今年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)表彰的實(shí)驗(yàn)證明了隧穿效應(yīng)可在包含大量粒子的宏觀尺度上被觀測(cè)到。1984年至1985年,克拉克、德沃雷特和馬蒂尼斯在加利福尼亞大學(xué)伯克利分校開(kāi)展了一系列實(shí)驗(yàn)。他們搭建了包含兩個(gè)超導(dǎo)體的電路,并用一層完全不導(dǎo)電的薄材料將兩個(gè)超導(dǎo)體隔開(kāi)。他們成功優(yōu)化了電路并測(cè)量了其所有特性,從而深入理解了電路的工作原理。
在實(shí)驗(yàn)中,他們成功控制并觀測(cè)到一種現(xiàn)象:超導(dǎo)體中的所有帶電粒子會(huì)協(xié)同運(yùn)動(dòng),仿佛它們是一個(gè)充滿整個(gè)電路的“單粒子”。這種類粒子系統(tǒng)會(huì)被困在“零電壓電流態(tài)”中——在該狀態(tài)下,電流無(wú)需電壓即可流動(dòng),且系統(tǒng)沒(méi)有足夠能量脫離這一狀態(tài)。而在實(shí)驗(yàn)里,該系統(tǒng)通過(guò)隧穿效應(yīng)脫離零電壓態(tài)、產(chǎn)生電壓,展現(xiàn)出了量子特性。
三位獲獎(jiǎng)?wù)哌€證實(shí)該系統(tǒng)具有“量子化”特征,也就是它只會(huì)以特定的能量值吸收或釋放能量。他們向零電壓態(tài)中引入了不同波長(zhǎng)的微波,發(fā)現(xiàn)部分微波被系統(tǒng)吸收,且系統(tǒng)隨后會(huì)躍遷到更高的能級(jí)。這一結(jié)果表明:系統(tǒng)能量越高,零電壓態(tài)的持續(xù)時(shí)間就越短,這與量子力學(xué)的預(yù)測(cè)完全一致,就像被壁壘困住的微觀粒子的行為一樣。
以往在宏觀尺度上被觀測(cè)到的其他量子效應(yīng),大多由大量“微觀單元”及其各自的量子特性共同構(gòu)成。但此次實(shí)驗(yàn)從“本身具有宏觀屬性的狀態(tài)”中,直接產(chǎn)生了宏觀效應(yīng),即可測(cè)量的電壓。
安東尼·萊格特等理論家將三位獲獎(jiǎng)?wù)叩摹昂暧^量子系統(tǒng)”與埃爾溫·薛定諤著名的“薛定諤的貓”思想實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比。萊格特認(rèn)為,克拉克、德沃雷特和馬蒂尼斯的一系列實(shí)驗(yàn)表明:存在“大量粒子協(xié)同運(yùn)動(dòng)、且完全符合量子力學(xué)預(yù)測(cè)”的現(xiàn)象。由于該實(shí)驗(yàn)測(cè)量的是“適用于整個(gè)系統(tǒng)的量子力學(xué)特性”,對(duì)量子物理學(xué)家而言,它與薛定諤設(shè)想的“量子貓”已十分接近。