第一次在实验里观测到完全借由量子隧穿效应引发的化学反应

化学，需要努力和付出——不单是研习这门科学，就是反应本身也是如此。无论是通过提高温度，增加相容原子的碰撞几率，还是增加压力并将元素挤压在一起，构建分子通常需要一定的能量成本。

但是，如果我们有足够的耐心，量子理论确实可以提供免费午餐。奥地利因斯布鲁克大学的一组研究人员终于在一项全球首创的实验里看到了量子隧穿在化学反应里的作用——氘离子与氢分子合并。

隧道效应是量子宇宙的奇异效应，它使粒子穿过通常难以克服的障碍。

在化学中，障碍是原子相互结合或与现有分子结合所需的能量。

然而理论表明，在极少数情况下，非常接近的原子有可能发生“空间移动”穿过这个能量屏障并毫不费力地连接起来。

“量子力学允许粒子由其量子波特性而突破能量屏障，并发生反应。”第一作者、因斯布鲁克大学的实验物理学家罗伯特·怀尔德说。

量子波是驱动电子、光子甚至整个原子团等行为的幽灵，在观察前它们的存在性是含混不清的，因此它们不位于任何一个精确的位置，而是占据空间的连续体。

这种模糊对于分子、猫和星系等较大的物体来说是微不足道的。但随着我们放大单个亚原子粒子，可能性的范围扩大，迫使各种量子波的位置状态重叠。

当这种情况发生时，粒子有很小的机会出现在它们平时无法通行的区域，就像是开辟了一条vip通道

这些区域可能位于化学反应的键合区内，足以将相邻的原子和分子焊接在一起。

了解量子隧穿在分子构建和重排中的作用可能会对核反应中的计算产生重要影响，如那些涉及恒星和地球上聚变反应堆中的氢。

虽然我们已经为这种现象建模，例如涉及带负电荷形式的氘(一种含有中子的氢的同位素)与 H2之间的反应，但实验显示，为了实际应用，需要给出具有挑战性的精度水平。

为了实现这一目标，怀尔德和同事将负氘离子冷却到一定温度，使它们接近静止。

没有热量，氘离子不太可能具有迫使氢分子重新排列原子所需的能量。然而，超低温也迫使粒子安静地靠近，让它们有更多时间通过隧道结合。

“在我们的实验中，我们在阱中给出了大约 15 分钟的可能反应时间，然后去确定形成的氢离子的数量。进而可以推断出反应发生的频率。”

这个数字是每立方厘米每秒发生超过 5 x 10^-20 次反应，或者大约每千亿次碰撞发生一次隧穿结合。所以不是很多。尽管该实验确实支持了以前的模型。

这项研究发表在《自然》杂志上。

https://www.sciencealert.com/for-the-first-time-ever-physicists-see-molecules-form-through-quantum-tunneling

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