一滴脏水，如何把美苏两国耍得团团转

1963年，冯内古特出版了科幻小说《猫的摇篮》（Cat's Cradle）。在小说中，原子弹之父霍尼克博士研发了一种名为“冰九”的特殊物质。这种虚构的冰晶型在室温也能保持冰冻，而且在接触液态水的瞬间能让水也结冰并不断蔓延。在霍尼克死后，三个子女各自拿“冰九”换了点好处：大儿子换了个官位，二女儿换了一桩婚姻，最小的那个，在谈恋爱时把它送给了苏联间谍。后来一次飞行表演事故中，一小块九号水“冰九”掉进了海里，地球上的生物因此尽数消失。在小说的结尾，虚构宗教博科农的创始人写下一句话：“如果我年轻一些，我会写一部人类愚蠢史。”

小说本身具有很浓的讽刺意味。但是谁也没想到，几乎就在这部小说出版的同一时间，现实中出现了一种和“冰九”性质类似的物质。

新的水

1961年，苏联科斯特罗马。这是一个距离莫斯科东北300公里的小城，曾经的亚麻工业中心已然衰落。不过对于科学工作而言，衰落有衰落的好处，这是一个适合做研究的好地方。年轻的尼古拉·费佳金（Федякин, Н.H.）就在这里工作，当整个国家都在热火朝天地把宇航员送入太空的时候，他在研究大自然最神秘的物质——水。

费佳金的工作主要是对水的蒸发速度进行定量。早在19世纪，开尔文勋爵就发现单个水滴蒸发速度比碗中的水还快，而玻璃管中的水蒸发速度更慢。开尔文推测可能是水面的曲率影响了蒸发的速度。费佳金的工作就是验证开尔文的理论，他将纯净水滴放入不同形状的容器中，争取能将这个理论量化出来。

▲50年代苏联宣传画中的化学实验室（dailymail）

在一次实验中，他在直径如发丝的玻璃管中凝结水蒸气，然后将其封口储存。几周后，当费佳金检查玻璃管中的水的时候，发现了一些奇怪的现象：玻璃管中的水竟然分层了！水是纯净水，管子密封前也洗了又洗，根本没有什么干扰条件，哪来分层的可能？费佳金还是觉得可能是自己的实验条件有问题，他把实验条件从头清了一遍，再次进行实验，还是两节！换了溶出物更少影响更小的石英管，还是两节！难不成真在这么简陋的实验条件下发现新成果了？

费佳金于1962年发表了他的研究成果，希望其他人也会觉得他的水很有趣。好在是这篇论文并非和大多数论文一样无人在意，有一个人对他的论文产生了好奇。鲍里斯·杰里亚金（Бори́с Влади́мирович Деря́гин）是现代界面和胶体化学的奠基人之一，与朗道等人共同创立了DLVO理论（杰里亚金-朗道-弗韦-奥弗比克理论）。对于学术地位在苏联已经较高的杰里亚金来说，当务之急是找一个能让自己拿诺奖的成果，费佳金的水研究就这样闯入了他的心窝。杰里亚金把费佳金连人带课题收进了自己的实验室，当年晚些时候，两人联名在《苏联科学院报告》上发表了更详细的实验数据。

▲杰里亚金正在实验室观察（science history）

从1962年到1966年，杰里亚金的团队发表了十余篇论文，他们逐步改进制备方法，把毛细管做得更细、冷凝条件控制得更精确。最终声称测出了反常水的物理参数：冰点在零下40度，沸点在200度往上，密度大约是普通水的1.1到1.2倍，黏度是普通水的15倍。这些性质显然不像是纯水，杰里亚金称此为“改造水”。

虽然物理事实清楚，但是“改造水”的产量仍然是一个很大的问题，每次实验都只能拿到几微克的样本，这意味着任何一点污染都有可能影响测量结果。到了这里应该对此产生怀疑了，杰里亚金的判断是：如果污染物的量是稳定的，那不同批次样品的性质应该乱跑才对。但他手上的样品，测出来的密度和黏度批次之间差得不多，他就这样说服了自己。杰里亚金因此推导出一个更为大胆的结论：改造水是水在热力学上真正稳定的形态。按他们的设想，普通水在毛细管壁的诱导下被改造成了热力学上的“真水”，而这个“真水”一旦形成，会把接触到的普通水也诱导成同样的结构。

1966年，杰里亚金前往英国参加法拉第学会组织的一场胶体和表面科学讨论会。参会的人不算多，主要是欧美的同行，这正是杰里亚金想要的，把自己的突破性成果给同行们看。不过他的演讲题目比较晦涩，直到末尾才亮出了“改造水”是热力学稳定形态的推论。台下反应比较冷淡，在场记录显示只有大约十位听众留下了书面评论，大多数人听完的反应是：苏联人发现了一个奇怪的实验现象，可能哪里没洗干净。

但有那么一个听众对这个比较感兴趣。布赖恩·佩西卡（Brian Pethica），当时在联合利华研究实验室工作。联合利华虽然是一家日用消费品公司，但是洗衣液与肥皂这些其实也是一种界面问题，佩西卡做的就是这一块。回到实验室之后，佩西卡决定将这个实验重新做起来。

虽然现代化学研究最大的问题就是难以复现，但是佩西卡的团队竟然复现成功了，这就让这种水从特殊的制品变成一种“普遍”的物质。他们把能做的分析全部做了一遍。质谱分析没找到比普通水分子质量更大的分子，光谱分析中的吸收峰和水一样（不过后来的光谱研究很快报告了不同结果）。但是物理性质的确不对劲。特别是热膨胀曲线在零下八度之前一直在收缩，根本没有普通水一样在四度时密度最大。蒸发之后管子里残留的是一层凝胶状的东西，不像任何已知的水的形态。

▲布赖恩·佩西卡，图源普林斯顿大学，2026年竟然还发了一篇论文？

1969年4月，佩西卡等人在《自然》上发表了结果，标题叫《反常水》。论文用词极度克制，最后一句话是：“反常水是否是一种稳定、独立的分子实体，只有在获得足够量的样品进行明确表征后才能确定。”换句话说：实验现象复现了，但谁要是说这东西一定是一种新物质，证据还不够。佩西卡明显更克制一些，至少从他的措辞来看，没有像苏联人那样对名利有那么大的追求。不过这篇文章也没有引起什么轰动，毕竟《自然》每周都有一堆看不懂的论文发出来，大多数读完摘要就翻过去了。但比之前论文更进一步的是让这种“反常水”进入了英语世界，现在有更多的人关注这种特殊的物质了。

苏联人又遥遥领先了

界面化学是一个很小的圈子，虽然论文看得人少，但是佩西卡复现苏联人结果的消息传得很快，毕竟这是两个完全独立的团队做出了同一种物质。从一般的科学发现过程来说，其中必然有金矿可以挖掘。

马里兰大学的光谱学家埃利斯·利平科特（Ellis Lippincott）就这样下场了。他并非界面化学的圈内人，但是他手里有一个当时最好的光谱仪，不管啥东西，先做个光谱再说。谱图上出现了一组普通水里从来没见过的吸收峰，普通水最为标志性的峰也消失了，而且这个峰和一般污染物的光谱也对不上。基于这些情况，利平科特做了一个比前人更激进的解释：旧峰都没了，说明原来的化学键结构被换掉了，水分子可能已经不像之前那样一个又一个散着排列，而是通过氢键首尾相连，变成了聚合物状的水。

▲利平科特是过去100年中最具影响力的光谱学家之一（Optica 出版集团）

利平科特把论文投给了《科学》。1969年6月发表的时候，他在标题里放了一个新词“polywater”，即聚合水。“聚合”这个词在当年的分量不是今天可以想象的。三十年代人类才第一次搞清楚了聚合物是什么，尼龙做袜子，聚乙烯做保鲜膜，聚氯乙烯做水管，聚合物轮番进入日常生活，人类对聚合物充满了想象。如果水也能聚合，那么水就不是水了。所以哪怕利平科特的论文一个字都没有讨论后面会发生什么，光是“聚合水”这三个字就能让大家浮想联翩了。

▲利平科特猜测的聚合水的结构

当科学界还在讨论这个水的性质导致是不是聚合的时候，媒体界已经下场了。六月底，《华尔街日报》说“美国开始努力在聚合水上超越苏联”。美国人的担忧是正常的，聚合水是苏联人先发现的，苏联人系统研究的，苏联人先在国际会议上报告的，如果聚合水以后有什么大用，那么美国这一轮又落后了！更何况苏联人肯定还有保密级别更高的研究，说不定他们已经到应用层了。

“聚合水差距”这个词就慢慢流行开来，五十年代美国接连经历过“轰炸机差距”和“导弹差距”，两场全民恐慌事后都证明是情报部门自己在吓自己。当第三次看见“差距”的时候，大家不会觉得这是一个狼来了的故事，而是在想：万一呢？况且是有苏联人的论文、英国人的独立复现、美国人的光谱分析。如果这种东西都能出问题，那么人类要好好反思一下科学到底是什么了。

一位名叫弗兰克·多纳霍（Frank Donahoe）的化学家在《自然》读者来信栏目发了一篇短文，向大家警告了聚合水的危险。如果杰里亚金的推论是对的，那么聚合水扩散速率虽然很慢，但也不是零。只要不是零，那终有一天会把所有的水污染。但是伯纳尔（J.D. Bernal）等科学家不同意，先把性质搞明白再说吧，如果真像想象的那样，地球上早都是聚合水了。不过媒体还是更喜欢多纳霍的担忧，就这样，聚合水被宣传成一滴水掉进海里能不能把全球的水搅动成糖浆的可怕物质。大家想起了冯内古特的小说，没想到“冰九”的故事真的要上演了。

美国的军方也顺势介入。五角大楼高级计划研究局向Tyco实验室拨款7.5万美元，目的是批量制造聚合水。只有规模化生产才能谈得上应用。CIA的跟进方式还是传统艺能，每次杰里亚金去美国开会之后，CIA就会寻找负责接待的美方科学家，询问杰里亚金的实验进展，苏联人到底在这条路上走了多远？

与此同时，聚合水已经从一个小范围的热点变成了世界范围内的热潮。到1970年，全球发表了上百篇和聚合水直接相关的论文，杰里亚金的知名度迅速在国际上打开。如果这一物质能够规模化制造与应用，那就真的要把诺奖收入囊中了。

还好是个骗局

桃花扇曾言：眼见他起高楼，眼见他宴宾客，眼见他楼塌了。半场开香槟然后被翻盘这种事，总是一次又一次的在人类社会上演。

1970年6月，美国化学会在宾夕法尼亚利里海大学组织了一场研讨会。在场的所有人只关心一件事：聚合水到底是真的还是假的。杰里亚金的报告结束后，提问像连珠炮一样砸过来。有人直接问他怎么解释其他实验室在样品里测出来的杂质，他的回答和之前的一模一样：你们不够干净，如果条件够好，结果应该和我一样。

但是意外发生了，利平科特这次没有和杰里亚金站在一起。越来越多实验室发现样品中存在显著杂质，利平科特等人的解释也开始动摇。他在会上承认自己的实验室也遇到了杂质问题，而且已经很难重复一年前的实验结果。他试过在水中添加有机酸的混合物，出来的谱图和聚合水一模一样；但把杂质严格排掉之后，谱图就出不来。利平科特有“谨慎的实验者”的名声，他的光谱学数据是整个西方聚合水大厦的地基，地基都说自己有问题了，那就不是一般的问题了。但是由于之前各种证据与推断的支撑，找出“纯粹”的聚合水在当时看来仍存在一定可能。

▲1970年美国化学学会（ACS）研讨会在理海大学举行的新闻发布会. 从左到右: Albert Zettlemoyer, 理海大学教务长兼现任副会长（未来ACS主席）; Boris Deryagin（鲍里斯·杰里亚金）; 来自贝尔实验室的Denis Rousseau ; Frederick Fowkes, 理海大学化学系主任（science history）

不过有的年轻人就不乐意了。他们能够发现聚合水这种神奇的物质，也能死磕那些被大家有意或无意忽略的现象。丹尼斯·卢梭（Denis Rousseau）是贝尔实验室的博后，对杰里亚金可没什么敬畏感。他告诉身边的人，在与擅长检测微量化合物的化学家合作时，出来的结果惨不忍睹：钠、钾、氯、硫酸根、硅酸盐等，杂质总量远超合理范围。

但是这个问题并不能推翻以往聚合水研究，因为杰里亚金说过，如果有杂质，每次出来的东西应该不一样，但是都差不多的成品，那就不是杂质，而是我们没有探索出来的物质构成。这个推理在形式上是成立的，但有一个隐藏前提：污染来源必须是不稳定的。如果来源本身是稳定的呢？这听起来不太可能，因为全世界各地的研究条件天差地别，怎么可能有同一种污染源。卢梭坚定地认为那些东西是杂质，他必须找出这些杂质“相同”的缘由。

1970年秋天，卢梭开车去贝尔实验室附近的球场打了一场手球。打完之后人从上到下全是汗。他脱下衣服拧了一把，然后把汗液收进样品管，放进红外光谱仪。闲着也是闲着，把我汗液分析一下吧。结果出来的图谱和他之前测过的聚合水样品几乎完全重合。卢梭终于解开了自己的疑惑，一个被全世界最顶尖实验室研究了八年、烧掉了数百万美元经费、惊动了CIA和五角大楼的物质，真实身份是人身上的汗。杂质一般的确是来源不太稳定，但是人的身体恰好是稳定！

▲卢梭论文中的图片，其中聚合水（a）与汗液（b）以及乳酸钠在1600cm-1附近都有一个吸收带。

1971年1月，他在《科学》上发表了自己的研究，题目《“Polywater” and Sweat》（聚合水和汗）。指出所谓聚合水的谱图与汗液及其主要成分之一乳酸钠高度相似。1973年8月，杰里亚金和丘拉耶夫在《自然》上发表了《“反常水”的性质》，其中说道：“我们已确定，不存在既无杂质原子又同时展现反常性质的冷凝水。因此，这些性质应归因于杂质，而非聚合水分子的存在。”他收回了他全部的主张，结束了这场闹剧。

尾声

从1961年费佳金第一次注意到分层，到1973年杰里亚金认错，前后十二年。期间全球科学家发表了上百篇论文，到头来不过一场空。在这个过程中，现代科学认为坚实的逻辑几乎被这种不存在的物质打了个对穿，直到一个年轻人的无心之举。

回到1963年那部小说，题目《猫的摇篮》指的是小说当中的一种游戏，大人把一根绳子在手指间绕来绕去，绕出一个花样，举到孩子面前说：看，一只小猫睡在摇篮里。到了小说末尾，原子弹之父的儿子再看到这个游戏的时候说：“No damn cat, and no damn cradle”。我们为之追求的意义，有多少这条花绳编造出来的呢？然后为了这个花绳，让所有的证据都屈服于对新发现的信任之下。冯内古特在小说结尾借博科农之口说：“如果我年轻一些，我会写一部人类愚蠢史。”他确实写了一部，只不过没等他动笔，现实就替他写好了。

参考文献

[1] Дерягин, Б.В., Федякин, Н.Н. "Особые свойства и вязкость жидкостей, сконденсированных в капиллярах." Доклады Академии наук СССР, 1962, Том 147, № 2, с. 403–406.

[2] Derjaguin, B.V. "Effects of Lyophile Surfaces on the Properties of Boundary Liquid Films." Discussions of the Faraday Society, 1966, Vol. 42, pp. 109–119.

[3] Willis, E., Rennie, G.K., Smart, C., Pethica, B.A. "Anomalous Water." Nature, 1969, Vol. 222, pp. 159–161.

[4] Lippincott, E.R., Stromberg, R.R., Grant, W.H., Cessac, G.L. "Polywater." Science, 1969, Vol. 164, No. 3887, pp. 1482–1487.

[5] Donahoe, F.J. "Anomalous Water." Nature, 1969, Vol. 224, p. 198.

[6] Rousseau, D.L. "'Polywater' and Sweat: Similarities between the Infrared Spectra." Science, 1971, Vol. 171, No. 3967, pp. 170–172.

[7] Derjaguin, B.V., Churaev, N.V. "Nature of 'Anomalous Water'." Nature, 1973, Vol. 244, pp. 430–431.

[8] Fetherston, D. "U.S. Begins Efforts to Exceed the USSR in Polywater Science." The Wall Street Journal, June 30, 1969.

[9] "Scientists Tell of a 'New' Water." The New York Times, September 12, 1969.

[10] "Polywater" (Editorial). The New York Times, September 22, 1969.

[11] Vonnegut, K. Cat's Cradle. New York: Holt, Rinehart and Winston, 1963.

文章转载自“墨子沙龙”公众号