量子力學(xué)描述的是什么？是在單個粒子尺度上才“顯現(xiàn)”的物理特性，被稱為“微觀”現(xiàn)象。這與“宏觀”現(xiàn)象形成對比。

　　例如，一個日常生活中常見的球，其組成分子數(shù)是天文數(shù)字，但它不會表現(xiàn)出任何量子力學(xué)效應(yīng)。每次把球扔向墻壁，它都會反彈回來。然而在微觀世界中，一個單獨的粒子有時卻能直接穿過類似墻的障礙，出現(xiàn)在“墻”的另一側(cè)——這種現(xiàn)象被稱為“隧穿”。

　　今年的諾貝爾物理學(xué)獎，表彰了那些在宏觀尺度上成功觀測到量子隧穿現(xiàn)象的實驗。1984年和1985年，約翰·克拉克、米歇爾·德沃雷和約翰·馬蒂尼斯3位科學(xué)家構(gòu)建了一個包含兩個超導(dǎo)體的電路，證明了可以控制并研究一種現(xiàn)象：超導(dǎo)體中的所有帶電粒子協(xié)同運動，表現(xiàn)得就像一個單一的粒子，充滿整個電路。該系統(tǒng)通過量子隧穿效應(yīng)，向人們展現(xiàn)出了量子特性。

　　　尋找統(tǒng)一行動的“庫珀對”

　　3位獲獎?wù)呓柚�了�?shù)十年來發(fā)展起來的理論概念和實驗工具，試圖研究一種能讓多個粒子同時參與的隧穿現(xiàn)象。一個重要方向就是材料在極低溫下出現(xiàn)的特殊現(xiàn)象。

　　在普通導(dǎo)電材料中，電流的產(chǎn)生是由于存在可在整個材料中自由移動的電子。但在另一些材料中，穿過導(dǎo)體的獨立電子會變得有序，形成一種協(xié)調(diào)一致的“舞蹈”，毫無阻力地流動。此時材料就變成了超導(dǎo)體，而電子則兩兩結(jié)合成對。這種電子對被稱為“庫珀對”。

　　當(dāng)超導(dǎo)體中的電子結(jié)成庫珀對后，它們的部分個體性就消失了；但兩個庫珀對卻可以完全相同。這意味著超導(dǎo)體中的所有庫珀對可以被描述為一個整體，一個統(tǒng)一的量子力學(xué)系統(tǒng)。

　　　從微觀推進(jìn)到宏觀

　　20世紀(jì)80年代中期，德沃雷和馬蒂尼斯加入克拉克的團(tuán)隊，共同承擔(dān)起證明“宏觀量子隧穿”的挑戰(zhàn)。他們構(gòu)建了一個使用超導(dǎo)電路的實驗裝置，承載該電路的芯片尺寸約為一厘米。此前，隧穿效應(yīng)和能量量子化主要在僅含少數(shù)粒子的系統(tǒng)中被研究；而在此實驗中，這些量子現(xiàn)象出現(xiàn)在一個包含數(shù)十億個庫珀對的宏觀量子系統(tǒng)中，這些庫珀對遍布整個芯片上的超導(dǎo)體。因此，這項實驗將量子效應(yīng)從微觀尺度推進(jìn)到了宏觀尺度。

　　　宏觀系統(tǒng)“薛定諤之貓”

　　在宏觀尺度上，人們無法在實驗室中真正展示一只貓的量子疊加態(tài)。然而，理論物理學(xué)家安東尼·萊格特認(rèn)為，今年3位獲獎?wù)咚�進(jìn)行的一系列實驗表明，確實存在一些現(xiàn)象，其中大量粒子共同表現(xiàn)出量子力學(xué)所預(yù)測的行為，在量子物理學(xué)家看來，它與“薛定諤之貓”在本質(zhì)上是相當(dāng)類似的。

　　今年的獲獎?wù)卟粌H深化了人們對物理世界的理解，也為發(fā)展新一代量子技術(shù)，包括量子加密、量子計算和量子傳感等領(lǐng)域開辟了新路徑。