[中配]揭示冰為甚麼能在水面浮起 - Simple Things

1242年4月5日 匹普斯湖位於現代俄羅斯與愛沙尼亞的邊界 成千上萬的重裝條盾騎士正在向冰凍的湖面衝鋒 他們正在面對諾夫哥羅德的軍隊 這是鋼鐵、麻痹與野心的碰撞 但在這場戰場上最重要的角色並不是士兵 這是他們腳下的土地 兵支撐着他們 想一想這一點 在宇宙中的幾乎所有其他物質中 固態形式的重量都比液態形式要重 如果這個湖是由冰凍的酒精、油或鐵構成的 固體塊早就沉到底部了 但水卻不同 水打破了常規 如果不是這樣 那些騎士就不會在冰面上作戰 他們會在游泳 今天在簡單事物驚人的歷史中 我們將深入探討使冰能夠浮起的分子魔法 以及這個物理學上的小glitch 是地球上生命存在的唯一原因 要理解冰爲什麼會浮起來 我們首先要認識到水其實是多麼奇怪 對99%的材料而言 溫度越低密度越大 想象一個擁擠的舞池 隨着音樂變得緩慢 人們停止了瘋狂的動作 聚集的越來越緊 這通常就是冷凍的工作方式 分子失去能量聚集在一起 固體則因其重而密而沉底 但是水在達到一個魔法數字之前都遵循這個規律 那就是4攝氏度 或者大約39華氏度 當水降溫至4度時 它的密度增加就像你所預期的那樣 但當溫度降到4度以下時 奇怪的事情發生了 它停止收縮 開始膨脹 當它達到零度並凍結時 體積大約膨脹了9% 這一現象被稱爲異常膨脹 這就是爲什麼軟飲料罐在冰箱冷凍室會爆炸的原因 冰的體積確實比它來源的水要佔用更多空間 但它爲什麼會膨脹呢 答案在於微觀的拔河比賽 水分子的形狀像小V字 一個氧原子與兩個氫原子相連 正因爲這個形狀 它們就像小磁鐵一樣 氧的一側是略微帶負電的 氫的一側是略微帶正電的 它們彼此吸引 這叫氫濺 在液態水中這些分子充滿活力 它們不斷地斷裂和重組 在混亂而緊密的混雜中相互滑動 但當水結冰時 分子運動減慢 氫濺將它們固定在位 但這裏有個訣竅 這種建立迫使分子保持一定距離互相牽制 它們形成一個堅固的六面體晶體結構 即六邊形 這個結構中間有很大的空隙 裏面充滿了空隙 這就像是分子之間的社交距離規則 由於晶格中存在大量空隙 冰的密度明顯低於液態水 因此更輕 所以它浮到水面 這看起來可能只是一個有趣的化學事實 但如果水的性質是正常的 你就不會在這裏觀看這個視頻了 想象一下如果冰下沉會怎樣 在冬天 湖泊和海洋上形成的冰會沉到底部 上面的液態水會暴露在冰冷的空氣中 凍結後再沉下去 這個循環會一直持續 直到整個湖泊從底部到頂部 都變成一塊堅固的冰塊 水生生物、魚類、食物、微生物 將會被壓扁或完全冰凍 相反因爲冰能浮起 它形成了一層保護屏障 表面那層冰就像冬季的毯子 起到了絕緣體的作用 它把熱量困在下面的水中 使其保持液態並相對溫暖 通常在那神奇的攝氏四度左右 這形成了一個熱量庇護所 讓生命能夠在嚴酷的冬天中存活 靜候春天的到來 縱觀歷史 人類以令人驚訝的方式 利用了這個漂浮的屏障 我們已經提到了條頓騎士團 但讓我們去倫敦吧 在17世紀到19世紀的小冰期 太武士河凍結了24次 因爲冰浮起並形成了一層厚厚的 穩定的冰殼 倫敦人不僅只是觀賞它 他們還在上面行走 他們舉辦了著名的冰凍嘉年華 他們在河中間設立了酒吧商店和保齡球館 1814年 他們甚至讓一隻大象走過凍結的太武士河 靠近布萊克弗萊爾斯橋 他們在冰上搭建的印刷機上印製紀念品 這場嘉年華僅能存在於那種 支撐他們的六角晶體結構之下 所以下次當你把冰塊扔進飲料裏 看着它漂浮到水面時 記住 你正在目睹一場化學反抗 你正在看到這種獨特的異常現象 它保護着我們的海洋 塑造了歷史 並維持着我們星球的生命 如果你喜歡這段冰封的歷史 記得點贊並訂閱SimpleThings 以獲取更多關於我們身邊日常世界的故事 感謝觀看 保持好奇