化學反應有點像從維也納到威尼斯的旅行：你的目的地可能是下坡，但要到達那裡，你需要翻越阿爾卑斯山。你可以把分子必須經歷的能量變化想象成一片地形。在反應的開始和結束之間，這種地形有時會非常崎嶇，以至於如果分子沒有足夠的能量翻越障礙，原本有利的反應根本不會發生。然而，在某些情況下，由於量子隧穿，這些反應確實會發生，量子隧穿允許粒子偶爾穿透它們永遠無法攀越的能量壁壘。這種奇異的行為在傳統物理學中是被禁止的，但在量子力學的狂野規則下是被允許的。
現在，在一項發表在《自然》雜誌上的新研究中，科學家們設法發現了量子隧穿，這種隧穿發生在經典物理學認為不可能發生的氫分子和氘離子（氫的重型帶電版本）之間的反應中。這是研究人員首次在實驗中證實關於涉及離子的反應中隧穿速率的理論預測。“理論上，量子力學應該能夠很好地預測這種[速率]，”德國科隆大學的物理學家 Stephan Schlemmer 說，他沒有參與這項研究。“但沒有人確定這是否真的正確。”
粒子可以簡單地出現在能量壁壘另一側的想法可以追溯到德國物理學家弗里德里希·洪德。1927年，在研究分子如何與光相互作用時，他發現隧穿在理論上應該是可能的。根據量子力學，粒子更像是機率雲而不是固體球體。這些機率雲代表了粒子的位置，並延伸到無窮遠。因此，儘管極不可能，但量子粒子在理論上可以在任何地方突然出現，包括在經典粒子永遠無法跨越的能量壁壘的另一側。
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1928年，隧穿迎來了其最初的偉大勝利：完美地解釋了核α衰變，這是一種常見的放射性衰變型別，在這種衰變中，原子核會噴射出“α粒子”——帶有兩個質子和兩個中子的氦核——並在過程中轉變成更小的原子核。在低溫下，這種反應應該是無法發生的，但透過隧穿就可以實現。從那時起，科學家們就利用隧穿來解釋從半導體到恆星核心等領域中其他無法解釋的現象。*
儘管量子隧穿背後的思想現在已經有近一個世紀的歷史，但將理論和實驗結合起來觀察化學反應中的隧穿已被證明是棘手的。首先，量子隧穿非常罕見，以至於依賴它的反應通常非常緩慢，使得在實驗室中觀察它們變得困難。其次，理論計算本身也涉及非常複雜的數學，以至於科學家只能預測最簡單反應的隧穿反應速率。“對於[原子之間的反應]，你可以做到，”奧地利因斯布魯克大學的分子物理學家 Roland Wester 說，他是這項新研究的合著者。“對於四個原子，有一些小組可以處理它。而對於五個原子，世界上基本上沒有人有能力完全量子地完成它。”
氫氣和氘離子之間的反應足夠簡單，因此有可能僅用量子力學來預測反應速率。這就是韋斯特的團隊選擇研究這種反應的原因：研究人員實際上可以檢查理論與現實的對比。在反應中，一個氫氣分子與一個氘離子碰撞，產生一個氫離子和一個重型的含氘氫分子。但是，當中佛羅里達大學的理論物理學家維亞切斯拉夫·科庫林及其同事在2018年計算出資料時，他們預測的反應速率比韋斯特團隊之前測量的上限估計值低數百倍。
“[結果]與實驗結果非常不一致，我們不想發表，”科庫林說。擔心他們犯了錯誤，他和他的同事使用三種不同的理論方法重複了他們的計算，得到了相同的結果。計算當然有可能出錯，但“我們盡了最大努力，這就是我們[能]提供的數字，”科庫林的前學生艾薩克·元說，他現在是堪薩斯州立大學的理論物理學家。
問題是反應的極慢速率，因斯布魯克團隊花了大約15年的故障排除和調整才最終準確測量出來。為了做到這一點，研究人員將氘離子捕獲在電場籠中，用氫氣沖洗它們，並將所有東西冷卻到極冷的15開爾文。在如此低的溫度下，氫和氘缺乏在沒有隧穿的情況下發生反應的能量。等待約15分鐘後，科學家們測量了產生了多少氫離子，以找到反應速率。
15分鐘聽起來不多，但對於經典反應，科學家們通常測量“100毫秒，他們看到幾乎所有離子都轉化為產物，”韋斯特說。“我們等待了1000秒，只有不到1%的離子轉化為產物。”
隧穿僅發生在氫和氘離子之間每1000億次碰撞中約一次，這與科庫林和元的理論計算非常吻合。“數字與實驗結果相符，這感覺非常神奇，”元說。“作為一名理論家，我感覺這是一次巨大的勝利。”
這種離子之間的隧穿反應被認為對於瀰漫的星際電離氣體湯中的化學合成非常重要，這種氣體湯為新的恆星系統提供了原材料。由於星際介質非常寒冷，經典反應非常緩慢，但隧穿的可能性更大——粒子在低溫下移動得更慢，這增加了隧穿的機率。
在地球上，首次捕捉到如此微小的隧穿速率表明，物理學家在他們的量子分子理論方面走在正確的軌道上。它為測試未來將化學和量子力學結合起來的理論努力提供了基準。“在我們的經典粒子的常規世界中，可以用一些非常簡單的概念來理解反應，”施萊默說。“但這種隧穿只是一個完全不同的世界。而像這樣的測量為我們打開了這個世界。”
*編者注（4/12/23）：此段在釋出後經過編輯，以糾正核α衰變過程的描述。