解释:什么是量子隧道?

在最小的尺度上，世界是怪异的。当事物缩小到原子大小时，支配我们宏观世界的力学就不再适用了。

根据量子定律，电子既可以表现为粒子，也可以表现为波，物体可以同时处于不同的状态——这是一种现象量子计算机利用他们的优势。科学家们在分析量子数学时发现的最奇怪的事情之一是隧道。

什么是量子隧道?

想象一下，将一个量子力学粒子，如电子或质子，释放到势能山一侧的空间中。既然你确定粒子无法逃逸——它没有足够的能量翻越山丘——你就让它自行其是吧。

但是当你回去检查它的时候，粒子不见了。你发现它快乐地坐在山的另一边，径直穿过它。穿隧粒子可以简单地穿过它们没有能量去超越的能量屏障。

听起来与你所认为的物理定律相悖吗?这就是1927年首次发现它的科学家们的想法。今天，我们知道隧道在量子世界中相当普遍。半导体、晶体管和二极管都离不开它。

近一个世纪后的今天，挖掘隧道仍令人惊喜不已。就在四年前，研究人员发现水被限制在水晶通道隧道在对称簇中——这是一种非常奇怪的现象，它的发现者称之为“水的新状态”。

我们怎么知道这是真的?

挖隧道是太阳照耀的原因。

大多数恒星将质子聚变成氦核，在这个过程中释放出巨大的能量。问题是，虽然我们的太阳很热，但它还不足以给太阳的质子足够的能量来克服它们之间的静电斥力。但是极小的隧道概率——十分之一²⁸-意味着一些粒子仍然能够通过它们的排斥屏障。

由于太阳有大量的氢，这个微小的概率转化为10³⁸每秒发生的核聚变事件产生的光和热足以使地球上的生命成为可能。

它是如何工作的?

隧穿实际上是一个可怕的词，因为这个词让人联想到粒子钻穿墙壁的图像。但没有洞、隧道或任何其他类型的开口。

相反，我们需要使用量子力学领域同样的货币:概率。一个粒子可以被描述为一个振荡波，它的振幅表示在某个地方找到它的概率。当遇到障碍时，这种波不会突然结束。相反，它继续在势垒内部和远端，尽管振幅较小。

隧穿是指在势垒的远端发现粒子的概率。粒子越轻，势垒越小越窄，这种情况就越可能发生。

这听起来像是物理学。化学家为什么要关心这个问题?

合成化学家倾向于忽略隧穿效应。然而，它可以驱动原本不会发生的反应。

星际云很冷(低于- 250°C)，不应该发生任何反应，但它们含有水和甲醛，这些化合物很可能是通过隧道反应形成的。

科学家对隧道的研究越多，发现的案例就越多。整个三氟甲基在量子中是巨大的已经被发现偷偷穿过能量屏障。氢原子可以长距离隧道．甚至还有两个氢原子穿隧在串联。

一些研究人员希望用控制反应过程中动力学和热力学参数的方法来控制隧穿。这可能会导致一些意想不到的反应性和选择性．

还有一些应用程序如果没有隧道就不存在，比如扫描隧道显微镜，使化学家可以看到单个原子。

挖隧道听起来很棒。我也能挖隧道吗?

从技术上讲，你可以。但隧道概率对物体质量极其敏感。一个电子重9 × 10^-31年公斤，一个人70kg左右。

杰克·弗雷泽，牛津大学物理系毕业生写了“即使有一万亿人撞墙，自宇宙形成(138亿年前)以来，每秒钟会有一万亿次，但其中一人撞墙的可能性仍然很小，(几乎)为零。”

但是，虽然一个完整的人永远不可能挖隧道，但我们的身体内部可能正在发生大量的隧道挖掘。一些研究人员认为酶——尤其是那些激活碳氢键的酶——促进了氢原子隧穿。

其中一种酶是乙醇脱氢酶。它将乙醇转化为乙醛这种化合物会导致彻夜饮酒后头痛、头晕和恶心。所以，下次你宿醉不醒的时候，可以安慰一下，这都是量子化学的问题。

确认

感谢德国吉森大学的Peter Schreiner的有益讨论。