通常情况下，物质温度降低时会收缩，但水是个例外。有时，整齐有序反而比杂乱无序更占空间，液态水变成冰时，正是如此。
如果你曾把一只装满水的小瓶子忘在冰箱冷冻室里，第二天发现它鼓了起来，甚至裂开了，看上去像是冰在往外“撑”。这是为什么？
答案要从一条几乎所有物质都遵循的规律说起。当一种物质冷却时，其中的粒子会失去能量，运动减慢，彼此靠得更近。因此，通常温度越低，体积越小。
但水偏偏不同。它在降温过程中，体积确实会变小，不过只持续到接近4摄氏度。到了这个温度，水会变得最为“紧密”。如果继续降温，意想不到的情况就出现了：它不再继续收缩，反而开始膨胀。这与水分子的形状有关。
每个水分子由两个氢原子和一个氧原子组成。它并不是一条直线，而是接近“V”字形。这种结构让分子的一部分略带正电，另一部分略带负电。正是这种微小的电荷差异，使相邻分子之间能够通过所谓的氢键相互吸引。
在液态水中，这些氢键不断形成、不断断裂，分子仍可以彼此滑动，并靠得很近。等温度降到0摄氏度时，它们已经没有足够的能量继续维持这种无序状态，于是开始排列成一种非常规整的结构：由六个分子组成的环状结构，就像一个个看不见的小蜂巢。
不过，这种完美的排列会在分子之间留下空隙。听起来有些反常，但有时有序结构确实比无序状态更占地方。可以把它想象成一个背包。衣服如果随手塞进去，往往还能继续压紧；但如果按某种特定方式叠放，反而可能出现空隙，让背包看上去更满。
水也是如此。冰所占的空间，比相同数量的液态水大约多9%。这就是为什么装得太满的瓶子放进冷冻室后可能会胀裂。
体积增大还会带来另一个重要结果。质量不变而体积增加，密度就会下降，因此冰会浮在水面上。这看似只是个不起眼的细节，但如果情况相反，人类或许根本不会出现在这里。假如冰会下沉，湖泊和河流就会从底部开始结冰。
每到冬天，新的冰层都会不断在水底累积，许多水域最终会变成巨大的冰块。鱼类、植物以及无数其他生物的生存都会变得极其困难。
而正因为冰浮在表面，它才像一层毯子。冻结的表层能隔绝寒冷，让下方的水即使在最冷的日子里也依然保持液态。
这一切，都源于一个只由三个原子组成的分子。有时候，杯子里一块普通的冰，藏着的却是物理世界中最重要的例外之一。对我们来说，幸运的是，正是这个例外，帮助地球成为一颗充满生命的星球。
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