最近，2025年諾貝爾獎(jiǎng)陸續(xù)揭曉。其中本年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)被授予John Clarke、Michel H.Devoret、John M.Martinis三位量子物理學(xué)家，以表彰他們發(fā)現(xiàn)了宏觀量子隧穿效應(yīng)和電路中的能量量子化，而今年也恰好是“量子力學(xué)”一詞誕生100年。

簡(jiǎn)單來(lái)說，量子隧穿效應(yīng)是指，微觀粒子有一定概率穿越高于自身能量的勢(shì)壘的現(xiàn)象。

感覺有點(diǎn)兒混亂？讓我們先從了解“量子”是什么開始。

[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(chǔ)講起

說到“粒子”，我們會(huì)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(gè)接一個(gè)地扔到墻上，墻上就會(huì)出現(xiàn)一大片紅色的印跡。

我們?cè)谡劦?strong>“波”時(shí)，想到的是和粒子完全不同的東西。平靜的水面可能會(huì)因?yàn)橥断乱活w石子而失去平衡——這時(shí)就會(huì)產(chǎn)生水波。音樂廳里平靜的空氣可能會(huì)因?yàn)榕_(tái)上有人開始唱歌而失去平衡——這時(shí)就會(huì)產(chǎn)生聲波。

波的運(yùn)動(dòng)方式與“粒子”完全不同。波不會(huì)在某一特定時(shí)間只出現(xiàn)在某一特定地點(diǎn)，而是會(huì)在某一特定時(shí)間覆蓋不同的地方。波還有一個(gè)在根本上區(qū)別于粒子的重要特性：可以與其他波疊加。也就是說，兩個(gè)波可以同時(shí)停留在一個(gè)地方，可以毫無(wú)阻力地相互穿透，并結(jié)合成一個(gè)整體。此外波還會(huì)與自身重疊。

然而，只有波才具有這種特性。一個(gè)被踢到墻上反彈的足球永遠(yuǎn)不會(huì)與自身重疊，如果你在停車時(shí)試圖把自己的汽車疊加到另一輛汽車上，它們不會(huì)疊加成一輛更復(fù)雜的汽車，而是都被送進(jìn)維修廠。

這就是經(jīng)典物理學(xué)中粒子的圖景。在宏觀世界，也就是牛頓構(gòu)筑的經(jīng)典力學(xué)世界里，一個(gè)東西不可能既是粒子又是波。但在微觀世界，量子就是一個(gè)“既要又要”的存在，它既擁有粒子的特性，又擁有波的性質(zhì)。這是一切的前提。

02

量子隧穿效應(yīng)和“穿墻術(shù)”

《聊齋志異》里有個(gè)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(xué)會(huì)了穿墻術(shù)，回家向妻子炫耀時(shí)，卻一頭撞在墻上，鬧了笑話。小時(shí)候看這個(gè)故事，只當(dāng)是奇幻的想象，一笑而過。

量子力學(xué)告訴我們，這看似荒誕的“穿墻術(shù)”，在微觀世界里是真實(shí)存在的。

想象一個(gè)有起伏的小球軌道。我們放開小球，它就從坡頂滾下來(lái)，速度越來(lái)越快，它在軌道底部的動(dòng)能最大。然后，小球滾上坡，速度減慢。假設(shè)軌道完美無(wú)瑕，不會(huì)產(chǎn)生任何摩擦力，小球就會(huì)繼續(xù)向上滾動(dòng)，能到達(dá)的最高點(diǎn)與起點(diǎn)完全相同。如果坡頂比小球的起點(diǎn)高，小球就永遠(yuǎn)無(wú)法越過這個(gè)坡道，因?yàn)闉榱说竭_(dá)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(qū)，它不可能到達(dá)那里。

但如果將小球換成量子呢？量子既有粒子的性質(zhì)，又有波的性質(zhì)，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(gè)微小的軌道發(fā)射量子波，也會(huì)發(fā)生類似的情況：量子波會(huì)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(cè)射出，好像有一條“隧道”從山丘的一邊通向另一邊。

當(dāng)量子波撞擊障礙物時(shí)，它會(huì)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(cè)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(wú)法預(yù)測(cè)量子位于障礙物的哪一側(cè)——結(jié)果純屬偶然。

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?！娮?、原子、分子——都是量子，它們既是波又是粒子，那么我們?yōu)槭裁床荒艽?？為什么在擁擠的火車?yán)镂覀儾荒茏谝呀?jīng)有人的座位上？

這里涉及另一位諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主的理論。沃爾夫?qū)づ堇@位理論物理天才，實(shí)驗(yàn)物理“殺手”，在1925年，也就是25歲時(shí)便提出了量子領(lǐng)域的重要原理——泡利不相容。

簡(jiǎn)單來(lái)說：當(dāng)我們觸摸某些東西時(shí)，電子一定會(huì)相互接觸。然而，根據(jù)泡利不相容，它們不可能處于相同的狀態(tài)（比如相同的位置、相同的能量）。因此當(dāng)你試圖將電子推到同一個(gè)地方時(shí)，它們就會(huì)相互抵觸。這種效應(yīng)與帶電粒子的斥力相結(jié)合，使物質(zhì)變得堅(jiān)不可摧。當(dāng)我們撞墻、與人握手或擼貓時(shí)，泡利不相容原理都發(fā)揮著重要作用。

04

概率波——量子世界的“后門”

然而，量子世界確實(shí)為我們留下了一線“希望”。如果你對(duì)量子物理有更深入的了解，你會(huì)知道，在宏觀層面，物質(zhì)表現(xiàn)出粒子特性還是波動(dòng)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(shù)情況下實(shí)現(xiàn)穿墻而過？

從理論上講，這并非完全不可能。但如果你計(jì)算一下這種情況發(fā)生的概率，就會(huì)發(fā)現(xiàn)這樣的嘗試毫無(wú)意義：一方面，目標(biāo)物體越大，隧穿效應(yīng)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(shì)壘厚得多。單純從數(shù)學(xué)角度來(lái)看，人類穿墻而過的概率低得幾乎可以忽略不計(jì)。

即使我們不停地嘗試，直到太陽(yáng)或地球消亡，我們也沒有一點(diǎn)兒機(jī)會(huì)穿墻而過。

因此，當(dāng)你發(fā)現(xiàn)丟了鑰匙時(shí)，無(wú)論你多么了解量子物理學(xué)，都最好找鎖匠來(lái)解決問題。

-本期話題-

大膽預(yù)言，你覺得穿墻術(shù)可以實(shí)現(xiàn)嗎？

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撰文｜333

編輯｜泰若克塔

封面｜《蟻人2》

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