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科学探究之可怕的量子力学:人真能穿墙而过吗?

教学资源 | 2021-11-26 | 标签:科学,探究,之,可怕,的,量子力学,人真,能,穿墙,
虽然穿墙术总是出现在神话故事当中,但是我们都明白,在日常生活当中,这是绝不可能会发生的,一个人显然是不能够穿越一道完好无损的墙壁,出现在墙的另一边。但在量子世界中,情况就变得完全不一样了。
我们常常把牛顿力学称之为经典力学,它所适用的范围为宏观和低速世界。在经典物理学中,一颗乒乓球是不可能穿越墙壁到达另一侧,而是会在与墙面的接触中被反弹回来。但是,如果把这个乒乓球缩小许多倍,变成构成物质的基本粒子那么大,那么,它在这个世界中就会变得“无所不能”。
微观粒子并不像是光滑的乒乓球,它们没有形状可言,更不会像球体那样以某个速度沿着某条路径运动,在这里,不确定性才是微观粒子的基本属性,我们只能说它们在某个时刻会有多大的概率出现在某个位置,这个概率的大小就是所谓的“波粒二象性”当中的物质波。
波有一个特性,那就是它穿越障碍物取决于障碍物的尺寸和波长之间的关系。就好比你对着墙壁大喊一声,即使有99.99%的声音都被墙壁给反射回来,但是仍然会有少部分的声波会衍射穿过墙壁。物质波不会被障碍物真正切断,而是在障碍物中衰减,这就意味着它们能够穿越任何有限的障碍物。反映在运动中,那就是微观粒子不是被墙挡住,而是出现在墙另一侧的概率太小,当它们偶然翻出去的时候,就似乎是拥有了穿墙术——这就是所谓的“量子隧穿效应”:一个能量为E的粒子,向前方一个具有能量大于E的势垒射去,这个粒子有一定的几率从势垒穿过去。这个势垒就类似于宏观世界的墙,所以微观粒子通常可以轻松实现“穿墙”。
那么我们要问,你是否可以像电子一样遂穿过一面墙壁呢?答案是"可以"。
 
那么,为什么在宏观世界观察不到这种神奇的“穿墙术”现象呢?
 
因为任何势垒都存在着一定的透射系数,透射系数对势垒的宽度、物体的质量以及势垒与物体的能量差相当敏感。
 
简单来说,随着物体的质量和势垒宽度的增加,透射系数将按照指数衰减,人的物质波长在10的-36次方米数量级上,这比普朗克尺度还小,所以说人想要穿过墙,其几率几乎为零。
 
你如果执意要穿墙,那么你要等到你身体中的所有电子、原子同时发生遂穿才可以。这需要你站立在墙壁前面等多少年呢?宇宙至今的年龄大约是是137亿年,但你至少需要等100亿个137亿年以上的时间,等到宇宙毁灭,都等不来发生这一概率的事件的那一天。
 



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