我们都知道，宏观世界和微观世界遵循着两套完全不同的运转逻辑。很多在微观尺度下发生的现象，一旦放到宏观层面会显得格外地反常。

今年的诺贝尔物理学奖“量子隧穿与能量量子化”，就是把这种只能在微观世界中存在的现象，带到了宏观世界。

首先，什么是量子隧穿呢？

在我们的日常直觉里，当一颗小球撞上一堵墙时，它会被挡住，或者被弹回来。但是在微观的世界里，粒子在碰到墙的时候，是可能会穿墙而过的哦。

为什么呢？

因为在微观世界里，粒子并不是一颗颗小球，而是一个概率波（波函数）。你没有办法确定它在某个时刻所处的位置，你只能计算它在某个时候出现在某个位置的概率，比如它可能在 A 点出现的概率是 30%，在 B点出现的概率是 10%，在c点出现的概率是 50%，而且这个概率还是随着时间波动的。

当这团波在遇到一道势垒，也就是一堵墙或者一个能量障碍时，它不会像小球一样被挡住，而是会有一小部分波渗透进去，出现在另一侧，这就是量子隧穿。

它并不是靠能量去“撞穿”这堵障碍，而是因为粒子的存在范围从来就不是局限在一个点上，它出现的概率在遇到墙的时候确实会衰减，但即便衰减到很弱了，仍然会有一些概率的尾巴出现在墙的另一侧，只要概率不为零，那粒子就有机会出现在墙的另一边。

这个现象在量子世界非常常见，但是在宏观世界里，这种穿墙术还从来没有被真正看到过。那如何把量子穿墙放大到宏观层面呢？

科学家发现，超导体是一种神奇的材料。这类材料在超低温的条件下，电阻会降为零。

在普通的金属里，电子穿行的时候会不停地被原子撞击，就像你在拥挤的人群中奔跑，不停被人撞到，电子的能量会被消耗，这就是电阻。

但是超导体的温度很低，原子的热运动降到很低，电子不再被阻碍，更奇妙的是，电子会出现奇怪的行为，它们会成对结合，形成库珀对。

原本电子都带负电，本应该同性相斥，但一个电子经过时会轻微吸引金属里带正电的原子核，这种微弱的吸引会对后来的电子产生牵引，于是两个电子变得“间接吸引”，结成了一对。

这些库珀对的运动是协同的。 在普通金属中，每个电子都有各自的运动状态，是杂乱的，但在超导体中，所有电子的波函数合并成了一个整体，

它们不再是独立的，而是拥有同一个节拍、同一个动作，整个系统变成了一个宏观量子态，所以，金属结构没有办法散射它们，电子的能量也不会被耗散，所以电阻为零。

这个时候，整个超导体的电子，就像一个庞大的“量子波”，于是，它也就具备了量子隧穿的可能。

接下来，科学家要用它做实验了。

他们准备了两块超导体，然后在两块超导体中间放了一层极薄的绝缘层，这个绝缘层相当于一堵电子无法穿过的能量墙。

此时，整个系统进入了量子相位耦合态。什么意思呢？

既然左右两边都是庞大的量子波，既然是波，就有波峰和波谷，也有波动的节奏，这个节奏叫作相位。

如果两个波，波峰与波峰对齐，波谷与波谷对齐，它们的相位差就是0，如果一个波的波峰对上了另一个的波谷，它们的相位就是彼此抵消的。

在这个实验装置里，左右两边泛起的电子海洋，节奏是不一样的，有明显的相位差，虽然中间的绝缘层看起来阻隔了彼此，但波是可以穿墙的，两边的相位开始相互感应，产生一种“要让节奏对齐”的趋势。

于是，一部分相位信息就会从一边流向另一边，两边建立了绑定的关系，这就是量子隧穿的结果，也叫做约瑟夫森效应。

不过，这个时候，两边的相位虽然达到了协调，但是进入了一种静态的稳定结构，我们没办法直接观测到它内部发生的变化，所以科学家要想办法让这种隧穿的现象放大，让我们肉眼可以看到。

于是，他们给这个系统施加了一点点电压，这个电压非常非常弱，它只是起到一个触发的作用，就像一个八音盒的发条，它让八音盒启动，但八音盒要发出什么声音，不关它的事。

在这个电压的触发下，系统的相位进入了高速运转的状态，原本两片电子海洋的节奏一致，现在其中一片的波开始略微加速，比如左边的波开始比右边的快半拍，于是，两边的波峰开始不断错位——对齐——再错位。这种持续的节奏差，就像一种能量的脉动，会形成电流，这种电流，被科学家探测到了。

这股电流并不是外部电源“供给”的，而是系统自己产生的，并且这个信号并不是恒定不变的，而是呈现周期性地振荡，

就像心脏一样跳动，这说明系统里的能量变化并非连续的，而是以离散的方式发生的，这就是能量量子化的表现。一种原本只属于微观世界的特征，现在在宏观尺度上也可以看到了。

其实量子隧穿和能量量子化的理论早就存在的，而且物理学家约瑟夫森在 1962 年提出了：超导体之间隔着绝缘层，会出现量子隧穿的现象。

今年得奖的三位科学家约翰·克拉克、米歇尔·H·德沃雷 和 约翰·M·马蒂尼斯用非常精妙的方法，在宏观层面上观测到了量子隧穿与能量量子化的振荡信号。这项研究其实量子计算机的硬件基础，证实了宏观电路也可以存在量子行为。

我们普通人懂得这些知识，并不是要去真的研究，而是理解一个个世界运转的逻辑，这个过程是非常有趣的。

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