水不是一种液体 而是两种

水是我们最熟悉、接触最频繁的物质之一，我们以为自己对它的性质了如指掌。但实际上，科学家却从来没有真正揭开它的真正结构，也难以解释它的很多奇特性质。最近半年，两支团队分别取得的实验数据支持了一个颇为意外的观点：水不是一种液体，而是两种！

“水真是太奇怪了。”说这句话的是近乎整个学术生涯都在研究“水”的化学家Anders Nilsson。这个观点对我们来说或许难以接受，毕竟，还有什么能比水更寻常？水的行为对我们来说是如此熟悉，它的外表如此普通 。但是水的奇特也是独一无二的。如果不是因为它的奇特，我们甚至没有机会在这里讨论这个问题。

我们知道，水在4°C时密度最大。但如果它的性质不是这样，而是在结冰时密度最大，湖泊和河流会从底部开始结冰，逐步杀死水中的居住者；如果水的比热容不是这么大，地球在很久之前就会被烧干；如果水分子在穿越细胞膜时，不能携带其他物质，植物和动物就会死于营养不良。

从伽利略时代起，科学家们就一直在尝试挖掘水的奇异性质，但始终没有收获。如今，通过Nilsson和其同事的工作，我们可能接近于理解为什么水会有这些行为。他们的解释就像水自身一样奇特：水不是一种液体，而是两种。

水的第二临界点？

在某些层面上，水具有多种不同的形式，这并不奇怪。取决于你观测的压强和温度，水可以是固态、液态或气态的。在海平面，水在100°C时转化为蒸汽，但是在气压较低的高海拔地区，水会在更低的温度下沸腾——时间是省下来了，但是你的茶也被毁掉了。

在绝大多数情况下，液态和气态是分开的。然而，随着温度和压强的增加，情况开始发生改变。当气体被压缩到一定程度时，它的行为开始更像是液体；而当液体被加热，它也会趋近于气体的行为。当压强或温度足够高，会到达一个被称为“临界点”的微妙平衡点，在这一点你无法区分你看到的到底是哪一态。而略微降低压强或温度，水就会回到液态或气态。

这也是两种液体故事的开端。首先忽略压强，几乎所有物质在高温下都有一个气相和液相交汇的临界点，但是少数材料在低温下还有一个神秘的第二临界点。比如，如果你在适当条件下冷却液态硅和锗，它们可以转化成两种不同密度的液体：原子组成相同，但是不同的结构赋予了它们不同的性质。

尽管它们也很奇怪，但除了学术上的用途，这些第二临界点并没有引起太多关注。如果你不是专门研究液态硅的，这一领域可能不会引起你的注意。

1992年，波士顿大学Peter Poole 和Gene Stanley领导的团队改变了这一局面。他们被一个宣称水的密度在低温下存在涨落的试验所吸引：水的温度越低，密度涨落越明显。这和所有的理论预言都背道而驰。一般而言，物质温度越低，密度涨落越小。

为了探明究竟发生了什么，Poole、Stanley和他们的合作者模拟了水过冷的过程，他们小心地将水降温，使其低于凝固点而仍然保持液态。他们的计算机模拟证实了水在过冷态的密度涨落行为，而且随着温度降低，涨落确实会增大。一些有趣的机制一定在起着作用。

Poole和Stanley的团队猜想，这是第二临界点的特征：水被区分成两种密度不同的液体，每一种都在自己的相中；而在第二临界点之上，这两种相难以区分，水会在这两种相之间快速转变。因为两种物质不同的性质，任意一种转化成另外一种时，都会导致突然的密度变化，这一变化在临界点时最为显著。

他们提出的水有两个临界点的假说可能有一些古怪。Nilsson说：“任何有关水的事情都存在争议。”更多的研究者认为水的性质可以用更为传统的方式解释。一种解释是在极低的温度下，过冷态的水转变为一种无序的固体，而不是晶体结构的冰。另一种解释认为，看似是第二临界点的现象，只是水的一种奇特的凝固方式。

该团队知道，如果他们关于第二临界点的认识是正确，通过试验验证将极其棘手。临界点所处的温度只有-45°C，即使是过冷态的水也会自发结成冰。“我们所面临的挑战是将水极快地冷却下来，” Stanley说，“研究它需要非常聪明的试验设计。”

接踵而至的证据

任职于瑞典斯德哥尔摩大学的Nilsson接受了这一挑战。他的团队一直痴迷于水的奇特行为，尤其是Poole和Stanley关于两种液体的设想。本世纪初，Nilsson在室温和大气压下工作让他相信水分子可以以两种结构存在：无序的致密堆积，以及密度较低的均匀四面体结构。他的试验表明，在这些外界环境下，低密度的相会浮在混乱的致密相之上。但他也表示，他的同行并不认同这一观点。

Nilsson认为，水分子可以以两种结构存在。