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第 3 课:2015 年挑战——物理 量子隧穿 EPR悖论 概念 量子隧穿效应属于量子力学的研究领域,量子力学研究在量子尺度所发生的事件。设想一个运动中的粒子遭遇到一个位势垒,试图从位势垒的一边(区域 A)移动到另一边(区域 C),这可以被类比为一个圆球试图滚动过一座小山。量子力学与经典力学对于这问题给出不同的解答。经典力学预测,假若粒子所具有的能量低于位势垒的位势,则这粒子绝对无法从区域 A移动到区域 C。量子力学不同地预测,这粒子可以概率性地从区域 A穿越到区域 C。 不确定性原理 初步看来,量子隧穿问题似乎是个佯谬,但是使用能量-时间不确定性原理可以合理解释这问题。假设粒子的原本能量为E,位势垒的位势为V,而E<V,则粒子无法经典地从区域 A移动到区域 C。根据能量-时间不确定性原理 在量子力学里,量子隧穿效应(Quantum tunneling effect)指的是,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。在经典力学里,这是不可能发生的,但使用量子力学理论却可以给出合理解释。 量子隧穿效应是太阳核聚变所倚赖的机制。量子隧穿效应限制了太阳燃烧的速率,是太阳聚变循环的瓶颈,因此维持太阳的长久寿命。许多现代器件的运作都倚赖这效应。例如,隧道二极管、场致发射、约瑟夫森结、磁隧道结等等。扫描隧道显微镜、原子钟也应用到量子隧穿效应。量子隧穿理论也被应用在半导体物理学、超导体物理学等其它领域。 至2017年为止,由于对于量子隧穿效应在半导体、超导体等领域的研究或应用,已有5位物理学者获得诺贝尔物理学奖。 反物质(Antimatter)在粒子物理学中是反粒子概念的延伸,反物质是由反粒子构成的,如同普通物质是由普通粒子所构成的。例如一颗反质子和一颗反电子(正电子)能形成一个反氢原子,如同电子和质子形成一般物质的氢原子。此外,物质与反物质的结合,会如同粒子与反粒子结合一般,导致两者湮灭,且因而释放出高能光子(伽马射线)或是其他能量较低的正反粒子对。正反物质湮灭所造成的粒子,赋予的动能等同于原始正反物质对的动能,加上原物质静止质量与生成粒子静质量的差,后者通常占大部分。(爱因斯坦相对论指出,质量与能量是等价的。) 反物质无法在自然界找到,仅有稍纵即逝的少量存在(例如因放射衰变或宇宙射线等现象)。这是由于反物质若非存在于像物理实验室的人工环境下 #职业规划#生活技能#反物质#量子隧穿#EPR悖论
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