水覆蓋地球表面約70%，參與地球上的各種物理、化學(xué)和生命過(guò)程。 對(duì)水的研究是認(rèn)識(shí)自然的必然要求。 水是一種獨(dú)特的物質(zhì)，具有極其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和不尋常的物理性質(zhì)。 水科學(xué)就像水一樣令人著迷。
撰寫(xiě)者 | 曹澤賢（中國(guó)科學(xué)院物理研究所）
獨(dú)特的水
我們的家園地球是一顆獨(dú)特的星球（我傾向于相信它是這個(gè)宇宙中唯一的一個(gè)），它的獨(dú)特之處就是水的存在（圖1）。 地球表面大約70%被水覆蓋。 假設(shè)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(jì)算水的相對(duì)分子質(zhì)量，厚度也高達(dá)5厘米。 水使地球移動(dòng)，真正孕育了生命。 其實(shí)我以為，在沒(méi)有原生動(dòng)物、細(xì)胞、病毒、動(dòng)植物等所謂的生命體之前，因?yàn)樗畮?dòng)了地球表面各種物質(zhì)的流動(dòng)，所以地球本身就可以認(rèn)為是有生命的、有生命的（、 ) 是的——生命在于流動(dòng)。 水導(dǎo)致了地球上的生命奇跡，因?yàn)榈厍蚶@太陽(yáng)運(yùn)行的軌道是一個(gè)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(nèi)。 這三種狀態(tài)都可以出現(xiàn)，并且可以在一個(gè)小地方同時(shí)存在（圖2）——水的三相點(diǎn)落在地球所能維持的pT參數(shù)空間內(nèi)，這是生命出現(xiàn)的物理保證。 如果說(shuō)這個(gè)宇宙有奇跡的話(huà)，那就是這個(gè)了！
圖 1. 與我們的鄰居和任何已知的遙遠(yuǎn)行星相比，地球是獨(dú)一無(wú)二的，因?yàn)樗兴?span style="display:none">8hG物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
圖2.地球的pT參數(shù)范圍允許水、氣、液、固三相同時(shí)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(shí)出現(xiàn)在一處。
生命源于水，也依賴(lài)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(gè)關(guān)鍵特性，即水幾乎是一種通用溶劑。 各種物質(zhì)都會(huì)在一定程度上溶解在水中。 這樣，水就帶來(lái)了生命所必需的各種物質(zhì)，特別是那些微量物質(zhì)。 （圖 3）。 其實(shí)這個(gè)問(wèn)題應(yīng)該反過(guò)來(lái)看。 原始時(shí)期水中的物質(zhì)組成決定了生命的組成。 生命占據(jù)了地球的每一個(gè)角落。 在沒(méi)有水的地方，動(dòng)物和植物發(fā)展出了驚人的收集和儲(chǔ)存水的能力（圖4）。
圖3彈涂魚(yú)的生活環(huán)境告訴我們，沒(méi)有必要喝所謂的純凈水。
圖 4. 一棵充滿(mǎn)水的猴面包樹(shù)和一只在睡覺(jué)時(shí)收集水的沙漠甲蟲(chóng)
人類(lèi)對(duì)水充滿(mǎn)了好奇，想知道它到底是一種什么樣的物質(zhì)，直到有一天化學(xué)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(gè)三原子分子。 兩個(gè)氫氧鍵的鍵長(zhǎng)約為0.96?，夾角約為104.45°。 看起來(lái)非常簡(jiǎn)單天真（圖5）。 然而，這種分子的簡(jiǎn)單是一種極具欺騙性的簡(jiǎn)單，而它所構(gòu)成的水的奇怪而復(fù)雜的特性讓科學(xué)家們頭疼不已。 在聚集體中，水分子將通過(guò)氫鍵與最多4個(gè)其他水分子結(jié)合（圖5），水分子將形成不同大小的簇（圖6），并且這些簇是動(dòng)態(tài)的。 它在秒量級(jí)（1ps=10-12s）的時(shí)間尺度上不斷分裂和重組。 水分子中HO鍵的鍵長(zhǎng)和鍵角，以及分子間氫鍵的鍵長(zhǎng)和方向，可以在大范圍內(nèi)靈活調(diào)節(jié)。 因此，很容易理解為什么水具有如此復(fù)雜多樣的結(jié)構(gòu)。 。
圖 5. 水分子之間的氫鍵
圖 6. 幾個(gè)水分子簇的構(gòu)型
水的異常性質(zhì)
與其他物質(zhì)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(zhì)[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(dǎo)熱系數(shù)隨壓力而降低；
（四）水的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、臨界點(diǎn)均異常高的；
(5)固體水具有大量穩(wěn)定的晶相；
(6)過(guò)冷水有兩相，第二臨界點(diǎn)為-91℃；
(7)液態(tài)水可以在很低的溫度下存在，加熱時(shí)會(huì)凝固；
(8)液態(tài)水容易過(guò)熱；
(9) 熱水可能比冷水更快結(jié)冰；
(10)液態(tài)水容易過(guò)冷，但難以玻璃化；
(11)液-氣相變體積變化極大~1800倍；
(12)融化時(shí)，水的鄰居數(shù)量增加；
(13)壓力會(huì)使冰的熔點(diǎn)降低；
(14) 壓力降低時(shí)最高密度對(duì)應(yīng)的溫度；
(15)過(guò)冷水的密度最小；
(16)壓縮率極小；
(17) 壓縮比隨溫度降低（直到~46.5°C）；
(18)壓縮比-溫度關(guān)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(dǎo)熱系數(shù)高，130℃時(shí)最大；
(22)粘度隨壓力降低；
……ETC。
其中一些異常性質(zhì)與生命的發(fā)生和延續(xù)密切相關(guān)。 例如，由于自然條件下形成的冰（已知的16個(gè)冰相中唯一的一個(gè)）比水輕，寒冷地區(qū)的水體不會(huì)完全結(jié)冰，水中的生物可以度過(guò)漫長(zhǎng)的冬季； 表面張力非常高，所以很多小動(dòng)物可以在水面上生活。 幸運(yùn)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(yùn)； 而且幸運(yùn)的是，冰雪的比熱非常大，所以雪后北半球不會(huì)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(zhì)推動(dòng)的。
水具有許多獨(dú)特的性質(zhì)，而這些性質(zhì)異常是水科學(xué)研究的主題之一。 令人極其沮喪的是，我們對(duì)水的異常性質(zhì)的定量理解還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，我們甚至可能無(wú)法就某些問(wèn)題的定性理解達(dá)成一致。 舉個(gè)最簡(jiǎn)單的例子，水分子是極性分子，偶極矩很大，這使得水在電場(chǎng)作用下很容易極化，并獲得一定的剛性（圖7）——這個(gè)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(shí)際上是在1.85~2.3德拜之間。
圖 7. 水極性演示 - 水在兩個(gè)燒杯之間形成橋梁。 施加電壓為11 kV（江南攝）。
復(fù)雜相圖
對(duì)物質(zhì)的初步了解可以在其 pT 相圖中找到。 圖8是普通熱力學(xué)教科書(shū)中水的簡(jiǎn)化pT相圖。 氣、液、固三相共存點(diǎn)（TP）對(duì)應(yīng)于固定的氣壓和溫度（T）。 該溫度 Tc=273.16 K 是絕對(duì)溫標(biāo)的唯一參考點(diǎn)。 。 氣相和液相之間的分界線(xiàn)終止于臨界點(diǎn) (CP)（218 個(gè)大氣壓，647 K）。 這里，右上角一定 pT 范圍內(nèi)的水處于超臨界狀態(tài)，這對(duì) 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(zhì)的液相和固相可能只有一種或幾種不同的結(jié)構(gòu)，但水的結(jié)構(gòu)卻出乎意料地復(fù)雜[3, 4]。
圖 8. 簡(jiǎn)化水相圖
如果我們考慮冰的結(jié)構(gòu)并檢查高壓區(qū)域，我們會(huì)得到如圖 9 所示的相圖。請(qǐng)注意，液固邊界處的斜率是 dp/dT0。 目前已知的冰晶體結(jié)構(gòu)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(qiáng)度量仍然是極性的，即可以是正的，也可以是負(fù)的，并且注意到水會(huì)呈現(xiàn)出不同的液相和非晶相結(jié)構(gòu)，我們也可以得到非晶相的相圖。水相（圖10）[5]。 考慮到內(nèi)容的復(fù)雜性，這里僅做簡(jiǎn)單介紹。 水在其高于零的液相中也具有液-液一級(jí)相變。 由于水以過(guò)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(kāi)始結(jié)冰，這是水的均質(zhì)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(dāng)溫度升高到一定溫度時(shí)，就會(huì)自發(fā)凍結(jié)。 這樣，對(duì)于無(wú)定形水來(lái)說(shuō)，由于自發(fā)凍結(jié)的現(xiàn)象而存在著無(wú)人區(qū)的溫度。 如何將非晶水的研究引入無(wú)人居住地區(qū)是水科學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)難題。
圖 9. 水非晶相的相圖。
小固體水也有自己的特點(diǎn)。 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(duì)稱(chēng)，但很難找到兩片形狀相同的雪花（圖11）。 這簡(jiǎn)直太神奇了。 據(jù)認(rèn)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(shí)驗(yàn)室重現(xiàn)并確認(rèn)這一過(guò)程也是一個(gè)難題。
圖 11. 雪花都具有六邊形對(duì)稱(chēng)性，但幾乎沒(méi)有重復(fù)。
水科學(xué)
水科學(xué)研究水的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，水與其他物質(zhì)之間的相互作用，水在各種物理、化學(xué)和生命過(guò)程中的作用等。在古代，人們就已經(jīng)認(rèn)識(shí)到水的重要性，并努力認(rèn)識(shí)和理解水。利用這種神奇的物質(zhì)。 18世紀(jì)，由于水在熱機(jī)中的應(yīng)用，對(duì)水的系統(tǒng)研究促成了水科學(xué)專(zhuān)業(yè)的形成。 近幾十年來(lái)，由于量子計(jì)算和各種現(xiàn)代分析方法的應(yīng)用，水的研究取得了前所未有的發(fā)展。
然而，正是在對(duì)水深入研究的基礎(chǔ)上，人們認(rèn)識(shí)到水科學(xué)的特點(diǎn)是“進(jìn)展緩慢，難以得出沒(méi)有爭(zhēng)議的結(jié)論”。 即使是水分子之間的氫鍵構(gòu)型和團(tuán)簇結(jié)構(gòu)等易于理解的問(wèn)題，模型和參數(shù)值也沒(méi)有達(dá)成共識(shí)。 液-液相變、非晶固-固相變、玻璃化轉(zhuǎn)變以及是否存在第二臨界點(diǎn)和第二玻璃化轉(zhuǎn)變等問(wèn)題都備受爭(zhēng)議[5]。 以水的液-液相變?yōu)槔^(guò)冷水存在一級(jí)相變的問(wèn)題在20世紀(jì)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(bào)道，實(shí)驗(yàn)觀察到水的液-液相變[9, 10]，而作者的研究組證明該實(shí)驗(yàn)的解釋是錯(cuò)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(lái)，水科學(xué)的爭(zhēng)議性越來(lái)越大英語(yǔ)作文，人們已經(jīng)習(xí)慣在反駁論文中使用這樣的（純粹是妄想的）詞語(yǔ)。
為什么水如此奇怪且難以研究？ 從實(shí)驗(yàn)的角度來(lái)看，水是由輕元素組成的，它對(duì)于X射線(xiàn)、電子束等的散射界面很小； 水是一種脆弱的存在，那些比較粗暴的分析方法是無(wú)法使用的，比如高能電子束的結(jié)構(gòu)。 分析方法。 掃描隧道顯微鏡的探頭穿過(guò)金屬表面的水層，得到的是水分子的扭曲構(gòu)型； 水是靈活的，并且水的結(jié)構(gòu)變化是非遍歷且依賴(lài)于歷史的（non-，-），因此在研究過(guò)程中水樣的結(jié)構(gòu)可能無(wú)法很好地定義或未表征等。此外，水是真空中最煩人的物質(zhì)水的相對(duì)分子質(zhì)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(duì)水的實(shí)驗(yàn)研究。 另一方面，從理論上講，氫離子不是離子，因?yàn)槭ネ鈱与娮拥臍湓又皇Ｏ乱粋€(gè)質(zhì)子。 氫原子不會(huì)完全失去電子。 氫離子應(yīng)該是半裸質(zhì)子。 這個(gè)氫離子在一定程度上總能跟上電子的運(yùn)動(dòng)。 這樣，固體電子態(tài)計(jì)算的玻恩近似在水中就變得無(wú)效。 如果關(guān)于水的計(jì)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(guò)足夠的理論計(jì)算來(lái)正確理解水的行為。 目前我們還沒(méi)有充分考慮半裸質(zhì)子的水量子力學(xué)計(jì)算。
水和物理學(xué)
如果我們稍加留意，就會(huì)發(fā)現(xiàn)水的形象充滿(mǎn)了物理成分。 物理學(xué)中的許多基本概念都來(lái)自于水的圖像或性質(zhì)。
首先，水具有彈性的皮膚。 常溫、標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)，很容易引起波動(dòng)——一只蜻蜓接觸水面就足以引起水面明顯的波動(dòng)（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(gè)普遍存在甚至被濫用的物理概念。 于是，我們談?wù)摍C(jī)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(lái)類(lèi)比光的本質(zhì)；兩個(gè)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(duì)光的二元性的解釋?zhuān)? （來(lái)自狹縫干涉實(shí)驗(yàn)的靈感）和波動(dòng)光學(xué)。 由波動(dòng)光學(xué)類(lèi)比而得出的波動(dòng)力學(xué)就是所謂的量子力學(xué)，而量子力學(xué)的主角就是波函數(shù)。 與經(jīng)典振動(dòng)描述中使用復(fù)函數(shù)只是中間躍遷不同，量子力學(xué)的波函數(shù)是強(qiáng)制性的復(fù)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?yàn)樘觳披溈怂鬼f將電磁方程轉(zhuǎn)化為波動(dòng)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(dāng)然，人們不能指望用赫茲使用的電路來(lái)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(duì)論。 要求彎曲空間中的每一點(diǎn)都滿(mǎn)足相對(duì)論的變換導(dǎo)致了廣義相對(duì)論。 通過(guò)弱場(chǎng)逼近廣義相對(duì)論引力方程得到的所謂引力波方程，看起來(lái)就像魔術(shù)師從袋子里變出了一只兔子——兔子是提前放進(jìn)去的，為什么這么神奇呢？ 波是關(guān)于空間和時(shí)間 (x, t) 的振蕩函數(shù)。 人們常常通過(guò)傅立葉分析等結(jié)果，將某一點(diǎn)測(cè)量到的振動(dòng)信號(hào)（時(shí)間序列數(shù)據(jù)）解釋為遠(yuǎn)距離事件引起的某種波的傳播。 這反映了物理學(xué)家思想的貧乏和這種物理研究方法的無(wú)聊。 它不能給我們帶來(lái)可靠的知識(shí)，更多的是詩(shī)意和遙遠(yuǎn)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(lái)自?xún)蓚€(gè)來(lái)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(lái)的形象就是流動(dòng)，因此流動(dòng)就成了我們用來(lái)描述物理的概念。 古希臘人說(shuō)，一切都是流動(dòng)的。 物理學(xué)中的流概念包括熱（質(zhì)量）流、電流和概率流。 連續(xù)性方程和各種動(dòng)力學(xué)方程也討論流動(dòng)。 此外，還有波動(dòng)()。 對(duì)于分布式物理量，平均值是描述其特性的第一近似值。 愛(ài)因斯坦更聰明一點(diǎn)，專(zhuān)注于波動(dòng)的研究。 對(duì)于兩個(gè)參數(shù)確定的分布函數(shù)，沒(méi)有證據(jù)證明平均值和波動(dòng)在多大程度上可以完成描述的再現(xiàn)。 熱力學(xué)的建立是以水、火和空氣為基礎(chǔ)的。 維也納夏季氣壓下水的冰點(diǎn)和沸點(diǎn)提供了攝氏溫標(biāo)上的兩個(gè)參考點(diǎn)（圖 12）。 熱機(jī)的發(fā)明是為了將煤礦滲水抽出，蒸汽機(jī)的廣泛使用得益于水的液氣相變的一個(gè)重要性質(zhì)——?dú)鈶B(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(biāo)提供了兩個(gè)參考點(diǎn)。
水影響著物理學(xué)的概念框架，反過(guò)來(lái)對(duì)水的理解也對(duì)物理學(xué)提出了挑戰(zhàn)。 盡管人們基于抽象思維建立起來(lái)的物理學(xué)已經(jīng)將人類(lèi)的觸角伸入了原子核內(nèi)部，但我們用來(lái)理解物質(zhì)性質(zhì)的那部分物理知識(shí)對(duì)于水的獨(dú)特性質(zhì)卻顯得如此無(wú)力。
結(jié)論
就單一物質(zhì)而言，沒(méi)有什么比水對(duì)我們更重要、更有意義的了； 而論復(fù)雜性和奇異性，恐怕水也是其他物質(zhì)無(wú)法比擬的。 在所有物質(zhì)中，水可以說(shuō)是研究最多但了解最少的。 水給了我們無(wú)限的可能性、無(wú)限的驚喜、無(wú)限的靈感。 也給我們帶來(lái)了無(wú)窮無(wú)盡的問(wèn)題。 隨著我們對(duì)水的了解每前進(jìn)一步，我們對(duì)世界和我們自己的了解就會(huì)加深。 這是水和水科學(xué)最迷人的部分。
最后，發(fā)出微弱的呼吁：“支持水科學(xué)研究，它關(guān)系到生命的基礎(chǔ)！”
參考
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[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。