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多少個水分子才能叫一滴水 一滴水多少毫升

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多少個水分子 ， 才能叫一滴水？新研究認為 ， 至少要21個 。少一個 ， 都不能叫水滴 。

多少個水分子才能叫一滴水 一滴水多少毫升

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圖：來自網絡
如果有一堆沙土 ， 拿走一粒沙子 ， 剩余的還是一堆沙土；可是如果一直不停地拿走 ， 到最后只剩下一粒沙子時 ， 它還是一堆沙土嗎？這是古希臘哲學家歐布里德在公元前4世紀提出的沙堆悖論 。同樣的問題也可以用來追問我們的生命之源——水 。
一滴水大約為0.05毫升 ， 約10萬億億個水分子 。半滴水0.025毫升 ， 5萬億億個水分子 。那么 ， 半滴水還算一個水滴么？如果半滴水算 ， 那半滴水的半滴呢？如此細分下去 ， 終點將是一個水分子 。那么 ， 一個水分子能算是一滴水么？如果不算 ， 那最少要多少個水分子才可稱為一滴水？
2020年12月 ， 發表在英國皇家化學會旗艦期刊《化學科學》上的一項研究 ， 報告了答案：米蘭理工大學的科學家發現 ， 21個水分子組成的分子團 ， 與宏觀的一滴水的光譜基本吻合 。也就是說 ， 最少需要21個水分子才可以組成一滴水 。
水分子到水滴 ， 微觀到宏觀的質變
我們的世界充斥著從“量變到質變”涌現出的特性：
有序排列的碳原子個數逐漸增加 ， 最終變為晶瑩剔透的鉆石 ， 其超高的硬度并非碳原子自身的特性 ， 而是大量碳原子的集體行為 。一粒面粉不軟也不硬 ， 但許多面粉就可以被做成煎餅、面包、面條、饅頭等 ， 這些食物的特性并非由一粒面粉決定 ， 而是大量面粉的集體行為 。每個隊員球技看似都湊合 ， 整個足球隊卻可以輸掉每場比賽 ， 似乎沒有人應該對輸掉比賽負責 ， 但11個人的整體就具備了易輸特性 。
與此類似 ， 水具有優秀的溶解能力、極高的比熱容、適宜的粘度 ， 這些都不是單個水分子帶來的特性 ， 而是眾多水分子聚集而成的“一滴水”才具有的性質 。那么 ， 最少需要多少個水分子才能被視為一滴水呢？
我們不妨從一個水分子的視角 ， 來思考這個問題：假設在一滴水中隨機挑選一個水分子 ， 我們叫它W 。盡管0.05毫升的一滴水中大約有10^21個水分子 ， 但真正圍繞在W周圍的水分子并不多 。

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我們隨機挑選的水分子 ， 主角W 。| 圖蟲創意
我們偷偷把W轉移出來 ， 讓它孤零零 。然后 ， 在其周圍不斷增加水分子 ， 直到W覺得 ， 周圍的水分子似乎跟之前一樣多了 。此時W相信 ， 自己處在一滴水中 。于是W和增加的水分子這個整體 ， 就可以被定義為最小的一滴水 。這一過程被稱為W的溶劑化（Solvation） 。
但W究竟是怎么想的 ， 我們并不知道 。得想個辦法讓W告訴我們 ， 它是不是在一滴水中 。
光譜：讓水分子說話
探測水分子如同認識一個人 ， 一張朋友圈的靜態照片難以給我們太多信息 ， 要實現深入了解 ， 就必須“觀其言而察其行” 。
幸運的是 ， 水分子都是廣場舞大師：每時每刻都處于不斷地運動當中 ， 這被稱為分子振動 。每一種分子振動的能量不同 。我們可以用光譜學方法 ， 來偵測各類振動的頻率 ， 就如同耳朵聽不同頻率的聲音一樣 。
水分子的振動光譜與其周圍的其他水分子密切相關 。這也很好理解 ， 一個人在操場做廣播體操 ， 姿態當然與周圍有其他人時不同 ， 如果邊上還有暗戀對象 ， 則動作可能更顯妖嬈 。
于是 ， 我們可以利用光譜學這一工具來觀察 ， 隨著周圍水分子個數增加 ， W的分子振動如何變化 。當W的分子光譜與宏觀上水滴的光譜一致時 ， 我們也就找到了最小的這滴水 。

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水分子會聚集形成水滴 ， 通過光譜學方法可以揭示 ， 多少個水分子可表現出水的宏觀性質 。｜來自論文
【多少個水分子才能叫一滴水 一滴水多少毫升】不過 ， 我們迄今還沒有掌握在一個水分子周圍精確增加水分子的技術 ， 而且一個水分子的分子光譜信號太弱 ， 根本沒有辦法偵測到 。人類做不到 ， 幸好計算機可以 。通過計算機建立模型 ， 就可以模擬得到在W周圍添加水分子時 ， 它的光譜如何變化 。
化學中對分子的模擬主要有兩個方向 。一個方向是利用量子力學方法模擬系統中每一個分子 ， 包括分子中每一個原子、電子的量子相互作用 ， 計算量巨大 ， 主要用于研究分子的靜態特性 。另一個方向是利用分子動力學方法 ， 將分子想象成是剛性原子用彈簧連接而成 ， 分子之間的作用主要考慮靜電相互作用 ， 計算量小 ， 可以方便模擬分子振動這樣的動態過程 。
W的分子振動自然是動態過程 ， 需要使用分子動力學方法來實現 。另一方面 ， 因為水分子之間是氫鍵相互作用 ， 又不得不同時考慮量子力學效應 。因此 ， 化學家將兩種方法結合 ， 來計算W的光譜信息 。
尋找最小水滴
米蘭理工大學的化學家在對比光譜學計算與實驗測得的光譜后發現 ， 當W周圍有4個水分子（即5個分子組成的團）時 ， 它的外圍已經包裹了一層完整的水分子層 ， 分子光譜也與一滴水的光譜比較接近 ， 但還有一些偏差 。說明僅僅一層水分子的包圍還不能讓W感到安心 。

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4個水分子包圍 W 形成5個水分子的分子團（右） 。它的光譜（綠線）和一滴水的光譜（深藍色陰影）接近 ， 但并未完美吻合（參考峰值位置） 。｜來自論文
他們進一步增加W外圍水分子的個數 ， 發現當有20個水分子 ， 即形成21個水分子的分子團時 ， 計算得到的W分子光譜與實驗值吻合得很好 。這說明W此時已經認為自己真的在一滴水中了 。我們成功找到了最小的這滴水 ， 它由21個水分子組成！

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19、21、23個水分子組成的分子團的光譜 。其中21個水分子的分子團與一滴水的光譜（深藍色陰影）基本吻合 。｜來自論文
之前有商家宣稱 ， 5~8個水分子組成的微小水分子團 ， 具有高滲透力、高擴散力、高溶解力、高含氧量、弱堿性等特點 ， 是更為優質的水 。這當然是偽科學 ， 因為在水中 ， 水分子處于連續變化的氫鍵網絡里 ， 并不存在一個個孤立穩定的“小分子團” 。而且 ， 根據這個新研究 ， 至少要21個水分子才算得上一滴水 。商家的偽科學知識又該更新了 。
跨越時空尺度 ， 溝通微觀與宏觀
從極小到極大 ， 現代科學關注自然各個尺度的現象 。一方面 ， 科學家不斷將研究目標縮小 ， 小到原子核內部的質子、夸克；另一方面 ， 也不斷將研究目標放大 ， 大到整個星系、宇宙 。而在這小和大的中間 ， 存在許多跨尺度的有趣現象 。
比如 ， 21個水分子組成的納米尺度下的一滴水 ， 在一定程度上具備宏觀上一杯水的特征 。又比如 ， 厚度僅為一層碳原子、徑度卻可延展到幾米的石墨烯 ， 具有優異的電學、力學性能 。另比如 ， 電子轉移僅需10^（-12）秒 ， 但電池充電卻需要數小時 。這些跨越時空尺度的問題 ， 溝通了物質的微觀組成與宏觀性質 。

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石墨烯（右）只有薄薄的一層碳原子 ， 表現出和鉆石（左）完全不同的性能 。許多有趣的跨尺度現象 ， 溝通著物質的微觀組成和宏觀性質 。｜Carnegie Science/Wikipedia
而微觀和宏觀的界限在哪里 ， 常常不是那么分明 。比如在一塊晶體中 ， 晶胞可以被認為擁有晶體很多宏觀性質 ， 但多少個-CH2-重復出現才能算一個聚乙烯分子 ， 似乎就很難嚴格定義了 。因為水是生命體系最重要的溶劑 ， 也是很多化學和物理變化的介質 ， 我們找到水分子到宏觀水滴的這個界限 ， 或許可以幫助更好地認知和模擬生命體 ， 理解更多的化學物理過程 。
從今往后 ， 無論是喝下一滴酒 ， 還是流下一滴淚 ， 除了沉浸在一時悲喜中 ， 我們或許還要重新計算一下 ， 它們到底包含多少水滴 ， 噫 ， 悲喜好像都升級了呢 。