最近一期文章我講解了“量子擦除實驗”的神奇之處，說的就是微觀粒子的路徑信息和幹涉條紋不可同時獲取，同一時刻隻能獲取其中一個。量子力學神奇之處還遠遠不止這些，今天我就來談談量子力學裡面的另外一個神奇實驗：量子隧穿效應。

這個到底是啥現象呢，其實這要從量子力學的不确定性原理說起，所謂“不确定性”原理是哥本哈根學派的代表人物海森堡提出的，意思是你無法同時精确測量一個微觀粒子的位置和動量，但是你卻可以先測量位置等測量精确了，再去測量動量，或者順序反過來也可以，隻不過先測啥會決定最終的測量結果，也就是順序颠倒會導緻兩次測量結果不一緻，這在數學上就表現為兩個矩陣相乘不滿足交換律。

但是這個不确定性原理還有一個衍生品，那就是微觀粒子屬性有很多，自旋、動量、位置、時間、能量等等，所以不僅僅位置和動量具有這種“魚和熊掌不可兼得”的特性，還有其它物理量也具有這個特性，比如能量和時間。

這這麼說呢，其實準确的表達方式和剛剛表達位置與動量關系的表達方式是相同的，也就是說哥本哈根學派也認為面對一個微觀粒子，你無法同時精确測量出它的時間和能量。

我們把這種不能同時精确，同一時刻隻能測準其中一個的這種物理量叫做：互補物理量，也就是波爾提出的“互補原理”，這個互補原理意思是說微觀世界很多東西都是不可兼得，同時隻能精确其中一個，一個精确了另一個不精确，一個出現了另一個就消失。比如最近寫的“量子擦除實驗”就體現了這點，因為這個實驗說明微觀粒子的路徑信息和幹涉條紋不可兼得。

但是剛剛對“不确定性原理”隻是一個定性的描述，如果想用定量的方式來描述的話，就可以表達為：

位置不确定度*動量不确定度>=某一個固定值

時間不确定度*能量不确定度>=某一個固定值

這裡的某個固定值其實就包含普朗克常數，這個在前面的文章中已經做了講解，這裡就不再闡述了。

有了以上的知識我們就可以談“量子隧穿效應”了，假設有這樣一個場景，一個微觀物體正在往右邊走，突然右邊出現了一個類似我們宏觀物體的山峰這種“障礙物”，要越過這個山峰這個微觀物體的能量必須大于這個微觀物體處于山峰最高處的重力勢能才行，因為根據能量守恒，微觀物體“爬山”過程中的能量會一點一點轉化為重力勢能，我們可以算出微觀物體處于最高處需要多少重力勢能，就可以計算出這個微觀物體一共需要多少能量才能翻過這座“山”。

按照宏觀世界的理解，這個物體隻要能量<物體處于最高處的重力勢能，那麼物體肯定翻不過去，這是毫無疑問的，否則能量就不守恒了，因為你以一個很小的能量居然翻過了這座山，這就意味着你在山峰最高處時能量已經大于最開始剛爬山的能量，你相當于無中生有創造出了多餘的能量，然而這是不可能的。

但是放到微觀世界就不一樣了，微觀世界雖然也有勢能的概念，但是由于存在“時間”和“能量”的不确定性，那麼我們完全可以利用這個特性讓一個能量不夠大的微觀粒子“翻過”這座大山。具體怎麼做呢，首先讓微觀粒子具有一定的能量，然後讓這座障礙物變得非常薄，就好像一個薄片一樣，但是要求這個障礙物的高度必須保持很高，這樣就可以保證微觀粒子在傳統經典的能量守恒條件下無法直接“翻越”這個障礙物。

這裡為啥要把障礙物做的很薄呢，因為我們知道翻越障礙物是需要花費時間的，根據不等式：時間不确定度*能量不确定度>=某一個固定值，所以我們隻需把時間弄得很小很确定，那能量必然會出現巨大的不确定度。所以我們障礙物隻要很薄就可以做到時間很小很确定，那麼就給予了能量的巨大不确定性。雖然最開始微觀粒子的能量很小，不足以翻越這個障礙物，但是在翻越障礙物的瞬間由于能量不确定度突然變大很大，所以能量值會再原來的基礎之上突然做上下波動，很可能在某一個瞬間能量突然變為原來的幾千倍，一下子就足以翻越這個障礙物了。

當然翻越障礙物後微觀粒子不可能一直都擁有這麼大的能量，當時間不确定度再次變大後，能量不确定度又會降下來，所以能量的波動振幅變小，能量又回到了以前的很小值，但是總體上來說，微觀粒子就成功翻越了這個自己不能翻越的障礙物。

但是剛剛的現象實現中真的存在嗎？大家是不是以為我在講科幻片，哈哈，其實還真不是科幻片，因為就有這個現象發生在太陽附近，太陽周圍會發生核聚變，但是太陽的能量本身其實不足以克服核子的庫侖力發生這個聚變，但是由于時間不确定度很小導緻能量不确定度突然增大，所以太陽能量不夠沒關系，一樣可以在某個瞬間使得能量很高從而觸發核聚變。

但是要注意，這種不确定原理帶來的能量突然增大，并不違反能量守恒，雖然在某一瞬間微觀粒子能量增大了，但是這個能量本身很可能也是來源于空間，也就是說微觀粒子的能量也不是無端勝有創造出來的，而是某處的能量轉到過來的，這一點大家要注意。

同時還有一點要說明，我們的宇宙誕生有很多理論來解釋，其中一種就是“不确定性原理”，因為當時間極度短比較确定時，能量不确定度會突變增大，我們的真空本來沒啥能量的，但是在某一瞬間能量極度增大從而就誕生出了宇宙，這也就是所謂“真空漲落”，所以有一句話搞笑的話叫做“宇宙也許是上帝給我們的一個免費的午餐”。我是《小彭來給您解惑》，如果喜歡我的文章可以關注我，如果對有異議可以留言評論。

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