神奇的“量子隧穿”现象

■朱枰谕

张嗣祎绘

2025年的诺贝尔物理学奖，颁发给了在宏观尺度、涉及大量粒子的情况下，成功观测到量子隧穿现象的3位科学家。对此，诺贝尔物理学奖评委会主席激动地表示：“百年量子力学仍在不断带来新的惊喜！它不仅构成了所有数字技术的基础，更在孕育下一代科技革命。”

那么，到底什么是量子隧穿？

试想这样一个画面：在你的面前有一座高山，而你手里只有一只皮球。如果想把这只皮球扔到山的那一边去，你必须赋予它足够强大的能量，让它能飞越山顶。这体现了我们日常世界的基本规则：没有足够的能量，就无法克服障碍。

但在微观的量子世界里，事情变得奇妙无比。对于一个微小的粒子来说，即使它的能量远不足以支撑它“翻越”眼前的“高山”，但它却有一种神奇的概率，能像幽灵一样径直“穿过”这道看似不可逾越的屏障。这种现象，就被称为量子隧穿。

你或许会想，这不就是“穿墙术”吗？

要理解这种近乎魔法的行为，须从微观粒子的性质说起。在微观世界中，粒子不再是一个个确定的、拥有固定形状的小球，而更像一片“迷雾”，这片“迷雾”在数学上被称为“波函数”。

这团迷雾可以延伸到空间的各处，总有一部分迷雾会渗透到另外一侧——这意味着微观粒子有一定概率出现在墙壁的另外一边，实现“穿墙而过”。

宏观世界里，宏观物体由大量微观粒子组成。想要实现量子隧穿，所有粒子需要协同一致。但在宏观尺度下，粒子间的相互作用复杂，容易受到干扰，因此宏观世界的量子隧穿概率低到可以完全忽略不计。这就解释了为什么你不能指望自己突然穿过家门前的墙壁——组成你的万亿亿个粒子要同时朝一个方向隧穿，这个概率比宇宙在此刻突然间消亡还要小得多。