2025年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)表彰了宏觀量子力學(xué)研究的重要成果，這將對(duì)人類未來的生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。獲獎(jiǎng)?wù)邽榧s翰·克拉克、米歇爾·H·德沃雷和約翰·M·馬蒂尼斯，他們?cè)陔娐分袑?shí)現(xiàn)了宏觀量子力學(xué)隧穿效應(yīng)和能量量子化。

量子力學(xué)自1925年誕生以來，已經(jīng)走過了百年歷程。諾貝爾物理學(xué)委員會(huì)主席奧勒·埃里克松表示，量子力學(xué)不斷帶來新的驚喜，并為數(shù)字技術(shù)提供了基礎(chǔ)。盡管許多人對(duì)電路中的宏觀量子力學(xué)隧道效應(yīng)和能量量子化仍感到困惑，但這些發(fā)現(xiàn)揭示了量子物理學(xué)的實(shí)際應(yīng)用。獲獎(jiǎng)?wù)咄ㄟ^實(shí)驗(yàn)展示了量子力學(xué)隧道效應(yīng)和量子能級(jí)可以操控于掌中。

量子隧道效應(yīng)是指電子等微觀粒子能夠穿越經(jīng)典物理學(xué)認(rèn)為不可逾越的能量勢(shì)壘的特性。這種現(xiàn)象可以通俗地解釋為“穿墻術(shù)”，在現(xiàn)實(shí)物理世界中是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，但在量子世界中，電子有一定概率以波的形式穿越勢(shì)壘。能量量子化則是指微觀系統(tǒng)中能量的變化是以不連續(xù)的、離散的最小單位，即量子的形式進(jìn)行。能量只能存在于特定的能級(jí)上，而不能存在于任意高度。今年獲獎(jiǎng)?wù)叩呢暙I(xiàn)在于，他們通過實(shí)驗(yàn)表明，量子力學(xué)特性可以在宏觀尺度上具體化。

量子力學(xué)允許粒子使用被稱為隧道效應(yīng)的過程直接穿過屏障。獲獎(jiǎng)?wù)哌€證明，宏觀的粒子狀系統(tǒng)只吸收或發(fā)射特定量的能量。這些發(fā)現(xiàn)不僅在半導(dǎo)體設(shè)備如隧道二極管和超導(dǎo)量子干涉器中有應(yīng)用，也是太陽(yáng)核聚變產(chǎn)生光與能量的核心機(jī)制。隧道二極管是一種具有負(fù)微分電阻特性的半導(dǎo)體器件，在高速電子設(shè)備中具有重要應(yīng)用，如射頻振蕩器、高頻開關(guān)和變頻器等。此外，隧道二極管在微波通信、雷達(dá)系統(tǒng)以及其他高速電子儀器中也有重要作用。

早在1966年，華裔科學(xué)家高錕提出了光導(dǎo)纖維在通信上的應(yīng)用原理，光纖通信快速發(fā)展并在20世紀(jì)80年代廣泛應(yīng)用于電信行業(yè)。如今，宏觀量子力學(xué)隧道效應(yīng)和能量量子化可能超越光纖通信，發(fā)展到微波通信。一旦理論突破并轉(zhuǎn)化到技術(shù)，便可以提供更好更快的無(wú)線寬帶，還可以作為手機(jī)、電視、通信衛(wèi)星的有效信號(hào)傳遞。

量子力學(xué)隧道效應(yīng)在太陽(yáng)核聚變中同樣作用巨大。太陽(yáng)通過核聚變產(chǎn)生的能量會(huì)以光子和粒子的形式從核心向外傳輸，維持地球上所有生命活動(dòng)。太陽(yáng)核聚變正是利用量子力學(xué)的隧道效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的，這種效應(yīng)允許像質(zhì)子這樣的粒子“穿過”能量壁壘。這個(gè)過程不僅使得太陽(yáng)在相對(duì)低的溫度下能夠發(fā)生核聚變，而且保證了太陽(yáng)能夠維持?jǐn)?shù)十億年的壽命。

今年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)表彰的宏觀量子力學(xué)隧道效應(yīng)和能量量子化研究成果，將開創(chuàng)人類未來的生活。盡管目前看起來還比較遙遠(yuǎn)，但在半導(dǎo)體、量子計(jì)算機(jī)、微波通信、手機(jī)等方面的應(yīng)用，我們已經(jīng)看見了曙光。