第三章 六、量子隧穿

知道了量子纠缠以及可以“瞬间到达”的特性，就不难理解“量子隧穿”的发生了。

量子隧穿效应（Quantum tunneling effect）是居里夫妇研究钋和镭的放射性的时候首次发现的。隧穿效应指的是微观粒子能够穿过它们本来无法通过的“墙壁”的现象，又称“势垒贯穿”。

隧穿效应无法用经典力学观点来解释。我们可以把“势垒”想象成一座山，一个自身能量小于山峰势能的微观粒子位于山的左侧，按照“经典世界”的经验，由于“负动能”的作用，这个粒子绝对爬不到山的右侧。打个通俗一点的比方，假设有人在用测电笔测量电流，可以认为电子在螺丝刀金属中是自由的，可是绝缘层就相当于一个壁垒（或“势垒”），有了它的存在，电子无论如何也传导不到人体。

 图3.13：量子隧穿效应示意

同样，在现实世界中，如果你想翻越高墙而过，是不可能的。你得克服重力，有足够的动能，否则你和墙必须先碎一个。不过，量子世界很奇葩，不按常理出牌，哪怕“势垒”的高度远大于粒子的总能量，却仍然存在一定的概率，微观粒子的“穿山而过”可以轻松地瞬间完成，就好像穿越了一个虚拟的隧道，而不需要真正克服“墙壁”的障碍。（图3.13）

量子隧穿效应很容易让我们联想到《哈利波特》、《西游记》和《聊斋志异》里常见的“穿墙术”、“遁地术”，还有魔术里经常看到的“大变活人”。看似天方夜谭，但宏观世界能不能发生呢？如果真的有阴性物质，或者“灵体”的存在，这些“魂”、“仙”或“鬼”可以穿墙么？

有一种脑洞大开的说法，认为在量子世界，物体不需要有足够的势能就可以穿越障碍物，因为障碍物也是由量子构成的，量子与量子之间存在人眼看不到的空隙（前文说到基本粒子本身也是“空性”的），只要从这些空隙中穿过去，就可以实现穿越障碍物的目的。这些似是而非的说法，都无法得到验证。

量子的这种性能，却可以被前沿科学利用，如超导领域和生物医学领域的应用。早在20世纪中叶，物理学家薛定谔已经在《生命是什么——生物细胞的物理学见解》一书中提出，量子力学可以在生命系统中发挥作用。

举个例子。近年来，科学家已经开始验证DNA中量子力学的存在和重要性。众所周知，DNA具有一种双螺旋的构造，它的两条链被氢原子的原子核连接，这种能让碱基（DNA与RNA中记录生命基因的载体）之间粘合在一起的“胶水”，被称为氢键。（图3.14）通常情况下，DNA链上碱基的结合方式遵循严格的规则，互不干扰。让人惊奇的是，如果氢键的性质稍有变化，就会导致原有配对规则被打破，从而出现错误的碱基被连接，产生突变。也就是说，在特定环境下，DNA链中的氢健就像一条“量子隧道”，本来有特定位置、并保持相对不变的碱基居然可以沿着氢键，在两条DNA链之间连续且迅速地来回隧穿，使得看起来非常稳定的DNA链很轻易地发生了修改和突变。

图3.14：DNA双螺旋结构，碱基与氢键

任何事情都有两面性，对人体而言，一些突变可能无关紧要（甚至产生积极作用），但是还有一些则有可能造成严重的健康后果。有研究表明，这种隧穿在低温的环境中发生的概率要比在温暖湿润的活细胞环境中发生的概率高得多，也很容易被其他因素“激活”。医学统计显示，体温不到36.5℃，会成为癌细胞“最爱”的身体，这类人通常手脚寒凉，而体温每升高1℃，人体免疫力会提高30%，对应了中医“百病起于寒”之说。再联想一下，为什么三年疫情人类注射了几十亿针疫苗，看似是为身体添加了很多“势垒”，到头来却在本来常有的感冒发烧面前，显得如此不堪一击？当然，我们对人体工作的机理还知之甚少，从严谨的角度决不能妄下定论，期待生物学家来揭开谜底。