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徐伟忠6天前
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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2025诺贝尔物理学奖——宏观量子隧穿 2025年的诺贝尔物理学奖,颁给了三位让"量子穿墙术"在肉眼可见的世界里成真的科学家。他们的成就,打破了量子现象只存在于微观世界的认知边界。 想象一下,你面前有一堵坚固的墙,一个小球滚过来,按照常理它会被墙挡住反弹回去。但在量子世界里,这个小球有可能直接"穿墙而过",就像墙根本不存在一样,这就是量子隧穿效应。过去,科学家们认为这种神奇的现象只会发生在电子、原子这样的微观粒子身上。 然而三位获奖者在包含数十亿个电子的宏观电路中,观测到了量子隧穿现象。这就好比不是让一个小球穿墙,而是让一辆装满货物的大卡车穿墙而过。 他们的实验平台叫做超导量子干涉器,简称SQUID。这个装置的核心是约瑟夫森结——可以把它想象成一个特殊的三明治:两片超导体面包,中间夹着一层极薄的绝缘体。在超导状态下,电子会两两配对形成"库珀对",它们像舞伴一样手拉手前进。 神奇的是,即使中间有绝缘层这堵"墙",库珀对也能通过量子隧穿穿越过去。更重要的是,当整个系统被困在一个能量"山谷"里时,它不需要翻过能量的高山,而是直接从山底隧穿到另一侧,产生了可以测量的宏观电压变化。 在1984年和1985年的实验中,三位科学家分别证实了这个宏观量子隧穿效应的存在。这不仅验证了量子力学在大尺度上依然有效,更为后来的量子计算机发展奠定了基础。 今天的量子计算机,很多就是基于这种超导量子比特工作的。可以说,这三位科学家用严谨的实验,把量子世界的魔法带到了人类可以直接操控的尺度上,开启了量子科技的新纪元。#量子力学
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陈德宪1周前
2025年诺贝尔物理学奖的启示:量子技术如何重塑生活 2025年诺贝尔物理学奖表彰了三位科学家在宏观量子隧穿领域的突破性贡献,他们将微观量子现象带入可工程化的电路系统,开启了量子技术的新纪元。这一发现不仅验证了量子隧穿在宏观世界的可行性,还为未来生活带来革命性变革。 量子隧穿的核心突破 现象本质:量子隧穿允许粒子穿越看似不可逾越的能量障碍,在极低温环境下(接近绝对零度)实现于电路元件中。 技术基础:科学家使用超导约瑟夫森结结构,创造出“人工原子”,使量子行为如纠缠、叠加态在宏观系统中可测量和控制。 关键意义:这证明了量子效应不是理论幻想,而是可被工程化的现实,为量子计算、传感和通信铺平道路。 未来生活的实际应用场景 量子计算:加速问题解决 日常影响:量子计算机能在叠加态中同时处理数据,指数级提升计算速度。例如: 医疗领域:快速模拟药物分子结构,加速新药研发,治疗癌症等疾病时间缩短90%。 交通优化:实时分析城市交通流,减少拥堵,提升出行效率。 实用建议:企业可投资量子算法开发,个人关注量子安全加密工具,保护隐私。 量子通信:增强信息安全 变革点:量子纠缠实现不可破解的通信,确保数据传输绝对安全。 应用实例:银行和电商平台采用量子加密,防止黑客攻击;家庭网络更可靠,避免数据泄露。 行动指南:消费者选择量子增强的通信服务,政府推动量子网络基础设施建设。 量子传感:提升测量精度 生活益处:高灵敏度传感器用于医疗和环境监测。 健康管理:可穿戴设备实时检测身体微变化,预警疾病;环境传感器精准监测污染,改善空气质量。 实用步骤:个人使用量子传感健康设备,企业开发低成本量子传感器普及市场。 哲学与社会的深远影响 人类角色转变:从被动观察者变为主动参与者,量子技术让人类“制造规律”,而非仅理解自然。 未来挑战:噪声抑制和规模化仍是难题,需持续研发。 生活启示:量子模糊性提醒我们,现实并非绝对可预测,鼓励开放思维和创新精神。 展望未来:量子技术将渗透日常生活,从智能家居到全球通信,创造一个更高效、安全的世界。拥抱这一变革,需投资教育、支持科研
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