1911年4月8日，在荷蘭萊頓大學的低溫實驗室里，物理學家海克·卡末林·昂內斯（Heike Kamerlingh Onnes）和學生正在測試各種金屬在極低溫度下的電學性質。自從1908年率先製成液化氦之後，他的實驗室已經成為當時世界上頂尖的低溫研究機構之一。那時人們普遍預期，金屬電阻會隨着溫度降低而減小，但不會完全消失。然而，在把汞樣品冷卻到約3開爾文時，它的電阻突然跌落到儀器完全無法測量的程度。當日，昂內斯在實驗記錄本上寫下了一句後來極為著名的話：“汞，近乎零。”由此，人類第一次認識了奇妙的“超導”。

超導體不僅開闢了低溫物理和凝聚態物理的新方向，也成為了研究量子世界的重要工具。在隨後的一百多年間，與超導相關的研究多次獲得諾貝爾物理學獎，從超導微觀理論、約瑟夫遜效應，到高溫超導與量子器件，超導幾乎貫穿了整個現代凝聚態物理的發展史。2025年的諾貝爾物理學獎，表彰的工作是利用超導技術來探索量子力學的適用邊界。得獎者是當年加州大學伯克利分校同一個實驗組中的三位科學家——教授約翰·克拉克（John Clarke）、博士後米歇爾·H·德沃雷（Michel H. Devoret）和博士生約翰·M·馬蒂尼斯（John M. Martinis）。要了解這項工作，需從量子力學的一個基本問題講起。

1925年9月，維爾納·海森堡（Werner Heisenberg）發表了矩陣量子理論；同月，海森堡的博士後導師馬克斯·玻恩（Max Born）與其助手帕斯夸爾·約爾丹（Pascual Jordan）把他的思想整理為嚴格數學形式，並以“關於量子力學”為標題發表。三個月後，三人進一步完成理論體系化工作，發表了後來被稱為“三人工作”的經典論文。緊接着，1926年初，埃爾溫·薛定諤（Erwin Schrödinger）提出波函數形式的量子理論。至此，量子力學作為一個完整的理論框架正式誕生。而頒獎的2025年，恰恰是這個革命發生的一百周年。

量子力學從一開始就非常反直覺：電子同時表現出粒子性和波動性；量子體系能夠處於多個狀態的疊加；測量行為會改變系統本身；不同物理量之間無法同時被精確確定，等等。然而，儘管在一些基本問題上仍然爭議不斷，量子力學在實驗上的成功卻無可否認。經過一個世紀各種精密驗證，人們已經不再懷疑量子力學在微觀世界中的正確性。

那麼，量子力學是否也直接適用於宏觀體系？量子理論本身並沒有規定適用尺度的上限。從數學形式上說，一隻貓、一個足球，甚至整個宇宙都應當滿足同樣的量子規律。但問題在於，人們尚缺乏對宏觀變量量子行為的直接、定量且令人信服的實驗驗證。我們熟悉的超導、超流、光電效應和半導體等現象，雖然都依賴量子力學，但它們本質上仍然是微觀粒子的量子行為，而不是宏觀體系作為一個統一整體呈現量子態。如果把由大量粒子組成的宏觀體系視為單一整體，它是否仍然遵循量子力學？薛定諤那隻著名的貓，是否真的能夠處於“生”與“死”的疊加態？

要想通過實驗來回答這個問題，需要面對兩個基礎性的困難。第一個困難可以稱為“普朗克常數壁壘”。量子效應的尺度由普朗克常數決定，而宏觀系統的尺度通常遠遠大於它，因此即便量子力學理論是正確的，宏觀體系中的量子效應也微弱到無法測量。第二個困難則來自環境耦合。宏觀物體通常會與環境發生大量相互作用，導致其量子態的特徵稍縱即逝（稱為退相干），因此極難捕捉到。

到了1980年代，人們認識到，包含約瑟夫遜結（Josephson junction）的超導電路，可能正是解決上述問題的理想平台。所謂約瑟夫遜結，就是在兩個超導體之間嵌入一層極薄絕緣層而形成的結構。按照經典物理圖像，絕緣層應當阻止電流通過，但在量子力學中，電子波函數能夠“穿透”絕緣層形成超導電流，這便是著名的約瑟夫遜效應。

約瑟夫遜結的一個獨特性，在於它存在一個描述整個超導電子集體狀態的宏觀變量，也即所謂“序參量”。這個序參量並不對應單個電子，而是對應整個超導態的集體行為，因此它本身就是宏觀量。在經典物理圖像中，系統的“勢能”可以看作是序參量的函數，就像彈簧的勢能取決於其伸縮長度一樣。由於勢能不能高於總能量，序參量就限制在某個區域之內。物理學中把這種能量約束結構形象地稱為“勢阱”。然而在量子力學中，體系存在隧道效應，即便序參量沒有足夠能量“跳出”勢阱，也依然可能通過量子隧道效應“逃逸”出去。這種“逃逸”，就成了可觀測的宏觀量子現象。

而約瑟夫遜結超導電路的選擇，恰好同時解決了前面提到的兩個困難。由於約瑟夫遜結的參數可以人工調節，研究者能夠通過精心設計來增強宏觀量子隧道效應，從而突破“普朗克常數壁壘”；與此同時，這個體系在超導態運行，它具有高度穩定性而不受環境干擾。這樣，對宏觀量子現象的探索，終於真正進入了可實驗驗證的階段。

在1985至1986年間，克拉克小組對於約瑟夫遜結超導電路完成了一系列出色的實驗。這個實驗最漂亮的地方之一，在於它不僅觀測到了現象本身，而且採用了極為嚴謹的方法來排除其他解釋。上面說到的序參量“逃逸”，其實存在兩種不同機制：一種是經典熱逃逸，即系統由於熱漲落偶爾獲得足夠能量，從而“跳出”勢阱；另一種則是真正的量子隧道效應帶來的逃逸。兩者的關鍵區別在於溫度依賴性。熱逃逸會隨着溫度降低而迅速減弱，而量子隧道效應則幾乎不依賴溫度。因此，如果在不斷降溫情況下，逃逸率先下降而後趨於恆定，那麼就意味着量子隧道效應已經成為主導。

然而，僅憑這一現象仍不足以完全令人信服，因為逃逸率停止下降，也可能來自實驗錯誤：也許樣品溫度其實沒有降低，或也許外部噪聲造成了虛假的逃逸信號。克拉克小組的巧妙之處在於，他們同時測試了兩個原本相同的器件，不妨稱為A和B。但他們在B器件上施加額外磁場來抑制其量子效應。結果發現，在高溫區域（熱逃逸占主導時），兩個器件都表現出相同趨勢，即逃逸率隨着溫度降低而減小；但當溫度降低到約50毫開爾文以下時，A器件的逃逸率逐漸減緩並最終趨於恆定，顯示量子隧道效應開始占據主導；而B器件卻仍然保持原有的熱逃逸行為（逃逸率隨溫度降低而降低）。這種對比測量，極大增強了實驗可信度，因為如果是實驗錯誤，兩個器件理應同時受到影響。克拉克小組成功地把原本需要排除的經典機制，變成了驗證實驗的工具。而這，還只是他們眾多實驗創新中的一個。

除了證明宏觀量子隧道效應的存在之外，克拉克小組還利用隧道效應進一步展示了這一體系具有離散能級結構，而這又是量子體系的重要特徵之一。由於不同能量態在勢阱中的行為不同，其逃逸率也會不同。克拉克小組通過微波激發而觀測到了多個分離的逃逸峰，對應不同量子能級。

更重要的是，他們不僅僅“看到了”實驗現象，而且能夠獨立測量系統參數，並直接利用理論模型預測實驗結果，而不是通過擬合實驗數據來反推參數值。他們最終展示了實驗與理論之間的高度一致，說明他們不僅驗證了宏觀量子現象的存在，也驗證了量子理論本身在這一宏觀體系中的適用性。

這項工作的重大意義，反映在好幾個方面。在基礎物理層面，它直接觸及了量子力學最深層的“測量問題”。量子力學中長期存在一個著名困難：波函數在測量時會發生“塌縮”，而這一過程並不遵循薛定諤方程，而是需要另一套不同的數學表述。但問題來了：測量也是相互作用，為何需要特殊的表述？薛定諤貓、EPR佯謬以及許多關於測不準原理的爭論，都與這一問題密切相關。有人猜測，或許量子力學只適用於微觀世界，而宏觀測量儀器實際上遵循另一套規律，因此才導致測量過程的“特殊性”。克拉克等人的實驗，則在很大程度上否定了這種思路。至少在他們研究的宏觀超導體系中，量子力學依然有效。

克拉克小組觀測到的離散能級，還直接驗證了“人造原子”的物理圖像。在氫原子中，電子被束縛在原子核周圍；而在約瑟夫遜電路中，序參量則被束縛在勢阱中。兩者在數學描述上高度相似，所以人們把超導電路稱為“人造原子”。兩者有不少類似的物理性質，例如都能夠與光子和電磁場發生類似的量子相互作用。然而與天然原子相比，“人造原子”擁有巨大的工程優勢：其參數可以人為調節，可以方便接入電極進行測量與控制，還能夠根據實驗需求設計勢阱結構。因此，它迅速成為了研究量子光學、量子電動力學以及量子信息的重要平台。人造原子之間還能通過電磁場或其它方式相互作用，有可能形成多“原子”的“人造分子”，那更是變化無窮了。

再進一步，“人造原子”也已進入工程應用領域。這種基於約瑟夫遜結的超導電路，是量子計算機的基本單元”量子比特“的熱門候選者。由於它既具有宏觀尺度上的可製造性與可控制性，又保留了量子體系的離散特性，因此很具吸引力，谷歌等機構都在積極推進其工程化的研究。

除了對於基礎科學，研究手段和工程應用的直接貢獻外，這個諾獎工作也給我們帶來很多思考。科學史上，人們常引用艾薩克·牛頓（Isaac Newton）那句名言：“如果我看得更遠，那是因為站在巨人的肩上。”克拉克等人的工作同樣如此，其中尤其值得一提的，是布萊恩·約瑟夫遜（Brian Josephson）與安東尼·萊格特（Anthony Leggett）兩位“巨人”。

約瑟夫遜可以說是典型的“神童型”科學家。他在22歲（研究生二年級）時提出約瑟夫遜效應的完整理論，並在３３歲因此工作獲得諾獎。基於這一理論發展出的約瑟夫遜結器件不但演示了神奇的超導和量子現象，而且可以做成“超導量子干涉儀”（SQUID），是最靈敏的磁場測量器件之一。約瑟夫遜結是本屆諾獎工作的基本平台，也為其它很多研究工作提供了有力工具。然而，獲獎之後，約瑟夫遜長期研究意識與物質之間的關係，類似於曾在中國風行一時的“特異功能”。這些現象的證據往往達不到現代科學研究對於重複性與客觀性的要求，因此常被視為“准科學”甚至“偽科學”。於是，這位曾經改變凝聚態物理的人物，後來卻逐漸淡出了主流物理學界的視野。

而萊格特的職業生涯則更為“傳統”，但也是非常出類拔萃。他最初學習的是經典文學，後來才轉向物理，並為此補學中學數學。這種“文科背景”深刻影響了他的科研風格。他三十多歲時做出了關於氦三超流理論的工作，卻到了６５歲才獲得諾獎，但他的研究視野遠遠超出了超流領域。他始終敢於直面“量子現實”“測量問題”這類極易滑向純哲學討論的問題，並力圖將它們轉化為可以計算、預測和驗證的物理問題。早在1980年，他就明確提出了用約瑟夫遜結超導電路來檢驗宏觀量子力學的思路。克拉克團隊1985年的工作，無論在研究動機還是實驗路線選擇上，都繼承了萊格特當年的構想。

更進一步，萊格特還提出了所謂“萊格特—加格（Leggett-Garg）不等式”，試圖像貝爾不等式檢驗量子糾纏那樣，對宏觀量子理論進行更嚴格的實驗檢驗。從某種意義上說，他代表了一種相當傳統的理論物理精神：可以大膽懷疑，但必須給出嚴格的數學陳述與實驗檢驗路徑。

有趣的是，儘管約瑟夫遜與萊格特後來走向了截然不同的道路，但兩人卻有一個重要共同點：他們都在獲得諾貝爾獎之後，開始更加大膽地探索那些高風險、高爭議的問題。萊格特曾說過一句頗有代表性的話：“為了重要而有趣的理由去犯錯。”事實上，這也是許多諾獎得主共有的特點。從這個意義上說，諾貝爾獎不僅僅意味着榮譽，它還意味着一種特殊的“終身科研自由”——不僅保障一個人的職位，更保障他可以長期探索那些未必成功、但可能真正重要的問題。

值得注意的是，近年來量子力學的兩個諾獎，都圍繞着“量子測量問題”展開。2022年諾貝爾物理學獎表彰了關於貝爾不等式實驗驗證的工作；它排除了局域隱藏變量理論對量子關聯的解釋。而2025年表彰的工作，則把測量問題投射到另一個層面：量子力學本身是否能跨越微觀與宏觀？這兩個領域都是八十年代前後取得了突破，但直到最近幾年才得到諾貝爾獎的表彰。

從貝爾不等式到萊格特—加格不等式，從微觀糾纏到宏觀量子隧道，所謂“測量問題”，也正在從少數思想家的哲學思辨與思想實驗，逐漸轉變為越來越多物理學家可以直接面對的計算與實驗問題。這種趨勢，一方面來自不斷進步的理論洞見與實驗手段所帶來的新能力，另一方面也來自現實技術發展的迫切需求。隨着半導體工業所遵循的“摩爾定律”逐漸逼近極限，量子計算機開始承載人類繼續提升信息處理與計算能力的厚望。然而，量子計算機的基本原理與工程實現，都無法繞開量子力學中的“測量”“塌縮”等長期存在的基礎性困惑。

驗證貝爾不等式和觀察宏觀量子效應的工作，離徹底解決”量子測量“問題還相差很遠。它們的直接結果，只是排除了一些理論可能性，“量子測量”至今仍是個迷。然而，這些工作開創的實驗手段，卻是後續研究的有力工具。不僅如此，驗證貝爾不等式的工作探索了製造各種量子糾纏態的思路，而宏觀量子態的工作催生了”人造原子“的誕生。這兩個成果都對量子計算機的發展有重要作用。從這個意義上說，這兩項工作或許代表了當今量子力學的一個重要發展方向。

下一場關於量子力學的革命，也許已經開始了。