[科普中國]-江穎：每一滴水都是量子水，“反?！痹醋詺浜说牧孔有?yīng)

2019年6月2日，“創(chuàng)新引領(lǐng)未來”未來青年論壇在京舉辦。北京大學(xué)博雅特聘教授、未來論壇青創(chuàng)聯(lián)盟成員江穎在全體大會上作了題為《熟悉而又陌生的水世界》的演講。場上，一幅幅高分辨率顯微圖像刷新了我們對水的認(rèn)知。我們?nèi)粘Ｋ姷乃?，竟然是世界上最?fù)雜的物質(zhì)之一。這究竟是怎么回事？在大會間隙，騰訊科普對江穎教授進(jìn)行了采訪。江穎教授就水的性質(zhì)、水的研究方法、研究意義等作了簡單介紹，并分享了對于中國制造、下一個科學(xué)突破、美國對華政策改變等問題的看法。日常所見的水，竟然是世界上最復(fù)雜的物質(zhì)之一江穎教授介紹說，水有很多反常性質(zhì)。例如，結(jié)冰之后體積反而變大，熱水比冷水更容易結(jié)冰，超級大的比熱和表面張力等。近些年來，人們開始意識到，很多反常特性實(shí)際上源自通常被忽略的水的量子效應(yīng)，這種效應(yīng)可以從水分子的結(jié)構(gòu)中找到根源。我們都知道，水分子是由一個氧原子和兩個氫原子組成的帶夾角的共價結(jié)構(gòu)。但事情顯然沒有這么簡單。其實(shí)，由于氫原子核質(zhì)量非常小，水分子中的氫與電子一樣并沒有確定的位置，它在空間中呈現(xiàn)一種概率分布（量子力學(xué)的不確定原理）。這就是一種 “量子效應(yīng)”。水具有非常強(qiáng)的核量子效應(yīng)。非但如此，水分子之間存在一種特殊的化學(xué)鍵：氫鍵，氫鍵很容易斷開與形成，表現(xiàn)出明顯的協(xié)同性，一個氫鍵受到擾動，其他氫鍵都會響應(yīng)。而且氫鍵具有方向性，只有當(dāng)氫指向氧的時候才會成鍵。這讓水的性質(zhì)變得非常奇怪。想要理解水的反常性質(zhì)，最直接的方法就是用顯微鏡直接觀察水的分子結(jié)構(gòu)和氫鍵構(gòu)型，了解它的量子效應(yīng)。水的量子效應(yīng)從何而來？江穎告訴騰訊科普，量子效應(yīng)實(shí)際上有很多種，一般說的量子效應(yīng)主要是指電子的量子效應(yīng)。比如說量子隧穿效應(yīng)（由電子等微觀粒子的波動性產(chǎn)生的穿越位勢壘的行為），另外它有很強(qiáng)的零點(diǎn)運(yùn)動或者叫量子漲落（在絕對零度也擁有能量）。此外，原子核本身也會有量子效應(yīng)。當(dāng)原子核跟電子尺寸差不多，或者質(zhì)量差不太多的時候，例如氫原子核，就會表現(xiàn)出明顯的量子效應(yīng)。當(dāng)這些電子、原子核排在一塊，形成多體的固體或液體結(jié)構(gòu)時，個體的量子效應(yīng)集合在一起，就會顯現(xiàn)出一種集體的量子行為。這種量子行為會影響材料的宏觀性質(zhì)，就是我們說的量子材料。研究量子材料，就是研究這些由電子和原子核組成的多體結(jié)構(gòu)的宏觀量子體現(xiàn)。水的許多令人費(fèi)解的反常性質(zhì)就是一種宏觀量子體現(xiàn)。研究水的量子效應(yīng)，可以讓我們更好地理解和利用水，并有可能挖掘其更多未知的特性。掃描探針顯微鏡，像“盲人摸象”一樣摸出材料的表面形態(tài)江穎的課題組主要用掃描探針顯微鏡來研究各種低維量子材料。這是一種不同于傳統(tǒng)光學(xué)或電子顯微鏡的成像設(shè)備?！八脑砭拖衩と嗣蟆?，江穎打了個比方說，“一般的顯微鏡是用眼睛去看，而掃描探針顯微鏡像是用手去摸”。對于光學(xué)顯微鏡來說，它利用光的折射和反射成像，其分辨率會受到衍射極限的限制（與波長相關(guān)），一般最多能看到幾十納米。但如果想看原子、分子的話，它的尺度要比這小兩個量級以上，在埃（0.1納米）的量級。光學(xué)顯微鏡是難以分辨這些原子、分子的。這就必須用另外一種顯微鏡，叫掃描探針顯微鏡。掃描探針顯微鏡通過探針在材料表面的移動，來描繪材料的樣貌。具體而言，通過監(jiān)測探針與材料之間的隧道電流（由前述量子隧穿效應(yīng)產(chǎn)生，大小與距離有關(guān)），來“摸”出材料的表面形態(tài)；另一種方法是通過監(jiān)測探針與材料之間的斥力或引力，來“摸”出材料的表面形態(tài)。前者稱為掃描隧道顯微鏡，可用于探測導(dǎo)體或半導(dǎo)體，后者稱作原子力顯微鏡，可以探測絕緣材料。二者的分辨率都可以達(dá)到原子級。經(jīng)過特殊的升級改造，實(shí)現(xiàn)原子核的量子效應(yīng)探測經(jīng)過多年積累，江穎課題組在原有掃描探針顯微鏡的基礎(chǔ)上進(jìn)行升級改造，大幅提高了掃描探針顯微鏡的分辨率，于2014年首次獲得了水分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)成像，并于2016年在世界范圍內(nèi)首次探測到了原子核的量子效應(yīng)，刷新了人們對水和其他輕元素材料體系的認(rèn)知。但這有何特別之處呢？江穎告訴騰訊科普，“在掃描探針顯微鏡領(lǐng)域，一般來說看電子是很容易的，因?yàn)殡娮釉谠雍送饷妫韵翊┮路娜?，看的首先都是外面的衣服，但是原子核被電子包裹在里面，想要看到原子核的信息，通常來說是很困難的”，所以這在技術(shù)上有很大的挑戰(zhàn)性。經(jīng)過一系列的創(chuàng)新性設(shè)計，比如，設(shè)計制作新一代qPlus型原子力傳感器（一種高靈敏度力和電流的傳感器），借助高階靜電力，江穎課題組已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對氫原子核的直接成像和定位。在會場上，我們還看到了課題組剛拍到的、迄今最高分辨率的水分子結(jié)構(gòu)圖像。這些超高分辨圖像和原子核量子效應(yīng)表征，為人們理解微觀世界打開了一個新窗口，對凝聚態(tài)物理和物理化學(xué)的理論和應(yīng)用發(fā)展都意義重大。下一步，江穎還計劃將研究范圍擴(kuò)展到更多領(lǐng)域，例如生命科學(xué)領(lǐng)域，用于研究人體中的離子輸運(yùn)、DNA識別等。而在這些問題之外，我們也看到了探測設(shè)備對于科研的重要性。在采訪中，江穎也對中國的科研儀器制造、探測技術(shù)與科學(xué)發(fā)展的關(guān)系、美國限制華人學(xué)者/中國企業(yè)對外合作、基礎(chǔ)科學(xué)發(fā)展周期等問題，發(fā)表了看法：探測技術(shù)與科學(xué)發(fā)展密不可分，中國制造還需靜心積累江穎告訴騰訊科普，他此前及現(xiàn)行研究都是建立在對設(shè)備的改造和升級之上。這不禁讓人想到中國精密儀器的制造現(xiàn)狀。江穎認(rèn)為，中國的精密儀器制造水平在整體上跟國外相比還有很大差距。“原因可能是多方面的”，江穎說，“一個主要原因是，我們做高端設(shè)備的企業(yè)家、工程師、工人等，還缺乏一些工匠精神。”“因?yàn)楹芏嗟目茖W(xué)設(shè)備需要不斷地精益求精，在某個細(xì)節(jié)上面不斷地?fù)?，靠長期積累和自己的琢磨，還要學(xué)會創(chuàng)新。在國內(nèi)目前的大環(huán)境下可能大家還是靜不下心。”“另外一個原因是，一套系統(tǒng)往往是各個方面部件的協(xié)同作用，如果只是某些點(diǎn)上面做得比國外好，但別的點(diǎn)還是要靠進(jìn)口，這個還不能叫自主研發(fā)。我們國家的科學(xué)高速發(fā)展只有二三十年，而國外很多公司都是百年老店，要一下達(dá)到他們的水平是很難的，還要靠長期積累?！苯f希望在未來二三十年內(nèi)中國的科研儀器制造商能夠?qū)⒍贪逖a(bǔ)上。而對于探測手段與科學(xué)發(fā)展的關(guān)系，江穎認(rèn)為，科技的發(fā)展與探測手段的升級和創(chuàng)新密不可分，創(chuàng)新性設(shè)備的研發(fā)與研制直接推動了科技的進(jìn)步。他舉例說，人類發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象，就是得益于低溫技術(shù)的發(fā)展，因?yàn)橐粋€叫昂內(nèi)斯的科學(xué)家發(fā)明了能夠液化氦的設(shè)備，得到了零下268℃（4.2K）的低溫，這才發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象，此后又觸發(fā)了一系列研究與應(yīng)用，包括醫(yī)院用的核磁共振設(shè)備，就是用超導(dǎo)線圈做的磁體。還有比較新的冷凍電鏡，可以看到以前（用X射線）看不到的生物分子結(jié)構(gòu)，由此改變了分子生物學(xué)的進(jìn)程和研究范式。至于“美國限制華人學(xué)者和中國企業(yè)對外交流合作”的問題，江穎則表示，這是個好事，因?yàn)橹袊目茖W(xué)在改革開放以來雖然發(fā)展得很快，但是真正從零到一的創(chuàng)新還是非常的少，在經(jīng)費(fèi)充足的情況下，我們以為自己的科研已經(jīng)做得非常好了，但現(xiàn)在這個事一出來，大家才意識到，很多東西“不是說受影響，而是完全做不了，技術(shù)和設(shè)備都是別人的”?！斑@就迫使我們要重新思考這個問題”，江穎說，“我們真的需要‘?dāng)嗄獭?，要下定決心、破釜沉舟去做這個事情”，這對中國科學(xué)取得下一步的飛躍式的發(fā)展，應(yīng)該是一個好事?？茖W(xué)發(fā)展有其自然規(guī)律，量子計算可能最先改變世界而對于劉慈欣提到的 “基礎(chǔ)科學(xué)已經(jīng)停滯太久”的說法，江穎則表示“一半認(rèn)同一半不認(rèn)同”。他說，就比如量子力學(xué)，其理論框架在20世紀(jì)前半截就已經(jīng)建立起來，后面都在不斷地驗(yàn)證它，以及用它去理解各種事物。從這個層面來說，量子力學(xué)的基礎(chǔ)理論確實(shí)處于停滯狀態(tài)。“但這個是科學(xué)的一個趨勢和潮流”，“因?yàn)槿魏我粋€理論出來，第一步都是去證明它對不對，第二步是用它來理解我們的自然界，這個我們已經(jīng)做得很好了”?！艾F(xiàn)在最重要的是怎樣利用量子力學(xué)的原理來造福人類，來產(chǎn)生新的技術(shù)，比如量子計算和量子通訊”，他說，“我們現(xiàn)在就處在突破技術(shù)瓶頸的階段，雖說某些理論處于停滯狀態(tài)，但這是一個自然趨勢，我們需要用它來做更多的事情，然后在下一個階段才可能催生出新的理論，這是科學(xué)發(fā)展的一個規(guī)律”。而說到當(dāng)下熱門的量子計算、尋找希格斯粒子、人工智能、太空探索等話題，江穎表示，最看好量子計算?！拔矣X得量子計算有很大的希望（最先獲得突破）”，他說，“有可能在近30年，保守一點(diǎn)說，應(yīng)該會有一些突破。另外就是量子材料，我覺得在硅基材料之后，下一個有可能改變世界的應(yīng)該是量子材料。”但是到底是哪種量子材料，現(xiàn)在大家“還不能下定論”。而對于人工智能，江穎則表示，課題組已經(jīng)開始嘗試使用人工智能來幫助做顯微鏡的圖像處理工作，通過機(jī)器學(xué)習(xí)來提高圖像識別的效率。受報告中水分子顯微成像和黑洞照片對比啟發(fā)，騰訊科普也問到 “微觀世界與宏觀世界關(guān)系”的問題。江穎認(rèn)為，從原子尺度到宇宙，跨度非常大，他認(rèn)同“所有的宏觀的大尺度的東西，實(shí)際上都是由微觀的物質(zhì)組成”，“但是它們之間沒有必然聯(lián)系，因?yàn)閱蝹€小尺度東西表現(xiàn)的性質(zhì)，并不能代表大體系的性質(zhì)，很多研究都表明，它們放在一起時會相互作用、相互糾纏，可能會產(chǎn)生全新的現(xiàn)象，而這又是小東西所沒有的?！薄皬脑印⒎肿右恢边^渡到宇宙，每一層都有自己的規(guī)律，我們叫‘層展’現(xiàn)象”，江穎說到。最后，作為未來論壇青創(chuàng)聯(lián)盟的成員，江穎表示了對“未來論壇”的高度贊賞。他說，讓不同學(xué)科的科學(xué)家在一起進(jìn)行思想交流與碰撞，產(chǎn)生新想法的概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在各個學(xué)科框架之下的思考；而且它為大眾提供了很多接受科普的機(jī)會，讓專業(yè)的科學(xué)家去面向大眾作硬科普，對于大眾了解科學(xué)、尊重科學(xué)，讓科學(xué)流行起來非常有幫助；同時，未來論壇的工作人員都非常熱愛科學(xué)，有內(nèi)在的動力去推行這些事，他非常高興能夠看到未來論壇迅速地發(fā)展。在短暫的采訪之后，江穎不得不趕向下一個議程。從他身上，我們切實(shí)感受到青年科學(xué)家的活力與自信。對科技發(fā)展充滿信心、對科學(xué)交流和傳播充滿熱情，我們衷心期待青創(chuàng)聯(lián)盟在未來不斷帶給我們新驚喜。受訪人 | 江穎 北京大學(xué)量子材料科學(xué)中心教授 博雅特聘教授作者 | 高佩雯 （本文發(fā)布前已由受訪人審閱）文章由騰訊科普“科普中國頭條創(chuàng)作與推送項目”團(tuán)隊推出轉(zhuǎn)載請注明來自科普中國