“量子隧穿效应”说明能量可无中生有？能量守恒受到质疑？
小彭来给您解惑 2020-01-24 16:55
量子隧穿效应
没有“量子隧穿效应”生命将不存在？
量子力学中的隧穿效应的原理及其应用
最近一期文章我讲解了“量子擦除实验”的神奇之处，说的就是微观粒子的路径信息和干涉条纹不可同时获取，同一时刻只能获取其中一个。量子力学神奇之处还远远不止这些，今天我就来谈谈量子力学里面的另外一个神奇实验：量子隧穿效应。
这个到底是啥现象呢，其实这要从量子力学的不确定性原理说起，所谓“不确定性”原理是哥本哈根学派的代表人物海森堡提出的，意思是你无法同时精确测量一个微观粒子的位置和动量，但是你却可以先测量位置等测量精确了，再去测量动量，或者顺序反过来也可以，只不过先测啥会决定最终的测量结果，也就是顺序颠倒会导致两次测量结果不一致，这在数学上就表现为两个矩阵相乘不满足交换律。
但是这个不确定性原理还有一个衍生品，那就是微观粒子属性有很多，自旋、动量、位置、时间、能量等等，所以不仅仅位置和动量具有这种“鱼和熊掌不可兼得”的特性，还有其它物理量也具有这个特性，比如能量和时间。
这这么说呢，其实准确的表达方式和刚刚表达位置与动量关系的表达方式是相同的，也就是说哥本哈根学派也认为面对一个微观粒子，你无法同时精确测量出它的时间和能量。
我们把这种不能同时精确，同一时刻只能测准其中一个的这种物理量叫做：互补物理量，也就是波尔提出的“互补原理”，这个互补原理意思是说微观世界很多东西都是不可兼得，同时只能精确其中一个，一个精确了另一个不精确，一个出现了另一个就消失。比如最近写的“量子擦除实验”就体现了这点，因为这个实验说明微观粒子的路径信息和干涉条纹不可兼得。
但是刚刚对“不确定性原理”只是一个定性的描述，如果想用定量的方式来描述的话，就可以表达为：
位置不确定度*动量不确定度>=某一个固定值
时间不确定度*能量不确定度>=某一个固定值
这里的某个固定值其实就包含普朗克常数，这个在前面的文章中已经做了讲解，这里就不再阐述了。
有了以上的知识我们就可以谈“量子隧穿效应”了，假设有这样一个场景，一个微观物体正在往右边走，突然右边出现了一个类似我们宏观物体的山峰这种“障碍物”，要越过这个山峰这个微观物体的能量必须大于这个微观物体处于山峰最高处的重力势能才行，因为根据能量守恒，微观物体“爬山”过程中的能量会一点一点转化为重力势能，我们可以算出微观物体处于最高处需要多少重力势能，就可以计算出这个微观物体一共需要多少能量才能翻过这座“山”。
按照宏观世界的理解，这个物体只要能量<物体处于最高处的重力势能，那么物体肯定翻不过去，这是毫无疑问的，否则能量就不守恒了，因为你以一个很小的能量居然翻过了这座山，这就意味着你在山峰最高处时能量已经大于最开始刚爬山的能量，你相当于无中生有创造出了多余的能量，然而这是不可能的。
但是放到微观世界就不一样了，微观世界虽然也有势能的概念，但是由于存在“时间”和“能量”的不确定性，那么我们完全可以利用这个特性让一个能量不够大的微观粒子“翻过”这座大山。具体怎么做呢，首先让微观粒子具有一定的能量，然后让这座障碍物变得非常薄，就好像一个薄片一样，但是要求这个障碍物的高度必须保持很高，这样就可以保证微观粒子在传统经典的能量守恒条件下无法直接“翻越”这个障碍物。
这里为啥要把障碍物做的很薄呢，因为我们知道翻越障碍物是需要花费时间的，根据不等式：时间不确定度*能量不确定度>=某一个固定值，所以我们只需把时间弄得很小很确定，那能量必然会出现巨大的不确定度。所以我们障碍物只要很薄就可以做到时间很小很确定，那么就给予了能量的巨大不确定性。虽然最开始微观粒子的能量很小，不足以翻越这个障碍物，但是在翻越障碍物的瞬间由于能量不确定度突然变大很大，所以能量值会再原来的基础之上突然做上下波动，很可能在某一个瞬间能量突然变为原来的几千倍，一下子就足以翻越这个障碍物了。
当然翻越障碍物后微观粒子不可能一直都拥有这么大的能量，当时间不确定度再次变大后，能量不确定度又会降下来，所以能量的波动振幅变小，能量又回到了以前的很小值，但是总体上来说，微观粒子就成功翻越了这个自己不能翻越的障碍物。
但是刚刚的现象实现中真的存在吗？大家是不是以为我在讲科幻片，哈哈，其实还真不是科幻片，因为就有这个现象发生在太阳附近，太阳周围会发生核聚变，但是太阳的能量本身其实不足以克服核子的库仑力发生这个聚变，但是由于时间不确定度很小导致能量不确定度突然增大，所以太阳能量不够没关系，一样可以在某个瞬间使得能量很高从而触发核聚变。
但是要注意，这种不确定原理带来的能量突然增大，并不违反能量守恒，虽然在某一瞬间微观粒子能量增大了，但是这个能量本身很可能也是来源于空间，也就是说微观粒子的能量也不是无端胜有创造出来的，而是某处的能量转到过来的，这一点大家要注意。
同时还有一点要说明，我们的宇宙诞生有很多理论来解释，其中一种就是“不确定性原理”，因为当时间极度短比较确定时，能量不确定度会突变增大，我们的真空本来没啥能量的，但是在某一瞬间能量极度增大从而就诞生出了宇宙，这也就是所谓“真空涨落”，所以有一句话搞笑的话叫做“宇宙也许是上帝给我们的一个免费的午餐”。
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