漫画 | 超低温下测量原子间作用力，能否破解化学反应的奥秘？
在实验中，如果自由散漫的原子之间发生了费什巴赫共振，实验结果就会呈现一个峰值。
如果通过调节磁场，突然发现这么一个峰值，就说明原子发生了费什巴赫共振，就代表科学家找到了它们内部活动的一种方式。
如果科学家完全找到了它们内部活动的所有方式，那么科学家就从实验上破解了这几个原子之间的相互作用力。
如果通过调节磁场，突然发现这么一个峰值，就说明原子发生了费什巴赫共振，就代表科学家找到了它们内部活动的一种方式。
如果科学家完全找到了它们内部活动的所有方式，那么科学家就从实验上破解了这几个原子之间的相互作用力。
NaK分子和K原子的
首次散射共振
总结一下，要想研究多个原子之间的作用力，靠理论计算太困难了。科学家希望通过实验的办法，找到原子组团以后的所有内部活动方式，然后再从中反推原子间作用力的特征。
其中最巧妙的实验办法，就是利用费什巴赫共振，直接让自由的原子转化成正在进行某个内部活动的束缚态。
万事俱备，可以开动了！
于是，2019 年，中国科学技术大学潘建伟、赵博研究组在《科学》杂志上发表了一篇实验论文。
他们用上面说的那种实验方法，在 0.0000005K 的超低温下，首次研究了 NaK 分子和 K 原子的费什巴赫共振。换句话说，他们第一次在实验中，间接地测量了 NaK 分子和 K 原子之间的作用力。
首次散射共振
总结一下，要想研究多个原子之间的作用力，靠理论计算太困难了。科学家希望通过实验的办法，找到原子组团以后的所有内部活动方式，然后再从中反推原子间作用力的特征。
其中最巧妙的实验办法，就是利用费什巴赫共振，直接让自由的原子转化成正在进行某个内部活动的束缚态。
万事俱备，可以开动了！
于是，2019 年，中国科学技术大学潘建伟、赵博研究组在《科学》杂志上发表了一篇实验论文。
他们用上面说的那种实验方法，在 0.0000005K 的超低温下，首次研究了 NaK 分子和 K 原子的费什巴赫共振。换句话说，他们第一次在实验中，间接地测量了 NaK 分子和 K 原子之间的作用力。
在这个实验之前，许多科学家用超低温实验研究过两个原子间的作用力。但科学家还没有直接用超低温实验研究过原子和分子之间的作用力。所以，研究组的实验，是第一次测量原子和双原子分子之间的作用力。
简单地说，这个实验就是把各种状态的NaK分子，和数量多10倍的、各种状态的自由K原子关在一起，看看他们什么时候会刚好撞成“K-Na-K”组团的状态。
简单地说，这个实验就是把各种状态的NaK分子，和数量多10倍的、各种状态的自由K原子关在一起，看看他们什么时候会刚好撞成“K-Na-K”组团的状态。
当然，直接撞肯定是不行的。研究组还要在实验中加入不同强度的磁场，通过磁场来调节碰撞前后的能量差异。因为只有二者能量调得刚好一样时，费什巴赫共振才会发生。
换句话说，他们第一次在实验中发现了 “K-Na-K”组团时的11种内部活动方式。
这些内部活动方式，反映了NaK分子和K原子之间的作用力，为理论学家研究这种作用力提供了新的实验依据。
这些内部活动方式，反映了NaK分子和K原子之间的作用力，为理论学家研究这种作用力提供了新的实验依据。
在量子力学和化学之间造一座桥
这种将原子、分子冷却到绝对零度附近，并研究它们相互作用规律的学科，叫作超冷化学物理。
超冷化学物理是连接量子力学和化学的一座桥梁。
这座桥非常重要。因为所有的化学反应，原则上都可以还原成一大堆原子、分子在量子力学下的碰撞反应。而碰撞的量子性质在超低温下才会完全的显现出来。如果有一天，科学家学会了用量子力学完全地描述化学反应，他们就可以把其中的计算公式输入计算机中，在原子层面完全模拟化学反应的每一个步骤和细节。
也许到了那一天，许多化学实验都不用我们花钱来做，用计算机算一下就可以了。研发新材料、新药物，以及研究生命某个蛋白质分子的过程，也都会变得又快又便宜。
可是，虽然量子力学已经诞生100多年，但科学家却还没搞清楚复杂的多个原子分子间的作用力。
这说明，在量子力学和化学之间，存在一个巨大的鸿沟。物理学家和化学家站在鸿沟的两头，迟迟不能会师。
因此，无论如何，超冷化学物理的桥梁必须开工了。
这种将原子、分子冷却到绝对零度附近，并研究它们相互作用规律的学科，叫作超冷化学物理。
超冷化学物理是连接量子力学和化学的一座桥梁。
这座桥非常重要。因为所有的化学反应，原则上都可以还原成一大堆原子、分子在量子力学下的碰撞反应。而碰撞的量子性质在超低温下才会完全的显现出来。如果有一天，科学家学会了用量子力学完全地描述化学反应，他们就可以把其中的计算公式输入计算机中，在原子层面完全模拟化学反应的每一个步骤和细节。
也许到了那一天，许多化学实验都不用我们花钱来做，用计算机算一下就可以了。研发新材料、新药物，以及研究生命某个蛋白质分子的过程，也都会变得又快又便宜。
可是，虽然量子力学已经诞生100多年，但科学家却还没搞清楚复杂的多个原子分子间的作用力。
这说明，在量子力学和化学之间，存在一个巨大的鸿沟。物理学家和化学家站在鸿沟的两头，迟迟不能会师。
因此，无论如何，超冷化学物理的桥梁必须开工了。
科学家唯一能做的工作，就是在鸿沟旁边的荒地上拓荒。没有路，自己造路；没有水，自己打井；没有经验，自己摸索；没有工具，自己打造。
中科大研究组发现的这11种费什巴赫共振，就是他们在超冷化学物理领域的一次成功的拓荒。
在未来，科学家还要长期地开拓这片荒地。总有一天，他们会一根柱子一根梁地建起这座桥梁，彻底破解化学反应的奥秘。
中科大研究组发现的这11种费什巴赫共振，就是他们在超冷化学物理领域的一次成功的拓荒。
在未来，科学家还要长期地开拓这片荒地。总有一天，他们会一根柱子一根梁地建起这座桥梁，彻底破解化学反应的奥秘。
注：
1.在量子力学中，物理学家实际上并不会直接研究几个原子之间的力，而是会研究几个原子的“势能”，看看它们的势能会如何随着各种条件而变化。
2.势能的变化间接反映了原子间作用力的大小和方向。比方说，当两个原子的距离很远时（r > r₀），随着距离减小，它们的势能也会逐渐变小。此时，它们之间的力是吸引力。
1.在量子力学中，物理学家实际上并不会直接研究几个原子之间的力，而是会研究几个原子的“势能”，看看它们的势能会如何随着各种条件而变化。
2.势能的变化间接反映了原子间作用力的大小和方向。比方说，当两个原子的距离很远时（r > r₀），随着距离减小，它们的势能也会逐渐变小。此时，它们之间的力是吸引力。
当两个原子近到一定程度时（r < r₀），随着距离减小，它们的势能就会急剧增大。此时，它们之间的力是排斥力。
3.考虑到原子是一个立体的结构，上面那幅“势能”的示意图原本应该画成一种类似于“三维地形图”的样子。这叫做“势能面”（potential energy surface）。在超冷化学物理中，物理学家的主要目标就是定量地刻画多个原子形成束缚态以后的“势能面”形状。
下面这张图就是通过计算机做近似计算得出的，三个氢原子束缚态的能量最低状态的势能面（冷色）和某种内部运动状态的势能面（暖色）。可以看出，这两个面在某些位置上发生了交叉。
3.考虑到原子是一个立体的结构，上面那幅“势能”的示意图原本应该画成一种类似于“三维地形图”的样子。这叫做“势能面”（potential energy surface）。在超冷化学物理中，物理学家的主要目标就是定量地刻画多个原子形成束缚态以后的“势能面”形状。
下面这张图就是通过计算机做近似计算得出的，三个氢原子束缚态的能量最低状态的势能面（冷色）和某种内部运动状态的势能面（暖色）。可以看出，这两个面在某些位置上发生了交叉。
参考文献：
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 ultracold²³Na⁴⁰K + ⁴⁰K 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.
作者：Sheldon
绘制：Mirror、周源
美指：牛猫
排版：胡豆
鸣谢：赵博
来源：一点资讯一点号中科院高能所
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 ultracold²³Na⁴⁰K + ⁴⁰K 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.
作者：Sheldon
绘制：Mirror、周源
美指：牛猫
排版：胡豆
鸣谢：赵博
来源：一点资讯一点号中科院高能所