把墙变软
无限深的盒子是个有用的谎言:它的墙无限高,于是粒子被永久封死。真实的陷阱从不如此。把电子拴在原子上、或把弹珠拴在真实碗里的那种吸引力,都是有限的——只要推得够狠,你就能逃出去。所以,让我们把无限高的墙换成一个更诚实的陷阱:有限深方阱,一个深度固定、墙高有限的凹坑。把它想成一个山谷,谷沿你只要有足够的能量,就能翻过去走出来。
这些谷沿的高度,由物理学家所说的势能决定——也就是“待在某个位置”所需付出的能量代价。阱内代价低(像个舒服的谷底);阱外、谷沿之外,代价高(你得付出能量才待得上去)。一个总能量低于谷沿高度的粒子是被困住的:按经典物理,它就是没有足够的能量待在外面,没得商量。把这条经典判决记在心里,因为量子力学马上就要悄悄把它推翻。
波函数漏过了墙
在无限深盒子里,波函数在墙处被硬生生压到恰好为零——它别无选择。可面对有限高的墙,它就做不到了。量子波不允许出现突然的跳变或尖锐的折角;它必须是光滑的,越过任何边界都要连续地接上。这一要求就是波函数连续性。而一段在墙内侧还相当可观的光滑波,没法在墙的另一侧瞬间归零。它只能先往墙里探进去一小段,然后才渐渐淡出。
在那堵“禁区”墙的内部,波不再继续抖动——它抖不动,因为那里没有足够的能量供它振荡。取而代之,它会衰减:平滑地朝零下垂,探得越深、消逝得越彻底。这条不再振荡、只往下垂的“尾巴”,存在于一个粒子按经典理论根本进不去的区域里,它就是隐失波(消逝波)。墙通常厚到足以让这条尾巴在抵达外侧之前就淡为乌有——但在刚越过谷沿的地方,它并不恰好为零,而正是这个小小的事实,埋下了某件惊人之事的种子。
更少的台阶,也更柔和
把墙变软,会让这座楼梯发生两个合情合理的变化。第一,由于波现在会向谷沿外溢出一点点,它实际上比阱的“净宽度”多了一丝活动空间——就像一根两端没被钉死、而是留了点松弛余地的弦。略长一些的有效波意味着略长一些的波长,也就意味着能量比无限深盒子给出的略低一些。台阶整体往下塌了一点。
第二,也更引人注目:一个有限深的阱只容纳有限个束缚台阶。无限深盒子那座楼梯无穷无尽地往上爬;而一个浅浅的真实势阱,可能只装得下两三个被困住的态,甚至只有一个。任何需要的能量超过谷沿高度的态,就根本不再是被困住的了——给粒子那么多能量,它就会越过谷沿扬长而去。这座楼梯能爬多高是有天花板的,天花板由阱的深度决定。
那只有一侧的墙呢——一道单独向上的势阶,就像粒子迎头撞上的一道陡崖?这里粒子根本没有被困住;它在行进,然后一头撞上势阶。按经典物理,如果它的能量低于势阶高度,它就直接弹回去,每一次都如此。按量子力学,它大多数时候也会弹回去——但它那条隐失尾巴,仍会在掉头折返之前,往那块禁地高地里下垂探进一小段。“多少被反射、多少穿透过去”,就是反射与透射的问题,它也是通往下一个想法的天然桥梁。因为,如果你把那块禁区做成一堵墙、而不是一道无尽的陡崖——薄到那条下垂的尾巴在抵达另一侧之前还没完全消亡——那么,一件经典世界断然禁止的事,就成了可能。