陳仁政

科學家通過對水的研究，已經揭開了許多科學之謎，不過，仍然有許多關于水的謎還沒有揭開。

孤子理論的誕生和發(fā)展

1834年8月的一天，年輕的蘇格蘭土木工程師與船舶設計師約翰·羅素在尤寧運河河邊勘探。開始，他看見有兩匹馬拉著一條船在迅速前進，后來，當船停止前進時，他偶然發(fā)現船頭聚集了一個巨大的圓而光滑像饅頭狀的水包（水波）。這水包長約1米，比河面高出約30厘米，以14千米每小時的速度在河面上推進了2千米。羅素策馬揚鞭緊追不舍，密切觀察這一難見的“河上奇觀”，一直追到水波消失為止。后來，人們將這種水波稱為“羅素水波”。

我們通常看到的水波，總是向四面散開而很快消失，且有波峰和波谷；而羅素水波為何僅有波峰且能推進2千米遠并保持形狀不變呢？這一問題引起了科學家們的極大興趣。很多年之后，人們才用“非線性效應”和“色散效應”加以解釋。1971年，美國物理學家諾曼·查布斯基在大水箱中成功地人為造出了這種水波。人們還發(fā)現，如果同時有兩個這樣的水波碰撞，結果是碰撞之后會各走各的路，形狀也不會改變。這很像是一種物質實體，人們將它稱為“孤立子”或簡稱“孤子”，并創(chuàng)立了相關的孤子理論。

1980年，中國赴美留學生吳君汝首次在2厘米深的小水槽中發(fā)現了一種奇異孤子，曾引起過極大的轟動。100多年來科學家對孤子理論的創(chuàng)立和研究，不但使它成為前沿科學之一，而且應用范圍已經超越了諸如凝聚態(tài)物理、天體物理、非線性光學、材料科學、統(tǒng)計力學、流體力學等物理領域而進入生物學、化學、數學諸領域，還對自然科學各分支中存在的大量非線性現象的研究產生了巨大影響。孤子理論還被用于激光的研究、導電塑料的研制、電磁導彈的制導等。當然，現在的孤子概念已經不再局限于水波孤子了。

然而，雖然科學家對孤子理論的研究取得了許多成果，但是迄今還有不少謎團尚未揭開。

氫鍵的研究

1912年，英國科學家托姆·摩爾和托馬斯·溫米爾在前人研究的基礎上，對比氫氧化四甲基胺與水合三甲基胺的弱堿性之后，意識到“氫鍵”的存在，并提出了水合三甲基胺的雙氫鍵結構，揭開了研究氫鍵的序幕。1920年，美國化學家拉梯默爾與羅德布什研究了水的相對介電常數大得反常的現象之后，首次明確提出了“氫鍵”的概念。 20世紀50年代初，西吉因斯等科學家根據氫鍵比范德華力大和方向不嚴格等現象，提出分子之間趨向于盡可能多地生成氫鍵，以降低體系能量的觀點。其后，美國分子生物學家沃森和弗朗西又提出了DNA分子中的堿基間生成氫鍵的理論，進一步擴大了對氫鍵的認識。

后來，科學家們經過對物質中不斷發(fā)現的氫鍵的研究，更加深了對氫鍵的認識。例如，把氫鍵細分為“正常氫鍵”“π型氫鍵”“雙氫鍵”“單電子氫鍵”等類型。

現在比較流行的氫鍵理論是：氫鍵是靜電吸引、偶極子間的吸引和共振的結果，具有不嚴格的方向性和飽和性。氫鍵在理論和實踐中都有重大作用。例如，用它成功地解釋了許多物質（例如水）的沸點、熔點、熔解熱、汽化熱與體積變化等的反?，F象；它對人們深化對蛋白質螺旋結構的認識、對DNA雙螺旋模型的建立，也功不可沒。

不過，氫鍵理論至今仍然不完善，仍有待科學家新的探索。

過冷水之謎

“過冷水”是指低于0°C時卻仍然保持液態(tài)而不結冰的水。

1988年，德國物理學家發(fā)現了在-70°C時不結冰的水。當時他們把極純的水放在直徑0.05～0.2毫米的玻璃管內，置于40.52大氣壓下，水仍然沒有結冰，而是成為像蜂蜜一樣的黏稠液體。這一發(fā)現意義非凡—發(fā)現了水在一系列物理形式中前所未有的現象。

1992年，美國波士頓大學科學家彼得·普爾和吉恩·斯坦利在實驗中意外發(fā)現一個反常現象，即0℃以下的過冷水的密度，溫度越低時起伏越大。通常，溫度越低，分子越不活躍，密度起伏應越小。對于這種反常的密度變化，他們給出的解釋是：水的液-固相有兩個“臨界點”，第一臨界點是0℃，第二臨界點低于0℃。在第二臨界點，水會在兩種狀態(tài)之間快速轉變，兩種狀態(tài)的水性質不同。兩種狀態(tài)互相轉化時，都會使密度突變，這一突變在臨界點時最為顯著。在這個臨界點處，水不是一種液體，而是兩種液體：一種水中的水分子是規(guī)則的四面體結構，密度較低；另一種則是無序和高密度的。不過，關于水是兩種液體的說法，不少人也持懷疑態(tài)度，甚至說普爾等人偽造實驗結果。大多數研究者認為，上述反常可以用常規(guī)理論來解釋。其中一種觀點認為，僅僅是過冷水在凝固時的一種特殊現象，或者是在非常低的溫度（例如-45℃）下，過冷水轉變成了一種無序的固體。

癡迷于水研究的瑞典科學家安德斯·尼爾森綜合了多年水實驗的數據，提出水的確有兩種不同的液態(tài)：一種水分子無序而且致密，另一種水分子則是規(guī)則的四面體結構，密度較低。在常溫常壓下，低密度的水分子隨機嵌入高密度水分子中，人們不可能看到這種現象。在眾人的質疑聲中，尼爾森決定用實驗讓大家看到水的第二臨界點。2017年，他遠赴韓國，借用最先進的技術制造出超純凈的液態(tài)水，并通過實驗證明了水在同一壓強、同一溫度時，存在兩種不同的密度。他于2017年12月發(fā)表實驗報告宣布找到了水的第二臨界點。

不少人認同尼爾森的實驗結果，但是，也有人質疑，認為實驗中記錄對象是水滴，而水滴在整個過程中體積的變化極小，對于這微小的體積變化的解釋有許多種，而第二臨界點只不過是其中一種，尼爾森不過是為了切合自己的設想，選中了這種解釋而已。

荷蘭阿姆斯特丹大學的桑德·沃特森團隊采用了不同的方法，嘗試用防凍劑來防止水因為降溫而結冰。他們在2018年3月發(fā)表論文證實水確實存在第二臨界點。于是，水的第二臨界點又有了新證據。

中國科學院物理研究所孟勝博士于2019年發(fā)表論文，文章認為“水是兩種液體”的原因是：因為密度不同，它們的氫鍵的類型、氫鍵的鍵長等參數不一樣，如黏滯性和擴散系數在內的性質也就有差別?，F在“水是兩種液體”的觀點仍處在假說階段。

重水與超重水之謎

重水（D2O，D是氫的同位素重氫—氘的元素符號）與超重水（T2O，T是氫的同位素超重氫—氚的元素符號）可分為人造的與天然形成的。其中，天然形成的重水極其稀少—在天然水中的占比大約為0.02%；超重水則更加稀微—占比不到10-9（十億分之一）。在“外觀”上，重水與超重水和普通水相似—無色、透明、無味、無臭。

1931年底，美國科學家哈羅德博士首先發(fā)現了氫的第一個同位素氘，他也因此獨享1934年諾貝爾化學獎。氫的第二個同位素氚則是1908年諾貝爾化學獎得主盧瑟福在1934年發(fā)現的。氘和氚可用于制造氫彈。

1933年，美國物理化學家吉爾伯特把10升電解槽廢液反復電解之后，得到濃度大約是65.7%的0.5微升重水，再電解之后得到接近純凈的重水。他首次人工制成了重水微滴，并成功地測定了重水的某些物理常數。蘇聯(lián)物理學家阿捷耶夫最先猜測，北極冰中包含著由重水結成的“重冰”。當自然環(huán)境允許時，重水會暫時從自己的永久伴生物中分離出來。

百分比濃度較大的重水或者超重水，不能使種子發(fā)芽，如果被人或者動物大量飲用，還會引起疾病甚至死亡（重水的致死濃度為60%），但是某些細菌能在較高濃度的重水里存活。由于在天然水中，重水和超重水的含量微不足道，所以人們不必擔心飲用普通的水會損害健康。

目前，重水和超重水主要作為減速劑用在核裂變反應中。重水中的氘作為示蹤原子，已經廣泛應用于各個領域。將重水中的氘和超重水中的氚用于受控核聚變來提供大量能源的“美好愿景”的研究還在“火熱進行”中，但是“八字還沒有一撇”。