宏觀世界的量子現象獲諾獎！

當我們提到量子力學時，往往想到的是它所支配的微觀粒子世界——電子、原子和光子的奇異行為。然而，物理學家一直想知道：一個系統能展現量子效應的最大尺度究竟有多大？

為了探索這個問題，John Clarke、Michel H. Devoret和John M. Martinis在一個可以用手拿起的電子電路系統中，演示了量子隧穿效應和能級量子化現象。他們也因此榮獲了2025年的諾貝爾物理學獎。

2025年，諾貝爾物理學獎授予了John Clarke（左）、Michel H. Devoret（中）和John M. Martinis（右）。（圖/Nobel Prize Outreach）

在經典物理世界中，當一個物體（比如一個球）碰到障礙物時，我們知道它會反彈。但在量子世界里，粒子卻有一定幾率能“隧穿”勢壘——也就是一個勢能高于周圍環境的區域。這個在經典物理學中所禁止的效應，便是著名的量子遂穿。

量子隧穿效應。（圖/Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences）

然而，一旦涉及到大量粒子，量子效應通常會變得難以察覺。而三位獲獎者的實驗表明，量子性質可以在宏觀尺度上被具象化、被觀察到。

1984至1985年間，Clarke、Devoret和Martinis進行了一系列實驗，他們搭建了一個由兩個超導體構成的電子電路。

導體與超導體。（圖/Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences）

他們在這兩個超導體之間放置了一層極薄的絕緣層，該層材料完全不導電。在實驗中，他們展示出可以操控并研究一種特殊現象：所有在超導體中的帶電粒子表現得像一個整體，就好像它們變成了一個充滿整個電路的單一宏觀粒子。

他們把原本只在微觀層面才能觀察到的量子效應，擴展到了宏觀層面，在肉眼可見的裝置中展現了量子力學的特征。（圖/Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences）

這個宏觀的“類粒子系統”最初處于無電壓但有電流的狀態。系統被困在這個狀態中，就像被一道勢壘困住，無法越過。在實驗中，該系統展現出其量子特性——它通過量子隧穿從“零電壓狀態”逃逸出來。系統狀態的改變可通過出現電壓來檢測到。

（圖/Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences）

他們還證明，該系統的行為與量子力學預測一致——它的能量是量子化的，也就是說，它只能吸收或釋放特定量值的能量。

量子化。（圖/Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences）

像Anthony Leggett這樣的理論物理學家，把今年獲獎者的宏觀量子系統比作薛定諤的著名思想實驗——一只被關在盒子里的貓，如果沒人打開盒子，它會同時處于“活著”和“死了”的疊加狀態。薛定諤設計這個思想實驗的初衷，是為了指出這種情形的荒謬——因為量子力學的那些特殊性質在宏觀尺度上通常會被抹除。整只貓的量子特性不可能在實驗室中展示出來。

然而，Leggett認為，獲獎者所進行的一系列實驗表明：即便是由無數粒子組成的宏觀系統，也能整體上完全按照量子力學的規律發揮作用。這個由大量庫珀對組成的宏觀系統，當然還比一只小貓小上好幾個數量級。但由于該實驗測量到的是整個系統的量子性質，而不是局部粒子的行為，對于量子物理學家來說，它已經相當接近薛定諤那只想象中的貓。

今年，是量子力學誕生的100年。令人驚嘆的是，100后的今天，量子力學仍在不斷帶來新的驚喜。而且它有巨大的應用價值。例如，計算機芯片中的晶體管，正是早已成熟的量子技術的一個例子。而今年的諾貝爾物理學獎則為下一代量子技術的發展打開了新的機遇——包括量子加密、量子計算機和量子傳感器。

#參考來源：

https://www.nobelprize.org

#圖片來源：

封面圖&首圖：Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences