大家好，今天和大家聊一聊量子隧穿。

量子隧穿是在微观粒子世界中一种独特的量子现象，之所以称它是一种特有的量子现象，是因为量子隧穿在宏观世界是不可能观察到的，在物体上实现量子隧穿的几率无限接近于零。

量子隧穿

举个例子，我们前面有一堵2米高的墙，如果我们想要翻越这堵墙，直接冲过去是不可能的，肯定会落得个鼻青脸肿的下场。

我们可以选择使用梯子来翻越这堵墙，不过使用梯子就要克服重力做功，耗费多余的能量。

不过对于微观粒子来说，想要翻阅这堵2米高的墙，就不一定需要梯子这种工具，因为微观粒子有一种特殊的性质，当微观粒子面对位势垒时（可以理解为墙），即使位势垒的能量要大于微观粒子的能量，微观粒子也有一定的几率直接穿越位势垒，就像科幻电影中的穿墙术一样，十分神奇。

但微观粒子的“穿墙术”也不是百试百灵的，微观粒子只是有几率能够穿越高能量的位势垒。

微观粒子能够实现量子隧穿的概率，可以通过薛定谔一维方程计算得出，如下图

变形后得到

通过薛定谔一维方程，我们可知，

位势垒能量越高，或者位势垒厚度越大，粒子实现量子隧穿的概率就越低

粒子的总能量越高，实现量子隧穿的概率就越高，两者呈现指数关系

不过这里需要强调的是，如果粒子的总能量大于位势垒的总能量，那么粒子就会直接“越过”位势垒，而不是穿过。

氨分子的特殊结构

氨是一种十分常见的分子，从分子结构上来讲，氨是由一个氮原子和三个氢原子构成的，这种分子结构很特殊，三个氢原子围绕着一个氮原子以不同平面的形式展开的，这种结构类似雨伞，所以这种分子结构是很坚固、稳定的。如果我们想要逆转氨分子的结构，从宏观力学说，就需要极大的能量才能改变其分子结构。

如何能够使用简单的方式来逆转氨坚固的分子结构呢？量子隧穿或者是使用高能量之外另一条便捷的方法

首先来说，由于氨分子是伞状结构，具有高度的对称性，根据量子力学的不确定性原理，氨分子很有可能自发性的进行量子隧穿，进行分子结构的反转，不过这种隧穿的时间是不可预见的，所以在没有进行观察之前，氨分子就是同时处于正常结构与逆结构的叠加态，这种情况可以参考薛定谔的猫。

虽然量子隧穿是一种概率的随机事件，但是也并非是不可控制的，通过薛定谔方程我们可知，位势垒的能量越高，粒子实现量子隧穿的概率就越低，所需要的时间也就越长。

那么如何控制氨分子的量子隧穿效应呢？我们可以增加位势垒的能量来降低量子隧穿的概率。

国外化学家曾经做过这样一个实验，将两个相邻的氨分子上施加高达2亿伏特的电场，两个氨分子就处于超强电场的电极之上，因为两个氨分子之间只有几百纳米的距离，所以这个高达2亿伏特的超强电场会在氨分子之间形成一个能量极高的位势垒。

由于氨分子之间的位势垒能量很高，所以氨分子量子隧穿的概率、时间就会变成很低、很长，这个实验可以证明施加强电场可以一定程度上抑制正常结构和逆结构之间的隧穿，换一种思路：利用强电场也可以诱导粒子的量子隧穿快速发生。

目前我们对于量子隧穿的了解并不是很多，所以能利用电场来控制分子发生量子隧穿的种类也是很少的，除了氨分子及一些惰性气体之外，很多分子在宇宙长达一百多亿年的时间内都不会发生量子隧穿，但这并不意味着研究量子隧穿是无意义的。

如果我们能够通过这种方法来人为的控制量子隧穿，或者诱导量子隧穿现象的发生，那么将极大的推动分子结构学与分子动力学的发展，虽然神奇的穿墙术并不是在宏观物体上实现，但这也会对于科技及生产力起到巨大的推动作用。