诺奖得主让我们“看见”量子开创实验揭示宏观现象

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2025-10-09 13:18:19 百家号

诺奖得主让我们“看见”量子开创实验揭示宏观现象！在量子力学诞生百年之际，瑞典皇家科学院将2025年诺贝尔物理学奖授予约翰·克拉克、米歇尔·H·德沃雷和约翰·M·马蒂尼斯三名量子物理学家。他们的开创性发现让我们能够“看见”曾只存在于微观领域的量子现象，也为新一代量子技术的发展奠定了基础。

量子力学以“怪诞”和“反直觉”的现象著称。例如，在日常生活中，当我们把球扔向墙壁时，每次都会反弹回来。然而在微观世界，单个粒子却会“穿墙而过”，这种现象被称为量子隧穿效应。上世纪80年代，这三位科学家在加利福尼亚大学伯克利分校进行了一系列实验。他们构建了一个包括两个超导体的电路，并用一层完全不导电的薄材料将这些超导体分开。实验中，他们展示了一种现象：超导体中的所有带电粒子可以表现出整齐划一的行为，就好像它们是充满整个电路的单个粒子一样。这个系统起初被“困在”一个没有电压但有电流流动的状态中，通过隧穿效应成功“逃离”零电压状态，并产生出可观测的电压。这意味着他们实现了宏观量子隧穿。实验还表明，该系统是量子化的，即只能吸收或释放特定能级的能量，与量子力学的预测相符。有物理学家认为，这次成果把原本的思想实验变成了可放在手掌中看得见的电路，虽然这个电路系统和一只猫还有很大差别，但在物理学家眼中它们在本质上很相似。

量子力学自1925年诞生以来，成为现代物理学的重要基础。本次诺奖成果也基于百年来相关领域科学家孜孜不倦的探索。1928年，物理学家乔治·伽莫夫通过对重原子核的α衰变进行理论分析，首次提出量子隧穿效应能够解释该衰变过程，从而奠定了隧穿理论在核物理中的应用基础。随后，物理学家开始研究多个粒子同时参与的隧穿现象，他们把目光投向了超导。许多著名科学家的名字出现在这条研究道路上。在超导材料中，电子可以形成“库珀对”。如果两个超导体之间用一层薄的绝缘层相隔连接，就会形成“约瑟夫森结”。今年获奖的三名量子物理学家正是在这些先行者的成果基础上，通过“约瑟夫森结”实验首次证实，当超导体中的“库珀对”集体呈现量子态时，整个电路能像单个粒子一样实现隧穿跃迁，打破了量子效应仅存在于微观世界中的传统认知。

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