溜冰如此好玩 可你知道冰为何那么滑溜吗

　　(原标题：Polar vortex 2019: the surprising science of why ice is so slippery)

　　每到冬季，冰上运动就会给人们带来无穷的乐趣。冰的低摩擦力几乎令人感觉不到阻力，速滑运动员在冰面上的时速可达56公里，花样滑冰运动员能做出令人眼花缭乱的冰上舞蹈动作，20公斤重的冰壶也能按照预定轨迹快速滑行。

　　但在过去20多年时间里，科学家们始终在努力寻找几个问题的答案：冰为何如此滑溜?为何溜冰鞋能在冰面上滑得如此流畅?为何人在冰上如此容易滑倒?

　　很多人都深有体会，冰上溜冰出奇地难学。当刀刃穿过冰层时，你看不到下面到底发生了什么，刀刃遮住了视线，溜冰鞋滑过的冰层在显微镜下显得非常稀薄。

　　所以，科学家必须依靠他们的物理和化学知识来解释上述问题。他们提出了几个假设，每个假设都阐明了冰的迷人性质。

　　首先，我们需要明确：到底什么是冰?

　　对于宇宙中的大多数物质来说，固态比液态密度更高。当某种物质冷却到足以形成固态时，它的分子就会更紧密地结合在一起。但冰却是不同的。当它降到零摄氏度以下时，水分子同样也会冻结，将它们连接在一起的特殊氢键会迫使水分子之间增加空间。

　　图3：左图中的液态水分子显得杂乱而稠密，而右边的冰分子则显得有序而分散

　　事实证明，你可以对冰进行“微调”，以使不同运动项目的运动员受益。奥林匹克冰场中使用的冰块是纯净水所制，纯净水被均匀分层地喷洒在溜冰场上，以创造出没有任何瑕疵的冰面。

　　奥林匹克运动会上所用冰的厚度和温度取决于体育运动的种类。花样滑冰运动员喜欢将冰设置在接近熔点(零下3.9摄氏度)的位置，以获得额外的抓地力和控制力。而曲棍球运动员喜欢更冷、更硬的冰面，以便他们能在冰层上快速移动。

　　固态冰实际上比液态水密度低，这就是冰山漂浮在海洋中的原因。对于科学家来说，这是一条线索，可以解释为什么冰是如此的滑。

　　假设一：压力融化冰。这基本上是错误的，但仍然很有趣。

　　自19世纪以来，对于“冰为何光滑”这个问题，最常见的答案始终是“冰在压力下会融化”。这个想法来自詹姆斯·汤普森(James Thompson)，他在19世纪50年代提出了一个数学模型，描述了冰的一种非常奇怪的性质：即在高压下，冰会变成水。这是因为，固态冰的密度比水小。如果你挤压冰，它就会变得不稳定并融化。

　　你可以用非常简单的实验来证明这个效果。取一段铁丝，并在其两端加上重量，然后把铁丝平铺在块冰上。铁丝的压力会穿过冰切出干净的线条，而当铁丝穿过后，冰面会再次冻结，这一过程被称为“再膨胀”。人们很容易认为这就是溜冰鞋的工作原理：溜冰鞋下薄薄的刀刃施加的压力足以融化冰，以减少摩擦并允许滑行。

　　但加州大学伯克利分校的理论化学教授大卫·利默(David Limmer)表示：“问题在于，你必须是个体型非常庞大的人，才能在任何合理的温度下充分融化冰块。”体重68公斤的人站在刀刃上，只会将冰的熔点从零摄氏度降至零下0.02摄氏度左右，而花样滑冰场的冰通常保持在零下4.44摄氏度左右。简单地说：滑冰运动员不能施加足够的压力来融化冰。

　　利默解释称：“因此，虽然这个想法基本上是正确的，即你可以通过加压来融化冰，但这些数字根本没有意义。”此外，压力融化冰不是瞬间发生的。退休的理论物理学教授汉斯·范·莱文(Hans Van Leeuwen)最近发表关于溜冰的数学解释说：“当滑冰者在冰面上的某一点上只滞留了1毫秒的时间，他不太可能通过压力融化一层水。”

　　假设二：摩擦融化冰。温度越来越高，但这并不能解释一切。

　　所以刀刃对冰的压力不能解释溜冰鞋滑行的原因。那摩擦呢?溜冰鞋在冰面上的滑行运动是否能产生足够的热量来融化冰?这肯定是答案的一部分，但这并不能解释为什么冰从开始就这么滑。任何走在光滑人行道上的人都知道，你的脚一碰到冰就会滑倒。没有足够的时间产生熔化水膜所需的摩擦力。

　　对此利默解释说，在滑冰问题上，摩擦“是一种二级效应”。摩擦帮助我们理解为何溜冰鞋在移动时滑行得越来越快，而不是为何溜冰鞋一开始就可以开始滑行。

　　假设三：冰上有稀薄的液态水层，这才是关键。

　　在詹姆斯·汤普森(James Thompson)解释为何压力会融化冰几年前，物理学家迈克尔·法拉第(Michael Faraday)就发现了冰的另一个令人着迷的特性：冰表面有薄薄的液态水层。他的实验很简单，你甚至可以在家里做。

　　把两个冰块放在冰箱里，在它们的任何部分加热到熔点之前，迅速把它们叠在一起。几个小时后，你会发现它们已经牢牢粘在一起了。法拉第(正确地)猜测，冰块之所以粘在一起，是因为它们周围有一层液体。当这些液体层相遇时，它们就会冻结在一起。

　　这种非常薄的液体层也使冰变得格外光滑。但是法拉第当时无法证明他的假设，原子和分子科学也还不能帮助做出解释。

　　直到1987年，科学家用X射线成像证实了这个“准液态”层的存在。它非常薄，最佳估计发现，在零下1摄氏度时，它的厚度在1纳米到94纳米之间，比细菌小1000倍。最近，科学家们用极其灵敏的显微镜观察到了液体表面。

　　这张图表显示了在分子尺度上正在发生的事情

　　当水被冻结时，单个水分子通过氢键相互吸引，彼此保持在晶体结构中。但是表面上的分子可以附着的其他分子较少，这使得它们变得更无组织性，最终使冰变得很滑。

　　那么，当铝或钢制成的溜冰鞋接触到冰时会发生什么呢?

　　理论物理学教授汉斯·范·莱文(Hans Van Leeuwen)解释说，溜冰鞋之所以能够在冰面上瞬间移动，是因为冰的表面有液态层存在。随着刀刃在冰中移动的速度越来越快，产生了更多的摩擦，从而融化了更多的水。当滑冰者向前推进时，使其变形。这会导致更多的冰熔化。所有这些都使滑冰者能够像在薄薄的水膜上滑行。而且，这一切都发生在一瞬间。

　　再强调下，这个过程很难在实验中亲眼目睹。莱文表示：“水层的厚度如此之薄，以至于你无法将其与冰层区分开来。”因此，这只是目前的一个假设。

　　但有趣的是，莱文估计，在零下30摄氏度以下的温度下滑冰是非常困难的，尽管冰上仍然有很薄的液体层，但要产生足够的热量来融化其他的冰，需要太多的摩擦。而且，在这个温度以下，冰面上的微小液态层变得越来越难探测，就像在砾石上滑冰一样。不过，在这个世界上，谁会选择在零下30摄氏度的地方溜冰呢?

　　虽然冰如此滑的原因找到了，但许多人想知道：我们还能在什么地方滑冰?正如利默解释的那样，“基本上所有的固体在接近它们熔化温度”时，表面都会形成非常稀薄的液态层。水银在零下39摄氏度时会结冰，但要使水银溜冰场保持如此低的温度，需要消耗太多的能量。另外，水银是一种很强的神经毒素。

　　镓呢?这是一种熔点在29.8摄氏度的金属，对于溜冰场来说有点儿热。但是想象一下，滑冰者在银镜般的镓表面上做舞蹈运动的场景。利默说：“这听起来是个好主意，只要确保你的溜冰鞋不是铝制的就行!因为当铝与镓相互作用时，它会变得非常脆。” 虽然固态镓在其熔点附近会变得更滑，但它是否足够滑，甚至可以溜冰呢?或许只有真正试验过才能找出真相。(小小)