在现实生活中,有一个常识无需多言:一个人无论如何努力,都不可能穿墙而过。
我们或许会在电脑游戏、科幻电影中看到“瞬移法术”“穿墙技能”,那些主角只需轻轻一跃,就能穿透坚硬的墙壁,瞬间出现在另一边,但这终究只是人类的想象,是艺术创作的夸张手法,万万不能当真。
可当我们把目光从熟悉的宏观世界,投向神秘莫测的量子世界,一切固有的常识和认知,都会被彻底颠覆——量子世界里,时刻上演着各种颠覆三观的诡异事件,而“穿墙而过”这件看似不可能的事,在量子力学的框架下,似乎有了一丝理论上的可能。
要弄明白“人能否靠量子隧穿穿墙”,我们首先要打破一个核心认知:量子世界与宏观世界,是两个完全不同的“规则体系”。
我们日常所处的宏观世界,遵循着经典力学的规律——万物有固定的形态、确定的位置和运动轨迹,比如苹果熟了一定会掉到地上,子弹射出后会沿着固定的抛物线飞行,我们推一堵墙,墙会给我们一个反作用力,我们无法穿透它,这些都是经典力学赋予宏观世界的“秩序”。
但量子世界的规则,却截然相反,它的核心关键词是“不确定性”,这种不确定性,让微观粒子的行为变得诡异莫测,完全超出了我们的日常想象。
量子世界最大的特点,就是微观粒子的状态是“不确定的”。
在宏观世界里,我们可以精准描述一个物体的状态——比如一辆汽车,我们能知道它的位置、速度、方向,甚至能精准预测它接下来的运动轨迹;但在量子世界里,对于微观粒子(比如电子、质子、中子),我们无法同时精准确定它的位置和速度,这就是量子力学中的“不确定性原理”(也叫海森堡不确定性原理)。
这种不确定性,并不是因为我们的测量仪器不够精密,也不是因为我们的测量方法不够科学,而是微观粒子本身的固有属性——它不像宏观物体那样,有一个固定的状态,而是同时处于多种可能的状态之中,这种状态,我们称之为“叠加态”。我们无法用具体的数值来描述微观粒子的状态,只能用“概率波”来描述它在不同位置、不同状态下出现的概率,而这种概率波,就是量子力学中核心的“波函数”。
更不可思议的是,量子世界还有一个诡异的规律:任何形式的观测,都会导致微观粒子的波函数坍缩。
也就是说,在我们没有观测微观粒子的时候,它处于多种状态的叠加态,波函数是“展开”的,代表着所有可能的概率;但一旦我们对它进行观测(比如用仪器测量它的位置、速度),它的波函数就会瞬间“坍缩”,从不确定的叠加态,瞬间转变为一个确定的状态,原本的概率波,就变成了一个确定的观测结果。
至于为什么观测会导致波函数坍缩,目前科学界还没有一个明确的答案——我们不知道背后的深层机制是什么,也无法解释这种“瞬间坍缩”的原理,我们只是在无数次的量子实验中,反复验证了这种现象的存在。
从这个层面上来讲,波函数坍缩更像是量子力学中的一个“假设”或者“公理”——我们不需要证明它为什么存在,只需要承认它的存在,并用它来解释量子世界的各种现象。
在量子世界的诸多诡异现象中,最具代表性的就是量子纠缠、量子隧穿和波粒二象性。这三种现象,看似毫无关联,实则本质都是源于微观粒子的“不确定性”——正是因为微观粒子的状态不确定、行为无规律,才造就了这些颠覆我们宏观认知的诡异现象。而我们今天要讨论的“穿墙而过”,就与其中的“量子隧穿效应”密切相关。
那么,什么是量子隧穿效应呢?简单来说,量子隧穿效应表明:微观粒子可以突破“能量势垒”的束缚,有一定几率直接跨越能量势垒,出现在势垒的另一边。这个概念听起来很抽象,我们用宏观世界的例子来打个比方,就能轻松理解了。
在宏观世界里,能量是守恒的,一个物体要突破某个障碍,必须具备足够的能量——比如,你用尽全力,最多只能越过一堵2米高的墙,那么这“2米高的墙”,就相当于你的“能量势垒”。
也就是说,你的能量上限,只能支撑你越过2米高的障碍,超过2米高的墙,无论你如何努力、如何发力,都不可能跳过去——因为你的能量不足以突破这个更高的能量势垒,这就是宏观世界的规律,能量不够,就无法突破障碍。
但在量子世界里,规则就完全不同了。
按照量子隧穿效应的诠释,微观粒子不需要具备足够的能量,也能突破能量势垒——它可以通过“赊借”能量的方式,瞬间穿过能量势垒,然后在极短的时间内,将赊借的能量归还,只要整个过程的时间足够短,这种现象就有一定的几率发生。这就好比,你原本跳不过2米高的墙,但在量子世界里,你可以暂时“借”一点能量,跳过高墙,然后立刻把能量还回去,整个过程快到无法察觉,这样一来,你就实现了“穿墙而过”。
这里需要特别强调一点:量子隧穿效应,只适用于微观世界,完全不适用于我们所处的宏观世界。微观粒子(比如电子)的质量极小、能量极低,它们的行为遵循量子力学的规律,因此可以发生量子隧穿;但宏观物体(比如人、汽车、桌子),质量极大、结构复杂,它们的行为遵循经典力学的规律,无法发生量子隧穿。因此,在现实生活中,你想直接穿过一堵墙,是完全不现实的,这也是为什么我们从来没有见过有人能够真正穿墙而过的原因。
说到这里,很多人可能会产生一个大胆的疑问:我们的身体,本身就是由无数的微观粒子(电子、质子、中子)组成的,既然每个微观粒子都有可能发生量子隧穿效应,那么从理论上分析,有没有那么一个时刻,组成我们身体的所有微观粒子,会同时发生量子隧穿效应,然后我们整个人,就会直接穿墙而过呢?
这个问题,看似天马行空,实则可以从量子力学的角度,进行严谨的分析。
纯理论上讲,这件事确实有一定的几率发生,但这个几率,低到我们完全无法想象——低到从现实层面来讲,发生的几率几乎为零,甚至可以直接认为是零!下面,我们就从理论和现实两个层面,详细分析这件事。
首先,我们从理论层面来分析。
理论上讲,你甚至不需要做任何事情,不需要处心积虑地考虑如何穿过那堵墙,不需要刻意站在墙的旁边,也不需要发力、不需要准备——你可以像平常一样,该吃饭吃饭、该工作工作、该休息休息,过着正常的生活,在某个毫无征兆的时刻,你就会突然发现,自己已经站在了墙的另一边,实现了“穿墙而过”。
但发生这种事情,有一个至关重要的前提:时间必须足够长。
到底需要多长时间呢?
没有人知道,也没有任何一位科学家能够给出一个准确的数值——它需要的时间,比你能想象出的任何时间都要长,比宇宙的年龄还要长,比你能想到的“永久”还要长。我们可以通俗地理解为:这个时间,“只比永久少那么一点点”,长到足以让一切可能发生的事情,都发生无数次,唯独“人穿墙而过”这件事,几乎不可能发生。
当然,量子力学中,确实有相关的公式,可以计算出“人穿墙而过”的大致概率。
有科学家曾经做过这样的计算,计算过程极其复杂——需要考虑组成人体的所有微观粒子的数量、每个粒子发生量子隧穿的概率、粒子之间的相互作用、墙的材质和厚度、周围环境的影响等等,涉及到量子力学、统计力学、经典力学等多个学科的知识。
至于这些计算是否真的严谨、是否真的能准确反映实际情况,我们不敢妄下定论,但所有的计算结果,都指向了同一个结论:发生这种事情的时间,无比漫长。
这种漫长,已经超出了我们人类的认知范围,也超出了宇宙的演化范围。我们可以举一个直观的例子,来感受这种“漫长”:假设从宇宙大爆炸开始(也就是138亿年前),我们就开始等待“人穿墙而过”这件事发生,一直等到现在,这件事都不可能发生;哪怕我们继续等待,等到宇宙毁灭、所有天体都消失,这件事也不会发生哪怕一次。
我们人类的寿命,区区不到百年,最多也就一百多年,相比于这种“比宇宙年龄还要漫长无数倍”的时间,简直就是一瞬间、一眨眼的功夫。我们连宇宙的万分之一、亿分之一的时间都无法经历,又怎么可能等到“穿墙而过”这件事发生呢?
或许有人会假设:如果我能永生,同时宇宙也能永生,不会毁灭,那么我是不是就有一定的几率,等到自己穿墙而过的那一天?
答案依然是否定的——即便你能永生,即便宇宙能永生,你也几乎不可能等到那一天,因为在漫长的时间里,会有太多的事情,比“穿墙而过”更先发生,太多的意外,会打断你的“等待”。
我们可以仔细想一想:在你永生的漫长岁月里,世界上会有太多的事情在上演,有太多的事情,会发生在你和你想要穿过的那堵墙之间,而且所有这些事情发生的概率,都要比你穿墙而过的概率高得多。
比如,那堵墙,最多只能存在几千年——无论是土墙、砖墙,还是混凝土墙,都会在风雨侵蚀、岁月流逝中,逐渐老化、损坏,最终轰然倒塌;而你,即便能永生,也需要面对地球的变化、太阳系的变化、银河系的变化。
地球会在几十亿年后,被膨胀的太阳吞噬;太阳系会在几百亿年后,彻底消散;银河系会在几千亿年后,与其他星系碰撞、融合,演化成一个全新的星系;即便宇宙不会走向死亡,也一定会演化成一个全新的模样——可能会变得一片黑暗,可能会充满黑洞,可能会没有任何天体,只剩下冰冷的粒子。
到最后,宇宙中恐怕也只剩下黑洞了——黑洞会吞噬宇宙中的所有物质,包括组成你身体的微观粒子。甚至可以这么说,组成你身体的微观粒子,有可能会因为量子隧穿效应,直接变成一个微小的黑洞,这种可能性,实际上比你穿墙而过的几率,要大得多得多。
即便你能够顶住黑洞强大的引力,不被黑洞吞噬,不发生坍缩,也意味着你的等待,才刚刚开始——你之前等待的几千万年、几亿年、几百亿年,都只是万里长征第一步,后面还有更漫长、更无尽的等待在等着你,而你,永远也等不到那一天。
看到这里,或许还有人不死心,依然不愿意相信“人穿墙而过”是不可能发生的事情。那么,我们换一个角度,从量子力学的“退相干”现象,来继续分析这件事——其实,严格来讲,我们之前所说的“从量子力学角度讲,穿墙而过的概率非常小”这种观点,本身就是不严谨的。
因为即便是从量子力学来讲,你穿墙而过的几率,与经典力学下的几率,并没有什么不同,本质上,几率都应该是零。
为什么会这么说呢?我们需要先理解一个关键概念:量子退相干。
简单来讲,量子力学中的叠加态、纠缠态、不确定性,其实都是非常“脆弱”的,它们很容易受到周围环境的影响,无法孤立存在。我们之前讨论的量子隧穿效应,都是在“理想状态下”的假设——假设微观粒子处于孤立的环境中,没有任何外界干扰,没有与其他粒子发生相互作用,在这种情况下,微观粒子才有可能发生量子隧穿。
但现实世界中,根本不存在“孤立的量子系统”——量子世界不可能孤立存在,任何量子系统,都会随着时间的流逝,与周围的环境发生相互作用,与周围的粒子发生纠缠,而且这种纠缠会越来越深,最终完全陷入无休止的纠缠之中。
这个过程,就是“量子退相干”——量子系统与环境相互作用后,原本的量子效应(叠加态、不确定性、量子隧穿)会逐渐消失,最终过渡、坍缩为经典力学效应,表现出宏观物体的规律。
对于我们人类来说,情况更是如此。我们的身体,不是一个孤立的量子系统,而是一个由近乎无数微观粒子组成的、极其复杂的宏观系统。组成我们身体的微观粒子,数量多达10的28次方以上(1后面跟着28个0),这些粒子之间,会不断发生相互作用、相互纠缠;同时,我们的身体,还会与周围的环境发生相互作用——比如,我们呼吸的空气、触摸的物体、感受到的温度和光线,甚至是周围的磁场、引力,都会与我们身体的微观粒子发生相互作用。
在这种情况下,组成我们身体的所有微观粒子,都会快速发生量子退相干——原本的量子效应会瞬间消失,所有粒子都会表现出宏观粒子的规律,不再具备“不确定性”,也不再可能发生量子隧穿效应。这就意味着,对于我们这样一个复杂的宏观系统,根本不能用简单的量子概率来计算“穿墙而过”的可能性——因为量子效应已经消失,我们只能用宏观经典力学的规律,来诠释我们的行为。
很多人可能会觉得:我们可以通过数学计算,先算出单个微观粒子穿墙而过的概率,然后再把所有粒子的概率相乘,就能得出整个人穿墙而过的概率。
但这种计算方法,本身就是错误的、不可靠的。
因为组成人体的微观粒子,并不是孤立存在的,它们之间有着复杂的相互作用,而且会与周围环境发生纠缠,发生量子退相干,因此,单个粒子的量子隧穿概率,根本不能简单地相乘——这种计算,忽略了粒子之间的相互作用,忽略了量子退相干的影响,得出的结果,也只是一个毫无意义的理论数值,完全不符合现实情况。
我们可以再举一个简单的例子,来理解这一点:假设单个电子穿墙而过的概率,是一个非常小的数值(比如10的-30次方),那么组成人体的10的28次方个电子,同时发生量子隧穿的概率,就是(10的-30次方)的(10的28次方)次方——这个数值,小到无法用语言来形容,小到比“宇宙中所有粒子的数量”还要小无数倍,小到从现实层面来讲,就是零。
更重要的是,即便我们不考虑量子退相干,不考虑粒子之间的相互作用,这种计算也依然不成立。因为组成人体的微观粒子,不仅仅是电子,还有质子、中子、原子、分子,这些粒子的质量、能量、相互作用都不同,它们发生量子隧穿的概率也完全不同,而且它们之间的相互制约、相互影响,会让“所有粒子同时发生量子隧穿”这件事,变得更加不可能。
实际上,在现实生活中,你每次尝试“穿墙而过”,都会得到一个非常现实的结果——你会狠狠地撞在那堵墙上,轻则头晕目眩、身体疼痛,重则受伤流血,甚至会造成更严重的伤害。这就是宏观经典力学的规律,也是量子退相干后的必然结果——你的身体,作为一个宏观物体,无法突破墙的阻碍,无法发生量子隧穿,只能遵循宏观世界的规则。
说到这里,或许有人会觉得很失望——原来,量子隧穿效应,并没有办法让我们实现“穿墙而过”的梦想。但其实,我们完全不需要失望,因为量子隧穿效应,虽然不能让我们穿墙而过,但它在现实生活中,有着非常广泛的应用,已经深刻地改变了我们的生活。
比如,我们日常使用的半导体芯片、手机、电脑,其核心的晶体管,就是利用量子隧穿效应工作的——正是因为电子能够发生量子隧穿,突破能量势垒,才能实现晶体管的开关功能,才能让芯片正常工作;再比如,量子隧穿显微镜,能够利用量子隧穿效应,观察到微观粒子的结构,为科学家研究量子世界、探索微观奥秘,提供了强大的工具;此外,在核能、材料科学、医学等领域,量子隧穿效应也有着重要的应用,推动着科技的不断发展。
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