冰為什麼很滑？問題看似簡單卻困擾人類幾百年，至今沒有完美答案

冰很滑，這件事在每一個人很小的時候都知道，因為我們都在冬天的結冰的路面上溜過冰、摔過跤，因此冰的光滑已經成為了我們的常識，像是一個不用論證的公理一樣。

如果你問一個人冰為什麼很滑？還很有可能會讓這個人覺得你問了一句廢話，其實不然，在科學上我們不僅要總結知識，而且要知道其背後的原因，為什麼會這樣。

接下來我們就聊下這個困擾人類數百年的問題。

在我們生活中兩個固體之間的摩擦係數一般都非常大，我們為了減小它們之間的摩擦，我們一般會將兩個固體接觸的表面打磨的非常光滑。

但這樣只會將摩擦係數減少到一定的程度，並不會給我們帶來異常絲滑的感覺，例如家裡的地板、玻璃表面可以說已將非常平整了，但摩擦依舊很大。

這說明兩個物體之間摩擦係數的大小，其表面的光滑程度並不是唯一的因素。如果我們這是給地板上、瓷磚上、路面上、玻璃上灑一些水呢？甚至是一些油呢？

是不是很滑！尤其是冬天冰雪剛融化的時候，走在鋪有瓷磚的路面，很容易摔一跤。所以說液體是減少兩個固體之間摩擦係數的關鍵。

因為液體層與層之間很容易會發生滑動，也就是說液體的內摩擦係數非常小，如果把它們灑在固體光滑的表面，可以大大減小兩個物體之間的摩擦，這就是日常生活中潤滑油的作用。

那麼這跟冰有什麼關係呢？根據以上的知識，同樣的道理，我們就可以知道其實就固體冰本身而言它並不滑，滑的主要原因是它表面有一層看不見的水膜。

這一點在科學上已經被普遍接受，但是難點是，想解釋冰上為什麼會有一層水卻不那麼容易。

壓力融化說

最初認識到這個問題的是麥可·法拉第（Michael Faraday），沒錯你是認識的那個發現電磁感應現象的法拉第，因為之前的科學家都比較全能，看見啥都想研究。

1850年6月7日，法拉第在一次演講中做著這樣的實驗，將兩塊剛取出來的冰，按在一起，很快兩個冰塊就會粘連。

法拉第認為冰層表面覆蓋著一層液體薄膜，也就是即將結冰的水，即使在溫度遠低於冰點的情況下也是如此。

當兩塊冰相互接觸的時候，它們中間的水就會重新凍結，充當了粘連劑。但當時詹姆斯·湯姆森並不同意這樣的觀點，認為是兩塊冰在相互接觸的時候，因為壓力的升高導致了表面的冰融化，形成液態水膜。

並提出了冰點隨壓力升高而下降的線性關係表達式。他的弟弟威廉，也就是我們熟知的開爾文勳爵通過實驗證實了這個說法。

這就導致了後來近100年人們通過壓力融化說來解釋為什麼冰很滑。

詹姆斯·湯姆森和他的弟弟並沒有把這個理論用來解釋冰為什麼很滑，而是在1886年工程師約翰·喬利根據他倆的理論提出：冰很滑，是因為壓力導致了冰表面的融化。

喬利還專門根據滑冰運動員做了一些計算，喬利指出滑冰運動員冰刀的與地面的接觸面積非常小，計算出的壓力能夠達到466個大氣壓，在這個壓力下，冰的熔點會降低到- 3.5℃。

因此滑冰運動員的冰刀會與地面形成一層水膜。這就是冰很滑的原因。

相信你看了這個解釋，會覺得很牽強，但就是這樣的解釋人們也相信了幾十年。你看，照他這麼說，低於- 3.5℃的情況下就無法滑冰了，北方的同學肯定不答應，-10、-30攝氏度照樣滑。

而且我們穿平底鞋、就算躺在冰面上，這樣壓強夠小了吧，依舊很滑。所以這樣的解釋漏洞很多。

不過壓力會導致冰的熔點降低這個理論是真的，但不能解釋冰很滑的原因，也不是冰表面水膜形成的原因。

摩擦加熱說

到了20世紀，也就是1939年弗蘭克·p·鮑登（Frank P. Bowden）和t·p·休斯（T. P. Hughes）提出，冰表面的水膜是因為摩擦生熱導致融化的結果。

為此它們還跑到了瑞士海拔3346米的冰洞中做了一系列的實驗，得出了這樣的結果，同樣這樣的說法也站不住腳。

摩擦確實會產生一定的熱量，但這樣微小的熱量還是不足以融化溫度很低的冰，而且你在滑動的時候，在你前面的冰還沒有形成水膜，因此會有很大的阻力。

這也不足以解釋為什麼在冰上會具有非常長持續滑動的能力。其實這都不是重點，最主要的是，在一個斜面冰上，一開始我並沒有滑動，應該沒有生熱，冰應該不滑，但為什麼我依然站不住呢？

因此到了21世紀，科學家認為冰表面的液體層是冰本身富有的一種性質，也就是說冰本身就很滑，並不需要任何的壓力和摩擦來產生水膜。

不過目前科學家還沒有完全解決，為何不管多低的溫度，不管與物體有沒有接觸，冰的表面總是有一層液體。這是一個正在研究的問題，而且我們也通過各種手段看到了這層水膜。

滑是冰固有的性質

不過問題是，同樣是水膜，為什麼它在冰上會更滑呢？在地板、瓷磚上就沒有那麼滑呢？

這說明冰表面天然形成的水膜跟我們認為的水還是由很大的區別的，它因該有一些比較特殊的性質。

在2005年的《今日物理》評論文章中，Robert Rosenberg指出，冰表面的水分子並不是我們認為的液態水，只不過它們比整塊冰的水分子有更少的化學鍵，它們排列的更加鬆散，體積更大，表層的水分子能夠更好的自由振動，甚至是滑動。

這層自由的水分子就在冰層的表面起到了很好的潤滑作用。

2019年11月4日發表在《物理評論X》上一篇論文首次研究和測量了冰表面的這層「水膜」。解釋了這層水膜為何會使得冰如此之滑，因為我們知道水並不是很好的潤滑劑。

實驗團隊開發了一種裝備有音叉的設備，類似於用於音樂的音叉，可以非常精確地「聽到」在冰上滑行時的作用力。

儘管這個儀器只有幾釐米大，但它的靈敏度足以探測冰，並在納米尺度上分析摩擦的性質。

通過這個實驗，科學家第一次清楚地證明了這個薄膜的厚度只有幾百納米到一微米，或者說一根頭髮厚度的百分之一，比理論估計的要薄得多。

而且這層薄膜根本不是「簡單的水」，而是由像油一樣具有複雜粘彈性的水組成的。也就是說，冰表面並沒有完全轉化為液態水，而是一種冰水和碎冰混合狀態。

這個實驗就驗證了光滑本身就是冰的一種固有性質的猜想。但是冰表面為何會在納米級形成這樣的結構我們依舊不是很清楚。

所以冰為什麼很滑這個問題，並沒有得到徹底的解答。自然就是這麼神奇，小小的生活現象，卻包含著大物理，甚至是一些未解之謎。