水是世界上最普通的，也是最反常的物质。
撰文|瞿立健
我们这个世界有好多“怪异”的东西，例如量子、黑洞、暗物质、暗能量、宇宙起源，等等。这种东西离我们的日常生活有点远，不过，日常生活中也有与那些东西同样奇特的东西，那就是——水。
奇特的水
司空见惯的水在科学上却是最奇特的液体。有科学家列出出水起码有66种反常性质。这种奇特的性质里，好多彰显在专门的科学实验里，也有一些性质可以轻松表现下来。
把一块冰——固态的水——扔进冷液态水里，你会发觉，冰会浮在海面上，由于冰的密度大于液态水。这就是奇事一桩，通常液体汇聚为固体，密度减小，由于原子或分子在固体中的排列比在液体中更紧密。
水面正在结冰的时侯，用体温计测一下各深度处水的气温，海面处水温为0℃，而湖顶部气温为4℃，这是由于水在4℃时密度最大。
液态水的密度小于冰，且冰点时其密度大于气温稍高时的密度，否则，河流和湖泊会从下往上结冰，水底生物将无法存活。这对生命有重要意义，更不用说它们挺过历史上多次漫长的二叠纪。
各气温下水的密度。图源：CRCofand
河水顶部气温为4℃。图源：~/sq//.png
另一方面，让水下降一定湿度，须要吸收的热比通常液体出奇得高，常下卧室的读者都有生活经验，油的升温要比水快。水放热能力强，这也有意义——如果放热能力很差，气候稍有变化，生态系统将遭遇灭顶之灾。
水结冰时要膨胀，冰溶化时却收缩。水起码能产生17种晶体——即冰。
本文前面会再列出几种水的奇特性质。
我们应当对水的奇特性质有感恩之心，否则，复杂的生命似乎不会存在，我们也就没有机会阅览这篇文章，感受水的神奇。
水为何行为古怪？
科学家思索问题，通常遵循还原主义思维，物质性质源自物质的结构。
这么，水是哪些样的结构呢？
双水记
故事溯源至1976年。
日本普渡学院的奥斯汀·安吉尔（）和罗宾·斯皮迪（Robin）将水降温，想瞧瞧水能降到多低的气温。
你可能会问，减少到0℃不就结冰了吗？
不一定，假如容器内十分洁净，水十分平淡，在0℃以下仍会保持液体状态，这叫“过热水”。
一瓶过热水遭到扰动以后快速结冰。图源：按照视频制做
安吉尔和斯皮迪发觉一些奇怪的现象：体温越低，过热水的密度分布极其不均匀。常理来说，气温越低，水的密度应当越均匀。
水上面发生了哪些事情？
限于当时的实验条件，难以观测得更细致。
1992年，加拿大波士顿学院的彼得·普尔（PeterPoole）和吉恩·斯坦利（Gene）对水进行了计算机模拟研究（1992,360,324–328），再现了实验中类似的现象。更重要的是，计算机模拟可以估算体系的各类性质，甚至分子的具体运动情况。
普尔和斯坦利依据她们的计算机模拟结果，看出过热水的行为似乎和普通水弄成水蒸汽的情况很类似。普通水在一些特殊条件下，密度分布也会显得极端不均匀。下边我们先简单介绍一下水从液体变为二氧化碳的过程。
二氧化碳和液体的分界线——汽化线。图源：《边缘奇迹：相变和临界现象》
如上图所示，液体浮力保持为P0，升温，即液体状态按图中线LQ联通，抵达点Q时，一部份液体开始气化，即弄成二氧化碳。此时虽然继续加热，但气温却不再下降，而是保持在T0。直至全部液体弄成二氧化碳，气温才继续沿QG下降。在各类浮力下做实验，可以得到一系列气液共存的点，把这种点连上去，就得到一条曲线——汽化线。
仍然升温或加压，气化线会仍然延展下去还是在某个点急遽而止？
实验发觉水的密度是什么它表示什么，气化线有个终点，这个点叫作临界点，即右图中的点。
气化线有个终点，即临界点。图源：《边缘奇迹：相变和临界现象》
临界点之外，物质是处于气态还是液态？
这个问题是没有意义的，由于临界点之外，气态和液态的差异不复存在。沿图中实线做实验，物质可以从液态点连续地弄成气态。
在气固相变的临界点附近，密度分布也是极端不均匀的。一个相关的实验现象是临界乳光，如右图所示。（编者注：可参见《临界现象200华诞，是谁最早发觉了这个化学现象？》）
用光照射受热的乙酸，图1为气液共存状态，图2中发生了临界乳光现象，即物质散射的光为红色，这说明在光的波长这么小的尺度上，物质的密度都不均匀，物质显得不透明且变得混浊。图3为超临界流体。图源：维基百科
通常来说物质有气态、液态和固态三种状态。不过，数学学中更常用的词是“相”，而不是“态”。
物质的“相”的种类比通常所说的“态”的种类要多得多。也就是说，对应于同一个态，还可以有许多不同的“相”。例如，水的固态是冰，但冰有好多种不同的结晶形式，它们对应于不同的“相”。
物质从一种相转换成另一种相，称为相变。水从液态（或称气相）弄成气态（或称液相）就是一种相变。
我们回到普尔和斯坦利的实验，她们通过计算机模拟发觉，过热水在某气温附近密度也会显得及其不均匀，这与气固相变临界点附近的情况很类似。于是，普尔和斯坦利构想，哪里是个临界点，过热水也可以发生相变，两相分别是低密度水和莱西度水。
普尔和斯坦利的构想得到后续更精确的水模型的模拟结果支持，显示她们的推测很靠谱，即水不仅气化线的临界点之外，过热水还有一个临界点。
过热水会发生高、低密度水相变，类似普通水的气固相变。注意，本图中纵座标为体温，横座标为浮力。图源：World
实验上能不能见到这个临界点呢？
很难，这个临界点在-45℃，在如此低的气温下，水很容易就结冰了。
全世界多个杰出的课题组展开了研究，努力了26年，在2017和2018年，两个独立的精致实验(2017,358,1589;2018,359,1127)确定，第二个临界点是存在的，过热水在适当条件下可以发生相变，即存在两种结构的水。
具体是哪些样的结构呢？
日本斯德哥尔摩学院的安德斯·尼尔松（）院长与其合作者在这个方面做了系统的工作，我们直接介绍她们所得到的推论。
一水两构
水的结构是水份子之间的互相作用决定的。
水份子由两个氢原子和一个氧原子组成，两个氢原子分别与氧原子紧密结合在一起，产生V字型结构，它们之间的结合形式物理家称之为“共价键”。
氧原子和氢原子通过共价键结合产生水份子。图源：科普中国
水份子整体是电中性的，但在分子内部，电量分布是不均匀的，氧原子颇有负电，而两个氢原子颇有正电。当一个水分子中的氧原子和另一个水分子中的氢原子紧靠时，两个水份子之间还会形成吸引作用，这些作用物理家称为“氢键”。
水份子间官能团的产生。图源：科普中国
官能团要比共价键弱得多，很容易被破坏。有人形象地说：“氢键相当于两个人手拉手，可以拉也可以分。共价键联接的是你自己的手和脚，不能分开。”
尼尔松依据她们的实验结果，提出水分子在构象的影响下，可以有两种排列方法，按多面体有序排列或随机无序排列，分别组成低密度水和莱西度水。
水有两种结构。图源：New
以上理论可以解释水的众多反常性质，下边略举几例。
正解反常
•冰的密度比水小。
冰中的水份子排列方法与低密度水底水份子排列方法相同，即多面体结构，而水底还有无序结构的新泰度水，因而，水的平均密度小于冰的密度。
•水在4℃时密度最大。
在0°C时，水份子更多地处于多面体结构的有序相，即低密度水占优势。极端情况下，假如完全没有无序的青州度水，液态水就缔结冰了。气温下降，分子无规则的热运动就越剧烈，有序结构就越少，莱州度水越占优势，即水的密度下降。但当水温达到4°C以上时，分子热运动使水份子宽度随气温下降而减小，水的密度从而减少。
分子仍然做着无规则热运动，气温越高，分子热运动越剧烈，有序结构就越无法维持。图源：。
•水的比热容明显小于绝大多数液体。
加热物质，使其升高三定量的体温，但水比其他液体须要热量更高，即比热容更大，由于水须要一部份热量来破坏低密度水的多面体结构。
•水的比热容随气温下降先降低后减小水的密度是什么它表示什么，在35°C时有个极小值，而绝大多数液体的比热容随气温下降而仍然减小。
在0至35°C之间，湿度下降造成水底的多面体结构不断被破坏，以便水份子做无序的运动；随着气温下降，多面体结构越来越少，水变得放热能力在减少。气温达到35°C时，水底多面体结构破坏殆尽，水的比热容开始表现得类似通常液体了。
水的比热容与湿度。图源：
•水的压缩率——加压以后，降低的容积与衣原体积之比——随气温下降先降低后减小，在46°C时有个极小值，而绝大多数液体的压缩率随气温下降而仍然减小。
随着气温下降，46°C之前，水表现得难于被压缩，这是由于低密度水的结构渐趋解体，莱西度水比列越来越高。气温达到46°C以后，水底几乎只有无序的青州度水，行为类似普通液体，气温越高越易被压缩。
比热容彰显的是微观结构数量的变化，压缩率彰显的是分子堆积的松紧程度，两者极小值不落在同一气温，是正常的。
•水比绝大多数液体无法被压缩。
这是电负性带给水分子之间强烈的吸引力引起的，尤其是对于莱州度水。
•高压下水分子更适于扩散。
高压可破坏多面体有序结构，水份子排列越无序，越适于扩散。
•水受热膨胀，加压，更膨胀……
加压使水更无序，从而便于膨胀。
不再列出水的更多反常性质给以解释了。反正，水份子有两种排列形式，这个理论与实验相符，且能一致地解释水的反常性质。
水的奇特性质的奥秘开始浮出水面，只不过，这让水变得更古怪。
主要参考资料
New,2018,238,3180,26-29New,2010,205,2746,32-.Rev.2016,116,7463−ofwaterToday,2017,70,18-21数学,2010,39,79-84本文受科普中国·星空计划项目扶植出品：中国文联科普部监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司
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