北京時間10月7日，2025年諾貝爾物理學獎正式公布，獲獎者為約翰·克拉克、米歇爾·H·德沃雷和約翰·M·馬蒂尼斯三位量子物理學家，他們通過在宏觀電路上的實驗發現了微觀量子世界的“奇異特性”。

量子力學在1925年誕生，今年正值百年。諾貝爾物理學委員會主席奧勒·埃裡克鬆當天表示，百年來量子力學不斷帶來新的驚喜，它大有用處，為數字技術提供了基礎。

在人類宏觀世界中，球在被拋向牆壁時總會反彈回來。然而，在微觀世界裡，單個粒子有時會直接“穿透”相應的勢壘（指空間中勢能比周圍區域都高的能量障礙區域），從另一側出現，這種量子力學現象被稱為“量子隧穿”。而2025年諾貝爾物理學獎表彰的突破性成果，正是科學家首次在由大量粒子組成的宏觀物體上也觀測到了這一現象。

1928年，物理學家喬治·伽莫夫意識到，隧穿正是某些重原子核發生衰變的原因。

隧穿是一個量子力學過程，隨機性起著作用。不同類型的原子核勢壘高度和寬度各不相同，因此有的衰變緩慢，有的更容易發生。

那麼，是否存在多粒子同時參與的隧穿現象？某些材料在極低溫下的特殊性質為科學家提供了新的實驗思路。

在普通導體中，電流是自由電子在材料中運動的結果。但在某些材料中，當溫度極低時，這些電子會形成一種協同運動——以完全無電阻的方式流動，這種材料就成為超導體。在超導體中，電子不再獨立運動，而是兩兩成對，形成所謂的庫珀對（Cooper pairs），這一概念由利昂·庫珀與約翰·巴丁、羅伯特·施裡弗共同提出，並因此獲得1972年諾貝爾物理學獎。

庫珀對的行為與普通電子截然不同。普通電子具有“排斥性”——若具有相同性質，兩電子不能佔據同一位置，因此它們在原子中分布到不同能級。然而，當電子配對成為庫珀對后，它們的個體性部分消失：兩個不同的庫珀對可以完全相同。

於是，超導體中的所有庫珀對可視為一個整體量子系統。這個系統也成為約翰·克拉克、米歇爾·H·德沃雷和約翰·M·馬蒂尼斯實驗的核心部分。

在量子力學數十年發展的理論與實驗基礎之上，1984年到1985年，約翰·克拉克、米歇爾·H·德沃雷和約翰·M·馬蒂尼斯攜手，持續挑戰在宏觀尺度演示量子隧穿。

他們對由超導體構成的電路進行了一系列實驗。在電路中，超導元件被一層薄薄的非導電材料隔開。通過改進和測量電路的各種特性，科學家能夠控制和探索電流通過電路時出現的現象。這些穿過超導體的帶電粒子組成了一個整體系統，就像單個粒子充滿了整個電路。

這種類似單個粒子的宏觀系統最初處於有電流流動但電壓為零的狀態。系統被困在這種狀態中，仿佛被擋在無法跨越的勢壘之后。但在多次反復實驗中，該系統通過隧穿效應設法擺脫零電壓狀態，展示了其量子特性。

他們接著測量系統隧穿出零電壓態所需的時間。由於量子過程具有隨機性，他們進行了大量重復測量，並繪制統計圖像，由此得到零電壓態的持續時間。

此外，他們還証明該系統具有能量量子化性質，即它只能以特定的能量份額吸收或發射能量。他們在零電壓態下引入不同波長的微波，發現系統在吸收特定波長的微波后躍遷至更高能級。當系統能量更高時，零電壓態持續時間更短——這與量子力學的預測完全一致。

這一實驗不僅加深了人類對量子力學的理解，也帶來廣泛影響。此前，展示宏觀量子效應的實驗大多依賴大量微觀粒子的綜合作用，如激光、超導體、超流體等。然而，這項成果首次從一個本身即為宏觀的量子態中，直接產生了可測量的宏觀效應——即電壓。

理論物理學家安東尼·萊格特將這一宏觀量子系統與“薛定諤的貓”思想實驗相提並論。薛定諤曾用“生死疊加的貓”來揭示量子特性的荒謬性，因為量子特性通常無法在宏觀尺度上被觀測。

而三位科學家實証了的確存在由大量粒子構成、卻依然遵循量子力學規律的宏觀系統。盡管該系統的尺度仍遠小於一隻貓，但由於實驗直接測量了其整體的量子性質，它在量子物理學領域具有與“薛定諤的貓”同等的概念重要性。

這三位科學家的研究成果為探索微觀世界規律提供了全新實驗平台，它可被視作大規模的人造原子——一個帶有導線和接口的“原子”，可嵌入不同實驗裝置或用於新型量子技術。（記者 王璟瑄 樊未晨）

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