為什麼可以溜冰？

驟然這樣一問，有點無厘頭。最近因為研究工作需要，重溫了統計力學中相變的這一領域，可以小小科普一下。

能在冰上以冰刀滑動，有一點點水來減少冰和不銹鋼之間的摩擦力是必要條件。這不僅適用於溜冰，也與行車安全的顧慮有關。美國考駕照時，監理單位的學習材料中有個單字叫 hydroplaning (水漂)，意思是小雨初過，路面有薄水一層，因而路面與輪胎之間的摩擦力驟降，駕駛容易方向失控。溜冰時，我們希望摩擦力變小，產生一點水是必要的。

溜冰場的冰一般有恆溫控制，讓它保持在冰的狀態。所以在溜冰以前，冰面並沒有液態的水。是人踩著冰刀上去，讓全身的重量壓在冰刀尖，形成大壓力，讓冰暫時融成了水。好，水是這樣來的。但是這希罕嗎？

根據理想氣體定律 PV = nRT，當物質維持在一定溫度時，壓力增加時體積要縮小的。一般的物質，我們的直覺是冷縮熱脹。所以物質有兩個相態，譬如固態與液態，通常是高溫態 (在此例中是液態) 體積較大、低溫態 (在此例中是固態) 體積較小。所以當在定溫時，如果對兩相共存的物質施加壓力，物質會轉向體積較小的低溫態。在我們的例子中，冰應該還是冰。但是幸好水的性質不是這樣子的，水的低溫態固態的冰體積比等質量的水還要大，也就是說，水在融點附近是熱縮冷脹。所以當施加壓力後，冰就融成了體積較小的水，這讓溜冰成為可能。所以能溜冰，實在是偶然。

同樣的效應，讓現在處於極地渦旋 (polar vortex) 的人雪上加霜。如果離開家暖氣沒開著，水管裏的水結成冰就會撐破水管。一旦回溫，就是要清理滿屋的滲漏。

至於水為什麼固態體積會比較大？套句小玄子對韋小寶講的話：「嘿！這個太難，不教你了。」