熱水結冰居然比冷水還快，姆潘巴現象顛覆物理學是真的嗎？

2020-12-02 數理雜談

如果你需要更快地製取冰塊，請先把水加熱！這一看起來純屬反常識的笑話，真的是天方夜譚嗎？

上世紀60年代，一名非洲坦尚尼亞的中學生姆潘巴發現，熱的冰淇淋液比冷的混合液更快地結冰，他的好奇心激起了科學界長達數十年之久的激烈辯論，熱度至今都絲毫不減！

1963年，坦尚尼亞的馬乾巴中學三年級的學生姆潘巴與同學們一起做冰淇淋吃。在做的過程中，他們先把生牛奶煮沸，加入糖，等冷卻後倒入冰格中，再放進冰箱冷凍。有一天，當姆潘巴做冰淇淋時，冰箱冷凍室內放冰格的空位已經所剩無幾。為了搶佔剩下的冰箱空位，姆潘巴只得急急忙忙把牛奶煮沸，放入糖，等不及冷卻，就把滾燙的牛奶倒入冰格中，並送入冰箱。一個半小時後，姆潘巴發現了一個讓他十分困惑的現象：他放入的熱牛奶已經結成冰，而其他同學放的冷牛奶還是很稠的液體。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，但事實怎麼會顛倒過來了？

姆潘巴把這個疑惑從初中帶到了高中。他先後請教了幾個物理老師，都沒有得到答案。一位老師感覺他提出的問題怪異得近乎荒唐，就用嘲諷的口吻說：你說的這些就叫做姆潘巴的物理吧！但執著的姆潘巴並沒有認為自己的問題很荒唐，他抓住三蘭港大學物理系系主任奧斯博爾博士到他們學校訪問的機會，又提出了自己的疑問。這位博士並沒有對他的問題嗤之以鼻。奧斯博爾答應回去後會做這個實驗。他認為這個男孩錯了，但又覺得不應該嘲笑任何一個問題，而且可能真的有其他未知因素影響著冷卻速率。讓奧斯博爾內大吃一驚的是，實驗結果的確如姆潘巴所言。於是，他邀請姆潘巴和他一起對這個現象進行了深入研究。1969年，他和姆潘巴共同署名發表了一篇論文，因此該現象便以姆潘巴的名字命名。

姆潘巴（左）與 奧斯博爾（右）2013年在倫敦

這一反直覺的現象稱之為姆潘巴效應，是物理學中一個令人頗為頭疼的怪異現象。"姆潘巴效應"指在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（非純水）先結冰的現象。

姆潘巴現象是一種有違人們認知的特殊現象，歷史上亞里斯多德、培根和笛卡爾均曾以不同的方式描述過該現象，但是均未能引起廣泛的注意。

在過去的10多年裡，科學家對姆潘巴效應的關注更加密切，希望找出這個與直覺不符的現象背後的確切原因。英國皇家化學會甚至還在2012年贊助了一場比賽，邀請來自世界各地的科學家對這個現象給出自己的解釋，但迄今為止，提交的兩萬多篇相關論文並沒有在科學界達成一個廣泛的共識。

科學家給出的一個最常見的解釋是對流熱傳遞的作用：水在升溫過程中形成對流，熱水移動到表面並蒸發。這一作用的結果是，裝在一個杯蓋打開的杯子裡的熱水，會比裝在類似容器裡的冷水蒸發得更快，因而剩下的水凝固得也更快。這一理論把姆潘巴效應限制在了敞開的容器中，然而一些在封閉的容器中的實驗也觀察到了這種現象。

另一種解釋是生物原因：同雨滴的形成需要"凝結核"一樣，水要結成冰，需要水中有許許多多的"結晶中心"。生物實驗發現，水中的微生物往往是結晶中心。某些微生物在熱水中繁殖比冷水中快，這樣一來，熱水中的"結晶中心"就要比冷水中的"結晶中心"多得多，加速了熱水結冰的協同作用：圍繞"結晶中心"生長出子晶，子晶是外延結晶的晶核。對流又使各種取向的分子流過子晶，依靠晶體表面的分子力，抓住合適取向的水分子，外延生長出分子作有序排列的許多晶粒，懸浮在水中。結晶釋放的能量則通過對流放出，而各相鄰的冰粒又連結成冰，直到水全部凍結為止。

當前的主流觀點認為水中的氫鍵對這一現象至關重要。2015年有人從結晶層面提出在溫水中水六聚體態的較高佔比是姆潘巴效應下更快結晶的原因。 2016年又有人根據振動光譜和密度泛函理論優化水團簇模擬的結果提出了另一種可能的解釋：隨著溫度升高，總體氫鍵作用減弱其中弱靜電氫鍵斷裂而強氫鍵的數量增加；當溫水快速冷卻時，由這些少量的強氫鍵帶來的小而強結合的團簇的存在促進了六邊形冰的成核，因此出現了姆潘巴現象。

但其他研究人員的實驗和上面的實驗結果就不大相同了。有研究人員用純淨水反覆做了類似實驗，結果始終沒有發現"姆潘巴現象"。還有對此感興趣的研究者通過實驗證實，只有當冰箱內有顯著溫差、或牛奶含糖量不同、或糖沒有溶解、或做冰淇淋的液體中含有較多澱粉等非液體成分時，"姆潘巴現象"才會出現。這就是說"姆潘巴現象"是個別現象，其所包含的物理現象並不能否定我們的常識。

還有人認為，姆潘巴現象作為一個結冰特例並沒有顛覆我們以往的有關常識，但它畢竟對我們的常識進行了一次激烈挑戰，豐富了我們對水的認識。如果我們被常識束縛，硬把這個怪異現象當做荒唐現象來看待，那麼我們就不會對水在特殊條件下的結冰特點有新發現。相反，如果我們在尊重常識的同時，還善於擺脫常識的束縛，我們才會有新發現。

無論如何，姆潘巴現象引發了一場持續數十年之久的大討論，並且至今沒有一個得到公認的定論。關於姆潘巴現象的討論和實驗，的確促進了人們在相關領域的認知。

對此感興趣的朋友，不妨在自己家裡試試哦。

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  • 熱水比冷水更容易結冰是真的嗎？
    如果有人問你：「冷水和熱水哪個先結冰？」相信你一定會覺得這個提問的人是不是傻了，當然是冷水先結冰了。然而，事實上有時候還真未必。特定條件下可能熱水結冰比冷水還要快，這是怎麼回事呢？這種現象叫姆潘巴現象。
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    如果有人問你：「冷水和熱水哪個先結冰？」相信你一定會覺得這個提問的人是不是傻了，當然是冷水先結冰了。然而，事實上有時候還真未必。特定條件下可能熱水結冰比冷水還要快，這是怎麼回事呢？ 　　其實，歷史上諸多學者如亞里斯多德、培根和笛卡爾等都曾對類似現象有所描述但是均未能給出完美的解釋。甚至現代科學家們面對這樣一個「簡單」的問題也仍然存在爭議。
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    人們通常認為，當一杯冷水和一杯熱水同時放入冰箱時，冷水很快就會結冰。事實並非如此。有經驗的汽車司機都知道冬天最好用冷水洗車，而不是用溫水，否則溫水一進車就會立刻結冰。溫水比冷水結冰快嗎？為什麼？從做冰淇淋中發現的「姆潘巴效應」1963年的一天，在熱帶坦尚尼亞的一所中學裡，一群學生想做些冷凍食品來降溫。
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  • 熱水真的能比冷水冷卻得更快嗎?
    有一次在他進行這一步驟時，他注意到熱水比溫水凍結得更快。後來，他將這種現象寫成了一份報告，成為了第一個描述這種反直覺效應的人。而這種效應後來也被稱作為姆潘巴效應。 自那之後，這種效應便成為了實驗研究的主題，同時也是爭議之所在。
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  • 這難題讓亞里斯多德撓頭，為何熱水比冷水先結冰，專家也沒有答案
    說到這裡，我們可以舉一個例子，假如你取兩個同樣大小的杯子，在內部分別盛滿熱水與冷水，接著再將其放入冰箱之內，過一會兒，你就能驚奇地發現，熱水的結冰速率明顯要比冷水快了很多。值得一提的是，最早發現這一現象的人，是古希臘著名哲學家亞里斯多德。他曾在自己的著作《氣象學》中描寫了這樣一件事：「在冰上捕魚的漁民，為了能在冰上搭建臨時的棚屋，總是喜歡在立杆周圍澆灌熱水，以此使水快速凝結成冰」，在書中他還提出了對這種現象的質疑。
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    儘管在過去的成百上千年裡，時常有人會提到這樣一種有悖直覺的現象，但直到20世紀60年代，它才被作為一種科學結果發表。　　1963年，坦尚尼亞的一個名叫埃拉斯託·姆潘巴（Erasto Mpemba）的男孩在製作冰淇淋時，將水加熱到高溫給設備消毒。有一次在他進行這一步驟時，他注意到熱水比溫水凍結得更快。
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    儘管在過去的成百上千年裡，時常有人會提到這樣一種有悖直覺的現象，但直到20世紀60年代，它才被作為一種科學結果發表。1963年，坦尚尼亞的一個名叫埃拉斯託·姆潘巴（Erasto Mpemba）的男孩在製作冰淇淋時，將水加熱到高溫給設備消毒。有一次在他進行這一步驟時，他注意到熱水比溫水凍結得更快。
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