溜冰如此好玩 可你知道冰為何那麼滑溜嗎？

（原標題：Polar vortex 2019: the surprising science of why ice is so slippery）

每到冬季，冰上運動就會給人們帶來無窮的樂趣。冰的低摩擦力幾乎令人感覺不到阻力，速滑運動員在冰面上的時速可達56公里，花樣滑冰運動員能做出令人眼花繚亂的冰上舞蹈動作，20公斤重的冰壺也能按照預定軌跡快速滑行。

但在過去20多年時間裡，科學家們始終在努力尋找幾個問題的答案：冰為何如此滑溜？為何溜冰鞋能在冰面上滑得如此流暢？為何人在冰上如此容易滑倒？

很多人都深有體會，冰上溜冰出奇地難學。當刀刃穿過冰層時，你看不到下面到底發生了什麼，刀刃遮住了視線，溜冰鞋滑過的冰層在顯微鏡下顯得非常稀薄。

所以，科學家必須依靠他們的物理和化學知識來解釋上述問題。他們提出了幾個假設，每個假設都闡明了冰的迷人性質。

首先，我們需要明確：到底什麼是冰？

對於宇宙中的大多數物質來說，固態比液態密度更高。當某種物質冷卻到足以形成固態時，它的分子就會更緊密地結合在一起。但冰卻是不同的。當它降到零攝氏度以下時，水分子同樣也會凍結，將它們連接在一起的特殊氫鍵會迫使水分子之間增加空間。

圖3：左圖中的液態水分子顯得雜亂而稠密，而右邊的冰分子則顯得有序而分散

事實證明，你可以對冰進行「微調」，以使不同運動項目的運動員受益。奧林匹克冰場中使用的冰塊是純凈水所制，純凈水被均勻分層地噴洒在溜冰場上，以創造出沒有任何瑕疵的冰面。

奧林匹克運動會上所用冰的厚度和溫度取決於體育運動的種類。花樣滑冰運動員喜歡將冰設置在接近熔點（零下3.9攝氏度）的位置，以獲得額外的抓地力和控制力。而曲棍球運動員喜歡更冷、更硬的冰面，以便他們能在冰層上快速移動。

固態冰實際上比液態水密度低，這就是冰山漂浮在海洋中的原因。對於科學家來說，這是一條線索，可以解釋為什麼冰是如此的滑。

假設一：壓力融化冰。這基本上是錯誤的，但仍然很有趣。

自19世紀以來，對於「冰為何光滑」這個問題，最常見的答案始終是「冰在壓力下會融化」。這個想法來自詹姆斯·湯普森（James Thompson），他在19世紀50年代提出了一個數學模型，描述了冰的一種非常奇怪的性質：即在高壓下，冰會變成水。這是因為，固態冰的密度比水小。如果你擠壓冰，它就會變得不穩定並融化。

你可以用非常簡單的實驗來證明這個效果。取一段鐵絲，並在其兩端加上重量，然後把鐵絲平鋪在塊冰上。鐵絲的壓力會穿過冰切出乾淨的線條，而當鐵絲穿過後，冰面會再次凍結，這一過程被稱為「再膨脹」。人們很容易認為這就是溜冰鞋的工作原理：溜冰鞋下薄薄的刀刃施加的壓力足以融化冰，以減少摩擦並允許滑行。

但加州大學伯克利分校的理論化學教授大衛·利默(David Limmer)表示：「問題在於，你必須是個體型非常龐大的人，才能在任何合理的溫度下充分融化冰塊。」體重68公斤的人站在刀刃上，只會將冰的熔點從零攝氏度降至零下0.02攝氏度左右，而花樣滑冰場的冰通常保持在零下4.44攝氏度左右。簡單地說：滑冰運動員不能施加足夠的壓力來融化冰。

利默解釋稱：「因此，雖然這個想法基本上是正確的，即你可以通過加壓來融化冰，但這些數字根本沒有意義。」此外，壓力融化冰不是瞬間發生的。退休的理論物理學教授漢斯·范·萊文(Hans Van Leeuwen)最近發表關於溜冰的數學解釋說：「當滑冰者在冰面上的某一點上只滯留了1毫秒的時間，他不太可能通過壓力融化一層水。」

假設二：摩擦融化冰。溫度越來越高，但這並不能解釋一切。

所以刀刃對冰的壓力不能解釋溜冰鞋滑行的原因。那摩擦呢？溜冰鞋在冰面上的滑行運動是否能產生足夠的熱量來融化冰？這肯定是答案的一部分，但這並不能解釋為什麼冰從開始就這麼滑。任何走在光滑人行道上的人都知道，你的腳一碰到冰就會滑倒。沒有足夠的時間產生熔化水膜所需的摩擦力。

對此利默解釋說，在滑冰問題上，摩擦「是一種二級效應」。摩擦幫助我們理解為何溜冰鞋在移動時滑行得越來越快，而不是為何溜冰鞋一開始就可以開始滑行。

假設三：冰上有稀薄的液態水層，這才是關鍵。

在詹姆斯·湯普森(James Thompson)解釋為何壓力會融化冰幾年前，物理學家邁克爾·法拉第(Michael Faraday)就發現了冰的另一個令人著迷的特性：冰表面有薄薄的液態水層。他的實驗很簡單，你甚至可以在家裡做。

把兩個冰塊放在冰箱里，在它們的任何部分加熱到熔點之前，迅速把它們疊在一起。幾個小時後，你會發現它們已經牢牢粘在一起了。法拉第(正確地)猜測，冰塊之所以粘在一起，是因為它們周圍有一層液體。當這些液體層相遇時，它們就會凍結在一起。

這種非常薄的液體層也使冰變得格外光滑。但是法拉第當時無法證明他的假設，原子和分子科學也還不能幫助做出解釋。

直到1987年，科學家用X射線成像證實了這個「准液態」層的存在。它非常薄，最佳估計發現，在零下1攝氏度時，它的厚度在1納米到94納米之間，比細菌小1000倍。最近，科學家們用極其靈敏的顯微鏡觀察到了液體表面。

這張圖表顯示了在分子尺度上正在發生的事情

當水被凍結時，單個水分子通過氫鍵相互吸引，彼此保持在晶體結構中。但是表面上的分子可以附著的其他分子較少，這使得它們變得更無組織性，最終使冰變得很滑。

那麼，當鋁或鋼製成的溜冰鞋接觸到冰時會發生什麼呢？

理論物理學教授漢斯·范·萊文(Hans Van Leeuwen)解釋說，溜冰鞋之所以能夠在冰面上瞬間移動，是因為冰的表面有液態層存在。隨著刀刃在冰中移動的速度越來越快，產生了更多的摩擦，從而融化了更多的水。當滑冰者向前推進時，使其變形。這會導致更多的冰熔化。所有這些都使滑冰者能夠像在薄薄的水膜上滑行。而且，這一切都發生在一瞬間。

再強調下，這個過程很難在實驗中親眼目睹。萊文表示：「水層的厚度如此之薄，以至於你無法將其與冰層區分開來。」因此，這只是目前的一個假設。

但有趣的是，萊文估計，在零下30攝氏度以下的溫度下滑冰是非常困難的，儘管冰上仍然有很薄的液體層，但要產生足夠的熱量來融化其他的冰，需要太多的摩擦。而且，在這個溫度以下，冰面上的微小液態層變得越來越難探測，就像在礫石上滑冰一樣。不過，在這個世界上，誰會選擇在零下30攝氏度的地方溜冰呢？

雖然冰如此滑的原因找到了，但許多人想知道：我們還能在什麼地方滑冰？正如利默解釋的那樣，「基本上所有的固體在接近它們熔化溫度」時，表面都會形成非常稀薄的液態層。水銀在零下39攝氏度時會結冰，但要使水銀溜冰場保持如此低的溫度，需要消耗太多的能量。另外，水銀是一種很強的神經毒素。

鎵呢？這是一種熔點在29.8攝氏度的金屬，對於溜冰場來說有點兒熱。但是想像一下，滑冰者在銀鏡般的鎵表面上做舞蹈運動的場景。利默說：「這聽起來是個好主意，只要確保你的溜冰鞋不是鋁製的就行！因為當鋁與鎵相互作用時，它會變得非常脆。」 雖然固態鎵在其熔點附近會變得更滑，但它是否足夠滑，甚至可以溜冰呢？或許只有真正試驗過才能找出真相。（小小）

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