水覆盖地球表面约70%，参与地球上的各种物理、化学和生命过程。 对水的研究是认识自然的必然要求。 水是一种独特的物质，具有极其复杂的结构和不寻常的物理性质。 水科学就像水一样令人着迷。
撰写者 | 曹泽贤（中国科学院物理研究所）
独特的水
我们的家园地球是一颗独特的星球（我倾向于相信它是这个宇宙中唯一的一个），它的独特之处就是水的存在（图1）。 地球表面大约70%被水覆盖。 假设地球均匀地被水覆盖，水深约为2.7公里。 此外，地球大气层中的水蒸气，如果视为液态水，按均匀全覆盖计算水的相对分子质量，厚度也高达5厘米。 水使地球移动，真正孕育了生命。 其实我以为，在没有原生动物、细胞、病毒、动植物等所谓的生命体之前，因为水带动了地球表面各种物质的流动，所以地球本身就可以认为是有生命的、有生命的（、 ) 是的——生命在于流动。 水导致了地球上的生命奇迹，因为地球绕太阳运行的轨道是一个近乎完美的圆，有合适的半径。 这使得水的气体、液体和固体处于地球所具有的pT（压力-温度）范围内。 这三种状态都可以出现，并且可以在一个小地方同时存在（图2）——水的三相点落在地球所能维持的pT参数空间内，这是生命出现的物理保证。 如果说这个宇宙有奇迹的话，那就是这个了！
图 1. 与我们的邻居和任何已知的遥远行星相比，地球是独一无二的，因为它有水
图2.地球的pT参数范围允许水、气、液、固三相同时出现在一处。
图2.地球的pT参数范围允许水、气、液、固三相同时出现在一处。
生命源于水，也依赖于水的存在，因此各种生命都发展出了惊人的利用水的策略。 生命取决于水的一个关键特性，即水几乎是一种通用溶剂。 各种物质都会在一定程度上溶解在水中。 这样，水就带来了生命所必需的各种物质，特别是那些微量物质。 （图 3）。 其实这个问题应该反过来看。 原始时期水中的物质组成决定了生命的组成。 生命占据了地球的每一个角落。 在没有水的地方，动物和植物发展出了惊人的收集和储存水的能力（图4）。
图3弹涂鱼的生活环境告诉我们，没有必要喝所谓的纯净水。
图 4. 一棵充满水的猴面包树和一只在睡觉时收集水的沙漠甲虫
人类对水充满了好奇，想知道它到底是一种什么样的物质，直到有一天化学家发现氢气和氧气一起燃烧可以得到水。 水分子是H2O，是一个三原子分子。 两个氢氧键的键长约为0.96Å，夹角约为104.45°。 看起来非常简单天真（图5）。 然而，这种分子的简单是一种极具欺骗性的简单，而它所构成的水的奇怪而复杂的特性让科学家们头疼不已。 在聚集体中，水分子将通过氢键与最多4个其他水分子结合（图5），水分子将形成不同大小的簇（图6），并且这些簇是动态的。 它在秒量级（1ps=10-12s）的时间尺度上不断分裂和重组。 水分子中HO键的键长和键角，以及分子间氢键的键长和方向，可以在大范围内灵活调节。 因此，很容易理解为什么水具有如此复杂多样的结构。 。
图 5. 水分子之间的氢键
图 6. 几个水分子簇的构型
水的异常性质
与其他物质相比，水有太多“反常”的特性。 有些网站甚至列出了70多种水的异常性质[1]。 为了让读者有所了解，这里有一些有趣的异常属性，包括：
(1) 水密度随温度增加（最高~4°C）；
(2)水的表面比水体的密度大；
(3)冰的导热系数随压力而降低；
（四）水的熔点、沸点、临界点均异常高的；
(5)固体水具有大量稳定的晶相；
(6)过冷水有两相，第二临界点为-91℃；
(7)液态水可以在很低的温度下存在，加热时会凝固；
(8)液态水容易过热；
(9) 热水可能比冷水更快结冰；
(10)液态水容易过冷，但难以玻璃化；
(11)液-气相变体积变化极大~1800倍；
(12)融化时，水的邻居数量增加；
(13)压力会使冰的熔点降低；
(14) 压力降低时最高密度对应的温度；
(15)过冷水的密度最小；
(16)压缩率极小；
(17) 压缩比随温度降低（直到~46.5°C）；
(18)压缩比-温度关系有最小值；
(19) 折射率在0℃以下附近取最大值；
(20)比热很大；
(21)导热系数高，130℃时最大；
(22)粘度随压力降低；
……ETC。
其中一些异常性质与生命的发生和延续密切相关。 例如，由于自然条件下形成的冰（已知的16个冰相中唯一的一个）比水轻，寒冷地区的水体不会完全结冰，水中的生物可以度过漫长的冬季； 表面张力非常高，所以很多小动物可以在水面上生活。 幸运的是，水的比热容很高，赤道附近的水不容易沸腾，所以水生生物避免了被自然煮熟的命运； 而且幸运的是，冰雪的比热非常大，所以雪后北半球不会很快变成沼泽。 水作为生命发生的前提，是由许多反常的物理性质推动的。
水具有许多独特的性质，而这些性质异常是水科学研究的主题之一。 令人极其沮丧的是，我们对水的异常性质的定量理解还远远不够，我们甚至可能无法就某些问题的定性理解达成一致。 举个最简单的例子，水分子是极性分子，偶极矩很大，这使得水在电场作用下很容易极化，并获得一定的刚性（图7）——这个水桥的直径为7-8毫米。 那么，水分子的偶极矩有多大呢？ 我们现有的数据实际上是在1.85~2.3德拜之间。
图 7. 水极性演示 - 水在两个烧杯之间形成桥梁。 施加电压为11 kV（江南摄）。
复杂相图
对物质的初步了解可以在其 pT 相图中找到。 图8是普通热力学教科书中水的简化pT相图。 气、液、固三相共存点（TP）对应于固定的气压和温度（T）。 该温度 Tc=273.16 K 是绝对温标的唯一参考点。 。 气相和液相之间的分界线终止于临界点 (CP)（218 个大气压，647 K）。 这里，右上角一定 pT 范围内的水处于超临界状态，这对 pT 参数溶解度极其敏感。 水的液固相边界的斜率是dp/dT[2]。 重要的是，一般物质的液相和固相可能只有一种或几种不同的结构，但水的结构却出乎意料地复杂[3, 4]。
图 8. 简化水相图
如果我们考虑冰的结构并检查高压区域，我们会得到如图 9 所示的相图。请注意，液固边界处的斜率是 dp/dT0。 目前已知的冰晶体结构有 16 种。
图 9. 水的相图，其中固相是晶体。
图 9. 水的相图，其中固相是晶体。
然而，如果我们考虑到压力的强度量仍然是极性的，即可以是正的，也可以是负的，并且注意到水会呈现出不同的液相和非晶相结构，我们也可以得到非晶相的相图。水相（图10）[5]。 考虑到内容的复杂性，这里仅做简单介绍。 水在其高于零的液相中也具有液-液一级相变。 由于水以过冷状态存在，因此水在零摄氏度以下也是液态。 水可以持续到-41°C才开始结冰，这是水的均质成核温度TH~232 K。更令人震惊的是，在TX~150 K以下的极寒地区，水也以液态存在，而这种液态，就像非晶态的固态一样，当温度升高到一定温度时，就会自发冻结。 这样，对于无定形水来说，由于自发冻结的现象而存在着无人区的温度。 如何将非晶水的研究引入无人居住地区是水科学领域的一个难题。
图 9. 水非晶相的相图。
小固体水也有自己的特点。 小尺寸固体水包括雪、霜、冻雨、冰雹、雾凇、软冰雹等[3, 4]。 雪花基本呈六边形对称，但很难找到两片形状相同的雪花（图11）。 这简直太神奇了。 据认为，下落的软冰雹和上升的温暖水蒸气之间的摩擦是云带电的原因。 如何在实验室重现并确认这一过程也是一个难题。
图 11. 雪花都具有六边形对称性，但几乎没有重复。
水科学
水科学研究水的结构和性质，水与其他物质之间的相互作用，水在各种物理、化学和生命过程中的作用等。在古代，人们就已经认识到水的重要性，并努力认识和理解水。利用这种神奇的物质。 18世纪，由于水在热机中的应用，对水的系统研究促成了水科学专业的形成。 近几十年来，由于量子计算和各种现代分析方法的应用，水的研究取得了前所未有的发展。
然而，正是在对水深入研究的基础上，人们认识到水科学的特点是“进展缓慢，难以得出没有争议的结论”。 即使是水分子之间的氢键构型和团簇结构等易于理解的问题，模型和参数值也没有达成共识。 液-液相变、非晶固-固相变、玻璃化转变以及是否存在第二临界点和第二玻璃化转变等问题都备受争议[5]。 以水的液-液相变为例，过冷水存在一级相变的问题在20世纪80年代就被提出[6, 7]。 然而，2013年，有人从理论角度否定了液-液相变。 相变[8]，有人在2013年和2014年报道，实验观察到水的液-液相变[9, 10]，而作者的研究组证明该实验的解释是错误的——所谓的甘油水溶液 观察到的水中液-液相变仅基于中等浓度水溶液玻璃化的一般行为 [11, 12]。 近年来，水科学的争议性越来越大英语作文，人们已经习惯在反驳论文中使用这样的（纯粹是妄想的）词语。
为什么水如此奇怪且难以研究？ 从实验的角度来看，水是由轻元素组成的，它对于X射线、电子束等的散射界面很小； 水是一种脆弱的存在，那些比较粗暴的分析方法是无法使用的，比如高能电子束的结构。 分析方法。 扫描隧道显微镜的探头穿过金属表面的水层，得到的是水分子的扭曲构型； 水是灵活的，并且水的结构变化是非遍历且依赖于历史的（non-，-），因此在研究过程中水样的结构可能无法很好地定义或未表征等。此外，水是真空中最烦人的物质水的相对分子质量，大多数在真空下工作的分析方法不能用于散装水的分析。 这些因素限制了对水的实验研究。 另一方面，从理论上讲，氢离子不是离子，因为失去外层电子的氢原子只剩下一个质子。 氢原子不会完全失去电子。 氢离子应该是半裸质子。 这个氢离子在一定程度上总能跟上电子的运动。 这样，固体电子态计算的玻恩近似在水中就变得无效。 如果关于水的计算总是集中在电子上（不幸的是目前的情况），我们就不能指望通过足够的理论计算来正确理解水的行为。 目前我们还没有充分考虑半裸质子的水量子力学计算。
水和物理学
如果我们稍加留意，就会发现水的形象充满了物理成分。 物理学中的许多基本概念都来自于水的图像或性质。
首先，水具有弹性的皮肤。 常温、标准大气压下水的表面张力为72.74 mN/m，仅次于汞。 水的表面张力值恰到好处，可以让水面产生波动，很容易引起波动——一只蜻蜓接触水面就足以引起水面明显的波动（图12）（由蜻蜓产生的“波浪”）我们的祖先可以理解为“水”“皮”也）。 因此，波已经成为一个普遍存在甚至被滥用的物理概念。 于是，我们谈论机械波和光波（蜡烛的光影让惠更斯用池塘里的卵石激起的水波来类比光的本质；两个物体引起的水面起伏）水面上荡漾的小船给了托马斯·杨他对光的二元性的解释）。 （来自狭缝干涉实验的灵感）和波动光学。 由波动光学类比而得出的波动力学就是所谓的量子力学，而量子力学的主角就是波函数。 与经典振动描述中使用复函数只是中间跃迁不同，量子力学的波函数是强制性的复函数，尽管很难看到 expi[kx-ωt 形式的波] 不再了。 光被视为电磁波，是因为天才麦克斯韦将电磁方程转化为波动方程的形式，发现由电磁常数决定的波速接近光速。 当然，人们不能指望用赫兹使用的电路来证明电磁波的存在，从而使传统意义上的光波振荡（这有物理解释吗？）。 电磁方程的变换不变性就是所谓的狭义相对论。 要求弯曲空间中的每一点都满足相对论的变换导致了广义相对论。 通过弱场逼近广义相对论引力方程得到的所谓引力波方程，看起来就像魔术师从袋子里变出了一只兔子——兔子是提前放进去的，为什么这么神奇呢？ 波是关于空间和时间 (x, t) 的振荡函数。 人们常常通过傅立叶分析等结果，将某一点测量到的振动信号（时间序列数据）解释为远距离事件引起的某种波的传播。 这反映了物理学家思想的贫乏和这种物理研究方法的无聊。 它不能给我们带来可靠的知识，更多的是诗意和遥远的想象。
图12.水的表面张力使得水的表面很容易产生波浪。 来自两个来源的水波表现出相干条纹，这激发了所谓的光的双缝干涉及其解释。
水给我们带来的形象就是流动，因此流动就成了我们用来描述物理的概念。 古希腊人说，一切都是流动的。 物理学中的流概念包括热（质量）流、电流和概率流。 连续性方程和各种动力学方程也讨论流动。 此外，还有波动()。 对于分布式物理量，平均值是描述其特性的第一近似值。 爱因斯坦更聪明一点，专注于波动的研究。 对于两个参数确定的分布函数，没有证据证明平均值和波动在多大程度上可以完成描述的再现。 热力学的建立是以水、火和空气为基础的。 维也纳夏季气压下水的冰点和沸点提供了摄氏温标上的两个参考点（图 12）。 热机的发明是为了将煤矿渗水抽出，蒸汽机的广泛使用得益于水的液气相变的一个重要性质——气态水的体积约为液态水的1800倍。
图 12。冰和水的混合物以及水的沸腾为摄氏温标提供了两个参考点。
水影响着物理学的概念框架，反过来对水的理解也对物理学提出了挑战。 尽管人们基于抽象思维建立起来的物理学已经将人类的触角伸入了原子核内部，但我们用来理解物质性质的那部分物理知识对于水的独特性质却显得如此无力。
结论
就单一物质而言，没有什么比水对我们更重要、更有意义的了； 而论复杂性和奇异性，恐怕水也是其他物质无法比拟的。 在所有物质中，水可以说是研究最多但了解最少的。 水给了我们无限的可能性、无限的惊喜、无限的灵感。 也给我们带来了无穷无尽的问题。 随着我们对水的了解每前进一步，我们对世界和我们自己的了解就会加深。 这是水和水科学最迷人的部分。
最后，发出微弱的呼吁：“支持水科学研究，它关系到生命的基础！”
参考
[1]，www1.lsbu.ac.uk/water/.html
[2] D., W.，《水与水》，(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.，冰的一阶二阶。 314, 76–78 (1985)。
[7] O.，HE，The，和水。 396, 329–325 (1998)。
[8] DT, D., The – 是水的固体。 J.化学。 物理。 135，（2011）； 138，（2013）。
[9] K. , & H. , of - 在 . 纳特。 。 4、2844（2013）。
[10] J. Russo, F., H.，冰的新形式及其在水中的作用。 纳特。 材料.13, 733–739 (2014)。
[11]王Q.，赵LS，李CX，曹ZX，冰中自由水的作用，6，26831（2016）。
[12] 赵LS，曹ZXX，王Q.，玻璃-冰-水，5，15714（2015）。
注：本文初稿发表于《物理》杂志2016年第11期。 本文为作者最新修订版。