他们在宏观尺度重现“薛定谔的猫”

北京时间10月7日，2025年诺贝尔物理学奖正式公布，获奖者为约翰·克拉克、米歇尔·H·德沃雷和约翰·M·马蒂尼斯三位量子物理学家，他们通过在宏观电路上的实验发现了微观量子世界的“奇异特性”。

量子力学在1925年诞生，今年正值百年。诺贝尔物理学委员会主席奥勒·埃里克松当天表示，百年来量子力学不断带来新的惊喜，它大有用处，为数字技术提供了基础。

在人类宏观世界中，球在被抛向墙壁时总会反弹回来。然而，在微观世界里，单个粒子有时会直接“穿透”相应的势垒（指空间中势能比周围区域都高的能量障碍区域），从另一侧出现，这种量子力学现象被称为“量子隧穿”。而2025年诺贝尔物理学奖表彰的突破性成果，正是科学家首次在由大量粒子组成的宏观物体上也观测到了这一现象。

1928年，物理学家乔治·伽莫夫意识到，隧穿正是某些重原子核发生衰变的原因。

隧穿是一个量子力学过程，随机性起着作用。不同类型的原子核势垒高度和宽度各不相同，因此有的衰变缓慢，有的更容易发生。

那么，是否存在多粒子同时参与的隧穿现象？某些材料在极低温下的特殊性质为科学家提供了新的实验思路。

在普通导体中，电流是自由电子在材料中运动的结果。但在某些材料中，当温度极低时，这些电子会形成一种协同运动——以完全无电阻的方式流动，这种材料就成为超导体。在超导体中，电子不再独立运动，而是两两成对，形成所谓的库珀对（Cooper pairs），这一概念由利昂·库珀与约翰·巴丁、罗伯特·施里弗共同提出，并因此获得1972年诺贝尔物理学奖。

库珀对的行为与普通电子截然不同。普通电子具有“排斥性”——若具有相同性质，两电子不能占据同一位置，因此它们在原子中分布到不同能级。然而，当电子配对成为库珀对后，它们的个体性部分消失：两个不同的库珀对可以完全相同。

于是，超导体中的所有库珀对可视为一个整体量子系统。这个系统也成为约翰·克拉克、米歇尔·H·德沃雷和约翰·M·马蒂尼斯实验的核心部分。

在量子力学数十年发展的理论与实验基础之上，1984年到1985年，约翰·克拉克、米歇尔·H·德沃雷和约翰·M·马蒂尼斯携手，持续挑战在宏观尺度演示量子隧穿。

他们对由超导体构成的电路进行了一系列实验。在电路中，超导元件被一层薄薄的非导电材料隔开。通过改进和测量电路的各种特性，科学家能够控制和探索电流通过电路时出现的现象。这些穿过超导体的带电粒子组成了一个整体系统，就像单个粒子充满了整个电路。

这种类似单个粒子的宏观系统最初处于有电流流动但电压为零的状态。系统被困在这种状态中，仿佛被挡在无法跨越的势垒之后。但在多次反复实验中，该系统通过隧穿效应设法摆脱零电压状态，展示了其量子特性。

他们接着测量系统隧穿出零电压态所需的时间。由于量子过程具有随机性，他们进行了大量重复测量，并绘制统计图像，由此得到零电压态的持续时间。

此外，他们还证明该系统具有能量量子化性质，即它只能以特定的能量份额吸收或发射能量。他们在零电压态下引入不同波长的微波，发现系统在吸收特定波长的微波后跃迁至更高能级。当系统能量更高时，零电压态持续时间更短——这与量子力学的预测完全一致。

这一实验不仅加深了人类对量子力学的理解，也带来广泛影响。此前，展示宏观量子效应的实验大多依赖大量微观粒子的综合作用，如激光、超导体、超流体等。然而，这项成果首次从一个本身即为宏观的量子态中，直接产生了可测量的宏观效应——即电压。

理论物理学家安东尼·莱格特将这一宏观量子系统与“薛定谔的猫”思想实验相提并论。薛定谔曾用“生死叠加的猫”来揭示量子特性的荒谬性，因为量子特性通常无法在宏观尺度上被观测。

而三位科学家实证了的确存在由大量粒子构成、却依然遵循量子力学规律的宏观系统。尽管该系统的尺度仍远小于一只猫，但由于实验直接测量了其整体的量子性质，它在量子物理学领域具有与“薛定谔的猫”同等的概念重要性。

这三位科学家的研究成果为探索微观世界规律提供了全新实验平台，它可被视作大规模的人造原子——一个带有导线和接口的“原子”，可嵌入不同实验装置或用于新型量子技术。（记者 王璟瑄 樊未晨）

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