顛覆認(rèn)知！量子隧穿不是科幻，手機(jī)閃存、太陽發(fā)光都靠它

2025年10月7日，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)一揭曉就刷爆全網(wǎng)！約翰·克拉克、米歇爾·H·德沃雷特和約翰·M·馬蒂尼斯三位科學(xué)家，憑著“在電路中發(fā)現(xiàn)宏觀量子隧穿”的成果摘得桂冠。

1100萬瑞典克朗獎(jiǎng)金背后，是個(gè)刷新三觀的發(fā)現(xiàn)，量子效應(yīng)居然能在肉眼可見的宏觀系統(tǒng)里存在！你可能覺得量子隧穿這詞聽著就頭疼，像科幻電影里的橋段。

但說句實(shí)在話，這玩意兒離咱們一點(diǎn)都不遠(yuǎn)。

每次你和朋友小酌幾杯，肝臟忙著代謝酒精的時(shí)候，量子隧穿就在里面悄悄“干活”；甚至咱們能安穩(wěn)活著，都得感謝太陽核心靠量子隧穿實(shí)現(xiàn)的核聚變呢！

說白了，量子隧穿就是微觀世界的“嶗山道士穿墻術(shù)”。

經(jīng)典力學(xué)里，粒子能量不夠翻不過“能量高墻”，就只能乖乖退回去，好比騎自行車過陡坡，沒勁兒蹬就只能卡在半路。

但量子世界里，粒子根本不按常理出牌，就算能量不夠，也能大概率直接“瞬移”穿過高墻，不用費(fèi)勁兒攀爬。

2025年諾獎(jiǎng)的獲獎(jiǎng)成果，就是把這種微觀奇跡搬到了宏觀世界。

早在1984-1985年，三位科學(xué)家就用超導(dǎo)體制成了特殊電路，核心部件是“約瑟夫森結(jié)”，相當(dāng)于兩塊超導(dǎo)體夾著一層薄絕緣層的“三明治”。

他們把電路降溫到-266℃，這個(gè)溫度下超導(dǎo)體沒有電阻，里面的電子會兩兩結(jié)成“庫珀對”，數(shù)十億個(gè)庫珀對整齊劃一，像一個(gè)巨大的“宏觀粒子”。

讓人驚嘆的是，這個(gè)“宏觀粒子”居然能穿過絕緣層的勢壘，實(shí)現(xiàn)完整的量子隧穿。

更關(guān)鍵的是，這套系統(tǒng)吸收和釋放能量都按固定劑量來，完美符合量子化預(yù)測。

而獲獎(jiǎng)?wù)咧坏鸟R蒂尼斯后來帶領(lǐng)谷歌團(tuán)隊(duì)，就是靠這套技術(shù)研發(fā)出“懸鈴木”量子計(jì)算機(jī)，首次實(shí)現(xiàn)了量子計(jì)算優(yōu)越性，讓量子計(jì)算機(jī)比經(jīng)典計(jì)算機(jī)快了上萬倍。

從另一個(gè)角度看，物理界的這個(gè)大發(fā)現(xiàn)，化學(xué)界早就習(xí)以為常了。

1976年就有科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，某個(gè)氫遷移反應(yīng)在-150℃的極低溫下，氫原子靠隧穿效應(yīng)讓反應(yīng)速率暴漲，同位素效應(yīng)直接突破經(jīng)典理論上限13000倍。

而在咱們37℃的身體里，馬肝乙醇脫氫酶催化酒精代謝時(shí)，量子隧穿更是常規(guī)操作，甚至改變酶的活性位點(diǎn)，就能調(diào)控隧穿的強(qiáng)弱。

你發(fā)現(xiàn)沒，量子隧穿的應(yīng)用早就滲透到生活里了。

咱們常用的閃存驅(qū)動(dòng)器，核心原理就是電子隧穿；醫(yī)院里精準(zhǔn)檢測磁場的儀器，還有觀察原子級結(jié)構(gòu)的掃描隧道顯微鏡，都是靠量子隧穿吃飯的。

就連太陽核心的核聚變，溫度只有1200萬度，遠(yuǎn)不夠讓氫原子核克服斥力相撞，正是量子隧穿讓質(zhì)子“穿墻而過”，才讓太陽溫和燃燒百億年，給地球帶來光和熱。

量子隧穿看著神奇，但不是無跡可尋，兩大經(jīng)典理論就像兩把鑰匙，幫咱們揭開了它的奧秘。

第一把就是1955年哈蒙德提出的哈蒙德假說，這位科學(xué)家在《美國化學(xué)會志》上發(fā)表論文，核心觀點(diǎn)特別簡單：反應(yīng)中能量接近的兩個(gè)狀態(tài)，結(jié)構(gòu)肯定也差不遠(yuǎn)。

我跟你講，這個(gè)假說用生活例子一解釋就懂。

就像劈柴，木質(zhì)松脆的（對應(yīng)放熱反應(yīng)），斧子剛楔進(jìn)去一點(diǎn)就裂了，這個(gè)“發(fā)力點(diǎn)”就是“早期過渡態(tài)”，和原料的結(jié)構(gòu)很像；要是木質(zhì)致密（對應(yīng)吸熱反應(yīng)），得把斧子劈到底才會斷，這個(gè)“發(fā)力點(diǎn)”就是“晚期過渡態(tài)”，更像產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)。

舉個(gè)例子，鹵代烴的溶劑解反應(yīng)，形成叔碳離子時(shí)放熱多，過渡態(tài)就靠近原料；形成仲碳離子時(shí)吸熱多，過渡態(tài)就靠近產(chǎn)物。

正是這個(gè)假說，讓化學(xué)家不用搞復(fù)雜計(jì)算，憑著反應(yīng)是放熱還是吸熱，就能猜到關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)。

直到現(xiàn)在，就算有了能精準(zhǔn)計(jì)算的Gaussian程序，科學(xué)家猜測過渡態(tài)結(jié)構(gòu)時(shí)，還得靠哈蒙德假說指路。

另一把鑰匙是馬庫斯理論。

1992年諾獎(jiǎng)得主馬庫斯提出一個(gè)反常識的觀點(diǎn)：電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)里，反應(yīng)速率和驅(qū)動(dòng)力不是越猛越快，而是先快后慢，這就是“反轉(zhuǎn)區(qū)”現(xiàn)象，就像跑步，適度發(fā)力跑得更快，但使勁過猛反而會減速。

這個(gè)看似奇怪的理論，1984年被實(shí)驗(yàn)實(shí)打?qū)嵶C實(shí)了。

科學(xué)家把電子供體和受體固定在剛性分子骨架上，控制它們的距離，然后改變反應(yīng)驅(qū)動(dòng)力，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)驅(qū)動(dòng)力超過臨界值后，反應(yīng)速率真的開始下降。

這個(gè)理論不僅解釋了電池充放電、植物光合作用的電子轉(zhuǎn)移，還為量子隧穿研究提供了重要參考。

更讓人敬佩的是，如今102歲的馬庫斯還沒退休，近五年發(fā)表了十余篇論文，成為在世最年長的諾獎(jiǎng)得主。

他當(dāng)年領(lǐng)獎(jiǎng)時(shí)還調(diào)侃，沒想到自己的理論能受到這么多關(guān)注，其實(shí)他更想安安靜靜做研究。

正是這種執(zhí)著，讓經(jīng)典理論至今還在支撐著前沿科學(xué)的發(fā)展。

隨著技術(shù)進(jìn)步，量子隧穿的研究還在不斷打破咱們的認(rèn)知。

以前大家都覺得，只有氫、電子這種輕原子才能發(fā)生隧穿，重原子根本沒機(jī)會。

但2024年復(fù)旦大學(xué)周鳴飛團(tuán)隊(duì)的研究，直接推翻了這個(gè)固有印象。

他們在研究鈹臭氧化物的閉環(huán)反應(yīng)時(shí)發(fā)現(xiàn)，四個(gè)氧原子居然能協(xié)同隧穿。

就算在3K（-270℃）的極低溫下，這個(gè)反應(yīng)也能自發(fā)進(jìn)行，反應(yīng)速率和溫度幾乎沒關(guān)系，還出現(xiàn)了異常大的同位素效應(yīng)。

這個(gè)發(fā)現(xiàn)說明，重原子也能玩隧穿，為低溫化學(xué)反應(yīng)機(jī)理研究開辟了新方向。

2025年5月，塞格德大學(xué)和華中科技大學(xué)的合作研究更有意思。

他們研究氟離子和甲基碘的反應(yīng)時(shí)發(fā)現(xiàn)，質(zhì)子（輕氫同位素）的反應(yīng)行為完全偏離經(jīng)典預(yù)測，而氘（重氫同位素）卻中規(guī)中矩。

量子動(dòng)力學(xué)模擬證實(shí)，這就是輕同位素更易隧穿導(dǎo)致的，就像小孩比大人更容易鉆過柵欄，輕原子隧穿的概率就是更高。

還有2023年《自然》雜志刊登的實(shí)驗(yàn)，科學(xué)家在離子阱里讓氘離子和氫分子反應(yīng)，因?yàn)闇囟忍?，粒子根本沒有足夠能量按常規(guī)方式反應(yīng)。

但每千億次碰撞中，還是有一次能發(fā)生反應(yīng)，這正是量子隧穿的功勞。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)首次精準(zhǔn)驗(yàn)證了化學(xué)反應(yīng)中隧穿效應(yīng)的理論模型，讓咱們對隧穿的理解更深入。

現(xiàn)在的計(jì)算化學(xué)越來越強(qiáng)大，Gaussian程序里的伯尼算法能精準(zhǔn)搜索反應(yīng)過渡態(tài)，但最初的結(jié)構(gòu)猜測，依然離不開哈蒙德假說的指導(dǎo)。

就像2025年諾獎(jiǎng)的宏觀隧穿，看似和化學(xué)里的微觀隧穿天差地別，本質(zhì)上都是量子世界的基本規(guī)律在起作用。

這些新發(fā)現(xiàn)不斷告訴我們，量子隧穿的潛力還沒被完全挖掘，未來還有更多驚喜等著咱們。

量子隧穿從來不是實(shí)驗(yàn)室里的高冷玩意兒，而是藏在生活里的小魔法。

它能在-266℃的超導(dǎo)電路里創(chuàng)造奇跡，也能在37℃的人體肝臟里默默工作；能讓量子計(jì)算機(jī)飛速運(yùn)算，也能讓太陽持續(xù)發(fā)光發(fā)熱。

從哈蒙德假說的樸素猜想，到馬庫斯理論的精準(zhǔn)預(yù)測，再到2025年諾獎(jiǎng)的宏觀突破，科學(xué)的進(jìn)步就是不斷打破“不可能”。

其實(shí)世界的真相往往很有趣，那些看似高深的理論，早就悄悄融入了柴米油鹽，只要咱們保持好奇，就能發(fā)現(xiàn)更多藏在身邊的科學(xué)奧秘。