“量子隧穿效應(yīng)”說(shuō)明能量可無(wú)中生有,？能量守恒受到質(zhì)疑,？
                                             小彭來(lái)給您解惑    2020-01-24 16:55    

                                                              量子隧穿效應(yīng)
                                            沒(méi)有“量子隧穿效應(yīng)”生命將不存在？
                                            量子力學(xué)中的隧穿效應(yīng)的原理及其應(yīng)用

                                     人為什么能夠嗅到氣味,？原來(lái)是量子隧穿原理,！

       最近一期文章我講解了“量子擦除實(shí)驗(yàn)”的神奇之處，說(shuō)的就是微觀粒子的路徑信息和干涉條紋不可同時(shí)獲取,，同一時(shí)刻只能獲取其中一個(gè),。量子力學(xué)神奇之處還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這些，今天我就來(lái)談?wù)劻孔恿W(xué)里面的另外一個(gè)神奇實(shí)驗(yàn)：量子隧穿效應(yīng),。
       這個(gè)到底是啥現(xiàn)象呢,，其實(shí)這要從量子力學(xué)的不確定性原理說(shuō)起，所謂“不確定性”原理是哥本哈根學(xué)派的代表人物海森堡提出的,，意思是你無(wú)法同時(shí)精確測(cè)量一個(gè)微觀粒子的位置和動(dòng)量，但是你卻可以先測(cè)量位置等測(cè)量精確了,，再去測(cè)量動(dòng)量,，或者順序反過(guò)來(lái)也可以，只不過(guò)先測(cè)啥會(huì)決定最終的測(cè)量結(jié)果,，也就是順序顛倒會(huì)導(dǎo)致兩次測(cè)量結(jié)果不一致,，這在數(shù)學(xué)上就表現(xiàn)為兩個(gè)矩陣相乘不滿(mǎn)足交換律。

       但是這個(gè)不確定性原理還有一個(gè)衍生品,，那就是微觀粒子屬性有很多,，自旋、動(dòng)量,、位置,、時(shí)間、能量等等,，所以不僅僅位置和動(dòng)量具有這種“魚(yú)和熊掌不可兼得”的特性,，還有其它物理量也具有這個(gè)特性，比如能量和時(shí)間,。
       這這么說(shuō)呢,，其實(shí)準(zhǔn)確的表達(dá)方式和剛剛表達(dá)位置與動(dòng)量關(guān)系的表達(dá)方式是相同的，也就是說(shuō)哥本哈根學(xué)派也認(rèn)為面對(duì)一個(gè)微觀粒子，你無(wú)法同時(shí)精確測(cè)量出它的時(shí)間和能量,。

       我們把這種不能同時(shí)精確,，同一時(shí)刻只能測(cè)準(zhǔn)其中一個(gè)的這種物理量叫做：互補(bǔ)物理量，也就是波爾提出的“互補(bǔ)原理”,，這個(gè)互補(bǔ)原理意思是說(shuō)微觀世界很多東西都是不可兼得,，同時(shí)只能精確其中一個(gè)，一個(gè)精確了另一個(gè)不精確,，一個(gè)出現(xiàn)了另一個(gè)就消失,。比如最近寫(xiě)的“量子擦除實(shí)驗(yàn)”就體現(xiàn)了這點(diǎn)，因?yàn)檫@個(gè)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明微觀粒子的路徑信息和干涉條紋不可兼得,。
       但是剛剛對(duì)“不確定性原理”只是一個(gè)定性的描述,，如果想用定量的方式來(lái)描述的話，就可以表達(dá)為：
       位置不確定度*動(dòng)量不確定度>=某一個(gè)固定值
       時(shí)間不確定度*能量不確定度>=某一個(gè)固定值
       這里的某個(gè)固定值其實(shí)就包含普朗克常數(shù),，這個(gè)在前面的文章中已經(jīng)做了講解,，這里就不再闡述了。

       有了以上的知識(shí)我們就可以談“量子隧穿效應(yīng)”了,，假設(shè)有這樣一個(gè)場(chǎng)景,，一個(gè)微觀物體正在往右邊走，突然右邊出現(xiàn)了一個(gè)類(lèi)似我們宏觀物體的山峰這種“障礙物”,，要越過(guò)這個(gè)山峰這個(gè)微觀物體的能量必須大于這個(gè)微觀物體處于山峰最高處的重力勢(shì)能才行,，因?yàn)楦鶕?jù)能量守恒，微觀物體“爬山”過(guò)程中的能量會(huì)一點(diǎn)一點(diǎn)轉(zhuǎn)化為重力勢(shì)能,，我們可以算出微觀物體處于最高處需要多少重力勢(shì)能,，就可以計(jì)算出這個(gè)微觀物體一共需要多少能量才能翻過(guò)這座“山”。
       按照宏觀世界的理解,，這個(gè)物體只要能量<物體處于最高處的重力勢(shì)能,，那么物體肯定翻不過(guò)去，這是毫無(wú)疑問(wèn)的,，否則能量就不守恒了,，因?yàn)槟阋砸粋€(gè)很小的能量居然翻過(guò)了這座山，這就意味著你在山峰最高處時(shí)能量已經(jīng)大于最開(kāi)始剛爬山的能量,，你相當(dāng)于無(wú)中生有創(chuàng)造出了多余的能量,，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(shì)能的概念,，但是由于存在“時(shí)間”和“能量”的不確定性，那么我們完全可以利用這個(gè)特性讓一個(gè)能量不夠大的微觀粒子“翻過(guò)”這座大山,。具體怎么做呢,，首先讓微觀粒子具有一定的能量，然后讓這座障礙物變得非常薄，就好像一個(gè)薄片一樣,，但是要求這個(gè)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(tǒng)經(jīng)典的能量守恒條件下無(wú)法直接“翻越”這個(gè)障礙物。

       這里為啥要把障礙物做的很薄呢,，因?yàn)槲覀冎婪秸系K物是需要花費(fèi)時(shí)間的,，根據(jù)不等式：時(shí)間不確定度*能量不確定度>=某一個(gè)固定值，所以我們只需把時(shí)間弄得很小很確定,，那能量必然會(huì)出現(xiàn)巨大的不確定度,。所以我們障礙物只要很薄就可以做到時(shí)間很小很確定，那么就給予了能量的巨大不確定性,。雖然最開(kāi)始微觀粒子的能量很小,，不足以翻越這個(gè)障礙物，但是在翻越障礙物的瞬間由于能量不確定度突然變大很大,，所以能量值會(huì)再原來(lái)的基礎(chǔ)之上突然做上下波動(dòng),，很可能在某一個(gè)瞬間能量突然變?yōu)樵瓉?lái)的幾千倍，一下子就足以翻越這個(gè)障礙物了,。

       當(dāng)然翻越障礙物后微觀粒子不可能一直都擁有這么大的能量,，當(dāng)時(shí)間不確定度再次變大后，能量不確定度又會(huì)降下來(lái),，所以能量的波動(dòng)振幅變小,，能量又回到了以前的很小值，但是總體上來(lái)說(shuō),，微觀粒子就成功翻越了這個(gè)自己不能翻越的障礙物,。
       但是剛剛的現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)中真的存在嗎？大家是不是以為我在講科幻片,，哈哈，其實(shí)還真不是科幻片,，因?yàn)榫陀羞@個(gè)現(xiàn)象發(fā)生在太陽(yáng)附近,，太陽(yáng)周?chē)鷷?huì)發(fā)生核聚變，但是太陽(yáng)的能量本身其實(shí)不足以克服核子的庫(kù)侖力發(fā)生這個(gè)聚變,，但是由于時(shí)間不確定度很小導(dǎo)致能量不確定度突然增大,，所以太陽(yáng)能量不夠沒(méi)關(guān)系，一樣可以在某個(gè)瞬間使得能量很高從而觸發(fā)核聚變,。

       但是要注意,，這種不確定原理帶來(lái)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(gè)能量本身很可能也是來(lái)源于空間，也就是說(shuō)微觀粒子的能量也不是無(wú)端勝有創(chuàng)造出來(lái)的，而是某處的能量轉(zhuǎn)到過(guò)來(lái)的,，這一點(diǎn)大家要注意,。

       同時(shí)還有一點(diǎn)要說(shuō)明，我們的宇宙誕生有很多理論來(lái)解釋?zhuān)渲幸环N就是“不確定性原理”,，因?yàn)楫?dāng)時(shí)間極度短比較確定時(shí),，能量不確定度會(huì)突變?cè)龃螅覀兊恼婵毡緛?lái)沒(méi)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(gè)免費(fèi)的午餐”,。

       （來(lái)源：http://mini.eastday.com/mobile/200124165505138.html#）