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导读
如果他们跑去抽烟喝酒烫头，那他们就是狐朋狗友团伙，靠酒肉的力量维系。如果他们跑去买仪器做实验办论坛，那他们就是科研团伙，靠科学的魅力维系。如果是去唱歌跳舞听戏，那他们就是文艺团伙，靠艺术的张力维系。
这是Sheldon的第 106 篇漫画，所有图片大约 3 MB。
所谓化学反应，就是一堆原子和分子，在原子间的作用力的影响下，开始重新排列组合，并改变各自状态的故事。
所以从理论上讲，我们可以用描述原子间作用力的物理规律——量子力学——破解每个化学反应的过程。
然而，虽然量子力学已经诞生了100多年，但科学家还是没有搞清楚，原子之间的作用力究竟是什么样的。这是因为，原子间的作用力实在是太复杂了。
一、原子的作用力为什么复杂
原子间的作用力为啥这么复杂呢？其中主要有两个原因。
第一个原因是，原子的成员太多。你可不要以为原子是一个实心小球。原子可复杂了，里面有原子核，还有一大堆核外电子。
而且，这一大堆玩意儿不是随随便便凑在一起。它们是在量子力学的法则下，通过原子内的作用力，组成了一个复杂的量子系统。
第二个原因，是原子内各个成员的小动作太多。比方说，许多原子核有好几种办法自转，每个核外的外层电子可以在几个空轨道之间乱窜。
根据量子力学，两个原子就算成员一模一样，只要成员的运动状态不一样，它们产生的作用力就会不一样。
然而，两个原子的作用力还不是最麻烦的。在化学中，我们会经常遇到三个原子、四个原子的化学反应。
如果你把好几个原子搁一块儿，把它们主要成员之间的作用力都算上，再考虑到每个成员的运动状态不一样……
最后你会发现，越算越麻烦，根本不可能用量子力学算清楚其中的作用力到底有多大。别说你算不清楚，就算经典计算机都算不清楚。
那么，科学家真的没有办法研究多个原子之间的作用力了吗？
二、团伙的内部活动
办法倒是有一个，只不过不是直奔主题，而是先绕一个小弯儿，通过研究原子组团后的内部活动，进行间接测量。
比方说，假如几个原子通过原子间的作用力结合在一起，形成了一个原子团伙。
此时，你要是给它们施加一点儿能量，它们通常会借着这股劲儿，开展各种内部活动。比如，
当然，如果施加的能量太大，这个原子团伙肯定还是会散伙儿。
但如果施加的能量足够小，它们就不会散伙儿，因为原子间的作用力把它们团结在了一起。
原子团伙有了能量以后仍然没有散伙的状态，叫作束缚态。研究原子间作用力的办法，就藏在原子束缚态的内部活动之中。
打个比方，这就好比一伙儿人组成了一个社会团伙。如果他们啥也不干，你肯定搞不清楚他们组成的是什么性质的团伙，是什么样的力量把他们凑到一块儿的。
这个时候，你要是给他们一笔小钱（相当于给原子团伙一点儿能量），再观察他们会拿钱干什么事，问题就解决了。
如果他们跑去抽烟喝酒烫头，那他们就是狐朋狗友团伙，靠酒肉的力量维系。如果他们跑去买仪器做实验办论坛，那他们就是科研团伙，靠科学的魅力维系。如果是去唱歌跳舞听戏，那他们就是文艺团伙，靠艺术的张力维系。
同样的道理，为了研究原子间的作用力，科学家就必须想办法让原子形成的束缚态，然后观察它们会如何开展内部活动。如果两种原子团伙的内部活动不一样，那就说明维系这两个团伙的作用力不一样。
那么，到底如何才能搞清楚这种束缚态的内部活动呢？
三、费什巴赫共振：
一种巧妙的研究办法
这个问题的研究办法倒是有很多。但哪一种办法都没有我们今天介绍的办法巧妙。这就是以美国核物理学家费什巴赫冠名的：
我们的生活中经常会见到各种共振的现象。比如，如果你敲一个音叉A，会引起其他音叉也发生振动。但这不是共振。
如果其中有一个音叉B，它的特征频率刚好和音叉A完全相同，那么音叉B的振动幅度就会格外的大，大得好像你连音叉B也敲过。这就叫作共振。
费什巴赫共振也是一种共振现象。它的意思是说，首先，如果你把几个原子凑在一块儿，这些原子原本会有一定几率转化成各种各样能量更低的状态，比如抽烟、喝酒、烫头……当然，它们也可能什么也不干，继续保持原样。
此时，如果你通过调节外部磁场的大小，使得这几个原子的总能量，刚好等于喝酒状态的能量，那么它们形成正在喝酒的束缚态的概率就会突然增大，就好像它们就是奔着喝酒来的。这就是费什巴赫共振。
总而言之，费什巴赫共振就是，两堆原子状态不同，但它们总能量基本相同，这两堆原子之间就会相互转化，发生一种量子力学意义上的共振。
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。
四、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。
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。
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。
结果，研究组在不同状态的NaK分子和K原子的4×5=20种组合中，在43~120高斯的磁场之间，共发现了11种费什巴赫共振。
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。
五、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。
当然，没有人知道，这座桥到底应该怎样施工。因为超冷化学物理还是一个比较原始的科研领域，所有人都在摸索。
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。
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。
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。
（图片来源：Dr. Eckart Wrede）
氢原子只有一个核外电子。可以想象，三个氢原子的势能面都这么复杂，K-Na-K的势能面应该会更加复杂。
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.

4. 墨子沙龙, 无垠荒野中的开拓者——超冷原子量子模拟在化学物理研究中的全新工作, 2019.01.19.
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背景简介：本文于2019年1月28日发表于微信公众号 墨子沙龙（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？），风云之声获授权转载。
责任编辑：祝阳
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