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说清物理诺奖:人类首次在宏观世界看到"子弹穿墙"

在量子物理的世界里，常常会发生一些违反直觉的事情：粒子能穿过墙壁、能量像硬币一样一枚一枚地发放、一个系统能同时处在两个状态之中。这样的现象看似只存在于微观世界，远离我们的日常经验，但今年的诺贝尔物理学奖告诉我们，这些“奇异”的量子现象，可以在你手心大小的电路中发生。

这张图用生活中的一个例子（球扔向墙壁会反弹）来解释量子力学中的隧道效应。在量子力学的微观世界里，微观粒子有一定的概率穿过原本看似不可逾越的“墙壁”，出现在墙壁的另一侧。这与我们日常中基于经典物理形成的直觉相违背，所以让人觉得量子力学很“怪异”。图源：Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

2025年诺贝尔物理学奖授予了三位科学家：约翰·克拉克（John Clarke）、米歇尔·德沃雷（Michel H. Devoret）和约翰·马丁尼斯（John M. Martinis），以表彰他们“在电路中发现宏观量子隧穿与能量量子化”的成就。他们让量子力学从原子与电子的微观舞台，跃上了可以触摸的人类尺度。

当量子世界伸向人类尺度

我们都知道，扔出的球会撞在墙上反弹回来，不可能“穿墙而过”。但在量子世界中，粒子却能做到这一点，这就是着名的“量子隧穿”。

在原子核中，粒子偶尔会穿越能量屏障逃逸出来，这种“穿墙术”正是放射性衰变（如α衰变）的根源。

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物理学家已经知道，隧道效应对于一种特定类型的核衰变（α衰变）来说是必需的。原子核中的一小部分会脱离原子核并出现在原子核的外面。这里强调了隧道效应在α衰变过程中的重要性，解释了α衰变过程中α粒子是如何从原子核内部穿越势垒（Barrier）而逃逸到原子核外部的现象。图源：Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

然而，这种现象通常只出现在单个粒子层面。几十年来，物理学家都在追问：能否让由无数粒子组成的宏观体系，也表现出同样的量子行为？

2025年的三位诺贝尔奖得主给出了一个漂亮的答案：可以。

在超导电路中建造“量子隧道”

时间回到上世纪80年代中期。美国加州大学伯克利分校的实验室里，教授约翰·克拉克带领他的团队，包括博士后米歇尔·德沃雷和博士生约翰·马丁尼斯，开始搭建一个看似普通的电路。这个电路由两块超导体组成，中间夹着一层极薄的绝缘层，这种结构被称为约瑟夫森结（Josephson junction）。