核磁共振：科学拒绝“例行公事”思维导图

近日，在美国俄亥俄州立大学进行的一次绝热实验中，意外的发现促使研究员进行了有别以往的探索，进而提出一种新方法来解释原子行为，产生了比以往任何一次都要清晰的核磁共振图像。

这一成果的应用性，体现在获取复杂生物分子的更精确图像，推进便携式核磁共振成像仪的诞生。更重要的是，这次背离以往经验做法的行为导致了全新科学论调的产生。

关于MRI与原子特性

核磁共振成像(MRI)利用核磁共振原理，依据所释放的能量在物质内部不同结构环境中的差异性衰减，通过外加梯度磁场检测所发射出的电磁波，即可得知构成这一物体原子核的位置和种类，据此绘制出物体内部结构图。

通往核磁共振成像技术的道路，一直伴随着对原子特性的探索。核磁共振中的“核”指的即是氢原子核，原子核带正电并有自旋运动，其自旋必将产生磁矩，这是核磁共振成像的数学运算基础，因此，核磁共振成像也被称为自旋成像。

人体约70%都是由水组成，核磁共振成像便可依赖于水中的氢原子，以非入侵性方式探测液体和固体的微观构造及相互作用，因而这是一项能用于人体内部成像的革命性医学手段。目前的核磁共振技术已能在不损伤细胞的前提下，直接探究溶液和活细胞中相对分子质量较小(20000道尔顿以下)的蛋白质、核酸以及其他分子的结构。

意外的发现

然而，在以往对复杂物体成像时，核磁共振图片还存在着令人不满意之处———例如对人体大脑的成像。当把脑体置于磁场中时，以适当的电磁波照射，产生共振并分析所释放的电磁波，就可以得到脑体内部原子核相关情况。但当原子之间发生反方向运动时，其最终成像会被抵消，图片会表现为在细节上有所缺失。

为应付这种情况，经常采取的手法是绝热实验，其是用绝热快速通道来控制原子或分子的布居数和相干性的原理，对原子自旋进行严格控制。但美国俄亥俄州大学化学教授菲利普·葛兰帝内提与其同事在最近一次绝热实验中，却发现原子并非完全按其意愿行动。

研究人员起先不以为意，仍严格按照理论描述的方法进行，但随着实验步骤的加深，即使是磁共振中最简单的绝热程序都无法进行，甚至产生了实验与理论之间的巨大差异。研究员随即整合了几十年来的相关资料，发现在核磁共振研究中的确存在很多相同的矛盾之处，即便其中很多实验看似运行正常且最后导出了良好结果，原子仍会处于一种脱控的状态。资料还显示，既往的科学文献只是描述出了这一现象，从未有一例关于其缘由的探寻。

遵循与逆转

当时，研究人员尚不能解释构成这一差异的真正原因，学界更多的人倾向于认为传统理论的描述是极其出色的。这使他们意识到只有完全理解其中的奥妙，才能使之承认传统理论方法的漏洞，而这并不是孰强孰弱的问题，其仅关乎于实验步骤中绝热程序的优化方式。

谜底在随后的研究中浮出水面：原子的这种行为或许并不应称之为失控，而是朝着一个可预见的方式———即量子力学中称之为“超绝热”的方式发展。这是20世纪80年代末才被提出的新概念，这种理论尚未被普遍接受。但其过程仍可属绝热范畴，原子也处于绝热方式里，这就是为何许多看似矛盾的实验却运行正常。

在最近一期《化学物理》杂志在线版上，研究人员解释了在核磁共振实验中不能完全控制原子核行为的原因。在此之上产生的运算法则，可以合并入软件中，进而控制核磁共振成像的测量，显著提高图片的分辨率。而其成果不仅限于得到复杂的生物分子的更精确图像，或许在不久之后，它亦能帮助获取磁场之外物体的信号。

科学原理的本身不可逆转，但科研手段却无需绝对遵循。一套科学实验在进行数十年后，往往有着墨守成规的理论或程序，在某些时候这代表着经验与效率，但在一些特殊时刻，避免“例行公事”，才不会错过通往真知的拐点。

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