Отрицательный коэффициент расширения воды в диапазоне от 0 до 4 °С объясняется тем, что в этом интервале уменьшается размер кластеров, в которые объединяются молекулы воды. 3 Обычно кластеры состоят из пяти частиц, но в диапазоне от 0 до 4 °С они состоят из трёх частиц. 3 В результате размер отдельных элементов системы уменьшается, и они плотнее прилегают друг к другу. 3

Также существует теория, предложенная японским физиком Масакадзу Мацумото. 2 Согласно ей, вода содержит микрообразования — «витриты», представляющие собой выпуклые пустотелые многогранники, в вершинах которых находятся молекулы воды, а рёбрами служат водородные связи. 2 При повышении температуры конкурируют между собой удлинение водородных связей между молекулами воды и деформация витритов, приводящая к уменьшению их полостей. 2 В диапазоне температур от 0 до 3,98 °С последнее явление доминирует над эффектом удлинения водородных связей, что в итоге и даёт наблюдаемое сжатие воды. 2