産品特色
編輯推薦
適讀人群 :科普讀物,適閤所有對水感興趣的人士 你可曾想過:
在一杯水中潛伏著怎樣的秘密?縴細的蒸氣為什麼會從一杯熱茶中裊裊升起?白雲為什麼會一朵朵掛在天空?汽水中的氣泡為什麼會越長越大?果凍為什麼不會滴齣水來?舌頭為什麼會被粘在冰棒上麵……
這些看似簡單的問題卻沒有那麼容易解答。因為要想解答這些問題,科學傢們需要在一個危險的科學領域中去探尋。水的研究在過去飽受打擊,那些試圖弄清楚H2O的“社會行為”的科學傢們的名譽乃至生計遭受著很大威脅,就像是被人塗滿瀝青、插上羽毛、拉在大街上遊行一樣。
盡管如此,仍然有一位無畏的科學傢——波拉剋教授,勇敢地踏入瞭這個危險的領域。他通過簡單而嚴謹的實驗,揭示瞭水分子的排布結構以及性質。他通過對話的方式建立瞭一個簡潔的框架,展示瞭水的結構是如何影響我們這個世界的。波拉剋教授將帶領我們啓航,給我們展示一個神奇的世界。
請跟隨波拉剋教授一起來重新認識我們這個世界,不要認為一切都是理所當然的,莫要忘記我們兒時追尋“為什麼”的夢想。
內容簡介
水,覆蓋在地球上,彌漫於天空中,充斥在細胞裏;水,無處不在,然而卻沒有你想象得那麼簡單。
看看你知道下麵這些問題的答案嗎?
為什麼冰的錶麵很滑溜?為什麼果凍中含水量大於95%,水卻不會從中滴齣來?為什麼熱水比冷水結冰快?為什麼一杯香檳中會無休止地産生氣泡?為什麼水滴可以漂浮在水麵上?為什麼液態水可以在兩個燒杯之間形成一道水橋?……
生活中有許許多多像這樣好玩又奇怪的現象,你想知道為什麼嗎?
華盛頓大學的傑拉德·波拉剋教授知道這些關於水的答案。波拉剋教授經過多年的研究發現:水不僅僅有固態、液態和氣態三種相,水還存在第四種相—液晶態。有瞭這個秘密武器,所有的奇怪現象都迎刃而解瞭。
現在,就請熱愛思考的你開啓我們的神奇之旅吧,來瞭解一下我們最熟悉卻也最陌生的一種物質—水。
作者簡介
傑拉德·波拉剋(Gerald H.Pollack),華盛頓大學生物工程係教授,賓夕法尼亞大學博士,科技期刊《水》的創始人以及總編輯。
2012年獲得普利高津奬章;
2008年獲得華盛頓大學的高奬項——年度教工演講奬;
榮獲美國國立衛生研究院授予的創新基金;
被俄羅斯烏拉爾聯邦大學授予榮譽博士學位;
被俄羅斯科學院授予榮譽教授稱號;
被聘為塞族共和國文理科學院的外籍教員;
美國生物醫學工程協會的創始成員之一;
美國心髒協會以及生物工程協會的會員;
1990年齣版的《肌肉與分子:揭示生物運動的機理》獲得科技通訊協會的優秀奬。
2001年齣版的《生物、凝膠和生命的發動機》獲得科技通訊協會的傑齣奬。
2014年齣版的本書在美國獲得2014國際峰會優秀奬。
波拉剋教授不僅僅是一位卓有成績的知名科學傢、演說傢和作傢,更是一位願意挑戰一切科學疑點的勇敢戰士。
內頁插圖
精彩書評
★“波拉剋教授是這個領域的先鋒,不難想象,他的發現將産生深遠影響”
——布賴恩·約瑟夫森(Brian Josephson) 劍橋大學,諾貝爾奬獲得者
★“這是本世紀最偉大的科學發現。讓我最震驚的是波拉剋實驗方法的簡潔以及優雅。很多實驗都可以在自傢的廚房裏完成,你不用顯微鏡都可以觀察到結果。”
——何美蕓(Mae-Wan Ho) 英國社會科學研究院,院長
★“這是我讀過的最令人大開眼界、大吃一驚的書。”
——亨利·鮑爾(Henry Bauer) 弗吉尼亞理工大學,名譽院長
★“水是生命之源,其性質反常而神秘,這本書展現給您關於水的新研究進展。”
——鄭建明 中國科學技術大學,副研究員
目錄
第一部分 水的奧秘:開闢一條道路/001
第一章 迷霧重重/002
第二章 水的社會行為/008
第三章 界麵水的謎團/016
第二部分 水的隱藏身份/031
第四章 水有第四相嗎/032
第五章 水做成的電池/050
第六章 給水電池充電/060
第七章 水—大自然的發動機/071
第三部分 水中有乾坤/085
第八章 萬物皆吸引/086
第九章 布朗的舞蹈:能量驅使的運動/096
第十章 熱量和溫度:給溫度照上一束光/111
第十一章 擴散和滲透:萬事皆有因/125
第四部分 自然界中的液體/137
第十二章 氫離子的力量/138
第十三章 水滴和氣泡:水傢族中的兩兄弟/150
第十四章 氣泡的誕生:通往成熟之路/159
第十五章 咖啡上的雲:蒸發的非凡本質/173
第十六章 水做的蹦蹦床:層疊的水麵/190
第十七章 水暖成冰/206
第五部分 總結:解開世上的謎/223
第十八章 自然的秘密規律/224
參考文獻/231
前言/序言
緻謝
這本書就像一個吃百傢飯長大的孩子一樣。在寫作過程中,我收到瞭無數人的幫助。
首先最應該感謝的人是淩寜(GilbertLing)。他對科學界不朽的貢獻激發瞭我對水的興趣。淩寜的先驅一樣的工作遠遠領先於這個時代,他打開瞭許多科學傢的眼界,讓人們意識到水在生命體之中所扮演的角色並非僅僅是各種溶質的載體而已,而是所有生命活動的中心。非常遺憾的是,淩寜所作齣的許多貢獻尚未得到應有的承認,他勇於挑戰科學核心的精神卻令他在世人眼中變得像一個科學界的小醜一樣。自從我在20世紀80年代中期第一次遇見淩寜的時候開始,他始終鼓舞著我。如果說有一個人為這本書的萌發種下瞭一顆種子,那麼這個人非淩寜莫屬。
其次我要感謝的是來自於莫斯科大學的弗拉德米爾·維耶可夫(VladimirVoeikov)。他開闊瞭我的視野。感謝他在聖彼得堡舒適的傢中多次為我烹飪的精緻的俄羅斯晚餐,俄羅斯餃子與伏特加的組閤能夠激發創造的火焰。當時遠在芝加哥都能感受到來自於聖彼得堡的熾熱的創造力。
在本書的具體準備過程中,我主要感謝三個人。這裏我按照得到他們幫助的時間順序列齣來。
第一個人是布蘭頓·萊因斯(BrandonReines)。在我們未曾謀麵之前布蘭頓就已經開始幫助我瞭。我非常享受與布蘭頓之間關於科學的討論。在他提齣一個令人撓頭的問題以後,我建議他讀一下我即將齣版的書的草稿,裏麵或許有他想要的問題。布蘭頓接受瞭這個提議。讀過草稿之後,布蘭頓告訴我這本書裏麵包含的好東西實在是太多瞭。把一杯熱巧剋力聖代冰激淩當作甜點的話非常棒,但是15杯的話對任何人來說都難以消化。布蘭頓所提齣的這個“如何烹飪一本書”的建議幫我省下瞭好幾個章節—從鳥兒是如何飛翔(未必像你想象中的那樣)一直到為什麼不同物種的生命周期極為不同,有的隻有幾天而有的會有幾韆年。我會把這些話題留到後續的書中去。布蘭頓非常擅長把書中的材料以一種對讀者友好的方式包裝起來。書中的好多標題是布蘭頓編寫的,這樣讀者們不會打哈欠。布蘭頓對我的幫助還有許許多多,不管是我還是讀者,都應該非常感謝他。
第二個是本書的藝術總監—我的兒子伊桑·波拉剋(EthanPollack)。伊桑從4歲時開始素描,在雪城大學學習雕塑,在佛羅倫薩磨煉瞭一段時間以後,師從於紐約的世界級藝術傢傑夫·昆斯(JeffKoons)—最終迴到瞭西雅圖的傢裏。同伊桑一起工作非常令人愉快。伊桑對相關的科學概念有著深刻的理解,對事物有著敏銳的感覺。他有著非同尋常的創造力,以及超強的關注細節的能力。如果你覺得書中的插圖非常引人入勝,概念錶達得相當準確,這些都是伊桑的功勞。
最後要感謝我的編輯—唐·斯考特(DonScott)。唐是我認識的最能言善辯的人之一瞭。唐學哲學齣身,接受過律師的訓練。他的輕輕點撥總是能點石成金,把我想錶達卻苦苦不能的意思錶達得清晰無比;他總能拿齣一個更好的詞來替換我草稿中笨拙的字眼。他還有一個不可思議的本領,那就是即便文章內容在他的專業範圍之外,他也能一眼看齣邏輯中的跳脫之處。如果書裏麵還有不清楚的地方,那麼這一定是由於我沒有采納唐的建議,而是固執地堅持己見。
除瞭這些主要的貢獻者之外,我還從三組評論傢們那裏獲益匪淺。第一組是我的實驗室的成員們。他們不會羞於告訴我—他們對某些觀點持反對意見。有些人錶示書中有些離經叛道的觀點他們很難接受,因此我清楚地說明我對這本書負全部的責任,而不是實驗室的成員們。他們在午餐時間以及文字反饋中所錶達的尖銳評論,幫助我修改瞭最終的草稿,尤其是那些最艱難的章節。更不必說,正是他們在實驗室中的貢獻構成瞭整本書的
骨架。
本科生們給我的反饋同樣重要。我的實驗室吸引瞭相當大一群本科生誌願者們。對於他們之中的很多人來說,做實驗與其說是工作不如說是娛樂。我們提供玩具,他們使用他們的想象力來製造那些科學界的“成人們”不敢藐視的實驗。本科生們喜歡這些實驗。他們有時會得到完全無法預料的結果,有些結果甚至意義非凡。本書中會提到關於這些發現的一些細節。除瞭他們實驗上的貢獻,很多本科生也讀過並且批評過我的手稿。這裏我要奉上我最真摯的感謝。
除去這兩組評論者,來自於世界範圍內的諸多同事們也曾經評論過手稿的初期版本。這些同事之中有化學傢、物理學傢、工程師、生物學傢,甚至有些人壓根不是科學傢。他們之中有些人花費瞭很多時間。他們共同的建議讓我不會離題太遠,同時幫助我把所有的材料組織在一起—這項任務比你們想象之中要難上許多。有人告訴我想把關於水的科學發現寫進一本書裏幾乎是不可能完成的任務—每個章節都能單獨擴展成一本書,要想在可讀性與長度之間取捨是一件非常有挑戰性的工作。
我還想感謝我的傢庭成員,緻我的人生伴侶艾米麗·弗裏曼(EmilyFreeman)。我打破瞭自己在寫上一本書時候的承諾—那就是這本書會比上一本更薄,不會占用那麼多的時間。事實上,這本書更厚,而另外兩本書也在進行之中。艾米麗對於這樣一個項目所消耗的時間和精力錶示齣瞭非同一般的理解。她簡直有著天使一樣的愛心。傢庭中的其他成員也非常支持我—米婭(Mia)幾乎需要提前約她的父親纔能把她的父親從電腦前拽走並見上一麵;伊桑用非常積極的態度非常優雅地容忍瞭對我無數次修改插圖的要求;西斯(Seth)永遠都會拿我用“水的結構”迴答一切問題的傾嚮來開玩笑。在曆時幾年的寫作過程中,我的傢庭給瞭我無微不至的支持。
最終,我想列齣所有曾經評論過我的手稿的人。這個名單之中包括瞭學生、研究者、科學傢和一些外行者。他們給我的幫助時常遠遠超過瞭他們在學術界的地位。我會按照字母順序來列齣這些貢獻者們。如果我不小心漏過瞭誰的名字,請允許我衷心地道歉。
我非常感謝以下這些朋友們:PeterAllen、BrandonBowman、BrianBiccum、FrankBorg、BinghuaChai、RuyingChen、DanielChiang、ChiChuang、CaraComfort、CharlesCushing、RonnieDas、KenDavidson、JamesdeMeo、AparajeetaDuttchoudhury、NigelDyer、CollinEddington、XavierFigueroa、HerbFleschner、BenFlowers、EmilyFreedman、GonzaloGarcia、KarlGatterer、MatthewGelber、KrystalGinter、MatiasGonzalez、RonGriffin、JohnGrigg、ZhannaGrigoryan、EmmanuelHaven、MaewanHo、ArieHorowitz、LindaHufnagel、BreannaHuschka、JohnHwang、FedericoIenna、HiromasaIshiwatari、TengizJaliashvili、ManalJmaileh、KonstantinKorotkov、EthanKung、KurtKung、VictorKuz、AlysiaLetourneau、ZhengLi、MollyMcGee、LiorMiller、FrancescoMusumeci、KylievanNguyen、DerekNhan、GabrielaPatilea、BernardPennock、AriPenttila、OrionPolinsky、EthanPollack、SethPollack、SylviaPollack、LeoRamakers、RandyRandall、SudeshnaSawoo、RainerStahlberg、ClintStevenson、HeatherSwain、MasaakiTakarada、ShruteeTandon、YoleneThomas、TonyThomson、MerryToh、GerardTrimberger、KarolyTrombitas、OutiVillet、VladimirVoeikov、JacobWoller、JeffYang、HyokYoo、andRolfYpma。其中,卡拉·卡夫特(CaraComfort)、查爾斯·庫什(CharlesCushing)以及拉爾夫·依瑪(RolfYpma)投入瞭相當多的時間和精力。
最後我要感謝阿曼達·弗萊德裏剋斯(AmandaFredericks),感謝她對於排版所提齣的充滿創造力的建議以及她對細節的注意。感謝拉爾夫·依瑪(RolfYpma)在製作目錄過程中的嚴謹工作。
這本書中被傾注瞭許許多多充滿關愛、思維縝密的人的努力。對於所有給予我幫助的人們,請接受我最誠摯的感謝。
緻淩寜
他教給我
細胞中的水
與杯中的水毫不相同
他的勇氣
鼓舞著我前行
《水的奧秘:不止冰、水、汽,探索水的真實麵貌》 水,這個我們最熟悉不過的物質,它的故事遠比我們想象的要復雜得多。韆百年來,它滋養著生命,塑造著地貌,驅動著文明,然而,我們對其內在機製的認知,卻似乎始終停留在固態、液態、氣態這三個基礎層麵。本書《水的奧秘:不止冰、水、汽,探索水的真實麵貌》將帶領讀者踏上一段深入探究的旅程,挑戰我們固有的思維模式,揭示水在這些經典相態之外,可能存在的更深層次的“答案”。 本書並非一本關於水的日常應用指南,也不是一本單純的環境科普讀物。它是一次對水分子本質的深度哲學與科學的追問,一次對物理學基本概念的重新審視,一次對生命起源和演化過程中水扮演關鍵角色的再思考。我們將從水的宏觀錶現入手,然後逐步剝離其錶象,深入到微觀世界的微妙變化,去感受那隱藏在日常現象之下的,水的無限可能。 第一部分:打破認知邊界——水的經典認知與未解之謎 在開始深入探索之前,我們首先需要迴顧並審視我們對水的普遍認知。在我們的教育體係和日常經驗中,水被清晰地定義為三種基本相態: 固態(冰): 在低於0攝氏度(標準大氣壓下)時,水分子排列成規整的晶格結構,體積膨脹,密度減小,錶現為堅硬的冰。我們熟悉冰川、雪花,也理解冰在冷卻和凝固過程中的作用。 液態(水): 在0攝氏度到100攝氏度之間,水分子之間的作用力足以使其保持一定的形狀,但又不足以完全固定,它們可以自由移動,錶現為流動性,這是我們日常生活中最常見的形態。我們依賴液態水來飲用、灌溉、清潔,以及作為許多化學反應的溶劑。 氣態(水蒸氣): 在高於100攝氏度時,水分子獲得足夠的能量,剋服分子間的吸引力,自由地在空間中擴散,錶現為無色無味的氣體。水蒸氣是天氣變化(如雲的形成、雨的降落)的關鍵組成部分,也是工業生産中不可或缺的能源載體。 這三相的存在,似乎構建瞭一個完整的水的世界。然而,科學的進步從來不是止步不前。隨著觀測技術的提升,以及理論研究的深入,科學傢們逐漸發現,在這些經典相態的交界處,以及在特定條件下,水的行為錶現齣瞭令人費解的異常。 本書將探討這些“未解之謎”: 水的異常密度: 為什麼冰會漂浮在水麵上?這與大多數物質固態比液態密度大的普遍規律截然不同。這種異常現象對地球氣候和水生生物的生存至關重要,但其根本原因,即水分子間氫鍵的特殊構型,仍然是研究的焦點。 水的巨大錶麵張力: 水的錶麵張力異常高,使得昆蟲能在水麵行走,水珠能保持球形。這不僅僅是物理現象,更深刻影響著植物的吸水能力、細胞內物質的運輸等生命活動。 水的極高比熱容和蒸發潛熱: 水能夠儲存和釋放大量的熱量,並且蒸發需要消耗極大的能量。這些特性使得水成為調節地球溫度、維持生命體溫的理想介質。但其背後,水分子間強大的氫鍵網絡是如何支撐這些宏觀特性的? 水的溶解能力: 作為“萬能溶劑”,水能夠溶解無數種物質。這種強大的溶解能力是如何産生的?它在生物體內催化瞭多少化學反應?在地球化學循環中扮演瞭怎樣的角色? 水的相變臨界點附近的奇異行為: 在水的臨界點附近,液態和氣態之間的界限變得模糊,水的性質發生急劇變化。這一區域的研究,揭示瞭相變過程的復雜性。 這些看似零散的現象,實際上指嚮瞭同一個核心問題:我們對水的理解,是否還有更深層次的維度? 第二部分:窺探幽微之處——水的微觀結構與動態交互 水的奧秘,最終要迴歸到其最基本單元——水分子。每個水分子由一個氧原子和兩個氫原子組成,其特殊的“V”形結構,以及氧原子周圍孤對電子的存在,使得水分子具有極強的極性。這種極性,是水能夠形成廣泛的氫鍵網絡的根本原因。 本書將深入剖析: 氫鍵的本質與網絡: 氫鍵是水分子之間最主要的相互作用力。它不是一個牢固的化學鍵,而是一種動態的、瞬時的吸引力。然而,無數個氫鍵的協同作用,卻構建瞭一個宏觀上穩定而又充滿活力的三維網絡。我們將探索這個網絡是如何不斷地形成、斷裂、重組,以及這種動態變化如何賦予水獨特的性質。 水的團簇理論: 研究錶明,水並非簡單的單個分子組成的集閤體,而是以各種“團簇”的形式存在。這些團簇的大小、形狀、穩定性都受到溫度、壓力、雜質等因素的影響。本書將介紹關於水團簇的研究進展,以及這些微觀結構如何影響水的宏觀性質。 水的非經典運動模式: 在經典相態的描述中,我們更多關注分子的平移和鏇轉。但水的特殊結構和氫鍵網絡,使得其分子運動比我們想象的要復雜得多。例如,質子轉移(或稱“質子跳躍”)的過程,可以在極短的時間內完成,快速地重塑氫鍵網絡。這種“準粒子”式的運動,是理解水動力學和反應動力學的重要綫索。 第三部分:超越傳統——探索水的“第四相”之可能性 正是基於對水分子微觀結構和動態交互的深入理解,科學傢們開始提齣,在固態、液態、氣態之外,水可能還存在著其他“相”或“狀態”。這些“相”並非像冰、水、汽那樣,由宏觀溫度和壓力簡單決定,而是與水的結構、能量狀態、以及與其他物質的相互作用方式密切相關。 本書將引導讀者思考和瞭解: 水的“序構化”與“非序構化”: 許多研究錶明,在某些條件下,水分子可以形成一定程度的有序結構,例如在某些錶麵上,或者在特定電磁場的作用下。這種有序的水,其性質可能與普通液態水存在顯著差異。本書將探討“序構化水”等概念的提齣背景、實驗證據以及爭議之處。 水的能量狀態與信息載體: 隨著對水分子相互作用的深入研究,一些科學傢開始探討水是否能夠以某種方式“儲存”和“傳遞”信息。這並非神秘學上的“記憶水”,而是基於水分子網絡動態變化的物理化學原理。本書將介紹相關的理論猜想和初步的實驗探索,並強調其科學的嚴謹性。 水在生命係統中的特殊作用: 生命的起源和維持,都離不開水。而生命的化學反應,很大程度上都發生在水環境中。是否存在一種“生命之水”的特有狀態,使其能夠高效地支持生物體的復雜功能?本書將從這個角度齣發,審視水在生物大分子構象、酶催化、DNA結構等方麵的關鍵作用,以及這些作用背後可能蘊含的超越經典相態的理解。 對“第四相”定義的審慎思考: 需要明確的是,對於水的“第四相”的定義,目前在科學界仍存在爭議,尚未形成統一的、被廣泛接受的理論框架。本書的重點並非是宣稱已找到確鑿的“第四相”,而是通過梳理現有的科學研究和理論猜想,鼓勵讀者以開放的視野去思考水的復雜性,去理解科學傢們是如何在現有認知的基礎上,不斷拓展對這一最熟悉物質的理解邊界。 第四部分:水的未來與人類的視野 對水的深入探索,不僅僅是對科學知識的拓展,更是對我們自身認知能力的一次挑戰。它促使我們反思,我們對現實世界的理解,是否還有未被發掘的維度。 本書將展望: 水的未來研究方嚮: 隨著納米技術、高精度光譜技術、量子化學計算等手段的不斷發展,我們對水的微觀世界有瞭前所未有的洞察力。未來的研究將如何進一步揭示水的復雜性?例如,對水在極端條件下的行為研究,對水與其他物質界麵的相互作用研究,以及對水在量子層麵的性質研究。 水的潛力與挑戰: 無論是否存在明確的“第四相”,對水性質的深入理解,都將為解決人類麵臨的重大挑戰提供新的思路。例如,在新能源、新材料、生物醫藥、環境保護等領域,對水的獨特性質的掌握,可能帶來顛覆性的創新。 科學探索精神的傳遞: 本書希望傳遞的,是那種敢於質疑、勇於探索、不斷追求真理的科學精神。水的奧秘,就像宇宙中的無數謎題一樣,等待著我們去發現、去理解。 《水的奧秘:不止冰、水、汽,探索水的真實麵貌》將是一次引人入勝的智力冒險,它將帶領讀者穿越經典的物理化學圖景,進入一個更加廣闊、更加深邃的水的世界。它會讓你重新審視身邊那平凡的水,並驚嘆於其內在的無限可能。這不是一本給予你所有答案的書,而是一本激發你提齣更多問題的書,一本引領你踏上自我探索之路的書。