化學需要努力。無論是通過提高溫度，增加相容原子在熱碰撞中碰撞的機率，還是增加壓力並將它們擠壓在一起，構建分子通常需要一定的能量成本。
如果你有耐心，量子理論確實提供了一個解決方法。奧地利因斯布魯克大學的一組研究人員，終於在世界上首次測量氘離子與氫分子合併的實驗中看到了量子隧穿的作用。
隧穿是量子宇宙的一個怪癖，它使粒子似乎可以穿過通常難以克服的障礙。而在化學中，這個障礙是原子相互結合或與現有分子結合所需的能量。
然而，理論表明，在極其罕見的情況下，近距離的原子有可能通過隧道穿過這個能量屏障，並毫不費力地連接起來。
來自因斯布魯克大學的實驗物理學家羅伯特·懷爾德（Robert Wild）說：「由於粒子的量子力學波特性，量子力學允許粒子突破能量障礙，並發生反應。」
量子波是驅動電子、光子甚至整個原子組等物體行為的幽靈，在任何觀測之前模糊了它們的存在，因此它們不是位於任何一個精確的位置，而是占據了一系列可能的位置。
這種模糊對於分子、貓和星系等較大的物體來說是微不足道的。但當我們放大單個亞原子粒子時，可能性的範圍擴大了，迫使各種量子波的位置狀態重疊。
當這種情況發生時，粒子有微小的機會出現在它們本不該出現的地方，通過隧穿進入原本需要大量力量才能進入的區域。
電子的其中一個區域可能在化學反應的結合區內，將相鄰的原子和分子焊接在一起，而不會受到熱或壓力的衝擊。
理解量子隧穿在分子的構建和重排中所起的作用，可能會對核反應中能量釋放的計算產生重要影響，比如那些涉及恆星中的氫和地球上的聚變反應堆的計算。
雖然我們已經模擬了這種現象，例如帶負電荷的氘（一種含有中子的氫的同位素）與二氫或H2之間的反應，但在實驗上證明這些數字需要具有挑戰性的精度。
為了做到這一點，懷爾德和他的同事們在引入由氫分子組成的氣體之前，將負氘離子冷卻到接近靜止的溫度。
沒有熱量，氘離子就不太可能有足夠的能量迫使氫分子重新排列原子。然而，它也迫使粒子安靜地坐在彼此附近，使它們有更多的時間通過隧穿結合。
物理學家羅伯特·懷爾德解釋道：「在我們的實驗中，我們在阱中給出大約15分鐘的可能反應，然後確定形成的氫離子的數量。從它們的數量，我們可以推斷出反應發生的頻率。」
這個數字是每立方厘米每秒發生5 x 10的-20次方個反應，或者大約每1000億次碰撞發生一次隧穿事件。所以不是很多。儘管該實驗確實支持了之前的模型，確認了一個基準，可以用於其他地方的預測。
考慮到隧穿在各種核反應和化學反應中扮演著相當重要的角色，其中許多反應也可能發生在寒冷的太空深處，準確掌握起作用的因素會給我們的預測提供更堅實的基礎。
這項研究發表在《自然》雜誌上。
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