
最近,2025年諾貝爾獎陸續揭曉。其中本年度諾貝爾物理學獎被授予John Clarke、Michel H.Devoret、John M.Martinis三位量子物理學家,以表彰他們發現了宏觀量子隧穿效應和電路中的能量量子化,而今年也恰好是“量子力學”一詞誕生100年。
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簡單來說,量子隧穿效應是指,微觀粒子有一定概率穿越高于自身能量的勢壘的現象。
感覺有點兒混亂?讓我們先從了解“量子”是什么開始。
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[奧] 弗洛里安·艾格納|著
邢伊丹|譯
未讀·探索家|出品
01
粒子和波,從基礎講起
說到“粒子”,我們會想到什么?也許是類似沙粒的東西,或者是一顆西紅柿。我們用力把西紅柿一個接一個地扔到墻上,墻上就會出現一大片紅色的印跡。
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我們在談到“波”時,想到的是和粒子完全不同的東西。平靜的水面可能會因為投下一顆石子而失去平衡——這時就會產生水波。音樂廳里平靜的空氣可能會因為臺上有人開始唱歌而失去平衡——這時就會產生聲波。
波的運動方式與“粒子”完全不同。波不會在某一特定時間只出現在某一特定地點,而是會在某一特定時間覆蓋不同的地方。波還有一個在根本上區別于粒子的重要特性:可以與其他波疊加。也就是說,兩個波可以同時停留在一個地方,可以毫無阻力地相互穿透,并結合成一個整體。此外波還會與自身重疊。
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然而,只有波才具有這種特性。一個被踢到墻上反彈的足球永遠不會與自身重疊,如果你在停車時試圖把自己的汽車疊加到另一輛汽車上,它們不會疊加成一輛更復雜的汽車,而是都被送進維修廠。
這就是經典物理學中粒子的圖景。在宏觀世界,也就是牛頓構筑的經典力學世界里,一個東西不可能既是粒子又是波。但在微觀世界,量子就是一個“既要又要”的存在,它既擁有粒子的特性,又擁有波的性質。這是一切的前提。
02
量子隧穿效應和“穿墻術”
《聊齋志異》里有個有趣的故事,講的是一位名叫王七的書生,聽聞嶗山有仙人,便上山求道。好不容易從嶗山道士那兒學會了穿墻術,回家向妻子炫耀時,卻一頭撞在墻上,鬧了笑話。小時候看這個故事,只當是奇幻的想象,一笑而過。
量子力學告訴我們,這看似荒誕的“穿墻術”,在微觀世界里是真實存在的。
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想象一個有起伏的小球軌道。我們放開小球,它就從坡頂滾下來,速度越來越快,它在軌道底部的動能最大。然后,小球滾上坡,速度減慢。假設軌道完美無瑕,不會產生任何摩擦力,小球就會繼續向上滾動,能到達的最高點與起點完全相同。如果坡頂比小球的起點高,小球就永遠無法越過這個坡道,因為為了到達坡頂,小球擁有的能量必須比它可支配的能量多。因此坡頂是小球的禁區,它不可能到達那里。
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但如果將小球換成量子呢?量子既有粒子的性質,又有波的性質,而波可以穿透障礙物——至少是以弱化的形式。如果我們沿著一個微小的軌道發射量子波,也會發生類似的情況:量子波會像小球一樣向坡頂攀升。但如果坡足夠狹窄,量子波就能穿透山坡并從另一側射出,好像有一條“隧道”從山丘的一邊通向另一邊。
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當量子波撞擊障礙物時,它會被分成兩部分:一部分被反射;另一部分穿透障礙物,從另一側射出。這兩部分的大小取決于障礙物的形狀和大小。然而,我們無法預測量子位于障礙物的哪一側——結果純屬偶然。
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03
為什么我們不能穿墻,以及為什么我們可以擼貓
組成人體的微粒——電子、原子、分子——都是量子,它們既是波又是粒子,那么我們為什么不能穿墻?為什么在擁擠的火車里我們不能坐在已經有人的座位上?
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這里涉及另一位諾貝爾物理學獎得主的理論。沃爾夫岡·泡利,這位理論物理天才,實驗物理“殺手”,在1925年,也就是25歲時便提出了量子領域的重要原理——泡利不相容。
簡單來說:當我們觸摸某些東西時,電子一定會相互接觸。然而,根據泡利不相容,它們不可能處于相同的狀態(比如相同的位置、相同的能量)。因此當你試圖將電子推到同一個地方時,它們就會相互抵觸。這種效應與帶電粒子的斥力相結合,使物質變得堅不可摧。當我們撞墻、與人握手或擼貓時,泡利不相容原理都發揮著重要作用。
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04
概率波——量子世界的“后門”
然而,量子世界確實為我們留下了一線“希望”。如果你對量子物理有更深入的了解,你會知道,在宏觀層面,物質表現出粒子特性還是波動特性是具有一定概率的。
那么,只要我們不斷嘗試,是不是有可能在極少數情況下實現穿墻而過?
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從理論上講,這并非完全不可能。但如果你計算一下這種情況發生的概率,就會發現這樣的嘗試毫無意義:一方面,目標物體越大,隧穿效應的成功概率就越低——而我們比微觀粒子大得多;另一方面,障礙物越厚,成功概率就越低——一堵墻比原子核中的能量勢壘厚得多。單純從數學角度來看,人類穿墻而過的概率低得幾乎可以忽略不計。
即使我們不停地嘗試,直到太陽或地球消亡,我們也沒有一點兒機會穿墻而過。
因此,當你發現丟了鑰匙時,無論你多么了解量子物理學,都最好找鎖匠來解決問題。
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-本期話題-
大膽預言,你覺得穿墻術可以實現嗎?
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撰文|333
編輯|泰若克塔
封面|《蟻人2》
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