今年的诺奖有多牛：粒子穿墙术，是人类首次在宏观世界看到的现象

将小球扔向墙壁，不管是玻璃珠还是乒乓球，它都会立刻反弹回来，这就是我们熟悉的宏观物理规则，稳定且符合直觉。然而，在构成万物的微观粒子世界里，这条规则却神奇地失效了。

以电子为例，它仿佛掌握着“穿墙术，可以出现在似乎不可逾越的“墙壁”另一边，这种现象也叫“量子隧穿”。 今年的物理诺奖，便加冕给了三位首次在宏观尺度下，捕捉到这项“微观神迹”的科学家。他们究竟是如何将这一奇迹成功定格的？

微观穿墙术

在微观世界，阻碍粒子的“墙壁”并非是一种实体，而是一种“能量障碍”，也称“势垒”，指的是粒子前方有一个势能突然升高的区域。

在宏观领域，动能不足的物体无法穿越实体屏障，如墙壁，只会被阻隔或弹回；唯有像子弹那样获得更大的能量，才能击穿障碍。然而在微观量子尺度下，即便粒子能量不够，它仍有一定概率，直接“闪现”至势垒的另一侧。

早在1928年，物理学家伽莫夫就利用这一效应，成功解释了某些重原子核发生的α衰变现象。

在原子核内部，带正电的粒子（α粒子）被强大的核力约束着，仿佛被困于能量垒中。按照经典物理，它们永远无法逃脱。但量子层面的隧穿让它们有机会“穿墙而出”，使得原子核自发衰变，转变为另一种元素。如果没有隧穿效应，我们世界中许多元素的演化都将不同。

德国物理学家宾尼希因开创性地利用量子隧穿效应，发明出了隧道扫描显微镜，而荣获1986年诺贝尔物理学奖。

这一工具的原理是：当探针装置的尖端极度接近样品表面，电子会凭借隧穿效应越过真空间隙。基于对这一微观电流的精密测量，人类得以首次实现对单个原子的直接“观测”与精确操控。

然而，一个萦绕在物理学家心头多年的根本性问题也随之浮现：这种神奇的“穿墙术”，究竟是微观粒子的专属特权，还是说，可以依靠某种手段，使其在宏观世界中显现？

宏观现奇迹

为解开这一谜题，John Clarke、Michel H. Devoret和John M. Martinis——三位今年的诺贝尔物理学奖得主——搭建了一个构思极其精妙的实验平台。

实验装置的核心是一个“约瑟夫森结”，其结构为两层超导体中间夹一层极薄的绝缘体。此结构在常温下表现为普通电路 ；唯有在接近绝对零度的极端条件下，其非凡的量子本征特性才被激活。

在极端低温下，电路中的电子会两两配对形成“库珀对”。这些电子对不再保留独立个性，而是以协同一致的步调运动。此时，系统中数以十亿计的库珀对便构成了一个宏观上的量子态，能够被统一的量子波函数完整描述。

这意味着，整个宏观电路会表现得就像一个巨大的，单一的微观粒子。这正是三位科学家设计实验的巧妙出发点，他们创造了一个宏观尺度上的“人工粒子”。

实验开始时，他们给装置内注入了一个非常微弱的电流。在经典物理学框架下，这个系统会稳定地处于一个“有电流、无电压”的状态，中间那层绝缘体即是阻碍电流的“能量势垒”。

然而，在反复的精密测量中，他们观察到了不可思议的现象：电路两端的电压会突然从零跳变到一个有限的数值。这个跳变并非由外部干扰引起，而是电子自身“穿过”了那道能量屏障。

这就如同在“球与墙”的比喻中， “小球”无视了“墙壁”的阻隔，奇迹般地在其另一侧出现，一种在宏观定律下绝无可能的“穿墙”行为，真实地上演了。

严谨证结论

这就可以得出结论了吗？科学总是严谨的，由于量子过程本质上是随机的，单次观测远不足以支撑确定的结论。

因此，三位科学家又进行了大量重复实验，系统统计了电路从零电压 “逃逸”出来所需的时间。通过分析成千上万次测量的统计结果，他们绘制出的数据图像与隧穿理论的预测完美吻合，排除了任何经典扰动的可能性，确凿地证明了他们观测到的就是宏观上量子隧穿。

为进一步验证，他们还进行了另一项关键实验：向处于零电压状态的电路施加不同波长的微波。结果发现，电路只会吸收特定频率的微波能量，从而自一个能级“跳跃”至相邻的更高能级，如同在攀爬一道无形的量子阶梯，而无法停留在两级之间的任何位置。

这种现象也叫“能量量子化”， 它直接证明了该宏观系统的能量状态是分立的，不连续的，这一分立特性，正是量子世界最根本的法则之一。此外，当系统吸收能量跃升至更高能级后，其发生“穿墙”的几率也显著提升，这一结果与量子学理论的预测相符合。

至此，这三位物理学家构建的实验系统已远超一个普通实验装置的意义。在物理学家眼中，它已成为一个可置于掌中观测的，“薛定谔猫”实验的简化现实版本。

它不再仅是思想实验中的谜题，而是一个真实存在的宏观量子系统，清晰地向人类展示了量子定律在超越微观尺度后所具有的普适力量。

结尾

这项研究就犹如一座连接了两个世界的科学桥梁，它有力地证明了，微观层面的物理规律，并非只禁锢在原子尺度之内。只要时机合适，它也有可能在宏观的尺度上重现。这不仅是认知的突破，更是技术革命的序曲。

未来，医生或许能借助量子传感器，捕捉人体内最微弱的磁信号，实现对某些疾病的早期预防和诊断；新一代的量子计算机也将为人类提供前所未有的计算能力……从某种意义上说，在技术前沿，“穿墙”正在真实发生。