水是世界上最普通的，也是最反常的物質。
撰文|瞿立健
我們這個世界有好多“怪異”的東西，例如量子、黑洞、暗物質、暗能量、宇宙起源，等等。這種東西離我們的日常生活有點遠，不過，日常生活中也有與那些東西同樣奇特的東西，那就是——水。
奇特的水
司空見慣的水在科學上卻是最奇特的液體。有科學家列出出水起碼有66種反常性質。這種奇特的性質里，好多彰顯在專門的科學實驗里，也有一些性質可以輕松表現下來。
把一塊冰——固態的水——扔進冷液態水里，你會發覺，冰會浮在海面上，由于冰的密度大于液態水。這就是奇事一樁，通常液體匯聚為固體，密度減小，由于原子或分子在固體中的排列比在液體中更緊密。
水面正在結冰的時侯，用體溫計測一下各深度處水的氣溫，海面處水溫為0℃，而湖頂部氣溫為4℃，這是由于水在4℃時密度最大。
液態水的密度小于冰，且冰點時其密度大于氣溫稍高時的密度，否則，河流和湖泊會從下往上結冰，水底生物將無法存活。這對生命有重要意義，更不用說它們挺過歷史上多次漫長的二疊紀。
各氣溫下水的密度。圖源：CRCofand
河水頂部氣溫為4℃。圖源：~/sq//.png
另一方面，讓水下降一定濕度，須要吸收的熱比通常液體出奇得高，常下臥室的讀者都有生活經驗，油的升溫要比水快。水放熱能力強，這也有意義——如果放熱能力很差，氣候稍有變化，生態系統將遭遇滅頂之災。
水結冰時要膨脹，冰溶化時卻收縮。水起碼能產生17種晶體——即冰。
本文前面會再列出幾種水的奇特性質。
我們應當對水的奇特性質有感恩之心，否則，復雜的生命似乎不會存在，我們也就沒有機會閱覽這篇文章，感受水的神奇。
水為何行為古怪？
科學家思索問題，通常遵循還原主義思維，物質性質源自物質的結構。
這么，水是哪些樣的結構呢？
雙水記
故事溯源至1976年。
日本普渡學院的奧斯汀·安吉爾（）和羅賓·斯皮迪（Robin）將水降溫，想瞧瞧水能降到多低的氣溫。
你可能會問，減少到0℃不就結冰了嗎？
不一定，假如容器內十分潔凈，水十分平淡，在0℃以下仍會保持液體狀態，這叫“過熱水”。
一瓶過熱水遭到擾動以后快速結冰。圖源：按照視頻制做
安吉爾和斯皮迪發覺一些奇怪的現象：體溫越低，過熱水的密度分布極其不均勻。常理來說，氣溫越低，水的密度應當越均勻。
水上面發生了哪些事情？
限于當時的實驗條件，難以觀測得更細致。
1992年，加拿大波士頓學院的彼得·普爾（PeterPoole）和吉恩·斯坦利（Gene）對水進行了計算機模擬研究（1992,360,324–328），再現了實驗中類似的現象。更重要的是，計算機模擬可以估算體系的各類性質，甚至分子的具體運動情況。
普爾和斯坦利依據她們的計算機模擬結果，看出過熱水的行為似乎和普通水弄成水蒸汽的情況很類似。普通水在一些特殊條件下，密度分布也會顯得極端不均勻。下邊我們先簡單介紹一下水從液體變為二氧化碳的過程。
二氧化碳和液體的分界線——汽化線。圖源：《邊緣奇跡：相變和臨界現象》
如上圖所示，液體浮力保持為P0，升溫，即液體狀態按圖中線LQ聯通，抵達點Q時，一部份液體開始氣化，即弄成二氧化碳。此時雖然繼續加熱，但氣溫卻不再下降，而是保持在T0。直至全部液體弄成二氧化碳，氣溫才繼續沿QG下降。在各類浮力下做實驗，可以得到一系列氣液共存的點，把這種點連上去，就得到一條曲線——汽化線。
仍然升溫或加壓，氣化線會仍然延展下去還是在某個點急遽而止？
實驗發覺水的密度是什么它表示什么，氣化線有個終點，這個點叫作臨界點，即右圖中的點。
氣化線有個終點，即臨界點。圖源：《邊緣奇跡：相變和臨界現象》
臨界點之外，物質是處于氣態還是液態？
這個問題是沒有意義的，由于臨界點之外，氣態和液態的差異不復存在。沿圖中實線做實驗，物質可以從液態點連續地弄成氣態。
在氣固相變的臨界點附近，密度分布也是極端不均勻的。一個相關的實驗現象是臨界乳光，如右圖所示。（編者注：可參見《臨界現象200華誕，是誰最早發覺了這個化學現象？》）
用光照射受熱的乙酸，圖1為氣液共存狀態，圖2中發生了臨界乳光現象，即物質散射的光為紅色，這說明在光的波長這么小的尺度上，物質的密度都不均勻，物質顯得不透明且變得混濁。圖3為超臨界流體。圖源：維基百科
通常來說物質有氣態、液態和固態三種狀態。不過，數學學中更常用的詞是“相”，而不是“態”。
物質的“相”的種類比通常所說的“態”的種類要多得多。也就是說，對應于同一個態，還可以有許多不同的“相”。例如，水的固態是冰，但冰有好多種不同的結晶形式，它們對應于不同的“相”。
物質從一種相轉換成另一種相，稱為相變。水從液態（或稱氣相）弄成氣態（或稱液相）就是一種相變。
我們回到普爾和斯坦利的實驗，她們通過計算機模擬發覺，過熱水在某氣溫附近密度也會顯得及其不均勻，這與氣固相變臨界點附近的情況很類似。于是，普爾和斯坦利構想，哪里是個臨界點，過熱水也可以發生相變，兩相分別是低密度水和萊西度水。
普爾和斯坦利的構想得到后續更精確的水模型的模擬結果支持，顯示她們的推測很靠譜，即水不僅氣化線的臨界點之外，過熱水還有一個臨界點。
過熱水會發生高、低密度水相變，類似普通水的氣固相變。注意，本圖中縱座標為體溫，橫座標為浮力。圖源：World
實驗上能不能見到這個臨界點呢？
很難，這個臨界點在-45℃，在如此低的氣溫下，水很容易就結冰了。
全世界多個杰出的課題組展開了研究，努力了26年，在2017和2018年，兩個獨立的精致實驗(2017,358,1589;2018,359,1127)確定，第二個臨界點是存在的，過熱水在適當條件下可以發生相變，即存在兩種結構的水。
具體是哪些樣的結構呢？
日本斯德哥爾摩學院的安德斯·尼爾松（）院長與其合作者在這個方面做了系統的工作，我們直接介紹她們所得到的推論。
一水兩構
水的結構是水份子之間的互相作用決定的。
水份子由兩個氫原子和一個氧原子組成，兩個氫原子分別與氧原子緊密結合在一起，產生V字型結構，它們之間的結合形式物理家稱之為“共價鍵”。
氧原子和氫原子通過共價鍵結合產生水份子。圖源：科普中國
水份子整體是電中性的，但在分子內部，電量分布是不均勻的，氧原子頗有負電，而兩個氫原子頗有正電。當一個水分子中的氧原子和另一個水分子中的氫原子緊靠時，兩個水份子之間還會形成吸引作用，這些作用物理家稱為“氫鍵”。
水份子間官能團的產生。圖源：科普中國
官能團要比共價鍵弱得多，很容易被破壞。有人形象地說：“氫鍵相當于兩個人手拉手，可以拉也可以分。共價鍵聯接的是你自己的手和腳，不能分開。”
尼爾松依據她們的實驗結果，提出水分子在構象的影響下，可以有兩種排列方法，按多面體有序排列或隨機無序排列，分別組成低密度水和萊西度水。
水有兩種結構。圖源：New
以上理論可以解釋水的眾多反常性質，下邊略舉幾例。
正解反常
?冰的密度比水小。
冰中的水份子排列方法與低密度水底水份子排列方法相同，即多面體結構，而水底還有無序結構的新泰度水，因而，水的平均密度小于冰的密度。
?水在4℃時密度最大。
在0°C時，水份子更多地處于多面體結構的有序相，即低密度水占優勢。極端情況下，假如完全沒有無序的青州度水，液態水就締結冰了。氣溫下降，分子無規則的熱運動就越劇烈，有序結構就越少，萊州度水越占優勢，即水的密度下降。但當水溫達到4°C以上時，分子熱運動使水份子寬度隨氣溫下降而減小，水的密度從而減少。
分子仍然做著無規則熱運動，氣溫越高，分子熱運動越劇烈，有序結構就越無法維持。圖源：。
?水的比熱容明顯小于絕大多數液體。
加熱物質，使其升高三定量的體溫，但水比其他液體須要熱量更高，即比熱容更大，由于水須要一部份熱量來破壞低密度水的多面體結構。
?水的比熱容隨氣溫下降先降低后減小水的密度是什么它表示什么，在35°C時有個極小值，而絕大多數液體的比熱容隨氣溫下降而仍然減小。
在0至35°C之間，濕度下降造成水底的多面體結構不斷被破壞，以便水份子做無序的運動；隨著氣溫下降，多面體結構越來越少，水變得放熱能力在減少。氣溫達到35°C時，水底多面體結構破壞殆盡，水的比熱容開始表現得類似通常液體了。
水的比熱容與濕度。圖源：
?水的壓縮率——加壓以后，降低的容積與衣原體積之比——隨氣溫下降先降低后減小，在46°C時有個極小值，而絕大多數液體的壓縮率隨氣溫下降而仍然減小。
隨著氣溫下降，46°C之前，水表現得難于被壓縮，這是由于低密度水的結構漸趨解體，萊西度水比列越來越高。氣溫達到46°C以后，水底幾乎只有無序的青州度水，行為類似普通液體，氣溫越高越易被壓縮。
比熱容彰顯的是微觀結構數量的變化，壓縮率彰顯的是分子堆積的松緊程度，兩者極小值不落在同一氣溫，是正常的。
?水比絕大多數液體無法被壓縮。
這是電負性帶給水分子之間強烈的吸引力引起的，尤其是對于萊州度水。
?高壓下水分子更適于擴散。
高壓可破壞多面體有序結構，水份子排列越無序，越適于擴散。
?水受熱膨脹，加壓，更膨脹……
加壓使水更無序，從而便于膨脹。
不再列出水的更多反常性質給以解釋了。反正，水份子有兩種排列形式，這個理論與實驗相符，且能一致地解釋水的反常性質。
水的奇特性質的奧秘開始浮出水面，只不過，這讓水變得更古怪。
主要參考資料
New,2018,238,3180,26-29New,2010,205,2746,32-.Rev.2016,116,7463?ofwaterToday,2017,70,18-21數學,2010,39,79-84本文受科普中國·星空計劃項目扶植出品：中國文聯科普部監制：中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司
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