖举办的全系师生欢庆会上，库珀(左)和Kosterlitz的合影(取自欢庆会影片)

1950年代初期，超导理论的研究如火如荼，巴丁 (John Bardeen,1908—1991) 无疑是其中一员大将，他置身美国中西部伊利诺伊州的一望无际玉米田中，带领着几位初出茅庐的博士后和博士生，挺身攻坚。最初的两位博士后包括李政道 (1926—2024) 和派恩斯 (David Pines,1924—2018)(后来伊利诺伊大学物理系助教Francis Low也加入了他们的研究行列)，但到了1955年夏天，两人都已离开了伊利诺伊大学。

派恩斯与巴丁共事三年 (1952—1955)，两人深入探讨了金属中的电子和声子 (量子化的晶格原子振动) 作用问题，这是迈向超导体理论的重要一步。派恩斯于1955年获得普林斯顿大学助理教授职位，前往任教，因此巴丁着急寻找一位既“精通场论并愿意从事超导性研究”的同事，与他一起破解超导体之谜。经巴丁向普林斯顿大学高等研究院询问，杨振宁 (1922—2025) 向他推荐了库珀。库珀的博士论文研究的是核子理论，精于量子场论和多体作用问题，但他对固体物理一无所知，甚至未曾听过“超导体”一词。

1955年9月，几经思考之后，库珀欣然接受邀约来到伊利诺伊大学，他一边在巴丁指导下自学超导体物理，一边向物理系同仁讲解量子场论及其计算方法。埋首学习与探究仅约一年时间之后，他已构思出超导 “电子对” (Cooper pairs) 的概念并完成计算，且将论文投稿到Physical Review (1956年9月)，于11月中旬刊出。

紧接下来的半年多时间，BCS三人比往昔更加勤勉工作，奋力抢关计算，因为巴丁非常担忧天才横溢的费曼会捷足先登，率先提出一套理论解答超导性问题。1957年7月，三人终于完成复杂庞大的计算，并把长达30页，标题直截了当更直指核心取为“超导理论” (Theory of Superconductivity) 的论文投至Physical Review，于12月刊登。时年，库珀27岁，施里弗26岁，巴丁49岁。

这篇青史留名的BCS超导理论论文投稿之后，库珀也就离开了伊利诺伊大学，前往俄亥俄州立大学担任助理教授。1958年，他转任布朗大学的副教授职位，不久晋升为讲座教授，直到2024年10月逝世，享年94岁。

所以，库珀只在伊利诺伊大学待了两年，这也几乎是他学术生涯中仅有的专注于固体物理学课题研究的两年。库珀的最爱是人工神经网络和人工智能，1973年他在布朗大学创立了“大脑和神经系统研究所” (Institute for Brain and Neural Systems)，对该领域贡献良多，而且他是一位人工智能的先驱。——据说，库珀从中学起就最喜欢生物学，但他觉得读物理要趁年轻，而且他认为研究物理能让人对复杂的自然现象培养深刻的洞察力，因此高中毕业后他选择就读物理系和物理研究所。

1972年，BCS三人因 (后来) 以其姓氏命名的超导理论获得了诺贝尔物理学奖。这一时刻，派恩斯心中不知是否曾隐约浮起一丝幽微苦涩之感，因为利用场论方法计算电子—电子以及电子—声子的多体作用性质，也是他的专长。然而，世间有几位年轻人 (及资深学者) 能抗拒得了普林斯顿大学提供的教职橄榄枝？况且，在他离开伊利诺伊大学的1955年夏天，巴丁 (以及全球的物理学家们都) 还缺乏明确无疑的头绪，尚未找到撬开超导理论大门的具体可行敲门砖，而学术资历稚嫩的施里弗 (John Robert Schrieffer，1931—2019) 才刚刚选择了超导理论作为他的博士论文研究课题，库珀则仍完全是个固体物理学的局外人。

库珀后来曾经半开玩笑地回忆说，如果他不是个局外人，知道超导体自被发现之后的40多年间 (从1911年至1950年代中期)，爱因斯坦、玻尔、海森伯、泡利、费曼和朗道，以及其他无数当代著名物理学家都曾绞尽脑汁，费力尝试解开超导机制之谜，但最终全部功败垂成，很可能他当初就一口回绝了巴丁的邀请，逃之夭夭了。又，巴丁深思熟虑，洞烛机先，深知要攻克超导理论难关，必须邀请一位像库珀这样精通量子场论的年轻人参与，显然他能获得两次诺贝尔物理学奖，绝非侥幸！

后 记：落笔写完这篇短文之后，并回想先前《安德森局域化理论的起源》一文(《物理》，2023，52(5)：361)，突然意识到库珀和安德森两人的漫长学术生涯与人生，似乎“没有交集”。安德森年长库珀7岁，生于1923年，卒于2020年，两人都是美国人，都长年居住于美东海岸，且都长寿，又都是凝聚态物理学泰斗，(从科学文献上看来)却几乎没有互动，不免令人好奇。一个可能的解释是库珀从1970(甚至1960)年代起就转换跑道、离开凝聚态物理学研究，但这一点理由似乎不够坚实充分，因为安德森与许多不同领域和方向的杰出学者都有往来。况且，库珀的最爱是“复杂(生物)系统”，而复杂系统正是安德森据以提出后来让他扬名立万的“More is different” (多则生异)观点的重要基石。另外一个理由，则有可能是源自“瑜亮情结”吗？当26、27岁初出茅庐的库珀埋首破解超导性这一著名世纪谜团——当时理论物理学界的“圣杯”——之时，安德森正心无旁骛地专心于建构他的无序系统中的局域化理论，及构思(非磁性)金属中的(杂质)局域磁矩如何形成，这不但使得两人的学术兴趣与焦点错身而过，更让安德森比库珀晚了5年才获得诺贝尔物理学奖，安德森会因为错过成为超导理论之父(安德森也热爱并关注超导体物理)而耿耿于怀吗？

致 谢 感谢辅仁大学吴至原副教授和天津大学李志青教授仔细阅读文稿及提供修正意见。

本文经授权转载自微信公众号“中国物理学会期刊网”。

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