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从2025诺贝尔物理学奖到高中物理——让量子现象“肉眼可见”
时间：2025-10-10 17:28:58 | 来源：物理D世界 | 作者：物理D世界 | 浏览量：451
北京时间2025年10月7日，瑞典皇家科学院将诺贝尔物理学奖授予约翰·克拉克、米歇尔·德沃雷特和约翰·马蒂尼斯三位科学家，表彰他们“发现电路中的宏观量子力学隧穿和能量量子化”。这一突破性成果看似高深，其实与我们高中物理知识有着密切关联，今天我就带大家从高中物理角度来解读这一重大发现。
一、获奖成果的科学内涵
经典物理的困境：在传统物理中，粒子运动遵循牛顿力学：若能量不足，粒子无法跨越势垒（如山丘）。例如，一个球需要足够动能才能滚过山坡，否则会被“挡”在山脚。
量子世界的反常识：量子力学却揭示，微观粒子具有“穿墙”能力——即使能量低于势垒高度，粒子仍有一定概率“隧穿”过去。这一现象被称为量子隧穿效应。
在量子物理学中，微观粒子有时会直接穿过其微观世界中等效的屏障，出现在另一侧，这种现象被称为量子隧穿效应。而这次获奖的突破性在于，将这种微观现象扩展到了宏观电路系统，科学家们首次在宏观尺度上观察到了这一现象。——宏观量子隧穿效应
1984年和1985年，约翰·克拉克、米歇尔·H·德沃雷特和约翰·M·马丁尼斯三名获奖科学家在加利福尼亚大学伯克利分校进行了一系列开创性实验。他们构建了一个包括两个超导体的电路，并用一层完全不导电的薄材料将这些超导体分开。在这项实验中，他们展示了一种现象：超导体中所有带电粒子都可以表现出“整齐划一”的行为，就好像它们是充满整个电路的单个粒子一样。
这个系统起初被“困在”一个没有电压、但有电流在超导体中流动的状态中。在实验中，该系统展现出量子特性，通过隧穿效应成功“逃离”零电压状态，并产生出一个可测量的宏观效应——可观测的电压。这意味着他们实现了宏观量子隧穿。实验还表明，该系统是量子化的，即只能吸收或释放特定能级的能量，与量子力学的预测相符。
二、高中物理联系
1. α粒子衰变：我们在学习原子物理时知道，α粒子衰变就是量子隧穿效应的体现。当α粒子被原子核的势垒"囚禁"时，它有一定概率能"穿墙而出"，这就是隧穿效应。而这次获奖研究将这种微观现象扩展到了宏观电路系统。
2. 能量量子化现象：能量量子化是量子理论的核心概念，指微观系统中能量的变化只能以离散的、不连续的量子形式进行。这次获奖研究在宏观电路中观察到了这一现象。
高中物理中我们在学习光电效应和玻尔原子模型时都接触过能量量子化的概念。普朗克提出电磁波辐射能量的离散性假设，爱因斯坦在此基础上提出光量子假说，玻尔则提出了原子轨道能量量子化模型。
波粒二象性：光既表现出波动性又表现出粒子性，这是量子理论的基础波粒二象性：粒子同时具有波动性，其波函数在势垒处不会突然消失，而是指数衰减，形成隧穿概率。
不确定性原理*：能量与时间的测不准关系允许粒子“借能量”短暂突破势垒。能量低于势垒的粒子仍有一定概率穿透；穿透概率由波函数概率幅决定，无法精确预测具体结果
争议说明：部分科普描述中提到的“借能量”是简化解释方式，严格来说：能量波动源于量子系统的固有不确定性，而非外部“借贷”；势垒突破是概率性事件，与经典物理的确定性规律有本质区别
三、获奖成果的深远意义
这一发现为新一代量子技术的发展打开了大门，包括量子密码、量子计算机以及量子传感器等领域的创新应用
1. 量子计算革命：量子计算机利用量子比特(qubit)的叠加态和纠缠态，可以同时处理大量信息，解决经典计算机无法解决的问题
实际应用：在化学领域，量子计算机有望加速物质材料、催化剂和各类药物的发展。例如，它可以模拟分子间的量子相互作用，大大缩短新药研发周期。
2. 量子密码安全：量子密码学利用量子力学原理实现理论上不可破解的加密通信
实际应用：量子密码已被广泛应用于金融、医疗、通信等领域，为信息安全提供了终极保障。比如银行间的机密数据传输、医疗记录的隐私保护等。
3. 量子传感突破：量子传感器利用量子态对外界环境的极端敏感性，能够实现前所未有的测量精度。
实际应用：在医疗领域，量子传感器可助力研究人体机理，提升医学诊断能力；在导航领域，量子传感器可以绘制高精度的磁场和重力场地图，实现量子导航。
四、量子时代的高中物理课
虽然量子力学听起来高深莫测，但其实我们高中物理已经为理解这些概念打下了基础，这次获奖研究将量子世界的这些奇特特性从微观尺度扩展到了宏观尺度，让我们能够更直观地观察和理解量子现象。
2025年诺奖揭示了一个真理：量子力学不再是抽象理论，而是正在重塑技术的现实力量。从手机芯片到加密通信，从药物研发到气候预测，量子革命已悄然来临。对于高中生而言，理解量子基础不仅是应对新课标的要求，更是把握未来科技浪潮的钥匙。
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