2025 諾獎解讀：致敬量子百年！揭開宏觀世界的量子面紗

01 獲獎者公布

2025年諾貝爾物理學獎授予英國物理學家約翰·克拉克（John Clarke）、法國物理學家米歇爾·H·德沃雷特（Michel H. Devoret）和美國物理學家約翰·M·馬丁尼斯（John M. Martinis），以表彰他們“在電路中發現宏觀量子力學隧穿效應與能量量子化現象”。

圖源：https://www.deccanherald.com/world/clarke-devoret-and-martinis-win-2025-nobel-prize-in-physics-3755552

02 “量子隧穿”極簡科普

每次講到量子力學的相關知識都是非常燒腦的，因為需要太多的前置知識才能聽懂個大概。這次獲獎的重點“量子隧穿（Quantum tunneling）”又是個什么玩意兒呢？通俗的說，就是那些原本不可能發生的事情，依然有很小的概率會發生。

我們把電子比喻為一個小球，小球砸向一堵墻的時候，按理說是穿不過去的，只會反彈回來?？墒窃谏衿娴牧孔邮澜?，小球還是有很小的概率會穿墻而過，明明墻沒有破啊，這個電子偏偏就穿過去了。這種效果頗有點“嶗山道士穿墻術”的意思。所以才得名“量子隧穿”，或者叫“隧道效應”。

圖源：https://www.scientificamerican.com/article/quantum-tunneling-is-not-instantaneous-physicists-show/

這個概念是1927年德國的科學家弗里德里希·洪德在研究光譜的時候提出的。這個成果發表以后，著名的科學家伽莫夫發現，這個理論可以用來解釋alpha衰變。比如說鈾235的原子，這個家伙很大，擁有92個質子，143個中子。按照傳統的理論，這么多粒子都被牢牢的黏在一起，是比較穩固的。可是鈾235的原子核偏偏就有一定的概率會扔出一個alpha粒子，也就是兩個質子和兩個中子黏在一起組成的氦原子核，這個過程就叫alpha衰變（Uranium-235 alphadecay）。按理說，這些粒子根本沒這個力量脫離鈾原子核的束縛，可是人家偏偏就跑出來了。

圖源：https://wou.edu/chemistry/courses/online-chemistry-textbooks/ch103-allied-health-chemistry/ch103-chapter-3-radioactivity/

伽莫夫認為，這種不可能的事情依然會發生，正是因為量子隧穿效應。同樣，量子隧穿效應也一直在太陽的核心時時刻刻發生著。我們都知道，太陽的核心里正在發生核聚變反應。4個氫原子核聚變成一個氦原子。在地面上要想讓這個反應發生，必須有上億度的高溫才行。才能讓帶正電的質子克服彼此的斥力，撞在一起?？墒翘栔行闹挥?200萬度，按理說，這個溫度差的遠呢。核聚變反應根本無法發生?？稍谔柕闹行模@種聚變反應偏偏就發生了。一方面是因為太陽中心壓力極大，密度極高，粒子的碰撞概率變得很大。另外。這個過程還是和量子隧穿效應有關。氫元素只有質子，沒有中子。要湊出一個氦原子核，還差兩個中子呢。只能靠beta衰變，質子扔出一個正電子和中微子，自己變成一個中子，才能湊出中子。這個beta衰變過程，還得靠量子隧穿。

圖源：https://www.researchgate.net/figure/Nuclear-fusion-reaction-in-the-Sun-Source-Thermal-Applications-of-Solar-Energy-p22_fig1_370824712

當然，量子隧穿是小概率事件，反應非常緩慢，溫度不夠也是另一個限制因素。這也就導致了我們的太陽核聚變反應非常的溫和穩定，可以慢慢燃燒上百億年，而不是一下子炸掉。我們如今能生活在地球上，還真是托了量子隧穿效應的福。

03 宏觀尺度下的量子特性

好啦，這些都是微觀粒子層面的量子隧穿效應?？墒沁@次諾獎是頒發給了“宏觀量子隧穿效應”，這是什么意思呢？單個電子偶爾穿過障礙，這是一個粒子層面的事兒，alpha衰變的尺度就變大了，這是幾十個粒子尺度的事兒了。如果是成千上萬，甚至上億個粒子表現出整齊劃一的集體效果，我們應該就可以稱為“宏觀”尺度了。當然，這個“宏觀”只是相對而言。

大家知道超導體嗎？所謂導線之中的電流，就是一大群電子在流動。這個場景就像是一大群孩子在森林里亂逛，速度想快都快不起來。當溫度低到一定程度，這些電子突然之間兩兩為伴，結成了電子對。而且大量電子對，手拉手肩并肩，組成了龐大而整齊劃一的隊伍。這時候它們就可以無障礙的快速通過森林，這就是所謂“超導體”。

這時候，一根導線之中的那么多電子的行為已經高度整齊劃一，呈現出某種集體性的特質。這個特性，就像是一個微觀世界的基本粒子。可以認為，這就是一種宏觀量子現象。

到了上世紀的70年代，科學家們搞出了一種叫做“約瑟夫森結（Josephson junction）”的器件。兩個超導體之間，間隔了一層薄薄的絕緣層。按理說這兩邊的電流是不通的。絕緣層再薄，它也是不導電的呀。可在某些情況下，居然就有電流穿過了這個不導電的障礙。一開始大家以為是絕緣層破了，漏電了。后來發現不是，絕緣層沒壞。這個現象的本質依然可以算作“量子隧穿效應”。

圖源：https://universe-review.ca/F13-atom06c.htm

那么好了，超導現象是宏觀量子現象，約瑟夫森效應，就是典型的宏觀量子隧穿。也就是說，數以億計的一大群電子，像是個單個粒子一樣，整體表現出了量子隧穿效果。當然啦，我們說起來簡單，其實其中的各種細節是非常復雜的。

具體到這個“約瑟夫森結”到底有什么用?？梢宰龀纱艌鲇嫞脕頊y量磁場，靈敏度極高?？梢蕴綔y比冰箱貼磁鐵弱上億倍的磁場。這次獲獎的約翰·克拉克就在這個領域深耕了多年，不僅僅是提高了這類傳感器的上限，而且也大大拓展了這類器件的使用領域。

同樣，約瑟夫森結和量子計算的關系密切。米歇爾·德沃雷特和約翰·馬丁尼斯，都是這方面的泰斗級人物。米歇爾·德沃雷特開創了“電路量子電動力學”，為超導量子計算提供了理論和實驗框架。使得人們能夠精確地操控和測量微波光子與超導量子比特。為量子比特的讀取、操控以及量子糾錯奠定了基礎。這些工作都是超導量子計算的基礎之一。

約翰·馬丁尼斯職業生涯幾乎就是一部超導量子計算從實驗室概念走向工程實現的簡史。2019年，他作為谷歌硬件負責人，領導團隊研發了“懸鈴木”（Sycamore）量子計算機，首次實現了量子優越性。

總而言之，三位都是牛人啊，要不然怎么得諾貝爾物理學獎呢？

04 百年征程

當然，諾貝爾獎是出了名的滯后，這次他們獲獎的這些貢獻，都是在上世紀80年代做出的，那時候他們也還年輕呢，屬于同一個實驗小組。目標就是為了證明“宏觀量子效應”。這次他們可以平分836萬元獎金。

正因為諾獎的這種滯后性，你也不知道今年諾獎委員會到底是啥偏好，這就導致每次公布諾獎都像是開盲盒。

其實量子隧穿效應在歷史上不止一次獲得諾貝爾物理學獎。比如1973年，諾獎頒發給了日本的江崎玲於奈和挪威裔美國物理學家賈埃弗，以表彰他們分別發現半導體和超導體的隧穿現象，另一半授予英國物理學家布萊恩?約瑟夫森。

這個江崎玲於奈發明了“隧道二極管”，這是一種半導體器件，我查了一下，淘寶上20塊錢一個。這東西早就普及化了。至于這個約瑟夫森，我們已經提到他很多次了?！凹s瑟夫森結”就是用他的名字命名的。他在1962年提出了理論上的可能性。

1986年，諾獎頒發給了德國物理學家格爾德?賓寧和瑞士物理學家海因里希?羅雷爾，表彰他倆發明掃描隧道顯微鏡。這個顯微鏡能看到原子級別的起伏。第三位獲獎者恩斯特?魯斯卡，他發明了電子顯微鏡。

再下一次，就是今年2025年了。這一次，人家頒獎的時候開宗明義就說清楚了。今年是量子力學誕生100周年。1925年，海森堡發表矩陣力學的論文，以此為起點，算作是量子力學的誕生。這100年來，量子力學已經完全改變了這個世界，因為半導體就是量子力學最典型的應用，這個貢獻無論怎么評價都是不過分的。