物理学家首次观察到一种使水变得怪异的量子特性

你知道吗？在你的茶杯里有一场我们几乎无法理解的风暴。水分子以独特的方式疯狂地翻转，相互接触，抓握和放手，这真的很难研究。

虽然，物理学家知道氢键现象在水的许多奇怪而奇妙的结构中起着关键作用，但其具体运作方式的某些细节仍然相当模糊。

一个国际研究小组采用了一种新方法来成像构成液态水的粒子的位置，以飞秒的精度捕捉到它们的模糊形象，以揭示氢和氧在水分子中是如何相互竞争的。

当然，他们的研究结果可能不会帮助我们泡出更好的茶，但他们在充实氢键的量子模型方面发挥了很大作用，同时，也潜在的、进一步的解释了为什么水（我们所知的水对生命至关重要）具有如此有趣的特性的理论。

美国能源部 SLAC 国家加速器实验室的物理学家表示：“这确实为研究水，打开了一扇新窗口。现在我们终于可以看到氢键的运动，我们希望将这些运动与更广泛的图景联系起来，这可以阐明水如何导致地球上生命的起源和生存，并为可再生能源方法的发展提供信息。”

孤立地看，单个水分子是两个氢原子和单个氧之间对电子的三向争夺战。

由于氧气的质子比它的两个小伙伴多得多，所以它得到的电子“爱心”略多一点。这使得每个氢的无电子时间比平常多一点。微小的原子并不完全是带正电荷的，但它确实形成了一个V形分子，它的顶端有轻微的正电荷，核心有轻微的负电荷。

将许多这样的分子以足够的能量扔在一起，电荷的微小变化会相应地自行排列，相同的电荷分开，不同的电荷聚集在一起。

虽然这听起来很简单，但这一过程背后的“引擎”却一点也不简单。电子在各种量子定律的影响下四处移动，这意味着我们看得越仔细，对某些性质就越不确定。

以前，物理学家依靠超快光谱学来了解电子在水中混沌的拉锯战中的运动方式，捕捉光子并分析它们的特征来绘制电子位置。

不幸的是，这漏掉了一个至关重要的部分 —— 原子本身。它们远不是被动的旁观者，它们也会随着围绕它们移动的量子力而弯曲和摆动。实际上，氢原子的低质量增强了它们的量子波状行为。

为了深入了解原子的排列，研究小组使用了一种叫做“MeV-UED”的超高速电子衍射仪。SLAC国家加速器实验室的这个装置在水中喷洒电子，当原子从分子中反弹时，电子就会携带着有关原子排列的关键信息。

上图：动画显示了水分子被激光击中后的反应。当激发态的水分子开始振动时，它的氢原子（白色）将邻近水分子中的氧原子（红色）拉得更近，然后再将它们推开，扩大了分子之间的空间。

有了足够的快照，就有可能绘制出氢分子在其周围弯曲和弯曲时抖动的高分辨率图像，揭示出它们是如何将氧从相邻分子中拖过来，然后再次猛烈地将它们推回。

综上所述，这项研究首次直接证明了，氢键网络对能量脉冲的响应主要取决于氢原子间距的量子力学性质，长期以来，人们一直认为这是水及其氢键网络的独特属性的原因。

现在这个工具已经被证明在原理上是可行的，研究人员可以用它来研究当压力上升和温度下降时水分子的湍流华尔兹，来观察它是如何对构成生命的有机溶质做出反应的，或者在奇异的条件下形成令人惊叹的新相。

谁会想到，茶杯里的这场风暴看上去竟是如此的优雅。