他们的研究将微观粒子和抽象的思想实验，成功展现在一个宏观系统中
文｜王小
2025年10月7日，瑞典皇家科学院宣布，三名科学家因在量子力学领域的贡献获2025年诺贝尔物理学奖。困扰物理学家的一个重要问题是，能够展示量子力学效应的系统可以达到多大尺度。今年的诺贝尔物理学奖获得者通过进行电路实验，在一个足够大的系统中展示了量子隧穿效应和能量量子化。诺奖评委会认为，他们通过一系列实验，证明了量子世界的某些奇异特性可以被“握在手中”的宏观系统体现出来。
三位获奖者皆就职于美国的大学。其中，约翰·克拉克为加州大学伯克利分校教授，迈克·H·德沃雷特为纽黑文耶鲁大学和加州大学圣巴巴拉分校教授，约翰·M·马蒂尼斯是加州大学圣巴巴拉分校教授。三位获奖者将平分1100万瑞典克朗奖金。
计算机微芯片中的晶体管是量子技术在应用中的一个成熟案例。今年的获奖者的研究为开发下一代量子技术提供了机会，如量子密码学、量子计算机和量子传感器等的研发。如诺贝尔物理学委员会主席奥勒·埃里克松所言，“能够见证拥有百年历史的量子力学不断带来新惊喜，真是太棒了。同时它也极具实用性，因为量子力学是所有数字技术的基石。”
“最小”的力量
与相对论一起，量子物理学是所谓的现代物理学的基础。量子力学描述了单个粒子的尺度上重要的属性，这些描述微观尺度上的物质行为，与由大量粒子组成的宏观现象形成鲜明对比。例如，我们知道，一个球，由天文数字的粒子构成，每次它被扔到墙上时，都会弹回来。然而，单个粒子有时会直接穿越势垒，这种量子力学现象被称为“穿隧效应”。
今年的诺贝尔物理学奖获得者们正是展示如何在宏观尺度上观察量子“隧道”的实验。1984年和1985年，在加州大学伯克利分校，克拉克、德沃雷特和马蒂尼斯进行了一系列实验。他们用两个超导体建造了一个电子电路，用一层薄薄的绝缘材料隔开超导元件。在这个实验中，他们表明他们可以控制和研究当电流通过时产生的现象，即超导体中所有带电粒子运行时，就好像它们是填满整个电路的单个粒子一样。
这个宏观的类粒子系统，最初处于一种电流流动而没有任何电压的状态。系统受限于此状态，仿佛被一道无法穿越的墙所阻挡。在实验中，该系统通过隧穿效应成功脱离零电压状态，从而展现了其量子特性。系统状态的改变通过电压的出现而来检测的。获奖者们还证明了该系统的行为遵循量子力学的预测——它是量子化的，意味着它仅吸收或释放特定数量的能量。
当前，量子信息正在逐步从实验室走向现实应用。三位获奖者的研究将量子世界从微观粒子和抽象的思想实验，成功带入了可被精确设计和操控的宏观工程系统中，为现代量子计算和量子科学的发展铺平了道路。
为人类利益作出贡献者
量子力学自诞生以来，催生了晶体管、激光等重大发明，这被科学界称为第一次量子革命。近年来，以量子计算和量子通信为代表的第二次量子革命又在兴起。2022年的诺贝尔物理学奖也颁给了在量子纠缠实验领域作出突破性贡献的科学家。
百年量子力学的兴起，带来了原子能、半导体、激光、核磁共振、超导和全球卫星定位系统等重大技术的发明，从根本上改变了人类的生活方式和社会面貌。也许，这正应和了阿尔弗雷德·诺贝尔在1895年的遗嘱中所期待的，“我所有剩余的可变现资产将按以下方式支付：由我的遗嘱执行人将资金转换为安全证券，设立基金，其利息将作为奖励给予那些在前一年为人类利益作出最大贡献的人……”
物理学是阿尔弗雷德·诺贝尔首先提到的奖项领域，“利息平均分成五份，分配如下：一部分给在物理学领域做出最重要的发现或发明的人”。
阿尔弗雷德·诺贝尔的四页遗嘱之一。图片来自于诺贝尔奖官网
在19世纪末，很多人视物理学为最重要的科学，也许诺贝尔也是这样看待的。他自己的研究也与物理学密切相关。第一批诺贝尔奖于1901年颁发，此后每年颁发一次。除了在第一次世界大战和第二次世界大战期间有缺。
每年9月，诺贝尔委员会都会邀请选定的专家、往届获奖者和学者进行的第一轮选拔，在翌年1月之前提交提名，然后由委员会细筛一遍，确定初步人选名单后发给相关领域的专家，邀请他们对候选人的工作进行评估。最后，委员会根据专家的评估结果，从20位初步候选人中选出他们推荐的最终候选人。提名结果不公开，委员会成员50年内不得讨论其决定。
在整个诺贝尔物理学奖的评选过程中，委员会是十分重要的存在，执行全部流程。一般而言，委员会一共有五名正式成员，一名秘书和几名辅助成员，由瑞典皇家科学院推举产生，任期三年。
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