量子粒子的确是相当古怪的东西。它们有一个令人不安的特质，那就是在任何一个时刻，它们都不只存在于一个地方。相反，它们会散开，或者说散开的是发现它们在某处的可能性。这种散开的可能性叫作“波函数”，它便是量子粒子行为如此离奇的原因。

尽管你永远无法把波函数限制在一个点上，但粒子的波函数常常集中于空间中某个受限区域。那里便是你最可能找到粒子的地方。不过，波函数还有“尾巴”，它们比波函数的“核”散播得更远。这些波函数的尾巴会告诉你，你有很小的概率可以在距离你以为粒子存在的位置较远的地方找到它。有时候，粒子甚至会出现在它按说不该出现的地方！这叫作“隧穿”。

隧穿：横穿通常禁止穿越的屏障

我们举个例子，一个量子粒子可以横穿一样屏障，比如一堵墙或者其他类型的障碍。要想让这种事发生，你要做的就是直接冲着墙壁将粒子发射出去。在大多数情况下，粒子的行为会像普通的坚硬小球一样，从墙上弹开。但是它也有一个小概率会穿墙而过，就像那里根本没有任何障碍！怎么会这样呢？

我们以前讲过，量子粒子其实并不是什么坚硬的小球，而更像是波，可以遍布空间中一些区域。如果波函数碰到墙之类的障碍物，它不会完全被障碍挡开。波的一小部分——其中一条尾巴，能横穿障碍物，到达另一侧。现在请记住，这个波可以告诉我们去某地寻找量子粒子的概率。波的一小部分穿过障碍物，这意味着你有很小的概率可以在墙的另一侧找到粒子。而宏观物体（比如说你自己）中全部1027个粒子隧穿到门的另一侧的概率小之又小。

事实上，如果你把家里钥匙弄丢了，想直接朝关着的门冲过去，以隧穿的方式穿门而入，我劝你还是别想了。如果你每秒像这样尝试一次，那么要花上比宇宙目前的年龄多得多得多的时间，才能有那么一丁点的机会整个人隧穿过门去。更大的可能是你只有一半身体能到达门的另一侧，另一半只能留在门外。因此，你最好还是叫个开锁师傅吧。

所以说，对于我们日常生活中的平常事物而言，要进行隧穿基本上是永远不可能的。墙就是墙，事物是无法魔法般瞬移到墙的另一侧的。然而，对于一个量子粒子而言，隧穿不仅是常常发生的合理之事，而且也是相当重要之事。

核聚变：量子隧穿让阳光普照！

以核聚变的过程为例。在太阳中，有大量原子核飞来飞去。有时候，两个原子核会聚变为一种较重元素的核。许多能量就这样释放出来了，这也是太阳可以照耀大地的终极原因。为了让这个聚变过程发生，两个原子需要非常紧密地靠在一起。只可惜，它们都只带着正电荷，且相互排斥，因为太阳内部实在太热，这些原子的电子都被剥离掉了。实际上只凭借热能，它们永远无法结合在一起，它们的温度还没有高到能克服静电排斥。

因此有人可能会想，核聚变到底是怎么发生的？太阳是如何放出光芒的？答案就是：隧穿！

在这个例子中，粒子隧穿的障碍物并非实体墙，而是静电排斥的屏障。通常情况下，两个原子核之间的互斥力太强了，因此它们无法靠近到发生核聚变的程度。然而，因为它们是量子粒子，所以有很小的概率以隧穿突破静电排斥的屏障。虽说概率不大，但太阳中原子的数量极大，因此每一刻都有核聚变发生，数量足以让太阳持续燃烧。太阳因为量子隧穿得以照耀地球，这是我们的幸运。

STM：多亏量子隧穿，我们可以看到单个原子了

再举一个例子，粒子（尤其是电子）进行量子隧穿的过程可以用于技术目的，也就是所谓的“扫描隧道显微镜”（STM）。这类显微镜没有多层镜片，也用不到光。事实上，我们想用这些工具“看到”的东西对于可见光来说实在太过微小，不过，你可以借助一台STM看见单个原子。

STM的主要组成部分是一根尖端极细的针。这个针尖可以与你想观察的样品表面离得非常近。此针尖既需要与样品贴得非常近，同时又不应接触样品表面。然后你可以取一块电池，用一根电线将其与样品表面连接起来，再用一根电线将电池和针连接起来。既然针尖不能碰触样品表面，那么这里的电路就是断开的，对吧？

其实错了。形成电路的电子有较小的概率从针尖隧穿到样品表面上。它们可以通过普通方式从电池运动到针尖上，还有较小的概率通过隧穿的方式穿越屏障。在这个例子中，针尖与样品表面之间的间隙便是“屏障”。电子可以穿过那里回到电池，形成闭路。尽管电路是断开的，因为电子的量子性质，该电路中依然存在微小的电流。

如何把这种装置做成显微镜呢？是这样的，关于量子粒子真正隧穿一道屏障的可能性，还记得我们说过什么吗？这种事的概率很大程度上取决于屏障的厚度。于是，在我们的例子中，针距离样品表面越远，电流越小——这个你可以轻易测量出来。因此，你可以用针扫描样品表面，密切关注电流。如果电流始终如一，那么表面是平的——它和针尖之间的距离始终没有变化。如果你突然看到电流增加，它们之间的距离一定是缩小了，这显然标志着样品表面上有一个小小的凸起。

最重要的事情是：这样的扫描极其敏感，哪怕表面高度的变化只有一个原子的厚度，它也能发现！因此，这是个找出材料缺陷的神奇方法，甚至可以测出分子和原子级的瑕疵。以这种方式，STM可以让我们看见用肉眼永远无法看见的非常小的结构。