冰為什么這么滑？物理學家仍在探求答案

本報記者 陸成寬

“2017亞洲公開花樣滑冰錦標賽”于8月2日至5日在香港舉行。在這場盛大的冰上炫舞中，花樣滑冰運動員伴隨著悠揚的樂曲旋轉、跳躍，演繹出各種動作，用冰刀在冰面上刻劃出各種圖案，展現了花樣滑冰運動的優美與激情。冰為什么這么滑呢？這個問題看似簡單，但事實上，全世界的物理學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，這種壓力會降低冰的熔點使接觸面的冰融化，形成薄薄的水層，水層起到了很好的潤滑作用。

多年來致力于冰面摩擦研究的日本富山大學客座教授對馬盛年博士表示：“冰是地球上摩擦力最小的物質。”冰之所以會有很小的摩擦力，是因為鞋與冰之間有一層水，水能起到潤滑的作用，因此，滑冰運動員就可以穿著冰鞋在冰上自由滑動。

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

“壓力確實能降低冰的熔點。”8月7日，中國力學學會專家郭亮告訴科技日報記者，熔點是指冰(固體)融化變成水(液體)時的溫度。原本冰的熔點是0攝氏度，一旦外界加壓，冰的熔點就會下降，也就是說即使在0攝氏度以下，冰也可能融化為水。

科學家做過一個實驗，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，對接觸鐵絲部分的冰面造成很大的壓強，這個部分冰的熔點就會降低，導致這里的冰先化了，于是掛著重物的鐵絲就會嵌進冰塊內部。融化的水在鐵絲上方恢復了原有的壓力，又會重新凝結成冰。最后鐵絲就會從冰塊下方穿出，而冰塊還是那個冰塊。

對百年“壓力融解說”的質疑

要想讓滑冰賽場上的冰融化，壓強要達到約350個大氣壓，這需要運動員體重為175公斤，顯然事實并非如此。

雖然“壓力融解說”已經存在了一百多年，但近些年來，人們對這個理論產生了很大的懷疑。

美國費米國家加速器實驗室的物理學家吳進遠就不認同這個觀點。他指出，要想讓冰刀下的冰融化，需要非常高的壓強。通常，花樣滑冰比賽時，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，需要的壓強大約為350大氣壓，相當于在1平方米上放置3500噸的重物。假設冰刀的有效長度為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，需要運動員體重達到175公斤，顯然事實并非如此。因此吳進遠認為，壓強融解應該不是使冰變滑的主要機制，一定還存在其他的機制。

此外，郭亮也表示：“后來很多實驗證明壓力并不能使冰的融點下降太多。” 冰刀的刀刃壓力引起的熔點下降僅僅在0.1攝氏度左右。事實上，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”

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

既然“壓力融解說”看上去貌似有點不靠譜，于是勤奮的科學家們又提出了另外兩個導致冰很滑的機制——“摩擦融解說”和“表面融化說”。

“摩擦融解說”認為，就像我們摩擦雙手手掌，掌心會生熱變暖一樣，在冰面上滑行，冰刀與冰面快速摩擦產生的熱量會使冰融化，融化產生的水起到了潤滑劑的作用，因而冰面很滑。但是這個理論也有痛腳，那就是即使你穿著滑冰鞋站著不動，你也可能滑倒，這說明摩擦并不是導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，因為當溫度在零下22攝氏度以上時，冰的表面上始終有薄薄的一層永遠不會凝固的水，這層水使得冰特別的滑。

1996年，美國加州大學伯克利分校的化學家薩姆和物理學家胡佛通過實驗證明：看起來平滑的冰面并非是完全平整的。薩姆認為，從實驗結果看，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滑的作用。當鞋底等物體給予冰面壓力，水分子就會被擠壓到冰面的細微縫隙之中，這使得冰面變得非常平滑，從而減小了冰面的摩擦力，所以冰面就會變得很滑。

這兩位科學家還發現，當溫度降到零下22攝氏度以下時，冰面的平滑性能開始大大下降。這是因為在這樣的溫度條件下，具有潤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生熱量，冰面也依舊是滑的。

據了解，目前物理學界比較傾向于認同表面融化機制比壓強融化機制起的作用更大。一方面，有實驗證實，在冰點以下，冰的表面存在沒有結晶、類似液態的水分子層，其厚度大約在10—100納米量級；另一方面，人們甚至能在零下20攝氏度的環境中滑冰，而且也不認為減肥會導致滑冰運動員的成績下降。這些現象都更加支持了表面融化機制。

問題并沒有獲得圓滿解決

新加坡研究人員認為，冰上的那層水并不是真正的液態水，而是一種“超固體皮膚”。日本研究人員認為它是冰融化為水時的一種中間狀態，是一種“準液體”。

看似到了這里冰為什么很滑的謎題已經完美解開了，但是新的問題又出現了。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為，冰上的那層水并不是真正的液態水，而是一種“超固體皮膚”。他認為，水結冰以后表面上的水分子之間的化學鍵被拉長了，但化學鍵并沒有斷裂，這與液態水不同。而且，拉長的化學鍵會在表層與接觸物之間產生一種靜電斥力。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為他已經完全解決了“冰為什這么滑”的問題，但是其他研究人員對此并不信服。2013年，一位來自日本的研究人員第一次直接觀測了冰上的這一層結構，認為它是冰融化為水時的一種中間狀態，應該是一種“準液體”。

這樣看來，到目前為止，關于冰面為什么很滑的原因，仍然是百家爭鳴，見仁見智。