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根据量子隧穿效应,有人总想穿越墙壁,成功的概率有多大?

本文基于回答网友问题:根据量子力学理论,一个人撞墙,有多大概率能穿过去?

我可以很负责很干脆地告诉你:零概率。

量子力学描述的现象只发生在量子领域

所谓量子领域就是微观领域,量子力学理论只在描述微观粒子世界的现象时有效,这些现象在宏观世界不存在。

这个微观有多小呢,主要在亚原子层面,就是比原子还小的层面。一根绣花针的针尖直径约10μm(微米),也就是约0.000001cm^2,这似乎已经很小了,但对于量子来说,还是巨大无比的宏观物质。原子直径约10^-12cm,视面积约10^-24cm,这样,就可以在一个针尖上排列100亿亿个原子。

而亚原子则比原子小多了,也就是中子、质子、电子等,这些亚原子直径都在10^-17cm以下,因此一个针尖上就可以排列10000亿亿亿个。量子隧穿效应主要发生在这种人类无法看见的亚原子或原子层面,最大也只能在某些分子(如水分子)层面,到针尖这么大就完全不可能了,更别说达到人这种级别的宏观现象了。

所以奉劝有这种幻想的人,别去尝试。因为你撞多少次都会碰得头破血流,撞得越重死得越快,除非这堵墙是豆腐做的。

量子遂川效应是怎么回事

引起许多人幻想能够穿越墙壁,从而可以做许多随心所欲事情的理论,是一些人对量子力学量子隧穿效应理论的错误理解。

所谓量子隧穿效应,是指像电子这样的微观粒子能够穿入或穿越位势垒的量子行为。位势垒是一个复杂的概念,要说清楚就要涉及一系列函数方程等许多知识(下图只是一点点),这里就不讨论了。

通俗地说,量子隧穿效应就是微观粒子可以跳过看似不可能逾越的高墙,这堵墙就是原本不可以突破的位势垒。在经典力学,也就是我们宏观世界这本来是不可能的事情,但在量子世界,这个粒子就有越过这堵高墙的概率。注意,这里也只是概率,并非绝对。

所谓位势垒,并不是真正的墙或隔断之类的可见物质,而是能量。就如原子里的粒子会被原子核的能量束缚,逻辑上必须有超强能量才能够跳出原子核能量位势。因此,按照经典力学理解,这些粒子是逃不脱原子核位势的。

但α衰变过程,α粒子从原子核中射出,并不需要大于原子核位势的能量。这种现象只能用量子力学的不确定性原理和波函数来解释。

这个理论建立后,科学界更好地揭示了恒星内部的核聚变、放射性衰变、天体化学、量子生物学里的一些现象,促进了科学研究的深入。科学家们还根据量子隧穿效应理论,研制出了扫描隧道显微镜,两位发明者格尔德・宾宁和海因里希・罗雷尔,以及电子显微镜发明者恩斯特・鲁斯卡共同分享了1986年诺贝尔物理学奖。

量子世界有许多奇异现象都只能发生在微观层面

量子理论里最著名的理论有不确定性原理和波函数坍塌。

不确定性原理又叫测不准定律,是海森堡于1927年提出。这个理论的核心内容,就是人们不可能同时知道一个粒子的位置和它的速度,因为粒子位置不确定性必然大于或等于普朗克常数除以4π,公式为ΔxΔp≥h/4π。

这个理论表明微观世界的粒子行为与宏观世界物质运动完全不一样。在我们宏观世界,对于汽车、飞机,甚至宇宙飞船,都能够同时知道它的位置和速度,因此用经典物理学就很难理解。

波函数塌缩是指某些量子力学体系内部与外界发生作用后,波函数会发生改变,变为其中一个本征态,或若干个具有相同本征值的本征态线性组合现象。这句话怎么理解呢?其实这也是量子测不准原理的一个延伸,就是说量子测量会改变量子行为,由波状态转为粒子态,而且观测结果具有不确定性。

对量子力学里面的一些奇异现象,不要说吃瓜群众不理解,就连量子力学开山鼻祖之一的爱因斯坦和创立量子力学波动方程(薛定谔方程)的薛定谔也很迷惑,曾经在上世纪与哥本哈根派(其理论被称为哥本哈根诠释,后来被确认为正统量子力学理论)进行了半个世纪的论战,最终败下阵来。

其中最著名的一个例子就是思维实验“薛定谔的猫”

这只可怜的“猫”是薛定谔凭空创造出来的,他的构想是:在一个密闭的盒子里,有一只猫,这只猫随时处于危险中,因为在盒子里放有一瓶毒气,毒气瓶上有一个足以砸碎瓶子的铁锤,这个铁锤受放射性元素衰变控制,谁也不知道这个元素什么时候衰变。

这只猫有两个结果:其一,只要元素发生衰变,这个铁锤就会落下,被打碎瓶子里的毒气溢出,猫必死无疑;其二,元素没有发生衰变,这只猫一直活着。

问题是:这只猫到底是死了还是活着呢?

根据经典力学的理论,这只猫的结果有两种,而且很明确,即不是死了,就是活着。但由于盒子密闭着,外面的人在没打开盒子前,谁也不知道猫的死活,只有打开盒子,才确切知道这只猫是死了还是活着,两者必有其一。

但量子力学根据不确定性原理和波函数坍塌理论,认为这只猫在没有打开盒子前,一直是处于又死又活的叠加态,不存在死了或活着的一种状态。只有在打开盒子那一刹那,观测使波函数坍缩,这只猫就从波的叠加态塌缩成本征态,也就是或者死了,或者活着。

两者的争议的焦点是:经典力学认为,在盒子没有打开前,这只猫已经死了或者活着,打开了盒子才能够知道结果;量子力学却认为,既知道打开盒子前,也知道打开盒子后的状态,猫的死活是在打开盒子那一刹那决定的,在没有打开盒子前,猫处于又死又活的叠加态。

好,我们现在按照平时吃喝拉撒的宏观常识,支持哪种说法呢?当然是经典力学的方法了,量子力学的说法不是神经病说胡话吗?好,祝贺你,你的想法与爱因斯坦和薛定谔这些大师级科学家如出一辙。

薛定谔弄这个思想实验,就是想讽刺量子力学那些支持诡异现象的理论。但后来的事实证明,在量子世界那只猫真的就是这样,没打开盒子前又死又活的魔幻潇洒着,这些诡异现象在量子世界就是真实存在。

裁判这次争论对错的是著名的贝尔不等式实验,这个实验证实了哥本哈根诠释的可靠性,而且得到了科学界的普遍承认,由此哥本哈根诠释成为量子力学的正宗理论。(有关贝尔不等式,过去已经说过,今天就不扯了)

量子力学理论和爱因斯坦相对论相结合,才能够更精准地认识我们这个世界,这已经成为今天科学界的共识。现在,量子力学理论正在各个科学研究领域和技术应用领域发挥着重要作用,推动人类文明向更高层次发展。

量子力学理论解释了量子世界许多诡异现象,薛定谔的猫是这样,量子隧穿效应也是这样,还有量子纠缠、退相干等等诡异现象也是如此,但这些都只是发生在量子层面的现象,不能用宏观现实世界的逻辑去验证。

过去爱因斯坦和薛定谔等科学家们与哥本哈根派的论战,是那个时代的科学之争,现在这些理论已经成为常识,还要去牵强附会,甚至与神鬼玄说勾连起来,就是愚昧了。你说呢?欢迎讨论,感谢阅读。

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