夏天來了，神州處處是火爐。這個時候，如果能喝上一瓶冰鎮(zhèn)飲料，想必能暫時緩解一下燥熱的心情。

　　你知道嗎？在物理學(xué)家看來，冰塊其實不夠冷，可以說熱得離譜。

　　在常溫下，水是液態(tài)的，這是因為水分子具有很大的能量，并且會到處亂跑。

　　在冰箱里，當(dāng)氣溫達(dá)到零度以下時，水分子的能量稍微降低。在分子間作用力的牽制下，誰都不能亂跑。于是，水就結(jié)成了冰。

　　表面上看，冰塊里的水分子很安靜。其實，它們?nèi)匀粨碛泻芨叩哪芰?。雖然不能亂跑，但它們有各種辦法自娛自樂，要多亂有多亂。

　　如果想要讓分子盡量不要動，就要繼續(xù)降低溫度，奪走分子的能量。假如溫度能夠降低到-273.15℃，從理論上講，所有的原子和分子都會停止熱運動。這是物質(zhì)能達(dá)到的最低的溫度，所以叫做絕對零度。因為在物理學(xué)家眼中，絕對零度才是真正的零度。

　　到了絕對零度以后，原子不能亂動，豈不是很適合進(jìn)行科學(xué)研究？基于這種想法，近年來科學(xué)家搗騰出了一門交叉學(xué)科：超冷量子化學(xué)。

　　2017年7月，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授及其同事趙博、陳宇翱等，在《自然·物理》雜志上就發(fā)表了一篇實驗論文，講就是在絕對零度附近，觀察原子間“戀愛”（結(jié)合成分子）和分子“分手”（反應(yīng)變成另一種分子）的行為。

　　他們通過激光冷卻和蒸發(fā)冷卻的方法，把30萬個鈉原子和16萬個鉀原子的溫度降到了絕對零度之上0.0000005度（即500nK），然后囚禁在一個用激光制造的“陷坑”里。

　　鈉原子和鉀原子雖然都是堿金屬，但在它們相遇時在原子間范德瓦爾斯力作用下也會擦出微小的火花，形成一種弱束縛分子。

　　在平常的溫度下（比如零攝氏度），鈉原子蒸氣的能量很高，運動速度能超過400米/秒，比民航飛機(jī)飛行的速度還要快。即使它能和鉀原子擦出火花，也不能維持。

　　如果把溫度降低到絕對零度之上0.0000005攝氏度（500nK），鈉原子的能量就會大大降低，運動速度減小到0.02米/秒，和蝸牛爬的一樣慢。

　　然而，物理學(xué)家把原子和分子的溫度降得那么低，并不是為了讓它們在盛夏享受這絲酷爽。而是要通過第三者插足，無情的拆散它們，并觀察其中化學(xué)反應(yīng)的每一步過程。

　　這個第三者插足的化學(xué)反應(yīng)，可以簡單地寫成AB+C—>AC+B。其中A是鈉原子，B是自旋為-5/2的鉀原子，C是自旋為-3/2的鉀原子。也就是說，一個鉀原子上位替換了弱束縛分子中原來的鉀原子。

　　這個第三者插足的反應(yīng)看似簡單，但它有一個非常大的好處。

　　在之前的超冷量子化學(xué)實驗中，科學(xué)家無法直接看到反應(yīng)的產(chǎn)物。因為許多化學(xué)反應(yīng)都會釋放巨大的能量。本來超低溫下的原子和分子都囚禁在陷坑里，但它們一旦擁有了足夠的能量，就會遠(yuǎn)走高飛，逃出科學(xué)家的掌控。

　　在中科大的這個實驗中，科學(xué)家還在陷坑周圍設(shè)置了磁場。鈉鉀分子和鉀原子反應(yīng)時釋放的能量跟磁場大小有關(guān)，可以通過磁場進(jìn)行調(diào)節(jié)?？茖W(xué)家把磁場設(shè)定在了130高斯左右（相當(dāng)于地球磁場的200多倍），讓它們的反應(yīng)盡量少釋放能量，從而保證反應(yīng)產(chǎn)物都逃不出去，乖乖等著測量。

　　通過這個實驗，科學(xué)家在2毫秒的時間內(nèi)，精確觀察了1萬多對弱束縛鈉鉀分子，是如何一步一步被第三者拆散的，又重新組合成新對象的。

　　他們不僅第一次觀測到了一個微觀反應(yīng)通道的完整反應(yīng)產(chǎn)物，測量到產(chǎn)物產(chǎn)生的動力學(xué)過程，并第一次可以根據(jù)產(chǎn)物的演化來標(biāo)定超冷化學(xué)反應(yīng)的行為。

　　要知道，在常溫下的每一個化學(xué)反應(yīng)中，都包含大量各不相同的微觀通道?；瘜W(xué)家只能籠統(tǒng)地做個平均，根本不能在實驗中探究每一個細(xì)節(jié)，更別說從量子物理的基礎(chǔ)理論進(jìn)行精確計算了。

　　在絕對零度附近，原子都被凍成了單個量子態(tài)。它們沒有多少套路可以走，只能按照物理學(xué)家限定的方式，以最簡單的形式碰撞，從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)化到另外一種狀態(tài)。所以，物理學(xué)家對整個過程觀測、分析的一清二楚。這是第一次在超冷化學(xué)反應(yīng)中觀測到態(tài)到態(tài)的化學(xué)反應(yīng)。

　　中科大超冷分子實驗室最初的設(shè)計想法，源自約半個世紀(jì)前，20世紀(jì)70年代化學(xué)家W. Stwalley提出的理論預(yù)言。中科大的科學(xué)家們從零起步，耗費了三年半的時間，親自設(shè)計、搭建實驗平臺后，僅用了半年時間就取得了目前的實驗成果。

　　這一次實驗的成功，將化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)的實驗研究推進(jìn)到量子水平?！蹲匀弧の锢怼冯s志的審稿人說：“這個工作是超冷化學(xué)領(lǐng)域的一個重要的里程碑，對化學(xué)和物理研究者將有著廣泛的興趣?！?/p>

　　為什么科學(xué)家們對超冷量子化學(xué)這個新課題感興趣呢？

　　舉個栗子，宇宙環(huán)境中自然存在的最低溫度僅比絕對零度高大約3攝氏度，那比這個溫度更低時化學(xué)反應(yīng)怎樣進(jìn)行呢？這個問題科學(xué)家也不清楚。因為要想把分子氣體冷卻到這么低的溫度，其實非常困難。

　　理論物理學(xué)家曾舉了這樣一個例子：分子之間存在一類微弱的量子現(xiàn)象，叫做Feshbach共振。量子物理理論曾經(jīng)預(yù)言，這樣的共振可以多達(dá)上百個。但是在常溫或者通常的低溫下，由于溫度還不夠低，分子碰撞的通道會平均化，結(jié)果導(dǎo)致這種量子現(xiàn)象在實驗中幾乎一個也觀測不到。

　　然而當(dāng)將分子氣體的溫度降到超低溫以下。

　　在經(jīng)典力學(xué)看來，當(dāng)溫度達(dá)到絕對零度時，化學(xué)反應(yīng)就不會發(fā)生了。但根據(jù)量子力學(xué)的原理，在絕對零度下，化學(xué)反應(yīng)仍然可以有效的進(jìn)行。

　　因此，超低溫下分子反應(yīng)的實驗研究和理論探索，對于發(fā)展量子化學(xué)理論，以及認(rèn)識更復(fù)雜自然和生命體系中的量子效應(yīng)是非常有必要的。