從一滴水照見宇宙洪荒，到一枚神經(jīng)元編織智慧星云，科學(xué)不再是公式的堆砌，而是萬物共舞的詩行，我們將這種難以言喻的美，用鏡頭一一呈現(xiàn)。

由中央廣播電視總臺社教節(jié)目中心出品，中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會專業(yè)指導(dǎo)的五集科學(xué)紀(jì)錄片《科學(xué)之美》，正在CCTV-10科教頻道熱播。一起來看第一集《探索水的微觀世界》→

誰見過水分子的模樣

自然界里真的沒有兩片完全相同的雪花嗎

冰面光滑的背后究竟藏著怎樣的奧妙

冰雪融化的真相超乎我們的認(rèn)知

讓我們穿透視覺極限

見證一滴水背后的科學(xué)奇跡

沒有飄雪的冬季，就少了一分這個季節(jié)該有的魅力和氣韻。

人們常說，每一片雪花都是獨(dú)一無二的冬日精靈。雪花的個體極其微小，直徑一般在0.5到3毫米之間，5000朵雪花放在一起，重量也不超過1克。

利用改造后的顯微鏡，雪花逐漸呈現(xiàn)出清晰的模樣。

有人通過研究發(fā)現(xiàn)了近6000種彼此不同的雪花。人們認(rèn)為世界上沒有兩朵大小和形狀完全相同的雪花。人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，紛紛揚(yáng)揚(yáng)飄落的雪花盡管形態(tài)、細(xì)節(jié)方面各有差異，但大都是六角形的。

雪花為何具有瑰麗而奇妙的形態(tài)，這引起了許多科學(xué)家的興趣。盡管千差萬別，但雪花為什么都是六角形的？為什么是“6”而不是其他數(shù)字？

“科學(xué)家們早期的研究就發(fā)現(xiàn)，雪花的形狀取決于水分子的結(jié)晶過程。水結(jié)晶以后，它的結(jié)構(gòu)是什么？自古以來，人類是非常感興趣的。科學(xué)家在這個方面做了很多探索。”中國科學(xué)院物理研究所研究員白雪冬說。

來自冰雪的魅力，吸引著探索的目光，年輕的學(xué)子們正以另一種視角呈現(xiàn)雪花形成初期的過程。

以電制冷的方式降溫。低溫沉寂了世界，也讓水分子們放緩了腳步。

零下10攝氏度的玻璃表面，使得它們迅速完成了從氣態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)換。水分子仿佛被一種無形的力量牽引，它們開始有序地排列，構(gòu)建起一座座微小而精妙的冰晶宮殿。

低溫使得一顆水珠開始了自外而內(nèi)的結(jié)晶過程。它們最終以一種特定的結(jié)構(gòu)緊密相連，形成了堅硬而透明的晶體。這是一場溫度、結(jié)構(gòu)與形態(tài)之間的奇妙對話。

在我國寒冷的北方，這樣的過程一次次地在玻璃窗上呈現(xiàn)。

中國科學(xué)院院士王恩哥回憶道，他幼年時便觀察到玻璃結(jié)冰時從小冰花開始，冰花自下而上凝結(jié)，慢慢就把玻璃凍得什么也看不見。人們認(rèn)為自然界的冰花大部分都是六角形的，有人預(yù)計可能有四方形的，但是從來沒有人看到過。

對于科學(xué)家而言，這番探索不僅僅是為了揭示一片雪花的誕生過程。

自然的力量創(chuàng)造了雪花的萬般變化，也深刻影響著我們的生活。

“比如說高壓線路的結(jié)冰，有可能會形成停電、斷電的現(xiàn)象，短路的現(xiàn)象。通過結(jié)構(gòu)的確認(rèn)，能否開發(fā)出有效的抗凍劑。”白雪冬說，冰的不同結(jié)構(gòu)會影響冷凍的效果。在生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，如器官的保存、細(xì)胞的冷凍等等，這些效果和冰的結(jié)構(gòu)都密切相關(guān)。

在王恩哥院士的推動下，白雪冬、王立芬科研團(tuán)隊的探索，在2023年取得了重要進(jìn)展。

液氮與電鏡的結(jié)合，創(chuàng)造出了一個特別的觀測條件。零下170攝氏度的襯底，氣相水瞬間凝結(jié)成冰晶。白雪冬回憶，最后，在實驗室里，在電鏡下，觀察到了純相單晶的立方冰。

王恩哥院士認(rèn)為他們的工作第一次告訴大家，在雪花初期形成的過程中，立方形和六角形的雪花是同時存在的。

這是人類第一次看到雪花形成初期的本來面目，首先會形成無定形冰晶，大都會結(jié)晶形成純相的單晶立方體。隨后，逐步生長出六角冰。

這是人類關(guān)于雪花的研究歷程中邁出的重要一步，也讓我們窺探到了雪花所呈現(xiàn)的科學(xué)魅力。

學(xué)者們相信，這些發(fā)現(xiàn)將為解決那些結(jié)冰產(chǎn)生的“煩惱”帶來靈感。關(guān)于雪花謎題的探索過程中，科學(xué)家們已經(jīng)關(guān)注到了它的本真形態(tài)，那就是我們再熟悉不過的水。

但是，我們真的了解水嗎？

一滴水珠的下落和入水，也展現(xiàn)著不同力量彼此作用的奧妙，以及能量的微妙轉(zhuǎn)換。

一場水分子的沸騰之舞，完成了液態(tài)和氣態(tài)的轉(zhuǎn)變。

這些司空見慣現(xiàn)象的背后，依舊有許多未解之謎。

“水本身非常地復(fù)雜，重要的一點就是它有很多反常的地方。”王恩哥院士說，《科學(xué)》雜志成立125周年之際，曾經(jīng)提出本世紀(jì)125個最具挑戰(zhàn)的問題，其中一個問題就是“水的結(jié)構(gòu)是什么”。

每一滴水珠，每一個冰晶，每一片雪花，都像是宇宙間的一個小小謎題。

它是地球不可或缺的資源，影響著天地的萬千變化。但我們對它并不完全了解，甚至還未能看到它的本來面目。

“我們?nèi)梭w里面有非常多的水，對于成人來講有70%都是水，所以水無時無刻都在跟生物分子發(fā)生相互作用。”北京大學(xué)物理學(xué)院教授江穎表示。科學(xué)家們逐步意識到，要真正破解這些奇跡的奧秘，就要了解水分子的結(jié)構(gòu)，并掌握它們的諸多細(xì)節(jié)。這也成為了擺在人類面前的一道難題。

王恩哥院士說，水分子結(jié)構(gòu)很簡單，由一個氧原子和兩個氫原子構(gòu)成，形如一個“V”字。水分子我們早就知道，但是在實驗上卻沒有人給出第一張照片。

數(shù)百年來，科學(xué)家們通過光譜分析、X射線衍射等方法來觀測和驗證水分子的結(jié)構(gòu)。看清水分子的模樣，才能從真正意義上，開啟水世界的大門。

2010年1月，在時任北京大學(xué)物理學(xué)院院長的王恩哥的動員下，年輕的學(xué)者江穎回國加入了北京大學(xué)量子材料科學(xué)中心。年輕的學(xué)者們開始搭建一臺能夠看清楚微觀世界的“眼睛”。

這是一場對未知原子世界的艱難探索。由于原子的直徑遠(yuǎn)小于可見光的波長，這就使得再精密，放大倍數(shù)再高的光學(xué)相機(jī)，也難以看到原子的模樣。

“能夠看到氫，當(dāng)時對我們來講是一個非常大的難題。”江穎說，后來突然想到可以通過另外一種力來成像，比如靜電力。因為水里的氫是帶正電的，如果能夠?qū)o電力成像，是不是就可以對水的氫成像。

2019年，江穎團(tuán)隊在實驗室里首次觀測并拍攝到了世界上第一張亞分子級分辨率的水分子圖像。

“這個圖像剛出來的時候，剛好和黑洞出來的時間差不太多”，江穎回憶，自然界空間尺度相差大概10的20個次方的兩個物體，它們的圖像竟然非常類似。

這張奇妙的單個水分子圖像，為我們呈現(xiàn)了它們的狀態(tài)。水分子沉浸在電子云之間。水分子的氧原子部位，電子較多，顯得更亮一些，而氫原子的部位則相反，電子較少，因而顯得暗一些。亮暗之間水分子的身影逐步顯現(xiàn)。

從地球生命之源到瑰麗而奇異的宇宙黑洞，兩者的相似之處，或許預(yù)示著某種奇妙的關(guān)聯(lián)。

緊接著，江穎和同事們有了更奇妙的發(fā)現(xiàn)。在氯化鈉的表面，四個水分子借助彼此的作用力，以一定的方向性規(guī)整排列，形成了一個結(jié)構(gòu)清晰的水團(tuán)簇。原來，水分子們正是以這種溫暖的抱團(tuán)方式，匯聚為一滴水乃至奔流不息的河流。

看清楚水分子的模樣，不僅僅是對水的了解更加清晰，這更意味著人類關(guān)于原子世界的科學(xué)認(rèn)識獲得了突破。

20世紀(jì)初期，人類努力探索原子世界的奧秘。1927年，年輕的物理學(xué)家奧本海默博士和導(dǎo)師玻恩一同發(fā)展起來了“玻恩-奧本海默近似理論”。它成為科學(xué)界描述原子核與電子相互關(guān)系的經(jīng)典理論。正是在關(guān)于水分子的研究中，中國的科學(xué)家們逐步意識到了經(jīng)典理論的局限。

“現(xiàn)在看起來這個圖像在描寫由氫元素組成，也就是說由像水這樣的體系中，這個描述已經(jīng)不太合適了，甚至來講會帶來很多錯誤。”王恩哥院士說，他們的工作恰巧是從這入手，超越“玻恩-奧本海默近似理論”，考慮到電子和原子核的量子化效應(yīng)，統(tǒng)稱叫“全量子效應(yīng)”。

基于這些發(fā)現(xiàn)，年輕的學(xué)者們完成了另一種創(chuàng)造，在食鹽表面用60個水分子拼成王恩哥名字的縮寫“E.G.W.”。這項工作實現(xiàn)了操作單個水分子并排列成穩(wěn)定的圖案，表明中國科學(xué)家的實驗技術(shù)達(dá)到了國際上最高的水準(zhǔn)。

關(guān)于雪花的探索不斷深入的同時，江穎團(tuán)隊的“微觀之眼”鎖定了另一個有趣的話題：冰面之上為什么這么滑？

早在19世紀(jì)，就有學(xué)者提出，即使在遠(yuǎn)低于冰點的溫度下，冰的表面也會出現(xiàn)一層薄薄的液體層。這被稱為冰的預(yù)融化。正是這層水膜，使得我們流暢滑行。但是，這個說法遭到了不少學(xué)者的質(zhì)疑。

所謂的預(yù)融化真的會發(fā)生嗎？

一個冬天，江穎在北京大學(xué)未名湖散步時，發(fā)現(xiàn)湖面看起來有種漣漪，它的結(jié)構(gòu)到底是什么？

北京大學(xué)未名湖水的結(jié)晶和消融，同樣發(fā)生在遙遠(yuǎn)的南北兩極的冰川。在那里，廣袤的冰川和永凍層的消融，正在引發(fā)關(guān)于海平面上升和全球氣候變化的擔(dān)憂。它們的真相，或許將幫助我們發(fā)現(xiàn)兩極冰川融化背后的更多秘密。

江穎團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)冰表面在零下153攝氏度，其實就會發(fā)生預(yù)融化。預(yù)融化的起始點應(yīng)該把它定在非常精確的一個溫度。

中國科學(xué)家的研究徹底揭示了冰表面消融的奧秘。在零下153攝氏度，融化已經(jīng)從冰表面的超結(jié)構(gòu)開始。冰的表面逐漸變得無序，最終，表面近乎完全液態(tài)。這也就是所謂的預(yù)融化現(xiàn)象。這種遠(yuǎn)低于冰點的預(yù)融化機(jī)制所創(chuàng)造的水層，正是產(chǎn)生滑動的根本。

王恩哥院士認(rèn)為，物理本質(zhì)上有一個很大的特點，就是它能把復(fù)雜的事情簡單化，并且抓住這件事情的本質(zhì)，這是物理最漂亮的地方。他喜歡做物理，也是崇尚物理之美。

科學(xué)家們的不懈努力

正在為我們開啟一扇重新認(rèn)識水世界的大門

更在地球生態(tài)治理

水與生命健康

乃至于能源革命等領(lǐng)域

迸發(fā)出靈感火花

探索剛剛起步

未來的精彩值得期待