国家自然科学一等奖：北大团队破解水世纪难题，揭秘微观量子世界

水这一样东西, 你看起来觉得它很普通, 但是它里面却藏着学术界最难解决的一个谜团。关于水的结构到底是什么样子, 这样一个问题, 《科学》杂志把它列入了创刊一百二十五周年特刊里面的那一百二十五个世纪难题之中。

在今年二零二五年国家科学技术奖揭晓的这件事儿中, 北京大学物理学家王恩哥院士以及江颖教授所带领的那个团队, 凭借着他们所做的名为“水的氢键强度及动力学过程全量子效应研究”的这一项工作, 最终获得了国家自然科学奖一等奖的这个荣誉。

这份沉甸甸的荣誉是存在着的, 在这份荣誉的背后, 是有着科研工作者在二十余年里甘坐冷板凳的这种坚守行为的。同时, 这也是一段理论方面与实验方面相互成就的关于科研的佳话方面的情况。

质疑经典：原子核真的只是"配角"吗？

在1927年这个时间点, 物理学里的玻恩还有奥本海默这两个人, 一块儿提出了那个大家都知道的叫做“玻恩—奥本海默近似”的东西, 把原子核就当成是经典的粒子来看待, 然后把量子化的操作只留给电子去做, 从那之后一直到现在差不多快一百年了这么长的一段时间里, 这种说法形成的模式, 一直都是让搞凝聚态物理研究的人作为自己工作的开头。

但是, 王恩哥一直心里面还有怀疑的劲儿, 那个核量子效应真就能不用管吗? 他挑了“水”这个方向去钻营, 因为在里面三分之二的原子都是质量最小的小氢, 这些玩意儿最有可能跑出那个大大的核量子效应来。他说以前的人都是在老的那套框框里折腾学问, 我们要想把那些简单的事儿给弄对了, 那才叫不简单呢。

十几年磨一剑：从"看不见"到"看见"最小原子

时间回溯至2010年初的时候, 江颖这个人, 他刚刚是从海外那边完成了博士后工作的状态, 然后才回到了北大这个地方。

王恩哥跟他进行了一个持续了一整个下午的谈话, 他在谈话过程当中, 是抛出了一个想法的, 这个想法呢, 它是充满了那种冒险色彩的意味, 这个想法的具体内容是在探讨一个可能性, 也就是是否有可能在实验的过程当中真正地测量到在水中原本的原子核所具有的量子效应这一回事。

江颖直言, 他在最初的时候, 其实是属于那种既有点相信、又有点怀疑的状态。要知道原子核的质量足足有好一千八百多倍比电子重，这种量子效应微弱得几乎都快要让人没法去观测了。尽管情况是这样, 他还是决定把这个挑战给接过来, 这一试就硬是花了十好几个年头的时间。

氢原子的质量是非常轻的, 它的尺寸也是非常微小的, 这就好像是捕捉一个非常难见到的隐形幽灵。

江颖带领着团队从零开始, 在进行无数次的调试过程之中, 并且在比对这些数据以及把之前的工作全部推翻重来这样的循环操作中, 对高分辨扫描探针显微镜进行了持续的改进, 最终发展出了那种拥有原创性质的高阶静电力扫描探针技术, 这样的一举发力直接解决了两个大的实验难关问题。

2014年, 在显微镜之下, 水分子内部单个的氢原子的图像得到了清晰的呈现, 这是第一次出现这样的情况而这一事实的出现意味着人类实现了直接在表面看见最小原子的那个原本被称之为梦想的愿望。

不止于"看见"：颠覆认知的系列发现

在第一次进行测定的时候，团队就搞清楚了在单根氢键里面核量子效应到底贡献了多少, 他们发现了氢原子核在进行协同隧穿的时候存在一种新机制, 他们还做出了那种能够把冰规则给推翻了的二维冰, 并且还发现了一种被全量子效应所调控出来的新物态。

王恩哥他说了, 要是能够通过调控全量子效应去发现这种新物态和新物性的话, 那么在信息这个领域还有能源这个领域里面, 就会带来那种具有颠覆性的量子材料以及量子器件方面的成果。

冷板凳上的默契与坚守

王恩哥总是不断地告诫自己的团队说, 进行科学研究的时候千万不要盲目地去跟风, 也不要一味地追逐那些所谓的热点情况, 而是必须要有勇气去直接面对那些真正具有分量的科学难题。

正是因为拥有了如此坚定的定力和内心的沉稳, 这才使得整个团队能够在经历过了无数个看起来完全看不到任何希望的艰难日子之后, 依然还能够静下心来, 以一种非常细致且耐心的方式, 坚持着一根氢键一根氢键地去进行测量, 同时也坚持着一个原子一个原子地去加以观察和分析。

江颖这个人, 他坚持要做的事情呢, 就是用那个仪器研制这个东西来驱动所谓的原始创新, 他是通过实验跟理论计算这两者之间那种非常深的融合, 来解决那些还没解决完争论的问题的, 他带领他的团队, 打破了咱们国家在高端扫描探针显微镜这个领域里特别依赖进口的这个被动的局面, 实现了国产的产品进行商业化的生产。

得奖这件事, 它从来都不是终点。现在的这种状态下, 这支团队已经重新开始了出发的工作, 他们正在朝着那些前沿的课题方向走去, 比如极端受限水, 再比如轻元素量子材料，还有全量子调控新物态这些内容, 他们都在前进。

对于真正的基础研究工作来说, 这个工作往往是开始于一个最为普通的问题里面的, 并且它同样需要最长的时间的耐心, 这是肯定的态度。

王恩哥这个人相信这样的观点, 他认为在现在很多情况下, 那些看起来非常遥远的探索事情, 最后的时候一定会成为重要的基础部分, 这些部分是用来帮助未来的人们理解世界和改变世界的。

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