尽管当粒子遇到一个足够小的障碍(约1-3纳米宽)时,按常理是无法逾越的,但是实际上粒子直接穿过该障碍的可能性却相当显著。海森堡的测不准原理可以解释此现象。该原理表明我们能获取的粒子信息总是有限的。(百度百科:测不准原理表明一个微观粒子的某些物理量(如位置和动量,或方位角与动量矩,还有时间和能量等),不可能同时具有确定的数值,其中一个量越确定,另一个量的不确定程度就越大。)粒子可以先从它所活动的系统里“借来”能量穿过障碍,之后便失去“借来”的能量。
量子隧穿发生在许多的物理过程中,比如说放射性衰变和太阳上发生的核聚变。它还被用于某些电子元件,甚至生物系统的酶身上。例如,葡萄糖氧化酶是葡萄糖变成过氧化氢的催化剂,在催化过程中包括一个完整氧原子的量子隧穿。量子隧穿还是扫描隧道电子显微镜的一大特色。这是第一种能够拍摄和操作原子的显微镜。它通过测量精细探针的电压变化而工作。这是由于电子在穿越原子间的真空时(称为“禁区”)会产生量子隧穿效应,促使探针在接近物体表面时发生电压变化。这保证设备足够灵敏,能够生成分辨率极高的图像。同时还可以通过在设备的探针上缓缓导入电流来移动原子。
5、科尔黑洞(Kerr Black Hole)
(译者注:1. Ergosphere,能层;2. static limit,静态极限;3. outer horizon,外部视界;4. inner horizon,内部视界;5. singularity,奇点。)
大部分人熟悉的黑洞其实有一个更确切的名字:史瓦西黑洞(Schwarzschild black hole)。这种黑洞在外部有一个视界(event horizon)充当有去无回的“极限点” (“point of no return”),在内部则有一个密度无限大的奇点。它以卡尔-史瓦西( Karl Schwarzschild)命名。1915年,在爱因斯坦广义相对论发布仅1个月后,史瓦西就为不旋转的球形体找到了爱因斯坦场方程的数学方案。尽管如此,直到1963年,数学家罗伊-科尔才发现了旋转的球形体的相应方案。因此,一个旋转的黑洞被称为科尔黑洞。它有一些不寻常的属性。
科尔黑洞中心是不是奇点而是奇环 - 由自身动量维持的一维环形。它有两个视界(外部视界和内部视界)以及一个椭圆形的能层(ergosphere)。由于惯性系拖拽效应(frame dragging),在能层里面时空本身与黑洞一起以超光速旋转。当通过外部视界进入黑洞,空间路径变成时间路径。这意味着像史瓦西黑洞一样,科尔黑洞中心必然会产生奇点。但是穿过内部视界,时间路径又变回空间路径。唯一的区别是时空逆转了。这意味着奇环附近的重力变成往外推的排斥力。实际上,除非恰巧从黑洞中心线进入,否则根本就不可能进入奇环。此外,多个奇环还可以通过时空互相连接,因此奇环可以充当虫洞。不过除非是奇环旋转得足够快产生的裸奇点,否则无法从另一边的黑洞出去。通过奇环可能进入另一个时空,比如说另一个宇宙。在那里,你可以看到光从黑洞外面进来,却看不到光从里面出去。你甚至有可能被带到一个负宇宙(negative universe)上的“白洞”(white hole)。不过没人知道这到底意味着什么。(百度百科:白洞是广义相对论预言的一种与黑洞相反的特殊天体,是大引力球对称天体的史瓦西解的一部分。白洞仅仅是理论预言的天体,到现在还没有任何证据表明白洞的存在。其性质与黑洞正相反。白洞有一个封闭的边界。与黑洞不同的是,白洞内部的物质(包括辐射)可以经过边界发射到外面去,而边界外的物质却不能落到白洞里面来。因此,白洞像一个喷泉,不断向外喷射物质和能量。)