逝者 | BCS超导理论开创者库珀去世，享年94岁

学术 2024-11-01 10:02 北京

库珀因对解释超导性的BCS理论做出的重要贡献而闻名。

图源：https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1972/cooper/biographical/

导读：

2024年10月23日，超导领域的著名理论物理学家利昂·库珀（Leon N. Cooper）去世，享年94岁。

库珀27岁就发表了著名的巴丁-库珀-施里弗 (BCS) 理论，这一革命性工作成功了解释低温超导体的超导性。1972年，42岁的库珀因BCS理论获得诺贝尔奖。他之后转向一直很感兴趣的神经科学和记忆的研究，同样取得了很高的成就。

“在人类智力最重要的方面——想象力上，是没有任何限制的。我们的想象力是奇妙地自由的，能够进行任何组合，不受逻辑或经验的约束。”1984年，库珀在一篇讨论人类智力与极限的论文中表示。

瞿立建 | 撰文

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对生物感兴趣，

所以学了物理专业

库珀于1930年2月28日生于纽约一个犹太人家庭。他的父亲来自白俄罗斯，为孟什维克分子，在布尔什维克夺取俄国政权后，逃亡至美国。他的母亲是波兰移民。库珀7岁时，母亲因病去世，父亲变卖了所有家产以支付医疗账单，库珀和妹妹便寄养在别人家数年。

库珀自幼喜好科学。他在所寄养的家庭里有一个小的实验室，做光学、化学和电学实验。某一天，12岁的库珀在混合化学药品的时候炸毁壁橱，幸亏没伤到人。

1947年，库珀毕业于布朗克斯科学高中（Bronx High School of Science）。这所中学是世界上诺贝尔奖校友最多的高中，库珀是该校出来的第一位诺贝尔奖得主，在他之后至今又有8位校友相继获得诺贝尔奖得主。

库珀参加西屋科学奖竞赛，研究项目为培育抗盘尼西林的细菌

在这所著名高中，有装备良好的实验室，有高水平的老师指导，库珀充分释放了他对科学的热情，尤其热衷于做生物学实验。

1947年，库珀参加西屋科学奖竞赛。这项赛事（后来相继由英特尔、再生元冠名）类似我国的全国青少年科技创新大赛，选手中涌现出13位诺贝尔奖得主。库珀入围了决赛，他完成的项目虽未获得最终的大奖，但助他入读哥伦比亚大学。

库珀对生物学最感兴趣，但选择了物理专业。他当时认为，生物学什么时候学都不晚，物理学此时不学以后想学也学不懂了，并且物理学能让人对复杂的自然现象有更深刻的洞察。

1951年，库珀获得学士学位，之后继续在哥伦比亚大学读研究生。

库珀的博士导师为罗伯特·瑟伯尔（Robert Serber，1909年3月14日—1997年6月1日），是奥本海默的学生，在曼哈顿计划中发挥了重大作用，被誉为“原子弹的知识助产士”。

库珀的研究课题为介子原子（普通原子的一个或多个电子换成介子即为介子原子）的理论研究。库珀很快完成了研究，三年便获得了博士学位。然后，瑟伯尔将他送到了普林斯顿高等研究院做博士后，那时高等研究院的院长是库珀的师爷奥本海默。

于是，库珀在1954年来到普林斯顿高等研究院从事量子场论方面的研究。

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量子场论干不动，

不如去超导领域冒险

库珀在高研院的研究难以推进，感觉量子场论中好做的题目都被戴森、费曼、施温格等大师做光了，剩下的都是难啃的硬骨头。库珀想着，在物理上再做点工作，就转去做生物。

1955年的一天，高研院的杨振宁找到他，说伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（UIUC）的教授约翰·巴丁（John Bardeen）要他推荐一个精通场论的年轻人，你愿不愿意跟巴丁研究。库珀回答愿意。

巴丁是半导体物理学家、晶体管发明者之一，自读研究生时就对超导问题感兴趣。1951年，巴丁从贝尔实验室跳槽至UIUC任教。他终于有条件全力解决一直感兴趣的超导问题。

巴丁早已洞察到量子场论可能是破解超导之谜的强有力工具，他招募了一位精通场论的博士后一起工作。但在1955年，这位博士后获得了普林斯顿大学的教职后离开。巴丁需要一位新的合作者，请杨振宁推荐一个愿意离开高大上的高能物理领域，跟自己研究超导机制的人选。杨振宁向他推荐了库珀。

巴丁来到普林斯顿与库珀会面。库珀对巴丁说，自己对超导一无所知，巴丁说，自己可以教他。

库珀思考了几个月后，同意去超导领域冒险。库珀事后回忆道，当时不知道很多物理宗师级人物，如玻尔、海森堡、费曼，甚至爱因斯坦，都曾涉足超导问题而无功而返，如果当时知道的话，未必有勇气踏足超导。

1955年9月，库珀来到UIUC。他与巴丁和他的研究生约翰·罗伯特·施里弗（John Robert Schrieffer，1931年5月31日—2019年7月27日）一起开展工作。

初到UIUC，巴丁让库珀一边向物理系同事们讲解量子场论，一边学习超导文献。随着所了解的知识的增长，库珀逐渐感觉到，费曼图等量子场论技术不能用于研究超导机制问题，因为前者属于微扰论，而超导为相变现象。微扰论要求有些常数是非常小的，函数是连续平缓变化的，而相变现象中热力学函数会有突变，并使得微扰论中用到的非常小的常数变得非常大。

量子场论中也有非微扰的数学工具，但库珀和施里弗完全不熟悉，决定先不使用这些方法。后来，这些方法为苏联科学家列夫·戈尔科夫（Lev Gor'kov）所用。

巴丁多年前就洞察到，理解超导机制的核心在于，无电阻的超导态相对有电阻的正常金属态应该是一个能量较低的稳定态——即两者之间存在能隙。库珀决定先研究清楚，能隙是如何来的。

库珀直接研究多电子系统，各种理论工具轮番上场，一番操作猛如虎，回头一看进展无，感到有点泄气。

1955年12月，圣诞节假期到了，库珀返回纽约与家人团聚。火车上的旅程需要大约17个小时，他开始思考自己的问题。灵感突如其来：把研究对象简化到了极致，只考虑两个电子，会怎么样？

库珀度假回来之后，开始处理火车上想到的简化模型，经过几个月的工作，真的推导出能隙的存在。也就是说，一对电子之间倘若存在弱的吸引相互作用，只要动量相反和自旋相反，就可以实现稳定的低能组态！这种结成对的电子后来被称为库珀对。

库珀取得这个突破之后，巴丁激励这个三人小组分工合作，终于在1957年建立了超导的微观理论，圆满解释了超导现象的各种性质。他们建立的理论后来就用他们姓氏的首字母命名为BCS理论。

超导体中库珀对形成机制示意图。图源：《超导小时代》一书插图

随后的几年里，BCS三人小组和其他理论学家继续完善该理论，以应对其他科学家提出的各种批评。BCS理论后来得到进一步实验证实，增强了人们对其作为超导标准理论的共识。

1957年，库珀离开UIUC，在俄亥俄州立大学短暂任职，随后于1958年赴布朗大学任教，直至退休。

1959年，库珀与合作者应用BCS理论预言在足够低的温度下氦-3液体是超流体，即没有粘性可以一直流动的液体。他们的讨论为其他物理学家所完善。1970年代，氦-3液体的超流现象在实验室中被观测到，这进一步巩固了BCS理论的地位。

对BCS理论更深入的探讨催生了对称性破缺的概念，这个对粒子物理产生了巨大影响，尤其是为希格斯玻色子理论所借鉴。

1972年，库珀与巴丁和施里弗因BCS理论获得诺贝尔物理学奖。

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诺奖在手，

回归生物学兴趣

此时，库珀感觉，BCS余下的课题都是很技术化的题目，没太大意思了，应该投身于新的领域。

他转向了研究自己心心念念的生物学了。

库珀觉得自己远离实验室很久了，像分子生物学这样的学科就不合适去做，但神经科学会有自己的专长的用武之地。库珀是多体问题专家。多体问题即一个由大量微观粒子组成的系统的问题，而库珀研究的超导是晶体中大量电子在低温下展现的性质，因此属于多体问题。库珀认为，当时的生物学家已经对于单个的神经元的认识已经比较清楚了，但对于思维是如何发生的几乎无理解，而思维就是个多神经元问题。

1973年，库珀组建了布朗大学神经科学中心（现在的脑与神经系统研究所，the Institute of Brain and Neural Systems at Brown University），组织数学、物理、生物医学、语言学等学科的学者和研究生，一起探讨认知和神经科学难题。

库珀尝试将理论物理工具和方法论应用于神经科学，研究人类或动物的神经网络，以得出对记忆和其他大脑功能的理论理解。他的主要成就之一是1982年提出的突触可塑性的 BCM 理论。BCM是这个理论提出者的姓氏首字母。

突触可塑性（Synaptic plasticity）指神经细胞间相连之处——即突触——连接强度能改变的性质。在BCM理论提出之前，最流行的突触可塑性理论来自加拿大心理学家唐纳德·赫布（Donald O. Hebb），他的理论可稍显简单粗暴地总结为“在一起活动的神经细胞，将会连接在一起”（Cells that fire together, wire together.）。

赫布的理论有不合理之处，即神经连接不会变弱，会一直变强，且变强没有上限。

1970年代，很多人尝试修正赫布的理论，最本质的改进来自BCM理论。BCM理论认为，当突触活动接近饱和水平时，驱动它们的电信号将变得不那么有效，并且突触连接将恢复到不太饱和的水平。因此，连接会在饱和和不饱和之间振荡。

BCM理论经受了实验的考验，并且与学习与记忆的分子理论相融洽（Nature Reviews Neuroscience, 2012, 13(11), 798–810. doi:10.1038/nrn3353）。

2007年，库珀在布朗大学的一次会议上。图源：维基百科

库珀在人工神经网络方面也做了很多重要工作。他还是AI创业者，参与创办了多家AI公司，其中最有名的是Nestor。

上个世纪的八十年代的美国，AI公司如雨后春笋般出现，盛况宛如今天，库珀参与创办的Nestor公司就是其中一家。Nestor公司开发出能进行案例学习的系统，模仿人在风险评估、抵押贷款、信用卡欺诈等情形中的决策行为，还能帮军方识别雷达、声呐信号中的靶标。Nestor公司最成功的产品是手写字识别系统，被银行广泛采购，用于识别支票手写金额。不过，Nestor公司一直没有盈利。

1994年，Nestor公司还与英特尔合作，开发出了AI芯片 Ni1000。这款新品最初的商业应用场景是光学字符识别，可以1秒钟识别100个手写字符。2009年，Nestor公司被并购。

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卓越教科书，

中文世界获新生

库珀在教学方面的相关资料很少，在线版大英百科全书提到，库珀教过很多课程，尤其热心于向人文专业学生讲授物理课。

2014年，库珀出版了Science and Human Experience: Values, Culture, and the Mind的论文集，探讨了科学有极限吗、秩序从何而来、我们能否理解意识等许多基本而复杂的问题。

他还写了一部教科书，An Introduction to the Meaning and Structure of Physics，是面向非物理专业的普通物理教科书，在1968年出版。普通物理的意思是物理总论或概论。这本书将物理现象、物理学史、物理知识有机地融于一体。本书语言生动活泼幽默，还穿插有趣的漫画，与严肃的扑克脸的教科书大相径庭。本书立意高远，从书名就可看出，绝不仅仅满足于传授物理知识，而是让读者对于物理学有更深刻的鉴赏力。

本书在1981年译成中文版，书名为《物理世界》。2017年，中科院半导体所研究员姬扬老师热情推荐此书，呼吁寻找原译者重译此书。

2018年，原译者汲长松老师被找到，另一译者杨基方老师遗憾已过世。汲长松老师欣然重译此书，并于2023年由高等教育出版社出版。

新版《物理世界》图源：高等教育出版社

与此书在中文世界获得新生不同，英文原版绝版已久。Amazon上有读者激愤留言：本书绝版，堪称耻辱。

参考资料：

[1]林岛诺贝尔奖获得者大会对库珀生平的介绍：https://mediatheque.lindau-nobel.org/laureates/cooper/research-profile

[2]纽约时报讣告：https://www.nytimes.com/2024/10/25/science/leon-cooper-dead.html

[3]BCS: 50 Years，World Scientific Publishing，2010。本书前三篇文章为库珀、施里弗、巴丁分别写的回顾创建BCS的文章（施里弗的文章为访谈）。

[4]Talking Nets: An Oral History of Neural Networks, MIT Press。本书第4篇文章为库珀的访谈，详解了他参与的神经科学和人工智能方面的研究。

[5]旷世奇才——巴丁传，上海科技教育出版社，2007年。

[6]超导“小时代”: 超导的前世、今生和未来，罗会仟，清华大学出版社，2022年

[7]Cooper, L. N. (1980). Source and limits of human intellect. Daedalus, 1-17. https://www.jstor.org/stable/1574857