原標(biāo)題：他們?cè)诤暧^尺度重現(xiàn)“薛定諤的貓”
北京時(shí)間10月7日，2025年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?wù)焦迹@獎(jiǎng)?wù)邽榧s翰·克拉克、米歇爾·H·德沃雷和約翰·M·馬蒂尼斯三位量子物理學(xué)家，他們通過在宏觀電路上的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了微觀量子世界的“奇異特性”。
量子力學(xué)在1925年誕生，今年正值百年。諾貝爾物理學(xué)委員會(huì)主席奧勒·埃里克松當(dāng)天表示，百年來量子力學(xué)不斷帶來新的驚喜，它大有用處，為數(shù)字技術(shù)提供了基礎(chǔ)。
在人類宏觀世界中，球在被拋向墻壁時(shí)總會(huì)反彈回來。然而，在微觀世界里，單個(gè)粒子有時(shí)會(huì)直接“穿透”相應(yīng)的勢(shì)壘（指空間中勢(shì)能比周圍區(qū)域都高的能量障礙區(qū)域），從另一側(cè)出現(xiàn)，這種量子力學(xué)現(xiàn)象被稱為“量子隧穿”。而2025年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)表彰的突破性成果，正是科學(xué)家首次在由大量粒子組成的宏觀物體上也觀測(cè)到了這一現(xiàn)象。
1928年，物理學(xué)家喬治·伽莫夫意識(shí)到，隧穿正是某些重原子核發(fā)生衰變的原因。
隧穿是一個(gè)量子力學(xué)過程，隨機(jī)性起著作用。不同類型的原子核勢(shì)壘高度和寬度各不相同，因此有的衰變緩慢，有的更容易發(fā)生。
那么，是否存在多粒子同時(shí)參與的隧穿現(xiàn)象？某些材料在極低溫下的特殊性質(zhì)為科學(xué)家提供了新的實(shí)驗(yàn)思路。
在普通導(dǎo)體中，電流是自由電子在材料中運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。但在某些材料中，當(dāng)溫度極低時(shí)，這些電子會(huì)形成一種協(xié)同運(yùn)動(dòng)——以完全無電阻的方式流動(dòng)，這種材料就成為超導(dǎo)體。在超導(dǎo)體中，電子不再獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，而是兩兩成對(duì)，形成所謂的庫珀對(duì)（Cooper pairs），這一概念由利昂·庫珀與約翰·巴丁、羅伯特·施里弗共同提出，并因此獲得1972年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
庫珀對(duì)的行為與普通電子截然不同。普通電子具有“排斥性”——若具有相同性質(zhì)，兩電子不能占據(jù)同一位置，因此它們?cè)谠又蟹植嫉讲煌芗?jí)。然而，當(dāng)電子配對(duì)成為庫珀對(duì)后，它們的個(gè)體性部分消失：兩個(gè)不同的庫珀對(duì)可以完全相同。
于是，超導(dǎo)體中的所有庫珀對(duì)可視為一個(gè)整體量子系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)也成為約翰·克拉克、米歇爾·H·德沃雷和約翰·M·馬蒂尼斯實(shí)驗(yàn)的核心部分。
在量子力學(xué)數(shù)十年發(fā)展的理論與實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)之上，1984年到1985年，約翰·克拉克、米歇爾·H·德沃雷和約翰·M·馬蒂尼斯攜手，持續(xù)挑戰(zhàn)在宏觀尺度演示量子隧穿。
他們對(duì)由超導(dǎo)體構(gòu)成的電路進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)。在電路中，超導(dǎo)元件被一層薄薄的非導(dǎo)電材料隔開。通過改進(jìn)和測(cè)量電路的各種特性，科學(xué)家能夠控制和探索電流通過電路時(shí)出現(xiàn)的現(xiàn)象。這些穿過超導(dǎo)體的帶電粒子組成了一個(gè)整體系統(tǒng)，就像單個(gè)粒子充滿了整個(gè)電路。
這種類似單個(gè)粒子的宏觀系統(tǒng)最初處于有電流流動(dòng)但電壓為零的狀態(tài)。系統(tǒng)被困在這種狀態(tài)中，仿佛被擋在無法跨越的勢(shì)壘之后。但在多次反復(fù)實(shí)驗(yàn)中，該系統(tǒng)通過隧穿效應(yīng)設(shè)法擺脫零電壓狀態(tài)，展示了其量子特性。
他們接著測(cè)量系統(tǒng)隧穿出零電壓態(tài)所需的時(shí)間。由于量子過程具有隨機(jī)性，他們進(jìn)行了大量重復(fù)測(cè)量，并繪制統(tǒng)計(jì)圖像，由此得到零電壓態(tài)的持續(xù)時(shí)間。
此外，他們還證明該系統(tǒng)具有能量量子化性質(zhì)，即它只能以特定的能量份額吸收或發(fā)射能量。他們?cè)诹汶妷簯B(tài)下引入不同波長(zhǎng)的微波，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)在吸收特定波長(zhǎng)的微波后躍遷至更高能級(jí)。當(dāng)系統(tǒng)能量更高時(shí)，零電壓態(tài)持續(xù)時(shí)間更短——這與量子力學(xué)的預(yù)測(cè)完全一致。
這一實(shí)驗(yàn)不僅加深了人類對(duì)量子力學(xué)的理解，也帶來廣泛影響。此前，展示宏觀量子效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)大多依賴大量微觀粒子的綜合作用，如激光、超導(dǎo)體、超流體等。然而，這項(xiàng)成果首次從一個(gè)本身即為宏觀的量子態(tài)中，直接產(chǎn)生了可測(cè)量的宏觀效應(yīng)——即電壓。
理論物理學(xué)家安東尼·萊格特將這一宏觀量子系統(tǒng)與“薛定諤的貓”思想實(shí)驗(yàn)相提并論。薛定諤曾用“生死疊加的貓”來揭示量子特性的荒謬性，因?yàn)榱孔犹匦酝ǔo法在宏觀尺度上被觀測(cè)。
而三位科學(xué)家實(shí)證了的確存在由大量粒子構(gòu)成、卻依然遵循量子力學(xué)規(guī)律的宏觀系統(tǒng)。盡管該系統(tǒng)的尺度仍遠(yuǎn)小于一只貓，但由于實(shí)驗(yàn)直接測(cè)量了其整體的量子性質(zhì)，它在量子物理學(xué)領(lǐng)域具有與“薛定諤的貓”同等的概念重要性。
這三位科學(xué)家的研究成果為探索微觀世界規(guī)律提供了全新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，它可被視作大規(guī)模的人造原子——一個(gè)帶有導(dǎo)線和接口的“原子”，可嵌入不同實(shí)驗(yàn)裝置或用于新型量子技術(shù)。（記者 王璟瑄 樊未晨）