跳出百年物理范式 王恩哥院士团队20余载破译水的量子奥秘

中新网北京7月8日电 题：跳出百年物理范式 王恩哥院士团队20余载破译水的量子奥秘

记者 马帅莎

“做物理研究，不要着急，重在坚持。只要工作是原创的，就会留在历史上。”中国科学院院士、北京大学物理学院教授王恩哥近日受访时说。他带领团队花费20多年，聚焦寻常的水，实现基础研究“硬核”突破。

7月8日，2025年度国家科学技术奖揭晓。由王恩哥带领的团队凭借这项揭示“水的奥秘”的项目——《水的氢键强度及动力学过程全量子效应研究》，获得国家自然科学奖一等奖。

这项研究跳出沿用百年的玻恩-奥本海默近似，构建了全量子物理研究理论方法，同时实现尖端仪器设备的自主研发，打破国外数十年的技术垄断。

图为中国科学院院士、北京大学物理学院教授王恩哥团队在实验室工作。(北京大学物理学院供图)

深耕冷门 把简单的事情做正确

对于水这个生活中极为常见的存在，人类并未真正了解。“水的结构如何”曾被《科学》杂志列入本世纪125个最具挑战的科学问题。

年近古稀的王恩哥，将学术生涯的很多时间倾注于水的研究。他带领团队取得的重要突破之一，就是揭示了水的原子结构和全量子效应。

在长达20多年的探索道路上，面对“水有什么好研究的”“太普通了”等声音，王恩哥始终坚定不移地沿着自己认定的方向往前走。他坦言，这是个冷门领域，但自己的目标，就是把看似“简单普通”的基本问题搞清楚，“把简单的事情做正确”。

跳出百年范式 被忽视的“硬币”两面

百年来，科学家们求解量子力学方程时，普遍使用玻恩-奥本海默近似，这成为预言和理解许多物理现象的出发点。在该范式下，通常只考虑电子的波动性，大大简化了计算，但忽略了非绝热效应和原子核的量子属性。

“核量子效应真的可以忽略不计吗？”这一疑问长久萦绕在王恩哥心头。对此，他提出将原子核和电子同时量子化处理。

他解释说，玻恩-奥本海默近似好比观察一枚放在远处的金属币，人们看不到它的花纹与细节，只能根据硬币大小判断面额。全量子效应好比观察一枚拿在手里的硬币，人们可以清楚获取硬币两面刻画的信息——核量子效应、非绝热效应，而且它们之间存在关联耦合。

北京大学物理学院教授江颖原创高阶静电力原子成像技术。(北京大学物理学院供图)

打破尖端仪器垄断 “看见”原子极限

为了验证核量子效应，王恩哥选择水作为研究载体：水中三分之二的原子是氢，氢是质量最小的原子，最接近电子质量，理论上它的核量子效应最显著。

然而，要“看见”水的原子结构并非易事。氢的质量和尺寸都非常小，它就像一个“隐形”原子，很难在显微镜下捕捉到它并为其成像。

团队成员、北京大学物理学院教授江颖研发出高分辨扫描探针显微镜系统，原创了高阶静电力原子成像技术，获得世界上首张水分子内部氢原子照片，实现了人类在表面上直接识别最小原子的梦想。

这套中国科学家自主研制的实验设备，打破了中国高端扫描探针显微镜近40年来长期依赖进口的被动局面，如今已实现国产商业化生产和市场推广。

王恩哥院士团队实现全量子调控二维冰新物态。(北京大学物理学院供图)

巧驭全量子效应

理论与实验的持续突破，孕育出广阔应用前景。随着研究深入，全量子效应已发展成可调控的参量。

如同随着温度变化，水的形态会发生改变，全量子效应也可以调控物态。最近，团队利用这一方法制备一种打破“冰规则”的二维冰，在世界上首次实现了冰在常压下从绝缘态到金属态的相变。王恩哥指出，通过调控全量子效应发现的新物态、新物性，将为信息和能源领域带来颠覆性的量子材料及量子器件。

如今，在全量子效应理论框架下取得的一系列研究成果，已远远超出王恩哥20多年前提出设想时的预期。

从“盲人摸象”到建立起理论体系，回顾自己的科研道路，王恩哥表示，科学研究需要一步一个脚印推进。这些年来，中国的学术环境不断改善，希望年轻人耐得住寂寞，甘坐“冷板凳”，看到本质的科学问题，不放松、做下去。(完)