新華社斯德哥爾摩10月7日電 科普｜讓量子現(xiàn)象“肉眼可見”——2025年諾貝爾物理學獎成果解讀
新華社記者郭爽 張兆卿 朱昊晨
量子力學誕生百年之際，瑞典皇家科學院7日將2025年諾貝爾物理學獎授予約翰·克拉克、米歇爾·H·德沃雷和約翰·M·馬蒂尼斯三名量子物理學家。正是他們在前人百年探索基礎上的開創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)，讓我們“看見”曾只存在于微觀領域的量子現(xiàn)象，也為新一代量子技術(shù)的發(fā)展奠定了堅實基礎。
系列開創(chuàng)實驗
量子力學以“怪誕”和“反直覺”的現(xiàn)象而聞名。比如，在日常生活中，當我們把球扔向墻壁時，每次都會反彈回來。然而在微觀世界，單個粒子卻會“穿墻而過”，這種量子力學現(xiàn)象被稱為量子隧穿效應。
上世紀80年代，三名獲獎科學家在加利福尼亞大學伯克利分校進行了一系列開創(chuàng)性實驗。他們構(gòu)建了一個包括兩個超導體的電路，并用一層完全不導電的薄材料將這些超導體分開。在這項實驗中，他們展示了一種現(xiàn)象：超導體中所有帶電粒子都可以表現(xiàn)出“整齊劃一”的行為，就好像它們是充滿整個電路的單個粒子一樣。
這個系統(tǒng)起初被“困在”一個沒有電壓、但有電流在超導體中流動的狀態(tài)中。在實驗中，該系統(tǒng)展現(xiàn)出量子特性，通過隧穿效應成功“逃離”零電壓狀態(tài)，并產(chǎn)生出一個可測量的宏觀效應——可觀測的電壓。這意味著他們實現(xiàn)了宏觀量子隧穿。實驗還表明，該系統(tǒng)是量子化的，即只能吸收或釋放特定能級的能量，與量子力學的預測相符。
有物理學家用量子力學中著名的“薛定諤的貓”作類比，認為本次諾獎的成果把原本的思想實驗變成了可放在手掌中看得見的電路，雖然這個電路系統(tǒng)和一只貓還有很大差別，但在物理學家眼中它們在本質(zhì)上很相似。
基于百年探索
誕生于1925年的量子力學，在一個世紀的發(fā)展中成為現(xiàn)代物理學的重要基礎。本次諾獎成果也基于百年來相關領域科學家孜孜不倦的探索。
1928年，物理學家喬治·伽莫夫通過對重原子核的α衰變進行理論分析，首次提出，量子隧穿效應能夠解釋該衰變過程，從而奠定了隧穿理論在核物理中的應用基礎。隨后，物理學家很快開始研究多個粒子同時參與的隧穿現(xiàn)象，他們把目光投向了超導。
許多耀眼的名字出現(xiàn)在這條研究道路上。在超導材料中，電子可以形成“同步舞蹈”的“庫珀對”，這個名字來源于因在超導領域研究貢獻而獲1972年諾貝爾物理學獎的萊昂·庫珀。如果兩個超導體之間用一層薄的絕緣層相隔連接，就會形成“約瑟夫森結(jié)”，這個名字來源于因相關研究而獲1973年諾貝爾物理學獎的布賴恩·約瑟夫森。
今年獲獎的三名量子物理學家正是在這些先行者的成果基礎上，通過“約瑟夫森結(jié)”實驗首次證實，當超導體中的“庫珀對”集體呈現(xiàn)量子態(tài)時，整個電路能像單個粒子一樣實現(xiàn)隧穿躍遷，打破了量子效應僅存在于微觀世界中的傳統(tǒng)認知。
通向新的世界
諾貝爾物理學委員會主席奧勒·埃里克松當天表示，百年來量子力學不斷帶來新的驚喜，它大有用處，為數(shù)字技術(shù)提供了基礎。比如計算機芯片中的微晶體管，就是我們身邊成熟的量子技術(shù)實際應用的一個例子。
諾貝爾物理學委員會表示，今年的諾貝爾物理學獎成果為開發(fā)下一代量子技術(shù)提供了機遇，包括量子密碼學、量子計算機和量子傳感器。
諾貝爾物理學委員會成員埃娃·奧爾松當天接受新華社記者采訪時說，今年的獲獎成就打開了“通向另一個世界”的大門，使人們能夠在更大尺度上研究量子力學世界。當前多國都在開展量子力學相關研究，如量子計算機等，相信未來這一領域會帶給我們更多驚喜。
奧爾松強調(diào)，要推動相關領域的發(fā)展，國際合作至關重要，很多重大成果正是通過國際合作實現(xiàn)。她表示，自己在研究中就與中國、歐洲、韓國、日本等多國同行合作，這些合作讓研究更具有深度和多樣性。
“科學屬于全人類，”她說，在量子科學領域，“國際合作是尋找未來解決方案的關鍵，這也是諾貝爾遺囑的精神”。
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