「一滴水」的旅程：从原子层面探寻世界构成的真相

佛言：“一花一世界，一叶一菩提。”宇宙万物的规律，就汇聚在这一花一叶的方寸之间。

从科学层面看，亦是如此——一滴水的变化，就可能包含了整个世界构成的真相。

人类文明发展到今天的程度，对物质的结构，已经非常的了解。在分子和原子层面，我们取得了很多了不起的成绩，合成材料，纳米科技，分子科技等等，不胜枚举；强大的扫描隧道显微镜 （Scanning Tunneling Microscope ，缩写为STM）甚至可以让科学家观察、定位、操作单个原子，简直就是现实版的“上帝之眼”和“上帝之手”。

这些组成世界的原子，到底是一种什么样的存在？千变万化的物质背后到底有着什么样的原理？

今天就携一滴水出发，从原子层面，去探寻这大千世界背后的秘密。

01 欢迎来到原子的世界

著名物理学家、诺贝尔物理奖得主理查德·费曼，曾提出过这样一个经典的科学问题：如果人类面临某种巨大灾难，所有知识都会丢失，只能留下一句话，应该是什么？

不同人会有不同观点的回答，但可以肯定的是，这句话一定非常重要，而且包含了大量的信息。费曼自己给出的答案是：“世界是由原子组成的。”

宇宙君非常认同费曼的回答。为了说明这观念的重要作用，让我们透过一滴水，来进入原子的世界。

放大10亿倍的一滴水

假设有一滴直径0.5cm的水珠，即使我们非常贴近的去观察，也只能看到它光滑、连续的外表，闪烁着光芒，反射着你的影子。

让我们使用最好的光学望远镜，这大概可以把这滴水放大2000倍左右，相当于直径10米的房间，然后再次靠近观察。我们依然只能看到水滴光滑如初的表面；连续均匀的水，分布在空间内。只是，水里我们可能会看到一些篮球大小的奇怪东西，它们自由自在地游来游去——那是调皮的摆动着纤毛的草履虫。

由于观察的目标是水，所以，让我们放过对草履虫的好奇，继续放大，再加2000倍。此时的水滴，已经变成庞然大物，直径有20公里！我们可以看到，水中已经充满了某种不太光滑的东西了，就像远远的看足球场上的人群。

为了看清楚这些攒动的物体，我们只能继续放大，这次是250倍——这样，我们一共放大了10亿倍之多。此时，我们可以看到类似下图的情景，一些小球堆积在一起。

当然，这个图其实也是经过了理想化的处理。球体之间的并没有那么清晰的界限，大的球体和小的球体之间，也不会有明显的连接线。

这些大大小小的球状物体，就是原子——大的是氧原子，小的是氢原子；一个氧和两个氢，构成了一个水分子。

原子有多大？

放大了10亿倍，我们终于看到了由两种原子组成的水分子。

那么，原子到底有多大呢?

原子的半径，一般是1×10^-10 ~ 2×10^-10m之间。

为了方便描述，我们把1×10^-10m称为1埃，所以原子的半径是1~2埃。

有一个非常方便的记住原子大小的方法：如果把每个原子放大到苹果那么大，那么苹果就会变成到地球那么大。即原子之于苹果，就像苹果之于地球。

分子间作用力

让我们凝神继续观察，就会发现，这个画面是动态的：

水分子们不断地晃来晃去，并且相互绕来绕去地转动。它们之间会彼此粘连在一起，想要把它们分开，是不容易的，这说明它们之间有引力存在；而当你想要把它们挤到一块去的时候，同样会很难，这说明它们之间还存在着斥力。

也就是说，分子之间存在着相互作用，这种作用包括引力和斥力两种。当引力大于斥力，分子间就表现为吸引，反之就表现为排斥。这就是水很难被压缩的原因。

02 挣脱引力束缚，化为水蒸气

下面，我们把这滴水化为水蒸气。

如何做到呢？很简单，只需要加热即可。

分子的热运动

根据上面的描述，我们知道，水分子之间由于吸引而“粘合”在一起，不会散开；水分子并非静止而是不停的运动。

分子热运动

那么如果，我们可以让水分子运动的更剧烈一些，它们是否有可能冲破彼此引力的束缚呢？答案是肯定的。

我们把水分子不断进行的这种运动称为热运动。当温度升高，热运动就会增强，分子之间的距离就会增大，空隙就会裂开。当我们继续加温，最终，水分子会由于较大的动能，而飞散开来。这样，我们就得到了水蒸气！

水蒸气

让我们来看看，水滴变成为蒸气之后的情景吧，如下图：

为什么只有一个水分子？其他的伙伴到哪里去了？

之所以只展示一个水分子，是因为这么大的空间内真的就只存在一个水分子。当一滴水蒸发成为水蒸气之后，液体就变成了气体。气体分子之间的距离是非常巨大的，甚至比这张图再大10倍的空间内，也只可能有1个水分子。

比起液体状态，我们更能清楚的看到水分子的结构：两个氢原子连接在一个氧原子的两侧，它们之间还有一定的夹角，这个夹角被人类精确的测定为105°3'，氢原子中心和氧原子中心的距离是0.957埃。

如何理解气体压强？

气态的水蒸气会有什么样的不同性质呢？

就我们来想象一下，如果把水蒸气放入一个容器，会是怎样的情景。

当我们自身进入这群分子之间，就会发现，这些气体分子是彼此分离的，它们会打在容器壁上，然后反弹。可以设想一个情景，有10000个乒乓球，不断在房间内来回跳动，不停的撞击所有的墙壁。假设这种碰撞不会消耗能量，属于完全弹性碰撞，那么反弹的速度就和碰撞前的速度相同。只需要应用一点点高中学过的冲量的知识，就会知道，这种持续不断的碰撞会产生一个持续不断的“颤抖”的力。

气体分子对容器壁的碰撞就是这样的一种情景。我们的身体，每时每刻都在接受空气分子的无情碰撞——这些碰撞的速度甚至高达200m/s。但是，我们粗糙的感官并不能感受到每个分子的具体撞击，而是会综合出一个平均的作用力。

以上，这就是我们所说的气体压强的产生原因。

测量气体压强的实验

很容易总结出两点结论：第一，温度越高分子热运动越快，撞击就会越剧烈；第二，密度越大，单位体积内的分子就越多，撞击次数就越多。所以，气体压强和温度、气体密度直接相关。

在物理学上，我们可以证明：气体压强P，温度T（用热力学温度），气体密度ρ，气体的平均摩尔质量M，满足以下式子：

其中R为比例系数，而这个式子就是理想气体状态方程，又称为克拉伯龙方程。

根据这个方程，我们很容易看出来，当我们维持体积一定，对气体加温时，气压就会增高；当我们维持温度一定，压缩气体时，气压也会增高。

03 汇聚成形，结成晶体

看完了水蒸气的表演，让我们把温度降低。

随着温度的变化，水蒸气中的水分子慢慢又凝聚在了一起；由于动能的减少，它们不会再分开，当全部的水分子汇聚到一起时，我们就又得到了原来的一滴水。

让我们继续降温，看看这些水分子会有什么表现。

开始时，水分子之间还会有一些相对运动和转动，但随着它们的速度越来越小，运动的能力也越来越小。最终，当温度降低到一定值时，水分子连成了一种新的情景——它们结成了冰，成为固体。

冰晶的形状

一旦成为固体，水分子之间的相对位置就很难改变。这样，很自然的，如果我们推动一部分水分子，那么所有的水分子形成的冰块就会一起运动——完全不同于液体或者气体状态的那种流动性。

液体与固体的差别在于：在固体中，原子以某种称为晶体阵列的方式排列着，即使在较长的距离上，它们的位置也不能杂乱无章。晶体一端的原子位置，取决于晶体另一端的与之相距千百万个原子的排列位置。

冰晶是一种特殊的晶体。它的排列是一种正六边形的对称形状。把它绕着一根轴转动60°的话，它又会回到原来的形状。

这就是为何雪花都是六角形的原因！

能量变化

在我们把水结成冰的过程中，需要降温。环境温度的降低会让液体的水放出能量。所以，液态的水结冰的过程是放热过程。这就是我们所说的凝固放热原理。

在寒冷的冬天，菜农会在仓库中放一桶水，利用这桶水在结冰的过程中释放的能量，保护蔬菜不被冻坏。

那么，又如何使冰再次化成水呢？

我们只需要让冰吸收能量，使冰分子的震动加剧，剧烈到散开成一片即可。这个过程我们称为溶化。毫无疑问，熔化会吸收热量。

04 结语

当冰晶熔化之后，又回到了最初的「一滴水」。

在这次原子层面的旅程中，「一滴水」从液体变化到气体，再变化到固体，经历了三种物态，期间也体现了液体的流动，气体的压强和固体的整齐。

大千世界，芸芸万物都是由类似的分子和原子组成的，有着相同的构成方式。分子结构和分子运动的底层逻辑，造就了纷繁复杂、丰富多彩的物质世界。

从德谟克利特提出最初的原子论，到如今能够操纵单一原子，躲在宏观物质背后的真相，终于被人类探寻。正如费曼所说，“世界是由原子构成的”，这句话中包含了人类突破感官、探寻物质本质、认识世界构成的基本科学方法和哲学思想。

看懂一滴水，你就能看懂整个世界！