对科学家而言，水为什么被称为自然界最复杂的物质之一
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。
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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。
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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。
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这也是非常奇怪的现象。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
所以，如果没有水的量子效应，我们人可能就不存在，所有的生物也会不存在。
在我们这个工作出来之后，有很多商家推出了一些“量子水”，据说是对我们健康有益的一种水。
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单个水都这么复杂了，那么水和水放在一块儿，它的结构是不是更加复杂呢？
水和水之间存在着一种相互作用，这种相互作用叫氢键。
什么是氢键？
水里面的氧带负电、氢带正电，把水分子放在一块的时候，带正电的氢和带负电的氧会产生相互吸引作用，这个相互吸引作用就是氢键。
好比把一个水分子当作是一个人，就像人和人手拉手，就变成了水的网络结构。
氢键有很多很奇怪的特性。比如，它有协同性，如果我和另一个人的牵手状态发生变化，那么会影响周围一堆人的状态也发生变化。
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