WeChat ID kexueyougushi About Feature 比科学故事更重要的是科学精神 地球被一种化合物主宰着，这种化合物无色无味，但性情多变，有时刚开始还温柔得很，但突然间就翻脸要你命。在不同的形态下，它可以烫伤你也可以冻死你。它与某些有机分子一联手，就能形成碳酸。这种化合物很恶劣，它剥光树上的叶子，吃掉雕像的俏脸。大量的一氧化二氢聚在一起时，一旦狂暴起来，任何人类的建筑物都无法挡住它们凶猛的进攻。有些人看上去很适应它们，这些人可以在这些化合物中像鸟儿一样飞翔，但遗憾的是，每年都会有很多这样的人死在它们手上。我想大家都知道，这种化合物还有一个非常通俗的名称——水。关于把水叫成一氧二化氢这事，还有一个很著名的段子，这个段子流传的特别广，据说最早可以追溯到 1990 年，老外编的这个段子是这样的：     一氧化二氢的危险包括： 又叫做“氢氧基酸”，是酸雨的主要成分； 对泥土流失有促进作用； 对温室效应有推动作用； 它是腐蚀的成因； 过多的摄取可能导致各种不适； 皮肤与其固体形式长时间的接触会导致严重的组织损伤； 发生事故时吸入也有可能致命； 处在气体状态时，它能引起严重灼伤； 在不可救治的癌症病人肿瘤中已经发现该物质； 对此物质上瘾的人离开它 168 小时便会死亡；     尽管有如此的危险，一氧化二氢常常被用于： 各式各样的残忍的动物研究； 美国海军有秘密的一氧化二氢的传播网； 全世界的河流及湖泊都被一氧化二氢污染； 常常配合杀虫剂使用；洗过以后，农产品仍然被这种物质污染； 在一些“垃圾食品”和其它食品中的添加剂； 已知的导致癌症的物质的一部分； 然而，政府和众多企业仍然大量使用一氧化二氢，而不在乎其极其危险的特性。 这个段子大约在 2012 年传入我国，上当的人不计其数，甚至包括大名鼎鼎的 CCTV ，我们来听一小段央视 2012 年 4 月 14 日《东方时空》节目真相调查版块的实况录音。（http://news.cntv.cn/program/dongfangshikong/20120414/118392.shtml 38:57开始）播音员当然是闷头念稿子，不会去多考虑稿子上写了什么，但是这个写稿子的人显然也是这个段子的上当者，他显然没有意识到一氧化二氢就是水。 水无处不在。一颗土豆的 80% 是水；一头牛 74% 是水；一只细菌 75% 是水；而一只番茄，95% 都是水，除掉水就基本没什么了。平均下来，水占了人体比重的 70% ，也就是说，一个人身上的液体与固体组织之比大于 2：1。水是一种挺奇特的东西，它们透明，没有固定的形状。水是没有味道的，但我们都很爱品尝。虽然我们很清楚水是危险的，根据世界卫生组织的估计，每年溺死 38 万人，但我们却又迫不及待地跳进去嬉戏一番。 正因为水无处不在，所以我们往往会忽略它的独特性。实际上，水的很多化学性质都是相当独特的，与地球上的其他液体很不一样。大多数液体遇冷会收缩，水也不例外，但是水却在收缩到某一个程度后就会停止。当水快要接近冰点的时候，它就开始有悖常情地膨胀，这个现象特别不可思议。当它变成固态的冰之后，体积差不多会增大 10%。正因为这样，冰会漂浮在水上。在一些化学家看来，这是一种极为古怪的特性，其他常温下的液体在转变成固体后，体积一般都会减小，也就是说密度会增大。但要不是有了这种闪亮的逆反个性，冰就会下沉，湖泊和海洋就会自下而上地结冰。没有了水面冰层的保温作用，水就会更快地散失热量，变得更冷，结更多的冰。很快，甚至连整个海洋都会彻底冻住。几乎可以肯定一冻住就会持续很久很久，可能是永远，那么生命也就无从谈起了。谢天谢地，化学和物理法则为水另辟了蹊径。 人人都知道水的化学分子式是 H20，表明水分子是由一个大大的氧原子联结着两个较小的氢原子组成的，氢原子紧紧地抱住了它们的氧原子主人，但同时又随手牵着别的水分子。因此，水分子的这种特性很像是在跳某种舞蹈，频繁地更换舞伴。一杯水看上去挺平静的，但实际上里面的水分子每秒钟要更换 10 亿次伙伴。所以它们能粘合在一起形成水池和湖泊，但是当你跳进去时，又会发现它们其实粘合得又不至于紧到密不可分。实际上，在任一时刻，只有 15% 的水分子结合在一起。 在一定意义上，这种结合是非常牢固的。这就是为什么水分子会沿着虹吸管上升；两滴水能迅速地融合成一滴水。水与水之间的这种结合力还产生了表面张力，我可以用一个比较通俗的画面来让你理解表面张力的产生原因。你现在可以把每一个水分子都想象成是一个千手观音，它拉着别人，也被别人拉，在水的内部，一个水分子受到的合力为零。但是到了水与空间的交界面就不一样了，每个水分子伸向空气中的手拉不到别的水分子的手了，于是，向下拽的力量就会更大一些，这就是使得液体总是有向内收缩的趋势。一滴在空气中的水滴是圆滚滚的形状，如果在失重状态下，水滴就会成为一颗滴溜溜的圆球。表面张力会在会在水的表面形成一张薄膜，足以支撑昆虫在上面行走，石块在上面打水漂。 没有了水，我们活不下去，这一点不用我给你特意指出了。一旦脱水，人体就会迅速变形。只需要短短几天，嘴唇就会消失，有人这么描述脱水：“好像被割掉了，牙床发黑，鼻子缩得只有原来的一半长，眼睛周围的皮肤皱缩得连眨眼都不行了。”水对于我们是如此的重要，以至于人们很容易忘记地球上绝大多数的水对我们是有毒的，而且是致命的毒，因为，它们含有盐。 没有盐，我们也活不下去。但是，又不能太多，我们只需要一点儿就够了。在一升最普通的海水中大约含有 2 茶匙的食盐和大量的其他元素化合物以及可溶性固体物，所有这些我们也统称为盐类。所有这些盐类与矿物质在体液中的含量竟不可思议地与海水中的含量很接近。难怪卡尔·萨根会说我们出的汗是海水，流的泪也是海水。但奇怪的是，我们却又无法忍受海水直接进入人体。如果摄入了大量盐，人体的新陈代谢系统很快就会陷入危机，每一个细胞中都会涌出大量的水分子，它们就像自愿消防员一样，努力地稀释并带走突然增加的盐分。结果，细胞严重脱水，丧失正常功能。在极端情况下，这种脱水将导致疾病发作、昏迷和大脑损伤。与此同时，血液会把盐带入到肾脏中，最终导致肾衰竭，然后你就会死去。这就是为什么我们不能饮用海水的原因。讲到这里，我想起方舟子先生和崔永元先生互掐的时候，方舟子先生有一次说草甘膦的毒性还不如食盐的毒性，崔永元先生听了哈哈大笑，发微博说那就请方舟子先生喝一瓶草甘膦让我们看看死不死。方舟子先生听完也哈哈大笑，发推特说喝一瓶浓盐水死的更快。如果在同等浓度下，草甘膦的毒性确实不如食盐，也就是氯化钠。 全球水的总量大约是 13.8 亿立方千米。这个量一直就没有什么变化。因为整个系统已经闭合，说得明白一点，就是水再也不会增加，也不会减少。你喝的每一口水在地球很年轻的时候就已经存在了。至少在 10 亿年前，海洋在总体上就已经达到了现在的规模。而在 38 亿年以前，地球上的水就已经达到了现在的规模。 水域又被称之为水圈。它的绝大部分是海洋。地球上 97% 的水存在于海洋中，其中最大的部分是太平洋，它比所有的陆地加起来还大。太平洋拥有超过一半的地球总水量，是 51.6%，大西洋是 23.6%，印度洋是 21.2%，剩下的 3.6% 由其余所有的海洋分享。海洋的平均深度是 3.7公里，而太平洋的平均深度又比大西洋和印度洋多 300 米。 地球表面的 60% 都是平均深度 4000 米的洋底，所以，我看把我们的行星称之为水球，而不是地球会更贴切。 地球上只有 3% 的水是淡水，绝大部分是冰川的形式。只有很少的这么一点儿，大约 0.015% 存在于江河湖泊中。更加少的一点儿，大约 0.001% 存在于云和水蒸气中。地球上有 90% 的冰在南极洲，剩下的大部分在格陵兰岛。你站在南极大陆上，你其实是站在超过 2.2 公里厚的冰层上，你在南极如果捡到一块石头，几乎可以肯定就是陨石。而在北极的大部分地区，就只有 3 - 4 米厚。单单一个南极洲，就拥有 2650 万立方千米的冰，要是全部融化，足以让海洋上升 58 米。但把大气中所有的水都降到海洋中，却只能抬高 2.5 厘米。 顺便说一句，海平面只不过是一个纯理论上的概念。海面并不是完全平的。由于潮汐、风、科里奥利效应等各种因素的存在，大洋与大洋之间的水位并不相同，甚至在同一片大洋中，也是不同的。由于地球的自转，太平洋的西部边缘要高出 45 厘米。要理解成因，你可以试着拉动一盆水，你会发现水会朝着与盆相反的方向流动，就好像水很不情愿被盆带走似的，我们都知道，这叫惯性。地球自西向东转，因此水就会向着西边推高。 自古以来就对人类如此重要的海洋，居然迟迟引不起科学界的兴趣，这一点真让人惊讶。直到人类进入了 19 世纪，我们对海洋的知识大多还只是来自那些被冲上海滩的东西，或是渔网里捞上来的一点东西。而所有写在书上的内容大多来源于趣闻轶事和一些缺乏证据的假想。到了19 世纪 30 年代，一位叫福布斯（Edward Forbes）的英国博物学家在勘察了大西洋和地中海的海床之后，宣布 600 米之下的海里没有生命。这在当时看来，是一个很合理的假设。因为，在那个深度的水下见不到阳光，所以也就不会有植物，而海水的压力又极大。但是，到了 1860 年，有一条海底电缆被拉上来维修，它原本位于水下超过 3 千米的深处，结果人们非常吃惊地发现，在电缆上长了厚厚的一层珊瑚、蛤蜊和其他一些活着的小生物。 直到 1872 年，才有了第一次真正有组织的海洋考察。不列颠博物馆、皇家学会和英国政府共同组建了一支考察队，乘坐一艘叫“挑战者号”的退役战舰，从朴茨茅斯港（Portsmouth）出发。在三年半的时间里，他们环游世界，对海水取样，捞捕鱼类，分检海底沉积物。但他们的工作极为单调乏味。出发时共有 240 名科学家和海员，但最后竟有四分之一的人开了小差，至少 8 个人不是死亡就是发了疯。历史学家萨曼萨·温伯格（Samantha Weinberg）在书中写道，“长年累月的单调生活使他们头脑麻木、精神错乱。”但就是这样，他们在大海中航行了近 7 万海里，收集了超过 4700 种新的海洋生物，积累的资料足以编成 50 卷本的考察报告（共花了 19 年才编撰完成）。他们为世界创造了一门新的学科：海洋学。他们还在测量海底深度的时候，发现在大西洋中部的海底似乎有海底山脉。这让发现者有点儿小激动，因为他们推断那就是传说中已消失的亚特兰蒂斯古陆。 因为正经的学术界一直对海洋不太重视，所以我们关于海底的早期知识大多是由为数不多的业余爱好者发现的。现代深海探索始于 1930 年的毕比（Charles William Beebe）和巴顿（Otis Barton）。尽管他俩一直是地位平等的合作伙伴，但文字记载却总是更青睐于经历多姿多彩的毕比。他于 1877 年出生于纽约的一个富裕家庭，在哥伦比亚大学攻读的专业是动物学，毕业后在纽约动物学会找了一份养鸟的工作。对这份工作厌倦后，他决定过一种冒险家的生活，在此后的四分之一个世纪中，他的足迹遍布亚洲和南美洲，并且总是拥有一些漂亮的女助手，这些助手都有一个很特别的头衔，比如，“历史学家兼技术员”，“鱼类问题助理”等。努力的结果是他写出了不少很成功的通俗读物，例如《丛林边缘》、《丛林中的日子》，也写了几本关于野生动物和鸟类学方面的好书。 20 世纪 20 年代中期，毕比跑到加拉帕戈斯群岛玩了一圈，在那里他找到了“悬垂的乐趣”，也就是深海潜水。不久之后，他开始与巴顿合作。巴顿与毕比有些相似之处，家境甚至更富，他们都是哥大的校友，同样热衷于冒险。巴顿拿出了 12000 美元投资设计制造了世界上第一个深潜球。但胸闷的是人们总把这项荣誉算到毕比的头上。所谓的深潜球其实就是一个小小的、但坚固无比的小铁箱，用了 3.8 厘米厚的铸铁制成，并带有两扇 7.8 厘米厚的石英板舷窗。最多能容纳 2 个人，不过，这 2 个人必须做好亲密接触的心理准备。即使以当时的技术标准来衡量，也算不上复杂。这个铁球吊在一根长长的电缆下面，操作极不灵便。呼吸维持系统就更简陋了，中和呼出的二氧化碳只能靠打开的石灰罐子，用一小盆氯化钙来吸收水汽。有时，他们还得煽动棕榈叶子来加快化学反应。 但是，就是这么个小小的深潜球干得却相当不错。1930 年 6 月在巴哈马群岛的首次下潜，巴顿和毕比就创造了深潜 183 米的新世界纪录。到了 1934 年，他们更是将该记录提高到了超过 900 米，并一直保持到二战之后。深潜球在下潜的过程中，每一个螺栓和铆钉都会发出清晰的声响，很是吓人，不过巴顿对安全地下潜到 1400 米很有信心。无论潜到多深，都是一件勇敢而危险的工作。在 900 米的水下，深潜球小小的舷窗承受的压力是每平方英寸 19 吨。一旦压力突破了它的承受极限，死亡就是分分秒秒的事情。在毕比写的文章和做的广播节目中，他经常说自己随时都会报销。不过，巴顿和毕比最担心的其实是海上的船舷，那上面挂着一个沉重的铁球和 2 吨重的电缆，一旦断掉，他俩就会一直沉到海床上，那谁也救不了他们了。 他们的下潜壮举虽然史无前例，但是却并未取得太多有价值的科学成就。他们确实记录了许多过去从未发现过的生物，只是水下的能见度极低，两人又都没有受过系统的海洋学教育。所以他们不能用一种真正的科学家所渴望的方式去描述他们的发现，缺乏某些重要的细节。深潜球没有外部灯光，仅有的只是一盏手持式的 250 瓦的灯泡，他们拿着凑在舷窗前。超过 150 米的水下实际上已经是不透光的了。而他们又是隔着 7.6 厘米厚的石英板费力地朝外张望。所以他们能看到的东西也只能是那些刚好有兴趣来看看他们的东西。结果，他们所有的报告，无外乎说看到了一些奇怪的东西而已。在 1934 年的一次下潜中，毕比说“吃惊地看到了一条巨蟒，有 5 米多长，很粗”。巨蟒游动的太快，以至于只看到了一个影子。不管它到底是什么，总之后来再也没有人见到过。因为他们的报告总是这样含含糊糊的，所以无法引起学术界的重视。 1934 年又一次打破他们自己保持的深潜纪录后，毕比对深潜丧失了兴趣，他转向了其他的冒险活动，但巴顿还在坚持。值得称道的是，每当有人问起毕比，他总是说真正的策划者是巴顿。但巴顿不知怎么就是走不出毕比的阴影。他也写了不少关于水下冒险的精彩故事，甚至还主演了一部好莱坞的电影——《深渊巨物》（Titans of Deep），虚构了一些在深潜球中发生的惊心动魄的遭遇，比如遇到凶猛的大乌贼等。他甚至还给骆驼牌香烟做广告（广告词是：“抽了它们，神经不紧张”）。到了1948 年，他把深潜纪录又提高了 50%，达到了 1370 米，潜水地点是在加州附近的太平洋上，但是整个世界似乎决定要无视他。有家报纸登的一篇《深渊巨物》的影评中说电影的主演是毕比，哎，可怜的巴顿。好在，我没有忘记巴顿。然而，尽管毕比和巴顿非常努力，但是，一对来自瑞士的父子组合没过多久，就把毕比和巴顿的记录远远地甩在了身后。欲知后事如何，科学有故事，咱们下期接着聊。 值得一看 这 21 秒的镜头来之不易，无法用金钱衡量 水槽中的漩涡是地球自转的证据吗？ 关于量子力学都有哪些常见的误解？ 《环球科学有故事》精华预览第三弹 信扫一扫赞赏作者 Reward   reward(s) Long-press QR code to transfer me a reward As required by Apple's new policy, the Reward feature has been disabled on WeChat for iOS. 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