加载中…量子理论（6）量子隧穿与不确定原理
(2018-04-18 18:19:48)
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光具有波状的一面的后果之一就是它明显具有跳跃空隙的能力。例如，以浅角度穿透玻璃块的光线被远处的空气屏障有效地困在玻璃内，除非第二个玻璃块靠近玻璃(但不接触)。由于波的传播特性，其中一些穿透了空气屏障，如果遇到更多的玻璃，它可以继续，从而明显地跳过空气间隙并逃离了它的监狱。
类似的事情发生在亚原子尺度上，当α粒子在放射性衰变期间试图从不稳定的原子核中逃逸。这些粒子被核力有效地固定在原子核中，原则上不应该逃脱。然而，它们使用称为量子隧道效应的过程来逃逸，该过程利用粒子的类波状一面，而且还具有被称为“不确定性”的更一般的现象(我们将在下面更详细地看到)。
由于粒子的类波的一面，以及用概率波来描述物体的能力，正如我们已经看到过的，量子物理学预测有一个有限的概率，一个物体被困在障碍物后面（没有克服障碍的能量）有时可能会出现在屏障的另一边，而不是真正地克服它或打破它。例如，如果一个电子接近一个电场并被它排斥，尽管有它的可能性，但很小，它还是会发现自己在电场的另一边(见下图)。
图：量子隧穿势垒
这种在障碍物的另一边被检测到的可能性被称为隧道效应，尽管没有进行实际的物理挖掘。最好的想象是一个宽波接近然后稍微搭接一个障碍物。虽然波的主要部分可能永远不会穿透障碍物，但它的一小部分会穿透障碍物，从而允许产生波的粒子突然位于障碍物的另一边。
不确定性原理是德国物理学家沃纳·海森堡于1926首先认识到波粒二元性的推论。他意识到，用标准光学显微镜观察像电子那样的亚原子粒子是不可能的，不管显微镜多么强大，因为电子小于可见光的波长。他构想出一种假想的显微镜，它使用伽马射线(其波长远小于电子)，而不是可见光。但是，由于伽马射线比可见光能量大得多，它们会以不可预测和无法控制的方式改变电子的速度和方向。因此，在解决问题的某一部分时，必然会产生另一个问题。
事实上，通过他著名的显微镜思想实验，他意识到在某种程度上甚至在标准光学显微镜内也发生了类似的事情。为了测量粒子的位置和速度，可以将光线照射在粒子上，然后检测反射。在宏观尺度上，这种方法工作得很好，但是在亚原子尺度上，撞击亚原子粒子的光子会使它显著移动。因此，尽管该位置可能已经被精确地测量，但是粒子的速度将被改变，并且通过了解该位置，先前已知的关于速度的任何信息已经变得无用。
换句话说，观察的行为本身影响到被观察的对象。
图：海森堡显微镜思维实验阐明不确定度原理的影响
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海森堡意识到，某些成对变量的值不可能两个都是精确的，因此，其中一个变量知道得越精确，另一个变量精确度就知道得越小。如果一个粒子的速度(或者更严格地说是动量)是精确的，那么它的位置肯定是不确定的；反之，它的位置越确定，粒子的速度(或动量)就越不确定。同样，如果一个粒子的能量状态是确定的，那么它就不能确定它在这个状态下的时间(反之亦然)。他用略多一点的数学术语表明，粒子位置的不确定性乘以它的速度乘以其质量的不确定性，永远不会小于一定的量，即普朗克常数。
随着不确定性原理的出现，粒子的位置和速度不再可以说是分开的，而良好的定义是只有一个“量子态”--
一个位置和速度的组合。如果不可能同时知道系统的所有属性的值，那么那些不精确的属性必须用概率来描述。这一原理一举推翻了自17世纪牛顿和拉普拉斯以来所隐含的整个科学决定论理论，并重新定义了物理学的任务，即发现定律，使我们能够用不确定原理预言其所规定的达到事件的极限。
在某种意义上，不确定原理的存在是为了保护量子理论，即如果可以确定地知道原子和粒子的性质，那么它们就会退相干，它们的波行为和干涉能力就会因此被破坏。因此，我们对微观世界的认识是有内置极限的，大自然不允许我们精确地测量我们想要测量的一切。然而，应当指出，这并不是因为实际测量不精确(技术先进到可以作出正确的测量)；相反，粒子可测的量(质量、速度和位置)的模糊是自然本身的基本性质，不取决于粒子的类型或测量方法。
图：一个失去能量的电子应该落入原子核中。
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那么，回到早先的问题(回到原子理论早期发展的一节中)，为什么轨道电子不损失能量并螺旋进入原子的原子核，这是不确定原理防止电子过于接近原子核的原因。如果一个电子离得太近，那么它在空间的位置将是非常精确已知的，因此它的速度是非常不确定的，它会获得巨大的速度，足以确保它不被限制在原子核内。
同样，不确定性原理解释了α粒子如何能够逃逸放射性原子核。在原子核中，α粒子在空间中非常局部化，其位置被精确地钉住。在这种情况下，根据不确定原理，它的速度必须是非常不确定的，可能比我们预期的要大得多，而且可能足以逃脱原子核的拉力。
相反的类似情况说明了核聚变为何可能在太阳中进行，当太阳中的温度实际上比所需巨大的温度低一千倍，所需温度理论上必须为进入的质子提供足够的能量和速度来克服接收氢原子的强排斥电磁力。由于量子隧穿和海森堡不确定原理，即使提供明显不足的温度和能量，质子也能穿透势垒。
不确定原理也解释了为什么一个典型的原子比其中心的原子核大100，000倍.严格地说，不确定原理认为它是一个粒子的位置，它的动量(它的质量乘以它的速度，而不是它的速度)不能同时被确定地知道.因为一个电子的质量比原子核中的质子小2000倍，而且由于它所受的排斥电磁力比原子核中强大的核力弱50倍，这两个因素加在一起，使得电子在其中运动所需的空间约为100，000倍。
图：虚拟电子-正电子对在电子附近随机出现
实上，不确定性原理可以用另一种方式重新表述，即不可能同时测量粒子的能量及其存在的时间间隔。因此，在极小的时间间隔内，都可能存在很大的能量不确定性，某一特定位置的能量含量以及能量来自甚至成对的基本粒子(被称为“虚拟粒子”，因为它们存在的时间太短，不被认为是日常现实的一部分)。甚至可以在表面上空无一物的空间中出现，在消失之前存在一刹那。越多的能量被注入真空中，就会有更多的粒子无缘无故地从真空中冒出来。放进真空中的能量越多，就会有更多的粒子无缘无故地从真空中冒出来。因此，似乎没有空空间这样的东西。
这种现象(粒子不断地进入或消失)，虽然似乎不太可能，但已得到很好的记录，实际上通过观察受到这种现象和消失冲击的现有电子的能量变化而间接观察到这种现象。实际上，产生这些虚拟粒子所需的能量可以从真空中“借用”一段时间，但是反应的净能量仍然为零。因为它们相互抵消，不能说它甚至存在于古典世界，也不能破坏经典物理学的任何定律。
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