也許你有看過這種實驗影片：把一瓶水從冰箱裡拿出來，接著用力一晃竟然神奇的瞬間結冰。那不是魔術，而是「過冷水」。物理學家 Matthew M. Szydagis 在看了這些實驗影片、以及迪士尼電影《冰雪奇緣》後，從中想出過冷水的新特性：也許某些未知的暗物質粒子可與過冷水相互作用。
大部分人都知道水在 0℃ 時會結凍，但實際上沒有那麼簡單，如果嚴格控制某些條件，則液態水溫度可以低於攝氏零度（冰點）但不結冰，此時的水就稱為過冷水（supercooled water），為一種自然物理現象。通常，這種水為乾淨到不含塵埃雜質的純水，且裝水的容器乾淨平滑，缺少冰晶可依附的晶核。
所謂結冰其實是結晶過程，如果原本水中已存在結晶核，則低於標準熔點（對水而言稱為冰點）的水分子就會在核周圍形成結晶結構，依附在冰晶上，也就是結冰現象。但是有些水太潔淨，不含塵埃和雜質，容器也平滑無劃痕，水分子缺少晶核依附而無法結晶，於是即使溫度低於冰點（標準壓力下 0℃），水仍然會維持在液體狀態。
不過只要過冷水一受到某種形式的干擾，比如搖動、壓力改變、遇見結晶核等，就會瞬間凝結成冰，真實情景你可以從下方的實驗影片簡單瞧瞧。
▲ 影片 2：00 處，實驗人員把水從冰箱中拿出來，2：24 處，把水瓶用力一晃，水瞬間由上往下結冰。
現在，紐約州立大學奧爾巴尼分校物理系助理教授 Matthew M. Szydagis 團隊在顯微鏡觀察下證明，某些粒子在與過冷水水分子碰撞時，也可能引發過冷水凍結，這其中或許就包括難以捉摸的暗物質粒子。
在團隊實驗中，研究人員將水冷卻至 -20°C，接著用不同類型的粒子碰撞水分子，發現有一些粒子（比如中子）可觸發過冷水結凍，其他形式則不會（比如伽馬射線）。
這表明，也許未來，我們可以開發基於過冷水的新型暗物質探測器，科學家認為暗物質其實一直漂浮在我們身邊，但它們幾乎不與正常物質相互作用，以至於科學家找不到它們。如果一些假設的暗物質粒子如：微中子（已探測到）、大質量弱交互作用粒子（還是假想粒子）等碰巧會與過冷水分子相互作用、引起自發凍結，在排除其他形式的干擾下，或許就會是證實暗物質粒子存在的方法之一。
該團隊在 2019 年美國物理學會的會議上發表這項研究。
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（首圖來源：pixabay）
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