北京時(shí)間10月7日下午5時(shí)45分許，2025年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)揭曉。美國(guó)科學(xué)家John clarke、Michel H. Devoret和John M. Martinis獲獎(jiǎng)，以表彰他們“發(fā)現(xiàn)宏觀量子力學(xué)隧穿和電路中的能量量子化”。2025年的諾貝爾獎(jiǎng)單項(xiàng)獎(jiǎng)金為1100萬(wàn)瑞典克朗，與2024年持平，合人民幣834.526萬(wàn)元。

在量子力學(xué)里，量子隧穿效應(yīng)（Quantum tunneling effect）指的是，像電子等微觀粒子能夠穿入或穿越位勢(shì)壘的量子行為，盡管位勢(shì)壘的高度大于粒子的總能量。在經(jīng)典力學(xué)里，這是不可能發(fā)生的，但使用量子力學(xué)理論卻可以給出合理解釋。

量子隧穿效應(yīng)是太陽(yáng)核聚變所倚賴(lài)的機(jī)制。量子隧穿效應(yīng)限制了太陽(yáng)燃燒的速率，是太陽(yáng)聚變循環(huán)的瓶頸，因此維持太陽(yáng)的長(zhǎng)久壽命。許多現(xiàn)代器件的運(yùn)作都倚賴(lài)這效應(yīng)。例如，隧道二極管、場(chǎng)致發(fā)射、約瑟夫森結(jié)、磁隧道結(jié)等等。掃描隧道顯微鏡、原子鐘也應(yīng)用到量子隧穿效應(yīng)。量子隧穿理論也被應(yīng)用在半導(dǎo)體物理學(xué)、超導(dǎo)體物理學(xué)等其它領(lǐng)域。

由于對(duì)于量子隧穿效應(yīng)在半導(dǎo)體、超導(dǎo)體等領(lǐng)域的研究或應(yīng)用，已有5位物理學(xué)者獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

關(guān)于量子力學(xué)的科普（來(lái)源科普自媒體蝌蚪五線(xiàn)譜,并適當(dāng)精簡(jiǎn)）

2025年，距量子力學(xué)的誕生恰好過(guò)去100年。在這100年間，量子力學(xué)已成為現(xiàn)代科學(xué)的基石，也改變了我們的日常生活。也許，你和我們很多人一樣，是一個(gè)普通的城市上班族；也許，你也曾有過(guò)仰望星空的夢(mèng)想——像科學(xué)家一樣理解這個(gè)世界，卻困于日復(fù)一日的忙碌中，沒(méi)有時(shí)間再抬頭看一看。如“量子力學(xué)”這樣的詞匯，雖已存在了百年，也許對(duì)你來(lái)說(shuō)，卻顯得依舊遙遠(yuǎn)而陌生。

但是，量子力學(xué)，這個(gè)潛藏在世界任何地方的精靈，并不需要刻意的尋找，它就站在普通日常生活中的每一個(gè)轉(zhuǎn)角，在你讀到這句話(huà)時(shí)，你早已與它不期而遇了很多次。不信？讓我們從你的早晨開(kāi)始說(shuō)起。

7:00 AM | 掌中的宇宙：手機(jī)與半導(dǎo)體

早上7點(diǎn)，你的手機(jī)鬧鐘像往常一樣將你從睡夢(mèng)中喚醒，手機(jī)中的芯片開(kāi)始工作，組成它的是許多微小的半導(dǎo)體元件。在經(jīng)典物理的世界里，一個(gè)物體要么導(dǎo)電，要么不導(dǎo)電，幾乎不存在“既是又不是”的模糊狀態(tài)。但是，在經(jīng)典理論之外，量子力學(xué)的能帶理論，卻催生了半導(dǎo)體這顆現(xiàn)代工業(yè)的明珠。

介于導(dǎo)電與不導(dǎo)電之間的特殊性質(zhì)，使半導(dǎo)體材料能夠被制成一個(gè)個(gè)微型開(kāi)關(guān)，控制電流在導(dǎo)通與不導(dǎo)通之間正確地切換，組合成輕便而強(qiáng)大的集成電路，為你處理著大量的數(shù)據(jù)，再變成可讀的信息，呈現(xiàn)在你的眼前。

8:00 AM | 天空的指引：導(dǎo)航系統(tǒng)與原子鐘

你打開(kāi)手機(jī)的地圖軟件開(kāi)始導(dǎo)航。此時(shí)，地球周?chē)煌恢梅植贾亩ㄎ恍l(wèi)星正在向你發(fā)送信號(hào)。通過(guò)收集發(fā)送與接收信號(hào)的時(shí)間差，再乘以光速換算成距離，手機(jī)的導(dǎo)航系統(tǒng)最終準(zhǔn)確地認(rèn)出你所在的位置，并為你提供合適的路線(xiàn)。

衛(wèi)星定位基本原理 來(lái)源：北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

因?yàn)楣馑贅O快，精確的位置判斷依賴(lài)于精確的計(jì)時(shí)，而這都?xì)w功于衛(wèi)星上搭載的原子鐘。由于原子核外電子的能量量子化，每個(gè)原子釋放的電磁波都有著極為精確的能量——在量子力學(xué)中，這意味著極為精確的頻率，也就是極為精確的時(shí)間間隔。這是大自然為人類(lèi)提供的最精準(zhǔn)的“節(jié)拍器”，以此為基準(zhǔn)造出的原子鐘。如果沒(méi)有量子力學(xué)的加持，你的導(dǎo)航可能只會(huì)把你帶到目的地所在的街區(qū)，卻不能到達(dá)精準(zhǔn)的門(mén)口。

10:00 AM | 穿墻的“幽靈”：U盤(pán)與量子隧穿

到達(dá)公司你開(kāi)始辦公。你將它們拷貝到你的U盤(pán)。U盤(pán)中的一個(gè)個(gè)浮柵晶體管開(kāi)始工作。這是一些由薄薄的氧化物絕緣層封鎖住的小隔間——這些氧化物在經(jīng)典力學(xué)中必不導(dǎo)電，當(dāng)電子撞上它，就好像一個(gè)球被扔向一堵堅(jiān)實(shí)的水泥墻。于是，外面的電子進(jìn)不來(lái)，里面的也出不去。

量子隧穿 來(lái)源：因斯布魯克大學(xué)

但是，多虧了量子力學(xué)中的隧穿效應(yīng)，一旦電子受到了更高能量的激勵(lì)，它們就變成了奇詭的幽靈，能夠穿過(guò)本來(lái)攔住它們的絕緣層“墻壁”，出去或者進(jìn)來(lái)，讓小隔間內(nèi)的電子存儲(chǔ)情況發(fā)生變化。

這種存儲(chǔ)技術(shù)叫做“閃存”技術(shù)。設(shè)計(jì)者將有電子的小隔間當(dāng)作“0”，沒(méi)有電子的小隔間當(dāng)作“1”，你的文件數(shù)據(jù)就這樣被寫(xiě)入了小小的U盤(pán)，方便地在不同設(shè)備間傳輸。

除U盤(pán)之外，SD卡和固態(tài)硬盤(pán)也是閃存技術(shù)常見(jiàn)的應(yīng)用場(chǎng)景

12:00 PM | 秩序之光：掃碼槍與激光

中午，你來(lái)到樓下的便利店，店員的掃碼槍?zhuān)t色的激光掃描出商品的條形碼，商品的名稱(chēng)和價(jià)格立刻顯示出來(lái)，再掃描你手機(jī)上的付款碼，你用十幾秒的時(shí)間就獲得了今天的午餐。而這激光的產(chǎn)生，同樣也依賴(lài)于原子核外電子的能量量子化。

8:00 PM | 發(fā)光的魔法：顯示屏與量子點(diǎn)

你的家配備的寬色域的顯示器也是使用了量子點(diǎn)材料，這是一些很小的半導(dǎo)體粒子，每一顆的尺寸都只有幾納米。它們附著在LED背光板上，在背光源的激發(fā)下發(fā)出不同顏色的光。 在幾納米的尺度下，量子點(diǎn)發(fā)光的顏色受到量子力學(xué)的牢牢掌控，每一種大小的粒子都對(duì)應(yīng)著一種單獨(dú)的顏色，這是一種奇特的“量子尺寸效應(yīng)”：在宏觀世界，材料的顏色由其化學(xué)成分決定；但在納米尺度，物理尺寸本身就能改變其光學(xué)性質(zhì)。用這個(gè)方法調(diào)控的顏色十分純凈，使得屏幕有了非凡的色彩表現(xiàn)力。

不同顏色的量子點(diǎn)材料：粒子尺寸越大，發(fā)光顏色越紅；粒子尺寸越小，發(fā)光顏色越藍(lán) 來(lái)源：巴黎理工學(xué)院

11：00 PM | 不眠的城市與不息的能量

足夠的放松之后，你再一次進(jìn)入了夢(mèng)鄉(xiāng)。而此時(shí)，你所在的城市卻并未沉睡。在這不眠的現(xiàn)代都市里，時(shí)刻不停的電力供應(yīng)，是這座城市運(yùn)作的關(guān)鍵命脈，而其中核能（其能量源于原子核的裂變與聚變）與太陽(yáng)能（其核心是光電效應(yīng)，正是愛(ài)因斯坦獲得諾貝爾獎(jiǎng)的量子理論貢獻(xiàn)）所產(chǎn)生的電力，同樣與量子力學(xué)的開(kāi)拓密不可分。

原來(lái)，那些看起來(lái)高端的科學(xué)，其實(shí)并不遙遠(yuǎn)，而我們看似按部就班的生活，其實(shí)也充滿(mǎn)奇跡。