2025年诺贝尔物理学奖揭晓！附关于量子力学的科普

北京时间10月7日下午5时45分许，2025年诺贝尔物理学奖揭晓。美国科学家John clarke、Michel H. Devoret和John M. Martinis获奖，以表彰他们“发现宏观量子力学隧穿和电路中的能量量子化”。2025年的诺贝尔奖单项奖金为1100万瑞典克朗，与2024年持平，合人民币834.526万元。

在量子力学里，量子隧穿效应（Quantum tunneling effect）指的是，像电子等微观粒子能够穿入或穿越位势垒的量子行为，尽管位势垒的高度大于粒子的总能量。在经典力学里，这是不可能发生的，但使用量子力学理论却可以给出合理解释。

量子隧穿效应是太阳核聚变所倚赖的机制。量子隧穿效应限制了太阳燃烧的速率，是太阳聚变循环的瓶颈，因此维持太阳的长久寿命。许多现代器件的运作都倚赖这效应。例如，隧道二极管、场致发射、约瑟夫森结、磁隧道结等等。扫描隧道显微镜、原子钟也应用到量子隧穿效应。量子隧穿理论也被应用在半导体物理学、超导体物理学等其它领域。

由于对于量子隧穿效应在半导体、超导体等领域的研究或应用，已有5位物理学者获得诺贝尔物理学奖。

关于量子力学的科普（来源科普自媒体蝌蚪五线谱,并适当精简）

2025年，距量子力学的诞生恰好过去100年。在这100年间，量子力学已成为现代科学的基石，也改变了我们的日常生活。也许，你和我们很多人一样，是一个普通的城市上班族；也许，你也曾有过仰望星空的梦想——像科学家一样理解这个世界，却困于日复一日的忙碌中，没有时间再抬头看一看。如“量子力学”这样的词汇，虽已存在了百年，也许对你来说，却显得依旧遥远而陌生。

但是，量子力学，这个潜藏在世界任何地方的精灵，并不需要刻意的寻找，它就站在普通日常生活中的每一个转角，在你读到这句话时，你早已与它不期而遇了很多次。不信？让我们从你的早晨开始说起。

7:00 AM | 掌中的宇宙：手机与半导体

早上7点，你的手机闹钟像往常一样将你从睡梦中唤醒，手机中的芯片开始工作，组成它的是许多微小的半导体元件。在经典物理的世界里，一个物体要么导电，要么不导电，几乎不存在“既是又不是”的模糊状态。但是，在经典理论之外，量子力学的能带理论，却催生了半导体这颗现代工业的明珠。

介于导电与不导电之间的特殊性质，使半导体材料能够被制成一个个微型开关，控制电流在导通与不导通之间正确地切换，组合成轻便而强大的集成电路，为你处理着大量的数据，再变成可读的信息，呈现在你的眼前。

8:00 AM | 天空的指引：导航系统与原子钟

你打开手机的地图软件开始导航。此时，地球周围不同位置分布着的定位卫星正在向你发送信号。通过收集发送与接收信号的时间差，再乘以光速换算成距离，手机的导航系统最终准确地认出你所在的位置，并为你提供合适的路线。

卫星定位基本原理 来源：北斗卫星导航系统

因为光速极快，精确的位置判断依赖于精确的计时，而这都归功于卫星上搭载的原子钟。由于原子核外电子的能量量子化，每个原子释放的电磁波都有着极为精确的能量——在量子力学中，这意味着极为精确的频率，也就是极为精确的时间间隔。这是大自然为人类提供的最精准的“节拍器”，以此为基准造出的原子钟。如果没有量子力学的加持，你的导航可能只会把你带到目的地所在的街区，却不能到达精准的门口。

10:00 AM | 穿墙的“幽灵”：U盘与量子隧穿

到达公司你开始办公。你将它们拷贝到你的U盘。U盘中的一个个浮栅晶体管开始工作。这是一些由薄薄的氧化物绝缘层封锁住的小隔间——这些氧化物在经典力学中必不导电，当电子撞上它，就好像一个球被扔向一堵坚实的水泥墙。于是，外面的电子进不来，里面的也出不去。

量子隧穿 来源：因斯布鲁克大学

但是，多亏了量子力学中的隧穿效应，一旦电子受到了更高能量的激励，它们就变成了奇诡的幽灵，能够穿过本来拦住它们的绝缘层“墙壁”，出去或者进来，让小隔间内的电子存储情况发生变化。

这种存储技术叫做“闪存”技术。设计者将有电子的小隔间当作“0”，没有电子的小隔间当作“1”，你的文件数据就这样被写入了小小的U盘，方便地在不同设备间传输。

除U盘之外，SD卡和固态硬盘也是闪存技术常见的应用场景

12:00 PM | 秩序之光：扫码枪与激光

中午，你来到楼下的便利店，店员的扫码枪，红色的激光扫描出商品的条形码，商品的名称和价格立刻显示出来，再扫描你手机上的付款码，你用十几秒的时间就获得了今天的午餐。而这激光的产生，同样也依赖于原子核外电子的能量量子化。

8:00 PM | 发光的魔法：显示屏与量子点

你的家配备的宽色域的显示器也是使用了量子点材料，这是一些很小的半导体粒子，每一颗的尺寸都只有几纳米。它们附着在LED背光板上，在背光源的激发下发出不同颜色的光。 在几纳米的尺度下，量子点发光的颜色受到量子力学的牢牢掌控，每一种大小的粒子都对应着一种单独的颜色，这是一种奇特的“量子尺寸效应”：在宏观世界，材料的颜色由其化学成分决定；但在纳米尺度，物理尺寸本身就能改变其光学性质。用这个方法调控的颜色十分纯净，使得屏幕有了非凡的色彩表现力。

不同颜色的量子点材料：粒子尺寸越大，发光颜色越红；粒子尺寸越小，发光颜色越蓝 来源：巴黎理工学院

11：00 PM | 不眠的城市与不息的能量

足够的放松之后，你再一次进入了梦乡。而此时，你所在的城市却并未沉睡。在这不眠的现代都市里，时刻不停的电力供应，是这座城市运作的关键命脉，而其中核能（其能量源于原子核的裂变与聚变）与太阳能（其核心是光电效应，正是爱因斯坦获得诺贝尔奖的量子理论贡献）所产生的电力，同样与量子力学的开拓密不可分。

原来，那些看起来高端的科学，其实并不遥远，而我们看似按部就班的生活，其实也充满奇迹。