关于宇宙的10件奇异之事 伟大的哥德尔不完备定理！(9)

　　4.量子隧穿（Quantum Tunneling）

　　量子隧穿效应是指粒子能够穿过它们本来无法通过的“壁垒”。量子隧穿效应可以使粒子跨越原本无法穿透的物理障碍，或使没有足够动能的电子摆脱原子核的引力。根据量子力学，任何粒子都可以概率性地出现在宇宙各个区域，尽管由于粒子总是与所预期的路径相距甚远，可是这种概率微乎其微。

　　因此，当粒子遇到一个足够小的壁垒（约1-3纳米宽）时，尽管理论上不能逾越，但实际上粒子却极有可能穿越而过。这可以用海森堡测不准原理（Heisenberg uncertainty principle）加以解释，该原理表明作为测量工具的其他粒子束与被测粒子在同一个单位量级，所测出的数据是破坏被测粒子原来状态之后的结果，因此我们所获得的粒子信息是有限的。粒子可以从它所在系统“借取”能量，以穿越壁垒，然后再将能量“返还”。

　　许多物理过程中都涉及有量子隧穿效应，比如放射性衰变（radioactive decay）与太阳核聚变（nuclear fusion）。量子隧穿也能被用于某些电子元件之中，甚至还可以使生物系统中的酶加快反应速率，以在葡萄糖转化为过氧化氢的反应中起催化作用的葡萄糖氧化酶为例，其催化过程就涉及有氧原子的量子隧穿。此外，它还是扫描穿隧式显微镜（scanning tunneling microscop）的一个显著特点，这种显微镜是第一个可以对单个原子进行成像和操纵的仪器。它用一根精密针尖对隧道电流的电压进行测量，当针尖靠近样品表面时，由于电子在通过针尖与样品之间的真空处（被称为“禁区”）时会产生量子隧穿效应，电压也随之变化。这需要仪器足够灵敏，如此才能拍摄高分辨率的图像，同时，利用显微镜的导电针尖，还可以实现对原子的移动。