2025年度国家自然科学奖一等奖

水的氢键强度及动力学过程全量子效应研究：在一滴水中探寻物理之美

　　光明日报记者 张胜

　　水作为典型的复杂系统，其氢原子核的量子属性是否可以被忽略？这是科学界长期争论的一个基本问题。由此，北京大学物理学院王恩哥院士团队历经25年努力，建立了超越玻恩-奥本海默近似的物理研究框架，实现电子与原子核自由度全量子描述；提出高阶静电力成像新原理，原创可识别氢原子的扫描探针技术，实现尖端设备自主研发跨越式发展。这一成果——“水的氢键强度及动力学过程全量子效应研究”荣获2025年度国家自然科学奖一等奖。

　　“科学研究总是一步一步走过来的。”王恩哥告诉记者，1927年，玻恩和奥本海默基于薛定谔方程提出电子态绝热近似，此后百年成为解决凝聚态物理问题的出发点。然而，随着理论模拟更加接近真实体系、实验观测愈加精准，这一范式的局限也日益显现：核量子效应被弱化，非绝热效应被完全忽略，许多物理现象无法得到准确描述。

　　“既然微观世界的粒子有波粒二象性，传统近似理论只注重原子核粒子性的一面，没有考虑波动性的另一面，它真的就不重要吗？”王恩哥直言，这个问题一直牵动他和团队不断研究下去。

　　“有人问我看了多少种原子，我笑笑说，只在认认真真地研究一种原子——氢原子。”王恩哥解释道，对于大多数材料体系而言，过去一般是在玻恩-奥本海默近似框架下，只考虑电子的量子化，原子核则被当作经典粒子来处理。然而，水中三分之二的原子是氢原子，由于氢原子核的质量很小，其量子效应会异常显著，会直接影响水的氢键强度、微观结构甚至是宏观性质。

　　“过去，在凝聚态物理对原子量子属性的研究中，每当碰到一个具体问题需要解答，就提出一个新名词，还没有上升到一个完整的理论层面。面对传统近似的局限，我们团队系统构建了‘全量子效应’理论框架。”王恩哥说。

　　团队核心成员、北京大学物理学院教授江颖说，他们的研究和发现揭示了水这一复杂系统的全量子特性，攻克了水与冰结构的世界公认难题。

　　在王恩哥看来，物理学研究有一个很大的特点，就是它能把复杂的事情简单化，并且抓住其中最本质的问题——这就是物理学的魅力所在。

　　“希望年轻人抓住物理学的本质问题，在科学的世界里涵泳沉潜，不断取得突破。”王恩哥说。

　　《光明日报》（2026年07月09日 08版）