科学家观察到量子条件下的化学反应

    中国科技网讯 在量子条件下观察到化学反应的进行，这是科学家们在半个世纪前就开始寻求得到的“真相”。而据物理学家组织网10月12日（北京时间）报道，以色列魏茨曼科学研究所的团队现在已用实验证实了这一点，相关研究结果已刊登在本周出版的美国《科学》杂志上。

    我们知道，当分子破裂成原子，原子重新排列组合生成新物质的过程，被称为化学反应。这其实是旧化学键断裂和新化学键形成的过程，因而是否生成了新物质成为判断一个反应是否为化学反应的依据。而量子效应，需要在超低温等极端条件下，由大量粒子组成的宏观系统整体呈现出一种量子现象——据量子理论的“波粒二象性”学说，此时量子效应使微观的实物粒子也可以像光波水波那样，具有干涉、衍射等波动特征。

    量子理论预测化学反应与量子效应二者的关系为：量子效应的机制可以让化学反应偏离传统方向，获得新的反应结果——譬如在接近绝对零度的环境中，量子效应开始“介入”后，化学反应进行的速率应当比在传统化学中要高得多。

    但这个看似简单的描述却耗费了科学界半个世纪之久的探索。起初启动这一实验的科学家在试验中利用两束低温超声束对撞，以前所未有的分辨率观察到了化学反应的进行。但那次碰撞的相对速度实在太高——导致了超过100开尔文的温度，结果“抹煞”掉许多量子效应。其后多年来科学家试图巧施妙术控制住温度，但量子效应与化学反应仍像鱼与熊掌，不可兼得。

    现在，埃德·奈尔维修斯博士和他的小组出现了重大创新，他们总结前人之法，采用“合并”而非“对撞”两束超声束——在直线上产生第一束，再使用磁性装置使第二束弯曲直到它平行于前者，这样超声束再快，粒子们相对速度也为零，终于实现了只比绝对零度高0.01k的温度环境下，首次用实验方法在量子条件下观察到化学反应进行：两束超声束其一含有氦原子激发态，另一含有氩原子或氢分子，而在随后的化学反应中，氩或氢分子被离子化——释放出电子。而在经典效应中本该随温度下降逐渐放缓的反应速度，却在超声束合并后突然达到了高峰和低谷，量子隧穿效应的迹象出现。

    据奈尔维修斯介绍，这是实验第一次证明，在超低温条件下化学反应的速率可以发生戏剧性变化；其也为反应动力学学科提供出一个超灵敏的探测器。可以预见到的是，该实验将解决许多难题，尤其是关乎那些在冰冷的星际空间中所发生的化学反应。（记者 张梦然）

    总编辑圈点

    该结果给人们一个机会，得以深入洞察粒子作为波的形式存在的奇异量子世界；更重要的是，它可能解释在茫茫星际空间中，那些无比寒冷地区曾经或正在发生着怎样的化学反应。这是令人鼓舞的重大发现，然而也应该清醒认识到，长达半个世纪的探索和坚持获得的只是一个在实验室状态下的观测方法，这意味着我们还远没有理解哪怕最简单的电离反应，下一步需彻底重新思考和建设一个更佳的理论模型。长路漫漫，希望不息，仍需探索不止。

    《科技日报》（2012-10-13 一版）

    原文链接：http://www.stdaily.com/stdaily/content/2012-10/13/content_527812.htm