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没有量子隧穿效应,就没有五彩缤纷的生命

     土行孙遁土行走,崂山道士穿墙而过,在宏观世界里,只能是永远的神话。然而在微观世界,“量子穿墙术”时刻在发生。   

     一个人要到达一座山的另一边,需要从山脚爬到山顶,又从山顶下到另一边山脚。但是,如果你是一个“量子人”,就不用那样费劲,可以直接穿山而过。一个微观粒子,能够穿透比它强得多的能量壁垒,就好像有人帮它挖了一个隧道似的,所以这种效应被科学家趣称为隧道效应,或者称为量子隧穿效应。

     当然,量子隧穿具有概率性。简单地说,一个微观粒子面对比它高的能量势垒,有时能够穿透,有时不能穿透;或者说,一群粒子面对比它们高的能量势垒,有的能够穿透,有的不能穿透。     

     没有“量子穿墙术”,就没有宇宙万物的进化,更不可能出现生命,也不会有人间的爱恨情仇。

                         量子隧穿是物质进化的前提条件

     宇宙形成之初,只有氢和氦两种元素,由于某种不稳定因素造成了星云的形成。星云是氢和氦两种元素的混合体。在引力的作用下,第一代恒星形成。

     随着恒星内部的压力和温度不断增高,两个氢原子核便突破电子层的能量势垒,发生熔合核反应,形成较重的氦元素;当恒星内部压力和温度越来越高,较重的原子核之间,同样会通过量子隧穿的方式,形成更重的元素,如铁元素等。

     熔合核反应中释放出来的辐射能量,形成向外的推力,阻止了进一步的引力坍缩。如果没有量子隧穿,就不会形成较重的元素来抵抗恒星内部极端强大的压力和高温,氢和氦两种元素就会被“压碎”成为纯能量形式,恒星也会很快就坍缩消失。

     恒星才是真正的炼金炉,从锂元素开始的一百多种元素,都是恒星内部核聚变的产物。有的恒星到达晚年,会发生大爆炸,大量的重元素被抛射出来,为生命的形成做了物质准备。

                              量子隧穿是一切化学反应的基础

     存在于原子核外的电子,会形成一道坚固无比的能量墙壁——电能势垒。我们站在地板上,之所以不会掉下去,全靠核外电子构筑起来的能量长城。我们实质上是漂浮在原子核上面。

     有了这道坚固的能量墙壁,外物就无法穿透。但是,量子隧穿效应允许电子穿透到另外一个原子的一边。两个原子在条件合适的情况下,可以共享一个电子。原子与原子之间,正是通过共享电子的方式形成分子或化合物。可以说,没有量子隧穿效应,就没有化学反应,也就没有构筑生命的有机物。

     总而言之,没有量子隧穿,就没有多彩多姿的物质世界,也不可能出现五彩缤纷的生命。

     量子隧穿与我们的生活息息相关。植物的光合作用,之所以那样高效,是因为叶绿素巧妙地运用了量子隧穿效应;动物的鼻子之所以能够闻到气味,也是因为嗅觉细胞运用了量子隧穿效应。

                  光合作用  

     量子隧穿对于生命世界的形成功不可没,但也会给人类的高科技带来烦恼。芯片是手机的核心部位,就像人类的大脑,能量消耗巨大。芯片做得越小,运算速度就会更快,耗能也就会越小。现在的手机芯片,大都在5至7纳米,运算和耗能的体验已经非常好了。

     但是,现在的智能手机,一天就要充一次电,仍然不理想。

     能不能将芯片做得更小一些呢?

     这个太难了!

     不是因为制作技术的限制,而是到达3纳米以下尺度,量子隧穿效应开始明显起来,电子便无法正常执行运算功能。量子隧穿效应,决定了电子芯片存在着一个无法逾越的极限。

                                                    芯片 

     美国疯狂地封锁华为,其实并可怕。他们的芯片已经到达了极限,中国只要去除浮躁,沉着应战,通过10到15年的技术积累,5纳米芯片一定不是梦。

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