「一滴水」的旅程：從原子層面探尋世界構成的真相

佛言：“一花一世界，一葉一菩提。”宇宙萬物的規律，就匯聚在這一花一葉的方寸之間。

從科學層面看，亦是如此——一滴水的變化，就可能包含了整個世界構成的真相。

人類文明發展到今天的程度，對物質的結構，已經非常的瞭解。在分子和原子層面，我們取得了很多了不起的成績，合成材料，納米科技，分子科技等等，不勝枚舉；強大的掃描隧道顯微鏡 （Scanning Tunneling Microscope ，縮寫爲STM）甚至可以讓科學家觀察、定位、操作單個原子，簡直就是現實版的“上帝之眼”和“上帝之手”。

這些組成世界的原子，到底是一種什麼樣的存在？千變萬化的物質背後到底有着什麼樣的原理？

今天就攜一滴水出發，從原子層面，去探尋這大千世界背後的秘密。

01 歡迎來到原子的世界

著名物理學家、諾貝爾物理獎得主理查德·費曼，曾提出過這樣一個經典的科學問題：如果人類面臨某種巨大災難，所有知識都會丟失，只能留下一句話，應該是什麼？

不同人會有不同觀點的回答，但可以肯定的是，這句話一定非常重要，而且包含了大量的信息。費曼自己給出的答案是：“世界是由原子組成的。”

宇宙君非常認同費曼的回答。爲了說明這觀念的重要作用，讓我們透過一滴水，來進入原子的世界。

放大10億倍的一滴水

假設有一滴直徑0.5cm的水珠，即使我們非常貼近的去觀察，也只能看到它光滑、連續的外表，閃爍着光芒，反射着你的影子。

讓我們使用最好的光學望遠鏡，這大概可以把這滴水放大2000倍左右，相當於直徑10米的房間，然後再次靠近觀察。我們依然只能看到水滴光滑如初的表面；連續均勻的水，分佈在空間內。只是，水裡我們可能會看到一些籃球大小的奇怪東西，它們自由自在地游來游去——那是調皮的擺動着纖毛的草履蟲。

由於觀察的目標是水，所以，讓我們放過對草履蟲的好奇，繼續放大，再加2000倍。此時的水滴，已經變成龐然大物，直徑有20公里！我們可以看到，水中已經充滿了某種不太光滑的東西了，就像遠遠的看足球場上的人羣。

爲了看清楚這些攢動的物體，我們只能繼續放大，這次是250倍——這樣，我們一共放大了10億倍之多。此時，我們可以看到類似下圖的情景，一些小球堆積在一起。

當然，這個圖其實也是經過了理想化的處理。球體之間的並沒有那麼清晰的界限，大的球體和小的球體之間，也不會有明顯的連接線。

這些大大小小的球狀物體，就是原子——大的是氧原子，小的是氫原子；一個氧和兩個氫，構成了一個水分子。

原子有多大？

放大了10億倍，我們終於看到了由兩種原子組成的水分子。

那麼，原子到底有多大呢?

原子的半徑，一般是1×10^-10 ~ 2×10^-10m之間。

爲了方便描述，我們把1×10^-10m稱爲1埃，所以原子的半徑是1~2埃。

有一個非常方便的記住原子大小的方法：如果把每個原子放大到蘋果那麼大，那麼蘋果就會變成到地球那麼大。即原子之於蘋果，就像蘋果之於地球。

分子間作用力

讓我們凝神繼續觀察，就會發現，這個畫面是動態的：

水分子們不斷地晃來晃去，並且相互繞來繞去地轉動。它們之間會彼此粘連在一起，想要把它們分開，是不容易的，這說明它們之間有引力存在；而當你想要把它們擠到一塊去的時候，同樣會很難，這說明它們之間還存在着斥力。

也就是說，分子之間存在着相互作用，這種作用包括引力和斥力兩種。當引力大於斥力，分子間就表現爲吸引，反之就表現爲排斥。這就是水很難被壓縮的原因。

02 掙脫引力束縛，化爲水蒸氣

下面，我們把這滴水化爲水蒸氣。

如何做到呢？很簡單，只需要加熱即可。

分子的熱運動

根據上面的描述，我們知道，水分子之間由於吸引而“粘合”在一起，不會散開；水分子並非靜止而是不停的運動。

分子熱運動

那麼如果，我們可以讓水分子運動的更劇烈一些，它們是否有可能衝破彼此引力的束縛呢？答案是肯定的。

我們把水分子不斷進行的這種運動稱爲熱運動。當溫度升高，熱運動就會增強，分子之間的距離就會增大，空隙就會裂開。當我們繼續加溫，最終，水分子會由於較大的動能，而飛散開來。這樣，我們就得到了水蒸氣！

水蒸氣

讓我們來看看，水滴變成爲蒸氣之後的情景吧，如下圖：

爲什麼只有一個水分子？其他的夥伴到哪裡去了？

之所以只展示一個水分子，是因爲這麼大的空間內真的就只存在一個水分子。當一滴水蒸發成爲水蒸氣之後，液體就變成了氣體。氣體分子之間的距離是非常巨大的，甚至比這張圖再大10倍的空間內，也只可能有1個水分子。

比起液體狀態，我們更能清楚的看到水分子的結構：兩個氫原子連接在一個氧原子的兩側，它們之間還有一定的夾角，這個夾角被人類精確的測定爲105°3'，氫原子中心和氧原子中心的距離是0.957埃。

如何理解氣體壓強？

氣態的水蒸氣會有什麼樣的不同性質呢？

就我們來想象一下，如果把水蒸氣放入一個容器，會是怎樣的情景。

當我們自身進入這羣分子之間，就會發現，這些氣體分子是彼此分離的，它們會打在容器壁上，然後反彈。可以設想一個情景，有10000個乒乓球，不斷在房間內來回跳動，不停的撞擊所有的牆壁。假設這種碰撞不會消耗能量，屬於完全彈性碰撞，那麼反彈的速度就和碰撞前的速度相同。只需要應用一點點高中學過的衝量的知識，就會知道，這種持續不斷的碰撞會產生一個持續不斷的“顫抖”的力。

氣體分子對容器壁的碰撞就是這樣的一種情景。我們的身體，每時每刻都在接受空氣分子的無情碰撞——這些碰撞的速度甚至高達200m/s。但是，我們粗糙的感官並不能感受到每個分子的具體撞擊，而是會綜合出一個平均的作用力。

以上，這就是我們所說的氣體壓強的產生原因。

測量氣體壓強的實驗

很容易總結出兩點結論：第一，溫度越高分子熱運動越快，撞擊就會越劇烈；第二，密度越大，單位體積內的分子就越多，撞擊次數就越多。所以，氣體壓強和溫度、氣體密度直接相關。

在物理學上，我們可以證明：氣體壓強P，溫度T（用熱力學溫度），氣體密度ρ，氣體的平均摩爾質量M，滿足以下式子：

其中R爲比例係數，而這個式子就是理想氣體狀態方程，又稱爲克拉伯龍方程。

根據這個方程，我們很容易看出來，當我們維持體積一定，對氣體加溫時，氣壓就會增高；當我們維持溫度一定，壓縮氣體時，氣壓也會增高。

03 匯聚成形，結成晶體

看完了水蒸氣的表演，讓我們把溫度降低。

隨着溫度的變化，水蒸氣中的水分子慢慢又凝聚在了一起；由於動能的減少，它們不會再分開，當全部的水分子匯聚到一起時，我們就又得到了原來的一滴水。

讓我們繼續降溫，看看這些水分子會有什麼表現。

開始時，水分子之間還會有一些相對運動和轉動，但隨着它們的速度越來越小，運動的能力也越來越小。最終，當溫度降低到一定值時，水分子連成了一種新的情景——它們結成了冰，成爲固體。

冰晶的形狀

一旦成爲固體，水分子之間的相對位置就很難改變。這樣，很自然的，如果我們推動一部分水分子，那麼所有的水分子形成的冰塊就會一起運動——完全不同於液體或者氣體狀態的那種流動性。

液體與固體的差別在於：在固體中，原子以某種稱爲晶體陣列的方式排列着，即使在較長的距離上，它們的位置也不能雜亂無章。晶體一端的原子位置，取決於晶體另一端的與之相距千百萬個原子的排列位置。

冰晶是一種特殊的晶體。它的排列是一種正六邊形的對稱形狀。把它繞着一根軸轉動60°的話，它又會回到原來的形狀。

這就是爲何雪花都是六角形的原因！

能量變化

在我們把水結成冰的過程中，需要降溫。環境溫度的降低會讓液體的水放出能量。所以，液態的水結冰的過程是放熱過程。這就是我們所說的凝固放熱原理。

在寒冷的冬天，菜農會在倉庫中放一桶水，利用這桶水在結冰的過程中釋放的能量，保護蔬菜不被凍壞。

那麼，又如何使冰再次化成水呢？

我們只需要讓冰吸收能量，使冰分子的震動加劇，劇烈到散開成一片即可。這個過程我們稱爲溶化。毫無疑問，熔化會吸收熱量。

04 結語

當冰晶熔化之後，又回到了最初的「一滴水」。

在這次原子層面的旅程中，「一滴水」從液體變化到氣體，再變化到固體，經歷了三種物態，期間也體現了液體的流動，氣體的壓強和固體的整齊。

大千世界，芸芸萬物都是由類似的分子和原子組成的，有着相同的構成方式。分子結構和分子運動的底層邏輯，造就了紛繁複雜、豐富多彩的物質世界。

從德謨克利特提出最初的原子論，到如今能夠操縱單一原子，躲在宏觀物質背後的真相，終於被人類探尋。正如費曼所說，“世界是由原子構成的”，這句話中包含了人類突破感官、探尋物質本質、認識世界構成的基本科學方法和哲學思想。

看懂一滴水，你就能看懂整個世界！