看穿水的“量子心”

  水是地球上最常见的物质，却藏着物理学界最顽固的难题。它的结构之谜、氢键本质之谜，困扰了一代又一代科学家。为了揭开这些谜底，北京大学教授王恩哥、江颖带领团队，潜心研究水的全量子效应长达25年。

  7月8日，在国家科学技术奖励大会上，他们凭借“水的氢键强度及动力学过程全量子效应研究”获得2025年度国家自然科学奖一等奖。

  故事要从微观世界的奇妙规则说起。电子、原子核这些小家伙，既是粒子也是波，这是量子力学的基本常识，也是习惯于用宏观视角看问题的人们最难理解的地方。1927年，物理学家玻恩和奥本海默为了简化计算，做了一个“聪明”的假设：原子核太重，运动太慢，干脆把它“冻”住，只考虑电子的量子行为。这就是玻恩-奥本海默近似。

  这个“近似”好用极了，近100年来一直是凝聚态物理的理论基石。对此，王恩哥有个生动的比喻：“这就像拿着一枚一块钱的硬币远远地看，能根据大小猜出面值，却看不清正反面的文字。”

  而王恩哥等人研究的全量子效应，就是给原子核“解冻”，把电子和原子核同时进行量子化处理，还要考虑两者之间的量子耦合。“这就好比一个硬币放到你手上，把两面都翻给你看，而且告诉你这两面是有关联的。”王恩哥说。

  水是研究全量子效应的最佳试验场。水中三分之二的原子是质量最轻的氢原子，量子效应最为显著。更重要的是，决定水几乎所有反常性质的氢键，百年来一直没被真正研究清楚。

  2002年，王恩哥和美国物理学家费贝尔曼有一场关于水在金属表面能否自发分解的科学争论。这场争论让他隐约感觉到，玻恩-奥本海默近似可能漏掉了什么。从那时起，他带着学生一头扎进了水的量子世界。

  突破来自理论与实验的双剑合璧。理论方面，王恩哥团队利用费曼的路径积分，巧妙避开了希尔伯特空间复杂的高维解析求解灾难，发展出一套国际领先的全量子效应计算软件。实验方面，江颖另辟蹊径，原创了高阶静电力扫描探针显微术，带领团队造出了世界顶尖的自主仪器。正是借助这台“火眼金睛”的仪器，科学家在人类历史上首次“看清”了水分子内部飘忽不定的氢原子，并精确测量出单根氢键的强度。

  有了看清氢原子的“眼睛”和准确解释氢键作用的“头脑”，一系列颠覆性发现接踵而至。他们发现，看似微弱的核量子效应，对氢键强度的贡献竟高达14%，远超室温下的热效应，而且其作用规律非常简洁：弱化弱氢键、强化强氢键。正是这个规律，使得水中氢键有长有短。

  他们的研究不仅解开了老谜题，更发现了新的物理现象。团队首次发现，质子在氢键网络中可以四个协同“齐步跳”，这打破了200多年来被用于描述质子分步传输的格罗特斯机制。最近，他们还将全量子效应变成一个调控物态的“旋钮”，在常压下使二维冰从绝缘态转变为金属态，向冰的金属化乃至超导迈出了重要一步。此外，离子水合物的“幻数效应”也被他们揭示。

  关于水的全量子效应的研究，王恩哥等人一坚持就是20多年。这些年，他们没有去追热点，而是埋首于水的量子世界，一根氢键一根氢键地测，一个原子一个原子地看。如今，他们建立了超越玻恩-奥本海默近似的全量子凝聚态物理研究新范式，证明了原子量子态的重要性，提出全量子物理研究的理论方法，并自主研发了尖端实验设备，取得了世界领先成果。

  从当初被认为是“做不出大文章”的冷板凳，到如今国家自然科学奖的最高领奖台，王恩哥等人用25年时间证明：最寻常的水里，藏着最不寻常的科学。

编辑：周大为