热水和冷水一起放进冰箱，为什么热水会先结冰？

冷热水同时放入冰箱冷冻室，谁会先结冰？按常识判断，必然是更接近0℃的凉水。但2025年3月《物理评论快报》给出实锤：特定条件下，热水反而结冰更快。这并非玄学，而是真实的物理规律，难道我们以往的物理认知存在偏差？

一杯冰激凌引发的“世纪互怼”

这事儿的源头，得追溯到半个多世纪前的非洲。主角不是什么顶尖科学家，而是坦桑尼亚一名叫埃拉斯托·姆潘巴的中学生。

1963年，学校组织制作冰激凌，标准步骤为：将牛奶加热、加糖，冷却至室温后再放入冰箱冷冻。但当时学校冰箱空间十分紧张，晚一步就会没有位置。姆潘巴看着刚煮沸的热牛奶，又留意到冰箱内仅剩的少量空位，决定不再等待冷却，直接将热牛奶放入冰箱抢占空位。

一个半小时后，姆潘巴打开冰箱发现，自己放入的热牛奶已完全冻结，而同学们按规范冷却后放入的常温牛奶，仍处于黏稠的未结冰状态。

姆潘巴当场感到困惑，随即向物理老师请教。但老师直接否定了他的观察：“这肯定是你的错觉，依据物理原理，热水不可能比冷水先结冰。”

姆潘巴坚持自己的观察无误。后来，物理学家丹尼斯·奥斯本来校访问，姆潘巴抓住机会，在全校师生面前向他提问：“教授，为何热牛奶与冷牛奶同时放入冰箱，热牛奶会先冻结？”

全场哄堂大笑，众人都觉得这个问题异想天开。但奥斯本教授并未发笑，反而被这个奇特的现象引发了好奇。回到实验室后，他严格按照姆潘巴的描述开展了实验。

结果让教授大跌眼镜：热水有时候真的比冷水结冰快！

这个发现直接颠覆了当时的主流认知。1969年，奥斯本和姆潘巴联名在《物理教育》杂志上发表了论文，正式把这个反直觉的现象命名为“姆潘巴效应”。从那以后，这个现象就像一朵挥之不去的乌云，笼罩在热力学领域上空。

此后数十年间，研究者提出了多种假说。有观点认为，热水蒸发速度更快，水分减少后自然加速结冰；也有假说指出，冷水中溶解的气体更多，这些气体可能阻碍水分子凝结成冰；还有研究将原因归结于冰箱霜层——热水放入后会融化霜层，使容器与冰箱内壁接触更紧密，提升导热效率，从而加快降温。

这些解释看似合理，但核心问题在于，姆潘巴效应的重现性极差。众多科学家在实验室中反复验证，结果时有时无，即便姆潘巴与奥斯本本人，后续也难以稳定复现最初的实验结果。这让不少严谨的物理学家产生质疑：这一现象究竟是真实的物理规律，还是实验误差导致的偶然结果？

冰箱里的“幽灵”与消失的温度

2016年，英国伦敦帝国学院的亨利·伯里奇与剑桥大学的保罗·林登，决定厘清这一争议。他们认为直接观察结冰过程过于复杂，转而通过测量水温从初始温度降至0℃的耗时，探究冷热水降温差异的核心原因。

实验发现了关键变量：温度计的测量位置会直接影响结果。即便仅移动1厘米探头，数据也会出现显著差异。当温度计插入深度一致时，姆潘巴效应便会消失；而深度存在偏差时，数据则会显示热水降温更快。

这说明了什么？这说明咱们平时理解的“一杯水”，在快速冷却的时候，根本就不是一个温度均匀的整体。

这里要提醒一句，我们日常所说的“温度”，是描述系统平衡状态的物理量。静置许久的水内外温度均匀，水分子运动遵循固定能量分布，此时“水温20℃”的表述才成立。

但将沸水放入零下18℃的冰箱后，水会处于非平衡态：杯壁附近的水已开始降温，中心区域仍保持高温，水分子剧烈运动，系统处于混乱动荡状态。这种情况下，无法为整杯水定义统一的温度。

物理学中的“弛豫”，指系统从混乱的非平衡态逐渐恢复至稳定平衡态的过程。这一过程中，经典的牛顿冷却定律不再适用。

由于人类对非平衡态热力学的认知尚浅，热水在冰箱内的具体变化过程如同黑箱。冷水降温遵循稳定的线性规律，而热水虽初始能量高、状态不稳定，却可能通过更高效的路径完成降温。

正是因为这个“非平衡态”太复杂，导致之前的很多实验都像是在盲人摸象。直到近几年，科学家们才开始真正摸到了门道，逐渐揭开了这个现象的神秘面纱。

粒子世界的“量子捷径”

冷水系统的粒子运动规律稳定，如同沿固定路线下山的登山者，速度缓慢但平稳；热水系统的粒子因能量更高，可探索更多运动路径，更易找到高效降温的“捷径”，从而比冷水粒子更快完成冷却。这一发现从理论层面证实，姆潘巴效应并非偶然，而是存在内在物理逻辑。

这个理论在2020年得到了更有力的证实。有研究团队在《自然》杂志上发表论文，他们没用实际的水，而是用激光造出了一个W形的能量陷阱，里面放上玻璃珠来模拟水分子的运动。

实验设计极具巧思：W形陷阱的两个“山谷”分别对应结冰后的稳定态（深坑）与未结冰的亚稳态（浅坑）。研究人员通过观察玻璃珠在两坑的停留时间比例判断冷却完成度——当玻璃珠80%的时间停留在深坑、20%在浅坑时，即认定冷却完成。

实验结果显示，将玻璃珠置于更高能量位置（模拟热水），在参数适配的情况下，其进入深坑（稳定态）的速度显著快于低能量位置的玻璃珠（模拟冷水）。这种速度差异有时极为显著，被科学家定义为“强姆潘巴效应”。

2025年3月，这一现象终于得到数学层面的严格证明。研究人员引入“热优超理论”，其核心逻辑并不复杂：传统对比冷热水降温速度的核心是温度数值，而热优超理论聚焦于系统能量分布的“混乱排序”差异。

研究表明，非平衡态下，热水系统的能量分布虽更混乱，但在冷却过程中可能具备数学层面的优势。

只要满足特定条件，热水系统就能在能量景观中找到高效降温的捷径。这就如同游戏场景中，冷水系统需按常规流程逐步冷却，而热水系统因初始能量充足，可触发高效冷却的“隐藏机制”。

这篇最新论文彻底证实，姆潘巴效应并非测量误差或偶然现象，而是非平衡态热力学中真实存在的物理机制。

家用冰箱中难以稳定复现，是因为受到霜层厚度、容器形状、水质杂质等多种干扰因素影响。但从物理底层逻辑来看，热水确实存在“优先结冰”的可能。

总结下来的话，这个困扰科学界60年的谜题，终于从中学的偶然观察，升格为严谨的物理定律。它也印证了微观世界的规律，远比我们直观认知的更为复杂奇妙。