2022未来科学大奖，南方科技大学、中国科学院大连化学物理研究所杨学明教授获物质科学奖。“奖励他研发新一代高分辨率和高灵敏度量子态分辨的交叉分子束科学仪器，揭示了化学反应中的量子共振现象和几何相位效应。”颁奖词这样写道。
杨学明获奖成果的研究价值何在？化学反应在量子态水平的研究难点在哪里？化学研究与普通人生活有什么关联？化学动力学到底是研究什么、它目前有哪些里程碑、目前已经发展到什么样的程度？以下为腾讯新闻《一起来唠科》特约主持人戴树玺与嘉宾张东辉、王兴安、肖春雷的解读实录。
专家信息：
- 戴树玺（爱较真的戴老师） 腾讯新闻知识官、中科院理学博士、河南大学物理学教授
- 张东辉 中国科学院院士、中科院大连化物所分子反应动力学国家重点实验室主任
- 王兴安 中国科学技术大学教授、博士生导师
- 肖春雷 中国科学院大连化物所研究员、博士生导师
一、浅谈大奖的印象：科学家眼中的未来科学大奖
戴老师：请几位老师简单谈一下，您对未来科学大奖的印象，以及对未来科学大奖物质科学奖的意义怎么看？
张东辉：在以往获奖者中，有我们比较熟悉的，像薛其坤院士、施一公院士以及潘建伟院士等中国最著名的科学家，他们代表了国内科研界个人的最高水平；他们的学术造诣也是我们改革开放几十年来科研领域最高成就的体现之一。我们希望，后面就该年轻的科学家们接力起来，由更年轻的研究人员，为科学、为人类的科学进步，为国家的富强做更大贡献，尽更大力量。
王兴安：未来科学大奖的影响越来越大，它既是对我们的顶尖科学家出色工作的一种充分肯定，同时，也是对青年科学家或者对科研感兴趣的同学们的一种鼓励和感召。
肖春雷：中国正走在从大国变成强国的道路上。所谓的强国，不可或缺的一点就是在科学上对人类有了很重要的贡献和引领。诺贝尔奖激发了全世界对科学的关注，在中国，未来科学大奖给予了科技工作者很高的认可，同时也已经成功地激发了青少年对科学的兴趣。所以我非常希望，也非常相信，未来科学大奖的影响力将会不断扩大，推动全世界进一步关注和认可我国在科学方面的贡献。
二、获奖成果解读：高灵敏仪器精准捕捉微观世界
戴老师：我们首先请这几位对该领域非常有渊源，对工作内容非常熟悉的嘉宾简要介绍一下本次获奖成果的意义。
张东辉：杨老师通过高分辨的交叉分子束实验仪器的发展，首次在量子态水平，将化学反应丰富多彩的量子现象呈现在我们面前，继而深刻揭示了化学反应的本质。
王兴安：这次杨学明院士获得了该奖项，以表彰他通过自主研发的高分辨高灵敏的仪器，能够把微观世界里精彩的量子现象，非常精准地捕捉出来，进而去理解它背后的一些物理和化学的内涵。
（图源：未来科学论坛）
肖春雷：遥远的星星很美丽很神秘，它们的运动是遵守经典力学的。我们身边时时刻刻都在发生化学反应，它的实质是原子和分子的运动，除了经典力学之外，也要依靠量子力学来进行描述。杨学明老师就是发展科学仪器，从实验上观测化学反应中原子和分子的运动；理解其中的规律和机理，为人类进一步理解预测和控制化学反应打下基础。
戴老师：那么这些成果，和普通人有什么关系呢？
张东辉：我们知道化学是有关化学反应和物质转化的一种科学。我们生活中的绝大多数物质，都是化学合成的。但社会上，好像对化学的印象不太好，实际上这是一个误解。我们要进一步宣传，化学是非常重要的一门科学，与我们人类息息相关。化学反应，就是原子分子的排列重组，也就是说，是我们看不见的一些过程。对大众来说，可能不关心怎么发生，只要看到最后的产物就可以了。但作为科学家，我们希望知道它为什么是这样的，这个反应到底是怎么进行的，里面的原子分子重组是怎么来的？
对化学动力学来说，就是研究原子分子水平上，化学反应到底如何进行。而最终的目标，是希望不管以什么方式反应，我们都可以完完全全控制。这对人类来说也是一个非常宏伟而困难的目标。杨老师主攻的化学反应动力学，其中主要可以分为理论和实验两大类。我是做理论，就是从薛定谔方程开始。原则上讲，薛定谔方程是严格的，但对化学反应我们只能在一定的近似条件下求解，我们也不知道我们所采用的近似对描述某个化学反应是否足够精确，因此不知道真实的反应到底是怎么样的。而杨老师是化学反应动力学的实验方向，实验的特征是，结果永远是对的，没有近似、出来怎么样就是怎么样。但是由于化学反应截面非常小，信号非常弱，实验探测是非常具有挑战性的一个课题。
张东辉：杨老师的主要贡献就是通过仪器的发展，提高灵敏度，提高分辨率，观察到了许多过去看不到的结构现象，给理论研究提供了基准性的结果，让理论去解释挖掘背后的机理。
戴老师：张院士和杨老师之间的工作就是理论和实践的一个相辅相成。理论可以指导实验，实验又反过来给理论提供数据，理论进一步去计算。最终理论和实践相结合起来，整个学科开始发展。
王兴安：首先从学术角度来讲，两个关键词，量子共振现象和几何相位效应，它们都是长期以来备受关注、但在实验仪器取得突破之前，悬而未决的问题。杨学明老师进行了大量的工作，通过一系列分辨率的提升给出了确定性的结论。同时也得到了国际学术界的广泛肯定和关注。作为一位非常出色科学家的同时，杨老师也是一位非常优秀的工程师。他很多的作品，比如说设计图纸，不只是内容，细节也非常丰富，处理得非常到位。
杨学明院士（图源：澎湃新闻）
戴老师：刚才两位老师的介绍过程中，不断出现了一个词叫做化学动力学，化学动力学也可以被称之为反应动力学，就是去研究化学反应速度、反应速率是如何进行的。我们知道有时候化学反应很快，砰一下就发生了，有些就很慢，比如铁的生锈，就需要很长时间。这其中有很多影响因素，比如反应物的浓度、温度，包括催化剂应用等等。我们下面就请肖老师给大家详细介绍一下，化学动力学到底是研究什么、它目前有哪些里程碑、目前已经发展到什么样的程度？
肖春雷：化学反应动力学实际上是研究化学反应是怎么发生，存在哪些相互作用，哪些因素对化学反应的过程存在关键性的影响。总的来讲，化学动力学的发展是一个从宏观到微观、从定性理解到精确定量的描述这样一个过程，所以历史上有很多重要的这种里程碑，我这里就举几个和化学动力学直接相关的诺贝尔奖。阿伦尼乌斯获得了1903年的诺贝尔化学奖，告诉大家化学反应有一个势垒，化学反应的快慢就是刚才戴老师提到的，是由势垒的高度决定的。1986年，诺贝尔化学奖颁发给微观观测化学反应领域；1998年，诺贝尔化学奖发给了泽维尔，以表彰他实现在所谓的飞秒尺度上给化学反应拍照，来研究反应过程。研究化学反应的难点主要是在哪里呢？原子分子太小了。而且因为它很小，所以化学反应过程中存在很多的量子效应。除此之外，原子分子会动来动去，它运动速度比飞机还快，因此也很难观测。这就要求我们不断的去发展新的方法，新的仪器以及新的理论，这样才能精确地描述和研究化学反应。
所以我觉得化学反应动力学的最终目标，就是通过实验和理论的相互合作，发展精确描述化学反应的方法，然后来进行预测和控制化学反应，从而造福人类。我觉得到了那一天，化学就不再是大家的印象里面的试管、烧杯和瓶瓶罐罐。我们只要在电脑键盘上输入特定的方程式，就可以知道化学反应的特性。所以到那个时候，药物的研发也非常简单，只要把分子和蛋白的结构输入电脑，我们就可以知道，它们是如何相互作用、到底这个药物分子能不能治病。
戴老师：化学动力学不光要去研究这些分子是怎么运动、如何去观察，我们还要去控制它的反应。在杨老师的工作介绍中，很重要的一部分发现就是杨老师开发了很多高端的科研仪器。为什么杨老师会致力于高端科研仪器的研制？这种高端科研仪器的研制对科学研究到底有哪些重要的意义呢？
张东辉：科学家一直想把微观世界看得越来越清楚。大家可能现在经常听到纳米技术，原子分子的尺度比纳米还要小10倍左右。在现有技术手段下，保持静态和非常低温度的条件中，研究人员可以用STM也就是扫描隧道显微镜，看到物体表面原子分子的形貌，。但化学反应比这更难多了，因为它完全是在自由运动的状态中，互相碰撞，碰撞以后里面的化学键发生变化，最后产生新的产物。所以说我们要研究产物，就要看到它的量子态是什么样子的、它的分布是什么样子的，所以观测的难度非常高，需要非常好的实验仪器。
扫描隧道显微镜可以看到一团东西，但如果要把里面分子的量子现象挖掘出来的话，这一团是不够的，所以一定要把分辨率慢慢提高。杨老师的工作就是把这个仪器的分辨率提高到了我们前所未有的水平，所以很多化学反应的细节就可以捕捉到。不然没有这些细节的话，量子现象很可能就看不出来。
所以说，实验仪器的发展对于反应动力学来说是至关重要的。
戴老师：这就像以前我们拍照的时候，刚开始手机摄像头的像素都非常低，拍出来模模糊糊，现在手机轻松达到几千万的像素， 非常清楚，而且现在大家都开始拍视频，相当于在实验中捕捉动态信息。
所以可以想象，随着仪器的提高，科研水平是不断增长的。所以我们就请实验背景的王老师详细讲解一下，如今我们国家在高端的科学仪器方面的研制有哪些？您在杨老师的带领下，针对反应动力学设计了哪些比较高端的科学研究仪器？
王兴安：首先，工欲善其事，必先利其器。必须有趁手的工具，我们才能够把一件事情做好。对我而言，从开始接触科研到目前在科大工作，整个的时间跨度大概有十多年。在其中，我非常清楚地感觉到我们国家在科学相关领域的长足进展。除了一些商业化的仪器之外，我们具体的每个研究方向里，都有独特的、自己研发的仪器。那么这类研究仪器，它的研发往往需要更长的时间。对这个奖项来说，我们关注的是反应共振以及几何相位，主要面临的挑战就是实验分辨率。
分辨率体现在两个方面，一种叫能量分辨率，另外一种叫做微分截面的角度分辨率，可以简称为能量和角度。在这个方面，杨老师的主要工作是基于先进激光技术，实现了对产物的精准探测。在能量方面，杨老师把探测水平提升到了同领域最高。在角度方面，同样是通过精确地控制激光，再结合离子速度影像探测，实现了产物动力学的精准捕捉。
研究工作中，要实现能量分辨率和角度方面的提升，需要在激光方面做出精细地调整，也需要研究人员投入相当长的时间，才能取得出色的研究成果。
戴老师：谢谢王老师的精彩解读。我们现在通过王老师介绍，我们知道了研制和发展新的科研仪器，过程十分艰辛，在科研过程中也非常重要。
通过国产自研的高端科研仪器，我们也取得了很多重要的最新成果。我想请问一下肖老师，在您的科研中，您开发过哪些相关的科学仪器，取得了哪些相关的成果？
肖春雷：一方面，我们发展了新一代高分辨率和高灵敏度的交叉分子束科学仪器，可以观测化学反应的量子共振现象，以及几何相位效应等等。除此之外，我们也发展了高能量高单色性的激光光源，可以把反应物分子高效地制备到特定量子态中，从而研究反应物的量子态对化学反应有什么影响，进而发展通过量子态，控制化学反应的方法。另外非常值得一提的是，近几年，杨学明老师带领团队研发出世界最亮的极紫外自由电子激光光源，可以很高效地电离和解离原子分子，为化学动力学以及生物、分析、催化等很多领域提供新的研究工具，也取得了很好的成果。
世界上唯一运行在极紫外波段的自由电子激光装置，也是世界上最亮的极紫外光源。（图源：中国科学院）
戴老师：在高端科研仪器的研制过程中，我相信一定会遇到很多困难。我们想请各位科学家讲一讲你们在这种遇到困难的时候是怎么坚持下来的，以及在高端仪器的研发过程中有什么样的心路历程？
王兴安：我尝试回答一下这个问题。在自己的实验室当中，我之前也说了，我们很多时候面临的是，当设定了一个既定目标的时候，整体实验的信号其实是非常微弱的，那么你需要足够的耐心，以及仔细地分析，探索可能带来的各种反馈。整个项目的时间跨度可能是比较长的，这就需要我们有足够的耐心和热情才能够坚持，最终达到一个比较理想的情况。杨学明老师带领团队建设了我们的极紫外自由电子激光光源。这样一个大型装置建设的时候，不光要有一个明确的计划，同时还要充分的沟通和协调。这个光源的建成也体现了我们国家在高端仪器研发方面的能力，已经达到了非常高的水平。
三、获奖人故事：站在巨人的肩上
戴老师：再聊回到未来科学大奖物质科学奖，各位老师对杨学明院士的本次获奖工作是相当的熟悉了，我也替观众们问一下，您对往届的物质科学奖有哪些印象深刻的获奖人及成果呢？
张东辉：未来科学大奖已经是颁发到第七届了，在过去几届里面，中国最杰出的一批科学家都得过这个大奖，给我印象最深刻的就是薛其坤院士的工作，这是到现在为止，可能代表了国内科研成果的最高水平，也被认为是非常靠近诺贝尔奖的成果了。其它比如说潘建伟院士的工作，在量子通讯领域是领先于世界；施一公院士的工作，他们在蛋白质结构方面的工作也非常漂亮；还有前几年，我们三位有机合成化学家马大为、冯小明以及周其林院士的工作也让人印象深刻。不光是以上科学家，还有其他人的优秀工作获得了未来科学大奖的认可，这对科学家、对年轻一代的科研人员，青少年等而言，是一种肯定和鼓励。
中国科学院院士、南方科技大学校长 薛其坤（图源：新闻联播）
王兴安：我的工作单位是中国科学技术大学，对我们中国科学技术大学的潘建伟院士印象深刻，他在量子科学方面，做出了大量非常突出的工作，他是我们青年科学家学习的榜样。
肖春雷：我的工作是和量子相关的，所以对薛其坤院士、潘建伟院士的工作有一点了解。我认为他们的获奖的确是实至名归。
四、启发青年：好奇与热爱是科研的不二秘诀
戴老师：我想现在一定有很多青年科研工作者正在收看各位老师的精彩解读，还有很多爱好科学的青少年朋友，所以想请各位老师畅谈一下，在科学研究中，您觉得哪些因素是能够决定我们在科研的道路上能够更远地走下去？您对科学研究中兴趣的重要性怎么看？在科研的道路上如何坚持下去？我相信每个科学家对自己科研路上的经历，都有自己的心得。
张东辉：我觉得做科研最重要的就是两点，一个是好奇心，另一个是热爱。就是你一定要有对世界上任何东西都要充满好奇心，哪怕是已经司空见惯的事物。对我们科学家来说，我们就是要知道什么东西是我们未解的，要对这未解的东西充满好奇，要去寻找答案，这是第一点。第二个点我觉得，实际上好奇心很多人都有，那你真正要成为一个好的科学家，还需要付出很大的努力。要持续不断地推动你自己的研究向前发展，我觉得最为根本的是你一定要热爱，喜欢自己的研究。你要一直想着这东西到底为什么会呈现现在样子，我们怎么能做得更好。只有这样，你才能一直有好的灵感，好的方法。 回过头来看整个过程，有时候外人看来也许很辛苦，别人下班了你还在加班，或者人家睡觉，你还在想问题，但这对我们做研究的人来说，一点不辛苦。
对我来说，我很享受思考的过程。每当我想到一个好的点子，就可以把事情往前一步。这时的喜悦是无法形容的，也是我人生最大的一种享受，也只有这样，不管中途有多少弯弯绕绕的过程，就能一步步望前走，克服困难，在工作科研上有所建树。
王兴安：好，我接着张老师的话，再谈一谈。我觉得张老师说兴趣啊，好奇心啊，还有热爱，都是非常重要的。尤其是在科研工作当中，其实兴趣应该是非常重要的一个驱动力。针对比如说青少年朋友， 我们谈到怎么找到自己的兴趣。其实现在很多的科研机构，包括我们科大、化物所等，都会有开放日活动，我觉得这是对我们普通青少年朋友来说一个很好的机会。在活动中，可以近距离接触到科研，尽管可能不清楚里边具体做的是什么。但是，你有一个感性认识之后，将有助于找到自己的兴趣所在，然后进一步去专注地工作，这是一个非常好的开始。我觉得现在我们国内这种科普工作提供了很多机会，我也希望有更多的青少年朋友关注科研工作，积极地和我们交流，未来如果可能的话，成为我们科研的同行。如果有其他的工作，也希望大家不断热爱科学关注科学。
大连化物所公众科学日活动让科学走进公众（图源：中国日报网）
戴老师：这也是我们现在做科普的的意义之一。科学普及与科技创新是实现创新发展的两翼。这就是要求我们并行发展，只有更多的人来做科普，然后才会吸引更多的小朋友、青少年，吸引他们更加热爱科学，更加愿意去了解科学，将来才能更好地投身到科学中去，他们也许会成为我们的同行。
肖春雷：我很同意王老师看法，就是青少年要多关注这种科普的活动。小时候我觉得科学研究是很神秘很高大上、很炫的一个东西。但实际上，我们真正做科研的时候，会发现里面其实还有很多的困难、挫折或是具体的问题。所以我觉得，国家提供了很多这种科普的活动机会，对于青少年朋友，如果有机会的话，一定要参与进来，真正去看一看科研到底是什么。我觉得面对科研，第一是以平常心看待。第二是如果真正对科研感兴趣的话，那就加入进来。另外我也是非常同意张老师的看法，因为科学研究的对象就是未知的世界，那其中一定是充满了很多不确定性。如果都知道答案了，那我们还有研究的必要吗？所以过程中一定是有很多弯路和挫折的。但这是科研真正有趣的地方。所以我觉得青少年朋友是要慢慢地了解这一点。另外，我觉得科研需要去构建一个正反馈，体会这种挫折，然后去坚持，然后最后得到答案，实现个人理想与价值。经过这样一个一个正反馈过程走下来，那我觉得就是一条科研的道路。
