“量子力学是所有数字技术的基础。”2025年10月7日，瑞典皇家科学院宣布将诺贝尔物理学奖授予约翰·克拉克、米歇尔·H·德沃雷和约翰·M·马蒂尼斯三位物理学家，以表彰他们在电路中实现宏观量子力学隧穿效应和能量量子化方面的贡献。

值得一提的是，2025年恰逢量子力学诞生100周年。

物理的魅力

1885年，瑞士中学教师巴尔默发现氢原子光谱的规律时，恐怕不会想到，这个发现会引发一场物理学革命。当时，物理学家已经知道原子是由原子核和电子组成的，但无法解释为什么电子在绕核转动时不会发出连续的光，而是只发出特定频率的光。

针对这个问题，1913年，丹麦科学家玻尔提出一个大胆的设想：电子只能在特定轨道上运动，不会像经典物理预测的那样最终坠入原子核。初期，玻尔的模型取得了成功，尤其是对氢原子的解释相当漂亮。但随着科学的发展，这个模型逐渐显现局限性。

3年后，另一位科学家索末菲对玻尔模型进行了改进，引入了椭圆轨道概念，使模型更加精细。这就是“玻尔—索末菲”模型，后来被称为旧量子论的核心。然而，这个模型在解释更复杂的原子时遇到了困难，在多电子原子面前束手无策。

1920年秋，量子力学的主人公之一沃纳·海森堡进入慕尼黑大学，师从索末菲。有趣的是，索末菲最初给他的课题是湍流问题。但海森堡的兴趣早已转向量子理论，于是他转到哥廷根大学，成为玻尔的助手。

海森堡在研究中发现，电子轨道的概念本身可能就有问题，于是他摒弃了传统的电子轨道概念，决定发展一种全新的理论。在他的矩阵力学理论中，电子不再被视为沿轨道运动的粒子，这是与经典力学的彻底决裂。

与此同时，另一位物理学家薛定谔从不同角度审视量子问题。他受到德布罗意“物质波”思想的启发，思考如果光可以既表现为波又表现为粒子，那么电子为什么不能也是一种波？

1926年，薛定谔写下了著名的薛定谔方程，用“波函数ψ”描述粒子状态。这个方程成为量子力学的第二种形式，是“波动力学”的核心。有趣的是，尽管矩阵力学和波动力学从完全不同的起点出发，但很快被证明是等价的。

至此，量子力学正式登上历史舞台。

比肩“薛定谔的猫”

长期以来，量子力学似乎只适用于微观世界。一只猫要么生要么死，怎么可能同时处于生与死的叠加状态？薛定谔在1935年提出的这个著名思想实验，意在揭示量子理论在宏观世界的“不存在”。但2025年诺贝尔物理学奖的三位得主，恰恰在宏观尺度上验证了这种“荒谬”的量子行为。

他们的突破始于20世纪80年代中期。克拉克、德沃雷和马蒂尼斯合作设计了一系列精巧实验，研究由超导体构成的电路。在这种电路中，超导元件被一层极薄的非导电材料隔开，形成一个势垒。

在经典物理学中，一个物体如果缺乏足够的能量，是无法越过势垒的，如同一个小球没有足够的动能就无法翻越高山一样。然而在量子世界，粒子却可以像掌握了“穿墙术”一般，以一定概率“隧穿”而过。三位科学家的非凡之处在于，他们成功在宏观电路中观测到了这种量子隧穿现象。

更引人注目的是，他们还证明这个宏观系统的能量是量子化的，即能量只能以特定大小的份额吸收或发射，就像人只能站在楼梯台阶上，而不能悬浮在台阶之间。这些量子行为在由大量粒子组成的宏观系统中被直接观测到，颠覆了人们对量子效应仅存在于微观世界的传统认知。

正因如此，理论物理学家安东尼·莱格特才将这一宏观量子系统与“薛定谔的猫”思想实验相提并论。薛定谔曾用“生死叠加的猫”来揭示量子特性的荒谬性，因为量子特性通常无法在宏观尺度上被观测。而三位科学家则证实了的确存在由大量粒子构成却依然遵循量子力学规律的宏观系统。尽管该系统的尺度仍远小于一只猫，但由于实验直接测量了其整体的量子性质，所以它在量子物理学领域具有与“薛定谔的猫”同等的概念重要性。

新时代的门

曾经只存在于科幻小说中的量子技术，如今正悄然走进人们的现实生活。基于这些技术，科学家正在开发三大量子技术：量子密码学、量子计算机和量子传感器。

量子计算机拥有解决传统计算机无法企及的复杂问题的能力，它犹如一支拥有超强协作能力的侦察队，能同时探索所有可能的路径，并瞬间找到正确答案。量子通信则是在原理上可以提供一种不能破解、不能窃听的信息安全传输方式。想象一下，如果有人试图窃听，通信双方会立即察觉，因为量子的特性确保了任何窃听行为都会留下痕迹。这种通信方式就像是使用一种“自毁信封”，任何未经授权的打开尝试都会导致信息消失。而量子传感器能以前所未有的精度测量物理量。比如，一种基于量子原理的传感器，可以测量出像一片雪花落在手掌上的重量这样微小的力。

在更广阔的意义上，量子力学正在重塑人类对世界的认知方式。在这个奇妙的世界里，必然性成了随机性的特殊表现，而确定性则是不确定性的特殊表现。如今，这种观念变革已深入哲学领域，动摇着传统的实在观和因果观。

在量子领域中，主体与客体不再截然分开。观察者本身就是系统的一部分，这一点与社会科学的观点惊人地相似——研究者既是社会的观察者，又是社会的实践者。量子力学的奇妙之处也在于此，它邀请人类以全新的方式思考现实本身的性质。

量子理论的发展远未结束。科学家预测，到2035年，量子技术市场规模将达万亿美元级，量子算法将改写城市交通基因，量子通信将构建一个即时、无界、高度安全的信息互联网络。这些看似遥远的未来技术，即将悄然出现在生活中。

从一百多年前在物理学家激烈辩论中破土而出的思想火花，到今天悄然渗透各行各业的技术浪潮，量子科学已走过一个世纪的探索历程。我们正站在一场深刻变革的起点，未来之门已经开启，门后是一个由量子重新定义的全新世界。