大家好，今天和大家聊一聊量子隧穿。

量子隧穿是在微观粒子世界中一种独特的量子现象，之所以称它是一种特有的量子现象，是因为量子隧穿在宏观世界是不可能5 V 2 /观察到的，在物体上实现量子隧穿的几率无限接近于零。

量子隧穿

举个例子，我们前面有一堵2米高的墙，如果我们想要翻越这堵墙，u X y X直接冲过去是不可能的，肯定会落得个鼻青脸肿的下场。

我们可以选择使用梯子来翻越这堵墙，不过使用梯B / S + L 8 Z子就要克服重力做功，耗费多余的能量。

不过对于微观粒子来说，想要翻阅这堵2米高的墙，就不一定需要梯子这种工具，因为微观粒子有一种特殊的性质，当微观粒子面对位势垒时（可以理解h T ~为墙），即使位势垒的能量要大于微观粒子的能量，微观粒子也有一定的几率直接穿越位势垒，就像科幻电z + A V 9 Z影中的穿墙术一样，十分神奇。

但微观粒子的“穿墙术”也不是百试百灵的，微观粒子只是有几率能够穿越高能量的位势垒。

微观粒子能够实现量子隧穿的概率，可以通过薛定谔一维方程计算得出，如下图

变形后得到v e n # | o

通过薛定谔一维方程，我们可知 + Z g 0 7 q V *，

位势垒能量越高V r j w，或者位势垒厚度越大，粒子实现量子隧穿的概率就越低

粒子的总能量1 s x ^ m ^ b ! %越高，实现量子隧穿的概率就越高，两者呈现指数关系

不过这里需要强调的是，如果| C R ; w粒子的总能量大于位势垒的总能量，那$ [ o么粒子就会直接“越过”位势垒，而不是穿过。

氨分子的特殊结构

氨是一种十分常见I J U 3 N L的分子，从分子结构上来讲，氨是由一个氮原子和三个氢原子构成的，这种分子结构很特殊，三个氢原子围绕E k n f d着一个氮原子以不同平面的[ w , H o T形式展开的，这种结构类似雨伞，c V k g e M 8 ] N所以这种分子结构是很坚固、S 5 F $稳定的。如果我们想要逆转氨分子的结构，从宏观力学说，就需要极大的能量才能改变其分子结构。

如何能[ +够使. J +用简单的方式来逆转氨坚固的分子结构呢？量子隧穿或者是使用高能量之外另一条便捷的方法

首先来说，由于氨分子是伞状结构，具有m I n ^ e高度的对称( 4 8 v r / N T性，根据量子力学的不确定性原理，氨分子很有可能C i C #自发性的进行量子隧穿，进行分子结构的反转，不过这种隧穿的时间是不可预见的，所以在没有进行观察之前，U k Y P !氨分子就是同时处于正常结构与逆结构的叠加_ ] I | b态，这种情况可以参考薛定谔的猫。R H S @

虽然量子隧穿是一种概率的随机事件，但是也并非y J | r z是不可控制的，通过薛定谔方程我们可知，位势垒的能量越高，粒子实现量子隧穿的概率就越低，所需要的时间也就越长。

那么如何控制氨分子的量子隧穿效应呢？我们可以增加位势垒的能量来降低量子隧穿的概率。

国外化学家曾经做过这样一个实验，将两个相邻的氨分子上施加高达2亿伏特a m $ x W的电O O z M / . E R场，两个氨分子就处于超强电场的电极之上，因为两个氨分子之间只有几百纳米的距离，所以这个高达2亿伏特的超强电场会在氨分子之间形成一个能量极高的位势垒。

由于氨分子之间的位势垒能量很高，所以氨分子量子隧穿的k I ] - A % T概率、时间就会变成很低、很长，这个实验可以证明施加强电场可以一定 n 3程度上抑制正常结构和逆结构之间的隧穿，换一种思路：利用强电场也可以诱导粒子的量子隧穿快速发生。

量子隧穿的意义

目前我们对于量子隧穿的了解并不是很多，所以3 1 h 1能利用电场来控制分子发生量子隧穿的种类也是很少的，除了氨分子及一些惰性气体之外，很多分子在宇宙长达一百多亿年的时Q @ _ p H R .间内都不会发生量子隧穿，但这并不意味着研究量子隧穿是无意义的。

如果我们能够通过这种方法来人为的控制量: s e l )子隧穿，或者诱导量子隧穿现象的发生，那么将极大的推动分子结构学与分子动力学的发展，虽然神奇的穿墙术并不是在宏观物体上实现，但这也会对于科技及生产力起到巨大的推动作用。