原標(biāo)題：他們在宏觀尺度重現(xiàn)“薛定諤的貓”

北京時間10月7日，2025年諾貝爾物理學(xué)獎?wù)焦迹@獎?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驗發(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，球在被拋向墻壁時總會反彈回來。然而，在微觀世界里，單個粒子有時會直接“穿透”相應(yīng)的勢壘（指空間中勢能比周圍區(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到了這一現(xiàn)象。

1928年，物理學(xué)家喬治·伽莫夫意識到，隧穿正是某些重原子核發(fā)生衰變的原因。

隧穿是一個量子力學(xué)過程，隨機(jī)性起著作用。不同類型的原子核勢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)家提供了新的實驗思路。

在普通導(dǎo)體中，電流是自由電子在材料中運動的結(jié)果。但在某些材料中，當(dāng)溫度極低時，這些電子會形成一種協(xié)同運動——以完全無電阻的方式流動，這種材料就成為超導(dǎo)體。在超導(dǎo)體中，電子不再獨立運動，而是兩兩成對，形成所謂的庫珀對（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。

庫珀對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，因此它們在原子中分布到不同能級。然而，當(dāng)電子配對成為庫珀對后，它們的個體性部分消失：兩個不同的庫珀對可以完全相同。

于是，超導(dǎo)體中的所有庫珀對可視為一個整體量子系統(tǒng)。這個系統(tǒng)也成為約翰·克拉克、米歇爾·H·德沃雷和約翰·M·馬蒂尼斯實驗的核心部分。

在量子力學(xué)數(shù)十年發(fā)展的理論與實驗基礎(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。

他們對由超導(dǎo)體構(gòu)成的電路進(jìn)行了一系列實驗。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整體系統(tǒng)，就像單個粒子充滿了整個電路。

這種類似單個粒子的宏觀系統(tǒng)最初處于有電流流動但電壓為零的狀態(tài)。系統(tǒng)被困在這種狀態(tài)中，仿佛被擋在無法跨越的勢壘之后。但在多次反復(fù)實驗中，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。

他們接著測量系統(tǒng)隧穿出零電壓態(tài)所需的時間。由于量子過程具有隨機(jī)性，他們進(jìn)行了大量重復(fù)測量，并繪制統(tǒng)計圖像，由此得到零電壓態(tài)的持續(xù)時間。

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。他們在零電壓態(tài)下引入不同波長的微波，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)在吸收特定波長的微波后躍遷至更高能級。當(dāng)系統(tǒng)能量更高時，零電壓態(tài)持續(xù)時間更短——這與量子力學(xué)的預(yù)測完全一致。

這一實驗不僅加深了人類對量子力學(xué)的理解，也帶來廣泛影響。此前，展示宏觀量子效應(yīng)的實驗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，這項成果首次從一個本身即為宏觀的量子態(tài)中，直接產(chǎn)生了可測量的宏觀效應(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”思想實驗相提并論。薛定諤曾用“生死疊加的貓”來揭示量子特性的荒謬性，因為量子特性通常無法在宏觀尺度上被觀測。

而三位科學(xué)家實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，但由于實驗直接測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)律提供了全新實驗平臺，它可被視作大規(guī)模的人造原子——一個帶有導(dǎo)線和接口的“原子”，可嵌入不同實驗裝置或用于新型量子技術(shù)。（記者 王璟瑄 樊未晨）