03.05 按量子力學來說,一個人撞牆,有多大概率能穿過去?

梁辛


概率近乎等於零,可以認為沒有這個可能性。下圖嶗山道士

這個問題可以如下一個模型來探討(注意:這個模型的計算的結果是遠遠大於真正能穿透過去的概率的,原因在最後在說)

以上這圖是用在量子力學中被叫做有限位勢壘問題的,簡單來說,我們可以算出一個能量為E的粒子能穿透能量為U的勢壘的概率是多少。(注意E可以小於U,也叫隧道效應。就好比讓一個人去穿一堵厚牆,而且有概率可以保證不死且穿過)

只考慮一維運動,也就是沿著上圖中x軸的方向衝過去,先不具體這個人的質量、速度,考慮定態薛定諤方程(下圖)以及勢壘分佈

解上述方程,最後可以得到E小於U情況下的透射係數D

考慮到粒子能量遠小於勢壘能量(對應於人和牆的問題)

這個透射係數D可以約為

字母a是代表勢壘的厚度、μ是質量,可以認為是牆厚度

這時,可以將問題數據帶入,隨意假設幾個,算下來的結果至少都是負幾十位的數量級,也即是小數點前面緊跟著幾十個零,概率遠遠遠遠小於1。

或者可以從不確定關係理解穿牆這個問題

除了平時咱們平時瞭解的位置和動量不確定關係之外,還有能量和時間的不確定關係,它們符合下圖方程

也就是說一個粒子,如果知道處於一個狀態的時間,那麼它的能量就有一個不確定量;時間越短,能量不確定量越大。如果在某個短暫時間裡,粒子能量E高過勢壘能量U,再由於勢壘厚度合適,這個粒子就能過去了,隨後能量又變低了。

之前開頭說這個算下來的概率要比實際條件下更大?為什麼呢?

因為將一個人比作一個粒子,是不適合的,這是完全從估計的角度去考慮這個問題。實際上,人體的組成粒子非常多,應該考慮每個粒子穿過去的概率,那麼這個概率將會更低,並且我們還沒考慮每個粒子之間是否存在獨立,也就是是否影響其他粒子,而且即便全部都穿過去,是否保證身體全部完好,別到時候穿過去了,就散成了一堆粒子,考慮的影響因素還有很多。

所以很有可能,我們的身體只能進去一部分或者一丟丟,而被卡住。。。即便是這樣的情況,概率也低到快沒了。

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賽先生科普


根據量子力學,一個粒子在經過一堵牆/阻隔的時候,有極小的概率可以穿過它。這就是量子隧穿效應。

而隧道掃描顯微鏡,就是根據隧穿效應制造的。所以你們也不要無端質疑這個效應的真實性了,它已經經過了無數次的檢驗了。

我們要計算人穿過一堵牆的概率,其實需要一個隧穿概率公式,這個公式是一個近似公式(WKB近似),但精度足夠了:

其中V0是勢能壁壘的高度,而E是物質的能量。m是物質的質量,x2-x1就是寬度。hbar是約化普朗克常量。

人假設是60kg,速度是1m/s,這樣能量就是30J。而穿牆的能量要多少呢?我們平時釘釘子,大約得要100N的力,才能穿入1mm。那麼就可以假設1mm^2的面積,前進1mm,需要100N*1mm=0.1J。換算到人,非常近似的、只計算數量級,大約是多少呢……

這個數實在是太小了……

所以換成科學記數法,是:

這有多小呢?10^-8就已經是一億分之一了,而這個概率上的指數,卻仍然需要科學記數法來計算!

一件事的概率這麼小,從宇宙誕生到毀滅,恐怕都不會發生一次。


章彥博


問題很有趣,是初步學習量子力學裡薛定諤方程的時候,書上最常見的例題和習題之一。

對於微觀粒子具有量子隧穿效應,但對於宏觀物體按物質波理論也有這樣的概率,但是微乎其微。

學習大學物理會出現這樣的習題,比如計算汽車闖入客廳的概率,人穿牆的概率。

這是薛定諤方程應用最簡單的粒子,方勢壘的穿透問題,如果考慮方勢壘的隧道效應,可以簡單模型為如下圖。

本題中,方勢壘為

1.經典情況

當入射粒子能量E低於V0時,按照經典力學觀點,粒子不能進入勢壘,將全部被彈回。

2.量子情況

但是,量子力學將給出全然不同的結論。我們從一維定態薛定諤方程出發:

然後分三個區域求解。

在方勢壘的區域內( x1< xE,

其解是指數函數:

由此可見,在區域Ⅲ的波函數並不為零;原在區域Ⅰ的粒子有通過區域Ⅱ進入Ⅲ的可能,見圖

從上圖勢壘貫穿過程的波函數,可以計算出穿透幾率為:

由此可見,勢壘厚度(D=x2-x1)越大,粒子通過的幾率越小;粒子的能量E越大,則穿透幾率也越大。兩者都呈指數關係,因此,D和E的變化對穿透因子P十分靈敏。

你可以取各種穿越粒子的數據代入,比如人穿牆,取各種參數,如取人的質量 m=100kg,牆厚0.2m等參數代入以後,

穿透幾率計算後遠遠小於

可見宏觀物體穿越的幾率及其微小,近似不可能。所以宏觀物體談量子效應是無意義的。

如果換成一個電子和一個高於它具有能量的勢壘,那麼電子就有很大幾率可以貫穿這個勢壘,這就是掃描隧道顯微鏡的物理原理。

這個習題主要是供物理專業學生計算和熟悉量子隧道效應計算用的。

所以從以上計算看出,量子力學主要對微觀粒子其作用,對於宏觀物體,量子力學幾乎毫無影響。

討論宏觀物體的量子力學效應,也是意義不大的。

量子實驗室,專注科學問題,歡迎評論和關注。


量子實驗室


一個人用力跑過去然後對著牆撞,這種簡單的碰撞是屬於經典力學的範疇,用量子力學來解釋它,這沒法子解釋的,就如同經典力學可以處理低速運動情況,但無法處理極高速運動的情況一樣,該如何去計算呢?

在回答這個問題之前,我曾找來一塊木板,我試想著看能不能如同變魔術一般,手可以穿過去,但數十次實驗下來,我可以肯定的是,連一個分子都沒有穿過去,哦不,連一個原子都沒有穿過去。

如果說按照我這種方法的話,無論是木板還是牆,即使我實驗到宇宙滅亡,我也不會有一次機會可以穿過去,除非我不顧生命危險了,硬撞,如果是硬撞的話,那就不用計算了,先去醫院裡躺著吧。

轉念一想,哎~如果我跑過去撞牆,那麼就只有兩種可能,撞過去了和沒撞過去,如果我閉著眼的話,不去對這個碰撞過程進行觀測的話,那麼這兩種可能就會以疊加態存在,我緩步跑了過去,注意我是閉著眼睛的,我超慢的跑到了牆角處,與牆體來了個極其溫柔的接觸,在接觸的那一剎那間,猛地睜開雙眼,發現自己處在沒有撞過去的那個可能下。

原本的兩種可能在我睜開眼的時候,兩種可能的疊加態就會立馬坍縮為其中一種可能——沒過去,而在另一個平行宇宙中,我是過去了的,也就是說,在我睜開眼睛的時候,立馬分裂出來含有兩種不同可能的宇宙,一個宇宙中的我過去了,一個宇宙中的我沒有過去。

就如同我閉著眼睛向空中拋出一枚硬幣,當它穩穩的落地之後,我睜開眼睛觀察結果,如果是正面,則另一個宇宙中的我看到的是反面,還有一個宇宙中的我看到的是立起來的硬幣。

哎~這波腦洞就很舒服,注意,這只是腦洞而已,切莫當真!


科學船塢


答:量子力學中,理論上存在這種可能,這個概率我們是可以估算的,不過完全可以忽略;因為就算你每秒撞一次,從宇宙開始到現在,然後宇宙再重複幾億個來回,也很難發生一次穿過的情況。


量子隧穿效應

在經典力學中,一個人撞擊一道堅不可摧的牆壁,會被彈回來。


但是在量子力學中,物質由微觀粒子組成,微觀粒子又具有波動性,於是微觀粒子具有一定幾率穿過牆,這種現象叫做“量子隧穿效應”。

人由微觀粒子組成,所以從本質上說,人也是有一定幾率穿過牆的。


量子隧穿效應的本質是不確定性原理,一道V0的勢壘,粒子能量為E,對於E

但是由於不確定性原理,可以使得粒子向真空“借”能量,從而使得E'>V0,為了保證能量守恆和能量時間不確定性原理(Δt·ΔE≧h/4π)成立,粒子借能量的時間必須非常短,而且“借”的能量是要歸還的。

隨著勢壘和距離的增大,粒子隧穿效應的概率將會大大降低,最終低到可以忽略,從而退化為牛頓力學。


建立方程

如下圖:V0為方勢壘,a為勢壘寬度,左邊(x<0)是物體穿越前的波函數,右邊(x>0)是物體穿越勢壘後的波函數。



我們可以圍繞三個區域,建立一維定態薛定諤方程:



首先做個變量替換,然後對方程進行求解:


結合邊界,可以求出粒子貫穿方勢壘的概率P:


由概率方程可以看出,方勢壘的距離和物體的質量越大,粒子穿越勢壘的概率越低,而且概率呈指數衰減非常快。


概率估算

如果我們簡單地帶入數據:牆厚度0.2米,人的質量60千克,勢壘差(V0-E)就取1,算出來的概率都是:

P~10^(-10^34);

即10^-10000000000000000000000000000000000,如此小的概率,就算有一億個你,同時每秒撞一次牆,從宇宙開始到現在,然後宇宙再重複幾億億個來回,也很難發生一次穿牆事件。

以上計算,純屬對該問題的定性分析;在實際當中,勢壘稍微高於幾電子伏特,距離達到幾十納米時,量子隧穿效應幾乎就可以忽略了。


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艾伯史密斯


這個是真的。

因為我們每個人是原子構成的,中間大部分全是空的。牆壁也是原子構成的,中間大部分也是空的。所以,人是有一定的幾率穿牆而過的,雖然這個概率很小。

量子力學中有一個隧道效應,說的就是一個看起來不能穿越的勢壘,可以用低於勢壘的能量突然穿越。這個穿越的能量是哪裡來的?答案是從真空中借來的。為什麼真空肯出借能量而且不收利息?答案就是因為真空裡有太多的能量,只要你肯還,它就肯借。

隧道效應的穿越概率計算,大部分量子力學的書上都寫了。我們可以用薛定諤方程把穿透概率計算出來,這個概率是一個e的負指數函數。其中指數上是正比於勢壘的寬度,也正比於一個開根號,根號裡面是穿越粒子的質量與能量差距的乘積。

我給你寫一下:

所以,這個結果是指數衰減的,因此對距離很敏感,對人的質量也很敏感。比如說,面對同樣一個牆壁,一個小孩子就比一個大人穿越的概率至少要大10倍。


瀟軒


一個人撞牆能穿過去的概率為0.0000001%,為什麼不直接等於0呢? 因為還有種魔術叫穿牆魔術,哈哈,開個玩笑而已。 (〜 ̄▽ ̄)〜


用量子力學的觀點來看,電子具有波動性,其運動用波函數描述,而波函數遵循薛定諤方程,從薛定諤方程的解就可以知道電子在各個區域出現的概率密度,從而能進一步得出電子穿過勢壘的概率。該概率隨著勢壘寬度的增加而指數衰減。因此,在宏觀實驗中,不容易觀察到該現象。

微觀粒子會出現量子隧穿效應,只是觀測到偶發的現象,並不是所有粒子(即使觀測對象為同類粒子)都會發生,因此只能用概率去解釋,並沒有真正解開其發生的本質原因。

以下文字純屬個人觀點,你也可以說是民科式的臆想,歡迎討論、質疑,請輕噴哈。

為什麼有些粒子能穿過勢壘,有些粒子不能,為什麼有些粒子能與其它粒子組合成物質,組合成物質後卻又不會一直穩定,而是無時不刻地與各種場能或物質之間進行著能量交換,從而導致任何物質都會有“生命期”?

電荷(electric charge) ,為物體或構成物體的質點所帶的正電或負電,帶正電的粒子叫正電荷(表示符號為“+”),帶負電的粒子叫負電荷(表示符號為“﹣”)。也是某些基本粒子(如電子和質子)的屬性,同種電荷相互排斥,異種電荷相互吸引。



因為粒子的電荷相吸,粒子間才能有種粘合作用,因為電荷相斥,粒子間才會一直有間隙,物質結構密度也才會有大有小。 但是也有粒子是電荷中性的,不一定是原子的中子。這類粒子會起到介質的作用,在傳導的過程中會變成帶電荷。 當粒子組合成原子,原子再組合成分子,直到組合成物質。每一種物質都含有大量的帶有正、負電荷和中性的粒子。電荷之間相抵越趨近於中性,物質結構越穩定,密度越大。當正電荷粒子數佔比例較大時,其組合成的物質呈正電屬性。反之,當負電荷粒子數佔比例較大時,其組合成的物質呈負電屬性。則宏觀物質之間亦會出再同性相斥,異性相吸的現象。

而大部分的物質都呈中性。比如牆。 牆和人體相比較,牆不帶電,結構更穩定,密度更大。人體則是具有生物電磁場的,因此人會有異性區別,會有靜電,甚至會有自燃現象。結構更不穩定,也更疏散。

如果有種儀器或者場能,能夠在瞬間改變人體的電荷,使之整體呈負電屬性。在牆的另一面設置一個強大的呈正電屬性的場,在改變電荷的瞬間與牆對撞,那麼穿牆而過的概率將會提到大幅提高,雖然不能保證達到百分百,但是至少能有百分七八十的概率。

好了,以上純屬思想實驗,請勿實踐,缺胳膊斷腿的可不好😊(*^ω^*)大家早安!(❁´ω`❁)


姝子


可能性接近沒有,其實這個問題的根源所在,應該是量子力學中的量子隧穿,在粒子的微觀世界當中,粒子能夠穿入或穿越位勢壘的量子行為,就被稱之為量子隧穿效應,但量子隧穿效應,只能出現在量子力學當中,但經典力學當中,它是不成立的。

我們先舉個例子,假如說你的面前有一堵牆,這堵牆在沒有外力破壞的情況下,人不可能穿牆而過,但現在要求我們必須要出現在牆的另外一邊,那麼唯一的辦法只有翻牆,那麼一般的情況下,翻牆確實是最可行的辦法,但在微觀的粒子世界當中,情況就不同了。

假如說現在有一大堆的粒子,這些粒子都往牆壁撞去,其中大部分的粒子都會被反彈回來,但有極少數的粒子卻可以無視牆壁,出現在牆壁的另一邊,但這裡有一個關鍵的點,就是隻有少數的粒子可以穿牆而過。

所以除非說組成人身體的所以粒子,都一次性出現量子隧穿的效應,否則人不可能穿牆,但這個假設肯定是不可能的,否則古人也不會有,不撞南牆不回頭的諺語了,所以這也是為什麼量子隧穿的效應,在經典力學當中不成立的原因了.....


種植恆星


這個問題應該和量子隧穿有關,量子隧穿是量子力學中的一種特殊現象,它科學的解釋是,像電子等微觀粒子,能夠穿入或穿越位勢壘的量子行為,這個解釋聽起來就很複雜,一般的人肯定聽不懂,我儘量簡單的進行解釋一下好了。

假設現在有一堵牆,如果我們要去牆的那邊,就需要翻牆而過,但翻牆是需要能量的,如果你沒有力氣,肯定是翻不過去的,但在微觀的粒子世界當中,粒子有時候不需要翻牆,它可以直接穿牆而過,出現在另外一邊,那麼這個現象就是量子隧穿。

但這裡有一個問題,不是所有的粒子都會穿牆而過,比如說有一大堆粒子撞在牆上,大部分的粒子都被反射出去了,只有少數的粒子,可以出現在牆的另一邊,所以量子隧穿的效應是偶然性的,你根本無法讓所有的微觀粒子,都穿牆而過,出現在牆的另一邊。

最後人類的本身,是一種現實宏觀物質,我們的身體,確實是由無數的微觀粒子組成的,但除非你能讓組成身體的所有粒子,都一下子出現量子隧穿的現象,否則人是無法穿牆的,因為科學家已經告訴我們了,只有非常少數的粒子,才可以穿牆而過,所以人只能撞牆,而非穿牆……


科學薛定諤的貓


某些人把薛定諤方程作為量子力學的經典,不思進取。通過把一個客觀的物理現象放在一個混沌的薛定諤方程中求解,只接受想要的結果,排除不想要的結果,然後便有了對該對象的理論解釋,是相當可笑的事情。

通俗的說就是把宏觀物質變成所謂的物質波再把結果統計解釋成一個幾率。相當於將無數個宏觀不可能的事實說成概率事件。薛定諤微分方程本身是個連續的量,非要用一個不連續的幾率來計算,就好像把好好的一堵牆,說成是有極小孔的密密麻麻的篩子,本來非常小的量在他們眼裡,是可以用一個巨大的量乘以一個極小的量組成,說是不確定性。相當於把人說成是一根根長短不一的截面為普朗克常數的方木組成。因此,人這個宏觀物體撞牆只要角度、速度、角動量、粘度、時間、溫度等等合適就有幾率通過牆了。

按量子力學來說,一個人撞牆就這個意思,你說靠譜不靠譜?


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