对“不可能之事”的快速复习
把一个球朝山坡滚去。如果它没有足够的能量到达山顶，它就会滚上一段、再退回来——每一次都是如此。这是经典常识。而一个面对自己在能量上无法翻越的势垒的量子粒子，却会做出一件在日常中毫无对应的事：时不时地，它干脆*出现在另一侧*——它穿过了那片禁区，却从未真正“站到顶上”。这就是量子隧穿；它既不是比喻，也不是近似——它是真切发生的，而且无时无刻不在发生。
原因在于波函数。一个粒子是由一道概率之波来描述的，而当这道波遇到势垒时，它不会在“墙”面前戛然而止。相反，它会向禁区*内部*渗入一小段，并以指数方式衰减——这就是一道倏逝波。如果势垒薄到让这道波在另一侧仍然不为零，那么粒子被发现于另一侧，就有一个真实、可计算的几率。势垒越薄、越低，这个几率就越大——定量地说，就是隧穿几率。
看见单个原子：扫描隧道显微镜
隧穿最优美的用途，是 1981 年发明的扫描隧道显微镜（STM），它能逐个原子地为一个表面成像。诀窍在于：把一根极其尖锐的金属探针——理想情况下尖端只剩一个原子——靠近一个导电表面，近到只有发丝之微，近到两者之间的间隙成为一道薄得足以让电子隧穿而过的势垒。施加一个小电压，便有一股微弱的隧穿电流流过那道空隙。无需接触；电子靠隧穿越过这片虚空。
此刻，指数衰减开始大显身手。正因为隧穿电流随间隙宽度变化得如此剧烈，哪怕探针下方一个原子大小的小凸起——不到一纳米——也会让电流出现可测量的摆动。让探针在表面上来回扫掠，同时用一个反馈回路微调它的高度以保持电流恒定，那么这些高度调整的记录就勾画出了表面的起伏：一幅精细到单个原子尺度的地图。STM 根本不用透镜，也不用光；它用一股量子电流去“触摸”表面。
回报是历史性的：人类第一次能够*看见*铺陈在表面上的单个原子，后来甚至能一个一个地把它们推挪成选定的图案。一整个领域——纳米技术——都依靠这种在原子尺度上观察与拨弄的能力，而这一切，都建立在一个粒子“愿意”越过它按经典理论无法越过的间隙之上。
隧道二极管，以及你手机里的闪存
隧穿也现身于电子器件内部。隧道二极管由江崎玲于奈在 1950 年代末发明，是一种半导体元件，其构造让电子隧穿过一个超薄的结。由于隧穿对电压的响应几乎是瞬时的——没有电荷的缓慢漂移，只有一道波渗透而过——这类器件能以极快的速度开关，曾在高频电路中备受青睐。江崎也因展示了隧穿在固体中起作用而分享了诺贝尔奖。
最普及的例子就在你口袋里。闪存——手机、相机和固态硬盘里的存储——的工作原理，是把电子停泊在一个微小、孤立的导体“岛屿”上，外面用一道绝缘势垒围起来。要写入或擦除一个比特，就用电压逼迫电子*隧穿*过那道势垒、登上或离开这座岛屿；一旦到位，在不施加电压时，势垒对它们而言已经太厚，以至于在任何人类可感的时间尺度上都无法隧穿回来，于是这个比特就稳稳保持多年。你存下的每一张照片、每一首歌，都靠对一道隧穿势垒的精心调校而留在原处——薄到足以写入，厚到足以记住。
值得一提的是，隧穿并不总是“友军”。随着芯片上的晶体管不断缩小到几纳米，它们的绝缘层变得太薄，以至于电子会在本不该穿越的地方隧穿过去，造成漏电、浪费功率。我们在闪存里有意驾驭的同一种效应，反过来成了普通晶体管所能做到的尺寸下限——这提醒我们：隧穿是量子世界一项基本的、始终开启的特性，而不是一个可有可无的小装置。
同一种效应，遍布自然
隧穿不只是实验室里的把戏；大自然一直在使用它。重核的放射性α衰变就是隧穿——一个α粒子靠隧穿过束缚它的势垒，逃出了一个它远没有足够能量爬出来的原子核。太阳之所以发光，是因为它核心里的质子隧穿过彼此间的排斥而聚变；没有隧穿，核心就会冷到无法发生聚变，群星也就不会燃烧。让你能存下一张照片的那同一个“漏洞”，也让太阳持续发光。
所以本文的教益是双重的。隧穿确实奇异——一个粒子抵达了它的能量本不允许之处——可它同时又极其平常，被编织进你手机的存储、一台绘制原子的显微镜、岩石的放射性，乃至星光之中。这个量子“漏洞”，绝非物理学边缘的一桩奇闻；它是宇宙这台机器、也是你桌上那台机器里，一个实实在在运转着的零件。