水結(jié)冰的時候，到底發(fā)生了什么？

這個問題聽起來簡單，但一百三十多年來，它一直讓物理學(xué)家頭疼。最近，一個國際團隊在韓國的加速器實驗室里，用X射線自由電子激光拍到了超冷水在變成冰之前的一瞬間——他們發(fā)現(xiàn)，水在極寒高壓下會呈現(xiàn)出兩種截然不同的液態(tài)，然后在某個臨界點合二為一。這個臨界點位于零下63攝氏度左右，被確認為"液-液臨界點"（LLCP）。

這項研究發(fā)表在《科學(xué)》期刊上。它驗證了一個多世紀前的猜想，也可能解釋為什么水和其他液體如此不同。

水的古怪，從19世紀就被發(fā)現(xiàn)了。德國物理學(xué)家威廉·倫琴——就是發(fā)明X射線的那位——在1890年代就注意到，普通的水是地球上最奇怪的液體之一。根據(jù)《化學(xué)世界》的統(tǒng)計，水表現(xiàn)出66種與其他液體不同的特性：表面張力高、熱容量大、沸點異常、密度變化反?！?/p>

斯德哥爾摩大學(xué)的安德斯·尼爾森研究水的奇異性質(zhì)已經(jīng)超過十年。他在2020年接受《化學(xué)世界》采訪時說："如果你觀察液體的簡單熱力學(xué)和動力學(xué)性質(zhì)，隨著壓力和溫度變化，它們的表現(xiàn)都一樣。除了水。"

尼爾森一直在尋找的，就是這個"液-液臨界點"。我們知道水有一個很高的臨界點——大約374攝氏度、218倍大氣壓，在那里液態(tài)和氣態(tài)的區(qū)別消失。但科學(xué)家推測，水在過冷狀態(tài)下（即溫度遠低于正常冰點卻仍保持液態(tài)）還存在另一個臨界點。

這個推測的依據(jù)，是水在4攝氏度時達到最大密度，然后反向變化——這正是冰能浮在水上的原因。這種密度異常，可能源于一個零下的臨界點，位置估計在零下40度到零下70度之間。

2020年，尼爾森參與的一項研究發(fā)現(xiàn)，過冷水可以以兩種不同相態(tài)存在——高密度液體和低密度液體——支持了這兩種相態(tài)在LLCP處合并的觀點。但確定這個精確點極其困難：水結(jié)冰的速度，比大多數(shù)測量手段能捕捉的速度還快。

大多數(shù)，但不是全部。

在這項新研究中，尼爾森與韓國浦項加速器實驗室的金慶煥領(lǐng)導(dǎo)的團隊合作，利用X射線自由電子激光的極快脈沖，觀察過冷水向冰轉(zhuǎn)變的過程。他們揭示，水的LLCP出現(xiàn)在約210開爾文，即零下63攝氏度。

換句話說，倫琴一百三十多年前對水奇異性質(zhì)的初步探究，如今用他的另一項改變世界的發(fā)明——X射線——得到了驗證。

尼爾森說："特別之處在于……"（原文此處中斷）

這項發(fā)現(xiàn)的意義，可能超出基礎(chǔ)物理學(xué)的范疇。水支撐了地球上的生命，理解它的異常行為，或許能幫助我們理解生命為何能在這樣的環(huán)境中演化。但研究人員也謹慎地指出，這一發(fā)現(xiàn)仍處于早期階段，許多問題——比如這兩種液態(tài)水在分子層面究竟如何不同——還需要更多研究。

科學(xué)界目前還沒定論。但這正是科學(xué)有趣的地方：最平常的物質(zhì)，往往藏著最深的謎。