多虧了量子物理學，每一個杯子里都有兩種水

在你喝的每一杯水中，有兩種水，科學家們已經證明了它們有明顯不同的化學性質。所有的水分子都是由一個體積龐大的氧原子和兩個更小的氫原子組成，它們像米老鼠耳朵一樣以不同的角度凸起。但是這些氫原子可以根據它們的量子自旋以兩種不同的方式排列。自旋是量子粒子的一種特性，有點像真正的球旋轉，但涉及額外維度，只能有幾個離散動量中的一個。在第一種水裡，叫做「鄰水」，兩個氫原子都朝同一個方向旋轉。在第二種水裡，叫做「仲水」，氫原子在不同的方向旋轉。

圖片：Shutterstock

自旋通常只在微小的量子尺度上影響粒子的行為，這長期以來阻止了科學家將它們分離出來進行實驗。這個實驗利用了水的「極性」性質。由於水的怪異，米老鼠不對稱的形狀，電子不均勻地流過它的表面。所以水分子的一邊是帶正電荷的，另一邊是帶負電荷的，即使這個分子有一個整體的中性電荷。研究人員將一束水分子發射到一個電場中，這個電場的作用是對極性的正水分子和極性的對位水分子施加稍微不同的推力，這樣就會在光束的路徑末端撞到不同的小桶里。然後，研究人員讓每一桶都暴露在超冷的diazenylium分子中——每個分子由兩個氮原子(一個正常的氮分子)和一個額外的質子(也稱為沒有電子的質子)組成。

Diazenylium與水反應，將多餘的質子捐獻給水分子，形成H3O+。研究人員發現，與鄰水相比，對水反應比鄰水反應快25%，這可能是因為自旋對不同分子之間的吸引力有不同的影響。瑞士巴塞爾大學的研究小組發表在《自然通訊》(Nature Communications)上的論文中寫道：據我們所知，目前的研究是第一個旋轉選擇的多原子中性分子(如水)與離子發生反應。這個實驗代表了理解抽象的物理概念如量子自旋如何影響我們周圍的化學反應的一個重要步驟，包括我們的身體內部。

博科園-科學科普｜文：Rafi Letzter/Live Science

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