至哉水德
作者 祥雲
天下之物莫柔於水,然而大不可極,深不可測,脩極於無窮,遠淪於無涯,自耗減益,通於不訾,上天則為雨露,下地則為潤澤,萬物弗得不生,百事不得不成,大包群生而無好憎,澤及蚑蟯而不求報,富贍天下而不既,德施百姓而不貲,行而不可得窮極也,微而不可得把握也,繫之無創,刺之不傷,斬之不斷,焚之不然,淖溺流遁,錯繆相紛,而不可靡散,利貫金石,強濟天下,動溶無形之域而翱翔忽區之上,邅回川谷之間,而滔騰大荒之野,有餘不足與天地取與,授萬物而無所前後,是故無所私而無所公,與萬物始終,是謂至德。 ── 淮南子《原道訓》
「水」是一種至為不尋常的物質。人類在很早以前就體認它的重要,並且不斷地探究它的奧秘,冀圖解開它的謎底,但直到今天,人們對水的瞭解仍然只限於局部而非全部。
早在二千五百年前,老子就曾說過:「上善若水」的名言,一直燴炙人口;無獨有偶,與老子年代相當的希臘哲學家(亦是科學家)塞爾斯(Thales)也因為說了一句「水是至上的」隱語,轟動了當時的西方社會。東西雙聖同時有感而發,相互映輝,而他們共同觀察的結果-水是宇宙的原始物質,萬物由其而生。
是的,上善不爭的水,不但是宇宙生命的本源,並且是製造萬物的最基本要素之一。天下萬物得不到水就不能成就、生長,人若缺少了水,就會在最短的時間內死亡。《禮記‧檀弓篇》有「水漿不入於口者七日」的說法,可見自古以來,水對於人來說是同等重要的。而人類的歷史就某一角度而言,就是一頁頁水的使用史。事實上,人在未出生以前,就已在母親子宮裡浮游了九個月,自出生以迄於死亡,更離開不了水。所以先聖造字,將代表生命的「活」字,讓它从水,可真是智慧之作。不過「活」字雖是代表生命的現象,但「活」的本義原本是作「水流聲」解,「活」字之右旁「舌」音發「ㄍㄨㄚ」,而非「舌」(ㄕㄜˊ)音,「舌」者,上千下口,本義作「塞口」解,而「舌」者上千下口是吃的一種器官。故「活」是表示水流塞於缺口湧出,所生涽涽之聲,《詩經‧衛風》形容「河水洋洋,北流活活」就是這個道理。
如果我們仔細的計算一下身體裡所含有的水份,就不會再訝異水對人是多麼地重要了。通常在人體的血液裡,有90/100是水;在肌肉中有75/100是水;在腎臟中有82/100是水;在肝臟中有69/100是水;即令是骨骼中亦有22/100是水;在人體中除極少的部份之外,都或多或少含有若干水份在內;加總起來,一個正常人的體重,約有70/100是來自於水。而這些體內的水份又不斷地消耗,或以直接排洩方式,或以流動蒸發方式,隨呼吸或表皮蒸發而排出體外,是以我們如要維持生存,就必需不斷地補充飲水。據統計,一個人每年經過食道飲下的水,約為身體重量的5倍,而一個人的一生所飲用的水高達6,500加侖(折合約24,700公升)。
除了人類需要大量的水,以維持生命之外,其他動、植物的生長,以及工業化產品的生產亦需要大量的水:據統計,每產1英斗(約36公升)的穀物,需要10~20噸的水;生產1磅的牛肉,所需的水量約15噸至20噸;提煉1桶石油,需要18桶水;提煉1加侖的汽油,需要10加侖的水;生產1桶啤酒需要300加侖的水;生產1噸木質紙漿,需要250噸的水;生產1噸鋼,需要267噸的水;而1座蒸汽動力的發電廠,需要1000噸的水才能將1噸的煤轉變成電力。加總起來,一個社會的總用水量是非常驚人的,並且以驚人的速度在增加中。地球上的水界(覆蓋了地球表面約3/4的面積)所含有的水總量,雖可能有1.36×1012立方公里的水,但分布不均,其中約97/100是海水;淡水總量3,700萬立方公里,其中76/100封閉在極地大陸的冰川中;13/100位於800至4,000米深的地下;10/100為淺於800米的地下水,只有0.65/100的水才是我們現在所使用的水。以地表及地下有限的淡水,要應付未來急遽增加的人類用水,以及人類所製造無止境的污染,可預見終將會產生嚴重的問題。最近在台灣南部高屏地區發生的水權糾紛,就是一個警號。當然大部分的水,可經由水處理能夠一遍又一遍的使用,目前工業上已積極採取冷卻水回收使用的方法,來減低水量的耗用,這種人為的冷卻回收,與大自然的「水分循環」作用相比較,可就真的小巫見大巫,不然就無法「大不可極,深不可測,脩極於無窮,遠淪於無涯」了。
水分循環(Hydrologic Cycle)是水文科學的研究主題,它是由一組路徑所構成,使自然界的水在循環中,從一種狀態轉變為另一種狀態。這些路徑貫穿著環繞地球的整個水圈,它向上伸展到大氣層約15公里處,向下達地殼平均1公里的深處。地球上的水分就是由蒸發、降水、截留、坡流、壞流、徑流、入滲及滯留等多種過程,彼此相互聯繫,往復進行無始無終的循環著,透過這樣的循環,我們才有周而復始可用之淡水,否則我們已然面對一灘死水的世界了。通常人們在介紹水分循環時,都是先從蒸發過程開始,即水從海洋和陸地上蒸發變成大氣中的水蒸汽,蒸發的水汽被氣流抬升帶走,經過冷凝聚成水滴,最後又降落到海洋和陸地上;降在陸地上的水被蒸騰或為植物截留;沒有截留的,則沿著地面或在增內順坡向下流動,有的經流入河,有的滲入地下或停蓄在地表窪陷的地方,經過相當時間又被蒸發或滲入地下;滲入地下的水可以滲流到較深的地層積為地下水;地下水又成為泉水或進一步滲流入河,而河水匯集了這些水,最後流入海洋,然後又蒸發成水汽進入大氣中,這樣就完成一個一個完整的循環。據科學家估計,陸地與海洋的降水量及蒸發量並不相等,海洋的年平均蒸發量約3,500公釐,而降水量(雨及雪)卻只有3,200公釐,所以蒸發量大於降水量;但陸地上的降水量大於蒸發量,年平均分別為1,000公釐及700公釐。蒸發的水,除了些微的灰塵外,不含鹽份或其他雜質,所以透過這樣的水循環,陸地上才有源源不絕的淡水滋養萬物,也將一些污染物攜帶至海洋。但蒸發量與降雨量也是因地而異的,通常天氣愈熱的地方,水的蒸發量亦愈大,反之則愈小;在赤道附近的海水,每年約有5英呎的水被蒸發,在較冷涼的地方,每年只有2英呎的海水被蒸發。而在相對濕度不變的情況下,空氣愈熱,大氣中貯存的水蒸氣亦愈多,這是因為水與熱之間有著顯著的關係,也因為這一層關係,造就了水的「不尋常」特性。
大家都知道,地球是太陽系中唯一有水圈的星球,卻不太清楚水有許多「不尋常」性的天賦異稟。水是由二個氫(H)與一個氧(O)化合而成的,寫成化學式就是H2O,它的凝固點是攝氏0度,沸點是攝氏100度。因為有凝固點,所以當溫度降到攝氏0度的時候,就會結成冰,而成為結晶的固體;又因為有沸點,所以當溫度升高到攝氏100度時,液體的水就會變成氣體,水的三態於焉形成。此種三態現象雖亦存在於許多化學物質中,但水的三態卻有它至為不尋常的奇妙特性存在。這種奇妙的特性,則是人類以及所有生命的「幸運關鍵」。這個關鍵,首先表現在溫度降低的時候,即當溫度自攝氏100度下降後,水就會從蒸汽開始凝結,凝結的水隨溫度下降,密度逐漸提高、體積逐漸變小,可當溫度降到攝氏4度以下時,密度不再增加反而變小,體積不再收縮反而逐漸膨脹,直到達到攝氏0度時,方才又發生劇大的變化。斯時已結為冰的體積大約較液態增加1/11。由於體積較大密度較小,所以水中的冰會往上浮起。在水的表面形成一層冰層,阻絕了水的溫度作大幅下降,就因為冰與水密度上的差異,結成的冰永遠浮在水的上面,這樣的效應,使稍微深一點的水塘,即使在嚴冬時節,也不會全部結成冰,也成功地防止了地球上大部分的水,被永遠地封鎖起來,否則水中的動、植物就無法賴以生存,更不會有「鑽冰求魚」的故事了。設若水與其他化學物質一樣-愈冷密度愈高,體積愈小,那麼冰的密度較水高,體積亦較水小,只要溫度降到攝氏0度,水面的冰就不再浮在水面,而會沉入水底,一到冬天,湖泊、海洋就會從底部向上結冰,水下之冰又不易融化,於是整個海洋、湖泊就會變成大冰區,在大冰區的地方地面溫度必然甚低,水分的自然循環就變得相當困難,生生不息的可用之水,就再也不易取得,人類與一切的有形生命,乃無從在地球上立足。當然20億年前,地球上的第一個單細胞生命,亦就根本不會萌芽。
而水之所以在冰點時,體積變大,其主要原因是來自水分子中的「氫鍵(Hydrogen Bond)作用」。氫鍵就是水分子間的連結鍵;水分子內部的完整,是由強烈的「共價鍵」所保持,由於氫鍵才能使水分子在一種少有的緊密組合,與連續的結構中結合在一起。所謂「分子」(Molecule)是由兩個或兩個以上的「原子」(Atom)所組合而成的;原子是一極小的似球形顆粒,非常的堅硬,而每一個原子都有核(Nucleus)的存在,而核中又有質子(Proton)與中子(Neutron),兩者之和決定原子量;中子有重量而沒有電荷,質子則不同,每一個質子都攜帶一個單位的正電荷,而每一單位的正電荷是由一個稱為電子(Electron)的負電荷質點形成的電場所平衡;電子就像一朵朵的雲彩圍繞著原子核運轉,電子的數目與原子核內的質子數相等,而核中的質子數又與元素的原子序數(Atomic Number)相一致。換一種方式來說,在雲中的電子數,決定於核內的質子數量(正電荷數量),而核內的質子數量,可以決定原子的序數。原子序數是指週期表上的元素位置,是從最輕的向最重的作規律的排列。
水是由兩個氫原子與一個氧原子化合而成的,而氫之所以稱氫,乃因它是最輕的元素,原子序數為1,它的核中只有一個質子,氫的原子量是1,故帶有一個正電荷及一個外圍電子;而氧的原子序數是8(其原子量為16),有8個質子與8個中子,故有8個正電荷以及8個電子環繞著運動。通常正電荷與正電荷之間有互斥作用,正電荷與負電荷之間則相互吸引。而所謂的化合,就是電荷相吸而成,電荷相吸是透過電荷外層的電子完成的。化合的力量是以「價」(Valence)來表示,換言之,化合是靠「離子價」(Ionic Valence)的作用所達成,所謂的離子價是離子的化合力量,而離子有正有負,是放棄與獲得電子的能力。凡依靠某種原子放棄電子的能力,就是正離子;反之,依靠某種原子獲得電子的能力,就是負離子。正離子也稱陽離子(Cation)被陰極或負極所吸引,負離子亦稱陰離子(Anion)被陽極或正極所吸引。此種陰陽相吸的性質,透過「靜電力」(Electrostatic Force)的作用,能使兩個原子束縛在一起,就是所謂的「離子鍵」(Ionic Bond),我們一般所用的鹽,就是由鉀與鈉這樣結合而來的。不過水與一應的化學是靠「共價鍵」(Covalent Bond)的作用,將不同元素化合在一起,共價鍵(亦稱為化學鍵)的作用,不但將兩個氫原子與兩個氧原子束縛在一起,而且亦同時將兩個氫原子以及一個氧原子束縛起來,結合成水,換言之,兩個氫原子附著在一個氧原子上就成為一個水分子,寫成化學反應式,就是H2+O → H2O,但值得注意的是,兩個氫原子附在氧原子外圍上所張的弧度彼此分離105度,而且每一個H與O均相距0.95Å(埃)。水分子中氫原子與氫原子的分離度,實際上來的強度稱之為「偶極矩」(Dipole Moment),偶極矩的大小,是依分子內電荷分離的大小而定,而水分子中電荷的分離105度,大於多數的物質,故水有非常大的偶極矩,再加上共有與非共有電子偶的安排,因此當溫度降至攝氏4度以下的時候,水分子中的運動減少,氫鍵作用的影響力強過收縮的趨勢,就向四個方向逐漸伸展,直到攝氏0度時,達到完全而使每個鍵的相對角度都保持105度,形成四面的多邊形,每一邊都是等邊三角形,並且在邊與邊之間留下了空隙或間隔,於是體積就一直膨脹,直到成為結晶體為止。通常我們見的雪花就是六個四面體,看起來像六角形,且能輕易地浮在水面上。
水的偶極矩,不但使水分子的氫鍵發生奧妙的作用,而且,使得水的介電常數(Dielectric Constant)變得極大,約為真空80倍。水的高介電常數,可以破壞帶電離子之間的吸引力,使正離子附著於水分子中的氧或負端,負離子則附著於氫或正端,於是水就變成強力溶劑。由於水本身是屬於一種不活潑的溶液,故當物質被水溶解之後,水本身並不起任何化學變化。在生物學上這是非常重要的特性,水不但可以一遍又一遍的當作一種溶劑使用,同時可以把有生命的生物所需要的原料,在相對沒有變化的狀態下,傳送到各個組織去,此種萬能且不活潑的溶劑特質,使海洋變成萬物之母(Great Mother),而地球第一個有生命的細胞亦由此孕育而生,然後經過數億年的進化才走向堅固的陸地。
氫鍵作用使得冰不會沉於水,而且透過偶極矩的作用,使水成為高介電常數的良好溶劑,造就生物存活的基本環境,但是如果缺乏液態水與水蒸汽對於天氣的調節作用,則地球生物亦不會如此容易的繁衍。在沙漠中生活過的人都知道,沙漠地區白天非常炎熱,可是一到夜晚卻又冷得徹骨,這是因為沙漠上空水蒸汽非常稀薄緣故。稀薄的水蒸汽甚難有足夠的能力吸收中午的熱,然後在寒冷的夜間再釋放出所吸收之熱。畢竟,沙的「熱容量」(Heat Capacity)遠較水為低。所謂「熱容量」,簡單地說,就是能夠吸收大量的熱,其本身並不相對的熱起來,而1重量單位(1克或1磅)的物質,所具之熱容量就稱做「比熱」(Specific Heat);通常我們把水的比熱設為1,以衡量其他物質的比熱,則沙的熱容量是水的1/5,故沙的比熱為0.2,鐵的熱容量為水的1/10,鐵的比熱只有0.107;熱容量愈小或比熱愈小,在溫度變化的過程中所產生的溫差就愈大。因此同量的太陽能照射在同體積的水與沙土上,後者的增高溫度,要較前者高出五倍。而水之所以具有顯著的熱容量,其實是運用表面少量蒸發的方式散熱,來保持水本身的溫度。此種表面少量蒸發的方式,又稱作「融解與汽化的潛熱」(Latent heat of fusion and evaporation)。大氣中的水蒸汽以它的高度潛熱,來減輕白天太陽的輻射量,而在夜晚又協助不使溫度逸出太空。這就是為什麼月球與地球離太陽的距離相當,但月球赤道附近,1平方呎的表面溫度在白天可以高到華氏212度,一到了夜裡,又會遽降至華氏零下250度,而地球空氣中的溫度,在白天約為華氏130度,到夜裡則只降至華氏零下80度。可見,水在調節地球及人體溫度上,扮演的角色是何等地重要,否則何來「廣寒月宮」之所謂?
水的高潛熱不但輕易地調節了地球的表面溫度,而且也被運用在許多實際的用途上,最顯著的例子就是冷藏、冷氣及除濕等電器設備。多數的人並不知覺許多現代科技上的聰明發明,原來是來自於對水性的發現與運用。有多少人會注意到-水從「水龍頭」吐出的一串串晶瑩明珠,會隱含著這麼許多的奧妙呢?不但如此,人體內的血液循環、大自然的花草樹木,就是靠水珠的作用,才能生生不息的。因為水珠所具有的「表面張力」(Surface Tension),除水銀外,是所有普遍液體中張力係數最高的一種,而且不尋常地強烈傾向於「相互黏合」(Cohere),這種表面張力與黏著作用不但是「利貫金石」的力量,而且形成了良好的「毛細管作用」(Capillary Action),由於水的毛細管作用,得以使水在土壤中自在的循環,不但生命的溶液得以遍及植物的根莖,同時也使血液順利地遍及人類身體的各個部位,從而可以「富贍天下而不既,德施百姓而不貲」了。
「泉源潰潰,不釋晝夜」的水,以其至柔,馳騁天下,以其「不尋常特性」(高的潛熱、比熱,高的表面張力,方便的毛細作用,奇妙的凍結行為以及良好的溶解力),孕育了生命,創造了萬物,「混沌」亦因它而開。它「遍予而無私,似德;所及者生,似仁;其流卑下句倨,皆循其理,似義;淺者流行,深者不測,似智;其赴百仞之谷不疑,似勇;綿弱而微達,似察;受惡不讓,似包蒙;不清以人,鮮潔以出,似善化;至量必平,似正;盈不求概,似度;其萬折必東,似意。」(見《說苑‧雜言》)。是以古之智者樂之,而今之智者見大水何如?
參考書目:
一、「老子哲學」,胡汝章編著,魯南出版社發行。
二、「淮南鴻列集解」,劉文典撰,文史哲出版社印行。
三、「說苑今註今譯」,盧元駿註譯,台灣商務印書館發行。
四、「大不列顛百科全書」(中文版)第四冊。
五、「普通地質學」,何春蓀編著,國立編譯館出版,五南圖書出版公司印行。
六、「水-科學之明鏡」,Kenneth S. Davis & John Arhur Day原著,朱錦煜譯,台灣商務印書館發行。
七、「The New Book of Knowledge」, 1981, Grolier Inc., U.S.A.
(2015/02/09)