探索量子力学的宏观边界：解读2025年诺贝尔物理学奖

1911年4月8日，在荷兰莱顿大学的低温实验室里，物理学家海克·卡末林·昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）和学生正在测试各种金属在极低温度下的电学性质。自从1908年率先制成液化氦之后，他的实验室已经成为当时世界上顶尖的低温研究机构之一。那时人们普遍预期，金属电阻会随着温度降低而减小，但不会完全消失。然而，在把汞样品冷却到约3开尔文时，它的电阻突然跌落到仪器完全无法测量的程度。当日，昂内斯在实验记录本上写下了一句后来极为著名的话：“汞，近乎零。”由此，人类第一次认识了奇妙的“超导”。

超导体不仅开辟了低温物理和凝聚态物理的新方向，也成为了研究量子世界的重要工具。在随后的一百多年间，与超导相关的研究多次获得诺贝尔物理学奖，从超导微观理论、约瑟夫逊效应，到高温超导与量子器件，超导几乎贯穿了整个现代凝聚态物理的发展史。2025年的诺贝尔物理学奖，表彰的工作是利用超导技术来探索量子力学的适用边界。得奖者是当年加州大学伯克利分校同一个实验组中的三位科学家——教授约翰·克拉克（John Clarke）、博士后米歇尔·H·德沃雷（Michel H. Devoret）和博士生约翰·M·马蒂尼斯（John M. Martinis）。要了解这项工作，需从量子力学的一个基本问题讲起。

1925年9月，维尔纳·海森堡（Werner Heisenberg）发表了矩阵量子理论；同月，海森堡的博士后导师马克斯·玻恩（Max Born）与其助手帕斯夸尔·约尔丹（Pascual Jordan）把他的思想整理为严格数学形式，并以“关于量子力学”为标题发表。三个月后，三人进一步完成理论体系化工作，发表了后来被称为“三人工作”的经典论文。紧接着，1926年初，埃尔温·薛定谔（Erwin Schr?dinger）提出波函数形式的量子理论。至此，量子力学作为一个完整的理论框架正式诞生。而颁奖的2025年，恰恰是这个革命发生的一百周年。

量子力学从一开始就非常反直觉：电子同时表现出粒子性和波动性；量子体系能够处于多个状态的叠加；测量行为会改变系统本身；不同物理量之间无法同时被精确确定，等等。然而，尽管在一些基本问题上仍然争议不断，量子力学在实验上的成功却无可否认。经过一个世纪各种精密验证，人们已经不再怀疑量子力学在微观世界中的正确性。

那么，量子力学是否也直接适用于宏观体系？量子理论本身并没有规定适用尺度的上限。从数学形式上说，一只猫、一个足球，甚至整个宇宙都应当满足同样的量子规律。但问题在于，人们尚缺乏对宏观变量量子行为的直接、定量且令人信服的实验验证。我们熟悉的超导、超流、光电效应和半导体等现象，虽然都依赖量子力学，但它们本质上仍然是微观粒子的量子行为，而不是宏观体系作为一个统一整体呈现量子态。如果把由大量粒子组成的宏观体系视为单一整体，它是否仍然遵循量子力学？薛定谔那只著名的猫，是否真的能够处于“生”与“死”的叠加态？

要想通过实验来回答这个问题，需要面对两个基础性的困难。第一个困难可以称为“普朗克常数壁垒”。量子效应的尺度由普朗克常数决定，而宏观系统的尺度通常远远大于它，因此即便量子力学理论是正确的，宏观体系中的量子效应也微弱到无法测量。第二个困难则来自环境耦合。宏观物体通常会与环境发生大量相互作用，导致其量子态的特征稍纵即逝（称为退相干），因此极难捕捉到。

到了1980年代，人们认识到，包含约瑟夫逊结（Josephson junction）的超导电路，可能正是解决上述问题的理想平台。所谓约瑟夫逊结，就是在两个超导体之间嵌入一层极薄绝缘层而形成的结构。按照经典物理图像，绝缘层应当阻止电流通过，但在量子力学中，电子波函数能够“穿透”绝缘层形成超导电流，这便是著名的约瑟夫逊效应。

约瑟夫逊结的一个独特性，在于它存在一个描述整个超导电子集体状态的宏观变量，也即所谓“序参量”。这个序参量并不对应单个电子，而是对应整个超导态的集体行为，因此它本身就是宏观量。在经典物理图像中，系统的“势能”可以看作是序参量的函数，就像弹簧的势能取决于其伸缩长度一样。由于势能不能高于总能量，序参量就限制在某个区域之内。物理学中把这种能量约束结构形象地称为“势阱”。然而在量子力学中，体系存在隧道效应，即便序参量没有足够能量“跳出”势阱，也依然可能通过量子隧道效应“逃逸”出去。这种“逃逸”，就成了可观测的宏观量子现象。

而约瑟夫逊结超导电路的选择，恰好同时解决了前面提到的两个困难。由于约瑟夫逊结的参数可以人工调节，研究者能够通过精心设计来增强宏观量子隧道效应，从而突破“普朗克常数壁垒”；与此同时，这个体系在超导态运行，它具有高度稳定性而不受环境干扰。这样，对宏观量子现象的探索，终于真正进入了可实验验证的阶段。

在1985至1986年间，克拉克小组对于约瑟夫逊结超导电路完成了一系列出色的实验。这个实验最漂亮的地方之一，在于它不仅观测到了现象本身，而且采用了极为严谨的方法来排除其他解释。上面说到的序参量“逃逸”，其实存在两种不同机制：一种是经典热逃逸，即系统由于热涨落偶尔获得足够能量，从而“跳出”势阱；另一种则是真正的量子隧道效应带来的逃逸。两者的关键区别在于温度依赖性。热逃逸会随着温度降低而迅速减弱，而量子隧道效应则几乎不依赖温度。因此，如果在不断降温情况下，逃逸率先下降而后趋于恒定，那么就意味着量子隧道效应已经成为主导。

然而，仅凭这一现象仍不足以完全令人信服，因为逃逸率停止下降，也可能来自实验错误：也许样品温度其实没有降低，或也许外部噪声造成了虚假的逃逸信号。克拉克小组的巧妙之处在于，他们同时测试了两个原本相同的器件，不妨称为A和B。但他们在B器件上施加额外磁场来抑制其量子效应。结果发现，在高温区域（热逃逸占主导时），两个器件都表现出相同趋势，即逃逸率随着温度降低而减小；但当温度降低到约50毫开尔文以下时，A器件的逃逸率逐渐减缓并最终趋于恒定，显示量子隧道效应开始占据主导；而B器件却仍然保持原有的热逃逸行为（逃逸率随温度降低而降低）。这种对比测量，极大增强了实验可信度，因为如果是实验错误，两个器件理应同时受到影响。克拉克小组成功地把原本需要排除的经典机制，变成了验证实验的工具。而这，还只是他们众多实验创新中的一个。

除了证明宏观量子隧道效应的存在之外，克拉克小组还利用隧道效应进一步展示了这一体系具有离散能级结构，而这又是量子体系的重要特征之一。由于不同能量态在势阱中的行为不同，其逃逸率也会不同。克拉克小组通过微波激发而观测到了多个分离的逃逸峰，对应不同量子能级。

更重要的是，他们不仅仅“看到了”实验现象，而且能够独立测量系统参数，并直接利用理论模型预测实验结果，而不是通过拟合实验数据来反推参数值。他们最终展示了实验与理论之间的高度一致，说明他们不仅验证了宏观量子现象的存在，也验证了量子理论本身在这一宏观体系中的适用性。

这项工作的重大意义，反映在好几个方面。在基础物理层面，它直接触及了量子力学最深层的“测量问题”。量子力学中长期存在一个著名困难：波函数在测量时会发生“塌缩”，而这一过程并不遵循薛定谔方程，而是需要另一套不同的数学表述。但问题来了：测量也是相互作用，为何需要特殊的表述？薛定谔猫、EPR佯谬以及许多关于测不准原理的争论，都与这一问题密切相关。有人猜测，或许量子力学只适用于微观世界，而宏观测量仪器实际上遵循另一套规律，因此才导致测量过程的“特殊性”。克拉克等人的实验，则在很大程度上否定了这种思路。至少在他们研究的宏观超导体系中，量子力学依然有效。

克拉克小组观测到的离散能级，还直接验证了“人造原子”的物理图像。在氢原子中，电子被束缚在原子核周围；而在约瑟夫逊电路中，序参量则被束缚在势阱中。两者在数学描述上高度相似，所以人们把超导电路称为“人造原子”。两者有不少类似的物理性质，例如都能够与光子和电磁场发生类似的量子相互作用。然而与天然原子相比，“人造原子”拥有巨大的工程优势：其参数可以人为调节，可以方便接入电极进行测量与控制，还能够根据实验需求设计势阱结构。因此，它迅速成为了研究量子光学、量子电动力学以及量子信息的重要平台。人造原子之间还能通过电磁场或其它方式相互作用，有可能形成多“原子”的“人造分子”，那更是变化无穷了。

再进一步，“人造原子”也已进入工程应用领域。这种基于约瑟夫逊结的超导电路，是量子计算机的基本单元”量子比特“的热门候选者。由于它既具有宏观尺度上的可制造性与可控制性，又保留了量子体系的离散特性，因此很具吸引力，谷歌等机构都在积极推进其工程化的研究。

除了对于基础科学，研究手段和工程应用的直接贡献外，这个诺奖工作也给我们带来很多思考。科学史上，人们常引用艾萨克·牛顿（Isaac Newton）那句名言：“如果我看得更远，那是因为站在巨人的肩上。”克拉克等人的工作同样如此，其中尤其值得一提的，是布莱恩·约瑟夫逊（Brian Josephson）与安东尼·莱格特（Anthony Leggett）两位“巨人”。

约瑟夫逊可以说是典型的“神童型”科学家。他在22岁（研究生二年级）时提出约瑟夫逊效应的完整理论，并在３３岁因此工作获得诺奖。基于这一理论发展出的约瑟夫逊结器件不但演示了神奇的超导和量子现象，而且可以做成“超导量子干涉仪”（SQUID），是最灵敏的磁场测量器件之一。约瑟夫逊结是本届诺奖工作的基本平台，也为其它很多研究工作提供了有力工具。然而，获奖之后，约瑟夫逊长期研究意识与物质之间的关系，类似于曾在中国风行一时的“特异功能”。这些现象的证据往往达不到现代科学研究对于重复性与客观性的要求，因此常被视为“准科学”甚至“伪科学”。于是，这位曾经改变凝聚态物理的人物，后来却逐渐淡出了主流物理学界的视野。

而莱格特的职业生涯则更为“传统”，但也是非常出类拔萃。他最初学习的是经典文学，后来才转向物理，并为此补学中学数学。这种“文科背景”深刻影响了他的科研风格。他三十多岁时做出了关于氦三超流理论的工作，却到了６５岁才获得诺奖，但他的研究视野远远超出了超流领域。他始终敢于直面“量子现实”“测量问题”这类极易滑向纯哲学讨论的问题，并力图将它们转化为可以计算、预测和验证的物理问题。早在1980年，他就明确提出了用约瑟夫逊结超导电路来检验宏观量子力学的思路。克拉克团队1985年的工作，无论在研究动机还是实验路线选择上，都继承了莱格特当年的构想。

更进一步，莱格特还提出了所谓“莱格特—加格（Leggett-Garg）不等式”，试图像贝尔不等式检验量子纠缠那样，对宏观量子理论进行更严格的实验检验。从某种意义上说，他代表了一种相当传统的理论物理精神：可以大胆怀疑，但必须给出严格的数学陈述与实验检验路径。

有趣的是，尽管约瑟夫逊与莱格特后来走向了截然不同的道路，但两人却有一个重要共同点：他们都在获得诺贝尔奖之后，开始更加大胆地探索那些高风险、高争议的问题。莱格特曾说过一句颇有代表性的话：“为了重要而有趣的理由去犯错。”事实上，这也是许多诺奖得主共有的特点。从这个意义上说，诺贝尔奖不仅仅意味着荣誉，它还意味着一种特殊的“终身科研自由”——不仅保障一个人的职位，更保障他可以长期探索那些未必成功、但可能真正重要的问题。

值得注意的是，近年来量子力学的两个诺奖，都围绕着“量子测量问题”展开。2022年诺贝尔物理学奖表彰了关于贝尔不等式实验验证的工作；它排除了局域隐藏变量理论对量子关联的解释。而2025年表彰的工作，则把测量问题投射到另一个层面：量子力学本身是否能跨越微观与宏观？这两个领域都是八十年代前后取得了突破，但直到最近几年才得到诺贝尔奖的表彰。

从贝尔不等式到莱格特—加格不等式，从微观纠缠到宏观量子隧道，所谓“测量问题”，也正在从少数思想家的哲学思辨与思想实验，逐渐转变为越来越多物理学家可以直接面对的计算与实验问题。这种趋势，一方面来自不断进步的理论洞见与实验手段所带来的新能力，另一方面也来自现实技术发展的迫切需求。随着半导体工业所遵循的“摩尔定律”逐渐逼近极限，量子计算机开始承载人类继续提升信息处理与计算能力的厚望。然而，量子计算机的基本原理与工程实现，都无法绕开量子力学中的“测量”“塌缩”等长期存在的基础性困惑。

验证贝尔不等式和观察宏观量子效应的工作，离彻底解决”量子测量“问题还相差很远。它们的直接结果，只是排除了一些理论可能性，“量子测量”至今仍是个迷。然而，这些工作开创的实验手段，却是后续研究的有力工具。不仅如此，验证贝尔不等式的工作探索了制造各种量子纠缠态的思路，而宏观量子态的工作催生了”人造原子“的诞生。这两个成果都对量子计算机的发展有重要作用。从这个意义上说，这两项工作或许代表了当今量子力学的一个重要发展方向。

下一场关于量子力学的革命，也许已经开始了。