没有量子隧穿效应，就没有五彩缤纷的生命

明曲

没有量子隧穿效应，就没有五彩缤纷的生命

土行孙遁土行走，崂山道士穿墙而过，在宏观世界里，只能是永远的神话。然而在微观世界，“量子穿墙术”时刻在发生。   

   

曾有印度真人穿墙第三次没有成功嵌在墙里的报道   

     一个人要到达一座山的另一边，需要从山脚爬到山顶，又从山顶下到另一边山脚。但是，如果你是一个“量子人”，就不用那样费劲，可以直接穿山而过。一个微观粒子，能够穿透比它强得多的能量壁垒，就好像有人帮它挖了一个隧道似的，所以这种效应被科学家趣称为隧道效应，或者称为量子隧穿效应。

     当然，量子隧穿具有概率性。简单地说，一个微观粒子面对比它高的能量势垒，有时能够穿透，有时不能穿透；或者说，一群粒子面对比它们高的能量势垒，有的能够穿透，有的不能穿透。     

     没有“量子穿墙术”，就没有宇宙万物的进化，更不可能出现生命，也不会有人间的爱恨情仇。

     宇宙形成之初，只有氢和氦两种元素，由于某种不稳定因素造成了星云的形成。星云是氢和氦两种元素的混合体。在引力的作用下，第一代恒星形成。

     随着恒星内部的压力和温度不断增高，两个氢原子核便突破电子层的能量势垒，发生熔合核反应，形成较重的氦元素；当恒星内部压力和温度越来越高，较重的原子核之间，同样会通过量子隧穿的方式，形成更重的元素，如铁元素等。

     熔合核反应中释放出来的辐射能量，形成向外的推力，阻止了进一步的引力坍缩。如果没有量子隧穿，就不会形成较重的元素来抵抗恒星内部极端强大的压力和高温，氢和氦两种元素就会被“压碎”成为纯能量形式，恒星也会很快就坍缩消失。

     恒星才是真正的炼金炉，从锂元素开始的一百多种元素，都是恒星内部核聚变的产物。有的恒星到达晚年，会发生大爆炸，大量的重元素被抛射出来，为生命的形成做了物质准备。

     存在于原子核外的电子，会形成一道坚固无比的能量墙壁——电能势垒。我们站在地板上，之所以不会掉下去，全靠核外电子构筑起来的能量长城。我们实质上是漂浮在原子核上面。

     有了这道坚固的能量墙壁，外物就无法穿透。但是，量子隧穿效应允许电子穿透到另外一个原子的一边。两个原子在条件合适的情况下，可以共享一个电子。原子与原子之间，正是通过共享电子的方式形成分子或化合物。可以说，没有量子隧穿效应，就没有化学反应，也就没有构筑生命的有机物。

     总而言之，没有量子隧穿，就没有多彩多姿的物质世界，也不可能出现五彩缤纷的生命。

     量子隧穿与我们的生活息息相关。植物的光合作用，之所以那样高效，是因为叶绿素巧妙地运用了量子隧穿效应；动物的鼻子之所以能够闻到气味，也是因为嗅觉细胞运用了量子隧穿效应。

                  光合作用  

     量子隧穿对于生命世界的形成功不可没，但也会给人类的高科技带来烦恼。芯片是手机的核心部位，就像人类的大脑，能量消耗巨大。芯片做得越小，运算速度就会更快，耗能也就会越小。现在的手机芯片，大都在5至7纳米，运算和耗能的体验已经非常好了。

     但是，现在的智能手机，一天就要充一次电，仍然不理想。

     能不能将芯片做得更小一些呢？

     这个太难了！

     不是因为制作技术的限制，而是到达3纳米以下尺度，量子隧穿效应开始明显起来，电子便无法正常执行运算功能。量子隧穿效应，决定了电子芯片存在着一个无法逾越的极限。

     美国疯狂地封锁华为，其实并可怕。他们的芯片已经到达了极限，中国只要去除浮躁，沉着应战，通过10到15年的技术积累，5纳米芯片一定不是梦。

转自：量子科学