科学家|在科学家的眼里，水为什么被称为自然界“最复杂”的物质之一？( 二 ) 显微镜

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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。