將小球扔向墻壁，不管是玻璃珠還是乒乓球，它都會立刻反彈回來，這就是我們熟悉的宏觀物理規(guī)則，穩(wěn)定且符合直覺。然而，在構成萬物的微觀粒子世界里，這條規(guī)則卻神奇地失效了。

以電子為例，它仿佛掌握著“穿墻術，可以出現(xiàn)在似乎不可逾越的“墻壁”另一邊，這種現(xiàn)象也叫“量子隧穿”。 今年的物理諾獎，便加冕給了三位首次在宏觀尺度下，捕捉到這項“微觀神跡”的科學家。他們究竟是如何將這一奇跡成功定格的？

微觀穿墻術

在微觀世界，阻礙粒子的“墻壁”并非是一種實體，而是一種“能量障礙”，也稱“勢壘”，指的是粒子前方有一個勢能突然升高的區(qū)域。

在宏觀領域，動能不足的物體無法穿越實體屏障，如墻壁，只會被阻隔或彈回；唯有像子彈那樣獲得更大的能量，才能擊穿障礙。然而在微觀量子尺度下，即便粒子能量不夠，它仍有一定概率，直接“閃現(xiàn)”至勢壘的另一側。

早在1928年，物理學家伽莫夫就利用這一效應，成功解釋了某些重原子核發(fā)生的α衰變現(xiàn)象。

在原子核內(nèi)部，帶正電的粒子（α粒子）被強大的核力約束著，仿佛被困于能量壘中。按照經(jīng)典物理，它們永遠無法逃脫。但量子層面的隧穿讓它們有機會“穿墻而出”，使得原子核自發(fā)衰變，轉變?yōu)榱硪环N元素。如果沒有隧穿效應，我們世界中許多元素的演化都將不同。

德國物理學家賓尼希因開創(chuàng)性地利用量子隧穿效應，發(fā)明出了隧道掃描顯微鏡，而榮獲1986年諾貝爾物理學獎。

這一工具的原理是：當探針裝置的尖端極度接近樣品表面，電子會憑借隧穿效應越過真空間隙。基于對這一微觀電流的精密測量，人類得以首次實現(xiàn)對單個原子的直接“觀測”與精確操控。

然而，一個縈繞在物理學家心頭多年的根本性問題也隨之浮現(xiàn)：這種神奇的“穿墻術”，究竟是微觀粒子的專屬特權，還是說，可以依靠某種手段，使其在宏觀世界中顯現(xiàn)？

宏觀現(xiàn)奇跡

為解開這一謎題，John Clarke、Michel H. Devoret和John M. Martinis——三位今年的諾貝爾物理學獎得主——搭建了一個構思極其精妙的實驗平臺。

實驗裝置的核心是一個“約瑟夫森結”，其結構為兩層超導體中間夾一層極薄的絕緣體。此結構在常溫下表現(xiàn)為普通電路 ；唯有在接近絕對零度的極端條件下，其非凡的量子本征特性才被激活。

在極端低溫下，電路中的電子會兩兩配對形成“庫珀對”。這些電子對不再保留獨立個性，而是以協(xié)同一致的步調(diào)運動。此時，系統(tǒng)中數(shù)以十億計的庫珀對便構成了一個宏觀上的量子態(tài)，能夠被統(tǒng)一的量子波函數(shù)完整描述。

這意味著，整個宏觀電路會表現(xiàn)得就像一個巨大的，單一的微觀粒子。這正是三位科學家設計實驗的巧妙出發(fā)點，他們創(chuàng)造了一個宏觀尺度上的“人工粒子”。

實驗開始時，他們給裝置內(nèi)注入了一個非常微弱的電流。在經(jīng)典物理學框架下，這個系統(tǒng)會穩(wěn)定地處于一個“有電流、無電壓”的狀態(tài)，中間那層絕緣體即是阻礙電流的“能量勢壘”。

然而，在反復的精密測量中，他們觀察到了不可思議的現(xiàn)象：電路兩端的電壓會突然從零跳變到一個有限的數(shù)值。這個跳變并非由外部干擾引起，而是電子自身“穿過”了那道能量屏障。

這就如同在“球與墻”的比喻中， “小球”無視了“墻壁”的阻隔，奇跡般地在其另一側出現(xiàn)，一種在宏觀定律下絕無可能的“穿墻”行為，真實地上演了。

嚴謹證結論

這就可以得出結論了嗎？科學總是嚴謹?shù)?，由于量子過程本質上是隨機的，單次觀測遠不足以支撐確定的結論。

因此，三位科學家又進行了大量重復實驗，系統(tǒng)統(tǒng)計了電路從零電壓 “逃逸”出來所需的時間。通過分析成千上萬次測量的統(tǒng)計結果，他們繪制出的數(shù)據(jù)圖像與隧穿理論的預測完美吻合，排除了任何經(jīng)典擾動的可能性，確鑿地證明了他們觀測到的就是宏觀上量子隧穿。

為進一步驗證，他們還進行了另一項關鍵實驗：向處于零電壓狀態(tài)的電路施加不同波長的微波。結果發(fā)現(xiàn)，電路只會吸收特定頻率的微波能量，從而自一個能級“跳躍”至相鄰的更高能級，如同在攀爬一道無形的量子階梯，而無法停留在兩級之間的任何位置。

這種現(xiàn)象也叫“能量量子化”， 它直接證明了該宏觀系統(tǒng)的能量狀態(tài)是分立的，不連續(xù)的，這一分立特性，正是量子世界最根本的法則之一。此外，當系統(tǒng)吸收能量躍升至更高能級后，其發(fā)生“穿墻”的幾率也顯著提升，這一結果與量子學理論的預測相符合。

至此，這三位物理學家構建的實驗系統(tǒng)已遠超一個普通實驗裝置的意義。在物理學家眼中，它已成為一個可置于掌中觀測的，“薛定諤貓”實驗的簡化現(xiàn)實版本。

它不再僅是思想實驗中的謎題，而是一個真實存在的宏觀量子系統(tǒng)，清晰地向人類展示了量子定律在超越微觀尺度后所具有的普適力量。

結尾

這項研究就猶如一座連接了兩個世界的科學橋梁，它有力地證明了，微觀層面的物理規(guī)律，并非只禁錮在原子尺度之內(nèi)。只要時機合適，它也有可能在宏觀的尺度上重現(xiàn)。這不僅是認知的突破，更是技術革命的序曲。

未來，醫(yī)生或許能借助量子傳感器，捕捉人體內(nèi)最微弱的磁信號，實現(xiàn)對某些疾病的早期預防和診斷；新一代的量子計算機也將為人類提供前所未有的計算能力……從某種意義上說，在技術前沿，“穿墻”正在真實發(fā)生。