微观粒子的穿墙术——量子隧穿效应
举个例子，假如人在赶路，前面有一座大山挡住了去路，那么人如果要前往大山的另外一边，那么你就只能翻过山去。但是对于粒子而言，它可以直接穿过去，即使能量不足，也可以穿山而过。这就是粒子穿墙术——量子隧穿效应。
1896 年，法国物理学家发现了铀的放射性，后来居里夫妇进一步对此展开研究，我们都知道，宇宙有四大力——强核力、弱核力、电磁力以及引力。杨振宁就是统一了三大力，是宇宙大一统只差临门一脚。居里夫妇在研究中发现，以最常见的α衰变来看，是从重原子核中放射出α粒子，即氦原子核。我们知道，原子核的核子（质子或中子）之间是通过强核力联系在一起的，核子怎么会挣脱强大的强核力逃逸出来呢？
后来，量子力学建立，海森堡不确定性原理与德布罗意波粒二象性的确定，在 1927 年，研究分子光谱时，弗里德里希·洪德在计算双势阱的基态问题发现了有趣的现象。
势阱是一个包围着势能局部极小点的邻域。被势阱捕获的能量无法转化为其它形式的能量（例如能量从重力势阱中逃脱转化为动能），因为它被势阱的局部极低点捕获。也正是因此，一个被势阱捕获的物体不能继续向全局势能最低处运动，即使它根据熵的原理自然地倾向于向全局最低点运动。粒子在某力场中运动，势能函数曲线在空间的某一有限范围内势能最小，形如陷阱，所以称为势阱。双势阱简单理解就是有两个局部极低点。
洪德就发现偶对称量子态与奇对称量子态会因量子叠加形成非定常波包，其会从其中一个阱穿越过中间障碍到另外一个阱，然后又穿越回来，这样往往返返的震荡。这是人们首次注意到量子隧穿现象。
而到了 1928 年，乔治·伽莫夫正确地用量子隧穿效应解释了原子核的阿尔法衰变。在经典力学里，粒子会被牢牢地束缚于原子核内，主要是因为粒子需要超大的能量，才能逃出原子核的非常强的位势。所以，经典力学无法解释阿尔法衰变。在量子力学里，粒子不需要拥有比位势还强的能量，才能逃出原子核；粒子可以概率性的穿透过位势，因此逃出原子核位势的束缚。伽莫夫想出一个原子核的位势模型，借着这模型，借着这模型，他用薛定谔方程推导出进行阿尔法衰变的放射性粒子的半衰期与能量的关系方程，即盖革-努塔尔定律。
在一场伽莫夫的专题研讨会里，量子力学的核心人物玻恩听到了伽莫夫的理论之后，他敏锐地意识到，这种理论不仅仅局限于核物理学，还普遍存在于量子力学之中。玻恩对伽莫夫的理论进行了修正，因为伽莫夫理论所使用的哈密顿量是厄米算符，其特征值必须是实数，而不是伽莫夫所假定的复数。
经过修正之后，该理论仍旧维持不变原先的结果。这是伽莫夫提出的阿尔法衰变机制是首次成功应用量子力学于核子现象的案例。
早在1922年，朱利斯·利廉费德就已观察到电子冷发射现象，但物理学者最初都无法对于这现象给出合理解释。而玻恩将伽莫夫理论应用于量子力学之后则很好地提供了解释。
直到 1931 年，雅科夫·弗伦克尔在著作《波动力学，基本理论》里，才正式给这种现象起了英文术语“tunnel effect”（隧道效应）。
我们知道，根据牛顿经典力学，粒子是不可能穿过能量比自己高的势垒的。但在量子力学中，根据海森堡的不确定性原理，由于粒子具有不确定性，即使粒子能量低于势垒能量，它也有一定的概率出现在势垒之外。而且粒子能量越大，出现在势垒之外的概率越高。
这个隧穿几率则是由薛定谔方程确定，隧穿时的能量变化与隧穿时间满足不确定关系，即△E*△t~h。
当我们带入一维定态薛定谔方程去求其穿透几率就会发现，势垒厚度(D=x2-x1)越大，粒子通过的几率越小;粒子的能量E越大，则穿透几率也越大。两者都呈指数关系，因此，D和E的变化对穿透因子P十分灵敏。
但是如果你把物体从微观世界的粒子换成了宏观世界的物体，比如人穿墙，取各种参数，假如人的质量 m=75kg，墙厚0.2m等参数代入以后，就会发现可见宏观物体穿越的几率及其微小，近似不可能。所以这也是为什么粒子会穿墙术而人不可能的原因。
量子隧穿效应的诞生也为我们解释了很多生活里的现象，基本粒子没有形状，没有固定的路径，不确定性是它唯一的属性，既是波，也是粒子，就像是我们对着墙壁大吼一声，即使99.99%的声波被反射，仍会有部分声波衍射穿墙而过到达另一个人的耳朵。因为墙壁是不可能切断物质波的，只能在拦截的过程中使其衰减。
量子隧穿现象的应用范围可以说十分广泛，比如说半导体领域，快闪存储器的运作原理牵涉到量子隧穿理论。超大型集成电路(VLSI integrated circuit) 的一个严峻的问题就是电流泄漏。这会造成相当大的电力流失和过热效应。
扫描隧道显微镜（STM）的设计原理就是来源于量子隧穿效应，扫描隧道显微镜可以让科学家观察和定位单个原子，它具有比它的同类原子力显微镜更加高的分辨率。STM使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物化性质，在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中有着重大的意义和广泛的应用前景，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。
由于电子的隧道效应，金属中的电子并不是完全局限于严格的边界之内，也就是说，电子密度不会在表面处突然骤降为零，而是会在表面之外指数性衰减，衰减的长度量级大约为1nm。如果两块金属靠的很近，近到了1nm以下，他们表面的电子云就会发生重叠，也就是说两块金属的电子之间发生了相互作用。如果在这两块金属之间加一个电压，我们就会探测到一个微小的隧穿电流，而隧穿电流的大小和两块金属之间的距离有关，这就是（STM）的基本原理。
很多人可能会问，人体真的没有办法发生量子隧穿效应吗？毕竟人体也是由粒子构成的，按照刚才薛定谔方程的计算，人体穿过墙壁的几率微乎其微。
真的有穿墙术吗?
然而，从科学的角度来看，穿墙术是不存在的。我们的物质世界是由原子和分子构成的，这些粒子之间有着严格的相互作用规律。例如，固体物质的原子和分子排列紧密，使得物质具有一定的形状和硬度，因此人们无法简单地穿过墙壁。即便是在理论上，量子物理中的“量子隧穿”现象允许粒子有一定概率穿越势垒...
穿墙术的简介
1993年,美国物理学家贝尼特等人提出了“量子态隐形传输”的方案:将原粒子物理特性的信息发向远处的另一个粒子,该粒子在接收到这些信息后,会成为原粒子的复制品。而在此过程中,传输的是原粒子的量子态,而不是原粒子本身。传输结束后,原粒子已经不具备原来的量子态,而有了新的量子.美军少将迷恋穿墙术越战后,美国...
量子隧穿效应是怎么让故事中的穿墙术变成现实的?
在中国古老的传说中,穿墙术是一种常见的法术,经常出现在魔术表演中,比如大卫·科波菲尔曾经表演过的穿越长城的魔术。然而,在现实生活中,人类是无法实现穿墙术的,魔术中的穿墙术只是视觉错觉。但在微观世界里,粒子确实能够实现穿墙术,这是由于量子隧穿效应的存在。举个例子,假设一个人在赶路,前方有一座大山阻挡了他的...
有哪些已经被证明是真的,而你又无法接受的科学理论?
在很多神话小说以及影视作品中，都曾经展示过“穿墙术”的存在。对于我们来说，这是极其不可思议的， 但是在量子世界中，这确实是可以存在的，这就是量子隧穿效应。在量子世界中 ，电子微粒实际上是有能力能够穿过如墙壁的一些障碍物的，按照这种理论，实际上“穿墙术”也是有几率是真实存在的。但...
经典力学和量子力学有方法,怎么让穿墙术成真?
在日常生活中，许多人都想要拥有一种特殊技能，或是隐身术，或是分身术，有了这些技能中的一项，现实中的人就会和科幻电影里的人物一样变得十分强大。和分身术、隐身术等这些无法用科学理论进行解释的技能不同，穿墙术虽然也被认为无法在现实中实现，但它在科学理论上却是可以解释得通的。无论在东方...
一个古老而神秘的粒子,它是如何形成的?
直到1928年，美籍俄裔物理学家 伽莫夫 等人用 量子力学隧穿效应 ，成功地解释了原子核的α衰变问题。α粒子要逃出原子核时需要克服巨大的势垒。在经典力学中，粒子不可能越过比它能量更高的势垒。而在量子力学中，粒子就像拥有“穿墙术”，具有波动性，会有一定的概率穿出位垒，从而发射出去。...
为什么太阳可以燃烧46亿年而不灭?
简而言之，“量子隧穿效应”就是指在能量不足的情况下，微观粒子仍然有极低的概率穿过在经典力学中不可能穿过的屏障，所以这也被人们戏称为“微观世界中的穿墙术”。需要指出的是，“量子隧穿效应”可以通过微观粒子的“波粒二象性”和量子力学中的“能量-时间不确定性原理”来进行解释，除此之外，“...
科技发展到何种程度,人类才能真正意义上实现星际旅行,“空间跳跃”技术...
“空间跳跃”在试验室里已经实现了。前一段时间在中央1台新闻联播里有过一条相关的新闻。新闻的内容是一名华裔科学家和另外一名外国科学家在国外的一个实验室里成功完成了一次“空间物质转移”，把一个原子瞬间移动了一米的距离，这个过程没有花时间，也没有经过任何空间。这个试验在现实中证实了爱因斯坦...
什么是隧道效应?
狮子却可以直接穿过那个堡垒，好像挖了一个隧道跑出来一样，看起来有些像“崂山道士”里面的穿墙术吧！其实，这里只是个比方，现实生活中你无需担心狮子会从笼子里直接钻出来。因为我们的宏观世界是不会发生这样的事情的。可是在微观世界里，电子等微观粒子却经常能够“穿墙而过”。
世界上真有禅定后穿墙的人吗
世界上真的有禅定后穿墙的人。人体都是由细小的细胞构成，再小一些也可说是由粒子构成。只是从宏观上来看我们是一个人。从科学的角度来说，理论上穿墙术是存在的，而且所有人都可以做到。这不是信口开河，要解释这个问题，我们必须要着眼于微观世界。从宏观角度理解，不论是人也好，物也罢，是绝不...
照油缓士： 英文名称:Quantum tunnelling effect 量子隧道效应是基本的量子现象之一,即当微观粒子的总能量小于势垒高度时,该粒子仍能穿越这一势垒.如图,纵坐标为能量的多少.按经典理论,粒子为脱离此能量的势垒,必须从势垒的顶部越过.但由于量子力学中的量子不确定性,时间和能量为一组共轭量.在很短的时间中(即时间很确定),能量可以很不确定,从而使一个粒子看起来像是从“隧道”中穿过了势垒.在诸如能级的切换,两个粒子相撞或分离的过程(如在太阳中发生的仅约1000万摄氏度的“短核聚变”)中,量子隧道效应经常发生.
绩溪县13833699679： “量子的隧道效应”是什么意思? - ？
照油缓士： 宏观量子隧道效应是基本的量子现象之一,即当微观粒子的总能量小于势垒高度时,该粒子仍能穿越这一势垒.近年来,人们发现一些宏观量,例如微颗粒的磁化强度,量子相干器件中的磁通量等亦有隧道效应,称为宏观的量子隧道效应.早期...
绩溪县13833699679： 量子隧穿效应的相关例子 - ？
照油缓士： 阿尔法衰变就是因为阿尔法粒子摆脱了本来不可能摆脱的强力的束缚而“逃出”原子核.扫描隧道显微镜是量子隧穿效应的主要应用之一.扫描隧道显微镜可以克服普通光学显微镜像差的限制,通过隧穿电子扫描物体表面,从而辨别远远小于光波长的物体. 理论上,宏观物体也能发生隧穿效应.人也有可能穿过墙壁,但要求组成这个人的所有微观粒子都同时穿过墙壁,其实际上几乎是完全不可能,以至于人类历史以来还没有成功的纪录.
绩溪县13833699679： ★量子条件下,物体(粒子)如何做到穿墙而过?★ - ？
照油缓士： 形象的比喻一下:“粒子爱运动”. 总是要不停的运动,是粒子的一种属性,和其他的外因无关.周期性的振动表现出来的就是波(很多人都爱用的“波粒二相性”这样玄乎的词来吓唬我们). 因为所有的粒子都在运动,就难免你碰我一下,...
绩溪县13833699679： 量子怎么穿越障碍物 - ？
照油缓士： 隧穿效应,原因是在量子世界里,任何物体都是一种几率波,即有可能出现在这儿也有可能出现在那儿,所以导致障碍物两边都有该粒子存在的几率,而当我们两次测量分别发现该粒子出现在了障碍物两边时,就认为粒子穿越了障碍物,而这中间的过程却是不能用连续动作去考虑的,只能认为它在这边消失,在另一边出现——大约就是这么回事
绩溪县13833699679： 量子力学有哪些的怪异之处? - ？
照油缓士： 1、量子化:能量的分布状态不连续,比方说原子分子的能级 2、隧穿:在势垒里面,动能可以使负值,因此可以发生隧穿效应 3、几率化:任何物理量在不测量之前,只能推算出它取不同值的几率 4、泡利不相容原理:同一个状态是只能有一个费米子 5、波函数:描述粒子的位置要用几率波,不同于经典力学中粒子有确定的坐标和动量 这些都是最基本的,也是量子力学的基本假设,实验都已经验证的, 你是什么水平的?本科?研究生?如果嫌这个简单,我也可以讲讲费米球啊,波色爱因斯坦凝聚,粒子数反转之类的
绩溪县13833699679： 请问量子隧穿实验是怎么回事? - ？
照油缓士： 是的量子纠缠可以用来“隐形”传输 但是实际上这并非真正的传输了信息因为我们要知道对方的那一半的状态还是需要用经典的方法来确定,所以其实并不违反狭义相对论,因为狭义相对论要求的不可超越的速度是传递信息的速度
绩溪县13833699679： 量子力学中隧道效应的意义是什么?(简答题) - ？
照油缓士：[答案] 1,隧道效应是微观粒子行为中不遵从经典理论的典型粒子,可以通过观测隧道效应证明在微观世界量子力学的正确性. 2,由于隧穿几率与势垒高度和厚度有关,通过观测隧穿电流和可控的势垒高度得到空间厚度的原理制成的STM隧道扫描显微镜是...
绩溪县13833699679： 量子隧穿效应的化学反应 - ？
照油缓士： 量子隧穿效应也可以存在于某些化学反应中.此类反应中,反应物分子的波函数从反应势垒穿过即可使反应发生,而在经典的化学反应中,反应物分子只有获得足够能量,越过活化能的能垒,反应才可以发生(见右图). 对于有量子隧穿效应的...
绩溪县13833699679： 纳米材料的四大效应及其实际意思是什么啊? - ？
照油缓士： 表面效应:当颗粒的直径减小到纳米尺度范围时,随着粒径减小,比表面积和表面原子数迅速增加. 量子尺寸效应:当金属或半导体从三维减小至零维时,载流子在各个方向上均受限,随着粒子尺寸下降到接近或小于某一值(激子玻尔半径)时...
