水是一种大家司空见惯的物质，但对科学家而言，水可以说是自然界最复杂的物质之一。到目前为止，仍然需要更多的科学研究去探索水的性质，所以水对于我们来说是一个非常陌生的世界。水有很多非常奇怪的性质，比如说，大部分物质从液体变成固体的时候，它的体积会减小。但是水结成冰的时候，它的体积反而会变大，密度会减小，而且在4℃的时候密度最大。这个现象跟大家的常识是相反的。
此外，如果我们来做一个实验，把一瓶热水和一瓶冷水同时放进冰箱，你会发现热水比冷水更快结冰。这也是非常奇怪的现象。
水是由水分子构成的，水分子长什么样呢？其实水分子很简单，就是两个氢加上一个氧，形成了一个简单的三原子的分子。但是，四年前我们在《科学》杂志上发表的一篇文章中提到，水的结构其实并不是这么简单，水具有一些量子效应。
在经典的图像中，简单的水就是两个氢和一个氧，即使给它加热、加一些扰动，它还是这种构型。但是，如果用更精确的手段分析，我们会发现氢原子在空间中有一定的位置涨落，也就是说它没有确定的位置，而是有一些概率上的分布。氢原子的空间涨落现象会对水的结构和性质产生非常大的影响，包括氢键相互作用，从而使水展现出一些非常反常的特性。
水的量子效应对我们体内的很多化学反应可能根本就不会发生，或者说至少会减慢1000倍以上。所以，如果没有水的量子效应，我们人可能就不存在，所有的生物也会不存在。在我们这个工作出来之后，有很多商家推出了一些“量子水”，据说是对我们健康有益的一种水。但是我要说的是，此量子可能非彼量子，大家手里拿的每一瓶水可以说都是量子水，因为量子效应是水本身的一种属性，所以这是一个概念炒作现象。
水和水之间存在着一种相互作用，这种相互作用叫氢键。水里面的氧带负电、氢带正电，把水分子放在一块的时候，带正电的氢和带负电的氧会产生相互吸引作用，这个相互吸引作用就是氢键。好比把一个水分子当作是一个人，就像人和人手拉手，就变成了水的网络结构。氢键有很多很奇怪的特性。比如，它有协同性，如果我和另一个人的牵手状态发生变化，那么会影响周围一堆人的状态也发生变化。氢键还有灵活性。
如果我把手放开，那么我会很容易地和另外一个人牵手，所以它有一个非常奇怪、非常灵活的特性。
水的三种物相大家都熟知，在低温的时候它是固体、是冰相，冰相里面的水分子都规规矩矩地排在自己的位置上，形成一个规则的、有序的网络结构。如果把冰稍微升高一点温度，它就会融化，融化之后这些水分子就待不住了，会跑到别的地方去，甚至还会跑到间隙位置，所以就变成无序的液态结构。
在液态的情况下，水分子是没有任何规律、没有任何周期性、完全无序的状态。如果再进一步升温，水分子和水分子之间就会逐渐远离，它的键会被打断，最后变成没有任何相互作用的气态。
为了看到水分子，我们不能用大家常见的光学显微镜，因为它的分辨率远远不够，所以这里要介绍一下扫描隧道显微镜，简称是STM。
扫描隧道显微镜由两位瑞士的科学家Bining和Rohrer在1981年发明，他们因此获得了1986年的诺贝尔物理学奖。他们用这个显微镜可以看到表面的原子结构，这在当时来说是非常了不起的一个成就。为什么STM能看到原子？当然不是用眼睛直接去看，更形象地说应该是感知原子，像盲人摸象一样去摸原子。
真实的情况下，我们并不是拿手去摸原子，而是拿一根非常细、非常尖锐的针尖去靠近原子，当针尖和原子靠得足够近的时候，两者之间会有非常局域的隧道电流产生。
水的量子效应对我们体内的很多化学反应可能根本就不会发生，或者说至少会减慢1000倍以上。所以，如果没有水的量子效应，我们人可能就不存在，所有的生物也会不存在。在我们这个工作出来之后，有很多商家推出了一些“量子水”，据说是对我们健康有益的一种水。但是我要说的是，此量子可能非彼量子，大家手里拿的每一瓶水可以说都是量子水，因为量子效应是水本身的一种属性，所以这是一个概念炒作现象。