Brian Josephson — 用中文阅读

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在液氦的冰冷怀抱中，一个看似不可能的现象正在发生：电流毫不费力地流动，不受电阻的阻碍。这就是超导性，一种电子完美同步运动的量子态。但在 一九六二年，一位年轻的英国物理学家布赖恩·约瑟夫森预测了一些更非凡的事情。他提出，这种“超电流”可以量子隧穿过一个将两个超导体分开的薄绝缘屏障，这在经典物理学看来是不可能实现的壮举。

要理解约瑟夫森的洞见，我们必须首先理解超导现象。超导现象由海克·卡末林·昂内斯于一千九百一十一年发现，它指的是某些材料被冷却到接近绝对零度时，能够以零电阻传导电流的状态。电子不再散射，而是配对形成“库珀对”——这是一种精妙的量子舞蹈，使它们能够不受阻碍地滑过材料，无限期地携带电流。这种宏观量子现象为未来的突破奠定了基础。

在约瑟夫森之前，电子穿过绝缘体的想法似乎是矛盾的。然而，量子力学原理允许“隧穿”现象的发生。在这种反直觉的效应中，粒子可以穿过能量势垒，即使它不具备足够的经典能量来逾越它。这就像一个球可以穿过一堵没有洞的墙，这纯粹是量子力学的概率。这种现象已经由利奥·江崎在半导体中观察到，并由伊瓦尔·贾埃弗在超导体中观察到。

剑桥大学的博士生布莱恩·约瑟夫森在量子隧穿效应的基础上，取得了深刻的理论飞跃。之前的研究表明单个电子可以隧穿，但约瑟夫森大胆地提出：库珀对能否隧穿？更关键的是，超电流——即成对电子的流动——能否在不施加任何电压的情况下，穿过两个超导体之间的薄绝缘层？这是一个激进的突破，预示着一种宏观量子效应。

约瑟夫森的预测，现在被称为直流约瑟夫森效应，指出超电流确实可以在没有外加电压的情况下流过这样的“结”，直到达到临界电流。这意味着描述库珀对的量子力学波函数在绝缘势垒上保持其相干性或“相位”。这是量子力学在宏观尺度上的直接体现，着实令人惊叹。

除了直流超电流，约瑟夫森还预测了交流约瑟夫森效应：如果在一个结上施加电压，超电流将以与该电压成比例的、极其精确的频率振荡。这一开创性的预测意味着电压可以被转换成频率，反之亦然，且精度无与伦比。这种基本关系已成为高精度计量学的基石。

约瑟夫森的理论预测很快在 一九六二至一九六三年间，由贝尔实验室的菲利普·安德森和约翰·罗威尔通过实验证实。他在攻读博士学位期间完成的这项工作，以其清晰性和深刻性，为他赢得了 一九七三年诺贝尔物理学奖的殊誉，使他成为有史以来最年轻的获奖者之一，年仅三十三岁。他的工作与江崎和贾埃弗的研究一道，展示了量子力学在解释宏观现象方面的强大力量。

约瑟夫森效应最显著的应用之一是超导量子干涉仪，简称 SQUID。这些极其灵敏的磁力计可以探测到比地球磁场弱数百万倍的磁场。SQUID 利用超电流穿过两个平行约瑟夫森结时的量子干涉现象，从而产生一个高度灵敏的磁场探测器。

SQUID 彻底改变了多个领域，从医学上绘制大脑活动产生的极其微弱的磁场图（脑磁图，MEG），到地质学上探测地下深处细微的磁异常。除了 SQUID，约瑟夫森结还是量子计算中的基本组成部分，充当超导量子比特。它们精确的量子行为，由约瑟夫森预测，为释放无与伦比的计算能力提供了途径。

布莱恩·约瑟夫森的开创性工作，将量子力学的微观世界与宏观可观测现象联系起来。他作为学生时推导出的方程，不仅揭示了一种新的量子效应，还催生了一代超灵敏传感器，并为未来的量子技术奠定了基础。他的遗产提醒我们，即使是最抽象的理论预测，也能极大地重塑我们对物理学的理解，并推动未来的创新。