水给我们带来的形象是流(flow,current),因此流也就成了我们描述物理的概念,古希腊人说万物皆流。物理学中的流概念包括热(质)流、电流、几率流,连续性方程和各种动力学方程也都是在谈论流。此外还有涨落(fluctuation),对于有分布的物理量,平均值是描述其的第一步近似。爱因斯坦要高明一点,他关注对涨落的研究。对于两参量决定的分布函数,平均值与涨落多大程度上完成了对描述的再现,没见证明。热力学的建立,其物质基础是水、火和空气。维也纳夏天的气压下水的冰点和沸点提供了摄氏温标的两个参考点(图13)。热机的发明是为了从煤矿里抽出渗水,而蒸汽机的广泛应用得益于水的液气相变的一个重要性质——气态水的体积约是液态水的1800倍。 图13. 冰水混合态和水的沸腾为摄氏温标提供了两个参考点 水影响了物理学的概念框架,反过来对水的理解又提出了对物理学的挑战。虽然人们凭借抽象思维建立起的物理学将人类的触角深入到核子的内部,但是对于水的独特性质,我们用于理解物质性质的那部分物理却是那么地苍白无力。 6 结束语 就单一物质而言,再也没有比水对我们来说更重要、更有意义的了;而就复杂性与奇异性而言,恐怕水也是其它物质难以望其项背的。在所有的物质当中,可以说水是研究最多但却理解最少的。水给我们以无限的可能、无限的惊奇和无限的灵感,它也为我们提供了无限的难题。对水的理解每前进一步,我们对这个世界和我们自身的理解都会加深一层,这算是水和水科学最迷人的地方吧。 参考文献 [1] Chaplin M. [2] Eisenberg D,Kauzmann W. The structure and properties of water. Oxford,1969 [3] Petrenko V F,Whitworth RW. Physics of ice. Oxford,1999 [4] Hobbs P V. Ice physics. Oxford,1974 [5] Amann-Winkel K et al. Colloquium:Water's controversial glass transitions. Review of Modern Physics,2016,88:011002 [6] Mishima O,Calvert L D,Whalley E. An apparent first-order transition between two amorphous phases of ice induced by pressure. Nature,1985,314:76 [7] Mishima O,Stanley H E. The relationship between liquid,supercooled and glassy water. Nature,1998,396:329 [8] Limmer D T,Chandler D. The putative liquid-liquid transition is a liquid-solid transition in atomistic models of water. J. Chem. Phys.,2011,135:134503;2013,138:214504 [9] Murata K,Tanaka H. General nature of liquid-liquid transition in aqueous organic solutions. Nat. Commun.,2013,4:2844 [10] Russo J,Romano F,Tanaka H. New metastable form of ice and its role in the homogeneous crystallization of water. Nat. Mater.,2014,13:733 [11] Wang Q,Zhao L S,Li C X ,Cao Z X. The decisive role of free-water in determining ice homogeneous nucleation behavior of aqueous solutions. Scientific Reports,2016,6:26831 (责任编辑:本港台直播) |