颠覆认知！量子隧穿不是科幻，手机闪存、太阳发光都靠它

颠覆认知！量子隧穿不是科幻，手机闪存、太阳发光都靠它

2025年10月7日，诺贝尔物理学奖一揭晓就刷爆全网！约翰·克拉克、米歇尔·H·德沃雷特和约翰·M·马蒂尼斯三位科学家，凭着“在电路中发现宏观量子隧穿”的成果摘得桂冠。

1100万瑞典克朗奖金背后，是个刷新三观的发现，量子效应居然能在肉眼可见的宏观系统里存在！你可能觉得量子隧穿这词听着就头疼，像科幻电影里的桥段。

但说句实在话，这玩意儿离咱们一点都不远。

每次你和朋友小酌几杯，肝脏忙着代谢酒精的时候，量子隧穿就在里面悄悄“干活”；甚至咱们能安稳活着，都得感谢太阳核心靠量子隧穿实现的核聚变呢！

说白了，量子隧穿就是微观世界的“崂山道士穿墙术”。

经典力学里，粒子能量不够翻不过“能量高墙”，就只能乖乖退回去，好比骑自行车过陡坡，没劲儿蹬就只能卡在半路。

但量子世界里，粒子根本不按常理出牌，就算能量不够，也能大概率直接“瞬移”穿过高墙，不用费劲儿攀爬。

2025年诺奖的获奖成果，就是把这种微观奇迹搬到了宏观世界。

早在1984-1985年，三位科学家就用超导体制成了特殊电路，核心部件是“约瑟夫森结”，相当于两块超导体夹着一层薄绝缘层的“三明治”。

他们把电路降温到-266℃，这个温度下超导体没有电阻，里面的电子会两两结成“库珀对”，数十亿个库珀对整齐划一，像一个巨大的“宏观粒子”。

让人惊叹的是，这个“宏观粒子”居然能穿过绝缘层的势垒，实现完整的量子隧穿。

更关键的是，这套系统吸收和释放能量都按固定剂量来，完美符合量子化预测。

而获奖者之一的马蒂尼斯后来带领谷歌团队，就是靠这套技术研发出“悬铃木”量子计算机，首次实现了量子计算优越性，让量子计算机比经典计算机快了上万倍。

从另一个角度看，物理界的这个大发现，化学界早就习以为常了。

1976年就有科学家发现，某个氢迁移反应在-150℃的极低温下，氢原子靠隧穿效应让反应速率暴涨，同位素效应直接突破经典理论上限13000倍。

而在咱们37℃的身体里，马肝乙醇脱氢酶催化酒精代谢时，量子隧穿更是常规操作，甚至改变酶的活性位点，就能调控隧穿的强弱。

你发现没，量子隧穿的应用早就渗透到生活里了。

咱们常用的闪存驱动器，核心原理就是电子隧穿；医院里精准检测磁场的仪器，还有观察原子级结构的扫描隧道显微镜，都是靠量子隧穿吃饭的。

就连太阳核心的核聚变，温度只有1200万度，远不够让氢原子核克服斥力相撞，正是量子隧穿让质子“穿墙而过”，才让太阳温和燃烧百亿年，给地球带来光和热。

量子隧穿看着神奇，但不是无迹可寻，两大经典理论就像两把钥匙，帮咱们揭开了它的奥秘。

第一把就是1955年哈蒙德提出的哈蒙德假说，这位科学家在《美国化学会志》上发表论文，核心观点特别简单：反应中能量接近的两个状态，结构肯定也差不远。

我跟你讲，这个假说用生活例子一解释就懂。

就像劈柴，木质松脆的（对应放热反应），斧子刚楔进去一点就裂了，这个“发力点”就是“早期过渡态”，和原料的结构很像；要是木质致密（对应吸热反应），得把斧子劈到底才会断，这个“发力点”就是“晚期过渡态”，更像产物的结构。

举个例子，卤代烃的溶剂解反应，形成叔碳离子时放热多，过渡态就靠近原料；形成仲碳离子时吸热多，过渡态就靠近产物。

正是这个假说，让化学家不用搞复杂计算，凭着反应是放热还是吸热，就能猜到关键节点的结构。

直到现在，就算有了能精准计算的Gaussian程序，科学家猜测过渡态结构时，还得靠哈蒙德假说指路。

另一把钥匙是马库斯理论。

1992年诺奖得主马库斯提出一个反常识的观点：电子转移反应里，反应速率和驱动力不是越猛越快，而是先快后慢，这就是“反转区”现象，就像跑步，适度发力跑得更快，但使劲过猛反而会减速。

这个看似奇怪的理论，1984年被实验实打实证实了。

科学家把电子供体和受体固定在刚性分子骨架上，控制它们的距离，然后改变反应驱动力，结果发现当驱动力超过临界值后，反应速率真的开始下降。

这个理论不仅解释了电池充放电、植物光合作用的电子转移，还为量子隧穿研究提供了重要参考。

更让人敬佩的是，如今102岁的马库斯还没退休，近五年发表了十余篇论文，成为在世最年长的诺奖得主。

他当年领奖时还调侃，没想到自己的理论能受到这么多关注，其实他更想安安静静做研究。

正是这种执着，让经典理论至今还在支撑着前沿科学的发展。

随着技术进步，量子隧穿的研究还在不断打破咱们的认知。

以前大家都觉得，只有氢、电子这种轻原子才能发生隧穿，重原子根本没机会。

但2024年复旦大学周鸣飞团队的研究，直接推翻了这个固有印象。

他们在研究铍臭氧化物的闭环反应时发现，四个氧原子居然能协同隧穿。

就算在3K（-270℃）的极低温下，这个反应也能自发进行，反应速率和温度几乎没关系，还出现了异常大的同位素效应。

这个发现说明，重原子也能玩隧穿，为低温化学反应机理研究开辟了新方向。

2025年5月，塞格德大学和华中科技大学的合作研究更有意思。

他们研究氟离子和甲基碘的反应时发现，质子（轻氢同位素）的反应行为完全偏离经典预测，而氘（重氢同位素）却中规中矩。

量子动力学模拟证实，这就是轻同位素更易隧穿导致的，就像小孩比大人更容易钻过栅栏，轻原子隧穿的概率就是更高。

还有2023年《自然》杂志刊登的实验，科学家在离子阱里让氘离子和氢分子反应，因为温度太低，粒子根本没有足够能量按常规方式反应。

但每千亿次碰撞中，还是有一次能发生反应，这正是量子隧穿的功劳。

这个实验首次精准验证了化学反应中隧穿效应的理论模型，让咱们对隧穿的理解更深入。

现在的计算化学越来越强大，Gaussian程序里的伯尼算法能精准搜索反应过渡态，但最初的结构猜测，依然离不开哈蒙德假说的指导。

就像2025年诺奖的宏观隧穿，看似和化学里的微观隧穿天差地别，本质上都是量子世界的基本规律在起作用。

这些新发现不断告诉我们，量子隧穿的潜力还没被完全挖掘，未来还有更多惊喜等着咱们。

量子隧穿从来不是实验室里的高冷玩意儿，而是藏在生活里的小魔法。

它能在-266℃的超导电路里创造奇迹，也能在37℃的人体肝脏里默默工作；能让量子计算机飞速运算，也能让太阳持续发光发热。

从哈蒙德假说的朴素猜想，到马库斯理论的精准预测，再到2025年诺奖的宏观突破，科学的进步就是不断打破“不可能”。

其实世界的真相往往很有趣，那些看似高深的理论，早就悄悄融入了柴米油盐，只要咱们保持好奇，就能发现更多藏在身边的科学奥秘。