110 שנים להולדתו של ג'ון ברדין, אחד מממציאי הטרנזיסטור שחולל את מהפכת האלקטרוניקה, והאדם היחיד בהיסטוריה שזכה פעמיים בפרס נובל בפיזיקה

"כל מבנה התרבות האנושית תלוי בטכנולוגיות שפיתח ג'ון ברדין. אי אפשר לספור את בני האדם שהוא השפיע על חייהם. הוא לא סתם גיבור, הוא גיבור מעבר ליכולת התפיסה שלנו", אמר ניק חולוניאק (Holonyak), ממציא נורת הלֶד ותלמידו לשעבר של ברדין באוניברסיטת אילינוי. "הוא היה מדען מחונן ששילב אינטואיציה פיזיקלית יוצאת דופן עם יכולת אנליטית גבוהה ביותר וחוש המצאה מרשים", כתב עמיתו דיוויד פיינס (Pines). "הוא גם היה אדם יוצא דופן: שקט, צנוע, בעל יושרה בלתי רגילה וטוּב לב נהדר".

גיאולוגיה, מתמטיקה וחימוש ימי

ג'ון ברדין (Bardeen) נולד ב-23 במאי 1908 במדיסון שבמדינת וויסקונסין. הוא היה השני מחמשת ילדיו של אביו, שהיה רופא, פרופסור לאנטומיה ודיקן בית הספר לרפואה. אמו עסקה באמנות ובעיצוב פנים, עד מותה כשג'ון היה בן 12. ברדין היה היה תלמיד מצטיין, וסיים את לימודי התיכון כבר בגיל 15. הוא היה יכול לסיים מוקדם עוד יותר, אבל התעכב בשל מות האם ומשום שעשה חלק מהלימודים בתיכון אחר.

הוא הצטיין בעיקר בלימודי המדעים המדויקים, וכשסיים את התיכון החליט ללמוד הנדסה באוניברסיטה, גם משום שלא רצה לפנות לקריירה אקדמית כמו אביו, וגם משום שסבר שימצא פרנסה נאה בתחום. הוא החל בלימודי הנדסת חשמל, תוך שהוא לומד גם קורסים רבים במתמטיקה ובפיזיקה מחוץ לתכנית הלימודים. היכולות המתמטיות שלו סייעו לו גם מחוץ ללימודים: את רוב הבילויים בתקופת לימודיו מימן בזכות ניצחונות במשחקי פוקר, שהושגו בעזרת שילוב בין היכולת השכלית לפרצוף התמים של הנער שהיה צעיר בכמה שנים מרוב חבריו הסטודנטים.

ההכשרה הזו סללה את דרכו לסיום תואר שני בגיל 21. מחקריו בתקופת הלימודים עסקו בקרינה נפלטת מאנטנות וגם בבעיות מתמטיות הקשורות בגיאופיזיקה. לאחר סיום התואר הצטרף עם המנחה שלו לחברה פרטית שעסקה בסקרי קרקע, ועבד שם על שיטות מתמטיות לניתוח תכונות מגנטיות וכבידתיות של קרקעות.

אחרי שלוש שנים מעניינות החליט ברדין שהוא בכל זאת נמשך יותר למדע טהור מאשר למחקר יישומי, ופנה ללימודי דוקטורט בפיזיקה באוניברסיטת פרינסטון שם הוא חקר תכונות של מתכות, בראשון הולכת חשמל, בהדרכת יוג'ין ויגנר, שיזכה לימים בפרס נובל בפיזיקה (1963, על תרומתו להבנת המבנה של גרעין האטום). עוד בטרם סיים את לימודי הדוקטורט שלו ב-1936 הוזמן לאוניברסיטת הרווארד במסגרת התכנית לחוקרים צעירים ומבטיחים, שם המשיך לחקור בעיקר את נושא הולכת החשמל במתכות. ב-1938 קיבל משרת מחקר באוניברסיטת אריזונה, אבל ב-1941, עם הצטרפותה של ארצות הברית למלחמת העולם השנייה, גויס כמדען אזרח למעבדות הצי האמריקאי, שם חקר את שדות ההשפעה של ספינות כדי להבין כיצד לפתח חימוש ימי יעיל יותר, הגנה טובה יותר מפניו ושיטות מתוחכמות לאיתור מוקשים ימיים. הוא העדיף להישאר במעבדה הימית ודחה הצעה להצטרף לתכנית מנהטן, שעסקה בפיתוח פצצת האטום.

גדולות, מסורבלות, יקרות, מתחממות ומתקלקלות. שפופרות ריק (ואקום) במקלט רדיו ישן | צילום: Science Photo Library
גדולות, מסורבלות, יקרות, מתחממות ומתקלקלות. שפופרות ריק (ואקום) במקלט רדיו ישן | צילום: Science Photo Library

יוצאים מהוואקום

לאחר המלחמה עבר ברדין למעבדות "בֶּל" של חברת התקשורת AT&T, שם הצטרף לצוות קטן שניסה לפתור בעיה גדולה, ולייצר רכיב אלקטרוני שיחליף את שפופרות הוואקום המסורבלות.

מתחילת המאה העשרים ניסו מדענים לפתח רכיבים יעילים להולכת זרם חשמלי בכיוון אחד. רכיבים כאלה היו חיוניים בפיתוח וייצור של מכשור אלקטרוני חדיש, כמו למשל מקלטי רדיו יעילים. אחד הפתרונות היה שימוש בגבישים מוליכים למחצה, כלומר מתכות המשנות את מידת ההולכה החשמלית שלהן בתגובה לגורם חיצוני כמו שינוי טמפרטורה או זרם חשמלי העובר בהן. אלא שמכשירים כאלה היו בעיתיים מאוד, בין השאר משום שהיה קשה לייצר אז גבישים טהורים לגמרי, שלא זוהמו באטומים אחדים של חומר אחר.

הפתרון לבעיה הגיע מתגלית שעשה תומס אדיסון כבר ב-1883. במסגרת מאמציו לפתח נורת ליבון יעילה, שהורכבה מחוט להט בתוך בועת זכוכית ריק מאוויר, הוא גילה שאם מחדירים לנורה אלקטרודה נוספת, עובר זרם חשמלי בין חוט הלהט לבינה אף על פי שהן אינן נוגעות זו בזו. אדיסון לא הבין את הגילוי, משום שרק 14 שנים לאחר מכן גילה ג'יי ג'יי תומסון את האלקטרון, ואז התברר כי האנרגיה של חוט הלהט מאפשרת לאלקטרונים לנוע בכיוון אחד בלבד: מהאלקטרודה החמה אל הקרה.

שפופרת הריק שנבנתה על בסיס הגילוי הזה הפכה למרכיב מרכזי במכשירים אלקטרוניים, משום שיכלה לנתב ביעילות זרם חשמלי לכיוון אחד בלבד, ואיפשרה לתכנן ולבנות מעגלים מורכבים. פריצת דרך נוספת הגיעה בשנת 1906, כשהחוקר האמריקאי לי דה פורסט (De Forest) פיתח את הטריודה (triode) שפופרת ריק בעלת שלוש נקודות חיבור: אחת לכניסת זרם ואחת ליציאת זרם, כמו השפופרות המוקדמות, והשלישית שימשה לבקרה על התנגדות הרכיב החשמלי – כלומר איפשרה להגביר או להחליש את הזרם העובר דרך השפופרת.

לא צפיתי את המהפכה. ברדין (משמאל) עם שוקלי (במרכז) ובראטיין במעבדות בל | מקור: Science Photo Library
לא צפיתי את המהפכה. ברדין (משמאל) עם שוקלי (במרכז) ובראטיין במעבדות בל | מקור: Science Photo Library

המהפכה האלקטרונית

שפופרות הריק שינו את האלקטרוניקה לבלי הכר, אבל היו להן חסרונות רבים. הן היו שבירות, יקרות, צרכו חשמל רב ונטו להתקלקל כשחוט הלהט שלהן נשרף. בחברת AT&T, שעסקה בשנות ה-30 בעיקר בטלפוניה, חיפשו נואשות אחר רכיב מתוחכם יותר שיחליף את השפופרות הבעייתיות ויאפשר לבנות מרכזיות אלקטרונית מתקדמת. אחד החוקרים הבולטים בתחום היה הפיזיקאי המבריק וויליאם שוקלי (Shockley) אבל גם הוא נאלץ לזנוח את עבודתו בנושא במלחמת העולם השנייה, ולעסוק במחקר צבאי. לאחר המלחמה הוא מונה לנהל את קבוצת המצב המוצק, הפעם עם שני עובדים שישנו את התמונה – ברדין ולצדו וולטר בראטיין (Brattain) – ועם לא מעט התקדמות שחלה במהלך המלחמה בייצור גבישים טהורים.

ברדין שהיה פיזיקאי תיאורטי ובראטיין שהיה נסיין מעולה היו יחד צוות נהדר. לאחר כשנתיים של עבודה משותפת עם התקדמות איטית, הגה ברדין רעיון כיצד לבנות מעין טריודה שתהיה מבוססת על גבישים מוליכים למחצה, כשהתכונות המשפיעות על ההולכה נקבעות על פי מיקום המרכיבים שלה. הצוות ייצר גביש גרמניום עם נקודות מגע מזהב, וב-23 בדצמבר 1947 חיבר אותו למעגל חשמלי המחובר למיקרופון ורמקול, והראה לעובדי AT&T כיצד הוא מגביר את עוצמת הקול.

עכשיו כשהרכיב פורץ הדרך היה בידיהם, נותרה השאלה כיצד לקרוא לו. מעבדות בל הקימו ועדה מיוחדת לדון בכך, אך הוועדה לא הצליחה להחליט על שם. בצעד יוצא דופן קיימה החברה משאל בין העובדים, שם נבחר ברוב גדול השם שהמציא ג'ון פירס (Pierce) "טרנזיסטור" – שילוב של transconductance (הולכה דו כיוונית) ושל varisor (נַגָד תלוי-מתח). בהמשך התקבעה התפיסה כי השם הוא הלחם של המילים transfer (העברה) ו-resistor (נַגָד) ואפילו באתר פרס נובל מוסבר כי השם נבחר משום שהרכיב הוא נגד המגביר זרם חשמלי שמועבר דרכו.

הטרנזיסטור אכן שינה כמעט מיד את פני האלקטרוניקה. הוא איפשר למזער מכשירים רבים ולהפחית מאוד את צריכת החשמל שלהם, ואחד המוצרים הפופולריים היה מקלט רדיו זעיר, שכונה "רדיו-טרנזיסטור", או פשוט "טרנזיסטור". אבל מהפכת הטרנזיסטור הייתה עמוקה ומשפיעה הרבה יותר מהאפשרות להאזין לרדיו הרחק מהבית. הרכיב החדש איפשר למשל פיתוח של מכשירי הגברה לכבדי שמיעה, שינה את תקשורת הטלפון, והשתלב עד מהרה במכשירים שיובילו את המהפכה הגדולה ביותר – המחשבים. ברדין עצמו הודה לימים "ידעתי שהטרנזיסטור היה המצאה חשובה, אבל לא צפיתי את המהפכה שהוא יחולל באלקטרוניקה".

ב-1956 חלקו ברדין, ברטריין ושוקלי פרס נובל בפיזיקה על המצאת הטרנזיסטור, אבל עבודתם המשותפת הגיעה לקצה הרבה קודם לכן. שוקלי, שהיה ראש הצוות אך לא היה מעורב בפועל בפיתוח, חש מרומה, והרגיש שגזלו ממנו את הקרדיט על רעיון שהיה שלו במקור. הוא המשיך לשכלל ולפתח את הטרנזיסטור, אך עבד כמעט לבדו והתנכר לעמיתיו. ברדין, שמאס באווירה הזו, חיפש מקום חדש וב-1951 קיבל משרת פרופסור לפיזיקה ולהנדסת חשמל באוניברסיטת אילינוי. מי שהלך ללימודי הנדסה כדי להימנע מקריירה אקדמית, מצא עצמו עכשיו בכסאו הנוח של הפרופסור, ונשאר שם עד פרישתו לגמלאות ב-1975.

מהפכת האלקטרוניקה הממוזערת: מקלט הרדיו הנייד שפותח בזכות הטרנזיסטור | צילום: Science Photo Library
מהפכת האלקטרוניקה הממוזערת: מקלט הרדיו הנייד שפותח בזכות הטרנזיסטור | צילום: Science Photo Library

בלי התנגדות

מחקריו של ברדין באוניברסיטת אילינוי התמקדו בתופעת העל-מוליכות, כלומר מצב שבו חומר מוליך מאבד לגמרי את ההתנגדות שלו, ומאפשר זרימה של אלקטרונים בלי לאבד אנרגיה ובלי להתחמם. מתכות טהורות מסוימות עשויות לאפשר על-מוליכות בטמפרטורה של אפס מוחלט, אבל יש מתכות שעושות זאת בטמפרטורה גבוהה מעט יותר, והסיבות לכך נותרו בלתי מפוענחות במשך רוב המחצית הראשונה של המאה העשרים.

בתחילת שנות ה-50 היו כמה התקדמויות בחקר העל-מוליכות, אבל היה זה שוב ברדין, עם שני תלמידי מחקר, לאון קופר (Cooper) ורוברט שריפר (Schrieffer), שעשה את פריצת הדרך המשמעותית. הם הבינו כי בעל-מוליכות נוצרים זוגות של אלקטרונים, וכי הם מתגברים על הדחייה בין המטענים השליליים שלהם בזכות שינויים שהם גורמים במיקום של האטומים בעלי המטען החיובי במתכת עצמה. זוג אלקטרונים יחד יוצר מעין חלקיק חדש, בעל מצב קוונטי אחר, וכך הוא אינו מחליף אנרגיה עם המתכת ויכול לנוע בלי התנגדות.

רכבת מהירה ביפן נוסעת בלי חיכוך עם המסילה בזכות ההשפעה של על מוליכים על שדה מגנטי | צילום: Science Photo Library
רכבת מהירה ביפן נוסעת בלי חיכוך עם המסילה בזכות ההשפעה של על מוליכים על שדה מגנטי | צילום: Science Photo Library

התיאוריה המסבירה את העל-מוליכות פורסמה ב-1957 וקיבלה את השם תיאוריית BCS, האותיות הראשונות של שמות של מפתחיה. ההסבר שלהם סלל את הדרך להבנה טובה יותר של הקשר בין על-מוליכות למגנטיות, הבנה שעומדת בבסיס פיתוחים טכנולוגיים כמו יצירת שדות מגנטיים חזקים במיוחד, השימושיים במגוון יישומים ממכשירי הדמיה בתהודה מגנטית (MRI) ועד רכבות מהירות במיוחד.

כשקיבל את פרס נובל בפיזיקה ב-1956 מידי מלך שוודיה, נזף בו המלך בצחוק משום שהביא לטקס רק את אחד משלושת ילדיו. ברדין השיב בצחוק שבפעם הבאה יתקן את המעוות. למרבה ההפתעה, הוא זכה לקיים את ההבטחה. ב-1972 חלק שוב את הפרס, הפעם עם קופר ושריפר על פיתוח התיאוריה של על-מוליכות. הוא חבר במועדון המצומצם מאוד, ארבעה מדענים בלבד, שזכו פעמיים בפרס נובל, והיחיד שזכה פעמיים בפרס בפיזיקה. בפעם השנייה הוא אכן הביא לטקס את כל ילדיו ונכדיו.

נובל שני. ברדין (במרכז) עם קופר (מימין) ושריפר במסיבת עיתונאים לרגל זכייתם בפרס נובל בפיזיקה | צילום, אוניברסיטת אילינוי, AIP
נובל שני. ברדין (במרכז) עם קופר (מימין) ושריפר במסיבת עיתונאים לרגל זכייתם בפרס נובל בפיזיקה | צילום, אוניברסיטת אילינוי, AIP

שינה את חיינו

ברדין המשיך לעסוק במדע גם לאחר פרישתו לגמלאות. הוא טיפח תלמידים רבים, עסק בייעוץ לחברות מסחריות והיה שותף במחקרים רבים. ב-1959 מונה לחבר במועצה המדעית המייעצת של נשיא ארצות הברית, דווייט אייזנהאואר, והמשיך בתפקיד אצל ממשיכו, ג'ון קנדי. הוא המשיך לייעץ לבית הלבן בנושאים מדעיים במסגרות אחרות עד שנות ה-80. ברדין גם היה מרצה מבוקש, ונהג להתייחס ברצינות רבה להרצאות, בין אם היו בכנסים מדעיים או בבתי ספר יסודיים.

תלמידיו ועמיתיו סיפרו כי הוא לא ניצל את מעמדו כדי לפטור עצמו מהמטלות השוחקות ביותר של העבודה: הוא תמיד עשה איתם את החישובים הבסיסיים ביותר, בדק שוב את התוצאות והיה מעורב בכל הפרטים הקטנים ביותר של המחקר ושל הכנת מאמרים לפרסום. עמיתו, דיוויד פיינס, סיפר בהספד שפרסמה האקדמיה האמריקאית למדעים כי ביום שהתבשר על זכייתו בפרס הנובל השני, איחר ברדין לבוא לאוניברסיטה משום שדלת מוסך החנייה שלו נתקעה. כשהגיע דאג לעדכן את עמיתיו שהתקלה לא נבעה מהטרנזיסטורים במערכת החשמלית, ואז המשיך בשגרת היום המתוכננת והלך לשמוע הרצאה במקום לחגוג את הפרס.

ב-1975 פרש ברדין לגמלאות כמה שנים לפני הגיל המרבי, כדי לאפשר לאוניברסיטה לקלוט חוקרים צעירים. עם זאת, גם לאחר פרישתו המשיך כמעט באותה שגרה של עבודה יומיומית ומעורבות במחקר החדשני ביותר. הדבר היחיד שהסיט אותו מהעבודה הייתה תשוקתו העזה למשחקי גולף, ועמיתיו סיפרו שחבטה מוצלחת הייתה מחלצת ממנו תגובות שמחה שלא נראו אפילו כשהתבשר על זכייה בפרס נובל. בכינוס לכבוד יום הולדתו ה-60 קיבל מתנה ששילבה את שתי אהבותיו: כדור גולף שהכיל מקלט רדיו-טרנזיסטור קטן, והפך לאחד החפצים האהובים עליו.

עד מותו ב-1991 זכה ברדין בפרסים מדעיים רבים נוסף על פרסי נובל. ב-1989 העניקה חברה סוני, ענקית האלקטרוניקה היפנית, את אחת התרומות הגדולות לאוניברסיטה אמריקאית, שלושה מיליון דולר להקמת קתדרה בפיזיקה על שם ברדין באוניברסיטת אילינוי. "רבים מהפיתוחים של החברה נשענים על העבודה המדעית של פרופסור ברדין", נאמר בהודעתה. גם לאחר מותו הוא זכה להוקרה, מגיליון מיוחד לזכרו של כתב העת Physics Today ועד הנצחה על בול דואר אמריקאי.

"לקראת סוף המאה, כשיתחילו למנות את אנשים שהיו בעלי ההשפעה הגדולה ביותר על המאה העשרים, שמו של ג'ון ברדין שהלך לעולמו בשבוע שעבר צריך להיות קרוב לצמרת הרשימה, אולי אף בראשה", כתב העיתון שיקגו טריביון לאחר מותו. "ברדין זכה בשני פרסי נובל, לצד אותות כבוד רבים אחרים, אבל איזה כבוד יכול להיות גדול יותר מאשר שכל אחד מאיתנו מסתכל סביבו, ורואה בכל מקום תזכורת לאדם שגאונותו הפכה את החיים של כולנו לארוכים יותר, בריאים יותר וטובים יותר".

צפו בסרטון של מעבדות בל על ההיסטוריה של המצאת הטרנזיסטור (באנגלית):