## 171 | “最冷的化学反应”意味着什么？

策划人：孙亚飞、嘉树

你好，这里是《邵恒头条》，我是邵恒。

这两天有一条科研圈的新闻，引起了大家的讨论。中国科学院计算所发布了该所科研团队研发的一个叫做“木兰”的编程语言，号称是“完全自主设计、开发和实现”的。但很快就被网友发现，“木兰”的内核就是Python语言。就在昨天，“木兰”的团队负责人刘雷正式道歉，表示夸大了自主开发的程度，刘雷也被停职检查。

这件事也再次提醒我们：科研突破往往比我们想象中的困难得多，从技术、到人才再到生态系统，都需要很多年的积累。

而在科研领域最有挑战、最难实现的，恐怕就是基础科学的突破。

前段时间我和得到上《化学通识课》的主理人孙亚飞老师交流，从他那儿听到了最近化学界的一项重大突破：人类第一次观测到了化学反应是怎么发生的。

作为一个上次学化学还是在高中的人，我的第一反应是：化学反应怎么发生的，我们不是早就知道了？中学课本不是一上来，就学化学反应的原理？

但研究化学的人都知道，化学反应的原理一直都是科学家的假设、推测。直到2019年年底，才有一项研究为这项假设找到了确凿的证据。

孙亚飞老师告诉我，这个研究对化学界来说是一项足以改变历史的发现，而且它的影响力远不止于化学领域。事实上，从科学家逐渐认识化学元素开始就期待着这个突破，到实现整整用了300多年。

在今天的《邵恒头条》中，我就跟你分享一下孙亚飞老师对这项研究的解读。

我先用最简短的语言，给你概括一下这项研究的内容：来自哈佛大学生物化学系的倪康坤教授和她的团队，实现了有史以来最冷的化学反应。在超冷温度下，倪康坤教授的团队观测到了两个化学元素“铷”和“钾”发生反应的过程，并且第一次观测到了化学反应的中间状态。这项研究成果，在2019年11月底刊登在了《科学》杂志上。

如果你不是学习化学的，可能觉得上面这段有点听不懂。别着急，我慢慢给你解释。

这个实验的意义超乎想象，因为在这之前，人类还从来没有观测到化学反应的发生过程。中学课本里，你可能背过：化学反应是旧的化学键断裂，新的化学键形成的过程。换言之，不同的原子或分子相撞，然后原子的连接形式发生了变化。

这些的确是我们在课本里学到的。但其实刚才描述的这个过程，只是科学家提出来的一个模型。要想证明这个模型是符合事实的，还需要找到一些证据，比如说在这个反应的过程中间，是否出现了化学家设想的中间状态。

这就好比说，两辆车相撞了，现在摄像头只拍到了撞之前两辆车正常行驶，以及撞之后两辆车面目全非的画面。但碰撞的过程，偏偏没有拍到，不知道是后面车顶到前面了，还是拐弯的时候刮蹭了，得找到中间部分的录像才可以。

但你要知道，记录车辆行驶容易，但拍摄化学反应的过程，实在太难了。

这是因为化学反应发生的速度太快了，很多化学反应的发生都在飞秒之间。飞秒，只有一秒的千万亿分之一，时间真的非常短。

在过去20年里，科学家曾经尝试用高速摄影的办法，使用超快激光来连续拍摄，试图搞清楚事情是怎么发生的。但即便是激光拍摄，速度也还是不够快，始终赶不上反应速度。所以一直以来，研究人员只能看到化学反应的开始和结束，中间的过程仍然是一个“黑箱”。

那哈佛大学的团队，到底是怎么打开这个“黑箱”的呢？

他们走的是另外一条路：既然不能加快观察的速度，那就试一试，让反应慢下来。慢下来的方法，就是降低温度。

对于同一种原子来说，它运动的速度越快，它的温度越高。我们用温度计测出来的温度，代表的其实就是原子运动的激烈程度。

你肯定听到过“绝对零度”的概念吧？绝对零度是摄氏零下273.15度，是指任何条件都不可能突破的低温极限。它是怎么算出来的呢？其实就是原子运动完全停止之后，表现出来的温度。换句话说，原子运动速度为零的时候，就是达到了绝对零度。

好，继续回到观测化学反应这事儿上来。听起来问题解决了啊：既然降温能让分子运动变慢，那就这么干呗？

但孙老师却说，没那么简单。最常见的降温方法，是用压缩机。我们常见的冰箱和空调，就是通过压缩机工作的。但是，用压缩机降温的方法，理论上来说，最低也就能实现绝对零度以上1度。

但你要知道，要想观察化学反应的过程，温度要非常接近绝对零度才行，比如在零度以上的百万分之一度。一度到百万分之一度，这之间的距离还是差太远了。

那还有什么办法呢？研究人员想了另外一种思路：既然每个原子都在振动，那我们能不能想办法摁住它，不让它动呢？

这个想法，在我们这些外行听起来像是天方夜谭。原子那么小，咋摁住？但科学家还真找到了一种能摁住原子的工具，就是用激光。

如果我们用激光照射原子，激光的光子就能像一只手一样，持续摁住原子的运动。如果我们同时照射六束激光，分别控制原子上下、左右、前后这六个方向，那就在三维空间里彻底摁住了运动的原子。这样一来，就从物理运动上实现了接近绝对零度。

这次哈佛研究团队，就是通过激光达到超级低温的。

这个过程对设备和团队的要求非常高。倪康坤教授的团队是这个领域的顶级专家，他们也是通过不断调整实验设备，这次才终于取得突破。

在激光降速的基础上，他们实现了在极低温500纳开尔文下对化学反应的记录。这什么概念呢？这个温度仅仅比绝对零度，高出了不到百万分之一摄氏度，比整个宇宙的星际空间要冷数百万倍。这个温度，也是人类进行化学反应的最低温度。

在这个温度下，倪康坤教授的团队成功迫使两种化学元素，铷和钾的分子，在发生化学反应的过程中停留了几微秒。你可别小看“几微秒”的时间——这比平时化学反应的时间延长了数百万倍，足以让科学家打开化学反应的“黑箱”，窥探到其中的一点奥秘：他们成功地观测到了一个“铷钾结合”的中间形态。

一般来说针对一个化学反应，科学家推测反应的过程中会出现一个过渡形态。比如说A、B、C物质发生反应，变成了AB+C，科学家会推测这个过程中，还存在一个ABC的过渡状态。而这一次，这个ABC状态，终于被证明确实存在了。

孙亚飞老师告诉我，对于化学界来说，这项发现的影响很深远——如果我们搞清楚了一些关键化学反应的发生过程，就有望破解很多领域的难题。

比如，身体中的正常细胞是如何发生癌变的？之前我们并不清楚。如果找到关键化学反应，就有可能阻止癌变的发生。

甚至更长远来说，宇宙起源的很多细节，以及未来的宇宙将会走向何方，我们也有望通过还原或模拟化学反应发生的过程去进行研究。

比如说，关于宇宙的终极命运，有一种假设叫“热寂论”，这个假设推测，宇宙的终极很可能就是一个接近绝对零度的死寂空间，到时候就没有任何能维持运动和生命的能量存在了。那情况会不会是这样呢？热寂论描述的这种状态，其实就和超低温化学反应的环境很相似，我们可以进行模拟。

化学科学中最新、最酷的一个分支，正是“超冷化学”——研究分子在超冷状态下，分子速度变慢以后会产生什么奇特的性质。如果你去这样的化学实验室，会发现没有瓶瓶罐罐，反而摆满了由激光、透镜组成的光学仪器，还有密密麻麻的线缆，看起来更像是一个光学实验室。

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好，以上就是孙亚飞老师分享的，化学界近期的重磅突破。一句话总结就是：哈佛大学倪康坤教授的团队，通过激光控制原子的方式，成功地在低温条件下观测到了化学反应的中间状态。这是我们人类首次观测到化学反应到底是如何发生的。

听完了孙老师的分享，我又回想了一下自己在中学学习化学的过程——那时候我可是把各种公式、原理当作事实来死记硬背。但没想到，从理论到事实，这中间有一个如此漫长、复杂的求索之路。不知道哪天的某个新发现，就会推翻以前我们认定的“事实”。

这让我想到《时间的秩序》那本书里的一句话，与你一起共勉：整个科学的发展都表明，思考世界的最佳方式应该基于变化，而非“不变”。

好了，这就是今天的《邵恒头条》。我是邵恒，我们明天见。

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