吉林
水是地球上最普通的物质，也是科学史上最难被彻底看懂的物质之一。
2025年度国家自然科学奖一等奖颁给了北京大学王恩哥院士团队，获奖成果正是"水的氢键强度及动力学过程全量子效应研究"。这项历时二十余年的工作，第一次真正"数清楚"了水分子之间那条若有若无的化学键，攻克了《Science》和《Nature》先后点名的两大世界公认难题。
一根"虚线"，困住物理学界近百年
理解这项突破，得先搞清楚"氢键"是什么。两个水分子靠在一起时，一个分子里的氢原子会被另一个分子里的氧原子"拉"住，形成一种比化学键弱得多、却比普通分子间作用力强得多的特殊连接，化学式里通常用一条虚线来表示它。
正是这条"虚线"，决定了水能在常温下保持液态，决定了冰的晶体结构，也决定了蛋白质怎么折叠、酶怎么催化。问题在于，它一直没有被真正测量清楚。
过去近百年，凝聚态物理研究几乎都建立在"玻恩-奥本海默近似"的基础上。这个1927年提出的理论框架认为，原子核比电子重得多，可以被当作"静止的背景"来处理，研究量子效应时只需盯着电子就够了。这个近似非常好用，也让无数计算大大简化，是整个领域默认的"游戏规则"。
但王恩哥团队一直在追问：原子核，真的只是配角吗？
氢是自然界最轻的原子，正因为轻，它的量子波动性最强，最不该被当作"静止粒子"来对待。水分子里恰好富含氢。如果能把氢原子真正"看清楚"，把原子核的量子行为也算进去，也许整幅图景会截然不同。
25年，做一件"没人做过"的事
说起来简单，做起来却要在两个方向同时打硬仗。
理论上，团队要建立一套能同时描述电子和原子核量子行为的全新计算框架，超越沿用了将近百年的传统范式。实验上，他们要发展出一种前所未有的超高分辨成像技术，分辨率精确到单个氢原子、单根氢键的尺度。
两道关卡，缺一不可，偏偏都是无人区。
经过团队长达二十余年的攻关，两件事都做到了。他们首次实现了对单根氢键强度的精确定量测量，发现核量子效应对氢键强度的贡献可以达到14%。这个数字乍看不大，但要知道，这已经超过了常温下热效应对氢键的全部影响。换句话说，如果你的计算模型里没有考虑原子核的量子性质，对水的描述从根本上就是不准确的。
更重要的是，他们还发现了一条普适规律：全量子效应对氢键的作用，并非简单地统一"加强"或"削弱"，而是遵循一个精妙的对称性逻辑，强氢键会被进一步强化，弱氢键则会被进一步弱化。这条规律的发现，让科学界第一次有了一把可以定量分析轻元素体系的通用钥匙。
从实验室到真实世界
基础研究的突破，往往要等上很多年才会在日常生活里显出踪迹。但这项工作的应用方向，已经相当清晰。
最直接的一个领域是氢能。电解水制氢是当前最主要的绿色制氢路线，效率的瓶颈之一就在于电极表面水分子的分解行为。北京大学物理学院教授江颖指出，在某些电极表面，如果计算模型中不考虑核量子效应，水分子在理论上根本不会分解；只有把核量子效应纳入考量，才能得到与实验相符的结果。这意味着，未来更高效的电解水催化剂的设计，很可能就要从这套新的理论框架出发。
生命科学同样是一个重要方向。人体内几乎所有关键的生化过程，包括酶的催化反应、蛋白质的空间折叠、细胞膜上水通道蛋白的输运，都离不开水分子之间氢键网络的精确调控。过去这些过程的模拟存在系统性偏差，根源很可能就在于核量子效应被忽视。这项研究提供的新范式，有望推动相关药物设计和疾病机理研究走向更高的精度。
更宏观地看，这套全量子效应的研究方法，并不局限于水和冰。锂、碳等所有含轻元素的凝聚态体系，都可能因此受益，量子材料的研究和新型电池材料的开发，也都在这把新钥匙能打开的门里。
王恩哥在谈到这段漫长的科研历程时，说了一句话："把简单的事情做对，就是不简单。"
这句话，值得细细回味。水，人人每天都在喝，谁都觉得再熟悉不过。但正是这杯"最普通的水"，在二十五年的追问之后，给了世界一个颠覆性的答案。
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