二氧化碳的偶然量子共振特征，何以能对气候产生巨大影响？
二氧化碳的偶然量子共振特征，何以能对气候产生巨大影响？
二氧化碳作为主要的温室气体，其如何影响地球气候一直是科学界关注的重要问题。最近，哈佛大学研究团队发现，二氧化碳分子中一种名为费米共振的量子现象，是解释其强大温室效应的关键。这一发现不仅揭示了二氧化碳吸收红外辐射的微观机制，也为理解气候变化提供了新的视角。
1896年，瑞典物理学家斯万特·阿伦尼乌斯（Svante Arrhenius）首次意识到二氧化碳（CO2）会在地球大气层中吸收热量——这一现象如今被称为温室效应。从那时起，日益复杂的现代气候模型已经证实了阿伦尼乌斯的核心结论：每当大气中的二氧化碳浓度翻倍，地球的温度就会上升2至5摄氏度。
斯万特·阿伦尼乌斯
不过，直到最近，二氧化碳为何会有这种表现的物理原因一直是个谜。2022年，物理学家解决了关于温室效应“对数标度（logarithmic scaling）”起源的争议。这指的是无论原始数字如何，地球温度随着二氧化碳浓度的增加而增加相同的量。
2024年春天，由哈佛大学的罗宾·沃兹沃思（Robin Wordsworth）领导的一个团队，率先理清了为什么二氧化碳分子如此擅长吸收热量。研究人员发现了该分子量子结构的一个奇怪特性，从而解释了为什么二氧化碳是如此强大的温室气体——以及为什么向空气中排放更多的碳会导致气候变化。研究结果发表于《行星科学杂志（The Planetary Science Journal）》
地球以红外线的形式辐射热量。温室效应的作用体现在，部分红外光不是直接辐射到太空，而是撞击到大气中的二氧化碳分子。二氧化碳分子吸收红外光后重新向外辐射，有些返回地表，引起地球温度上升；有些发射到太空。
沃兹沃思（Wordsworth）与共同作者雅各布·西利（Jacob Seeley）、基思·希恩（Keith Shine）决定转向量子力学寻找答案。当受到特定波长的入射光线照射时，二氧化碳分子不会像你想象的那样在一个固定的单位上下晃动。相反，二氧化碳分子（由一个碳原子和两个氧原子组成），以某种方式弯曲和伸展。
正如下图，两个氧原子可以向外伸展，而中间的碳原子可能会也可能不会跟随，或者碳原子可以绕着分子的主轴旋转，使其弯曲。
15 微米光子所含的能量恰好足以使碳原子以呼啦圈运动的形式围绕中心点旋转。气候科学家长期以来一直将这种呼啦圈状态归咎于温室效应，但是，正如埃格斯特朗所预料的，沃兹沃思团队发现，这种效应需要的能量太精确了，呼啦圈状态无法解释远离15微米的光子吸收率相对缓慢的下降，因此它本身无法解释气候变化。
沃兹沃思团队发现，关键在于另一种运动类型，即两个氧原子反复朝着和远离碳中心摆动，就好像拉伸和压缩连接它们的弹簧。但这种类型所需的能量太大，以至于地球的红外线光子本身无法引发该运动。
但他们发现，拉伸运动的能量非常接近呼啦圈运动能量的两倍，以至于这两种运动状态相互混合。这两种运动（混合后形成）特殊的组合，所需的能量略多于或少于呼啦圈运动的确切能量。
这两种振动模式（组合）的偶然排列，在二氧化碳分子中产生了一种称为费米共振的量子嗡嗡声，这可以使分子振动得更多。
费米共振（fermi resonance）：费米共振是一种广泛存在于分子内和分子间的分子振动耦合和能量转移现象，以著名物理学家恩里科·费米（Enrico Fermi）的名字命名为费米共振。我们可以把费米共振想象成由两个连接在同一根弦上的重物组成的钟摆：当它们摆动时，它们会努力提高彼此运动的幅度。
从二氧化碳的基本特性出发，华兹华斯和他的同事们用一系列混合了分子光谱学(分子的吸收模式)和气候物理学的方程，描述了分子振动状态和它随后吸收的额外热量之间的相互作用。
费米共振与地球气候的联系直到去年希恩（Shine）团队的一篇论文中才首次建立，而最新的这篇论文（Fermi Resonance and the Quantum Mechanical Basis of Global Warming）是第一次全面揭示了这一联系，即二氧化碳作为温室气体的有效性对对称伸缩模式 ν1 和弯曲模式 ν2 之间的费米共振的依赖性。
也就是说，一个在其他方面普通的三原子分子中明显偶然的量子共振，在地质时期对我们星球的气候产生了如此大的影响，并且也将有助于确定由于人类活动导致的未来变暖。