宏觀世界的量子現(xiàn)象獲諾獎(jiǎng)！

當(dāng)我們提到量子力學(xué)時(shí)，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(xué)家一直想知道：一個(gè)系統(tǒng)能展現(xiàn)量子效應(yīng)的最大尺度究竟有多大？

為了探索這個(gè)問題，John Clarke、Michel H. Devoret和John M. Martinis在一個(gè)可以用手拿起的電子電路系統(tǒng)中，演示了量子隧穿效應(yīng)和能級量子化現(xiàn)象。他們也因此榮獲了2025年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

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

在經(jīng)典物理世界中，當(dāng)一個(gè)物體（比如一個(gè)球）碰到障礙物時(shí)，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(gè)勢能高于周圍環(huán)境的區(qū)域。這個(gè)在經(jīng)典物理學(xué)中所禁止的效應(yīng)，便是著名的量子遂穿。

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

然而，一旦涉及到大量粒子，量子效應(yīng)通常會變得難以察覺。而三位獲獎(jiǎng)?wù)叩膶?shí)驗(yàn)表明，量子性質(zhì)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(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，他們搭建了一個(gè)由兩個(gè)超導(dǎo)體構(gòu)成的電子電路。

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

他們在這兩個(gè)超導(dǎo)體之間放置了一層極薄的絕緣層，該層材料完全不導(dǎo)電。在實(shí)驗(yàn)中，他們展示出可以操控并研究一種特殊現(xiàn)象：所有在超導(dǎo)體中的帶電粒子表現(xiàn)得像一個(gè)整體，就好像它們變成了一個(gè)充滿整個(gè)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(yīng)，擴(kuò)展到了宏觀層面，在肉眼可見的裝置中展現(xiàn)了量子力學(xué)的特征。（圖/Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences）

這個(gè)宏觀的“類粒子系統(tǒng)”最初處于無電壓但有電流的狀態(tài)。系統(tǒng)被困在這個(gè)狀態(tài)中，就像被一道勢壘困住，無法越過。在實(shí)驗(yàn)中，該系統(tǒng)展現(xiàn)出其量子特性——它通過量子隧穿從“零電壓狀態(tài)”逃逸出來。系統(tǒng)狀態(tài)的改變可通過出現(xiàn)電壓來檢測到。

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

他們還證明，該系統(tǒng)的行為與量子力學(xué)預(yù)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(xué)家，把今年獲獎(jiǎng)?wù)叩暮暧^量子系統(tǒng)比作薛定諤的著名思想實(shí)驗(yàn)——一只被關(guān)在盒子里的貓，如果沒人打開盒子，它會同時(shí)處于“活著”和“死了”的疊加狀態(tài)。薛定諤設(shè)計(jì)這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)的初衷，是為了指出這種情形的荒謬——因?yàn)榱孔恿W(xué)的那些特殊性質(zhì)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(shí)驗(yàn)室中展示出來。

然而，Leggett認(rèn)為，獲獎(jiǎng)?wù)咚M(jìn)行的一系列實(shí)驗(yàn)表明：即便是由無數(shù)粒子組成的宏觀系統(tǒng)，也能整體上完全按照量子力學(xué)的規(guī)律發(fā)揮作用。這個(gè)由大量庫珀對組成的宏觀系統(tǒng)，當(dāng)然還比一只小貓小上好幾個(gè)數(shù)量級。但由于該實(shí)驗(yàn)測量到的是整個(gè)系統(tǒng)的量子性質(zhì)，而不是局部粒子的行為，對于量子物理學(xué)家來說，它已經(jīng)相當(dāng)接近薛定諤那只想象中的貓。

今年，是量子力學(xué)誕生的100年。令人驚嘆的是，100后的今天，量子力學(xué)仍在不斷帶來新的驚喜。而且它有巨大的應(yīng)用價(jià)值。例如，計(jì)算機(jī)芯片中的晶體管，正是早已成熟的量子技術(shù)的一個(gè)例子。而今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)則為下一代量子技術(shù)的發(fā)展打開了新的機(jī)遇——包括量子加密、量子計(jì)算機(jī)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