2025年諾貝爾物理學獎揭曉！附關于量子力學的科普

北京時間10月7日下午5時45分許，2025年諾貝爾物理學獎揭曉。美國科學家John clarke、Michel H. Devoret和John M. Martinis獲獎，以表彰他們“發現宏觀量子力學隧穿和電路中的能量量子化”。2025年的諾貝爾獎單項獎金為1100萬瑞典克朗，與2024年持平，合人民幣834.526萬元。

在量子力學里，量子隧穿效應（Quantum tunneling effect）指的是，像電子等微觀粒子能夠穿入或穿越位勢壘的量子行為，盡管位勢壘的高度大于粒子的總能量。在經典力學里，這是不可能發生的，但使用量子力學理論卻可以給出合理解釋。

量子隧穿效應是太陽核聚變所倚賴的機制。量子隧穿效應限制了太陽燃燒的速率，是太陽聚變循環的瓶頸，因此維持太陽的長久壽命。許多現代器件的運作都倚賴這效應。例如，隧道二極管、場致發射、約瑟夫森結、磁隧道結等等。掃描隧道顯微鏡、原子鐘也應用到量子隧穿效應。量子隧穿理論也被應用在半導體物理學、超導體物理學等其它領域。

由于對于量子隧穿效應在半導體、超導體等領域的研究或應用，已有5位物理學者獲得諾貝爾物理學獎。

關于量子力學的科普（來源科普自媒體蝌蚪五線譜,并適當精簡）

2025年，距量子力學的誕生恰好過去100年。在這100年間，量子力學已成為現代科學的基石，也改變了我們的日常生活。也許，你和我們很多人一樣，是一個普通的城市上班族；也許，你也曾有過仰望星空的夢想——像科學家一樣理解這個世界，卻困于日復一日的忙碌中，沒有時間再抬頭看一看。如“量子力學”這樣的詞匯，雖已存在了百年，也許對你來說，卻顯得依舊遙遠而陌生。

但是，量子力學，這個潛藏在世界任何地方的精靈，并不需要刻意的尋找，它就站在普通日常生活中的每一個轉角，在你讀到這句話時，你早已與它不期而遇了很多次。不信？讓我們從你的早晨開始說起。

7:00 AM | 掌中的宇宙：手機與半導體

早上7點，你的手機鬧鐘像往常一樣將你從睡夢中喚醒，手機中的芯片開始工作，組成它的是許多微小的半導體元件。在經典物理的世界里，一個物體要么導電，要么不導電，幾乎不存在“既是又不是”的模糊狀態。但是，在經典理論之外，量子力學的能帶理論，卻催生了半導體這顆現代工業的明珠。

介于導電與不導電之間的特殊性質，使半導體材料能夠被制成一個個微型開關，控制電流在導通與不導通之間正確地切換，組合成輕便而強大的集成電路，為你處理著大量的數據，再變成可讀的信息，呈現在你的眼前。

8:00 AM | 天空的指引：導航系統與原子鐘

你打開手機的地圖軟件開始導航。此時，地球周圍不同位置分布著的定位衛星正在向你發送信號。通過收集發送與接收信號的時間差，再乘以光速換算成距離，手機的導航系統最終準確地認出你所在的位置，并為你提供合適的路線。

衛星定位基本原理 來源：北斗衛星導航系統

因為光速極快，精確的位置判斷依賴于精確的計時，而這都歸功于衛星上搭載的原子鐘。由于原子核外電子的能量量子化，每個原子釋放的電磁波都有著極為精確的能量——在量子力學中，這意味著極為精確的頻率，也就是極為精確的時間間隔。這是大自然為人類提供的最精準的“節拍器”，以此為基準造出的原子鐘。如果沒有量子力學的加持，你的導航可能只會把你帶到目的地所在的街區，卻不能到達精準的門口。

10:00 AM | 穿墻的“幽靈”：U盤與量子隧穿

到達公司你開始辦公。你將它們拷貝到你的U盤。U盤中的一個個浮柵晶體管開始工作。這是一些由薄薄的氧化物絕緣層封鎖住的小隔間——這些氧化物在經典力學中必不導電，當電子撞上它，就好像一個球被扔向一堵堅實的水泥墻。于是，外面的電子進不來，里面的也出不去。

量子隧穿 來源：因斯布魯克大學

但是，多虧了量子力學中的隧穿效應，一旦電子受到了更高能量的激勵，它們就變成了奇詭的幽靈，能夠穿過本來攔住它們的絕緣層“墻壁”，出去或者進來，讓小隔間內的電子存儲情況發生變化。

這種存儲技術叫做“閃存”技術。設計者將有電子的小隔間當作“0”，沒有電子的小隔間當作“1”，你的文件數據就這樣被寫入了小小的U盤，方便地在不同設備間傳輸。

除U盤之外，SD卡和固態硬盤也是閃存技術常見的應用場景

12:00 PM | 秩序之光：掃碼槍與激光

中午，你來到樓下的便利店，店員的掃碼槍，紅色的激光掃描出商品的條形碼，商品的名稱和價格立刻顯示出來，再掃描你手機上的付款碼，你用十幾秒的時間就獲得了今天的午餐。而這激光的產生，同樣也依賴于原子核外電子的能量量子化。

8:00 PM | 發光的魔法：顯示屏與量子點

你的家配備的寬色域的顯示器也是使用了量子點材料，這是一些很小的半導體粒子，每一顆的尺寸都只有幾納米。它們附著在LED背光板上，在背光源的激發下發出不同顏色的光。 在幾納米的尺度下，量子點發光的顏色受到量子力學的牢牢掌控，每一種大小的粒子都對應著一種單獨的顏色，這是一種奇特的“量子尺寸效應”：在宏觀世界，材料的顏色由其化學成分決定；但在納米尺度，物理尺寸本身就能改變其光學性質。用這個方法調控的顏色十分純凈，使得屏幕有了非凡的色彩表現力。

不同顏色的量子點材料：粒子尺寸越大，發光顏色越紅；粒子尺寸越小，發光顏色越藍 來源：巴黎理工學院

11：00 PM | 不眠的城市與不息的能量

足夠的放松之后，你再一次進入了夢鄉。而此時，你所在的城市卻并未沉睡。在這不眠的現代都市里，時刻不停的電力供應，是這座城市運作的關鍵命脈，而其中核能（其能量源于原子核的裂變與聚變）與太陽能（其核心是光電效應，正是愛因斯坦獲得諾貝爾獎的量子理論貢獻）所產生的電力，同樣與量子力學的開拓密不可分。

原來，那些看起來高端的科學，其實并不遙遠，而我們看似按部就班的生活，其實也充滿奇跡。