说不尽的水之二

陈仁政

科学家通过对水的研究，已经揭开了许多科学之谜，不过，仍然有许多关于水的谜还没有揭开。

孤子理论的诞生和发展

1834年8月的一天，年轻的苏格兰土木工程师与船舶设计师约翰·罗素在尤宁运河河边勘探。开始，他看见有两匹马拉着一条船在迅速前进，后来，当船停止前进时，他偶然发现船头聚集了一个巨大的圆而光滑像馒头状的水包（水波）。这水包长约1米，比河面高出约30厘米，以14千米每小时的速度在河面上推进了2千米。罗素策马扬鞭紧追不舍，密切观察这一难见的“河上奇观”，一直追到水波消失为止。后来，人们将这种水波称为“罗素水波”。

我们通常看到的水波，总是向四面散开而很快消失，且有波峰和波谷；而罗素水波为何仅有波峰且能推进2千米远并保持形状不变呢？这一问题引起了科学家们的极大兴趣。很多年之后，人们才用“非线性效应”和“色散效应”加以解释。1971年，美国物理学家诺曼·查布斯基在大水箱中成功地人为造出了这种水波。人们还发现，如果同时有两个这样的水波碰撞，结果是碰撞之后会各走各的路，形状也不会改变。这很像是一种物质实体，人们将它称为“孤立子”或简称“孤子”，并创立了相关的孤子理论。

1980年，中国赴美留学生吴君汝首次在2厘米深的小水槽中发现了一种奇异孤子，曾引起过极大的轰动。100多年来科学家对孤子理论的创立和研究，不但使它成为前沿科学之一，而且应用范围已经超越了诸如凝聚态物理、天体物理、非线性光学、材料科学、统计力学、流体力学等物理领域而进入生物学、化学、数学诸领域，还对自然科学各分支中存在的大量非线性现象的研究产生了巨大影响。孤子理论还被用于激光的研究、导电塑料的研制、电磁导弹的制导等。当然，现在的孤子概念已经不再局限于水波孤子了。

然而，虽然科学家对孤子理论的研究取得了许多成果，但是迄今还有不少谜团尚未揭开。

氢键的研究

1912年，英国科学家托姆·摩尔和托马斯·温米尔在前人研究的基础上，对比氢氧化四甲基胺与水合三甲基胺的弱碱性之后，意识到“氢键”的存在，并提出了水合三甲基胺的双氢键结构，揭开了研究氢键的序幕。1920年，美国化学家拉梯默尔与罗德布什研究了水的相对介电常数大得反常的现象之后，首次明确提出了“氢键”的概念。 20世纪50年代初，西吉因斯等科学家根据氢键比范德华力大和方向不严格等现象，提出分子之间趋向于尽可能多地生成氢键，以降低体系能量的观点。其后，美国分子生物学家沃森和弗朗西又提出了DNA分子中的碱基间生成氢键的理论，进一步扩大了对氢键的认识。

后来，科学家们经过对物质中不断发现的氢键的研究，更加深了对氢键的认识。例如，把氢键细分为“正常氢键”“π型氢键”“双氢键”“单电子氢键”等类型。

现在比较流行的氢键理论是：氢键是静电吸引、偶极子间的吸引和共振的结果，具有不严格的方向性和饱和性。氢键在理论和实践中都有重大作用。例如，用它成功地解释了许多物质（例如水）的沸点、熔点、熔解热、汽化热与体积变化等的反常现象；它对人们深化对蛋白质螺旋结构的认识、对DNA双螺旋模型的建立，也功不可没。

不过，氢键理论至今仍然不完善，仍有待科学家新的探索。

过冷水之谜

“过冷水”是指低于0°C时却仍然保持液态而不结冰的水。

1988年，德国物理学家发现了在-70°C时不结冰的水。当时他们把极纯的水放在直径0.05～0.2毫米的玻璃管内，置于40.52大气压下，水仍然没有结冰，而是成为像蜂蜜一样的黏稠液体。这一发现意义非凡—发现了水在一系列物理形式中前所未有的现象。

1992年，美国波士顿大学科学家彼得·普尔和吉恩·斯坦利在实验中意外发现一个反常现象，即0℃以下的过冷水的密度，温度越低时起伏越大。通常，温度越低，分子越不活跃，密度起伏应越小。对于这种反常的密度变化，他们给出的解释是：水的液-固相有两个“临界点”，第一临界点是0℃，第二临界点低于0℃。在第二临界点，水会在两种状态之间快速转变，两种状态的水性质不同。两种状态互相转化时，都会使密度突变，这一突变在临界点时最为显著。在这个临界点处，水不是一种液体，而是两种液体：一种水中的水分子是規则的四面体结构，密度较低；另一种则是无序和高密度的。不过，关于水是两种液体的说法，不少人也持怀疑态度，甚至说普尔等人伪造实验结果。大多数研究者认为，上述反常可以用常规理论来解释。其中一种观点认为，仅仅是过冷水在凝固时的一种特殊现象，或者是在非常低的温度（例如-45℃）下，过冷水转变成了一种无序的固体。

痴迷于水研究的瑞典科学家安德斯·尼尔森综合了多年水实验的数据，提出水的确有两种不同的液态：一种水分子无序而且致密，另一种水分子则是规则的四面体结构，密度较低。在常温常压下，低密度的水分子随机嵌入高密度水分子中，人们不可能看到这种现象。在众人的质疑声中，尼尔森决定用实验让大家看到水的第二临界点。2017年，他远赴韩国，借用最先进的技术制造出超纯净的液态水，并通过实验证明了水在同一压强、同一温度时，存在两种不同的密度。他于2017年12月发表实验报告宣布找到了水的第二临界点。

不少人认同尼尔森的实验结果，但是，也有人质疑，认为实验中记录对象是水滴，而水滴在整个过程中体积的变化极小，对于这微小的体积变化的解释有许多种，而第二临界点只不过是其中一种，尼尔森不过是为了切合自己的设想，选中了这种解释而已。

荷兰阿姆斯特丹大学的桑德·沃特森团队采用了不同的方法，尝试用防冻剂来防止水因为降温而结冰。他们在2018年3月发表论文证实水确实存在第二临界点。于是，水的第二临界点又有了新证据。

中国科学院物理研究所孟胜博士于2019年发表论文，文章认为“水是两种液体”的原因是：因为密度不同，它们的氢键的类型、氢键的键长等参数不一样，如黏滞性和扩散系数在内的性质也就有差别。现在“水是两种液体”的观点仍处在假说阶段。

重水与超重水之谜

重水（D2O，D是氢的同位素重氢—氘的元素符号）与超重水（T2O，T是氢的同位素超重氢—氚的元素符号）可分为人造的与天然形成的。其中，天然形成的重水极其稀少—在天然水中的占比大约为0.02%；超重水则更加稀微—占比不到10-9（十亿分之一）。在“外观”上，重水与超重水和普通水相似—无色、透明、无味、无臭。

1931年底，美国科学家哈罗德博士首先发现了氢的第一个同位素氘，他也因此独享1934年诺贝尔化学奖。氢的第二个同位素氚则是1908年诺贝尔化学奖得主卢瑟福在1934年发现的。氘和氚可用于制造氢弹。

1933年，美国物理化学家吉尔伯特把10升电解槽废液反复电解之后，得到浓度大约是65.7%的0.5微升重水，再电解之后得到接近纯净的重水。他首次人工制成了重水微滴，并成功地测定了重水的某些物理常數。苏联物理学家阿捷耶夫最先猜测，北极冰中包含着由重水结成的“重冰”。当自然环境允许时，重水会暂时从自己的永久伴生物中分离出来。

百分比浓度较大的重水或者超重水，不能使种子发芽，如果被人或者动物大量饮用，还会引起疾病甚至死亡（重水的致死浓度为60%），但是某些细菌能在较高浓度的重水里存活。由于在天然水中，重水和超重水的含量微不足道，所以人们不必担心饮用普通的水会损害健康。

目前，重水和超重水主要作为减速剂用在核裂变反应中。重水中的氘作为示踪原子，已经广泛应用于各个领域。将重水中的氘和超重水中的氚用于受控核聚变来提供大量能源的“美好愿景”的研究还在“火热进行”中，但是“八字还没有一撇”。