让量子现象“肉眼可见”

　　文/澎湃新闻漫画/杨仕成

　　2025年诺贝尔物理学奖授予英国物理学家约翰·克拉克（John Clarke）、法国物理学家米歇尔·H·德沃雷特（Michel H. Devoret）和美国物理学家约翰·M·马丁尼斯（John M. Martinis），以表彰他们“在电路中发现宏观量子力学隧穿效应与能量量子化现象”。

　　每次讲到量子力学的相关知识都是非常烧脑的，因为需要太多的前置知识才能听懂个大概。这次获奖的重点“量子隧穿（Quantum tunneling）”又是个什么玩意儿呢？通俗的说，就是那些原本不可能发生的事情，依然有很小的概率会发生。

　　我们把电子比喻为一个小球，小球砸向一堵墙的时候，按理说是穿不过去的，只会反弹回来。可是在神奇的量子世界，小球还是有很小的概率会穿墙而过，明明墙没有破啊，这个电子偏偏就穿过去了。这种效果颇有点“崂山道士穿墙术”的意思。所以才得名“量子隧穿”，或者叫“隧道效应”。

　　这个概念是1927年德国的科学家弗里德里希·洪德在研究光谱的时候提出的。这个成果发表以后，著名的科学家伽莫夫发现，这个理论可以用来解释alpha衰变。比如说铀235的原子，这个家伙很大，拥有92个质子，143个中子。按照传统的理论，这么多粒子都被牢牢黏在一起，是比较稳固的。

　　可是铀235的原子核偏偏就有一定的概率会扔出一个alpha粒子，也就是两个质子和两个中子黏在一起组成的氦原子核，这个过程就叫alpha衰变（Uranium-235 alpha decay）。按理说，这些粒子根本没这个力量脱离铀原子核的束缚，可是人家偏偏就跑出来了。

　　伽莫夫认为，这种不可能的事情依然会发生，正是因为量子隧穿效应。

　　同样，量子隧穿效应也一直在太阳的核心时时刻刻发生着。我们都知道，太阳的核心里正在发生核聚变反应。4个氢原子核聚变成一个氦原子。在地面上要想让这个反应发生，必须有上亿度的高温才行，才能让带正电的质子克服彼此的斥力，撞在一起。可是太阳中心只有1200万度，按理说，这个温度差的远呢，核聚变反应根本无法发生。可在太阳的中心，这种聚变反应偏偏就发生了。

　　一方面是因为太阳中心压力极大，密度极高，粒子的碰撞概率变得很大。另外，这个过程还是和量子隧穿效应有关。氢元素只有质子，没有中子。要凑出一个氦原子核，还差两个中子呢。只能靠beta衰变，质子扔出一个正电子和中微子，自己变成一个中子，才能凑出中子。这个beta衰变过程，还得靠量子隧穿。

　　当然，量子隧穿是小概率事件，反应非常缓慢，温度不够也是另一个限制因素。这也就导致了我们的太阳核聚变反应非常地温和稳定，可以慢慢燃烧上百亿年，而不是一下子炸掉。我们如今能生活在地球上，还真是托了量子隧穿效应的福。

　　好啦，这些都是微观粒子层面的量子隧穿效应。可是这次诺奖是颁发给了“宏观量子隧穿效应”，这是什么意思呢？单个电子偶尔穿过障碍，这是一个粒子层面的事儿，alpha衰变的尺度就变大了，这是几十个粒子尺度的事儿了。如果是成千上万，甚至上亿个粒子表现出整齐划一的集体效果，我们应该就可以称为“宏观”尺度了。当然，这个“宏观”只是相对而言。

　　大家知道超导体吗？所谓导线之中的电流，就是一大群电子在流动。这个场景就像是一大群孩子在森林里乱逛，速度想快都快不起来。当温度低到一定程度，这些电子突然之间两两为伴，结成了电子对。而且大量电子对，手拉手肩并肩，组成了庞大而整齐划一的队伍。这时候它们就可以无障碍地快速通过森林，这就是所谓“超导体”。

　　这时候，一根导线之中的那么多电子的行为已经高度整齐划一，呈现出某种集体性的特质。这个特性，就像是一个微观世界的基本粒子。可以认为，这就是一种宏观量子现象。

　　到了上世纪70年代，科学家们搞出了一种叫做“约瑟夫森结”的器件。两个超导体之间，间隔了一层薄薄的绝缘层。按理说这两边的电流是不通的。绝缘层再薄，它也是不导电的呀。可在某些情况下，居然就有电流穿过了这个不导电的障碍。一开始大家以为是绝缘层破了，漏电了。后来发现不是，绝缘层没坏。这个现象的本质依然可以算作“量子隧穿效应”。

　　那么好了，超导现象是宏观量子现象，约瑟夫森效应，就是典型的宏观量子隧穿。也就是说，数以亿计的一大群电子，像是个单个粒子一样，整体表现出了量子隧穿效果。当然啦，我们说起来简单，其实其中的各种细节是非常复杂的。

　　具体到这个“约瑟夫森结”到底有什么用。可以做成磁场计，用来测量磁场，灵敏度极高。可以探测比冰箱贴磁铁弱上亿倍的磁场。这次获奖的约翰·克拉克就在这个领域深耕了多年，不仅仅提高了这类传感器的上限，而且大大拓展了这类器件的使用领域。

　　同样，约瑟夫森结和量子计算的关系密切。米歇尔·德沃雷特和约翰·马丁尼斯，都是这方面的泰斗级人物。米歇尔·德沃雷特开创了“电路量子电动力学”，为超导量子计算提供了理论和实验框架，使得人们能够精确地操控和测量微波光子与超导量子比特，为量子比特的读取、操控以及量子纠错奠定了基础。这些工作都是超导量子计算的基础之一。