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量子力学,完全不按“套路”出牌,与我们日常生活经验完全相悖,这也是为什么科学家至今也没能弄明白量子力学的主要原因。

量子力学太诡异了,那里的一切都是不确定的,都只能用概率来描述。简单来讲,在没有观测之前,量子世界里的微观粒子都是波,而一旦实施了观测,微观粒子瞬间会坍缩为粒子,物理学上称为“波函数坍缩”。

总之就是,不确定性是量子力学的核心,在没有观测之前,量子世界里的一切都是不确定的,可以通俗理解为,都是波,表现出波的特性。

而波的特性意味着,微观粒子其实无处不在,它们甚至可以深处宇宙的每个角落,甚至同时出现在两个不同的地方,而当我们想要观测微观粒子到底在哪里时,就会看到它们在某个特定的位置出现。

而物理学家德布罗意更是提出了物质波的概念,认为我们每天看到的宏观物体其实也具有波的特性,也具有波长,只不过宏观物体由于质量和速度相对太大了,所以波长非常短,只能体现为粒子特性,也就是确定性。

但从理论上分析,由于宏观物体确实有波的特性,所以你我都有很小的几率同时出现在两个不同的地方,比如说此刻的你在家里,但也有可能在月球上或其他任何地方。只是这种可能性非常小罢了。

但是对于微观粒子来讲,可能性就很大了,它们的位置是不确定的,可以同时出现在两个不同的地方。

这种不确定性就会带来很多诡异现象,其中之一就是量子隧穿效应。如何理解量子隧穿效应?

可以用宏观世界的例子来通俗理解。比如说,你面前有一堵10米高的墙,以你的能力,你最多只能徒手翻越一堵3米高的墙,那么,“3米高的墙”就是你的“能量势垒”,一旦超过这个能量势垒,无论如何你都不可能翻越过去。

在微观世界,同样存在这样的“能量势垒”,比如说原子核中的核子,也就是质子和中子被强核力牢牢地束缚在一起,虽然质子和中子都有能量,但它们的能量远远无法直接摆脱强核力的束缚。因为强核力的束缚能远超质子和中子的能量,所以,理论上质子和中子永远不会摆脱强核力的束缚。

但是,刚才说了,量子世界很诡异,我们不能用宏观世界的眼光去看待量子世界。量子世界的本质是不确定性,这意味着微观粒子的位置和速度都是不确定的,它们在没有被观测的时候,完全就是波,可以出现在任何地方。

这就意味着,微观粒子有一定几率直接翻越“能量势垒”,最终瞬间来到“不可能到达”的地方,就像瞬移一样,就像你面对一堵10米高的墙,虽然不能直接翻越过去,但有一定几率直接穿墙而过。

这就是量子隧穿效应,用我们宏观世界理解就是“瞬移”。只是量子隧穿效应发生的概率很低,而且,“能量势垒”越大,发生的概率就越低。

但是,由于微观粒子的数量非常庞大,无论概率有多低,最终发生量子隧穿效应的绝对数量还是很庞大的。

实际上,像我们的太阳这样的恒星,之所以会发生核聚变,不仅仅是因为核心的高温高压,也要感谢量子隧穿效应的存在,没有这个效应,太阳就不可能发生核聚变。

为什么会这样?

因为虽然太阳核心温度高达1500万度,其实这个温度远不能引发核聚变,需要更高的温度才可以。那么为什么太阳仍旧发生了核聚变呢?

刚才说了,微观粒子有一定概率能够突破“能量势垒”的束缚,瞬间穿越到能量势垒的另一边,这就意味着,虽然1500万度的温度达不到核聚变的条件,但仍有一部分微观粒子突破限制完成核聚变,虽然这种情况发生的概率很低,但别忘了太阳核心有无数个自由粒子,即便概率很低,但最终引发核聚变的粒子数量也是很庞大的。

纯理论分析,由于你我自身都是由微观粒子构成的,所以我们都有一定概率直接“穿墙而过”,只是这种概率实在太低了,需要极其漫长的时间才可能出现一次,时间如此漫长,以至于宇宙从诞生开始到今天,也不能发生一次。

还有人可能会质疑,量子隧穿效应不是超光速了吗?

看起来确实超光速了,但是就算是超光速,又怎么样呢?量子世界的行为本来就不能用经典物理去解释,所谓的“光速限制”也只是相对论体系下的一种表现而已,而相对论统治的只是宏观世界,而统治微观世界的是量子力学!

原文链接:https://www.toutiao.com/article/7223244420152361524

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