热水和冷水一起放进冰箱 谁先结冰

在探索自然界的奥秘时，我们常常会遇到一些看似违反直觉却真实存在的现象。其中，“姆潘巴效应”便是这样一个引人入胜的话题。这一效应最初由坦桑尼亚少年埃拉斯托姆·潘巴在偶然间发现，而它背后所隐藏的非平衡态热力学原理，至今仍吸引着无数科学家深入探究。

1963年，还在上中学的姆潘巴在与同学一起做冰激凌时，出于抢占冰箱空间的考虑，直接将刚煮好的热牛奶放入了冰箱。出乎意料的是，一个半小时后，他的热牛奶已经凝固成了冰激凌，而同学们的室温牛奶却依然保持着浓稠的奶浆状态。这一反常现象让姆潘巴困惑不已，他向物理老师请教，却被告知一定是自己弄错了。然而，当物理学家丹尼斯·奥斯本来到姆潘巴的学校旁听物理课程时，姆潘巴再次向他提出了这个问题。尽管奥斯本起初也不相信，但出于好奇，他还是进行了实验，并震惊地发现热水有时确实比冷水更快结冰。于是，他们共同研究这个现象，并将其命名为“姆潘巴效应”。

尽管姆潘巴和奥斯本在1969年就在《物理教育》上公布了这一发现，但过去的几十年里，科学家对于姆潘巴效应的解释却众说纷纭。有人认为热水蒸发得更快，体积会变小，从而能更快结冰；另一些人则认为冷水中溶解的气体更多，所以冰点也更低；还有人认为是外界因素在起作用，比如冰箱冷冻室铺着一层冰霜，热水会熔化这层冰霜，从而加速水与冰箱的热传递。然而，这些解释都建立在姆潘巴效应真实存在的前提下，即热水确实比冷水更快结冰。但事实上，即便是姆潘巴和奥斯本，也始终无法稳定地重复最初的实验结果。

为了探究这一现象的真相，科学家们进行了大量的实验和研究。英国伦敦帝国学院的物理学家亨利·伯里奇和剑桥大学的数学家保罗·林登在2016年测试了姆潘巴效应。他们发现，实验结果取决于温度计在水中放置的位置：如果温度计放置在相同深度，那么冷热水间不会出现姆潘巴效应；但如果温度计放置的深度有哪怕1厘米的偏差，就可能会错误地“证实”姆潘巴效应。这一实验结果揭示了姆潘巴效应的高度敏感性，以及它如此不稳定的关键原因：一杯水在快速冷却降温的过程中，一直处于不稳定的非平衡态。

在非平衡态系统中，我们习以为常的热力学规律都不再适用。温度这一概念甚至都不再存在，因为温度只是物理学家为了方便描述平衡态下粒子整体状态抽象出来的一个参数。对于非平衡态系统，我们理解中的温度根本就不存在，我们会直接面对一大堆无序、快速运动、急速变化的粒子。因此，我们需要全新的理论、方程和研究方法来理解非平衡态热力学。

近年来，这一学科正在飞速发展，而我们也正在逐渐接近姆潘巴效应的真相。2017年，美国北卡罗来纳大学化学系助理教授卢至悦等人在《美国科学院院刊》上发表论文，通过随机粒子动力学模拟，发现在一些特定条件下，姆潘巴效应和逆姆潘巴效应（比如冷水比热水更快升温）都可能会发生。这一研究结果在理论上证明了姆潘巴效应可以实现。

而在2020年，一篇发表在《自然》上的论文则用真实、准确的实验稳定复现了姆潘巴效应。研究人员用激光在水面上制作出了一个W形的一维势阱，实验用的玻璃珠在水面上可以摆脱重力影响，按势阱规定的方式运动。通过模拟冷却过程，研究人员发现，在某些初始条件下，热系统会比冷系统冷却得更快。当实验参数调整得恰到好处时，热系统的粒子几乎是立刻达到规定的冷却完成态，比冷系统快得多。研究人员将这一现象命名为强姆潘巴效应。

尽管理论模拟和真实实验都复现了姆潘巴效应，但对于那些偏好理论的物理学家来说，还希望从现有的非平衡态热力学理论出发，普适地证明姆潘巴效应。今年3月，一篇发表在《物理评论快报》上的论文便给出了姆潘巴效应的严格证明。论文的证明利用了一个数学上的优超理论（majorization theory），通过引入热优超理论（thermomajorization theory），推导出了姆潘巴效应在所有单调势下，有限时间内发生的普适条件。

这一研究成果标志着我们在理解姆潘巴效应方面迈出了重要一步。热水在特定情况下，确实能比冷水更快结冰。这一看似违反直觉的现象，实际上是非平衡态热力学复杂性的体现。随着这一学科的不断发展，我们有理由相信，未来我们将能够更深入地理解自然界的奥秘，揭开更多看似不可能却真实存在的现象的面纱。