神秘的“量子隧穿效应”,为什么说没有了它,生命将是不可能的?

悟空科学世界

发布时间:19-06-2116:27

量子隧穿效应是物理学家研究的最有趣的事情之一。

想象一个,把网球打在墙上。一般而言,网球会从墙面上弹开。然而,由于量子世界的奇异性,从技术上讲,存在一个统计学上的概率,即:球将位于墙壁的另一侧或者甚至嵌入墙壁本身。

当然,在这里,我们并不是说球会穿过墙,至少不能这样说。

在宏观层面上,会发生什么?

在宏观层面上,如果出现了奇怪的量子隧穿效应,那么在球接近墙壁时可能会突然消失,然后立即出现在墙壁的另一侧,而墙本身和球将处于理想状态。当然,这种情况发生的可能性是非常小的。然而,从概率上讲,理论上它是有可能的。

为什么?其原因在于量子世界的概率本质。正如海森堡的不确定性原理所证明的那样,粒子的位置和动量是不能同时被知道的。例如,如果你知道一个电子的位置,那么你就不知道它的速度;如果你知道它的速度,那么你就不可能知道它在空间中的位置。正因为如此,所以概率被用来“猜测”一个粒子在某一特定时间点的位置。这些概率创造了所谓的“概率云”。

概率云和量子隧穿效应

从图中我们可以看出,电子出现在“云”中心的概率要比出现在周围的概率大。然而,尽管电子出现在“云”边缘的概率非常小,但并不能排除电子出现在边缘的可能性。

量子隧道效应是指粒子(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,那么我们会认为,粒子将无法克服它。事实上,在大多数情况下也确实如此。然而,每一个电子都有可能会表现出完全出乎意料的行为。也就是说,在极少数情况下,电子会出现在势垒的另一侧。

这怎么可能?

由于电子的概率性质,当电子接近势垒的时候,可以在势垒的另一侧检测到电子。

当一个电子出现在势垒的另一侧时,这就意味着发生了量子隧穿效应。从技术上讲,电子并不能穿过势垒,奇怪的是,在发生量子隧穿效应时,电子并不存在,它是瞬间发生的。这样,电子就能瞬间克服高能障碍。

恒星和量子隧穿效应

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,它对地球上的生命是重要的。由于量子隧穿效应,太阳和所有已知的恒星都能发光。

作为核聚变的结果,太阳释放了光和热。两个带正电的原子核相互碰撞形成一个新的元素,在这个过程中,光子就会被释放出来。然而,问题是,由于两个原子核都带正电荷,它们是互相排斥的,就像同性磁铁一样。这就意味着,原子核必须克服能量屏障,并合并。但是,我们知道,太阳中的原子核并没有足够的能量来克服这一障碍。因此,唯一可能做到这一点的方法就是发生了量子隧穿效应。

奇怪的是,量子隧穿也会产生不利影响。从量子理论的角度考虑生命系统,量子生物学认为,DNA的突变可以在一个叫做质子隧穿的过程中发生。

如果DNA在量子隧穿的过程中复制的话,那么就有可能发生突变。当然,还有其他一些因量子隧道效应而引起的突变,根据一些科学家的说法,这种情况会导致癌症。

奇怪的是,让太阳发光以及提供的光和热,也可能是自然界中万物老化、退化和死亡的原因。然而,如果没有量子隧穿效应的话,那么我们所知道的生命将是不可能的。

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