化学中的隧道反应是很难预测的。从量子力学角度精确描述三个以上粒子的化学反应已经是非常困难，四个以上的粒子则几乎不可能。理论家们用经典物理学来模拟这些反应，必须忽略量子效应。但是，这种对化学反应的经典描述的极限在哪里，它只能提供近似值？

量子力学允许粒子由于其量子力学波的特性而突破能量屏障（墙），发生反应。资料来源：因斯布鲁克大学/哈拉尔-里奇

来自因斯布鲁克大学离子物理和应用物理系的Roland Wester长期以来一直想探索这一前沿领域。这位实验物理学家说："这需要一个可以进行非常精确测量的实验，并且仍然可以用量子力学来描述。"韦斯特回忆说："这个想法是15年前我在美国的一次会议上与一位同事的谈话中产生的。他想在一个非常简单的反应中追踪量子力学隧道效应。"

由于隧道效应使反应的可能性非常小，因此速度很慢，其实验观察是非常困难的。然而，经过几次尝试，韦斯特的团队现在首次成功地做到了这一点，他们在本期的《自然》杂志上报告了这一点。

经过15年的研究取得的突破

罗兰-韦斯特的团队选择了宇宙中最简单的元素--氢来进行实验。他们将氘--一种氢的同位素引入一个离子阱后将其冷却，然后用氢气填充该阱。由于温度非常低，带负电荷的氘离子缺乏以常规方式与氢分子反应的能量。然而，在非常罕见的情况下，当两者碰撞时发生了反应。

这是由隧道效应引起的："量子力学允许粒子因其量子机械波特性而突破能量障碍，并发生反应，"该研究的第一作者Robert Wild解释说。"在我们的实验中，我们给陷阱中可能发生的反应大约15分钟，然后确定形成的氢离子的数量。从它们的数量，我们可以推断出一个反应发生的频率。"

2018年，理论物理学家曾计算出，在这个系统中，每千亿次碰撞中只出现一次量子隧道。这与现在在因斯布鲁克测得的结果非常吻合，经过15年的研究，首次证实了化学反应中隧道效应的精确理论模型。

为更好地理解奠定基础

研究人员认为还有其他可能利用隧道效应的化学反应，现在第一次有了一个在科学理论中也被充分理解的测量，在此基础上，研究可以为化学反应开发更简单的理论模型，并在现在已经成功证明的反应上进行测试。

例如，隧道效应被用于扫描隧道显微镜和闪光存储器中。隧道效应也被用来解释原子核的α衰变。通过包括隧道效应，一些星际暗云中的分子的天体化学合成也可以得到解释。因此，韦斯特团队的实验为更好地理解许多化学反应奠定了基础。