多亏了量子物理学每一个杯子里都有两种水

消息来源:baojiabao.com 作者: 发布时间：2024-05-20

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在你喝的每一杯水中，有两种水，科学家们已经证明了它们有明显不同的化学性质。所有的水分子都是由一个体积庞大的氧原子和两个更小的氢原子组成，它们像米老鼠耳朵一样以不同的角度凸起。但是这些氢原子可以根据它们的量子自旋以两种不同的方式排列。自旋是量子粒子的一种特性，有点像真正的球旋转，但涉及额外维度，只能有几个离散动量中的一个。在第一种水里，叫做“邻水”，两个氢原子都朝同一个方向旋转。在第二种水里，叫做“仲水”，氢原子在不同的方向旋转。

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自旋通常只在微小的量子尺度上影响粒子的行为，这长期以来阻止了科学家将它们分离出来进行实验。这个实验利用了水的“极性”性质。由于水的怪异，米老鼠不对称的形状，电子不均匀地流过它的表面。所以水分子的一边是带正电荷的，另一边是带负电荷的，即使这个分子有一个整体的中性电荷。研究人员将一束水分子发射到一个电场中，这个电场的作用是对极性的正水分子和极性的对位水分子施加稍微不同的推力，这样就会在光束的路径末端撞到不同的小桶里。然后，研究人员让每一桶都暴露在超冷的diazenylium分子中——每个分子由两个氮原子(一个正常的氮分子)和一个额外的质子(也称为没有电子的质子)组成。

Diazenylium与水反应，将多余的质子捐献给水分子，形成H3O+。研究人员发现，与邻水相比，对水反应比邻水反应快25%，这可能是因为自旋对不同分子之间的吸引力有不同的影响。瑞士巴塞尔大学的研究小组发表在《自然通讯》(Nature Communications)上的论文中写道：据我们所知，目前的研究是第一个旋转选择的多原子中性分子(如水)与离子发生反应。这个实验代表了理解抽象的物理概念如量子自旋如何影响我们周围的化学反应的一个重要步骤，包括我们的身体内部。

博科园-科学科普｜文：Rafi Letzter/Live Science

2018-06-06 01:32:00