冰為什麼滑？150年謎題迎來第四種假說

在溜冰場優雅滑行，或在結冰路面意外滑倒，都因為冰面覆蓋著一層薄薄的水膜。科學家普遍同意這層潤滑膜是冰面滑溜的原因，但對於這層膜如何形成，卻爭論了150年。

去年，德國研究團隊提出第四種假說，聲稱解開了這個謎題。然而，科學界尚未達成共識。這個看似簡單的日常現象，背後隱藏的物理學比我們想像的複雜得多。

三大經典理論的角力

壓力理論由19世紀中期英國工程師詹姆斯·湯姆森提出。當我們踩在冰上時，壓力會使表面融化，產生滑溜效果。一般情況下，冰在0度融化，但壓力會降低融點。

但1930年代，劍橋大學的法蘭克·鮑登和T.P.休斯計算發現，普通滑雪者施加的壓力根本不足以顯著改變冰的融點。要達到這種效果，滑雪者需要重達數千公斤。

摩擦理論是同一批研究者提出的替代解釋：滑動時產生的摩擦熱融化冰面。他們在瑞士阿爾卑斯山的人工冰洞中實驗，發現導熱性佳的黃銅比導熱性差的硬橡膠產生更大摩擦。

然而，阿姆斯特丹大學物理學家丹尼爾·邦恩指出這個理論的問題：「摩擦只會融化身後的冰，而非實際滑行的冰面。」冰在開始滑動前就已經很滑了。

表面預融化理論源於1842年麥可·法拉第的觀察：兩塊接觸的冰塊會凍結在一起，溫暖的手也會黏住冰塊。他認為冰的表面存在薄薄的預融化層。表面水分子的鄰居較少，比內部分子有更大的移動自由度，因此呈現類似液體的狀態。

第四種假說：非晶化效應

薩爾蘭大學研究團隊對三大理論都提出質疑。材料科學家阿克拉夫·阿蒂拉表示：「冰的滑溜可能來自這些理論的組合，或是我們尚未知曉的其他機制。」

研究團隊從鑽石研究中獲得靈感。寶石拋光師傅長期經驗顯示，鑽石某些面比其他面更容易拋光。2011年研究發現，當兩顆鑽石相互滑動時，表面原子被機械性地拉出結合，形成無序的「非晶層」，表現得更像液體而非固體。

研究團隊認為冰面也發生類似現象。當冰面相互滑動時，水分子的雙極性質造成微小焊接點，這些焊接點破裂重組的過程機械性地破壞冰的晶體結構，形成類似液體的無序層。

多重機制的協同作用

馬德里康普頓斯大學的路易斯·麥克道威爾團隊透過電腦模擬發現，三種理論可能同時作用。「我們的訊息是：三個爭議假說都在不同程度上同時運作。」

在接近融點的溫度下，預融化層已經很厚，摩擦熱影響有限；但在較低溫度下，滑動物體產生的熱量會融化冰面，增厚潤滑層。不同條件下，主導機制也不同。

科學爭議的價值

這場持續150年的爭議反映了科學研究的複雜性。看似簡單的現象往往涉及多重物理機制，需要不同角度的理論解釋。隨著模擬技術進步，科學家能在分子層面觀察原子運動，為古老爭議帶來新見解。