热水为啥先结冰，姆潘巴现象的奇妙历程

热水和冷水到底谁结冰更快？按正常逻辑来说，热水要结冰，肯定得先冷却到冷水的温度，然后再经历冷水结冰的过程，所以热水结冰时间应该更长才对。

然而，事实并非如此。早在几百年前，英国哲学家弗朗西斯・培根和数学家勒内・笛卡尔都曾提及，温水比冷水更容易结冰。

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姆潘巴现象

但要说起这一现象真正被广泛关注，还得从姆潘巴说起。1963年，坦桑尼亚中学生姆潘巴在学校制作冰激凌时，跳过了冷却步骤，直接把煮沸的奶油放进了冰箱。结果，他发现自己的奶油最先冻成冰激凌。但这一发现被老师们认为是无稽之谈。

直到1969年，姆潘巴与物理学教授丹尼斯·奥斯本共同撰写论文，指出同等质量的液体在同样的冷却环境中，温度略高的液体先结冰，这一现象被命名为“姆潘巴现象”（Mpemba effect）。

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解释姆潘巴现象没那么容易

姆潘巴的发现引来了众多研究者的关注，大家纷纷提出对姆潘巴现象的解释。

一种解释是，热水放进结霜的冰箱导致杯底冰霜融化，这会加速水与冰箱的热传递。还有一种解释是，热水比冷水蒸发更快，热水的质量就会小于冷水。

不过，后来通过给杯底加隔热垫以及给杯子加盖防止蒸发，在完善实验设计后，姆潘巴现象仍然存在。

过冷假设认为冷水过冷现象更严重

也有解释认为，靠近杯壁的水冷却后会下沉，让中间的热水上升，形成对流。热水的对流一直会比冷水更快，因此会更快达到冰点。此外，热水中溶解的气体远小于冷水，在降温过程中会大量溶解冰箱中的冷空气，且不会发生过冷现象。

2012年，英国皇家协会发起了解释姆潘巴现象的挑战赛，过冷假设获奖。

过冷是指液体温度低于正常凝固点后，仍不结冰的现象，此时液体称为过冷液体。通常液体越纯越缺乏“结晶核”，过冷现象更明显，高纯水-40℃才开始结冰。过冷假设认为，热水在冷却时可以溶解大量气体，比冷水有更多微小气泡，更容易避免过冷现象发生。

不过，很多实验显示，姆潘巴现象并没有那么简单，有时候也会出现逆姆潘巴现象，也就是低温液体先结冰，而仅靠过冷假设仍然无法完美解决。

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非平衡态系统

2016年，剑桥大学试图从更全面的角度来研究姆潘巴现象，他们列出更全面的变量，比如冷却方式（隔离杯底、冷却浴、辐射冷却），脱气或去离子，添加溶解气体，控制或检测样品蒸发等，并获得了大量测试数据。

在热平衡的水中，水分子的速度与温度的关系

但是，他们却无法进行下一步分析，因为一点小小的因素改变，甚至温度计摆放的位置差 1 厘米都会严重影响实验的结果。难怪之前那么多人研究姆潘巴现象却没能拿出服众的结论。

随着研究的深入，他们发现对于一杯水来说，虽然每个水分子的速度各不相同，但当水处于热平衡状态时，所有水分子的速度在整体上会遵从正态分布。而在快速变温的水中，水分子其实处于极不稳定的非平衡态，这些水分子的速率分布杂乱无章，此时不能使用简单的线性温度来描述这种非平衡状态。对于这种非平衡热力学状态，就需要在高性能计算机中使用建模模拟。

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还是要靠计算机

2017年，美国研究人员使用随机粒子动力学的计算机模拟确认，在特定条件下姆潘巴现象和逆姆潘巴现象都有可能发生。

因为热水的粒子有更多能量，它们能尝试更多温度变化路径，这使得热水有更多概率走出一条捷径，更快结冰。

随机粒子动力学模拟

2020 年，一个天才的构想把对姆潘巴现象的研究提高到了一个新高度。研究人员用激光在水中制造了一个W型的一维势阱，用光镊将微小玻璃珠从势阱中释放，玻璃珠一方面会受到水分子的撞击，另一方面会在两个低谷间来回跳跃并逐渐落入能量低谷。只要重复放1000次，就等价于构建了含有1000个粒子的系统。

从宏观上看，水相当于冷却剂，热系统则通过势阱中玻璃珠的位置来模拟。测量玻璃珠停留在两个低谷的时长比例，假设有80%处于平衡态、20%处于亚稳态时，就认为系统完成冷却。

因为在更热的系统中粒子可以在能量势阱中四处游走，只要调整到合适的参数，热系统（热水）就可以在极短的时间内达到规定的冷却状态，其速度远超冷系统（冷水）。

从此以后，越来越多的姆潘巴现象在各种系统中被发现，甚至在量子系统中也能被模拟出来。

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最严格的数学证明来了！

但是，科学家认为仅在计算机中模拟出来仍然不算严谨，还需要理论上的数学证明。

直到2025年3月，姆潘巴现象的严格数学证明终于来了。研究者提出一种新的热多重排序理论。按这套理论定义从非平衡态系统到平衡态的距离后，无论使用什么方式测量，热水的超车时间都一样。

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姆潘巴现象的本质

姆潘巴现象本质上体现了在非平衡态系统中能量传递是很奇妙的，其中是有捷径可走的，而热水比冷水更可能找到这条捷径。

如今，对这种现象的理论解释已经广泛应用到，从量子到宇宙天体之间各种尺度的非平衡态系统中。而这一切都源于姆潘巴在 6 年后仍然对中学时一个反常现象的不懈探索。

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编辑｜张毅

主编｜黎坤

总编辑｜吴新

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