萬(wàn)萬(wàn)沒(méi)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(jiàn)的東西，但是你可能想不到的是，科學(xué)家并沒(méi)有完全理解它們。通過(guò)下面的討論，你將會(huì)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)實(shí)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(huì)倒下?

2011年，一個(gè)國(guó)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(méi)有人真正弄懂為什么自行車在行駛中不會(huì)倒下。

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

不過(guò)準(zhǔn)確地來(lái)說(shuō)，科學(xué)家不知道的是，能使自行車保持穩(wěn)定的最簡(jiǎn)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(yàn)，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(kāi)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(gè)變量，例如自行車的前叉相對(duì)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(jiǎn)化為兩個(gè)：一個(gè)叫“跡”的大小，指的是前輪觸地的位置到前叉延長(zhǎng)線與地面相交的位置之間的距離;另一個(gè)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(guò)在2011年，那個(gè)國(guó)際研究小組不僅對(duì)這個(gè)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(wú)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(gè)問(wèn)題沒(méi)有得到解決，但是在2014年，來(lái)自美國(guó)康奈爾大學(xué)的研究人員已經(jīng)發(fā)明出了一種無(wú)論怎么傾斜也不會(huì)倒下的車子。

他們的發(fā)明看起來(lái)像是自行車與三輪車的合體，而外側(cè)的兩個(gè)車輪由一個(gè)彈簧來(lái)調(diào)節(jié)。如果彈簧完全松開(kāi)，它跟普通自行車沒(méi)什么區(qū)別，騎手可以通過(guò)傾斜和扭轉(zhuǎn)車把來(lái)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(guò)扭轉(zhuǎn)車把來(lái)操控。而當(dāng)彈簧處在某個(gè)中間的臨界點(diǎn)時(shí)，這輛車不管怎么傾斜也都倒不了，而且傾斜也不會(huì)影響車子的運(yùn)動(dòng)情況。

另外，騎手試圖扭轉(zhuǎn)車把來(lái)轉(zhuǎn)向時(shí)，卻只會(huì)造成車子發(fā)生傾斜。結(jié)果是完全無(wú)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(chǎng)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(wèn)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(shí)到，扭轉(zhuǎn)車把沒(méi)多大用處，相反我們會(huì)通過(guò)膝蓋運(yùn)動(dòng)來(lái)操控自行車。

我們?yōu)槭裁磿?huì)這么做?沒(méi)人知道。自行車的謎團(tuán)將會(huì)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(huì)向你兜售這種觀點(diǎn)：玻璃其實(shí)是液體，會(huì)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(gè)觀點(diǎn)是錯(cuò)的。玻璃并不是一種流動(dòng)很緩慢的液體。研究表明，即使經(jīng)過(guò)十幾億年，一塊玻璃里也只不過(guò)是幾個(gè)原子會(huì)發(fā)生移動(dòng)。

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

所以，玻璃就是固體了?對(duì)，但它卻是一種極為特殊的固體。玻璃是一種無(wú)定形固體，或者叫做非晶態(tài)固體，因?yàn)樗奈⒂^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(wú)定形固體。

但是，科學(xué)家并沒(méi)有完全搞清楚玻璃的一切。例如，玻璃從液體轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)定形固體的過(guò)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(shí)，內(nèi)部的分子會(huì)立刻進(jìn)行重新排列。也就是說(shuō)，處在液體時(shí)，分子可以自由地走動(dòng)，然后在某個(gè)時(shí)刻分子會(huì)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(guò)程中，玻璃分子的運(yùn)動(dòng)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(wú)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(jiān)固的性質(zhì)。

換句話說(shuō)，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(lái)。

但它究竟是怎么被固定下來(lái)的仍是一個(gè)懸而未決的問(wèn)題?？茖W(xué)家們提出了許許多多理論來(lái)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(gè)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(huì)構(gòu)成不同的排列，最終會(huì)形成了一個(gè)不可調(diào)和的不規(guī)則排列。

盡管這種解釋聽(tīng)起來(lái)不錯(cuò)，但是玻璃會(huì)形成不規(guī)則的排列，真的是因?yàn)檫@是一種能量最低的排列嗎?一些科學(xué)家猜測(cè)，也許這是一種混亂程度最大的排列，因?yàn)橐粋€(gè)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(gè)合理的解釋，盡管這個(gè)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(gè)證據(jù)能證明這個(gè)觀點(diǎn)，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(diǎn)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(méi)有一個(gè)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(gè)很令科學(xué)家困惑的事情——冰為什么很滑?這個(gè)問(wèn)題看似簡(jiǎn)單，但即使經(jīng)過(guò)了一個(gè)多世紀(jì)的研究，科學(xué)家也沒(méi)有找到一個(gè)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?yàn)樾c冰面之間有一層薄薄的水，這層水起到了潤(rùn)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(dòng)，但是在木質(zhì)地板上卻無(wú)法滑動(dòng)。

事實(shí)上早在1850年，英國(guó)物理學(xué)家邁克爾·法拉第就注意到了這層水。他曾向來(lái)自倫敦皇家學(xué)會(huì)的聽(tīng)眾們解釋，擠壓兩塊冰，兩塊冰之間的水層會(huì)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?yàn)閴毫δ苁贡娜埸c(diǎn)下降，促使冰發(fā)生融化。

但是，科學(xué)家經(jīng)過(guò)計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，即使一個(gè)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(diǎn)，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(dòng)時(shí)，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(huì)想起，即使你穿著滑冰鞋站著不動(dòng)，你也可能滑倒，這說(shuō)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(shí)，冰的表面上始終有薄薄的一層永遠(yuǎn)不會(huì)凝固的水。所以說(shuō)，并不是因?yàn)閴毫蛘吣Σ亮Ξa(chǎn)生的這層水，而是冰本身固有的性質(zhì)。

不過(guò)，一位來(lái)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(zhǎng)了，但是與液態(tài)水不同的是，每一個(gè)化學(xué)鍵都沒(méi)有斷裂。而且，這種拉長(zhǎng)的化學(xué)鍵會(huì)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(gè)問(wèn)題，但是，其他的研究人員對(duì)此并不信服。

2013年，一位來(lái)自日本的研究人員第一次直接觀測(cè)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(shí)的一種中間狀態(tài)。

那么，冰的表面究竟是什么?又是怎么來(lái)的?看來(lái)，這個(gè)問(wèn)題暫時(shí)還得不到解決。