一滴水里的宇宙，藏着多少未知奇迹？

从一滴水照见宇宙洪荒，到一枚神经元编织智慧星云，科学不再是公式的堆砌，而是万物共舞的诗行，我们将这种难以言喻的美，用镜头一一呈现。

由中央广播电视总台社教节目中心出品，中国科学技术协会专业指导的五集科学纪录片《科学之美》，正在CCTV-10科教频道热播。一起来看第一集《探索水的微观世界》→

谁见过水分子的模样

自然界里真的没有两片完全相同的雪花吗

冰面光滑的背后究竟藏着怎样的奥妙

冰雪融化的真相超乎我们的认知

让我们穿透视觉极限

见证一滴水背后的科学奇迹

没有飘雪的冬季，就少了一分这个季节该有的魅力和气韵。

人们常说，每一片雪花都是独一无二的冬日精灵。雪花的个体极其微小，直径一般在0.5到3毫米之间，5000朵雪花放在一起，重量也不超过1克。

利用改造后的显微镜，雪花逐渐呈现出清晰的模样。

有人通过研究发现了近6000种彼此不同的雪花。人们认为世界上没有两朵大小和形状完全相同的雪花。人类已经发现，纷纷扬扬飘落的雪花尽管形态、细节方面各有差异，但大都是六角形的。

雪花为何具有瑰丽而奇妙的形态，这引起了许多科学家的兴趣。尽管千差万别，但雪花为什么都是六角形的？为什么是“6”而不是其他数字？

“科学家们早期的研究就发现，雪花的形状取决于水分子的结晶过程。水结晶以后，它的结构是什么？自古以来，人类是非常感兴趣的。科学家在这个方面做了很多探索。”中国科学院物理研究所研究员白雪冬说。

来自冰雪的魅力，吸引着探索的目光，年轻的学子们正以另一种视角呈现雪花形成初期的过程。

以电制冷的方式降温。低温沉寂了世界，也让水分子们放缓了脚步。

零下10摄氏度的玻璃表面，使得它们迅速完成了从气态到固态的转换。水分子仿佛被一种无形的力量牵引，它们开始有序地排列，构建起一座座微小而精妙的冰晶宫殿。

低温使得一颗水珠开始了自外而内的结晶过程。它们最终以一种特定的结构紧密相连，形成了坚硬而透明的晶体。这是一场温度、结构与形态之间的奇妙对话。

在我国寒冷的北方，这样的过程一次次地在玻璃窗上呈现。

中国科学院院士王恩哥回忆道，他幼年时便观察到玻璃结冰时从小冰花开始，冰花自下而上凝结，慢慢就把玻璃冻得什么也看不见。人们认为自然界的冰花大部分都是六角形的，有人预计可能有四方形的，但是从来没有人看到过。

对于科学家而言，这番探索不仅仅是为了揭示一片雪花的诞生过程。

自然的力量创造了雪花的万般变化，也深刻影响着我们的生活。

“比如说高压线路的结冰，有可能会形成停电、断电的现象，短路的现象。通过结构的确认，能否开发出有效的抗冻剂。”白雪冬说，冰的不同结构会影响冷冻的效果。在生命科学、医学等领域，如器官的保存、细胞的冷冻等等，这些效果和冰的结构都密切相关。

在王恩哥院士的推动下，白雪冬、王立芬科研团队的探索，在2023年取得了重要进展。

液氮与电镜的结合，创造出了一个特别的观测条件。零下170摄氏度的衬底，气相水瞬间凝结成冰晶。白雪冬回忆，最后，在实验室里，在电镜下，观察到了纯相单晶的立方冰。

王恩哥院士认为他们的工作第一次告诉大家，在雪花初期形成的过程中，立方形和六角形的雪花是同时存在的。

这是人类第一次看到雪花形成初期的本来面目，首先会形成无定形冰晶，大都会结晶形成纯相的单晶立方体。随后，逐步生长出六角冰。

这是人类关于雪花的研究历程中迈出的重要一步，也让我们窥探到了雪花所呈现的科学魅力。

学者们相信，这些发现将为解决那些结冰产生的“烦恼”带来灵感。关于雪花谜题的探索过程中，科学家们已经关注到了它的本真形态，那就是我们再熟悉不过的水。

但是，我们真的了解水吗？

一滴水珠的下落和入水，也展现着不同力量彼此作用的奥妙，以及能量的微妙转换。

一场水分子的沸腾之舞，完成了液态和气态的转变。

这些司空见惯现象的背后，依旧有许多未解之谜。

“水本身非常地复杂，重要的一点就是它有很多反常的地方。”王恩哥院士说，《科学》杂志成立125周年之际，曾经提出本世纪125个最具挑战的问题，其中一个问题就是“水的结构是什么”。

每一滴水珠，每一个冰晶，每一片雪花，都像是宇宙间的一个小小谜题。

它是地球不可或缺的资源，影响着天地的万千变化。但我们对它并不完全了解，甚至还未能看到它的本来面目。

“我们人体里面有非常多的水，对于成人来讲有70%都是水，所以水无时无刻都在跟生物分子发生相互作用。”北京大学物理学院教授江颖表示。科学家们逐步意识到，要真正破解这些奇迹的奥秘，就要了解水分子的结构，并掌握它们的诸多细节。这也成为了摆在人类面前的一道难题。

王恩哥院士说，水分子结构很简单，由一个氧原子和两个氢原子构成，形如一个“V”字。水分子我们早就知道，但是在实验上却没有人给出第一张照片。

数百年来，科学家们通过光谱分析、X射线衍射等方法来观测和验证水分子的结构。看清水分子的模样，才能从真正意义上，开启水世界的大门。

2010年1月，在时任北京大学物理学院院长的王恩哥的动员下，年轻的学者江颖回国加入了北京大学量子材料科学中心。年轻的学者们开始搭建一台能够看清楚微观世界的“眼睛”。

这是一场对未知原子世界的艰难探索。由于原子的直径远小于可见光的波长，这就使得再精密，放大倍数再高的光学相机，也难以看到原子的模样。

“能够看到氢，当时对我们来讲是一个非常大的难题。”江颖说，后来突然想到可以通过另外一种力来成像，比如静电力。因为水里的氢是带正电的，如果能够对静电力成像，是不是就可以对水的氢成像。

2019年，江颖团队在实验室里首次观测并拍摄到了世界上第一张亚分子级分辨率的水分子图像。

“这个图像刚出来的时候，刚好和黑洞出来的时间差不太多”，江颖回忆，自然界空间尺度相差大概10的20个次方的两个物体，它们的图像竟然非常类似。

这张奇妙的单个水分子图像，为我们呈现了它们的状态。水分子沉浸在电子云之间。水分子的氧原子部位，电子较多，显得更亮一些，而氢原子的部位则相反，电子较少，因而显得暗一些。亮暗之间水分子的身影逐步显现。

从地球生命之源到瑰丽而奇异的宇宙黑洞，两者的相似之处，或许预示着某种奇妙的关联。

紧接着，江颖和同事们有了更奇妙的发现。在氯化钠的表面，四个水分子借助彼此的作用力，以一定的方向性规整排列，形成了一个结构清晰的水团簇。原来，水分子们正是以这种温暖的抱团方式，汇聚为一滴水乃至奔流不息的河流。

看清楚水分子的模样，不仅仅是对水的了解更加清晰，这更意味着人类关于原子世界的科学认识获得了突破。

20世纪初期，人类努力探索原子世界的奥秘。1927年，年轻的物理学家奥本海默博士和导师玻恩一同发展起来了“玻恩-奥本海默近似理论”。它成为科学界描述原子核与电子相互关系的经典理论。正是在关于水分子的研究中，中国的科学家们逐步意识到了经典理论的局限。

“现在看起来这个图像在描写由氢元素组成，也就是说由像水这样的体系中，这个描述已经不太合适了，甚至来讲会带来很多错误。”王恩哥院士说，他们的工作恰巧是从这入手，超越“玻恩-奥本海默近似理论”，考虑到电子和原子核的量子化效应，统称叫“全量子效应”。

基于这些发现，年轻的学者们完成了另一种创造，在食盐表面用60个水分子拼成王恩哥名字的缩写“E.G.W.”。这项工作实现了操作单个水分子并排列成稳定的图案，表明中国科学家的实验技术达到了国际上最高的水准。

关于雪花的探索不断深入的同时，江颖团队的“微观之眼”锁定了另一个有趣的话题：冰面之上为什么这么滑？

早在19世纪，就有学者提出，即使在远低于冰点的温度下，冰的表面也会出现一层薄薄的液体层。这被称为冰的预融化。正是这层水膜，使得我们流畅滑行。但是，这个说法遭到了不少学者的质疑。

所谓的预融化真的会发生吗？

一个冬天，江颖在北京大学未名湖散步时，发现湖面看起来有种涟漪，它的结构到底是什么？

北京大学未名湖水的结晶和消融，同样发生在遥远的南北两极的冰川。在那里，广袤的冰川和永冻层的消融，正在引发关于海平面上升和全球气候变化的担忧。它们的真相，或许将帮助我们发现两极冰川融化背后的更多秘密。

江颖团队发现冰表面在零下153摄氏度，其实就会发生预融化。预融化的起始点应该把它定在非常精确的一个温度。

中国科学家的研究彻底揭示了冰表面消融的奥秘。在零下153摄氏度，融化已经从冰表面的超结构开始。冰的表面逐渐变得无序，最终，表面近乎完全液态。这也就是所谓的预融化现象。这种远低于冰点的预融化机制所创造的水层，正是产生滑动的根本。

王恩哥院士认为，物理本质上有一个很大的特点，就是它能把复杂的事情简单化，并且抓住这件事情的本质，这是物理最漂亮的地方。他喜欢做物理，也是崇尚物理之美。

科学家们的不懈努力

正在为我们开启一扇重新认识水世界的大门

更在地球生态治理

水与生命健康

乃至于能源革命等领域

迸发出灵感火花

探索刚刚起步

未来的精彩值得期待