作者：（美）杰拉德·波拉克（Gerald H.Pollack）著
出版社：化学工业出版社
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水的答案知多少—水的第四相：不只是固态、液态和气态试读：
前言
在我的客厅里坐着一位诺贝尔奖得主。他很羞涩，而我则对他非常敬畏。这是一种很容易令人尴尬的组合，好比你想和爱因斯坦聊一聊—说点什么好呢？
安德鲁·赫胥黎爵士（Sir Andrew Huxley）是诺贝尔奖得主。他曾经在对细胞膜的研究中做出了经典的工作；而当我们会面的时候，他已经成为肌肉收缩这一研究领域的领头人。他拥有数不清的头衔—英国皇家学会的会长，剑桥三一学院的院长，他甚至还曾经从英国女皇手里接到过一枚功绩勋章。他是杰出的赫胥黎家族的一员，著名的生物学家托马斯·亨利·赫胥黎（Thomas Henry Huxley）（“达尔文的斗牛犬”）（译注：著名生物学家，并因捍卫查尔斯·达尔文的进化论而有“达尔文的坚定追随者”之称）和极有先见之明的作家奥尔德斯·伦纳德·赫胥黎（Aldous Huxley）（译注：著有《美丽新世界》一书，叙述了未来的情形）都来自于这个家族。而现在，这位科学界中的贵族就坐在我小小的客厅里。
在这个尴尬的时刻，谁也不敢提及那个敏感的问题—在我的实验室中所取得的一些实验结果表明，我的这位客人的理论有可能是错的。赫胥黎爵士专程来到我们的实验室来检查我们的实验证据。刚刚他已经在实验室里检查过了这些结果。而现在在我的客厅里，大家都避免提及这些尖锐的话题，而是把注意力集中在普通的寒暄上面，比如说今天的天气。即使在喝了几杯作为“社交润滑剂”的雪利酒以后，让这些话题溜出嘴边也很困难。不管怎么说，这是一位科学界的圣贤，甚至可以说是神祗。
像赫胥黎这样杰出的人物看起来实在是令人敬畏。然而，我们倾向于忘记，即使是最有名望的科学家也是人。和我们一样，他们也吃五谷杂粮，也有喜怒哀乐，也有着人性的弱点。所以，当我们惊叹于他们的见识，尊重他们所作出的诸多贡献的同时，我们其实没有必要认为这些贡献是完美无瑕的，或者认为这些贡献是绝对的真理。科学理论也是人取得的，它们并不神圣。
把任何科学理论当做神迹来对待都是一个严重的错误。我们所建立的对整个世界认知的框架，应该放置在坚实的实验证据的基础上，而不是神圣的科学理论上。否则，我们所得到的结果有可能会像埃塞尔（M.C. Escher）的画一样似是而非，这正是我们需要避免的。如果一个模型没法给我们简单、合理的解释，即便它存在了很长时间，也是脆弱的。伽利略的故事告诉我们，当一个已经建立的理论需要一个精心构造的“本轮”才能说得通的时候，那么也就是时候来寻找一个更简单的理论了（译注：在克罗狄斯·托勒密于公元2世纪提出的“地心说”中，假设各行星都绕着一个较小的圆周运动，而每个圆的圆心则在以地球为中心的圆周上运动。他把绕地球的那个圆叫“均轮”，每个小圆叫“本轮”）。
这个基础源自于最近的发现。在这个新的基础之上，我们将建立一个理解框架，这个框架应该有着相当强的解释力—很多日常现象将变得非常容易理解，并不需要让人绞尽脑汁。在建立这个新框架的过程之中会产生新的科学规则，这些科学规则或许不仅仅适用于水，也适用于大自然的其他领域。
我所采取的方式是反传统的。这本书并非建立在“流行的智慧”的基础之上；也没有条件反射一般将所有的基本规则视作固有的真理。恰恰相反，它回到了科学研究的根本方法之上—依赖于普通的观察、简单的逻辑以及采用最基本的物理化学规则来理解各种事物。比如说，在一杯热咖啡之上，你可以看见杯中袅袅上升的蒸汽。这会告诉你什么？当前已经有的基本规则是否能够解释你所看到的现象？我们是否应该寻找其他原因？如果你读过第十五章，你就会知道我在谈什么。
这种老式的研究方式看上去可能有点不是那么虔诚，因为它没有对“科学之神”表示出那么多的顺从。但是从另外一个角度来说，我相信这种方式可以给理解自然提供一条最好的道路，使大自然变得让外行也能理解。
我当然不是生下来就是这样一个革命者，实际上我曾经相当传统。当我还是一个电气工程专业的本科生的时候，我每天上课、生活一丝不苟，我的革命性就像老太太们一样强。
直到我在宾夕法尼亚大学读博士的时候，有人在我的心中种下一粒叛逆的种子。我当时就读的专业是生物工程。我发现工程这一部分是相当固定的，而生物这一部分常常会有一些可喜的变化。当时的生物学就像正在发酵的面团一样。一切都正在被研究，充满了活力，未来一片光明。虽说如此，没有一个教授会认为我们这样的学生有朝一日会有什么重大的科学进展。我们的工作仅仅是给早就建造好的骨架上面添加血肉而已。
我一直认为这种填填补补的方式就是科学之道，直到有一天我的一个同事点亮了一盏红灯。在我即将完成我博士学业的时候，岩澄达夫（Tatsuo Iwazumi）（已故）来到宾夕法尼亚大学。当时我已经根据赫胥黎的肌肉模型对心肌的收缩进行了初步的电脑模拟，岩澄达夫本来是要继续研究这个课题的。岩澄达夫缺少我认识的日本人所具有的恭敬神态。他毫不含糊地告诉我，“这不可能！你的模型毫无价值，因为它是建立在已有的肌肉收缩理论之上的，而这个理论不可能是对的。这个肌肉收缩机制本质上是不稳定的。”他继续道。“如果肌肉真的这样收缩的话，那么当它收缩第一下的时候就要完全散开了！”
天哪！这是对赫胥黎的肌肉理论的正面挑战吗？怎么有人敢这样！
尽管岩澄达夫身上无时无刻不散发着睿智的光辉，而且有着来自东京大学和麻省理工学院的完美的教育背景，但是他怎么看起来也不是传奇的安德鲁·赫胥黎爵士的对手。这么杰出的一位诺贝尔奖得主怎么会出错呢？我们都知道，来自于这位传奇人士的科学理论是写进教科书上的理论，是广为人知的真理，而现在有一个自以为是的日本小伙子告诉我这个已经被广泛接受的生物运动的机制不仅仅是错的，而且是完全不可能的！
虽说我当时不大情愿，但是我不得不承认岩澄达夫的道理非常令人信服—逻辑清晰而且简单。据我所知，他的理论直到今天还仍未曾遭到过挑战。即便是第一次听到岩澄达夫理论的人也能弄明白他的逻辑；大多数人同时会为这个理论的简洁性感到目瞪口呆。
对于我来说，这就是一个转折点。它告诉我一个合乎逻辑的推理甚至可以战胜有着无数追随者的长期信仰体系。一旦被证伪，这个理论就彻底完蛋了。没有任何理由地追随就像是宗教一样，而不是科学。岩澄达夫的故事告诉我“独立思考”不仅仅是一句套话，这是追寻真理的道路上最重要的部分。实际上正是这一点引起了本文开篇处所提到的同安德鲁·赫胥黎爵士关于肌肉收缩理论的争论（这场争论永远没有尘埃落定）。
我向你保证，挑战传统不像一大片玫瑰田那样令人愉悦。你或许会认为科学家们会张开手臂欢迎那些给陈旧的思考方式带来新鲜空气的人们，但是大多数情况下，他们是不会这么做的。新的尝试会挑战固有的思维，举着大旗的科学家们的反应往往充满敌意，因为这些挑战者威胁到了他们的地位。结果就是，这些挑战者的路非常凶险，往往充斥着急转弯和各种难以对付的障碍。
尽管如此，这些年以来我仍然在这条路上幸存了下来。我小心翼翼地平衡对传统科学的尊敬与不敬，几乎没有收到什么伤害。我们所面临的挑战显而易见得多，但是我们实验室中的技术足够令人觉得印象深刻，我的学生在世界各地都能得到一份好工作，有些已经到了学术界最高的级别。这些荣誉徽章使我免于遭受到大多数挑战者所遭受的不幸。
在我职业生涯的中期，我的兴趣变得越来越宽。当我涉足的科学领域越来越广泛的时候，我发现了更多的问题。有些问题就像是我在肌肉收缩领域发现的那样，尽管逻辑上充满矛盾，但是在该领域之内已经被人奉为圭臬。
水是这些问题之一—也就是这本书的主题。当时，在水研究这个领域之中声望最高的挑战者是凌宁（Gilbert Ling）。凌宁曾经发明了玻璃电极，这是细胞电生理学领域之中的一场革命。凌宁完全可以凭借这个突破赢得一次诺贝尔奖，但是他却掉进了麻烦里，因为他的结果告诉他，细胞里面的水分子是规则排布的。凌宁在宣布他的发现的时候没有丝毫犹豫，即使是面对那些不喜欢这个想法的人们。
由于这个原因，还有其他一些被“大肆宣扬”的“异端邪说”，凌宁在科学界失宠了。持有更加传统观点的科学家视他为一个破坏分子。然而，我却发现他对细胞中水的观点和岩澄达夫对肌肉收缩的观点一样可信。他的观点之中确实有一些问题需要解决，但是总的来说，他的理论有实验支持，很符合直觉、富有逻辑，而且很有继续发展的潜力。我回想起当我想邀请凌宁来我的大学做一次演讲时，我的一个同事提醒我再好好考虑一下。他用一种看上去像父亲一样的语气警告我，支持这样一个有争议的人物会令我自己的声誉也不可避免地受到影响。我承担了这个风险—但是他的警告的言外之意仍然回响至今。
凌宁的事让我的眼界变宽了。我开始理解这些挑战者为什么会有那样的命运。这些挑战者们总是会让正统理论的拥护者感觉不舒服，所以这些挑战者惹上了麻烦；同时我也意识到，那些有意义的挑战实际上是出乎意料得多。不光是在水和肌肉的领域，不一样的声音在每个领域都被发出，从神经是如何传导信号一直到引力是怎样把太阳吸引向地球。我看得越多，就发现得越多。这里我指的不是那些只求吸引眼球的怪人所提出的古怪想法，我指的是那些来自于专业的、思维缜密的科学家的具有意义的挑战。
科学界之中严肃的挑战非常之多。你或许未曾意识到这些挑战的存在，就像我也是直到最近才感受到这些挑战的存在一样。原因就是，这些挑战往往不会被公之于众，因为有名望的当权者们认为公布他们盔甲上的裂缝对他们没有什么好处。即使是刚刚进入他们研究领域的年轻科学家们也可能不知道，本领域的正统理论正在遭受围攻。
对传统的挑战往往都遵循着相同的轨迹。如果某个科学家被某极其复杂以及同实验不相符的理论所困扰，他会站出来公布这个问题。很多时候，科学家们在公布问题的时候会提出另外一个替代理论，而那些当权者们会无视这个挑战。这使得好多挑战被默默无闻地遗忘在地下室里腐烂掉。那些极少数得到回应的挑战经常会遭受到更有攻击性的对待，当权者们蔑视他们、诋毁他们的名誉、指控他们精神错乱。
后果是预料之中的，科学保持现状，没有什么新闻。人们仍然无法治愈癌症。科学的建筑继续在风化的甚至扭曲的地基上被添砖加瓦，导致模型越来越臃肿。比模型更臃肿的是教科书，写满了各种公式或者是不足轻重的细节。有些领域已经变得过于复杂，导致实际上无人能够理解。很多时候我们没法共鸣。很多科学家把现代科学维持得很复杂，且远离人类的经验。对于他们来说，因与果只不过是旧世界的离奇特点，早就该被钟情于复杂的统计相关的现代社会所抛弃了。
对于科学的复杂度，在我读理查德·费曼（Richard Feynman）关于量子电动力学的书时很有体会。很多人会把费曼—一位物理学界的传奇—当做20世纪的爱因斯坦。在费曼的书的2006版的序言中，一位杰出的物理学家说道：“你或许读不懂书中在写些什么，不过就算这样你也要读一读，因为书里写的东西很重要。”我对于这样的态度稍微有点厌烦，但是这同费曼本人在他自己的序言里面所写的相比完全就是小巫见大巫。费曼写道：“我的任务就是说服你们，让你们不要因为读不懂这本书而不去读它。你瞧，我的学生们其实也读不懂这本书。这是因为我也读不懂这本书。没人读得懂。”
你手里拿的这本书所追求的是这样一个目的，当代科学一定要在人类的理解范围之内。我们很努力地寻求简洁。如果当前被接受的正统科学规则没法解释日常现象，那么或许这些规则并不对。即使这些基本规则来自于那些科学巨匠，我们也不能放弃新的规则或许更有意义的可能性。
在本书中，我们的目标是理解水。水看上去应该是非常复杂，即使要理解一些日常现象也通常需要非常复杂且反直觉的理论，但我们仍然没法得到一个令人满意的结果。这种非常令人厌烦的复杂就是当前科学规则的基础—一个来自于各个领域被长期应用的规则的集合。或许一个直接来自于对水的研究会是一个更合适的基础，可以让人更容易理解。这就是我们前进的方向。
你不必成为一名科学家之后才可以读这本书，这本书就是给那些具有最基础的科学知识的人所写的。如果你知道异性相吸，听说过元素周期表，那么你就能领会到我想传达的信息。此外，对于那些会对挑战传统教条嗤之以鼻的人来说，这本书当然不会合他们的胃口，因为正是对教条的挑战组成了这本书的脉络。这本书是反传统的—书中充满了“限制性情节”和出人意料的转折。我希望这是一本让你满意的，甚至让你觉得很有意思的书。
我限制了参考文献的数目。只有在必需的情况下我才会引用参考文献，略去了那些众所周知或者极易寻找的例子的引文。文字的可读性是我首先要保证的目标。
最终，我不会幻想本书中所提到的所有观点都是最终真理。有些观点是出于猜测的。我的目标肯定是描写科学事实，而不是撰写科幻小说。但是你知道，哪怕只有一条丑陋的事实也足以毁灭最优美的理论。这本书中的内容代表了我尽最大努力以及最真切的尝试，把已有的证据编织到一个严密的解释框架之中。这不是一个传统框架，我已经知道有些科学家们并不同意书中所写的部分内容。不管怎样，这是对追求真理所做的一次真诚的尝试。
在一头扎进浑浊的水中之前，让我们瞧一瞧是否能够先澄清点儿什么。杰拉德·波拉克2012年9月于西雅图见人所见，思人所未思。—阿尔伯特 ·圣捷尔吉诺贝尔奖得主（1893-1986）异物志
帮你认清潜伏在神秘水域之中生物的读者指南
水分子
我们所熟悉的水分子，由两个氢原子和一个氧原子组成。
排斥区（EZ）
排斥区是浸在水中的物质与水的界面处的区域。很多种物质都可以在水中产生排斥区。这片区域之所以被称为“排斥区”，是因为它可以排斥水中的几乎所有溶质。排斥区中含有大量电荷，而且性质与自由水并不相同，有时它被称为水的第四相。
自由水
很多水分子的集合，排列方式仍然存在争议。
电子和质子（氢离子）
电子和质子是带电的基本单位。它们彼此之间会互相吸引，是因为电子带负电，质子带正电。溶解在水中的质子被称为氢离子。电子和质子在水的性质中扮演了重要的角色—或许你没想象到有这么重要。
水分子电荷
水分子是中性的。氧原子带有两个负电荷，而其他的两个氢原子各带一个正电荷。
界面电池
这个电池由排斥区以及排斥区之外的自由水区域组成。这两个区域分别带有相反的电性，这种电荷分离就像普通电池一样是持续的。
水合氢离子
质子会结合在水分子之上，形成水合氢离子。一个带正电的水分子就是水合氢离子。像水合氢离子这样带有正电的物种非常容易移动，可以造成很大的混乱。
辐射能量
这种能量来自于太阳以及其他辐射源。水可以吸收这种能量，给水电池充电。
蜂窝层状结构
蜂窝层状结构式排斥区的结构单元。这些层状结构同形成排斥区的平面所平行，堆叠在一起，形成了排斥区。
水滴
水滴是由排斥区外壳所包裹的自由水所组成，这两种成分带有相反的电。
冰
冰的结构同排斥区的结构非常相似，这种相似性并非偶然，它们两者之间可以很容易地互相转变。
气泡
气泡的结构就像水滴一样，区别就是气泡的内部是气态的，也就是蒸汽。
囊泡
既然水滴和气泡的结构相似，那么我们给它们贴上一个共同的标签—囊泡。囊泡可以是水滴或者是气泡，这取决于它中间水的物态。当一个水滴吸收了足够的能量之后就可以变成一个气泡。第一部分水的奥秘：开辟一条道路第一章 迷雾重重
两个学生手捧一个小烧杯，急匆匆冲过走廊，向我的办公室跑来。原来这两个学生在这个小烧杯中发现了意想不到的现象，想让我看一看。遗憾的是，在我看之前烧杯中的现象就已经消失了。好在发生在烧杯中的一切并非侥幸，同样的现象在第二天又发生了。我一下子就理解了学生们为什么会那么兴奋，因为他们所观察到的这个现象是常理无法解释的。
水，覆盖在地球上，弥漫于天空中，充斥在细胞里（细胞中的水或许比你想象的还要多，细胞中水的体积占据了三分之二）。然而水分子的体积非常小，如果你数一下你身体里面的各种分子，水分子的数目则占了其中的99%。正是这么多的水分子占据了三分之二的体积。人的身体几乎就是一大包水分子。
我们对这些水分子有多少了解呢？科学家们确实会研究水分子，但是他们很少会直接去研究大量的水分子，比如一杯水中的水分子是如何相互作用的。大多数科学家更宁愿去研究单个的水分子以及其邻近的水分子，并且希望能通过这种手段来推断观测到的各种现象。大家都想弄清楚这些现象是怎么回事，水分子之间是怎么相互作用的，即水分子的“社会行为”是什么。
既然什么地方都有水，似乎你可能得出一个看上去很合理的结论—我们对水已经理解得很透彻了，其实不然。下面，我将要给你展示一些日常现象以及一些简单的实验结果。你想想看，你到底能否解释这些现象。如果你能的话，我认输，你也就不用读下去了。如果在你寻求了一切可能的帮助，查阅了可能的文献之后，你觉得你的解释还是糊里糊涂，那么我希望你能重新考虑一下“我们对水已经理解得很透彻了”这个假设。生活中的奥秘
下面有15个日常现象，你能解释它们吗？
● 干沙子和湿沙子。如果踩进一堆干沙子，脚会深深地陷到沙堆里。但是如果踩进水边的湿沙子，脚却几乎陷不进去。实际上，湿的沙子非常结实，湿沙子可以用来建造一个牢固的城堡或者一个大沙雕。显然，水成了沙子之间的黏结剂。但是水到底是怎样把这些沙粒黏结到一起的呢？（答案在第八章）
● 海浪。通常情况下，波浪在水中前进相对较短的一段距离以后就会消散掉。然而海啸波在最终消散之前可以环绕地球好几圈。为什么海啸波可以持续这么长时间？（请读第十六章）
● 果冻。果冻几乎都是由水构成的。你或许会想，既然果冻中全都是水， 那么水应该会从果冻中流出来（图1.1）。然而这从未发生［1］过。实际上，就算是含水量为99.9%的凝胶，也不会流出水来。水为什么不会从果冻中流出来呢？（请读第四章和第十一章）图1.1 水为什么不会从果冻中流出来呢
● 纸尿片。同凝胶一样，纸尿片中也可以储存大量的水。纸尿片可以吸收50倍于自身重量的尿，或者800倍于自身重量的纯水。为什么纸尿片可以吸收这么多的水？（请读第十一章）
● 滑溜的冰。固体材料之间的相互滑动不是很容易。想象一下你可以牢牢地站在一个小坡上面，摩擦力使得你不会滑倒。然而，当这个小坡上面有冰的时候，那走路的时候就要非常小心了。为什么冰同正常的固态物质的性质差别这么大呢？冰为什么是滑的？（第十二章会解释）
● 肿胀。如果你的朋友在一场网球比赛中扭伤了脚踝，几分钟之内，她的脚踝就会肿到之前的2倍大。为什么体液可以这么迅速地涌向受伤的地方？（第十一章中有答案）
● 热水结冰更快。一位中学生曾经在烹饪课上发现了一件奇怪的事情，他发现用热牛奶做的冰激凌比用冷牛奶做的冰激凌能更快地冻住。这个悖论就是众所周知的“姆潘巴效应”。为什么热水能比冷水结冰还快呢？（参见第十七章）
● 上升的水。叶子们都很需要水。为了补充由于蒸腾作用损失掉的水分，树根会吸收水。这些水会通过茎中狭窄的管道（导管），形成一个水柱，随后被运输到植物的其他部分，使得叶子可以得到足够的水分。现有的解释认为管道的顶部会对下面的水柱施加向上的吸引力。但是对于那些100多米高的红杉树来说这就是个大问题。水柱很沉，因此每根毛细管中的水自身的重力就足以弄断这根水柱。一旦水柱断裂，它也就不能把根从土壤中吸收的水分向上吸了。大自然是怎么解决这个问题的？（看看第十五章）
● 破碎的混凝土。混凝土建造的人行道会被拱出来的树根弄裂，而根中的主要成分是水。这些含有水的树根是怎么产生能弄裂大片混凝土的压力呢？（请读第十二章）
● 表面的水滴。在有些表面上，水会形成一个水珠；而在有些表面上水会平铺开。水和表面的接触角是用来分类不同表面特性的一个标准—亲水或者疏水。尽管我们有了这样一个分类标准，但是我们并不知道为什么水会在表面上铺开，或者能铺开多远。是什么力量使得水在表面上铺开？（参见第十四章）
● 在水上行走。或许你曾经见过蜥蜴在池塘上面行走。它蹦蹦跳跳地就在水面上从一边跑到了另外一边。一个貌似合理的解释是水有着较高的表面张力。但是如果水表面张力仅仅来自于水面上的几层水分子，那么这个张力应该很弱。水是怎么做到（或者蜥蜴是怎么做到）这种圣经中才有的神迹呢？（请读第十六章。）
● 一块块蓬松的云彩。水蒸气会不间断地从广阔的海洋蒸发出来，上升到天空中。水蒸气无处不在，但是云却是一块块的，在蓝色的天空很醒目（图1.2）。是什么力量指引着水蒸气跑到了云彩的位置？（第八章和第十五章讨论这个问题。）图1.2 为什么水蒸气可以汇聚到天空中特定的位置形成云朵
● 作响的关节。当我们屈膝时，膝盖一般不会发出吱嘎的响声，这是因为水在骨与骨之间（实际上是软骨与软骨之间）提供了完美的润滑作用。水为什么可以显著减小摩擦力呢？（请看第十二章）
● 漂浮的冰。绝大部分物体在温度降低的时候会收缩，水也不例外。然而水的体积随着温度降低而收缩的现象到4℃就会停止。一旦温度低于这个临界值水就会开始膨胀；水结冰之后，体积会膨胀得更多。4℃为什么这么特殊？为什么冰的密度比水小这么多？（第十七章回答了这个问题）
● 黏稠的酸奶。为什么酸奶能这么黏稠呢？（请看第八章）实验室中的奥秘
接下来描述几个在实验室中观察到的现象。让我们先从在走廊匆匆跑过的学生所发现的现象开始吧。
● 微球的神秘迁徙。这些学生的实验很简单。他们把很多被称之为“微球”的小小微粒（译者注：由聚苯乙烯制作成的小颗粒，直径约为2微米）倒进一杯水里，然后摇晃这个烧杯，确保悬浊液混合均匀。接下来将烧杯盖上，防止液体蒸发。第二天早上，他们回到实验室来检查结果。按常理来说，或许杯子底部会有一些沉淀，除此之外什么都不应该发生。这杯悬浊液看起来应该是一杯均匀的、浑浊的、乳白色液体，好像在一杯清水里滴上几滴牛奶摇晃后的样子。实际上，大部分悬浊液看起来确实是均匀浑浊的。然而在烧杯中心附近，从上到下，一条澄清的圆柱奇怪地贯穿了整杯液体（图1.3），这条液柱里面几乎没有微球。就好像有某种神秘的力量把所有微球从烧杯的中央驱赶到了外围的位置。图1.3 均匀的悬浊液中为什么会出现一条澄清的区域
只要初始条件大体不变，这条澄清的液柱总会出现。这个实验可［2］以一次又一次地重复。问题是，是什么力量驱动了这些微球，让它们从烧杯中心迁徙到烧杯周围呢？（第九章有解释）
● 水做的桥。这也是一个非常有趣的实验现象。你不妨想象一下两个分开一段距离的烧杯被一条浮空的水柱连接起来的景象。这就是所谓的“水桥（Water Bridge）”。尽管“水桥”在一个世纪以前就已经被发现了，但埃尔马·富克斯（Elmar Fuchs）和他的同事让这个古老的实验焕发出了现代的青春，并且引起了世界范围的广泛关注。
这个实验的过程是，首先向两个烧杯中倒上满满两杯水，然后将两个烧杯杯沿相碰，并排放桌上。在两个烧杯中分别插入一个电极，然后给水通上大约1万伏的电压。水会立即越过杯沿，从一个烧杯跳到另外一个烧杯中，形成一道水桥。一旦水桥形成，就可以慢慢分开两个烧杯。已经形成的水桥不会断裂。它会继续伸长，跨过两个烧杯之间的空隙，甚至可以伸展到几厘米之长（图1.4）。令人震惊的是，水桥几乎不会下垂。即使实验是在室温下进行的，水桥看起来几乎像冰一样的结实。图1.4 水桥是被什么支撑起来的
郑重提醒：一定要抵制住试一试这种需要极高电压的实验的诱惑，除非你觉得自己对电免疫。你最好去看看这个令人大跌眼镜的实［w1］验视频。问题是，是什么支撑起了这道水做的桥？
● 漂浮的水滴。水与水的混合过程应该是瞬时的。然而如果用一个滴管向一盘水里滴水，水滴在与盘里的水混合之前往往会在水面上漂浮一段时间（图1.5）。有些水滴甚至可以漂浮几十秒。更不可思议的是，水滴并不是一下子融入到盘中水里，而是会分成好几次才能
［3］融入。水滴的溶解就像设计好的舞蹈一样。图1.5 水滴为什么会在水表面上停留一段时间
这种漂浮的水滴现象在自然中也可以被发现。比如房檐上的水滴到地面的小水坑里的时候；或者船舷上的水滴到湖里的时候；甚至雨水直接落在地面的积水上。问题是，既然水与水可以自然地相溶，那么是什么推迟了这种自然的结合呢？（请看第十三章和第十六章）
● 放电的水滴。最后展示的是一种让人困惑的实验装置。如图1.6所示，从一个倒放的瓶子里（或者直接从水龙头里）流出来的水被分成了两个支流；水滴从每个支流滴出来，穿过一个金属环，然后落到金属容器里。两个金属环和金属容器被交错地连接在一起；两个金属容器上分别伸出一个金属球，两个金属球之间有几厘米的空隙。图1.6 为什么仅仅用水就可以产生极高电压的放电
这个实验装置最早由开尔文爵士发明，看似平淡无奇的装置可以产生惊人的效果。当足够的水滴滴下去之后，能听到噼噼啪啪的声音。然后不久伴随着啪的一声，两个金属球之间就会产生一道闪亮的电弧—两个金属球之间发生了放电。放电现象只有在两个金属容器之间的电势差很大的时候才能发生。容器之间的电势差可以轻易地达到100000伏特，电势差的大小同容器之间的间距有关。产生这么大的电势差需要巨量的电荷，然而这些电荷却只有一个唯一来源—水。［w2］
你完全可以在家里做这样一个实验，但是看一段展示视频会更方便些。来自于麻省理工大学（MIT）的瓦尔特·卢因（Walter ［w3］Lewin）教授录制了这样一段视频，视频中卢因教授给满满一屋子惊呆了的大一新生展示了开尔文滴水放电器上的放电现象。随后卢因教授给同学们布置了这次课的作业—请解释为什么来自于同一个源头的水可以分离这么多的电荷。你能解释吗？从这些神秘现象之中所学到的
前面所提到的种种现象，即使是那些最卓越的研究水的科学家也给不出令人满意的答案。他们或许可以给出浅显的解释，但是仅此而已。
我想在此强调，我们并不研究水在分子层面的性质，而是研究大量水分子所展现的性质，研究大量水分子同其他水分子之间是如何相互作用的—也就是水的“社会”行为。
社会行为是社会科学家和临床医师的研究领域，而他们也正是我们要学习的对象。我有一个朋友，他是一位精神病学家。他曾经告诉我，为了理解人类的行为，首先要把注意力集中在那些怪人、不正常的人身上。这种人的行为非常极端，可以为理解大规模人群中更难以捉摸的行为提供一些线索。同样的道理在此处也适用，即先前描述的几个例子中，水展现出了非常极端的“社会”行为。同样的，这些例子为理解大量水的正常行为提供了线索。
与其漠视这些现象无法解释的现实，不如从中挖掘更多的线索，从而可以把无知转变为优势。本书中间的章节还可以看到很多这种例子。
在第二章中我会提供一些有帮助的背景材料，但是讨论会主要集中在这个问题上：为什么我们对地球上最普通的物质知之甚少。第二章 水的社会行为
水对生命是如此重要，以至于现代生物化学之父阿尔伯特·圣捷尔吉（Albert Szent-Györgyi）曾经这样说道：“生命就是随着固体旋律舞动的水”。没有水的舞蹈，生命就不会存在。
既然水这么重要，你或许会想，现在已经是21世纪了，水既然是一种普通的物质，那么我们对于水的一切都应该非常清楚了，现在所有关于水的问题都应该会有答案了。然而读过第一章之后，我们知道实际情况恰恰相反，我们对于这种熟悉而存在广泛的物质实际上知之甚少。
看看飞利浦·鲍尔（Philip Ball）是怎么评论这个问题的。鲍尔是现代最杰出的科学家之一。他是《H2O：水的自传》（H2O: A Biography of Water）的作者，同时也是《自然》（Nature）杂志的长期科学顾问。鲍尔说： “没有人真正了解水。承认这件事确实很尴尬，但是这种覆盖了地球三分之二的物质仍然是一个谜。更糟的是，我们所见越多，问题越多。在用最新的科技探索液态水的分子建筑的［1］时候，我们发现了更多的谜团。”
水分子本身是为人们所熟知的。两个世纪以前，盖·鲁萨克 （Gay-Lussac）和冯·洪堡 （von Humboldt）就已经定义了水的本质；现在，人们更是知道了很多关于水分子的细节。实际上，水分子由两个氢原子和一个氧原子组成，就像你在教科书中曾经见过的那个样子（图2.1）。图2.1 水分子的示意图
但是我们对于水分子之间的相互作用，以及水分子和其他分子之间的相互作用仍然所知不多。非专业人士很少会提出这种问题。对于大多数人来说，只要知道水分子和其他水分子是通过某种方式连接起来的，就足够了。
但是水分子之间是一定会发生相互作用的。想象一下，在组成一滴普通水的许许多多的水分子中，至少其中一些水分子是同彼此相连接的。如果这种连接不存在，液滴也就不存在了。这种连接性的相互作用不可能是静态的。当两滴水相融合的时候，连接就一定会发生改变；当水滴在一个平面上展开的时候也会发生改变。如果不理解这种水分子之间的相互作用的话，我们甚至没法理解一滴普普通通的水。
所以我们的问题就是，这种相互作用的本质是什么？研究的现状
水与水相互作用的理论很复杂，甚至专门研究水的科学家有时也难以理解彼此的理论（图2.2），所以我会尽量使用简单的语言来对水的研究现状做一个简短总结。想要详细了解水的研究现状的读者可以［2］读一读菲利普·鲍尔所写的综述文章。这里仅仅列举出七个杰出的科研组对水分子之间的相互作用的理解。图2.2 水分子之间相互作用的实质并没有充分为人所理解
● 弗兰克（Frank）和温（Wen） 在1957年建立的“闪变团簇”模型（Flickering Cluster）是描述水分子之间相互作用的一个经典模型。在这个模型中，水分子不断结成团簇。这种正反馈作用使得水团簇生长到临界体积，随后又自发地散开了。所有一切发生在-11-1010~10秒之内，因此被称之为“闪变团簇”。虽说这个模型有些过时，但是它仍然出现在很多教科书中。
● 来自于英国伦敦南岸大学（London South Bank University）的马丁·卓别林（Martin Chaplin）曾经提出过一个结构性稍强的模型。卓别林认为，液态水是由两种相互混合的纳米团簇所组成。一种纳米团簇像一个有点儿瘪了的皮球，而另外一种更像是结构整齐的实心球。水分子不断在这两种状态之间摇摆。但是当给定初始条件以后，处于两种状态的平均水分子数是固定的。有对这个模型感兴趣的人可以在卓别林著名的网站上找到关于这个模型的更多细节，以及其他很［w1］多和水有关的信息。
● 斯坦福大学（Standford University）的安德斯·尼尔森（Anders Nilsson）和斯德哥尔摩大学（Stockholm University）的拉尔斯·佩特森（Lars Petterson）的工作则展示了完全不同的图景。他们的模型也推断两种不同的水会同时存在，一种是水分子以冰一样的结构组成团簇或者链条，这种“水团”可以包含100个水分子之多；另外一种是在这种“水团”之间无序的水。这两位科学家设想了一个无序的海洋，由无数的环状和链状氢氧原子所构成。
● 米兰大学（Milian University）的埃米利奥·德尔·朱迪切（Emilio del Giudice）所提出的模型中则包含更大尺度的团簇。基于量子场论，朱迪切设想了一种亚微米尺度的相干区域（Coherence Domains），每个区域都包含有几百万个水分子。朱迪切认为这些区域中的水分子之间的键如同天线一样，可以接受外界的电磁能量。有了这些能量，水分子可以释放电子，使得它们可以进行化学反应。
● 来自于波士顿大学（Boston University）的基音·斯坦利（Gene Stanley）所提出的一个流行的模型是建立在上述所有模型的共同点之上的。斯坦利认为水有两个截然不同的态—低密度态和高密度态。这两种态之间的区别在超冷水之中展现得最为明显。低密度水有着开放的四面体结构，而高密度水的结构则更为紧凑。水会在这两种态之间进行不断的动态转换。
● 另一个双态模型强调，水分子可以以镜像的方式存在。这就是说，一部分水分子是左手性的，另外一部分是右手性的。这种模型的主要支持者包括来自于俄罗斯的谢尔盖·博兴（Sergey Pershin）、梅尔·辛斯基（Meir Shinitzky）和来自于以色列的耀西·斯科尼克（Yosi Scolnik）。他们主张这两种水的相对比例的不同可以解释水的诸多特性。
● 材料科学的先锋拉斯特姆·罗伊（Rustum Roy）提出了结构最为复杂的模型。他的模型主要强调了水结构的异质性，以及不同结构水团簇之间易于相互转换。水团簇之间的转换几乎不需要能量。图2.3中是罗伊所提出的液态水的模型示意图。［3］图2.3 罗伊所提出的液态水的模型（黑线所圈出的是水的团簇）
现在你或许已经觉得听够了有关水结构模型的故事。但是这些仅仅是很多存在争议和辩论的模型中的一小部分而已。我们对水仍然没有足够的理解。就像鲍尔所说的那样：“太神秘了”。
但是，多数模型有一个共同点，那就是水具有多重态。普遍的观点是液态水仅仅只有一种态，但是这些模型中都提出了一些其他的态。稍后，我们会展示水的一种稳定的状态。这种状态可以实际观测到，同时又有着可以被清晰定义的特征。我们为什么知道得这么少
或许你很难相信只有很少的科学家在研究水。大多数科学家会理所当然地认为，人们对水这种常见的物质已经认识得很清楚。既然这样，科学挑战在哪里？还不如去研究些更时髦的领域，比如分子生物学或者纳米科学，这可比钻研无聊的水要强多啦。
还有另外一个原因使得科学家们不喜欢研究水。水似乎有一层神秘的色彩。古代的宗教大师们认为，水被赋予了异乎寻常的治疗作用，比如“圣水”。这种神秘的“色彩”使水的研究成为一门危险的行当，新颖的发现会被认为是魔鬼的杰作，而不是科学的功劳。这样的话大家最好还是不要冒着被诅咒的危险去研究水了。
尽管颇受挫折，但是水曾经在科学研究中占据过重要位置。在20世纪的上半叶，科学研究的重点是和现在不一样的。比起给狭窄的领域增添更多细节，科学家们更喜欢研究可以应用于整个大自然的更基本的原理，整体看起来要比细节更重要一些。这里所说的“整体”中包括水，因为水几乎无处不在。也曾经有这么一段时间，对胶体（悬浮在液体中的微观粒子）的研究很受到重视。人们相信生命的基础就是胶体。很多科学家们推测，胶体和水之间的相互作用可以解释生命现象中深藏的化学原理。由于人们对胶体的研究很重视，同时对整体分析的研究方法也很重视。两者被结合起来以后，水被放在了科研的中心位置。
但是到了20世纪中叶的时候，有两个原因打消了人们研究水的热情。第一个原因是科学研究越来越专门化。这使得科学家们更多地从分子的角度进行研究，而只给水分配了一个次要的角色。分子成了最风靡一时的演员，对分子研究得越多，那么看起来似乎更接近科学真理。水的研究无法避免变得过时，一点一点失去了光辉。使得科学家们对水避之不及的第二个原因牵扯到了两起事件，每一起事件都严重地阻碍了对水的研究。
第一个事件就是所谓的“聚合水的灾难（polywater debacle）”。聚合水是在20世纪60年代末的冷战时期在前苏联的一个发现。人们发现在狭窄的毛细玻璃管中囚禁的水似乎表现出了与正常的水完全不同的性质—分子的振动模式不同，密度非同寻常高，很难结冰也很难蒸发。很明显，这是一种不同寻常的水。由于这种水的性质暗示了这种水的性质很稳定，就像大多数聚合物一样。所以化学家们认为这是一种聚合了的水，然后创造了这个最终称呼—聚合水。聚合水的发现让很多科学家都兴奋起来。想象一下，这可是固态液态气态之外的另外一种新的物态啊！但是也有很多人对这个发现持怀疑态度。最终，苏联人不得不尴尬收场，因为西方的科学家发现了一个隐藏的问题—杂质。这些本来应该是纯净的水流过这些毛细管之后，被玻璃管上的盐类和硅污染了。显然，正是这些杂质让水有了这些神奇的性质。甚至负责大量最初研究的首席物理化学家鲍里斯·迪亚金（Boris Derjagun），最终也对公众承认那些水中确实含有杂质。
关于聚合水的问题我会在下文做进一步讨论。这里我想说的是，所谓的“污染”，在所有的科学研究领域里面都是阴魂不散的。每一个科学家当然都想得到纯净的物质，但是绝对纯净是极难达到的。以水为例，得到纯净的水实际上是不可能的，因为水有吸收所有外来分子的倾向，水几乎可以溶解所有物质。从这个意义上讲，污染是水自然性质的一部分。少量的污染并不一定就意味着所有观察到的现象都应该被条件反射一样地抛弃掉。
然而覆水难收。在20世纪70年代初，人们已经认定前苏联人做实验的时候粗心大意。当媒体得知这个故事的时候，它们对聚合水耸人听闻的宣传使得这件事对这个领域的伤害远比这一事件本身要大。想象一下，媒体说一滴聚合水就像聚合催化剂一样，只要把一滴聚合水滴进大海里，整个地球的水都会被聚合化，地球上所有生命都会被抹杀掉。这肯定是特别危险的东西啊（图2.4）！图2.4 聚合水的幽灵
因此，“污染”使得公众们恐慌的情绪被平息了。而其他不是那么偏执的人对此则很失望，因为如此令人激动的一项科学发现竟然不过是一个马虎的实验。不管怎样，大家都觉得研究水的科学家很不称职。
我们不难想象这给之后所有关于水的研究带来了多么具有灾难性的影响。如果那时苏联的首席物理化学家这么容易就走上了歧途，那么普通的科学家又会如何？令人灰头土脸的风险看起来实在很大。为了避免被聚合水“污染”，本来有可能去研究水的那些有才华的科学家都去选择做更安全一些的课题了。
就这样，对水的研究很大程度上因为恐惧戛然而止。虽说还有那么几个勇敢人士在坚持研究，主要集中在生物水的领域，但是这股势头已经被刹住了。水的秘密只能等待其他人来揭开了—在遥远的未来，不知道什么时候。水的痛苦记忆
20年以后，关于水的研究有了初步复苏的迹象，但是它受到第二个更加致命的打击—所谓的“水的记忆（Water Memory）”。这一次的核心人物是已故的法国科学家、著名的免疫学家雅克·本威尼斯特（Jacques Benveniste）。本威尼斯特和他的同事几乎是从意外中获得了证据—水可以储存与之相互作用过的分子的信息。换句话说就是：水有记记。
水有记忆的证据来自于这样一个实验，即连续稀释生物活性物质（译者注：肝素）。取一点这种活性物质溶解在水里，然后稀释这种溶液。接下来，取出一点溶液，继续稀释，然后不断重复这个过程。当稀释了足够多的次数以后，剩下的几乎就只是水了。从统计角度来说，溶液中应该已经不存在原来的溶质了。然而本威尼斯特和他的同事在远远超过这个“已经什么都没有”的阶段以后仍然继续稀释该溶液。最终，他们发现被稀释很多次的溶液中仍然可以发生和原溶液一样的生物反应。将原溶液或者稀释过多次的溶液倒在细胞上，能够引发一样的“分子的舞蹈”。看上去就像稀释过的水仍然保留着它接触过的分子的记忆，因为只有这些分子才能激发出这种舞蹈。
荒谬！《自然》杂志的编辑约翰·马多克斯（Sir John Maxddox）这样想。水怎么可能储存信息呢？但是并不是所有人都这样想。顺势疗法（Homeopaths）采取相似的手段来制备药物。支持顺势疗法的一些成员觉得终于有一位杰出的科学家出面证明他们的做法是正确的了。比之顺势疗法，本威尼斯特对科学更感兴趣一些。《自然》杂志拒掉他的研究结果以后，本威尼斯特让在其他三个实验室工作的同事们重复他的实验，看看他们是否能得到相同的结果。
值得强调的是，这些同事重复了这个实验，并得到了相同的结果。本威尼斯特再次将他的研究报告提交给了《自然》杂志，而杂志的回应和以前一样。很明显，不管有多少实验室可以重复这个实验，这个现象看起来实在是过于难以令人置信，被稀释的水里面一定有什么东西在作怪。对“聚合水”事件仍然很介意的《自然》杂志对这件事起了疑心。
在被要求公平行事的压力下，《自然》最终同意发表这项实验结果。但是有一个条件，即编辑将成立一个委员会，这个委员将会实地检验法国科学家们的实验，然后把调查报告发表在《自然》上。这个法国的实验小组接受了这个条款。这样，论文很快就被发表了，同时被发表的还有一纸附加的怀疑声明。编辑表示，他将发起一项调查，一个由同行组成的委员会将检查这些法国科学家们到底发现了什么。马多克斯领衔这个委员会，另外招募了两个人。第一个是沃尔特·斯图尔特（Walter Stewart），他曾在美国国家卫生研究院中一个致力于揭露学术造假的特殊部门工作，这是一个专业的侦探；另外一个叫詹姆斯·兰迪，也被称为“神奇的兰迪”，一位世界级的舞台魔术师。兰迪靠揭穿其他魔术师的戏法赢得了他的名声，比如他曾揭穿了尤里·盖勒（Uri Geller）声称可以悬浮在空中的把戏。从这个委员会的构成来看，很明显，马多克斯怀疑的并不只是一个无辜的错误。
委员会来到巴黎仔细观看了实验。最初的几组实验结果很符合预期。在头几个回合，法国人占了上风。但是当其中一个访客自己操作这些稀释实验的时候，实验结果很不理想。访客们随后开始私下商量并很快得出结论，既然法国人可以重复他们声称的结果，而访客们不行，那么这些法国人一定耍了什么花招。虽说这些职业的反伪斗士并不清楚这到底是怎样一个花招，但他们仍然大胆地向科学世界汇报，所谓水的记忆仅仅是一个“错觉（delusion）”。
这段丰富多彩的故事有大量的细节。如果你想知道更多的话，我［1］推荐两本书。第一本书的作者是飞利浦·鲍尔（Philip Ball），他在事情发生的时候曾经在《自然》杂志社工作，和马多克斯走得很［4］近；第二本书书名为《水的记忆》（The Memory of Water），是由已故物理学家米歇尔·希夫（Michel Schiff）所著的。在这件事发生的时期，希夫曾经在那间法 国实验室中工作。你可以想象，这两位作者的阵营相当不同。要想了解这件事的全貌，我建议两本书都要读一下。
彻底的失败使得本威尼斯特饱受羞辱。这些羞辱 包括：失去资金来源，原本很大、多产的实验室倒闭了，从此以后很难再发表任何科研工作，最丢人的是两次被哈佛大学的学生授予“搞笑诺贝尔奖”。对法国科学界来说，那可不是一段开心的日子（图2.5）。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]