为什么有人说穿墙是概率问题？搞明白量子隧穿你就懂了

上一回我们说到海森堡和薛定谔分别发现了量子世界的矩阵力学和波动方程，虽然一开始俩人的理论因为不兼容导致相互之间不再来往，但是后来还是被一位叫保罗·狄拉克的天才用量子电动力学把他们的理论给统一了，但是在这之前海森堡的不确定性原理和矩阵力学是哥本哈根学派的代表性理论，稳如泰山没什么风浪，而薛定谔的波动方程却又惹麻烦了。

在薛定谔的论文发表不到一年的时间，学界就有好多物理学家用薛定谔的方程算出了一定概率之下粒子能够穿墻的解，虽说这个概率很小，但是这却一直是笼罩在波函数方程的一个阴影，这个穿墻的解就叫做量子隧穿效应，也叫量子隧穿解方程，有时候是会解出一些奇怪的解，这种事儿很常见，这在物理学界也算默认的潜规则，毕竟波函数方程绝大部分时候是很好用的，你总不能因为这点事儿就全盘否定了这个解，我们该用还是要用的，至于这个问题我们以后还可以慢慢解决。

说到穿墻很多人可能都会觉得说这个事情肯定是有点扯，对面一堵墻我怎么过得去，除非是茅山道士会穿墻术，但那个都是胡扯，我们都知道变魔术都是假的，真实世界是没有人可以穿墻的，但是你把墻砸个一人高的窟窿然后大摇大摆地走过去那是另一回事，咱说的穿墻肯定是指在不破坏墻的前提下穿过去，虽说微观世界和宏观世界存在很大区别，但是薛定谔的波动方程可不只是说粒子可以穿墻，你把人的数据带进方程里也是可以解出穿墻的解的，这个概率我会在文末说。

稍微了解一点量子物理的人可能都知道其实微观世界是很空旷的，原子内部99.95%的质量来源于原子核，而原子核的体积却只占整个原子的10的15次方分之一，要知道一个原子的内部可没什么东西，就一个原子核加几个电子，那电子就更小了，电子可以说根本就没什么体积，10的15次方分之一这是什么概念，就约等于说你一个人住在一亿平方公里的区域里，要是这么说你还是没什么概念的话那我再说个数据你就明白了，地球的表面积大概是5亿平方公里，这就相当于地球的五分之一面积都是你的家，你就知道这是多大地方了吧？

泡利不相容原理显然就是一个叫泡利的物理学家发现的，沃尔夫冈·泡利出生于1900年，和海森堡差不多大，也是个天才少年，他19岁还在慕尼黑大学读研究生的时候爱因斯坦曾去过那里作报告，而泡利居然就敢站起来直接指出爱因斯坦的错误，当然爱因斯坦其实也很欣赏这位年轻人，20岁的时候泡利写了一本《广义相对论》，爱因斯坦评价说泡利是把广义相对论讲得最明白的人，泡利后来在哥本哈根和海森堡一起工作过一年，也算是哥本哈根学派的一员。

泡利在25岁的时候就提出了这个可以解释整个化学的泡利不相容原理，这个解释了整个化学是个什么概念，比如说水是H2O，我们都知道一个水分子是由两个氢原子和一个氧原子构成的，那么氢原子内部又是什么？是什么造成了氢和氧的区别？其实就是因为氢结构很简单，就是由一个质子和一个电子构成的，宇宙中只要有个电子和质子它俩就可以成为一个氢原子，这就是为什么宇宙中数量最多的元素就是氢的原因，而氧原子就复杂得多了，它内部包括有8个质子8个中子，原子核外还有8个电子，这就是一个大家庭，要这么多人聚在一起才能形成一个氧原子，所以氧原子要比氢稀有得多，而泡利不兼容原理就解释了为什么氢原子的内部这么简单，而氧原子内部却这么复杂。

你可以把原子当做是一块地，而这些电子质子都是住进来的人，人住进来光有地可不够，首先就是要盖房子，这个房子就把地给占满了，虽然一个人占不了多大地方，但是房子占地很大，而这个房子就是电磁相互作用力，泡利就说这些电子们把房子盖得都很大，所以当有新的电子想要在这块地生活的话那就只能往上盖，因为旁边已经没有地方让你盖房子了，但是问题是你想去二楼还没有楼梯，只能跳上去或者飞上去，这就需要有足够多的能量。所以说低能级的环境下也很容易就可以产生氢这样简单的原子，因为很大一块地里电子只需要盖一层楼，而氧原子内部竞争就比较激烈，后进来的电子们就只能携带更多的能量，然后继续往上盖房子才能住进来。

我们之所以穿不了墻，一冲过去就会被撞回来，本质上来说我们没有撞上任何东西，而是我们身上带负电的电子和墻上的带负电的电子之间在距离达到一定临界值的时候发生了电磁相互作用相互排斥，我们是被一种力给弹回来的，你如果想要穿墻那你就必须要有足够高的能量，这么看来物质的本质其实就是一种力。

我们知道了虽然原子的内部非常的空旷，但是泡利不相容说了，在电子的世界里这个地方我占了你就不能再来了，方圆几千万平方公里都是我的地方，想来可以自己飞上去盖房子，既然如此薛定谔的方程里能够解出穿墻的解那肯定是个BUG，但是到了1928年当时24岁的美籍俄裔物理学家乔治·伽莫夫提出这个穿墻的解不应该被舍弃，因为量子隧穿效应其实对应了真实存在的物理现象，粒子即使在能级不足的情况下也是可以穿墙，比如说量子隧穿现象就解释了为什么原子核会衰变。

在原子的外部，一旦在巨大能量的作用下冲破电磁相互作用的排斥之后，马上就会被内部的强相互作用力接纳并且牢牢地聚集在一起，除非有更强的力才能把他们分开，这种力就是核裂变。原子核自己在没受到力的情况下居然可以诡异的自己衰变这个就确实很奇怪，伽莫夫是物理学家肯定不是光嘴上说说，他就通过一系列理论计算把原子核衰变的概率和量子隧穿的概率一对比发现正好吻合，这个时候物理学界就意识到了这个量子隧穿很可能是一个宇宙中很普遍存在的现象，只是我们之前都没注意到。

核聚变我们都知道，那是发生在恒星内部的巨大的能量释放的过程，由于恒星的质量非常大所以在引力的作用下其核心部分就会受到非常强的挤压，甚至突破电磁力把两个原子核都挤压到一起，这就相当于把地球挤压成皮球那么大，但是经过计算科学家就发现太阳内部的温度是不足以产生核聚变的，之所以太阳内部会产生核聚变恰恰是因为有量子隧穿，太阳核心在能量不足的情况下因为量子隧穿效应使得低能级的量子摆脱了强大作用力的束缚，使得本不足以聚在一起的原子核通过隧穿偶尔会诡异的聚在一起产生核聚变，这也就是为什么太阳可以持续燃烧百亿年的原因。

因为量子隧穿是个小概率事件，太阳的核心不是所有的粒子都在发生核聚变，而是只有少部分粒子在一定概率下发生了量子隧穿效应才会产生核聚变，而质量大于太阳数倍的恒星很可能只需要几百万年就燃烧殆尽，换句话说我们今天能沐浴在阳光下也是亏得有量子隧穿，如果不是有量子隧穿太阳就只会成为一颗巨大的气体星球。

另外还有植物的光合作用、细胞能够呼吸、以及DNA的自我修复都和量子隧穿有关，甚至宇宙万物的起源可能都和量子隧穿效应有关，之前我们讲过熵的概念，按照宇宙大爆炸理论一开始宇宙就应该是均匀扩散的，后来怎么就突然变得不均匀了？这个也只能是因为量子隧穿随机制造了不均匀，就因为这点点不均匀创造了如今的宇宙。

但是为啥我们人类无法穿墻？既然波函数解出了这个解凭啥对我们不适用？其实道理很简单，波函数解出来的是个概率，我们不是穿不了墻而是能够穿墻的概率太低，你从现在开始每秒钟撞一下墻，如果运气好的话差不多200亿年可能会成功一次。

以前我们都觉得说这个数学可能就是我们用来了解宇宙的工具，然而直到薛定谔的方程解出穿墻的解我们才发现原来数学是制定宇宙法则的标杆，方程说有穿墻的解那就是能穿墻，不是你觉得不合理你就可以舍掉的，数学说存在的东西就一定存在，反过来说数学不允许存在的东西应该一定就不存在。

但是数学不允许有不确定性为什么量子力学就是有不确定性？这也是物理学家们对此存在争议的原因，既然量子隧穿存在的证据无可辩驳，那么形成它的原因又是什么？为什么有的电子就遂穿了有的电子就没有？这些问题依然无法解释，还是不确定的，你能算出这个概率，但是却还是无法知道具体到底是哪个电子会遂穿，又是哪个电子为什么它就不遂穿，这个至今依然是个迷，还是个概率。

通过对量子世界的了解我们就会发现原来我们平时认识的这个世界其实根本不是这个世界真正的样子，你以为你以为的根本不是你以为的，这个世界其实没有什么事情是不可能，我们所常说的所谓不可能其实只是因为它发生的概率太低而已（所以我有理由相信我一定能实现小目标，至少比我穿墙的概率是要高的吧）。