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对科学家而言，水为什么被称为自然界最复杂的
作者:网站采编关键词:
摘要：水是大家司空见惯的一种物质，但是对科学家而言，水可以说是自然界最复杂的物质之一，它大概有70多条反常特性。为什么冰箱中热水比冷水更快结冰？量子水是否能带来健康？熟悉
水是大家司空见惯的一种物质，但是对科学家而言，水可以说是自然界最复杂的物质之一，它大概有70多条反常特性。为什么冰箱中热水比冷水更快结冰？量子水是否能带来健康？熟悉又陌生的水世界，你了解多少？
出品：''格致论道讲坛''公众号（ID：SELFtalks）
以下内容为北京大学教授江颖演讲实录：
非常高兴有机会和大家一起探讨这么熟悉的一个物质——水。
水是大家司空见惯的一种物质，但是对科学家而言，水可以说是自然界最复杂的物质之一。到目前为止，仍然需要更多的科学研究去探索水的性质，所以水对于我们来说是一个非常陌生的世界。
奇怪的水
水可以说无处不在，在地上、地下，甚至在外太空、外星球都能找到水的踪迹。但实际上水非常奇怪，为什么这么说呢？
第一个例子我想带大家去南极看一看。
南极的气温非常低，很多水会结成冰。但是，在如此冷的地方仍然有很多鱼在自由地生存着。
为什么在这么低的温度下鱼不会结冰呢？
经过科学研究发现，在这些鱼的血管里有一种叫抗冻蛋白的物质，它可以抑制水变成冰。
这是自然界中一个非常有意思的现象，但一直不为大家所知。
实际上，水还有很多其它的非常奇怪的性质。
比如说，大部分物质从液体变成固体的时候，它的体积会减小。但是水结成冰的时候，它的体积反而会变大，密度会减小，而且水在4℃的时候密度最大。
这个现象跟大家的常识是相反的。
另外，如果我们来做一个实验，把一瓶热水和一瓶冷水同时放进冰箱，你会发现热水比冷水更快结冰。
这也是非常奇怪的现象。
此外，还有关于冷冻人、冷冻器官、器官冷藏的研究，实际上跟刚才我们谈到的鱼为什么不结冰是类似的现象。
其中很重要的一个课题是，冷冻人体时必须要保证体内的水不能结冰。水一旦结冰，有可能变成小的冰碴，会刺破细胞膜，从而使器官失活。
简单地从水结冰这样一个现象来看，事实上有很多物理和化学过程不为大家所知，也需要用更深入的科学手段去探讨这些问题。
有人总结过，水大概有70多条反常特性。
除了刚才讲的热缩冷胀，即密度的反常，还有很多如高比热、高熔点、热导、张力等特性。
这些性质都还处于研究之中，大家还不能完全了解它内在的机制到底是什么。
因此，《科学》在创刊125周年的时候，提出了本世纪最具挑战性的125个科学问题，其中一个问题就是“水的结构是什么”，这说明水的结构实际上是了解水的性质最关键的一环。
如果我们能从微观上了解清楚水的结构的话，我们就能更好地了解水的很多特性，解开水的世纪难题。
水的量子效应
大家都知道，水是由水分子构成的，那么水分子长什么样呢？
就像这个图里面画的一样。
其实水分子很简单，就是两个氢加上一个氧，形成了一个简单的三原子的分子。这是我们都熟知的化学组成。
但是，四年前我们在《科学》杂志上发表的一篇文章中提到，水的结构其实并不是这么简单，水具有一些量子效应。
什么是量子效应呢？
在经典的图像中，简单的水就是两个氢和一个氧，即使给它加热、加一些扰动，它还是这种构型。
但是，如果用更精确的手段分析，我们会发现氢原子在空间中有一定的位置涨落，也就是说它没有确定的位置，而是有一些概率上的分布。
氢原子的空间涨落现象会对水的结构和性质产生非常大的影响，包括氢键相互作用，从而使水展现出一些非常反常的特性。
举一个例子来看，如果我们不考虑氢原子在空间上的量子效应，那么我们体内的很多化学反应可能根本就不会发生，或者说至少会减慢1000倍以上。
文章来源：《自然科学史研究》 网址: http://www.zrkxzzs.cn/zonghexinwen/2020/0825/628.html
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