水是生命之源，也是科學上極具魅力的物質。它的分子結構看似簡單，僅由兩個氫原子和一個氧原子構成，卻表現出數十種反常特性。冰為何能浮於水面？熱水為何有時比冷水結冰更快？在這些尋常現象的背后，隱藏著一個被忽略了近百年的秘密。

從2002年的一次學術爭論出發，中國科學院院士、北京大學教授王恩哥帶領團隊在水的全量子效應這個“無人區”跋涉了25年。他們建立了全量子凝聚態物理研究新范式，研發出可識別氫原子的自主掃描探針技術，精准測得單根氫鍵鍵強的核量子效應，攻克水與冰微觀結構的世界性難題。

前不久，王恩哥帶領團隊憑借“水的氫鍵強度及動力學過程全量子效應研究”，獲得國家自然科學獎一等獎。日前，科技日報記者採訪了王恩哥，聽他講述這段精彩的探索故事，以及多年來他對基礎研究、團隊建設和青年人才培養的思考。

自主研究實現“四個原創”

記者：什麼是全量子效應？

王恩哥：我在《凝聚態物理的全量子效應》一書裡，第一次給出了它的明確定義。微觀世界的一個粒子，同時具有波和粒子兩種特性，這就是波粒二象性。最經典的例子是電子。1897年，英國物理學家約瑟夫·湯姆遜証明了電子是粒子，還預測了它的質量大約是氫原子核的千分之一﹔30年后，他的兒子喬治·湯姆遜讓電子穿過金屬薄片，在對面產生了像水波一樣的明暗交替的衍射條紋，証明了電子也是波。

1926年薛定諤方程建立之后，人們發現，一旦粒子數量多起來，想精確計算它們之間復雜的量子耦合作用，簡直難如登天。1927年，物理學家玻恩和奧本海默為了簡化計算，做了一個“聰明”的假設：原子核太重，運動太慢，干脆把它“凍”住，隻考慮電子的量子行為。這就是著名的玻恩-奧本海默絕熱近似。

但這裡有一個根本性的問題：微觀世界的粒子都有波粒二象性，原子核難道就只是一個經典粒子嗎？它的波動性去哪兒了？大部分人的回答是：它太重了，波動性很小，可以直接忽略。

我們的工作，就是把電子和原子核所有的自由度統一起來描述，實現真正的全量子化。這就是全量子效應的基本概念。它包含兩個核心物理過程：一個是核量子效應，也就是把原子核也量子化﹔另一個是非絕熱效應，即電子和原子核之間的量子耦合與能量交換，而過去是把它們分開處理的，根本不考慮兩者之間的能量交換。

記者：您持續25年致力於水的全量子效應研究。這期間，取得了哪些關鍵突破？

王恩哥：要看全量子效應，得先量子化原子核。原子核那麼重，我們就從最輕的氫原子開始找。如果連它都沒有表現出量子效應，那就說明玻恩-奧本海默近似挺准確。水裡有三個原子，其中兩個是氫原子，並且水又是人們最熟悉的物質。所以我們就選擇了水，聚焦於氫原子的量子化。

選定水作為研究的物理對象后，我們遇到的第一個挑戰，是如何找到一個物理量來討論核量子化的貢獻。這就是測量氫鍵的強度。過去，大家認為這個物理量100%是電子的貢獻，原子核的貢獻是0。我們想對它進行精確測量，但理論和實驗都面臨巨大挑戰：理論上，我們要超越傳統的玻恩-奧本海默近似框架，准確描述核量子效應﹔實驗上，過去所有掃描探針技術能看到鐵、銅這些“大個頭”原子，卻從來看不到個頭最小的氫原子。

怎麼看到它？我們團隊的成員、北京大學教授江穎提出了一種全新的“高階靜電力成像”原理，發展出高分辨的掃描探針技術，在全世界第一次直接看到了水分子內部的氫原子。正是靠著這套獨門技術，我們精確測出了氫鍵的強度。結果讓我非常興奮：電子對氫鍵強度的貢獻度是86%，原子核的貢獻度是14%。這意味著，原子核的貢獻已經超過了在室溫下熱漲落的貢獻，說明水的一些反常特性，根源就在被忽略的核量子效應上。

這項工作是在我們自己的土壤上，用原創思想、原創原理、原創設備，做出的原創頂級發現，是真正的世界第一。可以說，我們做到了“四個原創”。

記者：這項原創突破將對凝聚態物理乃至更廣泛的化學、生命科學產生什麼影響？

王恩哥：我們的工作証明，氫原子的核量子效應在水中不可忽略。推而廣之，在所有含氫體系中，它都可能扮演至關重要的角色。

以生命科學為例，DNA雙螺旋的兩條鏈解開后，鹼基上的氫原子並非老老實實待在原位，而是有一定概率通過量子隧穿轉移到另一端。當鏈重新配對形成雙螺旋時，這種轉移就可能導致配對出錯。如果存在“量子生物學”這一領域，那麼僅考慮電子的量子化是不夠的，必須引入原子核的全量子化。

在化學領域同樣如此。過去，化學反應主要由熱力學和動力學驅動，如今則增加了一個“全量子效應驅動”的新維度，這對於設計新的反應路徑具有重要意義。

事實上，我們的工作發表之后，很大一部分關注和引用正是來自這些交叉領域。幾年前，《自然》刊發了一篇綜述文章，題為《核量子效應進入了主流》。在這篇綜述中，我們2008年的一項工作被列為凝聚態物理領域研究核量子效應的第一篇論文。

搞清楚AI的邊界至關重要

記者：在基礎研究中，理論與實驗同等重要。您如何理解兩者的關系？在人工智能時代，它們怎樣更好地形成合力？

王恩哥：在物理研究中，理論與實驗缺一不可。有人說實驗是解決問題的根本，對此我並不反對，但我知道一個現實：實驗做出來了，研究者往往並不能完全清楚自己觀測的物理現象究竟是什麼。

我舉一個例子。實驗科學家常常借用某個理論來解釋結果，但這個理論本身可能是有缺陷的。比如玻恩-奧本海默近似，它是一個近似，天然忽略了一些東西。當實驗分辨率不夠高時，重要的現象可能被掩蓋，研究者一句“沒看著”，便輕易放過去了。更令人擔憂的是，用了一個錯誤的理論去解釋實驗，結果居然還能和實驗“對上”。實際上，這種“對上”，比沒“對上”還要糟糕。

2002年，我和美國物理學家費貝爾曼有一場關於水在金屬表面能否自發分解的科學爭論，背后考驗的恰恰是對理論工具的認知。

當時，費貝爾曼用傳統的玻恩-奧本海默近似進行計算，得出的結論是水分子在某一金屬表面可以自發分解。然而，這個近似框架先天地把原子核當作經典粒子處理，完全忽略了核量子效應。他用一個不完整的方法，卻得到了一個看似正確的結論，這在根源邏輯上就是錯的。

而我用同樣不完整的方法，卻得出了一個好像不正確的結論——我們的計算顯示，在那個近似下，水分子並不能自發分解。正因為我清楚地知道這個方法的局限在哪裡，所以我判斷，本就不該在這個有缺陷的框架下，去尋求一個關於“能否分解”的完整答案。問題的關鍵，恰恰出在被方法所忽略的那部分物理上。這場爭論持續了二十多年，最終証明我的想法是對的。

我寫《凝聚態物理的全量子效應》這本書，就是想在一個新學科領域興起的時候，告訴后來者：哪一個理論工具在什麼階段是可用的，到了什麼階段就不能再用了。

在人工智能時代，想要讓理論研究與實驗研究更好地形成合力，我覺得搞清楚AI的應用邊界至關重要。AI能夠處理海量數據、進行模式識別，幫助我們發現人腦不易察覺的關聯，能夠很好地助力理論研究，但它無法替代我們對物理本質的猜想和理解。特別是建立在長期積累之上的物理直覺，是AI暫時還無法替代的。未來，理論與實驗的深度融合，再加上AI這個有力工具，三者有機結合，將會極大推進科學發現。但前提是，人要知道自己在做什麼，要知道工具的邊界在哪裡。

記者：在基礎研究領域，您最關心的是什麼？

王恩哥：我最關心的是學術環境的建設。我到北京大學工作后的第一件事，就是創建北京大學國際量子材料科學中心。此前，在中國科學院物理研究所擔任所長時，我也推動成立了中國科學院國際量子結構中心。

我的想法其實很簡單，就是要營造一個小范圍的理想學術環境。在這個小環境裡，學者之間是平等的，沒有人擔心自己的成果被掩蓋，也沒有人擔心自己的想法被掠奪。我們團隊裡從未發生過爭署名、搶貢獻這類事。每一篇文章，誰的貢獻是什麼，大家都一清二楚。

我們對研究人員的評價，不是看他發了多少篇文章，不是簡單地數數。我們看他是不是一個拼命工作的人，他談論的是不是科學上的重要問題﹔他是在琢磨怎麼多發一篇文章，還是在追問科學的本質。這才是我們判斷的標准。

當然，光有高品位而不努力也不行。研究人員必須展現出自己在努力朝著科學本質的方向邁進。在這個過程中，資深學者會出手相助，而一旦出了成果，我們盡量往后退，把年輕人推到前面。作為學術帶頭人，一定要做到“推功攬過”。

年輕人要提高自己的學術品位

記者：這次獲獎，我們看到您身邊匯聚了許多優秀的青年科研人員。

王恩哥：是的。這項研究的念頭，最早可追溯到2002年的那場學術爭論。此后，我開始重新推導公式。2005年，我在這個方向找了第一位學生，將這些理論框架程序化。2008年，我們與瑞典科學家合作，發表了凝聚態物理領域一篇清楚研究核量子效應的純理論文章。到2009年來北京大學任教時，我的整個研究思路已經基本成熟了。

在北京大學，我相繼邀請了幾位核心成員加入。首先我希望有一個非常強的實驗組。2010年，江穎老師來到北京大學，我們深入交流后，他認可了這一冷門方向的價值，成為團隊實驗方向的核心。他一步步提出了成像新原理，發明了世界最高分辨率的掃描探針技術。后來，我又關注到李新征老師，雖然他當時文章不多，但我欣賞他的科學態度，破格邀請他加入，他后來主攻全量子效應的動力學性質研究。

我們沒有一個固定的行政研究團隊，大家基於共同的學術興趣自願結合。這兩位老師是我最緊密的合作者。我選擇合作者，一看共同興趣﹔二看年輕人有沒有志向、能否耐得住寂寞坐冷板凳。這樣才能做長期、原創的工作。

記者：引導年輕人坐“冷板凳”，不擔心他們拿不到項目或評職稱受阻嗎？

王恩哥：我之所以敢引導他們進入這個領域，是因為有足夠的底氣。2010年，江穎老師加入時30歲左右，李新征老師加入時35歲左右，而當時我已年近50，在這個所謂的冷門領域已積累了較深厚的理論基礎，並發表了一系列文章。正因為看得准，我才確信，只要沉下心來做，就一定能做出有特色的前沿工作。

在坐“冷板凳”的過程中，資深科學家的判斷力與擔當至關重要。如果讓年輕人獨自去摸索冷門方向，很可能會把自己折進去。方向是由我來確定的，我對此充滿信心。而且，我從不介意他們超越我。如今他們在很多方面都已勝過我，這讓我感到由衷高興。我不過是把他們帶上了一條我認為有前途的路，而現在他們都已成長為這個領域的杰出人物。

記者：青年科研人員應如何選擇研究方向？

王恩哥：如今，我國的科研環境已大為改善，國家持續加大科研經費投入，富有才智的年輕人也大量涌現。

我希望年輕一代樹立高遠的目標，真正熱愛科學，相信自然界中仍有規律等待我們去探索發現。同時，也要著力提高自己的學術品位。選題往往能反映一個人的品位，品位高才能選到重要的問題，學術之路才能走得長遠。不要急於表現自己，或者過於計較一時得失，只要甘坐“冷板凳”、肯下真功夫，未來一定屬於他們。

當年我們選擇全量子效應這個方向時，全世界都覺得冷門，沒人看好。但我相信這就是一個值得深耕的根本性問題。25年堅持下來，我們從徘徊者變成了引領者。

現在國家提倡“十年磨一劍”，我很認同。年輕人不要總跟著熱點跑，要把目標定得長遠，敢於選擇那些“重要但不熱鬧”的課題。

■人物檔案

王恩哥，物理學家，中國科學院院士，北京大學物理學院教授，中國科學院物理研究所研究員、學術委員會主任。長期從事凝聚態物理和材料科學研究，在輕元素量子材料與超越玻恩-奧本海默近似的全量子效應研究方面作出了開創性貢獻。獲得國家自然科學獎一等獎（2025年度）、國家自然科學獎二等獎（2004年度和2011年度）、陳嘉庚數理科學獎、發展中國家科學院物理獎、德國洪堡研究獎、世界華人物理學會“亞洲成就獎”、亞洲計算材料科學成就獎、國際材料學會終身成就獎、何梁何利科學與進步獎、周培源物理獎、中國出版政府獎等。（記者 陸成寬）