上一回我們說到海森堡和薛定諤分別發(fā)現(xiàn)了量子世界的矩陣力學(xué)和波動(dòng)方程，雖然一開始倆人的理論因?yàn)椴患嫒輰?dǎo)致相互之間不再來往，但是后來還是被一位叫保羅·狄拉克的天才用量子電動(dòng)力學(xué)把他們的理論給統(tǒng)一了，但是在這之前海森堡的不確定性原理和矩陣力學(xué)是哥本哈根學(xué)派的代表性理論，穩(wěn)如泰山?jīng)]什么風(fēng)浪，而薛定諤的波動(dòng)方程卻又惹麻煩了。
薛定諤方程奇怪的解
在薛定諤的論文發(fā)表不到一年的時(shí)間，學(xué)界就有好多物理學(xué)家用薛定諤的方程算出了一定概率之下粒子能夠穿墻的解，雖說這個(gè)概率很小，但是這卻一直是籠罩在波函數(shù)方程的一個(gè)陰影，這個(gè)穿墻的解就叫做量子隧穿效應(yīng)，也叫量子隧穿解方程，有時(shí)候是會(huì)解出一些奇怪的解，這種事兒很常見，這在物理學(xué)界也算默認(rèn)的潛規(guī)則，畢竟波函數(shù)方程絕大部分時(shí)候是很好用的，你總不能因?yàn)檫@點(diǎn)事兒就全盤否定了這個(gè)解，我們?cè)撚眠€是要用的，至于這個(gè)問題我們以后還可以慢慢解決。
說到穿墻很多人可能都會(huì)覺得說這個(gè)事情肯定是有點(diǎn)扯，對(duì)面一堵墻我怎么過得去，除非是茅山道士會(huì)穿墻術(shù)，但那個(gè)都是胡扯，我們都知道變魔術(shù)都是假的，真實(shí)世界是沒有人可以穿墻的，但是你把墻砸個(gè)一人高的窟窿然后大搖大擺地走過去那是另一回事，咱說的穿墻肯定是指在不破壞墻的前提下穿過去，雖說微觀世界和宏觀世界存在很大區(qū)別，但是薛定諤的波動(dòng)方程可不只是說粒子可以穿墻，你把人的數(shù)據(jù)帶進(jìn)方程里也是可以解出穿墻的解的，這個(gè)概率我會(huì)在文末說。
原子的結(jié)構(gòu)
稍微了解一點(diǎn)量子物理的人可能都知道其實(shí)微觀世界是很空曠的，原子內(nèi)部99.95%的質(zhì)量來源于原子核，而原子核的體積卻只占整個(gè)原子的10的15次方分之一，要知道一個(gè)原子的內(nèi)部可沒什么東西，就一個(gè)原子核加幾個(gè)電子，那電子就更小了，電子可以說根本就沒什么體積，10的15次方分之一這是什么概念，就約等于說你一個(gè)人住在一億平方公里的區(qū)域里，要是這么說你還是沒什么概念的話那我再說個(gè)數(shù)據(jù)你就明白了，地球的表面積大概是5億平方公里，這就相當(dāng)于地球的五分之一面積都是你的家，你就知道這是多大地方了吧？
泡利不相容原理的解釋
泡利不相容原理顯然就是一個(gè)叫泡利的物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)的，沃爾夫?qū)づ堇錾?900年，和海森堡差不多大，也是個(gè)天才少年，他19歲還在慕尼黑大學(xué)讀研究生的時(shí)候愛因斯坦曾去過那里作報(bào)告，而泡利居然就敢站起來直接指出愛因斯坦的錯(cuò)誤，當(dāng)然愛因斯坦其實(shí)也很欣賞這位年輕人，20歲的時(shí)候泡利寫了一本《廣義相對(duì)論》，愛因斯坦評(píng)價(jià)說泡利是把廣義相對(duì)論講得最明白的人，泡利后來在哥本哈根和海森堡一起工作過一年，也算是哥本哈根學(xué)派的一員。
泡利在25歲的時(shí)候就提出了這個(gè)可以解釋整個(gè)化學(xué)的泡利不相容原理，這個(gè)解釋了整個(gè)化學(xué)是個(gè)什么概念，比如說水是H2O，我們都知道一個(gè)水分子是由兩個(gè)氫原子和一個(gè)氧原子構(gòu)成的，那么氫原子內(nèi)部又是什么？是什么造成了氫和氧的區(qū)別？其實(shí)就是因?yàn)闅浣Y(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，就是由一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子構(gòu)成的，宇宙中只要有個(gè)電子和質(zhì)子它倆就可以成為一個(gè)氫原子，這就是為什么宇宙中數(shù)量最多的元素就是氫的原因，而氧原子就復(fù)雜得多了，它內(nèi)部包括有8個(gè)質(zhì)子8個(gè)中子，原子核外還有8個(gè)電子，這就是一個(gè)大家庭，要這么多人聚在一起才能形成一個(gè)氧原子，所以氧原子要比氫稀有得多，而泡利不兼容原理就解釋了為什么氫原子的內(nèi)部這么簡(jiǎn)單，而氧原子內(nèi)部卻這么復(fù)雜。
你可以把原子當(dāng)做是一塊地，而這些電子質(zhì)子都是住進(jìn)來的人，人住進(jìn)來光有地可不夠，首先就是要蓋房子，這個(gè)房子就把地給占滿了，雖然一個(gè)人占不了多大地方，但是房子占地很大，而這個(gè)房子就是電磁相互作用力，泡利就說這些電子們把房子蓋得都很大，所以當(dāng)有新的電子想要在這塊地生活的話那就只能往上蓋，因?yàn)榕赃呉呀?jīng)沒有地方讓你蓋房子了，但是問題是你想去二樓還沒有樓梯，只能跳上去或者飛上去，這就需要有足夠多的能量。所以說低能級(jí)的環(huán)境下也很容易就可以產(chǎn)生氫這樣簡(jiǎn)單的原子，因?yàn)楹艽笠粔K地里電子只需要蓋一層樓，而氧原子內(nèi)部競(jìng)爭(zhēng)就比較激烈，后進(jìn)來的電子們就只能攜帶更多的能量，然后繼續(xù)往上蓋房子才能住進(jìn)來。
我們?yōu)槭裁创┎涣藟?/h1>
我們之所以穿不了墻，一沖過去就會(huì)被撞回來，本質(zhì)上來說我們沒有撞上任何東西，而是我們身上帶負(fù)電的電子和墻上的帶負(fù)電的電子之間在距離達(dá)到一定臨界值的時(shí)候發(fā)生了電磁相互作用相互排斥，我們是被一種力給彈回來的，你如果想要穿墻那你就必須要有足夠高的能量，這么看來物質(zhì)的本質(zhì)其實(shí)就是一種力。
量子隧穿和原子核衰變
我們知道了雖然原子的內(nèi)部非常的空曠，但是泡利不相容說了，在電子的世界里這個(gè)地方我占了你就不能再來了，方圓幾千萬平方公里都是我的地方，想來可以自己飛上去蓋房子，既然如此薛定諤的方程里能夠解出穿墻的解那肯定是個(gè)BUG，但是到了1928年當(dāng)時(shí)24歲的美籍俄裔物理學(xué)家喬治·伽莫夫提出這個(gè)穿墻的解不應(yīng)該被舍棄，因?yàn)榱孔铀泶┬?yīng)其實(shí)對(duì)應(yīng)了真實(shí)存在的物理現(xiàn)象，粒子即使在能級(jí)不足的情況下也是可以穿墻，比如說量子隧穿現(xiàn)象就解釋了為什么原子核會(huì)衰變。
在原子的外部，一旦在巨大能量的作用下沖破電磁相互作用的排斥之后，馬上就會(huì)被內(nèi)部的強(qiáng)相互作用力接納并且牢牢地聚集在一起，除非有更強(qiáng)的力才能把他們分開，這種力就是核裂變。原子核自己在沒受到力的情況下居然可以詭異的自己衰變這個(gè)就確實(shí)很奇怪，伽莫夫是物理學(xué)家肯定不是光嘴上說說，他就通過一系列理論計(jì)算把原子核衰變的概率和量子隧穿的概率一對(duì)比發(fā)現(xiàn)正好吻合，這個(gè)時(shí)候物理學(xué)界就意識(shí)到了這個(gè)量子隧穿很可能是一個(gè)宇宙中很普遍存在的現(xiàn)象，只是我們之前都沒注意到。
量子隧穿和核聚變
核聚變我們都知道，那是發(fā)生在恒星內(nèi)部的巨大的能量釋放的過程，由于恒星的質(zhì)量非常大所以在引力的作用下其核心部分就會(huì)受到非常強(qiáng)的擠壓，甚至突破電磁力把兩個(gè)原子核都擠壓到一起，這就相當(dāng)于把地球擠壓成皮球那么大，但是經(jīng)過計(jì)算科學(xué)家就發(fā)現(xiàn)太陽內(nèi)部的溫度是不足以產(chǎn)生核聚變的，之所以太陽內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生核聚變恰恰是因?yàn)橛辛孔铀泶?，太陽核心在能量不足的情況下因?yàn)榱孔铀泶┬?yīng)使得低能級(jí)的量子擺脫了強(qiáng)大作用力的束縛，使得本不足以聚在一起的原子核通過隧穿偶爾會(huì)詭異的聚在一起產(chǎn)生核聚變，這也就是為什么太陽可以持續(xù)燃燒百億年的原因。
因?yàn)榱孔铀泶┦莻€(gè)小概率事件，太陽的核心不是所有的粒子都在發(fā)生核聚變，而是只有少部分粒子在一定概率下發(fā)生了量子隧穿效應(yīng)才會(huì)產(chǎn)生核聚變，而質(zhì)量大于太陽數(shù)倍的恒星很可能只需要幾百萬年就燃燒殆盡，換句話說我們今天能沐浴在陽光下也是虧得有量子隧穿，如果不是有量子隧穿太陽就只會(huì)成為一顆巨大的氣體星球。
沒有量子隧穿就沒有現(xiàn)在的宇宙
另外還有植物的光合作用、細(xì)胞能夠呼吸、以及DNA的自我修復(fù)都和量子隧穿有關(guān)，甚至宇宙萬物的起源可能都和量子隧穿效應(yīng)有關(guān)，之前我們講過熵的概念，按照宇宙大爆炸理論一開始宇宙就應(yīng)該是均勻擴(kuò)散的，后來怎么就突然變得不均勻了？這個(gè)也只能是因?yàn)榱孔铀泶╇S機(jī)制造了不均勻，就因?yàn)檫@點(diǎn)點(diǎn)不均勻創(chuàng)造了如今的宇宙。
我們穿墻的概率
但是為啥我們?nèi)祟悷o法穿墻？既然波函數(shù)解出了這個(gè)解憑啥對(duì)我們不適用？其實(shí)道理很簡(jiǎn)單，波函數(shù)解出來的是個(gè)概率，我們不是穿不了墻而是能夠穿墻的概率太低，你從現(xiàn)在開始每秒鐘撞一下墻，如果運(yùn)氣好的話差不多200億年可能會(huì)成功一次。
你認(rèn)為數(shù)學(xué)是確定還是不確定
以前我們都覺得說這個(gè)數(shù)學(xué)可能就是我們用來了解宇宙的工具，然而直到薛定諤的方程解出穿墻的解我們才發(fā)現(xiàn)原來數(shù)學(xué)是制定宇宙法則的標(biāo)桿，方程說有穿墻的解那就是能穿墻，不是你覺得不合理你就可以舍掉的，數(shù)學(xué)說存在的東西就一定存在，反過來說數(shù)學(xué)不允許存在的東西應(yīng)該一定就不存在。
但是數(shù)學(xué)不允許有不確定性為什么量子力學(xué)就是有不確定性？這也是物理學(xué)家們對(duì)此存在爭(zhēng)議的原因，既然量子隧穿存在的證據(jù)無可辯駁，那么形成它的原因又是什么？為什么有的電子就遂穿了有的電子就沒有？這些問題依然無法解釋，還是不確定的，你能算出這個(gè)概率，但是卻還是無法知道具體到底是哪個(gè)電子會(huì)遂穿，又是哪個(gè)電子為什么它就不遂穿，這個(gè)至今依然是個(gè)迷，還是個(gè)概率。
這個(gè)世界是你認(rèn)為的世界么
通過對(duì)量子世界的了解我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)原來我們平時(shí)認(rèn)識(shí)的這個(gè)世界其實(shí)根本不是這個(gè)世界真正的樣子，你以為你以為的根本不是你以為的，這個(gè)世界其實(shí)沒有什么事情是不可能，我們所常說的所謂不可能其實(shí)只是因?yàn)樗l(fā)生的概率太低而已（所以我有理由相信我一定能實(shí)現(xiàn)小目標(biāo)，至少比我穿墻的概率是要高的吧）。
