你要有诺贝尔物理奖的“量子隧穿”术，会去抢银行吗？

今年诺奖的量子隧穿早在四十年前就已经被发现了，只是今年的诺奖为了表彰其对人类科学文明所做的贡献才姗姗来迟。

量子力学里有很多古怪的现象，比如说薛定谔既死又活的猫，爱因斯坦鬼魅般的超距作用，还有今年的诺贝尔物理学奖，量子隧穿。

100多年前，量子力学刚刚起步，当时的物理学界乱成一团，最主要的问题是很多物理实验单独来看都是对的，都没问题，但是放到一起就相互矛盾了。传统物理和量子理论相互冲突，量子力学内部又分成不同学派，争议不断，谁也说服不了谁。

而第一个暂时平息争论的人是奥地利物理学家薛定谔，因为他在1926年，也就是99年前拼凑推导出了一个数学方程（薛定谔方程），代入数据计算以后发现双缝干涉能级跃迁，各种各样传统物理解释不了的现象，都和这个方程完美吻合，它的出现至少是平息了数学上的混乱。薛定谔也因为这个方程，获得了1933年的诺贝尔物理学奖。

方程解决了很多问题，但也带来了新的麻烦。有些计算结果在现实中是根本不可能发生的，比如说计算一下微观粒子遇到障碍的时候会怎么运动，这本来是一个极其简单的问题，就像是说你把一个小球扔向墙壁，那小球会怎样运动呢？

不用真的去扔，你也知道小球会被墙壁阻挡，反弹回来，无论是扔100次还是扔1万次，结果都是一样的。

但方程计算的结果却是不一定。

方程给出的结论是把同样的一个小球扔向墙壁，有时候它会反弹回来，有时候它会出现在墙壁的另一侧。而且不管粒子的能量有多小，墙壁的阻碍有多大，方程的解都不为0。

粒子出现在墙另一侧的概率永远都不为零。

也就是说在量子世界里微观粒子都会穿墙术，就像是墙里面临时出现了一个隧道，让粒子穿过去了，所以叫做量子隧穿。

但实际上墙又是完好无缺的，并没有出现任何通道。这个数学结论实在是太奇怪了，这都不是反直觉而是反常识了。

不过毕竟数学是数学，现实是现实，有些数学结论别当真，别管它，忽略掉就行了。就像是纯数学计算的话，时间是没有方向的，方程的解可以是正数，也可以是负数，但现实中我们没见过负的时间，也没见过时间倒流，所以只能说数学上没有错，但现实中并不会发生。

量子隧穿也是一样，遇到这样诡异的数学结论，忽略掉就行了。

但是没过多久就有人发现，这个结论好像不能随便忽略掉，量子隧穿可能是真的。

1928年物理学家伽莫夫在研究原子衰变的时候遇到了困难，传统的物理理论根本解释不了原子的衰变，直到他把问题带入薛定谔方程，所有的数据一下子都对上了。

量子隧穿的概率正好对应原子的半衰期，这时这个数学结论就不能随意舍弃了。物理学家开始认真对待这个问题，他们拿着薛定谔方程，把其他各种问题都算了一算，结果发现量子隧穿不但是真的，而且无处不在。

比如说太阳发光发热是因为核聚变，而所谓的核聚变其实就是两个小的原子核聚合到一起，变成了一个大原子核，同时释放出了巨大的能量。

但核聚变的触发是很难的，因为原子核都带正电，同性相斥，两个原子核靠近的话，它们之间的排斥力是非常大的，要让两个原子核突破阻力聚合到一起，就需要足够的压力和温度。

这就是为什么氢弹虽然是聚变反应，却需要先靠原子弹裂变反应向内挤压产生超强压力和热能，氢弹才会聚变并爆炸一样。

然而，理论上想要触发核聚变，温度要达到“百亿度”的级别，而太阳内部的温度只有1,500万度，远远达不到标准，太阳在只有1,500万度的情况下为什么可以发射核聚变？

按理说两个原子核应该是突破不了中间那堵墙的，而这种情况下还能触发核聚变，就是因为量子隧穿，让原子核有一定的概率突破，阻碍穿墙而过。也正是因为这样，太阳才能缓慢的燃烧长达100亿年。

如果温度真的高到不需要隧穿，那核反应的速度是非常快的，太阳内部的燃料早就烧光了。例如氢弹这种核聚变爆炸，就闪了那几秒，而太阳却燃烧了50亿年，并且还要再燃烧50亿年。

现在太阳之所以能够刚刚好不快不慢的稳定燃烧，就是因为量子隧穿。此外，还有黑洞辐射也是因为量子隧穿，包括基因突变，光合作用，人体的代谢也都和量子隧穿有关。

微观粒子的“穿墙术”其实无处不在。而我们之所以觉得这件事反直觉、反常识，最主要的原因是每当我们说到原子、质子、电子的时候，总是会不由自主地把它们想象成一个一个实体的小球。

如果说一个小球可以莫名其妙的穿墙而过，那谁都接受不了。但真实的例子并不是这样的，只要谈到量子力学，永远都要记住一个词，波粒二象性。

光子、电子、质子，所有的微观粒子都有波粒二象性，它们既是一种粒子，同时也是一种波，说起来这大家好像都知道。

如果我们从波的角度来看，很多量子现象就容易理解一点了，比如说手机信号是电磁波可以穿墙，声音是声波，也能穿墙。而光子在粒子形态下，也能穿过玻璃。

不过量子力学里所说的波是一种“概率波”，和声波、电子波还是有区别的。

假如说声波穿墙以后，强度只剩下了5%，那意思就是墙的阻挡造成了声音的衰减，只剩下5%渗透过去了。

而量子隧穿说的就不是这个意思了，假设同样是5%的穿墙率，不是说有100个粒子去撞墙，最终剩下5个会穿过去。而是说同一个粒子撞墙100次，其中有95次会被阻挡反弹回来，还有5次会传过去，不是能量衰减到了5%，而是出现在墙另一侧的“概率”是5%，方程计算出来的结果和实际发生的事实完全一致。

并且不只是微观粒子，其实所有的东西都有波粒二象性，也都可以发生量子隧穿。你把一个人的质量带入到薛定谔方程，也能算出一个不为0的解。也就是说一个人不停的撞墙，理论上也是有可能穿墙而过的，只不过这个概率实在是太小太小了。

我们没见过宏观物体的穿墙术，最主要的原因就是质量太大了，质量增加一点点，概率就会指数级降低。也就是说“质量与概率成反比”，质量越大，隧道效应的概率越小，并且是指数级的降低。

当然，中国古代也有流传穿墙术的说法，但如果我们要说“量子隧穿”起源于中国古代的“崂山道士穿墙术”，那就是个十足的笑话了……

另外单个的粒子更容易隧穿，还有一个原因是它不需要和别人协调，自己穿自己的就行了。如果是很多例子在一起就太乱了，每个例子都有自己的波函数，就像是有的往东，有的往西，不能协调统一起步走，就穿不过去，就算真的可以同步，也要能保持住才行。

但外界环境里的一粒灰尘，一个光子，任何一点点的轻微扰动都会破坏这种同步，所以真正让一个宏观物体穿墙而过，几乎是不可能的。

宏观物体还是不能穿墙，不过把微观的量子现象放大到肉眼可见的宏观尺度上，早就有人做到了。

获得今年诺贝尔奖的三位科学家，就是因为这个事情他们用的是一个几毫米大小的超导电路，这已经是一个肉眼可见的宏观物体了。

换言之，约翰·克拉克教授带领他的团队花费了四十年的时间，让“薛定谔的猫”来到了可触摸的量子世界。

为了实现这一现象，他们彻底切断一切外界干扰，实验的时候需要放入到真空腔体里面，再加上光学隔离、振动隔离、电磁屏蔽等等，然后再把温度降低到零下273度左右。在这样极端的环境下，超导材料里的电子就不再各自乱动，而是两两组合，大家步调一致，同时行动，就像是整个电路合在了一起，变成一个巨大的粒子，实现了宏观层面的量子隧穿。

尽管这些实验其实都是40多年前的事了，并且论文早在1985年就发表了，只不过在当时暂时没找到实际的用途。

一直到最近几年量子比特量子计算机的发展才真正用到了这个技术，让实验室里的神奇现象变成了改变世界的关键技术。量子隧穿理论用了四十年时间从实验室走向应用产业，所以才获得了今年的诺贝尔物理学奖。

这包括微波电路、雷达系统、闪存、量子点测器、超高灵敏度磁场、光学探测、量子通信、量子计算等等，并且对重塑产业格局带来了新的发展思路。例如九章量子计算机、google的悬铃木、IBM的百位元量子计算机等，他们的“量子比特”都是约瑟夫森结出来的，也就是控制量子态的关键，它必须依赖宏观量子隧穿的特征才能工作，而诺奖奖励的就是这条技术路线是可行的。

再回过头来看看薛定谔方程，这本来只是薛定谔在当时为了解决其他问题临时拼凑出来的，他自己也不知道这里面有什么物理含义，方程算出来的很多结论，他自己也都是不相信的，所以才弄出一个薛定谔的猫来讽刺这些现象。

但现在我们知道这些都是真的，不管你信或不信，数学往往都是对的！

那么好了，问题来了，假如给你“穿墙术”，你最想干什么呢？😂