來源：原理

或許很多人都聽過盲人與大象的寓言故事：三個盲人第一次遇見大象，他們可以觸碰大象的鼻子、耳朵、身側中的一個部分，結果他們分別得出結論：這個是一條粗壯的蛇、一把扇子、一堵牆……

盲人與大象的寓言。| 圖片來源：Jason Hunt / NaturalChild

在近期剛剛完成一項新研究的哈佛大學物理化學家Kang-Kuen Ni說，量子世界就好比是這個故事中的大象，科學家的每一次探索，其實都只是摸索到了這隻未知龐然大物的一小部分。但科學家清楚地知道，雖然我們離看清整個量子世界的全貌還有很遠的距離，但每一次的探索和進步都能觸發更多新的認知。就比如Ni和她的團隊最近發表的這項研究那樣，他們通過實驗，解開了在超冷分子實驗中普遍存在的“分子消失”之謎。

去年12月，她與團隊搭建了一個新的實驗設備。他們在最低的溫度下（500nK），迫使兩個超冷分子相遇併發生化學反應，成功地實現了史上最冷的分子化學鍵的破壞與形成（詳見《最冷的化學反應》）。

伴隨這一壯舉而來的意外驚喜是，超低的溫度大大地放慢了反應，使得研究人員可以首次實時地捕捉到化學反應發生的過程。儘管這些反應仍被認爲太過短暫因而難以被測量，但Ni不僅設法了測出了這一反應的持續時間，還找到了在這類反應過程中，常常出現的分子消失的原因。

物理化學家Kang-Kuen Ni在她的實驗室中。| 圖片來源：havard.edu

在這項超冷化學研究中，研究人員使用的是兩個鉀-銣分子。他們將分子冷卻到接近絕對零度的溫度，發現超低溫度會迫使分子短暫地處於一個“中間階段”。在這個“中間階段”，兩個分子既不是反應物，亦不是生成物，而是一種處於反應物向生成物轉變、介於二者之間的狀態。

這個過程在實驗中持續了大約360納秒——比它們在常溫下的反應時間長了約一百萬倍。Ni認爲，能夠親眼目睹這種變化的發生，就如同是寓言中得以觸碰大象的盲人一樣，爲他們瞭解分子是如何工作的提供了一些不一樣的新信息。

在這項研究中，他們並不滿足於僅僅是“觀看”這一過程，而是決定“動手摸索”。這段被放慢的中間階段，給了他們更多機會用激光對這些分子進行“擺弄”。這樣的操作在通常情況下並不容易實現，因爲那些典型的，比如在室溫下就可以反應的絡合物，會很快分解成生成物，使得可進行的實驗操作並不多。

在超低溫物理學中，科學家常用激光來捕獲和操縱原子，這是一種觀察原子的量子基態，或迫使它們發生反應的常用方法。像鉀、銣這類鹼金屬原子，很常被用於超冷領域的研究。1997年的諾貝爾物理學獎就頒發給了在用激光冷卻、捕獲鹼金屬原子工作中做出貢獻的科學家。

但與原子相比，分子更加難以操控，因爲它們不會乖乖地待着，而是會旋轉以及振動。因此，當科學家試圖用激光來捕獲氣體分子時，雖然分子如預期的那樣相互碰撞，但奇怪的事情卻發生了：有的分子從視野中消失了。

有科學家認爲，這種消失應該是由某些反應造成的，比如兩個分子碰撞在一起時，轉化成了新的東西。但這具體是如何做到的？Ni的新研究給出了答案，他們發現，導致分子消失的罪魁禍首是激光。

在這次的實驗中，Ni和她的團隊使用的是波長爲1064納米的紅外激光。他們發現，當在中間階段將激光開啓時，處於中間階段的絡合物會被光子激發，迫使分子偏離它們的傳統反應路徑，進入一種新的反應路徑。如果想要阻止這些分子消失，就必須將激光關閉。不過這樣一來，就意味着得使用其他方法來捕獲分子了。磁場和電場也可被用於捕獲分子，但這類方法對技術的要求很高，實現起來不如激光簡單。

接下來，研究人員打算繼續探尋這些消失的絡合物最終去到了哪裏。他們已經知道不同波長的光可以產生不同的反應路徑，比如在此次實驗中所使用的紅外線就可以激發鉀銣分子，但他們還不能確定哪種波長的光可以使分子形成新的結構。

此外，他們還計劃研究這種絡合物在不同轉變階段時的樣子。研究人員可以通過改變光的頻率，讓分子的被激發程度發生變化，從而探尋它們的結構。這個過程可以使研究人員弄清楚絡合物的能級，從而瞭解它的量子力學結構。

研究人員希望他們的發現可以成爲一個好的研究模型，爲使用其他分子的低溫反應研究提供靈感。他們期待能看到更多的不同研究能給出更多的觀測結果，儘可能地與其他科學家共同拼湊出化學反應這隻大象的全部面貌。