如果請你用一個詞來描述自然界，你會用什么詞呢？

我想絕大多數人都會用“奧秘”來形容。確實，對目前的人類來說，我們對自然界還是知之甚少，自然界對人類充滿了不確定、不可知等因素，所以既神奇又奧秘。

以水的密度為例。

“熱脹冷縮”幾乎是自然界中的普遍規(guī)律，但是如果液體的水也完全遵循“熱脹冷縮”的規(guī)律，后果會怎么樣呢？

如果液態(tài)水從0℃～100℃之間都是遵循“熱脹冷縮”的規(guī)律，則0℃的水的密度最大。在北方的冬天，氣溫可下降到零下幾十攝氏度。此時湖面已經結冰，在水與冰的交界處，正處于“冰水混合物”狀態(tài)，液態(tài)水的溫度為0℃，如果0℃水的密度大于4℃，那么0℃的湖水就下沉，湖內的液態(tài)水形成對流，很快整個湖水就都變成0℃了，并很快結冰，這樣湖中的水生動物不能自主游動，從而無法覓食和活動，最終全部死亡。

但現實中并沒有發(fā)生如此的悲慘場面，這都是因為自然“獨賜”的水的反?，F象，即水在0℃～4℃時，不是“熱脹冷縮”，而是“熱縮冷脹”，即水在4℃時的密度最大。這樣，冬天來了，即便湖面溫度降為0℃以下，湖底的水溫還是4℃，0℃的水的密度比4℃水的密度小，湖內不能形成對流，保證了湖底的水保持4℃，湖內水處于液態(tài)，湖中的動物能自由覓食與生活。

這樣看來，似乎水在0℃～4℃時的反常膨脹現象就是為水生生物安全過冬而“特殊”準備的，這是自然界的一種“特例”，是一次“走后門”行為，而正是這種行為，消除了外界環(huán)境對水中生物的不利影響。

為什么有這樣的“特例”？這似乎是個終極問題，自然科學很少涉及終極問題的討論，畢竟這是哲學或宗教所考慮的對象，而非自然科學的使命。但自然科學自有它自己的邏輯解釋。

當物質種類確定時，影響物質的密度就只能是構成物質的分子（微粒）之間的平均間距了。一般說來，物質處于氣態(tài)時，分子之間的間距最大，液態(tài)次之，固態(tài)最小；相應地，密度是固態(tài)最大，液態(tài)次之，氣態(tài)最小。而對于同種物質同種狀態(tài)來說，一般因為“熱脹冷縮”，溫度升高后，構成物質間的分子距離會變大，所以密度變小。但也有相反的情況。

水是由水分子構成的，水分子有些是單個存在的，有些是多個組合在一起以締合水分子的形式存在的。當水分子締合后形成締合水分子，水分子之間的平均距離就變大。所以水的密度受到水中締合水分子的數量和未締合的單個水分子的數量影響。而水分子是否締合，則會受到溫度的影響。這樣看來，水的密度是由水分子的締合作用、水分子的熱運動這兩個因素決定的。當溫度升高時，水分子的熱運動加快，水分子的締合作用減弱；當溫度降低時，水分子的熱運動減慢，締合作用加強。

當然，對水分子來說，還要考慮水分子的構成。每個水分子是由兩個氫原子和一個氧原子鍵合而成的，氫原子和氧原子之間的鍵叫氫鍵（屬于共價鍵）。由于氫鍵具有一定的方向性，因此在單個水分子組合為締合水分子后，水的結構發(fā)生了變化，體現為締合水分子中的各分子排列有序，同時各分子間的距離變大了。在水溫升高的過程中，單個水分子在水中的比例逐漸加大，水分子的密集程度逐漸加大，水的密度也隨之增加。但同時，隨著溫度的升高，水分子的運動速率加快，水分子間的平均距離變大，密度減小。

這樣，溫度變化時就要綜合考慮上述兩種相反情況對水的密度的影響。

在水溫由0℃升至4℃的過程中，締合水分子氫鍵斷裂，造成水密度增大，同時水分子熱運動速率加快會使水密度減小，兩者相比，前者的作用更大。這樣，水的密度隨溫度的升高而變大，呈現“熱縮冷脹”的現象。而當水溫超過4℃時，締合水分子中的氫鍵也斷裂，水分子的運動速率也加快，但此時水中締合數大的締合水分子數目比較小，氫鍵斷裂所造成的水密度增加的影響較小，水密度的變化主要受分子熱運動速率加快的影響，所以水的密度隨溫度升高而減小，即呈現“熱脹冷縮”的現象。

在4℃時，水中締合水分子的比例最大，水分子的間距最小，水的密度最大。也就是說，4℃的液態(tài)水是個特殊的狀態(tài)，因為不管升溫還是降溫，水的密度都變小。而最特殊的是，在4℃時，水的密度為1g/cm3，也就是說，取4℃的水1立方厘米（1毫升），它的質量就是1克。