2025年诺贝尔物理学奖：薛定谔的猫终于不纠结了？宏观量子隧穿改变世界观

量子力学为何常被称为“诡异”且“反直觉”？为何我们能接受电子同时存在于多处，却坚信桌子只能占据特定位置？微观与宏观之间，是否存在一道真实的界限？2025年的诺贝尔物理学奖给出颠覆性的答案——这道界限，根本不存在。

这是一项被忽视了四十年的惊天发现，它从根本上改变了我们对现实的理解。三位先驱——约翰·克拉克 (John Clarke)、米歇尔·德沃雷 (Michel Devoret)、约翰·马丁尼斯 (John Martinis)——在1985年完成了这项壮举。他们的工作太过超前，以至于整个物理学界耗费了漫长的四十年才真正消化其深远意义。

宏观量子隧穿：一次“不可能”的实验

让我们回到1985年的伯克利，一个略显陈旧的地下实验室中。三位物理学家着手进行一项听起来近乎荒谬的实验：他们试图让一个肉眼可见的电路，展现出量子粒子的行为。这并非是操控单个电子或光子，而是要使一个由数十亿个电子组成的宏观物体实现“穿墙而过”的奇迹。

“穿墙而过”听起来不可思议，但这正是量子力学中最令人费解的现象之一——量子隧穿 (Quantum Tunneling)。

想象一下，一个经典物理世界中的小球被困在一个碗底。要逃离这个碗，它必须获得足够的能量，跳过碗边。如果能量不足，它将永远被困其中。这是我们基于牛顿物理学建立的常识。

然而，在量子领域，规则截然不同。一个电子被束缚在势阱中，即使其能量不足以逾越势垒，它仍有一定概率像幽灵般直接穿透势垒，出现在另一端。这并非只是“翻越”，而是真正的“穿越”。

量子隧穿在微观世界中早已被无数次证实，它是原子核衰变、半导体工作以及太阳内部核聚变等现象的核心机制。但一个困扰物理学界的问题始终存在：既然量子效应如此普遍，为何我们从未见过一个苹果穿透桌面？为何量子特性似乎局限于看不见的微观世界？

这正是薛定谔的猫背后隐含的真正疑问。许多人误解了这个思想实验，认为它只是在探讨猫是“死”是“活”。实际上，薛定谔旨在质疑物理学的一个根本矛盾：如果量子叠加态真实存在，如果微观粒子能够同时处于多种状态，那么这种“同时存在”的特性为何不能延伸到宏观世界？为何猫不能同时既死又活？

几十年来，主流物理学界给出的解释是“退相干 (Decoherence)”。简单而言，宏观物体由天文数字般的粒子组成，与环境的相互作用极其复杂。这些复杂的相互作用导致量子叠加态**迅速“坍缩”**为经典状态，量子效应在宏观尺度上被“冲刷”殆尽，被“噪声”完全掩盖。

这个解释听起来言之凿理，但它却巧妙避开了一个关键问题：这种限制是原则性的，还是仅仅是技术上的困难？如果一个宏观系统能被完美地隔离，彻底消除环境干扰，它是否依然能展现量子特性？

这就是1985年伯克利实验的终极目标。

约瑟夫森结：宏观量子实验的核心

实验的核心是一种被称为“约瑟夫森结 (Josephson Junction)”的器件。它由两块超导体夹着一层极薄的绝缘层构成。在超导状态下，电子会形成“库珀对 (Cooper Pairs)”，这些电子对能无损耗地穿过绝缘层。布莱恩·约瑟夫森 (Brian Josephson) 因预测到这一现象而荣获1973年诺贝尔奖。

约瑟夫森结的真正魔力在于，尽管它由数十亿个电子组成，其行为却能通过一个单一变量来描述——即两个超导电极之间的“相位差”。这就像是数十亿的乐手，却能演奏出同一个音符，所有的复杂性都凝聚成了一个自由度。

这个“相位”好比一个虚拟粒子，被困在一个特定的势能景观中。物理学家们将其形象地比喻为“倾斜的搓衣板”。

想象一块有起伏波纹的搓衣板，将其倾斜一定角度。一个小球会被卡在某个波谷中。如果倾斜度增加，波谷会变浅，小球最终会滚落。这正是约瑟夫森结的动力学机制：当你施加电流时，相当于倾斜搓衣板，电流越大，势阱越浅，最终“相位粒子”会逃离势阱，使约瑟夫森结从零电压状态切换到电压状态。

关键问题在于：这种“逃逸”究竟是如何发生的？

• 如果“相位粒子”遵循经典物理，它必须获得足够的热能量才能翻越势垒。温度越低，逃逸越困难，在接近绝对零度时，逃逸几乎不可能发生。
• 但如果它遵循量子力学，即使能量不足，它也能直接穿过势垒。在极其低的温度下，当热涨落被完全抑制时，量子隧穿应成为主要的逃逸机制，且隧穿速率将独立于温度。

这便是实验设计背后的逻辑：将约瑟夫森结冷却至毫开尔文级别的极低温，测量逃逸速率随温度的变化。如果速率持续下降，则为经典行为；如果出现一个与温度无关的“平台期”，则证实了量子隧穿。

这听起来简单，做起来却是极其困难。

首先，器件需要被冷却到比绝对零度高不到千分之一度的超低温，这需要利用在当时全球只有少数实验室才拥有的稀释制冷机。

更严峻的挑战是屏蔽噪声。任何连接的导线都可能将室温的热噪声引入实验系统。这好比在摇滚音乐会现场试图听清一根针落地的声音——任何微小的杂散电磁干扰都会模拟成“热涨落”，让经典逃逸占据主导，彻底淹没量子信号。

克拉克、德沃雷和马丁尼斯的天才之处在于，他们开发了一套极其精密的滤波系统。其中最关键的部件是“铜粉滤波器”——导线穿过填充铜粉和环氧树脂混合物的金属管。这种看似原始而简单的设计，却能够有效吸收高频电磁噪声，确保“相位粒子”的温度真正达到目标值。

接下来是数千次的重复测量。他们反复扫描偏置电流，记录每一次逃逸事件的时间，最终构建出逃逸速率随温度变化的精确曲线。

惊人的发现：宏观量子隧穿与人造原子

实验结果令人震惊。

在高温区，所有数据与经典预期完美吻合：随着温度下降，逃逸速率呈指数级下降，热涨落在减弱，粒子越来越难以翻越势垒。

但当温度降至30毫开尔文以下时，曲线突然变平。逃逸速率不再随温度变化。粒子仍在逃逸，但其机制已经彻底改变——不再是翻越，而是穿越。这就是宏观量子隧穿。

更令人信服的是，测量值与理论预测在定量上高度吻合，并非是大致符合，而是精确无误，且无需任何可调参数。这首次提供了确凿证据，表明一个宏观物体能够发生量子隧穿。

然而，获奖者并未止步于此。他们深知，仅仅证明隧穿还不够。一个真正的量子系统还应具备另一个关键特征：能量量子化 (Energy Quantization)。

在经典物理学中，一个振荡器可以拥有任意的能量，就像秋千可以摆高一点或低一点，能量是连续可调的。但量子力学规定，能量只能取特定的离散值，如同原子中的电子只能占据特定的轨道。

如果约瑟夫森结真的是一个量子系统，它也应该具有离散的能级。

为验证这一点，他们设计了第二个实验。这次，他们用微波照射处于零电压状态的约瑟夫森结。如果存在离散能级，当微波频率与两个能级之间的能量差精确匹配时，“相位粒子”应当被激发到更高的能态。而更高的能态意味着更薄的势垒，从而导致隧穿概率急剧增加。

他们扫描微波频率，果然观察到了尖锐的共振峰：在特定的频率上，逃逸速率骤然激增。更不可思议的是，他们观察到逃逸事件的“双峰结构”——一个峰对应从基态隧穿，另一个峰则对应从激发态隧穿。

这一结果比隧穿本身更具深远意义。它证明了一个人类制造的、肉眼可见的宏观电路，竟然拥有像原子一样的离散能谱。这便是第一个“人造原子”的原型，更准确地说，是超导量子比特的原型——一个能够在基态和激发态之间被精确操控的宏观量子系统。

跨越四十年：量子霸权的起点与哲学思辨

四十年后的今天，当我们听到谷歌宣布“量子霸权”，看到IBM构建日益庞大的量子处理器，科学家利用量子计算机模拟分子、破解密码、搜索数据库时，请记住：这一切的起点，都追溯到1985年伯克利地下室的那个实验。

这些量子比特的工作原理，其本质与1985年的实验完全一致——都是利用约瑟夫森结的离散能级，在量子叠加态中编码和操控信息。

然而，这项发现的真正意义，远不止于技术传承，它回答了一个关于现实本质的哲学问题。

1985年以前，许多物理学家心底深处都有一个“隐秘信念”：量子力学是“那边”的理论。微观世界是量子的，宏观世界是经典的，两者之间存在一道神秘的边界。我们虽不知边界何在，却坚信其存在。

1985年的实验彻底粉碎了这一信念。它证明了量子力学的定律是尺度不变的，根本不存在所谓的“量子-经典边界”。我们之所以未曾目睹桌子穿墙而过，并非因为自然法则在某个尺度上发生改变，而仅仅是因为宏观物体与环境的相互作用过于复杂，导致退相干发生得太快。

这种复杂性并非原则上的限制，而是技术上的挑战。只要我们能足够优秀地隔离系统、屏蔽噪声、控制环境，任何尺度的物体都能展现出量子特性。换言之，宏观世界的“经典性”只是一种假象。

当然，作为科学探讨，必须承认这个解释并非没有争议。2020年，物理学家詹姆斯·布莱克本 (James Blackburn) 发表论文，重新分析了1985年的原始数据。他认为，在某些特定的噪声假设下，经典模型同样可能产生与温度无关的逃逸速率。他的结论相当具有挑衅性：“向宏观量子态转变的证据显然是否定的。”

那么，诺贝尔委员会为何仍将奖项授予量子解释？

答案在于证据的整体性。隧穿数据或许能用复杂的经典噪声模型来拟合，但能量量子化的数据作何解释？那些出现在精确频率上的共振峰，那些与量子势阱预测完美吻合的能级间距——这些“光谱学指纹”是经典模型无法简单复现的。

更重要的是，四十年来，基于这些原理构建的量子电路一直在持续工作。拉比振荡、拉姆齐条纹、量子纠缠态——这些只有在底层系统是真正量子系统时才能实现的现象——每天都在全世界的实验室里被观测到。

谷歌的Sycamore处理器、IBM的量子系统、各类暗物质探测器——它们的成功运行，实际上是对1985年发现的持续实验验证。如果约瑟夫森结不是量子客体，这些根本不可能实现。

东方智慧与量子现实：被“渲染”的宏观世界

这不禁引人深思：这个发现究竟意味着什么？

细究之下，量子力学——这个人类有史以来最精确、最被反复验证的物理理论——它对现实的描述，与东方智慧以惊人的方式不谋而合。

• 在量子力学中，一个未被观测的系统处于叠加态。它不是“这个”或“那个”，而是“这个和那个的可能性共存”。只有当观测发生时，可能性才坍缩为确定的现实。这不正是佛经中“凡所有相，皆是虚妄”的深刻阐释吗？
• 量子力学中，两个纠缠的粒子，无论相距多远，对其中一个进行测量会瞬间影响另一个的状态。它们并非两个独立的实体，而是同一个量子态的两个“视角”。这与《华严经》描述的“因陀罗网”何其相似？每一颗宝珠都映照着所有其他宝珠的影像，一即一切，一切即一。
• 在量子力学中，观察者并非被动的旁观者，而是现实的参与者。没有观测，就没有确定的现实。这不正是唯识宗强调的“万法唯识”吗？

2025年诺贝尔奖告诉我们：这些量子特性不仅限于微观世界，它们是普遍的自然法则。我们之所以体验到一个“经典”、确定、有“边界”的宏观世界，并非因为宏观世界本质上是经典的，而是因为我们的神经系统本身就是一个复杂且与环境深度纠缠的系统——它过于“噪”，退相干发生得太快，以至于我们无法感知叠加态。

但这并不意味着叠加态不存在。它一直存在，只是我们的“用户界面”没有将其渲染出来。

回想唐纳德·霍夫曼 (Donald Hoffman) 的比喻：我们看到的现实，是进化为了生存而设计的“桌面图标”。当你看到一个苹果，你并非看到了苹果的本质，你看到的是一个为了帮助你获取营养而优化的“界面元素”。

底层的现实——那个量子的、概率的、非定域的现实——你不需要看见它。看见它反而会妨碍你的生存。但这不代表它不存在，它一直都在那里。

克拉克、德沃雷和马丁尼斯所做的，是设计了一个**“调试模式”。他们绕过了退相干的屏障，直接观察到了底层的量子现实。他们证明了：这个现实不仅存在于电子和光子的层面，它存在于任何尺度**——只要你能够足够安静地倾听。

这正是2025年诺贝尔物理学奖为何不仅仅是物理学的胜利，更是对一个古老智慧的科学确认：你以为的“现实”，只是一层投影。

它的意义与你我何干？

你或许会问：这一切与我有什么关系？我又不是量子科学家，也不从事量子计算。

让我告诉你，它与我们每个人都息息相关。

首先，是技术层面。量子计算正从实验室走向商业应用。在未来十年内，它可能彻底改变密码学、药物研发、人工智能、金融建模等诸多领域。如果你是投资者，这是一个必须关注的赛道，而1985年的发现正是这一切的技术源头。

其次，是认知层面。理解量子力学对宏观世界的适用性，将彻底改变你对“可能性”的理解。在经典世界观中，未来由过去决定，一切皆是确定性的。然而，在量子世界观中，未来是开放的，充满概率。你的每一个选择，都在参与现实的坍缩。这并非比喻，而是物理学真理。

最后，是存在层面。如果量子力学是普适的，如果叠加态和纠缠是基本的法则，如果观察者是现实的参与者——那么，你是谁？你的意识究竟是什么？你与这个宇宙的关系又是什么？

这些问题曾长期被归为哲学和宗教范畴，如今，它们正逐渐成为物理学的前沿阵地。

2025年诺贝尔物理学奖，表面上授予了三位研究超导电路的实验物理学家。但在更深层次上，它是对人类持续百年探索的致敬：我们究竟生活在一个怎样的宇宙中？

答案正在逐步浮现。这个宇宙，远比我们曾经想象的更加奇异、更加统一、更加不可思议。而最令人惊叹的是：我们，作为这个宇宙的一部分，竟然有能力去理解它。

王利杰 | assistant@preangel.org | https://blog.leowang.net