【專欄】對今年諾貝爾物理獎的省思

今年諾貝爾物理學獎由克拉克（John Clarke）、德沃雷（Michel H. Devoret）和馬丁尼斯（John M. Martinis）等三位學者共同獲得。其研究「在約瑟夫森接面的電路中發現宏觀量子穿隧與能量量子化現象」，被視為讓量子力學從理論邁入實用，奠定了量子力學在現今世界廣泛應用的基礎。https://www.storm.mg/article/11072491

約瑟夫森效應（Josephson effect）是一種橫跨約瑟夫森接面的超電流現象。約瑟夫森接面由二個互相微弱連接的超導體組成，而這個微弱連結的組成結構可以是一個薄的絕緣層（稱為超導體–絕緣體–超導體接面，簡稱S-I-S）。

約瑟夫森效應是巨觀量子效應的一種體現。它以英國物理學家布賴恩·約瑟夫森命名，這位物理學家在1962年提出了弱連結上的電流與電壓關係式。當時被認為是「超短路」（super-shorts）或者是絕緣層的破損導致超導體之間電子的傳遞。

在約瑟夫森之前，人們僅知非超導狀態的電子可以藉由量子穿隧效應流過絕緣層。約瑟夫森首次預測了超導狀態下庫柏對的穿隧現象，也因此獲得了1973年諾貝爾物理學獎。約瑟夫森接面在量子線路當中有許多重要應用，例如超導量子干涉儀、超導量子計算以及快速單磁通量子數位電子設備等。

今年這三位物理學家運用約瑟夫森接面（Josephson junction）的實驗，證明在溫度極低的超導態中，波函數有一定機率穿透位能障礙（potential barrier)，且不只發生在單一電子，宏觀下相連的古柏對（cooper pairs）波函數亦是。

在量子世界中有兩個非常重要的現象，一是「穿隧現象」，指的是粒子能夠穿越障礙；另一個是「量子化」，意指粒子的能階並非連續，而是分散的。當年，三人的研究團隊透過一系列實驗，發現這兩種量子的現象在宏觀世界中也能量測到。

穿隧效應也發展出很多應用，最早、最直接的應用是在醫療檢測方面，如超導干涉儀是磁振造影（ＭＲＩ）的重要組件，可以用來量測非常微弱的磁場變化，以進行影像偵測。而量子電腦最早的啟發，也是運用超導做量子位元。三位科學家所提出的宏觀量子現象，讓ＩＢＭ在四十年前就開始所謂「超導量子電腦」的研究。

量子力學與相對論是20世紀初的兩大近代科學，前者影響半導體科技的發展，後者影響我們的宇宙觀；前者可以解釋電磁力、強力與弱力的現象與關聯性，後者可以解釋重力，遺憾的是，這四種力無法統一。

奇特的是，以上四種力只有弱力的宇稱不守恆。當年楊振寧與李政道獲得諾貝爾物理獎的主題是有關弱力宇稱不守恆的問題，好在他們有實驗物理學家吳健雄幫他們做實驗證實，他們才能獲得諾貝爾物理獎。

歐美國家的學生，並沒有像亞洲國家學生一樣，有激烈的升學壓力，卻最常獲得諾貝爾科學獎，原因在於，他們從小有哲學教育，以啟發而非填鴨方式教育他們，值得我們省思。