这些生活中常见的事,其实都是科学上的未解之谜?
为什么自行车行驶时不会倒?
2011年,一个国际研究小组突然“投下一枚重磅炸弹”,声称虽然已经分析了150多年,但世界上没有人真正理解自行车为什么在行驶中不会倒。估计世界上很多骑自行车的人听到这个消息后都会立刻下车,奇怪地盯着自己的自行车——他们多年来一直在做的事情,竟然是科学无法解释的现象!
但确切的说,科学家不知道的是,保持自行车稳定的最简单的充要条件是什么。自行车的发展主要依靠不断的实验,使得自行车在行驶过程中更难摔倒。但是解释背后的原理比较麻烦。研究人员开始发现,为了解释自行车是如何工作的,数学上需要大约25个变量,比如自行车前叉相对于路面的角度、质量的分布以及车轮的大小。
之后,研究人员将自行车稳定性的条件变量简化为两个:一个叫做“痕迹”,是指前轮接触地面的位置与前叉延长线与地面相交的位置之间的距离;另一种是能使旋转的轮子保持直立的陀螺的回复力(一种使旋转的物体重新获得平衡的力,陀螺是最典型的,所以以陀螺命名)。
但在2011,国际研究团队不仅重新分析了这一理论,还扭曲了自行车中的“痕迹”和陀螺的恢复力,使其理论上不稳定。但结果令人惊讶,自行车在行驶中依然能平稳前行。
虽然这个问题还没有解决,但是在2014,来自美国康奈尔大学的研究人员已经发明了一种无论怎么倾斜都不会倒的汽车。他们的发明看起来像是自行车和三轮车的组合,外侧的两个轮子由弹簧调节。如果完全松开弹簧,就和普通自行车没什么区别了,骑车人可以通过倾斜扭动车把来控制。如果弹簧完全上紧,就变成了三轮车,骑车人只能通过扭动车把来控制。当弹簧处于中间临界点时,汽车无论怎么倾斜都不会倒下来,倾斜也不会影响汽车的运动。此外,当骑车人试图转动车把时,只会导致汽车倾斜。结果车根本控制不了。它只能直线行驶。研究人员希望研究骑车人如何控制自行车并保持稳定,开发出更容易控制的自行车。
但这仍然是一项困难的研究。有研究者认为,要理解自行车为什么不会倒,不仅要考虑力学问题,还要考虑脑科学。人类可以用复杂但直观的方式让自行车保持稳定。比如在很低的速度下,我们很容易意识到拧车把的用处不大。相反,我们会通过膝盖运动来控制自行车。
我们为什么要这么做?没人知道。自行车的神秘将继续困扰着我们。
玻璃是什么?
如果你去欧洲参观那些古老的大教堂,导游往往会向你推销玻璃其实是一种液体,会慢慢流下来,所以这些古老大教堂的玻璃是上薄下厚的。
但这种观点是错误的。玻璃不是流动缓慢的液体。研究表明,即使过了十亿年,一块玻璃中也只有几个原子会移动。那么上厚下厚是怎么回事呢?其实中世纪的玻璃制造工艺还是比较粗糙的,不可能生产出厚度均匀的玻璃,所以工匠会把玻璃厚的一面放在底部。
所以,玻璃是固体?是的,但它是一种非常特殊的固体。玻璃是无定形的固体,或者说是无定形的固体,因为它的微观结构不是像晶体固体(如金属、盐、冰)那样的规则晶格排列,而是像液体那样的不规则排列。此外,许多聚合物化合物如聚苯乙烯也是无定形固体。
然而,科学家还没有完全了解玻璃的一切。比如玻璃从液态变成无定形固态的过程,至今仍令人费解。
当大多数物质从液体变成固体时,里面的分子会立即重新排列。也就是说,当在液体中时,分子可以自由运动,然后在某个时刻,分子会突然发现自己被困住,于是形成了规则的晶格排列。
但是,在从热液体变成透明固体的过程中,玻璃分子的运动状态并不是突然变化的,而是随着温度的降低而逐渐变缓的。最终形成的无定形固体仍具有类似于液体的不规则排列,但它具有固体性质。换句话说,在玻璃中,我们遇到一个奇怪的现象:像液体一样的不规则排列被神奇地固定住了。
但是它是如何被修复的仍然是一个悬而未决的问题。科学家们提出了许多理论来解释它。
一个可能的原因与能源有关。根据热力学定律,每个分子集总是倾向于形成能量含量最低的排列。但在玻璃中,不同的分子集合会形成不同的排列,最终形成不可调和的不规则排列。
虽然这个解释听起来不错,但是玻璃会形成不规则的排列。真的是因为是能量最低的排列吗?一些科学家推测,这可能是最混乱的排列,因为一个系统的混乱程度总是倾向于达到最大值(即热力学第二定律)。这也是一个合理的解释,虽然很难解释晶体固体中的规则晶格排列是如何形成的。
也有人认为,玻璃形成的结构可能是一种非常特殊的晶体。而且有证据证明这个观点,就是玻璃中存在重复的几何结构。如果这个观点是正确的,那么玻璃确实可以称为“水晶”。
但无论如何,玻璃为什么会这样,还没有统一公认的解释。
为什么冰很滑?
花样滑冰运动员可以在冰上优雅地滑行,但有一件事让科学家们很困惑——冰为什么会滑?这个问题看似简单,但即使经过一个多世纪的研究,科学家也没有找到明确的答案。
通常的解释是,冰的摩擦系数低是因为鞋和冰之间有一层薄薄的水,起到润滑作用。所以滑手可以带着溜冰鞋在冰上自由滑行,但不能在木地板上滑行。
其实早在1850年,英国物理学家迈克尔·法拉第就注意到了这层水。他曾经向来自伦敦皇家学会的观众解释说,如果挤压两块冰,两块冰之间的水层会迅速冻结,这样两块冰就会冻结在一起。很多年来,大家都认为冰面上的这层水是压力造成的,因为压力可以降低冰的熔点,促进冰的融化。
然而,科学家经过计算发现,即使一个超重的人只穿着一只溜冰鞋站在冰上,产生的压力也不足以明显改变冰的熔点,所以这个解释是行不通的。相反,一些科学家认为这应该是摩擦生热。当冰刀在冰上运动时,产生的热量足以融化冰。
你可能认为是这样。但你可能记得,即使你穿着溜冰鞋站着不动,你也可能会滑倒,这说明摩擦力不是真正的原因。1996有研究者发现,当温度在-22℃以上时,冰的表面总有一层薄薄的水,永远不会凝固。所以这层水不是压力或摩擦产生的,而是冰本身固有的性质。
然而,一名来自新加坡的研究人员认为,冰层上的水并不是真正的液态水。他将这一层称为“超固体皮”,认为冰面上水分子之间的化学键被拉长了,但与液态水不同的是,每一个化学键都没有被打破。而且,这种拉长的化学键最终会在表层和接触物体之间产生静电排斥。这种静电斥力,类似于磁悬浮列车中的电磁力或者气垫船中的空气,可以提升触点,大大降低摩擦阻力。
虽然研究人员认为他已经完全解决了问题。然而,其他研究人员并不信服。2013年,日本的一位研究人员首次直接观测到了这一层结构,认为这一层应该是“准液态”,是冰融化成水时的一种中间状态。
那么,冰的表面是什么呢?怎么来的?看来这个问题暂时没有解决。