恭喜你已经发现了生命出现的秘密之一：

水在零度以下不一定会结冰

温度低于0℃但仍然保持液态的水叫做过冷水。

这个时候你只要拿起矿泉水猛地摇一摇它就会结冰：

反直觉的是，纯水并不容易结冰，事实上，在零下15度时，你要一杯纯水自发结冰可能要从大爆炸开始等待！！

水在0-4℃的反常膨胀和过冷水存在，能让大多数鱼安然度过冬天。

让我们先从一个视频开始，一窥这个自然界的奇迹吧：

视频中的小姐姐把金鱼养在办公室，此时室温已经零下，但是水并没有结冰，当她准备用滴管清理金鱼的粪便的时候，地狱的事情发生了，水桶迅速结冰，然后金鱼就冻住了。

这条鱼能多活几天完全要感谢自然选择，让大多数鱼都是不会放屁的，它但凡在小姐姐不上班的时候蹦个P出来，它早就冻死了。

为什么会发生这样的事情呢？

先从结冰这件事情说起吧。

通常我们说水有三态：

固态：0℃以下，形成固体的冰。

液态：当温度在0℃到100℃之间时，可以流动，称为液态水。液态水具有流动性，且具有较高的表面张力。

气态：当水温超过100℃，变为水蒸气。

但是这个温度界限并不是绝对的。

因为我国很多地方冬天温度都有零下的时候，如果所有的水都在零度以下马上结冰的话，可能我国除了海南、云南等少数几个地方，大多数鱼都得在冬天挂掉。

这里你会突然发现，原来结冰并不是这么容易的事情啊！

那确实，对于纯水来说，在非常光滑的容器里面，实验室条件下可在-48℃的时候不结冰，而一般来说，在零下20度时，在光滑的容器里，想要纯水自发结冰，可能需要1秒

但是零下15度时，想要纯水自发结冰，可能需要等大爆炸到今天那么长的时间。

而在零下5度时，你可能要等上宇宙年龄的10²⁰倍！

水为什么会结冰？

我们先来复习一下最小吉布斯自由能原理：

在等温、等压的封闭体系内，倘若非体积功为零，则任何自发过程的吉布斯自由能总是减小的（∆G＜0）。

也就是说自发的反应总是朝着朝吉布斯自由能减小的方向进行。

虽然冰的自由能比水的小，理论上来说结冰是自发的物理过程。

但是！还有界面能这个守门人等在水变冰的前进之路上。

刚开始的水分子想要结冰异常困难，因为形成冰核的时候要克服界面能。

也就是说，纯水结冰的时候自由能是先增大后减小的：

总自由能ΔG = 表面自由能γ·4πr² - 体积自由能Δg·(4/3)πr³

在0℃以下，水分子需要找到合适的冰核，才能开启结晶的连锁反应。

如果是没有任何外界冰核的情况下，也没有外力作用（对矿泉水瓶摇一摇水分子就能迅速找到组织，结成冰核），就需要水分子靠无规则运动形成冰核，并且达到临界成核半径以后，后面的冰核才会自发形成，水才能自发结成冰。

这个临界成核半径就像是推到的多米诺骨牌，一旦倒下，反应就摧枯拉朽地进行。

零下的时候本来水的无规则运动就变慢，所以自发组成冰核就跟宇宙形成时的量子涨落一样随机，时间也就长了。

这是自发成核时间核和温度的关系，可以看出在-20°C以下的时候，这个时间相当长

正是因为纯净水中缺乏这样的"启动机关"，导致分子们陷入纠结：明明知道集体结冰能量更低更稳定，却苦于找不到组织方式。

但是现实生活中水想找到冰核还是挺容易的：灰尘、气泡、容器划痕、粗糙表面（提供更多成核位点（如微小凹陷或凸起））以及外部搅动等。

越光滑的容器表面越难结冰也是这个道理*1：

这是实验室条件下几种材料变结冰的温度，都低于-5°C

当然有时候为了快速结冰，水和我们也会使用一些作弊器：

1. 二氧化硅微粒：直径10微米的灰尘就能提供现成的结晶模板（也就是灰尘）
2. 纤维素纤维：来自木材的天然冰核，效率比纯水高10¹⁵倍（水里的微小木渣）
3. 银碘化物：人工降雨使用的"冰晶催化剂"，能在-4℃就启动结晶

比如人工降雨用的银碘化物，能提供快速结冰的冰核，一度被认为是最强大的成核物质。

科学家也发现一些细菌似乎也是非常强大的成核机制*2。

所以回到视频开头的金鱼：

虽然鱼在过冷水里非常小心地维持着平衡，但是如果它不小心伸出头然后再潜入水中就会带入气泡，它就会冻死。滴管也是同样的道理，不但因为滴管搅动了水，而且滴管还带来了气泡，导致过冷水能迅速成核。

另外，有容易成核的机制，就有阻止水成核的机制（阻止结冰），只要能够阻止冰核形成，就能让水在零下的时候不结冰。

比如生物体内的防冻蛋白（AFP）就阻碍了冰的晶核生长，或抑制冰的重结晶。

它们首先是在生活在极地水中的鱼类中发现的，然后在许多其他生物体中，从细菌到真菌，植物，昆虫等。

这些机制能保证这些生物在零下一定温度范围内，体内的水不结冰。

一些林蛙可在零下十几度越冬

那么自然界里的大型水体又是如何呢？

加拿大Superior湖曾记录-1.3°C的过冷水持续48小时未冻结。

自然水体含盐分、有机物等，会降低冰点（每千克海水盐度增加1‰，冰点下降约0.054°C）。淡水湖的冰点降低幅度较小（约-0.05°C），虽然降低不多，但是加上湍流可能破坏晶核聚集、水体内的杂质较少、有风（开放水体表面接触冷空气时，优先在表层形成冰晶（如霜或薄冰层）。但若风速较高或水温分层（如深湖底部较暖），表层冰层可能融化或无法扩展）等原因，实际上可能会出现充满-1°C过冷水的湖。

这别看这一度的差距，就可能保持很多地区的湖不结冰。

另外，水还有个最重要的特质为生命保驾护航：

反常膨胀：

与大多数物质随温度升高体积增大（密度减小）的常规行为相反，水在0°C到4°C的温度范围内表现出的体积随温度升高而减小。

这种特性是由于水分子结构中的氢键作用所致。在液态水中，水分子通过氢键相互连接，形成动态的簇团结构。当温度从0°C升高到4°C时，氢键的断裂速度超过了分子热运动导致的体积膨胀，使得水的密度增加，体积减小。相反，当温度降至0°C以下时，氢键开始形成稳定的晶体结构，导致水体积膨胀，冰的密度小于液态水。

这一特性对水生动物的冬季生存至关重要，因为：

1. 保护水底生物：当气温下降时，水面首先结冰，形成一层隔热的冰盖。由于冰的密度小于水，它不会沉到底部，而是漂浮在水面上。这样，水底的温度得以保持在4°C左右，为水生生物提供了相对稳定的生存环境。
2. 防止冻结伤害：一般来说，同一种物质的固体密度比液体大。但水的反常膨胀特性意味着冰层形成时体积增大，密度反倒比水小，所以水在结冰时不会沉底，会浮在表面，并不压迫下方的水体，避免了对水生生物栖息地的破坏。

另外刚才提到了，海水因为含盐量较高，所以结冰的温度比淡水更低。

如果给海水提供一个冰核形成机制会怎样？

当然我们不能直接端起北冰洋摇一摇，但是有其他的办法，比如：

死亡冰柱：

BBC《冰冻星球》第五集

当气温降至-20℃以下时（如南极冬季），海水表面结冰。与淡水冰不同，海水结冰时盐分被排出，形成蜂窝状孔隙结构（孔隙度约20%），内部残留高浓度盐水（盐度可达120-156‰，远高于海水平均盐度34.7‰）。析出的浓盐水因密度增大（1.13-1.25 g/cm³）开始下沉，形成过冷盐水羽流（温度低于-1.8℃但仍保持液态）。

下沉的过冷盐水与周围海水接触时，通过热传导使海水温度骤降至冰点以下，形成管状冰壁包裹盐水流（类似倒置的“冰烟囱”）。冰柱以慢速（约30 cm/h）向海底延伸，其管壁厚度随温度降低逐渐增厚（-12℃时管壁可达10 cm）。

若海水平静且深度较浅（如BBC拍摄的南极罗斯群岛附近海域），冰柱可触达海底并扩散成冰网。

这是人类第一次拍摄到的死亡冰柱。

这种死亡冰柱往往会对海底生物造成灾难性后果。

冰柱触及海底后，扩散的低温盐水（-2℃至-5℃）迅速冻结行动缓慢的生物，如海星、海胆和海绵。例如，南极小雷泽贝克岛附近观测到冰柱在6小时内冻结直径5米区域内的所有底栖生物。

形成“死亡黑池”：冻结区域残留高盐卤水池（盐度>200‰），池内堆积生物遗骸，局部生态需数十年恢复。

（不过西班牙和意大利研究推测，早期地球类似环境可能通过冰柱-热液喷口交互促进生命起源。）

所以我们由此可以看出，生命的存在真是一系列巨大的巧合构成的，从宇宙开端的各种参数便是如此：

比如，精细结构常数α：α = e²/(4πε₀ħc) ，若它发生改变，电磁相互作用强度随之变化，直接影响恒星核合成与元素丰度。

又比如早期宇宙物质密度涨落幅度约为10⁻⁵。涨落幅度若过大，物质会过早坍缩形成超大黑洞；若过小，引力不足以聚集物质形成恒星和星系，演化出生命所需的星系。

又比如我们今天说的水，若氢键能微微增强，水在常温下可能呈固态或气态，失去溶剂功能。

又比如普朗克常数ħ微小变化，隧穿概率指数级改变，导致能量代谢中断（酶催化反应：依赖量子隧穿效应（如线粒体电子传递链））。

所以生命能够存在并发展出数以万计的物种真是个奇迹。

另外还有个有趣的现象，有过冷水就有过热水，也就是那些超过100℃但是没有沸腾的水，而且我们在家里就可以做出来：

用微波炉加热几分钟的水，虽然表面风平浪静，但是只要给予它非常轻微的扰动，或者加入茶或者咖啡等杂质，就会发生剧烈的沸腾。

每年都有人因此烫伤，所以大家尽量不要用微波炉加热白开水。

这是因为过热水跟过冷水一样，也是缺乏气泡等成核机制。

微波炉加热的水因为是电磁波加热，水是均匀受热的，而烧开水是从底部加热，有对流，就会有气泡从底部往上，导致水沸腾。

水结冰需要结晶核，水沸腾也需要汽化核。

一般来说水中的微小气泡或容器壁表面的微小气泡等都能作为汽化核，但是让纯水自发形成汽化核确是不容易的事情，原理跟刚才冰核的形成一样，因为水沸腾的时候，自由能也是先增大后减小：

以上~