水之書：最平凡的物質，最超凡的故事

作者阿洛．賈將帶領我們踏上雙重旅程：
一是極地之旅——我們將搭乘海洋研究船，
冒著狂風巨浪，遠征南冰洋與南極洲，
去看那裡的巨大冰山、冰原、冰冠、企鵝與海豹，
以及影響全球天氣的南冰洋，如何展現水的威力與重要性。
一是科學之旅——我們將從大霹靂後的水之源頭出發，
途經地球上的生命伊始、人類傍水發展的文明，再返回太空；
我們將在月球、火星、太陽系外行星，搜尋生命的跡象，
而水，正是關鍵性的指標。

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一般來說，同一種物質的固體比液體密度大，
但是，冰為什麼會反常的浮在水面上？
而且這種異常特性，竟保護了水底生物免於寒冬凍死。

把水從地表移到大氣層、又移回地表，
所處理的水量，相當於世界上所有的海水，
因而造就了全球的天氣和氣候系統。

我們幾乎是水做的軀體？
請看這些數據：成人身上平均含有60%至70%的水，
其中，神經系統有84%是水，肝臟73%、肌肉77%、
皮膚71%、脂肪則是30%左右，
血漿、唾液和胃液，幾乎完全是水。
難怪生物學家說：「生命從沐浴在水裡開始。」

你知道嗎？
種植一杯咖啡所需的咖啡豆，要用掉二百公升的水；
你愛吃的牛排大餐，每公斤牛肉的成長，
要用掉一萬五千公升的水；
而為了生產每個人一整天的食物，
要用掉超過三萬五千公升的水。
是水，推動了農業，（水蒸汽）推動了工業革命，
推動了文明，滋潤了我們的生活。

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《水之書》是一本拓展你科學視野的奇書，囊括了與水相關的科學：
★水的物理學（室溫下呈液態、冰的密度比水小、氫鍵帶來的黏性、溶解度帶來的導電性）
★ 水的化學與生物化學（水的極性使細胞膜得以存在、氫鍵讓蛋白質摺疊成三維形狀）
★ 水的宇宙學（水分子如何在宇宙中生成、為何能存留在地球上）
★ 大氣科學與海洋學（水文循環、季風、環流、全球大洋輸送帶）
★ 環境科學（水足跡是一種類似碳足跡的環保概念）
★ 還有地球科學（冰河與冰山）、古氣候學（冰芯研究）、晶體學（冰晶）、天文學與太空科學（衛星與行星的形成、地外水源，如何以水來定義生命）。

阿洛．賈Alok Jha／著
印度裔記者、節目主持人，落腳在倫敦。目前是英國獨立電視臺（ITN）科學記者，之前擔任《衛報》（Guardian）科學記者，曾在英國廣播公司第二臺（BBC2）及廣播四臺（BBC Radio 4）主持科學節目。曾獲美國物理學會頒發的科學寫作獎（2014年）、當選年度歐洲科學作家（2008年），並曾入圍英國科學作家協會及醫療記者協會獎項。

黃靜雅／譯
臺南市人，臺灣大學大氣科學碩士（主修大氣環境），著有《臺灣天氣變變變》（合著），譯有《看雲趣》、《觀念地球科學》（合譯）、《地震與文明的糾纏》、《大口一吞，然後呢？》、《第六次大滅絕》（榮獲第八屆吳大猷科普翻譯類佳作）、《如果這樣，會怎樣？》、《勇往直前》、《即興力》。除了大氣科學專長，也曾出版音樂專輯「看月娘」、「生活是一條歌」；創作兒童音樂專輯「春天佇陀位」及「幸福的孩子愛唱歌」等。2002年之後定居加拿大溫哥華，卻心繫臺灣的一舉一動，自稱是「用母親的眼睛與關懷萬物的心，跨界地球大氣與原創音樂」的家庭主婦。

在一個寒冷、明媚的午後，我們離開了紐西蘭的最南端。籌備半年之久，這是一趟畢生難忘的旅程：一個月的航行，造訪地球上最偏遠的大陸——南極洲，去到最偏遠的地方繞一圈。在我們超連結的世界裡，這地方依舊遙不可及，正如它本身的位置一樣，暗喻著孤立、寂寞。
我們即將展開的旅程，一個世紀前專屬於幾支男子漢隊伍，為首的英雄青史留名——史考特、莫森、夏克頓、阿蒙森。這些男子漢帶回（如果他們回得來）淒涼無助、富戲劇性、悲慘壯烈的故事。他們發現了新大陸，在嚴酷的非人類環境中生存，令一個世紀前的文明社會驚嘆著迷。
現在進出這塊大陸比較方便了，但還是很不容易，訪客主要限於來自世界各地的小支科學家團隊，以及每年都會去南極洲的一群學者和探險家。為了更瞭解地球的天氣與氣候系統，他們去查訪地球最原始、最純淨的地方，或是去仰望那裡清澈的天空，以便深入探究宇宙的歷史。在12月到翌年2月這段夏季月份期間，僅有的其他旅客是達官貴人、補給船隊、荷包充裕的遊客，這些有錢遊客只能在安全距離以外看看海岸線，情況允許的話，偶爾可以冒險在冰面上走一走。
我來到這冰世界（The Ice）探險，乃是一支私人科學考察隊的部分行程，追隨偉大的英裔澳洲探險家暨地質學家莫森留下的足跡。1908年，他和夏克頓首度遠征南極大陸，到了1912年，他又想辦法籌錢率領自己的探險隊，那時他尚未滿三十歲。他常有創新之舉，他是第一個開飛機到南極的人，也是第一個在南極設置、使用無線通訊設備發送訊息回家的人。莫森插著澳洲的旗幟航行；在這塊冰封大陸上，澳洲宣稱擁有主權的領土，大多可追溯至莫森在1912年及1929年的遠征。
下午兩點，我們的船響起單調的汽笛長聲，從紐西蘭布拉夫港（Port Bluff）的碼頭朝後方移動。我們背後的海港，在兩片狹長的綠地中間綿延好幾公里。一道懸崖出現在我們的右舷側遠處，那是福沃海峽（Foveaux Strait）起點的地標。地標以外及地平線上，鋪展著廣大南冰洋的滾滾波滔。
船一拉上船錨，便開始同時在三維方向移動。很玄的是，這是一種心知肚明的感覺，而不是我看見了什麼，但我感覺得到，腳下的堅實地板變得不太平穩。我感到微微的不舒服，保持平衡有點困難。我把這種奇怪的感覺先拋在腦後，走到船上的瞭望甲板，位置就在船橋的正上方，幾十名考察隊隊員早已在那裡圍著弧形船頭排排站。我們第一次互相報上姓名，握手、歡呼、拍照。有些人拚命用手機發簡訊，試著以無線電波發出最後一次訊號，因為接下來這一個月，誰也收不到訊號，得利用最後這幾格收訊，跟親朋好友道別。
等到船通過懸崖，我們已經搖晃了大半個鐘頭。陸地依然安安穩穩的在後方不遠，前方卻是一望無際的蔚藍。在這艘船上，我已經感覺自己好渺小。
然後，開始噁心反胃。暈船不是你控制得了的。早在我準備遠征之前，在我進入船的百里範圍內之前，醫師已經告訴我，這暈船哪，連最有經驗的水手也不放過，令他們動彈不得、無法進食，動不動就想吐。暈船會變得多嚴重、誰會受罪、有什麼好辦法可以應付這種苦頭，全是未知數。

水不肯遵守液體常規
噁心反胃是大腦對「突發陌生事物」的反應，無論你正在嘗試什麼未知的新事物，這種反應會阻止你做這件事情，免得你惹出了麻煩。當大腦懷疑有什麼事情不對勁，當它的各種感知互相對應不上，而且沒有時間調適，它就會用它唯一知道的方式，來奪取身體的控制權。噁心反胃總是與「悖離已知事物」有關，所謂「已知事物」，比方說：腳底下穩穩的地面便是。當最熟悉的事物竟然變得令人震驚又陌生，這種不安更是倍增。我們的主角——水，也正是「已知事物」之一。
地球上的物質中，唯有水的化學式已成為我們的口語。然而，H2O的簡單性，掩蓋了其化學作用的複雜性。「在所有已知的液體中，」化學家法蘭克斯（Felix Franks）寫道：「水可能是人們研究最多、卻瞭解最少的。」
如果這句話現在聽起來很奇怪，那你就有伴了。水這麼普遍、這麼常見，以致簡直有點無聊。把水想得太深入，似乎毫無意義，浪費的時間還不如拿來解決其他的謎團。但這種物質背後潛藏著陰影，那游移不定的黑暗，把任何膽敢端詳過久的人都難倒了。
「研究液體的科學家不太多，」科學家兼作家鮑爾（Philip Ball）寫道：「但我曾經是其中之一，而且我們往往會避開水。這可能讓我們聽起來像是討厭麵包的麵包師傅，但我們有個簡單的原因：水違反所有的規則。自十九世紀末以來，我們已經費盡苦心發展出一套很完美的『液體理論』，令人驚訝的是，這套理論用來解釋什麼是液體、液體做了哪些事，完全沒問題。但是用來理解水，它卻沒有多大的用處。」
每次你把冰塊丟進飲料裡，那種怪異便顯而易見（雖然在你看來可能不覺得怪）。很難理解那樣有什麼不對，一切只因我們太習以為常了。但請你仔細想一想，若在你面前的是一個固體，浮在本身的液體上：固態的蠟不會浮在融化的蠟上；固態的奶油不會浮在熱鍋裡融化的奶油上；石頭不會浮在火山噴出的岩漿上。當液體冷卻、開始凝固時，它的大小會收縮，固體部分應該會落到任何仍存在的液體底部。
相反的，冰卻會浮起來，因為水結冰時做了一件怪事：它會膨脹。曾試圖把一瓶香檳放進冷凍庫迅速冷卻、不小心放過夜的人，很快就能證實，這種膨脹的力量很強，強到足以使玻璃碎裂。在寒冷的冬天，水結冰也可能使水管爆裂；滲進建築物裂縫的水，可能會結冰，弄破牆壁。這類小事似乎微不足道，令人好奇而已。水的這項異常行為，只不過是這種物質不肯遵守液體常規的一大堆獨特行為之一，卻塑造了我們的行星、以及出現在這顆行星上的所有生命。
歷經凍結與融化的千古循環，水滲入巨大的石塊、分裂這些石頭，又把它們分解成土壤。冰浮在我們的飲料上，同時也浮在我們的海洋、河川、湖泊上。海冰和閃閃發光的冰山，在極地海域附近很常見；離我們住的溫帶地方近一點，冬季結冰的湖泊也很常見。在那些結冰的湖泊和河流上，冰不僅僅是裝飾表面而已；它隔絕了底下的水，使水溫保持在冰點以上幾度，最重要的是，它使底下的水保持液態，即使是在最嚴寒的冬天。
水在攝氏四度時，密度最大，這個溫度的液態水都會沉到湖底或河底。由於水體的凍結是由上往下（而不是由下往上），魚類、植物和水中的其他生物，幾乎總是有地方可以活著度過連年的冬季，而且能夠成長、繁衍。
以地質時間來看，儘管地球曾經處於接連不斷的冰河期，但水的這種怪異行為，使複雜生命得以倖存和演化。假使水的行為像是正常的液體，那麼在嚴寒時期，大地上的河川湖泊與海洋，全然冰凍成為固態，脆弱的生命形式恐怕早已滅絕。

水的行為實在太奇特了
水的奇特行為中，「浮冰」只不過是最基本的。1963年，當時彭巴（Erasto B. Mpemba）還是坦尚尼亞麻干巴中學的高三學生，他發現水的某種現象非常奇怪，至今沒有人能夠解釋。
彭巴和班上的其他同學常常製作冰淇淋：煮沸牛奶、加入糖，等混合液冷卻到室溫，放進冷凍庫。不過，冷凍庫的空間不太夠，這些小男生總是急著把冰淇淋混合液放進冷凍庫。有一天，彭巴正在煮沸牛奶時，看見另一個男生為了趕快把自己的混合液放進冷凍庫，一開始就用冷牛奶。彭巴知道，如果他等自己的冰淇淋混合液冷卻、再放進冷凍庫，就會沒有空間了。於是他冒著損壞冰箱的風險，把他的熱冰淇淋混合液放進冷凍庫，放在他朋友的冷混合液旁邊。過了一個半小時，他們回來查看自己的冰淇淋，結果發現很詭異的事情：彭巴的混合液已經凍結成冰淇淋，其他人的混合液卻依然只是濃稠的液體。
彭巴效應（因為是彭巴發現的）觀察到的是：當熱水和冷水放在同樣的零下狀態時，熱水結冰比冷水快。儘管遭到老師的嘲笑，但彭巴並不是唯一注意到水的這種奇特效應的人；亞里斯多德、培根、笛卡兒都曾經寫到這件事。彭巴進一步研究自己的發現，在鄰近的坦加（Tanga）小鎮，他看到當地的冰淇淋商家也是用同樣的方法來製作冰淇淋（也就是彭巴在學校的意外之舉：把熱牛奶直接放進冷凍庫），因為他們知道那樣會比較快凍結。
什麼原因造成彭巴效應，並沒有任何確切的答案。有可能是因為熱牛奶的表面蒸發，帶走熱量以及一些水，使體積變小、溫度下降，因此凍結得比較快。另一種想法是，較熱的牛奶含有較少的溶解氣體，通常這些氣體算是雜質，會降低液體的冰點。
第三種可能的解釋與「過冷」（supercooling）有關。如果把水冷卻至公認的冰點（一大氣壓下的攝氏零度），除非液體中有些地方存在冰晶「首先發難」並且開始成長，才會形成冰。舉例來說，這些開始結冰的地方可能是氣泡、或是容器表面的粗糙部分。如果沒有這些地方、而溫度繼續下降，水可能會變成過冷，在溫度遠低於預期的冰點時，仍然維持液態。但是過冷水並非完全穩定，如果水裡面開始以某種方式成核（nucleation），就會瞬間結冰。（反過來也是一樣的道理，地表上的過熱水，在溫度遠高於普通沸點攝氏一百度時，也可能維持液態。）

水有獨特的「黏性」
我們目前為止碰到的許多異常行為，均可追溯至一種耐人尋味的能力：水分子必須暫時附著在某個東西上，特別是附著在彼此身上。這種「黏性」不僅可以解釋冰浮在水上、以及水對應溫度的怪異表現，也是瞭解水何以成為生命的介質、比任何事物都重要的關鍵。
從宏觀層面來看，水的黏性使水具有很強的表面張力。昆蟲利用水的這種特性來滑越池塘表面，牠們的質量很小，小到足以避免突破水的表面——也就是「水分子在水的邊界處緊密束縛在一起」而構成的表面。同樣的黏性意味著，藉由毛細作用（capillarity），水分子可輕易將彼此從空的細孔及脈管拉上來，這種能力讓液體可在沒有外力（或往往與外力方向相反，例如重力）作用的情況下，在非常窄的管道中流動。這正是水這麼容易被衛生紙或海綿吸上來的原因；這也是植物把水從地底深處吸上來的方法，以便滋潤在陽光下生長的枝葉。
再從日常生活層面來看，水的黏性對我們超級有用，因為它使液態水變得非常不可壓縮。舉例來說，把柳橙汁從包裝盒擠出來，或是把水泵送到房子的水路管線、透過水管來撲滅火災、或給花園澆水，這些事情能辦得到，是因為在定量液態水的一側施加壓力，便可輕易使水流動。假如水較容易被壓縮（或是和其他液體一樣容易被壓縮），大量運送我們現代生活所需要的水，就會很昂貴而且很困難。（順帶一提，液體是不可壓縮的，這聽起來或許不怎麼反常，但水的境界更是不同凡響：即使在深達一千六百公尺的海裡，海水的體積只會被壓縮1%左右。）