2025年是量子力學誕生一百周年。量子力學描述的是什么？是在單個粒子尺度上才“顯現”的物理特性。在量子物理學中，這些現象比光學顯微鏡所能觀測到的還要小得多，它們被稱為“微觀”現象。
這與由大量粒子構成的“宏觀”現象形成對比。例如，一個日常生活中常見的球，由分子組成來描述的話就是天文數字級別的，它不會表現出任何量子力學效應。人們都知道，每次把球扔向墻壁，它都會反彈回來。然而，一個單獨的粒子在其微觀世界中，有時卻能直接穿過類似墻的障礙，出現在“墻”的另一側。這種量子力學現象被稱為“隧穿”。
今年的諾貝爾物理學獎，表彰了那些在宏觀尺度上、涉及大量粒子的情況下，成功觀測到量子隧穿現象的實驗。1984年和1985年，約翰·克拉克、米歇爾·H·德沃雷特和約翰·M·馬丁尼斯三位科學家在美國加州大學伯克利分校進行的一系列實驗，構建了一個包含兩個超導體的電路。超導體是能夠以零電阻傳導電流的材料，這兩個超導體之間由一層完全不導電的薄材料隔開。但在實驗中，他們證明了可以控制并研究一種現象：超導體中的所有帶電粒子協同運動，表現得就像一個單一的粒子，充滿整個電路。
這種類粒子系統被束縛在一個有電流流動但沒有電壓的狀態中。在實驗中，該系統通過量子隧穿效應展現出了量子特性：從零電壓狀態中逃逸出來，并產生一個電勢差（電壓）。
與此同時，今年的三位獲獎者還證明了這一系統的能量是量子化的——即它只能以特定的、分立的量吸收或釋放能量。
什么是隧穿與跨越？
為了開展研究，三位獲獎者借助了數十年來發展起來的理論概念和實驗工具。
我們知道，量子物理與相對論共同構成了所謂“現代物理學”的基礎。過去一個世紀以來，無數科研人員一直在探索其深遠含義。
單個粒子發生隧穿的現象，其實早已為人所知。1928年，物理學家喬治·伽莫夫意識到，正是隧穿效應導致某些重原子核以特定方式發生衰變。原子核內部各種力的相互作用在其周圍形成了一道勢壘，將內部粒子束縛其中。然而，盡管存在這道勢壘，原子核的一小部分仍有時能分裂出來，穿過勢壘逃逸出去，從而使原來的原子核轉變為另一種元素。如果沒有隧穿效應，這類核衰變就不可能發生。
隧穿是一種量子力學過程，其中包含著隨機性。某些類型的原子核具有又高又寬的勢壘，因此其粒子需要很長時間才能出現在勢壘之外；而另一些類型的原子核則更容易發生衰變。如果人們只觀察單個原子，那無法預測隧穿何時會發生；但通過觀測大量同種原子核的衰變行為，可以測量出隧穿發生的平均時間。描述這一現象最常見的方法是“半衰期”概念，即樣品中一半原子核發生衰變所需的時間。
物理學家很快開始思考：是否有可能研究一種涉及多個粒子同時參與的隧穿現象？探索新型實驗的一個方向，源自某些材料在極低溫下出現的特殊現象。
在普通導電材料中，電流的產生是由于存在可在整個材料中自由移動的電子。在某些材料中，穿過導體的獨立電子會變得有序，形成一種協調一致的“舞蹈”，毫無阻力地流動。此時材料就變成了超導體，而電子則兩兩結合成對。這種電子對被稱為“庫珀對”，以萊昂·庫珀命名。他與約翰·巴丁和羅伯特·施里弗共同詳細描述了超導體的工作機制（三人因此獲得1972年諾貝爾物理學獎）。
庫珀對的行為與普通電子完全不同。電子具有很強的“個體性”，傾向于彼此保持距離——兩個具有相同性質的電子不可能處于同一狀態。這一點在原子中可以明顯看到，例如電子分布在不同的能級（即電子殼層）上。然而，當超導體中的電子結成對后，它們的部分個體性就消失了；雖然兩個獨立的電子總是可區分的，但兩個庫珀對卻可以完全相同。這意味著超導體中的所有庫珀對可以被描述為一個整體，一個統一的量子力學系統。用量子力學的語言來說，它們具有一個共同的波函數。這個波函數描述了在給定狀態下觀測到該系統的概率及其具有的特定性質。
科學家們的起步
這些課題恰好契合約翰·克拉克的研究。他當時是美國加州大學伯克利分校的教授，此前于1968年在英國劍橋大學獲得博士學位后移居美國。在伯克利，他組建了自己的研究團隊，專注于利用超導體和約瑟夫森結來探索多種物理現象。
到20世紀80年代中期，米歇爾·H·德沃雷特在巴黎獲得博士學位后，作為博士后加入了約翰·克拉克的研究團隊。該團隊還包括博士生約翰·M·馬丁尼斯。他們三人共同承擔起證明“宏觀量子隧穿”的挑戰。實驗裝置必須極其精細，并采取大量措施屏蔽外界干擾。他們成功地優化并精確測量了電路的所有特性，從而能夠深入理解該系統的運行機制。
（圖片來源：瑞典皇家科學院）
為了測量量子現象，他們向約瑟夫森結注入一個微弱的電流，并測量電壓（電壓與電路中的電阻相關）。最初，約瑟夫森結兩端的電壓為零，這符合預期，因為系統的波函數被限制在一個不會產生電壓的狀態中。接著，他們研究了系統從該狀態隧穿出去所需的時間，一旦發生隧穿，就會出現電壓。由于量子力學本質上具有隨機性，他們進行了大量重復測量，并將結果繪制成圖，從中讀取零電壓狀態的持續時間。這種方法類似于通過大量衰變事件的統計來測量原子核的半衰期。
三位科學家構建了一個使用超導電路的實驗裝置。承載該電路的芯片尺寸約為一厘米。此前，隧穿效應和能量量子化主要在僅含少數粒子的系統中被研究；而在此實驗中，這些量子現象出現在一個包含數十億個庫珀對的宏觀量子系統中，這些庫珀對遍布整個芯片上的超導體。因此，這項實驗將量子效應從微觀尺度推進到了宏觀尺度。
這種隧穿現象表明，實驗中那些協調運動的庫珀對，表現得就像一個巨大的單一粒子。當科學家們進一步觀察到系統具有分立的、量子化的能級時，這一結論得到了進一步證實。
量子力學之所以得名，正是源于人們發現微觀過程中的能量，是以離散的“包”（即“量子”）形式存在的。今年的三位獲獎者向零電壓狀態引入了不同波長的微波，發現其中某些頻率的微波被系統吸收，導致系統躍遷到更高的能級。這表明：當系統能量更高時，零電壓狀態的持續時間更短——這正是量子力學所預測的結果。
理論與實踐意義
這項實驗對理解量子力學具有深遠影響。以往在宏觀尺度上展示的量子效應，通常是由大量微小單元各自獨立的量子性質疊加而成。這些微觀組分共同導致宏觀現象，例如激光、超導體和超流體。然而，這一實驗卻不同：它從一個本身就具有宏觀性的狀態，即大量粒子共享的統一波函數產生了一個宏觀效應——可測量的電壓。
理論物理學家安東尼·萊格特曾將獲獎者的宏觀量子系統，與著名的“薛定諤的貓”思想實驗相比較。在該思想實驗中，如果不去觀察，貓就同時處于“活著”和“死亡”的疊加態（薛定諤因此獲得1933年諾貝爾物理學獎）。這個思想實驗的初衷是揭示這種狀態的荒謬性，因為在宏觀尺度上，量子力學的特殊性質通常會被抹去。人們無法在實驗室中真正展示一只貓的量子疊加態。
然而，萊格特認為，今年三位獲獎者所進行的一系列實驗表明，確實存在一些現象，其中大量粒子共同表現出量子力學所預測的行為。盡管由眾多庫珀對構成的這個宏觀系統在尺寸上仍比一只小貓小好幾個數量級，但由于實驗測量的是整個系統的整體量子特性，因此在量子物理學家看來，它與薛定諤那只假想中的貓在本質上是相當類似的。
這類宏觀量子態，為人們利用微觀粒子世界規律進行新實驗提供了新的可能。它可以被視為一種“大型人工原子”——一個帶有電纜和接口的人工原子，可以連接到新的測試裝置中，或用于開發新型量子技術。例如，這類人工原子可用于模擬其他量子系統，幫助人們理解它們的性質。
另一個實用例子，則是馬丁尼斯后來進行的量子計算機實驗，該實驗正是利用了他與另外兩位獲獎者所研究的能量量子化特性——他使用具有量子化能級的電路作為信息載體，即量子比特（qubit）。最低能級和第一個激發態分別代表“0”和“1”，這正是構建未來量子計算機的技術路徑之一。
可以說，今年的獲獎者不僅深化了人們對物理世界的理解，也為發展新一代量子技術（包括量子加密、量子計算和量子傳感等領域）開辟了新路徑。
諾貝爾物理學委員會主席奧勒·埃里克松表示：“量子力學在百年發展歷程中持續帶來新突破，值得共同慶賀。而這項研究更具重大應用價值，因為量子力學是所有數字技術的基石。”
本文鏈接：量子力學百年！他們，用人類的尺度揭示量子特性——2025年諾貝爾物理學獎解讀http://www.sq15.cn/show-11-26783-0.html
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