量子世界的幽靈隧道,是否正是我們苦苦尋找的時空隧道

埃爾溫·薛定諤 科學狂想曲 2019-04-10

有一個小夥伴私信我說想了解一下隧道效應,所以今天特地發了這篇文章,同時也希望大家有什麼不解,有什麼想知道的新鮮事都可以私信我呦,點個關注是我堅持下去的最大動力!

首先來說說量子理論的發展史:

玻爾的氫原子假說

很久以前,人們發現氫原子光譜呈現出一條條離散狀的譜線,這在當時量子理論還沒有成熟之前是不可理解的。當時氫原子光譜的實驗結果已經相當明顯了,重要的是如何從中發現規律,總結結論。

量子世界的幽靈隧道,是否正是我們苦苦尋找的時空隧道

玻爾

1913年,偉大的量子力學奠基人玻爾提出了三個基本假設,成功的解釋了氫原子光譜的分佈規律,這三條規律就是依託於最早的量子化思想。

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氫原子光譜

玻爾理論的困難

玻爾的假說雖然很好的解釋了氫原子的光譜實驗,但是假說終究是假說,尚沒有任何理論的支持,而且玻爾的量子化理論依舊沒有拜託牛頓的經典理論,其中有的假說是建立在牛頓力學的基礎之上的,這在現在看來當然是不對的,但是對於量子理論研究初期,任何一種結果,都是對當時科學進步的一種推動。玻爾的氫原子理論雖然很好的解釋了氫原子的光譜,但是對於更復雜一點的原子,玻爾的氫原子理論就不再適用了

波粒二象性

在受到光的波粒二象性的啟發之下,法國物理學家德布羅意大膽的提出假設:不僅光具有波粒二象性,任何實物粒子如電子、原子、分子都具有波粒二象性。也就是說,世間萬物都具有兩種形態,一種是實物形態,一種就是波的形態。這對於我們是相當不可理解的,我們知道什麼是波,什麼是實物,但是一個東西既是實物又是波簡直是荒謬的。但是實驗已經證明,這的確是正確的。1927年,科學家戴維孫和革末在做實驗時,發現了電子在經過晶體表面時會產生類似於光的衍射圖樣,這個實驗直接而有力的證明了電子的波動性質。

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那為什麼我們卻絲毫察覺不到我們本身的波動的性質呢?對於宏觀物體,λ=h/mv,因為我們的質量太大了,所以波長太小太小以至於根本察覺不到,所以對於宏觀物體來說主要還是呈現粒子性,只有像電子那樣的微觀粒子才會有比較可觀的波動性。

概率波

既然德布羅意波已經被證實時確定存在的,那麼如何去描述這麼一個反常的現象就有成為了一個棘手的問題。

薛定諤假說:電子呈現的粒子性是由於電子式三維空間中許多物質波所合成的波包,波包的大小就是電子的大小,波包的速度就是電子的速度(過於深奧,放棄解釋),這種假說認為波動性是基本的。

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還有人認為電子的波動性是由於大量電子分佈在空間中所形成的疏密波,這種假說認為粒子性是基本的,但是實驗結果與此假說相矛盾,即使電子一個一個通過干涉狹縫,經過足夠長的時間依然會產生干涉圖樣,所以這種假說是絕對錯誤的。

目前得到大家公認的說法就是:物質波並不是像經典波那樣代表什麼實在的物理量的波動,而是描述粒子在空間各處的概率分佈的概率波。粒子在空間某處出現的概率波服從一定的統計規律,而該統計規律顯示了粒子具有波動性。

至此,量子的發展史也就介紹完了,我們清楚了什麼是量子,又該如何去描述量子。接下來說一說究竟什麼是隧道效應。

最接近神學的科學--“穿牆術”之量子隧穿與掃描隧道顯微鏡

簡單來說,就是在一個能量大於量子本身的勢壘另一邊,量子出現的概率不是零,也就是說量子有一定的概率穿過這個比自己能量還高的勢壘,出現在勢壘的另一邊。這在我們宏觀中就好比你穿過了一堵比你自己高很多的牆,如果你不能躍過去,那你就像在牆上打通了一個幽靈般的隧道,通過隧道跑到了牆的另一邊。

量子世界的幽靈隧道,是否正是我們苦苦尋找的時空隧道

綠色的即為能量勢壘

但是這種隧道效應只存在於微觀領域,目前宏觀物體是不可能出現幽靈隧道了。

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