人可以穿墙而过？对量子隧穿效应的质疑

　　文/袁玉刚 图/来自互联网
　　量子隧穿效应是一种量子特性，是电子等微观粒子能够穿过它们本来无法通过的＂墙壁＂的现象，又称隧道效应、势垒贯穿。也被个别人夸大为穿墙术。
　　根据经典的观点，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，由于粒子具有不确定性，即使粒子能量低于势垒能量，也有一定的概率出现在势垒之外。粒子能量越大，出现在势垒之外的概率就越高。但这并不是隧穿啊！
　　如果两块金属靠得很近，在1nm以下，金属表面的电子云就会发生重叠，电子之间发生了相互作用。在这两块金属之间加一个电压，就会探测到一个微小的隧穿电流。隧穿电流的大小和两块金属之间的距离有关，这就是扫描隧道显微镜（STM）的基本原理。这也不是隧穿啊！距离如此之近的金属之间在一定电压下有电子交流用经典理论也能解释啊！
　　为什么要用量子隧穿、势垒贯穿这样的说法误导大众呢？
　　1928年，美国物理学家伽莫夫和另外两个科学家分别独立地用数学方法计算粒子的隧穿概率，建立了衰变过程中发射出来的粒子能量和半衰期之间的关系，以此解释阿尔法衰变是由量子隧穿引起的。也就是说，阿尔法衰变是因为量子隧穿效应。这多少有点牵强附会了。
　　任何物质都会衰变。只是衰变的速度有所不同。就像生命诞生后会死亡一样。小原子的衰变速度较慢，大原子的衰变速度较快。阿尔法衰变是大原子衰变方式之一，应该是原子的旋聚力即强作用力无力约束原子核而导致氦核逃逸的现象。用经典理论也可以解释清楚。只是一些人一叶障目不见泰山而已。
　　图1 阿尔法衰变
　　核衰变曲线明确地告诉我们：核衰变一开始是非常快的，后来就变慢了。为什么呢？因为物质表面高能量的阿尔法粒子一开始就逃逸出来了。内部的高能量的阿尔法粒子受到物质中原子的各种制约，逃逸得慢了。并不是阿尔法粒子非要通过隧穿跑出来。
　　图2 氡原子衰变曲线
　　著名的约瑟夫森结已经证明：两端的直流电压为〇时，结中可产生一个超导直流电流，该电流与绝缘体两端相位差的正弦成正比。只要该超导电流小于某一临界电流Ic，就始终保持零电压现象。量子力学认为：这是由超导体中的库珀对的隧道效应引起的。
　　但是，因为没有电压，也没有电阻，超导电流何来？量子力学可以解释为库珀对的隧道效应；经典理论也可以解释为绝缘体两端导体的电子互相握手啊！我们都知道，电流的传递速度是光速，自由电子的运动速度却很小。自由电子并没有穿过约瑟夫森结，也没有电压强迫定向，只是对约瑟夫森结施加了一个力。这个力影响了对面的自由电子，产生位移，形成一个微小的电流。这怎么能叫隧穿呢？
　　图3 约瑟夫森结电流-电压特性曲线
　　好在量子力学的研究者们还敢于面对现实。他们承认：虽然说在理论上，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，实际上几乎是完全不可能的。人类的历史还没有人穿墙成功的纪录。
　　量子隧穿，也许只存在于量子力学科学家们的想象和理论之中。