人類首次在宏觀世界看到“子彈穿墻” 量子隧穿躍入現(xiàn)實

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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、一個系統(tǒng)能同時處在兩個狀態(tài)之中。這些現(xiàn)象看似只存在于微觀世界，遠離我們的日常經(jīng)驗，但今年的諾貝爾物理學獎告訴我們，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（球扔向墻壁會反彈）來解釋量子力學中的隧道效應。在量子力學的微觀世界里，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很“怪異”。

2025年諾貝爾物理學獎授予了三位科學家：約翰·克拉克、米歇爾·德沃雷和約翰·馬丁尼斯，以表彰他們在電路中發(fā)現(xiàn)宏觀量子隧穿與能量量子化的成就。他們讓量子力學從原子與電子的微觀舞臺躍上了可以觸摸的人類尺度。

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

物理學家已經(jīng)知道，隧道效應對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)在單個粒子層面。幾十年來，物理學家都在追問：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年的三位諾貝爾獎得主給出了一個漂亮的答案：可以。

時間回到上世紀80年代中期。美國加州大學伯克利分校的實驗室里，教授約翰·克拉克帶領他的團隊，包括博士后米歇爾·德沃雷和博士生約翰·馬丁尼斯，開始搭建一個看似普通的電路。這個電路由兩塊超導體組成，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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