北京
“它们的特性与我们通常的理解完全不同。你没法再叫它sigma键和pi键了。”布朗大学的王来生在接受采访时，语气里带着一丝发现新大陆的困惑。
他和团队刚刚做成了一件事：用实验证明，爱因斯坦的狭义相对论能在分子内部重塑化学键。几十年来，教科书告诉我们，化学键的类型——比如sigma键是“头对头”重叠，pi键是“肩并肩”重叠——取决于电子云在空间中如何分布。但在某些重原子构成的分子里，这套规则被打破了。罪魁祸首？恰恰是电子本身极高的运动速度。
狭义相对论告诉我们，当物体运动速度接近光速时，时间会膨胀，空间会收缩。这种效应通常只在粒子加速器或星际航行中才有意义。但物理学家早就知道，在重原子核附近，电子感受到的电磁相互作用极强，足以让它们被加速到相对论速度。理论存在，可从来没人用实验直接看到这种速度对化学键造成了什么后果。
王来生的团队选择了一个由铋原子和碳原子构成的带电分子作为观察对象。按照传统理论，这两个原子之间由三个化学键连接：一个sigma键，两个pi键。为了看清这些键的电子云形状，研究人员将分子冷却到极低温度，以此抑制原子自身的热抖动，避免最终成像模糊。随后，他们绘制出电子在整个分子中的分布图，相当于给化学键拍了一张“证件照”。
照片里的景象却让团队始料未及。他们并没有看到教科书式的一个sigma形状叠加两个pi形状。相反，其中两个键的电子云呈现出sigma和pi混合后的轮廓。华盛顿州立大学的柯克·彼得森通过计算最终确认，这种混合正是铋原子核附近电子以相对论速度运动导致的直接后果。彼得森感叹，研究重元素最困难的地方在于极度缺乏高质量的实验数据，“能有这样一个漂亮的实验，让我们把最高水准的理论计算结果拿去直接比对，实在是一种奢侈”。
赫尔辛基大学的佩卡·皮克对此评价为“方法论上无出其右，无论实验端还是理论端都做到了可能范围内的极致”。皮克还提到，铋与碳之间化学键在相对论效应下发生重塑，这一发现可能影响有机铋化合物在化学反应中的应用方式。实际上，德国马克斯·普朗克煤炭研究所近期的另一项研究已经触及了相关方向。
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