姆潘巴现象，为什么热水比冷水结冰快的科学悖论

今天我们讨论一个违反常识得科学悖论，如果有人问你：“热水和冷水哪个结冰更快?”你很有可能选择冷水。这乍看没有问题，这是我们的生活常识啊，但是真理往往都善于隐藏自己，如果你真选择了冷水，那么你可能会像1963年发生的事情所证明的那样，面临一个巨大的惊喜。

1963年，一名来自坦桑尼亚的13岁马根巴中学学生埃拉斯托·姆潘巴无意中发现了热液体的怪异行为，以及它与冷液体相比的冻结行为。这一发现重新点燃了许多科学家困惑已久的古老现象，所以这也是你马上会看到的巨大惊喜！

姆潘巴效应的发现史

1963年，在上完一节关于冰淇淋制作的烹饪课后，姆潘巴赶在其他学生之前把他新做的冰淇淋放进了冰箱，并占据了所有可用的空间。匆忙中，他没有让热牛奶冷却下来，就把一杯冰淇淋放进了冰箱。

当检查他的冰淇淋时，姆潘巴惊奇地发现，他的冰淇淋比其他放凉冰淇淋的人冻结得早。当姆潘巴把这件事告诉他的同学和老师时，他们一笑置之，说他一定是弄错了，但姆潘巴笑到了最后。用姆潘巴的话说：

当奥斯本博士访问我们学校时，我们被允许问他一些问题，主要是物理方面的。我问:“如果你拿两个体积相同的容器，一个在35°C，另一个在100°C，把它们放进冰箱，一个从100°C开始的先结冰。他先是笑了笑，让我重复这个问题。我重复了一遍后，他说:“这是真的吗?你做过吗?”我说:“是的。”然后他说:“我不知道，但我保证，当我回到达累斯萨拉姆时，我会尝试这个实验。

来访的物理学家丹尼斯·奥斯本教授(博士)对姆潘巴的观察很感兴趣，并在实验室进行了测试。1969年，两人发表了一篇论文，名为《库拉论文》，作者是伊拉斯托·姆潘巴和丹尼斯·奥斯本。姆潘巴并不是第一个注意到这种现象的人，亚里士多德在公元4世纪首次发现了这一现象，热水比冷水结冰得快。后来，弗朗西斯·培根和勒内·笛卡尔等其他科学家也观察到了同样的现象。

许多人提出了他们的解释，为什么热水不应该比冷水冻结得更快。其中之一是假设水分别在30°C和70°C同时开始冷却。30°C的水可能需要10分钟才能结冰，而温度较高的邻居则从70°C开始结冰。70°C的水需要更长的时间冷却到30°C，然后再花10分钟(与30°C的水相同的时间)结冰。这是符合逻辑常理的。

上面的这个假设中只考虑了水的一个性质:它的温度。

它否定了除温度之外可能还有其他因素的事实。如果70°C的水在冷却到30°C时发生其他变化怎么办？有一种可能性或趋势是质量受到影响（质量较小），对流产生不均匀的温度分布，甚至水的溶解气体减少。

一种效果不同的结果

由于水的性质，一个看似简单的现象花了很长时间才得到解释。有很多细节会影响水的结冰方式，这些细节可能会改变很多实验设置。这些包括水中的杂质和气体含量，容器和制冷装置中水的大小和形状，冻结时间图等。

显示姆潘巴效应的两个水样的冻结速率图

虽然许多科学家的实验已经证明了姆潘巴效应的存在，但是对于产生这种效应的条件却存在着分歧。

姆潘巴效应理论的解释

没有一种机制可以解释姆潘巴现象在所有情况下的存在。因此，下面列出的一些机制解释了发生姆潘巴效应的条件。

1. 1. 蒸发:当温水失去温度达到一个较低的温度(在上面的假设中从70°C到30°C)时，由于蒸发，有相当大的水分损失。这种水的快速流失使得水的质量降低，因此冻结速度加快，尽管与较冷的水相比，冰更少。当蒸发是解释姆潘巴效应的唯一标准时，这种解释是很好的。但是如果实验是在一个封闭的容器中进行的，蒸发造成的质量损失为零，那么它就不会有质量损失。
2. 2. 溶解气体:热水中溶解气体较少，因为它在沸腾过程中逸出。这一性质的温水被认为是使对流更容易发展，导致更快的冷却温水。冷冻单位质量的水所需的热量会减少。
3. 3. 对流:有一种现象称为“热顶”。这是由于水冷却时对流造成的水的温度不均匀。密度和温度之间的关系是这样的，温度的升高导致水的密度降低。这就产生了热顶部的现象，即水的顶部比底部更热。温水的冷却速度比冷水的冷却速度快，但由于它的顶部很热，它比最初的冷水损失更多的热量。

热水在冷水之前结冰的例子有很多，但产生这种效果的原因或环境具有普遍约束力。

让我们回到现在，在2012年，英国皇家化学学会决定向科学家们征集解释。他们给任何能够对姆潘巴效应做出最佳创造性解释的个人或团体开出1000英镑的现金价格。全世界有22000名科学家参赛。最后，名单被缩减到11人。2013年1月10日，宣布了获胜者。

获胜者是萨格勒布大学化学系克罗地亚研究员尼古拉·布雷戈维奇

因为他做了其他21000多个人没有做的事。他认为对流是解释姆潘巴效应的驱动力。温暖水中的对流使热量分布均匀，问题到这里并没有解决。

姆潘巴效应的解决

新加坡的一些科学家在2013年10月发表了一篇文章，声称已经“解决”了这个问题。他们说这个问题的解决方案是水分子的键。水分子由两个小氢原子和一个大氧原子组成。但是分子越多，氢键的作用就越明显。由于水的氢键作用，它的沸点比其他分子结构相似的液体要高。

新加坡的一位科学家提出，是水的氢键使得植物在叶子上蒸发时很容易通过毛细血管吸收水分，正是这种氢键将水分子拉近。分子的拉伸形成了一个共价键O-H，它储存能量。请注意这里;随着液体温度升高，水的密度降低，分子间的距离变宽。

这个拉伸的氢键导致一个更小更放松的共价键，这使得它们释放一些能量。当共价键释放能量时，就像冷却一样。理论上，温水比冷水冷却得更快。有计算表明，大量的共价键弛豫导致了冷水和热水之间的快速冷却时间差。

这是一个很有说服力的解释，但是，这并不能完美的解释为什么热水比冷水结冰更快这一科学悖论。目前所有的叙述都较为笼统，且含有大量的数学计算，所以不能让很多人信服。但是姆潘巴效应得到了大量的实验证实，这一点毋庸置疑。

我们要像像姆潘巴一样，我们永远不应该停止提问和学习。谁知道你会不会是下一个发现异常物理学的人，它会把你推入物理学名人堂。