水覆蓋地球表面約70%，參與地球上的各種物理、化學和生命過程。 對水的研究是認識自然的必然要求。 水是一種獨特的物質，具有極其復雜的結構和不尋常的物理性質。 水科學就像水一樣令人著迷。
撰寫者 | 曹澤賢（中國科學院物理研究所）
獨特的水
我們的家園地球是一顆獨特的星球（我傾向于相信它是這個宇宙中唯一的一個），它的獨特之處就是水的存在（圖1）。 地球表面大約70%被水覆蓋。 假設地球均勻地被水覆蓋，水深約為2.7公里。 此外，地球大氣層中的水蒸氣，如果視為液態(tài)水，按均勻全覆蓋計算水的相對分子質量，厚度也高達5厘米。 水使地球移動，真正孕育了生命。 其實我以為，在沒有原生動物、細胞、病毒、動植物等所謂的生命體之前，因為水帶動了地球表面各種物質的流動，所以地球本身就可以認為是有生命的、有生命的（、 ) 是的——生命在于流動。 水導致了地球上的生命奇跡，因為地球繞太陽運行的軌道是一個近乎完美的圓，有合適的半徑。 這使得水的氣體、液體和固體處于地球所具有的pT（壓力-溫度）范圍內。 這三種狀態(tài)都可以出現(xiàn)，并且可以在一個小地方同時存在（圖2）——水的三相點落在地球所能維持的pT參數(shù)空間內，這是生命出現(xiàn)的物理保證。 如果說這個宇宙有奇跡的話，那就是這個了！
圖 1. 與我們的鄰居和任何已知的遙遠行星相比，地球是獨一無二的，因為它有水
圖2.地球的pT參數(shù)范圍允許水、氣、液、固三相同時出現(xiàn)在一處。
圖2.地球的pT參數(shù)范圍允許水、氣、液、固三相同時出現(xiàn)在一處。
生命源于水，也依賴于水的存在，因此各種生命都發(fā)展出了驚人的利用水的策略。 生命取決于水的一個關鍵特性，即水幾乎是一種通用溶劑。 各種物質都會在一定程度上溶解在水中。 這樣，水就帶來了生命所必需的各種物質，特別是那些微量物質。 （圖 3）。 其實這個問題應該反過來看。 原始時期水中的物質組成決定了生命的組成。 生命占據(jù)了地球的每一個角落。 在沒有水的地方，動物和植物發(fā)展出了驚人的收集和儲存水的能力（圖4）。
圖3彈涂魚的生活環(huán)境告訴我們，沒有必要喝所謂的純凈水。
圖 4. 一棵充滿水的猴面包樹和一只在睡覺時收集水的沙漠甲蟲
人類對水充滿了好奇，想知道它到底是一種什么樣的物質，直到有一天化學家發(fā)現(xiàn)氫氣和氧氣一起燃燒可以得到水。 水分子是H2O，是一個三原子分子。 兩個氫氧鍵的鍵長約為0.96?，夾角約為104.45°。 看起來非常簡單天真（圖5）。 然而，這種分子的簡單是一種極具欺騙性的簡單，而它所構成的水的奇怪而復雜的特性讓科學家們頭疼不已。 在聚集體中，水分子將通過氫鍵與最多4個其他水分子結合（圖5），水分子將形成不同大小的簇（圖6），并且這些簇是動態(tài)的。 它在秒量級（1ps=10-12s）的時間尺度上不斷分裂和重組。 水分子中HO鍵的鍵長和鍵角，以及分子間氫鍵的鍵長和方向，可以在大范圍內靈活調節(jié)。 因此，很容易理解為什么水具有如此復雜多樣的結構。 。
圖 5. 水分子之間的氫鍵
圖 6. 幾個水分子簇的構型
水的異常性質
與其他物質相比，水有太多“反常”的特性。 有些網(wǎng)站甚至列出了70多種水的異常性質[1]。 為了讓讀者有所了解，這里有一些有趣的異常屬性，包括：
(1) 水密度隨溫度增加（最高~4°C）；
(2)水的表面比水體的密度大；
(3)冰的導熱系數(shù)隨壓力而降低；
（四）水的熔點、沸點、臨界點均異常高的；
(5)固體水具有大量穩(wěn)定的晶相；
(6)過冷水有兩相，第二臨界點為-91℃；
(7)液態(tài)水可以在很低的溫度下存在，加熱時會凝固；
(8)液態(tài)水容易過熱；
(9) 熱水可能比冷水更快結冰；
(10)液態(tài)水容易過冷，但難以玻璃化；
(11)液-氣相變體積變化極大~1800倍；
(12)融化時，水的鄰居數(shù)量增加；
(13)壓力會使冰的熔點降低；
(14) 壓力降低時最高密度對應的溫度；
(15)過冷水的密度最小；
(16)壓縮率極?。?span style="display:none">8hG物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
(17) 壓縮比隨溫度降低（直到~46.5°C）；
(18)壓縮比-溫度關系有最小值；
(19) 折射率在0℃以下附近取最大值；
(20)比熱很大；
(21)導熱系數(shù)高，130℃時最大；
(22)粘度隨壓力降低；
……ETC。
其中一些異常性質與生命的發(fā)生和延續(xù)密切相關。 例如，由于自然條件下形成的冰（已知的16個冰相中唯一的一個）比水輕，寒冷地區(qū)的水體不會完全結冰，水中的生物可以度過漫長的冬季； 表面張力非常高，所以很多小動物可以在水面上生活。 幸運的是，水的比熱容很高，赤道附近的水不容易沸騰，所以水生生物避免了被自然煮熟的命運； 而且幸運的是，冰雪的比熱非常大，所以雪后北半球不會很快變成沼澤。 水作為生命發(fā)生的前提，是由許多反常的物理性質推動的。
水具有許多獨特的性質，而這些性質異常是水科學研究的主題之一。 令人極其沮喪的是，我們對水的異常性質的定量理解還遠遠不夠，我們甚至可能無法就某些問題的定性理解達成一致。 舉個最簡單的例子，水分子是極性分子，偶極矩很大，這使得水在電場作用下很容易極化，并獲得一定的剛性（圖7）——這個水橋的直徑為7-8毫米。 那么，水分子的偶極矩有多大呢？ 我們現(xiàn)有的數(shù)據(jù)實際上是在1.85~2.3德拜之間。
圖 7. 水極性演示 - 水在兩個燒杯之間形成橋梁。 施加電壓為11 kV（江南攝）。
復雜相圖
對物質的初步了解可以在其 pT 相圖中找到。 圖8是普通熱力學教科書中水的簡化pT相圖。 氣、液、固三相共存點（TP）對應于固定的氣壓和溫度（T）。 該溫度 Tc=273.16 K 是絕對溫標的唯一參考點。 。 氣相和液相之間的分界線終止于臨界點 (CP)（218 個大氣壓，647 K）。 這里，右上角一定 pT 范圍內的水處于超臨界狀態(tài)，這對 pT 參數(shù)溶解度極其敏感。 水的液固相邊界的斜率是dp/dT[2]。 重要的是，一般物質的液相和固相可能只有一種或幾種不同的結構，但水的結構卻出乎意料地復雜[3, 4]。
圖 8. 簡化水相圖
如果我們考慮冰的結構并檢查高壓區(qū)域，我們會得到如圖 9 所示的相圖。請注意，液固邊界處的斜率是 dp/dT0。 目前已知的冰晶體結構有 16 種。
圖 9. 水的相圖，其中固相是晶體。
圖 9. 水的相圖，其中固相是晶體。
然而，如果我們考慮到壓力的強度量仍然是極性的，即可以是正的，也可以是負的，并且注意到水會呈現(xiàn)出不同的液相和非晶相結構，我們也可以得到非晶相的相圖。水相（圖10）[5]。 考慮到內容的復雜性，這里僅做簡單介紹。 水在其高于零的液相中也具有液-液一級相變。 由于水以過冷狀態(tài)存在，因此水在零攝氏度以下也是液態(tài)。 水可以持續(xù)到-41°C才開始結冰，這是水的均質成核溫度TH~232 K。更令人震驚的是，在TX~150 K以下的極寒地區(qū)，水也以液態(tài)存在，而這種液態(tài)，就像非晶態(tài)的固態(tài)一樣，當溫度升高到一定溫度時，就會自發(fā)凍結。 這樣，對于無定形水來說，由于自發(fā)凍結的現(xiàn)象而存在著無人區(qū)的溫度。 如何將非晶水的研究引入無人居住地區(qū)是水科學領域的一個難題。
圖 9. 水非晶相的相圖。
小固體水也有自己的特點。 小尺寸固體水包括雪、霜、凍雨、冰雹、霧凇、軟冰雹等[3, 4]。 雪花基本呈六邊形對稱，但很難找到兩片形狀相同的雪花（圖11）。 這簡直太神奇了。 據(jù)認為，下落的軟冰雹和上升的溫暖水蒸氣之間的摩擦是云帶電的原因。 如何在實驗室重現(xiàn)并確認這一過程也是一個難題。
圖 11. 雪花都具有六邊形對稱性，但幾乎沒有重復。
水科學
水科學研究水的結構和性質，水與其他物質之間的相互作用，水在各種物理、化學和生命過程中的作用等。在古代，人們就已經(jīng)認識到水的重要性，并努力認識和理解水。利用這種神奇的物質。 18世紀，由于水在熱機中的應用，對水的系統(tǒng)研究促成了水科學專業(yè)的形成。 近幾十年來，由于量子計算和各種現(xiàn)代分析方法的應用，水的研究取得了前所未有的發(fā)展。
然而，正是在對水深入研究的基礎上，人們認識到水科學的特點是“進展緩慢，難以得出沒有爭議的結論”。 即使是水分子之間的氫鍵構型和團簇結構等易于理解的問題，模型和參數(shù)值也沒有達成共識。 液-液相變、非晶固-固相變、玻璃化轉變以及是否存在第二臨界點和第二玻璃化轉變等問題都備受爭議[5]。 以水的液-液相變?yōu)槔?，過冷水存在一級相變的問題在20世紀80年代就被提出[6, 7]。 然而，2013年，有人從理論角度否定了液-液相變。 相變[8]，有人在2013年和2014年報道，實驗觀察到水的液-液相變[9, 10]，而作者的研究組證明該實驗的解釋是錯誤的——所謂的甘油水溶液 觀察到的水中液-液相變僅基于中等濃度水溶液玻璃化的一般行為 [11, 12]。 近年來，水科學的爭議性越來越大英語作文，人們已經(jīng)習慣在反駁論文中使用這樣的（純粹是妄想的）詞語。
為什么水如此奇怪且難以研究？ 從實驗的角度來看，水是由輕元素組成的，它對于X射線、電子束等的散射界面很??； 水是一種脆弱的存在，那些比較粗暴的分析方法是無法使用的，比如高能電子束的結構。 分析方法。 掃描隧道顯微鏡的探頭穿過金屬表面的水層，得到的是水分子的扭曲構型； 水是靈活的，并且水的結構變化是非遍歷且依賴于歷史的（non-，-），因此在研究過程中水樣的結構可能無法很好地定義或未表征等。此外，水是真空中最煩人的物質水的相對分子質量，大多數(shù)在真空下工作的分析方法不能用于散裝水的分析。 這些因素限制了對水的實驗研究。 另一方面，從理論上講，氫離子不是離子，因為失去外層電子的氫原子只剩下一個質子。 氫原子不會完全失去電子。 氫離子應該是半裸質子。 這個氫離子在一定程度上總能跟上電子的運動。 這樣，固體電子態(tài)計算的玻恩近似在水中就變得無效。 如果關于水的計算總是集中在電子上（不幸的是目前的情況），我們就不能指望通過足夠的理論計算來正確理解水的行為。 目前我們還沒有充分考慮半裸質子的水量子力學計算。
水和物理學
如果我們稍加留意，就會發(fā)現(xiàn)水的形象充滿了物理成分。 物理學中的許多基本概念都來自于水的圖像或性質。
首先，水具有彈性的皮膚。 常溫、標準大氣壓下水的表面張力為72.74 mN/m，僅次于汞。 水的表面張力值恰到好處，可以讓水面產(chǎn)生波動，很容易引起波動——一只蜻蜓接觸水面就足以引起水面明顯的波動（圖12）（由蜻蜓產(chǎn)生的“波浪”）我們的祖先可以理解為“水”“皮”也）。 因此，波已經(jīng)成為一個普遍存在甚至被濫用的物理概念。 于是，我們談論機械波和光波（蠟燭的光影讓惠更斯用池塘里的卵石激起的水波來類比光的本質；兩個物體引起的水面起伏）水面上蕩漾的小船給了托馬斯·楊他對光的二元性的解釋）。 （來自狹縫干涉實驗的靈感）和波動光學。 由波動光學類比而得出的波動力學就是所謂的量子力學，而量子力學的主角就是波函數(shù)。 與經(jīng)典振動描述中使用復函數(shù)只是中間躍遷不同，量子力學的波函數(shù)是強制性的復函數(shù)，盡管很難看到 expi[kx-ωt 形式的波] 不再了。 光被視為電磁波，是因為天才麥克斯韋將電磁方程轉化為波動方程的形式，發(fā)現(xiàn)由電磁常數(shù)決定的波速接近光速。 當然，人們不能指望用赫茲使用的電路來證明電磁波的存在，從而使傳統(tǒng)意義上的光波振蕩（這有物理解釋嗎？）。 電磁方程的變換不變性就是所謂的狹義相對論。 要求彎曲空間中的每一點都滿足相對論的變換導致了廣義相對論。 通過弱場逼近廣義相對論引力方程得到的所謂引力波方程，看起來就像魔術師從袋子里變出了一只兔子——兔子是提前放進去的，為什么這么神奇呢？ 波是關于空間和時間 (x, t) 的振蕩函數(shù)。 人們常常通過傅立葉分析等結果，將某一點測量到的振動信號（時間序列數(shù)據(jù)）解釋為遠距離事件引起的某種波的傳播。 這反映了物理學家思想的貧乏和這種物理研究方法的無聊。 它不能給我們帶來可靠的知識，更多的是詩意和遙遠的想象。
圖12.水的表面張力使得水的表面很容易產(chǎn)生波浪。 來自兩個來源的水波表現(xiàn)出相干條紋，這激發(fā)了所謂的光的雙縫干涉及其解釋。
水給我們帶來的形象就是流動，因此流動就成了我們用來描述物理的概念。 古希臘人說，一切都是流動的。 物理學中的流概念包括熱（質量）流、電流和概率流。 連續(xù)性方程和各種動力學方程也討論流動。 此外，還有波動()。 對于分布式物理量，平均值是描述其特性的第一近似值。 愛因斯坦更聰明一點，專注于波動的研究。 對于兩個參數(shù)確定的分布函數(shù)，沒有證據(jù)證明平均值和波動在多大程度上可以完成描述的再現(xiàn)。 熱力學的建立是以水、火和空氣為基礎的。 維也納夏季氣壓下水的冰點和沸點提供了攝氏溫標上的兩個參考點（圖 12）。 熱機的發(fā)明是為了將煤礦滲水抽出，蒸汽機的廣泛使用得益于水的液氣相變的一個重要性質——氣態(tài)水的體積約為液態(tài)水的1800倍。
圖 12。冰和水的混合物以及水的沸騰為攝氏溫標提供了兩個參考點。
水影響著物理學的概念框架，反過來對水的理解也對物理學提出了挑戰(zhàn)。 盡管人們基于抽象思維建立起來的物理學已經(jīng)將人類的觸角伸入了原子核內部，但我們用來理解物質性質的那部分物理知識對于水的獨特性質卻顯得如此無力。
結論
就單一物質而言，沒有什么比水對我們更重要、更有意義的了； 而論復雜性和奇異性，恐怕水也是其他物質無法比擬的。 在所有物質中，水可以說是研究最多但了解最少的。 水給了我們無限的可能性、無限的驚喜、無限的靈感。 也給我們帶來了無窮無盡的問題。 隨著我們對水的了解每前進一步，我們對世界和我們自己的了解就會加深。 這是水和水科學最迷人的部分。
最后，發(fā)出微弱的呼吁：“支持水科學研究，它關系到生命的基礎！”
參考
[1]，www1.lsbu.ac.uk/water/.html
[2] D., W.，《水與水》，(1969)。
[3] VF，RW，冰，（1999）。
[4] PV Hobbs，Ice，（1974）。
[5] K. Amann-等人，：水玻璃，88，（2016）。
[6] O.，LD，E.，冰的一階二階。 314, 76–78 (1985)。
[7] O.，HE，The，和水。 396, 329–325 (1998)。
[8] DT, D., The – 是水的固體。 J.化學。 物理。 135，（2011）； 138，（2013）。
[9] K. , & H. , of - 在 . 納特。 。 4、2844（2013）。
[10] J. Russo, F., H.，冰的新形式及其在水中的作用。 納特。 材料.13, 733–739 (2014)。
[11]王Q.，趙LS，李CX，曹ZX，冰中自由水的作用，6，26831（2016）。
[12] 趙LS，曹ZXX，王Q.，玻璃-冰-水，5，15714（2015）。
注：本文初稿發(fā)表于《物理》雜志2016年第11期。 本文為作者最新修訂版。