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導讀
如果他們跑去抽菸喝酒燙頭，那他們就是狐朋狗友團伙，靠酒肉的力量維繫。如果他們跑去買儀器做實驗辦論壇，那他們就是科研團伙，靠科學的魅力維繫。如果是去唱歌跳舞聽戲，那他們就是文藝團伙，靠藝術的張力維繫。
這是Sheldon的第 106 篇漫畫，所有圖片大約 3 MB。
所謂化學反應，就是一堆原子和分子，在
原子間的作用力
的影響下，開始重新排列組合，並改變各自狀態的故事。
所以從理論上講，我們可以用描述原子間作用力的物理規律——量子力學——破解每個化學反應的過程。
然而，雖然量子力學已經誕生了100多年，但科學家還是沒有搞清楚，原子之間的作用力究竟是什麼樣的。這是因為，原子間的作用力實在是太複雜了。
一、原子的作用力為什麼複雜
原子間的作用力為啥這麼複雜呢？其中主要有兩個原因。
第一個原因是，原子的成員太多。你可不要以為原子是一個實心小球。原子可複雜了，裡面有原子核，還有一大堆核外電子。
而且，這一大堆玩意兒不是隨隨便便湊在一起。它們是在量子力學的法則下，透過原子內的作用力，組成了一個複雜的量子系統。
第二個原因，是原子內各個成員的小動作太多。比方說，許多原子核有好幾種辦法自轉，每個核外的外層電子可以在幾個空軌道之間亂竄。
根據量子力學，兩個原子就算成員一模一樣，只要成員的運動狀態不一樣，它們產生的作用力就會不一樣。
然而，兩個原子的作用力還不是最麻煩的。在化學中，我們會經常遇到三個原子、四個原子的化學反應。
如果你把好幾個原子擱一塊兒，把它們主要成員之間的作用力都算上，再考慮到每個成員的運動狀態不一樣……
最後你會發現，越算越麻煩，根本不可能用量子力學算清楚其中的作用力到底有多大。別說你算不清楚，就算經典計算機都算不清楚。
那麼，科學家真的沒有辦法研究多個原子之間的作用力了嗎？
二、團伙的內部活動
辦法倒是有一個，只不過不是直奔主題，而是先繞一個小彎兒，透過研究原子組團後的內部活動，進行間接測量。
比方說，假如幾個原子透過原子間的作用力結合在一起，形成了一個原子團夥。
此時，你要是給它們施加一點兒能量，它們通常會藉著這股勁兒，開展各種內部活動。比如，
當然，如果施加的能量太大，這個原子團夥肯定還是會散夥兒。
但如果施加的能量足夠小，它們就不會散夥兒，因為原子間的作用力把它們團結在了一起。
原子團夥有了能量以後仍然沒有散夥的狀態，叫作
束縛態
。研究原子間作用力的辦法，就藏在原子束縛態的內部活動之中。
打個比方，這就好比一夥兒人組成了一個社會團伙。如果他們啥也不幹，你肯定搞不清楚他們組成的是什麼性質的團伙，是什麼樣的力量把他們湊到一塊兒的。
這個時候，你要是給他們一筆小錢（相當於給原子團夥一點兒能量），再觀察他們會拿錢幹什麼事，問題就解決了。
如果他們跑去抽菸喝酒燙頭，那他們就是狐朋狗友團伙，靠酒肉的力量維繫。如果他們跑去買儀器做實驗辦論壇，那他們就是科研團伙，靠科學的魅力維繫。如果是去唱歌跳舞聽戲，那他們就是文藝團伙，靠藝術的張力維繫。
同樣的道理，為了研究原子間的作用力，科學家就必須想辦法讓原子形成的束縛態，然後觀察它們會如何開展內部活動。
如果兩種原子團夥的內部活動不一樣，那就說明維繫這兩個團伙的作用力不一樣。
那麼，到底如何才能搞清楚這種束縛態的內部活動呢？
三、費什巴赫共振：一種巧妙的研究辦法
這個問題的研究辦法倒是有很多。但哪一種辦法都沒有我們今天介紹的辦法巧妙。這就是以美國核物理學家費什巴赫冠名的
：
我們的生活中經常會見到各種共振的現象。比如，如果你敲一個音叉A，會引起其他音叉也發生振動。但這不是共振。
如果其中有一個音叉B，它的特徵頻率剛好和音叉A完全相同，那麼音叉B的振動幅度就會格外的大，大得好像你連音叉B也敲過。這就叫作
共振
。
費什巴赫共振也是一種共振現象。它的意思是說，首先，如果你把幾個原子湊在一塊兒，這些原子原本會有一定機率轉化成各種各樣能量更低的狀態，比如抽菸、喝酒、燙頭……當然，它們也可能什麼也不幹，繼續保持原樣。
此時，如果你透過調節外部磁場的大小，使得這幾個原子的總能量，剛好等於喝酒狀態的能量，那麼它們形成正在喝酒的束縛態的機率就會突然增大，就好像它們就是奔著喝酒來的。這就是費什巴赫共振。
總而言之，費什巴赫共振就是，兩堆原子狀態不同，但它們總能量基本相同，這兩堆原子之間就會相互轉化，發生一種量子力學意義上的共振。
在實驗中，如果自由散漫的原子之間發生了費什巴赫共振，實驗結果就會呈現一個峰值。
如果透過調節磁場，突然發現這麼一個峰值，就說明原子發生了費什巴赫共振，就代表科學家找到了它們內部活動的一種方式。
如果科學家完全找到了它們內部活動的所有方式，那麼科學家就從實驗上破解了這幾個原子之間的相互作用力。
四、NaK分子和K原子的首次散射共振
總結一下，要想研究多個原子之間的作用力，靠理論計算太困難了。科學家希望透過實驗的辦法，找到原子組團以後的所有內部活動方式，然後再從中反推原子間作用力的特徵。
其中最巧妙的實驗辦法，就是利用費什巴赫共振，直接讓自由的原子轉化成正在進行某個內部活動的束縛態。
萬事俱備，可以開動了！
於是，2019 年，中國科學技術大學潘建偉、趙博研究組在《科學》雜誌上發表了一篇實驗論文。
他們用上面說的那種實驗方法，在 0。0000005K 的超低溫下，首次研究了 NaK 分子和 K 原子的費什巴赫共振。換句話說，他們第一次在實驗中，間接地測量了 NaK 分子和 K 原子之間的作用力。
在這個實驗之前，許多科學家用超低溫實驗研究過兩個原子間的作用力。但科學家還沒有直接用超低溫實驗研究過原子和分子之間的作用力。所以，研究組的實驗，是
第一次測量原子和雙原子分子之間的作用力
。
簡單地說，這個實驗就是把各種狀態的NaK分子，和數量多10倍的、各種狀態的自由K原子關在一起，看看他們什麼時候會剛好撞成“K-Na-K”組團的狀態。
當然，直接撞肯定是不行的。研究組還要在實驗中加入不同強度的磁場，透過磁場來調節碰撞前後的能量差異。因為只有二者能量調得剛好一樣時，費什巴赫共振才會發生。
結果，研究組在不同狀態的NaK分子和K原子的4×5=20種組合中，在43~120高斯的磁場之間，共發現了
11種費什巴赫共振
。
換句話說，他們第一次在實驗中發現了 “K-Na-K”組團時的11種內部活動方式。
這些內部活動方式，反映了NaK分子和K原子之間的作用力，為理論學家研究這種作用力提供了新的實驗依據。
五、在量子力學和化學之間造一座橋
這種將原子、分子冷卻到絕對零度附近，並研究它們相互作用規律的學科，叫作
超冷化學物理
。
超冷化學物理是連線量子力學和化學的一座橋樑。
這座橋非常重要。因為所有的化學反應，原則上都可以還原成一大堆原子、分子在量子力學下的碰撞反應。而碰撞的量子性質在超低溫下才會完全的顯現出來。如果有一天，科學家學會了用量子力學完全地描述化學反應，他們就可以把其中的計算公式輸入計算機中，在原子層面完全模擬化學反應的每一個步驟和細節。
也許到了那一天，許多化學實驗都不用我們花錢來做，用計算機算一下就可以了。研發新材料、新藥物，以及研究生命某個蛋白質分子的過程，也都會變得又快又便宜。
可是，雖然量子力學已經誕生100多年，但科學家卻還沒搞清楚複雜的多個原子分子間的作用力。
這說明，在量子力學和化學之間，存在一個巨大的鴻溝。物理學家和化學家站在鴻溝的兩頭，遲遲不能會師。
因此，無論如何，超冷化學物理的橋樑必須開工了。
當然，沒有人知道，這座橋到底應該怎樣施工。因為超冷化學物理還是一個比較原始的科研領域，所有人都在摸索。
科學家唯一能做的工作，就是在鴻溝旁邊的荒地上拓荒。沒有路，自己造路；沒有水，自己打井；沒有經驗，自己摸索；沒有工具，自己打造。
中科大研究組發現的這11種費什巴赫共振，就是他們在超冷化學物理領域的一次成功的拓荒。
在未來，科學家還要長期地開拓這片荒地。總有一天，他們會一根柱子一根梁地建起這座橋樑，徹底破解化學反應的奧秘。
注：
1。在量子力學中，物理學家實際上並不會直接研究幾個原子之間的力，而是會研究幾個原子的“勢能”，看看它們的勢能會如何隨著各種條件而變化。
2。勢能的變化間接反映了原子間作用力的大小和方向。比方說，當兩個原子的距離很遠時（r > r？），隨著距離減小，它們的勢能也會逐漸變小。此時，它們之間的力是吸引力。
當兩個原子近到一定程度時（r < r？），隨著距離減小，它們的勢能就會急劇增大。此時，它們之間的力是排斥力。
3。考慮到原子是一個立體的結構，上面那幅“勢能”的示意圖原本應該畫成一種類似於“三維地形圖”的樣子。這叫做“勢能面”（potential energy surface）。在超冷化學物理中，物理學家的主要目標就是定量地刻畫多個原子形成束縛態以後的“勢能面”形狀。
下面這張圖就是透過計算機做近似計算得出的，三個氫原子束縛態的能量最低狀態的勢能面（冷色）和某種內部運動狀態的勢能面（暖色）。可以看出，這兩個面在某些位置上發生了交叉。
（圖片來源：Dr。 Eckart Wrede）
氫原子只有一個核外電子。可以想象，三個氫原子的勢能面都這麼複雜，K-Na-K的勢能面應該會更加複雜。
參考文獻：
1。Huan Yang， De-Chao Zhang， Lan Liu， Ya-Xiong Liu， Jue Nan， Bo Zhao， Jian-Wei Pan，
Observation of magnetically tunable Feshbach resonances in ultracold23Na？？K + ？？K collisions
， Science， Vol 363， Issue 6424， 18 January， 2019。
2。Cheng Chin， Rudolf Grimm， Paul Julienne， and Eite Tiesinga，
Feshbach resonances in ultracold gases
， Rev。 Mod。 Phys。 82， 1225， 29 April， 2010。
3。Michael Mayle， Brandon P。 Ruzic， and John L。 Bohn，
Statistical aspects of ultracold resonant scattering
， Phys。 Rev。 A 85， 062712， 28 June， 2012。
4。 墨子沙龍， 無垠荒野中的開拓者——超冷原子量子模擬在化學物理研究中的全新工作， 2019。01。19。
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背景簡介：本文於2019年1月28日發表於微信公眾號 墨子沙龍（漫畫 | 超低溫下測量原子間作用力，能否破解化學反應的奧秘？），風雲之聲獲授權轉載。
