今年的物理诺奖，让我们离“救活”薛定谔的猫更近了

北京时间10月7日下午5点45分，2025年诺贝尔物理学奖揭晓，奖项授予约翰·克拉克（John Clarke）、米歇尔·德沃雷（Michel H. Devoret）和约翰·马丁尼斯（John M. Martinis），以表彰他们发现了电路中的宏观量子力学隧穿效应和能量量子化现象。

“遇事不决，量子力学”，虽然我们总觉得量子力学是一个充满神秘色彩的词，但它所描述的世界其实与我们并不遥远。比方说，你现在正在使用的手机，核心技术就利用了量子力学的原理。而荣获本年度诺贝尔物理学奖的三位科学家，正是在打破量子力学和宏观世界的界限之间做出了杰出贡献。

量子力学：不可能的可能

如果我们朝一堵墙扔一个球，这个球会弹回来；如果我们扔一个更小一点的球，这个球也会弹回来。但如果再小一点，比如我们扔出一个电子，它却有可能穿过墙壁，出现在另一侧——这就是大名鼎鼎的量子隧穿效应。

量子隧穿现象反映了量子世界与宏观世界的本质区别：在微观尺度下，单独的粒子不再完全遵循我们所熟悉的宏观物理规律。

如果把这堵墙理解为一个势垒（能量陷阱），那么量子力学的隧穿效应就可以描述为：一个微观粒子能够以一定概率穿越高于自身能量的势垒，出现在原本经典物理学禁止到达的区域。势垒的高度越小，也就是束缚的能量越低，微观粒子飞出去的概率就越大。这种看似违背直觉的现象，在原子尺度上却真实存在。

正如海森堡所言：“我们观察到的不是自然本身，而是自然向我们的提问方式。”面对自然的提问，当年的薛定谔等人交出了完美的答卷：他们用数学语言描绘出微观粒子的波动本质，用波函数描述微观粒子出现在某一位置的概率，并且成功预测和解释了一系列量子现象，比如原子核的阿尔法衰变。

原来，一颗原子核可以被看作是一个微观粒子，其中有很多质子和中子。这些核子在原子核内部不断运动，而核力形成的势垒本应将它们束缚其中。然而，在某些情况下，一个α粒子（即氦核）会以极小但非零的概率穿透这个势垒，逃逸出去——这正是量子隧穿效应在自然界中的直接体现。这一过程无需外界能量输入，纯粹由概率支配。

近一个世纪以来，物理学家已经认识到隧穿效应是某种特定核衰变（α衰变）过程中不可或缺的环节。原子核的微小碎片会通过这种效应挣脱束缚，出现在原子核外部

我们回答了自然的提问，现在是时候向自然反问了：如果微观粒子能隧穿，那由无数粒子组成的宏观系统是否也能展现量子行为，发生隧穿呢？就比如我身上的多余脂肪，是否可以在一定的概率下自动离我而去，就像α粒子远离原子核一样呢？

宏观世界中的量子奇迹

经过多年的探索，科学家从理论和实验上逐步证实，当系统处于极低温环境下并受到高度隔离干扰时，宏观尺度上确实会显现出一些量子现象，例如超导体、玻色-爱因斯坦凝聚态等。

但是在另一方面，人们也意识到，上述的这些现象只是单个微观粒子行为的堆砌，而不是真正意义上的让宏观物体突破微观世界的屏障。例如，在玻色-爱因斯坦凝聚态中，所有的玻色子原子由于温度极低而被调整为拥有相同的量子状态，每个原子都表现为一个单一的、宏观的波函数的组成部分，看起来像是一个很大的宏观物体在做量子运动，但这仍是个体行为的集体同步。

原子云在冷却时密度的变化

温度逐渐接近绝对零度（从左到右）

尖峰的出现证实玻色-爱因斯坦凝聚态的形成

（图片来源：NASA）

这就好比，一个小提琴兴趣班上，所有的学生在老师的指挥下拉出同一个音符，听上去好像是一把很大的琴发出了很响的声音，但这个声音只是无数个相同声音的混合，并不是许多小提琴合体成了一把巨大的琴。

事实上，薛定谔用他的猫讽刺了这种“真正意义上”的宏观量子现象。他设想将一只猫置于密闭装置中，其生死取决于某个微观量子事件的触发。若该事件处于叠加态，猫便同时处在生与死的叠加中。这并非真实存在的状态，而是量子规则套用于宏观物体时产生的逻辑悖论。薛定谔以此质疑将微观描述直接外推至宏观的合理性。

薛定谔的猫（图片来源：Wikipedia）

按照他的想法，我的脂肪是不会自动离我而去了，想想真让人伤心。但好在科学家们仍在坚持不懈地努力，他们在新的领域中，又看到了前所未有的希望。

约瑟夫森结中的惊人发现

约瑟夫森结是一种特殊的实验装置，因英国物理学家布赖恩·约瑟夫森（Brian D. Josephson）命名。它的构成形式一般是两段超导体之间夹着一段极薄的绝缘体。

约瑟夫森结示意图，A、B为超导体，C为中间隔片

从微观尺度单看一个电子的话，它不需要超导也能通过量子隧穿效应穿过绝缘体，这并不稀奇。但是在超导体中，电子不是单独存在的，而是玩起了“双人成行”，两两搭配，组成了一种叫作库珀对的成对结构。约瑟夫森从理论上证明，这种库珀对也能够发生隧穿效应，在没有施加电压的情况下，从一端的超导体中凭空消失并出现在对面的超导体中。

当库珀对从一端跳到另一端时，会产生一个瞬间的电压波动。而本年度的三位诺奖得主在20世纪80年代聚首于美国加州大学伯克利分校后，开始了他们对于这种电压的进一步研究。

他们最初向约瑟夫森结两端的超导体中施加一个微小的电流，此时如果测量两端电压，会发现其值为零。但由于库珀对的隧穿作用，会在一段时间后产生一个电压波动，测量这个电压波动出现的时间，就能反推出库珀对隧穿的概率。

在此之前，人们已经知道，原子中一个单独的电子并不能拥有任意多的能量，它只能拥有某些特定数量的能量，一般被称为能级。这些能级是离散的，就像楼梯的台阶，电子只能站在某一级上，而不能悬在两级之间。

三位科学家创造性地在约瑟夫森结的实验中引入了一个微波装置，从而使他们可以人为地改变超导体中的库珀对的能量。

按照宏观世界的规律理解，给库珀对们增加一些能量，它们发生隧穿的概率就应该大一点。于是，科学家们检测了增加的能量与库珀对隧穿概率之间的关系，发现其变化并非预想的那样是平滑的，而是离散的——只有在添加了某些特定能量的微波之后，才会导致库珀对隧穿的概率上升。

也就是说，超导体中的全部库珀对，表现得像一颗单独的原子（微观量子）那样，拥有离散的能量级，这意味着多个微观量子融合成了一个大尺度的宏观量子，并且能产生宏观效应（约瑟夫森结中的电压波动）——就好比小提琴培训班里的几十把小提琴融合成了一把大琴，但仍然保持着单独一把小提琴的所有性质。这不再是众多微观粒子的同步行为，而是系统整体涌现出的宏观量子现象。

理论与现实意义

宏观体系中的量子效应一直是物理学家追求的圣杯。本年度三位物理学诺奖得主通过精妙实验制造了一个宏观的、人工的、可控的量子系统，再次证明了量子世界的奇特特性并非完全局限于不可见的微观层面。这个发现虽然并未完全解决宏观叠加态（薛定谔的猫）的坍缩问题，但它在实验上向前迈进了一大步，为我们理解量子到经典的转变提供了重要的实验基础。

同时，依赖三位物理学家发现的宏观量子态，利用微观世界的物理现象开展实验从此开辟了新的可能。他们的实验装置可以被看作一个大型人造原子（大到可以接上电缆和开关的那种），作为构建新型测试装置的基础应用于量子技术领域。

一个典型案例是马丁尼斯后续开展的量子计算机实验。他们在实验中找到的宏观量子的能量级，正好可以被用来实现量子计算机中所需要的信息存储单元，也就是量子比特。其中最低能级态对应0，次高一级能级则对应1。目前，全球多家实验室正在持续探索超导电路技术，作为构建未来量子计算机的重要方案。

三位诺奖得主的发现不但拓宽了人类对量子力学理论的认知边界，更为量子计算提供了切实可行的技术路径。也正是在无数物理学家的奋斗中，人类终于真正架起了微观量子世界与宏观技术应用之间的桥梁。