化学需要努力。无论是通过提高温度，增加相容原子在热碰撞中碰撞的几率，还是增加压力并将它们挤压在一起，构建分子通常需要一定的能量成本。

如果你有耐心，量子理论确实提供了一个解决方法。奥地利因斯布鲁克大学的一组研究人员，终于在世界上首次测量氘离子与氢分子合并的实验中看到了量子隧穿的作用。

隧穿是量子宇宙的一个怪癖，它使粒子似乎可以穿过通常难以克服的障碍。而在化学中，这个障碍是原子相互结合或与现有分子结合所需的能量。

然而，理论表明，在极其罕见的情况下，近距离的原子有可能通过隧道穿过这个能量屏障，并毫不费力地连接起来。

来自因斯布鲁克大学的实验物理学家罗伯特·怀尔德（Robert Wild）说：“由于粒子的量子力学波特性，量子力学允许粒子突破能量障碍，并发生反应。”

量子波是驱动电子、光子甚至整个原子组等物体行为的幽灵，在任何观测之前模糊了它们的存在，因此它们不是位于任何一个精确的位置，而是占据了一系列可能的位置。

这种模糊对于分子、猫和星系等较大的物体来说是微不足道的。但当我们放大单个亚原子粒子时，可能性的范围扩大了，迫使各种量子波的位置状态重叠。

当这种情况发生时，粒子有微小的机会出现在它们本不该出现的地方，通过隧穿进入原本需要大量力量才能进入的区域。

电子的其中一个区域可能在化学反应的结合区内，将相邻的原子和分子焊接在一起，而不会受到热或压力的冲击。

理解量子隧穿在分子的构建和重排中所起的作用，可能会对核反应中能量释放的计算产生重要影响，比如那些涉及恒星中的氢和地球上的聚变反应堆的计算。

虽然我们已经模拟了这种现象，例如带负电荷的氘（一种含有中子的氢的同位素）与二氢或H2之间的反应，但在实验上证明这些数字需要具有挑战性的精度。

为了做到这一点，怀尔德和他的同事们在引入由氢分子组成的气体之前，将负氘离子冷却到接近静止的温度。

没有热量，氘离子就不太可能有足够的能量迫使氢分子重新排列原子。然而，它也迫使粒子安静地坐在彼此附近，使它们有更多的时间通过隧穿结合。

物理学家罗伯特·怀尔德解释道：“在我们的实验中，我们在阱中给出大约15分钟的可能反应，然后确定形成的氢离子的数量。从它们的数量，我们可以推断出反应发生的频率。”

这个数字是每立方厘米每秒发生5 x 10的-20次方个反应，或者大约每1000亿次碰撞发生一次隧穿事件。所以不是很多。尽管该实验确实支持了之前的模型，确认了一个基准，可以用于其他地方的预测。

考虑到隧穿在各种核反应和化学反应中扮演着相当重要的角色，其中许多反应也可能发生在寒冷的太空深处，准确掌握起作用的因素会给我们的预测提供更坚实的基础。

这项研究发表在《自然》杂志上。

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