一杯水，究竟藏着多少秘密？

看起来再普通不过的水，却让我国科学家花了25年时间追问一个问题。

一个世纪以来，科学家大多沿用玻恩-奥本海默近似来研究凝聚态物理问题，在该范式下原子核的量子效应常常被忽略不计，只考虑电子的量子属性。“我们一直在思考，原子核真的只是‘配角’吗？”中国科学院院士、北京大学物理学院教授王恩哥说。

带着问题，王恩哥和北京大学物理学院教授江颖等人把目光投向了水和氢原子。氢是自然界最轻的原子，在水中占比高，它的量子特性最容易显现。如果能够真正“看清”氢原子，关于原子核量子效应的谜题或许就能迎刃而解。

“25年前，很多人会觉得水有什么好研究的，太简单了。”谈起当年的选择，王恩哥笑着回忆。面对质疑，他的回答很简单：“我想把这个简单的事情搞清楚。”

这是一条几乎没人走过的路。理论上，要突破沿用了百年的传统理论框架，建立电子和原子核同时纳入量子描述的新方法；实验上，要发展前所未有的超高分辨成像技术，在单个氢原子、单根氢键尺度开展研究。两道难关都要闯过，缺一不可。

测定单根氢键强度核量子效应。

2010年初，在美国完成博士后研究的江颖回到北京大学。第一次听王恩哥介绍“研究原子核量子效应”的设想时，他并不相信。“在我过去的印象里，原子核的质量比电子大得多，原子核的量子效应非常弱，还有什么价值去研究？”江颖坦言。

水分子团簇图像。

但随着江颖的实验一步步推进，他从最初怀疑到完全信服，认知不断刷新。“很多过去看起来反常的现象，考虑原子核的量子效应以后，都变得自然了。”团队不断突破极限，自主研发出世界领先的扫描探针显微镜，能探测极其微弱的高阶静电力，探测灵敏度比以往国际最高水平提高了一个数量级以上，拍摄到世界上第一张水分子内部氢原子的照片，实现了人类“看见”最小原子的梦想。

成果简介。

理论与实验相互印证，他们首次测定了单根氢键中核量子效应的贡献，发现全新的质子协同隧穿机制，制备出颠覆“冰规则”的二维冰，实现全量子调控的新物态，从而建立起突破传统框架的全量子效应新范式……许多过去难以解释的“反常”现象因此有了新的答案。

“这项研究不仅加深了人类对水和冰本质的认识，也为新材料、能源、生命科学等领域打开了新的研究思路。”王恩哥表示，曾经鲜有人关注的方向，经过25年的坚持，已经逐渐成为国际研究的重要前沿。

回望这段漫长的科研历程，王恩哥再次提起那句朴素的话：把简单的事情做对，就是不简单。

在他看来，真正的基础研究，往往始于一个最普通的问题，也需要最长久的耐心。“许多今天看似遥远的探索，终将在未来成为理解世界、改变世界的重要基石。”王恩哥说。

责任编辑：孙飞