說清物理諾獎:人類首次在宏觀世界看到"子彈穿牆"
在量子物理的世界裡，常常會發生壹些違反直覺的事情：粒子能穿過牆壁、能量像硬幣壹樣壹枚壹枚地發放、壹個系統能同時處在兩個狀態之中。這樣的現象看似只存在於微觀世界，遠離我們的日常經驗，但今年的諾貝爾物理學獎告訴我們，這些“奇異”的量子現象，可以在你手心大小的電路中發生。
這張圖用生活中的壹個例子（球扔向牆壁會反彈）來解釋量子力學中的隧道效應。在量子力學的微觀世界裡，微觀粒子有壹定的概率穿過原本看似不可逾越的“牆壁”，出現在牆壁的另壹側。這與我們日常中基於經典物理形成的直覺相違背，所以讓人覺得量子力學很“怪異”。圖源：Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
2025年諾貝爾物理學獎授予了叁位科學家：約翰·克拉克（John Clarke）、米歇爾·德沃雷（Michel H. Devoret）和約翰·馬丁尼斯（John M. Martinis），以表彰他們“在電路中發現宏觀量子隧穿與能量量子化”的成就。他們讓量子力學從原子與電子的微觀舞台，躍上了可以觸摸的人類尺度。
當量子世界伸向人類尺度
我們都知道，扔出的球會撞在牆上反彈回來，不可能“穿牆而過”。但在量子世界中，粒子卻能做到這壹點，這就是著名的“量子隧穿”。
在原子核中，粒子偶爾會穿越能量屏障逃逸出來，這種“穿牆術”正是放射性衰變（如α衰變）的根源。
物理學家已經知道，隧道效應對於壹種特定類型的核衰變（α衰變）來說是必需的。原子核中的壹小部分會脫離原子核並出現在原子核的外面。這裡強調了隧道效應在α衰變過程中的重要性，解釋了α衰變過程中α粒子是如何從原子核內部穿越勢壘（Barrier）而逃逸到原子核外部的現象。圖源：Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
然而，這種現象通常只出現在單個粒子層面。幾拾年來，物理學家都在追問：能否讓由無數粒子組成的宏觀體系，也表現出同樣的量子行為？
2025年的叁位諾貝爾獎得主給出了壹個漂亮的答案：可以。
在超導電路中建造“量子隧道”
時間回到上世紀80年代中期。美國加州大學伯克利分校的實驗室裡，教授約翰·克拉克帶領他的團隊，包括博士後米歇爾·德沃雷和博士生約翰·馬丁尼斯，開始搭建壹個看似普通的電路。這個電路由兩塊超導體組成，中間夾著壹層極薄的絕緣層，這種結構被稱為約瑟夫森結（Josephson junction）。
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這張圖用生活中的壹個例子（球扔向牆壁會反彈）來解釋量子力學中的隧道效應。在量子力學的微觀世界裡，微觀粒子有壹定的概率穿過原本看似不可逾越的“牆壁”，出現在牆壁的另壹側。這與我們日常中基於經典物理形成的直覺相違背，所以讓人覺得量子力學很“怪異”。圖源：Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
2025年諾貝爾物理學獎授予了叁位科學家：約翰·克拉克（John Clarke）、米歇爾·德沃雷（Michel H. Devoret）和約翰·馬丁尼斯（John M. Martinis），以表彰他們“在電路中發現宏觀量子隧穿與能量量子化”的成就。他們讓量子力學從原子與電子的微觀舞台，躍上了可以觸摸的人類尺度。
當量子世界伸向人類尺度
我們都知道，扔出的球會撞在牆上反彈回來，不可能“穿牆而過”。但在量子世界中，粒子卻能做到這壹點，這就是著名的“量子隧穿”。
在原子核中，粒子偶爾會穿越能量屏障逃逸出來，這種“穿牆術”正是放射性衰變（如α衰變）的根源。
物理學家已經知道，隧道效應對於壹種特定類型的核衰變（α衰變）來說是必需的。原子核中的壹小部分會脫離原子核並出現在原子核的外面。這裡強調了隧道效應在α衰變過程中的重要性，解釋了α衰變過程中α粒子是如何從原子核內部穿越勢壘（Barrier）而逃逸到原子核外部的現象。圖源：Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
然而，這種現象通常只出現在單個粒子層面。幾拾年來，物理學家都在追問：能否讓由無數粒子組成的宏觀體系，也表現出同樣的量子行為？
2025年的叁位諾貝爾獎得主給出了壹個漂亮的答案：可以。
在超導電路中建造“量子隧道”
時間回到上世紀80年代中期。美國加州大學伯克利分校的實驗室裡，教授約翰·克拉克帶領他的團隊，包括博士後米歇爾·德沃雷和博士生約翰·馬丁尼斯，開始搭建壹個看似普通的電路。這個電路由兩塊超導體組成，中間夾著壹層極薄的絕緣層，這種結構被稱為約瑟夫森結（Josephson junction）。
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