杨学明

中国科学院院士、中国科学院大连化学物理研究所研究员

化学，变化之学，研究化学反应速度的学科就是化学反应动力学。近年来，随着理论计算与实验装置的进步，中国在化学反应动力学的若干领域已经开始领先世界。在这一进程中，中国科学院院士杨学明是核心人物之一。

  杨学明院士在基元化学反应动力学研究领域——尤其是化学反应共振态、化学反应中的几何相位效应以及量子干涉等方面的研究——取得了重大突破。他从博士后时期就开始做仪器，现在已经开发了好几套新一代高分辨率和高灵敏度的交叉分子束科学仪器。此外，他还在不断推动我国的大科学装置建设，包括大连相干光源、大连先进光源和深圳中能X射线自由电子激光装置。他强调：“你要做得比别人好，就要有比别人好的技术、比别人好的仪器。通过这些技术的发展，我们才能做一些别人做不到的实验研究。”那么，中国的科学仪器与大科学装置，如何突破封锁，引领世界？杨学明院士有自己独到的见解。

袁岚峰

《锚点》科学对谈人

您主要研究的领域叫化学反应动力学，这个领域在探索什么？

所谓化学反应动力学，重在研究化学反应的过程，它探究的是化学反应的机理和速度。比如说，有些化学反应需要升温（会使反应速度加快）——在动力学里面就是增加能量，那增加的是分子的平动能量还是分子的振动能量？这就是化学反应动力学研究的问题。这个领域探索的是化学反应的底层逻辑，需要解决的是化学反应是怎么发生的、它的机理是什么、它为什么会是这样的等问题。

我平时会给人举氢气和氧气反应生成水的例子。这看起来是个非常简单的反应，但是它可以非常快，也可以非常慢。如果遇到明火，瞬间就会发生爆炸，然而，若只是将氢气与氧气在常温常压下混合在一起，它们或许好几年都不会发生反应。

这虽然是非常简单的一个燃烧反应，但其反应体系涉及二十多个基元反应（此类反应被认为是一步完成而且只经历一个过渡态），经过这些基元反应才能达到最后的效果。

一般人可能没有想到，一个看起来很简单的反应其实是由很多个基元反应组成的。

所以，我们做化学反应动力学的人往往更关注基元反应，我们需要把它研究得非常透彻。

很多人可能并不知道我们为什么要去研究化学反应动力学。这对日常生活有什么实际影响吗？

影响还是非常多的。例如，就爆炸这一典型的链式反应而言，如果我们能从分子层面或者说化学反应动力学角度来理解这件事情，就能更好地控制这个过程。

动力学在化学领域无处不在。要研究化学反应，理解它的机理，底层的逻辑就是真正从量子力学层面来理解这些化学反应。

在您的研究中还有一个词可能会让人觉得很迷惑，就是“量子态分辨”，这个怎么理解？

普通人可能只关心化学反应的最终结果，即什么加什么最终生成了什么，但从本质上看，化学反应其实是由量子力学描述的，各种分子会有不同的量子态，不同量子态的分子会产生不同的行为。

早在二十世纪六七十年代，就有学者尝试用完全量子力学的方法（即对原子核与电子都用量子力学来处理）来研究化学反应。其中，最简单的就是氢加氢的反应（H+H₂?H₂+H），其反应物跟产物看起来好像是一回事。所以，很多化学家就问：这反应了吗？事实上，反应确实发生了。这个过程虽然简单，却揭示了一些非常基本的原理，只是就当时而言，那些直接在理论上提出来的观点和概念，仍缺乏直接的实验验证。

后来，随着实验技术的进步，以氟加氢反应为代表的研究取得了一些非常突出的成果。大家最开始看到的是，氟原子与氢分子反应时，在振动量子数v = 3的氟化氢产物通道上出现了前向散射的现象，以为那是共振导致的——后来证明这主要是由于反应产物在“翻越”振动绝热势能面上的离心势垒时所产生的时间延迟效应引起的。大家还观察到，在氟加氢反应中，振动量子数v = 2时也存在前向散射现象——这个则是由反应共振态直接导致的。“共振态”这个概念最初被提出来时，科学家并不理解这种态是一种怎样的量子结构。

自二十世纪八九十年代开始，量子研究的实验水平和理论水平均得到了大幅提升，使得我们真正可以从非常基本的角度、从量子力学的层面来理解一些非常重要的化学反应。我当时也开始对过渡态、共振态这些内容感兴趣了，因为一些新的机会——特别是一些新的方法——开始出现。利用这些方法研发新的科学仪器，让开展真正意义上的量子动力学研究成为可能。事实证明，经过这二三十年的积累，现在我们已经有了一些非常清晰的“图像”了，比如对“共振态”概念的理解。

您在这个领域最重要的研究成果有哪些？

我们对氟加氢反应体系里物理图像的理解还是比较到位的，虽然理论学家也做了很多研究，但从实验层面来说，我们在这个方向上肯定是做得最好的。

而且，我们通过实验检测得出的结果与张东辉院士（主要从事化学反应动力学理论研究）团队基于理论计算得到的结果高度一致。关键是，两个团队完全是背靠背做的研究。

·2006 年，在氟加氢反应研究中，杨学明团队和张东辉团队分别通过实验检测和理论计算精确重现了反应散射量子态分辨的微分截面，得到的图像具有惊人的一致性，实现了实验和理论的双向奔赴。

相当于您这边给出的是实验图，张东辉院士团队给出的是理论图。

对。理论上通过量子计算得出的结果应当与实验中最精确的测量结果相符。近一二十年来，这种理论上的进步和实验检测的发展还是非常快的，也让化学反应研究迈向了量子级。

您最近有哪些新的研究方向？

最近，我们做了很多光化学研究，如分子在高激发态下的光化学反应研究，其中，“漫游机理”是一个颇具趣味性的研究方向。

传统的化学反应过渡态理论认为，反应大多遵循最小能量路径推进，反应物经由一个明确的过渡态直接转化为产物。然而，在某些化学反应中，一个原子或者基团可能并不沿最小能量路径直接解离，而是会在分子附近漫游，最终形成不同的产物。漫游机理所呈现的产物末态分布，与传统最小能量路径下呈现的截然不同。

“漫游”实际上是对过渡态理论的一种超越。它在实验上会有什么可分辨的表现吗？

在观测一个三原子反应体系时，我发现其中有一个原子会跑得很远，然后再回来，这样就会产生一些新的反应通道。与传统反应通道相比，这些反应通道的特性会有所不同。基于这个过程，我们就可以知道哪些通道是因漫游机理产生的。

·杨学明团队利用大连相干光源观测到二氧化硫分子在高激发态下的漫游反应通道，揭示了漫游路径与传统路径的竞争机制，为星际化学、燃烧反应等提供了新的调控维度，将化学反应动力学推进至“全路径观测”时代。

·此外，他还发展了高分辨的交叉分子束反应成像技术，首次在实验上观测到化学反应中的几何相位效应，并在2022 年获得了未来科学大奖物质科学奖。

·美国化学会《物理化学杂志》（The Journal of Physical Chemistry）A、C 两刊在2024 年更是联合推出杨学明特刊，表彰杨学明院士在激光光谱技术、量子态分辨反应动力学等领域的开创性贡献，称其研究“标志着该领域的一个新时代”。

您做科研的一个重要方法论就是要自主研发仪器。是怎么走上这条道路的呢？

我们如果在科学仪器上落后于别人，在科学上基本也会落后于别人。

我很早就认识到科学仪器的重要性，尤其是在实验科学领域。我在加州大学伯克利分校从事研究期间，了解到劳伦斯伯克利国家实验室有一项利用同步辐射光源来研究化学反应动力学的计划，并经过申请得到了这个机会，负责研制一台复杂的交叉分子束仪器。

在接下来两年多的时间里，我从设计开始，一步一步往下做，最终研制出这台仪器。在此期间，我发现自己特别喜欢做这件事情，它好像“戳中”了我原始的爱好。当然，这个过程对我来说也是一次非常好的训练，不仅让我对光源有了深刻的理解，也提升了我研制仪器的能力。

我们实验室最大的特色就是用的实验设备都是自己研制的，因为我们要做的研究所需的设备往往是买不到的，包括激光器。这背后主要有两方面原因：一是某些特殊类型的激光器在市场上确实难以获取，二是部分国外激光器对我们是禁售的。我始终认为，要研究何种体系，首先得把相关设备做好。

这么看来，您的团队既做化学反应动力学的研究，也做开发仪器的研究。您主持建造的大连相干光源是什么装置？

大连相干光源是一台自由电子激光用户装置，具备探测、激发功能，应用范围广泛。它可以用来探测雾霾粒子，也可以用来做水的中性团簇结构研究，还可以用来做大分子的光解离质谱，即通过光解离质谱技术，解析蛋白质等生物大分子的结构及其与小分子的相互作用。最近，这个方法好像也被用来研究药物分子和蛋白质的相互作用，或可用于药物研发的一些方向。

在建的大连先进光源据说是大连相干光源的升级版，为什么要升级呢？

因为大连相干光源用的是常温加速器技术，它每秒钟能加速的电子束团是受限制的（大概只能做到100个束团，也就是100赫兹左右），而且由于不是超导的，能耗较高。为突破这一限制，我们自2016年起开始推进超导加速器的自由电子激光方向。大连先进光源这个项目和深圳的那个项目都是在此基础上发展起来的。

深圳那个项目指的就是您正在主持打造的“中能X射线自由电子激光”装置，对吧？

是的，该装置是一台基于超导加速器技术的自由电子激光装置。我们的目标是将其打造为覆盖极紫外与软X射线波段的激光装置，尤其是软X射线波段。其波段的波长范围介于大连先进光源与上海硬X射线自由电子激光装置之间——比前者更“硬”，却比后者稍“软”，恰好占据了两者之间的中间位置，故命名为“中能”。之所以选择这个波段，是因为其在物理、化学、材料科学及半导体等领域均有广泛应用，在生物医药领域可能也有一些应用场景。

很多关心国家科学发展的人可能注意到，近些年国内打造了很多光源装置。

其实不算多。目前，我国在同步辐射光源领域以北京、上海、合肥三地的大科学装置为主要支柱。在自由电子激光方面，已布局了包括大连（极紫外与软X射线波段）、上海（硬X射线波段）以及深圳（中能X射线波段）在内的多个装置，这几个全面建成后，我认为我们至少达到了跟美国同样的水平，甚至有可能称得上是更完整的布局。

然而，在同步辐射光源方面，我国与国际领先水平仍存在一定差距，亟须持续加强发展。需要强调的是，实验科学的进步既依托于各实验室自主技术的突破，也离不开国家层面大科学装置平台的支撑。这类大科学装置的创新突破既是推动实验技术进步的一个重要方面，也是抢占技术高地的战略核心。物理学、化学、生物学等学科的发展都绕不开它。

关于我们共同的导师朱清时院士，一般人只知道他是个教育家，做过中国科学技术大学校长、南方科技大学创校校长，但大部分公众可能并不了解他在科研上也成就颇多。今年（2025年）正好是朱老师的79岁寿辰，借这个机会，请您向公众介绍一下朱老师在科研上的贡献。

朱老师是国际知名的光谱学家，他最具代表性的工作就是局域模光谱研究。他曾利用高分辨率的光谱方法来研究硅烷分子的光谱——这项工作在国际上获得了高度认可，其成果堪称教科书级别。我有幸在朱老师的指导下系统学习了小分子光谱学，这也为我后来从事化学反应动力学研究开辟了独特的视角。

您觉得在化学反应动力学领域，下一个亟待攻克的核心问题，或者说下一个锚点，是什么？

精准化学。在我看来，化学发展的一个趋势就是，无论是实验上还是理论上，我们都可以做到更精准化。

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《锚点》专栏由《世界科学》编辑部和东方卫视《锚点》节目组联合开发，该节目由中国科学技术大学科技传播系副主任袁岚峰研究员主持。