這些生活中常見的東西，居然是科學未解之謎？

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，科學家并沒有完全理解它們。通過下面的討論，你將會發現，現實遠比我們想象的要復雜得多。

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，竟然是一件科學無法解釋的現象！

不過準確地來說，科學家不知道的是，能使自行車保持穩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。研究人員開始發現，要想解釋自行車是如何工作的，數學上需要大約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的車輪直立的陀螺恢復力（一種令旋轉物體恢復平衡的力，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”和陀螺恢復力弄歪，使得它在理論上無法保持穩定。但結果令人大感意外，這輛自行車在行駛中仍可以穩定地前行。

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的研究人員已經發明出了一種無論怎么傾斜也不會倒下的車子。他們的發明看起來像是自行車與三輪車的合體，而外側的兩個車輪由一個彈簧來調節。如果彈簧完全松開，它跟普通自行車沒什么區別，騎手可以通過傾斜和扭轉車把來操控。如果彈簧完全繃緊，它就成了一輛三輪車，騎手只能通過扭轉車把來操控。而當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動情況。另外，騎手試圖扭轉車把來轉向時，卻只會造成車子發生傾斜。結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。一些研究人員認為，要想理解自行車為什么不倒，不只是要考慮力學問題，也許還要考慮腦科學。人類能用很復雜的但卻很直觀的方式使得自行車保持穩定。例如在非常低的速度下，我們很容易就意識到，扭轉車把沒多大用處，相反我們會通過膝蓋運動來操控自行車。

我們為什么會這么做？沒人知道。自行車的謎團將會繼續困擾我們。

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，即使經過十幾億年，一塊玻璃里也只不過是幾個原子會發生移動。那么上薄下厚是怎么回事？事實上，中世紀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，或者叫做非晶態固體，因為它的微觀結構不像晶體固體（例如金屬、食鹽和冰）那樣是有規則的晶格排列，而是一種類似液體那樣的不規則排列。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，科學家并沒有完全搞清楚玻璃的一切。例如，玻璃從液體轉變為無定形固體的過程仍然令人摸不著頭腦。

大多數材料從液體變為固體時，內部的分子會立刻進行重新排列。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現自己被困住了，于是一種有規則的晶格排列就形成了。

但是從熾熱的液體轉變為透明的固體的過程中，玻璃分子的運動狀態并不是突然發生改變的，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則的排列，但卻具有固體那種堅固的性質。換句話說，在玻璃中，我們遇到了一種奇怪的現象：類似液體那種不規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。科學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。根據熱力學定律，每一個分子集合總是趨向構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成不同的排列，最終會形成了一個不可調和的不規則排列。

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

而另一些科學家卻認為，玻璃所形成的結構，也許是一種極為特殊的晶體。而且有一個證據能證明這個觀點，那就是玻璃內有不斷重復的幾何結構。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一認可的解釋。

冰為什么很滑？

花樣滑冰選手可以在冰面上滑出優美的舞姿，但這里有一個很令科學家困惑的事情——冰為什么很滑？這個問題看似簡單，但即使經過了一個多世紀的研究，科學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，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，但是在木質地板上卻無法滑動。

事實上早在1850年，英國物理學家邁克爾·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，這樣兩塊冰就凍在一起了。在很多年里，大家都認為冰面的這層水是因壓力導致的，因為壓力能使冰的熔點下降，促使冰發生融化。

但是，科學家經過計算后發現，即使一個體重超標的人只用一只滑冰鞋站在冰面，產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，一些科學家認為這應該是摩擦生熱。當冰刀在冰面上運動時，產生的熱量足以融化冰面。

你可能認為事情就是這樣了。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，一些研究人員發現，當溫度在-22℃以上時，冰的表面上始終有薄薄的一層永遠不會凝固的水。所以說，并不是因為壓力或者摩擦力產生的這層水，而是冰本身固有的性質。

不過，一位來自新加坡的研究人員認為，冰上的那層水并不是真正的液態水。他把這一層稱為“超固體皮膚”，并認為，冰表面上的水分子之間的化學鍵被拉長了，但是與液態水不同的是，每一個化學鍵都沒有斷裂。而且，這種拉長的化學鍵會最終在表層與接觸物之間產生一種靜電斥力。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為他已經完全解決了這個問題。但是，其他的研究人員對此并不信服。在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構，并認為這層應該是“準液體”，是冰融化為水時的一種中間狀態。

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。