宏观世界的量子现象获诺奖！

当我们提到量子力学时，往往想到的是它所支配的微观粒子世界——电子、原子和光子的奇异行为。然而，物理学家一直想知道：一个系统能展现量子效应的最大尺度究竟有多大？

为了探索这个问题，John Clarke、Michel H. Devoret和John M. Martinis在一个可以用手拿起的电子电路系统中，演示了量子隧穿效应和能级量子化现象。他们也因此荣获了2025年的诺贝尔物理学奖。

2025年，诺贝尔物理学奖授予了John Clarke（左）、Michel H. Devoret（中）和John M. Martinis（右）。（图/Nobel Prize Outreach）

在经典物理世界中，当一个物体（比如一个球）碰到障碍物时，我们知道它会反弹。但在量子世界里，粒子却有一定几率能“隧穿”势垒——也就是一个势能高于周围环境的区域。这个在经典物理学中所禁止的效应，便是著名的量子遂穿。

量子隧穿效应。（图/Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences）

然而，一旦涉及到大量粒子，量子效应通常会变得难以察觉。而三位获奖者的实验表明，量子性质可以在宏观尺度上被具象化、被观察到。

1984至1985年间，Clarke、Devoret和Martinis进行了一系列实验，他们搭建了一个由两个超导体构成的电子电路。

导体与超导体。（图/Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences）

他们在这两个超导体之间放置了一层极薄的绝缘层，该层材料完全不导电。在实验中，他们展示出可以操控并研究一种特殊现象：所有在超导体中的带电粒子表现得像一个整体，就好像它们变成了一个充满整个电路的单一宏观粒子。

他们把原本只在微观层面才能观察到的量子效应，扩展到了宏观层面，在肉眼可见的装置中展现了量子力学的特征。（图/Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences）

这个宏观的“类粒子系统”最初处于无电压但有电流的状态。系统被困在这个状态中，就像被一道势垒困住，无法越过。在实验中，该系统展现出其量子特性——它通过量子隧穿从“零电压状态”逃逸出来。系统状态的改变可通过出现电压来检测到。

（图/Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences）

他们还证明，该系统的行为与量子力学预测一致——它的能量是量子化的，也就是说，它只能吸收或释放特定量值的能量。

量子化。（图/Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences）

像Anthony Leggett这样的理论物理学家，把今年获奖者的宏观量子系统比作薛定谔的著名思想实验——一只被关在盒子里的猫，如果没人打开盒子，它会同时处于“活着”和“死了”的叠加状态。薛定谔设计这个思想实验的初衷，是为了指出这种情形的荒谬——因为量子力学的那些特殊性质在宏观尺度上通常会被抹除。整只猫的量子特性不可能在实验室中展示出来。

然而，Leggett认为，获奖者所进行的一系列实验表明：即便是由无数粒子组成的宏观系统，也能整体上完全按照量子力学的规律发挥作用。这个由大量库珀对组成的宏观系统，当然还比一只小猫小上好几个数量级。但由于该实验测量到的是整个系统的量子性质，而不是局部粒子的行为，对于量子物理学家来说，它已经相当接近薛定谔那只想象中的猫。

今年，是量子力学诞生的100年。令人惊叹的是，100后的今天，量子力学仍在不断带来新的惊喜。而且它有巨大的应用价值。例如，计算机芯片中的晶体管，正是早已成熟的量子技术的一个例子。而今年的诺贝尔物理学奖则为下一代量子技术的发展打开了新的机遇——包括量子加密、量子计算机和量子传感器。

#参考来源：

https://www.nobelprize.org

#图片来源：

封面图&首图：Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences