不需要挖掘的量子隧道

  　　我们坐在后院，享受着美好下午的灿烂阳光。我躺在睡椅上看书，艾美成大字形趴在草地上，一边沐浴阳光，一边密切注视着松鼠的随时入侵。

  　　“嗯？当然可以，问吧。”

  　　“关于隧穿你都知道些什么？”

  　　“隧穿吗？”我放下书，“呃，它就是这样一个过程：尽管粒子没有足够的能量从障碍物的表面穿过，但是却能够到达障碍物的另一端。”

  　　“障碍物？就像篱笆这样的？”

  　　“呃，至少比喻的方法来说，是这样的。”

  　　“就像这个院子和隔壁那个院子之间的篱笆？”她看起来满怀希望。“喔，你问就是为了这个吗？”

  　　她摇了摇她的辫子，垂头丧气地说：“那边有小兔子，但是我去不了那儿。”

  　　“是的。但是我认为隧穿不是你要的答案。它只对小粒子有用，狗是不行的。”

  　　“为什么不行？”

  　　“呃，你可以用势能和动能来想一下这个障碍。比如说，现在，因为你没有动，所以你所有的能量都是势能。但是，比如说，如果你追赶一只松鼠，你就开始移动，从而将势能转化为了动能。”

  　　“我跑得非常快，所以我有很多的能量。”

  　　“是的，我知道。对于我们来说，要追上你是个很大的挑战。不管怎样，无论你是静止的，还是运动的，你拥有总能量是一样的，只不过是形式的问题。”

  　　“好吧，但是这和篱笆有什么关系呢？”

  　　“呃，你可以将篱笆看作是在有足够多能量的情况下你唯一能去的地方。对于你来说，要到达篱笆所在的位置，你必须要跳得非常高，或者是占据和篱笆一样多的空间，而不管哪一种都要花费非常多的能量。”

  　　“我跳不到那么高。这就是为什么我不能抓到小兔子。”

  　　“是的。你没有足够多的能量越过那个篱笆。正因为你没有足够的能量，你就不能到邻居的院子里去，相信我，这会令每个人都感到更开心的。”

  　　“除了我。”她撅着嘴说道。

  　　“呃，是的，除了你。”我充满歉意地挠了挠她的耳后，“不管怎样，量子力学预言即使你没有足够的能量翻越篱笆，你仍然有可能到达篱笆的那一边。你可以以一种有点像穿过篱笆的方式到达那一边，就像它不存在一样。”

  　　“就像小兔子那样吗？”

  　　“什么？”

  　　“小兔子那样。它们总是从篱笆中间穿来穿去。”

  　　“呃，是的，那是因为他们大小适合篱笆上木条之间的空隙，与量子隧穿没有任何关系。”我停顿了一会儿，“当然，这并不是一个不好的类比。小兔子也没有足够的能量越过篱笆，但是它们能够穿过它，到达另一边。这有点类似于隧穿。”

  　　“那么我怎样才能穿过篱笆呢？”

  　　“呃，你可以少吃点大餐，直到瘦得像小兔子那样从两根木条之间穿过去。”“我不喜欢这个主意。我是一只乖乖的狗，我应该得到我的大餐。”

  　　“你得到了你应得的大餐。另一个主意就是用量子隧穿穿过篱笆，但是量子隧穿不是你能做到的事情，它仅仅是会发生的情况。如果你向障碍物发送一整束粒子，一小部分将会出现在障碍物的另一边。但是哪些粒子穿过去了完全是随机的，这完全是概率的问题。”

  　　“所以，我只需要冲向篱笆的次数足够多，我就会到它的另一边？”

  　　“如果是我就不会尝试。一个粒子穿过障碍物的可能性取决于障碍物的厚度和粒子的量子波长。一只50磅（1磅≈0.45千克）重的狗穿过一个半英寸厚的铝制障碍物的可能性就几乎是1e10～1e36。你知道那是多少吗？”

  　　“多少？”

  　　“0，或者几乎为0以至于不起任何作用。所以你就不要往篱笆上冲了。”她安静了一会儿。

  　　“不管怎样，我希望这能回答你的问题。”我拿起了我的书。“一定程度上。”

  　　“一定程度上？”

  　　“呃，有关量子的这些东西很有趣，真的，但是我在考虑传统的隧穿。”“传统的隧穿？”

  　　“我要在篱笆下挖一个洞。”

  　　“噢。”

  　　“这是一个好主意！”她满腔热情地摇晃着她的辫子，看上去对自己非常满意。

  　　“不，这不是个好主意。只有不乖的狗才会挖洞。”

  　　“哦。”她的辫子停止了晃动，垂下了头，“但是我是一只乖乖的狗，不是吗？”

  　　“是的，你是一只非常好的狗，你是最好的。”

  　　“揉揉我的肚子？”她翻过身来躺在草地上，满怀希望地看着我。“呃，好吧……”我又把书放下，倾过身子揉着她的肚子。

  　　“隧穿”是最出乎意料的量子现象之一，指向某种障碍物前进的粒子——类似于冲向篱笆的狗——会如同障碍物不存在一样穿过障碍物。这种奇怪的行为是量子颗粒潜在的波动性产生的直接结果。有关量子颗粒的潜在波动性可以参见第二章。

  　 　在本章中，我们将谈论有关能量的基本物理概念，以及能量是如何确定粒子的位置的。我们将会看到物质的波动性使得量子颗粒能够出现在经典物理学认为不能够 到达的地方，并且能够穿进甚至是穿过固体物质。我们接着也将看到隧穿是如何使得科学家创造出显微镜从而能够对物质的结构进行研究，为生物化学和纳米技术取 得革命性的发展创造了可能性。