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  • 1 # 刁博

    一個人最高能夠翻過2米高的牆,如果他被困在牆高3米的院子裡,這個人不可能翻牆而出到達院子外。這個例子可以簡化為一個物理模型,把人看做一個粒子,四周的牆是勢壘,如果勢壘高於粒子的能量,從經典力學的角度看粒子不可能翻越勢壘到達外面。

    不過微觀世界的情況並不是這樣,在微觀世界中經典力學讓位於量子力學,描述粒子狀態的波函式可以擴充套件到整個空間。如果是微觀粒子被一個高於其能量的勢壘攔著,透過計算可以知道波函式在勢壘另一側並不為零,意思是粒子有一定的機率穿過勢壘。這就是量子力學中的隧道效應。

    太陽上進行著核聚變反應,太陽上核聚變反應的第一步是將兩個質子(氫原子核)融合為氘核。這一步是很難完成的,主要是因為質子和質子之間存在強大的庫倫斥力,使得兩個質子難以靠近。透過計算可知,太陽上能夠完成核聚變反應就是因為質子依靠隧道效應越過了勢壘。

    隧道效應也在技術領域有了應用。約瑟夫森效應就是一種宏觀的隧道效應,在兩塊超導金屬之間夾著很薄的一片絕緣層,電子就可以依靠隧道效應穿過絕緣層。約瑟夫森效應已經在精密測量中有了廣泛應用。

    可以把人看作是一個質量為幾十千克的粒子,這樣人撞牆的時候也會像粒子一樣存在穿牆而過的可能。由於人的質量遠遠大於粒子的質量,人穿牆而過的可能性要比粒子小太多太多,但無論如何,計算顯示人這個粒子出現在勢壘另一側的機率是不為零的。初學量子力學時就能夠做到一些習題,比如讓你計算停在車庫裡的車穿牆進入客廳的可能性。現實中不會看到宏觀物體發生隧道效應,是因為這個機率實在是太低太低了。

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