高中物理老师没给你解释，冰到底为什么是滑的
图片：《冰上的尤里》
冰为什么是滑的？
唯有通过科学 方可认识世界
在观赏冰面运动的比赛时，我们能看到速滑选手们一次次打破奥运纪录，滑出 55 千米 / 小时的惊人速度；花滑选手们“翩若惊鸿、宛若游龙”地不停转圈儿；而重达 19 千克的冰壶居然能轻而易举地到达选手设想的任何地点。这一切都基于一个我们习以为常的事实：冰面是滑的。
但如果观察一块低温的冰块，其粗粝的固体表面可能让你完全意识不到，它踩上去竟会比一块平整的玻璃还要滑。实际上，这个问题已经困扰了科学家们长达两个世纪之久。
早在 19 世纪就有科学家提出，如果给冰施加压力，冰的熔点就会降低。也就是说，只要有足够大的压力，冰就会更容易变成水。这种说法可以说是解释冰面为什么这么滑的标准答案。物理老师们常用直观的“负重铁丝穿过冰块”实验（有兴趣的读者可以自己在家动手做一次）来证明这点。人们想当然地认为，冰刀那么锋利，划过冰面时冰面单位面积承受的压力极大，肯定瞬间融化了。有水了，不就变滑了嘛。
不过，进一步仔细推敲后，就会发现这个听起来似乎很有道理的解释值得商榷。根据科学家们的计算，一个体重 68 千克的人穿着冰刀站在冰面上时，仅能让冰的熔点降低 0.0167℃。而在花样滑冰的赛场上，冰面通常要维持在－4.5℃左右。也就是说，压力虽然能降低冰的熔点，但绝对达不到在赛场上融化冰面的效果。
于是，科学家又提出了摩擦生热的假说。这个解释似乎更加直观，在冰面上运动的冰刀高速摩擦冰面，难道还不能生出足以融化冰面的热量吗？
可是，这个假设没法解释一种常见的现象，那就是很多人一站到冰面上，动都没动就摔倒了，根本还没有足够的摩擦去生热。因此，科学家们坚定地认为，除了“摩擦生热”外，一定还有更特殊的原因。
人们已经想到了冰面滑是因为有水，而前两个假设就是为了解释水从何而来。于是，又有人提出了第 3 个假说：冰的表层本来就有水。
实际上，这个现象也很容易理解。在冰柜里放置两块冰，将它们轻轻地叠在一起。过几个小时再打开冰柜，就会看到两块冰冻成一块。物理学家认为，这是由于冰块周围覆盖着薄薄的水层，当两个水层相遇后就会冻成冰。
到了 1987 年，科学家们通过 X 射线成像技术指出，冰面上应该存在一层非常非常薄的水分子层，厚度约在 100 纳米量级。这是由于当水结冰时，每一个水分子都会通过氢键抓住其周围的水分子，形成晶体结构。但是表层的水分子周围缺少其他水分子，因此没有办法形成如冰块内部那般规则的结构，只能杂乱无序地游荡在表面。其实，基本上所有固体在接近熔点时都会在表面形成很薄的液体层。
现在，我们终于可以回头看看滑冰时冰面究竟发生了什么。薄薄的水分子层是你可以在冰上滑动的初始原因。随着冰刀越来越快地划过冰面，摩擦生热产生了更多的水，这让你滑得越发顺畅。
在不久之前，这一解释还只是推测。因为表面的水层实在是太薄了，在实验中几乎无法将其与冰区分开。不过，在 2017 年，来自荷兰的科学家通过使用两束飞秒级的激光照射冰的表面，分析其与表面分子相互作用后的光谱，发现了在－3℃的冰面上，有着 4 个分子厚的液体层。而在－30℃时，液体层就只有 2 个分子厚了，此时摩擦产生的热也不足以让冰融化了。也就是说，在冷却到－30℃以下的冰面上，你就不再能够滑行自如。
编译 /lulu（《科学世界》2018 年 4 期“Q&A”）
参考文章：https://www.vox.com/science-and-health/2018/2/13/16973886/olympics-2018-ice-skating-science-speed