自然界的物质有三种状态分别是（在科学家的眼里）

前言

现在的人越来越注重健康生活，早上起来的第一件事，就是喝上一杯水。“多喝水睡眠足，瓜果蔬菜营养好”，这一句耳熟能详的儿歌将健康生活的几大要素都说完了，这其中喝水是排在第一，这足以证明喝水的重要性。

如果不吃饭，人一般能够坚持存活一个礼拜以上，但是如果不喝水，那么很有可能只能坚持三天左右。因为人体的组成元素中，水一般占据百分之六十以上，长时间缺水会导致身体中大多数器官都无法正常运转，最终缺水的人会死于器官的衰竭。

人体中水的含量

水对身体健康有好处，但也不是可以毫无节制地喝水。很少人知道，其实喝水也会中毒，这就是传说中的水中毒现象，因为大量喝水会使得身体中的细胞吸收过多水分导致膨胀，引起细胞出现稀释性低钠血症。

如果在大量出汗后快速喝5升以上的水，这就很有可能会引起水中毒，严重甚至可以致命。

在生活中，水对生命而言既是最重要的生活必须元素，又是一种随处可见的物质，因此很多人都对水的存在习以为常，认为这是一种全世界最为简单的物质，但如果我们能对水进行深入研究，就会发现，水的复杂性远超我们的想象。

随处可见的水

水的特性

普通人对水的了解十分简单，基本都是只知道水会随着温度的变化，而改变自身的形态，在正常的大气压下，水会在低于0摄氏度时凝结成冰，在100摄氏度时开始沸腾。

大家只要认真思考一下，就不难发现，水的结冰和沸腾温度也太过于凑巧了吧，怎能刚好在0和100这两个数字时就开始发生变化呢？原因其实很简单，因为摄氏度这个单位，一开始就是以水的变化状况作为标准设立的。

除此之外，水还被用作重量标准的定义，一升水等于一公斤，这是最为基础的物理知识，因此我们现在的重量标准其实也是以水作为标准的。虽然从2019年起，一千克的定义改为使用普朗克常数为基础的公式进行定义，但是一升水仍旧是现在重量标准的一千克没有改。

水可以作为重量标准

从单位的定义我们就能看出水对人类的重要性，因为人类的生活环境全都无法离开水，因此以水来设定温度标准，更能让人清楚地意识到温度的变化情况，而且也能让我们更简单地比较其他物体的重量大小。

但是除了上文所说的水的特性，其实有很多有关于水的特性是一般人根本不知道的，或者即便知道也不会很在意。

比如说水具有热缩冷胀的特性，这是一种很神奇的状态，我们知道大多数物质都具有热胀冷缩的性质，而水却是更好反过来的，如果我们使用一个玻璃瓶装满水放进冰箱，那么我们将会很大几率在水结冰后获得一个碎裂的玻璃瓶。

水的热胀冷缩特性

当然水会在结冰后膨胀，其实主要是因为水属于多聚物，水在4摄氏度以上时，其实也是热胀冷缩的，但是水降温到4摄氏度时，密度达到最高，因为当温度继续下降到零度的时候，水的密度反而会下降，这就导致水转换成冰的时候会出现膨胀现象。

正是因为水在0~4摄氏度时会出现这种神奇的热缩冷胀现象，生命才有存在的可能。因为热缩冷胀就意味着水结成冰后，它的密度将会比水更小，所以冰块都会漂浮在水面之上。

如果按照一般物质的特性，固态状态比液态更重，那么冰块将会全部沉在水底，于是地表上的水将会被一层一层地凝结成冰并且掉到水底去，所有的水域都将全部凝结成冰块，那么将没有任何生命能在水里出现。

冰块不会沉入水底

除了热缩冷胀，水还拥有高比热容、表面张力巨大、热水比冷水更容易结冰、强大的溶解能力等等特性，这些都是相对于其他物质而言，十分反常的特性。

换句话说，水这种世界上最常见的物质之一，却拥有世界上最不常见的物理特性，而导致这种种特性的出现的主要原因，很有可能是因为水的量子效应。

水的氢键量子效应

水的构造其实十分简单，它的化学式是H2O，由两个氢原子和一个氧原子组成的一个分子，这两种元素都是宇宙间十分常见的物质，加上氢元素与氧元素十分容易发生反应聚合成水。

水的化学式

因此大多数岩石行星刚刚形成的时候都会拥有大量的水分，但是随着时间的发展，如果地表温度太低，星球就会被冻成一个大冰球，如果的地表温度过高，表面的水会被恒星蒸发成水蒸气，然后被光解还原成氢氧元素。

所以地表上拥有大量液态水在行星中反而是一件十分罕见的事情，只有在稳定大气层保护下，才有可能保证地面上有液态水的存在。

所以液态水在我们看来可能十分常见，但是在宇宙中水更多的还是以冰的形式存在的，这可能也是为何宇宙中生命出现的几率那么低的原因。

地球上的液态水

说回组成水分子的氢氧元素，由于水表现出来的种种反常特性，科学家们一直都努力研究水分子的特殊性，但是一直以来都没什么收获，直到量子力学成型后，科学家们才开始将考虑水是否具有量子状态。

在大家的印象中，水分子是两个氢元素使用共价键连接到氧元素中，它并不是一条真实存在的链条，它只是一种比较弱小的力，将三个原子稳定地组合在一起形成一个化合物质。

而水分子与水分子之间也有一个将其连接起来的弱小的力，这就是氢键。正是由于氢键的存在，水的各种反常特性才会出现。

水分子之间由氢键连接

氢键与共价键是两种不同的概念，水分子中氢原子与氧原子是依靠共同运转的电子才连接在一起的，因为氢原子只有一对电子，在与氧原子组成水分子之后，氢原子的电子就被固定了，所以它的原子核就露出了一部分。

我们都知道原子核都是带正电的，所以这时水分子中的氢原子就带正电。而氧原子比氢原子拥有更多的电子，因此即便与氢原子共用电子，它依旧带负电。所以当多个水分子存在时，水分子中的氢氧原子之间就会产生一种吸力，这就是氢键。

氢键与共价键最大的不同之处在于，它可以轻易地被分离，当我们从一杯水中舀出一勺水时，就有无数的氢键被分离，当水被烧开变成水蒸气时，几乎所有的氢键都会因为水分子的活跃而断裂，最后水就变成了气态的水蒸气。

氢键断裂

但氢键的微弱的吸引力正是水元素具有奇怪特质的原因，比如两滴互相靠近的水滴会融合成一滴水，还有水面神奇的张力，都是氢键在起作用。

科学家们通过研究氢键，发现氢键这种力的产生，一部分是因为上文所说的正负电极吸引，另一部分则是因为量子效应。科学家们发现氢键之中的氢原子，会有一定的位置涨落现象。

所谓的量子涨落，说得形象一点其实就是在水分子的氢原子，它会在特定的范围内不停地瞬间移动。这种量子现象的原理以目前人类的物理理论知识还无法完美地解释，但是科学家们可以确定的是，正是因为这种位置涨落的现象，让水分子之间产生氢键。

氢原子的量子涨落

水的结构

说回到我们对水这种物质的最初认识，水可以分为固态、液态和气态，在我们的印象中，冰的分子结构是固定而且整齐的，液态水分子的结构则是没有任何固定状态的，而气态水分子则是单独一颗并且四处运动的。

但是经过科学家们的研究，发现实际与想象中的好像有些差别。在我们印象中最为简单的固态冰，都拥有18种不同的分子结构，不同状态下凝成的冰，都会导致冰的分子排列出不同的形状。

我们最熟知的碳元素，就是因为分子排列形状不同而显示出不同的性质，黑乎乎的石墨、闪烁且高硬度的钻石、拥有强大韧性的石墨烯，都是如此。

碳元素的不同性质

导致固态冰拥有如此多分子结构的原因，其实还是因为液态水的不稳定和混乱，液态水中的水分子可以是四面体形状，也可能是连成一条线的链式形状，更有可能是完全混乱随机分散的形状。

直到现在，液态水分子结构的运行规律依旧没有定论，科学家们已经无法使用特殊的方式计算出它的分子构造，只能想办法实际观测水分子的形态，才能进行更深层次的研究。

其实大多数人不知道，虽然我们的显微镜技术已经十分先进了，但人类直接观测分子状态还是很有难度的，并没有显微镜可以直接看到分子，所有的分子构成基本都是通过计算出来的。

液态水

为了直接观测水分子的结构状态，科学家们也是费尽了心思，在扫描隧道显微镜研发出来后，人类才正式有机会可以用肉眼看到分子的真容。

使用扫描隧道显微镜其实看到的现象也并不是教科书上的水分子，科学家们也只是能看到围绕在水分子周围的电子云，随着科学家门的观测，对于水分子的结构也有更加深入的了解，但是了解得越多，反而越觉得水分子运动的不规律。

所以水的结构才会成为科学家们提名的本世纪125个最具挑战性的科学问题。只有彻底明白水分子的运动规律，才能更加准确地掌握水的性质，才能更好的了解这种与生命息息相关的物质。也难怪，科学家们会将水称为自然界最复杂的物质之一。

一亿倍显微镜下水分子

结语：水对生命的重要性

也许当初海洋中的氨基酸就是在说水分子的随机运动中被结合成蛋白质，但这种随机运动很可能并不是完全随机。

如果水分子的运动是具有规律的，那么这将意味着其他星球上的液态水中的氨基酸也会被水分子的运动导致结合成新生命。也就是说，宇宙中生命的出现将会成为一件必然的事情。

水分子的随机运动

第一个原核生物，就是在液态水中组成的，从此以后，所有的生命都将注定无法缺少水这种关键元素，除了病毒，世界上所有生命体中都回蕴含着大量的水分，正是依靠这些水分的特性，每一个细胞才能成功运转。

所以明白水的特性产生原因，也是弄清楚生命起源的路径之一。

水是生命的重要来源

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