冰雪大世界疑似“现实版”冰川镇？合理怀疑《疯狂动物城》灵感来自东北
中科院物理所官方账号大家期待已久的《疯狂动物城2》在11月26日上映，第二部的电影中加入了许多新的角色和元素，比如主角团中的蛇Gary，猞猁Pawbert以及冰川镇等等。
还有一些有趣的场景和片段，比如小动物舔柱子被冻住等场景都让小编联想到了东北，比如东北的冰雪大世界、传统舔柱子技能，合理怀疑迪斯尼去东北进修过…
电影中有一段重头戏是有关于动物城百年纪念日的片段，这次的豪华派对发生在冰川镇，电影中美丽绚烂的冰雪帝国让人瞬间就想到了东北的冰雪大世界。
壮丽的冰雕景观
对比一下是不是感觉冰雪大世界和《疯狂动物城》莫名联动了？那么，如果要真的将动物城的冰川镇“搬进”冰雪大世界呢？有没有这种可能呢？下面就一起来和小编看看冰雪大世界到底是如何做成的吧
开始胡扯
01
原材料的制作——水-冰相变
为了制作冰雕，我们第一步就需要获得大量的原材料——冰。
在中学物理中我们就学习过物质基础的三种状态——固相、液相和气相，他们之间可以相互转换。
而所谓的相，指的就是被一定边界包围, 具有确定而均匀的物理和化学性质的系统或系统的一部分。
一个最常见的例子就是水：液态水既可以通过降温结成冰，也可以通过加热蒸发为水蒸气。这两个相变过程(液相到固相、液相到气相)都伴随着某些宏观物理量(例如密度)的突变，被称为非连续相变或一级相变。
那么，为什么会发生相变？为什么水会结冰？
水结冰的过程中主要受到能量的影响，主要分为两部分：
（1）能量最低趋势：物体倾向于处于能量最低、最稳定的状态，在结冰过程中，我们关注的是分子势能；（2）熵增S：系统倾向于变得越混乱越好，自然界自发过程总是朝着熵增加（变得更混乱）的方向进行。
自然界的物质有自发地达到能量最低状态的倾向，但是这里所说的能量并不是水或者冰的内能，而是在保持温度和压强恒定的情况下，系统的吉布斯自由能G。
而吉布斯自由能G = H – TS，其中H主要由分子势能决定，S代表熵，只要变化后系统的吉布斯自由能降低了（∆G < 0），这个过程就能自发发生。
而在水结冰的过程中，会释放出大量的能量（潜热），导致系统整体的能量H降低（∆H<0），同时冰的无序程度比水要小，S也会降低（∆S<0）。因此，如果温度凝固点0 ℃以下，那吉布斯自由能也会下降（∆G = ∆H - T∆S < 0），结冰过程就可以自发发生。
水的相图
而与上面水-冰相变的一级相变相比，在临界点，并没有任何物理量发生不连续的变化，但是某些物理量(如压缩系数)发散，在临界温度之上，气液不可分。物质经过临界点的过程称为连续相变或二级相变。例如铁磁顺磁相变、零磁场下金属超导态和正常态的转变等。
而以铁为例，铁原子具有磁矩，温度降低时，小磁针方向一致，有序性变高，对称性破缺，表现为铁磁性；当温度升高时，小磁针方向的随机性会变得越来越强，温度超过某一临界值时，磁矩的排列完全失去了同向性，有序性变低，对称性很强，表现为顺磁性。
铁磁顺磁相变
02
冰雕的创作步骤
有了原材料冰之后就开始制作冰雕了，小编将冰雕的制作步骤归纳为下面六步：
（1）采冰：如果水中有大量气泡或者杂质，在快速冻结时，空气来不及逸出会被冻结在冰中，当光线照射到这些气泡上会发生漫反射，使得冰看起来不透明。冰雪大世界会使用去除了杂质和空气的纯净水，并采用缓慢冻结的方式，让空气有足够时间排出，一般来说，冰块的尺寸约为宽30-40公分，长50-60公分。
（2）修整与垒砌：使用电锯对采集来的冰块进行进一步修整，形成棱角分明的标准冰块。然后，将这些冰块垒砌起来，形成三层厚度的底座。冰块直接用冷水浇筑，可以粘合在一起。
（3）打磨抛光：将底座表面打磨抛光修平，以增加光亮度。
（4）选择与叠放：选好需要雕刻的冰块，并将它们叠放到一起，用冷水粘合。
（5）雕刻：雕刻时按照自己的构思逐步雕刻。冰雕的雕刻方式分为三种：1、圆雕——又称立体造像，指不附着在任何背景上，完全独立的可以四面欣赏的冰雕；2、浮雕——即浅雕凸雕，在实体的表面上雕刻出具有背景的形象，也就是在平面上雕出凸起的形象，是介于圆雕和绘画之间的雕塑艺术；3、透雕——镂空浮雕的背景，它介于圆雕与浮雕之间，空间感很强。
圆雕
浮雕
透雕
（6）修整：当雕刻工作完成后，及时清理堆积的冰屑
03
冰雕是如何变得绚烂多彩的呢？
在哈尔滨的冰雪大世界中，除了晶莹剔透、形态各异的冰雕外，更多的是五彩缤纷的的冰雕，那这些颜色到底是如何上色的呢？
最直接的想法是直接把想要的颜色涂抹在透明冰雕上，比如下面这样：
但是这样看起来冰雕就失去了原有的清透感，破坏了冰雕原本的特点，而另一种方法是用灯光照射冰雕。
如果从外部打灯照射冰雕，当光线从空气照射到光滑的冰表面时，大部分光会发生镜面反射，小部分会进入冰内部发生折射和散射。这样一来，人们主要看到的是光源在冰面上的反射像，而不是光线穿透冰体带来的效果。因此，冰雕看起来更像一个“闪亮的物体”，而不是一个“发光的物体”。
但是如果我们将光源放在冰雕的内部，此时光会将整个冰雕照亮，不仅可以让它变得五颜六色，同时也不会失去通透感。那么，在这个过程中，光线又是如何在冰雕内部传播的呢？
要了解背后的原理，我们就需要先明白一种常见却又奇特的光学现象——全反射。
而要理解全反射，我们首先需要了解两个更基础的光学现象：折射和反射。折射是指当光从一种介质（比如空气）斜射入另一种介质（比如水或冰）时，传播方向会发生改变。而反射则是指当光射到两种介质的交界面上时，总有一部分光会返回原介质的现象。
折射与反射
而全反射现象则是发生在光从光密介质到光疏介质的过程中，折射角随着入射角的增大而增大，并且折射角总要大于入射角。因此，当入射角大于某一临界角时，折射角就会大于90°，入射光将全部折回原来的介质，不再进入到光疏媒质里去，这种现象就称为全反射。
光从水中入射到空气中时，发生的全反射现象
比如，全反射在我们生活中应用最多的场景之一就发生在光纤中，如果激光以超越临界角的角度进入光纤就会形成全反射，光线会一直到达另一端，这意味着光可以在光纤中长距离运输，无论光纤本身是什么形状，全反射会在较高折射率的玻璃和较低折射率的空气间发生。
简单的光纤示意图
而现代冰雪大世界使用彩色LED灯。由于冰的折射率比空气大，由冰（光密）到空气（光疏）的过程中，会发生全反射，由于全反射效率极高，光能量损失很小，所以彩色光能在冰内部传播很远而不会明显衰减。这使得整个冰雕呈现出均匀、饱和、鲜艳的色彩，而不是只有光源附近才亮。
红、绿、蓝等各色光在晶莹的冰体中交融、传导，最终呈现出梦幻般的色彩，这是外部打光永远无法达到的效果。
04
最后一步——给冰雕隔热
在做好冰雕后，防止冰雕熔化也是冰雕师傅们需要考虑的一个重要步骤。尽管哈尔滨的温度冬季常年在零下负十几度，但是来自地面、太阳辐射以及空气对流的热传导仍然有可能影响冰雕的保存。
我们先来看一下可能对冰雕导热的三个主要因素：
（1）来自地面的热传导：地面的温度通常会高于环境温度，地面与冰雕直接接触，根据热力学第一定律，热量从高温部分向低温部分传递，热量被源源不断地从大地传导给冰。
（2）来自太阳的热辐射：任何物体都会以电磁波的形式向外辐射能量。太阳作为一个巨大的热辐射源，其能量被冰吸收后，转化为冰的内能，导致温度升高融化，这是一个非接触式的传热过程，即使在真空中也能进行。
（3）来自空气的热对流：这是流体中由于温度差导致密度差，从而引发流体宏观运动并传递热量的过程。周围的暖空气与冰雕表面的冷空气之间存在温差，暖空气密度小会上升，冷空气密度大会下沉，形成空气循环，不断将热量“冲刷”给冰雕。
因此，冰雕展往往会选择在哈尔滨这种冬季温度极低的地区举办，从而减少热辐射和热对流的影响，而且冰雕师傅经常在没有人观赏的时候给冰雕加上保温棉和隔热层，对冰雕进行进一步的维护和保护。
根据一通分析来看，在冰雪大世界建个冰川镇还是有可能的，小编能否许个愿，尔滨能否和疯狂动物城进行联名呢？！
图片由AI生成
参考文献：
[1] 汪志诚.热力学与统计物理[M].高等教育出版社.2020.
[2] 郑金男.冰雕艺术制作和技法研究[J].天工,2022,(27):44-46.
[3] 姚启钧.光学教程[M].高等教育出版社.2019.
