Douglas Osheroff是费曼在加州理工学院讲授著名的“费曼物理学讲义”课程时的学生,后来因发现了氦3里的超流特性,与David Lee和Robert Richardson分享了1996年的诺贝尔物理学奖。
我读研究生时,导师专门邀请了与我们研究方向八竿子打不着的Osheroff教授前来交流访问,至于为什么,至今我也不明白。
以下是Douglas Osheroff为诺贝尔基金会写的自述。
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从种族来说,我来自一个混血家庭。我的父亲是犹太移民的儿子,他的父母在世纪之交后不久离开了俄罗斯;我的母亲是一位路德教会牧师的女儿,她的父母来自现在的斯洛伐克。然而,我主要在一个医生家庭长大。我祖父和他的所有孩子要么成为了医生,要么嫁给了医生。我的父母在纽约相遇,当时我的父亲是一名实习医生,母亲是一名护士。二战结束后,我的父母定居在阿伯丁,这是华盛顿州西海岸的一个伐木小镇,那里医生短缺。这里自然风光秀丽,是养家糊口的理想之地,我是五个孩子中的老二。
直到今天,我一见血就会脸色苍白,从未想过从事医学事业。尽管如此,我父亲平时全身心投入到他的医学事业中,却激发了我对摄影和园艺的热情。这些都是他有空时会做的爱好,就像我一样。我从小就对自然科学有着浓厚的兴趣。六岁时,我就开始拆玩具玩电动机。从那时起,我的空闲时间就被各种各样的机械、化学和电气项目占据,最终在高中三年级时组装了一台100keV的X光机。
我做的项目经常涉及危险,但我的父母似乎从未太过担心,也没有阻止我。有一次,我自制的一支前膛装填步枪在屋里走火,在两面墙上打穿了一个洞。还有一次,一个临时的乙炔“矿工”灯在我地下室的化学实验台上爆炸,玻璃碎片嵌在我脸颊上,差点扎进我的右眼。我满脸鲜血,双手捂着脸走上楼梯,不让血溅到地毯上。那时,我的母亲已经站在楼梯口了。她知道我喜欢恶作剧,便大声喊道:“你要是装出来的,我就杀了你!”像往常一样,父亲一边缝合较大的伤口,一边警告我注意安全。我们一直心照不宣地明白,我的实验阶段已经结束了。
高中时我是个好学生,但真正出类拔萃的只有物理和化学课。虽然我更喜欢物理而不是化学,但化学老师William Hock花了不少时间告诉我们物理研究是什么(而不是我的实验),这在我幼小的心灵中留下了深刻的印象。我对实验的兴趣帮助我培养了出色的技术技能,但我缺乏动力去独立阅读与我的项目相关的物理或化学领域的书籍。我比较懒惰,高中时我总是会占用一节课的空闲时间,这样我就可以把作业做完,晚上就可以腾出时间来完成我的许多项目。
我的父母很慷慨,家里摆满了各种科学玩具和小玩意儿。此外,他们允许孩子去任何能被录取的大学就读。我选择加州理工学院而不是斯坦福大学,是为了避免我的学习成绩一直被拿来和我哥哥(当时在斯坦福大学读本科)比较。
在加州理工学院的时光很美好,因为费曼当时正在讲授他著名的本科课程。这两年的学习经历是我教育中极其重要的一部分。虽然我不能说我完全理解了,但我认为它对我物理直觉的培养贡献最大。费曼的习题集非常具有挑战性,但我很幸运认识了比我高一年级的本科生Ernest Ma。Ernest从来不会告诉我如何解决问题,但会在我遇到困难时给出一些晦涩难懂的提示,至少当时我觉得这些提示很晦涩。
突然不得不如此努力地学习,这对我来说是一个冲击。我的数学成绩最差,经历了巨大的心理创伤后,我的成绩才在三年内从C+逐渐提高到A+。多年后,加州理工学院给我提供教职时,我坦言自己本科时期的成就并不辉煌。系主任听后回答说:“没关系,道格,我们雇用你并不是让你来当本科生的。”
加州理工学院的压力非常大,如果我没有在大三的时候加入一个本科生小组,与Gerry Neugebauer一起进行他著名的红外星体勘测,我都不确定自己是否能坚持下来。这次经历让我意识到研究可以多么令人满足,以及它与无休止的难题集有多么不同。大四的时候,为了逃避高年级物理实验室的第三学期,我还开始在David Goodstein的低温实验室工作(David当时在意大利)。加州大学河滨分校的Don McCullum和帕莫纳学院的Walter Ogier两位教授在那里利用他们的学术休假时间,试图通过注入液氦浴(其中的超流体薄膜被精心操控)来达到0.5K的温度。他们让我脑海里充满了低温世界的奇妙,于是我决定从事固体物理研究。
我选择去康奈尔大学读研究生,主要是因为那里远离帕萨迪纳的雾霾。事后来看,这是一个不错的选择,在康奈尔大学度过的时光很不错。到达后不久,我遇到了两个在我生命中非常重要的人。还在找房子的时候,我遇到了Phyllis Liu,一个来自台湾的年轻漂亮女人,她也刚到伊萨卡。我们约会了一段时间,但后来她发现自己忙于学业,没有时间进行这些消遣。三年后我们再次相遇,并于1970年8月结婚,两周后她获得了博士学位。另一个人是David Lee,他是康奈尔大学低温实验室的负责人,我第一年在他的指导下做助教。David似乎认为我很聪明,鼓励我加入低温小组。
康奈尔大学的低温物理学似乎比加州理工学院更令人兴奋。新技术和有趣的物理原理让我很容易选择这个领域,我发现自己非常享受工作的每一分钟。大四春天,David Lee让我去见贝尔实验室的招聘人员,他们每年秋春两季都会来学校。我还没准备好毕业,但我们聊了一会儿,尤其是关于制造贝尔电话系统使用的微型电插头。我觉得这很有趣,虽然跟物理学无关。秋天,David建议我开始认真面试。我先是和通用电气谈了谈,但他们似乎根本没有招聘。然后我又去了贝尔实验室,这次是和一位新的招聘人员Venky Narayanamurti谈,他最近刚在康奈尔大学获得物理学博士学位。Venky对我的研究很感兴趣,觉得我或许可以申请拉曼光谱方面的博士后职位。我没有承认我对这个专业一无所知。
1971年11月,我们在Pomeranchuk Cell中发现了神秘的相变现象。几乎是奇迹般地,Venky在12月初打电话给我,带来了一个好消息。贝尔公司近两年的招聘冻结终于解除了。我什么时候能准备好去面试呢?我告诉Venky,我们偶然发现了一件非常令人兴奋的事情,然后我们定下了日期:1972年1月6日。
在贝尔实验室,面试从论文答辩开始,有时会变得很棘手。幸运的是,没有人质疑我将A和B特征与固体联系起来。尤其是Dick Werthamer当时就在观众席上,他早期研究过p波BCS态,而这种态很快就会与B相联系起来。我想我的热情最终赢得了面试,贝尔实验室最终提供的不是拉曼光谱学的博士后职位,而是一个永久职位,可以让我继续研究氦3。
1972年9月,我和Phyllis搬到了新泽西;Phyllis去普林斯顿大学做博士后,我去了默里山的贝尔实验室。这是贝尔实验室的黄金时代。晶体管的发明对贝尔实验室的研究至关重要,这使得管理层对基础研究给予了极大的支持。唯一的要求是,所做的工作必须是“好的物理学”,因为它在某些重要方面改变了我们对自然的思考方式。我加入了C. C. Grimes领导的固态和低温研究部,并开始购买所需的设备,以便继续我当时所知的氦3超流体研究。一些仪器甚至在我到达新泽西之前就已购置完毕。但我知道建立我的实验室至少需要一年时间,而且我担心大多数重要的开创性工作会在我自己的实验室投入运营之前完成。
我惊讶地发现,当我的实验室真正投入运行的时候,我感兴趣的研究却寥寥无几。事实上,似乎有人质疑这些新相是否都是p波BCS态。此外,贝尔实验室的理论物理学家Phil Anderson和Bill Brinkman也对超流体氦3理论产生了兴趣。这为我职业生涯中极其高产的时期奠定了基础。从1973年开始的五年间,我们测量了超流体相的许多重要特性,这有助于识别所涉及的微观状态。我们发现超流体相几乎复杂得令人难以置信,同时BCS理论及其在此期间发展起来的扩展理论可以极其精确地描述它们。
大约在1977年,我开始感受到贝尔实验室管理层的压力,要求我继续研究其他物理系统。我决定研究固体氦3,这是我最初的论文主题。与此同时,我和Gerry Dolan启动了一个规模不大的项目,以验证David Thouless关于无序一维系统中电子局域化的一些想法。后一项研究必须适应固体氦3工作极其缓慢的时间尺度。到1979年末,这两项努力都取得了超出我最大胆预期的成功。我们在核自旋有序固体氦3样品中发现了反铁磁共振,并将其从超流体相直接生长为自旋有序固相。与此同时,佛罗里达大学的低温研究小组也发现了这些共振,但由于我们采用的是铜的绝热核退磁而不是Pomeranchuk冷却法来冷却样品,因此只有我们能够形成和研究单晶,从而确定允许的磁畴取向。最终,我和Mike Cross、Daniel Fisher确定了磁性亚晶格结构的对称性,并正确猜测了精确的有序结构,后来通过极化中子散射得到了证实。这种反铁磁共振引起的频率偏移使固体氦3成为一个极其有用的模型磁系统。为了从理论上理解这些偏移,我们借鉴了Leggett用来理解超流体氦3频率偏移的一些相同形式。
几乎就在Cross、Fisher和我在固体氦3研究中取得突破的同时,我和Dolan发现了无序二维导体中电阻率与log(T)温度的依赖关系,而这正是Phil Anderson和他的“四人组”刚刚预测到的,这是他们所谓的“弱局域化”的结果。我没有继续研究弱局域化,因为我只有一台低温恒温器,而这样做就意味着我无法继续研究固体氦3中的核自旋有序性,因为这两组实验的时间尺度截然不同。颇具讽刺意味的是,两年后我得到了第二台低温恒温器。
1987年,在贝尔实验室工作了十五年后,我离开了实验室,前往斯坦福大学任职。在贝尔实验室工作期间,我曾多次收到大学非正式的职位邀请,但我始终认为贝尔实验室才是开展研究的理想之地。贝尔实验室对基础科学的自主支持以及一流的合作者,使它成为无与伦比的研究环境。然而,我的妻子却认为我是一位潜力无限的老师。此外,她对在新泽西的工作并不满意,于是我们决定让她去其他地方求职。当她收到加州两家生物科技公司——安进和基因泰克——的录用通知时,我建议她接受基因泰克的录用,然后我再去斯坦福大学和加州大学伯克利分校洽谈。斯坦福大学的物理系规模较小,当时正着手寻找一位低温物理学家。最终,我收到了两所大学的录用通知,最终选择了斯坦福大学,因为我们更喜欢那里的氛围,而且对Phyllis来说,通勤也更方便。
在斯坦福大学,我和我的学生继续研究超流体和固态氦3,研究B超流体相如何从高温A相成核,以及磁有序固态氦3在二维和三维空间中的各种特性。此外,我们还开发了一个程序来研究非晶态固体的低温特性。我们的研究表明,这些系统中活性缺陷之间的相互作用会在态密度与局域场的关系中产生一个空位,就像在自旋玻璃中看到的那样。在非晶态材料中,测量此类缺陷耦合簇的尺寸或许是可能的,而这在自旋玻璃中一直很困难。
除了需要申请研究资助之外,我非常享受大学生活的方方面面。尤其幸运的是,我拥有优秀的研究生,也能够教授聪明的本科生。当然,本科生中总会有一些学生不懂得欣赏教授的努力。1988年,在我教授了第一门大型讲座课程后,一位学生在课程评估中写道:“Osheroff就是典型的工业界呆子,斯坦福大学只是因为他在某些领域的专业知识而雇佣他。”尽管有少数人持这种观点,斯坦福大学还是在1991年授予我Gores教学卓越奖。1993年至1996年,我担任物理系主任,并于1996年9月卸任,希望花更多时间在我的研究生身上。得知自己获得诺贝尔奖的那天,在只睡了两个半小时的情况下,我讲了一堂摄影物理学的课,不过这堂课讲的不是摄影镜头,而是氦3中超流体的发现。