“水的结构是什么”，这是《科学》杂志在创刊125周年特刊中提出的125个世纪难题之一。
水，无处不在，看似寻常，却是科学家眼中最神秘的物质之一，还有许多未解之谜。
7月8日，2025年度国家科学技术奖揭晓，北京大学王恩哥院士团队凭借“水的氢键强度及动力学过程全量子效应研究”成果，获得国家自然科学奖一等奖。该成果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。鲜为人知的是，这份沉甸甸的荣誉背后，是团队历时25年甘坐“冷板凳”的坚守。
团队合影
追问水背后的量子规律
这项成果之所以引人注目，是因为它触及了一个物理科学中的根本问题。
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，在该范式下，通常把原子核当作经典粒子来处理，只对电子进行量子化，从而大大降低了计算和模拟难度。此后百年成为解决凝聚态物理问题的出发点。
“核量子效应真的可以忽略不计吗？”这一疑问长久萦绕在王恩哥心头。2002年，王恩哥和美国物理学家费贝尔曼有一场关于水在金属表面能否自发分解的科学争论。争论中，王恩哥愈发意识到，“玻恩—奥本海默近似”应该进行一些突破。
王恩哥在办公室
“全量子效应”在王恩哥的脑海中逐渐清晰。他选择“水”作为突破口，因为它由轻元素构成，其中质量最小的氢原子占了三分之二，最有可能显现出显著核量子效应。
围绕这一问题，王恩哥带着学生一头扎进了水的量子世界，用25年时间，在理论与实验两条路径上持续推进：建立了超越“玻恩—奥本海默近似”的物理研究框架，实现对电子与原子核自由度全量子描述；首次“看见”水分子的氢原子和识别单根氢键，定量揭示核量子效应对氢键的重要贡献，并进一步把研究从观测和解释推进到调控。
他们做的，正是把科学界长期被简化掉的那部分“找回来”：把原子核量子效应系统性纳入研究之中，从氢原子波粒二象性的角度，重新理解水、冰等轻元素物质背后的深层规律。
团队首次发现的质子“协同隧穿”新机制与二百多年来用于描述质子分步传输的“Grotthuss”机制。
打造尖端仪器看见“最小”原子
时间回溯到2014年，北大物理学院量子材料科学中心。高分辨扫描探针显微镜下，信号滋滋传来，水分子内部单个氢原子及水团簇中单根氢键的图像生成了！那一刻，团队实现了人类在表面上直接“看见”最小原子的梦想。
团队核心成员、北京大学物理学院教授江颖至今记得，2010年初，时任北大物理学院院长的王恩哥找他谈了整整一个下午。他们的话题是一个当时充满不确定性的方向：能否在实验上真正探测到水中原子核的量子效应？江颖听着有些将信将疑，但他还是决定试试。
江颖在操作高分辨扫描探针显微镜。
彼时，对于单个氢原子、单根氢键这样小的结构进行成像，还是一个未被攻克的难题。要跨过这一步，实验技术必须同时满足两个苛刻条件：既要对氢足够敏感，又不能在探测过程中对脆弱结构造成明显扰动。
这些年，团队持续改进高分辨扫描探针显微镜系统，发展出原创的高阶静电力扫描探针技术，突破了“氢敏感”和“非侵扰”两大实验技术难题。这套完全具有自主知识产权的尖端科学仪器设备，探测灵敏度比国际最好水平高1个数量级以上，打破了中国高端扫描探针显微镜近40年来长期依赖进口的被动局面，如今已实现国产商业化生产和市场推广。
把简单的事情做到极致
团队并不满足于“看到”，而是进一步走向“调控”。2022年，团队实现了对核量子效应的人工增强，创造出打破“冰规则”的二维冰结构，并在后续研究中观察到常压下绝缘态到金属态的转变。这意味着，全量子效应研究正从基础认知走向主动设计，为理解和调控物质形态打开新空间。
通过调控核量子效应得到的二维冰新物态。
随着证据不断积累，团队关于水体系全量子效应的一系列原创成果获得国际同行广泛认可。全量子效应近年来已成为凝聚态物理研究非常活跃的新领域之一，国际学术界评论称“核量子效应研究进入主流”。
“25年前，很多人会觉得水有什么好研究的，太简单了。”王恩哥笑着回忆。但他坚信，把简单的事情做对，就是不简单。一个真正重要的科学问题，值得用几年甚至几十年的时间去验证它、捍卫它。
江颖表示，王老师独到的学术视野与科学品位，始终为团队领航定向。“他时常告诫团队成员，做科研切忌盲目跟风、追逐热点，要敢于直面真正重大的科学难题，培养甘坐冷板凳的定力与毅力，从而实现从0到1的原创性突破。”在他的引领下，团队也养成了追求极致的科研作风。
如今，全量子效应研究的意义早已不止于“水”本身。“过去一百年，物理学家通过研究电子的量子态，彻底改变了我们的生活；未来一百年，我相信从全量子视角研究原子核量子态会带来更大的惊喜，特别是化学、生命科学、能源环境科学等。”王恩哥说。
获奖从来不是终点，而是新的起点。面对极端受限水、轻元素量子材料、全量子调控新物态等前沿课题，这支团队再次踏上新征程。
本文来源｜《中国教育报》2026年7月11日01版，原标题《北京大学王恩哥院士团队 25年，看“清”一滴水》
本文作者｜中国教育报记者 焦以璇
图片来源 | 北京大学微信公众号
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