2025年诺贝尔物理学奖揭晓，量子力学再下一城！

2025年的诺贝尔奖单项奖金为1100万瑞典克朗，与2024年持平，合人民币834.526万元。

在量子力学框架下，粒子可通过“隧穿效应”直接穿越屏障。但通常情况下，当涉及大量粒子时，量子力学效应会变得微乎其微。而此次获奖者的实验证明，量子力学特性可在宏观尺度上具象呈现。

1984年至1985年间，约翰·克拉克、米歇尔·H·德沃雷与约翰·M·马丁尼斯开展了一系列实验。他们搭建的电子电路以超导体为核心组件（超导体可实现无电阻导电），电路中，超导体组件被一层薄薄的非导电材料分隔，这种结构被称为“约瑟夫森结”。通过精确优化并测量电路的各项特性，他们成功控制并观测了通电时电路中出现的量子现象——超导体中运动的带电粒子形成了一个整体系统，其行为模式宛如一个填满整个电路的“单粒子”。

这个具有宏观粒子特性的系统，初始状态为“零电压载流”——就像被一道屏障困住，无法自行脱离该状态。但在实验中，该系统展现出了量子特性：通过隧穿效应突破束缚，脱离零电压状态，而这一状态变化可通过“电压出现”被检测到。

通过精确优化并测量电路的各项特性，他们成功控制并观测了通电时电路中出现的量子现象——超导体中运动的带电粒子形成了一个整体系统，其行为模式宛如一个填满整个电路的“单粒子”。

此外，获奖者还证实，该系统的行为完全符合量子力学预测——呈现出“量子化”特征，即仅能吸收或释放特定量级的能量。

屏障后面的量子力学系统可以具有不同量的能量，但它只能吸收或发射特定量的能量。系统是量化的。隧道在较高能级下比在较低能级下更容易发生，因此，从统计上讲，能量较高的系统比能量较少的系统被俘虏的时间更短。©Johan Jarnestad/瑞典皇家科学院

计算机芯片中的晶体管，是我们身边已成熟应用的量子技术实例之一。而今年的诺贝尔物理学奖成果，为下一代量子技术的发展开辟了新可能，涵盖量子加密、量子计算机与量子传感器等领域。

A major question in physics is the maximum size of a system that can demonstrate quantum mechanical effects. This year’s Nobel Prize laureates conducted experiments with an electrical circuit in which they demonstrated both quantum mechanical tunnelling and quantised energy levels in a system big enough to be held in the hand.

Quantum mechanics allows a particle to move straight through a barrier, using a process called tunnelling. As soon as large numbers of particles are involved, quantum mechanical effects usually become insignificant. The laureates’ experiments demonstrated that quantum mechanical properties can be made concrete on a macroscopic scale.

In 1984 and 1985, John Clarke, Michel H. Devoret and John M. Martinis conducted a series of experiments with an electronic circuit built of superconductors, components that can conduct a current with no electrical resistance. In the circuit, the superconducting components were separated by a thin layer of non-conductive material, a setup known as a Josephson junction. By refining and measuring all the various properties of their circuit, they were able to control and explore the phenomena that arose when they passed a current through it. Together, the charged particles moving through the superconductor comprised a system that behaved as if they were a single particle that filled the entire circuit.

This macroscopic particle-like system is initially in a state in which current flows without any voltage. The system is trapped in this state, as if behind a barrier that it cannot cross. In the experiment the system shows its quantum character by managing to escape the zero-voltage state through tunnelling. The system’s changed state is detected through the appearance of a voltage.

The laureates could also demonstrate that the system behaves in the manner predicted by quantum mechanics – it is quantised, meaning that it only absorbs or emits specific amounts of energy.

“It is wonderful to be able to celebrate the way that century-old quantum mechanics continually offers new surprises. It is also enormously useful, as quantum mechanics is the foundation of all digital technology,” says Olle Eriksson, Chair of the Nobel Committee for Physics.

The transistors in computer microchips are one example of the established quantum technology that surrounds us. This year’s Nobel Prize in Physics has provided opportunities for developing the next generation of quantum technology, including quantum cryptography, quantum computers, and quantum sensors.

他们的芯片实验揭示了量子物理的实际应用

物理学领域的一个重要问题是：能够展现量子力学效应的系统，其最大尺寸究竟可达多少？今年的诺贝尔物理学奖得主通过一个电路开展实验，在这个尺寸大到足以用手握住的系统中，同时证实了量子力学隧穿效应与量子化能级的存在。

量子力学理论认为，粒子可通过一种名为 “隧穿” 的过程直接穿过屏障。然而，一旦涉及大量粒子，量子力学效应通常会变得微乎其微。而诺贝尔奖得主的实验则证明，在宏观尺度下，量子力学特性依然可以被清晰观测到。

1984 年至 1985 年间，约翰・克拉克（John Clarke）、米歇尔・H・德沃雷（Michel H. Devoret）与约翰・M・马丁尼斯（John M. Martinis）团队利用超导材料构建的电子电路进行了一系列实验。超导材料是一类能够在特定条件下实现无电阻导电的组件。在该电路中，超导组件被一层薄薄的非导电材料分隔，这种结构被称为 “约瑟夫森结”。通过优化电路设计并精确测量其各项特性，研究团队得以控制并观测电流通过电路时产生的各种物理现象。在实验中，超导材料中运动的带电粒子群形成了一个特殊系统 —— 其整体行为仿佛一个填满整个电路的 “单粒子”。

这个具有宏观粒子特性的系统，初始状态为 “零电压电流流动”（即电流通过时电路两端无电压）。此时系统仿佛被 “困” 在这一状态中，就像被一道无法逾越的屏障阻挡。但在实验中，该系统展现出了量子特性：它能够通过隧穿效应突破屏障，脱离零电压状态。而系统状态的这一改变，可通过电压的出现被检测到。

此外，诺贝尔奖得主们还证实，该系统的行为完全符合量子力学的预测 —— 即呈现 “量子化” 特征：它只能吸收或释放特定数值的能量，而非任意能量值。

“百年前诞生的量子力学仍在不断带来新惊喜，能见证并致敬这一点，令人倍感振奋。同时，量子力学的价值也极为重大，它是所有数字技术的基础。” 诺贝尔物理学奖委员会主席奥勒・埃里克松（Olle Eriksson）表示。

我们身边早已存在成熟的量子技术应用案例，计算机微芯片中的晶体管便是典型例子。而今年的诺贝尔物理学奖，则为下一代量子技术的发展开辟了新可能，包括量子加密、量子计算机与量子传感器等领域。

• X 射线：1901 年诺贝尔奖首次颁发，物理学奖授予了威廉·伦琴（Wilhelm Röntgen），以表彰他发现了 X 射线，X 射线至今仍被用于诊断骨折、定位嵌入体内的子弹等。

• 照相技术：Willard Boyle 和 George Smith 发明的电荷耦合器件是数码相机技术的一项重大突破，在科学成像领域仍发挥着关键作用，于 2009 年获得诺贝尔物理学奖。

• 节能灯：赤崎勇、天野浩和中村修二发明了高亮度蓝色发光二极管，实现了照明技术的根本性变革，于 2014 年获得诺贝尔物理学奖。

2023年——美国科学家Pierre Agostini、德国科学家Ferenc Krausz和法国/瑞典科学家Anne L’Huillier获奖，获奖理由是“开发了产生阿秒光脉冲的实验方法，用于研究物质中的电子动力学”。

2022年——法美奥三位科学家Alain Aspect、John F. Clauser和Anton Zeilinger获奖，获奖理由是“进行了纠缠光子的实验，确立了贝尔不等式的违反，并开创了量子信息科学”。

2021年——美德意三位科学家因“对人们理解复杂物理系统的开创性贡献”而获奖。美籍日裔科学家Syukuro Manabe、德国科学家Klaus Hasselmann的获奖理由是“物理模拟地球气候，量化变化和可靠地预测全球变暖”；意大利科学家Giorgio Parisi的获奖理由是“发现从原子到行星尺度的物理系统的无序和波动的相互作用”。

2020年——英国科学家Roger Penrose获奖，获奖理由是“发现黑洞形成是广义相对论的一个有力预测”；另外两位获奖者是德国和美国科学家Reinhard Genzel、Andrea Ghez，获奖理由是“在银河系中心发现了一个超大质量的致密天体”。

2019年——美国科学家James Peebles获奖，获奖理由是“在物理宇宙学的理论发现”；另外两位获奖者是瑞士科学家Michel Mayor和Didier Queloz，获奖理由是“发现了一颗围绕类太阳恒星运行的系外行星”。

2018年——美法加三位科学家Arthur Ashkin、Gerard Mourou和Donna Strickland获奖，获奖理由是“在激光物理学领域所作出的开创性发明”。

2017年——三位美国科学家Rainer Weiss、Barry C. Barish和Kip S. Thorne获奖，获奖理由是“对LIGO探测器和引力波观测的决定性贡献”。

2016年——英美三位科学家David J. Thouless、F. Duncan M. Haldane和J. Michael Kosterlitz获奖，获奖理由是“理论发现拓扑相变和拓扑相物质”。

2015年——日本科学家Takaaki Kajita和加拿大科学家Arthur B. McDonald获奖，获奖理由是“发现了中微子振荡，表明中微子具有质量”。

——从1901年至2024年，共227人次获奖，实际获奖个人为226人，因为美国物理学家John Bardeen于1956年和1972年两次获奖。

——118次颁奖中，47次为单独获奖者，33次为2人共享，38次为3人共享。

——最年轻的获奖者是英国物理学家Lawrence Bragg，1915年因“用X射线对晶体结构的分析所作的贡献”与父亲一起获奖，时年25岁。

——最年长的获奖者是美国物理学家Arthur Ashkin，2018年因“在激光物理学领域所作出的开创性发明”获奖，时年96岁。

——226位诺贝尔物理学奖得主中，有5位女性。分别是1903年的居里夫人（居里夫人另外还获得1911年的化学奖）、1963年的Maria Goeppert-Mayer、2018年的Donna Strickland、2020年的Andrea Ghez，以及2023年的Anne L’Huillier。

• 1956年，31岁的美籍华人李政道和35岁的杨振宁提出“李-杨假说”，并于1957年同时获得诺贝尔物理学奖。

• 1976年，美籍华人科学家丁肇中因发现J粒子获得诺贝尔物理学奖。

• 1997年，美籍华人朱棣文因“发明了用激光冷却和俘获原子的方法”荣获诺贝尔物理学奖。

• 1998年，美籍华人崔琦因解释了电子量子流体这一特殊现象，获得诺贝尔物理奖。

• 2009年，英国华人科学家高锟因在“有关光在纤维中的传输以用于光学通信方面”作出突破性成就，获得诺贝尔物理学奖。