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按量子力学来说,一个人撞墙有多大概率能穿过去?

2020-05-20科学

几位高赞答主的估计方法大体上没错,但是真的太太太太太麻烦, 违背了数量级估计的初衷和误差平衡的原则 。我来提供两种简单的估计办法。

第一种, 量纲分析 。一个人在不运动的情况下,由分子热运动导致的(速度为v\sim 10^{-11} ~\mathrm{m/s} )德布罗意波波长大约为 10^{-24} ~\mathrm{m} ,如果正常运动(速度大约为 v\sim 1 ~\mathrm{m/s} ),那么德布罗意波长为普朗克长度 l_\mathrm{pl}\sim 10^{-35} ~\mathrm{m} 。

穿墙概率必定随着强的厚度a指数衰减,同时随着波动性增加而增大。反映波动性大小有一个很直接的internal quantity,也就是德布罗意波长。德布罗意波长越大,波动性越大,概率应该越大。因此人穿墙概率应该长这样 P = e^{-a/\lambda} 。对于一个1厘米厚的墙,人穿过的概率大约为 e^{-10^{33}} 。

第二种, 套最简单的公式 。任何一个量子力学标准教科书都会给出电子穿过势垒的「概率」,比如高赞 @孔伟成 答案下的公式。这里我们使用带k和 \kappa 的那个,而不用带E和V_0的那个。如果把人当成一个「粒子」,并做一个比较粗略的假设 k\sim \kappa ,那么人穿墙的概率为 e^{-2k a} 。对于人 k=2\pi/\lambda \sim 10^{36} ~\mathrm{m^{-1}} ,那么穿过1厘米厚的墙概率大约为 e^{-10^{34}} ,和量纲分析的结果吻合。

很多答主想尽量严谨的回答这个问题,这个可以理解。但是在计算过程中仍然用了说多不多、说少不少的假设, 不见得比我一开始就用很粗略的假设来得精确 。这里推荐剑桥大学数量级估计教材(pdf),这里面详细讲述了估算的艺术。如果把估算过程中每次估计的偏差当成是随机游走,那么这个误差差不多遵循1/\sqrt n 原则 。也就是说,用的估计越多,估计之间的误差越容易达到平衡。

因此,再一次声明, 企图用精确的方式计算但却用了一些奇怪的假设,未必比我这样粗略的估计来得更准确

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第一次更新:

谢谢大家这么迅速的赞!既然大家喜欢,我们就再做个放飞自我的估计,看看历史上到底可不可能有人遇到过「穿墙」效应。

那么这种概率可不可能发生呢? 墨菲定律 告诉我们,如果事情有变坏的可能,不管这种可能性有多小,它总会发生。因此,如果你有陷入地面却不破坏地面的可能,你一定会陷进去。但是事实上却从未有过这种记载,因此量子力学给出的这个概率是错的,所以量子力学是错的(开个玩笑。。。)。

我们还是来做个正儿八经的估计,看看宇宙中到底可不可能发生「穿墙事件」。太阳大约有 10^{57} 个质子,银河系大约有 10^{11} 个太阳,宇宙中大约有 10^{11} 个银河系,因此宇宙中有 10^{79} 个质子。我们算夸张一点,假设每个质子都代表一个「人」,那么宇宙中有大约 10^{80} 个人。假设不同宏观物体之间存在接触(或碰撞),比如说人始终站在地面上,就是人和地面的接触,而且接触频率为每普朗克时间一次(也就是相当于假设时间可以量子化,最小时间单位是普朗克时间),那么也就是说,每个人平均每秒钟尝试穿墙 10^{44} 次,每年 10^{51} 次。宇宙的年龄为 10^{10} 年,那么整个宇宙中有史以来 所有「人」尝试过的穿墙次数最多最多为 10^{80+51+10} = 10^{141} 次。那么这么多接触事件中,会发生穿越吗?很明显不会,因为这个如此巨大的碰撞次数相对于穿墙概率而言,还是太小太小了。

事实上,历史上存在过的总人口大约是千亿级, 10^{11} (这个数字好像有点魔力?怎么总出现),所以真实的碰撞次数远远比刚刚用 10^{80} 估算的小。 因此,我们是绝不可能真地穿过一面墙的。

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第二更:

有人说,概率很小,那有没有可能发生?有,毕竟活生生的墨菲定律摆在这里。

有人说,概率为0,那有没有可能发生?当然也有,毕竟在0和1之间抽到任何一个数的概率都为0,但你总是能抽到某个数的。

那实践意义上,穿墙这么小的概率,有没有可能发生?没有。你就算在宇宙演化的这138亿年里天天抽彩票都中再来一瓶,都没这概率低。

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