在不少人看來，量子相關的研究和理論都比較“反常”，其實在化學反應動力學研究中，也經常發現“反常”的現象，因為化學反應的過程，也受量子力學原理支配。随着微觀粒子的各種量子現象研究的不斷開展，量子力學的大廈被逐漸搭建，而與之相關的化學反應動力學過程中的量子力學現象的研究，也越來越具體，化學反應過程中小概率的“反常”現象，也不斷的被揭示出來。

近日，中科院大連化物所肖春雷研究員、孫志剛研究員、張東輝院士和楊學明院士團隊在“最簡單”的化學反應氫原子加氫分子的同位素（H HD→H2 D）反應中，發現了“不簡單”的化學反應中新的量子幹涉效應，有助于更深入地理解化學反應過程，豐富對化學反應的認識。相關文章于5月15日在線發表在《科學》（Science）雜志上。

物理學中，幹涉是兩列或兩列以上的波在空間中重疊時發生疊加從而形成新的波形的現象。例如當一束光透過兩個并排的狹縫後，在後面的擋闆上會出現明暗相間的現象：最亮的地方光強超過了原來兩束光的光強之和，而最暗的地方光強有可能為零，這種光強的重新分布被稱作“幹涉條紋”。光子、電子、原子、分子等粒子，在其運動過程中，遵循量子力學原理，具有波粒二象性。因此，經過不同運動途徑達到同一區域或量子态的粒子，會像光的傳播一樣發生幹涉效應。

光波的雙縫幹涉

化學反應的發生，本質上就是粒子的碰撞，并伴随化學鍵的斷裂和生成。在不同的碰撞參數下，都可以發生化學反應，如同打台球一樣，不同的切角、球速都能讓球進洞。因此量子幹涉就會出現在通過不同碰撞參數而産生的化學産物之間。在化學反應中，量子幹涉現象是普遍存在的。但是，想要準确理解這些幹涉産生的根源非常困難，因為這些幹涉的圖樣複雜，而且在實驗上也難以精确分辨這些幹涉圖樣的特征。

解決複雜問題經常從簡單模型入手。在所有化學反應中，氫原子加氫分子（H H2）及其同位素（H HD）的反應是最簡單的。該體系隻涉及三個電子，因此比較容易精确計算出這三個原子在不同構型時的相互作用力。在此基礎上，通過求解薛定谔方程，就能夠實現分子反應動力學過程的計算機模拟，從而做到在微觀層次上深入理解化學反應過程。

幾十年前，科學家們就對這個結構簡單的反應展開了研究，例如，2013年諾貝爾獎得主Martin Karplus在1974年就曾采用經典力學的方法對這個反應進行研究。科學家們基于對這個簡單的化學反應的動力學研究，積累了豐富的理論化學知識。但由于化學反應進程的複雜性，人們仍在不斷的深入相關的研究，以便加深對于化學反應過程的認識。

H HD→H2 D反應發生時所經曆的兩條拓撲途徑示意圖。

大連化物所在先期理論研究工作中發現，在特定散射角度上，H HD反應生成的産物H2（氫氣分子）的多少會随碰撞能而呈現特别有規律的振蕩。類似有規律的随碰撞能變化而振蕩的現象，其實在不少反應的理論計算結果中出現過，但是那些振蕩都沒有像H H2反應這麼有規律。而且，迄今為止，對于這樣的現象，科學家們并沒有一個清晰的解釋。

針對這個有規律的振蕩現象，大連化物所開展了理論結合實驗的詳細研究。理論上，進一步發展了量子反應散射理論，創造性地發展了利用拓撲學原理來分析化學反應發生途徑的方法。實驗上，通過改進了的交叉分子束裝置，實現了在較高碰撞能處對後向散射（散射角度為180度）信号的精确測量。

拓撲學分析表明，這些後向散射的振蕩實際上是由兩條反應途徑的幹涉造成的。這兩條反應途徑對于後向散射均有顯著貢獻，但它們各自的幅度随着碰撞能變化并無顯著變化，呈現出一條比較光滑的曲線（如下圖所示）。而它們的相位随着碰撞能變化，一個呈線性增加，另外一個呈線性減小，因此，相互幹涉的結果就呈現了強烈的有規律的振蕩現象。

研究人員進一步采用經典軌線理論進行分析，結果表明，其中一條反應途徑對應于我們所熟知的直接反應過程，H碰撞後直接“拐”走了HD中的H原子；而另外一條反應途徑對應于一條類似于漫遊機理的反應過程，H碰撞後，在HD中間“漫遊”了一會兒才把HD中的H原子“拐”走。這兩條不同類型的反應途徑所産生的氫分子，在特定的散射角度會彙合并産生幹涉，因此反應産物氫分子就産生了有規律的振蕩。尤其有趣的是，通過漫遊機理而發生的反應，在所研究的碰撞能範圍，隻占全部反應性的0.3%左右。而如此微弱的小部分反應性，卻能夠清晰地被理論和實驗所揭示出來。

笛卡爾坐标系下，通過漫遊機理而發生的H HD→H2 D反應的示意圖。

該項研究一方面再次揭示了原子分子因碰撞而發生化學反應的過程的量子性，另一方面，也揭示了化學反應的途徑是複雜的，盡管如此簡單的體系也仍然存在科學家們認識不到的事實。

生活中，有很多大事件都是由某些小概率事情觸發的，所以會給人“反常”的感覺。也許，科學家們在這個最“簡單”的化學反應中所發現的“不簡單”的“反常”小概率反應機理，就會産生意想不到的結果。

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