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按量子力學來說,一個人撞墻有多大機率能穿過去?

2020-05-20科學

幾位高贊答主的估計方法大體上沒錯,但是真的太太太太太麻煩, 違背了數量級估計的初衷和誤差平衡的原則 。我來提供兩種簡單的估計辦法。

第一種, 因次分析 。一個人在不運動的情況下,由分子熱運動導致的(速度為v\sim 10^{-11} ~\mathrm{m/s} )德布羅意波波長大約為 10^{-24} ~\mathrm{m} ,如果正常運動(速度大約為 v\sim 1 ~\mathrm{m/s} ),那麽德布羅意波長為普朗克長度 l_\mathrm{pl}\sim 10^{-35} ~\mathrm{m} 。

穿墻機率必定隨著強的厚度a指數衰減,同時隨著波動性增加而增大。反映波動性大小有一個很直接的internal quantity,也就是德布羅意波長。德布羅意波長越大,波動性越大,機率應該越大。因此人穿墻機率應該長這樣 P = e^{-a/\lambda} 。對於一個1厘米厚的墻,人穿過的機率大約為 e^{-10^{33}} 。

第二種, 套最簡單的公式 。任何一個量子力學標準教科書都會給出電子穿過勢壘的「機率」,比如高贊 @孔偉成 答案下的公式。這裏我們使用帶k和 \kappa 的那個,而不用帶E和V_0的那個。如果把人當成一個「粒子」,並做一個比較粗略的假設 k\sim \kappa ,那麽人穿墻的機率為 e^{-2k a} 。對於人 k=2\pi/\lambda \sim 10^{36} ~\mathrm{m^{-1}} ,那麽穿過1厘米厚的墻機率大約為 e^{-10^{34}} ,和因次分析的結果吻合。

很多答主想盡量嚴謹的回答這個問題,這個可以理解。但是在計算過程中仍然用了說多不多、說少不少的假設, 不見得比我一開始就用很粗略的假設來得精確 。這裏推薦劍橋大學數量級估計教材(pdf),這裏面詳細講述了估算的藝術。如果把估算過程中每次估計的偏差當成是隨機遊走,那麽這個誤差差不多遵循1/\sqrt n 原則 。也就是說,用的估計越多,估計之間的誤差越容易達到平衡。

因此,再一次聲明, 企圖用精確的方式計算但卻用了一些奇怪的假設,未必比我這樣粗略的估計來得更準確

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第一次更新:

謝謝大家這麽迅速的贊!既然大家喜歡,我們就再做個放飛自我的估計,看看歷史上到底可不可能有人遇到過「穿墻」效應。

那麽這種機率可不可能發生呢? 墨菲定律 告訴我們,如果事情有變壞的可能,不管這種可能性有多小,它總會發生。因此,如果你有陷入地面卻不破壞地面的可能,你一定會陷進去。但是事實上卻從未有過這種記載,因此量子力學給出的這個機率是錯的,所以量子力學是錯的(開個玩笑。。。)。

我們還是來做個正兒八經的估計,看看宇宙中到底可不可能發生「穿墻事件」。太陽大約有 10^{57} 個質子,銀河系大約有 10^{11} 個太陽,宇宙中大約有 10^{11} 個銀河系,因此宇宙中有 10^{79} 個質子。我們算誇張一點,假設每個質子都代表一個「人」,那麽宇宙中有大約 10^{80} 個人。假設不同宏觀物體之間存在接觸(或碰撞),比如說人始終站在地面上,就是人和地面的接觸,而且接觸頻率為每普朗克時間一次(也就是相當於假設時間可以量子化,最小時間單位是普朗克時間),那麽也就是說,每個人平均每秒鐘嘗試穿墻 10^{44} 次,每年 10^{51} 次。宇宙的年齡為 10^{10} 年,那麽整個宇宙中有史以來 所有「人」嘗試過的穿墻次數最多最多為 10^{80+51+10} = 10^{141} 次。那麽這麽多接觸事件中,會發生穿越嗎?很明顯不會,因為這個如此巨大的碰撞次數相對於穿墻機率而言,還是太小太小了。

事實上,歷史上存在過的總人口大約是千億級, 10^{11} (這個數位好像有點魔力?怎麽總出現),所以真實的碰撞次數遠遠比剛剛用 10^{80} 估算的小。 因此,我們是絕不可能真地穿過一面墻的。

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第二更:

有人說,機率很小,那有沒有可能發生?有,畢竟活生生的墨菲定律擺在這裏。

有人說,機率為0,那有沒有可能發生?當然也有,畢竟在0和1之間抽到任何一個數的機率都為0,但你總是能抽到某個數的。

那實踐意義上,穿墻這麽小的機率,有沒有可能發生?沒有。你就算在宇宙演化的這138億年裏天天抽彩票都中再來一瓶,都沒這機率低。

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