人類首次在宏觀世界看到“子彈穿墻” 量子隧穿躍入現(xiàn)實(shí)

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2025-10-07 21:41:38 搜狐網(wǎng)

在量子物理的世界里，常常會(huì)發(fā)生一些違反直覺(jué)的事情：粒子能穿過(guò)墻壁、能量像硬幣一樣一枚一枚地發(fā)放、一個(gè)系統(tǒng)能同時(shí)處在兩個(gè)狀態(tài)之中。這些現(xiàn)象看似只存在于微觀世界，遠(yuǎn)離我們的日常經(jīng)驗(yàn)，但今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)告訴我們，這些“奇異”的量子現(xiàn)象可以在手心大小的電路中發(fā)生。

一張圖用生活中的例子（球扔向墻壁會(huì)反彈）來(lái)解釋量子力學(xué)中的隧道效應(yīng)。在量子力學(xué)的微觀世界里，微觀粒子有一定的概率穿過(guò)原本看似不可逾越的“墻壁”，出現(xiàn)在墻壁的另一側(cè)。這與我們基于經(jīng)典物理形成的直覺(jué)相違背，所以讓人覺(jué)得量子力學(xué)很“怪異”。

2025年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了三位科學(xué)家：約翰·克拉克、米歇爾·德沃雷和約翰·馬丁尼斯，以表彰他們?cè)陔娐分邪l(fā)現(xiàn)宏觀量子隧穿與能量量子化的成就。他們讓量子力學(xué)從原子與電子的微觀舞臺(tái)躍上了可以觸摸的人類尺度。

我們知道，扔出的球會(huì)撞在墻上反彈回來(lái)，不可能“穿墻而過(guò)”。但在量子世界中，粒子卻能做到這一點(diǎn)，這就是著名的“量子隧穿”。在原子核中，粒子偶爾會(huì)穿越能量屏障逃逸出來(lái)，這種“穿墻術(shù)”正是放射性衰變（如α衰變）的根源。

物理學(xué)家已經(jīng)知道，隧道效應(yīng)對(duì)于一種特定類型的核衰變（α衰變）來(lái)說(shuō)是必需的。原子核中的一小部分會(huì)脫離原子核并出現(xiàn)在原子核外面。然而，這種現(xiàn)象通常只出現(xiàn)在單個(gè)粒子層面。幾十年來(lái)，物理學(xué)家都在追問(wèn)：能否讓由無(wú)數(shù)粒子組成的宏觀體系也表現(xiàn)出同樣的量子行為？2025年的三位諾貝爾獎(jiǎng)得主給出了一個(gè)漂亮的答案：可以。

時(shí)間回到上世紀(jì)80年代中期。美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的實(shí)驗(yàn)室里，教授約翰·克拉克帶領(lǐng)他的團(tuán)隊(duì)，包括博士后米歇爾·德沃雷和博士生約翰·馬丁尼斯，開(kāi)始搭建一個(gè)看似普通的電路。這個(gè)電路由兩塊超導(dǎo)體組成，中間夾著一層極薄的絕緣層，這種結(jié)構(gòu)被稱為約瑟夫森結(jié)。

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