岳棠

奇特的水

水很普通，小到細(xì)胞，大到汪洋，都有水的存在；水很尋常，喝水、洗浴、澆花……生活中的點(diǎn)點(diǎn)滴滴都有水的參與。

但水又是奇特的，一般的物體會(huì)“熱脹冷縮”，水有時(shí)候卻是“冷脹熱縮”，水在4℃左右時(shí)的密度比冰的密度還大；水的比熱容比大多物質(zhì)都大，吸熱能力極強(qiáng)；水有很好的承載能力，是最好的溶劑，能溶解許多物質(zhì)。

水的這些奇特之處又都是有意義的，如果低溫的水密度比冰小，那么冬天時(shí)，湖泊、河流的水就會(huì)從底層開(kāi)始層層冰凍，水里的生物就沒(méi)有了立足之地；如果水的比熱容沒(méi)有那么大，吸收不了大量的熱，那么夏天的湖泊、海洋大概會(huì)是沸騰的；如果水沒(méi)有強(qiáng)大的溶解能力，也就無(wú)法為細(xì)胞運(yùn)輸它所需要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。

總之，水是奇特的，它的奇特又是我們必需的。但是，水為什么會(huì)如此奇特呢？這個(gè)問(wèn)題一直困擾著科學(xué)家，對(duì)它的研究可追溯到伽利略的時(shí)代，但當(dāng)時(shí)卻是一無(wú)所獲。最近，有科學(xué)家對(duì)此給出了新的解釋?zhuān)@個(gè)解釋與水一樣奇特：其實(shí)，水不是一種液體，而是兩種。

第二臨界點(diǎn)

水有三種形態(tài)：氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)，處于何種形態(tài)取決于溫度和壓強(qiáng)。比如在平原地區(qū)，把水加熱到100℃，它會(huì)沸騰，形成水蒸氣，而在青藏高原，這里氣壓比平原地區(qū)低，把水加熱到90℃左右，它便沸騰了。

在一般情況下，液態(tài)和氣態(tài)的水是很好區(qū)分的，肉眼可辨。但若是改變壓強(qiáng)和溫度，情況會(huì)發(fā)生變化。溫度不變，壓強(qiáng)減小，液態(tài)水會(huì)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)水。例如90℃的水，到壓強(qiáng)小的青藏高原就成了氣態(tài)水。壓強(qiáng)不變，升高溫度，液態(tài)水轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)水。在兩種形態(tài)的水相互轉(zhuǎn)化的過(guò)程中，總有一個(gè)過(guò)渡點(diǎn)，在這個(gè)點(diǎn)處，水會(huì)既表現(xiàn)出液態(tài)水的性質(zhì)，又表現(xiàn)出氣體水的性質(zhì)，似氣似液，兩種形態(tài)無(wú)法區(qū)分，過(guò)了這個(gè)點(diǎn)后，它又會(huì)變?yōu)榉且杭礆獾臓顟B(tài)。這個(gè)點(diǎn)被稱(chēng)為“臨界點(diǎn)”。如在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下， 0℃為水由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)的“臨界點(diǎn)”， 100℃為水由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)的“臨界點(diǎn)”。

幾乎所有的物質(zhì)都有氣液轉(zhuǎn)化的臨界點(diǎn)，而有些特別的物質(zhì)擁有“第二臨界點(diǎn)”。例如，使液態(tài)硅和液態(tài)鍺的混合物在特定條件下冷卻，就能得到一種由兩種密度不同的液體組成的混合液體，奇特之處在于，這兩種密度不同的液體的組成原子相同，但結(jié)構(gòu)不同，因而表現(xiàn)出的性質(zhì)不同。液態(tài)硅和液態(tài)鍺混合物表現(xiàn)出這種性質(zhì)的點(diǎn)就是“第二臨界點(diǎn)”。

不過(guò)，如果你不去專(zhuān)門(mén)研究液態(tài)硅或液態(tài)鍺，大概對(duì)此并不感興趣?？茖W(xué)家也是如此，除了專(zhuān)門(mén)研究這個(gè)領(lǐng)域的，他們對(duì)此并不在意，直到1992年，美國(guó)波士頓大學(xué)的研究者開(kāi)始讓大量的目光聚焦在“第二臨界點(diǎn)”上，他們提出，水由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)也有第二臨界點(diǎn)，在第二臨界點(diǎn)時(shí)，水會(huì)表現(xiàn)出兩種液體的性質(zhì)，換句話(huà)說(shuō)，水有兩種液相。

1992年，波士頓大學(xué)的研究人員在做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，偶然發(fā)現(xiàn)，壓強(qiáng)一定，在溫度低至凝固點(diǎn)時(shí)，水的密度會(huì)變小，并且溫度越低，水的密度越小。這種情況很反常，通常，溫度越低，物質(zhì)分子越不活躍，密度越大。為了探究這種情況下，水到底發(fā)生了什么變化，研究人員用計(jì)算機(jī)做了模擬實(shí)驗(yàn)。他們模擬了水在過(guò)冷狀態(tài)的變化，過(guò)冷水指的是溫度低于攝氏零度的液態(tài)水。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，壓強(qiáng)一定，水的密度的確在溫度降低時(shí)越來(lái)越小，并且在溫度急劇下降時(shí)，水的密度出現(xiàn)了很大的變化。

對(duì)于這種密度的變化，他們給出的解釋是，水由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)時(shí)有第二臨界點(diǎn)，根據(jù)計(jì)算機(jī)模擬，他們判斷在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，水的第二臨界點(diǎn)很可能在零下45℃。在這個(gè)臨界點(diǎn)處，水由兩種密度不同的“水”組成，就像液態(tài)硅和液態(tài)鍺的混合物，在此臨界點(diǎn)處，水分子有兩種不同的排列形式，從而使液態(tài)水出現(xiàn)一大一小兩種密度共存的狀態(tài)。

這種解釋是顛覆性的，當(dāng)然不乏持懷疑態(tài)度的人，有人認(rèn)為傳統(tǒng)的觀點(diǎn)便可以解釋這種奇特的現(xiàn)象，比如在低溫條件下，水其實(shí)變成了一種無(wú)序的固體，亦或是這是水在凝固前的掙扎，是一種特殊的凝固過(guò)程。

當(dāng)時(shí)，波士頓大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)堅(jiān)持自己的理論，卻無(wú)法用真正的實(shí)驗(yàn)證明他們的觀點(diǎn)，因?yàn)樵谟?jì)算機(jī)之外的現(xiàn)實(shí)中，水在零下45℃的條件下，人們幾乎不可能看到液態(tài)固態(tài)兩種形態(tài)無(wú)法區(qū)分的現(xiàn)象，即過(guò)冷水的狀態(tài)?！八莾煞N液體”這種理論似乎走入了絕境。

水是兩種液體

但仍有堅(jiān)持這一理論的人，瑞典斯德哥爾摩大學(xué)的尼爾森就是其中之一。癡迷于研究水的尼爾森綜合了他多年來(lái)在常溫常壓下所做的水實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，提出：水的確有兩種不同的液態(tài)，其中一種，水分子是無(wú)序而致密的，另一種則是規(guī)則的四面體結(jié)構(gòu)，密度較低。在常溫常壓下，低密度的水分子隨機(jī)嵌入高密度水分子中，但人們不可能看到這種現(xiàn)象。在眾人的質(zhì)疑聲中，尼爾森決定用實(shí)驗(yàn)來(lái)讓大家看到水的第二臨界點(diǎn)。2017年，他遠(yuǎn)赴韓國(guó)，借用最先進(jìn)的技術(shù)制出超純凈的液態(tài)水，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了水在同一壓強(qiáng)、同一溫度時(shí)，存在兩種不同的密度，他們興奮地宣布，找到了水的第二臨界點(diǎn)。

外界驚嘆于本次試驗(yàn)中的先進(jìn)技術(shù)，也有不少人認(rèn)同了尼爾森的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但還有人提出了質(zhì)疑，認(rèn)為實(shí)驗(yàn)中記錄對(duì)象是水滴，而水滴在整個(gè)過(guò)程中體積的變化極小，對(duì)于這微小的體積變化的解釋有許多種，而第二臨界點(diǎn)只不過(guò)是其中一種，尼爾森不過(guò)是為了切合自己的設(shè)想而選中了這種解釋。

對(duì)于“水是兩種液體”這一理論的研究還在繼續(xù)。

走出實(shí)驗(yàn)室

如果“水是兩種液體”是正確的，有什么意義呢？其實(shí)，與我們息息相關(guān)的并非過(guò)冷水，而是常溫常壓下的水，如果“水是兩種液體”的理論是正確的，這意味著在常溫常壓下的水也存在兩種密度的水共存的狀態(tài)，雖然我們無(wú)法觀察到。那么，當(dāng)理論走出實(shí)驗(yàn)室，是否能與生活有所聯(lián)系呢？

科學(xué)家認(rèn)為，水是兩種液體，這個(gè)看似奇怪的理論恰恰能夠解釋我們身邊的水的反常之處。比如，為什么水在4℃時(shí)密度比冰大？常壓下，如果從4℃的水轉(zhuǎn)變?yōu)?℃的冰狀混合物，在微觀尺度下，就是原本排布無(wú)序的水分子逐漸從無(wú)序的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐?guī)則的狀態(tài)，根據(jù)上述理論，低溫時(shí)，無(wú)序狀態(tài)的水密度更大，顯然4℃時(shí)密度更大。

相信在未來(lái)，更多關(guān)于水的謎題將會(huì)被解開(kāi)。