理解氢气等气体生物学效应，首先要明白氢气在液体中溶解的现象，这也有利于理解氢水这种给氢气方式的内在道理。气体在液体中的溶解，气体在不同区域之间的扩散，是科学家早就十分重视的自然现象，其中分子运动论是分子扩散的重要基础和前提，在这方面，历史上最伟大的科学家爱因斯坦的博士论文就是关于分子运动的研究。让我们了解这段历史，一方面缅怀科学家前辈，另一方面作为理解气体溶解现象的知识基础。
1905年，爱因斯坦发表了5篇著名学术论文，其中3篇分别奠定了量子力学、相对论和质能方程的基础，可以说集中展现了他的天才。5篇论文中另外两篇实际是他的博士论文，是“分子大小的新测定法”用经典流体力学和扩散理论来测量分子的大小。通过悬浮颗粒的大小和溶液的温度和粘度确定了扩散系数，也是博士论文的内容。爱因斯坦的博士论文是关于布朗运动的研究。
布朗运动是微小粒子表现出的无规则运动。1827年英国植物学家布朗在花粉颗粒的水溶液中观察到花粉不停顿无规则运动。进一步实验证实，不仅花粉颗粒，其他悬浮在流体中的微粒也表现出这种无规则运动，如悬浮在空气中的尘埃。后人就把这种微粒的运动称之为布朗运动。以悬浮在水中的藤黄颗粒为例，一个半径为2x10^-7米的藤黄颗拉，质量约为3x10^-17千克，在27℃时运动速率接近2厘米/秒。起初人们不了解这种运动的起因。1877年德耳索首先指出布朗动是由于颗粒受到液体分子碰撞不平衡力作用而引起。随后，1904年法国科学家潘卡雷进一步解释，较大物体从各个方面受到运动原子冲击，打击非常频繁，概率定律使之互相补偿，故它们不移动。微小粒子受到的打击次数太少，无法补偿，而产生不规则运动。这就是说，布朗运动是液体分子处于不停顿无规则热运动的宏观表现。1905-1906年爱因斯坦和斯莫卢霍夫斯基分别发表了理论上分析布朗运动的文章。1908年皮兰用实验验证了爱因斯坦的理论，使分子运动理论物理为人们广泛接受。
关于布朗运动的研究，本质上是明确了分子具有不停运动的特征，这一发现也解释了物质的扩散现象。扩散的内在动力来自于分子热运动。气体在各种区域之间的扩散运转，本质上是微观分子运动的宏观体现。将装有两种不同气体的两个容器连通，经过一段时间，两种气体就在这两个容器中混合均匀，这种现象叫做扩散。用密度不同的同种气体实验，扩散也会发生，其结果是最终整个容器中气体密度处处相同。在液体间和固体间也会发生扩散现象。例如清水中滴入几滴红墨水，过一段时间，水就都染上红色；又如把两块不同的金属紧压在一起，经过较长时间后，每块金属的接触面内部都可发现另一种金属的成份。
在扩散过程中，气体分子从密度较大的区域移向密度较小的区域，经过一段时间的掺和，密度分布趋向均匀。在扩散过程中，迁移分子并不是单一方向的，只是密度大的区域向密度小的区城迁移的分子数，多于密度小的区域向密度大的区域迁移的分子数。就是说，分子本身虽然没有任何主动性，但随机运动最终的结果是从高浓度向低浓度沿着梯度扩散。
理解了扩散，我们就知道氧气为什么能进入身体内，是分子运动导致的气体从高浓度向低浓度的扩散，因为空气中氧气浓度高，所以能进入血液。又因为血液中二氧化碳浓度高于环境，所以能从血液中释放到肺并排除体外。如果我们呼吸了有毒气体，例如空气中存在一氧化碳，那么一氧化碳同样可以通过肺扩散进入身体，剂量足够时能产生中毒，道理都是气体扩散的结果。如果我们呼吸气体中存在氢气，氢气同样可以进入身体内，因为血液中氢气很少，通过呼吸经过肺就扩散到血液中，并经过血液循环运输到全身各处，这是氢气呼吸进入人体的过程。溶解在液体如水中的气体同样能从高浓度向低浓度扩散，因此饮用含氢气水可以被消化道吸收，吸收的动力同样来自扩散运动，当然吸收后也是通过血液循环运输到身体各处，这是氢水饮用进入人体的过程。
暴露在空气中的水中含有氧气和氮气，道理也是一样，都是分子运动造成的扩散。如果我们把一杯水放在纯氢气的空间内，停留足够时间后，水中的氧气和氮气会逐渐释放出来，氢气会逐渐溶解到水中，不需要任何动力。如果希望增加氢气在水中的溶解量，只需要简单增加氢气的压力就可以实现。所以从理论上看，氢水制造并没有难度。当然困难的是快速工业化制备，因此许多科学家和工程师在这方面进行深入研究，建立了气体溶解技术。
气体在液体中的溶解规律和气体在人体内的运行规律，也有专门的学者研究，我们将不断给大家介绍，逐渐了解气体和生物的相互关系。