水滴中的奥秘探索

本报记者 郭静原

“水的结构究竟是什么？”这是《科学》杂志在创刊125周年特刊中提出的125个世纪难题之一。

一滴普通的水，蕴含着科学界一个固执的谜团。今年7月，2025年度科学技术奖公布，北京大学物理学院王恩哥院士和江颖教授带领的研究团队因“水的氢键强度及动力学过程的全量子研究”获得自然科学一等奖。这项伟大的成就背后是科研人员20多年如一日的坚持，体现出理论与实验相辅相成的科研故事。

这一切的开始源于对传统理论的质疑。

1927年，物理学家玻恩与奥本海默因原子核质量远大于电子而提出了著名的“玻恩—奥本海默近似”。这一理论将原子核视为经典粒子，仅对电子进行量子化，使得计算与模拟变得简单。近百年来，这一范式已成为凝聚态物理研究的基础。然而，王恩哥始终对此抱有疑虑：原子核真的可以被视为“配角”吗？核量子效应真的可以被忽视吗？

王恩哥将“水”作为研究的切入点，因水中三分之二的原子是轻巧的氢原子，这意味着它可能展现显著的核量子效应。“20多年前，很多人会问‘水这种普通物质怎么可能会有问题呢？’”王恩哥回忆起当时的情景，回答却是：“既然过去的研究都在传统框架之内，我们只是想把简单的事情做对，难度就在这里。”

要验证真理，需要通过无数实验的磨练。2010年初，从海外完成博士后归来的江颖被王恩哥邀请回到北大。在长达一个下午的交流中，王恩哥并未提出当时热门的课题，而是探讨了一个充满未知且略显冒险的设想：是否能够在实验中真正探测到水中原子核的量子效应？

起初，江颖表示自己对此持怀疑态度。由于原子核质量是电子的1800多倍，其量子效应极其微弱，几乎难以观察。但科学发现往往源于看似“不可能”的尝试，江颖决定迎接这个挑战。

这一挑战持续了十余年。观察水的原子结构并非易事。氢原子因其轻盈和微小，犹如难以捉摸的“隐形”幽灵，令传统显微镜屡屡“失灵”。江颖和他的团队从零开始，经历无数次调试、对比与纠正，最终成功改进高分辨扫描探针显微镜，发明了高阶静电力扫描探针技术，突破了实验技术上的两个重大壁垒。

2014年，水分子内单个氢原子的图像首次在显微镜下清晰展现，团队实现了直接“看见”最小原子的梦想。

而这只是个开始。团队首次测量氢键中核量子效应的贡献，发现氢原子核的协同隧穿新机制，制备出颠覆“冰规则”的二维冰，探索出全量子效应调控的新物态。王恩哥指出：“以往，物理学家的梦想是超越‘玻恩—奥本海默近似’，探索新物理；如今，我们克服了理论与实验的重重困难，为该领域打下了明确的突破方向，推动全量子凝聚态物理及相关学科的迅速发展。”他强调，通过全量子效应发现的新物质与新特性，未来将为信息与能源领域带来显著影响。

在这条鲜有人走的道路上，王恩哥与江颖的默契成就了团队最珍贵的资产。

王恩哥常常告诫团队：“在科研中必须避免盲目追逐热点，要勇于面对真正重要的科学难题。”正是这种定力，让团队能在无数个“无望”的时刻，依然能沉下心来，一根氢键、一颗原子地进行研究。

江颖则坚持用仪器研发推动基础创新，深入结合实验与理论计算来解决悬而未决的问题。从自主研发尖端科学仪器到实现国产化，他引领团队打破了我国高端扫描探针显微镜依赖进口的局面。

获奖并非终点。目前，团队已经再度启程，朝着极限水、轻元素量子材料、全量子调控新物态等前沿课题迈进。

支撑他们不断探索科学的动力，是对基础研究的崇敬与坚持。王恩哥相信，真正的基础研究，常常从最简单的问题出发，也需要付出最长久的耐心。他坚信，许多今日看似遥不可及的探索，终将成为未来理解与改变世界的重要基石。