在科學家的眼裡，水為什麼被稱為自然界“最複雜”的物質之一？

前言

現在的人越來越注重健康生活，早上起來的第一件事，就是喝上一杯水。“多喝水睡眠足，瓜果蔬菜營養好”，這一句耳熟能詳的兒歌將健康生活的幾大要素都說完了，這其中喝水是排在第一，這足以證明喝水的重要性。

如果不吃飯，人一般能夠堅持存活一個禮拜以上，但是如果不喝水，那麼很有可能只能堅持三天左右。因為人體的組成元素中，水一般佔據百分之六十以上，長時間缺水會導致身體中大多數器官都無法正常運轉，最終缺水的人會死於器官的衰竭。

水對身體健康有好處，但也不是可以毫無節制地喝水。很少人知道，其實喝水也會中毒，這就是傳說中的水中毒現象，因為大量喝水會使得身體中的細胞吸收過多水分導致膨脹，引起細胞出現稀釋性低鈉血癥。

如果在大量出汗後快速喝5升以上的水，這就很有可能會引起水中毒，嚴重甚至可以致命。

在生活中，水對生命而言既是最重要的生活必須元素，又是一種隨處可見的物質，因此很多人都對水的存在習以為常，認為這是一種全世界最為簡單的物質，但如果我們能對水進行深入研究，就會發現，水的複雜性遠超我們的想象。

水的特性

普通人對水的瞭解十分簡單，基本都是隻知道水會隨著溫度的變化，而改變自身的形態，在正常的大氣壓下，水會在低於0攝氏度時凝結成冰，在100攝氏度時開始沸騰。

大家只要認真思考一下，就不難發現，水的結冰和沸騰溫度也太過於湊巧了吧，怎能剛好在0和100這兩個數字時就開始發生變化呢？原因其實很簡單，因為攝氏度這個單位，一開始就是以水的變化狀況作為標準設立的。

除此之外，水還被用作重量標準的定義，一升水等於一公斤，這是最為基礎的物理知識，因此我們現在的重量標準其實也是以水作為標準的。雖然從2019年起，一千克的定義改為使用普朗克常數為基礎的公式進行定義，但是一升水仍舊是現在重量標準的一千克沒有改。

從單位的定義我們就能看出水對人類的重要性，因為人類的生活環境全都無法離開水，因此以水來設定溫度標準，更能讓人清楚地意識到溫度的變化情況，而且也能讓我們更簡單地比較其他物體的重量大小。

但是除了上文所說的水的特性，其實有很多有關於水的特性是一般人根本不知道的，或者即便知道也不會很在意。

比如說水具有熱縮冷脹的特性，這是一種很神奇的狀態，我們知道大多數物質都具有熱脹冷縮的性質，而水卻是更好反過來的，如果我們使用一個玻璃瓶裝滿水放進冰箱，那麼我們將會很大機率在水結冰後獲得一個碎裂的玻璃瓶。

當然水會在結冰後膨脹，其實主要是因為水屬於多聚物，水在4攝氏度以上時，其實也是熱脹冷縮的，但是水降溫到4攝氏度時，密度達到最高，因為當溫度繼續下降到零度的時候，水的密度反而會下降，這就導致水轉換成冰的時候會出現膨脹現象。

正是因為水在0~4攝氏度時會出現這種神奇的熱縮冷脹現象，生命才有存在的可能。因為熱縮冷脹就意味著水結成冰後，它的密度將會比水更小，所以冰塊都會漂浮在水面之上。

如果按照一般物質的特性，固態狀態比液態更重，那麼冰塊將會全部沉在水底，於是地表上的水將會被一層一層地凝結成冰並且掉到水底去，所有的水域都將全部凝結成冰塊，那麼將沒有任何生命能在水裡出現。

除了熱縮冷脹，水還擁有高比熱容、表面張力巨大、熱水比冷水更容易結冰、強大的溶解能力等等特性，這些都是相對於其他物質而言，十分反常的特性。

換句話說，水這種世界上最常見的物質之一，卻擁有世界上最不常見的物理特性，而導致這種種特性的出現的主要原因，很有可能是因為水的量子效應。

水的氫鍵量子效應

水的構造其實十分簡單，它的化學式是H2O，由兩個氫原子和一個氧原子組成的一個分子，這兩種元素都是宇宙間十分常見的物質，加上氫元素與氧元素十分容易發生反應聚合成水。

因此大多數岩石行星剛剛形成的時候都會擁有大量的水分，但是隨著時間的發展，如果地表溫度太低，星球就會被凍成一個大冰球，如果的地表溫度過高，表面的水會被恆星蒸發成水蒸氣，然後被光解還原成氫氧元素。

所以地表上擁有大量液態水在行星中反而是一件十分罕見的事情，只有在穩定大氣層保護下，才有可能保證地面上有液態水的存在。

所以液態水在我們看來可能十分常見，但是在宇宙中水更多的還是以冰的形式存在的，這可能也是為何宇宙中生命出現的機率那麼低的原因。

說回組成水分子的氫氧元素，由於水錶現出來的種種反常特性，科學家們一直都努力研究水分子的特殊性，但是一直以來都沒什麼收穫，直到量子力學成型後，科學家們才開始將考慮水是否具有量子狀態。

在大家的印象中，水分子是兩個氫元素使用共價鍵連線到氧元素中，它並不是一條真實存在的鏈條，它只是一種比較弱小的力，將三個原子穩定地組合在一起形成一個化合物質。

而水分子與水分子之間也有一個將其連線起來的弱小的力，這就是氫鍵。正是由於氫鍵的存在，水的各種反常特性才會出現。

氫鍵與共價鍵是兩種不同的概念，水分子中氫原子與氧原子是依靠共同運轉的電子才連線在一起的，因為氫原子只有一對電子，在與氧原子組成水分子之後，氫原子的電子就被固定了，所以它的原子核就露出了一部分。

我們都知道原子核都是帶正電的，所以這時水分子中的氫原子就帶正電。而氧原子比氫原子擁有更多的電子，因此即便與氫原子共用電子，它依舊帶負電。所以當多個水分子存在時，水分子中的氫氧原子之間就會產生一種吸力，這就是氫鍵。

氫鍵與共價鍵最大的不同之處在於，它可以輕易地被分離，當我們從一杯水中舀出一勺水時，就有無數的氫鍵被分離，當水被燒開變成水蒸氣時，幾乎所有的氫鍵都會因為水分子的活躍而斷裂，最後水就變成了氣態的水蒸氣。

但氫鍵的微弱的吸引力正是水元素具有奇怪特質的原因，比如兩滴互相靠近的水滴會融合成一滴水，還有水面神奇的張力，都是氫鍵在起作用。

科學家們透過研究氫鍵，發現氫鍵這種力的產生，一部分是因為上文所說的正負電極吸引，另一部分則是因為量子效應。科學家們發現氫鍵之中的氫原子，會有一定的位置漲落現象。

所謂的量子漲落，說得形象一點其實就是在水分子的氫原子，它會在特定的範圍內不停地瞬間移動。這種量子現象的原理以目前人類的物理理論知識還無法完美地解釋，但是科學家們可以確定的是，正是因為這種位置漲落的現象，讓水分子之間產生氫鍵。

水的結構

說回到我們對水這種物質的最初認識，水可以分為固態、液態和氣態，在我們的印象中，冰的分子結構是固定而且整齊的，液態水分子的結構則是沒有任何固定狀態的，而氣態水分子則是單獨一顆並且四處運動的。

但是經過科學家們的研究，發現實際與想象中的好像有些差別。在我們印象中最為簡單的固態冰，都擁有18種不同的分子結構，不同狀態下凝成的冰，都會導致冰的分子排列出不同的形狀。

我們最熟知的碳元素，就是因為分子排列形狀不同而顯示出不同的性質，黑乎乎的石墨、閃爍且高硬度的鑽石、擁有強大韌性的石墨烯，都是如此。

導致固態冰擁有如此多分子結構的原因，其實還是因為液態水的不穩定和混亂，液態水中的水分子可以是四面體形狀，也可能是連成一條線的鏈式形狀，更有可能是完全混亂隨機分散的形狀。

直到現在，液態水分子結構的執行規律依舊沒有定論，科學家們已經無法使用特殊的方式計算出它的分子構造，只能想辦法實際觀測水分子的形態，才能進行更深層次的研究。

其實大多數人不知道，雖然我們的顯微鏡技術已經十分先進了，但人類直接觀測分子狀態還是很有難度的，並沒有顯微鏡可以直接看到分子，所有的分子構成基本都是透過計算出來的。

為了直接觀測水分子的結構狀態，科學家們也是費盡了心思，在掃描隧道顯微鏡研發出來後，人類才正式有機會可以用肉眼看到分子的真容。

使用掃描隧道顯微鏡其實看到的現象也並不是教科書上的水分子，科學家們也只是能看到圍繞在水分子周圍的電子雲，隨著科學家門的觀測，對於水分子的結構也有更加深入的瞭解，但是瞭解得越多，反而越覺得水分子運動的不規律。

所以水的結構才會成為科學家們提名的本世紀125個最具挑戰性的科學問題。只有徹底明白水分子的運動規律，才能更加準確地掌握水的性質，才能更好的瞭解這種與生命息息相關的物質。也難怪，科學家們會將水稱為自然界最複雜的物質之一。

結語：水對生命的重要性

也許當初海洋中的氨基酸就是在說水分子的隨機運動中被結合成蛋白質，但這種隨機運動很可能並不是完全隨機。

如果水分子的運動是具有規律的，那麼這將意味著其他星球上的液態水中的氨基酸也會被水分子的運動導致結合成新生命。也就是說，宇宙中生命的出現將會成為一件必然的事情。

第一個原核生物，就是在液態水中組成的，從此以後，所有的生命都將註定無法缺少水這種關鍵元素，除了病毒，世界上所有生命體中都回蘊含著大量的水分，正是依靠這些水分的特性，每一個細胞才能成功運轉。

所以明白水的特性產生原因，也是弄清楚生命起源的路徑之一。