本期为大家带来:


《你知道吗——现代科学中的100个问题》
本书是阿西莫夫的优秀作品之一。
作者以通俗的语言,深入浅出地解释了现代科学中的一百个尖端课题。
其中,有些是了解现代科学技术所必须具备的基础知识,如科学的研究方法、二进制数、相对论、亚原子粒子、核聚变、熵、晶体、病毒等。有些则是当代科学技术的前沿阵地,如黑洞、统一场论、夸克、快子、金属氢等。
作者对这些问题的来龙去脉,它们目前处在什么样的状态、有没有希望得到解决等问题均作了回答。
第八十八个问题:
水冻结时为什么会膨胀?
我们可以先问一问:固体为什么会是固体?液体为什么会是液体?
一种物质的各分子之间存在着一定的吸引力,这个吸引力能够把这些分子牢固地保持在某一固定位置上。人们很难把这些分子拉开,这种物质就是固体。
然而分子含有动能,它们会在它们的固定位置附近振动。当温度上升时,这些分子获得越来越多的能量,振动得更加猛烈;最后,它们获得非常多的能量,以致别的分子的引力再也不能抓住它们了。它们摆脱了控制,并且自行跑开,在其他分子周围滑来滑去。于是固体熔化了,它就变成了液体。
大多数固体是结晶状的。那就是说,各分子不仅依然固定在它们的位置上,而且是固定在规则的位置上,排成行列。当分子获得足够的能量而跑开时,这种规则性就被打破,固体就熔化了。
通常结晶状固体中各分子的规则配置是一种紧密的配置。各分子塞满在一起,它们中间几乎没有空隙。不过,一旦这个物质熔化了,彼此之间来回滑动的分子就互相拥挤和推撞。这种推撞的总效应就是迫使所有的分子分开得再远一点。这时物质就膨胀,它的密度就减小。于是,一般说来,液体的密度比固体低。
换一个方式来说,固体熔化时就膨胀,而液体冻结时就收缩。
不过,问题有很大一部分取决于分子在固体中是怎样配置的。例如,在冰中,水分子排列成一种异常松的形式。水分子排成三维的图样,这种图样实际上留下了一些“空穴”。
当温度上升时,分子打破了松散的排列,开始独立地运动,进行通常的拥挤和推撞。这种运动会使各分子分开,此外也把它们推到空穴中去。由于填满了空穴,液态水占有的空间比固态冰少,而不管分子如何拥挤。当 1立方米的冰融化时,仅形成0.9立方米的水。
由于冰的密度没有水大,所以它漂浮在水上。1 立方米的冰会在水中下沉,直至0.9立方米的冰沉至水面以下为止。这个冰块排开的0.9立方米的液态水的重量跟1立方米冰的重量一样。现在冰被水浮起来了,剩下0.1立方米的冰留在水面以上。对冰来说一般都是这样。任何一块冰将浮在水面上,它大约有十分之一在水面以上,十分之九在水面以下。
一般来说,这对于生命是非常幸运的。由于事情就是如此,所以水形成的冰停留在一片水体的顶部,它把较低的深层隔开,使得从下面逸出的热量有所减少。结果,较深的水通常不冻结,甚至在非常冷的天气条件下也不冻结。同样,漂浮的冰在较暖的气候里接受太阳的全部影响,并且很快融化。
如果冰的密度大于水,那么,当它形成时,它就会沉到水底,结果就有更多的水会冻结。此外,处在水体底部的冰就没有机会吸收太阳的温暖而融化。如果冰的密度大于水,那么,我们地球上的水源就会几乎都是冻结的,即使地球离开太阳并不比现在更远。