萬萬沒想到!自行車、玻璃和冰都是科學(xué)未解之謎

盡管自行車、玻璃和冰，都是生活中很常見的東西，但是你可能想不到的是，科學(xué)家并沒有完全理解它們。通過下面的討論，你將會發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)實遠(yuǎn)比我們想象的要復(fù)雜得多。

為什么自行車在行駛中不會倒下?

2011年，一個國際研究小組突然“投下一顆重磅炸彈”，聲稱盡管已經(jīng)分析了150多年，但世界上還沒有人真正弄懂為什么自行車在行駛中不會倒下。

估計世界上許多自行車騎手聽到這個消息后會立刻下車，并不可思議地盯著他們的自行車——多年來他們一直在做的事情，竟然是一件科學(xué)無法解釋的現(xiàn)象!

不過準(zhǔn)確地來說，科學(xué)家不知道的是，能使自行車保持穩(wěn)定的最簡單的充分必要條件是什么。

自行車的研制，主要依靠的是不斷試驗，使自行車在行駛中更不易倒下，但是要想解釋背后的原理就比較麻煩了。

研究人員開始發(fā)現(xiàn)，要想解釋自行車是如何工作的，數(shù)學(xué)上需要大約25個變量，例如自行車的前叉相對于路面的角度，質(zhì)量的分布以及車輪的大小等等。

之后，研究人員把自行車保持穩(wěn)定的條件變量簡化為兩個：一個叫“跡”的大小，指的是前輪觸地的位置到前叉延長線與地面相交的位置之間的距離;另一個則是可以保持旋轉(zhuǎn)的車輪直立的陀螺恢復(fù)力(一種令旋轉(zhuǎn)物體恢復(fù)平衡的力，陀螺最為典型，故以陀螺命名)。

不過在2011年，那個國際研究小組不僅對這個理論重新分析了一遍，而且還把一輛自行車中的“跡”和陀螺恢復(fù)力弄歪，使得它在理論上無法保持穩(wěn)定，但結(jié)果令人大感意外，這輛自行車在行駛中仍可以穩(wěn)定地前行。

雖然這個問題沒有得到解決，但是在2014年，來自美國康奈爾大學(xué)的研究人員已經(jīng)發(fā)明出了一種無論怎么傾斜也不會倒下的車子。

他們的發(fā)明看起來像是自行車與三輪車的合體，而外側(cè)的兩個車輪由一個彈簧來調(diào)節(jié)。如果彈簧完全松開，它跟普通自行車沒什么區(qū)別，騎手可以通過傾斜和扭轉(zhuǎn)車把來操控。如果彈簧完全繃緊，它就成了一輛三輪車，騎手只能通過扭轉(zhuǎn)車把來操控。而當(dāng)彈簧處在某個中間的臨界點時，這輛車不管怎么傾斜也都倒不了，而且傾斜也不會影響車子的運(yùn)動情況。

另外，騎手試圖扭轉(zhuǎn)車把來轉(zhuǎn)向時，卻只會造成車子發(fā)生傾斜。結(jié)果是完全無法操控這輛車子，它只能沿著直線行駛。

研究人員希望借此研究出騎手究竟是如何操控自行車并保存穩(wěn)定的，并能研制出更易操控的自行車。

但這仍是一場艱難的研究。一些研究人員認(rèn)為，要想理解自行車為什么不倒，不只是要考慮力學(xué)問題，也許還要考慮腦科學(xué)。

人類能用很復(fù)雜的但卻很直觀的方式使得自行車保持穩(wěn)定，例如在非常低的速度下，我們很容易就意識到，扭轉(zhuǎn)車把沒多大用處，相反我們會通過膝蓋運(yùn)動來操控自行車。

我們?yōu)槭裁磿@么做?沒人知道。自行車的謎團(tuán)將會繼續(xù)困擾我們。

玻璃是什么?

如果你去歐洲參觀那些古老的大教堂的話，導(dǎo)游們常常會向你兜售這種觀點：玻璃其實是液體，會慢慢地往下流，所以這些古老教堂上的玻璃都是上薄下厚的。

但這個觀點是錯的。玻璃并不是一種流動很緩慢的液體。研究表明，即使經(jīng)過十幾億年，一塊玻璃里也只不過是幾個原子會發(fā)生移動。

那么上薄下厚是怎么回事?事實上，中世紀(jì)的玻璃制造工藝還比較粗糙，沒辦法制造出厚度均勻的玻璃，于是工匠們會把玻璃厚的一邊放在底部。

所以，玻璃就是固體了?對，但它卻是一種極為特殊的固體。玻璃是一種無定形固體，或者叫做非晶態(tài)固體，因為它的微觀結(jié)構(gòu)不像晶體固體(例如金屬、食鹽和冰)那樣是有規(guī)則的晶格排列，而是一種類似液體那樣的不規(guī)則排列。

另外，很多高分子化合物如聚苯乙烯等也是無定形固體。

但是，科學(xué)家并沒有完全搞清楚玻璃的一切。例如，玻璃從液體轉(zhuǎn)變?yōu)闊o定形固體的過程仍然令人摸不著頭腦。

大多數(shù)材料從液體變?yōu)楣腆w時，內(nèi)部的分子會立刻進(jìn)行重新排列。也就是說，處在液體時，分子可以自由地走動，然后在某個時刻分子會突然發(fā)現(xiàn)自己被困住了，于是一種有規(guī)則的晶格排列就形成了。

但是從熾熱的液體轉(zhuǎn)變?yōu)橥该鞯墓腆w的過程中，玻璃分子的運(yùn)動狀態(tài)并不是突然發(fā)生改變的，而是隨著溫度的下降而逐漸放緩的，最終形成的無定形固體仍具有類似液體那種不規(guī)則的排列，但卻具有固體那種堅固的性質(zhì)。

換句話說，在玻璃中，我們遇到了一種奇怪的現(xiàn)象：類似液體那種不規(guī)則的排列被神奇地固定了下來。

但它究竟是怎么被固定下來的仍是一個懸而未決的問題?？茖W(xué)家們提出了許許多多理論來解釋。

一種可能的原因是與能量有關(guān)。根據(jù)熱力學(xué)定律，每一個分子集合總是趨向構(gòu)成一種所含能量最低的排列。但在玻璃中，不同的分子集合卻會構(gòu)成不同的排列，最終會形成了一個不可調(diào)和的不規(guī)則排列。

盡管這種解釋聽起來不錯，但是玻璃會形成不規(guī)則的排列，真的是因為這是一種能量最低的排列嗎?一些科學(xué)家猜測，也許這是一種混亂程度最大的排列，因為一個系統(tǒng)的混亂程度總是趨向于達(dá)到最大(即熱力學(xué)第二定律)。

這也是一個合理的解釋，盡管這個反而很難解釋晶體固體中有規(guī)則的晶格排列是如何形成的。

而另一些科學(xué)家卻認(rèn)為，玻璃所形成的結(jié)構(gòu)，也許是一種極為特殊的晶體。而且有一個證據(jù)能證明這個觀點，那就是玻璃內(nèi)有不斷重復(fù)的幾何結(jié)構(gòu)。如果這種觀點是正確的，那么玻璃可以真正稱得上“晶”瑩剔透。

但不管怎樣，玻璃為什么是這樣的，到今天也沒有一個統(tǒng)一認(rèn)可的解釋。

冰為什么很滑?

花樣滑冰選手可以在冰面上滑出優(yōu)美的舞姿，但這里有一個很令科學(xué)家困惑的事情——冰為什么很滑?這個問題看似簡單，但即使經(jīng)過了一個多世紀(jì)的研究，科學(xué)家也沒有找到一個明確的答案。

通常的解釋是，冰之所以有很低的摩擦系數(shù)，是因為鞋與冰面之間有一層薄薄的水，這層水起到了潤滑作用，因此，滑冰選手可以穿著滑冰鞋在冰面上自由地滑動，但是在木質(zhì)地板上卻無法滑動。

事實上早在1850年，英國物理學(xué)家邁克爾·法拉第就注意到了這層水。他曾向來自倫敦皇家學(xué)會的聽眾們解釋，擠壓兩塊冰，兩塊冰之間的水層會迅速凍結(jié)，這樣兩塊冰就凍在一起了。

在很多年里，大家都認(rèn)為冰面的這層水是因壓力導(dǎo)致的，因為壓力能使冰的熔點下降，促使冰發(fā)生融化。

但是，科學(xué)家經(jīng)過計算后發(fā)現(xiàn)，即使一個體重超標(biāo)的人只用一只滑冰鞋站在冰面，產(chǎn)生的壓力也不足以明顯改變冰的熔點，所以這種解釋行不通。相反，一些科學(xué)家認(rèn)為這應(yīng)該是摩擦生熱。當(dāng)冰刀在冰面上運(yùn)動時，產(chǎn)生的熱量足以融化冰面。

你可能認(rèn)為事情就是這樣了，但是你可能會想起，即使你穿著滑冰鞋站著不動，你也可能滑倒，這說明摩擦并不是真正的原因。

1996年，一些研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度在-22℃以上時，冰的表面上始終有薄薄的一層永遠(yuǎn)不會凝固的水。所以說，并不是因為壓力或者摩擦力產(chǎn)生的這層水，而是冰本身固有的性質(zhì)。

不過，一位來自新加坡的研究人員認(rèn)為，冰上的那層水并不是真正的液態(tài)水。他把這一層稱為“超固體皮膚”，并認(rèn)為，冰表面上的水分子之間的化學(xué)鍵被拉長了，但是與液態(tài)水不同的是，每一個化學(xué)鍵都沒有斷裂。而且，這種拉長的化學(xué)鍵會最終在表層與接觸物之間產(chǎn)生一種靜電斥力。

這種靜電斥力，類似于托起磁懸浮列車中的電磁力或托起氣墊船的空氣那樣，能托起接觸物，并大幅度地減少摩擦阻力。

盡管這位研究人員認(rèn)為他已經(jīng)完全解決了這個問題，但是，其他的研究人員對此并不信服。

2013年，一位來自日本的研究人員第一次直接觀測了這一層結(jié)構(gòu)，并認(rèn)為這層應(yīng)該是“準(zhǔn)液體”，是冰融化為水時的一種中間狀態(tài)。

那么，冰的表面究竟是什么?又是怎么來的?看來，這個問題暫時還得不到解決。