英特尔公司的创始人之一戈登．摩尔（GordonMoore），在上世纪70年代提出所谓摩尔定律，声称集成电路上晶体管的集成度平均大概18个月会翻倍，计算机性能也将提升一倍。这一定律揭示了信息技术进步的速度之快。然而，集成技术不可能真如庄子所说的：“一尺之捶，日取其半，万世不竭。”，有人预测，摩尔定律10年内将走向终结。
预言摩尔定律将终结的论据主要有两点：高温和漏电。当集成电路的精细程度下降到了原子级别，特别是当电路的尺寸接近电子波长的时候，电子就通过隧道效应而穿透绝缘层，使器件无法正常工作，硅金属的集成电路就将彻底终结。隧道效应是由微观粒子波动性所确定的量子效应，又称势垒贯穿，最早是由美国物理学家Gamow发现的。
图（18.2）发现隧道效应的乔治·伽莫夫
乔治·伽莫夫（G.Gamow）1904-1968，是乌兰克出生的美籍著名核物理学家和宇宙学家。
上世纪20年代的列宁格勒大学，有3个年轻的大学生：瘦骨嶙峋的高个子朗道、貌似奶油小生的迪莫斯·伊万宁科、和鼻梁上挂着一副近视眼镜的伽莫夫。他们是酷爱理论物理的3个好朋友，同学们借大仲马著名小说的名字，开玩笑地称他们为物理界之‘三剑客’。未曾辜负同学们的戏言，这三个人后来都成为了著名的理论物理学家。朗道的名字最为中国物理界所熟知，他在液氦超流理论等方面作出了许多重要贡献。1962年朗道54岁时，一场可怕的车祸终止了他作为物理学家的生命。所幸的是，同年他被授予诺贝尔物理奖。三个朋友中的迪莫斯·伊万宁科，一直是莫斯科国立大学颇负声名的理论物理学教授，研究核物理和引力理论。另一个伽莫夫，则是本文的主角，隧道效应的发现者。
列宁格勒大学的理论物理‘三剑客’和他们的同学们
Gamow（上左1）、Ivanenko（上右2）、Landau（下右2）
照片来自网络：http://www.g-sardanashvily.ru/ivanenko1.html
伽莫夫可算是现代科学史上的一位传奇人物，他早年从事原子核物理学研究，提出核势垒隧道效应，建立了beta衰变中的伽莫夫-泰勒选择定则。随后，伽莫夫又转向天体物理学研究，创立‘太初核合成理论’，支持和完善了著名的“大爆炸”学说。后来，他又在与物理完全不同的学科—分子生物学领域中，提出生命密码是如何工作的看法。伽莫夫在众多领域成就显赫，遗憾的是，实至名未归，伽莫夫未能获得诺贝尔奖。
1928年，伽莫夫告别他的祖国，来到德国著名的格廷根大学。那时的格廷根是蓬勃发展的量子理论中心之一，学术气氛浓厚，处处谈波动，言必称量子。伽莫夫也被物理革命的浪潮所鼓舞，但却没有盲目地卷进这狂热的漩涡。原因之一是他从来喜欢另辟蹊径，另一个原因则出于伽莫夫超凡的洞察力。他认为一个物理理论刚开始时总是简单的，闪烁着迷人的思想光辉，但过不了几年，便会变成一个复杂无比的数学结构，用爱因斯坦的话来说：为了完成这个数学结构，需要解许许多多的“爱克辛”（x的代名词）。可他伽莫夫是不擅长解这些“爱克辛”的，对此，伽莫夫在他的自传中，提到过自己一件不会计算简单积分的趣事，足以说明他解“爱克辛”的能力【1】。
于是，伽莫夫关心起卢瑟福所研究的α衰变问题，看看新的波动理论在那儿有无用武之地。
卢瑟福用α粒子探索原子的内部结构，他在研究铀一类放射性物质的α衰变时，碰到一个问题：α粒子是带两个正电荷的粒子，在距原子核中心3×10-12厘米处，库仑力将形成一个高达20MeV的势垒，这个库仑势垒将阻止核内的任何α粒子向外射出，因为由计算得出的α粒子的能量，大大地小于这一势垒的高度。但是，α粒子却能源源不断地从铀核发射出来，这怎么可能呢？（这儿用‘源源不断’有点词不达意，发射的时间可能短，也可能非常之长，若干年啊！在物理学中，用‘半衰期’来衡量。）总之，这个卢瑟福觉得难以解释的现象，却被伽莫夫顿时就悟出了玄机。在伽莫夫看来，这个现象不可能用经典的牛顿力学解释，但却可以指望用新问世的波动力学来解释。因为在波动力学理论中，不存在不能穿透的势垒。伽莫夫将这种微观世界的势垒穿透现象，叫做量子隧道效应。
隧道效应成功地解释了α衰变，是量子力学研究原子核的最早成就之一。
在经典力学中，不可能有“穿墙术”这种怪事，粒子不可能越过比它的能量更高的势垒。势垒就像挡在愚公家门口的大山，功力不够就无法逾越。好比我们骑自行车到达了一个斜坡，如果坡度小，自行车具有的动能大于坡度的势能，不用踩踏板就能“呼哧”一下过去了。但是，如果斜坡很高的话，自行车的动能小于坡度的势能时，车行驶到一半时就会停住，不可能过去。
又比如，我们在一个门窗紧闭的教室里听讲座，没有人能够穿过墙壁到外面去吧。但是，让我们设想，我们和教室都变得越来越小，越来越小……我们变成了α粒子，教室变成了阻挡α粒子脱离的原子核。这时，情形就不太一样了。
在微小的世界里，我们发现我们的身体逐渐变得模糊起来，像云彩和雾一样弥漫到空间中，甚至包括教室外面，也有我们的身影。正像英国物理学家R.H.否勒在那年冬天听了伽莫夫在伦敦皇家学会作‘隧道效应’演讲之后笑说：“这间房间的任何人都有一定的机会不用开门便离开房间啊！”
这就是隧道效应，它可以用量子力学中微观粒子的波动性来解释【2】。因为根据波动理论，波函数将弥漫于整个空间，粒子以一定的概率出现在空间每个点，包括势垒障壁以外的点。换言之，粒子穿过势垒的概率可以从薛定谔方程解出来。也就是说，即使粒子能量小于势垒阈值的能量，一部分粒子可能被势垒反弹回去，但仍然将有一部分粒子能穿过去，就好像在势垒底部有一条隧道一样，见下图。
图（18.3）经典势垒不能贯穿以及量子隧道效应
量子隧道效应到底是好是坏呢？前面说了，它造成集成电路漏电，‘势垒贯穿’给芯片制造的工艺设下了一道最后的‘势垒’，摩尔定律即将终止，这是隧道效应造成的不利之处。然而，像任何一种科研成果那样，隧道效应也是两面双刃的。量子隧道效应在物理和工程上大有用处，扫描隧道显微镜便是其中重要的一例。
虽然隧道效应的具体计算涉及到薛定谔方程和波函数，但是扫描隧道显微镜的原理说起来却挺简单的，不需要用量子力学就能理解。其道理和集成电路中漏电的道理类似，先看下图：
图（18.4）扫描隧道显微镜原理
集成电路中的漏电发生在导线与地，或导线与导线之间。本来，其间是有一层绝缘介质的，也就算是有个高高的、经典概念下无法逾越的山峰挡在那儿。但是，微观的电子是一种波，这种波动有在山底挖隧道的本领，于是，电子便穿越绝缘层到达另一边了，也就是发生了漏电。绝缘层越薄，漏电就越显著。
扫描隧道显微镜中，我们故意让这种‘漏电’发生，让它在我们特制的金属探针和显微镜要观察的导电样品之间发生。并且，我们还利用‘绝缘层越薄，漏电越显著’的这个特点。如何利用呢？我们保持探针和样品之间有一层绝缘介质，但是绝缘层又薄得足够让电子穿越而产生漏电流，或称隧道电流。然后，让探针在样品表面的各个方向上移动，或称之为‘扫描’，类似于老式唱片机中的唱针在唱片上移动那样。如果样品的表面高低不平的话，就使得两导体之间绝缘层的厚度会有所变化，从而使得探测到的隧道电流有所变化。换言之，隧道电流携带了样品表面形态的信息。因此，将此电流信号送到计算机内稍加处理，就能得到样品表面的图像了。这就是扫描隧道显微镜的工作原理。
你可能会产生疑问，不是早就有光学的显微镜吗，显微镜下细菌都看得清清楚楚，还要它多此一举干嘛呢？嘿嘿，扫描隧道显微镜的确不一样，它能让你见证奇迹。
光学显微镜能够看到微米数量级的细菌，却受到光波波长的限制，无法看到比细菌小1000倍以上，纳米数量级的原子。电子波相应的波长比光波短得多，因此，扫描隧道显微镜使得我们能看到单个原子。更进一步，扫描隧道显微镜经过一点改装，不但能‘看到’原子，还能对原子进行一定的‘操作’，定位单个原子。就像摆积木一样，将它们在样品表面摆来摆去。
因此，扫描隧道显微镜被国际科学界公认为20世纪80年代世界十大科技成就之一。
扫描隧道显微镜是1981年，在苏黎世（Zurich）的IBM实验室工作的科学家盖尔德·宾尼（GerdBining）和海因里希·罗雷尔（HeinrichRohrer）发明的，他们为此赢得了1986年度的诺贝尔奖。
图（18.5）用扫描隧道显微镜排列和观察原子
1990年，IBM公司的科学家用扫描隧道显微镜排列和观察原子，他们的结果让全世界为之惊叹。如上图所示，那是在金属镍表面用35个惰性气体氙原子组成的“IBM”三个英文字母。
隧道效应在微电子学和光电子学，以及纳米技术中，是很重要的。在光电子技术中，由于量子隧道效应，激光可以从一根光纤，进入相距很近的另一个光纤的内部，工程师们利用这个原理，制成了光纤分光器。1957年，受雇于索尼公司的江崎玲于奈，在改良高频晶体管的过程中发现负电阻现象：当增加PN结两端的电压时，电流反而减少。这种反常现象可以用隧道效应来解释。此后，江崎利用这一效应制成了隧道二极管。近年来，人们发现宏观的量子隧道效应，观察到一些宏观物理量，如微粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等等，也显示出隧道效应。据说，这种宏观量子隧道效应将会是未来微电子、光电子器件的基础。另外，与量子隧道效应理论相关而发展起来的自旋电子学，是一种颇有前途的新兴技术。
量子隧道效应的发现者伽莫夫，作出了3个相当于诺奖级别的成就，却未曾获奖，原因很难说清楚。说句玩笑话，没有活得足够长也算其原因之一。伽莫夫的同胞，前苏联著名物理学家卡皮察，是超流体的发现者之一，直到1978年，84岁高龄时，才获得诺贝尔物理学奖。卡皮察后来活到98岁，可伽莫夫在1968年刚64岁时就去世了。
伽莫夫不仅对物理学作出了重要贡献，还是一个著作等身的科普作家。他写了20余本科普读物，被翻译成各种语言，深得读者的喜爱。如《从1到无穷大》、《物理世界奇遇记》等等，也受到众多中国读者的喜爱。
参考文献：
1，MyWorldLine:AnInformalAutobiography(1970)VikingPress,ISBN0-670-50376-2
2，Z.Physik51,204(1928)G.Gamow,"ZurQuantentheoriedesAtomkernes"
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