经典世界的“铁律”：能量之垒
在探讨量子力学中的“穿墙”现象之前，我们必须先明确界定“墙”的含义。
你说的墙不是由砖块或钢筋混凝土构成的，用来分隔建筑空间的，垂直于地面的构造物？当然，这可以说是最贴近日常经验的一种，但物理学作为一门学科，需要从更普遍更宏观的规律出发，探讨“墙”的物理学表示——势垒。
朱自清的作品《背影》具体刻画了经典情境中个体攀上高墙的情景。这个例子出自百度百科。
要跨越一道屏障，往往需要消耗巨大的能量，这好比需要用很大力气才能翻越一道高墙。势垒可以理解为一些需要积累更多能量才能通过的障碍区域。如果将穿越过程所需的能量用图形表示，那么势垒就会呈现为一个凸起的小山坡的形态。在日常生活中，当你驾驶汽车试图翻越一座山坡时，如果车辆的动力不足以让你抵达山顶，那么你将永远无法到达山坡的另一边。
经典力学中粒子翻越势垒示意图 来源：byjus
微观世界的新规则：万物皆是波
然而，量子理论揭示，整体与细小构成的根本不同在于，构成物质的最小单元，同样具备波动特征。正是这种波动特征，使微小单元得以跨越“能量障碍”。要掌握单元“无障穿透”的奥秘，必须先弄清单元的波动属性究竟代表什么。
对于大的物体，例如你本人，我们能明确它的所在：若确认你在教室中，那么你必定在此处，绝不会在教室之外。
微观粒子却并非如此，我们无法凭理论预知其确切位置，只能推算出它的波函数——这种波函数如同水面涟漪般散布在空间中，某些区域起伏明显，某些区域则相对平缓，分别指示着粒子在空间各点出现的几率高低。在波峰较为突出的地方，粒子出现的概率会显著增加，而在波谷几乎无变化的区域，出现的可能性则明显降低。
波函数的轮廓能够体现粒子出现的可能性，这种可能性仅取决于波峰与波谷的高度，而与其上升或下降的方向无关。
这些信息都是我们依据理论可以预见的，然而粒子具体位于何处，必须等到实际观测时才能明确。例如，我或许能推算出你在教室的可能性为六成，在教室外部的可能性为四成，但唯有亲眼见到你，才能知晓你此刻确切是在教室之内还是教室之外。在那之前，那个六成和四成的几率配比，就是我所掌握的关于你下落的全部信息！
与此类似，粒子的波动性，就蕴含了该粒子在未受观测时，其所在位置的各种可能性分布。这就是我们之所以认为，在微观层面，物质实体同样具备波动特征的原因。
当“概率波”遇上“能量垒”
因此，构成微观领域的一切粒子活动都应当借助波动传递的形式来呈现，这与我们通常用来描述光线的方式如出一辙。举例来说，诸如“一个粒子遇到势垒”这类情形，若要寻找到一个贴近日常生活的比喻，相较于一个人撞上一堵实墙，它反倒更类似于一束光线照射在一面半透明的水晶镜子上。
光线照射到玻璃上，有部分被挡了回来，有部分则通过了。
在量子理论中，光的表现形式转变为粒子的波动特征，玻璃的物理特性则体现为势垒的几何形态与规模，所依赖的数学工具也从光学范畴的公式转变为量子力学层面的薛定谔方程式，尽管理论框架不同，最终仍能获得相近的结论：部分波动会逆向传播，部分波动会继续前进，两者之间的分配比例能够依据特定参数进行推算。
一个粒子的波动性在碰到障碍物时，会有部分能够通过，也有部分会被挡回去。
波函数存在的区域，粒子都有可能出现，因此，当一个粒子的波函数跨越了势垒，就表明存在某种机会，我们或许能在势垒的另一侧探测到它。这种情况并非必然发生，也无法预测某个特定粒子会出现在何处，但只要粒子数量足够庞大，总会有一部分会到达对面那边。
在宇宙的类比中，那些跃过障碍的微粒，如同驾驶的座驾，无需积蓄翻越丘陵的动能，便已抵达山岭的另一侧，仿佛经由地下通道穿行而过似的。因此，称作“隧穿”实为恰当，这个名称描绘得栩栩如生。
量子力学中粒子穿过势垒示意图 来源：byjus
从太阳到手机：“穿墙术”无处不在
从这里望过去，或许你依然认为，微粒穿壁不过是纸上谈兵的戏法。然而，这种现象实际上一直持续在我们身边，倘若没有它，我们如今所感知的万事万物都将不复存在！
天上的恒星，例如太阳，需要借助量子隧穿效应，才能以核聚变的方式为自己产生能量。
正常状况下，两个原子核要彼此接近，必须克服巨大的势垒，即便所有宇宙中的原子核都聚集起来，也无法满足太阳核心热核反应的条件。然而，现实中原子核却能越过势垒，实现相互接触，这极大地减少了核聚变反应所需的初始能量，因此太阳才能为我们提供光和热。
太阳的结构。核心区域就是发生核聚变的地方。 来源：维基百科
从细微处看，当前你的手机内部，存在大量微小电子，它们借助量子穿壁现象，在存储单元中记录个人资料。
存储单元包含众多微小的浮栅晶体管，这些单元如同细小的空间，通过电压的精确调控，使电子能够穿透极薄的隔离层，从而被捕获或释放。每个空间中存在电子则表示二进制零，不存在电子则表示二进制一，大量零和一组合起来就形成了诸如照片、视频等不同类型的信息。它比旧式的硬盘存储装置要小巧，运行起来也更为迅捷，因此即便是你那体薄的手机，也能够容纳下如此多的应用程序、影像资料以及影音文件。
手机闪存芯片 来源：百度百科
那么，我能穿墙吗？
我们再思考一下那个起始的疑问：我本身也是由无数细小物质构成的，倘若这些构成我的细小物质全都借助量子穿行现象穿过了障碍物，那么我是否也能随之穿过去呢？
实在遗憾，尽管理论层面并未明令禁止此事，然而，构成你我的微细粒子数量极其庞大。并且，你始终无法自主决定单个粒子是穿越障碍，抑或是被弹回，所有这些最终都要依赖几率来决定。因此，倘若你期望组成你的所有粒子同时穿过墙壁，所需的时间将远远超过宇宙存在至今的岁数。这对于实际生活来说，和不可能没有什么区别。
因此，假如你在行走时感到疲惫，依然能够放心地倚靠墙壁稍作歇息，不必担忧会有某种未知的力量让你瞬间穿透，跌落在墙的另一侧地面。然而，这也表明，借助所谓的“穿墙术”来逃学，终究只是空想。不过，掌握其背后的科学原理，却能够为你开启一扇探索宇宙深层秘密的通道。这扇通道的钥匙，正需要借助数学与物理的学问来打造。看来，这堂课还是很有必要听下去的！（张一凡）
审核：中科院物理研究所研究员 魏红祥
