冰為什么這么滑？物理學(xué)家仍在探求答案

本報(bào)記者 陸成寬

“2017亞洲公開花樣滑冰錦標(biāo)賽”于8月2日至5日在香港舉行。在這場(chǎng)盛大的冰上炫舞中，花樣滑冰運(yùn)動(dòng)員伴隨著悠揚(yáng)的樂曲旋轉(zhuǎn)、跳躍，演繹出各種動(dòng)作，用冰刀在冰面上刻劃出各種圖案，展現(xiàn)了花樣滑冰運(yùn)動(dòng)的優(yōu)美與激情。冰為什么這么滑呢？這個(gè)問題看似簡(jiǎn)單，但事實(shí)上，全世界的物理學(xué)家至今仍在探求真正的答案。

廣為人知的“壓力融解說”

如果給單位面積的冰施加很大的壓力，這種壓力會(huì)降低冰的熔點(diǎn)使接觸面的冰融化，形成薄薄的水層，水層起到了很好的潤(rùn)滑作用。

多年來致力于冰面摩擦研究的日本富山大學(xué)客座教授對(duì)馬盛年博士表示：“冰是地球上摩擦力最小的物質(zhì)?！北詴?huì)有很小的摩擦力，是因?yàn)樾c冰之間有一層水，水能起到潤(rùn)滑的作用，因此，滑冰運(yùn)動(dòng)員就可以穿著冰鞋在冰上自由滑動(dòng)。

但是冰上為什么會(huì)有一層水呢？對(duì)此，廣為人知的一種解釋是“壓力融解說”。這種學(xué)說由愛爾蘭物理學(xué)家約翰·杰里于1886年提出。他認(rèn)為，如果用冰刀給單位面積的冰施加很大的壓力，這種壓力會(huì)使接觸面的冰融化，形成薄薄的水層。水層會(huì)起到很好的潤(rùn)滑作用，這和被水弄濕的地面比較滑的道理是一樣的。

“壓力確實(shí)能降低冰的熔點(diǎn)。”8月7日，中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)專家郭亮告訴科技日?qǐng)?bào)記者，熔點(diǎn)是指冰(固體)融化變成水(液體)時(shí)的溫度。原本冰的熔點(diǎn)是0攝氏度，一旦外界加壓，冰的熔點(diǎn)就會(huì)下降，也就是說即使在0攝氏度以下，冰也可能融化為水。

科學(xué)家做過一個(gè)實(shí)驗(yàn)，在厚厚的冰塊上搭上一根兩端掛有重物的鐵絲，由于鐵絲很細(xì)，對(duì)接觸鐵絲部分的冰面造成很大的壓強(qiáng)，這個(gè)部分冰的熔點(diǎn)就會(huì)降低，導(dǎo)致這里的冰先化了，于是掛著重物的鐵絲就會(huì)嵌進(jìn)冰塊內(nèi)部。融化的水在鐵絲上方恢復(fù)了原有的壓力，又會(huì)重新凝結(jié)成冰。最后鐵絲就會(huì)從冰塊下方穿出，而冰塊還是那個(gè)冰塊。

對(duì)百年“壓力融解說”的質(zhì)疑

要想讓滑冰賽場(chǎng)上的冰融化，壓強(qiáng)要達(dá)到約350個(gè)大氣壓，這需要運(yùn)動(dòng)員體重為175公斤，顯然事實(shí)并非如此。

雖然“壓力融解說”已經(jīng)存在了一百多年，但近些年來，人們對(duì)這個(gè)理論產(chǎn)生了很大的懷疑。

美國(guó)費(fèi)米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家吳進(jìn)遠(yuǎn)就不認(rèn)同這個(gè)觀點(diǎn)。他指出，要想讓冰刀下的冰融化，需要非常高的壓強(qiáng)。通常，花樣滑冰比賽時(shí)，冰面的溫度低于零下3.5攝氏度，要想讓冰在零下3.5攝氏度融化，需要的壓強(qiáng)大約為350大氣壓，相當(dāng)于在1平方米上放置3500噸的重物。假設(shè)冰刀的有效長(zhǎng)度為100毫米、寬為0.5毫米，則它的有效面積為50平方毫米，要想獲得350大氣壓，需要運(yùn)動(dòng)員體重達(dá)到175公斤，顯然事實(shí)并非如此。因此吳進(jìn)遠(yuǎn)認(rèn)為，壓強(qiáng)融解應(yīng)該不是使冰變滑的主要機(jī)制，一定還存在其他的機(jī)制。

此外，郭亮也表示：“后來很多實(shí)驗(yàn)證明壓力并不能使冰的融點(diǎn)下降太多?！?冰刀的刀刃壓力引起的熔點(diǎn)下降僅僅在0.1攝氏度左右。事實(shí)上，零下20攝氏度的冰面也能夠滑冰，這樣“壓力融解說”就更加無法解釋冰很滑的原因了。

看起來更靠譜的“表面融化說”

當(dāng)溫度在零下22攝氏度以上時(shí)，冰的表面上始終有薄薄的一層永遠(yuǎn)不會(huì)凝固的水，這層水使得冰特別的滑，這是冰的特性。

既然“壓力融解說”看上去貌似有點(diǎn)不靠譜，于是勤奮的科學(xué)家們又提出了另外兩個(gè)導(dǎo)致冰很滑的機(jī)制——“摩擦融解說”和“表面融化說”。

“摩擦融解說”認(rèn)為，就像我們摩擦雙手手掌，掌心會(huì)生熱變暖一樣，在冰面上滑行，冰刀與冰面快速摩擦產(chǎn)生的熱量會(huì)使冰融化，融化產(chǎn)生的水起到了潤(rùn)滑劑的作用，因而冰面很滑。但是這個(gè)理論也有痛腳，那就是即使你穿著滑冰鞋站著不動(dòng)，你也可能滑倒，這說明摩擦并不是導(dǎo)致冰很滑的真正原因。

“表面融化說”指出，冰的表面原本就非常平滑，因?yàn)楫?dāng)溫度在零下22攝氏度以上時(shí)，冰的表面上始終有薄薄的一層永遠(yuǎn)不會(huì)凝固的水，這層水使得冰特別的滑。

1996年，美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的化學(xué)家薩姆和物理學(xué)家胡佛通過實(shí)驗(yàn)證明：看起來平滑的冰面并非是完全平整的。薩姆認(rèn)為，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，冰面的上層有一層薄薄的水，冰面并沒有真正冷凝。這層水具有永久性潤(rùn)滑的作用。當(dāng)鞋底等物體給予冰面壓力，水分子就會(huì)被擠壓到冰面的細(xì)微縫隙之中，這使得冰面變得非常平滑，從而減小了冰面的摩擦力，所以冰面就會(huì)變得很滑。

這兩位科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度降到零下22攝氏度以下時(shí)，冰面的平滑性能開始大大下降。這是因?yàn)樵谶@樣的溫度條件下，具有潤(rùn)滑功能的薄水層幾乎消失，冰面的平滑性也就顯著降低。薩姆表示，冰面最上層有永久的薄水層是冰的特性。即使摩擦力沒有做功產(chǎn)生熱量，冰面也依舊是滑的。

據(jù)了解，目前物理學(xué)界比較傾向于認(rèn)同表面融化機(jī)制比壓強(qiáng)融化機(jī)制起的作用更大。一方面，有實(shí)驗(yàn)證實(shí)，在冰點(diǎn)以下，冰的表面存在沒有結(jié)晶、類似液態(tài)的水分子層，其厚度大約在10—100納米量級(jí)；另一方面，人們甚至能在零下20攝氏度的環(huán)境中滑冰，而且也不認(rèn)為減肥會(huì)導(dǎo)致滑冰運(yùn)動(dòng)員的成績(jī)下降。這些現(xiàn)象都更加支持了表面融化機(jī)制。

問題并沒有獲得圓滿解決

新加坡研究人員認(rèn)為，冰上的那層水并不是真正的液態(tài)水，而是一種“超固體皮膚”。日本研究人員認(rèn)為它是冰融化為水時(shí)的一種中間狀態(tài)，是一種“準(zhǔn)液體”。

看似到了這里冰為什么很滑的謎題已經(jīng)完美解開了，但是新的問題又出現(xiàn)了。冰上的那層水膜真的就是水嗎？

一位來自新加坡的研究人員認(rèn)為，冰上的那層水并不是真正的液態(tài)水，而是一種“超固體皮膚”。他認(rèn)為，水結(jié)冰以后表面上的水分子之間的化學(xué)鍵被拉長(zhǎng)了，但化學(xué)鍵并沒有斷裂，這與液態(tài)水不同。而且，拉長(zhǎng)的化學(xué)鍵會(huì)在表層與接觸物之間產(chǎn)生一種靜電斥力。這種靜電斥力可以托起接觸物，就像電磁力托起磁懸浮列車，空氣托起氣墊船那樣，能夠大幅度地減少摩擦阻力。盡管這位研究人員認(rèn)為他已經(jīng)完全解決了“冰為什這么滑”的問題，但是其他研究人員對(duì)此并不信服。2013年，一位來自日本的研究人員第一次直接觀測(cè)了冰上的這一層結(jié)構(gòu)，認(rèn)為它是冰融化為水時(shí)的一種中間狀態(tài)，應(yīng)該是一種“準(zhǔn)液體”。

這樣看來，到目前為止，關(guān)于冰面為什么很滑的原因，仍然是百家爭(zhēng)鳴，見仁見智。