本次内容来自系列视频课程
“一说万物：现代物理学百年漫谈”
第三讲：漫游量子世界
3.1 从聊斋志异到量子隧穿
今天我们开启量子力学。量子力学本身是一个物理理论，但它又高于一个具体的理论，它是一个理论框架，所有的物理理论都可以融入这个框架中——目前除了广义相对论以外。量子力学量力而学，我们今天只对量子力学中一些有意思的现象“浅尝辄止”。
我们已经了解了“单光子双缝干涉实验”，这是量子力学中非常有意思的一个现象。我们还知道，不仅光子，世间万物都具有波粒二象性，那么让我们想象下一个粒子的“单粒子双缝干涉实验”。
我们今天的主人公名叫王七，和梦游仙境的爱丽丝一样【更小：从打地鼠到光电效应】，他也喝了“变小”水，变成了微观世界中原子一样的大小，然后波粒二象性中的波动性就开始彰显了。
王七想要进入一个教室，教室有两扇门，他可以同时通过这两扇门进入教室吗？是可以的，因为王七具有波动性。那王七到了教室的什么位置呢？王七所在的位置是由两个路径的差来决定的：当路径差是波长的整数倍，王七有更大的可能出现在此；而当路径差是半整数波长，王七则不会出现在这里。这就是双缝干涉。
下面我们把教室的两扇门全关上，王七没有钥匙，面对一堵墙，他怎么办？量子的王七能不能穿墙而过，进到教室里呢？如果王七是一个经典物体，那么他没有办法穿墙而入，除非他的能量大到可以把墙打倒，然后过去，或者他可以跳得足够高，从墙上边翻过去。但是，现在的王七有了波动性，事情就不一样了。
提到穿墙，我们上网搜一下，会搜到“穿墙技术哪家强，请买XX路由器”等内容。这告诉我们，波动是可以穿墙的，路由器发出的无线信号是电磁波，电磁波可以穿墙。从这个例子我们学到2点：第一，穿墙是波动的种族天赋，波动天生就会穿墙。第二，穿墙之后波动的幅度会减弱。应用到王七，我们知道：第一，王七是一个物质波，具有波粒二象性，所以他也可以穿墙而过。第二，穿墙以后波动减弱，这就有点恐怖了？你吃一个苹果，最怕的不是没见到虫子，也不是见到一条虫子，而是见到了半条虫子。王七穿过墙去以后，摸摸脑袋说“我的头还在吗？”这样的话，是不是很恐怖？
但是，如果我们把王七想象成一个基本粒子的话，这种事情是不会出现的。所谓基本粒子，即是没有办法再分割的基本单元，已经是最小的一份了。要么穿过去，要么不穿过去，不会出现半个粒子穿过去的现象。波动减弱，在基本粒子的范畴里体现为概率减小，也就是说这个粒子很大的概率留在墙外、被墙弹开，而有一个很小的概率穿过这堵墙。这种穿墙而过的现象，在量子力学里叫作“量子隧穿”现象。
那我们今天的主人公为什么叫王七呢？蒲松龄在《聊斋志异》里写过一个故事，叫“崂山道士”。王七向崂山道士学得穿墙术，试一下成功了，然后又给自己的妻子炫耀，结果炫耀失败。
量子隧穿现象如今有了很广泛的应用，例如现代科技所依赖的晶体管便是基于量子隧穿现象。不仅如此，量子隧穿现象还改变了我们对世界的理解。
我问一个问题：可以囚禁住一个电子吗？这件事情听起来好像是可能的，比如说施加一个磁场，电子就只能在磁场里绕圈了。但是我们只可以相对的囚禁住一个电子，不可能做到绝对的囚禁。任何的囚禁方法实际上都相当于在电子周围造了一堵墙，这面墙可以很高，可以很厚，但是我们要记住电子总有一个虽然说可能很小但不等于0的概率可以穿墙而出。绝对囚禁住一个电子是不可能的！
一个电子在整个宇宙当中其实是无处不在的，只不过可能在你想让它在的地方概率大一点，在你不想让它在的地方概率小一点，但是归根结底，这个电子无处不在！
如果你感觉对你的世界认知还没有什么触动，那么我再问一个问题：世界上有两个不同的电子吗？想象一下，我们变小了，跑到一个原子里边，我们有没有可能指着一个电子说：这个电子是从别的原子里面跑过来的内鬼，我把它揪出来。我们能不能指名道姓的去标记一个电子？对不起，在基本粒子的层面，我们是做不到的。大家想一想，在经典的层面，我们如何标记两个小球或者说两个人？要标记两个经典物体的区别，我们有两个办法，一个是内在的，一个是外在的。
这个人和另一个人长的不一样，这是什么意思呢？就是这个人这儿多了一些粒子，那个人这儿少一些粒子。但是到了基本粒子的层面，粒子已经不再可分了，你不能说这个基本粒子这儿多了一些粒子，到了基本粒子层面，电子就是电子，光子就是光子，你找不到两个长得不一样的电子或光子。
好，从内在上我们没有办法区分，那么从外在上我们能不能区分呢？经典的人，即使两个人长得很像，你一眼可能看不出谁是谁，但是我可以一直跟踪他。在量子世界里，对于一个基本粒子而言，这是做不到的。这个粒子是无处不在的，可以在这儿，也可以在世界上任何其他地方，只不过在这儿的概率大一点。别的电子可以在别的地方，但是它也可以在这儿。
从内在上我们不能标记一个电子，从外在上我们也不能标记一个电子，把这一结论上升到一个原理的话，就是“全同粒子原理”。在量子力学里，我们是没有办法去标记粒子的：电子虽然是可数的，我们可以数一个、两个、三个电子，但是我们不能标记这个电子、那个电子。
小结一下。波动性不仅带给我们双缝干涉，还带给我们隧穿现象，基于隧穿现象，我们可以制造出很多的电子元件。不仅如此，它还告诉我们，本质上一个电子是无处不在，充满整个宇宙的，进而我们没有办法去标记任何一个基本粒子。
王一：中国科学技术大学本科，中国科学院理论物理研究所博士。现任香港科技大学助理教授，研究领域为理论宇宙学。近期的主要研究兴趣是将物理学中最大的物体和最小的物体联系起来，用早期宇宙的遗迹研究基本粒子物理。其他研究方向还包括早期宇宙模型、暗能量、暗物质、原初黑洞、引力波等。曾获香港大学教育资助委员会青年学者奖、被学生评选为最喜欢的教师。
系列课程内容
第一讲：概述物理学的世纪
1.1 一百年前，我们知道什么？
1.2 更小：从打地鼠到光电效应
1.3 更高：“上帝”的菜单
1.4 更快：什么是相对论？
1.5 从简单的定律到复杂的宇宙
第二讲：现代物理学之光
2.1 什么是现代物理学之光？
2.2 光是粒子还是波动？
2.3 你见过波动着的粒子吗？
2.4 什么是波粒二象性？
第三讲：漫游量子世界
3.1 从聊斋志异到量子隧穿
3.2 不确定性原理：光子你瞅啥？
3.3 测量：把学霸骡子打成驴
3.4 薛定谔猫死了吗？
第四讲：原子
4.1 世界为什么是由原子组成的？
4.2 花粉颗粒为什么会跳舞？
4.3 从氢原子到万物
第五讲：熵与信息
5.1 大吃一斤，什么增加了？
5.2 时间箭头：谁偷走了你的时间？
5.3 麦克斯韦的妖精教你什么是新闻
第六讲，第七讲，第八讲，第九讲……
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