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(xué)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(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(xué)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(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(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(xué)伯克利分校的實驗室里，教授約翰·克拉克帶領(lǐng)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(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“結(jié)伴而行”，形成所謂的庫珀對。這些電子對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伍，共同流動、沒有阻力。整個系統(tǒng)可以用一個統(tǒng)一的“波函數(shù)”來描述。這意味著，它表現(xiàn)得就像一個巨大的“量子粒子”。

于是，這個由無數(shù)電子組成的宏觀體系具備了量子世界的特性?？死恕⒌挛掷缀婉R蒂尼斯正是利用這一特性，設(shè)計出可以觀察“宏觀量子隧穿”的實驗。他們向電路中輸入微弱電流，并測量電壓變化。在沒有量子效應(yīng)時，電壓應(yīng)當始終為零，就像一個被卡住的開關(guān)。然而在實驗中，他們驚訝地發(fā)現(xiàn)：電壓會突然跳動，好像系統(tǒng)“穿過了”一個無形的能量屏障。

換句話說，電路中的整個超導(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)這個系統(tǒng)的能量不是連續(xù)變化的，而是分成一個個“臺階”，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。

實驗團隊向電路中注入不同波長的微波。當微波的能量恰好與某一級能量差匹配時，電路就會“吸收”這份能量，并跳到更高的能級，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)測完全一致。

這項實驗震撼了整個物理界。長期以來，人們認為量子現(xiàn)象只存在于微觀層面，而宏觀世界會因環(huán)境擾動而“去量子化”。正如著名的思想實驗“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)實只會留下一個結(jié)果。

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

這項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的超導(dǎo)電路用作信息單元，也就是量子比特。在量子計算機中，一個比特既能是“0”，也能是“1”，還能同時處于“0與1”的疊加態(tài)。如今，全球領(lǐng)先的量子計算研究（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，到實驗的巧思，再到技術(shù)的應(yīng)用，2025年的諾貝爾物理學(xué)獎標志著一個重要的轉(zhuǎn)折：量子力學(xué)不再只是“微觀的魔法”，它開始進入我們可以制造、操控、甚至握在手中的世界?？死?、德沃雷和馬蒂尼斯三人用一個厘米大小的電路，讓人類第一次在“可見的尺度上”驗證了量子力學(xué)的神奇。他們讓薛定諤的貓不再只是一個思想實驗的笑談，而成為一個通往未來科技的真實起點。