简单地说，量子隧穿效应是指微观粒子可以穿过一堵比自己还高的墙。这是一种量子效应，用经典的观点可能很难理解。但结合量子力学中波动性的观点，用薛定谔方程可以很容易地解出来。

　　我们可以先想象一下经典的情况。如果面前有一堵墙，我们想翻墙而过，必须具有足够的能量跳过去。如果能量不够，我们是绝不可能出现在墙的另一面的。但在量子世界中，即使能量不够，我们也可以穿墙而过（而不是跃墙而过），这就是量子隧穿现象。当然这里的"我们"不能是宏观的物体，而是微观粒子。因为宏观物体隧穿的概率实在太小了，以致于根本不可能观察到。

　　图1. 经典力学和量子力学穿过能量势垒的不同方式

　　量子隧穿的概念是在研究放射性的过程中发展出来的。早在1896年，法国物理学家贝克勒尔就发现了铀的放射性，后来居里夫妇进一步研究了这种放射性。他们因此一起分享了1903年的诺贝尔物理学奖。关于放射性当时一直有一个疑问。以最常见的α衰变来看，是从重原子核中放射出α粒子，即氦原子核。我们知道，原子核的核子（质子或中子）之间是通过强相互作用联系在一起的，核子怎么会挣脱强大的强相互作用逃逸出来呢？

　　到了20世纪，量子力学发展之后，物理学家逐渐认识到了微观粒子存在的不确定性和波粒二象性，为放射性的解释奠定了基础。1927年，洪特在计算双势阱的基态问题时首先注意到了隧穿现象。1928年，美国物理学家伽莫夫和另外两个科学家分别独立地发展了阿尔法衰变的理论解释。他们通过解方势垒的薛定谔方程，得出了粒子的隧穿概率，并进一步建立了衰变过程中发射出来的粒子能量和半衰期之间的关系。

　　后来在一次伽莫夫的报告上，玻恩意识到了隧穿现象的普遍性。他认为这种现象可能并不局限于核物理学，而是量子力学中一种比较普遍的现象。逐渐地，人们发现了各种各样的量子隧穿现象。著名的约瑟夫森结就是利用超导电子的隧穿过程制作而成的。

　　图2. 物理学家伽莫夫

　　了解过量子力学的人应该对下面这些概念比较熟悉：海森堡不确定性原理，薛定谔方程，微观粒子的波粒二象性。根据经典的观点，粒子是不可能穿过能量比自己高的势垒的。但在量子力学中，由于粒子具有不确定性，即使粒子能量低于势垒能量，它也有一定的概率出现在势垒之外。而且粒子能量越大，出现在势垒之外的概率越高。

　　图3. 一个电子波包穿过一个势垒时的量子隧穿现象（图片来源于wiki:quantum tunneling）

　　我们在学高中物理时应该见过下面这幅图，这是一张典型的用STM扫描得到的图案。而STM就是利用量子隧穿的原理制作而成的。

　　图4. STM扫描得到的铜（111）表面的局域态密度图案

　　由于电子的隧道效应，金属中的电子并不是完全局限于严格的边界之内，也就是说，电子密度不会在表面处突然骤降为零，而是会在表面之外指数性衰减，衰减的长度量级大约为1nm。如果两块金属靠的很近，近到了1nm以下，他们表面的电子云就会发生重叠，也就是说两块金属的电子之间发生了相互作用。如果在这两块金属之间加一个电压，我们就会探测到一个微小的隧穿电流，而隧穿电流的大小和两块金属之间的距离有关，这就是扫描隧道显微镜（STM）的基本原理。实际的STM会将其中一块金属做成针尖，由于针尖可以做得很细很尖，通过移动针尖的位置，我们就可以探测到另一块金属的表面信息（表面的起伏、表面电子态密度等等）。

　　利用STM可以得到很多漂亮的图片，甚至我们可以利用STM来操纵原子。具体更深入的知识在此就不赘述了。

　　对于经典物理里中的宏观粒子，如果运动时面对一个势垒，类似于高墙，当粒子的能量小于势垒高度V时，这个粒子是不可能穿过这个势垒的。然而对于微观粒子，都具有波粒二象性，拥有相应的量子效应，即使微观粒子的能量低于势垒高度，它仍有一定的概率可以突破势垒。这就是量子隧道效应。

　　这很容易从一维定态薛定谔方程解出，在势垒右边波函数不为零，也就是左边能量低于势垒的粒子有通过势垒高墙的可能性。具体公式我在人穿越一面墙的概率这样的问答中，和头条号相关文章中给出过，这里不再详谈。

　　伽莫夫也最早开创利用量子力学来研究原子核领域，并成功解释了经典物理无法回答的势垒穿透效应，也就是题目所谈的量子隧道效应。

　　当然，我们要谨记量子效应只是发生在微观世界的微观粒子身上，对于宏观物体量子效应早已忽略不计，又回复到经典物理统治的世界。所以一个人穿透一堵墙的几率是完全忽略不计的。

　　量子隧道效应直接的应用是扫描隧道显微镜STM，在1986年获得了诺贝尔奖，这个在科研上主要应用于原子级别的样品进行成像和操纵，例如IBM公司利用扫描隧道显微镜直接搬运原子，在基底上书写了IBM的logo，我在以前问答和文章也讲过很多次STM和AFM的成像。

　　比如半导体工业中应用的很多结的问题需要考虑电子的隧道效应。对于两层金属之间的绝缘体薄层的设计时，就需要考虑到量子隧道效应，在厚度低于一定数值时，实验会发现电子可以穿过绝缘层，这就是一种量子隧穿效应。而我们现在的半导体制造技术，例如CPU要进入到了10nm一下的制程，但随着线路的密集，尺度的减少，量子隧道效应将会越来越明显，电子会不再沿着原有线路流动，这就将是现有微电子制造的瓶颈和末路。

　　什么是量子隧穿效应？

　　根据经典力学，当一个运动的球遇到坚固的障碍物时，它必须从障碍物的顶部翻越过去才能通过，从能量的角度来讲，如果这个运动的球所具备的能量低于障碍物顶部的势能，那么这个球就绝对无法通过这个障碍物的阻挡。

　　这样的描述符合我们的常识，所以通常我们都会认为这是非常正确的结论，然而量子力学却告诉我们，这个结论是错误的，因为如果把这个运动的球换成量子世界里的微观粒子，那么我们就会发现，在自身能量不足的情况下，微观粒子依然有一定的概率直接穿过障碍物，这就是量子隧穿效应（Quantum tunneling effect）。

　　在过去的日子里，科学家发现量子世界中的微观粒子神出鬼没，它们不但具有“不确定性”，而且还具有“波粒二象性”（即同时具备波和粒子的双重性质），为了正确地描述微观粒子，奥地利物理学家埃尔温.薛定谔（Erwin Schrodinger）提出了著名的薛定谔方程，在给定了某个微观系统的边界以及初始条件的情况下，人们就可以利用薛定谔方程了解到这个微观系统的性质。

　　这里需要科普一个名词——“势垒”，这是一种势能比周围的势能都高的空间区域，根据经典力学，如果微观粒子的能量不够的话，它就不可能通过“势垒”，所以我们可以简单地将其理解为，对于能量不够的微观粒子而言，“势垒”就是一堵不可穿越的墙壁。

　　上图为一维薛定谔方程（我们看一下就行了），通过解这个方程可以得出一个结果，即当量子波遇到“势垒”的时候，虽然其振幅将会指数级地下降，但在“势垒”另一侧的振幅却会有一定的概率不为零，这就意味着，微观粒子有一定的概率直接“穿墙而过”。

　　这就要从α衰变说起了，α衰变是一种很常见的衰变，其衰变的方式其实就是某个原子核释放出了一个由2个中子和2个质子组成的α粒子，同时其原子序数也会减2。

　　我们都知道，在宇宙四大基本力之中，强相互作用力排名第一，这种力就存在于原子核之内，它的作用就是将组成原子核的质子和中子紧紧地束缚在一起，这就意味着，在原子核内存在着一种由强相互作用力打造的“势垒”，在原子核内的微观粒子必须要有足够的能量才可以从原子核跑出去。

　　然而实际情况却是，α衰变所产生的α粒子根本就没有足够的能量，那它又是怎么从原子核里跑出来的呢？其实对于这个问题，当时的科学家们纠结了很长一段时间，直到1928年，美国物理学家乔治.伽莫夫（George Gamow）才用量子隧穿效应完美地解释了这个现象，并在此基础上推导出了描述α衰变的相关方程式。

　　注意，量子隧穿效应并非只存在于α衰变中，其实在1927年，德国物理学家弗里德里希.洪德（Friedrich Hund）在计算“双阱”电势的基态能量时就注意到了量子隧穿现象，而在同一年，美国物理学家沃尔夫冈.诺得汉（Wolfgang Nordheim）在观察电子从各种表面的反射情况时，又发现了另一种量子隧穿现象——“场电子发射”。

　　时至今日，人们早已对各式各样的量子隧穿现象习以为常，甚至在一些领域里，这种量子世界里的“穿墙术”还得到了实际应用，其中最典型的例子，就是我们所使用的用于观察和定位原子的扫描隧道显微镜（STM）。

　　这种显微镜的原理就是利用原子级的导电探针来扫描材料的表面，当材料原子和针头之间距离足够近时，就会产生量子隧穿效应，进而形成隧道电流，而随着针头位置的改变，这种隧道电流就会出现差异，将这些数据收集起来再加以分析，我们就可以建立起一个非常详细的表面图片了。

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　　举个现实中形象的例子可以更好地理解量子隧穿效应，也可以明白它的神奇性！

　　假设你面前有一堵高墙，比如说2米高（总之你无论如何无法直接跳过去的高度），那么你如何到达墙的另一面？

　　如果不借助任何外力，你是无法过去的，这我们都明白。

　　但这就是微观世界的神奇性。对于微观粒子来说，它们有一定几率直接突破“高墙”，到达另一面，就类似我们经常说的“瞬移”，即使粒子的能量不足于让它越过势垒高度（可以理解为墙的高度），由于微观粒子有波粒二重性和量子效应，它们有可能直接穿越势垒，而且能量越高，穿越的几率越大！

　　这种现象在我们的宏观世界简直是不了想象的，就现象面对一堵墙，你直接撞上墙没有感觉到疼痛，然后到达了墙的另一面！

　　但为何微观粒子可以有量子隧穿效应，而由微观粒子构成的我们没有这种效应呢？原理上我们是由无数微观粒子构成的，也应该有这种效应。

　　事实上，单从理论上分析，宏观世界的我们也具有量子隧穿效应，只不过几率实在太低太低了，低到一定程度在现实中就等于不可能发生。

　　量子隧穿效应绝不是假象或者空想的理论，而是实实在在存在的，在一些显微镜和半导体领域都可能看到这种效应！

　　量子很小，好比沙子穿过排球拦网，又好比水珠通过鱼网。

　　量子隧穿效应，就是量子大骗子们深感罪恶深重，企图遁天入地逃避法律严惩的心理效应！

　　明明光量子通信、计算与探测等一系列伪科技都已自打嘴巴了，但仍有人有脸高谈阔论量子纠缠、叠加与隧穿等超脱自然力的神学理论，继续忽悠大众，真是无耻之极！

　　在量子力学中有个著名的不确定性原理，是由哥本哈根学派的代表人物海森堡提出的，意思是你无法同时精确测量一个微观粒子的位置和动量，但是却可以先精确测量好位置，再去测量动量，当然顺序可以颠倒，不过先测什么会决定最终的测量结果，也可以说顺序的先后会导致两次测量结果不一致，而不确定性原理还有衍生品，比如动量、位置、时间、能量等等。

　　明白了这个知识我们就可以谈“量子隧穿效应”了，量子隧穿效应在物理学中，是物理学家们研究的最有趣的现象之一，那什么是量子隧穿效应？

　　在经典力学中，当一个运动的物体遇到一个障碍物的时候，它就需要从障碍物的顶部翻过去才可以通过，而这个现象从能量的角度来说，这个运动的物体如果具备的能量低于障碍物顶部的势能，那么这个物体就无法通过障碍物。

　　然而在量子力学中，这样的理解却是错误的，如果把这个运动的物体换成量子世界里的微观粒子，那么会发现在自身能量不足的情况下，这种微观粒子是有一定的概率直接穿过这个障碍物的。

　　这样一来，我们就会发现在自身能量不足的情况下，微观粒子依然有一定的概率直接穿过障碍物，并且随着科学家们的研究发现量子世界中的微观粒子不但具有“不确定性”，而且还具有“波粒二象性”，并且为了正确地描述微观粒子，奥地利物理学家埃尔温.薛定谔提出了著名的薛定谔方程，它可以让我们人类能够正确的了解到这个微观系统的性质。

　　通过解这个方程我们可以得出当量子波遇到“势垒”的时候，虽然其振幅将会指数级地下降，但在“势垒”另一侧的振幅却会有一定的概率不为零，这就意味着，微观粒子有一定的概率直接“穿墙而过”。

　　总的来说，量子隧道效应就是指粒子（如电子）瞬间穿过一个屏障的能力，如果存在一个比电子能量更高的势垒，并正接近壁垒，那么我们通常会直观的认为粒子肯定将无法克服它，虽然事实上在大多数情况下确实如此，但是每一个电子都有可能会表现出完全出乎意料的行为，这也就是说在极少数情况下，电子很有可能会出现在“势垒”的另一侧。

　　对于量子隧穿效应的首次提出是在居里夫妇研究钋和镭的放射性的时候，发现一个的问题。

　　就拿最常见的α衰变来说，众所周知，原子核内存在着强相互作用力，它的作用就是将组成原子核的质子和中子紧紧地束缚在一起，这就意味着，在原子核内存在着一种由强相互作用力打造的“势垒”，在原子核内的微观粒子必须要有足够的能量才可以从原子核跑出去，但实际情况却是α衰变所产生的α粒子根本就没有足够的能量就可以从原子核里跑出来，而这个问题困惑了许多的科学家。

　　直到20世纪，经过科学家们对于量子力学的探究发现，量子世界中的微观粒子不但具有“不确定性”，而且还具有“波粒二象性”，随后在1927年弗里德里希·洪德在研究分子光谱的时候，对双阱位势的案例研究发现，偶对称量子态与奇对称量子态会因为量子叠加而形成非定常波包，也可以理解为粒子会从其中一个阱穿越过中间障碍到另外一个阱，然后又穿越回来，这是首次发现量子隧穿效应的案例，这个发现让很多科学家震惊不已。

　　后来在1928年，美国物理学家伽莫夫发表了一篇论文，在论文中他用量子隧穿效应来解释原子核的阿尔法衰变，与此同时的另外两个科学家也对阿尔法衰变进行了独立的理论解释，他们在薛定谔方程的基础上，发现了粒子的隧穿概率。

　　然后在1962年布赖恩·约瑟夫森发布了理论预测，认为超电流可以穿越过两个超导体之间的一薄层绝缘氧化物所制成的位势障碍，并表示这种现象是由于成对电子（库柏对）的穿越作用。

　　直到2022年才有了一个大的突破，橡树岭国家实验室的研究团队在实验中观测到了水分子的隧穿效应。

　　了解完量子隧穿效应我们得到最直观的概念就是“穿墙术”，想象一个，把网球打在墙上，在正常情况下网球会从墙面上弹开，然而从量子力学的技术上讲，存在一个统计学上的概率，也就是球将位于墙壁的另一侧或者甚至嵌入墙壁本身，如果我们通过科技手段，将这个物体缩小到基本粒子的大小，那么这个粒子会再也没有阻碍，可以随意穿过任何一个地方。

　　因此，当我们的技术可以实现体内所有的原子、电子等物质同时发生隧穿现象，那么我们就可以实现“穿墙术”了。

　　虽然这听起来可能是一个非常奇怪甚至是不可能的事件，但实际上的量子隧穿效应在地球上是具有重要意义的。正是因为量子隧穿效应，太阳等恒星才能发光。

　　太阳由于核聚变释放了光和热，在其内部两个带正电的原子核相互碰撞形成一个新的元素，就是在这个过程中，光子会被释放了出来，但由于两个原子核都带正电荷，它们是互相排斥的，于是原子核必须克服能量屏障才会达到合并，不过在太阳中的原子核并没有足够的能量来克服这一障碍，而想要实现这个过程唯一的解释就是发生了量子隧穿效应。

　　主流科学的唯象论只能把问题神秘化，量子隧穿效应的实质是量子在物体中的传递作用。

　　量子隧穿只能用能量球理论才能说清，量子是能量球发射出来的一群光粒子，相邻的能量球吸收了这些光子后,再发射出量子，后面的能量球吸收了光子后,又再发射出量子，以此类推,从而实现量子在物体中的传递。

　　宇宙万物都是由能量球构成的，能量球不停地吸收光子,又不停地发射量子，量子在物体中是不断传递的，宇宙奥秘尽在能量球理论。

　　物质具有阻挡性,任何粒子都不可无阻挡地穿越，量子也不是隧穿,量子是种传递。

　　主流科学连量子是什么都不知道，也就只能把它搞得神秘兮兮的？