按量子力学来说,一个人撞墙,有多大概率能穿过去?

梁辛


答:量子力学中,理论上存在这种可能,这个概率我们是可以估算的,不过完全可以忽略;因为就算你每秒撞一次,从宇宙开始到现在,然后宇宙再重复几亿个来回,也很难发生一次穿过的情况。


量子隧穿效应

在经典力学中,一个人撞击一道坚不可摧的墙壁,会被弹回来。

但是在量子力学中,物质由微观粒子组成,微观粒子又具有波动性,于是微观粒子具有一定几率穿过墙,这种现象叫做“量子隧穿效应”。

人由微观粒子组成,所以从本质上说,人也是有一定几率穿过墙的。


量子隧穿效应的本质是不确定性原理,一道V0的势垒,粒子能量为E,对于E

但是由于不确定性原理,可以使得粒子向真空“借”能量,从而使得E'>V0,为了保证能量守恒和能量时间不确定性原理(Δt·ΔE≧h/4π)成立,粒子借能量的时间必须非常短,而且“借”的能量是要归还的。

随着势垒和距离的增大,粒子隧穿效应的概率将会大大降低,最终低到可以忽略,从而退化为牛顿力学。


建立方程

如下图:V0为方势垒,a为势垒宽度,左边(x<0)是物体穿越前的波函数,右边(x>0)是物体穿越势垒后的波函数。



我们可以围绕三个区域,建立一维定态薛定谔方程:



首先做个变量替换,然后对方程进行求解:


结合边界,可以求出粒子贯穿方势垒的概率P:


由概率方程可以看出,方势垒的距离和物体的质量越大,粒子穿越势垒的概率越低,而且概率呈指数衰减非常快。


概率估算

如果我们简单地带入数据:墙厚度0.2米,人的质量60千克,势垒差(V0-E)就取1,算出来的概率都是:

P~10^(-10^34);

即10^-10000000000000000000000000000000000,如此小的概率,就算有一亿个你,同时每秒撞一次墙,从宇宙开始到现在,然后宇宙再重复几亿亿个来回,也很难发生一次穿墙事件。

以上计算,纯属对该问题的定性分析;在实际当中,势垒稍微高于几电子伏特,距离达到几十纳米时,量子隧穿效应几乎就可以忽略了。


好啦!我的答案就到这里,喜欢我们答案的读者朋友,记得点击关注我们——艾伯史密斯!


艾伯史密斯


问题很有趣,是初步学习量子力学里薛定谔方程的时候,书上最常见的例题和习题之一。

对于微观粒子具有量子隧穿效应,但对于宏观物体按物质波理论也有这样的概率,但是微乎其微。

学习大学物理会出现这样的习题,比如计算汽车闯入客厅的概率,人穿墙的概率。

这是薛定谔方程应用最简单的粒子,方势垒的穿透问题,如果考虑方势垒的隧道效应,可以简单模型为如下图。

本题中,方势垒为

1.经典情况

当入射粒子能量E低于V0时,按照经典力学观点,粒子不能进入势垒,将全部被弹回。

2.量子情况

但是,量子力学将给出全然不同的结论。我们从一维定态薛定谔方程出发:

然后分三个区域求解。

在方势垒的区域内( x1< xE,

其解是指数函数:

由此可见,在区域Ⅲ的波函数并不为零;原在区域Ⅰ的粒子有通过区域Ⅱ进入Ⅲ的可能,见图

从上图势垒贯穿过程的波函数,可以计算出穿透几率为:

由此可见,势垒厚度(D=x2-x1)越大,粒子通过的几率越小;粒子的能量E越大,则穿透几率也越大。两者都呈指数关系,因此,D和E的变化对穿透因子P十分灵敏。

你可以取各种穿越粒子的数据代入,比如人穿墙,取各种参数,如取人的质量 m=100kg,墙厚0.2m等参数代入以后,

穿透几率计算后远远小于

可见宏观物体穿越的几率及其微小,近似不可能。所以宏观物体谈量子效应是无意义的。

如果换成一个电子和一个高于它具有能量的势垒,那么电子就有很大几率可以贯穿这个势垒,这就是扫描隧道显微镜的物理原理。

这个习题主要是供物理专业学生计算和熟悉量子隧道效应计算用的。

所以从以上计算看出,量子力学主要对微观粒子其作用,对于宏观物体,量子力学几乎毫无影响。

讨论宏观物体的量子力学效应,也是意义不大的。

量子实验室,专注科学问题,欢迎评论和关注。


量子实验室


根据量子力学,一个粒子在经过一堵墙/阻隔的时候,有极小的概率可以穿过它。这就是量子隧穿效应。

而隧道扫描显微镜,就是根据隧穿效应制造的。所以你们也不要无端质疑这个效应的真实性了,它已经经过了无数次的检验了。

我们要计算人穿过一堵墙的概率,其实需要一个隧穿概率公式,这个公式是一个近似公式(WKB近似),但精度足够了:

其中V0是势能壁垒的高度,而E是物质的能量。m是物质的质量,x2-x1就是宽度。hbar是约化普朗克常量。

人假设是60kg,速度是1m/s,这样能量就是30J。而穿墙的能量要多少呢?我们平时钉钉子,大约得要100N的力,才能穿入1mm。那么就可以假设1mm^2的面积,前进1mm,需要100N*1mm=0.1J。换算到人,非常近似的、只计算数量级,大约是多少呢……

这个数实在是太小了……

所以换成科学记数法,是:

这有多小呢?10^-8就已经是一亿分之一了,而这个概率上的指数,却仍然需要科学记数法来计算!

一件事的概率这么小,从宇宙诞生到毁灭,恐怕都不会发生一次。


章彦博


这个问题应该和量子隧穿有关,量子隧穿是量子力学中的一种特殊现象,它科学的解释是,像电子等微观粒子,能够穿入或穿越位势垒的量子行为,这个解释听起来就很复杂,一般的人肯定听不懂,我尽量简单的进行解释一下好了。

假设现在有一堵墙,如果我们要去墙的那边,就需要翻墙而过,但翻墙是需要能量的,如果你没有力气,肯定是翻不过去的,但在微观的粒子世界当中,粒子有时候不需要翻墙,它可以直接穿墙而过,出现在另外一边,那么这个现象就是量子隧穿。

但这里有一个问题,不是所有的粒子都会穿墙而过,比如说有一大堆粒子撞在墙上,大部分的粒子都被反射出去了,只有少数的粒子,可以出现在墙的另一边,所以量子隧穿的效应是偶然性的,你根本无法让所有的微观粒子,都穿墙而过,出现在墙的另一边。

最后人类的本身,是一种现实宏观物质,我们的身体,确实是由无数的微观粒子组成的,但除非你能让组成身体的所有粒子,都一下子出现量子隧穿的现象,否则人是无法穿墙的,因为科学家已经告诉我们了,只有非常少数的粒子,才可以穿墙而过,所以人只能撞墙,而非穿墙……


科学薛定谔的猫


一个人撞墙,有%0.0000000000000000000000000000000000000000000000000032817319200029280281832能穿过去


兜兜685403


真相一:曾经有那么几个瞬间,你们有没有这样的感觉,正在做某件事情时突然脑海里一闪而过,似曾相识,好像梦里以前已经就发生过一样,甚至能预知未来1秒内将要发生的事情,是的,我们每个人都是程序设定好的!

真相二:当我们玩游戏时,为了减轻计算机的运算负担,计算机会至渲染角色下的画面,其他你没注意的画面会使用模糊处理以达到减轻计算压力。同样当我们注视某个物体里时,你余光部分的场景也会出现模糊现象,就像现在新式智能手机的背景虚化功能一样!

真相三:众所周知,是程序就会出现bug,出现bug就会有补丁更新程序,在古代经常会听人说关于鬼神的故事,而近现代已经很少出现这类事件了,难道是“鬼神”变少了吗?人们以为自己遇到了鬼神,其实是虚拟世界1.0的bug太多,需要大量补丁,而随着时间的推移,系统越来越趋于完美,所以补丁的数量就会越来越少,当系统达到一定程度时,程序员可能会选择删除重启,但是整体框架不变,看看地球46亿年的历史,多少次重启更新!

真想四:相信很多人都有自己信仰的宗教,天主教、基督教、伊斯兰教等,但是当你仔细研究这些教派时,你会发现一个惊人的实事,他们有很多历史故事和事件都是类似的,有些伊斯兰教徒说天主教和基督教的圣经是我们以前用过而被真主抛弃的,因为它偏离了教义!你以为是他们的圣人互相抄袭的吗?宗教的作用就是为系统bug背锅,当过程序员的童鞋们知道,如果在做类似的程序时,为了节省时间,我们一般都是在原始程序上做二次开发,现在明白了吗?

真相五:我们有时会做一些无意义的事情,比如发呆或者晃神,那么大家有没有过人为什么要发呆,为什么会出现晃神呢?经常玩游戏的童鞋都知道,网速慢时,游戏角色会出现卡顿!其实发呆或者晃神是因为数据延迟没有被加载,所以个体不知道下一秒的程序计划,系统就为大家设计了发呆和晃神,当数据出现严重bug无法修复时,个体就会出现我们所谓的精神错乱!

好了,大家可以关注我了,如果明天小姐姐我没有更新,那么就是代表我已经被程序员扔进回收站了


机智的肖雅


概率近乎等于零,可以认为没有这个可能性。下图崂山道士

这个问题可以如下一个模型来探讨(注意:这个模型的计算的结果是远远大于真正能穿透过去的概率的,原因在最后在说)

以上这图是用在量子力学中被叫做有限位势垒问题的,简单来说,我们可以算出一个能量为E的粒子能穿透能量为U的势垒的概率是多少。(注意E可以小于U,也叫隧道效应。就好比让一个人去穿一堵厚墙,而且有概率可以保证不死且穿过

只考虑一维运动,也就是沿着上图中x轴的方向冲过去,先不具体这个人的质量、速度,考虑定态薛定谔方程(下图)以及势垒分布

解上述方程,最后可以得到E小于U情况下的透射系数D

考虑到粒子能量远小于势垒能量(对应于人和墙的问题)

这个透射系数D可以约为

字母a是代表势垒的厚度、μ是质量,可以认为是墙厚度

这时,可以将问题数据带入,随意假设几个,算下来的结果至少都是负几十位的数量级,也即是小数点前面紧跟着几十个零,概率远远远远小于1

或者可以从不确定关系理解穿墙这个问题

除了平时咱们平时了解的位置和动量不确定关系之外,还有能量和时间的不确定关系,它们符合下图方程

也就是说一个粒子,如果知道处于一个状态的时间,那么它的能量就有一个不确定量;时间越短,能量不确定量越大。如果在某个短暂时间里,粒子能量E高过势垒能量U,再由于势垒厚度合适,这个粒子就能过去了,随后能量又变低了。

之前开头说这个算下来的概率要比实际条件下更大?为什么呢?

因为将一个人比作一个粒子,是不适合的,这是完全从估计的角度去考虑这个问题。实际上,人体的组成粒子非常多,应该考虑每个粒子穿过去的概率,那么这个概率将会更低,并且我们还没考虑每个粒子之间是否存在独立,也就是是否影响其他粒子,而且即便全部都穿过去,是否保证身体全部完好,别到时候穿过去了,就散成了一堆粒子,考虑的影响因素还有很多。

所以很有可能,我们的身体只能进去一部分或者一丢丢,而被卡住。。。即便是这样的情况,概率也低到快没了。

期待您的点评和关注哦!


赛先生科普


穿墙的概率小到不可想象,以至于现实中不可能发生(虽然人类数量达几十亿,相对于穿墙的概率仍然显得太渺小了)!

这样说是有原因的!需要先了解微观世界的“量子隧穿效应”!

这里就尽量不用专业的术语来解释“量子隧穿效应”,比如会涉及到薛定谔方程,位势垒,不确定性原理,德布罗意假说等等,那样反而更难以理解!

举个宏观世界最通俗的例子,你想翻越一堵墙,必须需要足够的能量,比如说需要100的能量值,当能量值小于100时,无论如何你都不能翻越墙壁到达墙的另一侧!

但在微观世界,并不是那样的,即使微观粒子没有足够的能量,也能有一定几率穿越“那堵墙”,到达“墙”的另一侧。这就是所谓的“量子隧穿效应”!

这种效应并非一种假说和猜想,是真实存在的现象,而且你不要以为这种现象只发生在微观领域,事实上我们现实生活中与这种现象息息相关,如果没有“量子隧穿效应”,我们今天见到的一切都不存在!因为今天我们所知的太阳核聚变,光合作用,细胞呼吸都与这种效应息息相关,甚至可以说是生命存在的根本!

好像有点跑题了。话说回来,虽然有量子隧穿效应,但并不是所有微观粒子都能发生这种隧穿效应,是有一定几率的,这种几率即使对子微观粒子也不是很大,再加上人体是由多达5千亿亿亿个原子构成的,所以一个人要想穿越墙体,必须保证所有的原子同时发生“量子隧穿效应”,这几率太小太小了!

有人大致计算过,正常一个人穿越墙体的几率只有10的35次方分之一,这是什么概念?举个例子,即使从宇宙起源开始,每一秒钟试一下穿越墙体,按照几率来算也不能成功穿越一次!


宇宙探索


一个人撞墙能穿过去的概率为0.0000001%,为什么不直接等于0呢? 因为还有种魔术叫穿墙魔术,哈哈,开个玩笑而已。 (〜 ̄▽ ̄)〜


用量子力学的观点来看,电子具有波动性,其运动用波函数描述,而波函数遵循薛定谔方程,从薛定谔方程的解就可以知道电子在各个区域出现的概率密度,从而能进一步得出电子穿过势垒的概率。该概率随着势垒宽度的增加而指数衰减。因此,在宏观实验中,不容易观察到该现象。

微观粒子会出现量子隧穿效应,只是观测到偶发的现象,并不是所有粒子(即使观测对象为同类粒子)都会发生,因此只能用概率去解释,并没有真正解开其发生的本质原因。

以下文字纯属个人观点,你也可以说是民科式的臆想,欢迎讨论、质疑,请轻喷哈。

为什么有些粒子能穿过势垒,有些粒子不能,为什么有些粒子能与其它粒子组合成物质,组合成物质后却又不会一直稳定,而是无时不刻地与各种场能或物质之间进行着能量交换,从而导致任何物质都会有“生命期”?

电荷(electric charge) ,为物体或构成物体的质点所带的正电或负电,带正电的粒子叫正电荷(表示符号为“+”),带负电的粒子叫负电荷(表示符号为“﹣”)。也是某些基本粒子(如电子和质子)的属性,同种电荷相互排斥,异种电荷相互吸引。



因为粒子的电荷相吸,粒子间才能有种粘合作用,因为电荷相斥,粒子间才会一直有间隙,物质结构密度也才会有大有小。 但是也有粒子是电荷中性的,不一定是原子的中子。这类粒子会起到介质的作用,在传导的过程中会变成带电荷。 当粒子组合成原子,原子再组合成分子,直到组合成物质。每一种物质都含有大量的带有正、负电荷和中性的粒子。电荷之间相抵越趋近于中性,物质结构越稳定,密度越大。当正电荷粒子数占比例较大时,其组合成的物质呈正电属性。反之,当负电荷粒子数占比例较大时,其组合成的物质呈负电属性。则宏观物质之间亦会出再同性相斥,异性相吸的现象。

而大部分的物质都呈中性。比如墙。 墙和人体相比较,墙不带电,结构更稳定,密度更大。人体则是具有生物电磁场的,因此人会有异性区别,会有静电,甚至会有自燃现象。结构更不稳定,也更疏散。

如果有种仪器或者场能,能够在瞬间改变人体的电荷,使之整体呈负电属性。在墙的另一面设置一个强大的呈正电属性的场,在改变电荷的瞬间与墙对撞,那么穿墙而过的概率将会提到大幅提高,虽然不能保证达到百分百,但是至少能有百分七八十的概率。

好了,以上纯属思想实验,请勿实践,缺胳膊断腿的可不好😊(*^ω^*)大家早安!(❁´ω`❁)


姝子


当你在梦中突然意识到自己是在做梦时,你在梦中就有了超能力,包括穿墙。睡醒后,当你意识到你看到的,感受到的世界,其实是你的大脑经过一系列复杂的计算模拟出来时,你就有了超能力,包括穿墙能力。你有没有想过,你看到眼前的这面墙,其实并不存在,只不过是你的大脑模拟出一个墙的画面让你认为你眼前有一面墙。你撞墙时,被弹回来,其实你撞空气时,也可以假装撞墙上而被弹回来了,只不过撞空气被弹回来是你有意假装的,撞墙被弹回来是大脑模拟的结果让你感受到的,包括疼痛感,也是大脑模拟的,真的疼了吗?举个例子,你站在一米高的台阶上向下看,不会感觉眩晕,但站在一百米的高楼上,向下看,就会有下坠感,眩晕感,为什么?其实就是大脑给的信号,当你站在一百米高楼上,但看起来只有一米高时,你就没有下坠感了,这就是大脑给的不同的信号。再来,梦里突然下坠时,你的身体真的会感到在下坠,为什么?大脑给的信号,不管你的身体实际有没有下坠,只要大脑给了这个下坠的信号,你就能感受到下坠,然后双腿就一蹬,吓醒了……,所以,你有没有想过,你看到的感受到的世界,本质其实是你大脑模拟出来的画面给你看的,你的身体可能在另外的地方,比如,恩,在哪呢?比如在一个装满了营养液的容器里躺着,说的我自己都怕怕的了,开个玩笑,其实以上说的都是开玩笑,别当真哈



分享到:


相關文章: