化学反应有点像从维也纳到威尼斯的旅行：你的目的地可能是下坡，但要到达那里，你需要翻越阿尔卑斯山。你可以把分子必须经历的能量变化想象成一片地形。在反应的开始和结束之间，这种地形有时会非常崎岖，以至于如果分子没有足够的能量翻越障碍，原本有利的反应根本不会发生。然而，在某些情况下，由于量子隧穿，这些反应确实会发生，量子隧穿允许粒子偶尔穿透它们永远无法攀越的能量壁垒。这种奇异的行为在传统物理学中是被禁止的，但在量子力学的狂野规则下是被允许的。
现在，在一项发表在《自然》杂志上的新研究中，科学家们设法发现了量子隧穿，这种隧穿发生在经典物理学认为不可能发生的氢分子和氘离子（氢的重型带电版本）之间的反应中。这是研究人员首次在实验中证实关于涉及离子的反应中隧穿速率的理论预测。“理论上，量子力学应该能够很好地预测这种[速率]，”德国科隆大学的物理学家 Stephan Schlemmer 说，他没有参与这项研究。“但没有人确定这是否真的正确。”
粒子可以简单地出现在能量壁垒另一侧的想法可以追溯到德国物理学家弗里德里希·洪德。1927年，在研究分子如何与光相互作用时，他发现隧穿在理论上应该是可能的。根据量子力学，粒子更像是概率云而不是固体球体。这些概率云代表了粒子的位置，并延伸到无穷远。因此，尽管极不可能，但量子粒子在理论上可以在任何地方突然出现，包括在经典粒子永远无法跨越的能量壁垒的另一侧。
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1928年，隧穿迎来了其最初的伟大胜利：完美地解释了核α衰变，这是一种常见的放射性衰变类型，在这种衰变中，原子核会喷射出“α粒子”——带有两个质子和两个中子的氦核——并在过程中转变成更小的原子核。在低温下，这种反应应该是无法发生的，但通过隧穿就可以实现。从那时起，科学家们就利用隧穿来解释从半导体到恒星核心等领域中其他无法解释的现象。*
尽管量子隧穿背后的思想现在已经有近一个世纪的历史，但将理论和实验结合起来观察化学反应中的隧穿已被证明是棘手的。首先，量子隧穿非常罕见，以至于依赖它的反应通常非常缓慢，使得在实验室中观察它们变得困难。其次，理论计算本身也涉及非常复杂的数学，以至于科学家只能预测最简单反应的隧穿反应速率。“对于[原子之间的反应]，你可以做到，”奥地利因斯布鲁克大学的分子物理学家 Roland Wester 说，他是这项新研究的合著者。“对于四个原子，有一些小组可以处理它。而对于五个原子，世界上基本上没有人有能力完全量子地完成它。”
氢气和氘离子之间的反应足够简单，因此有可能仅用量子力学来预测反应速率。这就是韦斯特的团队选择研究这种反应的原因：研究人员实际上可以检查理论与现实的对比。在反应中，一个氢气分子与一个氘离子碰撞，产生一个氢离子和一个重型的含氘氢分子。但是，当中佛罗里达大学的理论物理学家维亚切斯拉夫·科库林及其同事在2018年计算出数据时，他们预测的反应速率比韦斯特团队之前测量的上限估计值低数百倍。
“[结果]与实验结果非常不一致，我们不想发表，”科库林说。担心他们犯了错误，他和他的同事使用三种不同的理论方法重复了他们的计算，得到了相同的结果。计算当然有可能出错，但“我们尽了最大努力，这就是我们[能]提供的数字，”科库林的前学生艾萨克·元说，他现在是堪萨斯州立大学的理论物理学家。
问题是反应的极慢速率，因斯布鲁克团队花了大约15年的故障排除和调整才最终准确测量出来。为了做到这一点，研究人员将氘离子捕获在电场笼中，用氢气冲洗它们，并将所有东西冷却到极冷的15开尔文。在如此低的温度下，氢和氘缺乏在没有隧穿的情况下发生反应的能量。等待约15分钟后，科学家们测量了产生了多少氢离子，以找到反应速率。
15分钟听起来不多，但对于经典反应，科学家们通常测量“100毫秒，他们看到几乎所有离子都转化为产物，”韦斯特说。“我们等待了1000秒，只有不到1%的离子转化为产物。”
隧穿仅发生在氢和氘离子之间每1000亿次碰撞中约一次，这与科库林和元的理论计算非常吻合。“数字与实验结果相符，这感觉非常神奇，”元说。“作为一名理论家，我感觉这是一次巨大的胜利。”
这种离子之间的隧穿反应被认为对于弥漫的星际电离气体汤中的化学合成非常重要，这种气体汤为新的恒星系统提供了原材料。由于星际介质非常寒冷，经典反应非常缓慢，但隧穿的可能性更大——粒子在低温下移动得更慢，这增加了隧穿的几率。
在地球上，首次捕捉到如此微小的隧穿速率表明，物理学家在他们的量子分子理论方面走在正确的轨道上。它为测试未来将化学和量子力学结合起来的理论努力提供了基准。“在我们的经典粒子的常规世界中，可以用一些非常简单的概念来理解反应，”施莱默说。“但这种隧穿只是一个完全不同的世界。而像这样的测量为我们打开了这个世界。”
*编者注（4/12/23）：此段在发布后经过编辑，以纠正核α衰变过程的描述。