黑猩猩滑冰 | pixabay

作者 | 陳天真 物理學碩士

冬日冰封大地，滑冰成為大衆喜愛的運動。幾百年前，我國清朝人就喜歡“冰嬉”，歐洲人也會打冰球、轉冰陀螺。但有個問題困擾了科學家一個多世紀：冰為什麼這麼滑？

一個常規猜想是，冰上有一層水。看起來也很合理：雨後的路面、濺水的地闆都會變滑。因為液态的水具有流動性，讓冰面變得滑溜溜，是一個很自然的解釋。但實際是怎樣的呢？

壓力 or 摩擦，是什麼讓水膜存在？

一百多年來，科學家們做了無數實驗，試圖找到冰很滑的原因，結果卻是越研究越疑惑。

一開始，他們将焦點放在冰上水層的形成原因上：

是壓力導緻冰熔化了嗎？因為在自然界中，冰熔化後體積反而減小，導緻對冰施加壓力，其熔點會降低，即壓力會幫助冰熔化。（壓力融解說，1886）

水具有一種反常特性：結冰（凝固）後密度減小，使得冰會漂浮在水面上，這樣即便是冰天雪地，魚兒也能在冰下

而冰鞋上的冰刀與冰面的接觸面積非常小，滑冰時可産生幾百個大氣壓，這樣即使在零度以下，冰也可以熔化形成一層水薄膜。

然而，根據理論計算，這種效果隻有在冰點附近才适用。但來自南極的探險活動卻告訴我們，即使是在−30 °C的極寒環境下，滑冰仍然是可能的。可見壓力不是問題的全部答案。

那是摩擦生熱導緻了冰熔化嗎？1939年，兩位科學家在瑞士少女峰挖了個洞，裡面溫度始終低于−3 °C。他們在洞内使用金屬闆和木質闆做對比實驗。

如果冰的熔化是摩擦生熱導緻的，那麼導熱更好的金屬闆将迅速将熱量流失，使得冰較難熔化，從而遭遇更大的摩擦。結果确實如此，金屬滑雪闆與冰面的摩擦力更大。此外，實驗中冰刀的溫度也上升了。該過程确實存在摩擦生熱。

但問題還沒有結束：無論是壓力、還是摩擦生熱導緻的冰熔化，都無法解釋，為什麼在溫度很低時，即使一個人隻是靜靜地站在冰上，還是會打滑？難道冰上天然就存在一層水薄膜嗎？

慢慢逼近的真相：冰上可能存在一層天然水膜

早在1859年，電磁學奠基人之一的法拉第就提出猜想，在溫度低于冰熔點時，其表面就自然地存在着一層水薄膜。

他設計了一個實驗，将兩塊冰的側面互相接觸，發現它們會粘起來，需要用很大力才能分開。如果冰塊表面存在一層水膜，在兩塊冰接觸時就會凝固、将其粘在一起。這可以很好地解釋這個現象。

後來的研究還發現，不僅是冰，在金屬、半導體、稀有氣體凝結成的固體中都存在這樣的表面熔化現象。

但法拉第的實驗似乎被人們遺忘了。直到1949年，科學家才開始重新思考這層水膜與冰很滑之間的聯系。從那之後，人們測量了越來越多的數據，證明了這層融水薄膜的存在，并研究了其厚度，使得冰的奧秘變得越來越清晰。

最近發表于《自然》雜志的一項新研究，讓這個百年難題又向前推進一步。科學家們設計了一個巧妙的實驗，來測量該融水層的摩擦性質和相關特性，讓我們更清楚地看到了這層融水薄膜的樣子。

新研究：不是單純的水膜，而是冰水混合膜

他們使用一個音叉狀的儀器，将一個毫米大小的玻璃珠附着在其中一個分支上。随着音叉的振動，玻璃珠像微小的冰刀一樣在冰面上滑行。

在玻璃珠附近，有一個加速計，可以測出玻璃珠在平行和垂直于冰面方向的運動（振動幅度），從而計算出玻璃珠與冰面之間的摩擦力，并進而推算出融水薄膜的性質。

雖然儀器大小隻有幾厘米，其測量靈敏度卻可以達到納米量級。

在實驗中，玻璃珠附着在“音叉”上，随着其振動而振動，像微小的冰刀在冰面上滑行。|Nature

結果發現，在冰的表面确實存在一層水膜，厚度為幾百納米到一微米，比之前理論計算的結果要小很多。

更加出乎意料的是，這層水薄膜并不是單純的水，而是水和冰的混合物。它的粘性比普通的水要大很多，幾乎像油一樣粘稠。

在負載重物時，這層“冰水與碎冰的混合物”既表現出來自固态冰的彈性，也表現出來自液态水的粘性。這種粘彈性使得它不容易從間隙中被擠出來，從而可以始終隔在内層冰與玻璃珠（或其他物體，比如冰刀或你的鞋底）之間，阻止其直接接觸，從而起到良好的潤滑作用。

研究人員猜測，這正是冰之所以那麼滑的奧秘所在。

問題還沒有結束

新的實驗結果讓我們對冰的摩擦現象有了更清楚的認識，然而從前文的讨論中我們可以看到，“冰為什麼那麼滑”實際上是一個相當複雜的問題，它與冰自身的特性、外界的壓力和溫度等諸多因素有關，我們回答了其中一些問題，但還有更多具體的問題等着我們去解答。比如：為什麼存在這層“冰水混合膜”？

帶着對這些問題的困惑，或許你下一次在冰天雪地上滑冰時，就不再隻是會感到在冰面上風馳電掣的自由，也會想起法拉第在100多年前對這個問題的思索。對自然問題的思考，讓我們即使身處冰上的二維世界，也能超越眼前所見，洞悉一個萬事萬物皆彼此關聯的豐富世界。

附：歡樂的冰上活動

清朝人滑冰 | 《冰嬉圖》，清（下為局部）

歐洲人滑冰 |《有滑冰者和捕鳥器的冬景》，彼得·勃魯蓋爾，1565

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