或許是量子世界最詭異的現象,沒有它就沒有如今的一切!
量子力學,完全不按“套路”出牌,與我們日常生活經驗完全相悖,這也是爲什麼科學家至今也沒能弄明白量子力學的主要原因。
量子力學太詭異了,那裡的一切都是不確定的,都只能用概率來描述。簡單來講,在沒有觀測之前,量子世界裡的微觀粒子都是波,而一旦實施了觀測,微觀粒子瞬間會坍縮爲粒子,物理學上稱爲“波函數坍縮”。
總之就是,不確定性是量子力學的核心,在沒有觀測之前,量子世界裡的一切都是不確定的,可以通俗理解爲,都是波,表現出波的特性。
而波的特性意味着,微觀粒子其實無處不在,它們甚至可以深處宇宙的每個角落,甚至同時出現在兩個不同的地方,而當我們想要觀測微觀粒子到底在哪裡時,就會看到它們在某個特定的位置出現。
而物理學家德布羅意更是提出了物質波的概念,認爲我們每天看到的宏觀物體其實也具有波的特性,也具有波長,只不過宏觀物體由於質量和速度相對太大了,所以波長非常短,只能體現爲粒子特性,也就是確定性。
但從理論上分析,由於宏觀物體確實有波的特性,所以你我都有很小的機率同時出現在兩個不同的地方,比如說此刻的你在家裡,但也有可能在月球上或其他任何地方。只是這種可能性非常小罷了。
但是對於微觀粒子來講,可能性就很大了,它們的位置是不確定的,可以同時出現在兩個不同的地方。
這種不確定性就會帶來很多詭異現象,其中之一就是量子隧穿效應。如何理解量子隧穿效應?
可以用宏觀世界的例子來通俗理解。比如說,你面前有一堵10米高的牆,以你的能力,你最多隻能徒手翻越一堵3米高的牆,那麼,“3米高的牆”就是你的“能量勢壘”,一旦超過這個能量勢壘,無論如何你都不可能翻越過去。
在微觀世界,同樣存在這樣的“能量勢壘”,比如說原子核中的核子,也就是質子和中子被強核力牢牢地束縛在一起,雖然質子和中子都有能量,但它們的能量遠遠無法直接擺脫強核力的束縛。因爲強核力的束縛能遠超質子和中子的能量,所以,理論上質子和中子永遠不會擺脫強核力的束縛。
但是,剛纔說了,量子世界很詭異,我們不能用宏觀世界的眼光去看待量子世界。量子世界的本質是不確定性,這意味着微觀粒子的位置和速度都是不確定的,它們在沒有被觀測的時候,完全就是波,可以出現在任何地方。
這就意味着,微觀粒子有一定機率直接翻越“能量勢壘”,最終瞬間來到“不可能到達”的地方,就像瞬移一樣,就像你面對一堵10米高的牆,雖然不能直接翻越過去,但有一定機率直接穿牆而過。
這就是量子隧穿效應,用我們宏觀世界理解就是“瞬移”。只是量子隧穿效應發生的概率很低,而且,“能量勢壘”越大,發生的概率就越低。
但是,由於微觀粒子的數量非常龐大,無論概率有多低,最終發生量子隧穿效應的絕對數量還是很龐大的。
實際上,像我們的太陽這樣的恆星,之所以會發生核聚變,不僅僅是因爲核心的高溫高壓,也要感謝量子隧穿效應的存在,沒有這個效應,太陽就不可能發生核聚變。
爲什麼會這樣?
因爲雖然太陽核心溫度高達1500萬度,其實這個溫度遠不能引發核聚變,需要更高的溫度纔可以。那麼爲什麼太陽仍舊發生了核聚變呢?
剛纔說了,微觀粒子有一定概率能夠突破“能量勢壘”的束縛,瞬間穿越到能量勢壘的另一邊,這就意味着,雖然1500萬度的溫度達不到核聚變的條件,但仍有一部分微觀粒子突破限制完成核聚變,雖然這種情況發生的概率很低,但別忘了太陽核心有無數個自由粒子,即便概率很低,但最終引發核聚變的粒子數量也是很龐大的。
純理論分析,由於你我自身都是由微觀粒子構成的,所以我們都有一定概率直接“穿牆而過”,只是這種概率實在太低了,需要極其漫長的時間纔可能出現一次,時間如此漫長,以至於宇宙從誕生開始到今天,也不能發生一次。
還有人可能會質疑,量子隧穿效應不是超光速了嗎?
看起來確實超光速了,但是就算是超光速,又怎麼樣呢?量子世界的行爲本來就不能用經典物理去解釋,所謂的“光速限制”也只是相對論體系下的一種表現而已,而相對論統治的只是宏觀世界,而統治微觀世界的是量子力學!