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徐伟忠1周前
聊聊量子世界的“作弊规则”——量子隧穿 穿墙术真的存在?聊聊量子世界的“作弊规则”——量子隧穿 你有没有想过,一只小球如果没有足够的力气,永远撞不开一面墙;但在微观世界里,粒子却能像“穿墙而过”一样,轻松越过看似无法逾越的能量壁垒。这种违背宏观常识的神奇现象,就是量子物理中大名鼎鼎的量子隧穿。 要理解量子隧穿,得先打破我们对“粒子”的固有认知。在宏观世界里,一颗子弹、一个足球,都有确定的位置和速度,就像你能精准预判抛出的篮球会落在哪里。但到了电子、质子这类微观粒子的世界,它们更像一团“概率云”——你无法同时确定粒子的准确位置和速度,只能计算它出现在某个区域的概率,这就是量子力学的核心特性之一:不确定性原理。 而量子隧穿的关键,就藏在这团“概率云”里。假设一个粒子面前有一道“能量墙”(物理学中叫“势垒”),从经典物理角度看,只要粒子的能量低于势垒高度,就像一个人跳不过2米高的栏杆,永远无法越过这道墙。但在量子世界里,粒子的“概率云”不会被势垒完全挡住,它会像水渗透海绵一样,部分“渗”到势垒的另一侧。这就意味着,哪怕粒子能量不够,也有一定概率直接出现在墙的另一边——就像凭空“隧穿”了墙壁,因此得名“量子隧穿”。 这种听起来像科幻的现象,其实时刻在我们身边发生。比如太阳发光的核心机制——核聚变,氢原子核要克服彼此间的静电斥力才能融合成氦核,而太阳内部的温度和压力,按理说不足以让氢核拥有越过斥力势垒的能量。正是量子隧穿效应,让氢核有概率“穿过”斥力墙,完成聚变反应,才让太阳持续发光发热,滋养地球生命。 在技术领域,量子隧穿更是现代科技的“隐形功臣”。我们手机里的闪存芯片,就是利用电子的量子隧穿效应工作:当施加电压时,电子能隧穿进存储单元的绝缘层,记录信息;需要删除时,再让电子隧穿出绝缘层。此外,医院里常用的PET扫描仪,其探测原理也依赖量子隧穿——放射性核素衰变时,质子通过隧穿效应转化为中子,释放出正电子,最终被仪器捕捉成像,帮助医生诊断疾病。 不过,量子隧穿并非“无懈可击”。粒子隧穿的概率,会随着势垒的高度增加、厚度变厚而急剧下降。这也是为什么我们从未见过宏观物体(比如杯子、汽车)发生隧穿——宏观物体由无数粒子组成,所有粒子同时隧穿的概率低到几乎为零,低到从宇宙诞生到现在,都未必能发生一次。 #徐伟忠
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