大家好，今天和大家聊一聊量子隧穿。

量子隧穿是在微觀粒子世界中一種獨特的量子現象，之所以稱它是一種特有的量子現象，是因為量子隧穿在巨集觀世界是不可能觀察到的，在物體上實現量子隧穿的機率無限接近於零。

量子隧穿

舉個例子，我們前面有一堵2米高的牆，如果我們想要翻越這堵牆，直接衝過去是不可能的，肯定會落得個鼻青臉腫的下場。

我們可以選擇使用梯子來翻越這堵牆，不過使用梯子就要克服重力做功，耗費多餘的能量。

不過對於微觀粒子來說，想要翻閱這堵2米高的牆，就不一定需要梯子這種工具，因為微觀粒子有一種特殊的性質，當微觀粒子面對位勢壘時（可以理解為牆），即使位勢壘的能量要大於微觀粒子的能量，微觀粒子也有一定的機率直接穿越位勢壘，就像科幻電影中的穿牆術一樣，十分神奇。

但微觀粒子的“穿牆術”也不是百試百靈的，微觀粒子只是有機率能夠穿越高能量的位勢壘。

微觀粒子能夠實現量子隧穿的概率，可以通過薛定諤一維方程計算得出，如下圖

變形後得到

通過薛定諤一維方程，我們可知，

位勢壘能量越高，或者位勢壘厚度越大，粒子實現量子隧穿的概率就越低

粒子的總能量越高，實現量子隧穿的概率就越高，兩者呈現指數關係

不過這裡需要強調的是，如果粒子的總能量大於位勢壘的總能量，那麼粒子就會直接“越過”位勢壘，而不是穿過。

氨分子的特殊結構

氨是一種十分常見的分子，從分子結構上來講，氨是由一個氮原子和三個氫原子構成的，這種分子結構很特殊，三個氫原子圍繞著一個氮原子以不同平面的形式展開的，這種結構類似雨傘，所以這種分子結構是很堅固、穩定的。如果我們想要逆轉氨分子的結構，從巨集觀力學說，就需要極大的能量才能改變其分子結構。

如何能夠使用簡單的方式來逆轉氨堅固的分子結構呢？量子隧穿或者是使用高能量之外另一條便捷的方法

首先來說，由於氨分子是傘狀結構，具有高度的對稱性，根據量子力學的不確定性原理，氨分子很有可能自發性的進行量子隧穿，進行分子結構的反轉，不過這種隧穿的時間是不可預見的，所以在沒有進行觀察之前，氨分子就是同時處於正常結構與逆結構的疊加態，這種情況可以參考薛定諤的貓。

雖然量子隧穿是一種概率的隨機事件，但是也並非是不可控制的，通過薛定諤方程我們可知，位勢壘的能量越高，粒子實現量子隧穿的概率就越低，所需要的時間也就越長。

那麼如何控制氨分子的量子隧穿效應呢？我們可以增加位勢壘的能量來降低量子隧穿的概率。

國外化學家曾經做過這樣一個實驗，將兩個相鄰的氨分子上施加高達2億伏特的電場，兩個氨分子就處於超強電場的電極之上，因為兩個氨分子之間只有幾百奈米的距離，所以這個高達2億伏特的超強電場會在氨分子之間形成一個能量極高的位勢壘。

由於氨分子之間的位勢壘能量很高，所以氨分子量子隧穿的概率、時間就會變成很低、很長，這個實驗可以證明施加強電場可以一定程度上抑制正常結構和逆結構之間的隧穿，換一種思路：利用強電場也可以誘導粒子的量子隧穿快速發生。

量子隧穿的意義

目前我們對於量子隧穿的了解並不是很多，所以能利用電場來控制分子發生量子隧穿的種類也是很少的，除了氨分子及一些惰性氣體之外，很多分子在宇宙長達一百多億年的時間內都不會發生量子隧穿，但這並不意味著研究量子隧穿是無意義的。

如果我們能夠通過這種方法來人為的控制量子隧穿，或者誘導量子隧穿現象的發生，那麼將極大的推動分子結構學與分子動力學的發展，雖然神奇的穿牆術並不是在巨集觀物體上實現，但這也會對於科技及生產力起到巨大的推動作用。