在中国古老的传说中,穿墙术是一种常见的法术,经常出现在魔术表演中,比如大卫·科波菲尔曾经表演过的穿越长城的魔术。然而,在现实生活中,人类是无法实现穿墙术的,魔术中的穿墙术只是视觉错觉。但在微观世界里,粒子确实能够实现穿墙术,这是由于量子隧穿效应的存在。
举个例子,假设一个人在赶路,前方有一座大山阻挡了他的去路。在经典物理中,人需要绕过山才能到达山的另一边。但是对于粒子来说,它可以直接穿过大山,即使它的能量不足,也有可能穿过大山的势垒。这就是粒子的穿墙术——量子隧穿效应。
1896年,法国物理学家贝克勒尔发现了铀的放射性,随后居里夫妇对此进行了深入研究。他们发现,在α衰变过程中,重原子核会放射出α粒子,即氦原子核。在经典物理中,原子核的核子之间是通过强核力相互连接的,核子怎么可能逃逸出来呢?随着量子力学的建立,海森堡的不确定性原理和德布罗意波粒二象性的确定,1927年,弗里德里希·洪德在计算双势阱的基态问题时首次发现了量子隧穿现象。
1928年,乔治·伽莫夫正确地用量子隧穿效应解释了原子核的α衰变。在经典力学中,粒子被牢牢地束缚在原子核内,因为它需要巨大的能量才能逃出原子核的强势能场。然而,在量子力学中,粒子不需要拥有比势能还强的能量,就可以穿过势垒,因此逃出原子核的束缚。伽莫夫提出了一个原子核的势能模型,并用薛定谔方程推导出了放射性粒子的半衰期与能量的关系,即盖革-努塔尔定律。
玻恩在听到伽莫夫的理论后,意识到这种理论不仅适用于核物理学,还普遍存在于量子力学中。他对伽莫夫的理论进行了修正,因为伽莫夫理论所使用的哈密顿量是厄米算符,其特征值必须是实数,而不是伽莫夫所假设的复数。修正后,理论结果仍然保持不变。这是量子力学首次成功应用于核子现象的案例。
1931年,雅科夫·弗伦克尔正式给这种现象起了英文术语“tunneleffect”(隧道效应)。在量子力学中,根据海森堡的不确定性原理,由于粒子具有不确定性,即使粒子能量低于势垒能量,它也有一定的概率出现在势垒之外。而且粒子能量越大,出现在势垒之外的概率越高。
量子隧穿现象的应用范围广泛,例如在半导体领域,快闪存储器的运作原理涉及到量子隧穿理论。扫描隧道显微镜(STM)的设计原理也来源于量子隧穿效应,它可以让科学家观察和定位单个原子,具有比同类原子力显微镜更高的分辨率。
虽然电子的隧道效应在金属中使得电子不完全局限于严格的边界之内,但如果将物体从微观世界的粒子换成宏观世界的物体,如人穿墙,取各种参数,例如人的质量m=75kg,墙厚0.2m等参数代入后,就会发现宏观物体穿越的几率及其微小,近似不可能。
因此,虽然粒子可以实现穿墙术,但人类在宏观世界中却无法实现。量子隧穿效应的发现为我们解释了许多生活中的现象,基本粒子没有形状,没有固定的路径,不确定性是它唯一的属性,既是波,也是粒子,就像是我们对着墙壁大吼一声,即使99.99%的声波被反射,仍会有部分声波衍射穿墙而过到达另一个人的耳朵。因为墙壁是不可能切断物质波的,只能在拦截的过程中使其衰减。
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网罗天下趣事纵观世界奇闻,人们对于法术仙术的想象可以追溯到几千年前,在《崂山道士》中就出现过一种特殊的法术穿墙术,无论是多么坚硬厚重的墙壁,都能够轻松穿过,可以说是非常神奇的,但是我们也都知道,世界上根本没有所谓的法术仙术,那么穿墙术也不会真的存在。
但是在国外街头就发生了一件奇怪的事情,人们都怀疑,难道世界上真的有穿墙术吗?大叔街头亲试验,结果蒙圈了!到底是怎么一回事呢?从文章中能够看到,两个人抬着一面墙从街道上走过,一个孩子突然站起来冲向这面墙,等到两个人抬着这面墙走远之后,路人才发现刚才那个孩子竟然奇迹般的消失了。
几个路人看到之后都蒙了,难道世界上真有穿墙术?等到一位女士学着孩子的样子穿了过去才发现,里面早就开了一个大洞,这一切不过是街头恶搞而已。另一伙人也在街头搞了一出穿墙术,小伙子邀请一位路人大叔亲自尝试,大叔将信将疑,重重地撞了过去。
没想到这一面满是砖头的墙,竟然真的撞出了一个大窟窿,就连大叔本人看到这结果也蒙圈了。其实并非这位大叔天生神力,而是几个年轻人做了一项减压实验。当人们从这面墙穿行而过的时候,仿佛内心的压力都被释放了出来。