熱水、冷水誰先結(jié)冰，科學家也很懵

顛覆常識的姆潘巴現(xiàn)象

說起來，這個既簡單又復雜的物理現(xiàn)象還有一個有趣的故事。

1963年的一天，坦桑尼亞的一個初中生姆潘巴和小伙伴們一起用牛奶制作冰激凌。當他還在煮牛奶時，身旁的小伙伴已經(jīng)陸續(xù)把牛奶晾涼開始往冰箱里塞了，眼看就要沒有位置了，一時心急，姆潘巴就把煮熱的牛奶直接放進了冰箱。一個半小時后，他驚奇地發(fā)現(xiàn)，他的冰激凌已經(jīng)凍結(jié)成塊，而其他小伙伴的冰激凌卻還是黏稠狀。這與我們對熱現(xiàn)象的直觀理解以及經(jīng)驗直覺完全相反。但為什么相反呢？姆潘巴帶著這個疑惑從初中直到高中，先后請教了多位物理老師都沒有答案，甚至有位老師譏諷地說：“看來有兩種物理，一種是放置四海皆準的物理，一種是‘姆潘巴物理’。”

倔強的姆潘巴仍不停地尋找答案，直到他抓住達累斯薩拉姆大學物理系主任奧斯波恩博士到他們學校訪問的機會，又提出了自己的疑問。博士并沒有對姆潘巴的問題嗤之以鼻，而是回到實驗室按照姆潘巴的陳述進行了冷熱牛奶實驗和冷熱水實驗，結(jié)果都觀察到了姆潘巴提到的奇怪現(xiàn)象，于是，博士邀請姆潘巴和他一起對這個現(xiàn)象進行研究，并于1969年共同撰寫了關(guān)于此現(xiàn)象的一篇論文，引起學界廣泛關(guān)注。于是人們將這個在同等體積和同等冷卻環(huán)境下，溫度略高的液體比溫度略低的液體（非純水）先結(jié)冰的現(xiàn)象，命名為“姆潘巴現(xiàn)象”。

姆潘巴現(xiàn)象背后的幾種解釋

為了解釋為什么有時候熱水結(jié)冰比冷水快，50多年來，許多物理學研究者先后對此現(xiàn)象進行了大量的研究，嘗試著從不同的角度去解釋。

冰霜融化說 據(jù)了解，為了研究姆潘巴現(xiàn)象，很多學者進行了實驗觀察。液體表面凝結(jié)的冰霜會影響其向周圍導熱的速率。冰霜導熱性比水差，熱水使得冰霜融化，減少了其阻礙作用，優(yōu)化傳熱。不過有充分的證據(jù)證明，在試驗過程中全部排除冰霜的干擾或抑制冰霜的融化，姆潘巴現(xiàn)象依然存在。因此，這種說法并不成立。

水汽蒸發(fā)說 一些學者相信，熱水溫度較高導致水蒸發(fā)的速率變快是造成姆潘巴現(xiàn)象的首要原因，因為蒸發(fā)使得水分子減少，要凍結(jié)的水分子也相應變少，所以加速了熱水結(jié)冰速度。不過，一些科學家對結(jié)冰前后水的質(zhì)量進行了測量，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量差從未超過3%，盡管蒸發(fā)后的水減少了，但是這3%的水分子并不能夠顯著影響水結(jié)冰需要的時間。與此同時，水汽蒸發(fā)過程中消耗的熱量也不能夠忽視，可惜的是，對于熱量消耗的對照試驗并不容易實現(xiàn)，因為它需要對開放容器和密閉容器進行測量，但是在密閉環(huán)境下，水汽蒸發(fā)和熱量的傳導都會受到阻礙，無法測量單一變量的影響。

可溶解氣體說 溫度越高，氣體在水中的溶解度就越小，因此熱水里溶解的氣體要少于冷水，由于水在溶解一些氣體后凝固點會降低，而熱水的氣體含量更低，凝固點也相應變高，這可能是熱水結(jié)冰較快的一個原因，同時也有實驗發(fā)現(xiàn)脫氣水比非脫氣水結(jié)冰更快。

熱梯度對流說 熱梯度對流觀點認為，熱水比冷水結(jié)冰更快是因為對流的增加。由于水的冷卻是從容器的表面以及側(cè)面開始，使得冷水下沉，熱水上升，因此產(chǎn)生對流。當熱水放入低溫環(huán)境中，靠近容器的水迅速降溫，而內(nèi)部水溫不變，這樣就產(chǎn)生了溫度差并引起熱對流。在冷卻的過程中，這個熱對流一直存在，溫差越大對流就越激烈，水冷卻就越快。

過冷現(xiàn)象說 在2013年初，英國皇家化學會特意舉辦了一場比賽，評選姆潘巴現(xiàn)象的最佳原理解釋。而比賽獲勝者提出的解釋就是過冷現(xiàn)象。過冷現(xiàn)象指液體或氣體的溫度到其凝固點以下，但沒有凝固的現(xiàn)象，而原本溫度較低的水比原本溫度較高的水更易發(fā)生過冷，那么它的確可能比熱水結(jié)冰更慢。

目前，盡管對于姆潘巴現(xiàn)象并沒有一個令所有人都信服的完美解釋，但是科學家仍然在不斷提出各種理論來解釋這一現(xiàn)象。

并非所有時候熱水結(jié)冰都比冷水快

正如開頭所申明的，熱水結(jié)冰比冷水快只是“有時候”，也就是說這并不是一個必然現(xiàn)象。《物理通報》雜志社所屬的《中學生物理》雜志曾對這一現(xiàn)象進行過歷時1年的討論，其中有12篇“實驗報告”，偶有成功之例。這說明姆潘巴現(xiàn)象確實存在，但控制條件難尋，復現(xiàn)不易。這也就意味著，姆潘巴現(xiàn)象只是在特定條件下出現(xiàn)的物理現(xiàn)象，而不能一般性地得出“熱水比冷水先結(jié)冰”的物理結(jié)論。

針對這一問題，9月4日，筆者采訪了中國科學院物理研究所李治林博士。他指出，因為水中不同的雜質(zhì)離子可能帶來實驗上的干擾，甚至有一種說法認為，通常環(huán)境下，普通水中不可避免地有一些微生物，它們在熱水中繁殖得更快，這些大小在微米量級的微生物恰好可以充當水結(jié)冰所需要的凝結(jié)核，成為其優(yōu)先結(jié)冰的優(yōu)勢條件。而一些研究者用更加純凈的水進行實驗時，常常不能重復這樣的結(jié)果。此外，水本身因氫鍵的存在，性質(zhì)復雜多變；而水降溫結(jié)冰更是多因素且動態(tài)的過程。因此，李治林表示，姆潘巴效應并不普遍成立，應當以更加審慎的態(tài)度對待和研究這一現(xiàn)象。

相關(guān)鏈接

研究姆潘巴現(xiàn)象有啥意義

那么對姆潘巴現(xiàn)象的研究有意義嗎？李治林認為，有意義，而且很重要。水是一種性質(zhì)獨特的物質(zhì)，有著非常豐富的物理現(xiàn)象，且在工業(yè)生產(chǎn)和生命科學中扮演極其重要的角色，然而人類目前對水的研究還很不透徹。

“30攝氏度的水”與“從100攝氏度冷卻到30攝氏度的水”一樣嗎？這個問題看上去毫無意義，似乎理所當然，但事實可能并非如此。實際上，許多物理量和物理現(xiàn)象不僅取決于物質(zhì)所處的狀態(tài)，而且與其歷經(jīng)過程密切相關(guān)，最終結(jié)果是否一樣還是需要實驗研究來確認。例如，由于冶金技術(shù)在工業(yè)上的價值，人類對鋼鐵的研究非常詳細。眾所周知，不同初始溫度、不同降溫速率處理過的鋼鐵，性質(zhì)有很大不同，其中晶粒的特點和形成過程也有所不同。類似地，實驗研究發(fā)現(xiàn)，不同過程和條件下產(chǎn)生的冰，晶體結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)也有很大不同。

盡管我們很早就知道“常壓下水在0攝氏度結(jié)冰”，但這個溫度其實只是一個范圍，冰也有各種不同的冰。

然而，對于水，很遺憾，由于微觀上太復雜，我們對其更細節(jié)的性質(zhì)還知之甚少。但有一點是肯定的，科學不能“想當然”，實驗才是檢驗真理的最終標準。正是科學家們看似無聊的“較真”、嚴謹?shù)馁|(zhì)疑、嚴格的檢驗、不斷的追求，才促進科學不斷地接近真理。