黑猩猩滑冰 | pixabay
作者 | 陳天真 物理學碩士
冬日冰封大地，滑冰成為大眾喜愛的運動。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、濺水的地板都會變滑。因為液態的水具有流動性，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，他們將焦點放在冰上水層的形成原因上：
是壓力導致冰熔化了嗎？
因為在自然界中，冰熔化後體積反而減小，導致對冰施加壓力，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，滑冰時可產生幾百個大氣壓，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，這種效果只有在冰點附近才適用。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。
那是摩擦生熱導致了冰熔化嗎？
1939年，兩位科學家在瑞士少女峰挖了個洞，裡面溫度始終低於−3 °C。他們在洞內使用金屬板和木質板做對比實驗。
如果冰的熔化是摩擦生熱導致的，那麼導熱更好的金屬板將迅速將熱量流失，使得冰較難熔化，從而遭遇更大的摩擦。結果確實如此，金屬滑雪板與冰面的摩擦力更大。此外，實驗中冰刀的溫度也上升了。該過程確實存在摩擦生熱。
但問題還沒有結束：無論是壓力、還是摩擦生熱導致的冰熔化，都無法解釋，為什麼在溫度很低時，即使一個人只是靜靜地站在冰上，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，在溫度低於冰熔點時，其表面就自然地存在著一層水薄膜。
他設計了一個實驗，將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、將其粘在一起。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絡。從那之後，人們測量了越來越多的資料，證明了這層融水薄膜的存在，並研究了其厚度，使得冰的奧秘變得越來越清晰。
最近發表於《自然》雜誌的一項新研究
，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，將一個毫米大小的玻璃珠附著在其中一個分支上。隨著音叉的振動，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於冰面方向的運動（振動幅度），從而計算出玻璃珠與冰面之間的摩擦力，並進而推算出融水薄膜的性質。
雖然儀器大小隻有幾釐米，其測量靈敏度卻可以達到奈米量級。
在實驗中，玻璃珠附著在“音叉”上，隨著其振動而振動，像微小的冰刀在冰面上滑行。|Nature
結果發現，在冰的表面確實存在一層水膜，厚度為幾百奈米到一微米，比之前理論計算的結果要小很多。
更加出乎意料的是，這層水薄膜並不是單純的水，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”
既表現出來自固態冰的彈性，也表現出來自液態水的粘性
。這種粘彈性使得它不容易從間隙中被擠出來，從而可以始終隔在內層冰與玻璃珠（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，然而從前文的討論中我們可以看到，“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著我們去解答。比如：為什麼存在這層“冰水混合膜”？
帶著對這些問題的困惑，或許你下一次在冰天雪地上滑冰時，就不再只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（下為區域性）
歐洲人滑冰 |《有滑冰者和捕鳥器的冬景》，彼得·勃魯蓋爾，1565