將小球扔向墻壁，不管是玻璃珠還是乒乓球，它都會(huì)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(gòu)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(shù)，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(jiǎng)，便加冕給了三位首次在宏觀尺度下，捕捉到這項(xiàng)“微觀神跡”的科學(xué)家。他們究竟是如何將這一奇跡成功定格的？

微觀穿墻術(shù)

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

在宏觀領(lǐng)域，動(dòng)能不足的物體無法穿越實(shí)體屏障，如墻壁，只會(huì)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(shì)壘的另一側(cè)。

早在1928年，物理學(xué)家伽莫夫就利用這一效應(yīng)，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(qiáng)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(yuǎn)無法逃脫。但量子層面的隧穿讓它們有機(jī)會(huì)“穿墻而出”，使得原子核自發(fā)衰變，轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N元素。如果沒有隧穿效應(yīng)，我們世界中許多元素的演化都將不同。

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

這一工具的原理是：當(dāng)探針裝置的尖端極度接近樣品表面，電子會(huì)憑借隧穿效應(yīng)越過真空間隙。基于對(duì)這一微觀電流的精密測(cè)量，人類得以首次實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)原子的直接“觀測(cè)”與精確操控。

然而，一個(gè)縈繞在物理學(xué)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(shù)”，究竟是微觀粒子的專屬特權(quán)，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(xué)獎(jiǎng)得主——搭建了一個(gè)構(gòu)思極其精妙的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

實(shí)驗(yàn)裝置的核心是一個(gè)“約瑟夫森結(jié)”，其結(jié)構(gòu)為兩層超導(dǎo)體中間夾一層極薄的絕緣體。此結(jié)構(gòu)在常溫下表現(xiàn)為普通電路 ；唯有在接近絕對(duì)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(huì)兩兩配對(duì)形成“庫珀對(duì)”。這些電子對(duì)不再保留獨(dú)立個(gè)性，而是以協(xié)同一致的步調(diào)運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，系統(tǒng)中數(shù)以十億計(jì)的庫珀對(duì)便構(gòu)成了一個(gè)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(gè)宏觀電路會(huì)表現(xiàn)得就像一個(gè)巨大的，單一的微觀粒子。這正是三位科學(xué)家設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的巧妙出發(fā)點(diǎn)，他們創(chuàng)造了一個(gè)宏觀尺度上的“人工粒子”。

實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，他們給裝置內(nèi)注入了一個(gè)非常微弱的電流。在經(jīng)典物理學(xué)框架下，這個(gè)系統(tǒng)會(huì)穩(wěn)定地處于一個(gè)“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(shì)壘”。

然而，在反復(fù)的精密測(cè)量中，他們觀察到了不可思議的現(xiàn)象：電路兩端的電壓會(huì)突然從零跳變到一個(gè)有限的數(shù)值。這個(gè)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(cè)出現(xiàn)，一種在宏觀定律下絕無可能的“穿墻”行為，真實(shí)地上演了。

嚴(yán)謹(jǐn)證結(jié)論

這就可以得出結(jié)論了嗎？科學(xué)總是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?，由于量子過程本質(zhì)上是隨機(jī)的，單次觀測(cè)遠(yuǎn)不足以支撐確定的結(jié)論。

因此，三位科學(xué)家又進(jìn)行了大量重復(fù)實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)了電路從零電壓 “逃逸”出來所需的時(shí)間。通過分析成千上萬次測(cè)量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，他們繪制出的數(shù)據(jù)圖像與隧穿理論的預(yù)測(cè)完美吻合，排除了任何經(jīng)典擾動(dòng)的可能性，確鑿地證明了他們觀測(cè)到的就是宏觀上量子隧穿。

為進(jìn)一步驗(yàn)證，他們還進(jìn)行了另一項(xiàng)關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)：向處于零電壓狀態(tài)的電路施加不同波長(zhǎng)的微波。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，電路只會(huì)吸收特定頻率的微波能量，從而自一個(gè)能級(jí)“跳躍”至相鄰的更高能級(jí)，如同在攀爬一道無形的量子階梯，而無法停留在兩級(jí)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(dāng)系統(tǒng)吸收能量躍升至更高能級(jí)后，其發(fā)生“穿墻”的幾率也顯著提升，這一結(jié)果與量子學(xué)理論的預(yù)測(cè)相符合。

至此，這三位物理學(xué)家構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)已遠(yuǎn)超一個(gè)普通實(shí)驗(yàn)裝置的意義。在物理學(xué)家眼中，它已成為一個(gè)可置于掌中觀測(cè)的，“薛定諤貓”實(shí)驗(yàn)的簡(jiǎn)化現(xiàn)實(shí)版本。

它不再僅是思想實(shí)驗(yàn)中的謎題，而是一個(gè)真實(shí)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(jié)尾

這項(xiàng)研究就猶如一座連接了兩個(gè)世界的科學(xué)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(shí)機(jī)合適，它也有可能在宏觀的尺度上重現(xiàn)。這不僅是認(rèn)知的突破，更是技術(shù)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(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)某些疾病的早期預(yù)防和診斷；新一代的量子計(jì)算機(jī)也將為人類提供前所未有的計(jì)算能力……從某種意義上說，在技術(shù)前沿，“穿墻”正在真實(shí)發(fā)生。