“水的結構是什麼？”，這是《科學》雜志在創刊125周年特刊中提出的125個世紀難題之一。

一滴水，看似尋常，卻藏著學術界最頑固的謎題。今年7月，2025年度國家科學技術獎揭曉，北京大學物理學院王恩哥院士、江穎教授帶領的團隊憑借“水的氫鍵強度及動力學過程全量子效應研究”，榮獲國家自然科學獎一等獎。這份沉甸甸的榮譽背后，是科研工作者20多年甘坐“冷板凳”的堅守，也是一段理論與實驗相互成就的科研佳話。

故事的起點，源於一個對傳統理論的質疑。

1927年，物理學家玻恩和奧本海默基於原子核質量遠大於電子的事實，提出著名的“玻恩—奧本海默近似”，把原子核視為經典粒子，隻對電子進行量子化，從而大大降低了計算和模擬難度。此后近百年，這一范式已成為解決凝聚態物理問題的出發點。然而，王恩哥始終心存疑慮：原子核真的只是“配角”嗎？核量子效應真的可以忽略不計嗎？

王恩哥選擇以“水”作為突破口，正因水中三分之二的原子是質量最小的氫，最有可能顯現出顯著的核量子效應。“20多年前，許多人都會說‘水這麼普通的東西怎麼還會有問題存在？’”回憶起當年的選擇，王恩哥的回答篤定而朴素：“過去的研究都在傳統框架之下，我們想要把簡單的事情做對，就是不簡單。”

真理的驗証，終究要落腳於無數次實驗的打磨之中。2010年初，剛從海外完成博士后工作的江穎回到北大。時任北大物理學院院長的王恩哥找到他，談了整整一個下午。王恩哥向江穎拋出的並非當時學界趨之若鹜的熱門課題，而是一個看起來充滿未知甚至帶著幾分冒險色彩的設想：能否在實驗中真正測到水中原子核的量子效應？

江穎坦言，自己起初“將信將疑”。原子核質量是電子的1800多倍，其量子效應微弱到幾乎難以觀測。但重要的科學發現往往源於傳統框架之外的“不可能”，江穎決定接下這個挑戰，試一試。

這一試，就是十幾年。要“看見”水的原子結構絕非易事。氫原子質量極輕、尺寸微小，宛如一個極難捕捉的“隱形”幽靈，令傳統顯微鏡在它面前屢屢“失明”。江穎帶領團隊從零起步，在無數次調試、比對與推翻重來中，持續改進高分辨掃描探針顯微鏡，最終發展出原創的高階靜電力掃描探針技術，一舉攻克兩大實驗技術壁壘。

2014年，當水分子內部單個氫原子的圖像首次在顯微鏡下清晰呈現時，團隊實現了人類在表面直接“看見”最小原子的夢想。

不止步於“看見”。團隊首次測定單根氫鍵中核量子效應的貢獻，發現氫原子核協同隧穿新機制，制備出顛覆“冰規則”的二維冰，發現全量子效應調控的新物態……“過去，物理人的夢想是超越‘玻恩—奧本海默近似’，去研究發現新物理﹔如今，我們攻克了實驗和理論的一道道難關，使得這個一直處於徘徊狀態的領域有了明確突破方向，並引領世界上全量子凝聚態物理及相關學科快速發展。”王恩哥表示，通過調控全量子效應發現的新物態、新物性，將為信息和能源領域帶來顛覆性的量子材料及量子器件。

在這條幾乎沒人走過的路上，王恩哥與江穎的默契，是團隊最寶貴的財富。

王恩哥時常告誡團隊成員：“做科研切忌盲目跟風、追逐熱點，要敢於直面真正重大的科學難題。”正是這份定力，讓團隊在無數個“看不到希望”的日子裡，依然能沉下心來，一根氫鍵一根氫鍵地測，一個原子一個原子地看。

江穎則堅持以儀器研制驅動原始創新，通過實驗與理論計算的深度融合，解決懸而未決的爭論。從自主研發尖端科學儀器設備到實現國產商業化生產，他帶領團隊打破我國高端掃描探針顯微鏡依賴進口的被動局面。

獲獎從來不是終點。如今，這支團隊已再次踏上新征程，向著極端受限水、輕元素量子材料、全量子調控新物態等前沿課題進發。

支撐他們不斷向科學深水區挺進的，正是那份對基礎研究最純粹的敬畏與執著。“真正的基礎研究，往往始於一個最普通的問題，也需要最長久的耐心。”王恩哥相信，許多今天看似遙遠的探索，終將成為未來理解世界、改變世界的重要基石。（記者 郭靜原）