張格苗
公元前350年，科學家亞里斯多德在其《氣象學》一書中記錄了黑海南岸古王國本都（Pontus）居民冬季捕魚的場景。他們在冰上搭建臨時棚屋時，為了讓棚屋的立杆更好地固定在冰上，會在它們周圍潑上熱水，使其快速結冰固定。
亞里斯多德分析認為，預先被加熱的水結冰更快，因為它們溫度降低的速度更快。所以，許多人為了將水儘快冷卻，會把水先在太陽下曬一會兒。由此引發了從古典時代延續至現代科學的「未解之謎」：熱水真的比冷水結冰更快嗎？如果是真的，需要的條件和背後的原因又是什麼？
13世紀，喜歡做試驗的英國自然科學家羅傑·培根發現，瓶子裡的熱水並不比冷水更快結冰。因此，他得出結論，熱水比冷水結冰更快這一現象需要某些特定的條件才能出現。17世紀，另一位提出「知識就是力量」的培根先生——弗朗西斯·培根，也對這一現象進行過描述。他說，只有略微暖和的水才比很冷的水更容易凍結。
同一時期，被譽為「近代科學始祖」的笛卡爾在其偉大的《方法論》中指出，一瓶水如果經過長時間加熱，那麼它比別的水冷卻得更快，因為加熱時其中最能抵抗溫度變化的一些分子被蒸發掉了。他還進一步解釋，他指的不是熱水與冷水比，而是一瓶水經過長時間加熱、再冷卻到和普通水一樣的溫度，這時候再使之結冰的話，那麼加熱過的水冷得更快。
先賢的觀察、研究展示了他們對自然細微的觀察和深刻的思考。而這一現象從1960年開始邁出了走向理論的第一步。有一個名叫姆潘巴（Mpemba）的坦尚尼亞中學生，他在烹飪課上發現，熱的牛奶混合物比涼的能更快凝結成冰激凌。這讓他十分困惑：照理說，水溫越低，結冰的速度越快，而牛奶中含有大量的水，應該是冷牛奶比熱牛奶結冰速度快才對，但事實為何相反？
隨後，在一個物理講座上，他提出了自己的疑問，卻被同班同學和老師嘲笑。然而，來自三蘭港學院的教授丹尼斯·奧斯波恩（Denis Osborne）博士記住了這個問題。等回到實驗室，他證實確有此事後，邀請姆潘巴對這個問題進行了深入研究。1969 年，二人共同在英國雜誌《物理教師》上發表文章，詳細介紹了這一現象，並稱其為「姆潘巴現象（Mpemba Effect）」。
從那時起，全世界一直有人試圖破解姆潘巴現象背後的奧秘。他們提出了各種各樣的原因，包括蒸發、加速傳熱的對流、有絕緣效果的霜、溶質、導熱性、溶解氣體、氫鍵、結晶、熵等。其中最主流的解釋是蒸發：熱水在冷卻過程中蒸發得更多，剩下的水更少，因此結冰更快。但所有解釋都不能令人完全信服。
同時也有許多人提出，這個實驗根本不能完成，懷疑或否定姆潘巴現象的真實性。我國上海向明中學一位老師和三名女高中生2005年初也在一百多次失敗的試驗後提出，在同質量同外部環境溫度條件下不可能出現熱的液體比冷的液體先結冰的現象。
有人質疑，試驗失敗只是試驗條件不符合要求。2006年，Monwhea Jeng在《美國物理學期刊》上給出的解釋是，參與比較的水體應該僅是初始溫度不同。目前得到較多認可的姆潘巴現象定義是：在同等體積、同等質量和同等冷卻環境下，溫度略高的液體比溫度略低的液體先結冰的現象。
紛繁複雜的說法，讓姆潘巴現象變得愈加神秘，甚至成為全世界科研工作者的攻堅對象。2012年，英國皇家化學學會懸賞1000英鎊，開展了一場為期六個月的比賽，評選姆潘巴現象的最佳解釋。最終，尼古拉·布萊格威客脫穎而出，他提出的解釋是過冷（Super Cooling）。過冷指液體或氣體的溫度低於凝固點溫度但並沒有凝固，而原本溫度較低的水比更容易發生過冷的現象。
最近，關於這個謎題的研究又有了新的答案。西班牙馬德裡查爾斯三世大學的安東尼奧·拉桑塔在其發表在《物理評論快報》上的論文中說，姆潘巴現象是否出現主要取決於個體水分子的速度，因為它們像蟻穴中的螞蟻一樣在四面八方漫無目的地奔跑。
論文稱，某些「成分」必須匯集在一起才能在某些特定的系統中發生這一效應。安東尼奧所在的研究小組選擇了含有硬質的非彈性球體，用它們來模擬液體的粒狀流體。這樣一來就能模擬粒子之間的相互作用，並通過分析計算了解姆潘巴現象如何發生、何時發生。
這些粒子碰撞時會釋放能量。較高溫度意味著在分子水平上運動更多，因此暖和的液體比較低溫度的液體更快結冰。中學生姆潘巴發現這一現象的牛奶中也的確懸浮著許多大顆粒。在非純淨水中，大溶質顆粒的存在可能對姆潘巴現象作出了貢獻。去年，由以色列魏茲曼研究所和美國芝加哥大學專家提出還曾提出逆姆潘巴效應，即最冷的系統比最熱的系統加熱得更快。這也在該研究中得到了證實。
當然，對這項研究並非沒有批評的聲音，它因為模式太過簡單受到質疑。但從亞里斯多德到姆潘巴，再到安東尼奧，兩千多年裡，正是在一次次探索和質疑中，人類對自然的認識愈加深刻。而之所以這個謎底還未徹底揭開，也是因為人類認識自然的路還很漫長，唯有上下求索，繼續前行。
（來源：《中國氣象報》2017年12月19日三版 責任編輯：王美麗）