张萌

2025 年将是量子理论诞生一百周年。它解释了哪些现象呢？ 这些现象是在单个粒子尺度上显现出来的，远比光学显微镜所能检测到的现象要细微得多。 在量子物理学中，这些现象被称为“微观”现象，这意味着它们只在我们观察不到的最小尺度上显示出来。

与由大量微粒构成的大观现象形成鲜明对比。例如，日常生活中的一个小球，用分子来描述的话就会是天文数字级别，它并不会表现出任何量子力学效应。众所周知，每次把球扔向墙壁，它都会反弹回来。然而，在微观世界中，一个单独的粒子有时却能直接穿过类似墙的障碍，出现在“墙”的另一侧。这种量子力学现象被称为“隧穿”。

今年的诺贝尔物理学奖表彰了三位科学家，在宏观尺度下和大量粒子的情况下成功观测量子隧穿效应的实验。1984年和1985年约翰·克拉克、米歇尔·H·德沃雷特和约翰·M·马丁尼斯在美国加州大学伯克利分校进行的一系列研究中，他们构建了两个包含超导体材料的电路。这些超导体完全不导电，并隔开了它们。实验揭示了一个有趣的现象：当超导体中的电子和原子协同运动时，就像一个单一的粒子一样在整个电路中充满流动。

这类粒子系统处于一个既没有电压也无电流流动的状态。在实验证明中，粒子系统使用了量子隧穿的机制表现出了它们特有的量子性质，它们从静止不动的状态中通过量子隧穿效应逃逸出来，并且产生了一个电势差（电压）。

与此同时，这三位获奖者展示了这一系统能动的量子特性 —— 也就是说，它只以精确可细分的方式吸收和释放能量。

什么是隧穿和跨越？

为实现研究目标，三位获奖者采用了过去几十年中形成的一系列理论假设与实践方法。

我们知道，量子物理学和狭义相对论构成所谓的“现代物理学”基础框架。在过去的一个世纪里，众多研究者在探求其深奥含义。

单个粒子发生隧穿的现象早为人所知1928年物理学家乔治·伽莫夫意识到正是这一现象导致某些重原子核以特定方式发生衰变。原子核内部各种力的相互作用在其周围形成一道势垒将内部粒子束缚其中然而尽管存在这道势垒，原子核的一小部分仍有时能分裂出来穿过势垒逃逸出去从而使原来的原子核转变为另一种元素如果没有隧穿效应这类核衰变就不可能发生

隧穿是一个量子力学过程，其中包含随机性。某些类型原子核具有高宽势垒，因此要耗时很长才能在势垒以外出现；而另一种类型的原子核更容易发生裂变。若观察单个原子核则无法预测隧穿何时发生；但观测大量同种原子核的裂变行为便可测定出隧穿发生的平均时间。描述这一现象最常被引用的方法是“半衰期”，即样品中一半原子核发生裂变所需的时间。

物理学家们不久之后就开始进行深入的研究，并试图寻找可能存在于多粒子之间发生碰撞的新形式。其中一个探讨的方向是探索这种罕见物质出现在极低温度下的特性，私家侦探，侦探公司，调查公司，查人找物，商务调查，出轨外遇调查，婚外情调查，私人调查，19209219596这也是一种新型实验的方向。

在通常的绝缘材料中，电流的产生是由于电子能够在整个材料内自由移动。当电子以有序的方式穿过一个导体时，形成一种协调一致“舞”姿，毫不阻力地流动。此时，这个导体转变成为超导体，而这些电子就会与它们结合成一对。这种由库珀所发现的电子对被称为“莱昂·库珀-约翰·巴丁-罗伯特·施里弗”。他们的工作原理因此于1972年为他们赢得了诺贝尔物理学奖。

库珀行为与普通的电子完全不同；前者拥有很强的“个体性”倾向于彼此保持距离；而电子壳层上的分布则不同；而在超导体中的两个具有相同性质的电子则可以视为同一整体，也就是说，在一个统一的整体中观察到它们的可能性大于分离后单个观测。从量子力学的角度看，所有库珀对拥有共同的波函数这个整体状态描述，它同时包含了所有的可能性和具体的性质信息。

科学家的起步阶段

这些课题恰好与约瑟夫·克拉克的研究息息相关。他于1968年在英国剑桥大学获得物理学博士学位后移居美国，在伯克利建立了自己的研究团队，致力于利用超导材料和约瑟夫森耦合器来探索多种物理现象。

直到20世纪80年代中期，米歇尔·H·德沃雷特博士从巴黎获得博士学位后，在约翰·克拉克博士的指导下作为他的博士后成员加入了他的研究团队。这个科研小组还包括了马丁尼斯博士研究生和两位共同承担起挑战“宏观量子隧穿”的实验家。为了确保精确测量，并且屏蔽外界的干扰，他们采用了一套极其精密的装置和技术。最终他们的研究成果深入理解了电路的所有特性，成功优化并精确地进行了所有特性测试。

为了检验量子现象，他们在约瑟夫森结中注入了微弱的电流，并记录下与电路电阻相关的电压。最初，约瑟夫森结两端的电压为零，这符合预期，因为波函数在系统不处于电压状态的情况下被限制在一个不会产生电压的状态中。接着，他们测量出当系统从这一状态“隧穿”出来并发生电势差（电压）时所需的时间，一旦发生“隧穿”，就会出现相应的电压。量子力学的随机性使其难以预测具体的“隧穿时间”，为此，研究人员进行了大量重复测量，并将结果绘制成图形进行分析。这种实验方式类似于通过许多衰变事件发生的统计来估算原子核的半衰期一样。

三位科学家开发了一款使用超导电路的装置。承载该电路的芯片大小约为一厘米，之前，在仅含有少量粒子的系统中，隧穿效应和能量量子化是被广泛研究的内容。然而，此前的研私家侦探，侦探公司，调查公司，查人找物，商务调查，出轨外遇调查，婚外情调查，私人调查，19209219596究主要集中在一小群库珀对上，而此次实验中的这些量子现象却出现在一个包含数十亿个库珀对的大宏观量子系统中。因此，这项研究表明，量子效应可以被推进到从微观尺度走向宏观尺度的领域。

这种隧穿现象暗示着，实验中的那些协同运作的库珀对被看作是庞大单一的单个粒子一样。科学家在更仔细地考察了系统的能量状态之后，也确信了这一点。

“量子力学得名于人们发现微观过程中的能量是以离散‘包’形式存在的这一事实。”今年三位获奖者在工作中发现了微波光谱中特定频率被系统吸收的现象，说明当系统的能级高于零电压时，持续的时间更短，这就是量子力学所预言的。

理论与实践的联系和关系

这项研究对于理解量子力学有着深远影响。以往观察到的各种宏观量子现象通常是由许多微观单元各自独立的量子性质叠加而产生的，这些微观构成部分共同形成了宏观效应，如激光、超导体以及超流体。然而，在这个实验中情况却有所不同：它从一个本来就已经具有宏观性状态——大量的粒子共享的统一波函数出发，产生了可以测量的电压这样的宏观效应。

理论物理学家安东尼·莱格特将获奖者发现的宏观系统与1933年诺贝尔物理学奖得主薛定谔提出的思想实验相比较。该实验假设，在不观察的情况下，猫同时处于“活”和“死”的状态（后者因此获得1933年的诺贝尔奖）。这个设想之所以引人关注，是因为在宏观尺度下，量子力学的特殊性质常常会被忽略。现实中难以展示一只猫处于这种叠加态。

然而，莱格特指出今年三位获奖者的系列实验表明确实存在一些现象这些现象中大量粒子共同表现出量子力学所预言的行为尽管由众多库珀对构成的这个宏观系统尺寸上仍比一只小猫小好几个数量级但由于实验测量的是整个系统的整体量子特性因此在量子物理学家看来它与薛定谔那只假想中的猫在本质上相当类似。

此类宏观量子态，为人类利用微观世界规律进行新实验提供了新的可能。它可以帮助人们构建大型的人造原子，这一人造原子可以连接到新的测试装置中，或是开发新型的量子技术。例如这类人工原子可用于模拟其他量子系统，帮助我们更好地理解这些系统的性质。

另一项实用例子则是马丁尼斯后在进行的一系列关于量子计算机实验，该系列实验是通过他与另外两位获奖者研究的量子能量化特性实现的：他们使用具有量子能级（qubit）的电路作为信息载体，最低能级和激发态代表“0”和“1”。这意味着这种技术路径正逐渐成为构建未来量子计算机的基本途径。

可以说，这些获奖者深化了我们对物理世界的理解，并为下一代量子技术——即包括量子加密、量子计算机和量子传感在内的领域的发展提供了新途径。

诺奖物理委员会主席奥勒·埃尔维德指出，100年来的量子力学的发展始终让世界为之瞩目，这次的研究将为应用量子理论提供强大支持，这一研究成果有更重要的实际意义，因为它奠定了信息技术发展的基础。

来源：瑞典皇家科学院