在量子物理的世界里，常常會(huì)發(fā)生一些違反直覺的事情：粒子能穿過墻壁、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)典物理形成的直覺相違背，所以讓人覺得量子力學(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，不可能“穿墻而過”。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，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）來說是必需的。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，物理學(xué)家都在追問：能否讓由無數(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)。

在超導(dǎo)體中，電子并非各自為戰(zhàn)，而是成對(duì)“結(jié)伴而行”，形成所謂的庫珀對(duì)。這些電子對(duì)不再像普通電子那樣互相推擠，而是像一支完美合拍的舞蹈隊(duì)伍，共同流動(dòng)、沒有阻力。整個(gè)系統(tǒng)可以用一個(gè)統(tǒng)一的“波函數(shù)”來描述。這意味著，它表現(xiàn)得就像一個(gè)巨大的“量子粒子”。

于是，這個(gè)由無數(shù)電子組成的宏觀體系具備了量子世界的特性。克拉克、德沃雷和馬蒂尼斯正是利用這一特性，設(shè)計(jì)出可以觀察“宏觀量子隧穿”的實(shí)驗(yàn)。他們向電路中輸入微弱電流，并測(cè)量電壓變化。在沒有量子效應(yīng)時(shí)，電壓應(yīng)當(dāng)始終為零，就像一個(gè)被卡住的開關(guān)。然而在實(shí)驗(yàn)中，他們驚訝地發(fā)現(xiàn)：電壓會(huì)突然跳動(dòng)，好像系統(tǒng)“穿過了”一個(gè)無形的能量屏障。

換句話說，電路中的整個(gè)超導(dǎo)體系完成了一次宏觀量子隧穿。更令人興奮的是，他們還發(fā)現(xiàn)這個(gè)系統(tǒng)的能量不是連續(xù)變化的，而是分成一個(gè)個(gè)“臺(tái)階”，只能按特定的份額吸收或釋放能量。這種現(xiàn)象被稱為能量量子化。

實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)向電路中注入不同波長(zhǎng)的微波。當(dāng)微波的能量恰好與某一級(jí)能量差匹配時(shí)，電路就會(huì)“吸收”這份能量，并跳到更高的能級(jí)，就像粒子在量子世界中躍遷一樣。結(jié)果：能量多了，系統(tǒng)更容易“穿墻”；能量少了，系統(tǒng)就被困得更久。這與量子力學(xué)的理論預(yù)測(cè)完全一致。

這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)震撼了整個(gè)物理界。長(zhǎng)期以來，人們認(rèn)為量子現(xiàn)象只存在于微觀層面，而宏觀世界會(huì)因環(huán)境擾動(dòng)而“去量子化”。正如著名的思想實(shí)驗(yàn)“薛定諤的貓”所描述的：在量子疊加態(tài)下，貓既活又死，但一旦我們打開盒子，現(xiàn)實(shí)只會(huì)留下一個(gè)結(jié)果。

克拉克、德沃雷和馬蒂尼斯的實(shí)驗(yàn)讓一個(gè)“宏觀電子體”展現(xiàn)出量子躍遷與隧穿行為。這是過去被認(rèn)為不可能實(shí)現(xiàn)的。這個(gè)系統(tǒng)雖然比貓小無數(shù)倍，但它確實(shí)讓“量子貓”從想象變成了可測(cè)量的現(xiàn)實(shí)。

這項(xiàng)研究不僅僅是物理學(xué)上的突破，更是量子技術(shù)的奠基石。約翰·馬蒂尼斯后來將這種具有量子化能級(jí)的超導(dǎo)電路用作信息單元，也就是量子比特。在量子計(jì)算機(jī)中，一個(gè)比特既能是“0”，也能是“1”，還能同時(shí)處于“0與1”的疊加態(tài)。如今，全球領(lǐng)先的量子計(jì)算研究（包括Google的量子芯片）都直接受益于他們開創(chuàng)的思路。

從最初的思辨，到實(shí)驗(yàn)的巧思，再到技術(shù)的應(yīng)用，2025年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)標(biāo)志著一個(gè)重要的轉(zhuǎn)折：量子力學(xué)不再只是“微觀的魔法”，它開始進(jìn)入我們可以制造、操控、甚至握在手中的世界?？死恕⒌挛掷缀婉R蒂尼斯三人用一個(gè)厘米大小的電路，讓人類第一次在“可見的尺度上”驗(yàn)證了量子力學(xué)的神奇。他們讓薛定諤的貓不再只是一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)的笑談，而成為一個(gè)通往未來科技的真實(shí)起點(diǎn)。