微观世界神奇的量子隧穿效应,为何它在宏观世界永远不可能发生?

量子科普

发布时间: 18-12-2015:06

欢迎收看量子科普第132期,今天和大家聊一聊量子隧穿效应

在讲量子力学中的量子隧穿效应之前,大家和我一起想象一下这样一个画面:在我们面前有一座很高的山挡住了前进的路,但是因为我们之前已经走了很久的路,所以我们已经没有力气去翻越这座山,而且我们也无法绕过这座山,在这种情况下,如果这座高山的两端有一条贯通的隧道,那么我们就可以通过隧道继续前行,但是如果我们面前的这座高山没有这条隧道呢?我们能够穿越致密的山体,来到高山的另一端吗?

穿越山体这种情况显然是是不能实现的,除非是智商不正常的人,否则我相信也不会有人去尝试,所以说这种现象在宏观世界中是不可能发生的,在宏观世界中也找不到任何一条规律去推导这种现象发生的可能性,但是在微观量子世界,这种现象又是十分常见的事情,量子力学将它命名为:量子隧穿。

量子隧穿的定义是:像电子等微观粒子能够穿入或穿越位势垒的量子行为,尽管位势垒的高度大于粒子的总能量,我们可以把位势垒理解成电子前面一座高山,当电子的总能量小于位势垒的高度时,也就是电子没有力气翻越位势垒时,电子竟然可以直接穿入或者穿透位势垒,这在宏观世界中是难以想象的,这就好像我们不用开门,就可以直接穿越墙壁、走出去一样荒唐。

虽然量子隧穿效应看起来很神奇,但是必须要强调一点,由于一切微观粒子具有不确定性,导致微观世界的构成并不是基于实质,而是基于概率,所以量子隧穿效应的发生也是一种概率事件,如果微观粒子前面的位势垒长度、宽度过长,那么绝大多数的粒子还是会被反弹回去,还有一种情况就是:如果微观粒子的总能量大于位势垒的高度的话,那么微观就不会穿透位势垒,而是跳跃过位势垒。

虽然量子隧穿看起来十分深奥,但是量子隧穿在某些领域还是有一些应用的,例如太阳系中的恒星与第二代核武器氢弹,众所周知,恒星燃烧与氢弹爆炸都是核聚变现象,即质量小的原子,在超高温的条件下,两个原子核互相吸引发生原子核互相聚合作用,进而形成质量更重的原子核,但是两个原子核之间的互斥力是十分强大的,要想使两个原子核聚合到一起,就要克服库仑位势垒,尽管原子核的总能量小于库仑位势垒的高度,但正是因为量子隧穿效应,才使核聚变得以产生。

讲到这里,大家应该对于量子隧穿效有一些了解了,或许有的读者会提出这样的问题:为何在微观世界很常见的现象,在宏观世界却变成了不可能的事情呢?

虽然量子隧穿效应在微观世界十分常见,但是它是一个概率事件,它只能发生于微观量子世界,一旦将微观量子效应的适用范围扩大到整个宏观世界,那么一切微观量子效应就都可以忽略不计了,量子力学在宏观世界并不适用,宏观世界还是被经典力学与相对论统治着。

如果有其他的意见与建议,欢迎在下方留言、评论,对于量子力学感兴趣的读者可以私信我,一起探讨、学习!

举报/反馈