一个奇特的物理现象——姆潘巴现象

Mpemba效应，也称为Mupainmubar效应，是指在相同体积、相同质量和相同冷却环境下，温度稍高的液体比温度稍低的液体先结冰的现象。

亚里士多德、培根和笛卡尔都以不同的方式描述了这一现象，但他们并没有引起广泛的关注。1963年，坦桑尼亚马加姆巴中学的三年级学生姆巴经常和他的同学一起做冰淇淋。在制作过程中，他们总是将生牛奶煮沸，加入糖，冷却后倒入冰块，然后放入冰箱冷冻。一天，当Mpamba在做冰淇淋时，冰箱里没有多少空间放冰块。为了占据冰箱里剩余的空间，Mpamba不得不匆忙煮牛奶并放糖进去。在它冷却下来之前，他把沸腾的牛奶倒入冰块，然后放进冰箱。一个半小时后，Mpamba发现了一个令他非常困惑的现象:他放入的热牛奶变成了冰，而其他学生放入的冷牛奶仍然是非常粘稠的液体。根据理论，水温越低，冰结冰越快，而牛奶含有大量的水。应该是冷牛奶比热牛奶结冰更快，但事实怎么能颠倒过来呢？Mpamba把这个疑问从初中带到高中。他一个接一个地咨询了几位物理老师，但没有得到答案。一位老师觉得他的问题几乎是荒谬的，于是用讽刺的语气说:你所说的叫做姆潘巴物理学！然而，执着的Mpamba并不认为他的问题是荒谬的。他抓住达累斯萨拉姆大学物理系系主任奥斯本博士的机会，参观了他们的学校，并提出了自己的问题。医生没有嘲笑他的问题。回到实验室后，医生根据Mpamba的声明做了冷牛奶和热牛奶实验以及冷热水物理实验。结果都观察到了Mpamba描述的颠覆常识的奇怪现象。因此，他邀请Mpamba和他一起研究这一现象。1969年，他和丹尼斯·奥斯本博士共同写了一篇关于这一现象的论文，因此这一现象以它命名。

“姆彭巴效应”真的能颠覆我们关于水结冰的常识吗？。40多年来，许多论文和实验都试图证明这一现象背后的原理，但由于缺乏科学的实验数据和定量分析，一直没有得出结论。

无法解释的现象

第一个证实“姆彭巴效应”存在的医生发现，最初将热水放入冰箱冷却时，热水体的上表面和底部没有温差，但一旦急剧冷却，温差立即出现，初始温度为70℃的热水产生的高低温差接近14℃，而初始温度为47℃的热水产生的高低温差只有10℃。这表明在冷冻前的冷却过程中，在一段时间内，较热液体的温差大于相对较冷液体的温差。但是为什么温差大的水要先冷冻呢？只有一种解释更合理，即水体上表面的温度越高，从上表面散发的热量就越多，因此冷却和冻结的速度就越快。这就是热牛奶先于冷牛奶结冰的秘密。

然而，其他研究人员的实验结果与上述不同。一些研究人员用纯净水反复做了类似的实验，结果没有发现“mpemba效应”。其他对此感兴趣的研究人员通过实验证实，“mpemba效应”只有在冰箱中存在明显的温度差异，或者牛奶中的糖含量不同，或者糖没有溶解，或者用于制作冰淇淋的液体含有更多的非液体成分(如淀粉)时才会出现。这意味着“mpemba效应”是一种个体现象，它所包含的物理现象不能否定我们的常识。

Mpemba效应是一个多变量问题。

物理原因:

物理上，制冷有四种共存机制:辐射、传导、蒸发和对流。通过实验观察和结果比较，发现热水比冷水结冰早的主要原因是传导、汽化和对流的综合作用。如果描述了冷冻热水和冷水的过程并分析了原因，问题就更明显了:

初始温度为4℃的盛有冷水的杯子需要很长时间才能结冰，因为水和玻璃都是导热性差的材料，液体内部的热量很难通过传导有效地传递到表面。由于温度下降、体积膨胀和密度降低，杯中的水凝结在表面上。因此，水首先在表面结冰，然后延伸到底部和周围，从而形成一个封闭的“冰壳”。此时，内层的水与外界空气隔绝，只能依靠传导和辐射来散热，因此冷却速度非常小，阻止或延缓了内层水温继续下降的正常过程。此外，当水结冰时体积膨胀，形成的“冰壳”也在限制或抑制进一步结冰中起一定作用。

对于初始温度为100℃的装有热水的杯子，冷冻时间相对要短得多。我们能看到的是表面的冰层不能连接成一个冰盖。我们看不到“冰壳”形成的现象，但是针状冰晶沿着冰水的界面生长成液体(这种现象在初始温度低于12℃时是看不到的)。随着时间的推移，冰晶由细变粗。这是因为热水具有较高的初始温度，上层水的密度在冷却后增加并向下流动，在液体内部形成对流，使水分子在其各自的“结晶中心”周围形成冰。初始温度越高，对流越强烈，能量损失越大。正是这种对流使得上层水不太可能形成冰盖。由于传热和相变潜热，单位时间内能损失大，冷却速率大。当水面温度降到0℃以下，并且有足够低的温度时，冰晶开始出现在水面上。对于初始温度较高的水，冰晶的增长率较高，这是由于没有形成冰冠和强烈的对流。最后，可以观察到冰盖仍然形成，冷却速度变小。然而，由于水中的冰晶已经在生长并且体积庞大，并且具有较大的表面能，所以冰晶的生长速率与单位表面能成比例，因此其生长速率仍然比初始温度较低的水的生长速率快得多。

生物原因:

正如雨滴的形成需要“凝结核”，水也需要许多“结晶中心”来形成冰。生物学实验发现水中的微生物通常是结晶中心。一些微生物在热水中(水温低于100℃)比在冷水中繁殖得更快。结果，热水中的“结晶中心”比冷水中的“结晶中心”多得多，加速了热水结冰的协同效应:子晶体围绕“结晶中心”生长，这是外延结晶的晶核。对流也使不同方向的分子流过子晶体。根据晶体表面上的分子力，具有适当取向的分子被抓住，许多具有有序分子排列的晶粒外延生长并悬浮在水中。结晶释放的能量通过对流释放，相邻的冰粒连接成冰，直到水完全冻结。

这些是科学家从对观察到的现象的综合分析中得出的一些结论和解释。然而，要真正解决“Mpamba问题”，做出全面、定量、令人满意的结论，还需要进一步探索。

坚硬的物体会造成伤害。

最近，美国华盛顿大学的乔纳森？Katz通过对mpemba效应的深入研究捕捉到了隐藏的幽灵。他证实了这种现象不仅是真实的，而且引起它的鬼魂也是真实的。然而，这些鬼魂只是隐藏在水中的一些普通的坚硬物体。

在破解mpemba效应的过程中，Katz一直盯着水面。我们知道，在水的加热过程中，隐藏在水-碳酸盐中的一些可溶性硬物质如碳酸钙和碳酸镜将被排出，并形成沉淀。水壶内壁上的水垢是它们被赶走的证据，这在我们的日常生活中很常见。当水达到沸点时，由于大部分硬物质的去除，它会变软。卡茨发现它也在冻结。在未加热的硬水的冻结过程中，硬水的冰点由于其内部的硬物质而低于加热的软水，这减慢了硬水的冻结速度。这个原则就像雪后在路面撒盐可以防止结冰一样。盐的混合会降低雪的冰点，从而延长雪结冰的过程。

然而，仅凭这一发现并不能直接破解姆潘巴效应，因为姆潘巴的同学们在制作冰淇淋的过程中先煮了生牛奶。那为什么Mpamba的热牛奶会先冻结？卡茨发现原因仍然在于水中的硬物:为了吃美味的冰淇淋，他们都在牛奶中加入糖，这实际上使牛奶变硬。但是它也是煮过的加糖的牛奶。热牛奶的硬度实际上比冷牛奶低。硬度的不同导致冰点的不同。硬度较高的冷牛奶冰点较低。这样，冰点稍高的热牛奶在冰点稍低的冷牛奶之前自然冻结。

当然，还有另一个原因可以降低低温水的冻结速度，因为实验证明水的热损失速度取决于温差，也就是说，在同样的低温环境中，温度相对较高的水比温度相对较低的水散热更快。牛奶也是如此。

那么，为什么在许多实验中，mpemba效应不是每次都出现呢？Katz认为原因是测试者是从软水开始的。用同样的软水进行冷热实验，由于水的冰点相同，散热速度对冻结速度影响不大，所以mpemba效应不太明显。

一些科学家指出，Katz的发现可能不是mpemba效应的最终答案，但与现有的各种答案相比，这个答案仍然是最令人信服的。

摆脱常识

现在看来，mpemba效应作为一种特殊的结冰现象，并没有颠覆我们以前的常识，但它毕竟对我们的常识提出了严峻的挑战，丰富了我们对水的理解。如果我们受常识的束缚，把这种奇怪的现象视为荒谬，那么我们就不会有任何关于水在特殊条件下的冻结特性的新发现。相反，如果我们尊重常识，善于摆脱常识的束缚，我们就会有新的发现。

仍然以水为例，美国研究人员发现水分子可以制成水膜，水膜可以像蜡一样起到防水作用。他们在铀的表面贴了一层水膜，却发现新溅出的水，就像打蜡汽车上的雨滴，很快被水膜带走了。

同样，作为常识，人们都知道水的冰点是0℃。但是一个韩国研究小组发现，水在20℃时也会凝结成冰。这些研究人员在使用扫描隧道显微镜观察电子如何穿过一层水膜到达水膜下的电极时，有了意想不到的发现。在观察期间，他们从检测仪器显示的异常数据中得知，扫描隧道显微镜的带电金属尖端在水膜中上下振动时被堵塞。原因是下落的金属尖端下的水分子会立即凝固，形成尖端的障碍。经过反复实验，证实了当扫描隧道显微镜的带电金属尖端不断下落时，它越靠近水膜下的电极，并且它们越靠近，它们之间形成的电场越强。当达到大约2个水分子的距离时，在强电场的作用下，水转化成固体形式。

如果研究人员坚持只有冷却才能把水变成固体的常识，他们会发现很难做出这个重要的发现。

此外，我们过去认为水分子的图像是像金字塔一样的四面体，相互牵着手。然而，科学家最近对水分子的研究表明，它们的图像不是单一的四面体，而是多种多样的。研究还发现，水可以冻结成13种典型的晶体。

只是普通的水有这么多奇怪的特性。自然界中肯定有无数奇怪的现象，挑战着我们的常识。

其他解释:

mpemba效应的原因如下:

1.冰箱的温度不均匀。如果Mpamba把他的冰盒放在冷却管附近，甚至接触冷却管，热牛奶完全有可能在冷牛奶之前结冰；

2.如果Mpamba不喜欢吃甜食，在冰淇淋中放的糖少，或者因为他没有时间匆忙搅拌，糖颗粒在盒子底部沉淀形成固体，实验证明冰可以先形成；

3.Mpamba自制的冰淇淋不仅在牛奶中添加了糖，还添加了淀粉，当它放的糖和牛奶越少，淀粉就会先冻结。

4.将其靠近冰箱热管。

目前，这一现象已被向明中学的三名中国女学生证明是上述四个因素的巧合。在正常情况下，首先结冰的还是冷水。这三个学生大部分寒假都是在实验室里和黄增新一起度过的。100多项实验最终产生了数万个有价值的数据。开学前，实验阶段结束，研究小组迎来了一个更无聊的数据分析阶段。虽然有先进的自动仪器来帮助，但整理、分析和总结成千上万的数据仍然相当麻烦。不管研究小组花了多长时间来阐述11个分析图表，只有论文的“数据记录分析”部分需要摘录，其复杂性可以在冷牛奶和热牛奶的比较中看出。冷糖奶和热糖奶的比较；冷、热、无糖和无淀粉牛奶的比较；含糖和淀粉的冷牛奶和热牛奶的比较:冷纯水和热纯水的比较；冷糖水和热糖水的比较；冷盐水和热盐水的比较；与纯牛奶相比，冷纯净水；用糖冷、热淀粉与无糖冷、热淀粉相比...经过仔细分析，得出结论:在相同质量、相同数量和外部温度环境下，不会出现mpemba效应，热液体不可能先冻结。最近向明中学将邀请相关专家对这一实验课题进行评审。

另一方面，一些人认为亚里士多德对这一现象的最初描述如下:“以前加热的水有助于它冻结得更快。”大多数人可能误解了这句话的原意，即“在相同温度下，以前加热的水和以前未加热的水之间的比较”而不是“热水和冷水之间的比较”。因此，根据第二种理解，也就是上面已经讨论过的，mpemba效应是站不住脚的。根据第一种理解，mpemba效应很可能成立。