水变冰科学原理（冰为什么这么滑）

黑猩猩滑冰 | pixabay

作者 | 陈天真 物理学硕士

冬日冰封大地，滑冰成为大众喜爱的运动。几百年前，我国清朝人就喜欢“冰嬉”，欧洲人也会打冰球、转冰陀螺。但有个问题困扰了科学家一个多世纪：冰为什么这么滑？

一个常规猜想是，冰上有一层水。看起来也很合理：雨后的路面、溅水的地板都会变滑。因为液态的水具有流动性，让冰面变得滑溜溜，是一个很自然的解释。但实际是怎样的呢？

压力 or 摩擦，是什么让水膜存在？

一百多年来，科学家们做了无数实验，试图找到冰很滑的原因，结果却是越研究越疑惑。

一开始，他们将焦点放在冰上水层的形成原因上：

是压力导致冰熔化了吗？因为在自然界中，冰熔化后体积反而减小，导致对冰施加压力，其熔点会降低，即压力会帮助冰熔化。（压力融解说，1886）

水具有一种反常特性：结冰（凝固）后密度减小，使得冰会漂浮在水面上，这样即便是冰天雪地，鱼儿也能在冰下

而冰鞋上的冰刀与冰面的接触面积非常小，滑冰时可产生几百个大气压，这样即使在零度以下，冰也可以熔化形成一层水薄膜。

然而，根据理论计算，这种效果只有在冰点附近才适用。但来自南极的探险活动却告诉我们，即使是在−30 °C的极寒环境下，滑冰仍然是可能的。可见压力不是问题的全部答案。

那是摩擦生热导致了冰熔化吗？1939年，两位科学家在瑞士少女峰挖了个洞，里面温度始终低于−3 °C。他们在洞内使用金属板和木质板做对比实验。

如果冰的熔化是摩擦生热导致的，那么导热更好的金属板将迅速将热量流失，使得冰较难熔化，从而遭遇更大的摩擦。结果确实如此，金属滑雪板与冰面的摩擦力更大。此外，实验中冰刀的温度也上升了。该过程确实存在摩擦生热。

但问题还没有结束：无论是压力、还是摩擦生热导致的冰熔化，都无法解释，为什么在温度很低时，即使一个人只是静静地站在冰上，还是会打滑？难道冰上天然就存在一层水薄膜吗？

慢慢逼近的真相：冰上可能存在一层天然水膜

早在1859年，电磁学奠基人之一的法拉第就提出猜想，在温度低于冰熔点时，其表面就自然地存在着一层水薄膜。

他设计了一个实验，将两块冰的侧面互相接触，发现它们会粘起来，需要用很大力才能分开。如果冰块表面存在一层水膜，在两块冰接触时就会凝固、将其粘在一起。这可以很好地解释这个现象。

后来的研究还发现，不仅是冰，在金属、半导体、稀有气体凝结成的固体中都存在这样的表面熔化现象。

但法拉第的实验似乎被人们遗忘了。直到1949年，科学家才开始重新思考这层水膜与冰很滑之间的联系。从那之后，人们测量了越来越多的数据，证明了这层融水薄膜的存在，并研究了其厚度，使得冰的奥秘变得越来越清晰。

最近发表于《自然》杂志的一项新研究，让这个百年难题又向前推进一步。科学家们设计了一个巧妙的实验，来测量该融水层的摩擦性质和相关特性，让我们更清楚地看到了这层融水薄膜的样子。

新研究：不是单纯的水膜，而是冰水混合膜

他们使用一个音叉状的仪器，将一个毫米大小的玻璃珠附着在其中一个分支上。随着音叉的振动，玻璃珠像微小的冰刀一样在冰面上滑行。

在玻璃珠附近，有一个加速计，可以测出玻璃珠在平行和垂直于冰面方向的运动（振动幅度），从而计算出玻璃珠与冰面之间的摩擦力，并进而推算出融水薄膜的性质。

虽然仪器大小只有几厘米，其测量灵敏度却可以达到纳米量级。

在实验中，玻璃珠附着在“音叉”上，随着其振动而振动，像微小的冰刀在冰面上滑行。|Nature

结果发现，在冰的表面确实存在一层水膜，厚度为几百纳米到一微米，比之前理论计算的结果要小很多。

更加出乎意料的是，这层水薄膜并不是单纯的水，而是水和冰的混合物。它的粘性比普通的水要大很多，几乎像油一样粘稠。

在负载重物时，这层“冰水与碎冰的混合物”既表现出来自固态冰的弹性，也表现出来自液态水的粘性。这种粘弹性使得它不容易从间隙中被挤出来，从而可以始终隔在内层冰与玻璃珠（或其他物体，比如冰刀或你的鞋底）之间，阻止其直接接触，从而起到良好的润滑作用。

研究人员猜测，这正是冰之所以那么滑的奥秘所在。

问题还没有结束

新的实验结果让我们对冰的摩擦现象有了更清楚的认识，然而从前文的讨论中我们可以看到，“冰为什么那么滑”实际上是一个相当复杂的问题，它与冰自身的特性、外界的压力和温度等诸多因素有关，我们回答了其中一些问题，但还有更多具体的问题等着我们去解答。比如：为什么存在这层“冰水混合膜”？

带着对这些问题的困惑，或许你下一次在冰天雪地上滑冰时，就不再只是会感到在冰面上风驰电掣的自由，也会想起法拉第在100多年前对这个问题的思索。对自然问题的思考，让我们即使身处冰上的二维世界，也能超越眼前所见，洞悉一个万事万物皆彼此关联的丰富世界。

附：欢乐的冰上活动

清朝人滑冰 | 《冰嬉图》，清（下为局部）

欧洲人滑冰 |《有滑冰者和捕鸟器的冬景》，彼得·勃鲁盖尔，1565