最近，2025年诺贝尔奖陆续揭晓。其中本年度诺贝尔物理学奖被授予John Clarke、Michel H.Devoret、John M.Martinis三位量子物理学家，以表彰他们发现了宏观量子隧穿效应和电路中的能量量子化，而 今年也恰好是“量子力学”一词诞生100年。

简单来说，量子隧穿效应是指，微观粒子有一定概率穿越高于自身能量的势垒的现象。

感觉有点儿混乱？让我们先从了解“量子”是什么开始。

[奥] 弗洛里安·艾格纳｜著

邢伊丹｜译

未读·探索家｜出品

01

粒子和波，从基础讲起

说到 “粒子”，我们会想到什么？也许是类似沙粒的东西，或者是一颗西红柿。我们用力把西红柿一个接一个地扔到墙上，墙上就会出现一大片红色的印迹。

我们在谈到 “波”时，想到的是和粒子完全不同的东西。平静的水面可能会因为投下一颗石子而失去平衡——这时就会产生水波。音乐厅里平静的空气可能会因为台上有人开始唱歌而失去平衡——这时就会产生声波。

波的运动方式与“粒子”完全不同。波不会在某一特定时间只出现在某一特定地点，而是会在某一特定时间覆盖不同的地方。波还有一个在根本上区别于粒子的重要特性：可以与其他波叠加。也就是说，两个波可以同时停留在一个地方，可以毫无阻力地相互穿透，并结合成一个整体。此外波还会与自身重叠。

然而，只有波才具有这种特性。一个被踢到墙上反弹的足球永远不会与自身重叠，如果你在停车时试图把自己的汽车叠加到另一辆汽车上，它们不会叠加成一辆更复杂的汽车，而是都被送进维修厂。

这就是经典物理学中粒子的图景。在宏观世界，也就是牛顿构筑的经典力学世界里，一个东西不可能既是粒子又是波。但在微观世界，量子就是一个“既要又要”的存在，它既拥有粒子的特性，又拥有波的性质。这是一切的前提。

02

量子隧穿效应和“穿墙术”

《聊斋志异》里有个有趣的故事，讲的是一位名叫王七的书生，听闻崂山有仙人，便上山求道。好不容易从崂山道士那儿学会了穿墙术，回家向妻子炫耀时，却一头撞在墙上，闹了笑话。小时候看这个故事，只当是奇幻的想象，一笑而过。

量子力学告诉我们，这看似荒诞的“穿墙术”，在微观世界里是真实存在的。

想象一个有起伏的小球轨道。我们放开小球，它就从坡顶滚下来，速度越来越快，它在轨道底部的动能最大。然后，小球滚上坡，速度减慢。假设轨道完美无瑕，不会产生任何摩擦力，小球就会继续向上滚动，能到达的最高点与起点完全相同。如果坡顶比小球的起点高，小球就永远无法越过这个坡道，因为为了到达坡顶，小球拥有的能量必须比它可支配的能量多。因此坡顶是小球的禁区，它不可能到达那里。

但如果将小球换成量子呢？量子既有粒子的性质，又有波的性质，而波可以穿透障碍物——至少是以弱化的形式。如果我们沿着一个微小的轨道发射量子波，也会发生类似的情况：量子波会像小球一样向坡顶攀升。但如果坡足够狭窄，量子波就能穿透山坡并从另一侧射出，好像有一条“隧道”从山丘的一边通向另一边。

当量子波撞击障碍物时，它会被分成两部分：一部分被反射；另一部分穿透障碍物，从另一侧射出。这两部分的大小取决于障碍物的形状和大小。然而，我们无法预测量子位于障碍物的哪一侧——结果纯属偶然。

03

为什么我们不能穿墙，以及为什么我们可以撸猫

组成人体的微粒——电子、原子、分子——都是量子，它们既是波又是粒子，那么我们为什么不能穿墙？为什么在拥挤的火车里我们不能坐在已经有人的座位上？

这里涉及另一位诺贝尔物理学奖得主的理论。沃尔夫冈·泡利，这位理论物理天才，实验物理“杀手”，在1925年，也就是25岁时便提出了量子领域的重要原理—— 泡利不相容。

简单来说： 当我们触摸某些东西时，电子一定会相互接触。然而，根据泡利不相容，它们不可能处于相同的状态（比如相同的位置、相同的能量）。因此 当你试图将电子推到同一个地方时，它们就会相互抵触。这种效应与带电粒子的斥力相结合，使物质变得坚不可摧。当我们撞墙、与人握手或撸猫时，泡利不相容原理都发挥着重要作用。

04

概率波——量子世界的“后门”

然而，量子世界确实为我们留下了一线“希望”。如果你对量子物理有更深入的了解，你会知道，在宏观层面，物质表现出粒子特性还是波动特性是具有一定概率的。

那么，只要我们不断尝试，是不是有可能在极少数情况下实现穿墙而过？

从理论上讲，这并非完全不可能。但如果你计算一下这种情况发生的概率，就会发现这样的尝试毫无意义：一方面，目标物体越大，隧穿效应的成功概率就越低——而我们比微观粒子大得多；另一方面，障碍物越厚，成功概率就越低——一堵墙比原子核中的能量势垒厚得多。单纯从数学角度来看，人类穿墙而过的概率低得几乎可以忽略不计。

即使我们不停地尝试，直到太阳或地球消亡，我们也没有一点儿机会穿墙而过。

因此，当你发现丢了钥匙时，无论你多么了解量子物理学，都最好找锁匠来解决问题。

-本期话题-

大胆预言，你觉得穿墙术可以实现吗？

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撰文｜333

编辑｜泰若克塔

封面｜《蚁人2》