随着对量子隧穿效应的研究，“穿墙术”将真的实现吗？
星球上的科学2020-06-08 21:56
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在量子力学中有个著名的不确定性原理，是由哥本哈根学派的代表人物海森堡提出的，意思是你无法同时精确测量一个微观粒子的位置和动量，但是却可以先精确测量好位置，再去测量动量，当然顺序可以颠倒，不过先测什么会决定最终的测量结果，也可以说顺序的先后会导致两次测量结果不一致，而不确定性原理还有衍生品，比如动量、位置、时间、能量等等。
明白了这个知识我们就可以谈“量子隧穿效应”了，量子隧穿效应在物理学中，是物理学家们研究的最有趣的现象之一，那什么是量子隧穿效应？
量子隧穿效应
在经典力学中，当一个运动的物体遇到一个障碍物的时候，它就需要从障碍物的顶部翻过去才可以通过，而这个现象从能量的角度来说，这个运动的物体如果具备的能量低于障碍物顶部的势能，那么这个物体就无法通过障碍物。
然而在量子力学中，这样的理解却是错误的，如果把这个运动的物体换成量子世界里的微观粒子，那么会发现在自身能量不足的情况下，这种微观粒子是有一定的概率直接穿过这个障碍物的。
这样一来，我们就会发现在自身能量不足的情况下，微观粒子依然有一定的概率直接穿过障碍物，并且随着科学家们的研究发现量子世界中的微观粒子不但具有“不确定性”，而且还具有“波粒二象性”，并且为了正确地描述微观粒子，奥地利物理学家埃尔温.薛定谔提出了著名的薛定谔方程，它可以让我们人类能够正确地了解到这个微观系统的性质。
通过解这个方程我们可以得出当量子波遇到“势垒”的时候，虽然其振幅将会指数级地下降，但在“势垒”另一侧的振幅却会有一定的概率不为零，这就意味着，微观粒子有一定的概率直接“穿墙而过”。
总的来说，量子隧道效应就是指粒子（如电子）瞬间穿过一个屏障的能力，如果存在一个比电子能量更高的势垒，并正接近壁垒，那么我们通常会直观的认为粒子肯定将无法克服它，虽然事实上在大多数情况下确实如此，但是每一个电子都有可能会表现出完全出乎意料的行为，这也就是说在极少数情况下，电子很有可能会出现在“势垒”的另一侧。
量子隧穿效应是如何被提出的
对于量子隧穿效应的首次提出是在居里夫妇研究钋和镭的放射性的时候，发现一个的问题。
就拿最常见的α衰变来说，众所周知，原子核内存在着强相互作用力，它的作用就是将组成原子核的质子和中子紧紧地束缚在一起，这就意味着，在原子核内存在着一种由强相互作用力打造的“势垒”，在原子核内的微观粒子必须要有足够的能量才可以从原子核跑出去，但实际情况却是α衰变所产生的α粒子根本就没有足够的能量就可以从原子核里跑出来，而这个问题困惑了许多的科学家。
直到20世纪，经过科学家们对于量子力学的探究发现，量子世界中的微观粒子不但具有“不确定性”，而且还具有“波粒二象性”，随后在1927年弗里德里希·洪德在研究分子光谱的时候，对双阱位势的案例研究发现，偶对称量子态与奇对称量子态会因为量子叠加而形成非定常波包，也可以理解为粒子会从其中一个阱穿越过中间障碍到另外一个阱，然后又穿越回来，这是首次发现量子隧穿效应的案例，这个发现让很多科学家震惊不已。
后来在1928年，美国物理学家伽莫夫发表了一篇论文，在论文中他用量子隧穿效应来解释原子核的阿尔法衰变，与此同时的另外两个科学家也对阿尔法衰变进行了独立的理论解释，他们在薛定谔方程的基础上，发现了粒子的隧穿概率。
然后在1962年布赖恩·约瑟夫森发布了理论预测，认为超电流可以穿越过两个超导体之间的一薄层绝缘氧化物所制成的位势障碍，并表示这种现象是由于成对电子（库柏对）的穿越作用。
直到2016年才有了一个大的突破，橡树岭国家实验室的研究团队在实验中观测到了水分子的隧穿效应。
量子隧穿效应有哪些应用呢？
了解完量子隧穿效应我们得到最直观的概念就是“穿墙术”，想象一个，把网球打在墙上，在正常情况下网球会从墙面上弹开，然而从量子力学的技术上讲，存在一个统计学上的概率，也就是球将位于墙壁的另一侧或者甚至嵌入墙壁本身，如果我们通过科技手段，将这个物体缩小到基本粒子的大小，那么这个粒子会再也没有阻碍，可以随意穿过任何一个地方。
因此，当我们的技术可以实现体内所有的原子、电子等物质同时发生隧穿现象，那么我们就可以实现“穿墙术”了。
虽然这听起来可能是一个非常奇怪甚至是不可能的事件，但实际上的量子隧穿效应在地球上是具有重要意义的。正是因为量子隧穿效应，太阳等恒星才能发光。
太阳由于核聚变释放了光和热，在其内部两个带正电的原子核相互碰撞形成一个新的元素，就是在这个过程中，光子会被释放了出来，但由于两个原子核都带正电荷，它们是互相排斥的，于是原子核必须克服能量屏障才会达到合并，不过在太阳中的原子核并没有足够的能量来克服这一障碍，而想要实现这个过程唯一的解释就是发生了量子隧穿效应。
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