⽔是世界上最普通的，也是最反常的物质。我们这个世界有很多“怪异”的东⻄，⽐如量⼦、⿊洞、暗物质、暗能量、宇宙起源，等等。这些东⻄离我们的⽇常⽣活有点远，不过，⽇常⽣活中也有与这些东⻄同样怪异的东⻄，那就是⽔。司空⻅惯的⽔在科学上却是最怪异的液体。有科学家列举出⽔⾄少有66种反常性质。这些怪异的性质⾥，很多体现在专⻔的科学实验⾥，也有⼀些性质可以轻松表现出来。
把⼀块冰——固态的⽔——扔进冷液态⽔⾥，你会发现，冰会浮在⽔⾯上，因为冰的密度⼩于液态⽔。这就是怪事⼀桩，⼀般液体凝聚为固体，密度增⼤，因为原⼦或分⼦在固体中的排列⽐在液体中更紧密。湖⾯正在结冰的时候，⽤温度计测⼀下各深度处⽔的温度，⽔⾯处温度为0℃，⽽湖底部温度为4℃，这是因为⽔在4℃时密度最⼤。
液态⽔的密度⼤于冰，且冰点时其密度⼩于温度稍⾼时的密度，否则，湖泊和河流会从下往上结冰，⽔中⽣物将难以存活。这对⽣命有重要意义，更不⽤说它们挺过历史上多次漫⻓的冰期。另⼀⽅⾯，让⽔升⾼⼀定温度，需要吸收的热⽐⼀般液体出奇得⾼，常下厨房的读者都有⽣活经验，油的升温要⽐⽔快。⽔吸热能⼒强，这也有意义——如果吸热能⼒很差，⽓候稍有变化，⽣态系统将遭受灭顶之灾。⽔为什么⾏为怪异？
科学家思考问题，⼀般秉持还原主义思维，物质性质源⾃物质的结构。那么，⽔是什么样的结构呢？故事追溯⾄1976年。美国普度⼤学的奥斯汀·安吉尔和罗宾·斯⽪迪将⽔降温，想看看⽔能降到多低的温度。你可能会问，降低到0℃不就结冰了吗？不⼀定，如果容器内⾮常洁净，⽔⾮常平静，在0℃以下仍会保持液体状态，这叫“过冷⽔”。安吉尔和斯⽪迪发现⼀些奇怪的现象：温度越低，过冷⽔的密度分布愈发不均匀。
常理来说，温度越低，⽔的密度应该越均匀。⽔⾥⾯发⽣了什么事情？限于当时的实验条件，⽆法观测得更细致。1992年，美国波⼠顿⼤学的彼得·普尔和吉恩·斯坦利对⽔进⾏了计算机模拟研究，重现了实验中类似的现象。更重要的是，计算机模拟可以计算体系的各种性质，甚⾄分⼦的具体运动情况。普尔和斯坦利根据他们的计算机模拟结果，看出过冷⽔的⾏为其实和普通⽔变成⽔蒸⽓的情况很类似。
普通⽔在⼀些特殊条件下，密度分布也会变得极端不均匀。⽔的结构是⽔分⼦之间的相互作⽤决定的。⽔分⼦由两个氢原⼦和⼀个氧原⼦组成，两个氢原⼦分别与氧原⼦紧密结合在⼀起，形成V字型结构，它们之间的结合⽅式化学家称之为“共价键”。⽔分⼦整体是电中性的，但在分⼦内部，电量分布是不均匀的，氧原⼦略带负电，⽽两个氢原⼦略带正电。
当⼀个⽔分⼦中的氧原⼦和另⼀个⽔分⼦中的氢原⼦靠近时，两个⽔分⼦之间就会产⽣吸引作⽤，这种作⽤化学家称为“氢键”。氢键要⽐共价键弱得多，很容易被破坏。有⼈形象地说：“氢键相当于两个⼈⼿拉⼿，可以拉也可以分。共价键连接的是你⾃⼰的⼿和脚，不能分开。”尼尔松根据他们的实验结果，提出⽔分⼦在氢键的影响下，可以有两种排列⽅式，按四⾯体有序排列或随机⽆序排列，分别组成低密度⽔和⾼密度⽔。
以上理论可以解释⽔的诸多反常性质，下⾯略举⼏例。冰的密度⽐⽔⼩。冰中的⽔分⼦排列⽅式与低密度⽔中⽔分⼦排列⽅式相同，即四⾯体结构，⽽⽔中还有⽆序结构的⾼密度⽔，因此，⽔的平均密度⼤于冰的密度。⽔在4℃时密度最⼤。在0°C时，⽔分⼦更多地处于四⾯体结构的有序相，即低密度⽔占优势。极端情况下，如果完全没有⽆序的⾼密度⽔，液态⽔就结成冰了。
温度升⾼，分⼦⽆规则的热运动就越剧烈，有序结构就越少，⾼密度⽔越占优势，即⽔的密度升⾼。但当温度达到4°C以上时，分⼦热运动使⽔分⼦间距随温度升⾼⽽增⼤，⽔的密度因⽽降低。