2025年諾貝爾物理學獎 用人類的尺度揭示量子特性
2025年是量子力學誕生壹百周年。量子力學描述的是什麼？是在單個粒子尺度上才“顯現”的物理特性。在量子物理學中，這些現象比光學顯微鏡所能觀測到的還要小得多，它們被稱為“微觀”現象。
這與由大量粒子構成的“宏觀”現象形成對比。例如，壹個日常生活中常見的球，由分子組成來描述的話就是天文數字級別的，它不會表現出任何量子力學效應。人們都知道，每次把球扔向牆壁，它都會反彈回來。然而，壹個單獨的粒子在其微觀世界中，有時卻能直接穿過類似牆的障礙，出現在“牆”的另壹側。這種量子力學現象被稱為“隧穿”。
今年的諾貝爾物理學獎，表彰了那些在宏觀尺度上、涉及大量粒子的情況下，成功觀測到量子隧穿現象的實驗。1984年和1985年，約翰·克拉克、米歇爾·H·德沃雷特和約翰·M·馬丁尼斯叁位科學家在美國加州大學伯克利分校進行的壹系列實驗，構建了壹個包含兩個超導體的電路。超導體是能夠以零電阻傳導電流的材料，這兩個超導體之間由壹層完全不導電的薄材料隔開。但在實驗中，他們證明了可以控制並研究壹種現象：超導體中的所有帶電粒子協同運動，表現得就像壹個單壹的粒子，充滿整個電路。
這種類粒子系統被束縛在壹個有電流流動但沒有電壓的狀態中。在實驗中，該系統通過量子隧穿效應展現出了量子特性：從零電壓狀態中逃逸出來，並產生壹個電勢差（電壓）。
與此同時，今年的叁位獲獎者還證明了這壹系統的能量是量子化的——即它只能以特定的、分立的量吸收或釋放能量。
什麼是隧穿？
為了開展研究，叁位獲獎者借助了數拾年來發展起來的理論概念和實驗工具。
我們知道，量子物理與相對論共同構成了所謂“現代物理學”的基礎。過去壹個世紀以來，無數科研人員壹直在探索其深遠含義。
單個粒子發生隧穿的現象，其實早已為人所知。1928年，物理學家喬治·伽莫夫意識到，正是隧穿效應導致某些重原子核以特定方式發生衰變。原子核內部各種力的相互作用在其周圍形成了壹道勢壘，將內部粒子束縛其中。然而，盡管存在這道勢壘，原子核的壹小部分仍有時能分裂出來，穿過勢壘逃逸出去，從而使原來的原子核轉變為另壹種元素。如果沒有隧穿效應，這類核衰變就不可能發生。
隧穿是壹種量子力學過程，其中包含著隨機性。某些類型的原子核具有又高又寬的勢壘，因此其粒子需要很長時間才能出現在勢壘之外；而另壹些類型的原子核則更容易發生衰變。如果人們只觀察單個原子，那無法預測隧穿何時會發生；但通過觀測大量同種原子核的衰變行為，可以測量出隧穿發生的平均時間。描述這壹現象最常見的方法是“半衰期”概念，即樣品中壹半原子核發生衰變所需的時間。
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這與由大量粒子構成的“宏觀”現象形成對比。例如，壹個日常生活中常見的球，由分子組成來描述的話就是天文數字級別的，它不會表現出任何量子力學效應。人們都知道，每次把球扔向牆壁，它都會反彈回來。然而，壹個單獨的粒子在其微觀世界中，有時卻能直接穿過類似牆的障礙，出現在“牆”的另壹側。這種量子力學現象被稱為“隧穿”。
今年的諾貝爾物理學獎，表彰了那些在宏觀尺度上、涉及大量粒子的情況下，成功觀測到量子隧穿現象的實驗。1984年和1985年，約翰·克拉克、米歇爾·H·德沃雷特和約翰·M·馬丁尼斯叁位科學家在美國加州大學伯克利分校進行的壹系列實驗，構建了壹個包含兩個超導體的電路。超導體是能夠以零電阻傳導電流的材料，這兩個超導體之間由壹層完全不導電的薄材料隔開。但在實驗中，他們證明了可以控制並研究壹種現象：超導體中的所有帶電粒子協同運動，表現得就像壹個單壹的粒子，充滿整個電路。
這種類粒子系統被束縛在壹個有電流流動但沒有電壓的狀態中。在實驗中，該系統通過量子隧穿效應展現出了量子特性：從零電壓狀態中逃逸出來，並產生壹個電勢差（電壓）。
與此同時，今年的叁位獲獎者還證明了這壹系統的能量是量子化的——即它只能以特定的、分立的量吸收或釋放能量。
什麼是隧穿？
為了開展研究，叁位獲獎者借助了數拾年來發展起來的理論概念和實驗工具。
我們知道，量子物理與相對論共同構成了所謂“現代物理學”的基礎。過去壹個世紀以來，無數科研人員壹直在探索其深遠含義。
單個粒子發生隧穿的現象，其實早已為人所知。1928年，物理學家喬治·伽莫夫意識到，正是隧穿效應導致某些重原子核以特定方式發生衰變。原子核內部各種力的相互作用在其周圍形成了壹道勢壘，將內部粒子束縛其中。然而，盡管存在這道勢壘，原子核的壹小部分仍有時能分裂出來，穿過勢壘逃逸出去，從而使原來的原子核轉變為另壹種元素。如果沒有隧穿效應，這類核衰變就不可能發生。
隧穿是壹種量子力學過程，其中包含著隨機性。某些類型的原子核具有又高又寬的勢壘，因此其粒子需要很長時間才能出現在勢壘之外；而另壹些類型的原子核則更容易發生衰變。如果人們只觀察單個原子，那無法預測隧穿何時會發生；但通過觀測大量同種原子核的衰變行為，可以測量出隧穿發生的平均時間。描述這壹現象最常見的方法是“半衰期”概念，即樣品中壹半原子核發生衰變所需的時間。
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