水的性质初中不是学完了吗？竟然还跟「量子效应」有关？水的性质初中不是学完了吗？

水的性质初中不是学完了吗？竟然还跟「量子效应」有关？

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水这种物质看起来再平凡不过。人们每天洗澡、浇花、游泳、冲咖啡，无时无刻不跟水相处在一起。人体中还有地球表面上大部分都是水，事实上，它可是宇宙中第三多的分子。
不过，时至今日还是有许多顶尖的科学家在进行水的前沿研究。你以为他们领了政府与学校的研究经费，是为了探索未知的星系或癌症的解药，但他们其实在研究无聊的水。这可不是因为他们是薪水小偷，而是水分子虽然十分常见，但它的许多独特性质在科学上还未有定论。
三态间的未解之谜
你可能会觉得：「水的性质不是初中就都教过了吗？」。不过就跟所有其他东西一样，事情并没有课本写得这么简单。从固态的冰讲起，就有十几二十种结晶型态。就像石墨加压会变成钻石，普通冰块在高压下也会转变成其他的结构。另外，关于过冷（低于冰点却不结冰）这种奇怪的现象，至今也还没有完全清楚的实验和理论图像。
结冰的过程已经这么捉摸不定，蒸发更是如此。虽然我们知道衣服晾在外面会干，但对于水蒸发的速率，却没有一个精准的描述。水的蒸发是源自分子碰撞时，某些分子被撞出液态的水，因此蒸发速率可以写成分子碰撞的多寡乘上某个实验常数。要决定这个实验常数听起来像是个简单的高中科展题目，但以往的许多结果却时常出现分歧，差距高达三个数量级（也就是一千倍）！

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我们经常以水作为物质三态变化的例子，但其中的细节其实还有待研究。
如果想用电脑进行理论仿真则会出现另一个问题，例如我们模拟18克的水如何蒸发（喝水一口都比18克还要多），就必须同时计算6×1023个水分子的状态，以目前的电脑运算力难以负担。想要解决蒸发的难题，需要一些相当进阶的实验与理论方法，而这也是科学家目前正在努力的方向。
除了转变至固态与汽态的过程之外，就连最普遍的液态水也有许多捉摸不定的型态。科学家在瞬间结冰的水中发现两种结构，两者密度高低不同。由于瞬间凝结的冰没有时间排列成整齐的固态晶格，所以能够保留原本液态时的分子排列模式。也就是说，原本的液态水也有分两种结构。这种结构上的差异被认为与过冷机制密切相关，相关的实验不久前也刚登上Nature期刊[1] 。
水分子间的量子效应
要对水的这些奇特性质建立更好的理解，得先了解水分子微观上的交互作用。水分子是由一颗氧跟两颗氢组成一个米奇形状，其中氧带较多负电，氢带较多正电，所以相邻的水分子会感受到来自邻居的吸引力，也就是所谓的「氢键」。靠着分子间的氢键，水才能够组成上面提到的各式结构。

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水分子间的氢键（标示1处）3D模型。
不过，用来解释氢键的质子与电子，都是量子力学适用的尺度，而氢原子的娇小身材，让其中牵涉到的量子效应变的特别显著。有许多人认为，如果将量子效应纳入水分子结构理论模型，或许就能解释水展现出的诸多特性。近期，史丹佛直线加速器中心（SLAC）的实验团队首次对水分子氢键的振动进行直接观测，从实验上踏出了重要的一步。
发生在皮秒间的氢键震荡
这次实验首先得射出一