一升水多少錢（在科學(xué)家的眼里）

前言現(xiàn)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(yǎng)好”，這一句耳熟能詳?shù)膬焊鑼⒔】瞪畹膸状笠囟颊f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

前言

現(xiàn)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(yǎng)好”，這一句耳熟能詳?shù)膬焊鑼⒔】瞪畹膸状笠囟颊f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，那么很有可能只能堅持三天左右。因為人體的組成元素中，水一般占據(jù)百分之六十以上，長時間缺水會導(dǎo)致身體中大多數(shù)器官都無法正常運轉(zhuǎn)，最終缺水的人會死于器官的衰竭。

人體中水的含量

水對身體健康有好處，但也不是可以毫無節(jié)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(xiàn)象，因為大量喝水會使得身體中的細(xì)胞吸收過多水分導(dǎo)致膨脹，引起細(xì)胞出現(xiàn)稀釋性低鈉血癥。

如果在大量出汗后快速喝5升以上的水，這就很有可能會引起水中毒，嚴(yán)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(zhì)，因此很多人都對水的存在習(xí)以為常，認(rèn)為這是一種全世界最為簡單的物質(zhì)，但如果我們能對水進(jìn)行深入研究，就會發(fā)現(xiàn)，水的復(fù)雜性遠(yuǎn)超我們的想象。

水的特性

普通人對水的了解十分簡單，基本都是只知道水會隨著溫度的變化，而改變自身的形態(tài)，在正常的大氣壓下，水會在低于0攝氏度時凝結(jié)成冰，在100攝氏度時開始沸騰。

大家只要認(rèn)真思考一下，就不難發(fā)現(xiàn)，水的結(jié)冰和沸騰溫度也太過于湊巧了吧，怎能剛好在0和100這兩個數(shù)字時就開始發(fā)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(biāo)準(zhǔn)設(shè)立的。

除此之外，水還被用作重量標(biāo)準(zhǔn)的定義，一升水等于一公斤，這是最為基礎(chǔ)的物理知識，因此我們現(xiàn)在的重量標(biāo)準(zhǔn)其實也是以水作為標(biāo)準(zhǔn)的。雖然從2019年起，一千克的定義改為使用普朗克常數(shù)為基礎(chǔ)的公式進(jìn)行定義，但是一升水仍舊是現(xiàn)在重量標(biāo)準(zhǔn)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(huán)境全都無法離開水，因此以水來設(shè)定溫度標(biāo)準(zhǔn)，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(guān)于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(tài)，我們知道大多數(shù)物質(zhì)都具有熱脹冷縮的性質(zhì)，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(jìn)冰箱，那么我們將會很大幾率在水結(jié)冰后獲得一個碎裂的玻璃瓶。

當(dāng)然水會在結(jié)冰后膨脹，其實主要是因為水屬于多聚物，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(dá)到最高，因為當(dāng)溫度繼續(xù)下降到零度的時候，水的密度反而會下降，這就導(dǎo)致水轉(zhuǎn)換成冰的時候會出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象。

正是因為水在0~4攝氏度時會出現(xiàn)這種神奇的熱縮冷脹現(xiàn)象，生命才有存在的可能。因為熱縮冷脹就意味著水結(jié)成冰后，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(zhì)的特性，固態(tài)狀態(tài)比液態(tài)更重，那么冰塊將會全部沉在水底，于是地表上的水將會被一層一層地凝結(jié)成冰并且掉到水底去，所有的水域都將全部凝結(jié)成冰塊，那么將沒有任何生命能在水里出現(xiàn)。

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(jié)冰、強(qiáng)大的溶解能力等等特性，這些都是相對于其他物質(zhì)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(zhì)之一，卻擁有世界上最不常見的物理特性，而導(dǎo)致這種種特性的出現(xiàn)的主要原因，很有可能是因為水的量子效應(yīng)。

水的氫鍵量子效應(yīng)

水的構(gòu)造其實十分簡單，它的化學(xué)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(zhì)，加上氫元素與氧元素十分容易發(fā)生反應(yīng)聚合成水。

因此大多數(shù)巖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(fā)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，表面的水會被恒星蒸發(fā)成水蒸氣，然后被光解還原成氫氧元素。

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

所以液態(tài)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(xiàn)的幾率那么低的原因。

說回組成水分子的氫氧元素，由于水表現(xiàn)出來的種種反常特性，科學(xué)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么收獲，直到量子力學(xué)成型后，科學(xué)家們才開始將考慮水是否具有量子狀態(tài)。

在大家的印象中，水分子是兩個氫元素使用共價鍵連接到氧元素中，它并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(wěn)定地組合在一起形成一個化合物質(zhì)。

而水分子與水分子之間也有一個將其連接起來的弱小的力，這就是氫鍵。正是由于氫鍵的存在，水的各種反常特性才會出現(xiàn)。

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(zhuǎn)的電子才連接在一起的，因為氫原子只有一對電子，在與氧原子組成水分子之后，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(fù)電。所以當(dāng)多個水分子存在時，水分子中的氫氧原子之間就會產(chǎn)生一種吸力，這就是氫鍵。

氫鍵與共價鍵最大的不同之處在于，它可以輕易地被分離，當(dāng)我們從一杯水中舀出一勺水時，就有無數(shù)的氫鍵被分離，當(dāng)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，最后水就變成了氣態(tài)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(zhì)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(xué)家們通過研究氫鍵，發(fā)現(xiàn)氫鍵這種力的產(chǎn)生，一部分是因為上文所說的正負(fù)電極吸引，另一部分則是因為量子效應(yīng)?？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)氫鍵之中的氫原子，會有一定的位置漲落現(xiàn)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，它會在特定的范圍內(nèi)不停地瞬間移動。這種量子現(xiàn)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(xué)家們可以確定的是，正是因為這種位置漲落的現(xiàn)象，讓水分子之間產(chǎn)生氫鍵。

水的結(jié)構(gòu)

說回到我們對水這種物質(zhì)的最初認(rèn)識，水可以分為固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)，在我們的印象中，冰的分子結(jié)構(gòu)是固定而且整齊的，液態(tài)水分子的結(jié)構(gòu)則是沒有任何固定狀態(tài)的，而氣態(tài)水分子則是單獨一顆并且四處運動的。

但是經(jīng)過科學(xué)家們的研究，發(fā)現(xiàn)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(tài)冰，都擁有18種不同的分子結(jié)構(gòu)，不同狀態(tài)下凝成的冰，都會導(dǎo)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(zhì)，黑乎乎的石墨、閃爍且高硬度的鉆石、擁有強(qiáng)大韌性的石墨烯，都是如此。

導(dǎo)致固態(tài)冰擁有如此多分子結(jié)構(gòu)的原因，其實還是因為液態(tài)水的不穩(wěn)定和混亂，液態(tài)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?zhǔn)叫螤?，更有可能是完全混亂隨機(jī)分散的形狀。

直到現(xiàn)在，液態(tài)水分子結(jié)構(gòu)的運行規(guī)律依舊沒有定論，科學(xué)家們已經(jīng)無法使用特殊的方式計算出它的分子構(gòu)造，只能想辦法實際觀測水分子的形態(tài)，才能進(jìn)行更深層次的研究。

其實大多數(shù)人不知道，雖然我們的顯微鏡技術(shù)已經(jīng)十分先進(jìn)了，但人類直接觀測分子狀態(tài)還是很有難度的，并沒有顯微鏡可以直接看到分子，所有的分子構(gòu)成基本都是通過計算出來的。

為了直接觀測水分子的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，科學(xué)家們也是費盡了心思，在掃描隧道顯微鏡研發(fā)出來后，人類才正式有機(jī)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(xiàn)象也并不是教科書上的水分子，科學(xué)家們也只是能看到圍繞在水分子周圍的電子云，隨著科學(xué)家門的觀測，對于水分子的結(jié)構(gòu)也有更加深入的了解，但是了解得越多，反而越覺得水分子運動的不規(guī)律。

所以水的結(jié)構(gòu)才會成為科學(xué)家們提名的本世紀(jì)125個最具挑戰(zhàn)性的科學(xué)問題。只有徹底明白水分子的運動規(guī)律，才能更加準(zhǔn)確地掌握水的性質(zhì)，才能更好的了解這種與生命息息相關(guān)的物質(zhì)。也難怪，科學(xué)家們會將水稱為自然界最復(fù)雜的物質(zhì)之一。

結(jié)語：水對生命的重要性

也許當(dāng)初海洋中的氨基酸就是在說水分子的隨機(jī)運動中被結(jié)合成蛋白質(zhì)，但這種隨機(jī)運動很可能并不是完全隨機(jī)。

如果水分子的運動是具有規(guī)律的，那么這將意味著其他星球上的液態(tài)水中的氨基酸也會被水分子的運動導(dǎo)致結(jié)合成新生命。也就是說，宇宙中生命的出現(xiàn)將會成為一件必然的事情。

第一個原核生物，就是在液態(tài)水中組成的，從此以后，所有的生命都將注定無法缺少水這種關(guān)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(xì)胞才能成功運轉(zhuǎn)。

所以明白水的特性產(chǎn)生原因，也是弄清楚生命起源的路徑之一。